楊凱凱, 邊偉華, 王巖泉, 李 昭, 劉曉康, 王璞珺

(1.吉林大學地球科學學院,吉林長春 130061; 2.中國石化勝利油田公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257000;3.中國地質調查局油氣資源調查中心,北京 100083)

玻質碎屑巖又稱淬碎碎屑巖,是熾熱的熔漿在流動過程中與水接觸,進而驟冷收縮、淬裂形成[1],與熔巖相比,其通常具有火山碎屑結構,且結晶程度較低,基質呈玻璃質或半晶質結構,碎屑表面可見玻璃質外殼,膠結方式以水化學膠結方式為主,根據(jù)成分可分為玄武質、流紋質和安山質等[2]。其在具有火山裂谷背景的沉積盆地中可以占據(jù)較大的體積[1]。玻質碎屑巖不僅可以作為陸相火山巖水下噴發(fā)或就位的一個重要標志[3],也可以火山巖油氣儲層的形式存在[4]。另外由于其形成于水下,其對烴源巖也可能產生一定的影響[5]。玻質碎屑巖在全世界分布廣泛[1]。中國的渤海灣盆地遼河坳陷是火山巖儲層刻畫較精細的地區(qū)[6],將玻質碎屑巖作為一種獨立的火山巖相來進行研究[3],并對其儲層特征進行了刻畫[4]。準噶爾盆地石炭系火山噴發(fā)以陸相噴發(fā)為主[7-9],與水下噴發(fā)相關的玻質碎屑巖未見有公開報導。筆者通過對準噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖野外露頭的研究,發(fā)現(xiàn)巴塔瑪依內山組地層存在玻質碎屑巖,從而為巴塔瑪依內山組火山巖存在水下噴發(fā)或就位提供了直接證據(jù)。此外,通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年以及烴源巖分析等手段,對巴塔瑪依內山組玻質碎屑巖形成年代以及泥巖夾層特征進行研究,揭示玻質碎屑巖的形成時代,首次探討五彩灣—白堿溝地區(qū)火山巖水下噴發(fā)時限,并對該地區(qū)水下噴發(fā)環(huán)境可能對火山巖氣藏發(fā)育產生的影響進行分析。

1 地質背景及火山沉積地層序列

準噶爾盆地位于新疆北部,四周被造山帶所環(huán)繞,是中國西部重要的含油氣盆地。準噶爾盆地可劃分為6個一級構造單元,分別為烏倫古坳陷、陸梁隆起、中央坳陷、北天山山前沖斷帶、西部隆起和東部隆起。盆地火山巖主要發(fā)育于石炭系巴塔瑪依內山組,其廣泛分布于陸梁隆起、東部隆起以及盆緣的卡拉麥里地區(qū)。巴塔瑪依內山組巖性以玄武巖和流紋巖等火山熔巖為主,另外可見一定比例的火山碎屑巖,局部發(fā)育沉積巖夾層[10],形成于后碰撞期伸展背景下[11]。

研究區(qū)位于準噶爾盆地東部的白堿溝地區(qū)(圖1),研究層位為石炭系巴塔瑪依內山組。白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組地層巖性主要為安山巖、玄武巖、流紋巖、凝灰角礫巖夾碳質頁巖、煤線及粉砂巖、霏細巖、流紋斑巖。研究選取的剖面位于白堿溝西溝(圖1)。剖面地層序列以玻質碎屑巖和火山熔巖的不等厚互層為主,夾泥巖或碳質泥巖(圖1、圖2(a)、(b))。

2 測試方法

2.1 巖石學方法

首先通過剖面實測,建立剖面地層序列(圖1),其次對手標本進行鑒定,初步確定巖性類型。同時進行系統(tǒng)取樣,磨制光學薄片,使用奧林巴斯BX51偏光顯微鏡進行巖礦鑒定,并使用奧林巴斯DP71相機拍攝顯微圖像,從而確定玻質碎屑巖的巖石學特征,并為年代學測試樣品的選取提供依據(jù)。

2.2 年代學方法

測年方法為LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年,樣品ZB68取自準噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組地層,巖性為流紋質玻質碎屑巖,樣品野外和鏡下照片如圖2(j)～(l)所示。樣品鋯石挑選在河北省廊坊市宇能巖石礦物分選技術服務有限公司進行,包括樣品粉碎、磁力分選、雙目鏡挑選等步驟。鋯石的制靶和陰極發(fā)光CL照相在北京鋯年領航科技有限公司完成,制靶的過程在其網(wǎng)站上有詳細說明。鋯石U-Pb定年在中國地質科學院國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室完成。用于鋯石U-Pb測試的儀器為Neptune 多接收電感耦合等離子體質譜和Newwave UP213 紫外激光剝蝕系統(tǒng),采用ICPMSDataCal程序處理數(shù)據(jù),平均年齡計算和協(xié)和圖制作采用Isoplot 3.0。

2.3 烴源巖測試方法

測試的樣品為ZB40、ZB46、ZB50、ZB53、ZB56和ZB62,烴源巖取樣位置如圖1所示。測試內容為總有機碳(TOC)。在吉林大學測試科學實驗中心進行,儀器為LECO CS-230碳硫儀,包括碎樣、稱重、酸洗、水洗、烘干、測試等步驟。

圖1 準噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)地質簡圖及剖面地層序列Fig.1 Geological setting and profile stratigraphic sequence of Baijiangou area in Eastern Junggar Basin

3 結 果

3.1 玻質碎屑巖的巖石學特征

研究區(qū)玻質碎屑巖根據(jù)組成礦物和結構的不同可分為玄武質玻質碎屑巖和流紋質玻質碎屑巖。其中玄武質玻質碎屑巖的碎屑內無斑晶,基質為間粒結構,斜長石微晶搭成的格架中充填有輝石(蝕變?yōu)榫G泥石)等顆粒。流紋質玻質碎屑巖的碎屑同樣無斑晶,基質呈霏細結構,由大量長英質微晶組成。玄武質和流紋質玻質碎屑巖的頂部或底部往往與泥巖接觸(圖1、圖2(a)、(b))。玄武質玻質碎屑巖主要發(fā)育在剖面下部和中部,均為灰綠色,下部的玻質碎屑巖碎裂程度低,可見由于巖漿流動受阻,產生的似枕狀變形構造(圖2(c)),表面見玻璃質外殼(圖2(c)～(e)),玻璃質外殼呈碎屑狀,具球狀外形,碎屑之間可見鈣質膠結(圖2(d)、(e))。中部的玻質碎屑巖呈碎裂狀(圖2(f)、(g)),氣孔不發(fā)育,表面可見明顯的淬火成因的玻璃質外殼(圖2(f)、(g)),鏡下可見整體發(fā)生綠泥石化,且長石多呈中空骸晶結構(圖2(h))。流紋質玻質碎屑巖發(fā)育在剖面上部(圖1),顏色主要為肉紅色(圖2(i)、(j)),呈碎裂角礫狀,氣孔同樣不發(fā)育,往往具有一定的粒度分選(圖2(j)),表面可見到典型的灰綠色玻璃質外殼(圖2(i)),碎屑之間一般無或有少量位移, 其邊界一般可拼合(圖2(k)),鏡下可見碎屑的巖性和結構相同,均為流紋巖,具無斑結構,膠結物以方解石等水化學膠結物為主(圖2(l))。

3.2 玻質碎屑巖的年代學特征

流紋質玻質碎屑巖的鋯石形態(tài)多較自形,以短柱狀為主,長度介于50～120 μm,集中于60～80 μm,長寬比介于1∶1～1∶3。CL圖像顯示大部分鋯石具有震蕩環(huán)帶(圖3),Th/U比值均大于0.1(表1),表明為巖漿成因。13顆鋯石的LA-ICP-MS鋯石年齡測試結果如表1所示。

由表1可知,13個鋯石中僅有1個鋯石的測試(ZB68-5)年齡偏高,206Pb/238U年齡為481.1 Ma,可能為巖漿捕獲的鋯石。其余12個鋯石的年齡介于325.5～334.1 Ma,這12個鋯石的206Pb/238U加權平均年齡為330.2±1.7 Ma,這些數(shù)據(jù)在年齡諧和圖上分布于諧和線附近一點上,上交點年齡為333.8±4.6 Ma,代表了玻質碎屑巖的形成年齡(圖4)。

表1 白堿溝地區(qū)流紋質玻質碎屑巖的鋯石LA-ICP-MS分析測試數(shù)據(jù)Table 1 Zircon LA-ICP-MS analysis data for rhyolitic hyaloclastite in Baijiangou

3.3 烴源巖特征

烴源巖評價標準采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準(SY/T 5735-1995),據(jù)此標準,白堿溝剖面烴源巖樣品總有機碳(TOC)介于0.91% ～20.5%,其中碳質泥巖TOC為20.50%;泥巖TOC介于0.91% ～3.50%,平均值為2.06%。有機質豐度屬于中等—很好?？傮w來看,此剖面的烴源巖有機質豐度較高(表2)。

4 討 論

4.1 玻質碎屑巖的成因及意義

前已述及,巴塔瑪依內山組火山巖形成于后碰撞期伸展背景下[11],大量的巖漿活動與廣泛分布的局限性水體相互作用,形成了白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖與泥巖互層分布的現(xiàn)象(圖2(a)、(b))。玻質碎屑巖正是在這種地質背景下產生的。

陸相水下噴發(fā)火山巖可以分為陸上噴發(fā)水下保存和水下噴發(fā)水下保存兩種[5]。玻質碎屑巖既可以由陸上噴發(fā)的熔漿流入水體形成,也可以由熔漿水下噴發(fā)形成[12]。當水體較深時往往形成枕狀熔巖,而水體較淺時則往往形成玻質碎屑巖[13]。剖面下部的玄武巖呈灰綠色,碎裂程度低,僅可見玻璃質外殼呈碎裂狀,內部則相對致密,表面可見巖漿流動受阻產生似枕狀變形構造(圖2(c)),因此認為此種玻質碎屑巖可能是由于巖漿水下噴發(fā)形成的,且水深相對較大,形成后長時間處于還原環(huán)境。剖面中部的玄武質玻質碎屑巖破碎程度相對較高,除表面具有玻璃質外殼外,可見巖石整體綠泥石化,基質內斜長石晶體呈中空骸晶結構(圖2(h)),而這正是水下噴發(fā)的典型標志[14]。上部的玻質碎屑巖破碎程度更高,呈肉紅色(圖2(i)、(j)),整體具無斑結構,因此認為其是由于熾熱的熔漿與較淺的水體接觸并淬火、破碎而形成的,隨著水體深度的降低,逐漸暴露出地表,從而被氧化為肉紅色。綜合來看,剖面火山巖為水下噴發(fā)成因,且具備陸上噴發(fā)水下保存和水下噴發(fā)水下保存兩種成因。

巴塔瑪依內山組火山巖的噴發(fā)環(huán)境仍然是一個存在爭議的問題。總的來看,既存在陸上噴發(fā),也存在水下噴發(fā),且不同地區(qū)火山巖的噴發(fā)環(huán)境不盡相同。如五彩灣地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖以水下噴發(fā)為主[7],石西凸起和滴南凸起則以陸上噴發(fā)為主[7, 15]。但是目前巴塔瑪依內山組火山巖噴發(fā)環(huán)境的判別主要是根據(jù)顏色、原生氣孔發(fā)育程度、蝕變類型等標志來進行的[7, 15],尚未有玻質碎屑巖等判別巖漿水下噴發(fā)證據(jù)的報導。在白堿溝地區(qū)發(fā)現(xiàn)的玻質碎屑巖填補了這一空白,為研究區(qū)火山巖的水下噴發(fā)提供了最直接的證據(jù)。

4.2 火山巖形成時代及水下噴發(fā)時限

迄今為止,巴塔瑪依內山組火山巖形成于早石炭世還是晚石炭世仍是一個存在爭議的問題。已發(fā)表的精確定年數(shù)據(jù)表明,不同地區(qū)的巴塔瑪依內山組火山巖時代歸屬不同,整個石炭紀均有巴塔瑪依內山組火山巖發(fā)育,且從東部盆緣的雙井子、東黑山等地區(qū)到西部的陸梁隆起,火山巖的噴發(fā)時代變小,由早石炭世逐漸變?yōu)橥硎渴?這可能與準噶爾洋盆從早石炭世開始由東至西呈“剪刀式”閉合[16]有關。古洋盆的閉合伴隨著兩側陸塊的碰撞,后碰撞期伸展背景下的火山活動形成了巴塔瑪依內山組火山巖[11]。因此準噶爾盆地東部地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖噴發(fā)時代并不局限于早石炭世或晚石炭世,而是在整個石炭紀均有發(fā)育(圖5,其數(shù)據(jù)來源于文獻[16]～[20])。

圖5 巴塔瑪依內山組火山巖年齡統(tǒng)計Fig.5 Age statistics of volcanic rocks in the Batamayineishan Formation

白堿溝地區(qū)已發(fā)表的測年數(shù)據(jù)介于315±4 Ma和300.8±4.9 Ma[17-19],屬于晚石炭世。研究區(qū)的測年結果為333.8±4.6 Ma,首次在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)早石炭世火山巖。因此綜合來看白堿溝地區(qū)早石炭世和晚石炭世均有火山巖的發(fā)育,火山噴發(fā)從333.8±4.6 Ma一直持續(xù)至300.8±4.9 Ma。這也從側面證明巴塔瑪依內山組在整個石炭紀均有發(fā)育,而并不局限于早石炭世或晚石炭世。

早石炭世晚期卡拉麥里洋閉合,兩側陸塊發(fā)生軟碰撞[21],五彩灣及鄰區(qū)形成殘余的陸緣海[22]。晚石炭世,五彩灣凹陷及鄰區(qū)沉積環(huán)境表現(xiàn)為瀉湖—陸表海以及海陸過渡環(huán)境[22-23](圖6,據(jù)文獻[23],有修改)。結合白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組巖性為中—酸性熔巖夾碳質頁巖、煤線及凝灰質砂巖的特征,表明該地區(qū)火山活動應處于水下環(huán)境[19,23]。同樣,筆者在剖面踏勘過程中發(fā)現(xiàn)的具石泡構造的珍珠巖也指示該地區(qū)的火山活動處于水下的事實。此外五彩灣凹陷的勘探實踐也表明,巴塔瑪依內山組暗色泥巖極為分散,多夾持于火山巖之間,也為該地區(qū)火山巖的水下噴發(fā)提供了證據(jù)。綜合來看五彩灣及鄰區(qū)火山巖的水下噴發(fā)環(huán)境可能由早石炭世晚期一直延續(xù)至晚石炭世。五彩灣—白堿溝地區(qū)火山巖水下噴發(fā)可能從333.8±4.6 Ma開始一直持續(xù)至300.8±4.9 Ma。

圖6 準噶爾盆地晚石炭世巖相古地理圖Fig.6 Lithofacies paleogeography of Late Carboniferous in Junggar Basin

4.3 水下噴發(fā)環(huán)境對火山巖氣藏發(fā)育的影響

前已述及,五彩灣—白堿溝地區(qū)火山巖水下噴發(fā)時間從早石炭世一直延續(xù)至晚石炭世,如此長時間的水下噴發(fā)環(huán)境勢必對五彩灣—白堿溝地區(qū)火山巖油氣藏的形成產生影響。由于巴塔瑪依內山組火山巖成藏模式以自生自儲為主[24],因此其影響主要體現(xiàn)在烴源巖和儲層兩個方面。

4.3.1 水下噴發(fā)對烴源巖的影響

巴塔瑪依內山組烴源巖形成于火山噴發(fā)間隙,表現(xiàn)為大套的火山巖之間的烴源巖(圖7(a)),這套烴源巖以泥巖和煤為主,廣泛發(fā)育于準東地區(qū)的各個凹陷[24]。經過對白堿溝剖面烴源巖的系統(tǒng)采樣、分析,可知這套烴源巖具有有機質含量高的特征(表2),是一套優(yōu)質的源巖。如此高的有機質豐度可能與火山巖的水下噴發(fā)有一定關系。這種推斷可以通過與滴西地區(qū)陸上噴發(fā)環(huán)境中形成的烴源巖對比得到證實,滴西地區(qū)巴塔瑪依內山組泥質烴源巖TOC為1.06%[25],而研究區(qū)泥質烴源巖TOC平均值為2.06%。究其原因,一方面火山巖水下噴發(fā)為有機質的保存提供良好的還原環(huán)境[7],另一方面火山灰含有的礦物質增加了水體的營養(yǎng)成分[24]。

圖7 五彩灣和白堿溝地區(qū)烴源巖和次生溶蝕孔隙發(fā)育特征Fig.7 Development characteristics of source rocks and secondary dissolution pores in Wucaiwan and Baijiangou

4.3.2 水下噴發(fā)對火山巖儲層的影響

水下噴發(fā)火山巖的原生氣孔不發(fā)育,儲集空間以基質溶蝕孔和裂縫為主。這與五彩灣地區(qū)火山巖的儲集空間特征相一致[7],五彩灣地區(qū)火山巖儲層原生孔隙和裂縫的發(fā)育程度均較低,有效儲集空間為次生孔縫。巴塔瑪依內山組火山巖與烴源巖互層產出[7],成藏模式以自生自儲為特征[24],因此烴源巖熱演化過程中釋放出的大量有機酸與儲集層有最大的接觸機會,這為有機酸對火山巖儲層的溶蝕提供了可能。五彩灣和白堿溝地區(qū)火山巖大量發(fā)育的長石斑晶內溶蝕孔(圖7(b)、(c))、斜長石微晶溶蝕形成的基質內溶蝕孔、氣孔和裂縫中方解石充填物發(fā)生溶蝕形成的溶蝕孔(圖7(c)、(d)),以及火山碎屑巖和沉火山碎屑巖的方解石膠結物溶蝕孔(圖7(e)、(f)),可能就是有機酸對鋁硅酸鹽、碳酸鹽礦物進行溶蝕的表現(xiàn)。

綜上所述,五彩灣—白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖長時間的水下噴發(fā)環(huán)境使烴源巖有機質含量增加。同時烴源巖熱解過程中釋放的有機酸快速進入火山巖,使火山巖儲層的次生溶蝕孔隙增加,起到了改善儲層的作用。

5 結 論

(1)準噶爾盆地東部白堿溝剖面存在巴塔瑪依內山組火山巖水下噴發(fā)的直接證據(jù)(玻質碎屑巖)?？煞譃榱骷y質玻質碎屑巖和玄武質玻質碎屑巖兩種,剖面下部的玄武質玻質碎屑巖可能代表著較深水下噴發(fā),而上部的流紋質玻質碎屑巖可能代表著熔漿流入水體淬火成因。

(2)白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組實測剖面的流紋質玻質碎屑巖鋯石U-Pb年齡為333.8±4.6 Ma,屬于早石炭世。結合前人研究成果認為,五彩灣—白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組時代范圍為333.8±4.6 Ma至300.8±4.9 Ma,火山巖水下噴發(fā)環(huán)境同樣從早石炭晚期一直持續(xù)至晚石炭世。

(3)五彩灣和白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內山組火山巖的水下噴發(fā)能夠提高烴源巖的有機質豐度,同時烴源巖熱解使火山巖儲層的次生溶蝕孔隙增加,起到了改善儲層的作用。