倪勝利，王金鐸，王千軍，白仲才，程世偉，汪佳蓓

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化勝利石油管理局博士后科研工作站，東營(yíng) 257000；3.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)

元素地球化學(xué)是地球化學(xué)最主要的分支學(xué)科之一。通過逐一闡明個(gè)別元素的地球化學(xué)特征以及與其他元素的組合關(guān)系，力求完整了解元素的地球化學(xué)旋回及其演化歷史和原因，揭示元素含量變化對(duì)自然過程的指示意義。

近年來，松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地以及渤海海域的火山巖油氣藏勘探取得了巨大的突破，展現(xiàn)了良好的勘探前景[1-3]。然而位于準(zhǔn)噶爾盆地東北緣的烏倫古地區(qū)歷經(jīng)多年勘探，僅部分井獲得工業(yè)油流，這可能與基礎(chǔ)地質(zhì)勘探情況不明有關(guān)。目前，前人針對(duì)該區(qū)石炭系的研究多集中于火山巖巖性巖相的識(shí)別，識(shí)別出爆發(fā)相、噴溢相等多種巖相類型[4]；運(yùn)用地震相等識(shí)別出多個(gè)火山機(jī)構(gòu)[5]；儲(chǔ)層特征和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究，明確火山巖儲(chǔ)層受多種因素控制[6-7]；同時(shí)對(duì)烴源巖評(píng)價(jià)以及有效烴源巖分布規(guī)律[8-12]也做了相應(yīng)的分析，認(rèn)為該區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致烴源巖分布受限，而源又是油氣勘探的重點(diǎn)之一，因此構(gòu)造活動(dòng)分析顯得尤為重要。然而，區(qū)內(nèi)構(gòu)造環(huán)境分析鮮見報(bào)道，尤其是下石炭統(tǒng)[13-16]，同時(shí)對(duì)上石炭統(tǒng)巴山組的構(gòu)造環(huán)境分析存在一定的爭(zhēng)議。一些學(xué)者通過巖石學(xué)、地球化學(xué)以及地球物理等方面的研究，認(rèn)為巴山組是島弧環(huán)境的產(chǎn)物[13-14]；而另一些學(xué)者則認(rèn)為巴山組是陸內(nèi)裂谷環(huán)境的產(chǎn)物[15-19]。構(gòu)造環(huán)境的研究不僅關(guān)系到區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局的恢復(fù)、地質(zhì)演化歷史的重建，對(duì)區(qū)內(nèi)油氣資源的勘查與評(píng)價(jià)也有十分重要的意義，而火山活動(dòng)與大地構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，包含了豐富的構(gòu)造信息。因此，針對(duì)這一問題，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合周邊野外露頭對(duì)火山巖樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析，研究區(qū)內(nèi)上下石炭統(tǒng)火山巖的源區(qū)特征，同時(shí)進(jìn)一步落實(shí)烏倫古地區(qū)石炭系的構(gòu)造環(huán)境類型，尤其是上石炭統(tǒng)巴山組，揭示整個(gè)石炭紀(jì)的構(gòu)造演化特征。以期為深入探討研究區(qū)乃至整個(gè)準(zhǔn)噶爾盆地的構(gòu)造演化以及為盆地的基底性質(zhì)研究提供新依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

實(shí)線為勘探區(qū)塊邊界；虛線為構(gòu)造邊界圖1 烏倫古地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Tectonic unit division in Wulungu area

研究區(qū)包含紅巖斷階帶、索索泉凹陷、石西凹陷和石英灘凸起4個(gè)構(gòu)造單元，呈NW-SE向展布[13](圖1)，自下而上石炭系發(fā)育姜巴斯套組(C1j)和巴山組(C2b)(恰其海組、塔木崗組等多套地層在該區(qū)缺失或不發(fā)育)。由于該區(qū)海西期大規(guī)模強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致多套地層缺失，故石炭系下部的姜巴斯套組角度不整合于泥盆系托讓庫(kù)都克組，之上的巴山組被中生代地層不整合覆蓋，缺失二疊系(圖2)。此外，區(qū)內(nèi)還廣泛發(fā)育中生界侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組及頭屯河組等地層，它們以角度不整合覆蓋于晚古生代地層之上。該地區(qū)石炭系主要為扇三角洲相、濱海-淺海相碎屑巖沉積以及廣泛發(fā)育溢流相、爆發(fā)相等火山巖相，含有豐富的古生物化石。

研究區(qū)姜巴斯套組整體為一套碎屑巖沉積，由下至上巖石顆粒整體表現(xiàn)出粗-細(xì)-粗的變化特征(圖2)，局部發(fā)育火山巖，火山巖巖性以凝灰?guī)r為主，其次發(fā)育安山巖、玄武巖等，鋯石測(cè)得年齡為323～330 Ma；巴山組具有火山巖和沉積巖混積發(fā)育的特點(diǎn)，依據(jù)優(yōu)勢(shì)相自下而上劃分出三個(gè)巖性段，分別為下火山巖段、中間沉積巖段及上火山巖段(圖2)。下火山巖段主要為灰綠色凝灰?guī)r、玄武巖、安山巖組成的爆發(fā)-噴溢韻律，熔巖極為發(fā)育，代表火山噴發(fā)作用劇烈，在頂部發(fā)育一套在橫向上具有可對(duì)比性的薄層流紋巖；中間沉積巖段底部巖石與下火山巖段呈沉積接觸，巖性以礫巖、含礫粗砂巖和泥巖為主，局部發(fā)育火山巖；上火山巖段巖性以安山巖為主，夾玄武巖及少量凝灰?guī)r。巴山組火山巖測(cè)年數(shù)據(jù)顯示年齡為318～322 Ma。研究的地球化學(xué)樣品為采自區(qū)內(nèi)鉆井及烏倫古地區(qū)周邊的野外露頭(包括扎河壩、五彩城、白堿溝等剖面)石炭系出露的火山巖。

圖2 烏倫古地區(qū)巖性綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in Wulungu area

2 樣品和測(cè)試

烏倫古地區(qū)石炭系分布較為廣泛。結(jié)合前人研究成果，火山巖巖石地球化學(xué)特征研究是基于盆地露頭和鉆井巖心顯微鏡觀察的基礎(chǔ)上，考慮盆地火山巖巖性的多樣性和取樣點(diǎn)分布的均勻性，選取未蝕變、未風(fēng)化的中基性火山巖樣品做進(jìn)一步分析。樣品經(jīng)過表面雜質(zhì)及風(fēng)化面清除后，研磨至200目，每個(gè)樣品縮分出兩份用于巖石主微量組成分析。巖石的主量、微量和稀土元素分析在中國(guó)石油大學(xué)(北京)測(cè)試中心測(cè)試完成。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素地球化學(xué)特征

對(duì)取自烏倫古地區(qū)鉆遇的單井及周邊野外露頭上、下石炭統(tǒng)發(fā)育的火山巖樣品進(jìn)行全巖化學(xué)分析。由巖石主量元素分析結(jié)果(表1)可知，該區(qū)上石炭統(tǒng)巴山組火山巖含有相對(duì)低含量SiO2[w(SiO2)=43.07%～53.23%]，具有中基性巖特征。同時(shí)樣品中還含有高含量的Al2O3[w(Al2O3)=15.23%～21.26%]、TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]、P2O5[w(P2O5)=0.19%～0.90%]，以及相對(duì)低含量的CaO[w(CaO)=4.85%～14.73%]、MgO[w(MgO)=2.38%～7.04%]。Mg值(Mg#)為26～57，樣品中全堿含量較高[w(K2O+Na2O)=4.61%～8.21%]，里特曼指數(shù)(Rittmann)均大于3.3，樣品的LOI(燒失量)較高，后期蝕變可能對(duì)K、Na等元素造成一定的影響。火山巖硅-堿圖(TAS)如圖3(a)所示，樣品點(diǎn)主要落于堿性系列區(qū)域內(nèi)；由SiO2-K2O圖解[圖3(b)]可知，樣品均落在中-高鉀鈣堿性系列區(qū)域范圍內(nèi)，盡管顯示出富堿性的特征，但w(K2O)/w(Na2O)值較低，為0.02～0.28，表現(xiàn)出富鈉特征。

如表2所示，該區(qū)下石炭統(tǒng)姜巴斯套組火山巖含有相對(duì)高含量的SiO2[w(SiO2)52.09%～76.31%]，以及相對(duì)低的TiO2[w(TiO2)=0.14%～1.00%]、Na2O[w(Na2O)=2.55%～5.42%]和MgO[w(MgO)=0.17%～4.24%]含量，且w(K2O)/w(Na2O)為0.49～2.42。由硅-堿圖[圖3(a)]可知，樣品點(diǎn)主要落于亞堿性系列；由SiO2- K2O圖解[圖3(b)]可知，樣品同樣落在中-高鉀鈣堿性系列區(qū)域內(nèi)。樣品中Al2O3含量偏高，為11.83%～18.43%。除姜巴斯套組一塊樣品的里特曼指數(shù)(5.49)大于3.3外，區(qū)內(nèi)其余樣品里特曼指數(shù)均小于3.3，為1.30～3.22(表2)，表明后期蝕變作用可能會(huì)使Na、K等活動(dòng)性較強(qiáng)的元素發(fā)生一定程度的變化，但對(duì)其他主量元素影響較小。

表1 烏倫古地區(qū)巴山組火山巖化學(xué)元素分析數(shù)據(jù)Table 1 Chemical elements analysis data of the Bashan Formation volcanic

圖3 烏倫古地區(qū)石炭系主量元素地球化學(xué)特征Fig.3 Major elements features of Carboniferous basalt

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

烏倫古地區(qū)及其周邊石炭系火山巖稀土含量列于表1，繪制的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖5)。該區(qū)巴山組樣品稀土元素總量(REE)變化于75.36×10-6～199.13×10-6，整體稀土曲線呈右傾式，輕稀土富集較為明顯。樣品未見或弱顯示負(fù)Eu異常(銪異常系數(shù)δEu為0.94～1.12，平均為1.02)的特征[圖5(a)]。部分稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化之后的比值，即(La/Yb)N變化為2.87～5.74；(La/Sm)N為1.50～2.33(平均為1.93)、(Gd/Yb)N為1.39～2.13(平均為1.70)，表明輕重稀土分異較明顯。洋中脊玄武巖(MORB)標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖[圖5(b)]，樣品中大離子親石元素Sr、Rb等元素相對(duì)虧損，高場(chǎng)強(qiáng)元素表現(xiàn)為相對(duì)富集，Nb、Ta表現(xiàn)為虧損。

姜巴斯套組稀土元素總量(REE)變化為93.16×10-6～374.64×10-6，其分布模式均為富輕稀土的右傾曲線[圖5(c)]，具有明顯的負(fù)Eu異常(δEu=0.42～1.08)。(La/Yb)N變化范圍為3.12～16.39；(La/Sm)N=2.21～4.53(平均為2.86)、(Gd/Yb)N=0.86～2.39(平均為1.49)，表明該組輕重稀土分異較明顯，輕稀土內(nèi)部分異強(qiáng)，而重稀土內(nèi)部分異較為緩和。另外，在MORB標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖上[圖5(d)]，大離子親石元素K、La、Nd具有較高的豐度，而元素Sr的虧損則均歸因于巖漿分離結(jié)晶過程中斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用。高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta，尤其是P、Ti負(fù)異常明顯，同樣表明與礦物的分離結(jié)晶有關(guān)。

表2 烏倫古地區(qū)姜巴斯套組火山巖化學(xué)元素分析數(shù)據(jù)Table 2 Elements analyses of the Jiangbasitao Formation volcanics

紅色為巴山組；綠色為姜巴斯套組圖4 烏倫古地區(qū)及周邊火山巖Harker圖解Fig.4 Harker diagram of Carboniferous volcanic rock from Wulungu area and its surroundings

4 討論

4.1 姜巴斯套組源區(qū)特征

一般來說，島弧火山的w(TiO2)=0.5%～0.83%[21]。研究區(qū)姜巴斯套組火山巖樣品w(TiO2)=0.14%～1.00%，以0.14%～0.71%為主，均值為0.51%，處于島弧火山巖TiO2的范疇，同時(shí)也說明該時(shí)期火山巖是消減帶巖漿的產(chǎn)物。由原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖[圖5(d)]可知，高場(chǎng)強(qiáng)元素相對(duì)虧損，尤其是Ti、Nb、Ta，而大離子親石元素相對(duì)富集，表明其形成可能與島弧或者巖漿源區(qū)物質(zhì)中含有巖漿弧成分有關(guān)。在Nb-Y酸性巖構(gòu)造判別圖解[圖6(c)]中，樣品的投影點(diǎn)均落在島弧火山巖區(qū)內(nèi)，表明其形成于與俯沖作用有關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

4.2 巴山組源區(qū)特征

研究區(qū)巴山組Mg#變化為26.13～56.34，低于原始巖漿的參考值65，與姜巴斯套組一樣，說明是原始巖漿經(jīng)歷了一定程度的分異作用后的產(chǎn)物，而且演化程度較強(qiáng)。輕稀土元素相對(duì)于重稀土元素富集，(La/Yb)N大于4且Ti含量較高，推斷源區(qū)可能含有石榴石。

樣品中Ba/La值為4.56～14.44，遠(yuǎn)低于與板塊俯沖作用有關(guān)的島弧火山巖的Ba/La值(大于30)[20]；相對(duì)虧損大離子親石元素、高TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]的特征也與島弧火山巖(小于1.0%)存在差異。La/Sm值為2.84～4.05，小于4.5，且輕稀土元素(LREE)含量較低，表明該玄武巖樣品未遭受地殼物質(zhì)混染。與N-MORB相比，巴山組火山巖樣品Ti含量偏高，輕稀土元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素較為富集，且Ti/V和Zr/Y值偏高，Th/Nb值(0.13～0.28)與大陸板內(nèi)裂谷火山巖比值相當(dāng)。Zr/Y-Zr構(gòu)造判別圖解[圖6(d)]同樣顯示巴山組火山巖來自于板內(nèi)環(huán)境。有資料顯示，東準(zhǔn)噶爾克拉美麗縫合帶在早石炭世已經(jīng)閉合[21]，且烏倫古地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)受到克拉美麗縫合帶的控制，因此，推斷巴山組時(shí)期火山噴發(fā)更可能形成于造山作用后的伸展作用，其Nb、Ta虧損可能是受到消減帶或島弧巖漿混染的結(jié)果。

圖5 烏倫古地區(qū)及周邊火山巖稀土元素配分曲線Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of volcanic rocks from Wulungu area and its surroundings

A為板內(nèi)玄武巖；B為洋脊玄武巖；C為島弧玄武巖圖6 烏倫古地區(qū)石炭系火山巖的物質(zhì)來源判別圖及構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.6 Diagram for discriminating provenances and formation environment of carboniferous volcanic from Wulungu area

4.3 烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造演化

石炭紀(jì)是準(zhǔn)噶爾盆地發(fā)展史中極為重要的一個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期。該時(shí)期克拉美麗-三個(gè)泉-達(dá)爾布特?cái)嗔褞禽^為活躍的斷裂帶之一，對(duì)烏倫古地區(qū)的構(gòu)造演化及沉積環(huán)境起著一定的控制作用。上述地球化學(xué)證據(jù)分析為烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造演化提供了新證據(jù)。早石炭世，在泥盆紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)的基礎(chǔ)上，克拉美麗殘余洋盆仍處于收縮階段，洋盆繼續(xù)向南北兩側(cè)俯沖，在烏倫古地區(qū)南緣形成火山弧?？死利惿呔G巖帶中發(fā)現(xiàn)的早石炭世的放射蟲化石，以及晚石炭世的花崗質(zhì)巖基切穿該蛇綠巖帶的發(fā)現(xiàn)均表明早石炭世末期克拉美麗洋盆關(guān)閉[21]。在晚石炭世，克拉美麗洋盆的關(guān)閉導(dǎo)致南北兩側(cè)板塊的碰撞(主要為烏倫古與三個(gè)泉兩個(gè)島弧帶相互拼接)使巖石圈不斷增厚，隨后又在斷陷作用的控制下，巖石圈開始減薄，此時(shí)，上地幔物質(zhì)熔融致使地殼出現(xiàn)斷裂形成板內(nèi)裂谷。換而言之，烏倫古地區(qū)從早石炭世姜巴斯套組到晚石炭世巴山組一直處于洋殼消減環(huán)境，石炭紀(jì)早期表現(xiàn)為島弧構(gòu)造環(huán)境，隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的持續(xù)發(fā)生，在石炭紀(jì)晚期巴山組沉積時(shí)期進(jìn)入陸內(nèi)裂谷演化階段，與準(zhǔn)噶爾盆地克拉美麗地區(qū)石炭紀(jì)的構(gòu)造演化模式相似。

5 結(jié)論

(1)烏倫古地區(qū)巴山組地球化學(xué)特征顯示出高TiO2含量，低程度的輕稀土富集，Eu略顯負(fù)異常，大離子親石元素相對(duì)虧損，而高場(chǎng)強(qiáng)元素相對(duì)富集的特征，與陸內(nèi)裂谷環(huán)境火山巖特征十分相似。較低的Th/Nb值以及Nb、Ta虧損等類似于島弧火山巖特征揭示該時(shí)期火山巖遭受到弧組分的混染作用。

(3)在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)數(shù)據(jù)比對(duì)以及構(gòu)造環(huán)境判別圖分析，揭示在克拉美麗斷裂帶-三個(gè)泉-達(dá)爾布特?cái)嗔褞У目刂葡?，烏倫古地區(qū)姜巴斯套組火山巖來源于活動(dòng)陸緣弧的大地構(gòu)造環(huán)境，此時(shí)，克拉美麗洋盆雙向俯沖，直至早石炭紀(jì)末期關(guān)閉；隨后進(jìn)入碰撞造山階段，島弧帶的拼接導(dǎo)致巖石圈增厚，后期的重力均衡有造成巖石圈伸展減薄，即石炭紀(jì)經(jīng)歷了由島弧環(huán)境向陸內(nèi)裂谷環(huán)境演化的過程。這一研究結(jié)果系統(tǒng)分析了烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造格局演化特征，以期為研究區(qū)乃至整個(gè)準(zhǔn)噶爾盆地石炭系基底性質(zhì)研究與構(gòu)造演化提供新依據(jù)，此外，對(duì)研究區(qū)相關(guān)油氣藏成藏條件研究也具有十分重要的意義。