楊凱凱, 邊偉華, 王巖泉, 李 昭, 劉曉康, 王璞珺

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)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(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京 100083)

玻質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu),且結(jié)晶程度較低,基質(zhì)呈玻璃質(zhì)或半晶質(zhì)結(jié)構(gòu),碎屑表面可見玻璃質(zhì)外殼,膠結(jié)方式以水化學(xué)膠結(jié)方式為主,根據(jù)成分可分為玄武質(zhì)、流紋質(zhì)和安山質(zhì)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(zhì)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(biāo)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(chǎn)生一定的影響[5]。玻質(zhì)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(xì)的地區(qū)[6],將玻質(zhì)碎屑巖作為一種獨立的火山巖相來進(jìn)行研究[3],并對其儲層特征進(jìn)行了刻畫[4]。準(zhǔn)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(guān)的玻質(zhì)碎屑巖未見有公開報導(dǎo)。筆者通過對準(zhǔn)噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖野外露頭的研究,發(fā)現(xiàn)巴塔瑪依內(nèi)山組地層存在玻質(zhì)碎屑巖,從而為巴塔瑪依內(nèi)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(nèi)山組玻質(zhì)碎屑巖形成年代以及泥巖夾層特征進(jìn)行研究,揭示玻質(zhì)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(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)背景及火山沉積地層序列

準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾盆地可劃分為6個一級構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(zhǔn)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(nèi)山組。白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)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(zhì)頁巖、煤線及粉砂巖、霏細(xì)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(zhì)碎屑巖和火山熔巖的不等厚互層為主,夾泥巖或碳質(zhì)泥巖(圖1、圖2(a)、(b))。

2 測試方法

2.1 巖石學(xué)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(biāo)本進(jìn)行鑒定,初步確定巖性類型。同時進(jìn)行系統(tǒng)取樣,磨制光學(xué)薄片,使用奧林巴斯BX51偏光顯微鏡進(jìn)行巖礦鑒定,并使用奧林巴斯DP71相機(jī)拍攝顯微圖像,從而確定玻質(zhì)碎屑巖的巖石學(xué)特征,并為年代學(xué)測試樣品的選取提供依據(jù)。

2.2 年代學(xué)方法

測年方法為LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年,樣品ZB68取自準(zhǔn)噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組地層,巖性為流紋質(zhì)玻質(zhì)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(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)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(lǐng)航科技有限公司完成,制靶的過程在其網(wǎng)站上有詳細(xì)說明。鋯石U-Pb定年在中國地質(zhì)科學(xué)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(zhì)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(nèi)容為總有機(jī)碳(TOC)。在吉林大學(xué)測試科學(xué)實驗中心進(jìn)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(zhǔn)噶爾盆地東部白堿溝地區(qū)地質(zhì)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(jié) 果

3.1 玻質(zhì)碎屑巖的巖石學(xué)特征

研究區(qū)玻質(zhì)碎屑巖根據(jù)組成礦物和結(jié)構(gòu)的不同可分為玄武質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖和流紋質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖。其中玄武質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖的碎屑內(nèi)無斑晶,基質(zhì)為間粒結(jié)構(gòu),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(zhì)玻質(zhì)碎屑巖的碎屑同樣無斑晶,基質(zhì)呈霏細(xì)結(jié)構(gòu),由大量長英質(zhì)微晶組成。玄武質(zhì)和流紋質(zhì)玻質(zhì)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(zhì)玻質(zhì)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(zhì)碎屑巖碎裂程度低,可見由于巖漿流動受阻,產(chǎn)生的似枕狀變形構(gòu)造(圖2(c)),表面見玻璃質(zhì)外殼(圖2(c)～(e)),玻璃質(zhì)外殼呈碎屑狀,具球狀外形,碎屑之間可見鈣質(zhì)膠結(jié)(圖2(d)、(e))。中部的玻質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)(圖2(h))。流紋質(zhì)玻質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)相同,均為流紋巖,具無斑結(jié)構(gòu),膠結(jié)物以方解石等水化學(xué)膠結(jié)物為主(圖2(l))。

3.2 玻質(zhì)碎屑巖的年代學(xué)特征

流紋質(zhì)玻質(zhì)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(jié)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(quán)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(zhì)碎屑巖的形成年齡(圖4)。

表1 白堿溝地區(qū)流紋質(zhì)玻質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5735-1995),據(jù)此標(biāo)準(zhǔn),白堿溝剖面烴源巖樣品總有機(jī)碳(TOC)介于0.91% ～20.5%,其中碳質(zhì)泥巖TOC為20.50%;泥巖TOC介于0.91% ～3.50%,平均值為2.06%。有機(jī)質(zhì)豐度屬于中等—很好。總體來看,此剖面的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高(表2)。

4 討 論

4.1 玻質(zhì)碎屑巖的成因及意義

前已述及,巴塔瑪依內(nèi)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(nèi)山組火山巖與泥巖互層分布的現(xiàn)象(圖2(a)、(b))。玻質(zhì)碎屑巖正是在這種地質(zhì)背景下產(chǎn)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(zhì)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(dāng)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(zhì)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(zhì)外殼呈碎裂狀,內(nèi)部則相對致密,表面可見巖漿流動受阻產(chǎn)生似枕狀變形構(gòu)造(圖2(c)),因此認(rèn)為此種玻質(zhì)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(zhì)玻質(zhì)碎屑巖破碎程度相對較高,除表面具有玻璃質(zhì)外殼外,可見巖石整體綠泥石化,基質(zhì)內(nèi)斜長石晶體呈中空骸晶結(jié)構(gòu)(圖2(h)),而這正是水下噴發(fā)的典型標(biāo)志[14]。上部的玻質(zhì)碎屑巖破碎程度更高,呈肉紅色(圖2(i)、(j)),整體具無斑結(jié)構(gòu),因此認(rèn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(biāo)志來進(jìn)行的[7, 15],尚未有玻質(zhì)碎屑巖等判別巖漿水下噴發(fā)證據(jù)的報導(dǎo)。在白堿溝地區(qū)發(fā)現(xiàn)的玻質(zhì)碎屑巖填補(bǔ)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(nèi)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(nèi)山組火山巖時代歸屬不同,整個石炭紀(jì)均有巴塔瑪依內(nèi)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(zhǔn)噶爾洋盆從早石炭世開始由東至西呈“剪刀式”閉合[16]有關(guān)。古洋盆的閉合伴隨著兩側(cè)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(nèi)山組火山巖[11]。因此準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)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(jì)均有發(fā)育(圖5,其數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[16]～[20])。

圖5 巴塔瑪依內(nèi)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(jié)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(cè)面證明巴塔瑪依內(nèi)山組在整個石炭紀(jì)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(cè)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(xiàn)[23],有修改)。結(jié)合白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)山組巖性為中—酸性熔巖夾碳質(zhì)頁巖、煤線及凝灰質(zhì)砂巖的特征,表明該地區(qū)火山活動應(yīng)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(gòu)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(nèi)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(zhǔn)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(chǎn)生影響。由于巴塔瑪依內(nèi)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(nèi)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(zhǔn)東地區(qū)的各個凹陷[24]。經(jīng)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(jī)質(zhì)含量高的特征(表2),是一套優(yōu)質(zhì)的源巖。如此高的有機(jī)質(zhì)豐度可能與火山巖的水下噴發(fā)有一定關(guān)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(nèi)山組泥質(zhì)烴源巖TOC為1.06%[25],而研究區(qū)泥質(zhì)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(jī)質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)山組火山巖與烴源巖互層產(chǎn)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(jī)酸與儲集層有最大的接觸機(jī)會,這為有機(jī)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(nèi)溶蝕孔(圖7(b)、(c))、斜長石微晶溶蝕形成的基質(zhì)內(nèi)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(jié)物溶蝕孔(圖7(e)、(f)),可能就是有機(jī)酸對鋁硅酸鹽、碳酸鹽礦物進(jìn)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(nèi)山組火山巖長時間的水下噴發(fā)環(huán)境使烴源巖有機(jī)質(zhì)含量增加。同時烴源巖熱解過程中釋放的有機(jī)酸快速進(jìn)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(jié) 論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地東部白堿溝剖面存在巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖水下噴發(fā)的直接證據(jù)(玻質(zhì)碎屑巖)。可分為流紋質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖和玄武質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖兩種,剖面下部的玄武質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖可能代表著較深水下噴發(fā),而上部的流紋質(zhì)玻質(zhì)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(nèi)山組實測剖面的流紋質(zhì)玻質(zhì)碎屑巖鋯石U-Pb年齡為333.8±4.6 Ma,屬于早石炭世。結(jié)合前人研究成果認(rèn)為,五彩灣—白堿溝地區(qū)巴塔瑪依內(nèi)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(nèi)山組火山巖的水下噴發(fā)能夠提高烴源巖的有機(jī)質(zhì)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。