黄河口凹陷新生代岩浆活动特征及其控藏作用

2015-07-02牛成民陈容涛

石油地质与工程 2015年5期

关键词：郯庐火成岩沸石

陈磊，牛成民，杨波，邬静,陈容涛

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津塘沽 300452)

黄河口凹陷新生代岩浆活动特征及其控藏作用

陈磊，牛成民，杨波，邬静,陈容涛

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津塘沽 300452)

渤海湾盆地内中、新生代火成岩广泛发育，大多沿走滑断裂带分布，与油气田分布规律具有一致性。大量研究表明，岩浆活动对于油气成藏具有重要的控制作用，但渤海海域内油气勘探程度较低，在该领域的研究相对薄弱。通过综合地震、地质资料，系统分析了黄河口凹陷郯庐走滑断裂西支-伸展大断裂“接力棒式”联合控制岩浆活动机理，明确了火成岩地震测井响应特征、岩浆活动时空演化规律并建立岩浆喷发模式。在此基础上，探讨了岩浆活动带来的热量和微量相容元素对烃源岩的演化程度和转化率的促进作用，碱性环境下形成的黏土矿物对储层物性的改造作用以及火成岩对油气的封盖作用，为火成岩发育区的油气勘探提供了借鉴。

黄河口凹陷；火成岩；岩浆活动；控藏作用；走滑断裂带

渤海湾盆地位于中国东部，面积约20×104km2，盆地内中、新生代火成岩分布十分广泛，大多沿走滑断裂带分布，与油气田分布规律具有一致性。研究表明，中、新生代岩浆活动与走滑断裂密切相关[1-7]，而且对油气的生成、运聚、保存等多个方面都存在着重要的影响作用[8-18]。但是由于渤海海域内新生代火成岩分布相对局限，主要分布于郯庐走滑断裂渤南段黄河口凹陷和莱州湾凹陷，各类钻探资料较少，因此对于海域内新生代火成岩的研究相对薄弱，对于岩浆活动机理和演化规律并不明确。本文通过分析已有资料，明确了黄河口凹陷岩浆活动机理和火成岩时空展布特征，探讨了岩浆活动对油气生成、储层改造和油气封盖等三个方面的影响，为火成岩发育区的油气勘探提供一定的借鉴。

1 研究区概况

渤海湾盆地是中生代末期以来，叠置在华北中-古生界基底上发育起来的新生代克拉通裂谷断陷盆地[1-2]，其中渤海海域受地幔热隆起和斜向挤压双动力源作用下形成，海域内裂陷作用、断裂变动及岩浆活动都十分活跃。黄河口凹陷位于渤海海域南部，属于渤海湾盆地济阳坳陷，面积约3 300 km2，郯庐走滑断裂西支纵穿整个凹陷，控制了新生代断裂和凹陷的演化(图1)。

研究区渤中34-A构造位于黄河口凹陷东洼南斜坡、郯庐走滑断裂西支以东，为新生代发育的构造圈闭，构造主体受近东西向伸展大断裂控制。在古近纪裂谷断陷期和断陷-坳陷转换期，受区域郯庐走滑断裂右旋走滑平移与伸展大断裂共同作用，渤中34-A构造岩浆活动十分强烈，具有持续时间长、活动期次多、喷发规模大等特点。随着近年勘探领域的扩大，在该区喜获重大油气发现，研究表明岩浆活动对该区油气富集成藏具有明显的控制作用。

图1 黄河口凹陷区域位置

2 岩浆活动机理及演化规律

2.1 岩浆活动机理

渤海湾盆地新生代火成岩分布广泛，主要受郯庐、黄骅-德州-东明、霸县-束鹿-邯郸三条走滑断裂控制。从渤海海域来看，新生代火成岩分布与郯庐走滑断裂密切相关，火成岩主要分布于郯庐走滑断裂渤南段黄河口凹陷南部和莱州湾凹陷北部，其中黄河口凹陷火成岩主要分布于古近系，岩性以玄武岩为主。郯庐走滑断裂西支(简称西支)纵穿黄河口凹陷，控制了整个凹陷的构造沉积演化与油气运聚条件。西支发育于中生代早期，一直持续活动至新生代末期，具有活动时间长、错动强度大、切割深度大等特点。

由于渤海湾盆地具有地幔热隆起成因，海域内莫霍界面埋深较浅，埋深在30 km左右，而郯庐走滑断裂在始新世切割深度已达30～40 km[4]，研究表明其在早第三纪就已经切入了上地幔，具有形成被动型岩浆活动的条件，尤以幔源玄武岩喷发是郯庐走滑断裂带深部过程的重要响应[5-6]。根据Frey等(1978)提出的原生岩浆相容元素Sc、Co、Ni的含量范围(Sc：15～28 μg/g 、Co：27～80 μg/g 、Ni：90～670 μg/g)，研究区东营组相容元素含量显著增加，Sc、Co、Ni含量分别为22 μg/g、38 μg/g、109 μg/g，表明火成岩为幔源成因；而研究区的伸展大断裂多发育于新生代，大多断至古新统，无法直接与地幔岩浆沟通，因此，西支是地幔岩浆喷发的主要通道。

钻井揭示，西支两盘仅在始新统钻遇少量侵入岩，岩性为辉绿岩，而大规模的火成岩则主要发育于东部伸展大断裂区渤中34-A构造。研究认为，伸展大断裂多与西支搭接于古新统，与西支相比，伸展大断裂多继承性发育，主要受南北向拉张应力所形成，断面相对平缓宽广，更利于岩浆输导喷发。因此，随着岩浆向地表喷发过程中能量的减弱，岩浆优先选择与西支搭接的伸展大断裂喷发至地表，形成“接力棒式”的喷发通道。综上，西支与伸展大断裂共同构成了岩浆喷发的通道，西支决定了岩浆喷发的性质、规模和期次，而伸展大断裂则控制了火成岩的平面展布特征。

2.2 火成岩特征

渤中34-A构造岩浆活动从始新世早期一直持续到渐新世末期，钻井揭示火成岩分布于沙三段～东一段，主要钻遇大量玄武岩、少量凝灰岩及安山岩，粗火山碎屑少见，其中玄武岩含量占90%以上。玄武岩具有高密、高速、高阻特点，密度高达2.9 g/cm3，速度在4 500～5 000 m/s，电阻率可达200 Ω·m以上，波阻抗值明显高于围岩，在地震上具有中高频强振幅连续反射特征(图2)，运用均方根振幅属性能够有效识别出玄武岩的时空展布范围。火山通道相岩性复杂，主要为玄武岩及各类熔岩，在地震上具有杂乱反射特征(图2)，纵向上成锥状分布，与围岩差别较大，运用方差切片能够很好的刻画出火山通道的展布范围。综合研究认为，研究区发育溢流相、爆发相和火山通道相等三种火山岩相，其中以玄武岩溢流相为最主要火山岩亚相。

图2 火山岩相地震响应特征

2.3 岩浆活动时空演化规律

渤中34-A构造岩浆活动具有多期喷发、区域式喷发特点，岩浆活动规律与西支活动、凹陷演化、控凹断裂活动性密切相关。始新世，西支为张裂活动地段[7]，凹陷整体处于断陷期，但南斜坡控凹断裂活动微弱，控凹作用不明显，岩浆活动以中心式喷发为主，火成岩零星分布，岩性为少量的玄武岩、凝灰岩和辉绿岩。渐新世以来，西支以正断层活动为主兼有右行滑动[7]，整个凹陷进入断陷-坳陷转换期，南斜坡控凹断裂活动强度变大，岩浆喷发规模和期次增多，喷发模式逐渐从中心式喷发演化为裂隙式喷发，火成岩分布面积增大，表现为受深大断裂控制、向两翼减薄的特征，溢流相玄武岩最为发育，成层状或片状覆盖大面积地区。渐新世中期岩浆喷发规模达到顶峰，溢流相玄武岩分布面积超过60 km2。渐新世晚期以来，岩浆喷发能量减弱，喷发规模逐步缩小，喷发模式也随之过渡为中心式。总体来看，始新世岩浆活动相对微弱，旋回特征不明显；而渐新世岩浆活动旋回特征明显，从早期到晚期构成了一个完整的旋回(图3)。

3 岩浆活动对油气的控制作用

大量研究表明[8-21]，岩浆活动对于油气的生、储、盖、运、圈、保等六要素都存在很大的影响和控制作用。结合渤中34-A构造的钻探情况和资料基础，重点就岩浆活动对油气生成、储层改造和油气封盖等三个方面进行探讨。

图3 岩浆喷发模式

3.1 岩浆活动对烃源岩演化的促进作用

烃源岩的成熟度取决于时间-温度的综合效应，其中，温度是最有效和最持久的作用因素。渤中34-A构造岩浆多期喷发且规模较大，岩性以玄武岩为主，而玄武岩岩浆温度可高达1 000～1 250℃，并可较长期保持高温，能够为围岩地层带来大量的异常热量，从而促进烃源岩的演化进程[8]。从渤中34-A构造钻井来看，火成岩发育区的地温梯度普遍偏高，平均达3.8℃/100m，且烃源岩的镜质体反射率(Ro值)也明显高于围区，与火成岩的分布有着很好的相关性，而之上地层中的Ro值明显出现大幅度降低的趋势(图4)。以上表明岩浆活动改变了该区的局部地温场，在一定程度上加速了烃源岩的演化程度。

图4 BZ34-A-1井火成岩地层各项指标变化特征

同时，岩浆中的微量元素和火山成因的沸石都可以作为烃源岩有机质热降解的催化剂，能够有效促进烃源岩的转化率[9]。BZ34-A-1井火成岩主要发育段2 150～2 750 m，微量相容元素、沸石含量与有机质含量明显成负相关性，Sc、Co、Ni、V、Cr等微量相容元素含量显著增加，X衍射显示火成岩及砂岩中沸石十分发育，而烃源岩中有机质含量急剧减少，表明微量相容元素、沸石的存在有效促进了烃源岩的转化程度(图4)。

3.2 岩浆活动对储层的改造作用

BZ34-A-1井东一、二段砂岩储层孔隙发育，平均孔隙度可达25% ，明显高于围区同一埋藏深度砂岩储层，研究认为在岩浆活动形成的碱性环境影响下，绿泥石、沸石等黏土矿物发育，利于早期原生孔隙的保存和晚期次生孔隙的发育。

3.2.1 碱性环境

根据黏土矿物定量分析，BZ34-A-1井在东一、二段绿蒙混层含量突然陡增，含量高达40%，而高岭石、伊利石含量降低。绿蒙混层的出现一般指示气候干旱或地层水矿化度较高，并且存在碱性水介质。通过对B、SR/CU、TH/U等微量元素的分析，表明东一、二段盐度较高，以干热气候为主，整体处于氧化环境，而由于玄武岩中不稳定矿物的强烈水解，会产生大量的Fe、Mg、Al、Si等离子，营造了一个开放性的碱性环境[10]。在这种环境下，早期容易形成大量的自生蒙皂石[11]，蒙皂石在富镁的水介质条件下会向绿泥石/蒙皂石(C/S)混层转化，最后演变为绿泥石，而在贫钾水介质条件下，蒙皂石向伊利石/蒙皂石(I/S)混层黏土矿物的转化受到抑制，转化量大大减少。同样，在碱性水介质条件下，高岭石也会出现向绿泥石转化的趋势[12]。最终出现绿蒙混层含量增加、高岭石和伊利石含量相应减少的趋势。

3.2.2 黏土矿物对储层物性的改造作用

研究表明，绿泥石能够有效保护储层原生孔隙[11-13]。研究区绿泥石以颗粒包膜状态赋存，在颗粒呈点-线接触处多发育颗粒包膜绿泥石，表明其在一定程度上提高了岩石的抗压实能力。由于绿泥石多以包膜状态存在石英颗粒周边，阻止了石英颗粒与外界流体的接触，抑制了石英次生加大空间，而且绿泥石的层间为八面体氢氧化物片，对孔隙流体的pH值具有一定的调节能力[10]，增加了石英颗粒表面水介质的碱性程度，加大了对石英颗粒的溶蚀程度。因此，薄片中石英颗粒次生加大现象非常少见，绿泥石包膜内石英颗粒多被溶蚀。

同样，在碱性环境下，火山矿物或火山玻璃物质经过水化、水解、交代蚀变等过程容易生成沸石。研究区沸石发育，类型多样，有方沸石、菱沸石、片沸石、浊沸石等；其中，安山岩、凝灰岩裂缝和气孔内主要发育原生沸石，而砂岩中填隙物主要为次生沸石。砂岩中的次生沸石由于其抗压实能力强，早期的大量富集对于原生孔隙保存具有重要作用[10]；而晚期随着生烃过程中产生的有机酸的注入，会导致沸石大量溶蚀，发育大量溶蚀孔，这也是该区最主要的次生孔隙类型。据相关资料，鄂尔多斯盆地部分砂岩中浊沸石溶孔最高可占次生孔隙的65%[14]，表明沸石的存在是次生孔隙发育的重要物质基础之一。因此，沸石的存在对于早期原生孔隙的保存和晚期次生孔隙的发育均具有重要意义，可以有效改善储层孔渗条件。

3.3 火成岩对油气的封盖作用

大量勘探实践证明，玄武岩、辉绿岩、凝灰岩及相关的沉积岩可以作为优质盖层[15-19]。从BZ34-A-1井的钻探来看，存在两类与火成岩相关的盖层，一类是玄武岩，在BZ34-A-1井2 350～2 360 m井段作为油藏的直接盖层，BZ34-A-1井共钻遇80余米玄武岩，气孔不发育且多被充填，岩性致密且蚀变较轻，密度最高可达2.9 g/cm3，未蚀变玄武岩的突破压力可以超过250 MPa[20]，其密度和突破压力均远远高于同层泥岩，对油气具有很强的封盖能力，可以作为局部优质盖层。另一类是凝灰质泥岩，在BZ34-A-1井600 m含火成岩井段内，厚层凝灰质泥岩与玄武岩互层发育，其下富集了该区主力油藏。凝灰质泥岩一般含火山碎屑物质10%～50%，火山碎屑物质以火山灰、火山尘为主，粒级一般小于2 mm，大量充填于黏土矿物之中，遇水具有膨胀、分散的特点[21]，能很大程度上降低泥岩孔渗性，增强其封盖能力，为该区一套区域性优质盖层。

火成岩除了可以作为优质盖层外，裂隙式岩浆活动在断裂内形成的致密岩墙，同样可以作为良好的油气侧向封堵层。研究区BZ34-A-2井位于古近系断鼻型圈闭内，控制该圈闭的断裂继承性发育，但断裂活动性较弱，平均断距小于40 m，而大套砂岩储层的厚度超过60 m，综合考虑岩性配置、泥岩涂抹、断层面正应力及断层性质等多方面，均表明断层封堵条件很差，但仍获得了规模型油气发现。钻后分析认为该断裂是火山裂隙式喷发的主要通道，岩浆在断裂内冷凝形成了分布广泛、横向连续的岩墙，为油气的保存提供了良好的侧向封堵层。