黄骅坳陷古近系孔店组火成岩岩石学、地球化学特征

张雪梅，曾　威，李灵月，高知睿

（1.天津地热勘查开发设计院，天津300250；2.天津地质调查中心，天津300170；3.大港油田第一采油厂，天津300270）

黄骅坳陷古近系孔店组火成岩岩石学、地球化学特征

张雪梅1，曾威*2，李灵月3，高知睿2

（1.天津地热勘查开发设计院，天津300250；2.天津地质调查中心，天津300170；3.大港油田第一采油厂，天津300270）

本文通过对黄骅坳陷古近系钻孔中孔店组玄武岩、辉绿岩的岩相学、地球化学研究，认为孔店组火成岩属于碱性玄武岩系列，轻稀土富集，没有明显的铕异常。岩浆演化主要受控于地幔部分熔融，结晶分异作用较小，无明显地壳物质的加入，其形成的构造环境为板内环境。

黄骅凹陷；孔店组；火山岩；地球化学；板内环境

华北克拉通自中生代以来遭受了强烈的破坏，岩石圈大规模减薄和软流圈上涌诱发了大量火山岩的形成［1］。火山岩作为盆地发育过程中的产物，能提供深部作用的信息，可以为盆地动力学的研究提供基础。渤海湾盆地是中国东部地热梯度最高、岩石圈最薄的区域之一，中-新生代盆地内发育了大规模火山作用［2］，为研究中新生代岩石圈深部过程提供了难得的材料。黄骅坳陷位于渤海湾盆地中心部位，早白垩世-新近纪火山岩广泛发育，前人对其作了不同程度的研究［2-6］。本文通过对黄骅坳陷古近系孔店组玄武岩及其中辉绿岩的岩相学、地球化学等方面的研究，论证了其在火山岩岩浆演化过程中的分离结晶机制、部分熔融程度以及大地构造背景。

图1　黄骅坳陷新生界地层柱状图［7］Fig.1 Cenozoic stra tigraphic column of the Huanghua Dep ression

1　区域地质背景

黄骅坳陷位于华北平原北部，是现今华北平原中渤海湾盆地的一个次级凹陷，呈北东-南西向伸展，长250 km，宽50～100 km，西南端狭窄，呈一微向北突起的弧状，全区面积约17 000 km2，为新生代以来形成的断陷盆地。

1.1地层

黄骅坳陷钻孔中新生代地层由古近系、新近系和第四系组成（图1）。孔店组厚度一般为2 500 m。沿坳陷西部，沧东边界断裂下降侧分布。底与中生界，顶与渐新统不整合接触。自下而上由红-黑-红三大岩性段组成一整套旋回层。

（1）孔店组三段

位于旋回层下部，厚约300m，以紫灰色、棕红色砂质、砾质泥岩为主，见单层厚度小于5m的灰绿色含泥、含铁不等粒混合砂岩、玄武岩夹层。其侧向岩性变化及与下伏中生界、上古生界的界限尚不清楚；顶部与上覆孔店组二段为过渡关系。

该段中钻遇少量玄武岩，主要分布于孔东断层与孔西断层所夹的垒块区域，呈层状赋存于该段上部，埋深2 300～2 800m，单井最多见9层，最大累积厚度87m。平面上呈北东向展布，与孔东构造带展布方向一致。

（2）孔店组二段

为旋回层中部，一般厚约300 m，最大厚度约为700 m，以深灰色泥质页岩为主，并见含细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩夹层，剖面向上渐变为紫褐色泥岩段。所含化石介形类为无图真星介-沼泽拟星介组合，孢粉为小刺鹰粉-杉粉属-三角孢属亚组合。

该段中钻遇的火成岩岩性为辉绿岩，主要分布于军马站-风化店-王官屯-望海寺一带的广大区域内，沿孔西断层呈北东向展布。辉绿岩赋存层位不一，南部埋深2 300～2 700m井段，中部2 100～2 600 m井段，而北部则在2 000 m左右。虽然埋深与后期构造影响有关，但在对比了大量的钻井面后，发现该辉绿岩具有非常明显的穿时性，在数千米内可以穿过孔店组二段的不同层位。

（3）孔店组一段

为旋回层的上部，最大厚度1 500 m，一般厚度1 200 m，为一套红色泥岩、砂质泥岩与长石砂岩、砂砾岩互层，局部夹灰绿色泥膏岩层。所含主要生物化石介形类为火红美星介-美丽金星介组合，孢粉为麻黄-杉粉属-桤木粉属组合。

该段中含有大量玄武岩，主要分布于孔店构造带及沧东凹陷的局部地区，分为枣北玄武岩、枣46-枣16井玄武岩、沈家铺玄武岩及辉绿岩、孔东玄武岩、小4井-官85井及沧1井玄武岩，总面积约140 k㎡。

1.2构造

黄骅坳陷内部发育8个次级凹陷，以东西分界和南北分区为特点。东西分界以黑龙村-孔店-北大港-老王庄-柏各庄-马头营中央隆起带为界，分为东侧凹陷和西侧凹陷，西侧自南而北发育南皮、沧东、板桥、北塘、乐昌等凹陷，东侧发育有盐山、歧口、南堡等凹陷（图2）。

1.3侵入岩

区内新生代侵入岩主要为辉绿岩和碱性辉长岩，它们主要分布于坳陷中、南区的西南缘和北区的北缘古近系、新近系地层中。

2　岩石学、矿物学特征

本次对Z37、F22-15、J5井3口钻井的火成岩进行了代表性的岩芯取样（图2），Z37井火成岩属辉绿岩，其余均为玄武岩。

图2　黄骅坳陷构造分区图［7，8］Fig.2 Tec tonic zoning m ap o f Huanghua Dep ression

2.1岩石学特征

2.1.1辉绿岩

分布于Z37井孔店组第一岩性段，分为两层，层厚分别为4m和49.5m。岩石主要由基性斜长石、单斜辉石等组成，斜长石自形-半自形，板状，形成格架，大小一般为0.5～2mm，少量为2～3mm；内见聚片双晶，双晶带较宽，蚀变较弱，沿其解理、显微裂隙有少量绢云母、方解石及黝帘石、次闪石等交代蚀变；含量65%～70%。辉石以他形粒状为主，大小一般0.1～1mm，填隙状分布于斜长石之间构成辉绿结构，含量20%左右。局部由次闪石、黑云母、滑石、方解石、绿泥石等交代呈假象产出，部分界限模糊不清。局部内有半自形斜长石包体，构成嵌晶含长结构（图3-1，3-2）。

2.1.2玄武岩

钻遇玄武岩起始位置1 920 m，结束位置是1 968m，岩芯观察具有14个喷溢层，最薄溢层厚度为1m，溢流层最厚达7m。

孔店组玄武岩气孔、杏仁均不发育，气孔、杏仁小且孤立，少于5%。岩石深灰色，致密块状构造。矿物成分主要有斜长石、辉石，次要矿物为绿泥石、沸石和少量磁铁矿。镜下岩石具斑状结构，主要由斑晶和基质两部分组成。斑晶主要为斜长石和单斜辉石。斜长石斑晶多以半自形一自形板条状为主，粒度0.5～2mm，聚片双晶比较发育，含量为25%左右。辉石大小为中-细粒，呈柱状，含量10%～25%左右，部分已蚀变成绿泥石。基质由斜长石、辉石等微晶和玻璃质组成，矿物粒度一般小于0.5mm；斜长石呈自形-半自形细小板条状，架状分布；辉石为单斜辉石，半自形柱状或粒状，见有被绿泥石等低温蚀变矿物替代（图3-3），部分呈假像产出，有少量玻璃质、铁质沿长石空隙分布，基质含量50%～60%左右。组构表现为间粒间隐结构，块状构造。岩石蚀变程度较高。

部分玄武岩常发育纵向裂缝、高角度裂缝，偶见横向裂缝，里面充填有油斑。裂缝附近的基质常发育溶蚀气孔隙，有时裂缝缝壁被溶蚀。裂缝的形成主要与构造活动有关，而溶蚀气孔隙则与地表淋滤和埋藏后的有机酸作用有关。薄片观察辉石和玻璃质溶蚀比较普遍（图3-4）。

2.2矿物化学

对Z37井2 356.98m处的辉绿岩单斜辉石斑晶一个样品的6个点探针分析结果表明（表1），黄骅坳陷孔店组单斜辉石斑晶主元素变化不大，SiO2为51.023%～51.779%，平均51.27%；Al2O3为1.539%～2.789%，平均2.21%；MgO为14.306%～15.778%，平均15.08%；CaO为20.682%～21.029%，平均20.88%。在单斜辉石命名图（图4）中，成分均落入普通辉石区。因此，黄骅盆地孔店组辉绿岩中的辉石斑晶主要属于铝质普通辉石。

图3　辉绿岩和玄武岩镜下照片Fig.3 m icroscopic photos o f Diabase and basa lt

对Z37井辉绿岩一个样品4个斜长石斑晶体作了6个点的电子探针分析（表2），其中一个总量为104.223%，不符合精度要求，不予考虑。在长石化学成分命名图（图5）中四个成分点落在拉长石区，一个成分点落在中长石区，说明该区的斜长石主要是基性斜长石，为中拉长石。

表1　单斜辉石电子探针分析结果（%）Table 1 EPMA ana lysis resu lt table o f clinopyroxene（%）

3　地球化学特征

表2　斜长石电子探针分析结果（%）Tab le 2 EPMA ana lysis resu lt tab le o f p lagioc lase（%）

选择上述1个玄武岩样品、1个辉绿岩样品在湖北岩矿测试中心进行了主量元素分析（表3），分析方法为荧光光谱法和湿化学法；对3个玄武岩样品（玄1-玄3）在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室用ICP-MS进行了稀土元素测试（表4），具体分析方法见文献［10］。

3.1主量元素特征

孔店组玄武岩和辉绿岩具高Al2O3（12.79～16.92%），高碱（Na2O+K2O为3.84～9.68%），MgO变化范围大（5.9%～14.28%）的特点，Na2O/K2O值为2.6～10.1，属于钠质系列，Mg#为0.53～0.68。在硅-碱图上（图6），孔店组火成岩投点全部落到碱性玄武岩和强碱性玄武岩区，辉绿岩样品均处于碱性玄武岩范围内。在SiO2-（Na2O+K2O）图上（图7），孔店组火成岩9个样品均属碱性系列。

从哈克图解（图8）可以看出主量元素氧化物与MgO的相关性：K2O-MgO、Na2O-MgO、A l2O3-MgO、SiO2-MgO负相关，FeO-MgO及Fe2O3-MgO正相关，岩浆在演化过程中A l2O3的质量分数增加，而FeO、Fe2O3、MgO的质量分数减少，反映了玄武岩浆在运移过程中可能发生橄榄石和单斜辉石的早期分离结晶作用。

图4　 CaSiO3-MgSiO3-FeSiO3单斜辉石命名图［9］Fig.4 CaSiO3-MgSiO3-FeSiO 3 d iag ram fo r clinopyroxene

图5　长石化学成分命名图［9］Fig.5 Fe ldspa r chem ica l nam ed d iag ram

3.2稀土元素特征

孔店组玄武岩稀土总量97.6～134.2，稀土总量较高，轻重稀土分馏明显，轻稀富集，LaN/YbN=8.7～11.6，在球粒陨石标准化分配形式图上显示右倾曲线（图9），具大陆玄武岩的稀土配分模式。铕异常不明显，δEu值为0.88～0.96，表明原生岩浆生成之后，没有经历明显的斜长石分异作用。

本区孔店组火山岩中各稀土元素的丰度存在一定的相关性。投影表明，La-Ce显示良好的正相关，虽然本区火山岩的La和Ce丰度各不相同，但其比值近似等于1（图10）。

4　岩石成因探讨

表3　孔店组火成岩主量元素组成（%）Tab le 3 Majo r elem en t com position of Kongd ian m agm atic rocks（%）

表4　孔店组火成岩稀土元素组成Tab le 4 REE com position o f the Kongdianmagm atic rocks

4.1岩浆演化特征

固结指数—SI值的大小可确定基性火山岩是幔源岩浆直接结晶产物，还是分异、混染产物。本区火山岩的固结指数平均为34，略小于40（地幔源原生岩浆凝固的岩石的SI值），反映了黄骅盆地新生代孔店组火山岩经历了微弱的分异或同化混染作用。黄骅盆地新生代火山岩的基底主要由太古宙及古元古代变质岩，中新元古代-古生代的沉积岩（碳酸盐岩为主）组成。在缺乏这些基底岩石的成分资料的情况下，通过考察火山岩中主量元素的变化趋势，可提供地壳混染是否在岩石成因中发挥主要作用的约束条件。地壳混染过程中，由于地壳组分的加入，K2O质量分数显著升高，而TiO2、P2O5的质量分数变化不大。从（图11、12）可知玄武岩的w（K2O）/w（TiO2）和w（K2O）/w（P2O5）对w（MgO）的变化呈近水平趋向，表明玄武质岩浆在分异过程中无明显的地壳组分加入。玄武质火山岩的岩石化学变化主要控制因素可能是源区成分、部分熔融及岩浆分离结晶过程。

图6　孔店组火山岩硅-碱图［12］Fig.6 TAS figure o f the vo lcanic rocks in Kongdian formation

图7　孔店组火山岩SiO2-（Na2O+K2O）图Fig.7 SiO2-（Na2O+K2O）figu re o f the volcanic rocks in Kongdian formation

部分熔融过程中，岩石中La/Sm比值随La含量增加而升高，呈线性关系；而同源岩浆的分离结晶过程，随含量的变化La/Sm比值则保持不变，呈水平线性关系。本区玄武岩的La/Sm比值和La的丰度投影于La/Sm-La的变异图（图13），可知本区孔店组玄武岩呈部分熔融趋势，结晶分异程度很弱。

通过上述讨论认为，孔店组岩浆演化主要受控于部分熔融，结晶分异作用较小，无明显的地壳组分加入。

4.2构造环境

从空间分布来看，中国东部新生代玄武岩虽然位于欧亚大陆边缘，但并不呈现从俯冲带向大陆内部碱含量（K2O+Na2O）和K2O增加，K2O/Na2O比值升高的现象。黄骅盆地与渤海湾其他断陷盆地一样，第三系玄武岩的碱含量以及K2O/Na2O的变化，受形成时代与岩浆熔出深度的控制［2］，与距消减带的距离无直接的关系。

图9　孔店组玄武岩稀土分配模式图Fig.9 REE patterns o f basa lts in Kongdian formation

图10　孔店组玄武岩的La-Ce协变关系Fig.10 La-Ce covariance p lots o f basa lts in Kongdian formation

图11　 K2O/TiO2-MgO质量分数变化图Fig.11 K2O/TiO2-M gO d iag ram

图12　 K2O/P2O5-MgO质量分数变化图Fig.12 K2O/P2O5-MgO d iag ram

图13　 La/Sm-La变异图Fig.13 La/Sm-La covariance p lot

图14　 F1-F2构造环境判别图解［13］Fig.14 F1-F2Diagram s for d isc rim ina ting

图15　单斜辉石TiO2-MnO-Na2O图解［14］Fig.15 TiO2-MnO-Na2O diagram o f c linopyroxene

本文利用F1-F2构造环境判别图解来判断孔店组玄武岩形成的构造环境。该图解要求样品的成分范围是：12%＜w（MgO+CaO）＜20%，FeO/ Fe2O3＞0.5，总量（包括H2O）在99%～101%之间。基于以上判别图的使用限定条件，对黄骅坳陷孔店组火山岩的岩石地球化学数据进行了认真地挑选，KD-1样品的（MgO+CaO）值为9.77%不符合F1-F2图解适用范围。KD-4、KD-9样品的主量元素总量分别为101.72%和 101.61%，超过了101%，不符合精度要求。用其他6个符合条件的点投图（图14），样品投点全部落于板内玄武岩区域中。以辉绿岩中单斜辉石的TiO2-MnO-Na2O计算成100%，投影于单斜辉石TiO2-MnO-Na2O图上（图15），样品点投在了板内玄武岩与岛弧玄武岩区内［13］。结合F1-F2图解和TiO2-MnONa2O图解认为孔店组玄武岩和辉绿岩形成于板内构造环境。

5　结论

（1）孔店组火成岩岩石组合为玄武岩和辉绿岩，以碱性玄武岩为主，同时有少量强碱性玄武岩。主量元素显示高铝、高碱特征。

（2）玄武质岩浆无明显的地壳组分加入，岩石成分主要受部分熔融程度控制，结晶分异作用较小。

（3）孔店组玄武岩形成于板内构造环境。

致谢：本文完成过程中得到了中国地质大学马昌前教授、张超博士、张金阳博士的悉心指导，在此表示衷心感谢。感谢评审老师提出的宝贵意见。

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Petrology and Geochem istry CharacteristicsofM agm atic Rocks in Kongdian Formation in theHuanghua Depression

ZHANG Xue-mei1，ZENGWei2，LILing-yue3，GAO Zhi-rui2
（1.Tianjin GeothermalExploratiom and DevelopmentDesigning Institute，Tianjin 300170，China；
2.Tianjin Center，China Geological Survey，Tianjin 300170，China；
3.NO.1OilProduction Plantof Dagang Oil Field Company，Tianjin 300170，China；）

Basedon the Petrographic and geochem ical studyof the Lower Tertiary Kongdian formation basaltand diabase in Huanghua Depression，we suggest thatbasaltand diabase belong toalkaline seriesw ith LREEenrichment and noEu anomality.Themagma evolution wasmainly controlled by themantle partialmelting w ith little crystallization differentiation and little crustal contam ination.Tectonic environment discrim ination results show that themagmatic rocksof the Kongdian formation formed in intraplateenvironment.

Huanghua depression；Kongdian formation；volcanic rock；geochemsitry；WPB

P588.1；P595

A

1672－4135（2015）04－0248-08

2015-06-02

中国地质调查“武当-桐柏-大别成矿带成矿规律与选区研究（12120113068800）”

张雪梅（1983-），女，工程师，主要从事石油勘探及研究工作，E-mail：358999648@qq.com；*通讯作者：曾威（1985-），男，工程师，主要从事矿产勘查及成矿理论研究工作，E-mail:314818431@qq.com。