准噶尔盆地东部巴塔玛依内山组玻质碎屑岩的发现及地质意义

杨凯凯, 边伟华, 王岩泉, 李 昭, 刘晓康, 王璞珺

(1.吉林大学地球科学学院,吉林长春 130061; 2.中国石化胜利油田公司勘探开发研究院,山东东营 257000;3.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083)

玻质碎屑岩又称淬碎碎屑岩,是炽热的熔浆在流动过程中与水接触,进而骤冷收缩、淬裂形成[1],与熔岩相比,其通常具有火山碎屑结构,且结晶程度较低,基质呈玻璃质或半晶质结构,碎屑表面可见玻璃质外壳,胶结方式以水化学胶结方式为主,根据成分可分为玄武质、流纹质和安山质等[2]。其在具有火山裂谷背景的沉积盆地中可以占据较大的体积[1]。玻质碎屑岩不仅可以作为陆相火山岩水下喷发或就位的一个重要标志[3],也可以火山岩油气储层的形式存在[4]。另外由于其形成于水下,其对烃源岩也可能产生一定的影响[5]。玻质碎屑岩在全世界分布广泛[1]。中国的渤海湾盆地辽河坳陷是火山岩储层刻画较精细的地区[6],将玻质碎屑岩作为一种独立的火山岩相来进行研究[3],并对其储层特征进行了刻画[4]。准噶尔盆地石炭系火山喷发以陆相喷发为主[7-9],与水下喷发相关的玻质碎屑岩未见有公开报导。笔者通过对准噶尔盆地东部白碱沟地区巴塔玛依内山组火山岩野外露头的研究,发现巴塔玛依内山组地层存在玻质碎屑岩,从而为巴塔玛依内山组火山岩存在水下喷发或就位提供了直接证据。此外,通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年以及烃源岩分析等手段,对巴塔玛依内山组玻质碎屑岩形成年代以及泥岩夹层特征进行研究,揭示玻质碎屑岩的形成时代,首次探讨五彩湾—白碱沟地区火山岩水下喷发时限,并对该地区水下喷发环境可能对火山岩气藏发育产生的影响进行分析。

1 地质背景及火山沉积地层序列

准噶尔盆地位于新疆北部,四周被造山带所环绕,是中国西部重要的含油气盆地。准噶尔盆地可划分为6个一级构造单元,分别为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、北天山山前冲断带、西部隆起和东部隆起。盆地火山岩主要发育于石炭系巴塔玛依内山组,其广泛分布于陆梁隆起、东部隆起以及盆缘的卡拉麦里地区。巴塔玛依内山组岩性以玄武岩和流纹岩等火山熔岩为主,另外可见一定比例的火山碎屑岩,局部发育沉积岩夹层[10],形成于后碰撞期伸展背景下[11]。

研究区位于准噶尔盆地东部的白碱沟地区(图1),研究层位为石炭系巴塔玛依内山组。白碱沟地区巴塔玛依内山组地层岩性主要为安山岩、玄武岩、流纹岩、凝灰角砾岩夹碳质页岩、煤线及粉砂岩、霏细岩、流纹斑岩。研究选取的剖面位于白碱沟西沟(图1)。剖面地层序列以玻质碎屑岩和火山熔岩的不等厚互层为主,夹泥岩或碳质泥岩(图1、图2(a)、(b))。

2 测试方法

2.1 岩石学方法

首先通过剖面实测,建立剖面地层序列(图1),其次对手标本进行鉴定,初步确定岩性类型。同时进行系统取样,磨制光学薄片,使用奥林巴斯BX51偏光显微镜进行岩矿鉴定,并使用奥林巴斯DP71相机拍摄显微图像,从而确定玻质碎屑岩的岩石学特征,并为年代学测试样品的选取提供依据。

2.2 年代学方法

测年方法为LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,样品ZB68取自准噶尔盆地东部白碱沟地区巴塔玛依内山组地层,岩性为流纹质玻质碎屑岩,样品野外和镜下照片如图2(j)～(l)所示。样品锆石挑选在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司进行,包括样品粉碎、磁力分选、双目镜挑选等步骤。锆石的制靶和阴极发光CL照相在北京锆年领航科技有限公司完成,制靶的过程在其网站上有详细说明。锆石U-Pb定年在中国地质科学院国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。用于锆石U-Pb测试的仪器为Neptune 多接收电感耦合等离子体质谱和Newwave UP213 紫外激光剥蚀系统,采用ICPMSDataCal程序处理数据,平均年龄计算和协和图制作采用Isoplot 3.0。

2.3 烃源岩测试方法

测试的样品为ZB40、ZB46、ZB50、ZB53、ZB56和ZB62,烃源岩取样位置如图1所示。测试内容为总有机碳(TOC)。在吉林大学测试科学实验中心进行,仪器为LECO CS-230碳硫仪,包括碎样、称重、酸洗、水洗、烘干、测试等步骤。

图1 准噶尔盆地东部白碱沟地区地质简图及剖面地层序列Fig.1 Geological setting and profile stratigraphic sequence of Baijiangou area in Eastern Junggar Basin

3 结 果

3.1 玻质碎屑岩的岩石学特征

研究区玻质碎屑岩根据组成矿物和结构的不同可分为玄武质玻质碎屑岩和流纹质玻质碎屑岩。其中玄武质玻质碎屑岩的碎屑内无斑晶,基质为间粒结构,斜长石微晶搭成的格架中充填有辉石(蚀变为绿泥石)等颗粒。流纹质玻质碎屑岩的碎屑同样无斑晶,基质呈霏细结构,由大量长英质微晶组成。玄武质和流纹质玻质碎屑岩的顶部或底部往往与泥岩接触(图1、图2(a)、(b))。玄武质玻质碎屑岩主要发育在剖面下部和中部,均为灰绿色,下部的玻质碎屑岩碎裂程度低,可见由于岩浆流动受阻,产生的似枕状变形构造(图2(c)),表面见玻璃质外壳(图2(c)～(e)),玻璃质外壳呈碎屑状,具球状外形,碎屑之间可见钙质胶结(图2(d)、(e))。中部的玻质碎屑岩呈碎裂状(图2(f)、(g)),气孔不发育,表面可见明显的淬火成因的玻璃质外壳(图2(f)、(g)),镜下可见整体发生绿泥石化,且长石多呈中空骸晶结构(图2(h))。流纹质玻质碎屑岩发育在剖面上部(图1),颜色主要为肉红色(图2(i)、(j)),呈碎裂角砾状,气孔同样不发育,往往具有一定的粒度分选(图2(j)),表面可见到典型的灰绿色玻璃质外壳(图2(i)),碎屑之间一般无或有少量位移, 其边界一般可拼合(图2(k)),镜下可见碎屑的岩性和结构相同,均为流纹岩,具无斑结构,胶结物以方解石等水化学胶结物为主(图2(l))。

3.2 玻质碎屑岩的年代学特征

流纹质玻质碎屑岩的锆石形态多较自形,以短柱状为主,长度介于50～120 μm,集中于60～80 μm,长宽比介于1∶1～1∶3。CL图像显示大部分锆石具有震荡环带(图3),Th/U比值均大于0.1(表1),表明为岩浆成因。13颗锆石的LA-ICP-MS锆石年龄测试结果如表1所示。

由表1可知,13个锆石中仅有1个锆石的测试(ZB68-5)年龄偏高,206Pb/238U年龄为481.1 Ma,可能为岩浆捕获的锆石。其余12个锆石的年龄介于325.5～334.1 Ma,这12个锆石的206Pb/238U加权平均年龄为330.2±1.7 Ma,这些数据在年龄谐和图上分布于谐和线附近一点上,上交点年龄为333.8±4.6 Ma,代表了玻质碎屑岩的形成年龄(图4)。

表1 白碱沟地区流纹质玻质碎屑岩的锆石LA-ICP-MS分析测试数据Table 1 Zircon LA-ICP-MS analysis data for rhyolitic hyaloclastite in Baijiangou

3.3 烃源岩特征

烃源岩评价标准采用中华人民共和国石油天然气行业标准(SY/T 5735-1995),据此标准,白碱沟剖面烃源岩样品总有机碳(TOC)介于0.91% ～20.5%,其中碳质泥岩TOC为20.50%;泥岩TOC介于0.91% ～3.50%,平均值为2.06%。有机质丰度属于中等—很好。总体来看,此剖面的烃源岩有机质丰度较高(表2)。

4 讨 论

4.1 玻质碎屑岩的成因及意义

前已述及,巴塔玛依内山组火山岩形成于后碰撞期伸展背景下[11],大量的岩浆活动与广泛分布的局限性水体相互作用,形成了白碱沟地区巴塔玛依内山组火山岩与泥岩互层分布的现象(图2(a)、(b))。玻质碎屑岩正是在这种地质背景下产生的。

陆相水下喷发火山岩可以分为陆上喷发水下保存和水下喷发水下保存两种[5]。玻质碎屑岩既可以由陆上喷发的熔浆流入水体形成,也可以由熔浆水下喷发形成[12]。当水体较深时往往形成枕状熔岩,而水体较浅时则往往形成玻质碎屑岩[13]。剖面下部的玄武岩呈灰绿色,碎裂程度低,仅可见玻璃质外壳呈碎裂状,内部则相对致密,表面可见岩浆流动受阻产生似枕状变形构造(图2(c)),因此认为此种玻质碎屑岩可能是由于岩浆水下喷发形成的,且水深相对较大,形成后长时间处于还原环境。剖面中部的玄武质玻质碎屑岩破碎程度相对较高,除表面具有玻璃质外壳外,可见岩石整体绿泥石化,基质内斜长石晶体呈中空骸晶结构(图2(h)),而这正是水下喷发的典型标志[14]。上部的玻质碎屑岩破碎程度更高,呈肉红色(图2(i)、(j)),整体具无斑结构,因此认为其是由于炽热的熔浆与较浅的水体接触并淬火、破碎而形成的,随着水体深度的降低,逐渐暴露出地表,从而被氧化为肉红色。综合来看,剖面火山岩为水下喷发成因,且具备陆上喷发水下保存和水下喷发水下保存两种成因。

巴塔玛依内山组火山岩的喷发环境仍然是一个存在争议的问题。总的来看,既存在陆上喷发,也存在水下喷发,且不同地区火山岩的喷发环境不尽相同。如五彩湾地区巴塔玛依内山组火山岩以水下喷发为主[7],石西凸起和滴南凸起则以陆上喷发为主[7, 15]。但是目前巴塔玛依内山组火山岩喷发环境的判别主要是根据颜色、原生气孔发育程度、蚀变类型等标志来进行的[7, 15],尚未有玻质碎屑岩等判别岩浆水下喷发证据的报导。在白碱沟地区发现的玻质碎屑岩填补了这一空白,为研究区火山岩的水下喷发提供了最直接的证据。

4.2 火山岩形成时代及水下喷发时限

迄今为止,巴塔玛依内山组火山岩形成于早石炭世还是晚石炭世仍是一个存在争议的问题。已发表的精确定年数据表明,不同地区的巴塔玛依内山组火山岩时代归属不同,整个石炭纪均有巴塔玛依内山组火山岩发育,且从东部盆缘的双井子、东黑山等地区到西部的陆梁隆起,火山岩的喷发时代变小,由早石炭世逐渐变为晚石炭世,这可能与准噶尔洋盆从早石炭世开始由东至西呈“剪刀式”闭合[16]有关。古洋盆的闭合伴随着两侧陆块的碰撞,后碰撞期伸展背景下的火山活动形成了巴塔玛依内山组火山岩[11]。因此准噶尔盆地东部地区巴塔玛依内山组火山岩喷发时代并不局限于早石炭世或晚石炭世,而是在整个石炭纪均有发育(图5,其数据来源于文献[16]～[20])。

图5 巴塔玛依内山组火山岩年龄统计Fig.5 Age statistics of volcanic rocks in the Batamayineishan Formation

白碱沟地区已发表的测年数据介于315±4 Ma和300.8±4.9 Ma[17-19],属于晚石炭世。研究区的测年结果为333.8±4.6 Ma,首次在研究区发现早石炭世火山岩。因此综合来看白碱沟地区早石炭世和晚石炭世均有火山岩的发育,火山喷发从333.8±4.6 Ma一直持续至300.8±4.9 Ma。这也从侧面证明巴塔玛依内山组在整个石炭纪均有发育,而并不局限于早石炭世或晚石炭世。

早石炭世晚期卡拉麦里洋闭合,两侧陆块发生软碰撞[21],五彩湾及邻区形成残余的陆缘海[22]。晚石炭世,五彩湾凹陷及邻区沉积环境表现为泻湖—陆表海以及海陆过渡环境[22-23](图6,据文献[23],有修改)。结合白碱沟地区巴塔玛依内山组岩性为中—酸性熔岩夹碳质页岩、煤线及凝灰质砂岩的特征,表明该地区火山活动应处于水下环境[19,23]。同样,笔者在剖面踏勘过程中发现的具石泡构造的珍珠岩也指示该地区的火山活动处于水下的事实。此外五彩湾凹陷的勘探实践也表明,巴塔玛依内山组暗色泥岩极为分散,多夹持于火山岩之间,也为该地区火山岩的水下喷发提供了证据。综合来看五彩湾及邻区火山岩的水下喷发环境可能由早石炭世晚期一直延续至晚石炭世。五彩湾—白碱沟地区火山岩水下喷发可能从333.8±4.6 Ma开始一直持续至300.8±4.9 Ma。

图6 准噶尔盆地晚石炭世岩相古地理图Fig.6 Lithofacies paleogeography of Late Carboniferous in Junggar Basin

4.3 水下喷发环境对火山岩气藏发育的影响

前已述及,五彩湾—白碱沟地区火山岩水下喷发时间从早石炭世一直延续至晚石炭世,如此长时间的水下喷发环境势必对五彩湾—白碱沟地区火山岩油气藏的形成产生影响。由于巴塔玛依内山组火山岩成藏模式以自生自储为主[24],因此其影响主要体现在烃源岩和储层两个方面。

4.3.1 水下喷发对烃源岩的影响

巴塔玛依内山组烃源岩形成于火山喷发间隙,表现为大套的火山岩之间的烃源岩(图7(a)),这套烃源岩以泥岩和煤为主,广泛发育于准东地区的各个凹陷[24]。经过对白碱沟剖面烃源岩的系统采样、分析,可知这套烃源岩具有有机质含量高的特征(表2),是一套优质的源岩。如此高的有机质丰度可能与火山岩的水下喷发有一定关系。这种推断可以通过与滴西地区陆上喷发环境中形成的烃源岩对比得到证实,滴西地区巴塔玛依内山组泥质烃源岩TOC为1.06%[25],而研究区泥质烃源岩TOC平均值为2.06%。究其原因,一方面火山岩水下喷发为有机质的保存提供良好的还原环境[7],另一方面火山灰含有的矿物质增加了水体的营养成分[24]。

图7 五彩湾和白碱沟地区烃源岩和次生溶蚀孔隙发育特征Fig.7 Development characteristics of source rocks and secondary dissolution pores in Wucaiwan and Baijiangou

4.3.2 水下喷发对火山岩储层的影响

水下喷发火山岩的原生气孔不发育,储集空间以基质溶蚀孔和裂缝为主。这与五彩湾地区火山岩的储集空间特征相一致[7],五彩湾地区火山岩储层原生孔隙和裂缝的发育程度均较低,有效储集空间为次生孔缝。巴塔玛依内山组火山岩与烃源岩互层产出[7],成藏模式以自生自储为特征[24],因此烃源岩热演化过程中释放出的大量有机酸与储集层有最大的接触机会,这为有机酸对火山岩储层的溶蚀提供了可能。五彩湾和白碱沟地区火山岩大量发育的长石斑晶内溶蚀孔(图7(b)、(c))、斜长石微晶溶蚀形成的基质内溶蚀孔、气孔和裂缝中方解石充填物发生溶蚀形成的溶蚀孔(图7(c)、(d)),以及火山碎屑岩和沉火山碎屑岩的方解石胶结物溶蚀孔(图7(e)、(f)),可能就是有机酸对铝硅酸盐、碳酸盐矿物进行溶蚀的表现。

综上所述,五彩湾—白碱沟地区巴塔玛依内山组火山岩长时间的水下喷发环境使烃源岩有机质含量增加。同时烃源岩热解过程中释放的有机酸快速进入火山岩,使火山岩储层的次生溶蚀孔隙增加,起到了改善储层的作用。

5 结 论

(1)准噶尔盆地东部白碱沟剖面存在巴塔玛依内山组火山岩水下喷发的直接证据(玻质碎屑岩)。可分为流纹质玻质碎屑岩和玄武质玻质碎屑岩两种,剖面下部的玄武质玻质碎屑岩可能代表着较深水下喷发,而上部的流纹质玻质碎屑岩可能代表着熔浆流入水体淬火成因。

(2)白碱沟地区巴塔玛依内山组实测剖面的流纹质玻质碎屑岩锆石U-Pb年龄为333.8±4.6 Ma,属于早石炭世。结合前人研究成果认为,五彩湾—白碱沟地区巴塔玛依内山组时代范围为333.8±4.6 Ma至300.8±4.9 Ma,火山岩水下喷发环境同样从早石炭晚期一直持续至晚石炭世。

(3)五彩湾和白碱沟地区巴塔玛依内山组火山岩的水下喷发能够提高烃源岩的有机质丰度,同时烃源岩热解使火山岩储层的次生溶蚀孔隙增加,起到了改善储层的作用。