塔里木盆地顺北地区二叠纪火山活动期次与分布

肖重阳，杨 林，林 波，尤东华

(1.成都理工大学 能源学院，成都 610059；2.中国石化 西北油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011；3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；4.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

近几十年的盆地油气勘探过程中，随着地震勘探等地球物理技术的提升及勘探范围的扩大，研究者基于野外露头、钻井取心、重力航磁和地震预测等综合技术手段，对塔里木盆地火成岩分布范围及岩性特征进行了系统的研究，发现盆地内部发育大量的火成岩，具有覆盖范围广、发育厚度大的特点[1-9]。前人根据二叠系残留火山岩的空间分布及岩性特征，将盆地的火成岩整体划分为残余酸性火山岩区及基性火山岩区[1-7]。从露头及取心确定了多种岩性及多套岩层，定年结果认为，基性火山岩活动分布时间多数集中在260～290 Ma的早二叠世[2,6,8-9]。前人根据火成岩单井及地震相特征，在塔中地区识别出4期火成岩，可见玄武岩、玄武安山岩、安山岩等岩类[10-13]；塔河地区火成岩岩类主要有玄武岩、正长岩、英安岩和流纹岩[14-16]，以熔岩和火山碎屑岩为主，并划分为2次喷发—溢流旋回[3，16-18]。

顺北地区位于顺托果勒低隆起的主干断裂与次级断裂[14-15,19-21]发育区域，南、北分别与塔中古隆起和塔北隆起相接，位于二叠系残留中酸性火山岩与玄武岩的叠合区(图1)。如何有效识别火山岩岩性是顺北地区油气勘探中的一项重要工作及难点。本文通过顺北地区二叠系已钻井的火成岩岩性组合及其测井响应、地震反射特征的对比分析，提出了顺北地区二叠系火成岩期次及表征认识，对不同类型、岩相的火山岩发育特征及分布规律进行总结与预测。

1 区域地质背景

塔里木盆地是一个大型叠合复合盆地，从早奥陶世—二叠纪，经历多期火山活动[22-24]。二叠纪早期及中晚期，在塔北隆起西北边缘即英买力凸起以及南部的北部坳陷顺托果勒隆起区基性火山岩和中酸性火山岩重叠分布，在哈拉哈塘凹陷和阿克库勒凸起南部二者呈“指状”叠加重合[25-26]。

早二叠世末为伴随基性玄武岩火山喷发溢流；后随着南天山洋萎缩、消亡、闭合，南天山洋残留洋壳急剧向塔里木板块俯冲，造成地壳的酸性围岩在俯冲带的深熔，基性岩浆受结晶分异作用及同化混染作用影响，向中性及中酸性岩浆演化。中酸性火山岩形成于中、晚二叠世，此时塔里木盆地已进入由伸展向挤压构造体制的转变。玄武岩、辉绿岩、辉长岩等基性火山岩在塔中隆起、巴楚隆起和塔西南坳陷都有分布，几乎覆盖半个塔里木盆地；中酸性火山岩则主要分布于北部的塔北隆起西南部及其以南一直延续至塔中隆起北部边界。火山岩厚度平面分布上以哈4和跃南1井为中心，向周围呈椭圆形减薄[27]；阿克库勒凸起为中酸性火山岩，向东北迅速减薄。研究区位于基性和中酸性火山岩叠合处，目前针对该区的研究基本处于空白阶段，岩性组合及期次划分尚不明确。

2 二叠系火山岩岩石学特征

顺北地区在二叠系中钻遇大量的火山岩，本文基于岩心、岩屑、测井、录井及地震资料,并结合塔北隆起和塔中隆起的钻井资料，认为该区主要发育基性玄武岩和中酸性英安岩等熔岩，同时还存在大量的火山角砾岩和凝灰岩等。

2.1 火山岩岩性

2.1.1 玄武岩

二叠系主要发育顶部及中部2套玄武岩。顶部玄武岩由主要矿物基性斜长石(60%)、辉石(20%)，次要矿物角闪石、黑云母(13%)，杏仁气孔(5%)及少量磁铁矿、磷灰石等副矿物和高岭土、绿泥石等次生矿物(2%)组成。斑状结构，在不规则排列的长条状斜长石微晶所形成的间隙中充填柱状及粒状辉石、角闪石和磁铁矿等矿物；基质中的主要填隙物为隐晶质和玻璃质物质，无色或浅褐色，呈圆滑的不规则状，常含不同形态的雏晶或斜长石、辉石和橄榄石的微晶。辉石以单斜辉石为主，斜方辉石少见，基质中可见光轴较小的易变辉石，辉石与褐色角闪石充填于斜长石微晶所形成的间隙中，部分角闪石黏土化，蚀变为绿泥石。基质中还见有大量磁铁矿，全消光，不透明(图2a)。

图1 塔里木盆地顺北地区二叠纪火山活动研究区及钻井位置[1,7]Fig.1 Volcanic activity areas during Permian and well locations, Shunbei area, Tarim Basin

与顶部玄武岩不同，中部玄武岩为无斑间粒结构，由辉石和斜长石小晶体组成，杂乱分布的斜长石格架中镶嵌较小的辉石及橄榄石；辉石以单斜辉石为主，斜方辉石少见，基质中可见光轴较小的易变辉石(图2b)。

2.1.2 安山岩

安山岩在顺北地区较为少见，仅限于X1-5H井上部4 430 m岩屑中；斑状结构，斜长石、辉石占80%，基质为半定向排列微—细粒斜长石、辉石交织结构，辉石安山岩(图2c)。

2.1.3 英安岩

英安岩是顺北地区主要火山岩类型之一， 从X5-5H井英安岩岩心可以看出，上部岩心气孔、缝洞较为发育，下部岩性较为致密。

下部英安岩由斜长石(50%)、钾长石(20%)、石英(20%)和黑云母、少量角闪石(10%)组成；斑状结构，斑晶为石英、斜长石，石英斑晶表面碎裂，环绕斜长石周围见正边结构，部分斜长石斑晶见卡氏双晶；基质主要由细小的长石、石英微晶组成(图2d)；发育绿泥石，黏土化严重。

上部英安岩由斜长石(45%)、钾长石(20%)、石英(15%)和黑云母和少量角闪石(10%)组成；为聚斑结构，斑晶为斜长石、石英，斜长石An值为35～38，属中长石，可见聚片双晶，斜长石斑晶呈现板条状，钾长石斑晶少见，多数在基质中以充填形式分布，可环绕于斜长石周围构成正边结构，边部可见辉石或暗化的黑云母或角闪石。他形石英组成霏细—交织结构(图2e)。

2.1.4 火山角砾岩

在中二叠统中钻遇火山角砾，但分布范围较小，仅在XP3、X1-5等井可见。角砾颗粒较大，可直接进行辨识；成分主要为英安质，粒径4～15 mm不等，由大小不一的晶屑、火山灰胶结而成；分选差，晶屑多为次棱角状，主要分布在火山口附近。

图2 塔里木盆地顺北地区二叠系火山岩镜下特征

a.X1-5H井，4 415 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；辉石玄武岩，斑状结构，基质为长条状斜长石充填柱状及粒状辉石,见蚀变橄榄石；b.X1-5H井，4 780 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；玄武岩，无斑间粒结构，由辉石和斜长石小晶体组成，充填辉石和橄榄石(伊丁石化为红色)；c.X1-5H井，4 430 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；安山岩，斑状结构,基质斜长石辉石、角闪石交织结构；d.X2井，4 530 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；杏仁英安岩，斑状结构，绿色为杏仁结构充填绿泥石；e.X5-5H井，4 742.5 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；英安岩，斑状结构，斑晶为斜长石及石英，见溶蚀边；f.X1-3井，4 700 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；沉凝灰岩，碎屑物质含量大于90%，沉凝灰结构；g.X1-3井，4 725 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；流纹质晶屑玻屑凝灰岩，假流动构造；h.X2井，4 848 m，右侧单偏光、左侧正交偏光；岩屑晶屑熔结凝灰岩，假流动构造

Fig.2 Microscopic characteristics of Permian volcanic rocks in Shunbei area, Tarim Basin

2.1.5 凝灰岩

顺北地区凝灰岩是最常见的火山碎屑岩，根据晶屑中的矿物组合，可进一步细分为沉凝灰岩、流纹质晶屑波屑熔结凝灰岩和岩屑晶屑熔结凝灰岩等类型。

沉凝灰岩比较常见，由石英(35%)、黑云母(30%)、长石(20%)等主要成分及火山玻璃(15%)组成；沉凝灰结构，碎屑常为火山灰及水化物质胶结，定为凝灰岩。薄片中可见假流纹构造，即压扁拉长定向的塑性玻屑和塑性岩屑遇到刚性碎屑时，塑性玻屑受刚性碎屑的压缩在其周围变薄变窄(图2f)。

流纹质晶屑波屑熔结凝灰岩，主要成分为斜长石(40%)、钾长石(10%)和石英(30%)；假流动构造，弯曲条带状塑性岩屑遇晶屑弯曲嵌入，塑性玻屑流纹状，斑晶为斜长石晶斑见聚片双晶，其条带、条纹具有较好的连续性，且较自然地绕过斑晶(图2g)。

岩屑晶屑熔结凝灰岩，火山碎屑物质主要由长石(30%)、石英(20%)、黑云母(10%)和玻屑(10%)组成，主要填隙物为火山玻璃；假流动构造，以熔结(焊接)作用方式形成，属于熔结火山碎屑岩。岩石中一半以上的火山碎屑物的粒径小于2 mm，黑云母多色性显著，呈褐色—浅黄色，保留有部分片状晶形，并见弯曲和暗化，玻屑细小，无色，为火山灰胶结(图2h)。

2.2 火山岩岩性地球化学

优选经过薄片鉴定的15件样品进行元素地球化学分析，数据实验在成都理工大学油气藏地质及开发国家重点实验室完成，检测设备为电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。通过主量元素分析(表1)，明确火山岩熔岩岩性类型分为玄武岩类、安山岩类和英安岩类3大类；并通过SiO2含量，又细分为粗面玄武岩、安山岩、粗安岩、英安岩、粗面英安岩等(图3)。

2.3 火山岩测井特征

通过对比顺北地区27口井500片岩屑薄片鉴定，针对2套玄武岩及英安岩—凝灰岩组合的测井特征，分别进行了统计(表2)。

图3 塔里木盆地顺北地区二叠系火山岩类型TAS图版图版据Streckeisen [5-7,10-11,13]。Fig.3 TAS map of Permian volcanic rocks in Shunbei area, Tarim Basin

上下2套玄武岩差异较小，测井响应特征为低伽马(GR)、较高电阻率(RT)、较高速度(AC)、高密度、低中子(强蚀变会造成高中子)、低自然伽马能谱(低无铀伽马和低铀、钍、钾含量)的特征。玄武岩段测井曲线整体较平滑、微齿形状，箱型、钟形(图4)。

英安岩在测井响应上呈高伽马、高电阻率、低速度、高密度、低中子、高自然伽马能谱特点，测井曲线整体较平滑、微齿形状，箱型、钟形，凝灰岩发育段齿化增强(图4)。

凝灰岩主要出现在二叠系下部或上部英安岩、玄武岩熔岩之上。测井参数表现变化，主要呈低电阻率、高声波时差、低密度、高中子、中高自然伽马能谱。与熔岩段相比，凝灰岩发育段岩性变化快、岩性复杂，造成测井曲线表现为明显的齿化特征，规律性稍差(表2，图4)。

表1 塔里木盆地顺北地区二叠系火成岩主量元素地球化学分析数据

Table 1 Geochemical data of primary elements of Permian igneous rocks in Shunbei area, Tarim Basin %

样品号深度/mSiO2TiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5烧失量X1-3-14 530.056.42 1.18 14.81 8.09 0.19 2.34 3.73 2.55 3.83 0.16 6.74X1-3-24 580.063.95 0.91 14.69 5.33 0.08 1.28 2.33 3.70 2.79 0.33 4.48X1-3-34 700.060.31 0.64 15.99 5.85 0.07 1.40 1.72 2.76 3.56 0.15 7.37X1-5H-14 430.056.82 1.27 14.86 8.82 0.12 3.74 5.30 2.94 1.63 0.22 4.20X1-5H-24 700.060.75 0.78 16.29 6.97 0.11 1.58 1.95 2.82 3.96 0.24 4.36X1-5H-34 760.060.29 0.62 13.25 5.49 0.07 1.29 5.41 2.44 4.07 0.17 6.94X1-5H-44 790.058.31 1.37 13.08 8.41 0.13 1.98 5.00 2.45 3.26 0.31 5.62X1-5H-54 925.059.98 0.57 13.20 5.31 0.06 1.73 5.00 1.89 3.87 0.15 8.09X2-14 847.661.09 0.95 14.31 7.49 0.11 0.87 2.75 3.59 4.81 0.53 3.46X2-24 962.444.78 3.95 15.23 14.21 0.21 5.68 4.28 3.93 0.91 1.22 5.54X5-5H-14 742.059.290.5614.046.570.100.582.113.224.790.298.45X5-5H-24 742.658.100.5112.576.750.190.452.223.024.460.2911.44X5-5H-34 743.055.430.4713.268.550.090.541.973.024.450.2611.96S79-14 831.358.970.9814.376.480.092.402.043.063.920.347.35S79-24 864.155.340.5414.327.150.141.935.992.383.590.288.34

表2 塔里木盆地顺北地区二叠系岩性测井曲线响应特征数据统计

图4 塔里木盆地顺北地区二叠系火山期次测井及地震响应特征Fig.4 Volcanic period logging and seismic response characteristics of Permian in Shunbei area, Tarim Basin

火山角砾岩在顺北地区发育较少，仅顺北评3井附近与凝灰岩、泥岩、砂岩交互出现，火山岩与砂泥岩的声波时差(AC)、密度(DEN)、补偿中子(CNL)差异比较明显。

由表2可反映上、下2套玄武岩、英安岩及凝灰岩特征，其主要区别在于上部岩性相对存在杏仁气孔结构，下部火山碎屑岩—碎屑岩段的岩电特征较为致密(图4)。

3 火山岩岩石组合及期次划分

火山岩期次的划分，往往离不开岩性组合。JACKSON[28]提出的定义为：①与火山作用相关的岩石韵律；②有一定重复关系或规律；③必须为同一岩浆来源，且在不同期次之间会具有一定的喷发间断。但实际情况中，往往并不能揭示出一个完整的火山岩相，本文通过火山岩及火山碎屑岩组合代表一个喷发期次来进行识别。

以X1-5H井为例，在二叠系中可识别出4套火山岩岩石组合，即：火山碎屑岩—碎屑岩组合(局部含浅层侵入岩)、玄武岩—凝灰岩组合、英安岩—凝灰岩组合和玄武岩组合。底部的火山碎屑岩—碎屑岩组合主要为砂、泥岩夹凝灰岩、火山角砾岩，岩性变化快、复杂；中、上部3套岩性组合主要由熔岩(玄武岩、英安岩)与凝灰岩组成，岩性相对稳定且厚度较大。在研究区识别出2套玄武岩，下部玄武岩—凝灰岩组合主要为基性的玄武岩过渡到沉积凝灰岩为一个旋回，上部仅发育一套30 m左右的玄武岩，整体活动呈弱—强—弱的特征；2～5期旋回多以熔岩喷溢开始过渡到凝灰岩结束。

顺北地区二叠系火山岩岩性组合：由下向上整体呈围岩中未见火山岩部分—火山碎屑岩—火山岩(熔岩)—上碎屑岩组合。研究区西南—东北方向，火山岩由基性火山岩喷发向中酸性火山岩喷发过渡，顺西地区二叠系下部发育火山碎屑岩—沉凝灰岩组合，中部发育玄武岩—凝灰岩组合，上部发育凝灰岩—碎屑岩组合；顺北地区上碎屑岩段几乎不发育，且火山岩变厚、组合变复杂。研究区西北—东南方向，顺北地区为上火山岩、下碎屑岩组合，向顺9井区、顺南地区上、下碎屑岩逐渐发育，且中部火山岩逐渐变薄、尖灭。

通过单井岩性特征研究，根据火山沉积岩层、岩性组合转换面等喷发期次界面的标志层，划分火山喷发期次。研究区二叠系整体可以划分为上部碎屑岩段、中部火山熔岩段和下部碎屑岩—火山碎屑岩段；岩性由西南地区的早期基性喷发岩向东北地区的中酸性喷发岩过渡；火山熔岩的分布趋势说明，火山活动喷发中心是由西南逐渐向东北方向迁移。通过顺北地区及周边已钻井的火山岩性组合、测井响应及地震反射特征综合分析，将二叠系火山岩划分为5个喷发期次(表3，图4)。

4 讨论

顺北地区玄武质熔岩型2个喷发旋回与塔河地区一样，均属于泛流玄武岩喷发方式[29]，火山喷发程度弱，爆发系数小，几乎见不到爆发相，以平稳溢流喷发作用为特征，喷发通道均为断裂、裂缝。第一期中酸性火山岩与现代火山喷发中培雷式相似，火山喷发强度较大，火山作用产物以中酸性无分选的火山灰及火山砾为主，为水下环境。火山灰流首先在火山口附近就近堆积，然后一个火山灰流接着一个火山灰流逐渐向外扩展，并在靠近火山口的冷凝单元底部见到不同熔结程度的熔结凝灰岩和少量熔结角砾岩、熔结集块岩[30]。火山通道多位于早期基底断层及其伴生断裂的交会处。 三、四期英安质熔岩型喷发与塔河地区的英安质熔岩喷发形式一样，属于泛流流纹岩式。中酸性岩浆沿基底断裂喷出地表，受地形控制形成，顺北地区早期基底断裂比较发育，火山喷发强度及火山岩体规模较大，此外除主要发育的溢流相，侵出相也较发育。

厚层英安岩黏度较大、流动性较差，单火山机构覆盖范围有限，大面积、厚层英安岩是多火山机构叠置的结果，其分布受古地形控制不明显(图5)；薄层玄武岩黏度小、流动性好、长距离溢流，覆盖范围比较广，其分布受古地形控制较明显[31]。顺北地区第三、四期英安岩出现多火山机构横向叠置现象，主要发育火山口、近火山口岩相组合(图5)。顺北地区第二、五期玄武岩火山建造与第一、三、四期英安岩火山建造的火山通道都是以基底断裂及石炭纪—早二叠世派生断裂为主；第二、五期很少可以见到火山口，第一、三、四期火山口主要为锥形、盾形[32]，分布于断裂交会处或断裂产状快速变化处(图5)。顺北地区中二叠统下段普遍发育碎屑岩沉积，说明为湖盆水下喷发环境[31]，中上部以火山岩为主，除西南部为凝灰质砂岩外，基本未见到碎屑岩沉积，说明主要为水上喷发环境，且西南部在二叠纪晚期可能转换为水下喷发环境。

5 结论

(1)顺北地区二叠系主要发育玄武岩、安山岩、英安岩、凝灰岩和火山角砾岩5种岩石类型。

(2)自下向上发育4类火山岩组合，即火山碎屑岩—碎屑岩、玄武岩—凝灰岩、英安岩—凝灰岩和玄武岩。综合火成岩岩性组合第一、二期次火山碎屑岩—碎屑岩段的岩电特征，测井曲线变化快，曲线表现为明显的齿化特征，规律性稍差；上部熔岩—(火山)碎屑岩岩性差别明显，其中英安岩为高伽马、高电阻率、低声波时差、高密度的特征，玄武岩为低伽马、较高电阻率、低声波时差、高密度的特征。

表3 塔里木盆地顺北地区二叠系火山岩活动期次划分特征

图5 塔里木盆地顺北地区二叠系火山岩喷发期次井震对比Fig.5 Logging and seismic correlation of Permian volcanic rock eruption periods in Shunbei area, Tarim Basin

(3)通过地震响应特征，将二叠系火成岩划分为5个喷发期次：第一期为X1、XP3等井周围的中酸性火山碎屑岩；第二期在研究区北部，为玄武岩—凝灰岩组合；第三期广泛分布，为英安岩—凝灰岩组合，现今构造整体东南高、西北低；第四期分布在东南部，为英安岩—凝灰岩—沉积岩组合，其中东部以英安岩—凝灰岩组合为主，向西南方向逐渐过渡为沉积岩、火山碎屑岩互层；第五期分布在东部，岩性以玄武岩为主，局部见凝灰岩。其中第一、三、四期英安岩火山建造的火山通道都是以基底断裂及石炭纪—早二叠世派生断裂为主，分布于断裂交会处或断裂产状快速变化处。

致谢：本文得到中国石化西北油田分公司资料的支持，以及中国石化石油勘探开发研究院钱一雄教授的帮助，在此致以衷心感谢！