乌伦古地区石炭纪火山岩地球化学特征分析

倪胜利，王金铎，王千军，白仲才，程世伟，汪佳蓓

(1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，东营 257000；2.中国石化胜利石油管理局博士后科研工作站，东营 257000；3.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331)

元素地球化学是地球化学最主要的分支学科之一。通过逐一阐明个别元素的地球化学特征以及与其他元素的组合关系，力求完整了解元素的地球化学旋回及其演化历史和原因，揭示元素含量变化对自然过程的指示意义。

近年来，松辽盆地、准噶尔盆地以及渤海海域的火山岩油气藏勘探取得了巨大的突破，展现了良好的勘探前景[1-3]。然而位于准噶尔盆地东北缘的乌伦古地区历经多年勘探，仅部分井获得工业油流，这可能与基础地质勘探情况不明有关。目前，前人针对该区石炭系的研究多集中于火山岩岩性岩相的识别，识别出爆发相、喷溢相等多种岩相类型[4]；运用地震相等识别出多个火山机构[5]；储层特征和储层预测研究，明确火山岩储层受多种因素控制[6-7]；同时对烃源岩评价以及有效烃源岩分布规律[8-12]也做了相应的分析，认为该区强烈的构造活动导致烃源岩分布受限，而源又是油气勘探的重点之一，因此构造活动分析显得尤为重要。然而，区内构造环境分析鲜见报道，尤其是下石炭统[13-16]，同时对上石炭统巴山组的构造环境分析存在一定的争议。一些学者通过岩石学、地球化学以及地球物理等方面的研究，认为巴山组是岛弧环境的产物[13-14]；而另一些学者则认为巴山组是陆内裂谷环境的产物[15-19]。构造环境的研究不仅关系到区内构造格局的恢复、地质演化历史的重建，对区内油气资源的勘查与评价也有十分重要的意义，而火山活动与大地构造环境密切相关，包含了丰富的构造信息。因此，针对这一问题，在前人研究成果的基础上，结合周边野外露头对火山岩样品进行地球化学分析，研究区内上下石炭统火山岩的源区特征，同时进一步落实乌伦古地区石炭系的构造环境类型，尤其是上石炭统巴山组，揭示整个石炭纪的构造演化特征。以期为深入探讨研究区乃至整个准噶尔盆地的构造演化以及为盆地的基底性质研究提供新依据。

1 地质背景

实线为勘探区块边界；虚线为构造边界图1 乌伦古地区构造单元划分Fig.1 Tectonic unit division in Wulungu area

研究区包含红岩断阶带、索索泉凹陷、石西凹陷和石英滩凸起4个构造单元，呈NW-SE向展布[13](图1)，自下而上石炭系发育姜巴斯套组(C1j)和巴山组(C2b)(恰其海组、塔木岗组等多套地层在该区缺失或不发育)。由于该区海西期大规模强烈的地壳运动导致多套地层缺失，故石炭系下部的姜巴斯套组角度不整合于泥盆系托让库都克组，之上的巴山组被中生代地层不整合覆盖，缺失二叠系(图2)。此外，区内还广泛发育中生界侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组及头屯河组等地层，它们以角度不整合覆盖于晚古生代地层之上。该地区石炭系主要为扇三角洲相、滨海-浅海相碎屑岩沉积以及广泛发育溢流相、爆发相等火山岩相，含有丰富的古生物化石。

研究区姜巴斯套组整体为一套碎屑岩沉积，由下至上岩石颗粒整体表现出粗-细-粗的变化特征(图2)，局部发育火山岩，火山岩岩性以凝灰岩为主，其次发育安山岩、玄武岩等，锆石测得年龄为323～330 Ma；巴山组具有火山岩和沉积岩混积发育的特点，依据优势相自下而上划分出三个岩性段，分别为下火山岩段、中间沉积岩段及上火山岩段(图2)。下火山岩段主要为灰绿色凝灰岩、玄武岩、安山岩组成的爆发-喷溢韵律，熔岩极为发育，代表火山喷发作用剧烈，在顶部发育一套在横向上具有可对比性的薄层流纹岩；中间沉积岩段底部岩石与下火山岩段呈沉积接触，岩性以砾岩、含砾粗砂岩和泥岩为主，局部发育火山岩；上火山岩段岩性以安山岩为主，夹玄武岩及少量凝灰岩。巴山组火山岩测年数据显示年龄为318～322 Ma。研究的地球化学样品为采自区内钻井及乌伦古地区周边的野外露头(包括扎河坝、五彩城、白碱沟等剖面)石炭系出露的火山岩。

图2 乌伦古地区岩性综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in Wulungu area

2 样品和测试

乌伦古地区石炭系分布较为广泛。结合前人研究成果，火山岩岩石地球化学特征研究是基于盆地露头和钻井岩心显微镜观察的基础上，考虑盆地火山岩岩性的多样性和取样点分布的均匀性，选取未蚀变、未风化的中基性火山岩样品做进一步分析。样品经过表面杂质及风化面清除后，研磨至200目，每个样品缩分出两份用于岩石主微量组成分析。岩石的主量、微量和稀土元素分析在中国石油大学(北京)测试中心测试完成。

3 地球化学特征

3.1 主量元素地球化学特征

对取自乌伦古地区钻遇的单井及周边野外露头上、下石炭统发育的火山岩样品进行全岩化学分析。由岩石主量元素分析结果(表1)可知，该区上石炭统巴山组火山岩含有相对低含量SiO2[w(SiO2)=43.07%～53.23%]，具有中基性岩特征。同时样品中还含有高含量的Al2O3[w(Al2O3)=15.23%～21.26%]、TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]、P2O5[w(P2O5)=0.19%～0.90%]，以及相对低含量的CaO[w(CaO)=4.85%～14.73%]、MgO[w(MgO)=2.38%～7.04%]。Mg值(Mg#)为26～57，样品中全碱含量较高[w(K2O+Na2O)=4.61%～8.21%]，里特曼指数(Rittmann)均大于3.3，样品的LOI(烧失量)较高，后期蚀变可能对K、Na等元素造成一定的影响。火山岩硅-碱图(TAS)如图3(a)所示，样品点主要落于碱性系列区域内；由SiO2-K2O图解[图3(b)]可知，样品均落在中-高钾钙碱性系列区域范围内，尽管显示出富碱性的特征，但w(K2O)/w(Na2O)值较低，为0.02～0.28，表现出富钠特征。

如表2所示，该区下石炭统姜巴斯套组火山岩含有相对高含量的SiO2[w(SiO2)52.09%～76.31%]，以及相对低的TiO2[w(TiO2)=0.14%～1.00%]、Na2O[w(Na2O)=2.55%～5.42%]和MgO[w(MgO)=0.17%～4.24%]含量，且w(K2O)/w(Na2O)为0.49～2.42。由硅-碱图[图3(a)]可知，样品点主要落于亚碱性系列；由SiO2- K2O图解[图3(b)]可知，样品同样落在中-高钾钙碱性系列区域内。样品中Al2O3含量偏高，为11.83%～18.43%。除姜巴斯套组一块样品的里特曼指数(5.49)大于3.3外，区内其余样品里特曼指数均小于3.3，为1.30～3.22(表2)，表明后期蚀变作用可能会使Na、K等活动性较强的元素发生一定程度的变化，但对其他主量元素影响较小。

表1 乌伦古地区巴山组火山岩化学元素分析数据Table 1 Chemical elements analysis data of the Bashan Formation volcanic

图3 乌伦古地区石炭系主量元素地球化学特征Fig.3 Major elements features of Carboniferous basalt

3.2 微量元素地球化学特征

乌伦古地区及其周边石炭系火山岩稀土含量列于表1，绘制的稀土元素球粒陨石标准化曲线(图5)。该区巴山组样品稀土元素总量(REE)变化于75.36×10-6～199.13×10-6，整体稀土曲线呈右倾式，轻稀土富集较为明显。样品未见或弱显示负Eu异常(铕异常系数δEu为0.94～1.12，平均为1.02)的特征[图5(a)]。部分稀土元素标准化之后的比值，即(La/Yb)N变化为2.87～5.74；(La/Sm)N为1.50～2.33(平均为1.93)、(Gd/Yb)N为1.39～2.13(平均为1.70)，表明轻重稀土分异较明显。洋中脊玄武岩(MORB)标准化的微量元素蛛网图[图5(b)]，样品中大离子亲石元素Sr、Rb等元素相对亏损，高场强元素表现为相对富集，Nb、Ta表现为亏损。

姜巴斯套组稀土元素总量(REE)变化为93.16×10-6～374.64×10-6，其分布模式均为富轻稀土的右倾曲线[图5(c)]，具有明显的负Eu异常(δEu=0.42～1.08)。(La/Yb)N变化范围为3.12～16.39；(La/Sm)N=2.21～4.53(平均为2.86)、(Gd/Yb)N=0.86～2.39(平均为1.49)，表明该组轻重稀土分异较明显，轻稀土内部分异强，而重稀土内部分异较为缓和。另外，在MORB标准化的微量元素蛛网图上[图5(d)]，大离子亲石元素K、La、Nd具有较高的丰度，而元素Sr的亏损则均归因于岩浆分离结晶过程中斜长石分离结晶作用。高场强元素Nb、Ta，尤其是P、Ti负异常明显，同样表明与矿物的分离结晶有关。

表2 乌伦古地区姜巴斯套组火山岩化学元素分析数据Table 2 Elements analyses of the Jiangbasitao Formation volcanics

红色为巴山组；绿色为姜巴斯套组图4 乌伦古地区及周边火山岩Harker图解Fig.4 Harker diagram of Carboniferous volcanic rock from Wulungu area and its surroundings

4 讨论

4.1 姜巴斯套组源区特征

一般来说，岛弧火山的w(TiO2)=0.5%～0.83%[21]。研究区姜巴斯套组火山岩样品w(TiO2)=0.14%～1.00%，以0.14%～0.71%为主，均值为0.51%，处于岛弧火山岩TiO2的范畴，同时也说明该时期火山岩是消减带岩浆的产物。由原始地幔标准化的微量元素蛛网图[图5(d)]可知，高场强元素相对亏损，尤其是Ti、Nb、Ta，而大离子亲石元素相对富集，表明其形成可能与岛弧或者岩浆源区物质中含有岩浆弧成分有关。在Nb-Y酸性岩构造判别图解[图6(c)]中，样品的投影点均落在岛弧火山岩区内，表明其形成于与俯冲作用有关的活动大陆边缘环境。

4.2 巴山组源区特征

研究区巴山组Mg#变化为26.13～56.34，低于原始岩浆的参考值65，与姜巴斯套组一样，说明是原始岩浆经历了一定程度的分异作用后的产物，而且演化程度较强。轻稀土元素相对于重稀土元素富集，(La/Yb)N大于4且Ti含量较高，推断源区可能含有石榴石。

样品中Ba/La值为4.56～14.44，远低于与板块俯冲作用有关的岛弧火山岩的Ba/La值(大于30)[20]；相对亏损大离子亲石元素、高TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]的特征也与岛弧火山岩(小于1.0%)存在差异。La/Sm值为2.84～4.05，小于4.5，且轻稀土元素(LREE)含量较低，表明该玄武岩样品未遭受地壳物质混染。与N-MORB相比，巴山组火山岩样品Ti含量偏高，轻稀土元素和高场强元素较为富集，且Ti/V和Zr/Y值偏高，Th/Nb值(0.13～0.28)与大陆板内裂谷火山岩比值相当。Zr/Y-Zr构造判别图解[图6(d)]同样显示巴山组火山岩来自于板内环境。有资料显示，东准噶尔克拉美丽缝合带在早石炭世已经闭合[21]，且乌伦古地区的构造活动受到克拉美丽缝合带的控制，因此，推断巴山组时期火山喷发更可能形成于造山作用后的伸展作用，其Nb、Ta亏损可能是受到消减带或岛弧岩浆混染的结果。

图5 乌伦古地区及周边火山岩稀土元素配分曲线Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of volcanic rocks from Wulungu area and its surroundings

A为板内玄武岩；B为洋脊玄武岩；C为岛弧玄武岩图6 乌伦古地区石炭系火山岩的物质来源判别图及构造环境判别图解Fig.6 Diagram for discriminating provenances and formation environment of carboniferous volcanic from Wulungu area

4.3 乌伦古地区石炭纪构造演化

石炭纪是准噶尔盆地发展史中极为重要的一个地质历史时期。该时期克拉美丽-三个泉-达尔布特断裂带是较为活跃的断裂带之一，对乌伦古地区的构造演化及沉积环境起着一定的控制作用。上述地球化学证据分析为乌伦古地区石炭纪构造演化提供了新证据。早石炭世，在泥盆纪构造活动的基础上，克拉美丽残余洋盆仍处于收缩阶段，洋盆继续向南北两侧俯冲，在乌伦古地区南缘形成火山弧。克拉美丽蛇绿岩带中发现的早石炭世的放射虫化石，以及晚石炭世的花岗质岩基切穿该蛇绿岩带的发现均表明早石炭世末期克拉美丽洋盆关闭[21]。在晚石炭世，克拉美丽洋盆的关闭导致南北两侧板块的碰撞(主要为乌伦古与三个泉两个岛弧带相互拼接)使岩石圈不断增厚，随后又在断陷作用的控制下，岩石圈开始减薄，此时，上地幔物质熔融致使地壳出现断裂形成板内裂谷。换而言之，乌伦古地区从早石炭世姜巴斯套组到晚石炭世巴山组一直处于洋壳消减环境，石炭纪早期表现为岛弧构造环境，随着构造运动的持续发生，在石炭纪晚期巴山组沉积时期进入陆内裂谷演化阶段，与准噶尔盆地克拉美丽地区石炭纪的构造演化模式相似。

5 结论

(1)乌伦古地区巴山组地球化学特征显示出高TiO2含量，低程度的轻稀土富集，Eu略显负异常，大离子亲石元素相对亏损，而高场强元素相对富集的特征，与陆内裂谷环境火山岩特征十分相似。较低的Th/Nb值以及Nb、Ta亏损等类似于岛弧火山岩特征揭示该时期火山岩遭受到弧组分的混染作用。

(3)在前人研究的基础上，结合地球化学数据比对以及构造环境判别图分析，揭示在克拉美丽断裂带-三个泉-达尔布特断裂带的控制下，乌伦古地区姜巴斯套组火山岩来源于活动陆缘弧的大地构造环境，此时，克拉美丽洋盆双向俯冲，直至早石炭纪末期关闭；随后进入碰撞造山阶段，岛弧带的拼接导致岩石圈增厚，后期的重力均衡有造成岩石圈伸展减薄，即石炭纪经历了由岛弧环境向陆内裂谷环境演化的过程。这一研究结果系统分析了乌伦古地区石炭纪构造格局演化特征，以期为研究区乃至整个准噶尔盆地石炭系基底性质研究与构造演化提供新依据，此外，对研究区相关油气藏成藏条件研究也具有十分重要的意义。