松辽盆地王府断陷火石岭组火山岩成岩作用特征

2021-08-10王怀略林长城蒋飞王健豪赵雨恒邢博

世界地质 2021年2期

王怀略，林长城，蒋飞，王健豪，赵雨恒，邢博

1．东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； 2．重庆地质矿产研究院，四川重庆 404100

0 引言

松辽盆地是中国重要的火山岩含气区，拥有形成万亿m3大气区的地质条件[1]，营城组和火石岭组是两套主要的火山岩含气层。经过近20年的勘探，在徐家围子断陷、长岭断陷和王府断陷等多个断陷内都发现了具有工业价值的天然气藏[2--4]，其中王府断陷火石岭组火山岩具有千亿m3的储量规模，展现出良好的勘探潜力[5]。学者们对松辽盆地火山岩储层进行了多方面的研究[6--9]，其中成岩作用是较为重要的一个方面[10--11]，这有助于分析储层特征及储层演化规律。目前,在火山岩成岩作用类型、成岩阶段以及成岩作用对储层意义等方面取得一定共识[11--14]，但与碎屑岩相比，相关成果仍然较少，尤其是在成岩作用机理以及成岩演化方面还处于探索阶段[13, 15]。对比已有成果发现，不同地区火山岩的成岩作用类型或成岩作用演化都存在一定差异，进而对储层的影响也有所差异，因此针对不同地区火山岩储层有必要开展成岩作用研究。王府断陷火石岭组地层在形成后约145 Ma的漫长成岩过程中，经历了多次构造运动，其深度也由地表到埋藏逾3 000 m，加之热液活动以及地下水等影响，其成岩环境复杂，成岩作用类型多样，导致储层的发育演化较为复杂，加大了储层预测的难度。因此，笔者利用岩芯、普通薄片以及铸体薄片等资料开展王府断陷火山岩成岩作用及其对储层影响的研究，对分析储层特征，有效储层预测具有指导意义。

1 岩石类型

王府断陷位于松辽盆地东南隆起区的西北部，发育3个构造带及2个凹陷(图1)，整体具有东高西低的构造格局。断陷内火山岩分布于侏罗系火石岭组，自下而上分为粗安岩段、火山碎屑岩段及流纹岩段。通过对断陷内钻遇火山岩的23口探测井的岩芯、岩屑资料分析，研究区以中性火山岩(即粗安岩段和火山碎屑岩段)为主，少量为酸性火山岩(即流纹岩段)，从成因角度可将王府断陷火石岭组火山岩分为火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩4类。

1. 洮南断陷；2. 英台断陷；3. 大安断陷；4. 海坨南断陷；5. 长岭断陷；6. 孤店断陷；7. 莺山断陷；8. 王府断陷；9. 榆树断陷；10. 德惠断陷；11. 梨树断陷；12. 双辽断陷；Ⅰ. 山东屯构造带；Ⅱ. 小城子构造带；Ⅲ. 武家屯构造带。图1 王府断陷地理位置图(a)及构造分区(b)(据文献[16]修改)Fig.1 Geographical location (a) and tectonic divisions (b) of Wangfu fault depression

火山熔岩类为本区最主要的火山岩类型，占钻遇火山岩总厚度的53.5%，主要包括安山岩、粗安岩、粗面岩和流纹岩。火山熔岩颜色较杂，粗安岩段的火山熔岩以灰绿色和灰色为主，流纹岩段为灰色和灰白色。岩石具斑状结构，斜长石及碱性长石斑晶常见(图2a)，还可见角闪石、辉石和黑云母等暗色矿物斑晶(图2b)，流纹岩中石英斑晶常见。在粗安岩和流纹岩中常见气孔构造和杏仁构造。

火山碎屑岩类是本区另一类主要的火山岩类型，占钻遇火山岩总厚度的30%，岩石类型主要为凝灰岩、凝灰质火山角砾岩和火山角砾岩。火山碎屑以晶屑和岩屑为主，且岩屑主要为安山质、粗安质和粗面质(图2c、d)，少量为流纹质。此外，本区发育一种特殊的火山碎屑岩，其岩石组分中含有炭屑(图2d)，这是火山碎屑流进入含煤沼泽环境所形成。

火山碎屑熔岩及沉火山碎屑岩类含量较少，二者占钻遇火山岩总厚度的比例皆不足10%，其中火山碎屑熔岩成分与火山碎屑岩基本相同，但具有熔结结构，火山角砾有时可见烘烤边，斑晶可见港湾状熔蚀(图2e)。沉火山碎屑岩发育于火山作用间歇期，包括沉火山角砾岩和沉凝灰岩两种主要类型，火山角砾的磨圆较好，呈次棱角状--次圆状(图2f)，火山碎屑组分以粗安质和安山质为主，含有一定量的石英和长石碎屑，基质以火山灰为主，含有少量的泥质成分(图3f)。

(a)CS11井，2 588.96 m，粗安岩，斑状结构，斑晶主要为碱性长石和斜长石，基质为交织结构，正交偏光；(b)WF1井，3 054 m，安山岩，角闪石斑晶及晶内溶蚀孔，单偏光；(c)CS20井，4 289.1 m，粗安质火山角砾岩，角砾为粗安质，长石绢云母化蚀变，正交偏光；(d)CS10井，2 861.64 m，安山质火山角砾岩，角砾为安山质，基质为火山灰和少量炭屑，单偏光；(e)CS9井，2 274.84 m，流纹质含角砾凝灰熔岩，熔结结构，石英斑晶具港湾状熔蚀，正交偏光；(f)CS607井，2 738.80～2 738.92 m，沉火山角砾岩，角砾呈次棱角--次圆状，成分为粗安岩角砾。图2 王府断陷火石岭组典型火山岩Fig.2 Typical volcanic rocks of Huoshiling Formation in Wangfu fault depression

2 成岩作用类型及特征

利用岩芯、普通薄片和铸体薄片资料对松辽盆地王府断陷火石岭组火山岩成岩作用进行详细研究，参考已有的研究成果[17]，将研究区火山岩成岩作用分为早期成岩作用和晚期成岩作用两个阶段，进一步识别划分为10种成岩作用类型。

2.1 早期成岩作用

对于火山岩而言，早期成岩作用是指地下熔融的岩浆进入到地表或近地表转变为固结的岩石这一过程中所发生的物理化学变化。本区火山岩经历的早期成岩作用主要包括挥发分逸出作用、冷凝作用、熔蚀作用以及胶结作用。

挥发分逸出作用挥发分逸出作用是火山熔岩经历的一种典型成岩作用，岩芯分析发现熔岩流的上部和下部均发育因挥发分逸出而形成的气孔构造，而且气孔在中性及酸性火山熔岩中均可见(图3a、b)，尤其以流纹岩的气孔构造为典型，其气孔数量多，形状不规则，单个气孔直径可达2～3 cm(图3b)，是主要的原生孔隙类型，但气孔多是孤立分布，且多数气孔被充填，如无后期成岩作用改造难以成为有效储集空间。

冷凝作用冷凝作用常见于火山熔岩和火山碎屑熔岩，可分为冷凝结晶作用和冷凝收缩作用。冷凝结晶作用表现为岩浆冷凝过程中矿物结晶析出，形成斑状结构、似斑状结构和交织结构等显晶质结构类型(图2a、b)，冷凝结晶作用可形成晶间孔，但晶间孔的连通性差。冷凝收缩作用表现为岩体体积的不均匀收缩而产生冷凝收缩缝或压力骤降发生炸裂而形成炸裂缝。冷凝收缩缝一般见于熔岩流的顶底面，绕过斑晶或碎屑，延伸长度小，裂缝宽度也小(图3c)；炸裂缝可切穿斑晶或火山角砾，延伸长度较长，裂缝宽度也比冷凝收缩缝大，可作为有效储集空间(图3d)。

熔蚀作用熔蚀作用在本区火山熔岩、火山碎屑熔岩及火山碎屑岩中常见，是由于深部岩浆喷出地表时，温度因压力的突然降低而瞬时升高，使得已形成的斑晶遭到局部熔蚀而呈现港湾状。本区熔蚀作用最典型的表现是石英斑晶的港湾状熔蚀，主要发育在流纹岩段，且在凝灰熔岩中较为常见(图2e、图3d)。

胶结作用胶结作用是本区火山碎屑岩和沉火山碎屑岩在早期固结成岩过程中发生的成岩作用，与碎屑岩成岩作用方式相似。前期研究揭示粗安岩段形成于水下--陆上的喷发环境[16]，而且也见有火山碎屑流进入含煤沼泽环境的地质证据，因此除火山灰作为典型胶结物外，准同生期的黏土质、钙质和硅质等也是本区火山碎屑岩及沉火山碎屑岩的重要胶结物类型(图3e、f)。

(a)WF1井，3 591.41～3 591.62 m，粗安岩，气孔体积小；(b)CS14井，2 995.85～2 996.03 m，流纹岩，发育不规则气孔，且气孔多被方解石部分或完全充填；(c)CS9井，2 266.92～2 267.07 m，含角砾流纹岩，冷凝收缩缝沿层面发育，绕过火山角砾；(d)WF1井，2 824 m，流纹质凝灰熔岩，石英斑晶见炸裂缝及港湾状熔蚀，单偏光；(e)CS6井，2 732.50 m，安山质火山角砾岩，角砾边缘为栉壳状的硅质胶结，基质绿泥石化，正交偏光；(f)CS9井，2 275.13 m，沉凝灰岩，含长石和石英晶屑，火山灰和泥质胶结，正交偏光。图3 王府断陷火石岭组火山岩早期成岩作用特征Fig.3 Early diagenesis features of volcanic rocks of Huoshiling Formation in Wangfu fault depression

2.2 晚期成岩作用

对于火山岩而言，其晚期成岩作用指火山岩固结成岩后因热液、风化淋滤和埋藏作用等影响发生的一系列物理化学变化[17]。王府断陷火石岭组火山岩自形成以后受到构造、风化、埋藏、热液及地下水等诸多地质因素的不同时期改造，导致其经历的晚期成岩作用类型比较复杂，表现为成岩作用类型多，以及同一种成岩作用多次发生。本区火山岩经历的晚期成岩作用主要包括压实作用、风化淋滤作用、构造作用、交代蚀变作用、充填作用和溶蚀作用。

压实作用本区火石岭组火山岩多埋藏于地下2 100 m以下，甚至可达3 500 m，因此在整个成岩过程中经历了强烈的压实作用，但压实作用仅对火山碎屑岩和沉火山碎屑岩的影响明显，而对火山熔岩及火山碎屑熔岩的影响很小。在火山碎屑岩及沉火山碎屑岩中可见晶屑、岩屑因压实而导致的破裂，在碎屑颗粒间亦可见凹凸接触现象(图4a)，甚至出现长石晶屑因压溶而呈现次生加大现象。

风化淋滤作用王府断陷火石岭组火山岩为3期火山喷发旋回形成，各旋回及各喷发期次间歇期遭受风化剥蚀及淋滤作用，在多口井上发现有风化壳记录，且白垩系营城组沉积末期断陷东部抬升，火石岭组地层遭受更严重的风化剥蚀，甚至缺失第二和第三旋回的地层记录[15]，因此，本区火山岩经历了多期次且较长期的风化淋滤作用，在矿物晶体方面的直接证据是岩石中的斜长石发生绢云母化蚀变(图2c)。风化淋滤作用不仅导致岩石破碎形成微裂缝，也使得岩石中的易溶组分溶蚀形成基质溶蚀孔、斑晶溶蚀孔及溶蚀裂缝等(图4b)。

构造作用王府断陷构造活动强烈，在沙河子组沉积时期发生大规模断裂活动[18]，形成了近SN向的多套断裂组合[19]，到营城组沉积末期又发生区域性构造反转，最终形成了山东屯和武家屯等构造带(图1b)，因此，断陷内尤其是构造带上的火山岩经历了明显的构造作用改造。通过岩芯和薄片观察，各类岩石均见有构造裂缝，包括张性裂缝、挤压裂缝及剪切裂缝等不同类型(图4c)。此外，成像测井资料也显示，裂缝发育层段的裂缝密度为0.7～6.5条/m，主要为3～4条/m。

交代蚀变作用本区交代蚀变作用也是一种常见成岩作用，其类型主要有绿帘石交代、钙质交代、绿泥石化和绢云母化等。由于研究区粗安岩及安山岩中常含有辉石、角闪石等不稳定矿物，其在成岩过程中容易发生绿帘石化交代(图4d)，同时，受多期次的热液活动和地下水的影响，基质的绿泥石化及长石斑晶的绢云母化蚀变特征比较普遍(图4c、d)。除不稳定矿物的交代蚀变外，钙质交代在本区火山岩中也普遍存在，既可交代斑晶又可交代基质，而且往往交代程度强烈，以WF1井安山岩为例，长石斑晶大部分都被钙质交代，而基质几乎被钙质交代(图4e)。火山岩绿泥石化和钙质交代普遍存在的现象表明，研究区地下水应为中碱性且富含Mg2+和Al3+，而且地下水由早期的酸性向中碱性转化的过程可能与有机质向过成熟阶段演化所裂解产生的CH4及CO2有关。

充填作用充填作用主要与岩浆期后及埋藏--成岩作用阶段发生的热液活动和地下水活动有关，在本区各类岩石中均可见次生矿物的充填，充填矿物类型主要为长英质、方解石、沸石和绿泥石等，而且是多期次不同阶段充填形成。火石岭组地层由多期次的火山活动形成，因此岩浆期后的热液活动也具有多期性，流纹岩及安山岩中均可见气孔被热液充填的现象，如流纹岩气孔大部分被方解石充填(图3b)，安山岩气孔被绿泥石充填(图4f)。相比较而言，地下水活动导致的矿物充填更明显，其不仅导致部分原生和次生孔缝被充填，而且因介质水中阳离子的不同，形成多期不同类型的充填，如WF1井安山岩的裂缝中发育第一期的长英质充填，第二期的沸石充填，第三期的方解石充填(图4g)。多期次充填作用的发生使得本区火山岩的原生储集空间以及次生储集空间被大量减少。

溶蚀作用溶蚀作用在本区各类岩石中均常见，尤其是粗安岩段火山岩中含有较多的不稳定组分，为溶蚀作用奠定了物质基础，同时原生孔缝及构造裂缝又为溶蚀作用的发生提供了流体运移通道，而且由于大气淡水中的无机酸以及有机质生烃产生的有机酸的影响，除岩石的骨架颗粒及基质发生溶蚀外，早期充填的沸石、方解石等矿物也再次发生溶蚀，使得溶蚀作用在本区火山岩中表现出多种形式，形成斑晶溶蚀(图2b)、基质溶蚀(图4h)、充填物溶蚀(图4g)，此外，溶蚀作用也使得已形成的构造裂缝的宽度被再次扩大(图4i)，可连通孤立的溶蚀孔隙形成有效储集空间。

(a)CS6井，2 531.03 m，沉火山角砾岩，角砾因压实破裂并呈凹凸接触，单偏光；(b)WF1井，3 455 m，粗安岩，风化淋滤形成微裂缝、基质溶蚀孔及斑晶溶蚀孔，单偏光；(c)CS11井，2 617 m，粗安岩，剪切裂缝，基质绿泥石化，单偏光；(d)WF1井，3 591.30 m，粗安岩，辉石斑晶绿帘石化，长石斑晶绢云母化，正交偏光；(e)WF1井，3 210 m，安山岩，基质及长石斑晶被钙质交代严重，正交偏光；(f)CS11井，2 662.00 m，安山岩，绿泥石充填气孔，基质绿泥石化，正交偏光；(g)WF1井，3 130 m，安山岩，长英质、沸石和方解石分期充填裂隙，后因溶蚀形成充填物溶蚀孔；(h)CS11井，2 549 m，粗安岩，大量基质溶蚀孔，斑晶被部分溶蚀，单偏光；(i)CS10井，3 106 m，火山角砾岩，构造--溶蚀缝连通基质溶蚀孔，单偏光。图4 王府断陷火石岭组火山岩晚期成岩作用特征Fig.4 Late diagenesis features of volcanic rocks of Huoshiling Formation in Wangfu fault depression

3 成岩作用对储层的意义

火山岩储层储集空间的形成和演化与成岩作用密切相关，早期成岩作用形成原生储集空间，晚期成岩作用既形成次生储集空间，也控制原生储集空间的保存，而且原生储集空间多是孤立分布，在晚期成岩作用改造下才易形成有效储集空间。按成岩作用对储层的意义，将本区成岩作用对储层形成演化的影响分为建设性和破坏性两方面(表1)。

表1 王府断陷火山岩成岩作用对储层形成演化的影响

3.1 成岩作用对储层的建设性作用

本区对火山岩储层起建设性的成岩作用主要包括挥发分逸出作用、冷凝作用、风化淋滤作用、溶蚀作用、构造作用。挥发分逸出作用对火山熔岩的影响明显，常在熔岩流上部及底部形成大量的原生气孔，研究区流纹岩最为典型，孔隙度剖面上可见流纹岩段底部常出现孔隙度突然增大的特征(图5)，这可能是原生孔隙带发育的原因，岩芯显示流纹岩的原生气孔可占储集空间的50%以上(图3b)。冷凝作用主要影响火山熔岩及火山碎屑熔岩，形成的裂缝可有效提高储层渗透率。风化淋滤作用对研究区4类岩石均有影响，从王府断陷构造演化史可以看出，火石岭组粗安岩段及流纹岩段形成后经历了较长期的风化剥蚀，尤其是断陷东部在火石岭组末期一直处于抬升剥蚀阶段，沙河子组和营城组整体缺失[20]，这就导致火石岭组火山岩遭受多期次的风化淋滤作用，粗安岩段、流纹岩段顶部以及粗安岩段内部不同单元组(喷发期次)之间均发育有风化壳，在纵向上形成多个风化淋滤带，通过连井剖面的孔隙对比可以发现，在粗安岩段顶部及其内的单元组顶部常表现出高孔隙度带(图5)。因此，风化淋滤作用对本区火山岩储层是一种重要的建设性成岩作用，有助于形成风化裂缝及溶蚀孔隙。溶蚀作用对4类岩石均有影响，可形成溶蚀孔缝，有效提高储层物性，粗安岩段和火山碎屑岩段受影响明显。在图5中可见除风化淋滤带外的多个高孔隙度带，这可能是溶蚀作用的结果。铸体薄片也显示溶蚀孔隙类型多，在总孔隙中所占比例高，以CS11井粗安岩为例，该岩石孔隙空间几乎皆为溶蚀孔隙(图4h)，此外，从充填物被溶蚀的现象可见，溶蚀作用降低了充填作用的负面影响，为有效火山岩储层形成提供了保障。因此，溶蚀作用是本区另一种极为重要的建设性成岩作用。

图5 王府断陷火石岭组火山岩孔隙度剖面图(剖面位置见图1b)Fig.5 Porosity profile of volcanic rocks of Huoshiling Formation in Wangfu fault depression

在构造方面，王府断陷在拉张背景下形成，构造作用形成的构造裂缝张开度好，未被充填的裂缝可有效改善储层物性，山东屯、武家屯等构造带的岩石受影响尤为明显。交代蚀变作用对储层的意义需分不同的交代蚀变类型考虑，钙质交代有利于溶蚀作用的发生，绿帘石交代可形成晶间孔，其对储层具有建设性作用，二者的影响均在粗安岩段较为明显。

3.2 成岩作用对储层的破坏性作用

本区对火山岩储层起破坏性的成岩作用类型主要包括早期的胶结作用、晚期的压实作用及充填作用，这几种成岩作用主要通过减小岩石的孔隙空间体积来降低储层物性。充填作用在本区具有多期次性，其对火山熔岩、火山碎屑岩等储集空间较发育的岩石影响明显，是最主要的破坏性作用。此外，绿泥石化蚀变因新矿物晶体细小难以在晶间形成有效孔隙，且绿泥石具有膨润性，易充填堵塞原孔隙空间，对储层也具破坏作用，普通薄片和铸体薄片也显示绿泥石化对粗安岩段的火山熔岩影响明显。需要提出的是，充填作用对储层的演化是一种典型的破坏作用，但研究区充填作用的破坏性得到溶蚀作用一定程度的转化，如WF1井较早期充填的钙质、沸石等易溶组分就在后期埋藏过程中发生溶蚀形成溶蚀孔隙，因此易溶组分的充填物在储层后期演化过程中，若能再次发生溶蚀，则可以间接地起积极作用。