车排子油田南部火山岩地质时代及成因

王韬，徐倩，李永军，孔玉梅，郑孟林，郭文建

（1.中国石油 新疆油田分公司a.勘探开发研究院；b.博士后工作站，新疆 克拉玛依 834000；2.长安大学 地球科学与资源学院，西安 710054；3.河北省煤田地质局物测地质队，河北 邢台 054000）

车排子油田位于准噶尔盆地西部隆起南端，是盆地西北缘重要的油气富集带之一[1-2]。近年来以火山岩为主的石炭系显示出巨大的油气勘探潜力，油气勘探已由顶面风化壳向火山岩内幕延伸[3-5]。明确石炭系层位划分及地质时代，成为推进油气勘探深入的重要环节。车排子地区石炭系发育大套火山岩，岩性和岩相复杂[6-10]，前人通过与露头区地层对比，依据岩石组合的差异，将研究区石炭系划分为3个岩组[11]，但缺少精确的年代学研究。此外，石炭系在山前露头区分布广泛，地层划分方案众多，导致石炭系划分在露头区和覆盖区不一致，对其时代归属的认识差异大，对比方案不清晰。因此，只有通过盆山地层合理对比，建立盆内钻井地层序列与格架，才能解决钻井地层对比方案混乱等问题。近年来，准噶尔盆地西北缘山前石炭系划分与区域对比取得了重大进展[12-16]，为准噶尔盆地西北缘石炭系的横向对比提供了支撑。

制约井下火山岩地层精准划分与对比的主要因素，一是地层时代缺乏可靠依据，二是对火山岩的成分、成因等研究程度低。本文依托车排子南部地区新近获得的同位素年龄和岩石地球化学分析数据，讨论该区井下火山岩地层的地质时代，分析火山岩的岩石成因，为该区火山岩油藏的勘探开发提供依据。

1 岩石组合特征

车排子油田位于准噶尔盆地西部隆起之上，其西面和北面邻近扎伊尔山，地处于盆山结合部位[17]。研究区主体为红车断裂带中段（图1），从石炭系到古近系均有发育，其中，石炭系厚度较大，分布广泛，但因其缺乏与盆地西北缘山前石炭系建组剖面的有效对比，目前的地层命名较为混乱，还曾不当使用莫老坝组、库吉尔台组等岩组名称，后根据岩石组合切分为太勒古拉组（以火山岩和火山碎屑岩为主）、包古图组（以火山岩和沉积岩互层为主）和希贝库拉斯组（以沉积岩为主）（表1）。

表1 车排子地区石炭系划分方案一览表Table 1.Stratigraphic division schemes of Carboniferous in Chepaizi area

准噶尔盆地西北缘山区隶属包古图地层小区[20]，石炭系露头资料丰富。近年来，新一轮大比例尺地质填图工作、专项建组剖面及区域地层对比研究取得了重要成果[15-16，20-21]。根据建组剖面最新地质调查成果，石炭系各岩组岩石组合特征及划分对比标志归纳如下：包古图组以细碎屑岩为主，火山熔岩、硅质岩和灰岩均呈夹层状产出；希贝库拉斯组以粗碎屑岩为主，偶见砾岩夹层或透镜体；成吉思汗山组地面露头以红褐色为主，细碎屑岩和粗碎屑岩均有发现，灰岩层相对较厚，火山岩相对较发育，以玄武岩为主，具弧后盆地玄武岩地球化学特征；哈拉阿拉特组下部以火山熔岩为主，上部以火山碎屑岩为主，火山喷发旋回极为发育；阿腊德依克赛组下段以正常沉积岩为主，上段以火山岩为主。

通过与露头剖面对比，采用最新的石炭系划分与对比方案，对车排子地区钻揭的石炭系进行了重新划分与对比（表2），主要井间的石炭系火山岩柱状对比如图2所示。

表2 研究区钻遇石炭系岩石组合及划分方案Table 2.Rock associations and stratigraphic division schemes of Carboniferous in the study area

研究区大致以C498 井—C71 井以西的区域性大断层为界，在深度为3 000 m 处的断层两盘，地层层序及岩石组合差异显著，同一层位岩性界面高差大于100 m，推测系断层所致。断层西北盘有CF13 井和C26 井，CF13 井1 645.01 m 玄武安山质含角砾熔岩的LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄为459.9±9.5 Ma，为中奥陶世，推测1 625.00—1 653.00 m井段是一断层带中的断块，而1 536.00—1 625.00 m和1 653.00—2 012.00 m井段岩石组合与扎伊尔山区上石炭统阿腊德依克赛组上段（玄武质、安山质角砾熔岩夹角砾凝灰岩）可对比。C26 井1 726.00—2 631.00 m 井段钻遇岩性以碎屑岩为主，整体可与准噶尔盆地西北缘山区阿腊德依克赛组下段对比。

断层东南盘主要有C47井、C471 井、C472 井、C477 井、C48 井、C68 井等井，岩石组合为一套中—基性火山熔岩和火山碎屑岩组合，夹层可见碎屑岩沉积间断。其中，火山熔岩以气孔状玄武岩为主，火山碎屑岩可见玄武质、安山质火山集块岩、火山角砾岩、角砾凝灰岩等，与哈拉阿拉特组总体可比。C47 井3 370.00—3 490.00 m 的灰—灰黑色含碳砂岩、含砾岩屑砂岩，与哈拉阿拉特组第6 段顶部岩性（建组剖面岩性为灰色中薄层状中—细砾岩、含砾砂岩、长石岩屑杂砂岩）极好对比，于3 456.00—3 456.50 m 处获得晚石炭世孢粉化石。2 551.00—3 370.00 m 岩性为玄武质角砾熔岩、玄武质集块岩、安山质集块岩及少量玄武安山质角砾凝灰岩，当属哈拉阿拉特组第7 岩性段。

2 地质时代

2.1 孢粉化石

在C47 井3 456.00—3 456.50 m 井段灰—灰黑色含碳砂岩中获得丰富孢粉化石，含化石样品号为C47-15-9BF 和C47-15-13BF2。经南京古生物研究所鉴定，主要代表性属种有Protohaploxypinu clarus、P.verrucosus、P.junggarensis、P.irregularis，P.perfectus、P.jimsarensis、P.dvinensis、P.definitus等，地质时代为晚石炭世。

2.2 同位素年龄

于C68 井3 808.02m 井深采集流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩样品，用于进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb 定年，样品编号为C68-8-5TW。

样品中锆石多为无色透明—浅黄色，晶形发育较好。锆石晶体长为50～110 μm，宽为30～60 μm。锆石内部结构清晰，发育典型的岩浆振荡环带和明暗相间的条带结构，属于岩浆结晶产物[22]。LA-ICP-MS锆石U-Pb 测试分析结果见表3。样品的25个有效测点的Th含量为123.49×10-6～529.03×10-6，U含量为310.50×10-6～699.60×10-6。通常认为岩浆成因的锆石其Th/U多数为0.2～1.0，而变质成因的锆石Th/U 多低于0.1。样品的Th/U 为0.40～0.77，并呈现出较好的正相关，进一步指示其为典型岩浆成因锆石[23]。样品的206Pb/238U表面年龄为312.8～317.2 Ma。数据点集中分布在谐和曲线附近，206Pb/238U 谐和年龄为314.6±2.1 Ma，时代为晚石炭世。

表3 C68井流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测试分析结果Table 3.LA-ICP-MS zircon U-Pb analysis results of rhyolitic breccia-bearing vitric tuff from Well C68

3 岩石地球化学特征及成因

3.1 地球化学组分特征

样品取自C472井（3块）、C471井（2块）、C47井（1块）和C29井（2块）哈拉阿拉特组，岩性有气孔杏仁状橄榄玄武岩、玄武岩、含角砾杏仁状玄武岩、玄武质角砾熔岩等。

火山岩样品的SiO2含量为46.25%～50.74%，平均为48.84%；TiO2含量为0.82%～1.26%，平均为1.11%，明显低于大洋中脊玄武岩（1.50%），接近于岛弧拉斑玄武岩（0.80%）和大陆溢流玄武岩（1.00%）。样品具有较多的Al2O3（15.78%～18.56%）和P2O5（0.14%～0.28%），其中Al2O3含量高于板内大陆玄武岩（14.30%），接近岛弧拉斑玄武岩（16.00%）和大陆溢流玄武岩（17.08%）。MgO含量为4.61%～6.01%，平均为5.31%，Mg#为47.75～56.37，低于原生岩浆（68.00～75.00[24]）。CaO 含量为7.97%～12.33%。样品的全碱含量（Na2O+K2O）为3.37%～5.19%，K2O含量为0.21%～1.03%，Na2O含量为2.99%～4.19%，Na2O/K2O 为3.89～15.29，具明显的富Na 贫K 的特征。里特曼指数为1.29～3.33，属钙碱性系列。

在TAS（K2O+Na2O-SiO2）图上，样品落入玄武岩区、玄武质粗面安山岩区和玄武安山岩区（图3a）。在K2O-SiO2图解中，样品基本落入钙碱性和低钾（拉斑）系列（图3b）。

在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图上，火山岩样品显示轻稀土元素富集而重稀土元素相对亏损的右倾型特征（图4a）。稀土元素总量为55.72×10-6～77.30×10-6，平均为68.68×10-6。轻、重稀土元素含量比值为3.31～5.58，（La/Yb）N为2.16～5.16，平均为2.69，均大于1.00，表明轻、重稀土元素具一定程度的分异。（La/Sm）N为1.15～1.98，平均为1.32，反映轻稀土元素之间分馏程度较好。（Gd/Yb）N为1.34～1.82，表明岩石未发生明显的重稀土元素分馏。样品显示弱的Eu 正异常（δEu为1.02～1.09）。

在微量元素原始地幔标准化蛛网图中（图4b），样品强亏损Nb（0.88×10-6～1.54×10-6）、Ta（0.06×10-6～0.11×10-6）、Hf（1.24×10-6～2.17×10-6）等高场强元素，相对富集Ba（237.55×10-6～489.74×10-6）、Rb（1.30×10-6～12.88×10-6）等大离子亲石元素，整体具明显的Ta、Nb和Ti负异常，表现出与俯冲带相关的弧岩浆相似的地球化学特征。样品Nb/Ta 均集中在13.5～15.3，Zr/Hf为34.1～35.9，接近原始地幔比值的17.0 和36.0[27]，而高于大陆地壳的13.0和11.0[28]。

3.2 火山岩成因及岩浆源区

火山岩样品富集大离子亲石元素Ba、K 和Sr，亏损高场强元素Nb、Ta 和Ti，符合消减带火山岩的标志性特征。然而，地壳混染作用也可能导致上述特征，轻稀土元素和大离子亲石元素富集，Nb和Ta为负异常，Zr和Hf为正异常[29-30]。在标准化蛛网图中，研究区上石炭统火山岩样品不仅表现出Nb、Ta和Ti负异常，而且也具Zr和Hf的负异常（图4b）。此外，样品的Th/Ce（0.03～0.08）和Th/La（0.09～0.18）低于平均陆壳（0.15 和0.30），La/Sm 为1.79～3.06，均小于4.50，（Th/Nb）N为4.58～16.35，Nb/La 为0.09～0.17，表明岩浆在形成过程当中可能经历了少量的地壳混染作用。

研究区火山岩样品中，Cr含量为49.85×10-6～135.53×10-6，Ni 含量为30.77×10-6～62.16×10-6，低于原生岩浆的Cr（300.00×10-6～500.00×10-6）和Ni（300.00×10-6～400.00×10-6）的含量；同时，Mg#（47.75～56.37）也低于原生岩浆，表明它们不代表原生岩浆，并经历了一定程度的分离结晶作用。Sr 和Eu 正异常（1.02～1.09），表明源区很少或不存在斜长石。另外，在研究区上石炭统火山岩中，Zr/Sm 与Zr 之间存在明显的正相关关系（图5a），表明部分熔融可能在岩浆形成过程中起主导作用，而非分离结晶作用。

研究区火山岩样品中，Zr/Nb 为49.60～69.22，平均为56.69；Hf/Ta 为19.84～28.41，平均为23.23，均远高于洋岛玄武岩（5.80 和2.90），略高于正常的大洋中脊玄武岩（30.00 和15.50），表明源区有类似大洋中脊玄武岩亏损地幔的加入，这与根据Nb-Zr 含量得到的结果（图5b）吻合。所有样品具有近平坦的右倾稀土配分模式，以及相对较低的Nb/La（0.09～0.17）和Hf/Th（0.73～2.86）与较高的Hf/Ta（19.84～28.41）、La/Ta（86.87～154.73）和Th/Nb（0.55～1.95），与岛弧玄武岩相似[32-33]。

洋壳及其沉积物在俯冲过程中形成流体或熔体，其交代上覆地幔楔发生部分熔融可形成岛弧岩浆[34]。研究区上石炭统火山岩样品中，Th 含量为0.70×10-6～1.71×10-6，Pb 含量为3.64×10-6～5.16×10-6，含量均较低；Ce/Th 为12.88～30.76，Ce/Pb 为4.14～5.79，Ba/Rb 为26.74～214.93，Ba/Th 为139.23～626.39，而消减沉积物的熔体中的Ce/Th约为8.00，Ce/Pb约为3.00，Ba/Rb约为4.00，Ba/Th 约为111.00，研究区样品明显高于消减沉积物熔体，且Ce 具弱的正异常（δCe 为0.99～1.05），这也有别于消减沉积物熔体使得消减带的岩浆发育Ce 负异常的特征，表明研究区上石炭统火山岩的岩浆源区基本无消减沉积物熔体的加入。因俯冲带流体的微量元素特征与岛弧玄武岩和大陆地壳类似，可用作流体活动的示踪剂。研究区上石炭统火山岩样品中，Nb 含量为0.88×10-6～1.54×10-6，Nb/Zr 为0.04～0.06，Th/Yb 为0.67～3.83，Ba/La 为6.79～67.53，含量均较低，Sr/Nd 为27.96～40.22，相对较高，进一步证实添加组分来自板片流体，而不是俯冲沉积物衍生熔体。亏损地幔源岩浆中Nb/U 为47.00±10.00，Ce/Pb 为25.00±5.00[28]，明显偏低，可能是受流体加入的影响。研究区上石炭统火山岩的Nb/U为2.12～9.09，Ce/Pb为4.14～5.79，低于亏损地幔相应值，指示在成岩过程中俯冲带流体具有重要贡献，这与Ba/La-Th/Yb 图解中明显的流体加入趋势吻合（图6a）。

石榴子石中的不相容元素La、Sm和相容元素Yb及其比值，可以有效判别地幔岩浆起源的相对深度和熔融程度[38]。样品中较低的Sm/Yb（1.67～2.35）表明，岩浆源区深度较小。样品的Ce/Y 较低，为1.11～2.26，Ce/Yb 为8.06～16.29，平均为9.55，也表明源区可能位于较浅的尖晶石—石榴子石稳定区（小于70 km）[39]。在尖晶石相橄榄岩部分熔融作用中，La/Yb变化较小，Sm/Yb 基本不变，因此Sm/Yb-La/Yb 图常用于区分来自石榴子石相橄榄岩和尖晶石相橄榄岩的玄武岩[40]。在Sm/Yb-La/Yb图解中（图6b），样品靠近尖晶石二辉橄榄岩熔融曲线，表明晚石炭世玄武岩可能由尖晶石二辉橄榄岩较少的部分熔融作用形成。

总之，地球化学数据分析表明，拉斑—钙碱性系列火山岩可能来自受板片流体交代的尖晶石二辉橄榄岩亏损地幔较低程度的部分熔融，并伴有轻微的地壳混染。

3.3 构造环境

研究区火山岩样品均显示出相似的规律，Nb、Ta和Ti 呈现出较明显的亏损，Al2O3的含量较高，这多与岩浆源区受到了古俯冲带流体的交代有关，暗示了其可能形成于岛弧环境，并可能有古大洋板片俯冲作用的存在。

Zr、Nb、Y、Ta、Hf等都属于抗蚀变元素，在蚀变和变质作用过程中均有良好稳定性，能很好地指示岩石的源区性质。研究区火山岩样品具有较低的Ta/Yb（0.03～0.05）和Th/Yb（0.26～1.27），Th/Ta（8.28～27.22）和Ba/Nb（182.60～511.13）则相对较高，均表明火山岩具岛弧型特征。进一步采用抗蚀变元素进行构造环境判别，在Hf/3-Th-Ta 判别图（图6c）中，所有样品投点均落入岛弧玄武岩区域，综合分析其形成于岛弧俯冲背景。

4 结论

（1）车排子油田南部3 000 m 深的石炭系以火山岩为主，C498井—C71井断层西北盘与山区阿腊德依克赛组可对比，东南盘C477 井—C498 井南、C68 井北石炭系以玄武岩为主，少量安山岩、流纹岩及火山碎屑岩，总体与西北缘山前的哈拉阿拉特组可对比。

（2）C47 井3 456.00—3 456.50 m 灰—灰黑色含碳砂岩中获得丰富的晚石炭世孢粉化石；C68 井流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩获得LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄为314.6±2.1 Ma，时代为晚石炭世。

（3）C498井—C71井断层东南盘钻遇玄武质岩石样品具有较高的Al2O3含量（15.78%～18.56%），K2O 含量为0.21%～1.03%；Na2O 含量为2.99%～4.19%；多数样品为钙碱—拉斑系列；轻稀土元素富集而重稀土元素相对亏损，强烈亏损Nb、Ta、Hf 等高场强元素和相对富集Ba、Rb、Sr、K 等大离子亲石元素，可能来自受板片流体交代的尖晶石二辉橄榄岩亏损地幔较低程度的部分熔融，并伴有少量地壳混染，与西北缘山前哈拉阿拉特山一带哈拉阿拉特组火山岩具有相似的地球化学特征，总体显示典型岛弧构造环境属性。

（4）研究区C477 井—C498 井之南，C68 井之北石炭系与西北缘山前上石炭统哈拉阿拉特组具有较好的对比性，其中玄武岩厚度大且分布稳定，为该区石炭系油气勘探的有利区域。