南堡凹陷火山巖時空展布特征及巖石類型

杜景霞，石文武，王全利，周 賀，夏秋君

（中國石油冀東油田分公司勘探開發研究院，河北唐山 063004）

中生代以來，中國東部構造巖漿活動強烈，出現了大規模的玄武質火山作用，廣泛分布著中、新生代火山巖。20世紀60－80年代，我國在大規模油氣勘探、開發中，先后在克拉瑪依、四川、渤海灣、遼河和松遼等盆地發現了一批火山巖油氣藏［1－4］，其開發前景十分廣闊。

南堡凹陷新生代火山巖分布很廣，發育有從早白堊世至新近紀多期火山巖，但火山巖油氣藏的勘探卻剛剛起步，雖然許多井在火山巖井段有見到油氣顯示并有部分井見到工業油氣流，但由于火山巖勘探難度比較大，還沒有進行系統研究。前人在該區火山巖與油氣、天然氣關系等研究方面取得了一些認識［5－6］，但是對于火山巖體的產狀、噴發序列和巖石組合沒有深入研究。

1 南堡凹陷火山巖分布、噴發序列和噴發環境

1.1 火山巖分布、噴發序列

南堡凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個小型含油氣構造單元，是在華北地臺基底上，經中、新生代的塊斷運動而發育起來的一個北斷南超的箕狀凹陷。發育的地層主要有前新生界（奧陶紀、石炭紀至二疊紀、侏羅紀和白堊紀）、古近系沙河街組和東營組以及新近系館陶組和明化鎮組。

南堡凹陷內含有大量新生代火成巖，主要分布在凹陷的南部和西南部，如南堡5號構造、南堡1號構造、老爺廟和高尚堡地區火山巖尤為發育［7］。本區火山巖大致形成于沙河街期、東營期和館陶期，每次火山活動間隙期都有大量沉積地層，說明火山活動的周期性和旋回性很強，盆地形成存在階段性。在前人研究基礎上，對巖漿巖的厚度－巖性統計結果顯示，南堡凹陷的裂谷與巖漿上涌、噴發過程在渤海灣盆地具代表性，整體演化過程可劃分為2個旋回、4個噴發幕；每個巖漿演化旋回對應于一個構造層層序。每個演化旋回由初始湖擴開始，依次經歷熱點上隆、最大湖擴、熱點強烈上隆、最后以湖退和構造抬斜－隆升而結束，并產生頂超的層型；下一個旋回的初始和最大湖擴會產生上超式不整合面（圖1）。在南堡凹陷，第一演化旋回由Es35段至Es31段組成，Es35段為含3－4個湖底火山巖熔巖溢流期，構成初始噴發幕；Es34段不含火山巖，代表噴發后的最大湖擴；Es33段至Es31段含9－10個湖底火山巖熔巖溢流期，構成強烈噴發幕。第二演化旋回由Es2至Es1，Ed3至Ed1及 Ng構成，Es2、Es1和Ed3段含5－6個湖底火山巖熔巖噴發期（多噴發點），構成初始噴發幕；東二段中發現一個湖底火山巖熔巖噴發點，代表最大湖擴；東一段至館陶組為由湖底火山噴發轉化為火山熔巖大面積水上溢出的過程，構成火山強烈噴發幕。分別對這兩個旋回沙三期、沙一期、東三段和館陶組的巖心進行取樣，樣品巖性多為灰黑、灰綠色玄武巖。南堡凹陷的裂陷階段疊加了2個巖漿演化旋回，每個旋回又由2個熔巖溢流幕組成。

圖1 南堡凹陷構造－巖漿演化旋回和火山噴發幕劃分

1.2 火山巖噴發環境和方式

南堡凹陷大部分火山巖氣孔構造不十分發育，氣孔孔徑較小，其上下圍巖均為較深水相沉積的泥質巖，巖石綠泥石化、碳酸鹽化較強，說明它們主要為水下噴發產物。也有少數火山巖為褐色、褐綠色，有紅頂現象，氣孔相對發育些，孔徑相對較大，其上下圍巖為較淺水相沉積的砂巖、砂礫巖，有可能屬水上和淺水環境噴發的產物。如NP1－4井1998 m的杏仁狀玄武巖，氣孔形態不規則，后期被石膏、方解石等充填，局部可見綠泥石化現象。

玄武巖層頂底部有氣孔帶，巖石結晶程度差，玻璃質較多，熔巖層中部缺少氣孔，相對致密，礦物顆粒較粗，玻璃質較少；其噴發環境為寧靜的溢流。從鉆孔的深度來看，熔巖層比較平緩，其產狀形式主要為熔巖被。也有巖石顆粒度相對較粗，為輝綠結構，可能是次火山巖相產物，還有火山碎屑巖，說明還存在火山爆發形式。

2 南堡凹陷火山巖時空展布特征

在火山巖厚度－巖性統計的基礎上，圈定了相關構造旋回和沉積幕的火山巖的分布范圍，標定了各演化階段的火山巖富集帶。富集帶內如伴生有與火山巖同源的淺層侵入體（次火山巖），則被定為一個熱點中心（火山噴發中心）。第一演化旋回的熱點中心位于北堡（南堡5號－南堡1號、南堡2號）和老爺廟地區；第二旋回第一幕出現三熱點中心鼎立的局面，表現出南堡5號、南堡1－2號和老爺廟三熱點鼎立的格局，同時孤立熱點也產生分異；第二旋回第二幕三熱點中心連片［8］（圖2），表現出南堡5號、南堡1－2號和老爺廟三熱點連片，形成區域分布的多期次噴發的火山巖層。在NP5－4井的4420 m以下的井段出現了早白堊世中性安山巖和酸性流紋巖。

圖2 南堡凹陷各旋回火山巖分布

3 火山巖類型及巖石學特征

南堡凹陷火山巖分布很廣，發育有從早白堊世至新近紀的多期火山巖。依據巖漿巖的產狀、結構和成分，南堡凹陷巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖2大類10種巖性（表1）。侵入巖以淺成的輝綠巖為主，噴出巖主要包括火山熔巖和火山碎屑巖；火山碎屑巖主要以凝灰巖為主，火山熔巖除中生界下白堊統地層中發育有酸性－中性噴出巖外，其余主要為基性的玄武巖。玄武巖在不同地層段出現不同的構造特征，東三段之下的沙河街組所有層位的玄武巖都為致密塊狀，未見氣孔、杏仁狀構造，火山巖層上下圍巖均為較深湖相沉積巖泥質巖，巖石綠泥石化、碳酸鹽化較強，說明以湖底溢流相玄武巖為主，可能會產生內生節理；東三段的玄武巖開始出現氣孔－杏仁狀玄武巖，但氣孔孔徑較小，說明此時部分熔融巖漿中氣－液相的比率有所增加，仍為湖底溢流－弱噴發；繼續演化到東一段和館陶組，雖然玄武巖溢流量明顯加大，火山環境也有湖底溢流向水上溢流轉化，但巖石構造仍為致密塊狀，依舊是溢流相的特點。安山巖主要發育于古近系沙三地層中，在特定的構造條件下，與堿性玄武巖和基性淺成巖共生。流紋巖多為淺灰白色，含少量石英斑晶，成層狀出現，與堿性玄武巖互層，二者有成因聯系。

表1 南堡凹陷火成巖分類

3.1 火山熔巖

對于噴溢相形成的熔巖，通常結構相對簡單，可以以巖石組分分類。一般以SiO2的含量區分四種巖性，熔巖由基性到酸性可分為玄武巖、安山巖、英安巖和流紋巖。南堡凹陷火山熔巖主要是以基性火山巖玄武巖為主，發育少量的中性火山巖安山巖和酸性火山巖流紋巖。

3.1.1 玄武巖

南堡凹陷玄武巖主要類型有粗玄巖、間隱玄武巖和玻基玄武巖。

（1）粗玄巖。斑狀結構，斑晶主要為斜長石和少量輝石，斑晶中的斜長石一般呈半自形－自形長柱狀或斑狀，聚片雙晶發育，部分顆粒可見絹云母化和碳酸鹽化。基質具有粗玄結構（又稱間粒結構），主要由斜長石和輝石組成。基質中斜長石長條狀微晶不規則排列，在其所形成的間隙中，充填粒狀輝石和磁鐵礦的細小顆粒。

（2）間隱玄武巖。主要礦物成分為斜長石和輝石，斑狀結構，斑晶以斜長石為主。基質主要由斜長石微晶和輝石微晶、不透明礦物和火山玻璃組成。基質具有間隱結構，并發育氣孔或者杏仁狀構造，氣孔、杏仁體形狀較規則，多為近圓形或者橢圓形。氣孔均被后期礦物充填形成杏仁體，成分主要是方解石和綠泥石。

（3）玻基玄武巖。斑狀結構，塊狀構造，基質玻基斑狀結構，斑晶以斜長石為主少量輝石。基質成分以斜長石和隱晶質－玻璃質為主，斜長石具細長條狀結構，約占15%，其間隙中充填隱晶質－玻璃質，含量約占30%。巖石內非組構溶蝕孔縫較發育，雜亂分布，內充填硅質及碳酸鹽質，碳酸鹽質含量約占20%，碳酸鹽質主要為方解，含量約占34%。見少量氣孔構造，少量半充填。

3.1.2 安山巖

南堡凹陷中性火成巖主要是安山巖。斑狀結構，塊狀構造。斑晶主要為斜長石，長石大小0.5 mm×1.0mm左右，呈板狀，含量約占10%。斜長石表面不干凈，有很多暗色小斑點，說明高嶺土化嚴重。基質為細小的長石微晶和隱晶質及一些暗色不明礦物。薄片整體碳酸鹽化嚴重，多見黑色不明雜質。

3.1.3 流紋巖

南堡凹陷酸性火成巖主要是流紋巖。斑狀結構，塊狀構造。斑晶主要是石英，基質為細碎的小顆粒石英及隱晶質。斑晶與基質比例為5∶95。石英斑晶含量約為5%，粒狀，粒徑約為1 mm，單偏光下無色，正交鏡下灰白干涉色，表面干凈，石英周圍可見褐色物質邊，可能為后期蝕變的碳酸鹽礦物。基質為顯微晶質結構，主要為長石和石英，含少量白云母，粒徑為0.02～0.1 mm。

3.2 火山碎屑巖

爆發相的火山碎屑巖可以反映火山爆發的形式、強度及距離火山口的遠近，對火山巖相的研究具有重要意義。本區發育的火山碎屑巖主要是凝灰巖。凝灰結構，主要由巖屑組成，約占60%以上，含少量晶屑，玻屑。巖屑顆粒較大，一般大于2 mm，成分復雜，以碳酸鹽類礦物為主，有蝕變礦物玉髓，十字消光，沒有完全重結晶。玻屑顆粒較小，一般小于2 mm，大部分全消光，部分因脫玻化有弱的光性。晶屑主要有輝石、斜長石、堿性長石、方解石、黑云母、石英。并且伴有明顯的次生變化，主要為綠泥石化和碳酸鹽化。

3.3 淺成巖

輝綠巖。巖石呈灰黑色，嵌晶含長結構，塊狀構造，主要礦物為斜長石（55%）＋輝石（45%），他形粒狀的輝石顆粒中鑲嵌自形柱狀的斜長石顆粒，構成嵌晶含長結構。斜長石呈自形柱狀，顆粒大小變化較大，最大者超過5 mm×1 mm，最小值不足0.05 mm×0.01 mm，無色，正低突起，一級灰白干涉色，發育聚片雙晶；輝石呈他形粒狀，無色，正高突起，包括單斜輝石（約占輝石的65%）和斜方輝石（約占輝石的35%），單斜輝石最高干涉色為二級藍，斜消光，斜方輝石最高干涉色為一級橙，平行消光。巖石存在部分蝕變，蝕變礦物為黑云母，具淺褐色－深褐色的多色性，干涉色因被自身顏色覆蓋而不清楚，平行消光，為細小黑云母顆粒的集合體。

4 成巖與成藏

從火山巖的幾何形態和地層分布特征方面評價南堡凹陷的火山巖似乎有較大的規模和較廣泛的分布，與烴源巖的關系密切且受斷層控制。但它能否成為儲層和具備成藏條件，關鍵決定于其物性好壞，特別是與同層位的砂巖儲層相比孔隙率和連通性的好壞。因此，各類火山巖巖石學特征及物性分析是評價“火山巖油藏”首要指標。

4.1 早期（第一旋回）火山巖易于形成油氣藏

第一旋回的各類巖石（沉積巖和火山巖）主要形成于中深湖環境之中，其中所包含的火山巖體基本都是以湖底溢流相玄武巖為主導伴隨有少量緊密填集的凝灰巖，孔隙率低，物性遠比同期砂巖差。但是，在水下溢流過程中，高溫巖漿快速凝縮所產生的柱狀節理可以形成良好的儲集空間。在水下蝕變和碳酸鹽化較弱的條件下，具備成藏條件，如NP5－81井176層火山巖體（沙三段）裂縫型天然氣藏。另外，早期（第一旋回）火山巖受多期次構造－斷裂作用的影響，裂隙比較發育。此外，多期次充油，亦是早期火山巖易于形成油氣藏的原因之一。

從沙三段采集的所有巖心（NP5－81井，Bs28井，B5井）均為致密塊狀、斑狀結構或玻基斑狀結構玄武巖，孔隙率極低。南堡凹陷部分火山巖之所以含天然氣藏是因為這類巖體的節理發育，形成裂縫型氣藏。節理的成因歸屬于湖底溢流玄武巖的柱狀節理發育。

4.2 館陶組底部大面積分布的玄武巖是良好的蓋層

館陶組底部大面積分布的玄武巖蓋住了沉積速率高物性好的東一段儲層體系形成儲量高的油藏。

在南堡凹陷演化過程中，隨著火山作用的增強，凹陷的沉降速率和沉積物充填速率急劇加快。在古新世（沙三段）所經歷的20多個百萬年期間，沉積充填了僅千余米的沉積物，沉積速率慢，產生了以烴源巖為主導的序列。發展到沙二和沙一期，歷經7 Ma沉積了數百米的沉積物，沉積速率有所提高，但并不明顯。東營組期以來僅僅經歷了4－5 Ma，沉積充填了1500 m的沉積物，顯然屬快速沉積。因此，東營組的砂礫巖明顯具備填集程度低，孔隙率高和連通性好的特點，成為儲層集中分布的地層段。此后，上覆有形成了連續分布、比重大、封堵性好的玄武巖遮擋層，故在東一段形成了有價值的油氣藏。

5 結論及認識

（1）南堡凹陷古近紀和新近紀火山巖發育，火山活動強烈，呈現多期噴發的特點，整體演化過程可劃分為2個旋回、4個噴發幕。

（2）根據巖石產狀、結構、成分等特征，南堡凹陷巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖2大類10種巖性，侵入巖以淺成的輝綠巖為主，噴出巖主要包括火山熔巖和火山碎屑巖，火山熔巖主要以玄武巖為主，火山碎屑巖主要有凝灰巖。

（3）第一旋回的湖底溢流相玄武巖形成的柱狀節理是儲積油氣的有利空間，而且受多期次構造－斷裂作用的影響，多期次充油，易于形成油氣藏；而晚期館陶組底部大面積分布的玄武巖蓋住了沉積速率高物性好的東一段儲層體系形成儲量高的油藏。

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