準噶爾盆地陸東地區巴塔瑪依內山組火山噴發時空序列及其石油地質意義

張生銀，朱軍，文革，柳雙權，魯新川，張順存，史基安

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準噶爾盆地陸東地區巴塔瑪依內山組火山噴發時空序列及其石油地質意義

張生銀1，朱軍2，文革3，柳雙權4，魯新川1，張順存1，史基安1

(1. 中國科學院油氣資源研究重點實驗室 甘肅省油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；2. 中國石油青海油田勘探開發研究院，甘肅 敦煌，736202；3. 中國石油新疆油田公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依，834000；4. 中國科學院三亞深海科學與工程研究所，海南 三亞，572000)

石炭紀期間準噶爾盆地陸東地區作為相對獨立的增生楔盆地進行富火山巖化充填演化，早石炭世晚期陸東地區進入碰撞后應力松馳期，發育區域性巴塔瑪依內山組火山巖儲層。通過井間對比和野外露頭觀察、地球化學和地球物理識別認為：陸東地區巴塔瑪依內山組為一套低鉀富鈉堿性—亞堿性系火山巖，巴山組內部發育5個火山噴發旋回，自下向上火山活動逐漸減弱，并且在火山機構不同位置形成不同巖相組合方式；火山機構區帶控制火山巖巖相分布，主火山機構以西發育中—基性安山巖和玄武巖；而火山中心以東發育有噴發相火山角礫巖和溢流相玄武巖或流紋巖；火山噴發時序內的火山間歇停滯期，有利于發育局部烴源巖和巴山組內幕火山巖風化殼儲層，為陸東地區石炭系“自生自儲”油氣藏提供必要的生儲條件。

石炭紀；火山噴發；時空序列；陸東地區；準噶爾盆地

石炭紀是準噶爾盆地洋陸轉換的關鍵時期[1]，在古生代多島洋不斷閉合、多島弧不斷碰撞的背景 下[2?3]，盆地西部隆起、陸梁隆起、中央隆起及東部隆起的廣大地區填充了厚達5 000 m石炭系火山巖，以往觀點認為新疆北部具有油氣地質意義的盆地結構層起始于上石炭統的石錢灘組，而將準噶爾盆地邊緣出露的石炭系滴水泉組、巴塔瑪依內山組(以下簡稱巴山組)等歸為基底[4?5]。但隨著對石炭系烴源巖及火山巖油氣藏發現，其油氣生成條件得到肯定[6]，從認識上突破石炭系“基底”范疇，極大拓展了油田勘探領域。迄今為止，準噶爾盆地石炭系火山巖預測石油資源量22×108t，天然氣資源量1.2×108m3[7]。巴山組作為石炭系主要地層組成，后期演化為準噶爾盆地重要的火山儲層，特別是在陸東—五彩灣地區，巴山組火山巖是克拉美麗氣田和彩南氣田等大型油氣最主要勘探目的層。巴塔瑪依內山組火山巖在東準噶爾卡拉麥里構造帶廣泛分布，其建組地點位于克拉美麗縫合帶以南的巴塔瑪依內山附近，向北東可延至紙房南東至巴里坤煤礦一帶[8]。它角度不整合于松喀爾蘇組之上，甚至超覆在上泥盆統和克拉美麗混雜巖帶之上。不同地區該套火山巖出露特征存在差異。在建組剖面的巴塔瑪依山附近，火山巖以中—中基性的安山玢巖、玄武玢巖為主，夾大量的酸性霏細巖、珍珠巖及火山碎屑巖。在克拉美麗造山帶北側的開仁托讓格則以霏細巖及酸性火山碎屑巖為主，夾安山玢巖等。在北塔山主要為安山玢巖、杏仁狀輝石安山玢巖為主，夾大量炭質粉砂巖及砂巖夾層[9]。隨著油氣勘探深入，眾多學者對巴山組火山巖形成時限、儲層演化和成藏特征開展多方面研究[10?11]，但鑒于火山巖分布異常復雜，不同地區巖性巖相組合差別較明顯，火山巖發育時空序列的研究非常有限，而且當前研究主要針對克拉美麗造山帶露頭剖面或盆地內少數鉆井[12?13]，本文作者旨在通過井間巖性巖相對比建立陸東地區巴山組火山巖噴發時空序列，并結合井?震識別研究火山巖空間分布特征，探討其對石炭系“自生自儲”油氣藏地質發育的控制作用。

1 地質背景

準噶爾盆地位于哈薩克斯坦古板塊、西伯利亞古板塊和塔里木古板塊交匯部位，是一個以晚古生代 海?陸相，中、新生代陸相沉積為主的大型疊合盆地，盆地四周被褶皺山系所環繞，西北緣為扎伊爾山和阿爾加提山，東北緣為青格里底山和克拉美麗山，南緣為博格達山和屬于北天山山系的依林黑比爾根山(圖1)[14]。

圖1 研究區位置及區域構造單元

陸東地區位于準噶爾盆地東部，鄰近克拉美麗蛇綠巖帶，包括滴水泉凹陷和三南凹陷及其周緣隆起區，在石炭紀構成了1個相對獨立的盆地(圖1)[14]，石炭紀構造演化主要為早石炭世拗陷—擠壓—褶皺隆起階段、中石炭世地槽沉降階段、晚石炭世褶皺隆起階段，石炭系自下而上劃分為塔木崗組、滴水泉組、巴塔瑪依內山組(巴山組)和石錢灘組[15]。目前就巴山組火山巖噴發時限和構造背景主要存在3種觀點：1) 巴山組形成于早石炭世后碰撞伸展背景下，巖漿源區可能受到古洋殼板片俯沖作用的影響而顯示出島弧特征[16]；2) 巴山組火山巖代表了晚石炭世島弧拼接后碰撞產物[10, 17?18]；3) 巴山組形成于早石炭世與板塊俯沖作用相關的活動大陸邊緣島弧擠壓構造環境[6, 19]。鑒于陸東地區巴山組火山巖厚達數千米，且克拉美麗構造帶南側，巴山組火山巖不整合覆蓋于松喀爾組磨拉石建造之上，本文作者認為巴山組發育于早石炭世至晚石炭世長期地質歷史時期，火山巖形成于后碰撞背景下并繼承了早石炭世島弧俯沖特征，而陸東地區石炭紀則為造山帶內部的獨立的增生型盆地[14]。盆地內井間地層對比及鄰區鋯石U-Pb同位素年代學表明：準東地區石炭系盆地充填過程分為早石炭世與晚石炭世2個旋回包括7個階段，其中早石炭世1~3階段為火山活動期，4階段為火山間歇期，發育了暗色泥巖，中?晚石炭世5~6階段以中基性火山巖為特征，7階段以沉凝灰巖與沉積巖為主[3, 14](圖2)。

圖2 陸東地區地層柱狀圖

鑒于鉆揭厚度與勘探程度所限，本文研究火山巖僅巴塔瑪依內山組中上組合，屬于早石炭末期?晚石炭世(第5~6階段)。包括一套基性—酸性火山巖和陸源碎屑物質的海陸交互相沉積夾層，鉆井揭示該組烴源巖厚2.0~191.5 m，以暗色泥巖為主，其次為炭質泥巖和煤，為準東地區上石炭統自生自儲火山巖氣藏提供氣源保障。

2 火山巖巖性巖相特征

通過對克拉美麗山前露頭(包括火福公路、帳篷溝和白堿溝)樣品和鉆井取芯樣品全巖地球化學成分分析顯示：SiO2質量分數在42%~75%之間，平均質量分數為62%，表明準東地區火山巖以中酸性為主；火山巖中K2O最高質量分數為6.01%，平均質量分數為2.51%，具有低鉀特征；而Na2O最高質量分數則為7.05%，平均質量分數為4.0%，表現出低鉀富鈉特征。全堿?SiO2(TAS)圖解對露頭及巖心樣品判斷表明：陸東地區石炭紀火山巖為堿性和亞堿性2個系列，野外露頭樣品中各類巖性均有分布，而巖心樣品中中—基性玄武巖和安山巖占多數(圖3)。

B表示玄武巖；O1表示玄武安山巖；O2表示安山巖；O3表示英安巖；R表示流紋巖；T表示粗面巖；Ph表示響巖；S1表示粗面玄武巖；S2表示玄武粗安巖；S3表示粗安巖；Pc表示苦橄玄武巖；U1表示碧玄巖或堿玄巖；U2表示響巖質堿玄巖；U3表示堿玄質響巖；F表示副長巖

◇為火福公路露頭樣品；□為帳篷溝樣品；△為白堿溝樣品；○為巖芯樣品

圖3 鉆井巖心及露頭樣品火山巖TAS圖解[20]

Fig. 3 TAS diagram of volcanic rocks from drilling and outcrop[20]

陸東地區鉆遇石炭系的井位近30口，本文通過對21口探井5 706 m石炭紀火山巖錄井數據統計、巖性觀察和薄片鑒定表明：研究區火山巖自基性至酸性均有分布，包括火山角礫巖、凝灰巖、玄武巖、安山巖、花崗斑巖等(圖4)。火山巖儲層以熔巖與火山碎屑巖為主，火山熔巖類包括安山巖和玄武巖；火山碎屑巖類包括火山角礫巖、凝灰巖；此外，以火山碎屑物為母巖的沉積巖多為礫巖、砂巖、沉凝灰巖及其過渡巖性在巖心及露頭處常見。

(a) 氣孔玄武巖，滴西17井4 041 m；(b) 裂隙玄武安巖，滴西17井3 650 m；(c) 流紋巖，滴西403井3 612 m；(d) 花崗斑巖，滴西18井3 448 m；(e) 凝灰質角礫巖 滴西182井3 514 m；(f) 安山質角礫巖 滴西14井3 680 m

圖4 火山巖巖心掃描照片

Fig. 4 Scan photos of volcanic cores

目前盆地火山巖相分類體系主要依據火山作用方式或噴發/搬運方式，本文借鑒王璞珺等[21]對松遼分地火山巖相劃分方案，并結合準噶爾盆地火山分布特 征[22]，將陸東地區火山巖相分為爆發相、溢流相和侵入相，爆發相主要包括集塊巖、火山角礫巖、凝灰巖；溢流相包含玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖(霏細巖)；侵入相在研究區主要表現為花崗巖和花崗斑巖等酸性巖類。

3 火山噴發旋回及空間分布

3.1 火山噴發旋回

一個噴發旋回往往是由多個不同的噴發活動疊合而成的，每一期噴發活動稱為噴發期次。1次火山噴發旋回所形成的巖石類型、巖相類型及組合序列、火山噴發的作用方式、火山作用構造格局以及同位素年齡等均有其自身的獨特性。通過對這些火山活動的代表性特征分析，本文基于“旋回—期次—巖相”三級陸相火山巖地層單位進行陸東地區富火山巖填充旋回劃分，重建火山巖噴發時空序列。其中的火山旋回是指同一旋回期間內所形成的不同火山機構的組合，巖相對應于單一火山噴發類型的產物[23]。

通常兩期火山活動之間的火山活動寧靜期所形成的特定的地質現象可以用來標定火山巖噴發旋回期次的界限，如火山巖風化殼和原地滯留沉積、火山巖體內的沉積夾層、火山灰層、含外碎屑的熔巖層底部的角礫熔巖等。陸東地區火山活動沿斷裂呈串珠?中心式分布[16, 24]，但同一次火山脈沖在火山機構的不同位置表現出巖性?巖相組合方式也不盡相，近火山口地區呈溢流相與火山沉積相組合，火山通道由爆發相的火山角礫巖和凝灰巖組成，遠離火山口區域表現為爆發相的火山角礫巖、凝灰巖和火山沉積相組合。相對而言，火山口遠端爆發相與火山沉積相具有較完整旋回記錄，因此，本文選用滴西20井(DX20)重建陸東地區火山噴發旋回，火山沉積相(沉凝灰巖、凝灰質砂礫巖、碳質泥質)作為代表1個旋回或期次結束(圖2和圖5)，近火山口地區溢流相為火山活動晚期產物，但對于火山口遠端地區溢流相(玄武巖和安山巖)和噴發相則均代表了火山活動開始。

(a) 白堿溝剖面碳質泥巖露頭；(b) 滴西183井3 622.8 m；(c) 滴西183井3 523.1 m；(d) 滴西17井3 913.5 m

圖①和②所示為圖5(a)中1和2處放大圖

圖5 火山噴發間歇期碳質泥巖特性

Fig. 5 Carbonaceous mudstone developed in interval between volcanic eruptions

基于滴西20井鉆揭資料，認為陸東地區巴塔瑪依內山組存在5個主要火山活動旋回，將這種旋回置于火山機構不同位置進行空間對比發現(圖6)，火山噴發旋回特征在火山口或近火山口區域并不明顯，如滴西182井主要由爆發相火山角礫巖組成，其原因在于每一期火山活動不可避免破壞上之前填充記錄，但仍然可以根據其間的凝灰巖或凝灰質沉積物夾層進行旋回識別，并通過火山活動空間對比精細刻畫各個旋回特征。

圖6 火山噴發時序對比(剖面位置見圖1中A?A′)

總體而言，在構造活動趨于穩定的背景下，火山活動逐漸減弱，單個火山旋回內火山活動頻率減小，第4期火山活動結束后沉凝灰巖或碳質泥巖明顯發育，滴401井顯示這一時期火山沉積厚達160 m，同時作為火山通道滴西182井在第4期和第5期均保留了沉凝灰巖；滴西25井處于火山構造中—低位置，主要由凝灰巖和安山巖組成，其巖漿可能沿斷裂溢流，爆發相?溢流相特征反映了火山脈沖頻率，不難發現，前3個火山旋回均有較高火山脈沖頻率，而第4個和第5個旋回則明顯減弱，反映了火山作于趨于緩和。此外，陸?陸碰撞背景下的巖漿侵入在第4個和第5個旋回形成花崗斑巖和二長巖，其時代晚于第5個旋回且分布有限。

3.2 火山巖空間分布

通常而言，隨著火山巖巖性由基性→中性→酸性，GR(自然伽瑪，自然伽瑪測井計量單位為API)顯著增大，密度明顯減小，AC(聲波時差)也逐漸增高；角礫巖類和熔巖類火山巖相比，GR略低，密度略低，AC略高(圖7)[25?26]。因此，可以上述特征對火山巖巖性巖相進行井?震識別。

圖7 火山巖測井識別圖版[27]

本文利用井?震對比對陸東地區巴山組火山巖標定表明(圖8)：研究區存在多個火山中心，火山噴發以中心式噴發為主，并兼有裂隙噴發特點，火山巖分布不受古生代造山帶和現今構造單元影響，火山機構類型控制了火山巖巖相分布；多期和多火山中心噴發使得爆發相凝灰巖和火山角礫巖成為區域內主要火山巖，研究區主要火山機構位于滴西182井附近，火山中心以西的次火山機構可能以裂隙噴發為主，其火山活動相對較弱，發育中—基性安山巖和玄武巖，遠離主火山機構的西北地區由于構造位置低緩，火山噴發后期沉積了巨厚在沉凝灰巖；而火山中心以東則存在數個小型火山口，發育有噴發相火山角礫巖和溢流相玄武相或流紋巖。火山巖巖性?巖相對儲層的影響廣泛存在，火山機構中心區域爆發相火山角礫巖儲層物性最好，其次為溢流相玄武巖或安山巖，相對而言，凝灰巖或沉凝灰巖物性較差[11, 28]，因此，查明各類火山巖區域性分布對有利儲層的圈定具有重要指導意義。

圖8 研究區東—西向地震剖面及火山巖分布(剖面位置見圖1中B?B′)

4 石油地質意義

巴塔瑪依內山組火山巖作為陸東地區石炭系主要組成部分，石炭紀末期由于構造抬升形成火山巖風化殼成為區內優質儲層，其孔隙度最大值分別達30%左右，鑒于目前勘探程度所限，大多數學者認為有效儲層主要分布于距風化殼頂界200~500 m范圍內[29]。 中—晚石炭世陸東地區巴山組存在多個火山間歇期，這些火山間歇停滯不僅有助于重建盆地內火山噴發時空序列，同時也為石炭系“自生自儲”油氣藏提供了烴源巖和儲集體發育的必要地質條件：1) 火山噴發間歇期在火山構造緩沖區或運離山火構造地區可能形成具有成藏規模的有效烴源巖(如滴401井)；2) 火山噴發間歇期火山機構高構造位置同樣可以長期接受風化淋濾，形成以火山機構為中心的火山巖風化殼(如滴182井)。

陸東地區石炭系烴源巖和火山巖儲層已得到廣泛證實，因此未來石炭系“自生自儲”油氣藏進一步勘探可以在富火山相填充的地層格架下尋找較長時間火山間歇期，確定有效生烴來源的同時追蹤與之對應的火山巖風化殼儲層。事實上，石炭系頂界風化殼影響可能遠小于現今發現有效儲層分布范圍[30?31]，而當前認同的風化殼范圍之外仍然發育大量次生溶蝕孔隙，火山噴發旋回表明巴山組形成經歷數百萬年的地質過程，必然存在可以發育規模化風化殼和烴源巖的火山間歇期，筆者認為多期次火山間歇停滯風化淋濾作用可能是造成巴山組火山巖風化殼儲層的主要原因。此外，有研究認為，單個旋回內原生氣孔主要發育在溢流相安山巖和玄武巖層中上部，且隨深度增加而減少，形成明顯的氣孔分布序列，后期演化為主要的油氣儲集空間[32]。綜上所述，重建火山噴發時空序列可以有效追蹤火山巖內幕儲集體和烴源巖，對陸東乃至整個新疆北部未來火山巖油氣勘探工作具有重要指導意義。

5 結論

1) 陸東地區巴塔瑪依內山組期為一套低鉀富鈉堿性—亞堿性系火山巖，火山巖自基性至酸性均有分布，其中分布最為廣泛的為爆發相集塊巖、火山角礫巖、凝灰巖，其次為溢流相玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖(霏細巖)，侵入相為花崗斑巖。

2) 研究區巴山組存在5個主要火山噴發旋回，每個旋回在火山機構不同位置具有各自巖相組合方式，在構造運動趨于穩定的背景下，火山活動逐漸減弱。火山機構類型控制了火山巖巖相分布，主火山機構以西的次火山機構發育中?基性安山巖和玄武巖；而火山中心以東發育有噴發相火山角礫巖和溢流相玄武相或流紋巖。

3) 重建火山噴發時空序列對陸東地區石炭系火山巖油氣勘探具有重要意義，尤其是火山噴發序列下中?長期火山間歇停滯，有利于發育局部烴源巖和與之對應的火山巖風化殼儲層，為石炭系“自生自儲”油氣藏提供了必要的生儲條件。

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Significant of volcanic eruption spatiotemporal sequence in Batamayineishan Formation, Ludong Region, Junggar Basin

ZHANG Shengyin1, ZHU Jun2, WEN Ge3, LIU Shuangquan4, LU Xingchuan1, ZHANG Shuncun1, SHI Ji’an1

(1. Key Laboratory of Petroleum Resources of Gansu Province, Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;2. PertoChina Qinghai Oilfield Research Institute of Exploration and Development, Dunhuang 736202, China;3. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay 834000, China;4. Sanya Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China)

The Ludong region of eastern Junggar evolved as a relatively independent accretionary basin with larger volcanic rocks filling through the Carboniferous. During the late Early Carboniferous, Ludong region evolved in the set of post-collision stress relaxation period and developed regional volcanic reservoirs known as Batamayineishan Formation(Bashan Formation). The core and outcrop observations, geochemical and geophysical recognition indicate that the Bashan Formation in Ludong region is a set of defective potassium and rich sodium alkaline—sub alkaline volcanic rocks. There are five volcanic eruption cycles recognized in the Bashan Formation. With the tectonically relaxation, the volcanic activity in each cycle gradually weakens and forms various volcanic facies combinations in different areas.The distribution of volcanic faces is controlled by volcanic apparatus topography, and the andesite-basalts are developed in the western of the main volcanic edifice, while the eastern volcanic centers have erupted explosive volcanic breccia and overflow phase basalt or rhyolite. The interval between volcanic eruptions in Bashan Formation are conducive to development of local source rocks and volcanic weathering crust, which provides the necessary sources and reservoirs for the Carboniferous “self-generation and self-bearing” hydrocarbon accumulation of Ludong region.

carboniferous; volcanic eruption; spatiotemporal sequence; Ludong region; Junggar Basin

P618.13

A

1672?7207(2015)01?0199?09

2014?02?13；

2014?04?24

國家科技重大專項(2011ZX05008-003-40)；甘肅省重點實驗室專項基金資助項目(1309RTSA041) (Project (2011ZX05008-003-40) supported by Major Project of National Science and Technology; Project(1309RTSA041) supported by the Key Laboratory Project of Gansu Province of China)

史基安，研究員，從事儲層沉積學及石油天然氣地質學研究；E-mail: jashi@lzb.ac.cn

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.027

(編輯 楊幼平)