深層火山巖地球化學特征及沉積古環境
——以松遼盆地北部徐家圍子斷陷興城地區為例

伍宏美， 陳亞軍， 姜冠一， 馬 強

( 1. 北京中科聯華石油科學研究院，北京 100101； 2. 大慶油田有限責任公司 勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712； 3. 中國石油玉門油田分公司 勘探開發研究院，甘肅 酒泉 735019 )

0 引言

巖石主、微量元素可作為識別地質地球化學過程(沉積環境)的示蹤劑，在古氧化還原環境判別、物源區巖石成分分析、海相地層劃分等方面應用廣泛[1-3]，如利用微量元素含量法、微量元素比值法、硼(B)法等元素地球化學方法，示蹤沉積物古沉積環境氧化還原條件或古介質環境性質(淡水、微咸水、咸水等)的研究較為成熟。微量元素比值法，如V/(V+Ni)、V/Cr、V/Sc、Ni/Co、Sr/Ba、U/Th、B/Ga等在各類沉積巖或細粒沉積物，特別是頁巖、泥巖、致密砂巖判別具有較好的應用效果[4-6]。火山巖與沉積巖在形成條件、發育環境、分布規律等方面有差異，巖漿作用形成的熔巖和火山碎屑巖在冷凝固結及成巖過程中發生次生變化，如蝕變、溶蝕、風化淋濾、充填等，所蘊含的地球化學信息雖然可反映巖漿來源及構造背景，但對噴發沉積古地理環境的記錄不太準確[7-11]。因此，在利用火山巖微量元素地球化學特征分析噴發沉積古地理環境信息時，需充分考慮埋藏成巖、后期蝕變、風化淋濾作用等因素的影響，并基于因素分析法合理校正或規避這些因素影響，進行系統采樣測試的元素地球化學數據既可以分析巖漿來源及構造背景，也能反映火山活動時的地理環境。

松遼盆地北部徐家圍子斷陷深層火山巖地質條件極其復雜，火山作用具有多期噴發的特點，形成多旋回、多巖性組合。人們對松遼盆地營城組陸上與水下噴發成因火山巖的區別及其對儲層影響進行研究，張艷等[12]認為與陸上空氣中噴發或保存的火山巖相比，火山巖在水中噴發或在水中保存時，水的作用及影響(氣化—熱液作用、淬冷碎屑巖化作用[13]、化學作用、靜水壓、密度差等)主要體現在巖性組合、巖石顏色、結構構造特征、蝕變特征、產狀、孔隙及裂縫發育特點等方面。根據松遼盆地北部徐家圍子斷陷營城組火山巖巖心和薄片觀察，結合巖樣地球化學分析測試數據和區域構造背景分析，單玄龍等[14]認為徐家圍子斷陷興城地區存在水下噴發作用形成的火山巖，識別標志為火山巖氧化因數(Fe3+/Fe2+)在0.8以下、沉凝灰巖與黑色泥巖互層、膨潤土、雙層珍珠巖夾無斑或少斑流紋巖。水下噴發成因火山巖主要分布于升平、徐中、徐西和徐東等地區，尤以徐深1井區最為典型。目前，未見在充分考慮埋藏成巖、后期蝕變及風化淋濾作用等因素影響下，利用火山巖微量元素地球化學特征分析噴發沉積古地理環境的研究。歸納并建立古沉積環境氧化還原狀態及介質環境性質(咸水、微咸水、淡水等)微量元素地球化學指標圖版[15-34]，分析徐家圍子斷陷興城地區深層火山巖巖石學和地球化學特征，利用建立的微量元素比值指標，示蹤判別噴發沉積古地理環境,為火山巖油氣儲層評價提供技術參考。

1 區域地質背景

松遼盆地北部發育30多個中小型斷陷盆地，其中徐家圍子斷陷是北部東南斷陷區規模較大、勘探程度最高的含氣斷陷盆地，呈近南北向展布，是一個規模較大、西斷東超型箕狀斷陷區(見圖1(a))。胡玉雙等[35]將泉頭組二段以下，埋深在2 500 m以上的地層稱為深層，與興城天然氣成藏密切相關的深層自下而上分別為火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1yc)、登婁庫組(K1d)及泉頭組(K1q)一、二段地層(見圖1(b))。各套地層在沉積過程發育河流、沖積扇、扇三角洲、湖浸、湖泊、三角洲、湖底扇等沉積相。在盆地斷陷發育期，火石嶺組(K1h)沉積期和營城組(K1yc)沉積期發生兩次強烈的火山活動，形成的火山巖地層有豐富的天然氣資源，約占深層天然氣總探明儲量的80%[36-41]。

圖1 松遼盆地北部徐家圍子斷陷構造位置及深層地層綜合柱狀圖

火石嶺組沉積期處于斷陷盆地形成初期，是盆地拉張背景下沉積的一套碎屑巖；中上部隨拉張作用加劇，發生強烈火山噴發，發育火山巖及噴發間歇期形成的濱淺湖相沉積。火石嶺組分為兩段，一段為雜色礫巖、黑色—灰黑色泥巖夾煤層，是一套烴源巖層；二段為中性火山巖，是一套火山巖儲層。興城地區營城組沉積時期，由于基底斷裂活動頻繁，火山活動強烈；總體分為兩套火山巖層(營城組一段、營城組三段)、兩套碎屑巖互層(營城組二段、營城組四段)。營城組一段分布于斷陷中部及其以南地區，巖性以酸性為主，主要有深灰色及黑灰色晶屑凝灰巖、灰色及灰白色流紋巖、雜色火山角礫巖；營城組三段分布于斷陷中部及其以北地區，發育酸性與中基性火山巖，巖性主要有暗紫色、深灰色安山巖和紫紅色、灰綠色安山質凝灰巖(見圖1(b))。

2 火山巖巖石學特征

根據巖心觀察及薄片鑒定，將徐家圍子斷陷興城地區深層火山巖劃分為火山熔巖、熔結火山碎屑巖及普通火山碎屑巖三大類(見表1)。火山熔巖有球粒流紋巖、霏細巖、玄武粗安巖與粗面英安巖(見圖2)，主要發育酸性流紋巖、霏細巖類；普通火山碎屑巖以流紋質火山角礫巖、流紋質含晶屑巖屑凝灰巖、流紋質含角礫晶屑凝灰巖、流紋質晶屑凝灰巖為主(見圖3(a-e))；熔結火山碎屑巖主要發育流紋質熔結凝灰巖(見圖3(f))。

表1 興城地區火山巖巖石類型

流紋巖常為隱晶質結構，具清楚的流紋構造；流紋構造結晶程度不同，有的紋層顆粒很細，隱晶致密，有的紋層結晶稍粗；在顯微鏡下，見球粒和微花崗結構，斑晶多為條紋長石，基質由霏細狀、放射狀長英質集合體組成。霏細巖成分與流紋巖沒有本質區別，主要體現在巖石結構和構造上，霏細巖不具流紋構造，呈致密塊狀構造；在單偏光鏡下，見典型的霏細與微球粒結構。粗面英安巖常具斑狀結構，斑晶成分有鈉長石或鈉—更長石、條紋長石及少量石英；基質由長石及石英等組成；在單偏光鏡下，見斜長石微晶定向或半定向排列，呈交織結構。玄武粗安巖常具斑狀結構，基質具玻晶交織結構；斑晶占20%左右，粒徑一般為0.5～2.0 mm，主要為斜長石，見明顯的絹云母化和碳酸鹽化；基質占80%左右，主要為火山玻璃與條狀斜長石微晶，其中長石微晶分布不定向，基質中見少量微粒狀磁鐵礦。凝灰巖具凝灰結構，常含較多的條紋長石、石英等晶屑，條紋長石晶屑具明顯的卡氏雙晶和條紋結構；受脫玻化作用影響，凝灰巖也常見霏細結構。熔結凝灰巖最大特點是常含撕裂狀、透鏡狀的漿屑，漿屑及其他火山物質繞玻屑、巖屑、晶屑定向排列，即構成假流紋構造。火山角礫巖具典型的角礫構造，角礫主要成分是流紋質與安山質，有的角礫較大(大于64 mm)，為火山集塊巖。

圖2 興城地區熔巖類典型巖心及鏡下薄片

圖3 興城地區火山碎屑巖類典型巖心及鏡下薄片

3 樣品采集及分析方法

測試樣品采自松遼盆地北部徐家圍子斷陷興城地區深層火山巖。在考慮埋藏成巖、后期蝕變及風化淋濾作用等影響因素及取樣原則的基礎上，采集火山巖地球化學測試分析樣品10件，采樣位置、編號、深度、巖性等見圖4。主量元素采用ARL9800XP+波長色散X線熒光光譜儀分析測定，測試分析SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5等10項氧化物；燒失量LOI(LOI為灼燒前后質量變化占原始質量的百分比)根據GB/T 14506.34—2019《硅酸鹽巖石化學分析方法》第34部分燒失量的測定質量法測得；相對標準樣品的偏差：高含量氧化物樣品低于2%，低含量氧化物樣品低于10%。微量元素(包含稀土元素)采用Finnigan ElementⅡ型ICP-MS測定，檢測限優于0.5×10-9，相對標準樣品的偏差優于5%。

圖4 徐家圍子斷陷區興城地區深層火山巖主、微量元素測試分析樣品分布

歸納并建立U/Th、自生U、V/Cr、Ni/Co、V/Zr、V/V+Ni、Sr/Ba 7種氧化還原條件和沉積介質環境(咸水、微咸水、淡水)判識，對10件火山巖樣品進行古地理環境判別。

4 火山巖地球化學特征及沉積環境

4.1 影響因素

4.1.1 噴發沉積環境

陸上、水下噴發沉積介質環境不同，火山噴出物(熔巖物質、碎屑流)運移、冷凝固結、堆積與保存時接觸的介質環境(空氣和水)不同，考慮不同介質環境氧化還原條件的差異，對敏感性元素的遷移、共生、沉淀有重要控制作用，可改變變價元素的遷移狀態，使同一元素的不同價態或共生元素間發生分離，導致不同介質環境元素的重新分配。通常認為，在氧化條件下，U、V、S等元素呈高價(如V5+、U6+、S6+)易發生遷移，在還原條件下，U、V、S等元素呈低價(如V3+、U4+、S2-)易沉淀；在氧化條件下，Fe、Mn、Cu、Ce等元素呈高價(如Fe3+、Ce4+)易沉淀，在還原條件下，Fe、Mn、Cu、Ce等元素呈低價(Fe2+、Ce3+)易發生遷移；Th和Sc元素受氧化還原環境影響較小。通常情況下，海洋(湖水)高鹽度沉積環境B和Sr質量分數高，陸相淡水沉積環境Ga和Ba較富集，海相環境B質量分數一般為(80～125)×10-6，陸相淡水環境B質量分數多小于60×10-6。

4.1.2 風化淋濾作用

風化淋濾作用對火山巖主、微量元素分布的影響主要體現在噴發間歇期或之后，暴露于地表的火山巖長時間遭受高強度風化淋濾作用改造，其地球化學信息不再具有反映和記錄噴發沉積古地理環境的意義。其機理是火山巖暴露于表生環境，受大氣、淡水及火山噴發間歇期飽和CO2雨水的影響，火山巖中易遷移元素和可遷移元素流失，惰性元素與不遷移元素不斷累積。為避免干擾，采樣時選擇較為新鮮的樣品，去掉表層風化物質，剔除蝕變、礦化較強及風化破碎的樣品；同時，考慮有杏仁體發育的火山巖及杏仁體充填或半充填程度的影響，采樣時敲擊預取樣點上下巖心新鮮面，觀察杏仁體是否發育。

4.1.3 埋藏成巖作用

與油氣相關的火山巖遭受較深的埋藏成巖作用，礦物交代、深層溶蝕、斷裂作用等事件造成成巖礦物發生變化，受埋藏成巖作用影響較大的樣品元素地球化學信息對噴發沉積環境的指示意義不大。燒失量過高的樣品一般表征遭受嚴重的埋藏成巖作用，在數據資料充分的情況下，根據燒失量合理剔除埋藏成巖、蝕變作用較強的樣品，保證分析結果的準確性。

4.2 主量元素

火山巖主量元素測試分析結果見表2。由火山巖TAS分類圖解(見圖5，虛線表示區分副長巖、堿玄巖和碧玄巖還需要其他準則)可以看出，興城地區深層火山巖比較豐富，從基性玄武巖到中性安山巖和粗面巖，再到酸性流紋巖、霏細巖均有發育，主要發育酸性流紋巖。

表2 興城地區深層火山巖主量元素質量分數

球粒流紋巖(X1)、流紋巖(X4)的ω(SiO2)分別為74.16%、75.67%，ω(Na2O+K2O)(全堿質量分數)大于7.00%，σ=[ω(Na2O+K2O)]2/[ω(SiO2)-43%]分別為1.71、2.20，為鈣堿性巖類，LOI分別為1.85%、0.92%，表明受埋藏成巖作用影響小。安山巖(X9)的ω(SiO2)為62.78%，ω(Na2O+K2O)為6.90%，σ為2.40，為鈣堿性巖類，LOI為2.58%，表明遭受一定程度的蝕變作用。玄武粗安巖(X10)的ω(SiO2)為53.24%，ω(Na2O+K2O)為6.05%，σ為3.58，為鈣堿性巖類，LOI為6.69%，表明遭受蝕變作用弱。粗面英安巖(X6)的ω(SiO2)為65.56%，ω(Na2O+K2O)為9.89%，σ為4.34，為鈣堿性巖類，LOI為2.26%，表明受埋藏成巖作用影響小。霏細巖(X7)的ω(SiO2)為77.04%，ω(Na2O+K2O)為8.64%，σ為2.19，為鈣堿性巖類，LOI為0.01%，表明基本不存在蝕變作用。熔結凝灰巖(X2、X3、X5、X8)的ω(SiO2)為75.22%～76.07%，平均為75.65%；ω(Na2O+K2O)為7.55%～8.54%，平均為7.93%；σ為1.72～2.22，平均為1.93，為鈣堿性巖類；LOI為0.57%～1.66%，平均為0.97%，表明遭受蝕變作用弱。

圖5 興城地區火山巖SiO2—Na2O+K2O(TAS)圖解(據文獻[36]修改)

4.3 稀土元素

火山巖稀土元素測試結果見表3，稀土元素成圖時測試數據需要標準化，以球粒隕石作為標準化數據，將樣品中各個稀土元素的量分別除以球粒隕石相對應的各個稀土元素的量，得到標準化后的數據；以球粒隕石標準化值為縱坐標并用對數表示，以14個稀土元素按照原子序數排列作為橫坐標，進行稀土族成圖(見圖6)。由表3可以看出，球粒流紋巖(X1)、流紋巖(X4)類ΣREE(稀土元素總含量)較高，分別達到417.85×10-6、484.73×10-6，(La/Yb)n(n表示標準化，即球粒隕石標準化后的比值)較大，分別為7.24、9.60，表明輕、重稀土元素分餾程度較強，銪異常(在稀土分布曲線相應出現“谷”的現象)因數δEu相對較低，為0.07。霏細巖(X7)類ΣREE也較高，為418.47×10-6，(La/Yb)n為7.21，δEu較低，為0.08。粗面英安巖(X6)類ΣREE為271.25×10-6，(La/Yb)n為10.28，δEu為0.65。玄武粗安巖(X10)類ΣREE較低，為206.25×10-6，(La/Yb)n為7.67，δEu為0.77。熔結凝灰巖(X2、X3、X5、X8)ΣREE為(387.37～443.57)×10-6，(La/Yb)n為4.34～8.13，δEu為0.07～0.10。這些特征反映在稀土元素配分模式圖解(見圖6)上，所有曲線呈右傾斜特征；表明深層火山巖輕、重稀土元素分異程度較大，英安巖與安山巖類銪虧損不明顯，稀土元素配分曲線較平直；流紋巖、霏細巖和凝灰巖類表現為強烈的銪虧損，稀土配分曲線呈大“V”字型谷。

表3 興城地區火山巖類稀土元素質量分數

圖6 興城地區火山巖稀土元素經球粒隕石標準化配分圖解

4.4 微量元素及沉積環境

火山巖微量元素測定結果見表4。由表4可以看出，研究區火山巖富集不相容元素，特別是強不相容元素Rb、Sr、Ba、Th等。古沉積環境的氧化還原條件雖然控制V、Ni、U、Cr、Co等氧化還原敏感性元素(簡稱RSE)，以及Sr、Ba、B、Ga等鹽度敏感元素的富集程度，但單一微量元素數據不能很好地反映古沉積介質環境的性質，利用多組比值組合指標或二者之間的相關關系可以達到更好的分析效果。氧化還原敏感性元素是指溶解度明顯受沉積介質環境氧化還原狀態的控制，導致其向還原性水體和沉積物遷移而自生富集的元素。

表4 興城地區火山巖類微量元素質量分數

由微量元素質量分數縱向演化(見圖7)可知，火山巖Sr與Ba存在正相關關系，Cr與V具有弱正相關關系；由V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr縱向分布可以看出，其演化趨勢極為相似，具有統一性，是作為興城地區深層火山巖沉積古地理環境示蹤判別的較佳組合指標。

利用微量元素地球化學參數示蹤判別古沉積環境的氧化還原條件,或沉積介質環境性質(咸水、微咸水、淡水)的指標數據[15-34]，歸納并建立U/Th、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)、V/Sc、Sr/Ba、V/Zr 7種微量元素地球化學判識指標圖版(見圖8)。由圖8可以看出，每項指標在不同值域范圍反映不同的沉積介質環境。主要計算V/(V+Ni)、V/(V+Cr)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr 分布，除V/(V+Cr)外，其他4項在圖版有對應，根據V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr 分布，參照判識指標圖版的值域，厘清火山巖分析樣品古沉積環境性質，判別火山噴發沉積古地理環境。

圖7 微量元素及其比值參數縱向演化特征

4.4.1 V/Cr

興城地區深層火山巖V/Cr分布在0.09～22.88之間，跨度較大，主要集中在0.80以下，揭示研究區火山巖噴發沉積與保存期的古地理環境復雜多變，以陸上氧化環境為主，水陸過渡復雜環境也存在(見表5)。

4.4.2 V/(V+Ni)

通常情況下，V和Ni地球化學行為較相近，但它們之間微小的差別可以反映古環境的變化。RIMMER S M[33]指出V在氧化環境下容易與沉積物結合形成沉淀，Ni在還原環境下易被吸附富集而發生沉淀，可以用V/(V+Ni)反映古沉積水體的氧化還原環境。V/(V+Ni)>0.84，指示還原環境；0.60

興城地區深層火山巖V/(V+Ni)介于0.11～0.95，多數在0.60以下(見表5)，揭示研究區火山噴發沉積和保存時期古地理環境復雜，陸上氧化環境、水下還原環境及水陸過渡復雜環境均存在。

圖8 氧化還原環境條件及沉積環境介質微量元素指標綜合判別圖版

表5 10件化學分析樣品微量元素參數指標分布

4.4.3 Sr/Ba

興城地區深層火山巖Sr/Ba介于0.12～1.36，多數小于0.60(見表5)，揭示研究區火山巖以陸相沉積成因為主，水陸過渡相及水下沉積成因也存在。

4.4.4 V/Zr

范忠仁等[26]和陳代演等[27]研究若干微量元素比值特征及其成因意義指出，陸相所有巖石類型V/Zr為0.12～0.40，海相V/Zr為0.25～4.00。

興城地區深層火山巖V/Zr介于0.10×10-2～0.43，80%在0.25以下，揭示研究區火山巖以陸相沉積成因為主，可能是陸上噴發陸上沉積保存的火山巖，也可能是陸上噴發水下沉積和保存的火山巖(見表5)。

基于巖石微量元素地球化學特征判別的火山噴發沉積古地理環境，與張艷等[12]、單玄龍等[14]基于火山巖氧化因數(Fe3+/Fe2+)、巖性組合特征、巖石顏色、結構構造特征、蝕變特征、脫玻化節理等典型特征和標志判別的結果一致，且該地球化學方法具有普遍適用性，不受地質時代及區域地質條件的限制，可應用于不同地區、不同地質時代火山巖噴發沉積古地球環境的判別研究。

5 結論

(1)松遼盆地北部徐家圍子斷陷興城地區深層火山巖巖石類型比較豐富，從基性玄武巖到中性安山巖和粗面巖，再到酸性流紋巖、霏細巖，以及熔結火山碎屑巖和普通火山碎屑巖均有發育；普通火山碎屑巖以流紋質巖屑—晶屑、流紋質含角礫晶屑、流紋質晶屑凝灰巖及流紋質、安山質角礫巖為主，熔結火山碎屑巖主要為流紋質含角礫晶屑、流紋質漿屑晶屑、流紋質巖屑晶屑熔結凝灰巖。

(2)火山巖稀土元素總量為(206.25～484.73)×10-6，平均為366.70×10-6，明顯大于地殼146.40×10-6；稀土元素配分模式圖解所有曲線為右傾斜特征，說明輕、重稀土分異程度較大，LREE/HREE平均為6.85，輕稀土相對富集。

(3)微量元素V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba及V/Zr縱向演化趨勢相似，是興城地區深層火山巖沉積古地理環境示蹤判別的較佳組合指標，反映研究區深層火山巖噴發沉積時的古地理環境復雜，陸上氧化環境、水下還原環境及頻繁水陸過渡相復雜環境均存在。