基于巖漿匯聚區和上升通道特征的火山巖分布規律

摘要：關于斷陷尺度火山巖充填規律的全面認識，需要從深部巖漿匯聚區開始，到輸導體系，再到其噴發分散，進行統一分析；但在研究過程中往往還是以單項分析為主，導致火山巖分布規律的認識不夠全面。為了深入分析斷陷盆地火山巖分布的規律，利用鉆井、地震資料和已有的深部結構研究成果，開展松遼盆地長嶺斷陷下白堊統營城組火山巖巖漿匯聚區和上升通道對火山巖分布特征的控制作用分析。取得如下認識：營城組火山巖在平面上呈現東西分帶和南北分塊的特征，在中央洼陷帶集中分布；水平斷距是火山巖是否發育的敏感參數，垂直斷距對火山巖厚度影響更顯著；斷裂僅是火山巖發育的必要條件，非充分條件；火山巖分布還受軟流圈上拱和地殼伸展減薄區域的約束；斷陷盆地火山巖充填往往與沉降中心對應，當火山巖體積較小時烴源巖可以與火山巖組成好的生儲組合，而當火山巖體積過大時會顯著減少細粒沉積巖的沉積空間，不利于烴源巖在空間上延伸。

關鍵詞：火山巖；分布規律；控制因素；營城組；白堊系；松遼盆地

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220167

中圖分類號：P618.13

文獻標志碼：A

0引言

火山巖是斷陷盆地充填的重要組成部分，已成為油氣勘探的重要目標，近年來取得了豐富的勘探成果。火山巖分布規律作為油氣藏研究的重要基礎也備受關注：在勘探的早期階段利用重磁電方法識別火山巖時，盆地尺度的火山巖分布規律對于識別的準確性有著重要的約束作用4]，可在平面上將火山巖分布范圍進行圈定；在勘探的中后期利用三維地震識別火山巖時，火山巖體的相帶分布規律對于巖相識別的準確性有著重要的約束作用7]，可進一步從縱向上細分火山噴發序列，建立精細的火山地層格架。斷裂作為巖漿上升通道的重要組成部分，在火山巖分布規律研究時受到重點關注12]， 并已取得如下認識：通常火山噴發中心沿盆內深大斷裂呈串珠狀分布14]，不同噴出口的噴發物可疊置連片且廣泛分布，也可以形成孤立的火山巖體；火山巖厚度和與斷裂的距離成非線性反比關系17]。上述宏觀分布規律，對于斷陷盆地火山巖識別起到了重要的指導作用。

和對油氣藏的研究需要將烴源巖區、輸導體系和聚集區作為一個整體系統考慮，才能全面地認識油氣藏的分布規律一樣，對火山巖分布規律的認識應該從深部巖漿匯聚區開始，到輸導體系（巖漿從深部匯聚區到地表噴出口的所有通道的總稱），再到其噴發分散進行精細研究，才能得到全面合理的認識。對于匯聚區，松遼盆地火山巖存在兩大類源區，分別為幔源成因的中基性火山巖和殼源成因的酸性火山巖；根據深部匯聚區深部速度和電阻異常進行的分析，識別出了地幔和地殼中的低阻體，但相關資料還較少。對于輸導體系的研究，主要集中在地震勘探資料所揭示的輸導體系的上部，多在討論火山巖與斷裂距離的關系，但對于斷裂的樣式對火山巖分布的影響分析還未引起足夠的重視。總體上，火山巖分布規律研究還存在深部資料不足的問題，缺少從深部匯聚區—上升通道—火山噴發分散的整體分析，使得對火山巖分布規律的認識還不全面，如難以解釋同一條深大斷裂為何存在火山巖發育和不發育兩種區域。

為了進一步明確火山巖分布規律，本文以松遼盆地長嶺斷陷為例，利用鉆井、地震資料和已有深部結構的研究成果，綜合深部巖漿匯聚區和上升通道特征兩方面整體討論火山巖分布規律，以期為盆地充填演化研究和火山巖油氣勘探提供依據。

1地質概況

松遼盆地處于蒙古—鄂霍茨克縫合帶、西拉木倫河縫合帶和牡丹江縫合帶之間（圖1），具有“下斷據文獻20]修編。

中坳上隆頂平”四元結構，是裂陷、坳陷、反轉共同作用的結果。松遼盆地是一個典型的活動大陸邊緣盆地，具有典型的“下斷上坳”結構，其構造演化可分為：1）同裂谷階段，以火山作用和斷陷作用為主，主要由火石嶺組、沙河子組和營城組3個地層序列構成；2）后裂谷階段，是松遼盆地成盆作用的主要階段，由登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組和嫩江組構成；3）構造反轉階段，是盆地構造熱事件作用以及盆地被改造的主要時期，由四方臺組和明水組構成，一直持續到15 Ma22]。火山巖主要發育在同裂谷階段。

松遼盆地在同裂谷階段到后裂谷階段的初期可劃分為2個伸展期，每期可細分為早期快速伸展和晚期緩慢伸展2個亞期。第一伸展期對應火石嶺組和沙河子組沉積期，快速伸展亞期形成了火石嶺組火山巖，緩慢伸展亞期形成了沙河子組沉積巖；第一伸展期以熱穹窿式多向拉伸為標志，可能是侏羅紀加厚巖石圈的根部發生拆沉作用導致地殼彈性回調和巖漿底侵的結果。第二伸展期對應營城組和登婁庫組沉積期，快速伸展亞期形成了營城組火山巖，緩慢伸展亞期形成登婁庫組沉積巖；第二伸展期則以SEE—NWW向區域伸展為標志，是對中國東部廣泛的地殼伸展拆離和巖石圈減薄事件的響應，可能是伊澤納崎板塊俯沖產生的弧后擴張效應。火山巖體分布受斷裂控制，常沿NNE、NNW、近SN深大斷裂串珠狀分布。深大斷裂具有低角度犁式正斷層的特征，也控制了不對稱復合式地塹的發育。斷裂是在中—晚侏羅世 NNE向基底斷裂左行走滑派生的次級斷裂基礎上，經斷陷期強烈的地殼伸展拆離作用形成。

2長嶺斷陷火山巖特征

2.1地層序列

長嶺斷陷自下而上發育火石嶺組、沙河子組和營城組3個組（圖2），下面進行簡要介紹。區域上火石嶺組可劃分出兩段：區域上一段以砂礫巖為主，夾少量的泥巖和煤層，在本區鉆井揭示較少；二段以火山巖為主，包括安山巖、安山質角礫熔巖、玄武巖、玄武質角礫巖、沉火山角礫巖等。長嶺斷陷有少數鉆井揭示了該套序列，如TS6和F24井揭示的火石嶺組二段安山巖和凝灰巖（圖2）。

區域上沙河子組也可劃分出兩段，一段為暗色泥巖夾煤，二段為砂巖和礫巖。在松遼盆地北部的徐家圍子斷陷可細分為4個三級層序，在上部層序中也可發育火山巖27]。在松遼盆地南部梨樹斷陷七棵樹油田可細分為2個四級旋回。本文分析的地層精度未達到四分的精度，所以僅與段對應。如CS37井揭示了沙河子組一段暗色泥巖；TS6井揭示了沙一段和沙二段，由2個粗到細的序列構成，由砂礫巖變為泥巖或泥質粉砂巖。AS1井揭示了沙二段礫巖，厚度超過700 m（圖2）。區域上在底部可發育底礫巖或凝灰質砂巖，局部地區可見侵入巖。

區域上營城組從巖性上可劃分出3段：一段以酸性火山巖為主，包括流紋巖、流紋質火山碎屑巖和碎屑熔巖等，分布較為廣泛；二段為火山沉積序列，是火山噴發間歇期的堆積物，以礫巖和沉火山碎屑巖為主，可夾煤，其厚度不穩定、變化較大，在長嶺斷陷該段分布局限；三段以中基性火山巖為主，包括玄武巖、安山巖和粗面巖等。從巖性組合特征看，中央洼陷帶鉆井揭示了營城組一段酸性火山巖；緩坡帶TS6井揭示了營城組三段火山巖和營城組二段沉積巖；AS1和F24井揭示了營城組二段沉積巖（圖2）。

2.2營城組火山巖類型

研究區火山巖類型多樣，巖心和巖屑資料揭示熔巖、碎屑熔巖、碎屑巖和沉火山碎屑巖均發育。

熔巖以中酸性熔巖為主，發育少量基性熔巖；還可細分出鈣堿性系列和堿性系列，以鈣堿性系列為主。根據成分和組構特征劃分方案，常見堿長流紋巖（圖3a）、粗面英安巖（圖3b、c）、安山巖（圖3d）、玄武巖（圖3e）、氣孔杏仁玄武巖（圖3f）、珍珠巖等（圖3g）。

碎屑熔巖是熔巖和火山碎屑巖的過渡類型，可根據火山碎屑粒徑和成分等進行細分。常見流紋質晶屑凝灰熔巖（圖3h）和流紋質角礫熔巖等。火山碎屑巖較為發育，可根據碎屑粒徑和成分等進行細分，常見流紋質角礫巖、流紋質凝灰熔巖（圖3i）、英安質凝灰巖、安山質角礫巖、安山質凝灰巖和玄武質角礫巖等，具有塊狀和在地表易自破碎的特征（圖3j），在凝灰巖中常見雞骨狀玻屑（圖3k）。沉火山碎屑巖也可根據碎屑粒徑進行細分，常見沉火山角礫、沉凝灰巖等。還存在一些特殊巖性，如隱爆角礫巖（圖3l）。

不同區塊巖性構成差異較大，如長深1區塊CS1井營城組以流紋巖、玄武巖、流紋質角礫巖、流紋質凝灰熔巖等為主，雙坨子區塊以安山巖和流紋質凝灰巖為主（圖4）。

2.3火山巖分布

利用鉆井和三維地震資料在長嶺斷陷營城組識別出火山巖體60個（圖5），總面積可達3 324 km2。識別出的火山巖體均具有地層厚度大，地震相特征為丘形、穹窿，頂界面強反射、內部雜亂等典型火山巖地震反射的特征；其中有多個巖體經鉆井證實發育厚層狀的火山巖。部分厚度小，地震相特征為席狀、連續性好、強反射的火山巖未包括在這60個巖體中。但從火山巖的體積來看，識別出的巖體可基本代表斷陷盆地火山巖充填的主體，可以滿足討論火山巖在斷陷尺度分布規律的要求。

從識別出的火山巖體來看，其在平面上分布具有不均勻性，呈現出東西分帶和南北分塊的特征。東西分帶表現為中央洼陷帶較為集中分布，西部陡坡帶只有極少量火山巖分布，東部緩坡帶靠近中央洼陷帶處較為發育、遠離中央洼陷帶處不發育（圖5）；南北分塊表現為在中央洼陷帶的南部和中部發育、北部不發育的特征。統計長嶺斷陷現有鉆井揭示巖性特征可知，長嶺斷陷東側以中性和酸性火山巖為主，西側以酸性火山巖為主。

3火山巖的巖漿匯聚區特征

對于長嶺斷陷火山巖的巖漿起源需要對中基性和酸性兩類火山巖進行分析。首先是中基性巖類的巖漿來源，主要有兩種觀點：一是認為源自虧損地幔的部分熔融，受地殼混染，但程度存在不同認識30]"；二是源自經歷了深部地幔流體交代富集作用的軟流圈地幔，巖漿未遭受地殼物質的混染。中基性巖具有輕稀土元素總量高、Pb正異常和Nb、Ta輕微負異常的特征，暗示巖漿演化過程中存在地殼混染，這與大興安嶺中生代基性巖漿源既有富集特征又有虧損特征的雙重性地球化學特征相似。其次是酸性火山巖的成因，如營城組流紋巖的巖漿成因是地殼部分熔融形成，地殼熔融部分可能是新生的；也可能是虧損地幔的初生地殼部分熔融，并受到地殼混染而成35]；還可能是大部分古老地殼和少量新生地殼的部分熔融混合而成37]。由此可見，由復雜源區形成的巖漿供應了營城期巖漿噴發，形成了火山地層。

對于深部巖漿房特征，主要依據速度異常、電阻率異常等資料來識別。松遼盆地開展過地學大斷面、大地電磁等研究，但沒有針對長嶺斷陷的研究，所以用松遼盆地北部的深部結構來討論其深部巖漿的特征。對松遼盆地深部二維電性結構的研究，其深部存在兩個高導層：一是在地幔部分，對應中基性巖漿的匯聚區，其深度與已知的火石嶺組火山巖的起源深度超過40 km一致；二是在殼幔界面之上的下地殼中，對應酸性巖的匯聚區，其深度與已知營城組巖漿起源深度20～30 km一致。從地幔高導異常來看，其最高點在中央凹陷區，但其最高點與沉積地層最厚點是不對應的，這表明在斷陷期地殼伸展可能是不對稱的。從地殼高導異常來看，地殼內的高導層可分為兩個隆起區，分別對應中央凹陷和東南隆起，中央凹陷之下的隆起埋深較小（圖6）。這也表明松遼盆地之下的巖漿分布的不對稱性和不均勻性。地幔和地殼兩部分高導異常的隆起區域，更容易形成高角度張性斷裂，巖漿更容易上升，促進該區域火山巖的發育。因此，深部高導異常的隆起區是指示盆地火山巖分布的另一個重要約束條件（圖6）。

a. 堿長流紋巖，CS18井，4 311.00 m；b、c. 粗面英安斑巖，CS3井，2 669.70 m，粗面結構，基質中堿性長石微晶（Or）定向排列呈粗面結構；d. 角閃安山巖，CS6井，4 011.67 m，斜長石和角閃石斑晶定向排列呈線斑結構，基質具玻晶交織結構；e. 玄武巖，TS6井，2 820.00 m，斜長石搭成格架，中間充填數粒輝石等暗色礦物呈間粒結構，充填基性火山玻璃呈間隱結構（相同倍數，左側為正交偏光，右側為單偏光）；f. 氣孔杏仁玄武巖，CS105井，4 000.00 m（相同倍數，左側為正交偏光，右側為單偏光）；g. 珍珠巖，CS6井，4 195.00 m，珍珠裂紋由于脫玻化重結晶作用變得不清晰（相同倍數，左側為正交偏光，右側為單偏光）； h. 流紋質晶屑凝灰熔巖，CS12井，3 674.70 m，石英具晶內炸裂紋；i. 流紋質晶屑漿屑凝灰熔巖，CS12井，3 674.70 m，漿屑定向排列呈假流動構造；j 流紋質玻屑凝灰巖，CS105井，3 929.77 m；k. 流紋質凝灰巖，CS105井，3 929.77 m，雞骨狀玻屑；l.流紋質隱爆角礫巖， CS103井，3 727.92 m，流紋質隱爆角礫結構，角礫為流紋巖。Or.正長石；Am.角閃石；P.斜長石；A.氣孔杏仁；Q.石英。

4火山巖巖漿上升通道特征

斷裂是巖漿上升的重點通道，特別是高角度的斷裂，其控制著火山巖分布。為了了解火山巖分與斷裂的關系，從斷裂的幾何特征和演化角度入手進行分析。

4.1深大斷裂特征

松遼盆地長嶺斷陷發育的斷層可分為3種：一級斷裂，控制斷陷邊界的斷裂，穿入基底連通到深部拆離面，為鏟式特征。特征最為明顯的是F1，其在北部AS1井附近表現為上陡下緩的特征，在中南部表現為階梯狀向下延伸（圖7）；在平面上延伸較為廣泛，如F1可以從南到北貫通（圖8），斷裂具有較大的水平斷距和垂直斷距。二級斷裂，控制了盆地內部的次一級凹陷邊界，斷面角度較高，常終止于一級斷裂斷面處，在平面上延伸范圍中等（圖7、8）。三級斷裂，是一些派生斷裂，僅切入基底的頂部，在平面上延伸范圍較小（圖7）。

利用平衡剖面技術制作構造發育史剖面，統計斷裂的水平斷距和垂直斷距，再利用斷層兩側地層厚度計算斷層生長指數，可知：營城期控陷斷裂F1的水平斷距為16.16 km，垂直斷距僅為0.18 km，也體現了基底以強烈水平方向拉伸減薄特征；其他二級斷裂的水平斷距在0.17 ～2.98 km之間，均顯著小于F1，垂直斷距在0.34 ～2.47 km之間，都大于F1，二級斷裂的生長指數為1.25～3.39（圖9a）。沙河子期控陷斷裂F1的水平斷距為5.41 km，垂直斷距僅為0.23 km，也體現了基底以水平方向拉伸減薄為主；其他二級斷裂的水平斷距在0.40～2.83 km之間，均顯著小于F1，垂直斷距在0.36 ～2.25 km之間，都大于F1，二級斷裂的生長指數為1.28～3.24（圖9b）。在火石嶺期控陷斷裂F1的水平斷距為8.43 km，垂直斷距僅為0.53 km，體現了基底強烈的水平方向拉伸減薄；其他二級斷裂的水平斷距在0.28～2.47 km之間，均顯著小于F1，垂直斷距在0.34 ～2.10 km之間，多數都大于F1，二級斷裂的生長指數為1.14～2.11（圖9c）。

相比較而言，火石嶺組時期，一級斷裂水平斷距較大，二級斷裂水平斷距較小，生長指數小；沙河子組時期控陷斷裂的水平斷距最小，二級斷裂的水平斷距變大，生長指數也變大；營城組時期，一級斷裂水平斷距最大，二級斷裂水平斷距較小，生長指數中等。從總的水平斷距來看，南部最大、中部次之、北部最小（圖9）。

4.2斷裂與火山巖分布

本文主要分析了斷距與火山巖厚度的關系，統計的斷裂均為斷陷期發育的斷裂，斷距是斷陷期的累計效應。從統計的結果來看，斷距與火山巖厚度存在兩組關系：一是火山巖厚度與斷裂的斷距具有正相關，表明斷裂控制著火山巖的充填；二是斷距增加，火山巖厚度為0，表明該處斷裂不控制火山巖厚度（圖10）。因此，認為斷裂是控制火山巖分布的必要條件，而非充分條件。

從水平斷距火山巖厚度和垂直斷距火山巖厚度的關系來看，水平斷距在0.33 km時就發育火山巖（圖10a），垂直斷距在0.73 km時才發育火山巖（圖10b）。因此，認為水平斷距是識別火山巖是否發育的更為敏感參數。另外，從火山厚度和斷距的擬合關系來看，火山巖厚度的增加受垂直斷距的影響更加顯著。

圖中的柱狀圖是鉆井巖性構成特征，柱狀圖左側數值為巖性體積分數（％），右側數值為巖性的累計厚度（m）。圖中的火山巖體均為營城組。

5討論

5.1火山巖分布模式

火山巖分布與巖漿在深部的匯聚、深大斷裂與巖漿房溝通部位相關。松遼盆地斷陷期巖漿上涌機制認為與早期加厚陸殼的拆沉和/或類似弧后的伸展環境有關，主要受太平洋板塊俯沖控制。巖漿上升最容易的區域均是在軟流圈隆起的區域。

據松遼盆地北部深部高導異常體分布可知，高導體通常可指示巖漿的存在。由于晚白堊世至今僅存在構造反轉和盆地沉降中心向西遷移一定距離，無明顯的其他改造。現今的殼幔結構與營城期的殼幔結構存在一定的繼承性。據此推測地下兩層高導體揭示了營城期巖漿房具有兩層結構，殼內低阻體提供了酸性巖漿，幔內低阻體提供了中基性巖漿（圖6）。但更為詳細的巖漿演化信息還難以從目前的大地電磁測深資料獲取。斷裂系統可能需要分成兩部分，中上地殼主要為拆離斷層和下地殼上地幔的高角度斷裂。下地殼上地幔的斷裂由于資料精度的限制不能明確地刻畫，但據該部分巖石的特征主要是韌性變形帶，角度較低的斷裂多處于封閉狀態、不利于成為巖漿通道，高角度的斷裂易處于開啟狀態、有利于成為巖漿通道。所以，估計巖漿在下地殼上地幔之間以垂直上升為主，在中上地殼部分可能會有水平方向的分量。水平斷距大的斷裂和軟流圈上拱區域對應火山巖發育區（圖11）。相比較之下，純剪模式下基底塊體發生旋轉，導致地殼厚度分布不均勻，地殼厚度相對小的區域是深部巖漿房上升的有利區，更容易發育火山巖（圖11）。

5.2火山堆積與盆地充填的關系

從長嶺斷陷的剖面來看，營城期火山巖厚度中心往往對應盆地的沉降中心（圖12）。如果沒有火山巖的存在，遠離盆地邊緣的沉降中心位置可成為盆地的沉積中心，其應該是細粒沉積物的沉積場所。當有火山巖發育時，則會使細粒沉積物的充填空間受到侵占，對于油氣成藏來看，可能會出現兩種情況：當火山巖體積較小且不能大面積分布時，火山巖仍能與同層位細粒沉積物形成側向對接模式，這有利于形成火山巖油氣藏，該類油氣藏在遼河盆地常見，在火山巖勘探時也作為一種指導模式進行實踐。類似的火山充填在新西蘭Taranaki盆地Kora火山可見，Kora火山是在淺海—半深海的環境中發育的孤立火山，火山巖側相與細粒沉積對接可形成上述生儲組合相式。當火山巖體積過大時，其侵占了細粒沉積的堆積空間，這時與火山巖同層位的沉積巖以粗粒為主，難以形成烴源巖，自然就不能形成火山巖與烴源巖側向對接模式。如HD1井就是快速建造，形成局部高地，營城組沉積巖逐漸

a. 長嶺斷陷南部過HD1LS2TS6F24井地震剖面；b. 長嶺斷陷南部過HD1LS2TS6F24井剖面；c. 長嶺斷陷中部過CS3CS40CS16CS801SL1井地震剖面；d. 長嶺斷陷中部過CS3CS40CS16CS801SL1井剖面；e. 長嶺斷陷北部過AS1LS1井地震剖面；f. 長嶺斷陷北部過AS1LS1井剖面。

披覆在火山巖上，到營城組末期才將該火山巖覆蓋；火山巖體積過大，占據了盆地的可容納空間，火山巖作為物源區提供了粗粒沉積，進一步侵占了細粒顆粒的沉積空間，致使營城組烴源巖不發育。這種情況在長嶺斷陷較為普遍，使得營城組火山巖的氣源多來源于下伏地層沙河子組和火石嶺組二段43]。鉆井揭示，松遼盆地王府斷陷的地層中火石嶺組火山巖厚度占比可達到58%，致使火石嶺組缺少烴源巖，火石嶺組火山巖的氣源需要來自于上覆地層的沙河子組47]。所以火山地層充填盆地對于油氣來講是把雙刃劍50]，一方面火山巖可以與細粒巖組成好的生儲組合，另一方面會減少細粒沉積巖占盆地充填的比例，不利于烴源巖在空間上的延伸，取決于火山巖體積的大小及面積分布。

a. 長嶺斷陷南部過HD1LS2TS6F24井剖面; b. ""長嶺斷陷中部過CS3CS40CS16CS801SL1井剖面; c. 長嶺斷陷北部過AS1LS1井剖面。

6結論

1）巖心和巖屑資料揭示長嶺斷陷發育熔巖、碎屑熔巖、碎屑巖和沉火山碎屑巖等火山巖。在平面上分布具有不均勻性，呈現出東西分帶和南北分塊的特征。東側以中性和酸性火山巖為主，西側以酸性火山巖為主。

2） 斷裂是火山巖發育的必要條件，而非充分條件。火山巖厚度與斷距呈正相關，水平斷距對于火山巖是否發育更為敏感，火山巖厚度受垂直斷距影響更顯著。整體上長嶺斷陷中南部水平斷距大，火山巖分布就更廣泛；北部水平斷距小，火山巖分布就局限。

3）軟流圈上拱區域反映了巖漿源區的分布范圍，是控制火山巖分布的另一個關鍵因素。相比較而言，純剪模式下基底塊體發生旋轉，導致地殼厚度分布不均勻，地殼厚度相對小的區域是深部巖漿房上升的有利區，更容易發育火山巖。

4） 斷陷盆地火山巖充填往往占據盆地的沉降中心區域，當火山巖體積較小時，可與細粒巖組成好的生儲組合；當火山巖體積較大時，減少細粒沉積物的可容納空間且不利于烴源巖在空間上的延伸，從而使盆地的含油氣性變差。

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