南堡凹陷火山岩时空展布特征及岩石类型

2013-10-25杜景霞石文武王全利夏秋君

石油地质与工程 2013年6期

杜景霞，石文武，王全利，周贺，夏秋君

（中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北唐山 063004）

中生代以来，中国东部构造岩浆活动强烈，出现了大规模的玄武质火山作用，广泛分布着中、新生代火山岩。20世纪60－80年代，我国在大规模油气勘探、开发中，先后在克拉玛依、四川、渤海湾、辽河和松辽等盆地发现了一批火山岩油气藏［1－4］，其开发前景十分广阔。

南堡凹陷新生代火山岩分布很广，发育有从早白垩世至新近纪多期火山岩，但火山岩油气藏的勘探却刚刚起步，虽然许多井在火山岩井段有见到油气显示并有部分井见到工业油气流，但由于火山岩勘探难度比较大，还没有进行系统研究。前人在该区火山岩与油气、天然气关系等研究方面取得了一些认识［5－6］，但是对于火山岩体的产状、喷发序列和岩石组合没有深入研究。

1 南堡凹陷火山岩分布、喷发序列和喷发环境

1.1 火山岩分布、喷发序列

南堡凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷北部的一个小型含油气构造单元，是在华北地台基底上，经中、新生代的块断运动而发育起来的一个北断南超的箕状凹陷。发育的地层主要有前新生界（奥陶纪、石炭纪至二叠纪、侏罗纪和白垩纪）、古近系沙河街组和东营组以及新近系馆陶组和明化镇组。

南堡凹陷内含有大量新生代火成岩，主要分布在凹陷的南部和西南部，如南堡5号构造、南堡1号构造、老爷庙和高尚堡地区火山岩尤为发育［7］。本区火山岩大致形成于沙河街期、东营期和馆陶期，每次火山活动间隙期都有大量沉积地层，说明火山活动的周期性和旋回性很强，盆地形成存在阶段性。在前人研究基础上，对岩浆岩的厚度－岩性统计结果显示，南堡凹陷的裂谷与岩浆上涌、喷发过程在渤海湾盆地具代表性，整体演化过程可划分为2个旋回、4个喷发幕；每个岩浆演化旋回对应于一个构造层层序。每个演化旋回由初始湖扩开始，依次经历热点上隆、最大湖扩、热点强烈上隆、最后以湖退和构造抬斜－隆升而结束，并产生顶超的层型；下一个旋回的初始和最大湖扩会产生上超式不整合面（图1）。在南堡凹陷，第一演化旋回由Es35段至Es31段组成，Es35段为含3－4个湖底火山岩熔岩溢流期，构成初始喷发幕；Es34段不含火山岩，代表喷发后的最大湖扩；Es33段至Es31段含9－10个湖底火山岩熔岩溢流期，构成强烈喷发幕。第二演化旋回由Es2至Es1，Ed3至Ed1及 Ng构成，Es2、Es1和Ed3段含5－6个湖底火山岩熔岩喷发期（多喷发点），构成初始喷发幕；东二段中发现一个湖底火山岩熔岩喷发点，代表最大湖扩；东一段至馆陶组为由湖底火山喷发转化为火山熔岩大面积水上溢出的过程，构成火山强烈喷发幕。分别对这两个旋回沙三期、沙一期、东三段和馆陶组的岩心进行取样，样品岩性多为灰黑、灰绿色玄武岩。南堡凹陷的裂陷阶段叠加了2个岩浆演化旋回，每个旋回又由2个熔岩溢流幕组成。

图1 南堡凹陷构造－岩浆演化旋回和火山喷发幕划分

1.2 火山岩喷发环境和方式

南堡凹陷大部分火山岩气孔构造不十分发育，气孔孔径较小，其上下围岩均为较深水相沉积的泥质岩，岩石绿泥石化、碳酸盐化较强，说明它们主要为水下喷发产物。也有少数火山岩为褐色、褐绿色，有红顶现象，气孔相对发育些，孔径相对较大，其上下围岩为较浅水相沉积的砂岩、砂砾岩，有可能属水上和浅水环境喷发的产物。如NP1－4井1998 m的杏仁状玄武岩，气孔形态不规则，后期被石膏、方解石等充填，局部可见绿泥石化现象。

玄武岩层顶底部有气孔带，岩石结晶程度差，玻璃质较多，熔岩层中部缺少气孔，相对致密，矿物颗粒较粗，玻璃质较少；其喷发环境为宁静的溢流。从钻孔的深度来看，熔岩层比较平缓，其产状形式主要为熔岩被。也有岩石颗粒度相对较粗，为辉绿结构，可能是次火山岩相产物，还有火山碎屑岩，说明还存在火山爆发形式。

2 南堡凹陷火山岩时空展布特征

在火山岩厚度－岩性统计的基础上，圈定了相关构造旋回和沉积幕的火山岩的分布范围，标定了各演化阶段的火山岩富集带。富集带内如伴生有与火山岩同源的浅层侵入体（次火山岩），则被定为一个热点中心（火山喷发中心）。第一演化旋回的热点中心位于北堡（南堡5号－南堡1号、南堡2号）和老爷庙地区；第二旋回第一幕出现三热点中心鼎立的局面，表现出南堡5号、南堡1－2号和老爷庙三热点鼎立的格局，同时孤立热点也产生分异；第二旋回第二幕三热点中心连片［8］（图2），表现出南堡5号、南堡1－2号和老爷庙三热点连片，形成区域分布的多期次喷发的火山岩层。在NP5－4井的4420 m以下的井段出现了早白垩世中性安山岩和酸性流纹岩。

图2 南堡凹陷各旋回火山岩分布

3 火山岩类型及岩石学特征

南堡凹陷火山岩分布很广，发育有从早白垩世至新近纪的多期火山岩。依据岩浆岩的产状、结构和成分，南堡凹陷岩浆岩可分为侵入岩和喷出岩2大类10种岩性（表1）。侵入岩以浅成的辉绿岩为主，喷出岩主要包括火山熔岩和火山碎屑岩；火山碎屑岩主要以凝灰岩为主，火山熔岩除中生界下白垩统地层中发育有酸性－中性喷出岩外，其余主要为基性的玄武岩。玄武岩在不同地层段出现不同的构造特征，东三段之下的沙河街组所有层位的玄武岩都为致密块状，未见气孔、杏仁状构造，火山岩层上下围岩均为较深湖相沉积岩泥质岩，岩石绿泥石化、碳酸盐化较强，说明以湖底溢流相玄武岩为主，可能会产生内生节理；东三段的玄武岩开始出现气孔－杏仁状玄武岩，但气孔孔径较小，说明此时部分熔融岩浆中气－液相的比率有所增加，仍为湖底溢流－弱喷发；继续演化到东一段和馆陶组，虽然玄武岩溢流量明显加大，火山环境也有湖底溢流向水上溢流转化，但岩石构造仍为致密块状，依旧是溢流相的特点。安山岩主要发育于古近系沙三地层中，在特定的构造条件下，与碱性玄武岩和基性浅成岩共生。流纹岩多为浅灰白色，含少量石英斑晶，成层状出现，与碱性玄武岩互层，二者有成因联系。

表1 南堡凹陷火成岩分类

3.1 火山熔岩

对于喷溢相形成的熔岩，通常结构相对简单，可以以岩石组分分类。一般以SiO2的含量区分四种岩性，熔岩由基性到酸性可分为玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩。南堡凹陷火山熔岩主要是以基性火山岩玄武岩为主，发育少量的中性火山岩安山岩和酸性火山岩流纹岩。

3.1.1 玄武岩

南堡凹陷玄武岩主要类型有粗玄岩、间隐玄武岩和玻基玄武岩。

（1）粗玄岩。斑状结构，斑晶主要为斜长石和少量辉石，斑晶中的斜长石一般呈半自形－自形长柱状或斑状，聚片双晶发育，部分颗粒可见绢云母化和碳酸盐化。基质具有粗玄结构（又称间粒结构），主要由斜长石和辉石组成。基质中斜长石长条状微晶不规则排列，在其所形成的间隙中，充填粒状辉石和磁铁矿的细小颗粒。

（2）间隐玄武岩。主要矿物成分为斜长石和辉石，斑状结构，斑晶以斜长石为主。基质主要由斜长石微晶和辉石微晶、不透明矿物和火山玻璃组成。基质具有间隐结构，并发育气孔或者杏仁状构造，气孔、杏仁体形状较规则，多为近圆形或者椭圆形。气孔均被后期矿物充填形成杏仁体，成分主要是方解石和绿泥石。

（3）玻基玄武岩。斑状结构，块状构造，基质玻基斑状结构，斑晶以斜长石为主少量辉石。基质成分以斜长石和隐晶质－玻璃质为主，斜长石具细长条状结构，约占15%，其间隙中充填隐晶质－玻璃质，含量约占30%。岩石内非组构溶蚀孔缝较发育，杂乱分布，内充填硅质及碳酸盐质，碳酸盐质含量约占20%，碳酸盐质主要为方解，含量约占34%。见少量气孔构造，少量半充填。

3.1.2 安山岩

南堡凹陷中性火成岩主要是安山岩。斑状结构，块状构造。斑晶主要为斜长石，长石大小0.5 mm×1.0mm左右，呈板状，含量约占10%。斜长石表面不干净，有很多暗色小斑点，说明高岭土化严重。基质为细小的长石微晶和隐晶质及一些暗色不明矿物。薄片整体碳酸盐化严重，多见黑色不明杂质。

3.1.3 流纹岩

南堡凹陷酸性火成岩主要是流纹岩。斑状结构，块状构造。斑晶主要是石英，基质为细碎的小颗粒石英及隐晶质。斑晶与基质比例为5∶95。石英斑晶含量约为5%，粒状，粒径约为1 mm，单偏光下无色，正交镜下灰白干涉色，表面干净，石英周围可见褐色物质边，可能为后期蚀变的碳酸盐矿物。基质为显微晶质结构，主要为长石和石英，含少量白云母，粒径为0.02～0.1 mm。

3.2 火山碎屑岩

爆发相的火山碎屑岩可以反映火山爆发的形式、强度及距离火山口的远近，对火山岩相的研究具有重要意义。本区发育的火山碎屑岩主要是凝灰岩。凝灰结构，主要由岩屑组成，约占60%以上，含少量晶屑，玻屑。岩屑颗粒较大，一般大于2 mm，成分复杂，以碳酸盐类矿物为主，有蚀变矿物玉髓，十字消光，没有完全重结晶。玻屑颗粒较小，一般小于2 mm，大部分全消光，部分因脱玻化有弱的光性。晶屑主要有辉石、斜长石、碱性长石、方解石、黑云母、石英。并且伴有明显的次生变化，主要为绿泥石化和碳酸盐化。

3.3 浅成岩

辉绿岩。岩石呈灰黑色，嵌晶含长结构，块状构造，主要矿物为斜长石（55%）＋辉石（45%），他形粒状的辉石颗粒中镶嵌自形柱状的斜长石颗粒，构成嵌晶含长结构。斜长石呈自形柱状，颗粒大小变化较大，最大者超过5 mm×1 mm，最小值不足0.05 mm×0.01 mm，无色，正低突起，一级灰白干涉色，发育聚片双晶；辉石呈他形粒状，无色，正高突起，包括单斜辉石（约占辉石的65%）和斜方辉石（约占辉石的35%），单斜辉石最高干涉色为二级蓝，斜消光，斜方辉石最高干涉色为一级橙，平行消光。岩石存在部分蚀变，蚀变矿物为黑云母，具浅褐色－深褐色的多色性，干涉色因被自身颜色覆盖而不清楚，平行消光，为细小黑云母颗粒的集合体。

4 成岩与成藏

从火山岩的几何形态和地层分布特征方面评价南堡凹陷的火山岩似乎有较大的规模和较广泛的分布，与烃源岩的关系密切且受断层控制。但它能否成为储层和具备成藏条件，关键决定于其物性好坏，特别是与同层位的砂岩储层相比孔隙率和连通性的好坏。因此，各类火山岩岩石学特征及物性分析是评价“火山岩油藏”首要指标。

4.1 早期（第一旋回）火山岩易于形成油气藏

第一旋回的各类岩石（沉积岩和火山岩）主要形成于中深湖环境之中，其中所包含的火山岩体基本都是以湖底溢流相玄武岩为主导伴随有少量紧密填集的凝灰岩，孔隙率低，物性远比同期砂岩差。但是，在水下溢流过程中，高温岩浆快速凝缩所产生的柱状节理可以形成良好的储集空间。在水下蚀变和碳酸盐化较弱的条件下，具备成藏条件，如NP5－81井176层火山岩体（沙三段）裂缝型天然气藏。另外，早期（第一旋回）火山岩受多期次构造－断裂作用的影响，裂隙比较发育。此外，多期次充油，亦是早期火山岩易于形成油气藏的原因之一。

从沙三段采集的所有岩心（NP5－81井，Bs28井，B5井）均为致密块状、斑状结构或玻基斑状结构玄武岩，孔隙率极低。南堡凹陷部分火山岩之所以含天然气藏是因为这类岩体的节理发育，形成裂缝型气藏。节理的成因归属于湖底溢流玄武岩的柱状节理发育。

4.2 馆陶组底部大面积分布的玄武岩是良好的盖层

馆陶组底部大面积分布的玄武岩盖住了沉积速率高物性好的东一段储层体系形成储量高的油藏。

在南堡凹陷演化过程中，随着火山作用的增强，凹陷的沉降速率和沉积物充填速率急剧加快。在古新世（沙三段）所经历的20多个百万年期间，沉积充填了仅千余米的沉积物，沉积速率慢，产生了以烃源岩为主导的序列。发展到沙二和沙一期，历经7 Ma沉积了数百米的沉积物，沉积速率有所提高，但并不明显。东营组期以来仅仅经历了4－5 Ma，沉积充填了1500 m的沉积物，显然属快速沉积。因此，东营组的砂砾岩明显具备填集程度低，孔隙率高和连通性好的特点，成为储层集中分布的地层段。此后，上覆有形成了连续分布、比重大、封堵性好的玄武岩遮挡层，故在东一段形成了有价值的油气藏。