韩国猛，王丽，肖敦清，楼达，徐牧月，赵勇刚，裴眼路，郭小文，滕建成，韩元佳

（1.中国石油大港油田公司勘探开发研究院，天津 300280；2.中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；3.中国地质大学（武汉）地球科学学院，武汉 430074）

0 引言

随着油气勘探工作的不断深入，热液流体在含油气盆地内的活动逐渐引起了学者的广泛关注[1-9]。一般将由地球深部向浅部运移的、且比所经围岩地层温度高5 ℃以上的地质流体称为热液流体[10]。前人对热液流体活动的识别标志及其地质意义进行深入研究后发现，热液流体活动区常见萤石、重晶石、黄铁矿、黄铜矿、叶绿泥石、沸石、硬石膏、片钠铝石等特征矿物[1,4]，并伴随 F、Ba、S、Fe、Mg、Sr、Ce、Eu 等元素的异常富集[5,8-9]，与此同时热液矿物的原生流体包裹体均一温度也常高于正常的地层温度[3,7]。热液流体与其流经围岩之间的水-岩相互作用还可以改善油气储集层物性[5]。在渤海湾盆地黄骅坳陷，针对热液流体活动的研究主要集中在歧口凹陷。歧口凹陷古近系热液活动不仅改善了储集层物性，同时也提高了烃源岩的成熟度。侯中帅等[1]研究了歧口凹陷的热液流体活动对不同类型油气储集层物性的影响。杨扬等[9]也认为热液流体活动对歧口凹陷沙河街组湖相碳酸盐岩储集层有明显改造作用。相较之下，沧东凹陷热液流体活动的研究则鲜有实例报道。

沧东凹陷是黄骅坳陷第 2大富油凹陷，区内已发现枣园、王官屯、乌马营等 7个油田，累计探明石油地质储量3.87×108t，其中位于孔店构造带的枣园油田为超亿吨级大油田[11]。近年来，沧东凹陷GD1701H井和GD1702H井在古近系孔店组二段（简称孔二段）实现了页岩油勘探重大突破[12]，沧东凹陷孔二段富有机质泥页岩随即成为新的勘探与研究热点[12-14]。但与一般湖相泥岩不同的是，沧东凹陷孔二段泥岩中富集了大量纹层状、基质分散状以及孔隙充填状的方沸石，其平均含量约为15%，最高超过50%[15]。沸石矿物常由火山矿物或火山玻璃蚀变而来[16]。已有研究报导，辽河坳陷古近系沙河街组四段的湖相泥质白云岩发育纹层状方沸石，方沸石白云岩的稀土元素配分曲线与同层位及其下伏的玄武岩相似，为玄武岩矿物蚀变和湖底热液作用共同形成的热液沉积岩[17]。方沸石是一种典型的脆性矿物，方沸石的富集不仅可以增加泥页岩的脆性，其粒间孔隙也被认为是页岩油的有效储集空间[14]。此外，沸石矿物还可以作为生烃裂解反应的催化剂，有利于烃源岩在未成熟—低成熟阶段的生烃演化[18]，其成因研究具有重要的理论意义和勘探价值。

本文以沧东凹陷Z56井为例，通过普通薄片、电子探针、流体包裹体均一温度检测、激光拉曼光谱分析、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱等技术手段，对孔二段的热液流体活动进行了识别，并与同一凹陷内西南约20 km处的G108-8井进行对比，探讨岩浆热液流体与孔二段沸石矿物之间的成因联系。

1 地质背景

沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷西南部（见图1a），是在中生代坳陷基础上发展起来的新生代断陷湖盆的区域沉降中心[19]。沧东凹陷整体沿北东40°方向展布，西北缘为沧县隆起，东南缘为徐黑凸起，面积约1 760 km2（见图1b）。研究井Z56井位于孔店潜山构造带，该构造带是由沧东铲式断层和徐西铲式断层共同控制的双向滑脱背斜带[20]，是研究区较有利的油气聚集带。

自始新世以来，沧东凹陷古近系依次沉积了孔店组（Ek）、沙河街组（Es）和东营组（Ed）。孔店组自下而上可划分为孔三段（Ek3）、孔二段（Ek2）和孔一段（Ek1）。其中，孔二段富有机质泥页岩为闭塞湖盆沉积，厚度为400～600 m，是研究区内最主要的生油岩系[15]。Z56井孔二段现今埋深为2 274.5～2 774.5 m，岩性以深灰色泥岩和褐灰色油页岩为主，夹浅灰色泥质粉砂岩、中细砂岩、炭质泥岩以及灰黑色玄武岩。钻/测井资料（见图1c）显示，枣园油田Z56井孔二段泥岩发育5套玄武岩夹层，累计厚度约37 m。

图1 沧东凹陷区域位置（a）、孔二段烃源岩成熟度等值线（b）及Z56井孔二段测/录井岩性柱状图（c）（据文献[13]、[15]修改）

黄骅坳陷新生代岩浆活动强烈，由早到晚发育 6期，依次为孔店组沉积期、沙三段（Es3）沉积期、沙一段（Es1）沉积期、东一段（Ed1）沉积期、馆陶组（Ng）沉积期和明化镇组（Nm）沉积期，对应产出了多套广泛分布的火成岩[21]。前人研究表明，黄骅坳陷古近系各期玄武岩全部为幔源原生岩浆演化而来，在上升和结晶过程中未受到地壳物质的强烈混染[22]。其中，孔店组的火成岩属于碱性玄武岩系列，形成于板块内构造环境[23]。来自于深部幔源的岩浆主要靠深大断裂提供运移通道[9]，伴随热液流体向浅层运移，影响盆地内能量和物质的重新分配[6]，造成了火成岩分布区有机质成熟度的局部异常[3]，并伴随热液流体沉淀了萤石、重晶石、方解石、白云石、黄铁矿、硬石膏、片钠铝石、沸石等特征矿物[1]。

2 实验样品和方法

本研究Z56井孔二段泥岩岩心上发育一条边缘较平直的高角度裂缝脉体（见图2a），裂缝开度1～2 cm，延伸长度达2 m。裂缝内充填黑色脉状焦沥青和白色矿物晶体，例如重晶石、钠沸石、方沸石、方解石等（见图 2b、图 2c）。脉状沥青条带与围岩以及矿物之间界线分明，沥青条带内发育网状收缩缝并被方解石胶结（见图2c）。裂缝伴生两组多条高角度纵向发育的节理（见图2d），节理开度小于2 mm，并可见黄铁矿和沸石矿物生长于节理面（见图2e）。另外，此次研究还选取了3块G108-8井孔二段泥岩样品用于沸石成因的对比研究。

图2 Z56井孔二段岩心照片

电子探针成分分析由备有 4道波谱仪的 JEOL JXA-8230测试完成。实验过程中电压设定为15 kV，电流为20 nA，束斑直径为1 μm或5 μm。峰位的计数时间为10 s，前后背景值的计数时间均为5 s。将岩样制成双面抛光的流体包裹体薄片，采用Axio Scope A1型显微镜，配备MDSG600冷热台和相应的冷热系统，对Z56井孔二段泥岩裂缝脉体中的矿物包裹体进行显微测温。在室温25 ℃条件下，使用JY-Horiba LABRAM HR800拉曼系统收集沥青样品的激光拉曼光谱，配备了输出激光功率为14 mW的双频反射率的钇铝石榴石激光（532.06 nm）。利用抛光硅片的520.7 cm－1波段定期校准拉曼峰位置。化学成分测试在激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）上完成。激光剥蚀过程中采用 He作为载气，测试时选用的标准样品为NIST610（国际标准物质）。

3 实验结果与讨论

3.1 热液矿物组合

研究区Z56井孔二段泥岩裂缝脉体内发育多种与焦沥青共生的热液矿物（见图 3）。其中，焦沥青占据裂缝两壁形成脉状焦沥青（见图2b），脉状焦沥青发育收缩缝并被方解石和绿泥石等矿物胶结（见图 3a—图3d）。方解石的结晶较好，单晶尺寸普遍超过50 μm，可见聚片双晶、珍珠晕彩，富含包裹体、连晶式胶结等特征（见图 3a—图 3b）。绿泥石单偏光下为灰绿色鳞片状晶体（见图3c），正交偏光下呈“铁锈色”异常干涉色（见图3d）。在沥青与矿物过渡区域可见绿泥石垂直沥青边缘生长所形成的环边（见图3e），环边外围被重晶石嵌晶式胶结，内嵌沥青-绿泥石复合体残余，局部放大后发现两者具有明显的交互共生关系（见图3f）。电子探针分析结果表明（见表1），裂缝脉体内的绿泥石在元素组成上与富硅、少铝、低含钙的铁镁质叶绿泥石种属较为接近。

图3 Z56井孔二段泥岩脉体显微照片

表1 电子探针元素分析结果

裂缝中央主体区域的矿物主要为钠沸石和方解石（见图3g—图3i），偶见重晶石残晶（见图3g）。柱状钠沸石在正交偏光下呈一级黄白干涉色（见图3g），晶体自形程度较高，为早期热液流体结晶的产物，后期遭受溶蚀被方解石胶结（见图 3h—图 3i）。裂缝中央区域的方解石晶体较为干净透彻，以不含云雾状包裹体的特征区别于沥青收缩缝内的方解石胶结物（见图 3a）。

孔二段泥岩节理缝及纹层内均发育方沸石矿物（见图3j—图3l），方沸石元素成分与钠沸石十分接近（见表1），但前者为光性均质体矿物，在正交偏光下全消光（见图3j—图3k），明显区别于钠沸石的一级黄白干涉色（见图3g）。方沸石节理脉被顺泥岩纹层方向的滑移变形作用而剪切错断，表明脉体形成时孔二段泥岩的埋藏较浅，尚处在早期压实成岩作用阶段。方沸石微晶同时还赋存于纤维状绿泥石与黄铁矿复合体区域内（见图 4）。绿泥石在单偏光下具黄色—浅棕黄色多色性（见图3j），正交偏光下呈一级灰白干涉色（见图3k）。绿泥石晶簇整体为透镜状，其单晶垂直泥岩纹层生长，并可延伸至黄铁矿集合体内与其交互共生（见图3j、图3k、图4）。此外，绿泥石晶簇中还赋存少量斑点状暗色矿物（见图3j），经电子探针鉴定为黄铜矿（见图4）。由此可见，方沸石、绿泥石、黄铁矿和黄铜矿具有明显的共生关系，推测为岩浆热液与泥岩进行水-岩反应的产物。

前人研究表明，孔二段主要为半深水—深水低能环境下沉积的富有机质湖相泥页岩[13]。根据玄武岩为高温熔融的岩浆喷发或溢流至地表后而冷却成岩的特性可知，研究井孔店组玄武岩喷发溢流时孔二段的埋深或仅有十几米，泥质沉积物尚未压实成岩，极易产生裂缝、节理和顺层滑移等同沉积变形（见图2—图4），岩浆后期热液亦可继承早期的破裂和滑移面进行流体活动，与孔二段泥岩进行水-岩相互反应，形成重晶石、绿泥石、钠沸石、方沸石、黄铁矿和黄铜矿等热液矿物组合。

图4 Z56井孔二段泥岩纹层视域电子探针能谱扫描结果（b、c图能谱扫描视域如图3j、图3k）

3.2 热液流体的温度

近年来，关于含铁热液流体在岩浆喷发过程中的作用研究常见文献报导[24-26]。其中，黄铁矿可在温度高于 250 ℃的低氧还原热液通道中形成[27-28]，而黄铜矿也是岩浆热液成矿作用的重要产物[29]，绿泥石也是热液蚀变、中低温变质等成矿作用的常见含铁矿物[30]。根据前人研究成果，绿泥石形成时的温度不同，离子间的相互置换关系及空间占位能力不同，因此可以作为地质温度计[31]。本文利用 Nieto[32]修正的 Rausell-Colom等[33]提出的公式：

绿泥石的化学结构式按14个氧原子计算，首先将面网间距计算出来，随后根据绿泥石面网间距与形成温度之间的计算公式[34]计算出绿泥石的形成温度：

由表 2可见，Z56井孔二段泥岩绿泥石形成温度在124～166 ℃，明显高于孔二段最大埋深时期即现今的地层温度（2 404 m处约为88 ℃，见图5），结合上文分析可知绿泥石的形成与岩浆热液流体活动关系密切。

表2 绿泥石温度计的计算结果

除绿泥石温度计外，热液矿物的原生流体包裹体均一温度也可以反映矿物结晶沉淀时的流体温度。原生流体包裹体是在矿物结晶生长过程中被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝内、且至今仍与宿主矿物保留相界线的地质流体[35]。与此对应，次生流体包裹体是在宿主矿物后期重结晶、次生加大和裂缝愈合等过程中被捕获的地质流体。包裹体的均一温度是气液两相流体变为均一相流体时的温度，一般认为矿物捕获包裹体时的地质流体是均一相态流体，故可以用来反映地质流体的活动期次和温度。Z56井孔二段脉体矿物的流体包裹体均一温度检测结果表明（见图 5），钠沸石普遍发育孤立状产出的原生流体包裹体，均一温度为 80～196 ℃；方解石内常见条带状产出的次生包裹体群，均一温度为 60～189 ℃；而重晶石则普遍发育具明显定向拉长的次生包裹体，均一温度为84～109 ℃。不同矿物包裹体的均一温度明显不同，表明Z56井孔二段泥岩可能经历了两期以上的热液流体活动，这与取样点上覆十余米地层内发育多套玄武岩夹层也可以较好吻合（见图1b）。

图5 Z56井埋藏史与重晶石、方解石、钠沸石矿物的流体包裹体均一温度测试结果

此外，激光拉曼光谱是研究固体有机质的有效手段。Beyssac等[36]认为，拉曼光谱可以作为干酪根、焦沥青、石墨等含碳物质的地质温度计，并提出计算公式：

其中R2=D1/（G+D1+D2）

对Z56井脉体沥青的拉曼光谱进行分峰拟合计算（见图 6），可得沥青形成温度为 324～354 ℃（见表3）。相比而言，Z56井孔二段现今（即最大埋深时）的地层温度仅88 ℃（见图5），324～354 ℃的异常高温下形成的焦沥青明显与岩浆热液流体活动成因相关。

表3 激光拉曼光谱的分峰拟合温度计算结果

图6 Z56井脉体沥青的拉曼光谱

根据绿泥石地质温度计、重晶石、方解石、钠沸石流体包裹体均一温度和沥青拉曼分峰拟合计算温度综合分析可知，研究井孔二段泥岩可能经历了多期次岩浆热液流体活动，各期热液流体的温度分别为124～166，84～109，68～189，89～196，324～354 ℃。然而重晶石和方解石次生流体包裹体均一温度多小于现今地层温度（88 ℃），或为正常地层流体的成岩产物，又或者可能是一次岩浆热液活动从高温到低温的先后结晶充填产物，即焦沥青→钠沸石→绿泥石→重晶石→方解石；其中，焦沥青、钠沸石和绿泥石则明显为岩浆热液流体与孔二段泥岩之间水-岩相互作用的产物。

3.3 热液矿物的来源

众所周知，岩浆冷却过程中挥发份或水等从岩浆房中分离出来的热液流体常伴随重晶石、沸石、绿泥石、黄铁矿、黄铜矿、萤石、硬石膏、片钠铝石等特征矿物的结晶沉淀[1,4,37]，尤其对于重晶石而言，主要元素钡和硫通常来自于岩浆热液，岩浆-流体转换过程早期的高氧逸度环境使得硫以SO42－离子形式存在[38]，便于与钡结合形成重晶石，其粗晶脉状充填裂缝的产出形式（见图3e、图3f）也常被认为是热液成因的标志[1,39]。钻井资料显示，Z56井孔二段泥岩取样点上约十余米处发育多套玄武岩（见图1b），具备岩浆热液流体活动的地质背景和物质基础。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱结果显示，重晶石具轻稀土富集特征和明显的铕正异常（见图7）。

图7 研究井的热液矿物与黄骅坳陷的玄武岩稀土元素配分曲线

稀土元素通过类质同像置换进入矿物晶格，因此离子半径是其主要制约因素之一。随着原子序数的增加，稀土元素的离子半径逐渐变小（0.086 1～0.103 2 nm）[40]。重晶石矿物Ba2+离子半径（0.135 nm）与稀土元素的离子半径相差较大，使得稀土元素难以进入重晶石晶格，导致重晶石的稀土元素丰度较低[40]。铕是稀土元素中可以指示氧化还原条件的灵敏指标，在高温环境下，Eu2+离子容易被氧化为较为难溶的 Eu3+离子而发生相对富集，铕的正异常可以作为热液活动的标志[41]。由图 7可知，Z56井孔二段泥岩裂缝内的粗晶脉状重晶石可能是从岩浆热液中直接结晶沉淀的产物。

根据Melka[42]的绿泥石分类标准，Z56井孔二段泥岩和裂缝脉体中的绿泥石属于铁叶绿泥石—叶绿泥石—高硅叶绿泥石变种系列（见图 8）。脉体内放射状的绿泥石的硅质含量明显高于泥岩基质内的纤维状绿泥石，这种绿泥石的硅质含量随围岩向脉体内逐渐增加的现象系岩浆热液流体活动的特征之一。同时，放射状高硅叶绿泥石的特殊晶形也是岩浆热液流体成因的标志[43]。由此可知，Z56井孔二段泥岩和裂缝脉体中绿泥石、黄铁矿以及黄铜矿复合体的形成与岩浆热液关系密切。此外，绿泥石在 pH值为 8～10时稳定存在，沸石在pH值为7～10时稳定存在[44]，两者的共存以及脉体内石英胶结的缺失等现象均表明，Z56井孔二段的热液流体为富含铁、镁等金属元素的碱性流体，这与研究区内孔店组火成岩属于碱性玄武岩也较为吻合[23]。

图8 Z56井孔二段泥岩和裂缝脉体中绿泥石类型（据Urubek等[43]修改）

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱检测结果显示，放射状绿泥石表现出轻稀土元素弱富集和明显的铕正异常（见图 7），指示绿泥石与热液流体的成因联系。然而，绿泥石的稀土元素配分曲线与钠沸石以及孔店组玄武岩稀土元素的配分曲线均不类似，表明绿泥石的成矿物质并不直接来自于岩浆热液流体。结合上文有关绿泥石元素和结晶特征的相关分析认为（见图3、图 4），Z56井孔二段泥岩和裂缝脉体中的绿泥石形成于热液流体与泥岩基质之间的交代作用。

在热液来源的重晶石和绿泥石充填裂缝、交代泥岩的同时，岩浆热液与孔二段泥岩之间的水-岩反应还产生了钠沸石和方沸石两种沸石矿物（见图3、图4）。沸石是一种含水的架状铝硅酸盐矿物，通常为火山玻璃质长石、似长石的蚀变产物或者是玄武岩气孔、裂缝、晶洞中的晚期热液填充物。已有实验证明：在碱性热液流体中，当温度为200～300 ℃时，可以从热液中结晶沉淀出钠沸石和方沸石[45-46]。根据电子探针成分计算出 Z56井孔二段泥岩中沸石 Si/Al值为 1.97～2.18，这与从碱性热液直接结晶沉淀出来的沸石成分极为接近[47-48]。

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱检测结果显示，钠沸石具有轻稀土弱富集和较弱的铕正异常特征（见图 7）。钠沸石稀土元素与孔店组玄武岩稀土元素的配分曲线模式相似，但是与中生界玄武岩贫乏重稀土元素的配分曲线模式不同，指示钠沸石物质来源于孔店组玄武岩岩浆热液。结合上文相关结晶特征分析认为（见图 3、图 4），Z56井孔二段泥岩裂缝和节理缝中的自形钠沸石和脉状方沸石晶体可能直接形成于岩浆后期热液流体的结晶沉淀。

值得注意的是，沧东凹陷孔二段页岩油储集层亦富含方沸石矿物[14]。G108-8井孔二段页岩中类似于Z56井泥岩中的纹层状方沸石（见图3）更是普遍发育，局部方沸石含量甚至可超过 50%[15]。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱显示，G108-8井孔二段纹层状方沸石轻稀土富集且仅有一个样品具有较弱的铕正异常特征（见图9）。

图9 Z56井热液成因钠沸石与G108-8井纹层状方沸石稀土元素配分模式图

G108-8井方沸石的稀土配分曲线与Z56井钠沸石的稀土配分曲线十分一致，基本上是以后者为基线上下波动，这一方面反映出G108-8井方沸石与Z56井钠沸石具有很好的亲缘性，另一方面也反映出G108-8井的方沸石受到了一定程度的成岩作用改造（例如重结晶作用、交代作用等）或者是混入了杂质矿物。相比而言，Z56井钠沸石较为稳定的稀土元素配分曲线也符合前文有关其来自热液流体结晶沉淀的推断。总体而言，G108-8井纹层状方沸石和Z56井自形钠沸石与孔店组玄武岩具有较为一致的亲缘性，基于纹层状结构是沉积岩典型标识的前提，推测孔二段纹层状方沸石的火山物质来源或有 2种，一是由同层或下伏的孔店组火山岩物质经风化后沉积形成，二是由孔店组玄武岩同源的岩浆在湖底喷发或者经热液喷流的方式提供 Na+、Al3+、Si2+等离子，与正常湖水沉积物混合而形成热液喷流-混积岩。但上述推测存在2个疑点：①孔店组虽普遍发育火山喷发岩，但是孔店组沉积时期地层持续沉降，不具备早期喷发的火山岩（例如孔店组三段的玄武岩）大规模风化的地质条件；②孔二段火成岩虽然规模较大，然而在岩性上或是以浅成侵入的辉绿岩为主，可能不具备岩浆在湖底持续喷发的地质基础。最后，与孔店组玄武岩同源的岩浆热液的湖底喷流或可提供一些沸石类物质，但是否由其主导形成孔二段泥岩中大量赋存的方沸石矿物尚有待商榷。

湖底岩浆喷发或者热液喷流作用形成的岩浆热液矿物与正常湖水沉积物混合沉积岩，即孔二段富方沸石混积岩，同时也是沧东凹陷的主力烃源岩。其中，由岩浆热液所携带的营养物质势必会对生物初始生产力以及湖水化学性质产生作用，从而影响到孔二段的矿物组成和烃源岩品质。与一般的湖相泥岩不同，沧东凹陷孔二段泥岩中方沸石的平均含量约为 15%，最高可达 50%[15]。与此同时，孔二段烃源岩有机质含量丰富，总有机碳含量为 1.2%～8.4%，最高可达12.9%[13]。孔二段同时富含方沸石和有机质的双重特征不仅增加了泥岩的脆性（可压裂性），同时也增加了泥岩的含油气性，有利于页岩油的勘探开发。

4 结论

沧东凹陷Z56井孔二段泥岩含多套玄武岩夹层，岩浆热液流体活动特征显著。在矿物组合上，可见重晶石、方解石、绿泥石、黄铁矿和黄铜矿、钠沸石、方沸石等热液特征矿物。在流体温度上，绿泥石温度计、钠沸石原生包裹体均一温度以及沥青拉曼光谱温度计算结果反映孔二段泥岩经历的热液流体活动的温度变化较大，但都高于正常地温。在稀土成分上，重晶石和绿泥石的铕正异常以及钠沸石与孔店组玄武岩稀土元素配分曲线的相似性等证据，均指示孔二段存在与玄武岩岩浆同源的热液流体活动。结合矿物结晶特征分析认为，Z56井泥岩裂缝内的钠沸石直接来自于孔店组玄武岩岩浆热液流体的结晶沉淀。根据 Z56井热液钠沸石和G108-8井纹层状方沸石的稀土元素配分曲线的一致性，可知两者具有相同的物质来源——孔店组玄武岩岩浆，初步推测湖底岩浆喷发或热液喷流可能是孔二段富含沸石矿物的原因之一。

符号注释：

d——绿泥石晶体的面网间距，nm；D1、D2、D3、G——分峰拟合面积，无因次；GR——自然伽马，API；R2——峰面积之比，无因次；RLLD——深侧向电阻率，Ω·m；T——温度，℃；nAl——依据绿泥石电子探针结果，以14个氧原子数为基准计算得到的4次配位的铝原子数，无因次；nFe——依据绿泥石电子探针结果，以14个氧原子数为基准计算得到2次配位的铁原子数，无因次。