三塘湖盆地火山岩碱性成岩作用及影响_张景军

第35卷第1期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016年1月 V ol.35 No.1 Journal of Liaoning Technical University （Natural Science ） Jan. 2016
收稿日期：2014-11-21
基金项目：中国石油天然气股份有限公司专题项目（2008B-0101） 张景军,田寅,柳成志,于海山,孙玉凯.三塘湖盆地火山岩碱性成岩作用及影响[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(1):21-26. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.01.005
ZHANG Jinjun,TIAN Yin, LIU Chengzhi, YU Haishan, SUN Yukai.V olcanic alkaline diagenesis and its influence on oil and gas reservoirs in Santanghu Basin[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2016,35(1):21-26. doi:10.11956/ j.issn.1008- 0562.2016.01.005
三塘湖盆地火山岩碱性成岩作用及影响
张景军1，田 寅1，柳成志1，于海山2，孙玉凯3
（1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆油田有限责任公司 第八采油厂，
黑龙江 大庆 163318；3. 吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009）
摘 要：为进一步认清三塘湖盆地石炭系火山岩成岩作用及储层形成机理，明确次生孔隙形成及演化规律，通过岩心观察、薄片鉴定和电镜资料的研究分析，从蛇绿岩套、典型碱交代矿物、特殊元素的富集、碳硅泥岩系4个方面证实了火山岩碱性成岩作用的存在.碱性成岩作用的提出可以解决“上硅下碱”的垂向交代序列，岩石红化、碎裂，隐爆角砾岩的发育，风化壳型储层差异性，交代蚀变矿物的异常叠加方式，长石充填孔缝，圈闭有效性及储层范围预测，火山岩储层形成机理等8个方面问题.
关键词：火山岩储层；碱性成岩作用；碱交代；次生孔隙带；三塘湖盆地
中图分类号：TE 122.221 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2016)01-0021-06
V olcanic alkaline diagenesis and its influence on oil
and gas reservoirs in Santanghu Basin
ZHANG Jingjun 1, TIAN Yin 1, LIU Chengzhi 1, YU Haishan 2, SUN Yukai 3
( 1.College of Earth Sciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Daqing oilfield limited company No.8 oil production company, Daqing, 163318, China; 3. Exploration and Development
Institute of Tuha Oilfield Company, Hami 839009, China. )
Abstract: To further understand the Santanghu basin of Carboniferous volcanic diagenesis and the formation mechanism in volcanic reservoir, clear secondary porosity of formation and evolution, this paper verified the the presence of volcanic Alkaline diagenesis through the analysis of core observation, thin section identification, scanning electron microscopy log date from four aspects (Ophiolite suite, Typical alkali metasomatic minerals, Enrichment of special elements, Silicon carbon shale). Alkaline diagenetic can solve the eight aspects of problems: the vertical metasomatism sequence of “alkali under the silicium”, the rock rubefication and broken, the cryptoexplosive breccia development, the differences of Weathering crust type reservoir, the abnormal superposition of Metasomatic alteration minerals, the feldspar filling pore, the effective trap and scope of reservoir prediction, and the formation mechanism in volcanic reservoir.
Key words: volcanic reservoir; alkaline diagenesis; alkali metasomatism; secondary pore zone; Santanghu basin
0 引言
随着火山岩油气勘探的深入发展，特别是在探索火山岩中次生孔隙带形成及分布规律的迫切需求下，火山岩储层成岩作用及其形成机理研究在火山岩油气储层形成及预测等方面起到了越来越重要的作用.从油气储层研究的角度出发，火山
岩成岩作用不仅包括火山熔浆及其碎屑物质从喷出至冷凝、固结成岩的阶段，还包括火山岩形成后经受风化作用而形成风化产物之前或到经受变
质作用形成变质岩前的阶段[1-2]，
两个阶段内的成岩演化都与烃碱流体有着密切的关系.烃碱流体一方面可以被熔融的岩浆所吸收而混杂在岩浆体之中，对岩浆源加以碱交代[3-4]，并通过岩浆柱迅
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第35卷
22速上升迁移形成透岩浆流体；另一方面可以不经过岩浆作用直接通过深大断裂活动快速、多期作用于先期形成的火山岩体.由于烃碱流体作用，必将使火山岩的成岩演化处于碱性环境当中，故应归属于火山岩成岩作用领域，由于其独特的作用环境和方式，故称之为火山岩碱性成岩作用.碱性成岩环境及碱性作用的存在早已在沉积岩中得到证实[5-7]，而在火山岩研究中还未能够得到重视.对于火山岩来说，碱性成岩作用可以解决火山岩储层研究中的诸多难点问题，这种理论的提出是火山岩成岩作用研究的不断完善和加深，具有重大的理论意义和广阔的应用价值.因此，笔者基于新疆三塘湖盆地石炭系火山岩研究对碱性成岩作用及其对油气储层的影响加以阐述，旨在为火山岩成岩作用研究提供一个新的思路，寻找一条新的道路，进而为火山岩油气储层形成及分布规律研究和有效储层预测指明方向.
1 区域地质概况
三塘湖盆地是新疆东北部NW——SE 走向的一个狭长型含油气盆地，构造处于东准噶尔晚古生代褶皱基底之上，夹在阿尔曼泰蛇绿岩带和克拉麦里-莫软乌拉缝合带之间[8-10]，呈现“两隆夹一拗”的对冲构造格局，见图1.三塘湖盆地沉积环境在早石炭世为滨浅海-海陆交互，而晚石炭世三塘湖盆地为多火山活动的海陆交互-广阔的滨岸沼泽环境，盆地主体为弧后盆地[11-12].石炭
系火山岩分布基本上都沿深大断裂[13-14]，
所有火山岩都表现出类似于和俯冲带相关的岩浆作用特征[8].岩浆以中基性岩浆源为主，来源于亏损地幔的部分熔融和残余洋壳的再次熔融，这套岩浆具有“富水”、多与早期蛇绿岩套伴生、富集多种不相容元素和轻稀土元素的特征[15-17]，具典型壳幔相互作用的深部地质背景和板内成因[12].岩石类型主要是玄武岩、安山岩及其过渡岩性，为碱性与钙碱性系列组合，俯冲带及深大断裂的存在是烃碱流体上升的通道，也是生成本区碱性-钙碱性系列火山岩的重要条件.
图1 三塘湖盆地构造分区
Fig.1 structure zoning map in Santanghu Basin
2 碱性成岩作用的证据
2.1 蛇绿岩套
三塘湖盆地夹在南侧克拉麦里蛇绿岩带和北侧阿尔曼太蛇绿岩带之间，这两条蛇绿岩带的存在可以看做是整个三塘湖盆地火山岩广泛存在碱性
成岩作用的有利证据之一.蛇绿岩套的存在代表了强烈的和俯冲带相关的岩浆作用，同时也作为烃碱流体上升最快速、最广泛的通道这一事实是不言而喻的.由蛇绿岩套所反映的烃碱流体在三塘湖盆地的普遍存在，使火山岩处于碱性成岩环境中，必然是火山岩碱性成岩作用的有利证据.
第1期张景军，等：三塘湖盆地火山岩碱性成岩作用及影响23
2.2 典型碱交代矿物
岩矿鉴定和扫描电镜分析表明，本区碱性-钙碱性火山岩中蚀变及充填矿物的分布和组合方式具有明显碱交代特征.碱交代是烃碱流体存在的标志，因此通过本区火山岩中钠长石化、钠铁闪石、浊沸石、黄铁矿、绿帘石、硅迁移等典型碱交代矿物和交代现象的存在及其分布规律，足以反映烃碱流体作用下碱性成岩作用的普遍性.
（1）钠长石化钠长石化是烃碱流体碱交代过程中发生钠交代的结果，通过岩心薄片电子显微镜下鉴定均发现石炭系的玄武岩、安山岩中普遍存在钾长石斑晶，在石炭系火山碎屑岩中出现了钾长石晶屑部分甚至全部交代为钠长石的现象.从牛东201井钠长石化现象初步判断，钠长石化至少有两期，早期钠长石化多为交代钾长石现象；晚期的钠长石化则以充填作用为主，多为几毫米细脉充填于裂缝之中，见图2（a）.此外，钠交代中由于K-Na 不相容，Na+优先破坏黑云母转化为绿泥石，岩石中绿泥石化较普遍，很少能看到黑云母.
（2）钠铁闪石化石炭系火山岩中存在大量的钠铁闪石化现象，电镜能谱分析得出钠铁闪石主要含Si、O、Na、Fe等矿物成分，说明火山岩中存在的蚀变现象是种钠质碱性交代作用[18].三塘湖盆地的钠铁闪石与松辽盆地钠铁闪石相似，但常见墨绿色短柱状晶体交代与基质中，节理不十分明显.在马26井薄片鉴定中发现钠铁闪石也可作为充填物和沸石等交代矿物一起存在于杏仁体内，见图2（b）.
（3）浊沸石浊沸石在本区呈充填物和胶结物两种形式出现，见图2（c），在岩心和镜下都是十分容易见到的一种交代矿物，其分布十分广泛.是火山岩碱性成岩过程中碱交代中钠交代的产物，其形成所需Ca2+主要来源于斜长石的钠长石化[19].
（4）黄铁矿火山岩在钠交代后释放的Fe2+会扩散渗染整个岩石，出现云雾状的磁铁矿颗粒和少量的黄铁矿，见图2（d），这些细分散状的黄铁矿颗粒边部常因氧化而形成褐铁矿.
（5）绿帘石绿帘石是高温矿物，它是钾交代的特征性伴生指示矿物.因为K-Na不相容，K+优先破坏富Ca2+斜长石，释放出大量的Ca2+而形成绿帘石，见图2（e）.
（6）硅迁移 SiO2在酸性介质中极难溶解，但随pH值增大，在碱性介质中异常活跃和易迁移[20].薄片鉴定中发现火山玻璃和石英晶屑都存在溶蚀现象，且部分层段内薄片普遍存在次生石英集合体和玉髓、蛋白石、沸石等硅酸盐矿物充填孔缝的现象，见图（f），有些甚至明显硅化，这都是“硅迁移”结果，是烃碱流体作用于火山岩的典型例证
.
（a）牛东201井，112-2 10-10，（+）
钠长石充填裂缝；
（b）钠铁闪石化，玄武岩，铸体
薄片，马26井，（49），C2k，
3603.59-3603.83m，10×20，（-）
；
（c）浊沸石胶结，隐爆角砾岩，
铸体薄片，马43井，（1），C2h，
1319.61-1319.75m，4×10，（-）
；
（d）基质中充填近正方形的黄铁
矿，安山岩，马47井，普通薄片，
1466.52-1466.64m，10×10（-）；
（e）绿帘石熔蚀孔、橄榄玄武岩，
马28，普通薄片，4，413.31m，
C2k，10×10，（+）；
（f）石英充填粒内溶孔，马19井，
玄武岩，1567.28m，C2k，扫描电
镜图像
图2 典型交代矿物
Fig.2 typical metasomatic minerals
辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第35卷24
2.3 特殊元素的富集
特殊元素的富集与碱交代及碱性环境的形成密切相关.例如岩浆作用中钛-碱关系密切，没有Na+活动就不会出现Ti的富集，富碱的岩浆中也通常会富集Fe、P、V、Cr等元素，这主要是由于烃碱流体或透岩浆流体作用的结果.此外，只要是富含碱金属的烃碱流体及其演变的碱性热液参与就会不同程度的出现Al、Ti、Ba、Sr、Mn、Mg、Ca等元素的大量增加[4].因此，烃碱流体通过岩浆或是火山间歇期沿深大断裂作用与火山岩体都会带来大量特征元素的富集.
3 碱性成岩作用可以解决的问题
火山岩碱性成岩作用是火山岩储层研究中的新方向，很多方面的理论尚不成熟，有待进一步研究加深认识，但碱性成岩作用具有广泛的前景，其应用可解决以下问题.
3.1 “上硅下碱”的垂向交代序列
岩心观察发现石炭系玄武岩、安山岩、火山角砾岩的孔、缝中几乎都有沸石、蛋白石、碳酸盐、玉髓、石英及绿泥石等矿物的充填或胶结.从50余口井岩心观察记录分析得出，这些矿物的分布并不是杂乱无章的，一般自下而上出现沸石→沸石与碳酸盐混合带→沸石与绿泥石混合带→绿泥石→玉髓、蛋白石、石英等充填、胶结的现象[21]，这是符合“上硅下碱”垂向分带规律的.因为Na+或K+的大量消耗是酸质沉淀的大前提，这也决定了碱交代流体的上升将酸质在空间上总是分布于碱交代层位之上.
3.2 岩石红化、碎裂
岩心观察中常发现火山岩出现红化、碎裂层段，见图4（a），以往通常认为这种现象是由于火山岩中富铁，由于长期暴露地表氧化形成的.但是，这种岩石中红化现象并不均匀，而且红化岩石往往较为破碎，裂隙中别没有粘土矿物充填，在其深度附近也不见明显的不整合现象.因此，笔者认为这是一种典型的碱交代现象，岩石红化是强烈碱交代的结果，这主要是由于Fe2+转变为Fe3+，碱交代中原Fe2+矿物分解形成大量赤铁矿渗染体使岩石红化.碎裂的岩石中具有近毫米级的溶蚀或交代空洞和无数密集的细小裂隙，并且多为热液矿物所充填，具有典型的碱交代特征.
3.3 隐爆角砾岩的发育
镜下鉴定中经常见到碎裂、团块状为沸石所胶结的薄片，在岩心上也不见有任何断裂面通过，不同于一般的断层角砾岩，见图4（b）.应用碱性成岩作用的观点，这实际上是超高压、高温、高压缩的超临界态烃碱流体强行渗透，上升到一定的浅部超过上覆岩石压力而急速膨胀，以及一系列氧化等化学反应释放大量能量而爆炸致碎，通过绝热膨胀吸收，温度骤然下降而冷凝为热液过程中所形成的隐爆角砾岩[4].此时压力的减小使碱交代后富含钙质的流体逸出的速度足够快，迅速占据了爆炸留下的缝隙，因此才会出现破碎的岩石为热液沉淀的沸石矿物所胶结现象，而不出现泥土和表生交代现象.
3.4 交代蚀变矿物的异常叠加方式
镜下鉴定中经常会看到钠长石化与次生石英、玉髓、蛋白石充填孔缝同时出现的现象，见图2（f），这是与“上硅下碱”规律相违背的，就是脱离火山岩碱性成岩作用前提也很难解释.而对这些薄片所反映的井的位置及井深情况研究发现，这些井一般位于马朗凹陷北东部的抬升区，出现这样异常叠加矿物的深度大体相当.进一步分析得出，这一现象是隆起区的特征，在热液活动过程中该区强烈隆起和剥蚀，碱交代层位上升成为下一期酸尾沉淀层位，故存在钠长石化与次生石英、玉髓、蛋白石充填孔缝同时出现的现象.
3.5 长石充填孔缝
岩石中长石充填裂缝在岩心观察中也常见到，见图2（a），在偏光显微镜下确定为钠长石和更长石，并且清晰可见毫米级-亚毫米级的裂缝中也有钠长石和更长石充填，这是钠交代最有利的证据之一.此种现象是碱交代形成疏松多孔岩石的充分说明，这些微小孔隙对储层形成的作用十分显著.
3.6 火山岩储层形成机理问题
本区的火山岩中普遍存在浊沸石的溶解现象，见图4（c），已有资料研究表明，浊沸石的形成应当满足高pH、高Ca2+活度、高SiO2活性、低Pco2和低Xco2条件，而浊沸石的溶解充分表明了酸性流体的参与.碎屑岩的研究表明在浊沸石的溶解与有
第1期张景军，等：三塘湖盆地火山岩碱性成岩作用及影响25
机质的热演化和粘土矿物的成岩演化有关[22].本区火山喷发间歇期存在大量碳质泥岩，是重要的生油岩，生油岩中的干酪根达到成熟后会排出大量的有机酸性水，这些酸性流体最有可能的来源就是有机质成熟后排出的有机酸.这些溶解能力很强的酸性水进入火山岩储层中，使浊沸石等碱性矿物发生大量溶解，形成范围较广的次生孔隙带.此种现象揭示出三塘湖盆地石炭系火山岩存在“碱性+酸性”叠加溶蚀型火山岩储层形成机理.由此可见，碱性成岩作用对火山岩油气储层研究具有重要的意义
.
（a）暗红色安山质自碎火山角砾
岩，马19井，1566.3~1566.4 m；
（b）牛东105井，隐爆角砾岩，
浊沸石胶结，1502.80m；
（c）沸石溶解，牛东9-10，铸体
薄片，C2k，1432 m，10×4，（-）
图4 碱性成岩作用
Flg. 4 Alkaline diagenesis
4 碱性成岩作用的影响
火山岩体在碱交代作用下矿物发生溶蚀、蚀
变，引起了大量矿物质的替换，岩石原有的内部结
构遭到破坏，致使岩石的强度减低，并且变得疏松
多孔，受构造作用后极易破碎[4].所以，碱交代作用
下岩石中的次生孔隙得到广泛发育，甚至形成次生
孔隙带，可作为重要的火山岩岩性储层.然而，很多
研究中发现，由于碱交代后期“硅迁移”使部分层位
的孔、缝为次生石英和硅酸盐等矿物胶结或充填，
使孔隙度、渗透率变差，也就是通常所说的碱交代
双重作用.但是，以往研究对碱交代双重作用的认识
并没有认清现象背后的本源.通过对石炭系火山岩
的岩心观察记录和2 000余块薄片鉴定统计发现，
单一期次的碱交代双重作用具有垂向分带的规律，
下部岩石碎裂孔隙发育并且较易酸性溶蚀，上部为
硅质充填、胶结层位，这是“上硅下碱”规律的必
然体现.原有的碱交代双重作用认识是没有认清碱
交代多期叠加造成的.
因此，从储集空间的角度来分析火山岩碱性成
岩作用对储集层的影响，一方面造成了改变了火山
岩岩石的结构，另一方面造成了孔隙形成带、潜在
孔隙带、孔隙消减带的垂向分布规律.孔隙形成带岩
石受烃碱流体作用发生矿物交代、溶蚀、破碎，变
得疏松多孔，形成储集层.潜在孔隙带内通常为沸石
→沸石与碳酸盐充填或胶结，这些碱性矿物的存在
减小了埋藏阶段压实作用的影响，在石油形成过程
中的有机酸性流体介入后十分容易溶解，可作为潜
在的储集层.孔隙消减带内通常为沸石与绿泥石→
绿泥石和石英、玉髓、蛋白石充填或胶结，多作为
火山岩体内部有效的盖层体系.
5 结论
（1）三塘湖盆地石炭系火山岩储层的形成得
益于火山岩碱性成岩作用，并揭示了火山岩“碱性+
酸性”叠加溶蚀型储层形成机理的存在.
（2）碱性成岩作用造成了火山岩中“上硅下碱”
的垂向序列、岩石红化碎裂、隐爆角砾岩发育等现
象，对储集层的形成具有重要作用.
（3）火山岩碱性成岩作用的提出，为储层的
评价和预测指明了新的思路，对火山岩油气藏勘探
进步具有理论和现实意义.
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