济阳坳陷下伏石炭系—二叠系煤系烃源岩中侵入岩的地球化学特征

金 强,杨 恺,万丛礼

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛266555;

2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司油气集输公司,山东东营257015)

0 引言

渤海湾盆地的济阳坳陷是在古生代地台上发育起来的断陷盆地,其下伏的石炭系—二叠系在中生代的差异抬升中受到剥蚀,有的地方完全被剥蚀,有的地方还剩余1 000 m厚度[1-2]。石炭系—二叠系是一套海陆过渡相沉积,其下部的山西组和太原组发育煤系烃源岩和海侵局限海相烃源岩[3-5]。据统计,济阳坳陷下伏石炭系—二叠系分布面积约占70%,现今埋藏深度多在3 000～7 000 m,应当处于油气生成阶段[6-7]。然而,现今发现石炭系—二叠系有油气产出或显示的地区以及发现源自石炭系—二叠系油气的地区,均有辉长岩、煌斑岩等中基性岩浆岩,前人研究了这些侵入岩的分布和识别特征等,其成因及其对煤系烃源岩生烃作用的影响未见报道[8-11]。

山西组和太原组煤系烃源岩是石炭系—二叠系中比较软的地层,容易遭受岩浆侵入。鲁西隆起石炭系—二叠系出露区也是如此,在煤系地层中见有规模不大的辉长岩、煌斑岩等中基性岩浆岩侵入体。它们是否与济阳坳陷同层位侵入岩具有成因联系?其分布规律是什么?对周围煤系烃源岩热烘烤作用范围有多大?这些都是值得深入研究的问题。笔者以济阳坳陷孤北地区为例,探讨石炭系—二叠系侵入岩的地球化学特征和成因,为进一步研究其分布规律和对煤系烃源岩生烃作用的影响提供依据。

1 煤系烃源岩中侵入岩分布特征

孤北地区位于济阳坳陷东北部,受中新生代断层切割,现今是面积超过300 km2的断块斜坡。该斜坡的石炭系—二叠系和侏罗系中发育侵入岩,其单层厚度一般为1～3 m,岩性主要为闪长玢岩和煌斑岩,在沙河街组发育少量玄武岩和辉长岩(表1)。孤北古1井在二叠系砂岩中钻遇工业油气流,并且证实是源于山西组和太原组煤系烃源岩。

表1 济阳坳陷孤北地区主要探井侵入岩分布T ab.1 Distribution of Intrusion Rocks Discovered by Main Exploratory Well in Gubei Area of Jiyang Dpression

孤北古1井石炭系—二叠系侵入的主要为闪长玢岩,深度为3 820～3 880 m(图1a),孤古14井侵入岩主要为煌斑岩,侵入层位为侏罗系(34层厚62 m,单层厚度0.5～8.0 m),围岩主要为煤岩和暗色泥岩(图1b)。煤层和暗色泥岩具有明显的热烘烤现象,烘烤厚度一般为侵入岩的一半左右。

从剖面上看,煌斑岩主要发育在深大断裂带附近,孤西、孤北和埕东断裂是这些侵入岩上涌的直接通道(图2)。闪长玢岩主要沿孤西断裂带零散分布,其中孤北古1井区闪长玢岩面积和厚度最大,该岩体东西长4.8 km,南北最宽3.6 km,面积约13 km2。闪长玢岩最厚处位于孤北古1井南部的孤北断裂带附近,共6层,单层厚度为1～3 m,累计厚度12 m。

2 侵入岩地球化学

2.1 主量元素

孤北地区的石炭系—二叠系和侏罗系闪长玢岩w(SiO2)为60.02%～64.74%,w(TiO2)为0.59%～0.78%,w(Al2O3)为15.5%～16.5%,w(MgO)为2.5%～6.0%,w(Na2O)为5.43%～7.85%,w(K2O)为2.3%～3.8%,K2O与Na2O的分子数比为0.2～0.5(表2、3)。在-w(SiO2)与-w(K2O)+w(Na2O)关系图解(图3)上,闪长玢岩主要位于粗面英安岩区域内(图3),其特征为富二氧化硅、钠、钾和镁。

图1 孤北古1井闪长玢岩和孤古14井煌斑岩与煤系烃源岩的接触关系Fig.1 Contact Relations of Coal-series Hydrocarbon Source Rocks to Diorite Porphyrites in Well Gubeigu1 andLamprophyres in Well Gugu14

图2 渤深4井—渤601井侵入岩剖面Fig.2 Profile of Intrusion Rocks from Well Boshen4 to Well Bo601

图3 济阳坳陷孤北地区侵入岩w(SiO2)与w(K2O)+w(Na2O)的关系Fig.3 Relationships Betweenw(SiO2)andw(K2O)+ w(Na2O)of Intrusion Rocks in Gubei Area of Jiyang Depression

孤北地区煌斑岩w(SiO2)为46.12%～50.29%, w(TiO2)为0.39%～6.23%,w(Al2O3)为10.7%～12.23%,w(MgO)为21.26%～25.01%,w(Na2O)为0.25%～1.72%,w(K2O)为9.27%～11.67%, K2O与Na2O的分子数比为3.5～30(表2、3)。在w(SiO2)与w(K2O)+w(Na2O)关系图解上,投影点主要落在响质碱玄岩区域内,部分落在副长石岩区内(图3),其特征为贫二氧化硅和钠、富钾和镁。

2.2 微量元素

闪长玢岩的-w(LREE)/w(HREE)为7.49～10.89,显示出富轻稀土元素(LREE)、贫重稀土元素(HREE)特征。其-w(La)和-w(Ce)分别为(21.43～24.18)×10-6、(44.42～53.13)×10-6,轻重稀土元素分馏不显著,w(La)N/w(Yb)N为4.6～9.5,具有微弱的Eu正异常,球粒陨石分布模式表现为明显的右倾斜形(图4)。

煌斑岩的稀土元素总体含量较闪长玢岩高,其w(LREE)/w(HREE)为24.1～33.0,显著富轻稀土元素,贫重稀土元素。其w(La)和w(Ce)分别为(87.6～144.9)×10-6、(154.6～276.13)×10-6;轻重稀土元素分馏十分显著,w(La)N/w(Yb)N为50.0～72.5,具有微弱的Eu负异常,球粒陨石分布模式表现为明显的右倾斜形(图4)。

闪长玢岩和煌斑岩均富大离子亲石元素(Sr、Ba等),贫高场强元素(Th、Nb、Hf)(表2),二者的w(Sr)和w(Ba)分别为(397～563)×10-6、(989～1 758)× 10-6,(835～1 247)×10-6、(1 674～2 204)×10-6; w(Th)和w(Nb)分别仅为(2.9～4.6)×10-6、(12.9～18.4)×10-6,(6.2～8.4)×10-6、(8.0～11.0)×10-6;闪长玢岩和煌斑岩的w(Sr)N/w(Y)N分别为4.8～6.3、10.2～16.4,w(Y)分别为(14.6～19.4)×10-6、(17～22)×10-6。二者的过渡元素Cr也较贫乏,且闪长玢岩含量更少,反映其分异演化程度较高。

表2 济阳坳陷孤北地区侵入岩主量元素和微量元素含量及特征参数Tab.2 Characteristic Parameter and Content of Major and Trace Elements of Intrusion Rocks in Gubei Area of Jiyang Depression

表3 济阳坳陷孤北地区侵入岩稀土元素特征参数Tab.3 Characteristic Parameter of Rare Earth Elements of Intrusion Rocks in Gubei Area of Jiyang Depression

图4 济阳坳陷孤北地区侵入岩稀土元素分布模式Fig.4 Distribution Pattern of Rare Earth Elements of Intrusion Rocks in Gubei Area of Jiyang Depression

3 侵入岩成因分析

前人对鲁西隆起及郯庐断裂的中生代侵入岩(特别是石炭系—二叠系中的中生代侵入岩)做了大量地质和地球化学研究[13-17],将孤北地区石炭系—二叠系及侏罗系侵入岩岩性、主量元素及微量元素与其进行对比,发现它们之间存在许多相似之处,例如w(SiO2)为57%～66%、Na、K和Mg含量与表2所列数值相近[13-15],可能具有相似的成因,即它们属于大陆伸展背景下板内岩浆活动,可能与中生代太平洋板块俯冲导致中国东部岩石圈减薄、软流圈上涌有关。

研究区侵入岩微量元素组成(表2)与产于岛弧及大陆边缘环境的侵入岩有明显区别,而与产于裂谷环境的富钾侵入岩相似[13];另外,反映出该区的闪长玢岩和煌斑岩均来自地幔,混有部分地壳熔融岩浆,闪长玢岩中熔融地壳成分较多[14-15]。同时,研究区煌斑岩-w(K2O)超过8×10-6,属于富钾侵入岩。对富钾侵入岩成因有多种说法[18-20],但是大多数学者认为是原富集地幔源区的部分熔融而形成的[21]。济阳坳陷和鲁西地区一样,中生代受到古太平洋板块对欧亚板块的俯冲和华北板块与扬子板块碰撞作用的影响,表现出地幔上隆而产生热事件,来自地幔深部的富含挥发组分和不相容元素的流体沿构造隆起带向上运移,形成富轻稀土和大离子亲石元素的富集型地幔,导致大规模钾质岩浆活动[13]。研究区内煌斑岩与富钾侵入岩具有相似的地球化学特征及相似的产出构造背景,因此,其成因也主要起源于富钾地幔的部分熔融。

4 侵入岩对煤系烃源岩的烘烤现象

前人研究认为,侵入岩热烘烤范围纵向上为侵入体厚度的2倍,横向上的距离等于侵入体的直径[22-23]。对孤北地区岩芯观察发现,闪长玢岩厚度上下的煤系烃源岩受到烘烤,局部产生强烈的热变质,但是受热作用范围一般不超过侵入岩的厚度,横向上也不超过侵入岩的厚度。闪长玢岩的围岩呈现环状变质带,由内而外依次为堇青石角岩带、板岩带和变余泥岩带,变余泥岩带之外为正常泥岩带。堇青石为特征变质矿物,形成温度为550℃～600℃,具有重要的指相意义,可以作为地质温度计[24-25]。周荔青对苏北盆地一辉长岩侵入体周围变质带温度研究发现,堇青石形成温度为600℃,斑点板岩形成温度为380℃,正常泥岩为100℃[26]。

孤北地区石炭系—二叠系内侵入岩对围岩烘烤作用范围较小。孤北古1井3 874～3 877 m为一厚度3 m的闪长玢岩,在其上的煤层、碳质泥岩和泥岩中分别采样进行镜质体反射率(Ro)测定(表4),由于区域上的石炭系—二叠系煤系-Ro一般为2.0%～2.2%,该井3 870.23 m处的泥岩Ro为2.13%,可见受侵入岩烘烤的烃源岩厚度小于2.77 m,不超过侵入岩的厚度。此外,研究区石炭系—二叠系有效生烃期在古近纪晚期以来,而不是侵入岩侵入的中生代,因此,侵入岩对煤系烃源岩生烃作用影响范围小,对主要生烃期没有显著影响[27]。

表4 孤北古1井闪长玢岩之上煤系烃源岩镜质体反射率的变化Tab.4 Changes of Vitrinite Refletance of Coal-series Hydrocarbon Source Rocks Above the Diorite Porphyrites in Well Gubeigu1

5 结语

(1)济阳坳陷孤北地区石炭系—二叠系闪长玢岩和煌斑岩与鲁西隆起相同层位发育的侵入岩具有相同的元素组成和微量元素组成,均为富钾浅层侵入岩,岩性为闪长玢岩和煌斑岩。

(2)研究区侵入岩微量元素特别是稀土元素与鲁西隆起侵入岩相似,是大陆裂谷初期(侏罗纪为主)形成富轻稀土元素和大离子亲石元素的富集型部分熔融地幔,通过深大断裂侵入到石炭系—二叠系。

(3)石炭系—二叠系中的侵入岩体规模不大,对周围煤系烃源岩具有明显的烘烤作用,但是烘烤范围均不超过侵入岩层的厚度,对其整体的生烃作用没有显著影响。

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