渤海海域中生代火山岩喷发旋回划分及与油气的关系*

吴庆勋 王粤川 韦阿娟 吴昊明 赵弟江 高坤顺 付 立

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

渤海海域中生代火山岩喷发旋回划分及与油气的关系*

吴庆勋 王粤川 韦阿娟 吴昊明 赵弟江 高坤顺 付 立

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

吴庆勋,王粤川,韦阿娟，等.渤海海域中生代火山岩喷发旋回划分及与油气的关系[J].中国海上油气，2017,29(2)：18-26.

WU Qingxun,WANG Yuechuan,WEI Ajuan,et al.Division of the Mesozoic volcanic rock eruption cycle and its relationship with oil and gas in the Bohai sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):18-26.

渤海海域中生代火山岩分布广泛，但其空间叠置关系复杂，制约了火山岩油气藏勘探。基于大量钻井取心、壁心、薄片、测井、锆石U-Pb测年以及地震资料，综合运用地质分析、地球物理分析以及岩石年代学分析等方法对研究区火山岩喷发旋回进行了划分，建立了渤海海域中生代火山岩喷发旋回序列。渤海海域中生代火山岩可以划分为3个喷发旋回，分别为侏罗纪(旋回Ⅰ)、早白垩世早中期(旋回Ⅱ)、早白垩世晚期至中生代末(旋回Ⅲ)。旋回Ⅱ又可细分为3个亚旋回Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3，喷发时间分别为128～122、122～118、117.8～114.4 Ma，岩性由基性向酸性演变，其中Ⅱ1亚旋回以溢流相中基性火山岩为主，沿深大断裂呈裂隙式喷发，分布广泛；Ⅱ3亚旋回酸性火山岩沿郯庐走滑断层成“串珠状”零星分布，多为中心式喷发；Ⅱ2亚旋回介于两者之间。在此基础上，研究了火山岩喷发旋回与油气的关系，认为沿郯庐断裂带分布的Ⅱ2和Ⅱ3亚旋回中酸性火山岩优质储层发育，靠近生烃凹陷，具有良好的油气输导和聚集条件，是渤海海域火山岩油气藏勘探的有利目标。本文研究对类似地区中生代火山岩喷发旋回划分具有一定的借鉴意义。

渤海海域；中生代；火山岩；喷发旋回；锆石U-Pb测年

目前渤海海域共有140多口探井钻遇中生代地层，其中有106口井钻遇火山岩,广泛分布的中生代火山岩为中生界潜山油气勘探提供了物质基础。20世纪70年代至今，渤海油田相继发现了428W、锦州20-2、渤中22-2、秦皇岛30-1等多个火山岩油气藏或含油气构造[1]。但是由于火山活动的多期性，火山岩空间叠置关系复杂，横向变化快，储层发育规律认识不清，制约了火山岩油气藏勘探。

针对火山岩油气藏，许多国外学者从火山机构、喷发模式以及喷发期次等方面进行了研究[2-4]。国内不同学者也对盆地内充填的火山岩进行了旋回、期次的划分[5-8]。火山喷发旋回是指火山喷发过程中岩浆成分和喷发强度等规律性变化阶段[5]。火山喷发旋回划分有利于火山岩储层的精细刻画与对比[9-10]。然而，对渤海海域中生代火山岩喷发旋回的研究目前基本空白，尚未建立起研究区火山岩地层格架。

本文采用旋回-亚旋回-期次三级划分方案，综合运用地质分析、地球物理分析、锆石U-Pb测年分析对研究区火山岩喷发旋回进行了划分，建立了渤海海域中生代火山岩喷发旋回序列，对下一步火山岩油气藏勘探具有一定的指导意义。

1 区域地质概况

渤海海域位于渤海湾盆地东部，东邻胶辽断隆区，西为黄骅坳陷的延伸，南与济阳坳陷相连，北与下辽河坳陷相连，是渤海湾盆地的重要组成部分，其大地构造位置属华北板块的东部，区内断裂构造广泛发育，著名的郯庐断裂贯穿该区整个东部，同时存在NW向张家口-蓬莱断裂带。中生代受扬子板块碰撞挤压以及伊泽奈崎板块俯冲作用影响，区内相继发生多次岩浆活动，尤其是晚侏罗世至早白垩世出现了强烈的火山活动[11]。火山岩浆沿深大断裂呈裂隙式或中心式喷发，火山岩分布广泛(图1)。目前钻遇的火山岩岩石类型有玄武岩、玄武安山岩、玄武质凝灰岩、安山岩、安山质角砾熔岩、安山质凝灰熔岩、安山质凝灰岩、粗安岩、粗面岩、英安岩、流纹岩、霏细岩、流纹质凝灰熔岩、流纹质凝灰岩等，探井揭示的岩性大多数为基性、中性火山岩，酸性火山岩较少。

图1 渤海海域中生代火山岩分布略图Fig .1 Distribution map of the Mesozoic volcanic in the Bohai sea

2 火山岩喷发旋回划分及展布模式

2.1 旋回划分方法

2.1.1 地质分析

1) 沉积夹层。一般来说，沉积夹层的顶面即为当时的原始地层表面，通常将沉积夹层划归早期旋回，作为早期旋回的顶面[12-14]。在测井曲线响应特征上，沉积夹层与上下围岩具有明显差异(图2)。

2) 风化壳。风化壳是火山喷发间歇期火山机构接受风化剥蚀形成的，通常将风化壳作为早期旋回的顶面[12-14]。风化壳与下部基岩相比在易活动组分、惰性成分、放射性物质含量上产生了明显变化[15]。在测井曲线上，与下部基岩相比风化壳往往表现为“三高两低”的特点，即自然伽马、中子孔隙度、声波时差升高，深侧向电阻率、密度降低(图3)。

3) 岩性组合分析。岩性界面也是识别(亚)旋回的重要依据，钻井取心资料是识别岩性最直观的第一手资料，然而海上钻井取心成本昂贵，取心有限，可以利用测井曲线响应特征进行火山岩岩性研究。岩性界面处往往表现为自然伽马曲线的突变，基性火山岩自然伽马一般小于50 API，酸性火山岩自然伽马往往大于110 API，中性和中酸性火山岩自然伽马介于50～110 API。电阻率、密度、中子孔隙度、声波时差测井对不同类型的火山岩也有不同的响应特征[16]。

图2 BH1井沉积夹层测井响应特征(井口位置见图1)Fig .2 Logging response characteristics of sedimentary intercalation for Well BH1(well position shown in Fig.1)

图3 BH8井风化壳测井响应特征(井口位置见图1)Fig .3 Logging response characteristics of weathering crust for Well BH8(well position shown in Fig.1)

以BH13井为例，该井钻穿中生界但并未取样进行岩石年代学分析。该井中生界底部为碎屑岩沉积，其上为低平自然伽马段，平均自然伽马为55 API，为黑色或灰色基性玄武岩；向上自然伽马突变，平均自然伽马为90 API，为褐色安山岩、粗安岩以及灰绿色熔凝灰岩；再往上岩石颜色变化，由褐色安山岩转变为灰色粗面岩，平均自然伽马为97 API，反映了岩浆由基性向酸性的演化过程。顶部自然伽马变低，平均自然伽马为60 API，岩性为黑色玄武岩、蓝灰色安山岩、深灰色凝灰岩互层。曹光跃 等[17]对郯庐断裂内不同地点的粗面岩、粗面-英安岩、流纹岩样品进行了锆石U-Pb同位素年代学测试，结果表明3种岩石属同期喷发产物，喷发时间在118 Ma左右。综合分析认为BH13井粗面岩和BH1井流纹质熔结凝灰岩(117.8 Ma)为同亚旋回火山岩。

2.1.2 地球物理识别

在地震反射特征上不同亚旋回也具有明显的差异性。以BH13井区为例，底部Ⅱ1亚旋回玄武岩在剖面上呈中高频、强振幅、连续反射；中部Ⅱ2亚旋回为安山岩和粗安岩，由于厚度较薄反射特征不明显，Ⅱ3亚旋回为粗面岩，在地震剖面上呈中振幅、弱连续反射特征；顶部旋回Ⅲ为安山岩，呈中强振幅、连续反射(图4a)。利用密度曲线进行拟波阻抗反演，可见亚旋回间差异明显(图4b)。另外喷发不整合也是划分旋回的重要依据，在地震剖面上可见同相轴削截现象。

图4 BH13井区火山岩体地震反射剖面(a)与拟波阻抗 反演剖面(b)Fig .4 Seismic reflection profile(a)and quasi impedance inversion profile(b)of volcanic of BH13 well area

2.1.3 岩石年代学分析

以往渤海火山岩测年数据多由K-Ar法、U-Pb稀释法或Rb-Sr法得到。不同方法所得的测年数据差别很大，无法使用。本次研究采用目前火山岩测年最有效和可靠的锆石U-Pb同位素法[18-19]，测得12块火山岩样品年龄，样品所处井点位置BH1—BH12见图1。样品以岩心样为主，少数为岩屑样。锆石的制靶和CL照相工作由河北省廊坊区域地质调查所完成，锆石U-Pb同位素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室开展，测试仪器为激光电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICPMS)—激光取样系统New Wave 213 nm与Agilent 7500a ICP-MS的联机。

从锆石测年结果来看，测得的样品年龄主要分布在128～114 Ma，其中基性火山岩喷发时间主要集中在128～122 Ma，中性火山岩喷发时间主要集中在122～118 Ma，中酸性—酸性火山岩喷发时间为117.8～114 Ma，呈现了火山岩旋回内部岩浆由基性向酸性演化的过程；108 Ma左右火山再次活动，以中基性火山岩为特征(图5)。通过岩性对比发现白垩纪火山岩自下而上具有基性—中性—中酸性—中基性的变化特征(图6)，这也跟锆石测年由老到新的岩性变化规律一致，表现出2个喷发旋回的特征。

图5 渤海海域中生代火山岩锆石U-Pb测年数据分析图Fig .5 Analysis chart of the Mesozoic volcanic zircon U-Pb dating in the Bohai sea

2.2 渤海海域中生代火山岩喷发旋回序列

结合盆地构造活动特征，考虑到侏罗系与白垩系间的构造不整合以及岩石类型的变化，综合上述方法，将中生代火山岩划分为3个旋回：旋回Ⅰ、旋回Ⅱ和旋回Ⅲ，时代上分别对应侏罗纪、早白垩世早中期、早白垩世晚期至白垩纪末；其中旋回Ⅱ又可细分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3等3个亚旋回(图7)。

旋回Ⅰ。侏罗纪时期扬子板块与华北板块的碰撞挤压逐渐减弱，西太平洋区板块开始活动，整个渤海湾盆地以沉积充填为主，少数地区见火山岩。目前渤海海域侏罗纪火山岩钻遇较少，仅在石臼坨凸起西部、歧口断阶带以及沙垒田凸起东北部钻遇。因钻井有限，暂将侏罗纪火山岩归为1个旋回，其岩石类型以安山岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩为主，多期喷发。以QK1井为例，该井钻遇凝灰质砂岩，其组成为火山碎屑物质(占30%)、陆源的长石和石英颗粒，部分颗粒磨圆较好，填隙物为火山尘和泥质(图8a)。

旋回Ⅱ。早白垩世早中期为火山活动集中期，该时期太平洋区板块活动取代了扬子板块、西伯利亚板块活动对华北地区构造演化的控制地位，依泽奈崎板块的NNW向俯冲使得NNE向郯庐断裂发生大规模左旋走滑，同时伴随着软流圈隆升，渤海海域进入大规模的裂陷或断陷盆地发育阶段并伴有强烈的火山活动。旋回Ⅱ发育较完整，其底部为基性玄武岩，中部为中性火山岩，上部为酸性火山岩，故将旋回Ⅱ又分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3等3个亚旋回。

Ⅱ1亚旋回。主要为基性玄武岩，喷发时间大约为128～122 Ma，岩层厚度在15～418 m，平均136 m。该亚旋回主要分布在渤东低凸起及辽东湾地区的郯庐断裂带内，至少存在6期喷发。BH2井钻遇该亚旋回玄武岩，镜下可见斑状结构，见斜长石和辉石斑晶，基质为细、微晶斜长石 (图8b)。

Ⅱ2亚旋回。该亚旋回熔岩类型主要为中性火山岩，包括安山岩、粗安岩；此外还有少量火山碎屑岩。喷发时间大约为122～118 Ma，岩石厚度在13～1 536 m之间，平均184 m。该亚旋回火山岩主要分布在锦州20-2构造区、莱北低凸起南部以及石臼坨凸起，多期喷发。KL1井钻遇该亚旋回安山岩，镜下可见斑状结构，斑晶主要为中性斜长石和具暗化边的黑云母；基质具玻基交织结构，成分主要为微晶斜长石和玻璃质；黑云母有铁质浸染现象，长石斑晶有被铁白云石交代现象(图8c)。

Ⅱ3亚旋回。该亚旋回熔岩类型主要为中酸性火山岩，包括粗面岩、英安岩、流纹质凝灰熔岩、霏细岩。喷发时间大约为117.8～114.4 Ma，岩石厚度在27～455 m之间，平均137 m。该亚旋回火山岩钻遇较少，仅钻遇7口井，且都分布在郯庐断裂带内靠近深大断裂的地方，至少存在4期喷发。KL1井钻遇该亚旋回英安岩，岩石成分主要为长石微晶、玻璃质和少量石英，长石微晶杂乱分布，石英局部富集，玻璃质多已脱玻化转化为长石；岩石内见多条略具定向分布的裂缝，缝宽在0.02～0.40 mm之间，可见被黄铁矿和钛铁质完全充填(图8d)。BH1井钻遇该亚旋回流纹质熔结凝灰岩，镜下可见凝灰质结构，部分晶屑被方解石交代，岩屑较少，见假流纹构造(图8e)。

图7 渤海海域中生代火山岩喷发旋回综合柱状图Fig .7 Comprehensive histogram of the Mesozoic volcanic rock eruption cycle in the Bohai sea

旋回Ⅲ。早白垩世晚期至白垩纪末，渤海湾盆地整体处于隆升剥蚀状态，该旋回岩石类型主要为中基性火山岩类，如：玄武岩、安山岩、安山玄武岩、玄武安山岩、粗安岩等。喷发时间大约为108 Ma，岩石厚度在17.4～532.5 m之间，平均181.6 m。受火山活动范围和剥蚀作用影响，该旋回火山岩钻遇井较少，主要分布在石臼坨凸起东倾没端以及郯庐断裂带渤东段和辽东湾段。BH5井钻遇该亚旋回安山质火山角砾岩，岩石主要由大小不等的火山角砾和充填于角砾间的凝灰质组成，火山角砾棱角分明，角砾成分主要为安山岩岩块(图8f)。

注：a.旋回Ⅰ，凝灰质砂岩，QK1井，2 180 m(-)；b.Ⅱ1亚旋回，玄武岩，BH2井，2 398 m(+)；c.Ⅱ2亚旋回,安山岩，KL1井，2 780 m(+)；d.Ⅱ3亚旋回，英安岩，KL1井，2 745 m(+)；e.Ⅱ3亚旋回，流纹质熔结凝灰岩，BH1井，2 495.5 m(-)； f.旋回Ⅲ，安山质火山角砾岩，BH5井，2 975.7 m(+)。

图8 渤海海域中生代各旋回火山岩镜下特征

Fig .8 Microscopic features of each volcanic cycle of the Mesozoic in the Bohai sea

2.3 旋回展布模式

利用钻井和地震资料对渤海火山岩分布特征进行研究，结果表明旋回Ⅰ主要分布在歧南断阶带、沙垒田凸起东北部以及石臼坨凸起西部；Ⅱ1亚旋回主要分布在埕北低凸起、莱北低凸起、石臼坨凸起、渤东低凸起、庙西北凸起西斜坡以及辽西和辽东北段；Ⅱ2亚旋回主要分布在郯庐走滑断裂带附近、石臼坨凸起以及辽西凸起北段；Ⅱ3亚旋回主要分布在郯庐走滑断裂带内；旋回Ⅲ分布广泛，莱北低凸起、沙垒田凸起东南部、石臼坨凸起东倾没端、渤东低凸起南部等均有钻遇(图1)。重点对岩浆演化序列较为完全的旋回Ⅱ进行了研究，结合旋回分布特征，考虑到岩浆演化特点，建立了渤海中生界火山岩旋回Ⅱ展布模式(图9)。Ⅱ1亚旋回(旋回早期)基性岩浆沿着基底深大断裂或走滑断裂呈“裂隙式”喷发，由于基性岩浆温度高、黏度相对较小，岩浆溢流范围广，溢流相发育，往往沿着断裂带连片分布；Ⅱ3亚旋回(旋回后期)随着岩浆的不断演变，岩浆酸度变大，温度变低，黏度变高，岩浆溢流能力变弱，进而造成中酸性火山岩分布范围相对较小，沿着断裂带呈“串珠状”零星分布，爆发相和喷溢相都较为发育；Ⅱ2亚旋回介于两者之间。

图9 渤海海域中生代火山岩旋回Ⅱ展布模式Fig .9 Spread mode of the Mesozoic volcanic rock eruption cycleⅡ in the Bohai sea

3 火山岩喷发旋回与油气的关系

为了进一步研究火山岩旋回与油气的关系，对研究区所有火山岩钻遇井录井含油气性、测试情况进行了统计。录井油气显示统计表明：Ⅱ3亚旋回具有油气显示的概率最高，为57%；Ⅱ1亚旋回、Ⅱ2亚旋回、旋回Ⅲ具有油气显示的概率相同，都为39%；旋回Ⅰ具有油气显示的概率最低，为14%。从地层测试(18口探井)情况来看，Ⅱ2和Ⅱ3亚旋回测试产能较高，最高折算日产原油达300 m3以上，Ⅱ1亚旋回次之，旋回 Ⅲ和旋回Ⅰ产能较低。综合来看，Ⅱ2和Ⅱ3亚旋回含油气性较好，旋回间岩石类型的不同可能是造成旋回含油气性差异的主要原因，统计显示中酸性火山岩的孔隙度明显高于基性火山岩的孔隙度(图10)，中酸性火山岩中长石溶蚀作用可能有效地改善了火山岩储层的储集物性(图11)。KL1井成像测井资料显示，中酸性火山岩在郯庐断裂张扭作用影响下裂缝更加发育，裂缝数量多于同井相近深度的基性火山岩，并且基性火山岩裂缝充填现象严重(成像测井图像上呈亮白色正弦曲线)，而中酸性火山岩中的裂缝多为半充填或未充填(图12)，可见中酸性火山岩储层在成藏上优于基性火山岩。

前人研究表明郯庐断裂控制着渤海海域古近系烃源岩的生成[20]，郯庐断裂作为古近系控凹断层，临近生烃凹陷，可为Ⅱ2、Ⅱ3亚旋回火山岩成藏提供有利的烃源条件；同时郯庐断裂及其派生断裂沟通了油源，为油气运移提供了良好的运移通道。中新世以来郯庐断裂的伸展和走滑活动形成了大量的圈闭，为油气在走滑带内聚集成藏提供了场所。因此，综合前文所述，推测沿郯庐断裂带分布的Ⅱ2、Ⅱ3亚旋回中酸性火山岩为今后渤海海域火山岩油气藏勘探的有利目标。

图10 渤海海域中生代火山岩不同旋回主要岩性的 平均孔隙度Fig .10 Average porosity of the main lithology in different cycles of the Mesozoic volcanic rock in the Bohai sea

图11 BH1井扫描电镜下长石溶蚀现象Fig .11 Feldspar dissolution phenomenon for Well BH1 in SEM

图12 KL1井不同岩性中裂缝在成像测井图像上的差异Fig .12 Differences of fractures in FMI picture from different lithologies in Well KL1

4 结论

1) 在锆石U-Pb同位素测年结果的制约下，建立了渤海海域中生代火山岩喷发旋回序列。从老至新，分别为侏罗纪(旋回Ⅰ)、早白垩世早中期(旋回Ⅱ)、早白垩世晚期至中生代末(旋回Ⅲ)。旋回Ⅰ以中性安山岩为主，主要分布在石臼坨凸起西部主体部位以及歧口断阶带；旋回Ⅱ又为3个亚旋回，岩性由基性向中酸性演变，分布广泛，为中生代火山岩集中喷发期；旋回Ⅲ以中基性安山岩、玄武岩为主，喷发时间为108 Ma左右。

2) Ⅱ1亚旋回(旋回早期)以溢流相基性玄武岩为主，沿深大断裂的呈裂隙式喷发，分布广泛；Ⅱ3亚旋回(旋回后期)岩浆SiO2含量增高，黏度变大，火山岩多为中酸性，沿郯庐走滑断层成“串珠状”零星分布，多为中心式喷发，爆发相较为发育；Ⅱ2亚旋回介于两者之间。

3) 沿郯庐断裂带分布的Ⅱ2和Ⅱ3亚旋回中酸性火山岩优质储层发育，靠近生烃凹陷，具有良好油气输导和聚集条件，为渤海海域火山岩油气藏勘探的有利目标。

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(编辑：冯 娜)

Division of the Mesozoic volcanic rock eruption cycle and its relationship with oil and gas in the Bohai sea

WU Qingxun WANG Yuechuan WEI Ajuan WU Haoming ZHAO Dijiang GAO Kunshun FU Li

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300459,China)

The Mesozoic volcanic rocks in the Bohai sea distribute widely with complex spatial superimposition, which restricts the petroleum exploration in volcanic reservoirs. Based on extensive drilling cores, sidewall coring, thin section, logging, zircon U-Pb dating data and seismic data, the eruption cycles of Mesozoic volcanic rocks in the study area are established with integrated study of geological analysis，geophysical analysis and rock chronology analysis，and the Mesozoic volcanic eruption cycle sequence is set up in the Bohai sea. The Mesozoic volcanic eruption in the Bohai sea can be divided into such three cycles as the Jurassic (cycle Ⅰ), early and middle of the Early Cretaceous (cycles Ⅱ), late of the Early Cretaceous to the end of the Mesozoic (cycle Ⅲ). Cycle Ⅱ can be subdivided into three sub-cycles Ⅱ1, Ⅱ2and Ⅱ3, and the eruption time is 128～122, 122～118 and 117.8～114.4 Ma, respectively, with a lithology from the basic to acidic evolution. Ⅱ1sub-cycle widely distributes and mainly consists of intermediate-basic volcanic rocks of a flowing facies along the deep fault; Ⅱ3sub-cycle shows a “string beads” distribution along Tan-Lu strike-slip fault with central eruption; Ⅱ2sub-cycle is intermediate. On this basis, the relationship between volcanic eruption cycle and oil and gas is studied, it shows that Ⅱ2and Ⅱ3sub-cycles along Tan-Lu strike-slip fault developing middle-acid volcanic rock high quality reservoir close to hydrocarbon generating depression, it has good transportation and accumulation conditions, and are favorable targets for volcanic reservoir exploration in the Bohai sea. The study has a certain significance to divide the Mesozoic volcanic eruption cycle in the similar areas.

the Bohai sea; the Mesozoic; volcanic rock; eruption cycle; zircon U-Pb dating

吴庆勋，男，工程师，2013年毕业于成都理工大学矿产普查与勘探专业，获硕士学位，主要从事油气勘探与综合评价工作。地址：天津市滨海新区海川路2121号渤海石油管理局B座(邮编：300459)。E-mail：wuqx@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0018-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.003

TE121.2

A

2016-09-07 改回日期：2016-12-16

*“十三五”国家科技重大专项“渤海海域勘探新领域及关键技术研究(编号：2016ZX05024-003)”部分研究成果。