深层火山岩地球化学特征及沉积古环境——以松辽盆地北部徐家围子断陷兴城地区为例

伍宏美， 陈亚军， 姜冠一， 马 强

( 1. 北京中科联华石油科学研究院，北京 100101； 2. 大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712； 3. 中国石油玉门油田分公司 勘探开发研究院，甘肃 酒泉 735019 )

0 引言

岩石主、微量元素可作为识别地质地球化学过程(沉积环境)的示踪剂，在古氧化还原环境判别、物源区岩石成分分析、海相地层划分等方面应用广泛[1-3]，如利用微量元素含量法、微量元素比值法、硼(B)法等元素地球化学方法，示踪沉积物古沉积环境氧化还原条件或古介质环境性质(淡水、微咸水、咸水等)的研究较为成熟。微量元素比值法，如V/(V+Ni)、V/Cr、V/Sc、Ni/Co、Sr/Ba、U/Th、B/Ga等在各类沉积岩或细粒沉积物，特别是页岩、泥岩、致密砂岩判别具有较好的应用效果[4-6]。火山岩与沉积岩在形成条件、发育环境、分布规律等方面有差异，岩浆作用形成的熔岩和火山碎屑岩在冷凝固结及成岩过程中发生次生变化，如蚀变、溶蚀、风化淋滤、充填等，所蕴含的地球化学信息虽然可反映岩浆来源及构造背景，但对喷发沉积古地理环境的记录不太准确[7-11]。因此，在利用火山岩微量元素地球化学特征分析喷发沉积古地理环境信息时，需充分考虑埋藏成岩、后期蚀变、风化淋滤作用等因素的影响，并基于因素分析法合理校正或规避这些因素影响，进行系统采样测试的元素地球化学数据既可以分析岩浆来源及构造背景，也能反映火山活动时的地理环境。

松辽盆地北部徐家围子断陷深层火山岩地质条件极其复杂，火山作用具有多期喷发的特点，形成多旋回、多岩性组合。人们对松辽盆地营城组陆上与水下喷发成因火山岩的区别及其对储层影响进行研究，张艳等[12]认为与陆上空气中喷发或保存的火山岩相比，火山岩在水中喷发或在水中保存时，水的作用及影响(气化—热液作用、淬冷碎屑岩化作用[13]、化学作用、静水压、密度差等)主要体现在岩性组合、岩石颜色、结构构造特征、蚀变特征、产状、孔隙及裂缝发育特点等方面。根据松辽盆地北部徐家围子断陷营城组火山岩岩心和薄片观察，结合岩样地球化学分析测试数据和区域构造背景分析，单玄龙等[14]认为徐家围子断陷兴城地区存在水下喷发作用形成的火山岩，识别标志为火山岩氧化因数(Fe3+/Fe2+)在0.8以下、沉凝灰岩与黑色泥岩互层、膨润土、双层珍珠岩夹无斑或少斑流纹岩。水下喷发成因火山岩主要分布于升平、徐中、徐西和徐东等地区，尤以徐深1井区最为典型。目前，未见在充分考虑埋藏成岩、后期蚀变及风化淋滤作用等因素影响下，利用火山岩微量元素地球化学特征分析喷发沉积古地理环境的研究。归纳并建立古沉积环境氧化还原状态及介质环境性质(咸水、微咸水、淡水等)微量元素地球化学指标图版[15-34]，分析徐家围子断陷兴城地区深层火山岩岩石学和地球化学特征，利用建立的微量元素比值指标，示踪判别喷发沉积古地理环境,为火山岩油气储层评价提供技术参考。

1 区域地质背景

松辽盆地北部发育30多个中小型断陷盆地，其中徐家围子断陷是北部东南断陷区规模较大、勘探程度最高的含气断陷盆地，呈近南北向展布，是一个规模较大、西断东超型箕状断陷区(见图1(a))。胡玉双等[35]将泉头组二段以下，埋深在2 500 m以上的地层称为深层，与兴城天然气成藏密切相关的深层自下而上分别为火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)及泉头组(K1q)一、二段地层(见图1(b))。各套地层在沉积过程发育河流、冲积扇、扇三角洲、湖浸、湖泊、三角洲、湖底扇等沉积相。在盆地断陷发育期，火石岭组(K1h)沉积期和营城组(K1yc)沉积期发生两次强烈的火山活动，形成的火山岩地层有丰富的天然气资源，约占深层天然气总探明储量的80%[36-41]。

图1 松辽盆地北部徐家围子断陷构造位置及深层地层综合柱状图

火石岭组沉积期处于断陷盆地形成初期，是盆地拉张背景下沉积的一套碎屑岩；中上部随拉张作用加剧，发生强烈火山喷发，发育火山岩及喷发间歇期形成的滨浅湖相沉积。火石岭组分为两段，一段为杂色砾岩、黑色—灰黑色泥岩夹煤层，是一套烃源岩层；二段为中性火山岩，是一套火山岩储层。兴城地区营城组沉积时期，由于基底断裂活动频繁，火山活动强烈；总体分为两套火山岩层(营城组一段、营城组三段)、两套碎屑岩互层(营城组二段、营城组四段)。营城组一段分布于断陷中部及其以南地区，岩性以酸性为主，主要有深灰色及黑灰色晶屑凝灰岩、灰色及灰白色流纹岩、杂色火山角砾岩；营城组三段分布于断陷中部及其以北地区，发育酸性与中基性火山岩，岩性主要有暗紫色、深灰色安山岩和紫红色、灰绿色安山质凝灰岩(见图1(b))。

2 火山岩岩石学特征

根据岩心观察及薄片鉴定，将徐家围子断陷兴城地区深层火山岩划分为火山熔岩、熔结火山碎屑岩及普通火山碎屑岩三大类(见表1)。火山熔岩有球粒流纹岩、霏细岩、玄武粗安岩与粗面英安岩(见图2)，主要发育酸性流纹岩、霏细岩类；普通火山碎屑岩以流纹质火山角砾岩、流纹质含晶屑岩屑凝灰岩、流纹质含角砾晶屑凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩为主(见图3(a-e))；熔结火山碎屑岩主要发育流纹质熔结凝灰岩(见图3(f))。

表1 兴城地区火山岩岩石类型

流纹岩常为隐晶质结构，具清楚的流纹构造；流纹构造结晶程度不同，有的纹层颗粒很细，隐晶致密，有的纹层结晶稍粗；在显微镜下，见球粒和微花岗结构，斑晶多为条纹长石，基质由霏细状、放射状长英质集合体组成。霏细岩成分与流纹岩没有本质区别，主要体现在岩石结构和构造上，霏细岩不具流纹构造，呈致密块状构造；在单偏光镜下，见典型的霏细与微球粒结构。粗面英安岩常具斑状结构，斑晶成分有钠长石或钠—更长石、条纹长石及少量石英；基质由长石及石英等组成；在单偏光镜下，见斜长石微晶定向或半定向排列，呈交织结构。玄武粗安岩常具斑状结构，基质具玻晶交织结构；斑晶占20%左右，粒径一般为0.5～2.0 mm，主要为斜长石，见明显的绢云母化和碳酸盐化；基质占80%左右，主要为火山玻璃与条状斜长石微晶，其中长石微晶分布不定向，基质中见少量微粒状磁铁矿。凝灰岩具凝灰结构，常含较多的条纹长石、石英等晶屑，条纹长石晶屑具明显的卡氏双晶和条纹结构；受脱玻化作用影响，凝灰岩也常见霏细结构。熔结凝灰岩最大特点是常含撕裂状、透镜状的浆屑，浆屑及其他火山物质绕玻屑、岩屑、晶屑定向排列，即构成假流纹构造。火山角砾岩具典型的角砾构造，角砾主要成分是流纹质与安山质，有的角砾较大(大于64 mm)，为火山集块岩。

图2 兴城地区熔岩类典型岩心及镜下薄片

图3 兴城地区火山碎屑岩类典型岩心及镜下薄片

3 样品采集及分析方法

测试样品采自松辽盆地北部徐家围子断陷兴城地区深层火山岩。在考虑埋藏成岩、后期蚀变及风化淋滤作用等影响因素及取样原则的基础上，采集火山岩地球化学测试分析样品10件，采样位置、编号、深度、岩性等见图4。主量元素采用ARL9800XP+波长色散X线荧光光谱仪分析测定，测试分析SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5等10项氧化物；烧失量LOI(LOI为灼烧前后质量变化占原始质量的百分比)根据GB/T 14506.34—2019《硅酸盐岩石化学分析方法》第34部分烧失量的测定质量法测得；相对标准样品的偏差：高含量氧化物样品低于2%，低含量氧化物样品低于10%。微量元素(包含稀土元素)采用Finnigan ElementⅡ型ICP-MS测定，检测限优于0.5×10-9，相对标准样品的偏差优于5%。

图4 徐家围子断陷区兴城地区深层火山岩主、微量元素测试分析样品分布

归纳并建立U/Th、自生U、V/Cr、Ni/Co、V/Zr、V/V+Ni、Sr/Ba 7种氧化还原条件和沉积介质环境(咸水、微咸水、淡水)判识，对10件火山岩样品进行古地理环境判别。

4 火山岩地球化学特征及沉积环境

4.1 影响因素

4.1.1 喷发沉积环境

陆上、水下喷发沉积介质环境不同，火山喷出物(熔岩物质、碎屑流)运移、冷凝固结、堆积与保存时接触的介质环境(空气和水)不同，考虑不同介质环境氧化还原条件的差异，对敏感性元素的迁移、共生、沉淀有重要控制作用，可改变变价元素的迁移状态，使同一元素的不同价态或共生元素间发生分离，导致不同介质环境元素的重新分配。通常认为，在氧化条件下，U、V、S等元素呈高价(如V5+、U6+、S6+)易发生迁移，在还原条件下，U、V、S等元素呈低价(如V3+、U4+、S2-)易沉淀；在氧化条件下，Fe、Mn、Cu、Ce等元素呈高价(如Fe3+、Ce4+)易沉淀，在还原条件下，Fe、Mn、Cu、Ce等元素呈低价(Fe2+、Ce3+)易发生迁移；Th和Sc元素受氧化还原环境影响较小。通常情况下，海洋(湖水)高盐度沉积环境B和Sr质量分数高，陆相淡水沉积环境Ga和Ba较富集，海相环境B质量分数一般为(80～125)×10-6，陆相淡水环境B质量分数多小于60×10-6。

4.1.2 风化淋滤作用

风化淋滤作用对火山岩主、微量元素分布的影响主要体现在喷发间歇期或之后，暴露于地表的火山岩长时间遭受高强度风化淋滤作用改造，其地球化学信息不再具有反映和记录喷发沉积古地理环境的意义。其机理是火山岩暴露于表生环境，受大气、淡水及火山喷发间歇期饱和CO2雨水的影响，火山岩中易迁移元素和可迁移元素流失，惰性元素与不迁移元素不断累积。为避免干扰，采样时选择较为新鲜的样品，去掉表层风化物质，剔除蚀变、矿化较强及风化破碎的样品；同时，考虑有杏仁体发育的火山岩及杏仁体充填或半充填程度的影响，采样时敲击预取样点上下岩心新鲜面，观察杏仁体是否发育。

4.1.3 埋藏成岩作用

与油气相关的火山岩遭受较深的埋藏成岩作用，矿物交代、深层溶蚀、断裂作用等事件造成成岩矿物发生变化，受埋藏成岩作用影响较大的样品元素地球化学信息对喷发沉积环境的指示意义不大。烧失量过高的样品一般表征遭受严重的埋藏成岩作用，在数据资料充分的情况下，根据烧失量合理剔除埋藏成岩、蚀变作用较强的样品，保证分析结果的准确性。

4.2 主量元素

火山岩主量元素测试分析结果见表2。由火山岩TAS分类图解(见图5，虚线表示区分副长岩、碱玄岩和碧玄岩还需要其他准则)可以看出，兴城地区深层火山岩比较丰富，从基性玄武岩到中性安山岩和粗面岩，再到酸性流纹岩、霏细岩均有发育，主要发育酸性流纹岩。

表2 兴城地区深层火山岩主量元素质量分数

球粒流纹岩(X1)、流纹岩(X4)的ω(SiO2)分别为74.16%、75.67%，ω(Na2O+K2O)(全碱质量分数)大于7.00%，σ=[ω(Na2O+K2O)]2/[ω(SiO2)-43%]分别为1.71、2.20，为钙碱性岩类，LOI分别为1.85%、0.92%，表明受埋藏成岩作用影响小。安山岩(X9)的ω(SiO2)为62.78%，ω(Na2O+K2O)为6.90%，σ为2.40，为钙碱性岩类，LOI为2.58%，表明遭受一定程度的蚀变作用。玄武粗安岩(X10)的ω(SiO2)为53.24%，ω(Na2O+K2O)为6.05%，σ为3.58，为钙碱性岩类，LOI为6.69%，表明遭受蚀变作用弱。粗面英安岩(X6)的ω(SiO2)为65.56%，ω(Na2O+K2O)为9.89%，σ为4.34，为钙碱性岩类，LOI为2.26%，表明受埋藏成岩作用影响小。霏细岩(X7)的ω(SiO2)为77.04%，ω(Na2O+K2O)为8.64%，σ为2.19，为钙碱性岩类，LOI为0.01%，表明基本不存在蚀变作用。熔结凝灰岩(X2、X3、X5、X8)的ω(SiO2)为75.22%～76.07%，平均为75.65%；ω(Na2O+K2O)为7.55%～8.54%，平均为7.93%；σ为1.72～2.22，平均为1.93，为钙碱性岩类；LOI为0.57%～1.66%，平均为0.97%，表明遭受蚀变作用弱。

图5 兴城地区火山岩SiO2—Na2O+K2O(TAS)图解(据文献[36]修改)

4.3 稀土元素

火山岩稀土元素测试结果见表3，稀土元素成图时测试数据需要标准化，以球粒陨石作为标准化数据，将样品中各个稀土元素的量分别除以球粒陨石相对应的各个稀土元素的量，得到标准化后的数据；以球粒陨石标准化值为纵坐标并用对数表示，以14个稀土元素按照原子序数排列作为横坐标，进行稀土族成图(见图6)。由表3可以看出，球粒流纹岩(X1)、流纹岩(X4)类ΣREE(稀土元素总含量)较高，分别达到417.85×10-6、484.73×10-6，(La/Yb)n(n表示标准化，即球粒陨石标准化后的比值)较大，分别为7.24、9.60，表明轻、重稀土元素分馏程度较强，铕异常(在稀土分布曲线相应出现“谷”的现象)因数δEu相对较低，为0.07。霏细岩(X7)类ΣREE也较高，为418.47×10-6，(La/Yb)n为7.21，δEu较低，为0.08。粗面英安岩(X6)类ΣREE为271.25×10-6，(La/Yb)n为10.28，δEu为0.65。玄武粗安岩(X10)类ΣREE较低，为206.25×10-6，(La/Yb)n为7.67，δEu为0.77。熔结凝灰岩(X2、X3、X5、X8)ΣREE为(387.37～443.57)×10-6，(La/Yb)n为4.34～8.13，δEu为0.07～0.10。这些特征反映在稀土元素配分模式图解(见图6)上，所有曲线呈右倾斜特征；表明深层火山岩轻、重稀土元素分异程度较大，英安岩与安山岩类铕亏损不明显，稀土元素配分曲线较平直；流纹岩、霏细岩和凝灰岩类表现为强烈的铕亏损，稀土配分曲线呈大“V”字型谷。

表3 兴城地区火山岩类稀土元素质量分数

图6 兴城地区火山岩稀土元素经球粒陨石标准化配分图解

4.4 微量元素及沉积环境

火山岩微量元素测定结果见表4。由表4可以看出，研究区火山岩富集不相容元素，特别是强不相容元素Rb、Sr、Ba、Th等。古沉积环境的氧化还原条件虽然控制V、Ni、U、Cr、Co等氧化还原敏感性元素(简称RSE)，以及Sr、Ba、B、Ga等盐度敏感元素的富集程度，但单一微量元素数据不能很好地反映古沉积介质环境的性质，利用多组比值组合指标或二者之间的相关关系可以达到更好的分析效果。氧化还原敏感性元素是指溶解度明显受沉积介质环境氧化还原状态的控制，导致其向还原性水体和沉积物迁移而自生富集的元素。

表4 兴城地区火山岩类微量元素质量分数

由微量元素质量分数纵向演化(见图7)可知，火山岩Sr与Ba存在正相关关系，Cr与V具有弱正相关关系；由V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr纵向分布可以看出，其演化趋势极为相似，具有统一性，是作为兴城地区深层火山岩沉积古地理环境示踪判别的较佳组合指标。

利用微量元素地球化学参数示踪判别古沉积环境的氧化还原条件,或沉积介质环境性质(咸水、微咸水、淡水)的指标数据[15-34]，归纳并建立U/Th、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)、V/Sc、Sr/Ba、V/Zr 7种微量元素地球化学判识指标图版(见图8)。由图8可以看出，每项指标在不同值域范围反映不同的沉积介质环境。主要计算V/(V+Ni)、V/(V+Cr)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr 分布，除V/(V+Cr)外，其他4项在图版有对应，根据V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba、V/Zr 分布，参照判识指标图版的值域，厘清火山岩分析样品古沉积环境性质，判别火山喷发沉积古地理环境。

图7 微量元素及其比值参数纵向演化特征

4.4.1 V/Cr

兴城地区深层火山岩V/Cr分布在0.09～22.88之间，跨度较大，主要集中在0.80以下，揭示研究区火山岩喷发沉积与保存期的古地理环境复杂多变，以陆上氧化环境为主，水陆过渡复杂环境也存在(见表5)。

4.4.2 V/(V+Ni)

通常情况下，V和Ni地球化学行为较相近，但它们之间微小的差别可以反映古环境的变化。RIMMER S M[33]指出V在氧化环境下容易与沉积物结合形成沉淀，Ni在还原环境下易被吸附富集而发生沉淀，可以用V/(V+Ni)反映古沉积水体的氧化还原环境。V/(V+Ni)>0.84，指示还原环境；0.60

兴城地区深层火山岩V/(V+Ni)介于0.11～0.95，多数在0.60以下(见表5)，揭示研究区火山喷发沉积和保存时期古地理环境复杂，陆上氧化环境、水下还原环境及水陆过渡复杂环境均存在。

图8 氧化还原环境条件及沉积环境介质微量元素指标综合判别图版

表5 10件化学分析样品微量元素参数指标分布

4.4.3 Sr/Ba

兴城地区深层火山岩Sr/Ba介于0.12～1.36，多数小于0.60(见表5)，揭示研究区火山岩以陆相沉积成因为主，水陆过渡相及水下沉积成因也存在。

4.4.4 V/Zr

范忠仁等[26]和陈代演等[27]研究若干微量元素比值特征及其成因意义指出，陆相所有岩石类型V/Zr为0.12～0.40，海相V/Zr为0.25～4.00。

兴城地区深层火山岩V/Zr介于0.10×10-2～0.43，80%在0.25以下，揭示研究区火山岩以陆相沉积成因为主，可能是陆上喷发陆上沉积保存的火山岩，也可能是陆上喷发水下沉积和保存的火山岩(见表5)。

基于岩石微量元素地球化学特征判别的火山喷发沉积古地理环境，与张艳等[12]、单玄龙等[14]基于火山岩氧化因数(Fe3+/Fe2+)、岩性组合特征、岩石颜色、结构构造特征、蚀变特征、脱玻化节理等典型特征和标志判别的结果一致，且该地球化学方法具有普遍适用性，不受地质时代及区域地质条件的限制，可应用于不同地区、不同地质时代火山岩喷发沉积古地球环境的判别研究。

5 结论

(1)松辽盆地北部徐家围子断陷兴城地区深层火山岩岩石类型比较丰富，从基性玄武岩到中性安山岩和粗面岩，再到酸性流纹岩、霏细岩，以及熔结火山碎屑岩和普通火山碎屑岩均有发育；普通火山碎屑岩以流纹质岩屑—晶屑、流纹质含角砾晶屑、流纹质晶屑凝灰岩及流纹质、安山质角砾岩为主，熔结火山碎屑岩主要为流纹质含角砾晶屑、流纹质浆屑晶屑、流纹质岩屑晶屑熔结凝灰岩。

(2)火山岩稀土元素总量为(206.25～484.73)×10-6，平均为366.70×10-6，明显大于地壳146.40×10-6；稀土元素配分模式图解所有曲线为右倾斜特征，说明轻、重稀土分异程度较大，LREE/HREE平均为6.85，轻稀土相对富集。

(3)微量元素V/(V+Ni)、V/Cr、Sr/Ba及V/Zr纵向演化趋势相似，是兴城地区深层火山岩沉积古地理环境示踪判别的较佳组合指标，反映研究区深层火山岩喷发沉积时的古地理环境复杂，陆上氧化环境、水下还原环境及频繁水陆过渡相复杂环境均存在。