随着国内外火成岩油气藏的不断发现，火成岩的发育特征和火山活动对油气成藏的影响逐渐成为研究热点^[1-3]，国内外众多学者^[4-6]对不同时期不同地区的火成岩进行了大量研究，并取得了丰硕的研究成果，国外对火成岩的研究主要集中于环太平洋地区，如美国、墨西哥、古巴、委内瑞拉、巴西、阿根廷、中国以及日本等，其次在格鲁吉亚、俄罗斯以及非洲的埃及、摩洛哥、安哥拉等国家和地区也多有分布；构造上以大陆边缘盆地和陆内裂谷盆地为主，研究内容涵盖了火成岩的喷发环境、产状、分布规律、岩性岩相特征、火成岩储集性能以及油气藏特征等多个领域。

中国已发现的火成岩油气藏分布较广，东、西部地区均有分布，但在火成岩的时代、类型、油气藏的规模、构造背景、储层特征等方面均存在较大差异^[7]。西部的准噶尔和三塘湖盆地火成岩油气藏，岩性以中基性岩为主，多发育在古生界，碰撞陆内裂谷和岛弧是西部火成岩油气藏发育的2种主要构造背景，裂隙式喷发和中心式喷发均有发育，喷发间隙生成的暗色泥岩和炭质泥岩均具有较好的生烃能力，储集空间类型以裂缝和溶蚀孔洞为主^[8-11]。东部如松辽盆地的火成岩油气藏，岩性以中酸性岩为主，多发育在中生界和新生界，东部各断陷盆地火成岩的发育大多受大型断裂带影响，可叠合连片分布，形成面积较广的火成岩油气田群^[12-13]。

银额盆地为国内仅存的未进行系统油气勘探和开发的大型古—中生代叠合沉积盆地^[14-15]，延长石油集团于2013年进入该区后，大胆创新勘探思路，在哈日凹陷完钻的第一口井(YHC1井)就获得了高产工业气流，实现了自1955年以来银额盆地油气勘探的重大突破，颠覆了研究区中生界埋藏浅和烃源岩成熟度低的传统认识，该井钻遇了一套高成熟度烃源岩，刘哲^[13]的研究成果显示，火山活动增加了烃源岩的成熟度。银额盆地位于我国东、西两大板块的结合部位，地质露头和YHC1井钻探结果揭示了哈日凹陷火成岩较为发育，因此，开展哈日凹陷火山活动与该套高成熟度烃源岩的相关性研究是至关重要的。

银额盆地哈日凹陷研究程度较低，特别是火成岩方面的研究非常薄弱，钻遇火成岩的探井仅5口，未见前人关于该区的火成岩研究成果的报道。本次研究以这5口钻遇火成岩的探井的测录井及岩心分析资料为基础，深入分析火成岩的岩性特征、发育期次、喷发模式等，并进一步探索火成岩的发育对油气成藏的影响，以期对下一步火成岩的油气勘探部署提供指导作用。

哈日凹陷位于银额盆地北部，为苏红图坳陷西部的一个次级凹陷，近南北向展布，凹陷主体部位表现为“东断西超”的单断箕状形态，边界断裂为同沉积生长断裂(图 1)。地质露头和钻井揭示，研究区地层主要包括石炭系的阿木山组，二叠系的埋汗哈达组、阿其德组和哈尔苏海组，中生界白垩系的巴音戈壁组(K₁b)、苏红图组(K₁s)、银根组(K₁y)和乌兰苏海组(K₁w)以及新生界地层。火成岩以夹层的形式发育于沉积岩中，岩性以喷出相玄武岩、安山岩和英安岩为主。近年来，延长石油集团钻探的YHC1井在火成岩上覆的灰质泥岩中获得了日产无阻流量9.15万m³的高产工业气流，随后钻探的YH5井在火成岩中也发现了油气，证实研究区具有良好的油气成藏条件和资源潜力^[12]。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 哈日凹陷位置图 Fig. 1 Location map of Hari Sag

哈日凹陷目前钻井较少，但各井钻遇地的层均不同程度的发育火成岩，表明该区火山活动频繁，岩性以灰色、灰绿色、灰黄色中—基性火成岩为主，主要为安山岩、凝灰岩、玄武岩、英安岩等，岩心上可见块状构造和杏仁状气孔构造^[16-17]，如YH5井的安山岩发育杏仁状构造，具斑状结构，斜长石斑晶被硅质交代，基质具交织结构[图 2(a)]。长条状斜长石间一般充填微晶铁白云石和少量火山基质，杏仁孔洞被铁白云石、硅质和少量泥质充填，片丝状黏土矿物充填于斜长石晶体之间，见晶间溶蚀微孔隙，偶见微裂缝发育，微裂缝大多被方解石、自生石英、玉髓、亮晶方解石等充填[图 2 (b)]。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 哈日凹陷白垩系巴音戈壁组火成岩照片 Fig. 2 Photographs of igneous rocks of Cretaceous Bayingebi Formation in Hari Sag

火成岩的地震反射特征在外部形态、内幕反射结构、振幅、频率、连续性等方面均与围岩存在较大差异，通过井-震精细岩性标定可以有效识别出各类火成岩相^[18-20]。哈日凹陷火成岩地震相特征主要包含：平行板状地震相、锥形地震相和丘状杂乱地震相。平行板状火成岩地震相反映了产状与围岩近平行的层状火成岩，一般具有平坦的中强反射特征，向两侧反射突然变弱或渐变，由1~3个相位组成，为溢流熔岩沿古地形流动而成，受古地貌控制，环布于火山通道周围，如YHC1井板状火成岩，主要分布于火山通道附近，以近平行于地层产状分布[图 3 (a)]。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 哈日凹陷火成岩地震相 Fig. 3 Seismic facies of igneous rock in Hari Sag

锥形火成岩地震相是识别中心式喷发火山碎屑锥的标志，在地震剖面上具有明显的“顶蘑菇状反射”特征，平面上呈环状分布，常见丘形披覆或超覆反射现象。由于火山通道相的岩性复杂，成层性差，地震剖面上为杂乱反射相，与两侧的正常沉积地层以突变式接触，由于火山喷发的强度不同，造成其反射特征也各有差异。哈日凹陷该类火成岩相分布较广，地震剖面上特征明显，易于识别[图 3 (b)]。

丘状杂乱火成岩地震相在剖面上具有弧形的外部轮廓，常由多个中强振幅同相轴组成，一般反映了低强度的玄武岩流，其在地震剖面上的隆起幅度比上述蘑菇状地震相略低，无“火山颈”特征，内部反射具有一定的层次性。研究区的这类火成岩的喷发时间主要为前白垩纪，后期在构造应力作用下发生了一定程度的改造作用，在古生界顶至白垩系底广泛分布[图 3 (c)]。

火山活动时间的确定是火成岩研究中的重要内容之一，通过其锆石U-Pb同位素定年可为火成岩活动时间的确定提供最为直接的依据^{[17, 21]}。锆石U-Pb同位素定年的原理为：在对母体进行测定的基础上，将其中因衰变而带来的子体同位素含量变化进行测定，结合其放射性衰变定律，推算出其同位素原始形成时的年龄。在测定过程中, 由于U和Th都存在于锆石中, 而且贫Pb，本身具有较强的抗后期影响优势，通过对Th和U衰变为Pb的情况进行综合分析，完成整个定年过程。

用于锆石定年分析的样品取自于哈日凹陷一口深井(YHC1井)的玄武安山岩，呈灰褐色，隐晶质结构，块状构造，其矿物成分以斜长石和铁镁暗色矿物为主。从该样品中共提取出18个锆石颗粒，按其外观形貌可以分为3类：第1类锆石有8个，呈灰色或灰黑色，具有明显的扇形分带特征，颗粒体积相对较大，长60~140 μm，宽30~130 μm，颗粒形状以长柱状为主，最大长宽比为3: 1；第2类锆石有6个，呈灰色或深灰色，短柱状或椭圆状，半自形到自形，环带特征明显，颗粒体积相对较小，长50~70 μm，宽40~60 μm；第3类锆石有4个，呈不规则状，颗粒长40~120 μm，宽40~100 μm，锆石具有浑圆状生长纹和浑圆形内核，边部可见增生边。根据锆石的阴极发光图像(图 4)和U-Pb年龄频率特征(图 5)可分为3类：第1类锆石年龄主要为130.5~137.0 Ma，主峰值为132.5 Ma；第2类锆石年龄主要为256.5~271.5 Ma，主峰值为264.5 Ma；第3类锆石年龄较老，分别为2 132 Ma，2 511 Ma，1 401 Ma和1 418 Ma。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 哈日凹陷YHC1井锆石的阴极发光图像及测试位置 Fig. 4 Cathodoluminescence image and test position of zircon in well YHC1 in Hari Sag

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 哈日凹陷YHC1井锆石的U-Pb年龄频率图 Fig. 5 U-Pb age frequency diagram of zircon in well YHC1 in Hari Sag

上述3类锆石中，年龄最老且分布零散的为早白垩世火山活动所捕获的古老变质岩中的锆石，这组锆石年龄数据对本次研究来说其意义不大^[17]。剔除该类未能反映火山活动的锆石年龄数据后，可以确定该区至少经历了2期火山活动：第1期火山活动时间约在263.7±2.2 Ma前，为晚二叠世；第2期火山活动时间约在132.6±0.7 Ma前，为早白垩世。

依据锆石定年和岩相精细标定可确定哈日凹陷火成岩发育期次与喷发模式。由于采集的样品有限，因此本次研究所获得的锆石年龄数据未能完全反映出全部期次的火山活动，通过地震相分析和钻井岩心识别，发现研究区还发育第3期火山活动，前2期以中心式喷发模式为主，最后1期以裂隙式喷发为主，强度较弱。

晚二叠世发生的第1期火山活动在哈日凹陷及其邻区均有不同程度的发育，波及范围较广^[22]，其形成的火成岩在地质历史时期经历了长时间、强应力构造运动的改造，在地震剖面上多表现为杂乱丘状火成岩体或锥形火山通道形貌特征，可划归为中心式喷发模式(图 6)。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 哈日凹陷火成岩发育期次及模式 Fig. 6 Development stages and models of igneous rocks in Hari Sag

早白垩世发生的第2期火山活动多与第1期火山岩有较好的继承关系，其形成的火成岩大多沿古生界火山通道向上喷发，具中心式喷发特征，火山通道位于中央部位，地震反射杂乱，边界突变特征明显，火山通道顶部两侧有层状火成岩发育，位于白垩系底部，整体呈蘑菇状(图 6)，哈日凹陷以东的查干凹陷已发现大量该期火成岩^[23-24]，其分布较为广泛。

白垩纪苏红图期发生的第3期火山活动所形成的岩石被YHC1井钻遇，可通过精细地震岩性标定来识别，并且通过对哈日凹陷周边露头的火成岩进行取样分析，39Ar-40Ar同位素测年结果显示，火成岩年龄为105.55±4.03 Ma，进一步证实了该期火山活动的存在^[25]。该期火成岩成层性较好，厚度具有从火山通道处向远离区逐渐减薄的特征，属于典型的裂隙式喷发模式(图 6)。

火山喷发提供的高温流体在侵入或喷出时所携带的大量热能对附近沉积环境具有重要影响，可在一定沉积期内提高古地温场，为烃源岩中有机质的成熟提供了温度条件，使得局部烃源岩异常成熟，促进了油气的生成和转化^{[23, 26-27]}。

平面上，哈日凹陷与邻区的拐子湖凹陷和巴北凹陷具有相似的沉积环境和构造演化特征，其巴音戈壁组均发育岩性相近的烃源岩，但哈日凹陷烃源岩中有机质成熟度明显要高于其他凹陷，主要受控于哈日凹陷多期火山活动影响，烃源岩因受到烘烤而成熟度得到大幅提高。拐子湖凹陷以生油为主，哈日凹陷烃源岩已接近“过成熟”程度，以生气为主，并伴随少量凝析油^[12]。

纵向上，火成岩发育的层段与不发育的层段，其烃源岩成熟度具有较大差异性，如YHC1井钻遇的巴音戈壁组烃源岩，其成熟度指标R_o随深度变化出现明显突变，火成岩发育处出现R_o明显增大，根据精细地震追踪解释，发现邻区YBC1井的巴音戈壁组内部同样出现了R_o突变(图 7)，进一步证实了该段烃源岩成熟度的突变与周围的火山活动有着直接关系。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 哈日凹陷YHC1井和邻区YBC1井的Ro随深度变化特征 Fig. 7 Relationship between Ro and depth of wells YHC1 and YBC1 in Hari Sag

哈日凹陷多期次的火山活动促进了研究区白垩系储层的白云石化作用，有效改善了储层的储集物性。近年来，热液白云石化作用越来越受关注，在北美、中东以及我国的新疆、四川、辽东等地区均有发育。火山活动带来的热液物质富含钙镁离子，通过火山喷发或者沿断裂侵入地层，较高的温度可有效克服白云岩形成的动力学屏障，加速白云石化作用^[28-31]。哈日凹陷数口探井钻遇了多套含白云岩的地层，在热液溶蚀作用下形成了大量溶蚀孔洞[图 8 (a)]或溶蚀扩大缝[图 8 (b)]等储集空间，构成了哈日凹陷的有利储集体，如离火山口距离最近的YHC1井巴音戈壁组白云质泥岩储层中获得了高产天然气，而距离较远的YH2、YH3井同层段中仅获低产油流。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 哈日凹陷YHC1井下白垩统岩心照片 Fig. 8 Photographs of Lower Cretaceous cores of well YHC1 in Hari Sag

火成岩自身也可以作为良好的储集层^[23-24]。哈日凹陷目前发现的喷出相火山角砾岩和凝灰岩，溢流相安山岩和玄武岩等火成岩中，晶间孔、气孔、砾间孔等原生孔隙较为发育，经后期构造运动的改造，大量裂缝沟通孔隙，从而形成了较好的油气储集空间(参见图 2)。巴音戈壁组这套火成岩侵入于烃源岩之中，为优先捕获油气资源的有利场所，具有良好的源储匹配关系，YH5井在巴音戈壁组的杏仁状安山岩中获得了工业气流。

关于银额盆地火成岩的研究成果较少，特别是火山活动期次及喷发模式方面，研究程度较低，王香增等^[17]根据野外露头和少量岩心样品进行了锆石测年，从而提出研究区的火山活动可分为4期，分别为早白垩世、中三叠世、晚二叠世和早石炭世，但由于银额盆地多为“凹隆相间”的构造格局，火成岩的分布在平面上的可对比性较差，各凹陷火成岩的发育特征也存在较大差异。因此，局部的岩心样品所获得的火山活动期次无法准确应用于其他凹陷。

本次对哈日凹陷火成岩发育期次与喷发模式的研究，采用了火成岩样品锆石定年方法和地震相的精细描述相结合的方法，既通过锆石定年得到了已发现火成岩年龄，又通过精细的井震标定明确了3期火成岩的平面展布特征。研究揭示，对古生界火成岩可依据地震锥形反射特征确定火成岩分布，对中生界巴音戈壁组早期的火成岩可通过蘑菇状地震反射特征识别；对中生界苏红图组火成岩须沿着火山通道上的深大断裂的下倾方向寻找。

在研究区YHC1井巴音戈壁组获得勘探发现之前，银额盆地的油气资源调查一直以古生界为主要目标，过去普遍认为中生界烃源岩成熟度较低，勘探潜力有限。YHC1井油气的发现彻底打破了过去人们对该区中生界的认识局限，为下一步勘探部署指明了新的方向。火山活动对烃源岩的成熟起着明显的促进作用，因此，在火成岩发育的区域进行勘探时，评价烃源岩成熟度要积极考虑周围火山活动的影响，在传统认识上可能的低熟烃源岩发育层段可适当扩大勘探范围。

(1) 银额盆地哈日凹陷发育火山角砾岩、凝灰岩、玄武岩、英安岩、安山岩等多种类型火成岩，根据研究区岩心样品开展的锆石U-Pb年代学研究，并结合地震相特征，首次明确了哈日凹陷晚古生代以来共发生3期火山活动，分别为晚二叠世、早白垩世巴音戈壁期以及苏红图期，其中前2期以中心式喷发为主，最后一期以裂隙式喷发为主。

(2) 哈日凹陷的3期火山活动不仅产生了自身发育储集空间的火成岩，而且提高了周围烃源岩的成熟度、促进了储层中灰质成分的白云石化，同时热液作用产生了一定量的次生溶蚀孔隙，有效解决了该区传统认识上因“烃源岩成熟度较低”和“缺乏有效储层”造成的勘探难题。

(3) YHC1井的勘探实例为银额盆地火成岩油气藏勘探指明了方向。