0 引言

近年来，随着我国对致密油攻关研究的逐步深入，高含凝灰质碎屑岩储层逐渐成为了油气勘探的一个热门新领域，受到越来越多地质学家的关注和重视^[1-4]。高含凝灰质碎屑岩储层主要是由火山碎屑岩组成的。火山碎屑岩是介于沉积岩和火山岩之间的过渡类型岩石，通常包括凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和凝灰质泥岩等。火山碎屑岩虽然大多都具有明显的碎屑结构，但在碎屑物质的成分和形态、胶结物的成分和结构特点、填隙物与碎屑颗粒之间的关系和矿物相互转化等方面，与常规的陆源碎屑岩相比具有其自身的独特性^[5-8]。目前，我国已在三塘湖盆地马朗凹陷、准噶尔盆地乌尔禾油田、渤海湾盆地惠民凹陷、二连盆地阿南凹陷，以及海拉尔—塔木察格盆地的乌尔逊、贝尔凹陷等地区的高含凝灰质碎屑岩储层中获得了工业突破^[9-12]，展示出高含凝灰质碎屑岩储层广阔的勘探前景。

海拉尔—塔木察格盆地(简称海—塔盆地)是一个典型的中、新生代发育的裂陷型沉积盆地，在其中部断陷带发育的乌尔逊凹陷、塔南凹陷、南贝尔凹陷和贝尔凹陷是最具勘探潜力的4个富油凹陷，下白垩统铜钵庙组和南屯组内发育大段的高含凝灰质碎屑岩储层，并已于其中获得了工业突破。前人针对海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩储层的岩相类型、储层特征和成岩作用等方面内容已取得了一定认识^[13-18]，但是对高含凝灰质碎屑岩储层的成因机制尚未进行过深入研究，制约了进一步的油气勘探部署。在本次研究中，综合岩心、薄片、录井和测井等资料，探讨海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩储层的成因机制，在此基础上剖析高含凝灰质碎屑岩储层与油气成藏的关系，以期为下一步油气勘探工作提供支撑和依据。

海—塔盆地是位于西伯利亚板块与华北板块之间的中、新生代陆相沉积盆地，普遍认为与蒙古国的塔木察格盆地为同一盆地。该盆地叠置于内蒙—大兴安岭古生代碰撞后所形成的造山带之上，凹陷总面积约36 260 km²。按照构造演化过程可分为断陷发育阶段、断坳转化阶段及坳陷发育阶段，分别对应铜钵庙组—南屯组沉积期、大磨拐河组—伊敏组沉积期及青元岗组沉积期。盆地主体沉积为白垩系，自下而上发育上侏罗统塔木兰沟组，下白垩统铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组、伊敏组及上白垩统青元岗组。盆地可划分为2个隆起带和3个断陷带。中部断陷带为该盆地最具潜力的勘探区，可分为4个二级构造单元，即乌尔逊凹陷、贝尔凹陷、南贝尔凹陷及塔南凹陷(图 1)。目前，在基底、铜钵庙组、南屯组和大磨拐河组均已发现了工业油气藏。

图 1 海—塔盆地地层系统及构造单元划分 Fig. 1 Stratigraphic system and structural unit division of Hailar-Tamucage basin

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海—塔盆地中部断陷带富油凹陷发育高含凝灰质碎屑岩的岩石类型主要包括凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质泥岩(表 1、图 2)。

a.凝灰岩，正交偏光，贝16井，1 351.21 m；b.凝灰岩，单偏光，贝22井，1 990.28 m；c.沉凝灰岩，单偏光，塔19-28井，2 248.45 m；d.凝灰质砂岩，单偏光，贝10井，1 620.00 m；e.凝灰质砂岩，正交偏光，贝16井，1 495.35 m(PL.斜长石；Q.石英；tuff.凝灰岩)；f.凝灰质泥岩，单偏光，贝39井，2 386.27 m。 图 2 海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩岩石类型 Fig. 2 Rock types of high tuffaceous clastic rocks in Hailar-Tamucage basin

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凝灰岩主要由岩屑、晶屑和玻屑组成，其中：岩屑主要由熔岩碎屑、塑性岩屑和黏土混合而成，体积分数为40%~50%，多呈次棱角—次圆状；晶屑则主要由石英、斜长石和少量的碱性长石组成，体积分数为30%~40%，多呈棱角状；玻屑大多是已脱玻化的呈管状、鸡骨状或棒状的塑性玻屑，体积分数为10%~20%。填隙物常为钠长石、黏土矿物、微晶石英和碳酸盐矿物等(图 2a、b)。

沉凝灰岩由岩屑和晶屑组成，其中：岩屑以次圆状—次棱角状的不规则塑性岩屑和熔岩岩屑混杂为特征，体积分数为60%~70%；晶屑则是以碱长石、斜长石为主，另有少量石英，多呈棱角状，体积分数为30%~40%，晶屑中的填隙物由黏土矿物和碳酸盐矿物组成(图 2c)。

凝灰质砂岩和凝灰质泥岩均由陆源碎屑和火山碎屑混合而成，其中：火山碎屑物质大多由多已云母化、呈不规则条状的塑性玻屑和晶屑(石英+长石，多呈棱角状)构成，体积分数为30%~50%；陆源碎屑多为呈次圆状的各种花岗岩和熔岩的碎屑，体积分数为50%~70%，填隙物则主要由黏土矿物、钠长石和碳酸盐矿物所组成(图 2d—f)。

海—塔盆地中部断陷带四大富油凹陷的高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型主要由凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和普通砂岩组成，但不同沉积时期、不同富油凹陷高含凝灰质碎屑岩储层具有各自的特点，岩石类型组合差异较大。铜钵庙组沉积时期(图 3a)：乌尔逊凹陷普通砂岩较其他凹陷更发育，高含凝灰质碎屑岩储层主要为凝灰质砂岩，其次为凝灰岩和沉凝灰岩；贝尔凹陷内沉积的高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型主要为凝灰岩，凝灰质砂岩和沉凝灰岩次之；南贝尔凹陷的高含凝灰质碎屑岩储层以凝灰质砂岩为主要岩石类型，其次为普通砂岩，沉凝灰岩欠发育；塔南凹陷高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型则主要为凝灰岩和凝灰质砂岩，沉凝灰岩少量发育。南一段沉积时期(图 3b)：乌尔逊和塔南凹陷高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型主要为普通砂岩，其次为凝灰质砂岩，沉凝灰岩欠发育；南贝尔凹陷高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型主要为凝灰岩和凝灰质砂岩，沉凝灰岩少量发育；贝尔凹陷高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型主要为凝灰质砂岩和普通砂岩，凝灰岩含量较低。南二段沉积时期(图 3c)：各凹陷均以普通砂岩沉积为主，高含凝灰质碎屑岩储层整体欠发育，塔南和贝尔凹陷相对发育，主要发育凝灰质砂岩和凝灰岩。整体来看，4个富油凹陷由铜钵庙组到南屯组储层中的凝灰质含量越来越低，高含凝灰质碎屑岩储层主要发育在铜钵庙组和南一段沉积时期。

a.铜钵庙组沉积时期；b.南屯组一段沉积时期；c.南屯组二段沉积时期。 图 3 各凹陷不同时期高含凝灰质碎屑岩储层岩石类型组成直方图 Fig. 3 Rock type composition histogram of high content tuffaceous clastic rock reservoir in different periods of each depression

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证明火山喷发存在最直接的证据就是找到火山口或者溢流相如熔岩的存在，但实际的情况是，乌尔逊、贝尔等4个凹陷在铜钵庙组沉积时期“处处见灰，却不见火山口”^[19-20]。虽然乌尔逊凹陷北部发育酸性流纹岩，但年代学研究结果^[21]表明，这些火山岩均形成于晚侏罗世，比铜钵庙组酸性凝灰岩发育的时代至少要早10 Ma以上。虽然在铜钵庙组早期和南屯组沉积时期，海拉尔盆地内确实经历过多次的火山喷发活动，但主要是基性火山喷发事件而且规模不大。因此，海—塔盆地断陷期发生的基性火山活动并不能造就铜钵庙组高含酸性火山灰物质的地质事实，比较合理的解释为这些火山灰来源于盆地之外。笔者通过对海—塔盆地周边的晚中生代火山事件进行研究后认为，这些火山灰来源于大兴安岭地区大规模的酸性火山喷发事件，理由如下。

1) 通过对海—塔盆地晚中生代火山事件与大兴安岭地区火山事件的测年数据统计后可以发现，铜钵庙组沉积时期记录的酸性火山灰事件主要形成于137~114 Ma，而大兴安岭地区强烈的中酸性火山喷发活动时期为138~110 Ma，两者具有很好的吻合性(图 4)。2)大量岩石地球化学的研究^{[19, 21-22]}表明，大兴安岭地区巨量的中酸性火山作用是海—塔盆地岩石圈大规模伸展减薄的产物，两者可能受控于统一的深部动力学过程或机制。3)海—塔盆地与大兴安岭毗邻发育，且两者的延伸方向大体一致，现今海—塔盆地的北部、东部均被大面积的晚中生代中酸性火山岩所包围。在晚中生代，如果把海—塔盆地比作“水塘”的话，那么大兴安岭就是海—塔盆地名副其实的“近水楼台”。因此，一旦大兴安岭地区发生火山喷发事件，海—塔盆地就很自然地扮演一名地质历史事件记录员的角色，更何况是晚中生代如此宏大而持续的中酸性火山喷发过程。

图 4 海—塔盆地与大兴安岭地区火山事件匹配图 Fig. 4 Matching map of volcanic events between Hailar-Tamucage basin and Daxing'anling area

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通过对岩心薄片、扫描电镜和压汞等试验资料的分析与应用，推断海—塔盆地中部富油凹陷中高含凝灰质储层的成因机制主要有2种类型：一种是同沉积期火山灰直接空降入湖型；另一种是同沉积期火山灰先降至陆上经河流搬运后再沉积的水携型。直接空降型成因是指邻区或本区火山喷发至空中的尘状凝灰质，经空中漂浮后降落至湖泊中直接沉积，火山灰经成岩作用后多形成凝灰岩和沉凝灰岩，这类地层的凝灰质含量较高，凝灰质的粒径和成分在局部区域内横向差异很小，可对比性好，沉积构造以水平层理和均质层理为主。水携型是指火山灰先沉降至陆上后经河流搬运作用沉积的一种成因类型，该类型形成的高含凝灰质碎屑岩储层主要由凝灰质砂岩和凝灰质泥岩组成，岩心可见明显的水流指向标志，如具有统计意义的长形颗粒定向排列和碎屑定向排列，组成类似斜向微递变的单向斜层理，除此之外还可见交错层理、平行层理、水平层理及波状层理，以及同生变形构造及生物扰动构造等丰富的沉积构造类型(图 5)。

图 5 海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩储层及优质烃源岩形成背景模式图 Fig. 5 Background pattern of formation of high-quality source rocks and high-quality calcareous clastic reservoirs in Hailar-Tamucage basin

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综合以上分析可以看出，海—塔盆地中部断陷带铜钵庙和南屯组沉积时期大兴安岭火山喷发形成的火山灰经由塔南凹陷向乌尔逊凹陷飘散，塔南凹陷距离火山喷发区最近，因此其储层中的凝灰质含量较其他凹陷明显偏高，南贝尔凹陷和贝尔凹陷次之，而乌尔逊凹陷距离火山喷发区最远，因此储层中的凝灰质含量最低。从成因类型来看：在铜钵庙组沉积时期，塔南凹陷和贝尔凹陷高含凝灰质碎屑岩储层主要包含凝灰岩和凝灰质砂岩，沉凝灰岩含量亦较高，因此成因以空降型为主，乌尔逊凹陷和南贝尔凹陷则是主要发育凝灰质砂岩，成因以水携型为主；南一段沉积时期，南贝尔凹陷以空降型成因为主，乌尔逊凹陷、塔南凹陷以水携型成因为主，贝尔凹陷为空降型和水携型成因强度相当；南二段沉积时期，南贝尔凹陷以水携型成因为主，乌尔逊凹陷、塔南凹陷和贝尔凹陷为水携型与空降型成因强度均相当(图 3)。

海—塔盆地总体来看储层成分成熟度较低，岩石类型较多，发育普通砂岩、凝灰岩、凝灰质砂岩及沉凝灰岩等，且火山碎屑物质含量自上而下(南二段至铜钵庙组)有增高趋势。普通砂岩主要属于中孔低渗型储层，高含凝灰质碎屑岩主要属于中低孔及高孔低渗型储层。凝灰质含量较高的碎屑岩物性大多比普通砂岩物性好，这是由于在有机质热演化及深源热流体的影响下，火山碎屑物质发生了溶蚀溶解，形成了次生孔隙。在相同构造单元及埋深范围内，凝灰岩及沉凝灰岩孔隙度范围主要分布在10%~15%，其次在5%~10%；凝灰质砂岩的孔隙度范围主要分布在5%~10%，其次在10%~15%；普通砂岩孔隙度普遍小于5%，其次分布在5%~10%。火山碎屑物质溶蚀形成的次生孔隙，其碎屑颗粒包壳有利于异常高孔隙带原生孔隙的保存。有机酸也对异常高孔隙带的发育有较大影响。异常高孔隙带的发育主要受到溶蚀溶解作用的影响。高含凝灰质碎屑岩储层的存在为海—塔盆地主要富油凹陷在深层内探寻有效储层奠定了基础，目前油气勘探深度已突破3 000 m大关(图 6)。

图 6 塔南凹陷铜钵庙组不同岩石类型孔隙度(a)及工业油流层位随深度变化图(b) Fig. 6 Porosity of different rock types (a) and variation of industrial oil flow horizon with depth (b) in Tongbomiao Formation, Tanan sag

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在初始断陷期，火山活动存在普遍，火山灰为多种生物的生长提供了大量所需元素。火山喷发后，飘落在湖盆内的火山灰对水体起到了“施肥”的效应作用，不仅使水体中的微生物在短期内疯长，水体盐度也同时增高，最终形成水体分层及水底还原环境。这保证了有机质种类丰富、产量充足，便于形成优质烃源岩，同时也为良好的埋藏保存创造了条件。研究显示，在陆相含油气盆地内，火山灰或者凝灰岩的分布密切影响着优质烃源岩的发育和分布^[21-22]。

通过研究海—塔盆地中部断陷带烃源岩分布特征，可知优质烃源岩与南一段凝灰岩的展布形态具有较好的对应性，推断同时期内深湖相泥岩沉积与空中降落的火山灰沉积是同时进行的。二者互层出现，表明烃源岩发育时期也是凝灰岩沉积时期。观察深湖相中保留下来的凝灰岩单层厚度较小、沉积期相对短暂，说明火山活动在区域内比较强烈，促使大量火山灰短期内快速沉积，将氧气与深湖相沉积物隔离开来，导致烃源岩发育于短暂性的缺氧环境下。而凝灰岩作为火山喷发的产物，高放射性元素U、K、Th存于凝灰岩内，异常放射性生成的热量使凝灰岩热流值高。故凝灰岩沉积可能导致地温升高，最终促使烃源岩热演化，对优质烃源岩的形成具有很大的促进作用(图 5)。

1) 海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩的岩石类型主要包括凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和凝灰质泥岩。不同时期、不同凹陷高含凝灰质碎屑岩储层发育特点各异，整体来看由铜钵庙组到南屯组储层中的凝灰质含量越来越低，高含凝灰质碎屑岩储层主要发育在铜钵庙组和南一段沉积时期。

2) 海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩储层中的火山物质来自于大兴安岭地区大规模的酸性火山喷发事件。储层的成因机制包括2种类型，一种是同沉积期火山灰直接空降入湖型，另一种是同沉积期火山灰先降至陆上经河流搬运后再沉积的水携型。

3) 海—塔盆地高含凝灰质碎屑岩储层中的火山碎屑物质受有机酸作用易于溶蚀，次生孔隙发育，为深部油气成藏提供了有效储层空间，并且火山喷发活动对优质烃源岩的形成具有促进作用，对于油气勘探具有重要意义。