松辽盆地位于中亚造山带东段,古生代以来该地区经历了由古亚洲洋构造域向太平洋构造域的演化过程。由于特殊的地理、构造位置,松辽盆地的形成和演化可能经历了来自不同时期、不同构造事件的影响。因地层连续沉积,沉积盆地详细记录了其自身形成和演化的历史以及区域上构造体制的转变过程。火山岩是地球深部动力学机制的地表表现,是研究区域构造作用的有效媒介。近年来,在松辽盆地营城组火山岩中发现了丰富的油气资源,针对火山岩的油气勘探程度明显提高,盆内具备丰富的钻井、地震、测井、火山岩年代学和地球化学等资料,这为盆地深层火山岩研究提供了条件。针对盆内中生代营城组火山岩及断陷期地层进行地层学与构造演化研究,既可为油气勘探部署提供理论支撑,也可为中国东北地区中生代构造演化提供证据。盆内火山岩具有多活动中心、多期次、类型多样、成分复杂等特征,形成的含火山岩地层在岩性特征、岩性序列和岩相组合等方面均存在一定差异;由于物源为火山喷出的岩浆,并受构造作用控制,火山地层序列常具有穿时、倒转现象;再加之火山岩中缺少化石资料,很难用古生物特征判断火山地层序列。上述因素致使火山地层序列精细划分、对比变得异常困难。徐家围子断陷是松辽盆地北部面积最大的断陷,由于断陷内营城组火山岩中含有丰富的油气资源,前人在火山岩相、火山机构、火山岩储层、火山岩地球物理识别技术等方面进行了广泛的研究,取得了一系列成果,但在火山地层划分与对比、火山地层形成与分布机制及盆地构造演化研究方面仍存在一些问题。(1)含火山岩地层序列研究缺少火山地层学理论约束与沉积地层的形成主要受盆地沉降及水位变化控制不同,火山地层的形成则更多受到构造、岩浆作用控制。目前我国含火山岩地层序列的研究,由于缺少火山地层学理论约束,多用沉积学和层序地层学理论和方法研究火山地层,没有考虑火山地层成因的特殊性,缺少以构造-岩浆作用为基础的火山地层研究,导致对火山地层结构认识不清,造成火山地层序列划分和对比困难。(2)松辽盆地营城组火山地层序列认识不统一与盆缘剖面、南部各断陷营城组火山地层序列(营一、三段以火山岩为主,夹营二段沉积岩)不同,原有认识认为北部徐家围子断陷营城组火山地层中缺失营二段沉积岩,营一、三段火山岩直接接触,并且在火山岩顶部发育一套下部为细粒砂泥岩、上部为粗粒砂砾岩的营四段。营二、四段和登娄库组主体都为沉积岩,三者之间关系复杂,营二段缺失和营四段出现的原因,目前还存在疑问。再加之断陷内构造特征复杂,不同区块火山岩发育有明显的区带性,并且少有钻井揭示完整的营城组地层序列,导致不同区块间火山地层序列划分和对比困难。(3)营城组火山岩年代学研究结果具有较大差异由于火山岩中缺乏化石资料,很难用古生物年代特征判断火山地层的形成时代。同位素年代学可能是唯一的选择。而不同的同位素年代学测年方法测得的营城组火山岩年龄结果具有较大差异。K-Ar、Ar-Ar法测得营城组年龄主体范围为136-120 Ma,而锆石U-Pb法测得的范围为120-103 Ma。由于测试方法、样品岩性及岩石风化程度的差异,从而造成测试结果存在较大差异,在这种情况下进行地层序列对比,常会出现样品年龄大小与其所属地层的先后顺序对应关系出现矛盾,这很难为确定火山地层序列的关系提供有利依据。(4)徐家围子断陷构造-火山-盆地充填关系不明确地层序列是地质学研究的基础。地层序列划分与对比存在问题,可能对火山岩分布规律、断裂活动期次、火山活动与构造作用的关系等相关研究造成一定程度的误导。研究区断陷期发育3条NNW向的主干断裂,由西向东呈条带状分布,而火山岩平面分布却呈现南北分块分布的特征,这说明断裂与火山岩分布的形态存在一定程度的不协调。原有认识认为徐家围子断陷在营城组时期发生过大规模右旋走滑,而营城组火山岩分布特征却未显示出受到该走滑剪切作用的影响,这说明断裂活动与火山地层分布特征不匹配。(5)区域动力学背景与盆地构造演化的响应关系不够明晰以往研究多认为松辽盆地是在古太平洋构造域或蒙古鄂霍茨克构造域或两者共同影响引起的持续拉张伸展背景下形成的。近年来,部分学者的研究表明盆地在沙河子末期(早白垩世晚期)曾发生过强烈的挤压作用,这在以往的研究中没有引起足够的重视。沉积盆地所记录的伸展和挤压作用交替出现可能预示着其在形成和演化过程中经历了不同构造体制的影响,具有不同的动力学背景。本文以松辽盆地盆缘剖面和徐家围子断陷为研究区,以营城组火山地层及盆地断陷期地层为研究对象,针对上述问题,开展以下研究:(1)总结具有等时地层界面意义的营城组二段地层特征,将其作为标志层,应用到营城组火山地层划分对比中;(2)以营二段地层为标志层,开展徐家围子断陷营城组火山地层序列划分与对比;(3)开展营城组火山地层年代学研究,为地层划分与对比提供依据;(4)在地层序列划分与对比的基础上,开展火山活动与构造作用关系研究,并分析断陷期盆地构造特征,总结构造-火山-盆地充填规律与控制机制;(5)通过构造演化史剖面,开展断陷期构造演化研究,探讨各构造演化阶段动力学背景。具体研究过程、方法和认识如下:1.营城组火山地层中的沉积夹层特征、成因、识别标志及其地层对比意义营城组火山地层序列是松辽盆地火山岩油气勘探的基础和关键。营城组二段是火山地层中具有一定规模和厚度、地震可识别追踪、具有等时地层界面意义的沉积夹层。在火山地层序列划分中作为标志层,是营城组进一步分段的关键层位。本文从位于吉林九台地区的松辽盆地盆缘营城组次层型剖面入手,与盆内徐家围子断陷进行对比,根据实测剖面、钻井、测井、地震等资料,证实在徐家围子断陷存在营二段地层,并总结其岩性及序列特征、分布规律与成因、地球物理识别标志。将其作为标志层应用到徐家围子断陷火山地层序列划分和对比中。研究结果表明:从盆缘到盆内各断陷普遍发育营二段地层,时代为早白垩世Albian期(110-108 Ma),沉积时限2-3 Ma,为火山喷发间歇期的产物;岩性以富含凝灰质夹煤层为主要特征,其碎屑组分粒度自下至上呈现“粗-细-粗”的全韵律;断陷内营二段地层厚度变化很大,7-368 m,平均73 m,平面上存在两类沉积中心:1与营一段火山岩最大厚度中心重叠的火山期后热沉降中心,岩性为富含凝灰质等火山物质的细粒砂泥岩;2继承性古地貌凹陷中心,岩性为火山物质含量低的砂砾岩夹粉砂岩、泥岩。不同成因的营二段地层地球物理响应特征存在差异:1由于富含凝灰质等火山物质,伽马值较高,测井曲线呈剧烈抖动的细齿状,地震反射轴呈现连续性好、强反射、易于追踪识别等特征;2凝灰质等火山物质含量低,伽马值也相应较低,测井曲线呈较平直的微弱细齿状,地震反射轴呈现连续性差、中-弱振幅的杂乱反射特征。以营二段为标志层,可将徐家围子断陷营城组分为三段,其中一、三段均以火山岩为主。地层对比结果显示:原分层中的营城组四段实属不同充填期的两套地层:下部细粒砂泥岩段应为断陷期的营二段,上部粗粒砂砾岩段应为坳陷期的登娄库组一段。2.徐家围子断陷营城组火山地层序列清晰的地层序列是油气勘探开发部署和后续相关地质研究的基础。以火山地层学理论为指导,以营二段地层为组内划段的标志层,以盆缘剖面揭示的一、三段内火山喷发期次特征作为段内划分期次的依据。基于121口钻井及相关岩心、岩屑、测井等资料,分析单井营城组岩性序列、岩相组合,进行组内划段、段内划期次,通过三维地震剖面进行井-震联合地层对比,由单井到各区块再到断陷逐步厘清火山地层纵向序列。地层划分与对比结果显示:徐家围子断陷营城组可划分为3段6期次。一、三段为火山岩段,二段为沉积岩段,自下而上各段厚度比为8:1:5。一、三段又可细分为3个火山喷发期次:一段自下而上分别为,中基性熔岩期次、酸性火山碎屑岩期次、酸性熔岩与酸性火山碎屑岩期次,各期次厚度比为1:2:3;三段自下而上分别为,酸性火山碎屑岩期次、中基性熔岩期次、酸性熔岩与酸性火山碎屑岩期次,各期次厚度比为1:2:2。徐家围子断陷各区块营城组地层序列发育存在差异:古隆起区(升平-宋站)地层厚度薄,但序列相对齐全,为营一段与营三段火山岩的叠合区;古隆起北侧凹陷区(安达)地层厚度大,但缺失营一段火山岩;古隆起区南侧凹陷区(徐西-徐东)地层厚度大,以走滑断裂(徐中断裂)为界,断裂西侧凹陷区(徐西)序列相对齐全,断裂东侧凹陷区(徐东)缺失营三段火山岩。3.徐家围子断陷营城组火山地层年代学特征由于火山地层序列常具有穿时或倒转现象,因此在基本厘清地层序列的基础上,针对关键层位进行年代学研究对判断火山地层序列才更有意义。本次火山地层年代学研究目的是剖析断陷内营城组各期火山岩的地质时代,趋近营城组火山活动的启动和终止时间,并在同一测年体系中比较所属不同地层序列的样品年龄大小,判断地层序列的先后顺序,并与本文地层序列划分结果进行对比,为断陷内营城组火山地层的精确划分与对比提供年代学证据。以营二段为标志层,在断陷内选取序列清晰、特征明显的营一、二、三段火山岩岩心、岩屑样品共14套,进行锆石LA-ICP-MS U-Pb测年分析。火山岩样品加权年龄和单颗粒锆石年龄结果表明:徐家围子断陷营城组火山岩年龄范围为120-105 Ma,时代为早白垩世晚期的Aptian阶-Albian阶。其中,营一段年龄为120-110 Ma,营二段年龄为110-109 Ma,营三段年龄为109-105 Ma。年龄测试结果表明,火山岩样品所属地层序列顺序与年龄大小对应关系基本吻合,本文地层划分方案合理。4.徐家围子断陷构造-火山-盆地充填特征及其受控机制由于富含丰富的油气资源,营城组成为松辽盆地深层油气勘探的主要目的层位。研究营城组火山地层的形成和分布的受控机制对油气勘探开发部署具有重要意义。本文在火山地层序列(组、段、期次)精细划分和对比的基础上,填制3段6期次火山地层厚度图,并通过构造演化史剖面分析区内各主干断裂性质、活动期次及构造属性(伸展、走滑特征和控陷方式),揭示断裂/古地形与火山地层厚度及分布的时空关系,探讨徐家围子断陷营城组火山地层形成和分布的受控机制。地层序列的详细刻画揭示出各期次火山地层的时空演化规律:徐家围子断陷营城组火山地层整体展布与主干断裂走向一致,均为NNW向,其中营一段火山岩连片分布,主要分布在断陷东南部,营三段火山岩分块分布,主要主要分布在断陷的西部和北部;各段内火山喷发期次由早到晚表现出喷发规模逐步增大、分布范围不断扩大、厚度不断增加的特点。通过构造演化史剖面分析、判断各主干断裂的活动期次:营一段时期,徐中、徐东走滑断裂带活动明显;营三段时期徐西断裂南、北段,徐中、徐东断裂均有活动。各段、各期次火山地层分布与主干断裂位置叠合图清楚揭示,营一段各期次火山地层呈现由西南向东北迁移的特征,地层厚度中心位于徐中断裂和徐东断裂带南部分支附近;营三段火山地层厚度中心位于徐西断裂南、北两段和徐东断裂带北部分支附近。综合控陷断裂性质、构造演化史分析、火山地层分布特征认为,火山地层的形成和分布明显受断裂和沙河子组末期受挤压构造作用形成的古地形控制。断裂对火山地层形成和分布的控制作用,主要表现为作为岩浆上涌通道和对地层分布具有走滑剪切改造作用,具体表现为:1断裂作为岩浆上涌通道,火山地层最大厚度中心常位于断裂附近;2断裂活动的时空变化控制了火山地层厚度中心的时空迁移;3断裂的产状控制了火山地层单元的产状,形成火山地层中特有的“喷发不整合”地层界面;4走滑断裂对火山地层的分布具有剪切改造作用,致使断裂两侧地层厚度存在差异,导致营二段地层追踪对比困难、营三段地层南北分块分布。古地形对火山地层分布的控制作用,表现为:1古凹陷区火山地层厚度大,古隆起区厚度薄;2古隆起区阻隔了其南、北两侧营一、三段火山岩的相向流动,致使其南、北两侧分别缺失营三段和营一段火山岩,而隆起区成为两段火山岩的“收敛、尖灭、交叠”区。徐家围子断陷营城组大规模、厚层(最厚达2400多米)火山岩的形成并非受控于该时期盆地的持续张裂,而是受断裂与古地形的耦合关系控制,具体表现为:作为岩浆上涌通道的主要断裂位于紧邻凹陷区的隆起斜坡上,有利的地形使喷出的岩浆“顺势而下”,古凹陷为其汇集提供了广阔的空间,使岩浆不能原地堆积堵塞通道,从而形成大规模、厚层火山岩。5.徐家围子断陷期构造演化及其动力学背景探讨松辽盆地位于蒙古-华北板块东北缘,其北部为西伯利亚板块、东部为古太平洋板块,断陷期(150-105 Ma)盆地围区发生了蒙古-鄂霍次克洋关闭和古太平洋板块向欧亚大陆东缘俯冲等区域构造事件。由于特殊的地理、构造位置,松辽盆地的形成和演化可能受到来自不同时期、不同构造事件的影响,使之成为研究和解决中国东北地区构造演化问题的关键区域。盆内断陷期地层发育,连续沉积的地层充填物详细记载了盆地的形成和演化历史,同时也可能系统记录了区域上的构造演化过程。本文在构造演化史分析的基础上,量化断陷期各组段地层伸展率,划分构造演化阶段,分析各演化阶段的构造属性(拉张伸展、挤压、走滑作用的强度及方向),结合同期板块运动和围区火成岩特征,探讨区域构造体制时空演化。基于构造演化史剖面计算的地层伸展率:火石岭组时期地层平均伸展率为18.6%,沙河子组时期为20%,营城组时期为0.5%。区内断陷期地层展布方向为NNW,发育三组NNW向断裂。火石岭组-沙河子组时期,断裂活动表现为NNE-SSW向拉张伸展与NNW-SSE向走滑并存,但以NNE-SSW向拉张伸展作用为主;沙河子组末期,断陷受到NNW-SSE向挤压,中部地区褶皱隆起,南、北地区形成凹陷;营城组时期,断裂活动以NNW-SSE向走滑剪切作用为主。根据各期地层的伸展率变化特征、区内主干断裂性质及活动期次,将徐家围子断陷期分为3个构造演化阶段:火石岭组-沙河子组拉张伸展期(晚侏罗晚期-早白垩世中-晚期,150-135 Ma)、沙河子组末挤压褶皱期(早白垩世中-晚期,135-130 Ma)、营城组走滑剪切期(早白垩世晚期,130-105 Ma)。由构造特征推测各构造演化阶段构造应力方向为:拉张伸展期,NNE-SSW向拉张与NNW-SSE向拉张并存,以NNE-SSW向拉张为主;挤压褶皱期,NNW-SSE向挤压;走滑剪切期,NNW-SSE拉张。盆地构造特征的转变,可能源自不同动力学背景下区域构造体制的转变。将本文各演化阶段时代及其构造应力大小、方向变化特征与蒙古-鄂霍茨克构造域和古太平洋构造域的时空演化特征进行比对,将断陷内两期火山岩(晚侏罗-早白垩世早期火石岭组和早白垩世晚期营城组)与中国东北地区中生代各期火成岩的时空分布特征进行比对,结合地球化学特征揭示的松辽盆地中生代火山岩形成的构造背景。综合分析认为,徐家围子断陷期构造演化是由围区西伯利亚板块和古太平洋板块运动方向和速率变化以及两板块间的相互作用共同决定的。具体而言,火石岭组-沙河子组时期的拉张伸展与走滑作用是蒙古-鄂霍茨克洋关闭后伸展作用与古太平洋板块俯冲后伸展作用联合影响下形成的;沙河子末期的挤压作用是古太平洋板块转向、加速俯冲引起的;营城组时期的走滑剪切作用是古太平洋板块俯冲后伸展背景下形成的。蒙古-鄂霍茨克构造域对松辽盆地的影响可能于早白垩世中-晚期(135-130 Ma)趋于湮灭。