辽河盆地位于郯庐断裂南、北两段过渡带构造蜂腰部位,中国最主要的中新生代含油气盆地之一,是近几十年来地质学家研究的热点地区。辽河盆地东部凹陷是其中一个北东向展布的箕状凹陷,其古近纪地层包括房身泡组、沙三段、沙一段和东营组,地层内发育了大量的火山岩,这些火山岩不仅完整地记录了本区古近纪火山作用过程,而且还是本区最主要的油气储层,对其进行全面、深入而系统的研究,对于辽河及渤海湾盆地古近纪构造演化和动力学过程以及油气实际勘探和应用均具有十分重要作用。因此,本文在明确火山岩分布特征基础上,开展了火山岩的岩相学、岩石地球化学、同位素地球化学、岩石成因和储层主控因素、评价标准及物性下限研究,进行了锆石U-Pb定年、主量微量元素、Sr-Nd同位素和孔隙度、渗透率分析,讨论了火山岩的源区特征、形成过程和大地构造背景。在此基础上,结合其结构构造和储层物性特征,开展了火山岩储集层物性研究,探讨了火山岩作为一种十分重要的油气储集层的发育特征、控制因素和物性下限,并制定了专门针对于辽河盆地火山岩的分类评价标准。主要结论与认识如下:1.火山岩岩石组合及闪长玢岩的发现研究区古近纪火山岩以中-基性的玄武质和粗面质岩石以及与其共生的次火山岩为主,不发育酸性岩石。按岩石结构可分为4类:火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山角砾岩和次火山岩,进一步细分为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、粗安岩、粗面岩、角砾化粗面岩、凝灰熔岩、角砾熔岩、凝灰岩、火山角砾岩、辉绿岩和闪长玢岩12亚类。这其中的闪长玢岩在前人的研究中均认为是喷出的粗面岩,但本人在研究中发现,其与发育在研究区中部和北部的粗面岩相比,具有结晶程度好,纵向、侧向上延伸小,分布连续性差,以薄层状或穿层的形式出现在地层之中的特点。同时测得其锆石U-Pb年龄为31.47±0.35Ma,较其所在沙三段地层年龄(42.4~38Ma)明显年轻,而与上覆东营组(32.6~24.5Ma)的地层时代相同。根据以上特点,判断其不是沙三段时期喷出的粗面岩,而是侵入成因的闪长玢岩,属次火山岩。2.火山岩地球化学特征和岩石成因本区古近纪各个时期均有基性火山岩发育,但地化特征不尽相同。房身泡组基性火山岩主量元素表现出低碱低钾的特征,其K2O含量0.08%~0.15%,Na2O+K2O含量3.72%~3.79%。稀土元素总量低,轻重稀土元素无明显分馏,亏损大离子亲石元素Rb和K,具较低的εNd(t)值=1.58,其源区为受到俯冲大洋板片流体影响的软流圈地幔。其后沙三段、沙一段和东营组基性火山岩富铝富钠,Al2O3含量16.08%~18.36%,Na2O含量2.33%~5.04%。轻重稀土强烈分异,弱富集大离子亲石元素,富集Nb、Ta等高场强元素,ISr=0.7033~0.7042、εNd(t)=3.56~5.86,具有近OIB的地化特征和同位素值,其源区同样为软流圈地幔,房身泡组和沙三段玄武质岩浆不是原始地幔岩浆组成,而是原始岩浆经历了单斜辉石和磷灰石的分离结晶作用形成。沙一段和东营组玄武质火山岩可以代表原始岩浆组成,未经历分离结晶过程。各期玄武质火山岩形成过程中均未受到地壳物质明显的混染。沙三段地层中还发育有粗面质火山岩和东营期侵入的次火山岩闪长玢岩,粗面岩Si O2含量59.84%~64.04%,富钾富铝,Na2O含量2.98%~6.19%,K2O含量3.95%~9.28%,K2O/Na2O大于1,属钾质火山岩。稀土元素、微量元素曲线变化趋势与同期玄武质火山岩一致,且有相类似的同位素值ISr=0.7035~0.7045、εNd(t)=3.25~4.46,说明两者有着相同的来源。明显的Eu负异常和Sr、P和Ti元素的亏损,表明粗面质火山岩经历了斜长石、磷灰石、金红石、钛铁矿等的分离结晶。闪长玢岩具有和玄武岩相似的稀土和微量元素曲线形态,几乎无Eu的正负异常,有明显的P和Ti元素亏损,不亏损Nb、Ta,说明闪长玢岩形成过程中岩浆可能经历了磷灰石和钛铁矿的分离结晶,几乎无地壳物质混染。3.火山岩的构造背景活动大陆边缘区被广泛认为是地球上最为复杂的构造环境区,而古近纪时期正值太平洋板块西缘俯冲方向和速率再次发生变化的时期,这使得此阶段辽河盆地的构造环境尤为复杂,地球化学和同位素表现出不同的特征,同时古近纪时期内部不同时期岩石也表现出不同的特征。其中古近纪房身泡组火山岩稀土元素总量较低且轻重稀土分馏不强,微量元素含量也较低,亏损大离子亲石元素Ba和K,表现出类似于MORB的特征。而从沙三段开始,以及其后的沙一段和东营组,地化特征与房身泡组截然不同,与房身泡组相比其稀土元素总量明显升高,轻重稀土分异程度加大,微量元素含量也同样高于房身泡组火山岩。地化特征和同位素均表现出类似于OIB的特征,但与典型的OIB相比,不相容元素含量总体上较低,同时具有弱亏损Nb和相对富集K的特点。根据对本区古近纪火山岩地球化学和同位素特征进一步的分析,认为古近纪始新世和渐新世时期辽河盆地属于板内的构造背景,而古新世是辽河盆地由活动大陆边缘向陆内裂谷环境转化时期。火山岩形成于类似弧后拉张的构造环境,本区古近纪构造环境的变化主要受控于太平洋板块俯冲方向和速率的变化。中生代开始,太平洋板块向欧亚大陆板块开始俯冲。古近纪时期,俯冲速率变缓,同时俯冲进入软流圈的大洋板片由于重力作用下沉,使俯冲下去的板片后退,并带动海沟也向洋后退,这使得大陆边缘遭受板缘拉应力从而造成弧后区的拉张。在此背景下,岩石圈遭受拉伸,软流圈上涌,深部也有可能伴随因拆沉作用造成的岩石圈减薄。与此同时,郯庐断裂系活化并发生大规模走滑运动,导致辽河裂谷盆地同期地幔来源的火山岩浆活动。4.火山岩的储层意义火山岩有效储层主要受断裂、喷发旋回、岩相、岩性四方面控制。断裂控制着火山岩体的空间展布和次生裂缝发育情况,火山岩储层沿大型走滑断裂、尤其主断裂与派生断裂交汇部位集中发育,岩石的渗透率主要由次生裂缝的发育情况所决定;喷发旋回控制着火山岩储层的纵向分布,本区自下而上共发育3个火山喷发旋回,14个期次,有效储层集中发育在旋回二中部的粗面岩期次(S3q3);根据岩性组合、就位型式将本区火山岩相划分为火山通道相、爆发相、溢流相、侵出相和火山沉积相5种,又可细分为14种亚相。岩相控制着储层的规模和原生孔缝发育带,本区爆发相火山碎屑流亚相,侵出相的外带、中带和内带,四个亚相是有效储层发育最集中的相带;岩性决定储集空间类型及后期蚀变改造程度,储集空间分为原生和次生2大类,进一步根据储集空间的形成机制、形态和分布特征,划分9种类型14种亚类。原生储集空间是指形成于火山岩完全冷却之前的封闭系统条件下,在原生成岩作用下形成的各种开放式孔缝,包括原生气孔、格架孔、收缩缝和碎裂缝4类。次生储集空间形成于火山岩完全冷却之后的开放系统条件下,在次生成岩作用下,由原生储集空间发生改造或新的储集空间形成,包括溶蚀孔、隐爆缝、风化缝、溶蚀缝和构造缝5种。有效储层是在现有工艺技术和经济效益条件下能够采出具有工业价值产液量的储集层。依据孔隙度、渗透率、含油产状、试油结果等资料确定了本区火山岩的储层物性下限、建立储层分类评价标准。采用经验系数法、最小含油喉道半径法、含油产状法和试油法分别求取了储层物性下限,综合此四种方法将本区火山岩储层的有效储层物性下限值确定为:孔隙度3%,渗透率0.03×10-3μm2,当孔隙度<3%或者渗透率<0.03×10-3μm2时,通常不会形成工业或低产油气层。根据储层物性将火山岩储层划分4类,I类储层为高孔高渗储层(Φ>13%,高渗K>0.4×10-3μm2),II类储层为较高孔较高渗储层(Φ=13~8.5%,K=0.4~0.1×10-3μm2),III类储层为中孔中渗储层(Φ=8.5~3%,K=0.1~0.03×10-3μm2),IV类储层为低孔低渗储层(Φ<3%,K<0.03×10-3μm2)。油层主要发育在I类和II类储层中。