2016, Vol. 31
2. 中国石化西北油田分公司, 乌鲁木齐 830011
2. Northwest Oilfield Branch Company of SINOPEC, Vrümqi 830011, China
塔里木盆地于早二叠纪发育大火成岩省(LIP)，主要由溢流玄武岩及大量铁镁质-超铁镁质侵入岩构成(Mahoney and Coffin, 1997; Pirajno, 2000; Ernst and Buchan, 2001, 2003)，其形成可能与俄罗斯西伯利亚圈闭(约251 Ma) (Campbell et al., 1992; Arndt et al., 1998; Reichow et al., 2009)、中国西南峨眉山LIP (约260 Ma) (Chung and Jahn, 1995; Xu et al., 2001; Zhou et al., 2002)有一定联系.识别二叠系岩浆活动的过程对研究区域构造演化及其与奥陶系热液储层的关系至关重要.
顺南1井三维地震区位于塔里木盆地塔中隆起中部偏东地区，其内所钻顺南4井在奥陶系可能的热液白云岩储层内发现工业油气流，此热液储层可能与断裂及火山活动有一定关系，所以研究该区火山岩发育及火山活动期次是了解热液储层的重要途径之一.塔里木盆地二叠系广泛发育火山岩，通过杨树锋等(2005)绘制的全盆地基性和酸性火山岩分布图(图 1)可以看出两套火山岩在塔里木盆地东部均尖灭缺失，但这种缺失属于后期剥蚀还是没有沉积则不得而知.尽管塔里木盆地二叠系火山岩前人研究程度较高，但大多为野外调查结合地球化学方法研究火山岩组分、年龄、来源，且研究区主要集中在柯坪、巴楚等地(Zhou et al., 2009; Zhang et al., 2012; Li et al., 2014; Xu et al., 2014)，对于塔中顺南地区火山岩如何分布和分期，火山口位置及尖灭线如何确定等问题尚未探明，而恰恰这些问题正是研究热液作用的重要线索.
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图 1 工区位置及火山岩分布范围 Figure 1 The location of study area and the distribution of igneous rocks around the study area |
在此次研究中，我们以三维地震资料为主，结合已有的钻井、录井资料，参考国内外前人对塔里木二叠系火山岩的研究成果，从火山岩岩性、期次、展布、火山口位置四方面入手，探讨了顺南地区火山岩尖灭类型、火山口分布及其与断裂、热液活动之间的关系，旨在找出岩浆活动与热液作用和储层发育之间的联系，为该区热液储层油气勘探提供参考.
1 地质背景塔里木盆地位于中国西北部的新疆维吾尔族自治区南部，是中国最大的内陆盆地，占地面积达到600000 km2.塔里木盆地北部和西部被天山造山带所环绕，南部被西昆仑和阿尔金造山带所环绕.塔里木盆地在太古界、元古界结晶基底之上沉积了巨厚的古生界、中生界及新生界沉积地层(Hu et al., 2000; Long et al., 2011).塔里木盆地曾发生多期构造热事件，最重要的四次分别发生于新元古代至寒武纪(774~673 Ma)、奥陶纪(460~484 Ma)、二叠纪(264~282 Ma)、白垩纪(约100 Ma).其中二叠纪岩浆活动与塔里木大火成岩省的形成密切相关(Long et al., 2010; 徐义刚等, 2013).
随着地震资料和钻井资料的逐渐丰富，塔里木盆地二叠系发现大量火山岩，主要为以玄武岩、辉绿岩、安山质玄武岩等为代表的铁镁质火山岩和以正长岩、流纹岩、英安岩等为代表的长英质火山岩(杨树锋等，1996；陈汉林等, 1997, 2006; 陈咪咪等，2010; 吴根耀等，2012；Li et al., 2014；Xu et al., 2014).其岩相包括火山溢流相、火山爆发相、火山沉积相等(王璞珺等，2003；罗静兰等，2006).火山岩中构成大火成岩省主体的溢流玄武岩主要分布于盆地西部及西南部(图 1b)，由西南向东北厚度逐渐增大，两个最重要的出露地区为柯坪和达姆斯地区，其中柯坪地区音干村一带玄武岩厚度最大(Zhang et al., 2012).塔里木盆地火山岩具体延伸面积由于古生代、中生代沉积盖层过厚以及部分火山岩埋藏在塔克拉玛干沙漠之下而无法探明(Xu et al., 2014)，但根据近年来新的地球物理和钻井资料，预计面积可达2.0~2.65×105 m3(Zhou et al., 2009)，玄武岩厚度变化范围为数米至数百米不等，平均厚度为300 m左右，因此可以推断其体积达到75000 km3(Li et al., 2011；Yu et al., 2011).根据最新发布的锆石U-Pb测龄结果，其主要形成时间约为285~290 Ma (Tian et al., 2010; Yu et al., 2011).此外，塔里木盆地塔北隆起、北部坳陷中、西部二叠系地层发育流纹岩等酸性岩，预计分布面积远小于玄武岩，仅为0.46×105 km2(Pan et al., 2014)，根据Ar40/Ar39法和锆石SHRIMP测试数据，其形成年龄主要集中在274~284 Ma.仅盆地北部小部分地区同时发育玄武岩、流纹岩(杨树锋等, 2006; Huang et al., 2012).
顺南1井三维地震区位于塔里木盆地中部，塔中隆起中央偏东地区(图 1)，北邻满加尔坳陷，南接塘古孜巴斯坳陷，西侧为塔中I号断裂带.该区二叠系自下而上分别发育南闸组、库普库兹曼组、开派雷兹克组和沙井子组，其中库普库兹曼组和开派雷兹克组为火山岩-沉积岩旋回(蒲仁海等，2011).根据钻井资料，工区内库普库兹曼组厚度为100 m左右，主要由粉砂岩和浅红色泥岩互层构成，底部发育一套玄武岩，是与其下由砂泥岩组成的南闸组的区分标志.开派雷兹克组厚度为200 m左右，主要为泥岩和砂砾岩互层，顶部为厚层泥岩，其上沙井子组被剥蚀.由于高速火山岩与低速碎屑岩交替分布，因此可以通过地震剖面上的强振幅异常结合钻井资料判断火山岩分布范围(Pu et al., 2012).工区内发育NNE、NEE和NWW向断裂，火山岩的分布在一定程度上会受到断裂的控制，岩浆沿着断裂运移并沉积成岩，所以火山口多分布在东侧顺南4井附近的多组断裂密集或交会处，直径范围为200~500 m，地震剖面上显示不明显.
平面上根据杨树锋等(2005)，塔里木盆地区域上的火山岩尖灭线正好位于三维地震区内，区内所钻顺南1、顺南4、顺南5井二叠系均发育火山岩，且在奥陶系发育可能的碳酸盐岩热液储层，顺南4井试气获得工业产能.三维地震区外顺南2和顺南3井等则缺失了二叠系火山岩.
2 二叠系火山岩研究 2.1 工区火山岩岩性识别不同火山岩测井响应特征不同，在缺乏取心的前提下，结合录井和测井曲线资料，可以判断工区内顺南1、4、5井二叠系地层发育火山岩.该区火山岩岩石类型较为简单，主要为基性玄武岩和沉凝灰岩.通过测井曲线可以看出，顺南4井玄武岩具有平直低自然伽玛(小于50 API)，低声波时差(50~70 μs/ft)和高电阻率(2~100 Ω·m)的测井曲线特(图 2).由西向东，三口井的二叠系玄武岩自然伽玛均在37 API左右，但AC平均值分别由顺南1井的50 μs/ft、顺南5井的55 μs/ft增大至顺南4井的70 μs/ft，同时电阻率值也有所下降，这可能反映了玄武岩内气孔和流体含量朝东部钻井逐渐增多.
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图 2 顺南1井-顺南5井-顺南4井钻井连井剖面图 Figure 2 The well tie section of Shunnan 1 well-Shunnan 5 well-Shunnan 4 well |
工区内顺南4井、顺南5井岩屑录井及薄片鉴定见到沉凝灰岩，它们在测井火山岩类型交会图也具有高声波时差的特征(图 3).但凝灰岩的测井特征总体上与陆源碎屑岩较相似或相近，因此，在缺乏取心和典型凝灰岩显微薄片的情况下，从测井和岩屑录井综合来看，该区井下火山岩主要为玄武岩，也发育沉凝灰岩，但厚度很薄.
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图 3 塔河和顺南地区火山岩测井交会版图(修改自罗静兰，2003) Figure 3 The volcanic rocks' logging crossplot in Tahe and Shunnan area (modified by Luo, 2003) |
前人研究认为，塔里木盆地二叠系库普库兹曼组和开派雷兹克组发育火山岩(蒲仁海等，2011)，但这两套地层在顺南1井区内是否存在尚未得知.顺南三维区录井揭示了一期火山岩，究竟属于哪一期？又属于何种尖灭类型？经过区域钻井对比与三维地震解释，顺南1井区内火山岩属于二叠系库普库兹曼组，开派雷兹克组被不完全剥蚀.该区火山岩属于沉积缺失尖灭.二叠系底部南闸组在全盆范围内岩性较稳定，以大套中-薄层状灰褐色、灰色泥岩夹灰色、褐色粉-细砂岩及灰色泥灰岩、灰岩为主(郭倩等，2011)，与石炭统卡拉沙依组灰岩平行不整合接触，顶界与上覆库普库兹曼组基性火山岩接触，易于区分(图 4).在存在南闸组和火山岩的情况下，顺南1、5井在南闸组之上发育了两个低自然伽玛火山岩-高自然伽玛碎屑岩的旋回，这两个旋回应属于库普库兹曼组和开派雷兹克组，其上缺失了沙井子组(图 4).顺南4井二叠系上部被剥蚀，只保留了库普库兹满组一个旋回.显然，从以上对比可以看出，顺南1井区的开派雷兹克组无火山岩，目前看到的火山岩为库普库兹满组.顺南1井区周边古隆1井等二叠系库普库兹满组缺失火山岩，对应地层存在，但岩性变为砂岩或砂砾岩，所以这一缺失应属于沉积缺失，火山岩的尖灭线即为沉积尖灭线.经过与塔中、塔河地区火山岩井的对比(图 4)可以看出，顺南1、4井石炭系存在含灰岩段、标准灰岩段以及生屑灰岩段，并且与塔中45井基本可以对比.二叠纪末塔东地区和巴楚隆起发生强烈隆升，残余二叠系厚度总体具有南厚北薄的特点，顺南地区二叠系上部的开派雷兹克组属于剥蚀缺失的可能性较大，即便存在也不含火山岩.
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图 4 中13-塔中45-顺南1-顺南5-顺南4-古隆1井钻井剖面区域对比图 Figure 4 The well tie section of Z13 well-TZ45 well-SN1 well-SN5 well-SN4 well-GL1 well |
火山岩在地震剖面上通常为强振幅反射(Pu et al., 2012)，通过对火山岩强反射轴(T51)的属性提取和反演处理解释，可以得出火山岩分布范围和厚度变化.火山岩波阻抗大，与小波阻抗砂泥岩之间形成强振幅反射，所以，强振幅异常应当指示了火山岩的分布.沿T51+-15 ms时窗提取最大波峰振幅属性平面图(图 5)，可以看出工区内火山岩呈舌状分布，由南向北逐渐分叉形成三个分支，最大的一支流向北北西，宽约30 km，长超过100 km，延伸到三维地震工区之外.沿北北东方向存在一个较小的分支，宽约8 km，长70 km.最小的分支朝正北延伸流动，长20 km，宽2~5 km.火山岩在北西向下倾沉积边界呈细小和短的分叉树枝状尖灭，而在较高的南侧或南东侧则尖灭线较平直，说明朝上倾方向的古地形较陡，岩浆被截然阻隔.工区周边的顺南2井、顺南3井、古隆1井等位于火山岩分布范围之外，因此可以说明它们的火山岩缺失应属于沉积缺失而不是剥蚀缺失.通过开展测井约束的波阻抗和自然伽马反演，可以了解火山岩的剖面、平面展布和厚度与岩性横向变化.结合连井波阻抗(图 6a)自然伽马(图 6b)反演剖面可以看出，火山岩在顺南1井处较厚，顺南4井较薄，顺南5井最薄.其内部波阻抗分布不均一，在顺南1和顺南5之间的玄武岩内存在一些小的波阻抗不均匀变化，可能对应为岩性和含气孔的变化，总体具波阻抗由西向东变小趋势，而自然伽马变化不大.平面上过顺南4井、顺南5井的南北向伸展的火山岩波阻抗明显比过顺南1井的火山岩主体区波阻抗低(图 7a).结合火山岩反演自然伽马平面图(图 7b)可以看出，火山岩分布范围内西部火山岩伽马低、波阻抗高，应以玄武岩为主；东部火山岩伽马高、波阻抗低，可能含较多凝灰岩或气孔.T51上下15 ms波形分类显示顺南地区二叠系火山岩存在三个不同相区.结合波阻抗和所在相区的钻井火山岩类型，可将三个地震相区分别解释为波阻抗最高自然伽玛最小的的致密玄武岩相区，波阻抗和自然伽玛中等的含气孔玄武岩相区和波阻抗较小自然伽玛值较大含凝灰岩的玄武岩相区(图 7d).
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图 5 T51+-15 ms最大波峰振幅平面图 Figure 5 The planar graph of T51+-15 ms Maximum Peak Amplitude |
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图 6 顺南1井-顺南5井-顺南4井连井波阻抗(a)自然伽马(b)反演剖面图 Figure 6 The well tie wave impedance (a) and GR (b) inversion profile of Shunnan1-Shunnan5-Shunnan4 well |
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图 7 (a)T51反演平均波阻抗平面图；(b)T51反演平均自然伽马平面图；(c)工区下二叠统(T54-T51)时间厚度平面图；(d)T51+-20 ms火山岩反射波形分类平面图；(e)火山岩厚度分布图；(f)工区火山岩顶面深度图 Figure 7 (a) The planar graph of T51 inversion average impedance; (b) The planar graph of T51 inversion average gamma; (c) The planar graph of lower permian series' time thickness; (d) The planar graph of T51+-20 ms volcanic rocks reflection waveform classification; (e) The distribution of volcanic rocks; (f) The thickness of volcanic rocks' top surface depth |
根据火山岩调谐振幅与火山岩厚度的关系以及波阻抗反演结果，可以勾画出火山岩厚度平面图(图 7e)，可以看出火山岩厚度分布存在一定规律，最大厚度为40 m，有两个最大厚度中心，有可能为火山口.其中西北部厚度较大区域为反演波阻抗大于48000百分含量较高区域.根据塔河(汤良杰等，2012)和松辽盆地南部(王璞珺等，2003)断陷层火山岩的研究证明，玄武岩厚度变化受古地形影响较大，由于岩浆流动和充填作用，在古低洼的地方，玄武岩的厚度较大.所以顺南1井区北西厚度大可能与北西方向古地貌低有关.
T54-T51的地层厚度图大致反映了南闸组-库普库兹满组的沉积厚度，在工区库普库兹满组尚未遭受明显剥蚀的情况下，这一厚度大致可以反演火山岩沉积时的古构造古地貌.由图可以看出，火山岩沉积时大致也具有北西倾的古构造古地形特点(图 7C)，反映岩浆喷出地表后存在自南东朝北西流动的趋势.这一古构造特征与现今火山岩顶面构造特征(图 7F)基本一致.
2.4 火山口特征与分布塔中地区火山口具有火山岩顶面拱形反射、低振幅低相干值异常、火山岩厚度增加、火山爆发相等特点(Pu et al., 2012)，多发育于断裂交汇处，直径大多为200~500 m，地震剖面上显示不明显(Notsu et al., 2014).
工区内火山口在地震剖面和火山岩层(T51)的相干体沿层切片上反映较明显.在研究区T51上延5 ms和下延20 ms的沿层相干切片上火山口成圆形的低相干特征，火山口直径100~1000 m，200~500 m者多见，主要分布在顺南4井和顺南5井之间中央偏南地区(图 8).这种火山口规模与五大连池、澳大利亚(Blaikie et al., 2014)、日本(Notsu et al., 2014)等地的现代玄武岩火山口规模较为接近.在地震剖面上火山口位置的T51同相轴发生下弯，并在下弯处存在后期沉积物充填特征，T54和T50及其附近地层产状未发生变化，火山岩表面的下弯可能是由于火山口岩浆冷凝收缩和局部下沉所造成.同相轴的下弯反映了一定规模的塌陷，紧挨塌陷的上覆沉积物将塌陷填平补齐，塌陷段上下地层产状保持水平.较易流动的基性岩浆火山口易于形成这种特征，塔河地区酸性岩浆由于不易流动，火山口往往具上拱地貌特征.
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图 8 T51-5+20 ms沿层相干平面图，火山口呈低相干小圆点分布(a)和过火山口北东向地震剖面，火山口处的T51火山岩同相轴下弯，其上被填平(b) Figure 8 The planar graph of T51-5+20 ms coherent along the horizon, the volcanic craters distributed as little dot, T51 event around the volcanic rocks bending |
根据二叠系火山口正演模型(图 9)可以看出，直径500 m、1000 m的火山口才可以在地震剖面上有明显显示，小于500 m的火山口基本看不出来.工区内火山口多为200~500 m，因此在地震剖面不易识别.工区的这种火山口集中分布在过顺南4井的北北东向断裂带附近，位于一个宽约5 km、长20 km的北东向矩形区域内，各火山口相距1~10 km，一般2~4 km，大约总共存在18个火山口，稍大较明显的火山口约9个.
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图 9 二叠系火山口正演模型 Figure 9 Permian volcanic craters' forward model |
断裂通常被认为是火山或岩浆作用的通道(邬光辉等，2012；England et al., 1987).塔里木盆地长期以来经历了多期次构造运动的改造，发育了数百条不同期次、不同性质、不同规模和级别的断裂(Coleman，1989；Allen et al., 1999；任建业等，2011)，主要为NW向、NE向、EW向大断裂(闫磊等，2014).顺南1井工区内主要存在三组断裂，分别为NNE、NEE和NWW向(图 10).根据三维地震断裂带地层厚度与两侧同期地层厚度的对比分析得出，其中NEE和NWW向断裂属于加里东早期同时形成的共轭同生张扭断裂，它们起始于中寒武世，NWW向断裂随后停止活动，而NEE向断裂经过晚寒武-早奥陶的静止期后，良里塔格组沉积期再次张扭活动，于该组末期停止.NNE向断裂在桑塔木组至柯坪塔格组沉积期间开始同生压扭活动，中志留世塔塔埃尔塔格组沉积期转为同生张扭性质，至泥盆-石炭纪断裂属于静止期，二叠纪可能因岩浆上拱再度拉张活动.因此，NNE向断裂形成的时间最晚，NEE向断裂次之，NWW向断裂形成的时间最早(表 1).
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图 10 三组断裂在地震剖面响应特征 Figure 10 The response characteristics of three groups of faults in seismic profile |
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表 1 顺南1井三维区三组不同方向的断裂要素表 Table 1 The elements of three groups of different trending faults in Shunnan 1 well 3D survey |
将三组断裂与火山口位置投在同一张平面图上(图 11)则可以看出，火山口主要分布在NWW向断裂F7与NNE向断裂F3交会处，位于NNE向断裂F3两侧，并且此处火山岩厚度最大，可达40 m左右.除此以外，NWW向断裂在火山口附近由其他位置的单条断裂变成了三条断裂，平面上的断裂密度明显增大，断裂间间隔距离由工区中部没有火山口部分的10 km左右减少至2~3 km.加里东期活动的老断裂对岩浆从深部进入浅部地层可能有控制作用，而海西期的新断裂则对岩浆从地下喷出地表的火山口位置起控制作用.这说明了火山口的位置可能由多组断裂交会和断裂分布密度共同控制，而不只是受海西期断裂控制.
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图 11 顺南1井工区奥陶纪强振幅异常与断裂、火山口及火山岩厚度关系图 Figure 11 The relationship between Ordovician's strong amplitude anomaly and faults, volcanic craters, the thickness of volcanic rocks in study aera |
露头和井下岩脉及火山岩测年分析表明，塔里木盆地有四期主要岩浆活动与地质热事件，分别为震旦纪-寒武纪、奥陶纪、二叠纪、白垩纪，其中以二叠纪岩浆作用最为强烈，分布范围最广(陈汉林等, 1997a, b).热液流体的产生与火山岩浆作用有着密切的关系，岩浆在作用过程中分异出大量热液流体，并且可以将附近地层内的流体改造为热液流体，沿断裂裂缝等通道运移，对奥陶系碳酸盐岩地层产生影响(金之钧等，2006).
研究区奥陶纪碳酸盐岩地层之上与恰尔巴克和良里塔格组之间为连续沉积，没有地层缺失，蓬莱坝组与鹰山组以及鹰山组与一间房组之间的也未见明显的不整合，所以表层岩溶可能并不存在，或不是主要溶蚀类型.埋藏溶蚀至油气或酸性溶蚀进入储层以后的溶蚀规模和强度有限，目前地震剖面上大量奥陶系碳酸盐岩弱反射中存在的串珠(窄带状垂直强振幅异常)基本不可能由埋藏岩溶形成.所以顺南4井区主要的岩溶类型应该为热液溶蚀成因.热液流体携带大量的有机酸、CO2、H2S、SO2等挥发性物质沿断裂、裂缝、层理、不整合面和其他孔隙进入储层，沿热液通道两侧进行溶蚀改造，在地震剖面上形成大量管状洞和片状洞(图 12a)，其中管状洞在平面上呈圆点状，面积小于0.3 km2；片状洞在平面上呈片状，面积大于0.3 km2(图 12b).经过统计，管状强振幅异常分布的层段主要为蓬莱坝组(T80-T78之间)，约占所有管状异常的85%，而片状异常主要分布在蓬莱坝组中部以下及寒武地层，占所有片状异常的71.9%.这可能由于在早奥陶、早志留和早二叠世三期岩浆和热液活动中，蓬莱坝组地层已经形成，蓬莱坝组比鹰山组和一间房组的碳酸盐岩有更多机会遭受早奥陶世及其以前的热液作用，所以其管状洞的发育频率大于鹰山组和一间房组.
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图 12 管状强振幅异常与片状强振幅异常剖面形态(a)与蓬莱坝组顶部下延80 ms (T78+80 ms)平均反射强度振幅平面图(b) Figure 12 The profile shape of tubular strong amplitude and flake strong amplitude (a) and the planar graph of T78+80 ms average reflection intensity amplitude |
虽然串珠状强振幅的分布范围与火山口和断裂无明显的相关性，但层状溶洞与火山口具有类似的发育与分布规律，即主要沿老断裂密集带和新老交汇处发育和分布最多(图 13).强振幅的厚度也在新老断裂带交汇处增大，说明与火山活动类似，这些片状溶洞形成也受到断裂密集带和新老断裂交汇的控制.NEE向与NWW向老断裂使得深部地层错断和破裂，强度变薄弱，岩浆和热液上涌优选了这些位置，造成其附近围岩碳酸盐岩的较强溶蚀.
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图 13 奥陶系碳酸盐岩强振幅异常分布与火山口位置关系图 Figure 13 The relationship between Ordivician carbonate rocks strong amplitude anomaly and the location of volcanic craters |
顺南1井区二叠系火山岩主要为玄武岩和沉凝灰岩，属于下二叠统库普库兹曼组，其上开派雷兹克组为陆源碎屑岩，沙井子组地层被剥蚀，井区周边顺南2井、古隆1井火山岩的缺失属于沉积缺失.井区内火山岩在北西倾的古构造古地理背景下，喷出后朝北西方向流动，由于沿沟谷冲填其朵状体的下倾尖灭线边界呈树枝状，上倾尖灭边界则呈陡坎的直线状.
5.2工区主要发育NNE向、NEE向、NWW向三组断裂，火山口主要发育在过顺南4井的北北东断裂两侧，火山口的位置受早期北东东和北西西密集断裂带与晚期(海西期)北北东断裂交汇点的控制.加里东期老断裂控制了岩浆由深部进入浅部地层，海西期新断裂则控制岩浆由浅部地层喷出二叠纪地表.
5.3顺南1井区奥陶系地层溶蚀类型为热液溶蚀，蓬莱坝组及其附近碳酸盐岩地层发育大量由热液溶蚀造成的片状强振幅异常及管状强振幅异常，其中片状强振幅的分布与火山口位置有一定相似性，即都受到多组断裂交会以及断裂密集程度的控制.
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