楊江峰

中國石油化工股份有限公司 石油物探技術研究院,南京 211103

0 引言

塔里木盆地塔中隆起帶是油氣有利勘探區(qū)之一[1--4]，幾乎所有鉆井均鉆遇了厚度不等的二疊紀火山巖，除了TZ47井發(fā)現(xiàn)與火山巖相關油氣藏之外[5--7]，其余鉆井均未在火山巖中獲得工業(yè)油氣流。塔里木盆地油氣勘探主探目的層集中在奧陶系碳酸鹽巖、泥盆系東河砂巖等領域[8--10]，二疊紀火山巖油藏尚不是油氣勘探的重點。李軍等[11]進行了火山巖儲層勘探現(xiàn)狀、基本特征及預測技術綜述研究，目前火山巖油氣探明儲量占世界總探明儲量的1%。根據火山巖與油氣成藏關系分析，有學者認為塔里木古生界百億噸油藏的破壞可能與二疊紀巖漿活動有密切聯(lián)系[12--13]。

21世紀以來，塔里木大火山巖省得到了地學界的廣泛關注，前人利用塔里木盆地周緣地質露頭資料開展大量地球化學研究，認為塔里木二疊紀大火山巖省主要噴發(fā)時限在早二疊世，塔里木大火山巖省的成因與地幔柱相關，并建立了宏觀地幔柱模式[14--15]。閆磊等[16]基于航磁資料進行二疊紀火山巖分布特征研究，認為火山巖巖體與基底斷裂密切相關。有些學者利用少量二維/三維地震資料，開展了塔里木盆地火山巖識別研究，發(fā)現(xiàn)塔中地區(qū)二疊系發(fā)育玄武巖、英安巖和凝灰?guī)r[17--20]。Yang et al.[21]詳細分析了塔中地區(qū)K1三維工區(qū)火山巖的平面分布和厚度特征，前期大量研究主要是圍繞火山巖的噴發(fā)時限、平面分布等開展。由于受二疊系上覆厚度>3 000 m的沉積地層以及地表塔克拉瑪干沙漠覆蓋的影響，塔中地區(qū)巨量巖漿是如何噴發(fā)至二疊系的？巖漿噴發(fā)模式是中心式還是裂隙式？此類問題的研究仍需探索。筆者利用塔中地區(qū)K1三維地震和典型鉆井資料，開展了二疊系火山機構的識別與剖析，建立了研究區(qū)火山噴發(fā)模式，以期為塔里木大火成巖省的深入研究提供地球物理方面的新成果。

1 地質概況

塔中隆起帶位于塔里木盆地的中部，是夾持在塔中Ⅰ號斷裂帶和塔中南緣斷裂帶之間的一個古生代大型古隆起，又名塔中低凸起或卡塔克隆起，面積約2.2×104km2。塔中古隆起西低東高，西寬東窄，隆起帶中部發(fā)育NNW向的塔中Ⅱ號斷裂帶[22--23]。研究區(qū)位于塔中隆起帶西部K1三維工區(qū)，塔中Ⅱ斷裂帶橫穿工區(qū)南部，工區(qū)內三維地震資料面積1 445 km2，收集到3口(W1、W16、W18)典型鉆井資料(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質概況圖Fig.1 Geological sketch map of study area

塔中古隆起在加里東中期形成雛形，加里東晚期劇烈隆升，海西晚期再次活動，石炭紀至二疊紀地層由西向東超覆在古隆起之上，在二疊紀末期，塔中古隆起構造基本定型[23--24]。

塔中地區(qū)地表被塔克拉瑪干沙漠覆蓋，除了缺失侏羅系和奧陶系一間房組地層之外，寒武系至第四系均有發(fā)育。寒武系至下奧陶系為大套的碳酸鹽巖沉積，上奧陶系桑塔木組以泥巖為主，志留系至泥盆系為砂泥巖沉積，石炭系發(fā)育灰?guī)r、砂泥巖，早二疊系廣泛發(fā)育火山巖，有玄武巖、凝灰?guī)r等[24--25]。塔中至塔西南地區(qū)分布早二疊世玄武巖殘余面積達25×104km2[14]。

2 火山巖巖性特征

研究區(qū)鉆井均鉆遇火山巖。W16井位于工區(qū)的西北角，該井在4 522～3 389 m井段鉆遇火山巖厚1 133 m，是目前發(fā)表文獻記載塔里木盆地鉆遇火山巖最厚的井，根據錄井巖屑描述，鉆遇火山巖有灰黑色火山角礫巖、玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r及火山碎屑巖，局部夾薄層泥巖；W18井位于工區(qū)的中西部，該井在3 633～3 348 m井段鉆遇火山巖厚285 m，巖性有灰黑色玄武巖、深灰色凝灰?guī)r以及凝灰質砂巖等；W1井位于工區(qū)的中部，該井在3 763.5～3 337.5 m鉆遇厚426 m的火山巖，巖性有灰黑色玄武巖、安山巖、火山角礫巖以及凝灰?guī)r等(圖2)。

圖2 典型鉆井火山巖錄井巖性圖Fig.2 Logging lithologic map of typical drilling volcanic rocks

從鉆遇巖性分析，W18井主要鉆遇玄武巖和凝灰?guī)r，W16井和W1井鉆遇火山巖巖性較為多樣化，除了玄武巖和凝灰?guī)r，還鉆遇了火山角礫巖，推斷這兩口井位于火山口或者火山機構附近。

3 火山巖識別

3.1 火山巖地震識別模式

針對不同地區(qū)火山巖識別模式，前期學者做了大量研究，層狀火山巖能夠形成強發(fā)射特征，火山口內部或者火山通道形成雜亂反射特征[26--28]。利用鉆井資料和三維地震數據體，通過合成地震記錄標定，確定火山巖地震識別模式，Yang et al.[21]對于鉆井標定做了詳細的闡述，這里不再贅述。通過研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)火山巖主要有3種地震識別模式：①保存完好火山機構，火山通道呈管狀向下插入基底、向上溝通火山口，整個火山機構在地震剖面中呈現(xiàn)“蘑菇狀、傘狀”，火山通道地震反射雜亂，呈“煙囪狀、管狀”直立展布，火山口呈雜亂弱反射，隆起呈山丘狀，與上覆地層之間形成強反射界面(圖3a)；②破火山口相，火山通道呈“煙囪狀、管狀”向深部地層變細小，火山口呈漏斗狀，頂面平坦或略有下凹，火山口與上覆地層呈強反射，在上覆地層中存在明顯正斷層，推斷是由于火山口塌陷造成的(圖3b)；③遠離火山口相，地震剖面上呈亞平行反射，下部為一套強連續(xù)強反射(鉆井標定為一套較為穩(wěn)定的玄武巖)，上部為一套弱反射，隨著離火山口距離增大，這套反射層超覆在下伏強反射軸上(鉆井標定為一套凝灰?guī)r沉積，隨著遠離火山口，凝灰?guī)r明顯減薄)(圖3c)。

圖3 火山巖地震識別模式圖Fig.3 Seismic identification models of volcanic rocks

3.2 火山巖地震剖面特征

利用連井地震剖面，進一步分析火山機構在深部地層中的展布特征(圖4)。圖中主要地震反射界面T81、T80、T70、T57、T54、T50、T40分別代表上寒武統(tǒng)、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系和白堊系底界面反射，T52和T51分別代表火山巖底面和頂面反射。自上而下，二疊系火山巖具有明顯異常反射特征，剖面上具有典型蘑菇狀、傘狀和漏斗狀特征，與圍巖層狀連續(xù)反射形成鮮明對比；T57--T70之間地震剖面信噪比較高，可以看到火山通道為管狀的窄通道；而T70--T81之間地層為大套的碳酸鹽巖沉積，碳酸鹽巖內幕地震波組連續(xù)性較差、信噪比較低，火山通道不是特別清晰；至T81之下，地震波組連續(xù)性較好，地震資料信噪變高，在W16井位置處，T81之下地層存在明顯的隆升，且地震波組存在明顯錯斷，可能指示火山通道。W18--W1向東南方向，T81之下地層存在局部撓曲但未見明顯的“煙囪狀”特征，推測火山通道較窄，可能超出了目前地震資料的分辨能力。

圖4 過典型火山口的連井地震剖面圖(剖面位置見圖6)Fig.4 Connecting-well seismic profile through typical craters

3.3 火山機構不同時間切片特征

為了進一步解析深部巖漿熱液是如何穿越震旦系至石炭系的數千米地層噴發(fā)至二疊系地表的，利用從基底至淺部水平時間切片，層層 “CT”掃描火山巖體，進一步分析火山機構空間展布特征。

研究區(qū)三維地震資料縱向采樣率為2 ms，可每隔2 ms任意提取水平時間切片進行分析，展示5張典型時間切片(圖5)。由深部至淺部，4 450 ms切片顯示寒武系地層中火山通道的特征，在切片中心存在圓形地震雜亂反射異常區(qū)；3 450 ms切片顯示志留系地層中火山通道特征，切片中部存在圓形雜亂反射異常區(qū)；2 950 ms切片顯示石炭系地層火山通道特征，切片中部清晰展示出圓形雜亂反射異常，上述3張切片表明，寒武系至石炭系地層中，存在火山通道，火山通道呈管狀近直立分布，通道直徑較小且未發(fā)現(xiàn)通道明顯變寬特征；2 750 ms切片上二疊系火山機構為大面積圓形，云團狀雜亂反射區(qū)為火山口；2 550 ms切片上火山機構上覆地層形成穹隆，在水平切片呈圓形展布?；鹕娇谛螒B(tài)與現(xiàn)今的火山口長白山天池形態(tài)類似。

左：不同時間水平切片及長白山天池照片；右：過火山口南北向地震剖面。圖5 典型火山機構特征Fig.5 Characteristics of typical volcanic edifice

3.4 火山口平面分布

從上述分析看出，火山機構與圍巖的地震反射特征有明顯的差異，火山口均表現(xiàn)為雜亂、弱振幅反射特征，而圍巖具有明顯的成層性和連續(xù)反射特征，因此，選用本征值相干分析技術，進行地震數據體的不連續(xù)性檢測，能夠很好地描述火山口的平面分布特征。

沿著火山巖底面相干屬性顯示(圖6)，本區(qū)存在明顯的高相干異常區(qū)，結合W16、W1和W18井的鉆井標定結果，指示這些異常區(qū)均為火山機構所在位置。據統(tǒng)計全區(qū)共有7個大型的火山機構，其中：①、③、⑤和⑦號火山機構具呈圓形或近圓形分布；⑤號火山機構是兩個緊鄰的圓形火山口的組合，呈啞鈴狀；②和④火山機構呈帶狀分布；⑥號火山口正好位于塔中II斷裂帶上部，該火山口呈不規(guī)則的形態(tài)。研究區(qū)大多數火山口呈圓形分布，塔中II斷裂附近的2個大型火山口也并非沿著斷裂呈線狀分布，由此推斷，本區(qū)火山噴發(fā)模式以中心式噴發(fā)為主。

圖6 基于相干分析檢測出的火山口平面分布圖(T52向上20 ms相干屬性)Fig.6 Distribution of craters detected by coherence analysis

W16井正好鉆遇①號火山機構正中心，該火山口為直徑約5.58 km的圓形，面積約24.47 km2。相比于長白山天池，該火山口略大，長白山天池南北長4.4 km，東西寬3.73 km，集水面積約21.4 km2[29]，而研究區(qū)最大的火山是⑥號火山機構，東西寬約5.3 km，南北長約9.0 km，火山口面積約43.88 km2，其余火山口詳細參數見表1。由此可見，塔里木二疊紀火山活動劇烈程度遠超長白山天池火山活動。研究區(qū)分布7個密集大型火山機構，推測該區(qū)為塔里木大火成巖省的噴發(fā)中心之一。

表1 火山機構特征參數表

4 火山噴發(fā)模式

綜上所述，研究區(qū)二疊系火山巖具有厚度橫向變化劇烈、火山口分布密集、多數平面形態(tài)上呈圓形--近圓形以及其下方存在近直立的管狀火山通道的特征。三維地震資料在寒武系至石炭系地層中未見火山通道明顯的變寬現(xiàn)象，除了②號和④號火山機構位于斷裂附近之外，其余區(qū)域未見明顯的沿著斷裂帶線狀分布的火山條帶，說明本區(qū)巖漿熱液以中心式噴發(fā)為主(圖7)。

圖7 塔中隆起帶巖漿噴發(fā)模式圖Fig.7 Model diagram of magma eruption in Tazhong uplift zone

由于本區(qū)三維地震資料以油氣勘探為主要目標，受地震采集觀測系統(tǒng)所限，有效信號在5 000 ms以淺。故本研究僅建立基底之上巖漿噴發(fā)模式，推測巖漿房在更深的位置。

5 結論

(1)塔中隆起帶K1三維工區(qū)存在多個大型的火山機構，平面上，大多數火山口形態(tài)為孤立的圓形--近圓形，剖面上，火山機構呈“蘑菇狀、漏斗狀”展布，火山通道呈近直立的管狀連接基底與火山口，未發(fā)現(xiàn)明顯沿著斷裂呈線狀分布的火山口，表明本區(qū)巖漿活動以中心式噴發(fā)為主。

(2)研究區(qū)密集分布著7個大型的火山機構，且多個火山口的直徑>5 km，鉆井鉆遇火山巖最大厚度達到1 133 m，整個三維工區(qū)二疊系均發(fā)育火山巖，火山口眾多、火山巖厚度大且分布面積廣，推測研究區(qū)為塔里木大火成巖省的噴發(fā)中心之一。

致謝國家重大油氣專項(2016ZX05014001)和中國石化科技部項目(P17021)聯(lián)合資助，中國石化西北油田分公司在本課題研究過程中提供了地震、鉆井等相關資料；論文寫作過程中得到朱文斌教授、關達高工、向雪梅高工等的啟發(fā)和幫助，在此一并致以誠摯的感謝。