四川盆地二疊系火山巖裂隙式噴發模式探討

劉 鵬 陳 康 何青林 王 鵬 劉澤彬 劉志剛

(①東方地球物理公司西南物探研究院，四川成都 610036；②中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，四川成都 610036；③東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751)

0 概況

二疊紀的伸展構造運動導致揚子板塊西南部的川、滇、黔地區大面積玄武巖噴發，形成大火成巖省[1-6]。1992年川西南部ZG1井玄武巖測試獲得天然氣，揭示了四川盆地火山巖具有氣藏勘探潛力。但是，早期研究認為火山巖主要沿周公山—漢王場—威遠以南的盆地邊緣發育，在盆地內部不發育[7]。2018年簡陽地區YT1井火山碎屑巖測試獲高產氣流，證實了四川盆地內部火山巖勘探具巨大潛力，打開了四川盆地天然氣勘探的新局面。同時，該井發現爆發相角礫熔巖，表明盆地內部具有明顯的火山噴發特征，且鉆探證明近火山口相(爆發相、噴溢相)發育優質儲層。

火山噴發以中心式和裂隙式兩種模式為主。中心式噴發是巖漿沿頸狀管道噴發，噴發通道在平面上呈點狀分布；裂隙式噴發是巖漿沿基底大斷裂上升，噴發通道呈線性分布[8]。以往研究認為四川盆地二疊系火山巖巖漿上升通道為基底斷裂或地幔柱隆升引起的淺部地殼裂隙，儲層有利相帶通常沿著基底斷裂展布[9-11]。因此，在YT1井鉆探之后部署的ZJ2井位于基底斷裂附近(圖1)，根據地震資料預測該井處于近火山口儲層有利相帶。但ZJ2井實鉆結果揭示缺失火山碎屑巖儲層，巖性以遠火山口溢流相玄武巖為主，與預測結果存在較大差異。這表明該區火山巖相帶及儲層分布規律復雜，僅利用地震資料單一手段識別火山巖存在局限性[12-13]。

受資料品質低、陡傾地層成像差等影響，僅利用地震資料預測火山機構難度較大，而火山巖磁化率、密度、電性等特征與圍巖差異明顯，重力、磁力等非地震勘探方法在火山巖識別中通常具有良好的效果[14-19]，因此重磁電震聯合研究有助于減少火山巖預測結果的多解性。本文利用近期四川盆地火山巖重磁電勘探成果、三維地震資料和鉆井資料等，從二疊系火山巖結構入手，結合區域地質認識，探討盆地內火山通道特征及噴發模式，進而落實火山機構模式及近火山口有利儲層展布特征，達到提高油氣勘探成功率的目的。

圖1 研究區位置示意圖

1 火山通道巖性、巖相特征

四川盆地二疊系火山巖主要分布在盆地南緣，巖性以基性玄武巖為主，厚度可達上千米。靠近盆地內側邊緣的周公山地區火山巖厚約400m。向盆地內部，火山巖厚度逐漸減小，并逐漸尖滅。在成都—簡陽地區，火山巖局部加厚，YS1、YT1井均鉆遇厚度約為 300m。YT1 井(圖2)揭示，除頂部發育厚度超過 10m 溢流相玄武巖之外，上部發育多套角礫熔巖，角礫以灰質、玄武巖為主，屬近火山口相組合；下部發育厚度超過100m的粒玄巖、灰綠玢巖。其中，粒玄巖鏡下玻璃基質少見，結晶程度較高，整體結構以細—中粒結構為主，屬超淺成侵入巖；灰綠玢巖鏡下見明顯的輝石和斜長石斑晶，屬典型的火山通道相。鉆井結果表明，火山多期活動，火山通道發育。

圖2 YT1井柱狀圖(左)及巖石薄片特征(右)，右圖中10×表示放大倍數為10

2 火山通道地球物理響應特征

三維地震資料分辨率比重、磁等非地震資料高，目前火山通道的刻畫大多依據地震資料[20-23]，非地震資料只是作為輔助、補充。但四川盆地火山巖厚度變化快、埋深大(>5000m)，單一地震資料難以準確識別和刻畫火山通道。近期實施的重力、磁力、電法勘探為聯合研究火山巖奠定了基礎。

2.1 地震響應特征

地震剖面上火山通道特征較為明顯，通常呈垂向“煙囪”狀雜亂異常條帶(圖3)，地震同相軸連續錯斷，通道內部呈中—低頻、中—弱振幅。“煙囪”的橫向寬度代表了火山通道的規模，通道頂部厚度明顯增加，呈錐狀或丘狀外形。在地震資料品質好的地區，可見火山口上部同相軸下拉，形成“M”型火山口特征。近火山通道區域，頂界可見斷續強反射，內部可見雜亂、丘狀反射，為爆發相特征。在遠通道地區，頂界表現為平行、連續強反射，內部為空白、亞平行反射，為遠火山口溢流相特征。受資料品質影響，剖面上有些垂向雜亂條帶反射不一定是火山通道的響應，這需要聯合其他資料綜合判定。

2.2 磁異常特征

火山巖通常表現為中—高磁性而區別于沉積巖[23]，磁力垂向導數可以反映磁場的局部變化特征。四川盆地二疊系火山巖埋深較大，磁異常響應整體偏弱，因此需要利用垂向導數異常研究局部異常。

為了反映火山通道平面分布特征，證實磁異常在火山通道位置的響應特征，建立不同規模火山巖體模型(圖4)，通過觀測面下延技術及垂向導數變換，開展磁異常響應正演，參數見表1。設定①、②、③號巖體埋深均為6000m，輝綠巖、角礫巖、玄武巖磁異常分別為5000×10-5、420×10-5、5100×10-5SI，側向溢流相玄武巖厚度分別為120、80、50m(圖4a)。結果表明，發育火山通道的①、②、③號巖體具有明顯的高磁異常，不發育火山通道的溢流相磁異常響應相對較弱(圖4b)，表明磁法勘探成果可作為研究區火山通道判別的可靠依據。

從成都—簡陽地區磁異常一階導數(圖5)可以看出，研究區內磁異常高值區域明顯呈南北向帶狀展布。異常高值區橫向規模小，說明盆地內火山噴發規模小，火山熔巖向兩側溢流范圍小，因此研究區較盆地邊緣的火山活動弱。

2.3 時頻電磁特征

鉆井揭示火山角礫熔巖和凝灰巖呈中低電阻率，玄武巖和輝綠巖均呈高電阻率。侵入相輝綠巖電阻率高于下二疊統茅口組圍巖，這為利用電阻率研究火山通道分布提供了電性基礎。

圖3 火山通道地震反射特征

圖4 不同規模火山巖體磁異常模型(a)及正演響應特征(b)

表1 四川盆地火山巖磁異常正演模型參數

以鉆井為約束條件，利用時頻電磁勘探方法(TFEM)開展電阻率反演，剖面上可見向上延伸的高電阻率通道(圖6)，其與相對低電阻率的圍巖差異明顯，指示了侵入巖的火山通道。

受分辨率和測網密度不高的影響，時頻電磁反演剖面識別的火山通道有可能與磁異常識別的成果不完全一致，因此需要與分辨率更高的地震資料一起聯合判定。

圖5 三維區磁異常一階導數圖虛點線表示磁異常區域

圖6 過YT1井時頻電磁約束反演電阻率剖面紅色曲線為電阻率

3 火山通道與剪切帶關系

3.1 剪切帶與基底斷裂關系

3.1.1 基底斷裂展布特征

以地層密度差異為基礎的重力勘探，可以有效揭示基底結構和基底斷裂展布特征。為明確重力異常是否能識別研究區深層斷裂及其規模，設計了適合研究區實際地層結構特征的斷裂模型(圖7a)并進行正演。共設計五組不同斷距模型，斷距分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5km，每組模型的埋深分別為3、4、5、6、7km，密度差為0.11g/cm3。從正演結果(圖7b)可以看出，不同斷距的重力異常隨埋深的增大而減小，重力異常最小值為0.170mGal，由埋深為7km、斷距為0.1km的斷裂引起；重力異常最大值為1.440mGal，由埋深為3km、斷距為0.5km的斷裂引起。野外采集所用重力儀器測量精度為5μGal，觀測精度為0.029mGal，所測重力異常可分辨基底斷裂。

圖7 不同斷距、埋深基底斷裂重力異常正演(a)重力異常正演模型； (b)不同深度、規模斷裂重力響應

基于研究區重力勘探成果，結合延拓、線性信息增強等異常分離技術，提取反映基底結構的剩余重力異常及與斷裂信息相關的線性異常(水平總梯度異常)，可確定基底斷裂分布。重力水平總梯度異常指示了研究區基底斷裂走向以NE向為主(圖8a)，其主要受控于揚子板塊南緣地幔上隆及北緣秦嶺洋擴展[24]。

3.1.2 剪切帶形成機理

二疊紀中晚期，揚子板塊周緣主要受兩大事件影響，一是揚子板塊南緣受地幔柱上隆影響，形成北東—南西向的伸展應力，導致峨眉山玄武巖噴發，攀西裂谷形成，在川、滇、黔三省可見一近南北向菱形分布的火山巖區[2]；二是揚子板塊北緣受岡瓦納大陸和歐亞大陸裂解的影響，華南板塊在二疊紀中晚期處于拉張環境[25]，南秦嶺洋打開，區域伸展應力為近南北向。受揚子板塊南緣地幔上隆和北緣秦嶺洋擴展的共同作用，揚子板塊在二疊紀中晚期形成一系列北東向基底斷裂，同時在基底斷裂交會、錯斷處的差異性走滑形成近南北向的剪切帶[24]。剪切帶區域地殼變得薄弱，地層較為破碎，容易成為巖漿等應力釋放的突破區。

從基底斷裂展布圖(圖8a)可以看出，三維地震勘探區基底斷裂較發育但規模較小，僅在工區東西兩側發育規模較大的斷裂。以三維地震數據為基礎，提取火山巖底界曲率屬性，平面上可見發育于基底斷裂之間的近南北向展布的異常條帶，但本區未見近南北向的水平重力異常，表明近南北向異常帶形成應受控于NE向基底斷裂，即為剪切走滑性質的破碎帶(裂隙帶)(圖8b)。

3.2 剪切帶裂隙式火山通道特征

滇西蘭坪—普洱陸塊礦床研究[26-27]認為，由于韌性剪切作用，哀牢山礦床分布與剪切帶開放型張裂隙相關，與基底斷層走向夾角多小于 45°，這表明在基底斷裂后期活動減弱或停止活動的地區，走滑剪切帶是巖漿活動的主要誘導因素。

圖8 基底斷裂與剪切帶示意圖

四川盆地泥盆紀至早二疊世為盆地相對穩定期，沉積了石英砂巖碎屑巖和碳酸鹽巖建造，這套穩定地層限制了基底斷裂后期的繼承性活動，導致其難以作為巖漿上升通道，而剪切帶內眾多的開放型裂隙則可為巖漿活動提供空間。

走滑剪切帶在地震剖面上表現為同相軸錯斷、振幅減弱的地震響應特征(圖9a)；平面上為弱相干異常條帶(圖9b紅虛線框內)未見明顯斷裂特征，通常這也是地震資料識別火山通道的依據之一[28]。但火山通道的確定還需要綜合判定，例如沿二疊系底的地震相干屬性平面圖上，中東部的北西向異常條帶(圖9b綠虛線框內)經落實是溝槽下拉所致，若判定為火山通道則會誤導儲層的橫向展布規律預測。

圖9 剪切帶地震響應特征

4 火山噴發模式及勘探應用

4.1 火山噴發模式

火山噴發模式的建立可以有效預測火山巖的空間展布和相帶分布規律，進而尋找有利儲層的發育區，這對勘探目標優選至關重要[7]。目前國內火山巖領域油氣勘探成效較好的準噶爾盆地石炭系火山巖以及松遼盆地白堊系火山巖，其噴發形式均為中心—裂隙式復合噴發模式。中心式噴發規模大，火山巖厚度一般達上千米。裂隙式噴發規模較小，火山巖厚度通常從幾十米至幾百米不等。四川盆地及周緣二疊系火山巖噴發同樣具有中心—裂隙式復合模式，但其中心式噴發模式位于盆地周緣，盆地內部為規模較小的裂隙式噴發，火山巖厚度為10～300m[10-11]。

如前所述，依據重力、磁力、時頻電磁、地震資料聯合分析認為，成都—簡陽地區火山活動受控于剪切帶裂隙發育規模。從圖9b可以看出，北部為條帶狀相干異常，對應束狀裂縫帶，在過YT1井的時頻電磁反演剖面(圖5)上表現為寬約1km的高電阻率異常帶，火山規模相對較大；南部見局部弱環狀、點狀異常，表明火山規模相對較小。這兩種火山通道均未與基底大型斷裂直接溝通，而在平面上與北東向基底斷裂斜交，其噴發模式應是與基底斷裂相關的裂隙式噴發。

位于YT1井西部的YS1井巖心薄片中見玄武質隱爆角礫巖，其主要由侵沖角礫(外源)和熔漿組成，屬于火山通道相中的火山裂隙微相，證實了研究區火山噴發為裂隙式噴發。巖心中幾乎不見構造裂縫以及次火山巖相的存在，表明火山噴發活動不強、規模不大。綜合重磁電震及鉆、測井等資料認為，簡陽地區火山噴發為典型的裂隙式噴發模式，結合火山通道平面組合特征可進一步劃分為束狀裂隙式噴發(北部、YT1井)和串珠狀裂隙式噴發(南部)兩種模式(圖10)。

4.2 勘探應用

自YT1井鉆探獲得天然氣以來，利用地震資料在四川盆地西部地區預測了眾多二疊系火山巖體，發現其主要分布于基底斷裂附近。通過綜合評價優選，部署了一批針對火山巖的探井井位，但鉆探揭示的火山巖巖性、巖相差異性大，影響了四川盆地火山巖油氣勘探進展。基于重磁電震聯合解釋方法，針對成都—簡陽地區早期地震識別的火山巖體進行重新評價，以剪切帶控制的裂隙式噴發模式認識為基礎，在三維地震勘探區有效識別了兩類火山機構：一類為束狀裂隙式噴發、近南北向展布的碟狀火山機構，在三維地震勘探區內南北長為6～10km，東西寬為1～3km，面積為20～45km2；另一類為串珠狀裂隙式噴發丘狀火山機構，與中心式噴發相仿，面積相對較小，約為4～10km2(圖11a)。這一模式的提出，不僅減少了火山巖預測結果的多解性，還較好地解釋了盆地內部火山活動弱、分布范圍局限以及巖性、巖相變化快的特點，為推進四川盆地二疊系火山巖天然氣勘探發揮了積極作用。

以本文研究成果為基礎，在研究區中南部針對串珠狀噴發、丘狀火山機構模式部署了TF2井(圖11)。該井鉆遇火山巖為126m，共發育含凝灰角礫熔巖、粗粒玄武巖和輝綠巖3套巖性組合，輝綠巖、粗粒玄武巖等火山通道相巖性特征清晰，與預測結果吻合度高；測井解釋儲層厚度大、物性好，平均孔隙度大于15%，佐證了基底走滑斷裂之間的剪切帶裂隙噴發模式及火山機構模式建立的合理性。

圖10 成都—簡陽二疊系火山巖噴發模式

圖11 火山巖底界相干屬性(a)及TF2巖性柱狀圖(b)圖a紅圈為刻畫的火山機構范圍

5 結束語

四川盆地鉆探揭示：近火山口相儲層是火山巖油氣勘探的一個重要領域；盆地內噴發規模較盆地周緣小，噴發中心較分散。不同于以往發現的火山巖油氣藏，這是一個全新的勘探領域，需要建立新的噴發模式和研究方法才能有效解決四川盆地火山巖勘探面臨的諸多問題。

以往以基底斷裂作為研究區火山通道的模式難以解釋區內鉆井所揭露的地質現象，本文以重磁電震聯合研究方法為基礎，提出了基底斷裂之間的走滑破碎帶作為巖漿通道，梳理了火山機構模式，對火山巖儲層的分布規律預測做出了有意義的嘗試和探索，為落實該地區火山巖儲量規模奠定了基礎。但是，對于剪切帶的認識尚有待進一步深入。