冯玉辉,黄玉龙,丁秀春,于小健,刘 飞,王璞珺
(1.吉林大学地球科学学院,吉林长春130061;2.中国石油天然气股份公司辽河油田分公司勘探开发研究院,辽宁盘锦124010;3.中国人民武装警察部队黄金部队第一支队,黑龙江牡丹江157021)
近年来松辽盆地、准噶尔盆地和辽河盆地等深层油气藏勘探成果表明,中基性火山岩具有良好的油气勘探前景[1-2],火山岩油气藏已经逐渐成为全球油气勘探的重要领域[3-5]。火山岩油气藏勘探的首要任务是寻找火山岩有效储层,而储层预测的核心是寻找受火山岩相控制的孔缝发育带[6]。因此,在实际工作中火山岩储层预测往往集中表现为对火山岩相的地质-地震综合识别和预测,而相带预测的重点又体现在通过连井地震剖面解释,建立火山岩相-地震相识别关系。松辽盆地主要发育白垩系酸性火山岩,在勘探中逐渐形成了一套以酸性火山岩为基础的地震识别方法[7]。准噶尔盆地以晚古生代基性岩为主,勘探重点是重、磁、电、震综合识别风化壳型火山岩储层[8]。辽河盆地主要发育新生代中基性火山岩,具有陆上与水下喷发并存、多与沉积岩呈互层状产出等特点,其火山岩储层及其油气藏的形成和分布有其自身特点和规律[9]。与松辽盆地大套厚层的酸性火山岩相比,辽河盆地的中基性火山岩识别与刻画难度更大。
我们以辽河盆地东部凹陷古近系沙河街组中基性火山岩为研究对象,在单井岩相划分和描述基础上,选取三维地震工区开展火山岩相的地震资料连井对比和精细解释,分析火山岩相的地质-地震响应关系和响应机理,刻画火山岩相的地震-地质属性,结合中基性火山岩地震火山地层学研究方法[10-15],总结并建立火山岩相-地震反射特征的识别模板,以期通过已知钻井约束的火山岩相的地震识别,为无井或少井的低勘探程度区中基性火山岩地层解释和油气勘探选区提供理论依据和模型指导。
在总结和对比国内外火成岩相分类方案及其原则的基础上,针对辽河盆地东部凹陷新生界火山岩发育的地质特征,结合盆地火成岩油气勘探和开发地质研究的需求,通过大量钻井岩心和岩屑资料的精细描述以及与国内外典型实例的对比分析,将东部凹陷新生界火山岩划分为5相14亚相,归纳并建立了本区以中基性火山岩为主、陆相与水下喷发并存等特征的火成岩岩相分类体系和识别标准(表1,图1)。
表1 辽河盆地中基性火山岩相和亚相分类
续表1
图1 辽河盆地东部凹陷主要火山岩相和亚相典型图版a 火山颈亚相(Ⅰ1); b 次火山岩亚相(Ⅰ2); c 隐爆角砾岩亚相(Ⅰ3); d 空落亚相(Ⅱ1); e 热基浪亚相(Ⅱ2); f 火山碎屑流亚相(Ⅱ3); g玻质碎屑岩亚相(Ⅲ1); h 板状熔岩流亚相(Ⅲ2); i 复合熔岩流亚相(Ⅲ3); j 内带亚相(Ⅳ1); k 中带亚相(Ⅳ2) ; l 外带亚相(Ⅳ3); m 含外碎屑火山沉积亚相(Ⅴ1); n 再搬运火山碎屑沉积亚相(Ⅴ2)
不同火山岩相之间从成因、空间产出位置到岩石学特征等都存在着差异(表1,图1),亦即它们的内部结构和构造、纵向序列以及空间叠置关系不同,反映在地震地质特征上表现为速度、密度、层形态和层结构、界面属性和终止方式等方面的差异,这就使得各岩相在地震剖面上呈现的地震反射特征不同。我们通过过井剖面的火山岩相地震反射特征刻画,结合火山岩相地质模型,建立了研究区典型火山岩相地震识别模式(表2,图2),从地震相的外部几何形态、内部反射结构、地震属性(频率和振幅等)3个方面来区分各类火山岩岩相和亚相的地震反射特征。下面分别讨论本区常见且地震反射特征较为明显的5种火山岩相,其中,火山颈、次火山岩、火山碎屑流和玻质碎屑岩可进一步识别到亚相。
火山通道相包括火山颈、次火山岩和隐爆角砾岩3种亚相。其中隐爆角砾岩亚相为同期或后期富含挥发分的高压流体沿着破碎带上侵,于地下爆炸使周围已经固结的围岩破裂,其析出物(岩汁)将原地角砾(部分)胶结而形成,主要分布在火山口附近或次火山岩体顶部。从本区钻井揭示情况看,该亚相多以薄层发育,且与火山颈亚相共生,二者在地震剖面上通常难以区分。火山颈亚相(有时包括隐爆角砾岩(图1c))和次火山岩亚相的地震识别特征相对较明显。
2.1.1 火山颈亚相
地震反射特征:火山颈亚相外部轮廓多呈团块状、管状,内部多呈波状、杂乱反射结构,中-弱振幅,中-弱频,连续性中-差(图2a)。该亚相的鉴定特征为外部形态纵横比[注]纵横比是指岩体平均厚度与岩体底面直径的比值,常用于描述岩体几何形态。本文依据辽河盆地火山岩发育特征,将纵横比分为高(>1/4)、中(1/4~1/10)、低(<1/10)3个等级。高、内部反射结构杂乱、弱振幅、连续性差,其下部通常可识别出脉状强反射的供给岩墙[17-18]。
地质属性:火山颈亚相为熔浆侵出过程中由于动力减弱停滞在火山通道中冷凝固结的火山喷出物堆积体。同时,由于热沉陷作用,火山口附近的岩层下陷坍塌,破碎的坍塌物被持续溢出并不断冷凝的熔浆胶结。其成岩过程以冷凝为主,但通常会有压实作用的叠加。标志性特征为发育典型堆砌结构(貌似混凝土)(图1a)。本区火山颈亚相常见于主干断裂附近,产状近直立,多切穿其它岩层,底部多与供给岩墙连通。东部凹陷多口井钻遇该亚相,如Ho25井钻遇近150m火山颈亚相,钻井揭示为基性火山岩类与中性火山岩类互层堆积的一套岩性组合。
地震响应机理:火山颈亚相外部呈团块状、管状几何形态,是熔岩及碎屑物堆积体的表现,也是火山颈堆积体与围岩二者间岩石物性差异的综合表现。由于该亚相多以火山碎屑岩、熔结角砾岩为主,发育堆砌结构。岩性虽然成分较一致,但内部结构存在一定差异且成层性差,反射界面不稳定,使该亚相内部多呈杂乱反射结构。整个反射结构特征是火山口喷发建造及后期垮塌改造的综合反映。
2.1.2 次火山岩亚相
地震反射特征:次火山岩亚相外部轮廓多呈板状、透镜状,内部多呈平行-亚平行反射结构,强振幅,中-高频,连续性好-中(图2b)。该亚相的标志性特征为外部形态纵横比低、内部反射结构成层性好、地震反射特征强、连续性好,其下部常可识别出供给岩墙。
地质属性:次火山岩亚相为同期或后期熔浆侵入到围岩中冷凝固结形成的小型侵入体,多位于火山口附近,见于火山机构下部几百米到千余米。其标志性特征是以岩株、岩墙、岩床及岩脉形式与围岩呈指状或树枝状交切或嵌入(图1b)。东部凹陷次火山岩亚相多为辉绿岩,多沿断裂侧向顺层或低角度侵入沉积岩层中,侧向延伸范围一般小于3km,如H95井、Jia26井等均有钻遇。
地震响应机理:次火山岩亚相呈板状、透镜状的外部轮廓是挤入围岩中的熔浆冷凝固结后的结果,其密度和速度通常高于周围的沉积岩层,二者间岩石物性差别明显。由钻井揭示情况看,该亚相辉绿岩发育厚度从几十米到两三百米不等,且多顺层产出。由于纵波在辉绿岩中传播速度较快,一般为5200~5800m/s,因此该地区辉绿岩的地震反射特征为顶、底界面叠加反射的结果,内部反射结构与侵入体顶、底产状一致,多呈平行-亚平行反射结构。
从本区21口井13043m火山岩井段单井相分析和过井地震相研究结果看,东部凹陷火山活动多为沿主断裂的溢流式喷发,主要发育喷溢相,而爆发相发育相对较少,其中空落亚相(图1d)和热基浪亚相(图1e)仅个别井段可见,且层厚度较薄,从地震上难以将其单独识别。而火山碎屑流亚相地震识别特征相对较明显。
表2 辽河盆地东部凹陷火山岩相地震响应特征
图2 辽河盆地东部凹陷火山岩相图版a 火山通道相火山颈亚相(Ⅰ1); b 火山通道相次火山岩亚相(Ⅰ2); c 爆发相火山碎屑流亚相(Ⅱ3); d 喷溢相玻质碎屑岩亚相(Ⅲ1); e 喷溢相板状/复合熔岩流亚相(Ⅲ2/Ⅲ3); f 侵出相(Ⅳ); g 火山沉积相(Ⅴ)
地震反射特征:火山碎屑流亚相外部轮廓多呈席状、楔状,内部多呈平行-亚平行反射结构,中-强振幅,中-高频,连续性好(图2c)。该亚相的标志性特征为外部形态纵横比低、内部反射结构成层性好、强振幅、连续性好,多半与供给岩墙不直接相连。
地质属性:火山碎屑流亚相为富含挥发分的碎屑混合物在后续喷出物推动和自身重力共同作用下沿地表流动,经熔浆冷凝胶结和压实成岩的共同作用形成的火山岩类(图1f),多见于爆发相上部,主要分布在火山口附近,岩体厚度向远离火山口一侧逐渐尖灭,侧向延续性较好,与上下层围岩整合或低角度交切。标志性特征为发育典型火山碎屑结构和熔结凝灰结构。本区多口钻井钻遇火山碎屑流亚相,发育厚度最厚的为Ho25井,岩性为玄武质火山角砾岩。
地震响应机理:钻井揭示本区火山碎屑流亚相整体厚度较薄,披覆在下伏地层之上,二者界面清晰,其地震响应的外部形态为火山碎屑堆积物的外部轮廓。本区发育的火山碎屑流亚相多以薄层夹于喷溢相或火山沉积相之间,正是由于这种不同岩体薄层的垂向加积、叠置,其间存在物性界面,致使垂向上岩石物理属性存在差异,在地震剖面上呈强反射特征,且其内部反射结构清晰,呈平行-亚平行反射结构。
喷溢相包括玻质碎屑岩、板状熔岩流和复合熔岩流3个亚相。但后两种亚相成分相对一致,仅喷发规模、内部结构及叠置关系存在差异。由钻井资料可知,板状熔岩流亚相仅个别井厚度较大,多数呈中等厚度(单层厚度小于50m)与复合熔岩流亚相互层,从地震剖面上通常难以将二者分开,因此本文将两者作为整体来识别,仅当板状熔岩流厚度较大时(单层厚度大于50m),才能从地震剖面上单独识别。
2.3.1 玻质碎屑岩亚相
地震反射特征:玻质碎屑岩亚相外部轮廓多呈充填状,内部多呈杂乱、波状反射结构,中-弱振幅,中-低频,连续性中-差(图2d)。该亚相的标志性特征为其外部形态受地形控制、内部反射结构较杂乱、中-弱振幅,连续性差、多与供给岩墙不直接相连。
地质属性:玻质碎屑岩亚相典型岩性为玻璃质玄武岩,发育玻基斑状或少斑状结构,基质为玻璃质,为熔浆遇水快速冷凝固结的产物(图1g)。本区玻质碎屑岩亚相多为熔浆溢出后沿地表流至湖泊等低洼含水处冷凝固结就位,呈充填型产出,多见于前期形成的半地堑内。该亚相在东部凹陷Tie9井发育较典型,其主要岩性为玄武质角砾熔岩、玄武质玻基气孔玄武岩,岩石多见淬火结构,基质以玻璃为主,结晶程度差。
地震响应机理:玻质碎屑岩亚相外部轮廓多呈充填状是熔岩就位于含水低洼处作填平补齐式充填,且与上、下围岩界面清晰等地质特征的综合结果。由于在成岩过程中有水的参与,使原岩发生淬碎角砾岩化作用,发育淬火角砾结构,内部呈杂乱、波状反射特征,整体呈中-弱地震反射特征,连续性差。但当熔岩流入充填低洼处边缘且坡度较小时,由于水位较浅,该亚相可沿地表形态呈层状或缓波状产出,地震上易形成与地表平行的反射结构,频率和振幅比前者稍高,以中振幅、中频为主,连续性较好。
2.3.2 板状/复合熔岩流亚相
地震反射特征:板状熔岩流亚相外部轮廓多呈席状,内部多呈平行-亚平行反射结构,强振幅,中-高频,连续性好(图2e)。其标志性特征为外部形态纵横比低-中等、分布范围广、内部反射结构成层性好、强振幅、连续性好,多不与供给岩墙直接相连,且顶部呈缓丘形,底部界面凹凸不平,与围岩界限清晰。
地质属性:板状熔岩流亚相为熔浆自火山喷口溢出后沿地表快速流动形成的厚层平板状、扁平状熔岩流,内部为致密带(图1h),仅顶部及底部见气孔。复合熔岩流亚相为熔浆沿熔岩管道流动溢出,多期叠加形成薄层交织状熔岩流,横向延伸范围小、连续性差,内部具有明显的气孔带与致密带间互的分带特征(图1i)。本区喷溢相发育较广,各钻井都不同程度钻遇。其中Y103井发育的喷溢相较为典型,厚度近300m,岩性主要为蚀变玄武岩,其纵向上的结晶程度、蚀变程度差异明显(与中部相比,其边缘结晶较差、蚀变较强、孔渗较高),且岩相内见多处沉积凝灰岩夹层。
地震响应机理:板状/复合熔岩流亚相的席状外部轮廓是熔岩被与上、下围岩之间的界面所呈现的总体形态。根据钻井揭示,该亚相玄武岩为多期喷发叠加形成,各期次之间多有沉积夹层。由于物性界面的存在,该亚相多呈连续、强振幅反射界面,同时,由于熔岩本身存在气孔带和致密带的分带性,其内部多呈平行-亚平行反射结构,强振幅,高-中频,连续性好等反射特征。本区远源相熔岩(距主断裂火山喷口较远)由于流动距离较远,受外界因素影响较大,其内部多呈杂乱反射结构,且其振幅、频率特征均有不同程度差异。
侵出相3个亚相成因上联系较大,且常呈组合产出,各亚相带界限在地震尺度上尚难以识别,因此将侵出相3个亚相作为整体识别。
地震反射特征:侵出相外部轮廓多呈透镜状、丘状,内部多呈波状、杂乱反射结构,中-低频,中-弱振幅,连续性中-差(图2f)。该亚相的标志性特征为外部形态纵横比中等,内部反射结构较杂乱,弱振幅,与围岩接触界面为强振幅,连续性差,供给岩墙位于侵出岩体下部,亦可见于与岩体相邻的两断裂之间。
地质属性:侵出相内带亚相、中带亚相均为高粘度熔浆在内力挤压作用下流动、逐渐冷凝固结而成(图1j至图1l)。而外带亚相是高粘度熔浆在流动过程中前缘冷凝、变形并铲刮和包裹新生和先期岩块,然后在自身重力和后喷熔浆作用下流动,最终固结成岩而成,厚度较薄,其角砾化程度比内带亚相、中带亚相高,为侵出相与围岩的接触带。侵出相岩体整体由内到外结晶程度逐渐变差,而角砾化程度逐渐变高。本区X40井、Ou26井等多口钻井钻遇侵出相粗面岩,其中X40井钻遇近300m粗面岩,内带、中带、外带亚相岩性特征明显,外带亚相为粗面质角砾熔岩,厚度相对较薄,内带、中带亚相为粗面岩,厚度相对较厚。
地震响应机理:侵出相外部轮廓多呈丘状、透镜状,是高粘度熔浆挤压式侵出体与围岩接触界面的外部形态。岩体内部多呈波状、杂乱反射结构,是由于其挤压式侵出方式的结果,即先期熔浆受到后期熔浆的搅动,流动单元之间的界面呈指状交切,物性差别不明显。侵出相由于从内带到外带岩石结晶程度逐渐变差,受围岩影响逐渐增加,其角砾化程度逐渐变高,使侵出相由内带到外带反射振幅逐渐增强。侵出相与围岩接触带多呈强振幅反射,丘状轮廓清晰,是外部亚相与围岩波阻抗差值较大所致。
单井可识别出含外碎屑火山沉积和再搬运火山碎屑沉积两种亚相。但两者的内部结构都为火山碎屑结构,差异较小,物性界面难以识别,且其发育厚度通常较薄,因此从地震上尚难区分,仅能以整体识别,具体如下。
地震反射特征:火山沉积相外部轮廓多呈席状,内部多呈平行-亚平行反射结构,中-强振幅,高-中频,连续性好-中(图2g)。该亚相的标志性特征为外部形态多呈薄层,纵横比低,内部反射结构成层性好,中-强振幅,连续性好-中,向远离火山口一侧逐渐楔状尖灭,尖灭处与下伏地层超覆接触,与供给岩墙不直接相连。
地质属性:含外碎屑火山沉积亚相以火山碎屑物质为主(含量大于50%),其中混有一定量陆源碎屑物(图1m)。再搬运火山碎屑沉积亚相为火山碎屑物质经过一定程度的分选、磨圆和再搬运,在一定沉积环境中沉积就位而成。其中火山碎屑物质含量大于90%(图1n)。火山沉积相为火山岩与沉积岩过渡岩相,岩性多为凝灰岩、凝灰质泥岩、凝灰质砂岩,其内部可见沉积岩夹层或与沉积岩互层出现。东部凹陷该亚相发育厚度较薄,均以薄层出现于喷发旋回末端,其中以Ho25井为代表。
地震响应机理:火山沉积相外部轮廓多呈席状、楔状,是火山碎屑物质垂向加积的综合表现。岩体发育厚度较薄,地震上仅以一两个反射同相轴出现,其内部多呈平行-亚平行反射结构,是顶、底界面反射叠加的结果。钻井揭示,该岩相多夹于沉积岩与火山岩之间,顶部多为沉积岩,底部为火山岩,因此该岩相上、下均呈强振幅反射界面。
火山岩相平面分布图是火山岩油气勘探和井位部署的重要基础图件。由过井地震剖面建立的火山岩相地震识别模式,是编制火山岩相图的基础。现以Ho25井过井剖面火山岩相地震解释为例,说明单井相分析和火山岩相地震响应特征关系模板相互配合,实现二维火山岩相识别的过程。
首先,用岩心/岩屑录井和测井资料进行单井火山岩相分析[19],在井孔区识别出了火山通道相、爆发相、喷溢相、侵出相和火山沉积相等火山岩相单元(图3)。接着,将过井地震相与所建立的模板对比,在二者有差别时适当修订模板。此例中各岩相地震反射特征与其鉴别特征符合较好:喷溢相板状/复合熔岩流亚相席状、连续性好,呈强反射特征,与围岩界限清晰;侵出相沿火山颈两侧呈丘状展布,整体呈弱反射特征,与围岩界线清晰;火山沉积相呈席状,位于纵向相序末端,连续性好,分布范围广。最后,应用火山岩相-地震响应关系模板,对无井控区地震相进行预测。在进行井间外推岩相预测时,需要结合火山岩相的序列特征和依存关系。例如,在断裂附近划分出产状近直立、两侧地层产状相反,纵横比高,内部为杂乱反射、中频、中振幅的地震相单元,将此地震相单元归为火山通道相火山颈亚相。在位于火山口附近半地堑低洼处,识别出内部杂乱反射、中-弱振幅、中-弱频、充填型地震相单元,结合其空间位置与其它岩相叠置关系,将其解释为熔浆溢流充填在半地堑内形成的喷溢相玻质碎屑岩亚相。该解释结果符合地质模型且与喷溢相玻质碎屑岩亚相鉴别特征相符。
图3 东部凹陷沙三段火山岩相井-震联合解释剖面
另外还需指出的是,东部凹陷新生代时期构造活动频繁,断裂不仅控制着整个地区火山岩体分布,且对先期形成的火山岩体均有不同程度的改造作用,因此在对东部凹陷火山岩解释过程中应充分考虑断层的影响。通常只有恢复了原始火山形态,才能提高火山岩相地震识别的准确性。由图3可以看出,整个火山岩体受挤压变形、错断明显。目前的火山岩相地震解释结果,是通过想象将其恢复到了改造前的相序关系。在实际剖面解释中也可以采用层拉平方法,但所拉平的层必须是凝灰岩等形成当时曾经是水平产状的标志性层位,亦即,层拉平处理的地质含义必须清晰,否则将会有误导作用。
1) 关于地震相多解性问题。用火山岩相展布的地质规律约束地震解释,是解决地震相解释多解性的有效途径。在火山岩相地震解释中,有些火山岩相/亚相之间地震响应特征差异小、难以区分,如喷溢相与火山沉积相,这时需要结合火山机构相带(空间上)和火山相序(时间上)特征加以限定。如喷溢相在平面上位于火山口-近火山口相带,纵向上位于相序开始或中段,火山沉积相在平面上位于远源相带,纵向上位于相序末端,此时可将两个岩相区分开。如果根据外部几何形态、地震反射特征、地震参数、火山机构相带及火山相序等鉴别参数都无法将岩相区分开时,便只能识别到相或亚相组合。如再搬运火山碎屑沉积亚相与含外碎屑火山沉积亚相只能识别到火山沉积相;爆发相火山碎屑流亚相与喷溢相板状/复合熔岩流亚相互层发育时亦只能以亚相组合整体来识别。
2) 火山期后改造作用的影响。火山岩相地震解释的流程必须遵循地层、断层、岩相的顺序关系,亦即:首先要确定地层单元,再将被后期断层改造的地层恢复到原始喷发/堆积状态,最后才能在所确定的地层单元内进行火山岩相地震解释。辽河盆地东部凹陷火山岩发育层系多,火山成因岩系与沉积充填共存,后期改造作用强烈,因此在对辽河盆地东部凹陷火山岩进行地震解释的过程中,应首先考虑本区断裂发育特征,在分析断裂改造关系的基础上,来梳理地层层序,并以此建立该地区的地层格架;其次要在地层格架控制之下分析识别火山岩与沉积岩之间及火山岩体内部、火山岩之间的接触关系及接触界面,以此来刻画识别火山岩体;最后分析火山岩体与断裂之间的关系,确定火山岩体的分布,并在确定火成岩体分布的基础上,解释和预测火山岩相。
3) 火山岩相地震识别的普适性与局限性。其普适性表现为不同火山岩相带之间地震相的显著性差异,这使得不同火山岩相/亚相之间具有明显的可区分性。例如,火山通道相表现为火山岩体中部的“烟筒状”、内部反射杂乱;而同一层位的火山沉积相则总是表现为远离火山中心的楔状尖灭体,层状-亚平行反射特征。其局限性是指,在不同盆地、不同区块、甚至不同层位所建立的同一火山岩相/亚相的地震识别模式之间可能会有较大差异,亦即火山岩相地震相识别模式通常是特定地区和层位的局部模式。换言之,不同火山岩相带之间地震相的差异是客观的,是由火山喷出物搬运、堆积、叠置规律决定的,不同时间和地点形成的同一相带(如火山通道相)又表现出自身的特点。普适性意味着,火山岩相地震解释的方法流程和地质模型约束具有普遍意义。局限性要求我们,在火山岩相地震解释研究中应建立研究区块和层位的地震-地质模式,而不能轻易套用已有模式。
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