塔里木盆地皮山破火山口构造及其油气地质意义

张长建，刘少杰，罗少辉，王　明（中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，乌鲁木齐830011）

塔里木盆地皮山破火山口构造及其油气地质意义

张长建，刘少杰，罗少辉，王明
（中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，乌鲁木齐830011）

基于破火山口理论结合地震相-岩相解释及构造演化，查明了皮山破火山口的构造形态，阐述了破火山口构造对白垩系油藏的影响。研究认为，皮山大型复式破火山口构造形成于海西运动晚期，其形态为直径25 km的圆形，塌陷深度近1.5 km；火山物质沿环形断裂呈中心式和裂隙式喷发，岩浆房抽空引发大幅度碎块式塌陷；火山喷发相、湖相及白垩系角砾岩岩相呈环形对称分布；塌陷构造区发育内倾环形正断裂、外倾环形逆断裂，中心穹窿构造区发育高陡发散状逆断裂，指示复式破火山口首次喷发、塌陷、复活的完整过程。皮山破火山口构造控制了白垩系储集层发育程度和分布范围。

塔里木盆地；皮山；破火山口；环形断裂；白垩系

海西运动晚期，塔里木盆地二叠系火山岩类型多、分布广，前人曾对火山岩的地球化学特征、岩石学特征、储集层特征、地震相特征、断裂特征与油气藏之间的关系进行过广泛讨论［1-5］。研究认为，塔河地区二叠系火山喷发样式主要表现为裂隙式，塔中地区二叠系火山喷发样式多样，存在中心式、裂隙式及熔透式［5-6］。依据火山岩地震反射特征、地震相特征等，开展了塔河地区火山岩断裂特征分析，探寻多种火山岩圈闭类型，推进了塔里木盆地火成岩油气藏的勘探［6］。

前人曾对国内破火山口构造进行了大量的研究工作［7-10］，认为，国内破火山口除具有相似的外部形态、断裂、塌陷沉积等特征之外，均发育完整的喷发、塌陷的构造演化阶段，个别复活进一步演化至复式破火山口。塔里木盆地塔河地区、塔中地区二叠系发育多种火山喷发样式，但尚未见到因火山喷发造成的大规模塌陷构造。皮山构造发育完整的火山喷发、塌陷、复活和再塌陷的演化阶段，其研究可填补塔里木盆地破火山口构造方面的空白。

由于塔里木盆地麦盖提斜坡皮山构造白垩系依格孜牙组白云质角砾岩油藏勘探程度低，储集层埋藏深，对于皮山构造样式及角砾岩储集层的成因机理一直存在多解性。本文以可控震源采集的逆时偏移地震资料为基础，在层位精细解释、构造解析和地震相-岩相解释基础上，探讨了皮山大型复式破火山口构造及其与白垩系油藏的关系。

1　地质概况

位于塔里木盆地麦盖提斜坡西南角的皮山三维地震区面积为370.08 km2，区内只有1口钻井（皮山北新1井），在麦盖提斜坡白垩系白云质角砾岩中酸压试油获油流82 m3/d，展示了麦盖提斜坡西南部中生界良好的勘探前景［11］（图1）。

图1　麦盖提斜坡皮山三维地震区构造位置

皮山三维地震区自下而上发育寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩地层、石炭系—二叠系海陆交互相地层、巨厚的新生界陆相碎屑岩地层，缺失部分上奥陶统、志留系—泥盆系和大部分中生界。古近系膏盐岩之下发育一套上白垩统依格孜牙组白云质角砾岩储集层，角砾成分主要为粉晶白云岩、细晶白云岩、泥晶白云岩及内碎屑灰岩。皮山北新1井完钻井深7 150 m，未钻遇火山岩。

2　破火山口定义

破火山口是火山物质大量喷发，造成其下部浅层岩浆房腾空，导致上覆地层大规模坍塌而形成的陡峭碗状构造。破火山口存在单式和复式2种类型。单式破火山口指单次火山喷发、陷落形成的破火山口，火山活动之后基本停息不活动。单式破火山口按塌陷形态可分为5种类型:板片式塌陷、碎块式塌陷、天窗式塌陷、凹陷式塌陷和漏斗式塌陷［12］。复式破火山口指在单式破火山口形成的基础上，后期火山复活，岩浆沿原喷发中心或塌陷形成的环形断裂再次侵入喷发，底劈作用致使原破碎地层形成火山穹窿构造［9］。

破火山口的识别依据为圆或椭圆平面形态、环形断裂与岩相分布、地层熔融缺失现象（岩浆房）及塌陷内厚层沉积等，其中环形断裂多具有显著的张扭性特征，复式破火山口发育典型锥火山穹窿［7-9］。

3　皮山破火山口特征

3.1外部形态

皮山破火山口直径25 km，整体呈漏斗状切穿古生界，属于圆形对称塌陷的大型破火山口（图2）。地震资料表明（图3，图4），破火山口塌陷地层（二叠系、石炭系、奥陶系和寒武系）存在地层缺失、熔融减薄现象，减薄趋势由塌陷中心向边缘递减，最大缺失1 500 m的地层。按照圆柱体单式破火山口塌陷简化计算，破火山口的最大塌陷体积约为550 km3，考虑复活期中心穹窿构造所占据的锥形体积，得其塌陷体积约为300 km3.

图2　皮山三维地震区破火山口火山岩顶面构造

图3　皮山破火山口地震剖面示环形断裂样式（剖面位置见图2）

图4　皮山破火山口地震剖面示环形断裂样式（剖面位置见图2）

破火山口平面形态受早期构造格局、岩浆房几何样式和塌陷前地表形态共同影响。麦盖提斜坡加里东运动早期—中期北东走向及海西运动晚期近南北走向的2组主要构造挤压作用造成基底破碎，形成薄弱带［13-14］，岩浆沿断裂侵入、突破地表喷发。从古生界缺失现象的规模和分布推测，皮山岩浆房表现为对称几何形态，物质喷出引发对称圆形塌陷。另外，破火山口塌陷前的近水平地表形态也对皮山破火山口的对称圆形存在影响。

地震剖面上，皮山破火山口与寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系呈明显交切关系，推测火山喷发于二叠系沙井子组沉积之后的海西运动晚期。破火山口外围是环状对称的深凹陷，中心为复活穹窿锥火山构造，整体呈外环塌陷、核心隆起的漏斗状（图4）。

3.2断裂特征

地震剖面上，皮山复式破火山口可分为外环塌陷构造和中心穹窿构造。

外围塌陷构造发育内倾正断层，最外环正断裂角度缓，向内断裂角度陡峭，交切组合成铰链状正断层。随着正断层角度的陡倾，断块地层产状向内倾斜，表明向中心部位塌陷作用增强。另外，内倾断块发育多条外倾高角度逆断层，正断层和逆断层包夹形成楔形块体，构成“y”形组合样式（图3，图4）。

中心穹窿构造主要由寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系构成，整体为底圆半径约15 km的锥火山形状。穹窿中心高四周低，顶部厚地层表现为杂乱地震反射结构，两翼薄地层缺失明显，类似顶厚褶皱样式。岩浆底劈作用改造前期塌陷环形断裂形成逆断层，由于向上拱的作用力不均一（中心大周围小），围绕穹窿形成高角度发散状环形断裂。

3.3火山地震相特征

通过火山地震相和岩相解释，皮山火山通道主要分为2种类型:管状喷发通道（中心式喷发）和环状裂隙通道（裂隙式喷发）（图5）。管状喷发通道直径达3 km，位于穹窿锥火山核心，与古生界呈侵入或交切关系，表现为中—强振幅的杂乱反射柱状体。管状喷发通道顶部周围发育高陡火山渣锥。环状裂隙通道受控于塌陷成因环状断裂，单剖面可识别多达7个通道，意味着平面上可能发育3～4个环形分布的裂隙喷发带。

图5　皮山三维地震剖面火山岩相及通道（剖面位置见图2）

火山口内、火山口附近爆发亚相发育，其地震反射特征表现为中弱振幅、杂乱反射结构、丘状或蘑菇状外形，主要分布在周缘环形断裂附近。喷溢亚相表现为强振幅、中连续性的杂乱反射结构，其分布从穹窿构造核心向两翼增厚，顶部发育高耸环形火山渣锥。

研究认为，早期火山主要为岩浆沿早期基底断裂呈裂隙式喷发；火山复活阶段，岩浆在穹窿核心形成中心式喷发，沿周缘环形断裂及破碎地带上升形成环形裂隙式喷发。

3.4凹陷厚层沉积物

凹陷内巨厚沉积物与古生界大套地层缺失现象同等重要，也是识别破火山口的关键依据。地震剖面显示，破火山口整体构造层可分为下部古生界基底、中层杂乱火山岩层和沉积构造层3套结构。沉积构造层分布于外环凹陷区和核心凹陷区，地震特征表现为中弱振幅、连续好、平行反射结构（图5）。目前钻井仅揭示沉积构造层最上部的白垩系白云质角砾岩，厚度达300 m.环形凹陷区火山岩与沉积岩叠加厚度与塌陷幅度基本一致，最大值接近1 500 m.

4　破火山口演化

海西运动晚期皮山地区可能遭受地幔热柱影响，岩浆沿早期基底断裂突破地表形成裂隙式火山喷发，岩浆回撤导致地层塌陷形成单式破火山口，后期火山复活，岩浆沿塌陷期环形断裂形成中心式和裂隙式侵入/喷发，塌陷地块遭受侵入抬升形成锥火山穹窿。皮山破火山口构造演化可细分为5个阶段。

（1）基底断陷期加里东运动中期及海西运动晚期为麦盖提斜坡主要断裂活动期，控制了研究区的构造格局。加里东运动中期断裂主要受北西—南东向挤压应力控制，断裂切穿寒武系形成多排北东—南西向分布的逆冲断裂带；海西运动晚期断裂受近东西向挤压应力控制，形成多排近南北向差异分布的逆冲断裂带。这2期不同方向的断裂提供了火山初始喷发通道，接近直角的断裂交切关系也在一定程度上影响对称破火山口的形态。

（2）火山喷发期二叠纪麦盖提斜坡随着地壳的上升与张裂，产生强烈的火山活动，形成研究区典型的火山沉积［2］；晚二叠世皮山地区地幔热柱上拱，浅部古生界熔融并形成岩浆房，岩浆沿裂缝突破地表发生裂隙式喷发。

（3）单式破火山口形成期早期火山喷发导致岩浆腾空，研究区寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系因碎块式塌陷而形成单式破火山，发育大量周缘环状断裂及伴生逆断层。

（4）火山复活期凹陷中部深处的岩浆房重新聚集，沿着原先破火山口的通道再次上升，使大部分古生界和火山岩层拱起构成复合火山穹窿，穹窿部位发育高角度发散状逆断裂。受岩浆房再次回撤、冷凝收缩影响，火山岩的表面形成一定规模负向地形:外缘的环状凹陷及穹窿中心凹陷，为湖相及海相沉积物提供了可容纳空间。地震综合解释表明，研究区上白垩统依格孜牙组的沉积受控于凹陷湖盆及环形断裂，上超于二叠系沙井子组，具有沉积尖灭特征。

（5）构造定型期喜马拉雅运动期，由于区域南北向强烈挤压作用，新生界沿古近系膏岩层滑脱，发生强烈褶皱变形，形成了较为开阔的背斜构造。膏盐岩内部滑脱发育断弯褶皱，褶皱核部因塑性流动而加厚，成为油藏良好的区域盖层（图6）。

图6　皮山复式破火山口演化阶段

5　破火山口石油地质意义

5.1控制储集层的发育

中生代麦盖提斜坡大部分处于剥蚀区，皮山复式破火山口构造大规模塌陷为白垩系碳酸盐岩的沉积提供可容纳空间，其沉积范围受控于塌陷湖盆。后期岩浆冷凝、收缩作用可形成大量裂缝，对白云质角砾岩储集空间的形成和改造具有很大的贡献。

皮山北新1井钻遇超过300 m的白云质角砾岩储集层，角砾岩岩心中发育裂缝和溶蚀孔洞，裂缝以平缝、斜缝为主，多数未充填—半充填，大多缝含油气，6 902.00—7 077.77 m井段见总厚度达到30.7 m的油迹和油斑显示（图7）；而孔洞则以小洞为主，绝大多数为未充填—半充填；铸体薄片镜下观察见到大量裂缝及白云岩化形成的晶间孔和晶间溶孔，面孔率为9%～12%.后期针对皮山北新1井6 864.91—6 930.00 m井段开展常规测试，地层产液22.5m3/d，其中油0.5m3/d；对6916.00—6932.00m井段射孔酸压，产水799.85m3/d，产油80.32 m3/d；堵水上提对6 890.00—6 895.00 m井段射孔测试，地层累计产液10.68 m3，其中油1.05 m3.综合岩心、测井、录井及测试等资料，白垩系白云质角砾岩显示了良好的储集性能。

图7　皮山北新1井白垩系依格孜牙组柱状剖面

5.2控制构造-岩性圈闭

破火山口多期次的塌陷、底劈作用形成多种构造-岩性圈闭。皮山1号圈闭背斜构造形态较为完整，局部被断层切割。破火山口边缘带上塌陷成因的环形断裂切割白垩系、二叠系和石炭系，侧向封堵好，可形成断块圈闭。剖面特征及连井对比证明，研究区白垩系角砾岩存在上超沉积尖灭，具备形成地层岩性圈闭的可能性。

5.3影响油气生成和运移

据钻井油气地球化学特征分析，皮山构造油气主要来源于石炭系泥质烃源岩。岩浆岩及岩浆活动可加快石炭系烃源岩的成熟，扩大烃源岩的生油范围和强度。喜马拉雅运动中期—晚期，油气沿不整合面和底劈构造发生大规模充注，形成皮山构造上白垩统依格孜牙组油藏，后期南北向挤压作用使麦盖提斜坡反转沉降，但断裂活动弱，油藏未遭到破坏。

6　结论

（1）基于叠前逆时偏移地震数据，综合精细层位、断裂及地震相解释结果，识别了皮山大型破火山口。破火山口平面形态为直径25 km的圆形，塌陷深度达1.5 km，塌陷构造区发育典型正断裂、逆断裂的“y”形组合，穹窿构造发育高陡发散状逆断裂，火山为中心式和裂隙式喷发，岩相具有环形对称分布规律。

（2）皮山破火山口属于复式喷发形成的破火山口，早期喷发之后火山碎块式塌陷形成单式破火山口，岩浆复活期底劈作用促成穹窿构造，整体具外环塌陷、核心隆起的构造特点。

（3）皮山破火山口构造格局控制了白垩系油藏体系。破火山口凹陷为白垩系碳酸盐岩的沉积提供可容纳空间，储集层发育程度及展布范围受控于塌陷湖盆，晚期岩浆冷凝收缩作用形成的裂缝有利于储集性能改善，塌陷环形断裂具沟通烃源岩作用。

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（编辑曹元婷）

Structure and Geological Significance of Pishan Caldera in Tarim Basin

ZHANG Changjian，LIU Shaojie，LUO Shaohui，WANG Ming
（Research Institute of Exploration and Development，Northwest Oilfield Company，Sinopec，Urumqi，Xinjiang 830011，China）

On the basis of caldera theory integrated with seism ic-lithofacies interpretation and tectonic evolution，the paper investigates the structures of Pishan caldera and describes its impact on the Cretaceous reservoirs.It is considered that the large-scaled composite caldera in Pishan formed in the late Hercynian movement，which is a circle with the diameter of 25 km and the maximum subsidence depth of 1.5 km.Volcanic materials erupted in central and fissure mode along the ring fault and the evacuation of magma chamber resulted in sharply subsidence.Volcanic eruption facies，lacustrine facies and Cretaceous breccia facies assume the circular symmetric distribution；innerdipping circular normal faults and outer-dipping circular inverse faults are developed in collapse structure area and high-steep divergent inverse faults occur in central dome structure area，which indicates the comp lete process of caldera from its first eruption，subsidence to reactivation.Pishan caldera structure controls the development and distribution of the Cretaceous reservoirs.

Tarim basin；Pishan；caldera；circular fault；Cretaceous

TE111

A

1001-3873（2016）03-0281-05

10.7657/XJPG20160306

2015-10-26

2016-03-04

国家科技重大专项（2011ZX05049-001-002）

张长建（1983-），男，江西萍乡人，工程师，石油物探，（Tel）18999830628（E-mail）frank_geoscience@126.com