琼东南盆地碟形侵入体的地震响应特征及油气意义

吴晓川 张功成 蒲仁海*(①西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069； ②西北大学地质学系，陕西西安 710069； 中国海洋石油研究中心勘探研究院，北京 100027)

1 引言

碟形侵入体在沉积盆地特别是位于大陆边缘的沉积盆地中普遍发育。Magee等[1]、Schofield等[2]在北大西洋的法罗—设得兰盆地、泛爱尔兰罗科尔盆地的地震剖面上分别识别出100和82个底部平坦、翼部往上翘倾的火成岩床，岩床的组合型式为单个岩床在垂向上至少与另一个岩床连接，构成规模巨大的岩床复合体。深度小于1.5km的岩浆侵入活动形成的岩床在地震剖面上通常表现为碟形反射[2-4]；深度大于1.5km的岩浆侵入活动形成的岩床较为平整，翘倾的翼部欠发育，为整合反射[3,5-7]。大陆边缘盆地中砂岩侵入形成的岩床在地震剖面上同样表现为碟形反射，这已在北海、法罗—设得兰等盆地得到钻井证实[8，9]。

两种类型的岩床可共存于同一个沉积盆地中，甚至侵位于同一套地层中。从沉积角度看砂岩侵入隶属于液化颗粒流的范畴，从构造角度看砂岩侵入隶属于软沉积变形的范畴。弱固结的砂岩在异常超压下可活化并上侵[10]，而熔融的岩浆以浮力为主要驱动力。火成碟形岩床在中国大陆边缘盆地也有发育，如琼东南盆地松南凹陷和宝岛凹陷[11]、珠江口盆地白云凹陷[12]、东海盆地椒江凹陷[13]、黄海盆地[14]。砂岩侵入在珠江口盆地白云凹陷表现为孤立丘状反射[15]，在琼东南盆地陵水低凸起表现为数个纵向叠置的碟形反射[16]。

识别埋深于地下的碟形侵入体的可靠方法是钻井验证，由于其不是油气勘探的主要对象而易被忽视，导致对其成因的认识模糊。在无井的条件下，通常采用地层压力梯度、速度分析等方法识别砂岩侵入。前人利用磁异常、重力异常、高速异常等多种地球物理异常辅助地震剖面识别火成岩床[17，18]。在琼东南盆地很少有井钻遇岩浆岩，大多通过地震反射样式确定火成岩[19]。

本文根据二维地震资料，在分析琼东南盆地碟形侵入体反射特征的基础上，依据反射系数和邻区VSP测井资料求取碟形侵入体的波阻抗值，通过分析地层压力和沉积环境排除了砂岩侵入的可能性。

2 地质背景

琼东南盆地位于南海西北部，呈北东向展布(图1)。自新生代以来，盆地演化分为三个阶段[20]：始新世和渐新世的裂谷期，自渐新世(36～21Ma)开始沉积了崖城组、陵水组； 早—中中新世(21～10.5Ma)为热沉降期，沉积了三亚组和梅山组；晚中新世—第四纪为快速沉降期(10.5Ma～)，沉积了黄流组、莺歌海组、乐东组(图2)。该盆地有着巨大的油气资源潜力，20世纪80年代就在崖南凹陷发现了巨大的商业性气田，且在其周缘的崖北凹陷、崖城凸起相继钻遇不同丰度的油气藏(图1)。YC8-2-1井钻遇了丰度较高的崖城组煤系暗色泥岩，YC8-1-1井发现了富含油砂的陵水组，YC7-4-1井发现了2.5m厚的气层，YC14-1-1井在三亚组发现了1.4m厚的油层显示[21]。近年来在盆地深水区的中央峡谷也发现了大气田[22]。盆地深水区普遍存在异常超压，渐新统崖城组已形成东、西两大超压系统，到10.5Ma以来盆地深水区组成统一的超压系统，且西部压力系数普遍超过2.2，最高达2.27[16,23]。总的来说，琼东南盆地具备砂岩侵入的深水超压条件，且盆地内发现的多期次岩浆活动意味着盆地内碟形侵入体的成因较复杂。

图1 琼东南盆地构造单元及井位、测线位置图

图2 研究段地层划分

3 地震反射特征

3.1 几何学特征

碟形侵入体由三部分组成：一是平坦的底部岩席，与地层层面大致平行；二是翘倾的翼部岩席，向上、向外以一定角度侵入地层，出现明显的不整合；三是外部岩席，斜向上的翼部发生明显转折，外部岩席与地层的夹角明显小于翼部与地层的夹角，继而以向外的横向延伸为主[24]。胶结不甚致密的砂岩在超压驱使下，侵入相邻或较远的软弱地层中，由于其与围岩波阻抗值的差异而表现为强反射。火成岩与围岩的波阻抗值差异更大，因而引起更强的反射。岩床的厚度一般在地震子波的半波长范围之内，围岩与岩床的接触面为一个正反射系数界面，在正极性地震资料上表现为“上峰下谷”的不对称反射或“一峰两谷”的对称反射(图3a、图4a、图5a)，所以在地震剖面上呈异常强反射的碟形侵入体的厚度在数十米之间，但其横向延伸长度在数千米～数十千米之间[25]。造成垂向厚度和横向延伸长度差异巨大的原因是地层的纵向杨氏模量远远小于横向杨氏模量[26]。

本次发现的①号碟形侵入体位于北部浅水区崖城凸起，出现在第四系乐东组近水平的沉积层中(图3a)。强振幅低频反射突然消失的位置就是碟形侵入体横向尖灭的端点，其横向宽度为5.5km，刺穿了上部175ms的地层，由底部、翼部、外部三部分岩席组成(图3)。左翼的高度和宽度稍大于右翼，左侧外部岩席的延伸长度也大于右侧外部岩席的长度(表1)，且左侧外部岩席产状近水平而右侧仍与地层斜交。②号碟形侵入体位于北部浅凹崖北凹陷上新统莺歌海组，产出于倾斜地层中，底部岩席同地层层面保持平行，右翼截切地层的角度较左翼大，外部岩席不发育。整个碟形侵入体的宽度为3.37km，刺穿地层的垂向高度为256ms，为不对称的异常强振幅反射(图4a)。③号碟形侵入体位于深水区南部隆起，由翘倾的翼部和弧形上凸的底部岩席组成。与前两个侵入体不同的是，倾斜的翼部与底部衔接处呈尖棱状转折而非弧形转折，其宽度为2.46km，刺穿上覆162ms的地层，左翼高度小于右翼高度(图5)。

图3 ①号异常反射体地震剖面(a)及反射强度剖面(b)

图4 ②号异常反射体地震剖面(a)及反射强度剖面(b)

图5 ③号异常反射体地震剖面(a)及反射强度剖面(b)

表1 碟形体几何要素表

3.2 波阻抗求取

由于前期勘探部署井未钻遇上述三个碟形侵入体，但①号和②号碟形侵入体附近存在多口钻井(①号侵入体距西北方向的YC8-2-1井仅为13km，②号侵入体距东北方向的YC7-4-1井仅为12km)。由于①号和②号碟形侵入体的围岩地层时代均较新，莺歌海组和乐东组对应盆地的快速沉降期，因此构造沉积差异远远小于裂谷期。

利用崖城凸起和崖北凹陷的YC13-6-1、YC7-4-1、YC14-1-1、YC8-2-1、YC8-1-1等井的VSP数据拟合各自的时深关系。上述井的时深关系曲线重合度非常高，除了位置稍偏南的YC13-6-1井外，北部4口井的时深关系趋于一致(图6)，因此碟形侵入体所在区域的围岩特征大致相同。通过拟合的VSP数据求取碟形侵入体刺穿的上覆地层的平均速度，然后根据 Gardner公式推算对应的地层密度，进而得到相应的波阻抗值，再通过反射强度剖面读取碟形侵入体的反射强度，并结合刺穿岩层的波阻抗值反推碟形侵入体的波阻抗值。①号碟形侵入体刺穿地层的顶、底反射时间分别为614、784ms，在VSP曲线上对应的深度分别为575.65、763.99m，被刺穿岩层的平均速度为2152m/s，对应的密度值为2.1g/cm3，碟形侵入体的反射强度为0.18。②号碟形侵入体刺穿地层的顶、底反射时间分别为1654、1910ms，在VSP曲线上对应的深度分别为1999.31、2449.28m，被刺穿岩层的平均速度为3515m/s，对应的密度值为2.3g/cm3，碟形侵入体的反射强度为0.17。

图6 ①、②号碟形侵入体周缘钻井VSP时深关系叠合图

4 讨论

4.1 侵入类型分析

砂岩侵入的物质来源于盆地盖层中的超压层，熔融的岩浆来自中下地壳甚至是地幔。因此，火成碟形侵入体的岩浆通道首先穿过盆地基底，然后刺穿盖层，达到相应的岩层接触面上，岩脉就会转为岩床。该接触面可以是剥离面，也可以是应力主轴方向发生改变的面(该面以下σ1竖直、σ3水平，该面以上σ1水平、σ3竖直)，还可以是上、下岩层弹性性质差异较大的接触面[26]。

在①号碟形侵入体的正下方可见宽度为3.5km的柱状通道，该通道呈杂乱反射，在方差体剖面上通道形态更为明显(图7a)，连接了盆地的结晶基底；在②号碟形侵入体的下方可见倾斜的柱状通道，该通道宽约2km，该通道同样来自盆地基底，斜向上刺穿了断层，说明两者的物质来源并非沉积层。其次，计算出的波阻抗值(分别为6.5×106、1.1×107kg·m-2·s-1)远大于北部浅水区砂岩，且VSP反映的时深关系否定了碟形侵入体附近存在异常超压，表明不存在砂岩侵入的动力来源。此外，在出现①号、②号碟形侵入体的地震剖面上未见大套砂岩的地震反射，周缘井钻遇的乐东组、莺歌海组和黄流组偏向泥质沉积，这就意味着缺乏砂岩侵入的物质来源。从所处的位置来看，①号碟形侵入体位于陆架上(图7b)，与已发现的处于深水环境的砂岩侵入体截然不同。因此，①号和②号碟形侵入体应为火成岩床。③号碟形侵入体位于盆地南部隆起，其附近没有钻井。由图1和图5可见，③号碟形侵入体位于南部隆起的高部位，缺失T60以下沉积，隆起周缘的三亚组应为浅水沉积，沉降速率缓慢，远离北部物源，是生物礁等碳酸盐岩发育的重要背景[28，29]。砂岩侵入的母体砂岩一般形成于深水环境的快速堆积，显然③号碟形侵入体的周缘地层不满足该条件。③号碟形侵入体直接位于盆地基底上，在其下方可见三个柱状通道，除形成③号碟形侵入体外，左侧通道的上方还有丘状的岩体侵入。沉积环境和通道的分析表明，③号碟形侵入体也为火成岩床。

图7 ①号碟形侵入体周缘方差体剖面(a)及过①号碟形侵入体的地震大剖面(b)

综上所述，①、②、③号碟形侵入体均为火成岩碟形岩床，其中①、②号碟形侵入体不具备砂岩侵入形成的超压条件和物质来源，③号碟形侵入体不具备砂岩侵入发育的深水环境，上述侵入体的地球物理特征类似于火成岩。

4.2 侵入时间确定

确定火成岩形成地质年代的较常规方法是同位素测年，但在无井、无样品的情况下，采用地震剖面同相轴的终止和叠置关系划分岩浆活动期次也是可行的做法。琼东南盆地的岩浆活动十分普遍，前人大多在无井条件下利用地震资料划分相应的岩浆活动期次。松南三维区的岩浆侵入活动可划分为早中新世和第四纪两个期次[11]，而崖北凹陷在新近纪末期有一次喷发活动[30]。

针对本次研究的碟形侵入体，采用不整合面、地层厚度变化分析其活动期次。①、②、③号碟形侵入体的出现均引起上部地层的被动褶皱，其中褶皱宽度略宽于碟形侵入体两翼的宽度，褶皱的隆起幅度与平坦岩席的厚度呈正相关(图8)。 与岩床侵入体有关的强制褶皱的出现可引起地史时期沉积表面的变化，后期沉积的地层就会在褶皱两翼形成超覆不整合，在不整合面上新地层的厚度向褶皱顶部减薄。该超覆不整合面代表的地质年代即为岩浆侵入年龄，同时该不整合面也为上部顶薄褶皱和下部协调褶皱的分界面。

图8 放大后的①(a)、②(b)、③号(c)碟形岩床及有关的褶皱与不整合(d)

因此，①号碟形侵入体形成于乐东组沉积时期，时间小于1.8Ma，②号碟形侵入体形成于上新世莺歌海组沉积末期T20不整合面形成时期，对应1.8Ma，③号碟形侵入体形成于梅山组沉积末期T40不整合面形成时期，对应10.5Ma。

5 油气意义

从岩浆侵入的时间来看，本次活动的时间分布于中中新世末、晚中新世末期以及第四纪。①号和②号碟形侵入体周缘钻井发现了不同程度的油气显示，由于它们的形成时间均较晚，可能对油气藏保存不利，但其分布局限，不会造成大范围的破坏。盆地北部崖北凹陷崖城组烃源岩干酪根类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，从凹陷边缘到凹陷中央，镜质体反射率R0值为0.6%～2.1%，属于油气共生阶段[31]。从①号、②号碟形侵入体的发育时间和所处的边缘位置来看，其侵位时凹陷北部烃源岩的R0值很可能还不到0.6%，高温岩浆必然促进烃源岩的热演化。其中三亚组和陵水组作为该区已证实的储层，岩浆在刺穿三亚组地层时会引起周缘储层的孔隙度变化，但岩浆没有发生远距离侧向侵位，因此作用区域不大。

从理论上讲，岩床分为上、下致密段和中间渗透段三个部分(图9)，上、下致密段是岩床的冷凝边，中间渗透段是岩浆冷凝过程中发育的节理段[32]。具有一定厚度的岩床，其水平节理和柱状节理都较为发育，纵、横交错的节理使岩床内部的裂缝具有很好的连通性(图9b)。在岩浆冷凝过程中，高温岩浆通常与含流体的低温围岩相接触，岩床的上、下边缘便形成冷凝边或玻璃质边缘。如果冷凝边没有破损，则其可作为圈闭的盖层或遮挡物[33]。

图9 岩床的冷凝边(a)与岩床内部的节理系统(b)(据Løtveit等[32]修改)

若岩床下部冷凝边破损形成油气运移通道，上部玻璃质边缘未破损而具有封闭能力时则形成自储、自盖的储盖组合[34]；若岩床上、下边缘都破裂则具有良好的输导能力，被围岩封隔时可形成透镜型圈闭，这已得到阿根廷Neuquén盆地油田的证实[35]。因此，烃类流体可进入岩床内部或者穿过岩床发生垂向运移，也可沿着岩床底界面发生横向运移，这取决于上、下冷凝边保存的完整程度，也就是说岩床在油气运聚时可充当隔层、运载层甚至是储层的角色(图10)。岩床对围岩的孔隙度和渗透率也具有正、反两面的作用：在围岩与岩床的接触边缘由于接触变质作用形成烘烤边，使围岩孔隙度和渗透率部分降低或者是直接转变为隔层，但由于侵入时的热力作用形成强制褶皱并在其顶部产生断层或节理，形成背斜圈闭[36，37]。此外，前人在地震剖面上发现下凹的热液口通过垂向的异常反射与下伏岩床的一端相连，表明下伏的岩浆侵入控制了热液口的形成，然而这些热液口被后期的砂质沉积物充填再被弱渗透层封闭也能形成岩性圈闭[38]。

图10 与火成碟形岩床相关的圈闭类型

6 结束语

(1)①号碟形侵入体位于乐东组内部，②号碟形侵入体位于莺歌海组内部，③号碟形侵入体位于梅山组内部，它们的宽度为2～6km，在地震剖面上表现为高速正极性强反射。上覆地层中出现的褶皱不整合面揭示①号、②号、③号碟形侵入体各自的侵位时间分别为第四纪、中中新世末期(1.8Ma)、晚中新世末期(10.5Ma)。

(2)①号和②号碟形侵入体波阻抗值分别为6.5×106、1.1×107kg·m-2·s-1，比由钻井数据统计得到的砂岩波阻抗值(5.3×106kg·m-2·s-1)大得多。①号、②号和③号碟形侵入体均出现在浅水正常压实地层中，周缘不存在异常超压和大套的砂岩强反射，且在侵入体底部均可见与盆地结晶基底相连的通道。因此，上述三个碟形侵入体是由岩浆侵位形成的。

(3)①号和②号碟形岩浆侵入体侵位时促进了其附近未成熟—低熟有机质的热演化过程，但由于其形成时间晚，不利于早期含气构造的保存。碟形岩床两侧冷凝边的破损程度决定了其在含油气系统中扮演储层、盖层或输导层的角色。与岩床直接关联的圈闭包括上倾遮挡型、盖层型、透镜型等圈闭类型，与围岩有关的次生圈闭包括背斜圈闭、热液口形成的岩性圈闭等。

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