巴西桑托斯盆地岩浆岩成因类型划分与活动期次分析*

程 涛 康洪全 梁建设 贾怀存 白 博 李明刚

(1.中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2.中海石油(中国)有限公司 北京 100010)

南大西洋西侧巴西海域桑托斯盆地是中生代南美洲板块与非洲板块解体所形成的一系列被动大陆边缘盆地之一[1-4]，自裂谷期开裂之初就伴随着频繁的火山活动[5-8]，岩浆岩在盆地内广泛发育。随着桑托斯盆地油气勘探的不断推进，尤其是自2006年以来在盐下层系发现了多个特大型油气田，揭开了该盆地新一轮油气勘探的序幕[9-12]。

随着桑托斯盆地盐下油气勘探的进行，越来越多的钻井揭示了盆地内岩浆岩的广泛存在，同时也有多口钻井因为钻遇岩浆岩或因岩浆岩对储层的影响而失利，岩浆岩发育与否成为决定研究区油气勘探成败的关键因素之一。因此，开展对岩浆岩的分析成为该地区油气勘探研究的一项重要工作内容，迫切需要通过系统分析明确盆地内岩浆岩的成因类型、地质特征及发育规律，进而进行岩浆岩分布预测。国内外学者专家对沉积盆地内岩浆岩开展了大量深入系统的研究，内容涉及成因分析、同位素定年、地球化学等多个方面[13-19]，但在油气勘探相关领域则多集中于对岩浆岩储层及岩浆岩油气成藏的研究[20-25],而且目前国内外对巴西桑托斯盆地的岩浆岩类型、活动期次及其识别刻画也鲜有报道。

本文依据研究区钻井、地震、地球化学等资料数据，围绕巴西桑托斯盆地的岩浆岩开展系统研究，划分研究区的岩浆岩成因类型，总结不同类型岩浆岩的地震反射特征，分析火山活动期次，旨在为研究区勘探地质风险的识别规避、有利勘探方向的优选乃至勘探部署提供有力支持，并为巴西桑托斯盆地及南大西洋两岸火山发育的多个被动大陆边缘盆地油气勘探中的岩浆岩识别与刻画提供重要参考。

1 区域地质背景

桑托斯盆地位于巴西东南部海域(图1)，面积约32.7×104km。该盆地与北部的坎波斯盆地和埃斯皮里图桑托盆地共同构成大坎波斯盆地，它们具有相似的构造演化和沉积充填史，为典型的被动大陆边缘盆地。桑托斯盆地石油地质与成藏条件十分优越，油气资源丰富，已经发现油气可采储量约409亿桶油当量；自2006年以来在深水区盐下层系湖相碳酸盐岩领域相继发现了Lula、Iara、Libra、Franco等多个特大型油气田，累计发现油气可采储量达331亿桶油当量。

图1 桑托斯盆地区域地质图Fig.1 Regional geological map of Santos basin

桑托斯盆地构造演化和沉积充填可以划分为3个阶段(图2)：①早白垩世裂谷阶段，盆地构造活动强烈，自下向上又可以细分为3期，分别是强烈断陷期、断拗转换期与拗陷期，其中强烈断陷期以发育岩浆岩地层与湖相泥岩沉积为主；断拗转换期发育湖相生屑滩贝壳灰岩沉积与湖相泥岩沉积，岩浆岩地层也较为发育；拗陷期则主要发育湖相微生物礁叠层石灰岩或湖相泥岩沉积，局部发育岩浆岩地层。②早白垩世末期Aptian阶过渡阶段和晚白垩世过渡阶段，盆地发生海侵并受南部Walvis 脊的遮挡，处于局限海环境，主要沉积了一套厚层的蒸发盐岩地层，局部可见硬石膏或岩浆岩。③晚白垩世—新生代漂移阶段，盆地进入被动大陆边缘期，沉积充填了一套巨厚海相地层，早期以海相碳酸盐岩沉积为主，晚期以海相泥岩沉积为主，并发育有多期深水浊积砂岩沉积，局部也发育岩浆岩。

图2 桑托斯盆地地层综合柱状图Fig.2 Composite column of Santos basin

2 岩浆岩成因类型划分及发育模式

2.1 岩相特征

通过对岩心及镜下薄片资料进行分析，桑托斯盆地岩浆岩可以划分为5种岩相(图3)。

1) 块状玄武岩。为厚层块状细粒半玻璃质玄武岩，火山玻璃含量约10%～30%，可以识别出斑状结构、聚斑状结构、斑点结构、粒间结构和填隙结构(图3a、b)。

2) 杏仁状玄武岩。为具有圆—次圆状孔洞结构的玄武岩，孔洞被与岩浆活动不同期的次生矿物全部或部分充填；杏仁孔含量5%～25%，孔径0.5～10.0 mm，充填孔洞的次生矿物包括碳酸盐岩、沸石和绿泥石等，局部可见次生矿物部分溶解形成的少量孔隙(图3c、d)。

3) 玄武碎屑岩。以玻璃质玄武岩碎屑被不同矿物胶结为特征，这类岩石是淬火破碎作用的产物，由在水下喷发环境中岩浆与水发生热冲击形成。玄武碎屑岩的碎屑为细粒，具有曲线形体和拼图结构，岩石为全玻璃质，可见蚀变的斜长石斑晶，基质由火山玻璃和不透明矿物组成，杏仁气孔常见但形状不定，气孔被次生矿物充填，岩石裂缝被碳酸盐岩、沸石和硫化物充填，碎屑被次生矿物胶结(图3e、f)。

4) 再沉积玄武碎屑岩。反映了玄武岩被搬运离开原形成地，以碎屑的散乱分布沉积为特征，岩石由杏仁状玄武岩、火山玻璃和被白云石胶结的碳酸盐岩颗粒的碎屑组成(图3g、h)。

5) 辉绿岩。为全晶质到半晶质细粒—中粒，从不等粒斑状结构到次无斑隐晶质结构，再到等粒隐晶结构。基本矿物组合为斜长石、少量橄榄石、辉石和火山玻璃，岩石遭受中等到强蚀变，次生矿物多充填裂缝和杏仁孔或作为蚀变产物交代原始组分或玻璃质(图3i、j)。

图3 桑托斯盆地岩浆岩岩石学特征Fig.3 Petrological characteristics of magmatic rocks in Santos basin

2.2 成因类型划分

依据岩浆岩宏观和微观岩石学特征、喷发作用方式、形成环境差异及火山机构的空间几何形态特征，将研究区的岩浆岩划分为3种主要成因类型(图4)。

1) 火山通道成因相。该成因相可以细分为火山颈亚相与隐爆角砾岩亚相，其中火山颈亚相发育广泛，主要为大套块状玄武岩，测井上多表现为大套箱形低GR特征，钻井揭示厚度达数百米。火山通道成因相对应于从深部岩浆房到火山口顶部的岩浆岩热液活动及其上涌通道系统，多位于火山机构的下部及中心部位，是火山的喷发通道与核心区，按照喷发方式的差异可以进一步划分为中心式喷发通道、裂隙式喷发通道及中心-裂隙复合式喷发通道等3种类型，其中中心式通道平面分布范围较为集中，延伸距离约为1.5～2.5 km；裂隙式通道平面延伸范围变大，约为5～10 km；而中心-裂隙复合式通道延伸最远，平面延伸距离约15～20 km。火山通道成因相是岩浆岩向上喷涌至湖盆水体或地表过程中滞留和回填在火山通道中的岩浆岩组合，其最初形成于盆地岩浆岩活动早期，但在岩浆活动的全过程中都有存在，保留下的则多为后期乃至最后一期活动的产物。隐爆角砾岩亚相在研究区局部有较少揭示，多形成于岩浆岩热液在地下隐伏条件背景中得到一定释放但又释放不完全而发生爆炸作用所形成，形成时间要稍晚于岩浆岩主活动期，多位于火山口附近，其代表性岩性为隐爆角砾岩。

图4 桑托斯盆地岩浆岩成因类型Fig.4 Genesis types of magmatic rocks in Santos basin

2) 喷发溢流成因相。该成因类型岩浆岩代表性岩相为块状玄武岩或杏仁状玄武岩，以火山玻璃为主，含橄榄石、斜长石、辉石，局部夹玄武碎屑岩及再沉积玄武碎屑岩。显微镜下可见橄榄石、辉石和斜长石斑晶“漂浮”于火山玻璃基质之中，充填杏仁气孔的矿物结晶程度较好，部分玄武岩遭受了不同程度的蚀变作用。在结构特征方面，这类玄武岩具有较多的火山玻璃，且具有典型的淬火结构，如骸晶、中空斜长石、燕尾结构以及微晶斜长石，这些结构表明桑托斯盆地的岩浆喷发作用多发生于较深的水体环境之中，其中较小且稀少的圆形杏仁气孔也可以指示深水喷发环境。

该成因相在测井曲线上对应为弱齿化箱形或钟形较低GR特征，钻井揭示单层厚度50～100 m，且经常出现岩浆岩与泥灰岩、贝壳灰岩或砂岩的互层沉积(图4)，反映并对应于火山的频繁多期次喷发及喷发间隙所沉积的湖相碳酸盐岩或海相深水浊积砂岩。这一成因类型的岩浆岩多为岩浆岩从火山通道喷涌而出，被喷溅到水中或空中后回落溢出火山中心区，并向火山侧翼继续流动卸载，之后逐渐冷凝滞留下来固结而成。

3) 侵入成因相。该成因类型岩浆岩代表性岩相为辉绿岩，以斜长石、橄榄石、辉石、角闪石为主，蚀变较为严重，可见完全蚀变的橄榄石晶体及未蚀变完全的具反应边结构橄榄石。显微镜下可见结晶程度较好的斜长石、橄榄石、辉石和角闪石。辉绿岩具有较为明显的辉绿结构，即在板条状斜长石组成的格架内填充一粒或几粒与其大小相当的辉石或橄榄石颗粒；辉绿岩中水化矿物的存在(角闪石和黑云母)表明岩石为地下交代侵入成因而非地面/水下喷发成因。从组成和结构来看，桑托斯盆地侵入成因相岩浆岩主要对应于同一阶段的火山事件，组成了一个岩床，该岩床由多期次岩浆脉动或岩浆分异作用形成。几乎所有侵入岩都表现为相似的稀土元素分布模式，表明不同岩石在地球化学特征方面存在亲缘特征，反映了单一岩浆来源。

该成因相在测井曲线上对应为弱齿化的箱形，厚度相对于其他2种成因类型明显减薄，多为20～90 m，多表现为大套叠层石灰岩或盐岩沉积中的岩浆岩厚夹层(图4)。桑托斯盆地侵入成因相岩浆岩多形成于火山喷发活动的晚期，在火山机构已经整体形成并渐趋稳定后又发生后期活跃，高黏度岩浆岩受内部压力挤压出老的火山机构，侵入后期已经成岩的碳酸盐岩或蒸发盐岩地层中并逐渐冷凝固结而成。

2.3 发育模式

综合考虑岩浆岩的不同成因类型、空间几何结构特征及其与碳酸盐岩、盐岩或漂移期深水沉积的关系，建立了桑托斯盆地岩浆岩发育模式(图5)。其中，火山通道成因相主要发育在盐下裂谷阶段地层之中，尤其是在强烈断陷期及断拗转换期最为发育。喷发溢流成因相空间分布较为广泛，在裂谷阶段强烈断陷期、断拗转换期、拗陷期以及后期漂移阶段均有发育，大多与火山通道成因相伴生，并具有多期次喷发的特征，目前钻井已钻遇多套岩浆岩与碳酸盐岩或砂岩的分期互层结构。火山通道成因相和喷发溢流成因相岩浆作用可以改变盆地的古地貌特征，在局部形成古凸起地形；侵入成因相多与深大断裂相伴生，主要发生在较晚的漂移阶段岩浆岩活跃时期，为深层岩浆岩沿较大断裂体系挤占侵入到盐下裂谷阶段湖相碳酸盐岩地层、过渡阶段盐岩地层乃至前期岩浆岩等围岩体之中形成，多成层状分布，范围较为局限。

图5 桑托斯盆地岩浆岩发育模式(剖面位置见图1)Fig.5 Magmatic rocks model of Santos basin(see Fig.1 for location)

3 岩浆岩地震反射特征

桑托斯盆地各种成因类型岩浆岩的地震反射几何形态及内幕结构具有较大的差异，可以作为识别岩浆岩或区分不同成因类型岩浆岩的主要依据(图6)。

3.1 火山通道成因相地震反射特征

火山通道成因相多位于火山机构的下部或根部，是火山喷发的通道与核心区，具有较为明显的岩浆岩上涌及运移的通道特征。对应于火山喷发方式的不同，其地震相可以细分为3种亚相。A类：丘状通道地震亚相(图6a)，主要对应于中心式喷发，呈现出类圆锥状外部几何形态特征，高3.7～10.4 km，宽1.4～2.8 km，并在顶部可见较为明显的火山口下凹结构；内部多为中弱振幅高频杂乱反射，局部有上拉现象，整体与围岩或其他期次的岩浆岩具有明显的岩性界线，可见其他期次岩浆岩或湖相沉积上超于火山通道侧翼，反映出事件性爆发形成古地形高的背景；该类型岩浆岩在强烈断陷期地层中最为发育。B类：条带状上涌地震亚相(图6b)，对应于裂隙式喷发，多呈不大规则的上涌几何形态，高3.0～4.1 km，宽0.5～1.2 km；内部为中弱振幅杂乱反射，局部连续性有变化，与围岩具有明显的上超不整合接触，有时可见条带状火山通道自强烈断陷期向上延伸至拗陷末期；该类地震亚相在裂谷期地层中普遍发育。C类：裂隙式上涌地震亚相(图6c)，对应于裂隙式喷发，多与较大断裂相伴生，岩浆岩沿断层或者盐侧翼向上突进并呈现出较窄条带的特点，高2.0～3.0 km，宽0.1 km；下部多与前两种类型地震亚相沟通，反映出岩浆岩后期二次活跃并向上运动；内部多为较强振幅杂乱反射，具有后期破坏围岩的特点；该类地震亚相在盐岩及漂移期地层中较为常见。

图6 桑托斯盆地岩浆岩地震相特征Fig.6 Seismic facies characteristics of magmatic rocks in Santos basin

3.2 喷发溢流成因相地震反射特征

喷发溢流成因相多位于火山机构的中上部，呈现出较明显的厚层状流出固结形态特征，其地震相可以细分为3种亚相类型。D类：块状均一地震亚相(图6d)，多具有块状外形特点，主要发育于盐下地层，与上下地层具有明显的地层反射界线，高0.4～0.5 km，宽2.0～3.0 km，且多位于A类丘状通道亚相或B类条带状上涌亚相的侧翼，表现出明显自火山通道喷溢流动而出的空间配置关系；内部多为较均一的弱振幅到空白反射，对应于大套均一厚层的玄武岩岩性；该类地震亚相多在断拗转换期地层中发育。E类：层状交互结构地震亚相(图6e)，主要发育于盐下地层，多具有板状或楔状的几何外形，高0.4～0.6 km，宽3.0～8.0 km，多发育于B类条带状上涌亚相的侧翼或者D类块状均一亚相的前端，由岩浆岩自火山口喷溢而出或在厚层块状喷溢相前端向湖相沉积过渡形成；内部多为中强振幅连续中低频平行反射，岩性组合上则对应于玄武岩与碳酸盐岩或泥岩的互层结构；该类地震亚相在裂谷阶段各个时期地层中均有发育。F类：楔状充填结构地震亚相(图6f)，其外部几何形态多呈现楔形—板状结构，主要发育于盐上地层，多充填在盐岩滑动形成的盐拱或盐底劈之间的低洼负地形之中，多与C类沿断层裂隙式上涌地震亚相伴生，自火山通道向周围逐渐加厚，高0.5～0.6 km，宽度多大于12 km；内部多为中强振幅断续亚平行—杂乱反射；该类型岩浆岩在盐上漂移阶段地层中普遍发育。

3.3 侵入成因相地震反射特征

桑托斯盆地侵入岩没有进一步细分亚相，多数表现为单一地震反射轴，主要表现为连续低频强振幅(图6g)，平面和剖面上多与深大断裂或火山通道相伴生。侵入成因相岩浆岩在盐下裂谷期湖相沉积与盐岩地层中较为常见。

4 岩浆岩活动期次分析

桑托斯盆地岩浆岩具有多期次活动的特点(图7)。根据断裂活动性、地震反射特征及同位素定年等资料，将研究区岩浆岩活动期次划分为3个阶段。

图7 桑托斯盆地岩浆岩活动期次分析Fig.7 Active stages of magmatic rocks in Santos basin

1) 断陷期火山活跃阶段。从岩浆岩相关及紧邻岩浆岩的断层落差数据来看(图7a)，早期断陷阶段的断裂活动最为强烈活跃，该时期断裂的多个位置都存在有较大落差变化，说明断陷期的火山频繁爆发引起并伴随着相关断裂的活化。通过对研究区多口钻井在岩浆岩发育层段井壁取心进行岩浆岩40Ar/39Ar同位素定年分析(图7b)，发现在早白垩世(120～125 Ma,对应于强烈断陷阶段)存在一期明显的峰值异常，揭示了该时期的火山活动十分活跃并伴随深层岩浆岩的喷出。相应地，在地震剖面上可以识别出A类丘状通道地震亚相、D类块状均一地震亚相和E类层状交互结构地震亚相。

2) 拗陷期火山活跃阶段。在拗陷期或断拗转换期，岩浆岩相关断层活动也较为强烈，该时期断裂的一些位置存在有较大落差变化(图7a)，说明这一时期也在局部存在火山爆发，但活动强度及分布频率要低于断陷期；同时，岩浆岩40Ar/39Ar同位素定年分析也反映出在早白垩世(110 Ma左右)存在一期明显的峰值异常，对应于拗陷期的火山活跃及岩浆岩喷出(图7b)。相应地，在地震剖面上能够辨识出B类条带状上涌地震亚相、D类块状均一地震亚相与E类层状交互结构地震亚相。

3) 漂移期火山活跃阶段。在漂移期晚白垩世土伦阶—马斯特里赫特阶，岩浆岩相关断层又开始变得活跃，该时期断裂的一些位置又能够见到有较大落差变化，反映了这一时期局部火山活动的再次活跃爆发(图7a)，活动强度及分布频率明显与拗陷期较为接近，但强度明显低于断陷期；同时，岩浆岩40Ar/39Ar同位素定年数据也在晚白垩世(70～90 Ma)存在一期明显的峰值异常，对应于漂移期的火山活跃及岩浆岩喷出(图7b)。相应地，在地震剖面上则可以识别出较多的C类沿断层裂隙上涌地震亚相及F类楔状充填结构地震亚相。

5 岩浆岩识别刻画方法探索

桑托斯盆地主要勘探目的层系为盐下湖相碳酸盐岩储层段，其中夹杂了多期次、多种类型的岩浆岩，岩浆岩的存在干扰了储层预测，也增加了勘探部署的风险以及资源规模估算的不确定性，因此开展对各种类型岩浆岩行之有效的识别刻画乃至预测显得愈发重要。结合研究区岩浆岩类型多样、地质地球物理特征差异明显的特点，探索出针对不同类型岩浆岩的地质-地球物理识别刻画方法。

5.1 侵入成因相岩浆岩识别刻画方法

针对侵入成因相岩浆岩厚度较薄、多位于盐底附近且小于盐下地震分辨率的特点，建立了“侵入岩体地球物理识别剔除4步法”：①应用多子波分解与重构技术，有效消除盐底低频强振幅对侵入岩层段的能量效应和波形干涉效应，重构后的数据体，突出侵入岩段的分布特征，凸显其地震反射特征；②基于多维正演模拟的敏感属性分析方法，明确能量类属性可以识别刻画侵入岩分布范围，侵入岩的存在导致振幅类属性绝对值增强约41%；③引入“负振幅加和”属性，实现对侵入岩平面展布的识别预测，落实储层段内侵入岩体的平面分布范围；④引入绕射波三维体雕刻技术，实现对侵入岩体的空间刻画。

5.2 火山通道及喷发溢流成因相岩浆岩识别方法

对于火山通道成因相及喷发溢流成因相岩浆岩，形成了“追根溯源”式地质-地球物理综合识别方法，该方法主要基于岩浆岩地震相特征及岩浆岩空间相序组合规律。首先明确火山通道相与喷发溢流相存在良好的伴生组合关系(图8)，可以作为地震解释追踪的重要依据；区块火山喷发与断裂活动具有相关性，在断层活化强烈区易于发生火山喷发，因此引入断裂节点活化强度分析技术指示区块内火山通道与喷发作用活跃区，然后针对各种类型岩浆岩进行地震反射特征的正演模拟(图9)，总结出火山通道及喷发溢流成因相岩浆岩的地震相特征，在此基础上，采用振幅倾角叠合切片，开展平剖面地震相联动解释，刻画火山通道和溢流边界，进而完成对这两种成因类型岩浆岩分布范围的空间识别与解释追踪，确定岩浆岩发育区及分布范围。

图8 桑托斯盆地火山通道与喷发溢流成因相伴生组合模式Fig.8 Combinatorial pattern of volcanic channel and eruption overflow in Santos basin

实践表明，上述识别刻画方法在研究区勘探部署及钻探中有效规避了岩浆岩的地质风险，同时也在油气地质储量及资源规模估算中有效去除了岩浆岩的影响，提高了巴西海上盐下领域的勘探成效。

图9 桑托斯盆地岩浆岩地震反射特征正演模拟Fig.9 Seismic forward modeling of magmatic rocks reflection character in Santos basin

6 结论

1) 依据桑托斯盆地岩浆岩宏观和微观岩石学特征、喷发作用方式、形成环境差异及火山机构几何形态，可以划分出火山通道成因相、喷发溢流成因相及侵入成因相等3种主要的岩浆岩成因类型。各种成因类型岩浆岩的地震反射几何形态及地震相特征具有较大差异，可以作为识别岩浆岩及区分不同成因类型岩浆岩的有力依据。

2) 桑托斯盆地岩浆岩具有多期活动的特点，根据断裂活动性分析、地震反射特征及同位素定年分析，将研究区岩浆岩活动期次划分为断陷期火山活跃阶段、拗陷期火山活跃阶段和漂移期火山活跃阶段等3个阶段。

3) 针对侵入成因相岩浆岩厚度较薄特点，建立了“侵入岩体地球物理识别剔除4步法”；对于火山通道及喷发溢流成因相，形成了“追根溯源”式地质-地球物理综合识别方法。实践表明，上述识别刻画方法在研究区勘探部署及钻探中有效规避了岩浆岩的地质风险，同时也在地质储量及资源规模估算中去除了岩浆岩的影响，提高了巴西海上盐下领域的勘探成效。