莺琼结合部气烟囱群地震响应特征

宋瑞有，胡 林，黄义文，胡潜伟，侯静娴

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东 湛江 524057)

0 引 言

南海在新生代经历了复杂的构造演化，沿其北部大陆边缘形成了莺歌海、琼东南、北部湾、珠江口和台西南等一系列新生代裂谷盆地[1]。裂谷盆地的地层在大规模裂张前及裂陷时期，因受拉张应力作用会产生大量可成为地层深层高压泄压指向的应力薄弱带，为深部地层的油气等流体和泥岩或火成岩等塑性物质向上的侵入活动提供通道。侵入事件会形成纵波地震模糊带，分析模糊带成因机制对盆地变形、烃源岩、流体运移等的研究有重要意义。该文从地震响应特征入手，分析研究莺琼交接部位的模糊带，为下一步勘探提供基础。

1 地质概况

莺琼结合部位于南海西北部莺歌海盆地和琼东南盆地的盆缘交接部位(图1)，处于太平洋、印澳、欧亚三大板块的交汇处，受南海扩张拉伸和红河断裂走滑活动的双重作用，加之多板块相互作用使得该区构造活动强烈而复杂，莺琼盆地有大套泥岩层沉积，烃源岩发育、油气资源丰富，但巨厚地层的快速沉降导致排水不畅和地层欠压实，温度压力的不平衡在生排烃作用及水热增压下进一步加剧，大量应力薄弱带的发育和地层压力不均衡造成的高温高压异常为侵入活动提供了条件。由于南海北部陆缘构造活动活跃，侵入或刺穿事件广泛发育，存在大量地质异常体，在莺歌海盆地的中央底辟带有大量泥底辟构造发育[2]，在莺东斜坡带发现大量油气苗、海底麻坑和气烟囱；琼东南盆地富集火山、基岩古潜山、气烟囱等；海南隆起的北部有100余座玄武岩火山；北部湾盆地靠近雷琼地区钻遇多处火成岩的侵入层；在珠江口盆地发现多个千米尺度火山丘[1]；在东部的台西南盆地泥火山和麻坑广泛发育[3]。

图1 研究靶区位置图Fig.1 Location map of study target zones

研究区为2017年莺琼结合部新采集的三维地震资料覆盖区域(图1)，范围横跨了莺歌海盆地的莺东斜坡南端和琼东南盆地的崖北凹陷西区、崖城凸起西端，与崖13-1低凸起和海南隆起相接，多种构造单元交汇，构造运动复杂、油气资源活跃。在靶区存在6个地震模糊异常体(图2)，规模不一、形态多样，地质类型归属有待落实。南海北部陆缘已识别出多种导致地震模糊的流体活动系统，而其所伴生的裂隙可以作为油气渗流系统，对油气运聚成藏有重要意义。将研究区6个异常体的地震响应特征及成因机制与邻区异常体对比，分析其地质意义。

图2 研究靶区异常体分布平面图Fig.2 Plan distribution of anomaly bodies in study target zones

2 模糊异常体地震响应特征

地震资料上的反射模糊带成因类型多样，可由泥底辟、泥拱、泥火山、气烟囱、火山、古潜山及盐丘和礁等多种异常地质体造成，浅层气屏蔽或较差的资料品质也可造成地震剖面上的模糊带，但在成因机制和地震响应特征上存在一定区别。气烟囱也叫流体底辟，是气态或液态流体的侵入现象；而塑性的泥是泥拱、泥底辟、泥火山等主要的流动物质，软泥流整体穹起其上覆岩层，拱起而成为泥拱，若是侵入到上覆地层中则会形成泥底辟，如果泥流进一步刺穿海底而爆发则会形成泥火山；若是岩浆底辟刺穿到地表则是传统意义上的火山。

2.1 莺琼结合部异常体地震响应特征

研究区异常体有4个(a、b、c、d)分布于莺歌海盆地莺东斜坡的南端，2个(e、f)分布于琼东南盆地崖北凹陷的西端。其中，最大的异常体a位于莺东斜坡的1号断裂带附近，该位置处于红河走滑断裂的隐蔽式断裂带[4]，局部张性破裂使得该处成为泄压指向的应力薄弱带。异常体a位于运移路径上的桥头堡位置，而另外5个异常体更靠近海南隆起。从地震资料上看，这些异常体具有明显的垂向扰动特征，外部形态均为管状结构，不具备流体母源囊构造，有筒式被刺穿特点，异常体两侧深部的反射层整齐中断，外侧地层未发生变形或明显位移，说明地层被强烈刺穿，无伴生拱起构造，不具备因拱升而向上牵引的特征，反映了形成时间短，是能量极大的外力作用结果；这些柱状外形的异常体顶界面为连续强振幅反射，异常体a顶面产状不一，至少有3期喷发(图3)，各期发育程度不一，反映流体能量差异，其他5个异常体均为穹起的上拱顶面(图4)，但不成锥状，顶界面呈连续强振幅反射，说明流体聚集在顶部仍在蓄能阶段没有突破上覆地层而泄压；底界面难以准确识别，但地震剖面上2 s左右埋深处均可看到其根部。异常体的内部反射成像不清但不是完全模糊的空白区或杂乱反射，而是有一定的成层性，为弱振幅、弱连续性反射，产状上继承性穹起。地震相干性因原始地层的连续性被流体上侵破坏而变差，将目标区三维地震运算出相干体，并进行三维可视化分析，可对地震模糊体群刻画表征研究(图5)。

图4 异常体b—f地震剖面反射特征(测线位置见图2)Fig.4 Reflection characteristics of anomaly bodies “b”-“f” on seismic section (The line location is shown on Fig.2)

图5 异常体三维可视化表征Fig.5 3D visualization characterization of the anomaly bodies

这些异常体整体呈烟囱状，根部埋深浅，远达不到软流圈的深度，说明不是幔源的岩浆火山。异常体平面分布上也呈近南北向排列，这与中央底辟带底辟的排列方向一致，在方差体1 s的水平等时切片上也可以清晰地看到异常体核部有近南北向断层的影子(图2)，说明了与中央底辟带同一应力机制的极大可能性。这些异常体规模要比中央底辟带的底辟小得多。综合来看，从盆地沉降中心往斜坡方向异常体的规模呈逐渐减小的趋势。

经地震波的数值模拟正演验证，如果地震反射模糊体与其围岩的分界处存在岩性的突变，则地震上会产生一个强反射界面，而当分界接触带为岩性渐变时，在地震上则会形成反射过渡带，如果仅改变地层充填的流体而岩石骨架无岩性变化，则模糊区的地震反射内部构型仍有一定的层序性。莺琼结合部异常体群的速度跟围岩差别不大，明显不具火成岩声学属性，其地震响应特征与气烟囱的波组波系特征吻合。气烟囱是流体沿管状通道向上侵入运移而导致的地质现象，其形似烟囱而又具烟囱效应，地震相为声空白或声混浊，是流体垂向运移泄压有利通道，其中，莺东斜坡中南段有较多气烟囱，与莺琼结合部异常体所处盆地位置相近，地质背景类似、发育规模相当，其附近油气苗分布广泛且异常发育(图1)，系统调查与取样证实油气苗总数多达115处[5]，证明该区油气运移活跃，莺琼结合部处在盆地边缘接触带，受红河断裂及南海扩张影响，复杂应力场使该区地层地应力薄弱，油气上侵形成气烟囱。

2.2 异常体地球物理特征及成因机制

南海北缘各沉积盆地中已发现火山、古潜山、气烟囱、泥底辟、泥火山和礁等多种地震模糊体，其形成的机制多数与盆地内流体的底侵作用相关，热流体发生垂向运移而泄压，既携带能量又搬运物质，异常体的类型归属主要由搬运的物质是塑性的岩浆或软泥还是液态气态的油气、是仅拱起还是侵入或刺穿上覆地层或突破到地表等因素所决定，虽然均为地震模糊带，但不同地质类型的地震模糊体具有不同地球物理特征。

莺歌海盆地油气渗流系统异常发育，主要有气烟囱、泥-流体底辟、油气苗、海底麻坑等多种形式。盆地底辟构造有多种类型，既有单独的流体底辟、泥底辟，也有下泥底辟、上流体底辟的泥-流体底辟组合结构，中央底辟带的多口探井已证实，泥底辟内部反射杂乱而流体底辟反射弱但仍有层序性是地震上区别二者主要特征[6]。流体底辟在常规地震剖面中成条带或块状分布，根据其外形称为气烟囱或气云，流体垂向运移使得底辟区裂隙通道中大量含气，造成声波低速异常和反射屏蔽，纵波的高频能量通过这种含气层时会被大量吸收，速度也比围岩明显降低，因此，地震上气烟囱内部呈低频、弱振幅，莺歌海盆地钻井证实流体底辟内地层成层性好[7]。多波勘探技术利用S波只受岩石骨架影响的特点，莺歌海盆地纵波剖面上的气烟囱模糊区在S波资料上显示了良好的连续性，说明异常体的模糊反射是流体造成的。

火山一般发育在板块缝合线附近及大断裂处，是岩浆底辟突破地表的产物。岩浆囊由聚集在地下深部的岩浆形成，其压力随着岩浆的积聚而不断增大，当上覆岩层静压力被突破时就会发生岩浆的底辟作用，岩浆流刺穿挤入围岩而形成火山颈，若突破到地表则会爆发或喷溢形成火山。火山活动在海南岛北部甚为活跃，自新生代至今就有10期59次喷发，形成100余座火山[8]，琼北火成岩带状分布，受断裂控制，由下地幔的海南地幔柱岩浆热物质通过深大断裂上涌形成[9]。琼北火山并不以海南隆起为单元，琼州海峡南北两侧的岩石结构在电性资料上具有明显连续性，这说明雷州半岛和海南岛的火山区同属于华南古陆，而华南陆缘的早期地下莫霍面向上抬升，雷琼裂谷在地壳被拉张减薄的背景下而产生，裂谷内火山喷发以及第四纪地层的沉积形成现今的雷琼火山区，雷琼地区在南海扩张期间及后期一直为强拉张性区域，深部地层的高温岩浆底侵，形成岩浆侵入层或火山[10]。海南岛南北两侧以昌江至琼海一线为界，地球物理和地质特征有明显差异，磁性基底研究表明，莺琼结合部未发现下地壳高速层或大规模岩浆底侵，更倾向于非火山型构造属性[11]。琼东南盆地宝岛火山是由于盆地伸展，地壳减薄地幔上涌加剧拉伸导致地壳破裂，地幔与断层沟通而形成火山，宝岛火山内部地震反射杂乱、无层序，两侧围岩的沉积受顶部火山锥的控制，围岩上超在其锥翼上，且两侧地层见明显切割或上拉(图6)，这说明岩浆的拱升挤入，深部结构表现为莫霍面中断、错动。

图6 宝岛火山地震剖面 (测线位置见图1中Line1) Fig.6 Seismic section through the Baodao volcano (The line location is the Line 1 on Fig.1)

泥底辟与泥火山成因机制相同，其发育演化规律相似，地壳深部有高塑性且欠压实较小密度的泥页岩，在密度倒置动力体系下产生差异重力作用，从而导致了泥页岩的流动上拱和上侵，这些泥流体使上覆的岩层隆起弯曲或者侵入刺穿到上覆地层的薄弱带，若能刺穿地表而喷发形成正地形就称为泥火山，而未出露到地表或海底的称为泥底辟[12]。泥火山内部地震反射声学透明或混杂凌乱，围岩形变上翘。泥岩底辟作用的一个重要特征是发育过程中对地层强烈侵蚀，但泥底辟热流体活动常伴生气烟囱，因其上部通常不是泥岩穿刺而是流体突破。南海北部陆缘的构造活动在新生代的后期自东向西而逐渐减弱，东部台西南盆地的泥火山的发育规模最大且分布广泛，而西部区域莺歌海盆地在红河走滑断裂带的持续活动影响的背景下泥底辟现象最发育，但是由于其上覆的沉积地层较厚而难以刺穿，故出露的泥火山却较少[3]。

古潜山是上覆地层沉积前已经形成正向构造，琼东南盆地和北部湾盆地的多个古潜山钻遇油气，其在重、磁、电等物探资料上表现为明显异常，侧面上覆地层超覆在其穹窿的翼部，顶面是一个强反射不整合面，常伴有大量的绕射波、断面波、回转波、侧面波等异常波出现。礁在地形上具有向上隆起的正地貌特征，但与底辟侵入作用无关，礁是独立碳酸盐岩沉积体，是一定数量的造礁生物在原地生长而形成的坚固抗浪骨架，礁滩体系也是南海重要的油气储集层，珠江口盆地的琼海地区钻遇生物礁，西沙礁滩也钻探了西科1井，地震剖面上礁块外部形态呈丘状，其顶部是弯曲的强反射，而内部地震反射空白或者弱振幅，两侧地层上超接触，侧翼底部往往有绕射现象。盐丘是由于盐岩和石膏与其围岩有明显的密度差而导致盐体向压力薄弱区集中的底辟构造，含盐层系在构造运动的应力及上覆地层的不均匀负荷下而向上塑性流动拱起并挤入围岩，盐丘可与围岩形成地层圈闭，盐源层顶面与底板的反射波产状不协调，呈现出顶厚翼薄、底板微弱上凸的特征，盐丘内部只有零星反射，无好的成层结构。

2.3 模糊异常体地震相类比

莺琼结合部的6个地震模糊异常体经研究认为是气烟囱，其在形态、规模、内部结构、与围岩接触关系等方面与岩浆和泥页岩的底辟活动存在着明显的不同。这些穿刺模糊体与围岩的岩性差异不大，没有导致围岩产状的巨变，说明不是大量的塑性物质的整体挤入，其没有突破到地表，其顶部也没有围岩上超，说明其基本不控制围岩的沉积，不具备火山形成必备的岩浆囊，也无火山锥，无直达幔岩的火山颈，其根部最深的也只是到2 s左右的基底附近，距离地幔还很远。其形态呈垂向的烟囱状构造，不同于琼东南盆地宝岛火山的深部宽缓、浅部尖细的锥状(图6)，异常体内部不是火山或泥底辟式的完全反射杂乱而是有一定的层序性，不像火山锥因火成岩与沉积岩反射系数差异大而边界有清晰的界面。

3 讨 论

研究全球180个超压盆地中的160个油气藏发现，烃类流体在超压体系中形成积聚使得高压加剧，在同生断裂和水力压裂条件下突破上覆地层泄压，引发油气的幕式运聚成藏[13]。莺歌海盆地的异常高压主要是由于新生代的快速沉积使地层欠压实与排液不均衡，巨厚富含有机质具有很强生烃能力的海相沉积物的快速沉积，生烃与水热增压作用及大量新生流体作用使超压进一步加剧，莺歌海盆地的莫霍面埋深很浅，地幔的高温经基底岩石传导到沉积层中，为盆地产生异常高温加速了生排烃作用，为该区底辟的形成提供了热演化环境。莺歌海盆地的流体底辟基本是原始地层作用，是向上运动的流体穿破地层形成裂缝，裂缝及充填其中的物质使地震反射杂乱[14]，这种穿刺不改变围岩岩性，穿刺构造不同于泥底辟通过控制地形变化来控制沉积。分布特征上，规模越大、活动越剧烈的底辟越靠近盆地中央，而往斜坡方向有活动强度变缓和底辟规模变小的规律，这与底辟形成的机制有关，因为盆地中央的沉降中心沉积速度快、泥岩厚且量大，缺少断层和砂岩，烃源母岩富集导致生排烃作用强，流体在致密的泥岩层系中难以排出，必然会积聚导致地层的高压，形成高温及异常高压的深部压力封存箱，能量积蓄，导致强烈的底辟上侵活动。斜坡区更靠近沉积物源，沉积地层的物性偏粗且缺乏泥质层，而且沉积地层埋深浅，砂泥的成岩程度低、压实不够而较疏松、胶结也不好，因此，孔隙相对发育、封盖条件较差，流体积聚的量及地层压力往斜坡方向均呈减小趋势，这不利于大规模底辟活动的酝酿，但因其通道通畅，油气运移较活跃，油气容易逸散成油气苗或形成小规模气烟囱及海底麻坑。研究区异常体a比另外5个异常体规模大是因为其更靠近凹陷深部，地层压力大，且其处在剪张破裂的构造薄弱带是泄压的主要突破区，加之构造活动成为其诱发条件，使其发生多期幕式上侵。

气烟囱是油气运移的有力证据，中国近海最大油田蓬莱19-3油田的纵波地震剖面上大面积明显的气烟囱是油气充注能力强的有力证明[15]，超压源岩或深层的成藏圈闭遭破坏均可形成气烟囱的母源，气烟囱群的发育是莺琼结合部油气运移活跃的佐证，研究靶区南部是崖城13气田，西部是乐东10和乐东22气田，研究区的探井均钻遇油气(图7)，YC7X井发现1.5m气层，YC14X井发现3.9m油层，Y6、YC81X和YC82X井也均有油气显示，经研究分析认为这5口井所钻探目标未大规模成藏的主要原因为圈闭有效性。用新三维地震资料在该区落实了大批构造圈闭和岩性圈闭，该区近沉积物源，保存条件风险大，封盖条件好的圈闭可作为下一步勘探突破的潜力目标[16-25]。

图7 研究靶区目标分布Fig.7 Plan distribution of study target zones

4 结 论

(1) 莺琼结合部的地震模糊带异常体具有规模小、一定层序性弱振幅、无岩浆囊、根部浅等赋存特征，与围区岩浆火山、泥火山、泥底辟、古潜山等模糊异常体的地震响应特征差异巨大，经研究将这些模糊带定性为气烟囱。

(2) 莺琼结合部气烟囱成群成带分布，第四纪晚期仍在活动，反映该区油气运移活跃，是有利油气富集区，该区勘探程度低，近沉积物源封盖条件匮乏，建议根据油气运聚成藏理论，预测优选保存条件好的目标进行下一步勘探。