四川盆地二叠系火山岩裂隙式喷发模式探讨

刘 鹏 陈 康 何青林 王 鹏 刘泽彬 刘志刚

(①东方地球物理公司西南物探研究院，四川成都 610036；②中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，四川成都 610036；③东方地球物理公司综合物化探处，河北涿州 072751)

0 概况

二叠纪的伸展构造运动导致扬子板块西南部的川、滇、黔地区大面积玄武岩喷发，形成大火成岩省[1-6]。1992年川西南部ZG1井玄武岩测试获得天然气，揭示了四川盆地火山岩具有气藏勘探潜力。但是，早期研究认为火山岩主要沿周公山—汉王场—威远以南的盆地边缘发育，在盆地内部不发育[7]。2018年简阳地区YT1井火山碎屑岩测试获高产气流，证实了四川盆地内部火山岩勘探具巨大潜力，打开了四川盆地天然气勘探的新局面。同时，该井发现爆发相角砾熔岩，表明盆地内部具有明显的火山喷发特征，且钻探证明近火山口相(爆发相、喷溢相)发育优质储层。

火山喷发以中心式和裂隙式两种模式为主。中心式喷发是岩浆沿颈状管道喷发，喷发通道在平面上呈点状分布；裂隙式喷发是岩浆沿基底大断裂上升，喷发通道呈线性分布[8]。以往研究认为四川盆地二叠系火山岩岩浆上升通道为基底断裂或地幔柱隆升引起的浅部地壳裂隙，储层有利相带通常沿着基底断裂展布[9-11]。因此，在YT1井钻探之后部署的ZJ2井位于基底断裂附近(图1)，根据地震资料预测该井处于近火山口储层有利相带。但ZJ2井实钻结果揭示缺失火山碎屑岩储层，岩性以远火山口溢流相玄武岩为主，与预测结果存在较大差异。这表明该区火山岩相带及储层分布规律复杂，仅利用地震资料单一手段识别火山岩存在局限性[12-13]。

受资料品质低、陡倾地层成像差等影响，仅利用地震资料预测火山机构难度较大，而火山岩磁化率、密度、电性等特征与围岩差异明显，重力、磁力等非地震勘探方法在火山岩识别中通常具有良好的效果[14-19]，因此重磁电震联合研究有助于减少火山岩预测结果的多解性。本文利用近期四川盆地火山岩重磁电勘探成果、三维地震资料和钻井资料等，从二叠系火山岩结构入手，结合区域地质认识，探讨盆地内火山通道特征及喷发模式，进而落实火山机构模式及近火山口有利储层展布特征，达到提高油气勘探成功率的目的。

图1 研究区位置示意图

1 火山通道岩性、岩相特征

四川盆地二叠系火山岩主要分布在盆地南缘，岩性以基性玄武岩为主，厚度可达上千米。靠近盆地内侧边缘的周公山地区火山岩厚约400m。向盆地内部，火山岩厚度逐渐减小，并逐渐尖灭。在成都—简阳地区，火山岩局部加厚，YS1、YT1井均钻遇厚度约为 300m。YT1 井(图2)揭示，除顶部发育厚度超过 10m 溢流相玄武岩之外，上部发育多套角砾熔岩，角砾以灰质、玄武岩为主，属近火山口相组合；下部发育厚度超过100m的粒玄岩、灰绿玢岩。其中，粒玄岩镜下玻璃基质少见，结晶程度较高，整体结构以细—中粒结构为主，属超浅成侵入岩；灰绿玢岩镜下见明显的辉石和斜长石斑晶，属典型的火山通道相。钻井结果表明，火山多期活动，火山通道发育。

图2 YT1井柱状图(左)及岩石薄片特征(右)，右图中10×表示放大倍数为10

2 火山通道地球物理响应特征

三维地震资料分辨率比重、磁等非地震资料高，目前火山通道的刻画大多依据地震资料[20-23]，非地震资料只是作为辅助、补充。但四川盆地火山岩厚度变化快、埋深大(>5000m)，单一地震资料难以准确识别和刻画火山通道。近期实施的重力、磁力、电法勘探为联合研究火山岩奠定了基础。

2.1 地震响应特征

地震剖面上火山通道特征较为明显，通常呈垂向“烟囱”状杂乱异常条带(图3)，地震同相轴连续错断，通道内部呈中—低频、中—弱振幅。“烟囱”的横向宽度代表了火山通道的规模，通道顶部厚度明显增加，呈锥状或丘状外形。在地震资料品质好的地区，可见火山口上部同相轴下拉，形成“M”型火山口特征。近火山通道区域，顶界可见断续强反射，内部可见杂乱、丘状反射，为爆发相特征。在远通道地区，顶界表现为平行、连续强反射，内部为空白、亚平行反射，为远火山口溢流相特征。受资料品质影响，剖面上有些垂向杂乱条带反射不一定是火山通道的响应，这需要联合其他资料综合判定。

2.2 磁异常特征

火山岩通常表现为中—高磁性而区别于沉积岩[23]，磁力垂向导数可以反映磁场的局部变化特征。四川盆地二叠系火山岩埋深较大，磁异常响应整体偏弱，因此需要利用垂向导数异常研究局部异常。

为了反映火山通道平面分布特征，证实磁异常在火山通道位置的响应特征，建立不同规模火山岩体模型(图4)，通过观测面下延技术及垂向导数变换，开展磁异常响应正演，参数见表1。设定①、②、③号岩体埋深均为6000m，辉绿岩、角砾岩、玄武岩磁异常分别为5000×10-5、420×10-5、5100×10-5SI，侧向溢流相玄武岩厚度分别为120、80、50m(图4a)。结果表明，发育火山通道的①、②、③号岩体具有明显的高磁异常，不发育火山通道的溢流相磁异常响应相对较弱(图4b)，表明磁法勘探成果可作为研究区火山通道判别的可靠依据。

从成都—简阳地区磁异常一阶导数(图5)可以看出，研究区内磁异常高值区域明显呈南北向带状展布。异常高值区横向规模小，说明盆地内火山喷发规模小，火山熔岩向两侧溢流范围小，因此研究区较盆地边缘的火山活动弱。

2.3 时频电磁特征

钻井揭示火山角砾熔岩和凝灰岩呈中低电阻率，玄武岩和辉绿岩均呈高电阻率。侵入相辉绿岩电阻率高于下二叠统茅口组围岩，这为利用电阻率研究火山通道分布提供了电性基础。

图3 火山通道地震反射特征

图4 不同规模火山岩体磁异常模型(a)及正演响应特征(b)

表1 四川盆地火山岩磁异常正演模型参数

以钻井为约束条件，利用时频电磁勘探方法(TFEM)开展电阻率反演，剖面上可见向上延伸的高电阻率通道(图6)，其与相对低电阻率的围岩差异明显，指示了侵入岩的火山通道。

受分辨率和测网密度不高的影响，时频电磁反演剖面识别的火山通道有可能与磁异常识别的成果不完全一致，因此需要与分辨率更高的地震资料一起联合判定。

图5 三维区磁异常一阶导数图虚点线表示磁异常区域

图6 过YT1井时频电磁约束反演电阻率剖面红色曲线为电阻率

3 火山通道与剪切带关系

3.1 剪切带与基底断裂关系

3.1.1 基底断裂展布特征

以地层密度差异为基础的重力勘探，可以有效揭示基底结构和基底断裂展布特征。为明确重力异常是否能识别研究区深层断裂及其规模，设计了适合研究区实际地层结构特征的断裂模型(图7a)并进行正演。共设计五组不同断距模型，断距分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5km，每组模型的埋深分别为3、4、5、6、7km，密度差为0.11g/cm3。从正演结果(图7b)可以看出，不同断距的重力异常随埋深的增大而减小，重力异常最小值为0.170mGal，由埋深为7km、断距为0.1km的断裂引起；重力异常最大值为1.440mGal，由埋深为3km、断距为0.5km的断裂引起。野外采集所用重力仪器测量精度为5μGal，观测精度为0.029mGal，所测重力异常可分辨基底断裂。

图7 不同断距、埋深基底断裂重力异常正演(a)重力异常正演模型； (b)不同深度、规模断裂重力响应

基于研究区重力勘探成果，结合延拓、线性信息增强等异常分离技术，提取反映基底结构的剩余重力异常及与断裂信息相关的线性异常(水平总梯度异常)，可确定基底断裂分布。重力水平总梯度异常指示了研究区基底断裂走向以NE向为主(图8a)，其主要受控于扬子板块南缘地幔上隆及北缘秦岭洋扩展[24]。

3.1.2 剪切带形成机理

二叠纪中晚期，扬子板块周缘主要受两大事件影响，一是扬子板块南缘受地幔柱上隆影响，形成北东—南西向的伸展应力，导致峨眉山玄武岩喷发，攀西裂谷形成，在川、滇、黔三省可见一近南北向菱形分布的火山岩区[2]；二是扬子板块北缘受冈瓦纳大陆和欧亚大陆裂解的影响，华南板块在二叠纪中晚期处于拉张环境[25]，南秦岭洋打开，区域伸展应力为近南北向。受扬子板块南缘地幔上隆和北缘秦岭洋扩展的共同作用，扬子板块在二叠纪中晚期形成一系列北东向基底断裂，同时在基底断裂交会、错断处的差异性走滑形成近南北向的剪切带[24]。剪切带区域地壳变得薄弱，地层较为破碎，容易成为岩浆等应力释放的突破区。

从基底断裂展布图(图8a)可以看出，三维地震勘探区基底断裂较发育但规模较小，仅在工区东西两侧发育规模较大的断裂。以三维地震数据为基础，提取火山岩底界曲率属性，平面上可见发育于基底断裂之间的近南北向展布的异常条带，但本区未见近南北向的水平重力异常，表明近南北向异常带形成应受控于NE向基底断裂，即为剪切走滑性质的破碎带(裂隙带)(图8b)。

3.2 剪切带裂隙式火山通道特征

滇西兰坪—普洱陆块矿床研究[26-27]认为，由于韧性剪切作用，哀牢山矿床分布与剪切带开放型张裂隙相关，与基底断层走向夹角多小于 45°，这表明在基底断裂后期活动减弱或停止活动的地区，走滑剪切带是岩浆活动的主要诱导因素。

图8 基底断裂与剪切带示意图

四川盆地泥盆纪至早二叠世为盆地相对稳定期，沉积了石英砂岩碎屑岩和碳酸盐岩建造，这套稳定地层限制了基底断裂后期的继承性活动，导致其难以作为岩浆上升通道，而剪切带内众多的开放型裂隙则可为岩浆活动提供空间。

走滑剪切带在地震剖面上表现为同相轴错断、振幅减弱的地震响应特征(图9a)；平面上为弱相干异常条带(图9b红虚线框内)未见明显断裂特征，通常这也是地震资料识别火山通道的依据之一[28]。但火山通道的确定还需要综合判定，例如沿二叠系底的地震相干属性平面图上，中东部的北西向异常条带(图9b绿虚线框内)经落实是沟槽下拉所致，若判定为火山通道则会误导储层的横向展布规律预测。

图9 剪切带地震响应特征

4 火山喷发模式及勘探应用

4.1 火山喷发模式

火山喷发模式的建立可以有效预测火山岩的空间展布和相带分布规律，进而寻找有利储层的发育区，这对勘探目标优选至关重要[7]。目前国内火山岩领域油气勘探成效较好的准噶尔盆地石炭系火山岩以及松辽盆地白垩系火山岩，其喷发形式均为中心—裂隙式复合喷发模式。中心式喷发规模大，火山岩厚度一般达上千米。裂隙式喷发规模较小，火山岩厚度通常从几十米至几百米不等。四川盆地及周缘二叠系火山岩喷发同样具有中心—裂隙式复合模式，但其中心式喷发模式位于盆地周缘，盆地内部为规模较小的裂隙式喷发，火山岩厚度为10～300m[10-11]。

如前所述，依据重力、磁力、时频电磁、地震资料联合分析认为，成都—简阳地区火山活动受控于剪切带裂隙发育规模。从图9b可以看出，北部为条带状相干异常，对应束状裂缝带，在过YT1井的时频电磁反演剖面(图5)上表现为宽约1km的高电阻率异常带，火山规模相对较大；南部见局部弱环状、点状异常，表明火山规模相对较小。这两种火山通道均未与基底大型断裂直接沟通，而在平面上与北东向基底断裂斜交，其喷发模式应是与基底断裂相关的裂隙式喷发。

位于YT1井西部的YS1井岩心薄片中见玄武质隐爆角砾岩，其主要由侵冲角砾(外源)和熔浆组成，属于火山通道相中的火山裂隙微相，证实了研究区火山喷发为裂隙式喷发。岩心中几乎不见构造裂缝以及次火山岩相的存在，表明火山喷发活动不强、规模不大。综合重磁电震及钻、测井等资料认为，简阳地区火山喷发为典型的裂隙式喷发模式，结合火山通道平面组合特征可进一步划分为束状裂隙式喷发(北部、YT1井)和串珠状裂隙式喷发(南部)两种模式(图10)。

4.2 勘探应用

自YT1井钻探获得天然气以来，利用地震资料在四川盆地西部地区预测了众多二叠系火山岩体，发现其主要分布于基底断裂附近。通过综合评价优选，部署了一批针对火山岩的探井井位，但钻探揭示的火山岩岩性、岩相差异性大，影响了四川盆地火山岩油气勘探进展。基于重磁电震联合解释方法，针对成都—简阳地区早期地震识别的火山岩体进行重新评价，以剪切带控制的裂隙式喷发模式认识为基础，在三维地震勘探区有效识别了两类火山机构：一类为束状裂隙式喷发、近南北向展布的碟状火山机构，在三维地震勘探区内南北长为6～10km，东西宽为1～3km，面积为20～45km2；另一类为串珠状裂隙式喷发丘状火山机构，与中心式喷发相仿，面积相对较小，约为4～10km2(图11a)。这一模式的提出，不仅减少了火山岩预测结果的多解性，还较好地解释了盆地内部火山活动弱、分布范围局限以及岩性、岩相变化快的特点，为推进四川盆地二叠系火山岩天然气勘探发挥了积极作用。

以本文研究成果为基础，在研究区中南部针对串珠状喷发、丘状火山机构模式部署了TF2井(图11)。该井钻遇火山岩为126m，共发育含凝灰角砾熔岩、粗粒玄武岩和辉绿岩3套岩性组合，辉绿岩、粗粒玄武岩等火山通道相岩性特征清晰，与预测结果吻合度高；测井解释储层厚度大、物性好，平均孔隙度大于15%，佐证了基底走滑断裂之间的剪切带裂隙喷发模式及火山机构模式建立的合理性。

图10 成都—简阳二叠系火山岩喷发模式

图11 火山岩底界相干属性(a)及TF2岩性柱状图(b)图a红圈为刻画的火山机构范围

5 结束语

四川盆地钻探揭示：近火山口相储层是火山岩油气勘探的一个重要领域；盆地内喷发规模较盆地周缘小，喷发中心较分散。不同于以往发现的火山岩油气藏，这是一个全新的勘探领域，需要建立新的喷发模式和研究方法才能有效解决四川盆地火山岩勘探面临的诸多问题。

以往以基底断裂作为研究区火山通道的模式难以解释区内钻井所揭露的地质现象，本文以重磁电震联合研究方法为基础，提出了基底断裂之间的走滑破碎带作为岩浆通道，梳理了火山机构模式，对火山岩储层的分布规律预测做出了有意义的尝试和探索，为落实该地区火山岩储量规模奠定了基础。但是，对于剪切带的认识尚有待进一步深入。