塔里木盆地塔中隆起带二叠系火山岩识别及其喷发模式

杨江峰

中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院,南京 211103

0 引言

塔里木盆地塔中隆起带是油气有利勘探区之一[1--4]，几乎所有钻井均钻遇了厚度不等的二叠纪火山岩，除了TZ47井发现与火山岩相关油气藏之外[5--7]，其余钻井均未在火山岩中获得工业油气流。塔里木盆地油气勘探主探目的层集中在奥陶系碳酸盐岩、泥盆系东河砂岩等领域[8--10]，二叠纪火山岩油藏尚不是油气勘探的重点。李军等[11]进行了火山岩储层勘探现状、基本特征及预测技术综述研究，目前火山岩油气探明储量占世界总探明储量的1%。根据火山岩与油气成藏关系分析，有学者认为塔里木古生界百亿吨油藏的破坏可能与二叠纪岩浆活动有密切联系[12--13]。

21世纪以来，塔里木大火山岩省得到了地学界的广泛关注，前人利用塔里木盆地周缘地质露头资料开展大量地球化学研究，认为塔里木二叠纪大火山岩省主要喷发时限在早二叠世，塔里木大火山岩省的成因与地幔柱相关，并建立了宏观地幔柱模式[14--15]。闫磊等[16]基于航磁资料进行二叠纪火山岩分布特征研究，认为火山岩岩体与基底断裂密切相关。有些学者利用少量二维/三维地震资料，开展了塔里木盆地火山岩识别研究，发现塔中地区二叠系发育玄武岩、英安岩和凝灰岩[17--20]。Yang et al.[21]详细分析了塔中地区K1三维工区火山岩的平面分布和厚度特征，前期大量研究主要是围绕火山岩的喷发时限、平面分布等开展。由于受二叠系上覆厚度>3 000 m的沉积地层以及地表塔克拉玛干沙漠覆盖的影响，塔中地区巨量岩浆是如何喷发至二叠系的？岩浆喷发模式是中心式还是裂隙式？此类问题的研究仍需探索。笔者利用塔中地区K1三维地震和典型钻井资料，开展了二叠系火山机构的识别与剖析，建立了研究区火山喷发模式，以期为塔里木大火成岩省的深入研究提供地球物理方面的新成果。

1 地质概况

塔中隆起带位于塔里木盆地的中部，是夹持在塔中Ⅰ号断裂带和塔中南缘断裂带之间的一个古生代大型古隆起，又名塔中低凸起或卡塔克隆起，面积约2.2×104km2。塔中古隆起西低东高，西宽东窄，隆起带中部发育NNW向的塔中Ⅱ号断裂带[22--23]。研究区位于塔中隆起带西部K1三维工区，塔中Ⅱ断裂带横穿工区南部，工区内三维地震资料面积1 445 km2，收集到3口(W1、W16、W18)典型钻井资料(图1)。

图1 研究区地质概况图Fig.1 Geological sketch map of study area

塔中古隆起在加里东中期形成雏形，加里东晚期剧烈隆升，海西晚期再次活动，石炭纪至二叠纪地层由西向东超覆在古隆起之上，在二叠纪末期，塔中古隆起构造基本定型[23--24]。

塔中地区地表被塔克拉玛干沙漠覆盖，除了缺失侏罗系和奥陶系一间房组地层之外，寒武系至第四系均有发育。寒武系至下奥陶系为大套的碳酸盐岩沉积，上奥陶系桑塔木组以泥岩为主，志留系至泥盆系为砂泥岩沉积，石炭系发育灰岩、砂泥岩，早二叠系广泛发育火山岩，有玄武岩、凝灰岩等[24--25]。塔中至塔西南地区分布早二叠世玄武岩残余面积达25×104km2[14]。

2 火山岩岩性特征

研究区钻井均钻遇火山岩。W16井位于工区的西北角，该井在4 522～3 389 m井段钻遇火山岩厚1 133 m，是目前发表文献记载塔里木盆地钻遇火山岩最厚的井，根据录井岩屑描述，钻遇火山岩有灰黑色火山角砾岩、玄武岩、安山岩、凝灰岩及火山碎屑岩，局部夹薄层泥岩；W18井位于工区的中西部，该井在3 633～3 348 m井段钻遇火山岩厚285 m，岩性有灰黑色玄武岩、深灰色凝灰岩以及凝灰质砂岩等；W1井位于工区的中部，该井在3 763.5～3 337.5 m钻遇厚426 m的火山岩，岩性有灰黑色玄武岩、安山岩、火山角砾岩以及凝灰岩等(图2)。

图2 典型钻井火山岩录井岩性图Fig.2 Logging lithologic map of typical drilling volcanic rocks

从钻遇岩性分析，W18井主要钻遇玄武岩和凝灰岩，W16井和W1井钻遇火山岩岩性较为多样化，除了玄武岩和凝灰岩，还钻遇了火山角砾岩，推断这两口井位于火山口或者火山机构附近。

3 火山岩识别

3.1 火山岩地震识别模式

针对不同地区火山岩识别模式，前期学者做了大量研究，层状火山岩能够形成强发射特征，火山口内部或者火山通道形成杂乱反射特征[26--28]。利用钻井资料和三维地震数据体，通过合成地震记录标定，确定火山岩地震识别模式，Yang et al.[21]对于钻井标定做了详细的阐述，这里不再赘述。通过研究发现该区火山岩主要有3种地震识别模式：①保存完好火山机构，火山通道呈管状向下插入基底、向上沟通火山口，整个火山机构在地震剖面中呈现“蘑菇状、伞状”，火山通道地震反射杂乱，呈“烟囱状、管状”直立展布，火山口呈杂乱弱反射，隆起呈山丘状，与上覆地层之间形成强反射界面(图3a)；②破火山口相，火山通道呈“烟囱状、管状”向深部地层变细小，火山口呈漏斗状，顶面平坦或略有下凹，火山口与上覆地层呈强反射，在上覆地层中存在明显正断层，推断是由于火山口塌陷造成的(图3b)；③远离火山口相，地震剖面上呈亚平行反射，下部为一套强连续强反射(钻井标定为一套较为稳定的玄武岩)，上部为一套弱反射，随着离火山口距离增大，这套反射层超覆在下伏强反射轴上(钻井标定为一套凝灰岩沉积，随着远离火山口，凝灰岩明显减薄)(图3c)。

图3 火山岩地震识别模式图Fig.3 Seismic identification models of volcanic rocks

3.2 火山岩地震剖面特征

利用连井地震剖面，进一步分析火山机构在深部地层中的展布特征(图4)。图中主要地震反射界面T81、T80、T70、T57、T54、T50、T40分别代表上寒武统、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系和白垩系底界面反射，T52和T51分别代表火山岩底面和顶面反射。自上而下，二叠系火山岩具有明显异常反射特征，剖面上具有典型蘑菇状、伞状和漏斗状特征，与围岩层状连续反射形成鲜明对比；T57--T70之间地震剖面信噪比较高，可以看到火山通道为管状的窄通道；而T70--T81之间地层为大套的碳酸盐岩沉积，碳酸盐岩内幕地震波组连续性较差、信噪比较低，火山通道不是特别清晰；至T81之下，地震波组连续性较好，地震资料信噪变高，在W16井位置处，T81之下地层存在明显的隆升，且地震波组存在明显错断，可能指示火山通道。W18--W1向东南方向，T81之下地层存在局部挠曲但未见明显的“烟囱状”特征，推测火山通道较窄，可能超出了目前地震资料的分辨能力。

图4 过典型火山口的连井地震剖面图(剖面位置见图6)Fig.4 Connecting-well seismic profile through typical craters

3.3 火山机构不同时间切片特征

为了进一步解析深部岩浆热液是如何穿越震旦系至石炭系的数千米地层喷发至二叠系地表的，利用从基底至浅部水平时间切片，层层 “CT”扫描火山岩体，进一步分析火山机构空间展布特征。

研究区三维地震资料纵向采样率为2 ms，可每隔2 ms任意提取水平时间切片进行分析，展示5张典型时间切片(图5)。由深部至浅部，4 450 ms切片显示寒武系地层中火山通道的特征，在切片中心存在圆形地震杂乱反射异常区；3 450 ms切片显示志留系地层中火山通道特征，切片中部存在圆形杂乱反射异常区；2 950 ms切片显示石炭系地层火山通道特征，切片中部清晰展示出圆形杂乱反射异常，上述3张切片表明，寒武系至石炭系地层中，存在火山通道，火山通道呈管状近直立分布，通道直径较小且未发现通道明显变宽特征；2 750 ms切片上二叠系火山机构为大面积圆形，云团状杂乱反射区为火山口；2 550 ms切片上火山机构上覆地层形成穹隆，在水平切片呈圆形展布。火山口形态与现今的火山口长白山天池形态类似。

左：不同时间水平切片及长白山天池照片；右：过火山口南北向地震剖面。图5 典型火山机构特征Fig.5 Characteristics of typical volcanic edifice

3.4 火山口平面分布

从上述分析看出，火山机构与围岩的地震反射特征有明显的差异，火山口均表现为杂乱、弱振幅反射特征，而围岩具有明显的成层性和连续反射特征，因此，选用本征值相干分析技术，进行地震数据体的不连续性检测，能够很好地描述火山口的平面分布特征。

沿着火山岩底面相干属性显示(图6)，本区存在明显的高相干异常区，结合W16、W1和W18井的钻井标定结果，指示这些异常区均为火山机构所在位置。据统计全区共有7个大型的火山机构，其中：①、③、⑤和⑦号火山机构具呈圆形或近圆形分布；⑤号火山机构是两个紧邻的圆形火山口的组合，呈哑铃状；②和④火山机构呈带状分布；⑥号火山口正好位于塔中II断裂带上部，该火山口呈不规则的形态。研究区大多数火山口呈圆形分布，塔中II断裂附近的2个大型火山口也并非沿着断裂呈线状分布，由此推断，本区火山喷发模式以中心式喷发为主。

图6 基于相干分析检测出的火山口平面分布图(T52向上20 ms相干属性)Fig.6 Distribution of craters detected by coherence analysis

W16井正好钻遇①号火山机构正中心，该火山口为直径约5.58 km的圆形，面积约24.47 km2。相比于长白山天池，该火山口略大，长白山天池南北长4.4 km，东西宽3.73 km，集水面积约21.4 km2[29]，而研究区最大的火山是⑥号火山机构，东西宽约5.3 km，南北长约9.0 km，火山口面积约43.88 km2，其余火山口详细参数见表1。由此可见，塔里木二叠纪火山活动剧烈程度远超长白山天池火山活动。研究区分布7个密集大型火山机构，推测该区为塔里木大火成岩省的喷发中心之一。

表1 火山机构特征参数表

4 火山喷发模式

综上所述，研究区二叠系火山岩具有厚度横向变化剧烈、火山口分布密集、多数平面形态上呈圆形--近圆形以及其下方存在近直立的管状火山通道的特征。三维地震资料在寒武系至石炭系地层中未见火山通道明显的变宽现象，除了②号和④号火山机构位于断裂附近之外，其余区域未见明显的沿着断裂带线状分布的火山条带，说明本区岩浆热液以中心式喷发为主(图7)。

图7 塔中隆起带岩浆喷发模式图Fig.7 Model diagram of magma eruption in Tazhong uplift zone

由于本区三维地震资料以油气勘探为主要目标，受地震采集观测系统所限，有效信号在5 000 ms以浅。故本研究仅建立基底之上岩浆喷发模式，推测岩浆房在更深的位置。

5 结论

(1)塔中隆起带K1三维工区存在多个大型的火山机构，平面上，大多数火山口形态为孤立的圆形--近圆形，剖面上，火山机构呈“蘑菇状、漏斗状”展布，火山通道呈近直立的管状连接基底与火山口，未发现明显沿着断裂呈线状分布的火山口，表明本区岩浆活动以中心式喷发为主。

(2)研究区密集分布着7个大型的火山机构，且多个火山口的直径>5 km，钻井钻遇火山岩最大厚度达到1 133 m，整个三维工区二叠系均发育火山岩，火山口众多、火山岩厚度大且分布面积广，推测研究区为塔里木大火成岩省的喷发中心之一。

致谢国家重大油气专项(2016ZX05014001)和中国石化科技部项目(P17021)联合资助，中国石化西北油田分公司在本课题研究过程中提供了地震、钻井等相关资料；论文写作过程中得到朱文斌教授、关达高工、向雪梅高工等的启发和帮助，在此一并致以诚挚的感谢。