川西南部二叠系火山岩相地震预测及分布主控因素

杨 柳, 赵容容, 梁 虹, 邓绍强, 陈 伟, 李光鹏,邹 琴, 彭 忻, 吴博闻, 梁 瑜

(1.中国石油东方地球物理公司 西南物探研究院，成都 610213；2.中国石油西南油气田分公司 勘探事业部，成都 610041)

四川盆地火山岩油气勘探始于20世纪60年代，1966年在威西地区钻遇二叠系峨眉山玄武岩，后在川西南部及川南地区相继钻遇该套地层。1991年在川西南部周公山构造钻探的ZG1井玄武岩厚达301 m，玄武岩段测试获气25.61×104m3/d，主要为裂缝型气藏。后续在川西南部钻井的玄武岩段测试均为干层或水层，四川盆地火山岩油气勘探陷于停滞。直至2018年底，在成都-简阳地区钻探的YT1井钻遇厚层火山角砾熔岩储层(岩心实测孔隙度平均值高达10.26%，渗透率平均值为2.35×10-3μm2)，火山岩段测试获高产工业气流22.5×104m3/d，打开了四川盆地二叠系火山岩勘探的新局面[1-4]，并于第二年底提交预测储量。紧接着在YT1井区部署的TF2井也钻遇厚层火山碎屑熔岩，测试亦获工业气流，展现出四川盆地火山岩巨大的勘探潜力。

川西地区二叠系火山岩主要有4个特点：①喷发旋回期次差异大，有1～4个旋回；②厚度变化快，主要在30～400 m；③埋藏较深，达4～7.5 km；④岩相及岩性变化快，成都-简阳地区以爆发相火山角砾熔岩为主，与其相邻的川西南部，以往钻井揭示及地震预测则以溢流相玄武岩为主。火山岩的以上特点，加之以往地震资料品质所限，导致难以建立起可靠的地震地质解释模式，对火山机构、分布规律及主控因素认识不清，使四川盆地火山岩领域勘探一直处在较低程度。笔者基于四川盆地的首块大规模可控震源与井炮混采的高品质火山岩三维地震资料，结合前人对四川盆地火山岩研究及最新火山岩钻井的井震分析，采用多信息地震属性火山岩刻画技术，突破以往对川西南部火山岩的认识禁区，首次在川西南部BMM地区发现规模性火山岩爆发相发育区，为四川盆地二叠系火山岩油气勘探区带的拓展提供支撑。

1 区域地质概况

中晚二叠世之交，受东吴运动影响，四川盆地及其相邻的云南、贵州等地发生大规模的火山喷发事件，形成了巨厚的峨眉山玄武岩，平面上呈长轴状菱形，面积近25×104km2，是中国唯一被国际学术界认可的大火成岩省[5-6]。研究区BMM地区位于川西南部中—新生代拗陷低陡构造带，西抵邛崃、东到彭山、南起蒲江、北至新津(图1、图2)。

图1 中国西南地区晚二叠世早期火山岩分布图Fig.1 Distribution of early stage of late Permian volcanic rocks in southwestern China (据马新华等[1]，有修改)

图2 川西地区二叠系火山岩相展布图Fig.2 Layout of Permian volcanic rock facies in western Sichuan Basin

四川盆地峨眉山玄武岩发育于二叠系中上部，为一套穿时地层。川西南部峨眉山玄武岩与下伏中二叠统茅口组(从下到上分为4段)及上覆上二叠统沙湾组(成都-简阳地区为龙潭组，同期异相)呈假整合接触，平面上具有西南盆周厚、往北东盆内变薄的特点。受加里东运动影响，四川盆地二叠纪之前古地貌整体呈现西南高、北东低的特征，二叠系直接覆盖在寒武系之上[3]。

2 川西地区火山岩特征

2.1 岩性特征

根据已钻井岩心、岩屑、薄片等分析，川西地区火山岩主要为火山碎屑熔岩、火山碎屑岩和玄武岩，含少部分凝灰岩[1-4]。火山碎屑熔岩代表性井为川西中部成都-简阳地区的YT1井、YS1井、TF2井；主要矿物为辉石、斜长石、钠长石、角闪石，还可见大量后期蚀变和交代矿物，如绿泥石、伊丁石、方解石等。 玄武岩代表性井为川西南部的ZG1井、PT1井、LS1井；矿物成分主要为长石、辉石、角闪石、磁铁矿，主要呈杂色、灰黑色块状，致密坚硬。

2.2 岩相特征

川西地区火山岩主要为爆发相及溢流相[1-13]。爆发相形成于火山作用早期或高潮期，在火山口附近形成碎屑堆。由火山碎屑溅落形成的角砾岩或集块岩，为最有利的天然气储集岩相。以往发现的火山岩爆发相集中于成都-简阳地区，笔者本次新发现爆发相主要位于川西南部BMM地区(图2)。

溢流相位于火山锥的斜坡部位，火山爆发后能量较低，以熔岩形式从火山口溢出的玄武岩，储集性较爆发相要差。主要分布在川西南部雅安-夹江地区，从盆周往盆内玄武岩厚度逐渐变薄。川中资阳至射洪一带主要发育火山岩沉积相。

3 BMM地区火山岩相地震预测

3.1 火山岩相测井响应特征

以YT1井为代表进行分析，其二叠系火山岩段(峨眉山玄武岩)共厚272 m，存在4个喷发旋回并以早期爆发、晚期侵入为特点(图3)。第一旋回为爆发相发育期，火山剧烈喷发并将其周边茅口组灰岩震碎，岩性以火山角砾岩为主，含灰岩集块和角砾凝灰岩，厚达84 m，测井特征表现为低自然伽马、低密度、低电阻率、中高声波时差、中高中子。第二旋回发育爆发相和溢流相，火山强烈喷发后能量减弱转为溢流相，火山角砾熔岩厚39 m，玄武岩厚10 m，爆发相角砾熔岩测井响应特征为低伽马、中低密度、中低电阻率、中高声波时差、中高中子；溢流相玄武岩测井响应特征和爆发相明显不同，表现为低伽马、高密度、高电阻率、低声波时差、中低中子。第一和第二旋回爆发相储集物性最好，钻井过程中频繁发生气侵、井漏，为射孔测试获工业气流段，不同于碳酸盐岩气层电阻率普遍较高的特征，受地层含导电矿物及蚀变矿物的束缚水含量高的影响，YT1井爆发相电阻率明显较低。第三旋回为火山通道相，岩性为粗粒玄武岩，属超浅成侵入岩，厚114 m。第四旋回亦为火山通道相，发育浅成侵入岩-辉绿玢岩，厚25 m。第三和第四旋回粗粒玄武岩和辉绿玢岩测井响应均呈现出高伽马、高密度、低声波时差、低中子特征，2种岩性测井响应不同之处在于，前者为中高电阻率而后者更高。

3.2 火山岩相地震地质解释模式

火山岩下伏地层为茅口组碳酸盐岩，上覆地层为沙湾组(龙潭组)碎屑岩，使得火山岩在地震剖面上的地震波形、振幅、频率、反射时差等与围岩有明显差异。且由于火山岩内部结构、构造、纵向序列及空间叠置关系的不同，导致不同火山岩体内部不同岩相所对应的地震响应特征各不相同。

BMM地区暂无钻至二叠系火山岩地层的钻井，笔者结合川西地区火山岩典型已钻井的井震标定，在火山岩段地震反射外形、内幕反射特征等[11-20]基础上建立起火山岩地震地质解释模式。其中，爆发相地震响应特征为：沙湾组(龙潭组)底界以下为丘状杂乱或者亚平行-杂乱、中强振幅反射，火山岩段反射时差大，以成都-简阳地区YT1井(图4-A)、YS1井为代表。反映出火山碎屑熔岩在火山口处快速喷出，从高部位外流，多期熔岩堆积的特征。

溢流相地震响应特征为：沙湾组(龙潭组)底界以下为平行-亚平行或空白反射，火山岩段反射时差较小，以川西南部LS1井(图4-B)、PT1井为代表。反映出玄武岩横向厚度稳定、成层性较好的特征。其中LS1井火山岩段厚110 m，岩性以玄武岩为主，夹部分凝灰岩。

笔者结合盆地内火山岩已钻井地层结构、实际测井速度等建立火山岩喷发机构地质模型(图5-A)，进行模型正演，总结不同火山岩相所对应的地震响应特征，用以指导BMM地区火山岩相的地震刻画。从正演结果(图5-B)可以看出：近火山口核部为Ⅰ类爆发相，丘状隆起幅度大，地震反射时差大，内幕为杂乱-中强振幅反射；翼部为Ⅱ类爆发相，丘状隆起幅度较大，地震反射时差较大，内幕为较杂乱-亚平行中强振幅发射。远火山口为溢流相以及火山沉积相，地震反射时差小，内幕为平行-亚平行或空白反射。

3.3 BMM地区火山岩相地震预测

笔者结合邻区火山岩已钻井的井震标定和地震地质解释模式，对BMM地区火山岩地震层位进行对比追踪，结合地震相、地层切片等来预测火山岩相的分布。经预测，BMM地区火山岩相主要为爆发相和溢流相，爆发相火山碎屑熔岩在地震剖面上为丘状隆起，内幕中强振幅反射特征；溢流相玄武岩在地震剖面上为平行、内幕空白反射特征(图6-A)，和成都-简阳地区已钻井地震响应特征类似。

图3 YT1井二叠系火山岩综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of Permian volcanic rocks in Well YT1

图4 川西地区典型爆发相和溢流相地震响应特征Fig.4 Seismic response characteristics of typical eruptive facies and overflow facies in western Sichuan Basin

图5 川西地区火山机构模型正演Fig.5 Forward modeling of volcanic mechanism in western Sichuan Basin

BMM地区火山岩主要为裂隙式喷发，火山口附近由于断层和火山活动错开了地震反射同相轴，断层和火山口在相干切片上存在明显的相干低异常值。地层切片可以解决因地质体厚度横向分布不均导致切片穿时的问题，在地层内平均等分并内插若干的小层提取地震属性，对地质异常体在空间及平面上的展布特征分析有着独特的优势。笔者将火山岩段等分成上部、中部、下部地层相干切片，对火山口形态的纵横向展布进行刻画。

从BMM地区地层相干平面图上可以清晰地识别出火山口形态，为不对称的环带状，火山熔岩呈放射状向四周不对称展布。火山口为环带状低相干值特征，这组低相干值区不对称分布在火山口四周，反映出火山碎屑熔岩和玄武岩的分布界限。并且从火山岩段不同时间段的地层相干切片上看出，火山口环带状低相干值特征从浅到深逐渐发散，展现出火山口处碎屑熔岩典型的锥状堆积特征(图6-B、C、D)。

经地震属性分析，火山岩段波峰数地震属性和地震波反射时差(双层旅行时)相结合，能较好地刻画出爆发相与溢流相平面分布。波峰数地震属性能直观反映出爆发相火山岩内幕杂乱、波峰数较多的特点，地震反射时差能反映出爆发相火山岩丘状堆积的几何外形特征。其中爆发相细分为Ⅰ类爆发相和Ⅱ类爆发相，分布在BMM地区东部,面积共500 km2。Ⅰ类爆发相在地震剖面上为丘状、内幕杂乱中强振幅反射(图7)。以火山岩段波峰数地震属性图上的高值区为基础(图8-A)，结合地震波反射时差平面图上的高值区(70～110 ms，图8-B)，刻画出Ⅰ类爆发相发育区的面积共140 km2(图8-C)。

Ⅱ类爆发相在地震剖面上为丘状隆起(幅度较小)、内幕亚平行-断续中强反射。火山岩段波峰数高值区、较高地震波反射时差区(60～70 ms)共同刻画出Ⅱ类爆发相发育区，面积共360 km2。

火山岩段波峰数低值区，地震反射时差平面图上的低值区域(20～60 ms) 的交集为溢流相发育区，主要分布在工区西部，面积达600 km2。

4 火山岩分布主控因素

4.1 基底断裂

基底断裂是指切穿褶皱基底或者结晶基底的深大断裂，断裂规模大、切割深，断裂两侧基底性质多不相同，断裂的活动控制着两侧的盖层沉积、变质及火山岩浆作用[21]。前人对四川盆地基底结构和断裂特征已有基本认识，笔者结合近年川西地区最新重磁电、地震、地质等资料，认为川西地区经过多期构造运动，发育NE-SW走向和NW-SE走向2组基底断裂，在中晚二叠世之交发生的峨眉地裂拉张作用，使2组走向断裂继承性活动，岩浆沿着基底断裂及伴生裂隙往上喷发。其中，川西成都-简阳地区基底断裂以NE-SW走向和NW-SE走向为主；川西南部地区基底断裂主要为NE-SW走向，沿雅安-新津、夹江-彭山一带展布(图2)。

图6 BMM地区典型火山口地震剖面及地层相干切片Fig.6 Seismic profiles and stratigraphic coherent sections of typical craters in BMM area 切片的平面位置见图8-A方框

图7 BMM地区爆发相和溢流相地震响应特征Fig.7 Seismic response characteristics of eruptive facies and overflow facies in BMM area三维地震剖面，拉平二叠系底界，剖面的平面位置见图8-C

图8 BMM地区二叠系火山岩相展布Fig.8 Distribution of Permian volcanic facies in BMM area

结合成都-简阳地区目前已钻井和火山岩地震预测，可以看出火山岩分布和NE-SW、NW-SE走向基底断裂有着很好的对应关系(图2)，成都-简阳地区火山岩中心式喷发和裂隙式喷发并存，两组基底断裂交汇处火山规模最大，YT1井、YS1井等钻遇厚层火山角砾岩的钻井正位于此交汇处附近。川西南部BMM地区火山岩主要为裂隙式喷发，并存在部分中心式喷发，结合地震剖面和沿寒武系底界相干切片(图9)可以看出，基底断裂主要为NE-SW走向，分布在工区东部，主要为F1及F2断裂带，纵向断距较小，具有羽状走滑性质。BMM地区火山岩爆发相主要分布于工区东部基底断裂带F1、F2发育区附近。

图9 BMM地区基底断裂特征Fig.9 Characteristics of basement faults in BMM area

4.2 火山岩喷发前古地貌

图10 BMM地区二叠纪火山喷发前古地貌Fig.10 Paleogeomorphology before the eruption of Permian volcanic rocks in BMM area

火山岩分布与火山喷发前的古地貌关系十分紧密[22]，火山碎屑熔浆沿火山口向古地貌低洼地带流动。目前，常用的古地貌恢复方法有残余厚度法、补偿厚度印模法、回剥和填平补齐法、沉积学分析法及层序地层恢复法等。由于茅口组顶底层位较易追踪且可用钻井资料校正，四川盆地用残余厚度法恢复茅口组岩溶古地貌较多。茅口组残余厚度越大的地区，解释为地势较高区域；残余厚度越小的地区，解释为地势较低区域[23-26]。笔者结合三维地震资料解释，用茅口组残余厚度反映出川西南部BMM地区二叠纪火山喷发前古地貌特征(图10)。图10结合图6-A、图7-A可以看出，BMM地区火山岩爆发相发育区位于火山喷发前古地貌斜坡-洼地区域，反映出峨眉地裂时期BMM地区火山岩浆整体由古地貌高部位向低部位汇聚；且地震剖面上沙湾组内幕同相轴往西上超特征明显，表明BMM地区火山岩喷发后古地貌仍保持了西高东低的特征。

成都-简阳地区和BMM地区类似，YT1井和YS1井茅口组厚度为160 m左右，且都缺失茅二段以上地层；而周边钻井茅口组发育茅四段，厚度在280 m左右。YT1井、YS1井等爆发相发育区正位于火山喷发前古地貌洼地。

5 结 论

a.川西地区二叠系火山岩主要发育爆发相和溢流相，已钻井火山岩相与地震响应之间具有较好的对应关系。其中爆发相为丘状、地震反射时差大、内幕杂乱-亚平行、中强振幅反射；溢流相为地震反射时差小、内幕平行-亚平行或空白反射。

b.川西南部BMM地区首次发现大规模二叠系火山岩爆发相发育区，面积达500 km2，是四川盆地火山岩油气勘探区带拓展的有利区。地层相干切片可清晰见到BMM地区火山口不对称环带状展布特征。

c.川西地区二叠系火山岩分布主要受基底断裂及喷发前古地貌控制。川西南部BMM地区东部是NE-SW走向基底断裂发育和火山喷发前古地貌斜坡-洼地区域，是火山岩爆发相有利指向区。