新生代辉绿岩侵入对围岩物性的影响：以苏北盆地洋心次凹为例

王 凯, 刘汇川, 任威威, 李文奇, 于志琪

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;2.中国石油大学(北京) 地球科学学院, 北京 102249)

0 引 言

岩浆岩在全球很多含油气盆地中广泛存在，尤其在构造活动强烈的断陷盆地中更为常见[1-5]。近年来，通过对岩石学特征、储层特征和成藏特征等问题的研究，前人发现喷出岩是一种十分有利的油气储层[6-11]。但是，在含油气盆地中侵入岩对围岩储层物性的影响方面争论较大。一种观点认为岩浆侵入带来的高温高压环境会破坏储层物性[12-13]，此外，不仅岩浆热液冷凝结晶填充围岩孔隙[14]，而且岩浆携带的压力导致围岩受到压实[15]。这些都导致了围岩储层物性的变差，甚至破坏储集条件，因此岩浆侵入活动区被认为是油气勘探的禁区。另一种观点认为，从岩浆当中逸出的挥发组分和孔隙流体等与围岩储层发生水-岩反应[15-16]，可以改善围岩储层物性，形成良好储层[17-19]。

图1 苏北盆地主要构造单元(a)、研究区构造简图((b)据浙江油田资料，2020)Fig.1 Major tectonic units of the Subei Basin (a), and simplified geological map of the study area (b)

苏北盆地位于岩浆活动强烈伴生的郯庐断裂带南段，其中在高邮、金湖、溱潼、海安、白驹等凹陷的古近系陆相地层中广泛发育辉绿岩体[20]，分布面积超过1 000 km2(图1)。例如，江苏油田在苏北盆地高邮凹陷沙19、花X16等钻井内发现了阜二段辉绿岩变质泥岩油气藏[21]，浙江油田也在苏北盆地白驹凹陷丰页1井钻遇辉绿岩(据浙江油田资料,2020)。此外，在我国多个含油气盆地中发现辉绿岩侵入相关的变质围岩油藏[12-14,22-25]，如塔里木盆地[26-28]、渤海湾盆地[22,29]、松辽盆地[30-31]等地区。它们在储层物性和有机质成熟度方面与苏北盆地有共同的变化特征。如黄骅坳陷围岩储层物性受辉绿岩侵入影响，孔隙度由13%增大至20%，渗透率由2×10-3μm3提高至20×10-3μm3，围岩储层物性得到明显改善[32]；宣化盆地有机质成熟度受辉绿岩侵入影响由0.9%增加至4.4%，有机质成熟度得到明显提升[33]。所以，本文以苏北盆地白驹凹陷丰页1井钻遇辉绿岩及其围岩为研究对象，结合岩相学、测井及地震资料综合分析，深入探讨辉绿岩侵入体对围岩变质特征及物性的影响。

1 地质概况

苏北盆地为新生代盆地[34]。由南向北由东台坳陷、建湖隆起和盐阜坳陷构成了“两陷一隆”构造格局，其中陆上的盐阜坳陷、东台坳陷向海域延伸并与南海相接(图1)。白驹凹陷属于苏北盆地东台坳陷东北部的次级凹陷。该区毗邻建湖隆起，被高邮凹陷、柘垛低凸起、吴堡凸起、溱潼凹陷、裕华凸起和小海凸起包围，整体为一南断北超的箕状断陷(图1)。自白垩纪末期仪征运动后研究区开始接受沉积，自下而上依次发育：白垩统泰州组(K2t)、古新统阜宁组(E1f)、始新统戴南组(E2d)、三垛组(E2s)、新近系盐城组(Ny)和第四系东台组(Qd)，渐新统缺失(E3)(图2)。地层经历了古近纪阜宁组末期的吴堡运动，戴南组末期的真武运动，渐新世末期的三垛运动，新近纪上、中新世中期的盐城运动和上、中新世末期的东台运动。其中，吴堡、真武和三垛三次区域构造运动对苏北盆地古近系的构造发育起到关键作用。白驹凹陷受北部的白1号和白2号及南部的埝1号和埝2号4条近东西向正断层控制，可进一步细分为4个次级构造单元，由北到南依次为：大丰次凹、施家舍断阶带、洋心次凹和草埝断阶带。

图2 苏北盆地晚中生代至新生代主要地层及构造事件(据浙江油田总结报告，2009)Fig.2 Major Late Mesozoic to Cenozoic stratigraphic units and tectonic events in the Subei Basin

苏北盆地内广泛发育辉绿岩[20](图1)。辉绿岩可分为上、下两套，均呈席状产出，单层厚度一般为数米到数十米，最大可达二百余米。上套辉绿岩侵入以三垛组和戴南组为主，分布面积较小，下套辉绿岩侵入以阜宁组为主，分布面积较大[35]。洋心次凹丰页1井(图1)井深3 960 m，自下而上钻遇地层：泰州组、阜宁组、戴南组、三垛组、盐城组和东台组。辉绿岩侵入地层深度为3 895～3 907 m，为泰州组泰二段Ⅰ亚段。

2 岩石学特征

2.1 辉绿岩

丰页1井钻遇的侵入岩主体为基性侵入岩，即前人在苏北盆地识别的辉绿岩。根据详细的岩相学鉴定发现，侵入体从边部到中心位置，矿物晶体颗粒尺寸、岩石结构和构造存在明显差异。即侵入体边部斜长石和辉石矿物颗粒较小，具典型的辉绿结构，为辉绿岩；中心位置斜长石和辉石矿物颗粒较大，为辉长岩；从边部到中心呈现明显的过渡，为辉长-辉绿岩(图3)。辉绿岩，呈深灰-灰黑色(图3(c)-(d)、(k)-(l))。斜长石占30%～50%，辉石占20%～45%，部分含白云石2%～6%，含铁矿5%～8%。杂乱排列的辉石、白云石、角闪石、菱铁矿和赤铁矿等多种矿物充填在柱状斜长石格架的空间中，在边缘部位辉石绿泥石化明显。

前人对苏北盆地辉绿岩形成时期进行较多的研究。毛凤鸣等和仇永锋等认为辉绿岩侵入的规模受区域构造控制，三垛运动强度(最大主应力35.3～75.4 MPa)比五堡运动强度(最大主应力32.8 MPa)大，若辉绿岩的侵入受两次的构造事件控制，那么辉绿岩在三垛运动期的侵入范围更广。但根据两套辉绿岩的产状与不同期次断裂的错切关系判断，认为下套辉绿岩在吴堡运动期侵入到阜二段和阜三段，上套辉绿岩在三垛运动期侵入到阜四段、戴南组和三垛组[36-37]。此外，王保如等基于钻井和地震资料分析认为：上、下两套辉绿岩为同期同源且均为三垛期侵入[38]。但是，利用钻井和地震资料分析终究无法给出精确的年龄数据。真实而准确的同位素定年成为解释辉绿岩侵入时期问题的关键方法。因此我们总结了苏北盆地开展辉绿岩同位素测年的数据[39-41](表1)。

图3 侵入岩及围岩岩相学特征Fig.3 Petrographic characteristics of intrusive and contact metamorphic rocks(a)泰二段(第七筒岩心)，上部的泥页岩，中下部变为板岩，底部为辉绿岩，丰页1井，3 893.37～3 897.27 m；(b)上变质带板岩镜下薄片，丰页1井，3 895.45 m；(g)和(h)辉长岩，斑状、聚斑状构造，辉石、斜长石为主，有角闪石、黑云母、少量钾长石和石英，丰页1井，3 900.16 m；(e)、(f)、(i)、(j).辉长辉绿岩，辉长岩到辉绿岩的过渡带，丰页1井，3 898.42 m，3 902.31 m；(c)、(d)、(k)、(l).辉绿岩，典型辉绿岩结构，可见绿泥石化，丰页1井，3 896.53 m，3 906.15 m

前人开展的同位素测年工作将苏北盆地辉绿岩的侵入分为两期。第一期对应于吴堡运动期；第二期对应于三垛运动期。因此，尽管辉绿岩侵入在三垛运动期最为强烈，但在吴堡运动期就已开始活动(图2)，并非前人认为上下两套辉绿岩均在三垛运动期侵入[36-37]。而苏北盆地成藏期为37～46 Ma[42-43]，其主要成藏期为三垛期，与第二期辉绿岩侵入基本相同。

表1 苏北盆地辉绿岩同位素定年数据统计

前人通过主微量元素和Sr-Nd同位素的分析，判定苏北盆地辉绿岩幔源成因[44]。苏北盆地还未开展辉绿岩成岩温压条件的相关研究，参考国内其它地区对辉绿岩成岩矿物结晶温压条件的研究[45-47]。研究发现，辉绿岩造岩矿物在1 081～1 275 ℃开始结晶，而结晶压力与深部岩浆房压力和侵位地层压力有关，无明确的压力区间。

2.2 变质岩

辉绿岩侵入使泥岩发生变质作用，其变质程度体现在距辉绿岩的距离上[8]。距辉绿岩较远的泥岩变质程度低，变质成板岩，属于低级变质产物，是研究区最主要的岩石类型(图3(b))。板岩具变余结构和斑点状构造，以泥质和粉砂质成分为主，透闪石、绿泥石等矿物晶粒不均匀分布。随着距辉绿岩距离的增加，板岩逐渐过渡成泥岩。距离辉绿岩较近的泥岩，接受更强烈的变质作用，形成中级变质产物-角岩(未见)。在测井曲线上，板岩与泥岩无明显分界。角岩相比板岩，变质程度强、颜色浅、气孔发育和结晶程度高。

2.3 岩相分带

根据丰页1井岩心镜下特征，辉绿岩和变质岩在垂直方向上分为侵入相和变质相。前者包括中心相和边缘相，变质相分为中级变质相和低级变质相[20-21,24,37-38]。

侵入体中心相：主要分布在侵入体中心，在侵入体中占据主要比例。岩性主要发育辉长岩，中粒至粗粒结构，由单斜辉石、斜长石、角闪石和黑云母组成，其中单斜辉石和斜长石含量基本相同且为主要成分。在冷凝成岩过程中，热量散失缓慢，相内矿物结晶程度高(图3(g)-(h))。

侵入体边缘相：主要分布在侵入体边缘，厚度小于侵入体中心相厚度。与变质相直接接触，有较高的冷凝速率，为细晶-微晶的结构，发育辉绿岩。矿物组成与辉长岩相似，但结构差异较大，具辉绿结构，基性斜长石和辉石已蚀变，形成钠长石、石英绿泥石和角闪石。边缘相矿物结晶程度差，容易受后期改造形成较好的孔缝系统(图3(e)-(f)、 (i)-(j))。

变质相：变质相分为中级变质相和低级变质相。中级变质相紧邻侵入体边缘相，岩性为角岩(未见)。低级变质相紧邻泥岩，岩性为板岩，并随着距辉绿岩距离的增加，岩性逐渐向泥岩过渡。在其边缘结晶作用不强烈，具显微水平层理构造，其成分主要为泥质，含量在50%～90%之间(图3(b))。

3 辉绿岩测井和地震响应

图4 丰探21井和丰页1井测井响应Fig.4 Logging response characteristics of wells Fengtan 21 and Fengye 1

本区辉绿岩测井响应特征明显(图4)，在常规测井表现为：“两高三低”，即高SP(自然电位)、高DEN(密度)、低平GR(自然伽马)、低CNL(补偿中子)和低AC(声波时差)。辉绿岩最明显的测井响应是GR与SP之间的显著差别(图4)。辉绿岩与泥岩之间的变质带有明显的“两高三低”特点：较低DEN、CNL和GR以及较高AC和SP。测井曲线综合反映出由非渗透性辉绿岩向具有渗透率的变质岩转变的特征，并反映越接近辉绿岩变质程度越高，曲线变化特征越明显。

图5 丰探15-丰页1井区东西向辉绿岩地震特征Fig.5 Seismic features of the E-W-trending diabase in well Fengtan 15-well Fengye 1 area

图6 上下变质带厚度关系图(数据据文献[48-50])Fig.6 Thickness variation of the upper and lower metamorphic belts

地层中储层物性在地震数据上有明显的体现，如地震波速度、振幅、频率等。辉绿岩顶部泥岩和底部泥岩在地震反射剖面上反映出高能量的波峰和波谷，但变质带厚度相对于辉绿岩厚度小，在地震反射坡面反射不明显，难以准确地识别。研究区辉绿岩的地震特征呈平行板状，为中强反射，产状与泥岩呈近平行关系。一般向两侧的反射呈现出渐变或变弱现象，这是辉绿岩对泥岩产生屏蔽和干扰的结果，其地震特征主要存在较大的下伏弱反射以及上拱挤压现象(图5)。当辉绿岩侵入体的厚度大于10 m，其地震反射特征主要包括较低的频率、较大的振幅以及较好的连续性。如果其厚度比较小，则反射特征不太显著。

4 讨 论

4.1 辉绿岩侵入特征及对围岩物性影响

辉绿岩顺层侵入泥岩围岩后，变质岩围绕辉绿岩呈环带状分布，在纵向上表现出上下两层变质带且呈对称分布。辉绿岩侵入到地层后，地层压差是热液运移的主要动力，故此向上运移为优势运移。这使得上变质带能够接受更长时间的高温烘烤和更多的热液侵入，导致上变质带厚度明显大于下变质带厚度(图6)[48-50]。此外，变质带的厚度还与辉绿岩的厚度密切相关。据资料统计，上、下变质带厚度随辉绿岩厚度的增加而增加，表现出良好的正相关性(图7)。当辉绿岩侵入厚度小于10 m时，上、下变质带厚度无明显差异；当大于40 m时，上、下变质带厚度发育良好，且上变质带厚度大于下变质带厚度。研究区丰页1井辉绿岩侵入厚度约12 m，但岩心鉴定未发现中级变质产物——角岩，认为是辉绿岩侵入厚度过薄，其热液携带的温压条件不足以维持泥岩变质成角岩。

辉绿岩侵入影响泥岩围岩的物性。使泥岩围岩的孔隙度大幅度提高，尤其距辉绿岩较近的层

图7 辉绿岩侵入体与变质带厚度关系图(数据据文献[48-50]) Fig.7 Crossplot showing the relationship between diabase intrusion and metamorphic zone thickness

图8 丰页1井变质带孔隙度与距辉绿岩距离关系图(a)和有无辉绿岩侵入孔隙度对比图(b)Fig.8 Relationship of porosity of metamorphic belt with the distance from diabase (a) and comparison of porosity with/without diabase intrusion (b)

段，其孔隙度变化可达十几倍(图8(a))。此外，地层内有无辉绿岩侵入，其孔隙度也有明显的差别。丰探21井与丰页1井钻遇相同地层，但未钻遇辉绿岩(图4)。利用已有的孔隙度数据与测井数据进行拟合，建立测井数据与孔隙度模型，求取与丰页1井对应层段丰探21井的孔隙度(表2)。结果表明：未被辉绿岩侵入的围岩，表现出低孔隙度，无明显的异常特征，符合正常泥岩演化特征；而被辉绿岩侵入后的围岩，其孔隙度明显提高(图8(b))。无论是同井位变质岩与泥岩之间相比还是相同层段不同井位有无辉绿岩侵入的围岩之间相比，辉绿岩侵入都有很大程度地改善围岩物性。

变质岩的物性与其变质程度有关。距辉绿岩越近，热液作用效果越强，泥岩的变质程度越高，其物性越好；距辉绿岩越远，由于热量的散失和压力的降低，泥岩的变质程度越低，其物性越差。通过总结前人的研究发现：距辉绿岩12～14 m范围内，辉绿岩对其物性的改造最好(图9)[14,48-49]。

丰页1井研究区由于辉绿岩的侵入，形成原生气孔、裂缝、溶蚀孔缝和冷凝收缩缝等不同类型的储集空间，从而成为有效储层。所以，苏北盆地丰页1井变质带表现出较好的储层物性。

表2 丰探21井和丰页1井孔隙度测井解释数据表

图9 变质带孔隙度(a)和渗透率(b)距辉绿岩关系图(数据据文献[14,48-49])Fig.9 Porosity (a) and permeability (b) versus distance from the diabase

4.2 辉绿岩侵入改善围岩储层物性的机制

辉绿岩侵入所致的热接触变质作用，是影响储层形成和物性变化的关键。其机理包括变质固结、冷凝收缩、热液破裂和溶蚀等作用[51]。

变质固结作用：辉绿岩侵入带来大量的热量，导致围岩迅速释放出层间水和孔隙水，使泥岩发生变质[52-53]。此外辉绿岩的侵入还增大了局部应力[54]，使变质泥岩受到较大的应力作用，从而逐渐破裂，甚至形成裂缝。中级变质带因距辉绿岩更近，受到变质作用和应力作用更强烈。低级变质带距辉绿岩更远，变质作用和应力作用随着距离的增加逐渐减弱，作用效果远低于中级变质带。因此，中级变质带——角岩发育的裂缝规模更大，裂缝系统更发育，储集性能更好。

热液破裂作用：围岩在变质过程中发生脱水和脱碳作用。前人研究认为，1 kg泥岩可以释放2 mol流体[55-56]。同时，岩浆在侵入围岩和冷凝固结过程中释放大量的高矿化度流体[16]。热液流体的持续产生会引起地层压力的异常变化，当热液流体的压力大于地层正常压力时，会在变质泥岩中形成微裂缝。而多期次的岩浆侵入，变质泥岩会形成更多的热液微裂缝。热液带来压力的同时，会与围岩进行物质交换(对辉石和长石等矿物颗粒进行溶解)，形成溶蚀孔缝以及碳酸盐脉。在合适的条件下，碳酸盐脉会发生溶蚀，形成渗流通道和储集空间。角岩相比于板岩，热液流体作用时间长，变质程度高，形成的热液微裂缝更为发育。

冷凝收缩作用：岩石中各矿物组分的膨胀系数不同，导致岩石在冷凝的过程中发生破裂[57-59]。最终由于温度的变化，岩体产生冷凝收缩缝[60]。王军等人认为冷凝收缩缝的发育程度与侵入体厚度和距侵入体距离上有好的相关性，即侵入体厚度越大或距侵入体越近时，冷凝收缩缝发育越好[60]。冷凝收缩缝在侵入相和变质相内广泛分布，冷凝缝大部分发育在辉绿岩中，收缩缝大部分则发育在变质岩中。虽然冷凝收缩作用对孔隙度的提升效果不明显，但其能够沟通其它孔隙，形成良好的孔缝系统，提升储层整体的储集性能[54]。

溶蚀作用：长石等矿物的溶蚀在油气储层形成过程中起着重要作用[61]。长石溶解速率依靠于环境的酸碱度[62]。辉绿岩侵入携带的热液和泥岩变质作用产生的流体，形成酸性流体[63]。变质岩中基质颗粒和黏土矿物受到酸性流体的影响发生溶蚀，形成大量的溶蚀孔隙或微孔[64]。虽然溶蚀作用形成大量的溶蚀孔隙或微孔，但在辉绿岩冷凝过程中易被碳酸盐脉充填，使其连通性变差，无法形成较大的孔缝。同时在高温作用下，稳定存在酸性流体中的矿物相互发生反应[62-68]，形成的新矿物充填在溶蚀作用形成的孔缝中，很大程度上降低了孔缝。因此，溶蚀作用对孔隙度的改善效果不明显，但对储层物性的改造有关键性作用。

辉绿岩的侵入为泥岩带来热液流体，其携带的高温高压作用于围岩，使非渗透性泥岩围岩被逐渐变为有利的储层，因此围岩储层发现的油气是非渗透性泥岩物性改善后接受充注聚集的结果。与辉绿岩侵入泥岩围岩相关的热液破裂和溶蚀作用形成的孔缝在提高围岩储层的物性方面占主导地位。

5 结 论

(1)苏北盆地丰页1井泰二段辉绿岩的侵入带主要包括变质相和侵入相，侵入相又包括中心相与边缘相。

(2)辉绿岩侵入泥岩，可改善变质泥岩物性。变质带厚度随着侵入岩厚度的增加而增大，且上变质带厚于下变质带。

(3)辉绿岩侵入通过固结破裂、热液作用、冷凝收缩以及溶蚀作用等改善围岩物性，使非渗透性泥岩围岩成为油气聚集的良好储层。其中热液破裂和溶蚀作用形成的孔缝在提高接触变质带物性方面占主导地位。

致谢：评审专家提出的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。