川西南地區(qū)茅口組柱狀凹陷異常體分布特征及成因

楊 柳，臧殿光，徐寶亮，鄧紹強(qiáng)，周躍宗，郭鴻喜

（1.中國石油東方地球物理公司西南物探研究院，四川成都 61023； 2.中國石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部，四川成都 610041）

中二疊統(tǒng)茅口組是四川盆地主要產(chǎn)層之一，自1957 年在川南地區(qū)圣燈山構(gòu)造鉆探的隆10 井測(cè)試獲工業(yè)氣流以來，勘探長達(dá)60 余年。前人以“三 占三沿”（即占高點(diǎn)、沿長軸；占鞍部、沿扭曲；占鼻凸、沿?cái)嗔眩┛碧剿悸窞橹笇?dǎo)[1]，結(jié)合構(gòu)造與裂縫，探明了一系列茅口組灰?guī)r縫洞型氣藏。典型井為川南地區(qū)自2 井，已累計(jì)產(chǎn)氣50.15×108m3[2-3]。川西南地區(qū)茅口組整體探明程度較低，目前僅發(fā)現(xiàn)大興場(chǎng)氣田，儲(chǔ)集類型為灰?guī)r縫洞型。本文結(jié)合川西南地區(qū)多塊高品質(zhì)三維地震資料，發(fā)現(xiàn)在川西南向斜及單斜地區(qū)地震剖面多見近直立的柱狀凹陷異常體，從茅口組一直貫穿至震旦系，相干切片上呈現(xiàn)出大小不一、環(huán)形或似環(huán)形的低相干值異常區(qū)。賀可強(qiáng)[4]將此類異常體定義為巖溶塌陷儲(chǔ)集體，儲(chǔ)層頂部容易因蓋層失穩(wěn)而產(chǎn)生塌陷。

前人對(duì)四川盆地此類柱狀凹陷異常體有一定研究，但多集中于川中地區(qū)燈影組。李文科[5]認(rèn)為此種異常體是多期淡水巖溶垮塌疊加所造成，然而楊平[6]、丁博釗等[7]對(duì)此解釋為深部熱液巖溶塌陷，學(xué)術(shù)界對(duì)此類異常體成因認(rèn)識(shí)存在一定爭(zhēng)議，但均認(rèn)為此類異常體是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，是潛在的有利勘探目標(biāo)。本文借鑒四川盆地前人研究成果及塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖“斷溶體”的已有認(rèn)識(shí)，在高精度三維地震資料基礎(chǔ)上，結(jié)合相干切片地震屬性、模型正演、鉆測(cè)井、地質(zhì)資料等，對(duì)茅口組柱狀凹陷異常體分布和成因進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

川西南地區(qū)位于上揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地內(nèi)，其西部為龍門山山前構(gòu)造帶，南部為峨眉-瓦屋山構(gòu)造帶，北部為川北低平褶皺帶，現(xiàn)今的川西坳陷是印支期-喜馬拉雅期擠壓環(huán)境下形成的前陸盆地[8]。其沉積演化主要經(jīng)歷了震旦紀(jì)-中三疊世海相、晚三疊世早期海陸過渡相、晚三疊世晚期-第四紀(jì)陸相等主要階段[9]。晚元古代-早寒武世的興凱地裂運(yùn)動(dòng)形成近南北向綿陽-長寧拉張槽[10]（勘探生產(chǎn)上稱“德陽-安岳裂陷槽”），為拉張基底斷裂所控制，拉張槽西部邊緣貫穿川西南地區(qū)。羅志立[11]早期研究發(fā)現(xiàn)川西南地區(qū)發(fā)育北東向基底斷裂，此類斷裂在2019 年經(jīng)大范圍重磁電震勘探進(jìn)一步證實(shí)（圖1），基底斷裂主要為興凱地裂運(yùn)動(dòng)形成，并被中晚二疊世之交的峨眉地裂運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步激活[12]。峨眉地裂運(yùn)動(dòng)造成地幔柱抬升并形成大量裂縫，沉積間斷可達(dá)8～9 Ma[13]，為茅口組灰?guī)r遭受大氣淡水溶蝕提供條件，此時(shí)大規(guī)?；鹕綆r也隨著激活的基底斷裂進(jìn)行侵入。川西南位于峨眉山大火成巖省外帶地區(qū)，是四川盆地峨眉山玄武巖主要分布區(qū)[14-15]。

四川盆地茅口組地層厚度約200～400 m，自下而上分為茅一段、茅二段、茅三段、茅四段共4 段，茅一段和茅二段又分別從下到上劃分為c、b、a 三個(gè)亞段。川西南地區(qū)茅口組主要為開闊海臺(tái)地相沉積[16-17]，發(fā)育茅一段-茅四段地層，茅一段主要為深灰色、灰褐色泥晶灰?guī)r；茅二段為淺灰色生屑灰?guī)r、藻灰?guī)r；茅三段為灰白色細(xì)粉晶白云巖和生屑灰?guī)r；茅四段以灰黑色綠藻灰?guī)r為主[18-20]。地層穩(wěn)定、厚度300～400 m，儲(chǔ)層主要發(fā)育在易受巖溶的茅二段、茅三段、茅四段。茅口組底部與棲霞組呈整合接觸，頂部主要與峨眉山玄武巖呈假整合接觸。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置

2 異常體特征

2.1 地震響應(yīng)特征

近年來，塔里木盆地順北等地區(qū)相繼獲得重大油氣突破，油氣富集區(qū)大多分布在大型走滑斷裂帶或與之相關(guān)的次級(jí)斷裂帶上，有利儲(chǔ)集空間為由溶洞和裂縫組成的碳酸鹽巖縫洞體系，即“斷溶體”。此“斷溶體”地震剖面上特征為:大型走滑斷裂的同向軸呈長條狀或花束狀“雜亂錯(cuò)斷”，斷裂周圍出現(xiàn)強(qiáng)、弱“串珠”狀反射[21-24]（圖2a）。四川盆地川中地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的燈影組“巖溶塌陷儲(chǔ)集體”[6]也存在類似的地震響應(yīng)特征（圖2b）。

研究區(qū)三維地震資料為2017-2019 年采集處理，在二疊系-震旦系成像和保幅方面效果顯著，為研究凹陷異常體特征奠定了堅(jiān)實(shí)的地震資料基礎(chǔ)。經(jīng)地震資料解釋可清晰發(fā)現(xiàn)，該區(qū)存在和塔里木盆地順北地區(qū)及四川盆地川中地區(qū)類似的地震同向軸柱狀凹陷反射特征，凹陷從茅口組及峨眉山玄武巖貫穿震旦系，凹陷體規(guī)模從淺至深逐漸減小，震旦系內(nèi)越來越弱直至消失（圖2c、2d），且凹陷處存在不同程度的強(qiáng)弱“串珠”狀反射。已有研究表明[25-27]，凹陷儲(chǔ)集體內(nèi)部破碎、充填物和膠結(jié)程度等與圍巖不同，地震波在凹陷體中傳播旅行時(shí)明顯大于圍巖，導(dǎo)致地震剖面同向軸存在“凹陷”特征，切片上呈現(xiàn)“環(huán)形、似環(huán)形”的特征。

圖2 塔里木盆地及四川盆地柱狀凹陷異常體地震響應(yīng)特征

已有資料證實(shí)，飛仙關(guān)組泥灰?guī)r速度5 200 m/s，長興組碳酸鹽巖速度5 600 m/s，沙灣組泥頁巖速度3 800 m/s，峨眉山玄武巖速度5 700 m/s，二疊系及燈影組碳酸鹽巖速度5 900～6 300 m/s，寒武系泥頁巖速度4 000 m/s，陡山沱組碎屑巖速度4 200 m/s。為了更好地認(rèn)識(shí)此類柱狀凹陷異常體地震響應(yīng)特征，結(jié)合實(shí)際地層結(jié)構(gòu)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立地質(zhì)模型，并運(yùn)用波動(dòng)方程數(shù)值解析法進(jìn)行正演模擬分析，對(duì)復(fù)雜縫洞型油氣藏中地震波傳播現(xiàn)象描述效果較好[27]。其中，觀測(cè)系統(tǒng)和三維地震采集一致:220道接收，道距50 m，中間放炮，最大炮檢距7 000 m。

分別建立不同尺度凹陷體地質(zhì)模型（圖3a），其中，茅口組較大尺度為縱向深度50 m，橫向直徑100 m；中等尺度為縱向深度30 m，橫向直徑70 m；較小尺度為縱向深度20 m，橫向直徑50 m。由正演結(jié)果（圖3b）可以看出，地震剖面同向軸柱狀下凹反射為地層凹陷異常體的響應(yīng)特征，異常體規(guī)模（縱向凹陷深度、橫向直徑）越大，凹陷反射特征越明顯。實(shí)際地震剖面上亦可見多處不同程度凹陷反射特征，表明研究區(qū)發(fā)育不同尺度的凹陷異常體。

圖3 川西南地區(qū)柱狀凹陷異常體模型正演

2.2 分布特征

相干體技術(shù)是運(yùn)用相關(guān)原理突出相鄰道之間地震信號(hào)非相似性的一項(xiàng)地震技術(shù)[28-29]，識(shí)別巖層橫向非均一性、斷裂特征和預(yù)測(cè)裂縫及其發(fā)育帶較為有效。第1 代互相關(guān)算法對(duì)地震數(shù)據(jù)信噪比要求高，第2 代相似性相干體抗噪能力強(qiáng)，對(duì)大傾角敏感；第3 代本征相干算法抗噪效果好，且在有噪數(shù)據(jù)中能很好地提高橫向分辨率，因此比第1 代和第2 代相干算法效果好[30]，適合對(duì)川西南地區(qū)茅口組柱狀凹陷異常體的“雜亂錯(cuò)斷”地震反射特征進(jìn)行預(yù)測(cè)。

川西南BMM 和DGC 地區(qū)沿茅口組頂界第3 代相干切片可見，地震剖面上柱狀凹陷異常體對(duì)應(yīng)為環(huán)形或似環(huán)形的高異常值分布（圖4a），且沿寒武系底界相干切片上亦存在此類特征（圖4b），平面上和茅口組為同心環(huán)關(guān)系。BMM、DGC 地區(qū)發(fā)育北東向和近南北向雁列式基底走滑斷裂，沿?cái)嗔迅浇嬖诿黠@的火山巖地震響應(yīng)特征（圖4a、4b），斷裂垂向斷距較小，主要為橫向位移，其中BMM 地區(qū)斷裂F4因寒武系底界垂直錯(cuò)斷而特征不明顯（峨眉地裂運(yùn)動(dòng)對(duì)斷裂F4 影響強(qiáng)度大于興凱地裂運(yùn)動(dòng)），沿寒武系底界相干切片上表現(xiàn)不明顯。茅口組此類凹陷異常體位于BMM、DGC 地區(qū)北東向和近南北向基底走滑斷裂附近，BMM 地區(qū)異常體直徑區(qū)間主要位于100～600 m，共發(fā)現(xiàn)直徑大于100 m 異常體近20 個(gè)（圖4a）；DGC 地區(qū)異常體直徑主要為100～800 m，直徑大于100 m 異常體近30 個(gè)，異常體1 和異常體2 為規(guī)模最大兩個(gè)，異常體1 直徑近800 m，西南部存在大量的規(guī)模較小凹陷異常體群（圖4c）。

圖4 川西南BMM及DGC地區(qū)三維地震相干切片

3 凹陷異常體成因

通過文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)此類凹陷異常體廣泛分布于國內(nèi)外含油氣盆地的碳酸鹽巖層中，除塔里木盆地和四川盆地，在西加拿大盆地泥盆系、密執(zhí)根盆地的奧陶系等碳酸鹽巖層系中也普遍存在。研究此類凹陷異常體方法主要有巖石學(xué)、地球化學(xué)、同位素分析、地震屬性分析等。凹陷異常體主要有古巖溶塌陷、熱液溶蝕塌陷以及斷層走滑-拉分3 種成因模式，后兩種模式常同時(shí)發(fā)生[5-7]。

川西南地區(qū)茅口組-震旦系柱狀凹陷異常體垂直深度共約1 500 m，常規(guī)淡水巖溶難以形成如此大的規(guī)模，國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)一般不超過1 000 m[6]。且寒武系筇竹寺組巖性主要為泥頁巖，一般難以大規(guī)模形成此類凹陷。研究認(rèn)為，川西南地區(qū)茅口組柱狀凹陷異常體成因類似于塔里木盆地順北地區(qū)“斷溶體”，走滑斷裂拉分形成小型地塹地壘，塹壘間是地幔熱液及深部有機(jī)酸上涌的通道，碳酸鹽巖經(jīng)熱液溶蝕改造形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集體（圖5）。McDonnell 等[31]通過物理實(shí)驗(yàn)證明了走滑斷裂拉分處地層破碎作用最明顯，并形成相對(duì)較大的垮塌空間，無論是巖溶垮塌還是熱液上涌，都容易從這一位置發(fā)生。川西南地區(qū)走滑斷裂發(fā)育及熱液溶蝕證據(jù)如下:

圖5 川西南地區(qū)柱狀凹陷異常體巖溶模式

（1）前人研究及最新重磁電震資料、火山巖分布證實(shí)，川西南地區(qū)廣泛發(fā)育北東向基底走滑斷裂。羅志立[11]較早結(jié)合航磁及剩余重力資料，認(rèn)為川西南龍泉山-川中三臺(tái)地區(qū)發(fā)育基底斷裂，沒有明顯的基底錯(cuò)斷，為川西前陸盆地發(fā)育的一條重要邊界斷裂。元古代-早寒武世的興凱地裂運(yùn)動(dòng)形成近南北向綿陽-長寧拉張槽（早寒武世末期填平補(bǔ)齊[10]），受同沉積基底大斷裂控制，川西南地區(qū)位于拉張槽西側(cè)，同沉積基底斷裂及其伴生斷裂于東吳運(yùn)動(dòng)（峨眉地裂）時(shí)期重新活化，形成了二疊系沉積期的不同規(guī)模的地壘-地塹拉分格局，對(duì)二疊系、三疊系地層沉積及火山巖噴發(fā)具有重要控制作用。2019 年川西地區(qū)進(jìn)行了大面積高精度重磁電勘探，資料可以明顯識(shí)別出川西南地區(qū)北東向規(guī)模較大基底斷裂8 條（含邊界龍泉山斷裂），地震資料也可發(fā)現(xiàn)多處規(guī)模不一的基底走滑斷裂，沿著基底斷裂二疊系火山巖爆發(fā)相和溢流相（川西地區(qū)已建立相應(yīng)地震地質(zhì)識(shí)別模式[32]）十分發(fā)育（圖6），走滑斷裂在相干切片上雁列特征明顯（圖4b）。龍泉山大斷裂為其中規(guī)模最大的一條邊界斷裂，其余規(guī)模不一斷裂均為其伴生斷裂。中晚二疊世之交，川西南地區(qū)在四川盆地為受地幔柱影響最大區(qū)域，以往不僅在大興場(chǎng)（DS1 井）、周公山（ZG1 井、ZG2 井等）、油灌頂（Y1 井）等地區(qū)鉆遇30～300 m 厚度不等玄武巖，近三年分別于龍泉山背斜兩翼鉆探的YS1 井、YT1井在二疊系均鉆遇近300 m 厚火山碎屑熔巖，且地震資料可識(shí)別大量沿龍泉山基底斷裂帶分布的火山巖特征[33]。

圖6 川西南地區(qū)基底走滑斷裂及火山機(jī)構(gòu)模式

（2）川西南地區(qū)巖石學(xué)及地球化學(xué)特征證實(shí)中二疊統(tǒng)普遍發(fā)育熱液溶蝕作用。熱液溶蝕和熱液白云巖化是兩種地質(zhì)作用，熱液白云巖化作用是指在埋藏條件下，圍巖在深部高溫流體的作用下，灰?guī)r轉(zhuǎn)化為白云巖；熱液溶蝕作用是指熱液對(duì)碳酸鹽巖地層以溶蝕為主的改造作用，兩者常同時(shí)發(fā)生[7]。斑馬狀或鞍形白云石、石英等礦物充填是熱液白云巖化或熱液溶蝕的典型標(biāo)志[34]。川西南峨眉山、石渣、沙灣等露頭區(qū)，中二疊統(tǒng)剖面均可見大套白云巖，斷裂發(fā)育，裂縫中充填鞍形白云巖。川西南地區(qū)鉆達(dá)中二疊統(tǒng)井位較多，主要分布于周公山、漢王場(chǎng)、大興場(chǎng)等地區(qū)，ZG1 井和HS1 井等多口井在中二疊統(tǒng)茅口組-棲霞組均鉆遇斑馬狀白云石、鞍形白云石，白云石充填于母巖（生屑灰?guī)r）被溶蝕后所形成的鑄模孔中，還存在硅化、石英礦物充填等特征，為典型的熱液礦物存在標(biāo)志。此外，ZG1 井和HS1 井棲霞組基質(zhì)白云巖的87Sr/86Sr 值（0.709 17～0.710 19）和鞍形白云石的87Sr/86Sr 值（0.710 08）明顯大于同期海相灰?guī)r87Sr/86Sr 值（0.706 62～0.707 74），全球大多熱液白云巖中的鞍形白云石都富含87Sr。以上表明熱液溶蝕和熱液白云巖化在川西南地區(qū)廣泛發(fā)育，熱液沿基底斷裂往上對(duì)二疊系母巖（灰?guī)r）進(jìn)行充分改造。

川西南地區(qū)基底走滑斷裂廣泛分布，不僅是火山巖噴發(fā)的通道，也是深部熱液上涌的通道。此外，由于川西南地區(qū)燈影組主要為碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積，柱狀凹陷異常體燈影組頂部亦存在茅口組同樣的反射特征，燈影組碳酸鹽巖經(jīng)熱液溶蝕后形成的良好儲(chǔ)集體也是潛在的勘探目標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）川西南地區(qū)茅口組柱狀凹陷異常體主要分布于北東向基底走滑斷裂附近，地震剖面上凹陷反射從茅口組貫穿至震旦系，凹陷體規(guī)模從淺至深逐漸減小，震旦系內(nèi)越來越弱直至消失。此異常體在沿茅口組頂界相干切片上呈環(huán)形或似環(huán)形低相干值特征，異常體直徑區(qū)間主要為100～800 m。

（2）沿基底走滑斷裂上涌的深部熱液溶蝕是茅口組柱狀凹陷異常體形成的主因。川西南地區(qū)重磁電震及二疊系火山巖廣泛分布均證實(shí)基底走滑斷裂的存在，此斷裂形成于興凱地裂時(shí)期，在峨眉地裂時(shí)期繼承性發(fā)育，深部熱液沿基底走滑斷裂上涌對(duì)茅口組灰?guī)r溶蝕，形成良好的儲(chǔ)集體，在占川西南面積近三分之二的向斜及單斜地區(qū)廣泛分布，是川西南地區(qū)下步增儲(chǔ)上產(chǎn)的新領(lǐng)域。