用“成分-結(jié)構(gòu)”分類法識別古潛山變質(zhì)巖巖性
——以渤海海域太古界為例

葉 濤，牛成民，王清斌，高坤順，孫 哲，陳安清

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司天津 300459；2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院成都 610059）

0 引言

變質(zhì)巖是固體礦產(chǎn)的重要賦存場所［1-3］，其巖性及后期流體作用與礦產(chǎn)的形成息息相關(guān)［4-5］。近年來，中國在變質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣資源，大量研究證實，不同巖性的成儲能力具有明顯的差異［6-7］。尋找優(yōu)勢巖性段是預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲層、降低勘探風(fēng)險的有效手段。確定變質(zhì)巖巖性最直觀有效的方法是野外露頭觀察，鉆孔巖心描述以及鏡下薄片鑒定。連續(xù)取心價格高昂，尤其是渤海海域勘探成本更高，而測井資料中包含了豐富的巖性及流體活動信息，一直以來是開展巖性識別的重要手段。因而探索基于測井資料的巖性識別方法對于降低經(jīng)濟投入，理清巖性序列，降低勘探風(fēng)險具有重要的意義。

前人在變質(zhì)巖測井巖性識別方面開展了大量的探索，主要集中在3 個方面：①總結(jié)不同巖性測井曲線特征，建立交會圖版［8-10］；②建立多礦物模型，計算樣品中不同礦物的含量［11-13］；③引進數(shù)學(xué)方法，對已有樣本進行分析，建立數(shù)學(xué)模型，對未知樣本進行判定［14-16］。各種方法的基礎(chǔ)均是建立測井響應(yīng)特征與巖石成分之間的關(guān)系。巖石的定名是成分與結(jié)構(gòu)共同決定的，而關(guān)于巖石結(jié)構(gòu)識別的相關(guān)研究截止目前尚未見報道。

本次研究以渤海海域太古界為例，基于大量鉆井取心、薄片以及元素、常規(guī)測井、成像測井資料，在太古界巖石“成分-結(jié)構(gòu)”雙單元“測井-地質(zhì)”綜合分類方案建立的基礎(chǔ)上，通過對巖石成分、結(jié)構(gòu)的獨立識別，探索變質(zhì)巖巖性的綜合識別方法，以期完善變質(zhì)巖巖性測井識別方法，提高巖性的識別精度，對渤海海域變質(zhì)巖潛山油氣勘探及類似基巖探井的巖性識別與認識提供借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海海域位于渤海灣盆地東部，隸屬于渤海灣盆地，是其在海域的延伸［18-19］。研究區(qū)太古界主要分布于坳陷外圍的隆起（含凸起）區(qū)，東部太古界潛山構(gòu)造受郯廬斷裂帶控制明顯，以NEE 向展布為主；西部受NWW 向共軛斷層控制，主要沿NWW向展布，目前已發(fā)現(xiàn)有6 個油氣田：錦州25-1 S、曹妃甸1-6、曹妃甸18-1/2、渤中19-6、渤中13-2 及渤中26-2（圖1）。

圖1 渤海海域區(qū)域構(gòu)造綱要及太古界分布Fig.1 Regional structure outline and Archean distribution in offshore Bohai Sea

研究區(qū)巖性以斜長片麻巖、混合巖化片麻巖、混合花崗巖為主，部分井段鉆遇一定厚度的侵入體，主要為基性輝綠巖以及中基性角閃巖。鋯石測年結(jié)果表明變質(zhì)巖主要形成于2 500～3 000 Ma，為中、新太古代，侵入體測年為120～140 Ma，為早白堊世侵入。早白堊世基性巖漿侵入于太古界之中，形成現(xiàn)今的巖性分布格局。嚴格意義上說，研究區(qū)鉆遇的侵入體不屬于太古代，但由于其穿插于變質(zhì)巖之中，本次研究將其統(tǒng)一于太古代巖體中進行考慮。

2 太古界巖性特征

2.1 巖石類型

渤海海域太古界已鉆遇巖石主要為區(qū)域變質(zhì)巖、后期侵入巖脈以及早期區(qū)域變質(zhì)巖遭受不同程度混合巖化作用形成的混合巖。侵入巖脈以輝綠巖為主，也可見少量的閃長玢巖。輝綠巖以灰黑色為主，較為致密，肉眼下具有暗色礦物含量高的特征［圖2（a）］。片麻巖是最為發(fā)育的一類巖石，是區(qū)域變質(zhì)作用的產(chǎn)物，巖心上見暗色礦物（云母）以及淺色礦物（長石）的定向排列［圖2（b）］。區(qū)域變質(zhì)巖在深部流體作用下會發(fā)生混合巖化作用，形成不同類型的混合巖。其中新成體為后期熱液交代的產(chǎn)物，富含長英質(zhì)礦物，而古成體為區(qū)域變質(zhì)巖母巖［圖2（c）］。隨著混合巖化作用的增強，鉀長石含量明顯增加，逐步由團塊狀、條帶狀混合巖化片麻巖向混合花崗巖演變［圖2（d）—（e）］。其中混合花崗巖是強混合巖化作用的最終產(chǎn)物［圖2（f）］。

圖2 渤海海域太古界典型巖性巖心特征（a）輝綠巖，JZ20-2-12 井，2 498 m；（b）斜長片麻巖，JZ25-1 S-2 井，1 750.65 m；（c）混合巖化斜長片麻巖，JZ25-1 S-A16 井，2 097.6 m；（d）團塊狀混合巖化斜長片麻巖，JZ20-2-5 井，2 347.2 m；（e）條帶狀混合巖化片麻巖，JZ20-2-4 井，3 102.3 m；（f）混合花崗巖，JZ25-1 S-A16 井，2 096.5 mFig.2 Typical core lithology characteristics of Archean in Bohai Sea

結(jié)合鏡下巖石學(xué)特征觀察（礦物自形程度）以及鄰區(qū)原巖恢復(fù)成果［19-20］，認為渤海太古界早期原巖多為中酸性巖漿巖，而基性火山巖較少，這一點從現(xiàn)今鉆遇巖石主要為片麻巖系，角閃巖較少可得以驗證。

2.2 巖石礦物、元素組成

將區(qū)域變質(zhì)巖以及混合巖統(tǒng)稱為變質(zhì)巖，后期侵入巖脈稱為侵入體。變質(zhì)巖與中基性侵入體具有不同的礦物組合：變質(zhì)巖主要礦物為斜長石、鉀長石、石英以及黑云母，長石體積分數(shù)達70%以上，斜長石與鉀長石含量變化較大，石英體積分數(shù)為20%～25%，黑云母含量較低，體積分數(shù)為5%～15%。變質(zhì)巖中石英與黑云母含量較低且相對穩(wěn)定，不同巖石中變化較??；斜長石與鉀長石變化范圍較大，且具有此消彼長的特征，是影響定名的主要控制因素（圖3，圖4）。這種長石間的相互轉(zhuǎn)化正是差異混合巖化過程中，堿性流體導(dǎo)致鉀長石交代斜長石的結(jié)果。中基性侵入體主要為閃長玢巖、輝綠巖，此類巖石中主要是斜長石與暗色礦物，暗色礦物以角閃石與輝石為主，石英、黑云母與鉀長石含量較低。

圖3 渤海海域太古界巖石礦物組合特征Fig.3 Characteristics of mineral composition of Archean in Bohai Sea

圖4 渤海海域太古界變質(zhì)巖鉀長石與斜長石含量關(guān)系Fig.4 Relationship between potassium feldspar and plagioclase of Archean metamorphite in Bohai Sea

元素錄井資料對太古界內(nèi)兩大類巖石具有明顯的響應(yīng)（圖5）：變質(zhì)巖具有較高的K，Al，Si 元素，低Fe，Mg，Ca 元素；中基性侵入體中因含有較多的暗色礦物，具有較高的Fe，Mg，Ca 元素。變質(zhì)巖中Ca 與K 的含量為典型的負相關(guān)關(guān)系，混合花崗巖中K 元素含量較高，Ca 元素含量相對降低。當(dāng)混合巖化作用相對較弱時，K 元素含量有降低的趨勢，而Ca 元素有升高的趨勢，其中K 與Ca 元素間的規(guī)律性變化同樣是差異混合巖化作用過程中鉀長石（高K）對斜長石（高Ca）交代的結(jié)果。

圖5 渤海海域太古界巖石元素組合特征Fig.5 Element association features of Archean in Bohai Sea

3 “測井-地質(zhì)學(xué)”分類

從渤海海域太古界巖石的演化、礦物、元素組合關(guān)系中可知，導(dǎo)致巖性復(fù)雜的主控因素為差異混合巖化與后期中基性巖脈的侵入，而中基性巖體與變質(zhì)巖在礦物、元素上均有明顯的差異；變質(zhì)巖中差異混合巖化作用導(dǎo)致鉀長石交代斜長石的特征在礦物含量與元素上也均有較好的反映，而這種成分的差異在測井資料上均有良好的響應(yīng)，同時變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)差異實質(zhì)亦是不同礦物的空間不均一分布造成的，這是變質(zhì)巖巖性識別的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)巖石成分，將巖石分為長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)兩大類，長英質(zhì)類為研究區(qū)的變質(zhì)巖，包括區(qū)域變質(zhì)巖與不同程度混合巖化的混合巖；鐵鎂質(zhì)類為中基性侵入體，包括中基性角閃巖與基性輝綠巖、輝長巖（輝綠巖與輝長巖測井難以識別，具有相似的成分，僅微觀結(jié)構(gòu)有差異）。變質(zhì)巖差異混合巖化作用主要表現(xiàn)為長石含量的相對變化，混合巖化作用越強，鉀長石含量越高。根據(jù)長石的差異，將變質(zhì)巖劃分為斜長長英質(zhì)、二長長英質(zhì)以及鉀長長英質(zhì)3種亞類。淺粒巖、變粒巖、斜長片麻巖等歸屬于斜長長英質(zhì)類；不同類型的混合巖化片麻巖（腸狀混合巖化花崗巖，脈狀混合巖化花崗巖，透鏡狀混合巖化花崗巖等）歸為二長長英質(zhì)類；混合花崗巖則歸為鉀長長英質(zhì)類。中性侵入體與基性侵入體均難以成為有效儲層，同時由于角閃石與輝石測井響應(yīng)的相似性，本次研究未對兩者單獨進行識別，在分類中合并命名為鐵鎂質(zhì)巖石，鐵鎂質(zhì)巖石同時包括少量鉆遇的角閃巖（圖6）。

結(jié)構(gòu)的差異主要受控于巖石中礦物的分布均勻程度。中基性侵入體在礦物結(jié)晶過程中，同一巖體相當(dāng)深度段巖石礦物成分穩(wěn)定，為均一結(jié)構(gòu)；斜長片麻巖、變粒巖以及淺粒巖等斜長長英質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)相對均一，尤其是變粒巖與淺粒巖，不同區(qū)域巖石成分變化不大，斜長片麻巖中的片麻構(gòu)造是其結(jié)構(gòu)相對不均一的主要原因；當(dāng)巖石發(fā)生混合巖化作用時，鉀長石交代斜長石，形成斑狀、注入狀以及條帶狀等混合巖化片麻巖，巖石結(jié)構(gòu)極不均一；當(dāng)巖石混合巖化程度進一步加強時，若鉀長石完全取代斜長石，巖石結(jié)構(gòu)又趨于均一，其成分相當(dāng)于花崗巖中的鉀長花崗巖，但由于地質(zhì)條件下完全交代的情況少見，故多數(shù)情況下混合花崗巖的結(jié)構(gòu)亦為非均一結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 渤海海域太古界巖石測井-地質(zhì)學(xué)分類方案Fig.6 Logging-geology classification of Archean in Bohai Sea

4 太古界巖性測井識別

基于巖石成分與結(jié)構(gòu)的精細地質(zhì)分析，在建立的變質(zhì)巖“成分-結(jié)構(gòu)”分類方案下，通過對巖石的成分與結(jié)構(gòu)的分別識別，最終綜合判別定名。

4.1 成分識別

基于渤海海域30 余口井、200 余塊薄片的精細鑒定，進行了交會圖分析，結(jié)果表明自然伽馬與密度可對研究區(qū)巖石進行較好的識別，對建立的分類方案下的四大類成分可作有效的劃分，中基性侵入體自然伽馬多數(shù)小于65 API，密度大于2.7 g/cm3；變質(zhì)巖系中斜長長英質(zhì)巖類與二鉀長英質(zhì)巖類以及鉀長長英質(zhì)巖類區(qū)分性較好。整體而言，中基性巖脈具有高密度（大于2.7 g/cm3）、低自然伽馬（小于65 API）特征，變質(zhì)巖類，由斜長長英質(zhì)巖類向鉀長長英質(zhì)巖類演化，伽馬逐漸增加，密度逐步降低（圖7，表1）。另外，中子孔隙度對巖石的成分也具有較好的判別能力，暗色礦物含量較高的巖石中具有極高的中子孔隙度，如角閃巖與輝綠巖等，斜長片麻巖中子孔隙度也要高于發(fā)生混合巖化作用的巖石。密度與中子孔隙度具有相反的變化趨勢，故兩者的絞合形態(tài)也可定性地判別巖石類型，如輝綠巖、角閃巖中密度中子具有極強的正差異，斜長片麻巖具有較弱的正差異，混合巖化的巖石往往為絞合狀，而混合巖化較強的巖石則表現(xiàn)為負差異（圖8，表1）。

表1 不同類型巖性測井綜合評價表Table 1 Logging evaluation of different lithologies

圖7 自然伽馬-密度巖性識別交會圖Fig.7 Crossplot of natural gamma ray and density for lithology identification

圖8 渤海海域太古界巖石測井響應(yīng)模式（密度-中子刻度標(biāo)準(zhǔn)參考文獻［7］）Fig.8 Logging response model of Archean in Bohai Sea

4.2 結(jié)構(gòu)識別

常規(guī)測井曲線數(shù)值的高低代表礦物成分含量的高低，而曲線的變化程度則是巖石結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，因而曲線的形態(tài)可有效識別巖石結(jié)構(gòu)。中基性侵入體等巖石成分比較均一，測井曲線相對比較平直，尤其是GR曲線，起伏較小（圖8）；斜長巖類盡管存在片麻構(gòu)造，但礦物成分的不均一性相對較小，曲線呈現(xiàn)微鋸齒狀，而二長長英質(zhì)類巖石以及鉀長長英質(zhì)巖石由于遭受了不同程度的混合巖化作用，鋸齒狀較強（圖9，表1）。為了定量地計算曲線的變化特征，引入DGR，定義為

其中DGR為計數(shù)點i處的伽馬變化幅度，GRi+1，GRi，GRi-1分別為計數(shù)點i+1，i，i-1 處的伽馬值。中基性侵入體與斜長片麻巖類由于結(jié)構(gòu)的相對均一，其伽馬曲線變化幅度基本小于5 API［圖9（a）—（b）］；混合巖化片麻巖伽馬曲線變化幅度基本在5 API以上，最大可達15 API［圖9（c）］，反映其內(nèi)部巖石成分的強烈變化；混合花崗巖的伽馬曲線變化幅度最高，背景值大于12 API，最大可達30 API 以上，較高的伽馬變化幅度是鉀交代強烈部分高伽馬與未交代部分低伽馬混雜所致［圖9（d），表1］。

圖9 不同結(jié)構(gòu)巖石自然伽馬曲線變化幅度（a）中基性侵入體（輝綠巖）自然伽馬曲線變化幅度；（b）斜長片麻巖自然伽馬曲線變化幅度；（c）混合巖化片麻巖自然伽馬曲線變化幅度；（d）混合花崗巖自然伽馬曲線變化幅度Fig.9 Variation range of natural gamma-ray curves of rocks with different structures

通過常規(guī)測井曲線對巖石的結(jié)構(gòu)可作大致判別，但精細的結(jié)構(gòu)判別需要結(jié)合成像測井資料。成像測井資料在復(fù)雜巖性，尤其是火山巖的判別中發(fā)揮著重要作用［21-23］，其在太古界儲層評價中亦有重要的應(yīng)用［24-25］，但其在太古界巖性識別中的應(yīng)用尚未見報道，筆者首次建立了不同混合巖化作用下的成像測井響應(yīng)圖版。PL9-1-16 井鉆遇閃長花崗巖，為中性侵入體，該類侵入成因的花崗巖［圖10（a）］與變質(zhì)成因的花崗巖［圖10（b）—（d）］間具有明顯的差異。侵入成因的花崗巖在成像測井上顯示為均一的塊狀結(jié)構(gòu)，而變質(zhì)成因的花崗巖則有不同程度的斑點或條帶特征。不同混合巖化程度的變質(zhì)花崗巖其成像測井上同樣具有相應(yīng)的差異，眼球狀（斑狀）混合巖化片麻巖混合巖化程度較弱，長英質(zhì)脈體成眼球狀，在成像測井上亦表現(xiàn)為斑狀的亮點（長英質(zhì)巖石暗色礦物含量低，電阻率高）［圖11（b）］；條帶狀混合片麻巖混合程度有所增加，表現(xiàn)為條帶狀的長英質(zhì)脈體與暗色礦物含量較高的古成體呈條帶狀交互出現(xiàn)，在成像測井上見明顯的條帶狀特征［圖11（c）］；當(dāng)混合巖化進一步增強，則演化為混合花崗巖，此時巖石具有明顯的高阻亮色背景，但仍能見大量的斑狀亮點與弱的暗色混雜分布的特征，只是亮色部分占有絕對的優(yōu)勢［圖10（d）］。

圖10 差異混合巖化結(jié)構(gòu)巖石成像測井特征（a）閃長花崗巖成像測井特征，PL9-1-16 井；（b）眼球狀（斑狀）混合片麻巖成像測井特征，JZ25-1 S-2 井；（c）條帶狀（注入）混合片麻巖成像測井特征JZ25-1 S-A16 井；（d）混合花崗巖成像測井特征，JZ25-1 S-A16 井Fig.10 Imaging logging characteristics of rocks with different migmatization structure in Bohai Sea

5 典型井應(yīng)用檢驗

用以上方法對研究區(qū)A 井進行了應(yīng)用，錄井中巖性均為花崗巖，但實際巖性校正中發(fā)現(xiàn)，該井段巖性復(fù)雜，發(fā)育中基性侵入體、斜長片麻巖、混合巖化花崗巖以及混合花崗巖4 種巖性（分別用A，B，C，D 代表）。根據(jù)常規(guī)測井自然伽馬、中子-密度曲線交會、Si-Fe 元素以及自然伽馬曲線變化幅度特征，該井段測井曲線可明顯分為4 類。

A 類曲線組合以自然伽馬低于65 API 為特征，元素測井具有高Fe 低Si 特征，同時密度曲線與中子曲線具有強正交會，自然伽馬變化幅度小于5 API，是典型的中基性侵入體特征。成像測井上，中基性侵入體侵入于變質(zhì)巖中的侵入邊界十分清楚，壁心資料證實該類巖性主要為閃長玢巖（圖11）。B 類曲線組合自然伽馬低于65 API，但密度與中子的正異常幅度降低，且自然伽馬變化幅度小于5 API，為斜長片麻巖。C 類曲線組合自然伽馬普遍大于150 API，密度與中子呈絞合狀，自然伽馬變化幅度在8 API之上，為混合巖化片麻巖。D 類曲線組合具有極高自然伽馬值，自然伽馬變化幅度普遍在15 API 左右，局部可見密度與中子曲線的負異常，代表混和花崗巖（圖11）。上述曲線解釋的巖性得到了壁心、薄片等地質(zhì)資料的驗證，證實該方法具有較好的應(yīng)用前景。

圖11 A 井應(yīng)用實例Fig.11 Lithology identification application in well A

6 結(jié)論

（1）渤海海域太古界共發(fā)育兩大類巖石，變質(zhì)巖與中基性侵入體。變質(zhì)巖的差異混合巖化作用以及后期中基性巖脈的侵入是研究區(qū)巖石復(fù)雜的主要控制因素。變質(zhì)巖較中基性侵入體具有高長石含量和低暗色礦物含量，而變質(zhì)巖中隨著混合巖化作用的增強，鉀長石含量逐步增加，元素中K 含量逐步升高，Ca 含量逐步降低。

（2）建立了基于成分4 分，結(jié)構(gòu)3 分的“測井-地質(zhì)學(xué)”分類方案，將研究區(qū)巖石類型劃分為斜長長英質(zhì)類、二長長英質(zhì)類、鉀長長英質(zhì)類以及中基性侵入體；巖石結(jié)構(gòu)可劃分為均一結(jié)構(gòu)、相對均一結(jié)構(gòu)以及不均一結(jié)構(gòu)。

（3）自然伽馬、密度以及中子孔隙度可有效劃分巖石成分，自然伽馬曲線特征及其變化對巖石結(jié)構(gòu)變化響應(yīng)較為敏感，中基性侵入體，斜長片麻巖類具有低伽馬特征，自然伽馬變化幅度亦較低，往往小于5 API；混合巖化片麻巖自然伽馬中等。自然伽馬曲線變化幅度5～15 API；而混合花崗巖自然伽馬最高，曲線變化幅度亦最大，往往在12 API以上。利用建立的成像測井結(jié)構(gòu)圖版可精確區(qū)分混合片麻巖以及混合花崗巖，且可對混合片麻巖的類型進一步細分。