深層火成巖侵入體和相關構造發(fā)育特征及其石油地質意義
——以塔里木盆地順北地區(qū)為例

劉雨晴，鄧 尚，，張 榮，劉 軍，黃 誠，高 天

［1. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊830011；3. 中國地質大學（北京）能源學院，北京，10083］

巖漿侵入是研究內動力地質作用的重要內容，也是地殼構造變動的重要力學機制之一。巖漿侵入過程中，在形成多種形態(tài)的火成巖侵入體的同時，還會派生出大量次級構造。這些火成巖侵入體與相關構造的發(fā)育特征及其內在聯(lián)系，不僅是揭示巖漿活動過程的關鍵證據(jù)，同時也與油氣運聚成藏密切相關，對油氣勘探具有指導意義［1-6］。

順北地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起帶北部，自古生代以來巖漿活動頻繁［7-10］。隨著油氣勘探開發(fā)的不斷推進和地震資料品質的不斷提升，越來越多的資料顯示在該區(qū)深層上古生界發(fā)育有大量火成巖侵入體和相關構造。然而，目前對于這些深層火成巖侵入體及相關構造尚無系統(tǒng)研究，制約了對塔里木盆地巖漿侵入過程的認識，影響了該區(qū)的勘探開發(fā)進程。

鑒于此，本文利用順北地區(qū)西部采集的最新三維地震資料，對火成巖侵入體及相關構造的發(fā)育特征及展布規(guī)律進行了精細地震-地質解析。在此基礎上建立了巖漿的垂向侵入模式，確立了巖漿的側向流動方向，探討了其石油地質意義。本研究在深化對塔里木盆地巖漿侵入動力學過程認識的同時，還可為開拓塔里木盆地油氣勘探領域提供指導，兼具理論和實踐意義。

1 地質背景

1.1 地質概況

塔里木盆地順托果勒低隆北鄰塔北隆起，南接卡塔克隆起，東西向位于阿瓦提坳陷與滿加爾坳陷之間，相比南北兩大隆起是相對穩(wěn)定的古構造單元。順北地區(qū)主體位于順托果勒低隆北部，古生界發(fā)育相對齊全，其中寒武系－中奧陶統(tǒng)發(fā)育約3 000 m 厚的海相碳酸鹽巖，上奧陶統(tǒng)發(fā)育約2 000 m 厚的泥巖，志留系至石炭系以分布廣泛的碎屑巖為主［11］（圖1）。順托果勒低隆自古生代以來經(jīng)歷了多階段的構造演化活動：加里東早期（寒武紀—中奧陶世）克拉通邊緣拗拉槽和克拉通內弱伸展階段，加里東中、晚期—海西早期（晚奧陶世－中泥盆世）克拉通隆起形成演化與整體擠壓階段，海西中晚期—印支期（石炭紀—侏羅紀）隨塔北隆起持續(xù)抬升階段，燕山期—喜馬拉雅期持續(xù)埋深和構造定型階段［11-13］。

1.2 斷裂特征

順北地區(qū)發(fā)育大量走滑斷裂體系，基于現(xiàn)有地震資料可識別出18 條主干走滑斷裂，其中以順北5 號斷裂為界呈現(xiàn)“東西分區(qū)”的展布特征：以東主要發(fā)育NE向斷裂體系，以西主要發(fā)育NW 向斷裂體系（圖1）。順北地區(qū)的走滑斷裂普遍具有“縱向分層”和“平面分段”特征［11，14-17］?？v向分層是指以中、下奧陶統(tǒng)頂面T47界面為界，下伏陡直走滑段（主滑移層），上覆雁列正斷層（雁列層）。該界面是中、下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖與上奧陶統(tǒng)、志留系等碎屑巖層系之間的重要巖性界面。平面分段是指走滑斷裂在中、下奧陶統(tǒng)頂面（T47界面）并非線性連續(xù)延伸，而是沿走向表現(xiàn)為多個斷面，在斷面的疊接部位可形成拉分段和隆起段，非疊接部位為平移段。受控于多期次區(qū)域構造事件的發(fā)生，該區(qū)走滑斷裂整體經(jīng)歷了3 期演化過程：加里東中期Ⅲ幕的斜壓活動，以壓脊變形為主，在界面呈現(xiàn)分段性；加里東晚期－海西早期以及海西中、晚期均為斜拉或純剪切，以雁列正斷層活動為特征［14-17］。

順北11號斷裂位于順北5號斷裂西側中國石化礦區(qū)內，由北（S1）和南（S2）兩塊三維區(qū)覆蓋，斷裂整體走向為NW 向（圖1）。在S1 三維區(qū)采集了最新數(shù)據(jù)并處理，地震數(shù)據(jù)品質較高，可見典型的火成巖侵入現(xiàn)象，因此將S1 三維區(qū)作為本文的重點研究區(qū)。通過提取S1 三維區(qū)不同層系的相干切片可見順北11 號帶北段在T47界面及以下斷面清晰，呈線性延伸（圖2）。T47界面表現(xiàn)為北壓隆、南拉分的分段疊接結構（圖3a）；T47界面以上地震成像因受到大量火成巖的干擾而不清晰，上覆雁列正斷層難以識別（圖2，圖3a）。S2三維區(qū)數(shù)據(jù)顯示，順北11 號帶南段T47界面發(fā)育拉分疊接段，T47界面以上較北段反射特征清晰，發(fā)育明顯的雁列正斷層（圖3b）。

1.3 巖漿活動背景

塔里木盆地經(jīng)歷了震旦紀－寒武紀、晚奧陶世－志留紀、二疊紀和白堊紀等4 期巖漿活動，尤以二疊紀巖漿活動最為劇烈、規(guī)模最大［18］。就塔中地區(qū)而言，西部在早二疊世發(fā)生的大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和巖漿侵入事件形成了厚度不一、分布廣泛的基性巖漿巖，具有順層分布的特征，在遠離火山通道的地區(qū)形成了大量的小型巖床［7-8，18］。其巖漿活動遵循如下規(guī)律：初期，巖漿活動劇烈，形成分布面積廣、厚度大的裂隙式噴發(fā)巖體；晚期，巖漿活動減弱，形成分布相對局限、厚度薄的中心式噴發(fā)巖體；末期，幾乎全為由巖漿分異形成的酸性熱流體產(chǎn)生的熱液活動，形成脈體［19］。前期研究普遍認為，該地區(qū)巖漿活動受控于斷裂，巖漿以斷裂為通道，順斷層侵入或者沿斷層噴發(fā)至地表［20］。

圖1 塔里木盆地順北及鄰區(qū)下古生界斷裂分布及地層格架（據(jù)文獻［14］修改）Fig.1 Distribution of major faults and stratigraphic framework of the Lower Paleozoic in the Shunbei area and periphery，Tarim Basin

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)S1三維區(qū)不同層系相干切片（三維區(qū)位置見圖1）Fig.2 Coherence slices of various reflecting interfaces for S1 3D acreage in Shunbei area，Tarim Basin（see Fig.1 for the location of S1）

圖3 塔里木盆地順北地區(qū)11號斷裂平面分段及垂向分層結構特征Fig.3 Lateral segmentation and vertical layering of No. 11 fault on the top of the Middle?Lower Ordovician，Shunbei area，Tarim Basin

2 火成巖侵入體特征

2.1 基本形態(tài)

在順北地區(qū)，巖漿自深部運移至上奧陶統(tǒng)底界面（T47界面）后開始發(fā)生側向流動，形成侵入巖體。巖漿的侵入模式以順層侵入為主。侵入體和圍巖之間存在強波阻抗差異，在地震剖面上表現(xiàn)為與沉積地層近平行的強軸反射特征。該強反射軸側向連續(xù)性差，在兩端往往向上斜切地層形成傾斜巖脈，在空間上呈碟形巖床形態(tài)（圖4）。

碟形巖床是巖漿侵入的典型基本空間形態(tài)之一，在多個巖漿活動劇烈地區(qū)的野外露頭和地震剖面上均有識別［21－28］。完整碟形巖床的基本組成單元包括供給巖脈、內部巖床、傾斜巖脈和外部巖床［28］（圖4）。供給巖脈是指可為上部地層發(fā)生順層侵入提供巖漿來源的巖脈。內部巖床是指巖漿順層侵入后形成的較為平坦的巖體。傾斜巖脈是指內部巖床側向延伸終止后巖漿斜切地層形成的巖脈。外部巖床則是傾斜巖脈向上侵入受阻后在合適的界面發(fā)生單邊、小規(guī)模順層侵入形成的巖床，往往不發(fā)育。碟形巖床上部地層發(fā)生隆起。

圖4 塔里木盆地順北地區(qū)碟形巖床基本組成單元及典型剖面Fig.4 Basic elements and a typical seismic profile of saucer-shaped sills

2.2 空間展布

縱向上，地震剖面揭示火成巖侵入體自T47界面（上奧陶統(tǒng)底界面）開始出現(xiàn)，主要分布在上奧陶統(tǒng)－志留系之間，呈縱向疊置（圖5）。T47界面是順北地區(qū)古生界一個重要的巖性分界面，同時也是該區(qū)走滑斷裂由“下伏陡直走滑段”開始向“上覆雁列正斷層”分層發(fā)育的界面［14－17］。由于該界面上下巖性差異巨大，因此在全區(qū)普遍表現(xiàn)為強振幅連續(xù)反射。但是在侵入體發(fā)育的地區(qū)，地震軸開始出現(xiàn)反射雜亂、連續(xù)性變差，與同樣是強振幅反射的火成巖侵入體難以區(qū)別。此外還可以觀察到有大量傾斜巖脈從T47界面向上侵入。由此可見，T47界面是巖漿自深部上涌后開始發(fā)生順層侵入的重要界面。

圖5 塔里木盆地順北地區(qū)碟形巖床縱向疊置特征（剖面位置見圖2A—A′）Fig.5 Seismic profile showing vertical superimposed saucer-shaped sills in the Shunbei area，Tarim Basin（see AA′in Fig. 2 for the location）

橫向上，自北向南，侵入巖體的展布存在4 個明顯的變化：侵入巖體數(shù)量增多、侵入層位增加、侵入高度增大和隆起幅度增強（圖6）。北部可識別的典型侵入體有兩套，集中在T47－T07，巖床上覆地層無明顯隆起。向南部可識別的典型侵入體超過5 套，侵入層位多，向上可侵至T06，巖床上覆地層存在明顯的隆起變形。除了上述整體變化規(guī)律以外，就11 號斷裂帶的北部壓隆段和南部拉分段位置而言，侵入巖體發(fā)育也存在明顯的差異。北部壓隆段處，T47界面地震軸振幅清晰且連續(xù)，T47－T07內部為空白弱反射，僅有少量傾斜巖脈從T47界面向上侵入，揭示了較弱的巖漿侵入活動（圖7a）。南部拉分段處，T47界面地震軸連續(xù)性差，T47－T07內部反射雜亂，有大量傾斜巖脈自T47向上侵入，揭示劇烈的巖漿侵入活動（圖7a）。通過對比可見，走滑斷裂的拉分段更易成為巖漿的上涌通道。這是由于拉分段的斷裂為正斷層，空腔大、開啟性好，易控制巖漿房的發(fā)育，從而成為熱液的優(yōu)勢運移通道。

圖6 塔里木盆地順北地區(qū)自北向南侵入巖體地震剖面（剖面位置見圖2B—B′）Fig.6 Seismic profile showing distribution of sills from north to south in the Shunbei area，Tarim Basin（see BB′in Fig. 2 for the location）

圖7 塔里木盆地順北地區(qū)11號斷層不同分段之上侵入巖體特征Fig.7 Seismic profile showing the characteristics of sills above different segments of No. 11 fault in Shunbei area，Tarim Basin

3 火成巖侵入體相關構造

3.1 高陡逆斷層

地震剖面顯示，上奧陶統(tǒng)－二疊系中發(fā)育數(shù)條斷面清晰、與下伏走滑斷裂特征不同的高陡逆斷層。該類逆斷層發(fā)育在碟形巖床上方，是碟形巖床形成引起地層隆起的邊界斷裂。逆斷層向下終止于碟形巖床傾斜巖脈的末段，向上切至T45界面（下二疊統(tǒng)頂面）。斷層傾向與下伏傾斜巖脈一致。斷面下部平直，頂部發(fā)生彎曲并伴隨小型正斷層的發(fā)育，形成Y 字型組合（圖9a）。

平面上，逆斷層走向以NW 走向為主，少量NE 走向。斷裂行跡較彎曲，同一根斷裂常呈現(xiàn)走向變化，或折角突變，或弧形漸變（圖8）。

圖8 塔里木盆地順北地區(qū)T06界面火成巖相關構造平面展布特征Fig.8 Planar distribution of igneous related structures on interface T06 in the Shunbei area，Tarim Basin

從走向、分布、構造樣式和發(fā)育位置等特征來看，逆斷層與該區(qū)的走滑斷裂之間無明顯成因聯(lián)系，但與火成巖侵入體的發(fā)育密切相關。逆斷層兩側地層的變形特征揭示，該類斷裂活動于中二疊世，即海西中、晚期。該時期，由于古特提斯洋向北俯沖，使已經(jīng)成為歐亞大陸南緣的塔里木板塊處于弧后伸展環(huán)境，順北地區(qū)走滑斷裂受斜拉應力場的影響表現(xiàn)為雁列正斷層［14－17］。而火成巖相關的逆斷層走向沒有明顯規(guī)律，可以很直，也可以成為弧形，完全受控于傾斜巖脈的分布。這些傾斜巖脈的形成時間與逆斷層的形成時間相對一致，為中、晚二疊世。證據(jù)包括3 個方面：①從區(qū)域構造背景來看，此時塔里木板塊深部地幔熱物質上涌，并伴隨了大規(guī)模巖漿侵入和噴發(fā)［9］；②順北地區(qū)多口鉆井在二疊系中鉆遇的大量基性玄武巖和中酸性英安巖等熔巖的形成時間亦為中、晚二疊世，符合此時的巖漿活動背景［8］；③順北11 號斷裂上的鉆井在上奧陶統(tǒng)－志留系內鉆遇多套侵入巖體，巖性以輝綠巖為主，與順2井上奧陶統(tǒng)良里塔格組輝綠巖類似，后者經(jīng)“40Ar-39Ar”快中子活化法測年結果為中二疊世［20］。由此可見，該類逆斷層并非構造成因產(chǎn)物，與主干斷裂的發(fā)育和演化無必然聯(lián)系，而是與此時頻繁的巖漿活動密切相關。大量的物理模擬和數(shù)值模擬證實，巖脈在脆性巖層中順層侵入時，侵入前端隨著巖漿厚度的不斷增加而容易形成剪切破裂，巖漿進而沿著剪切破裂侵入形成傾斜巖脈［26］，同時伴隨巖床上覆地層隆起，當隆起幅度增大，地層即發(fā)生破裂形成逆斷層［27］（圖9c）。部分學者稱之為邊緣斷層。斷裂頂部附近的正斷層則是因為隆起頂部發(fā)生地層垮塌而形成的［27］。

圖9 塔里木盆地順北地區(qū)火成巖相關逆斷層的剖面特征及成因機制Fig.9 Seismic profiles（a and b）showing the characteristics of igneous related reverse faults and a diagram showing the genesis of the faults（c），Shunbei area，Tarim Basin

3.2 高陡裂隙

高陡裂隙主要發(fā)育在巖床錯斷處上方，表現(xiàn)為地層的輕微褶曲。平面上，高陡裂隙數(shù)量非常多，走向包括NW，NE 和近EW 向，成棋盤狀交錯展布（圖8）。平面構造形跡或平直，或彎曲，剖面變形明顯弱于逆斷層，高陡裂隙傾角在80°~90°，主要發(fā)育層系為志留系－石炭系（圖10）。在北海盆地的碟形巖床之上也可大量識別出此類構造［28］。

圖10 塔里木盆地順北地區(qū)火成巖相關高陡裂隙剖面特征Fig.10 Seismic profiles showing the characteristics of igneous related steep fractures，Shunbei area，Tarim Basin

4 討論

4.1 巖漿垂向侵入模式

巖漿侵入往往形成一個縱向相關的垂向侵入系統(tǒng)［21］。基于研究區(qū)火成巖侵入體及相關構造發(fā)育特征的分析，可以建立巖漿的垂向侵入模式。該區(qū)巖漿垂向侵入模式自下而上由“巖漿通道、疊置巖床和高陡構造”3部分組成（圖11）。

圖11 塔里木盆地順北地區(qū)巖漿垂向侵入模式Fig.11 Diagram showing a vertical magma intrusion model in the Shunbei area，Tarim Basin

雖然逆斷裂的形成與主干斷裂無關，但是巖床的形成普遍受張性斷裂控制［21］。海西中、晚期，順北地區(qū)寒武系-中、下奧陶統(tǒng)發(fā)育的走滑斷裂斜拉環(huán)境下復活，發(fā)生張扭，成為巖漿垂向侵入的主要通道。由于碟形巖床多孤立存在，遠距離順層侵入的可能性不大，因此垂向的巖漿通道多出現(xiàn)在巖床下方。

4.2 巖漿側向流動方向

巖漿自深部沿著斷裂垂向涌入后，在合適地層界面侵入并發(fā)生側向流動。受到流體密度差異、地層巖性和物性差異等多種因素的制約，巖漿并不能均勻鋪開，而是存在一個優(yōu)勢流動方向。通過大量國內外文獻調研，總結了4種研究巖漿流動方向的方法：①利用巖石樣品中的稀有氣體同位素變化判斷［29］；②利用不同尺度的剩余重力異常中心的位置與出露巖體中心的位置判斷［30］；③利用侵入巖體的空間形態(tài)判斷［22］和④利用火成巖相關構造展布特征判斷［22］。由于塔里木盆地的巖漿侵入體分布在深層，缺少巖石樣品和露頭資料，因此本文采用后面兩種方法對研究區(qū)的巖漿側向流動進行判定。

利用侵入巖體的空間形態(tài)判斷：研究揭示，巖漿在側向流動過程中，前緣會逐漸分離，形成指狀展布［22］。根據(jù)這種空間展布形態(tài)即可判斷出巖漿的侵入方向（圖12a）。本文選取三維區(qū)內發(fā)育較為完整、反射特征清晰的一個碟形巖床進行精細地震追蹤和插值加密后，獲得了該侵入體的空間形態(tài)展布特征，為侵入體南端的指狀展布，揭示了巖漿側向流動方向為自北向南流動（圖12b）。

圖12 火成巖侵入巖體空間形態(tài)揭示巖漿流動方向的原理Fig.12 Magma flow direction revealed by the spatial morphology of igneous intrusions

利用火成巖相關構造展布特征判斷：火成巖相關構造的展布方向和組合方式可指示巖漿的侵入方向。巖漿侵入過程中，逆斷層和高陡裂隙的發(fā)育以兩組方向為主，呈棋盤格狀方式組合，逆斷層的方向與侵入方向垂直，高陡裂隙的構造方向則與侵入方向平行［22］（圖13a）。就研究區(qū)而言，火成巖相關構造組合方式自西向東有所差異：東、西兩側表現(xiàn)為NE 向與NW 走向的組合方式，其中東側的逆斷層為NW 向，西側的逆斷層為NE 向；中部的為近NS 向+近EW 向組合。根據(jù)這種構造組合特征，可以推斷巖漿流動方向在西側為NW向、中部為近NS向、東側為NE向（圖13b）。

圖13 火成巖相關構造揭示巖漿流動方向的原理Fig.13 Magma flow direction revealed by the distribution of igneous related structures

綜合上述兩種判識方法，最終認為該區(qū)巖漿的流動方向為自北向南呈放射狀散開。

4.3 石油地質意義

對順北地區(qū)的勘探在包括奧陶系、志留系和白堊系在內的多個層系均見到油氣顯示或獲得工業(yè)油流。該地區(qū)油氣以垂向輸導為主，即油氣源自于深部寒武系烴源巖，沿斷穿基底的通源主干斷裂垂向運移，不僅能夠在中、下奧陶統(tǒng)聚集成藏，也可向上輸導至多個層系，初現(xiàn)立體含油格局。

下古生界奧陶系碳酸鹽巖內走滑斷控油藏是順北地區(qū)油氣勘探開發(fā)的主要目標。巖漿自深部沿走滑斷裂向上侵入的過程中，因攜帶了地殼深部的酸性熱液流體，會對碳酸鹽巖儲層產(chǎn)生螢石化作用、熱液白云巖化作用、溶蝕作用和大理巖化作用［31］，從而大幅度提高儲層孔隙度、改善儲集性能。

上古生界碎屑巖內巖性及構造油藏一直是順北地區(qū)油氣勘探的重要目標類型，但目前獲得油氣突破的井不多。前文提及該區(qū)碟形巖床就發(fā)育在上古生界碎屑巖內，巖床形成引起上覆地層上隆的過程中，隆起頂部受張力影響形成大量張裂縫，同時邊緣逆斷裂活動也會形成空腔和裂縫，這些均可大大增強碎屑巖的儲集性能。此外，該區(qū)鉆井資料揭示數(shù)十米的碟形巖床之上多存在1~2 m 的脆性蝕變泥巖，可見火成巖侵入體對圍巖產(chǎn)生烘烤能夠改善儲集體性能［32-36］?；鸪蓭r相關逆斷裂普遍發(fā)育在二疊紀的噴出巖之下。噴出巖致密、物性差，通?？勺鳛榱己玫纳w層?；鸪蓭r相關逆斷層可以提供大量的構造圈閉，包括斷塊圈閉、背斜圈閉以及斷背斜圈閉。特別是當兩個反傾巖脈相遇，兩條逆斷層夾起的塊體隆起，包括隆起上方形成的強制褶皺，都是有利圈閉類型。此外，這些斷裂形成于早、中二疊紀的巖漿活動時期，處于成烴的高峰期，與成藏期匹配，可成為重要的油氣垂向運移通道。而當巖漿活動結束，斷層不再活動，斷層內部因強烈研磨充填了斷層泥等地質體，孔隙度和滲透率極大地降低，可起到封堵作用［37-41］。由此可見，與火成巖侵入體及相關構造有關的油藏可成為碎屑巖層系勘探的新目標類型。

綜上，研究火成巖對儲層的改造作用、相關逆斷層對油氣運聚的控制作用，有助于開拓順北地區(qū)乃至塔里木盆地的油氣勘探領域，推進立體效益的實現(xiàn)和高質量勘探。

5 結論

1）順北地區(qū)的巖漿自深部運移至上奧陶統(tǒng)底界面（T47界面）后開始發(fā)生側向流動，形成縱向疊置分布的碟形侵入巖體以及逆斷層和高陡裂隙兩類棋盤狀展布的構造體系。

2）碟形巖床及相關構造的發(fā)育和展布揭示出順北地區(qū)的巖漿垂向侵入模式自下而上由“巖漿通道、疊置巖床和高陡構造”3 部分組成，其中在巖漿自深部侵入到中、下奧陶統(tǒng)頂界面之后自北向南呈放射狀側向流動。

3）火成巖侵入體對儲層的改造作用、相關逆斷層對油氣的運聚作用，不僅能夠改善下古生界奧陶系碳酸鹽巖內走滑斷控儲集體的性能，且有助于在上古生界碎屑巖內形成新的巖性及構造圈閉類型，對于順北地區(qū)乃至塔里木盆地的油氣勘探開發(fā)具有重要意義。