川西南部二疊系火山巖相地震預測及分布主控因素

楊 柳, 趙容容, 梁 虹, 鄧紹強, 陳 偉, 李光鵬,鄒 琴, 彭 忻, 吳博聞, 梁 瑜

(1.中國石油東方地球物理公司 西南物探研究院，成都 610213；2.中國石油西南油氣田分公司 勘探事業(yè)部，成都 610041)

四川盆地火山巖油氣勘探始于20世紀60年代，1966年在威西地區(qū)鉆遇二疊系峨眉山玄武巖，后在川西南部及川南地區(qū)相繼鉆遇該套地層。1991年在川西南部周公山構(gòu)造鉆探的ZG1井玄武巖厚達301 m，玄武巖段測試獲氣25.61×104m3/d，主要為裂縫型氣藏。后續(xù)在川西南部鉆井的玄武巖段測試均為干層或水層，四川盆地火山巖油氣勘探陷于停滯。直至2018年底，在成都-簡陽地區(qū)鉆探的YT1井鉆遇厚層火山角礫熔巖儲層(巖心實測孔隙度平均值高達10.26%，滲透率平均值為2.35×10-3μm2)，火山巖段測試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流22.5×104m3/d，打開了四川盆地二疊系火山巖勘探的新局面[1-4]，并于第二年底提交預測儲量。緊接著在YT1井區(qū)部署的TF2井也鉆遇厚層火山碎屑熔巖，測試亦獲工業(yè)氣流，展現(xiàn)出四川盆地火山巖巨大的勘探潛力。

川西地區(qū)二疊系火山巖主要有4個特點：①噴發(fā)旋回期次差異大，有1～4個旋回；②厚度變化快，主要在30～400 m；③埋藏較深，達4～7.5 km；④巖相及巖性變化快，成都-簡陽地區(qū)以爆發(fā)相火山角礫熔巖為主，與其相鄰的川西南部，以往鉆井揭示及地震預測則以溢流相玄武巖為主。火山巖的以上特點，加之以往地震資料品質(zhì)所限，導致難以建立起可靠的地震地質(zhì)解釋模式，對火山機構(gòu)、分布規(guī)律及主控因素認識不清，使四川盆地火山巖領域勘探一直處在較低程度。筆者基于四川盆地的首塊大規(guī)?？煽卣鹪磁c井炮混采的高品質(zhì)火山巖三維地震資料，結(jié)合前人對四川盆地火山巖研究及最新火山巖鉆井的井震分析，采用多信息地震屬性火山巖刻畫技術，突破以往對川西南部火山巖的認識禁區(qū)，首次在川西南部BMM地區(qū)發(fā)現(xiàn)規(guī)模性火山巖爆發(fā)相發(fā)育區(qū)，為四川盆地二疊系火山巖油氣勘探區(qū)帶的拓展提供支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

中晚二疊世之交，受東吳運動影響，四川盆地及其相鄰的云南、貴州等地發(fā)生大規(guī)模的火山噴發(fā)事件，形成了巨厚的峨眉山玄武巖，平面上呈長軸狀菱形，面積近25×104km2，是中國唯一被國際學術界認可的大火成巖省[5-6]。研究區(qū)BMM地區(qū)位于川西南部中—新生代拗陷低陡構(gòu)造帶，西抵邛崍、東到彭山、南起蒲江、北至新津(圖1、圖2)。

圖1 中國西南地區(qū)晚二疊世早期火山巖分布圖Fig.1 Distribution of early stage of late Permian volcanic rocks in southwestern China (據(jù)馬新華等[1]，有修改)

圖2 川西地區(qū)二疊系火山巖相展布圖Fig.2 Layout of Permian volcanic rock facies in western Sichuan Basin

四川盆地峨眉山玄武巖發(fā)育于二疊系中上部，為一套穿時地層。川西南部峨眉山玄武巖與下伏中二疊統(tǒng)茅口組(從下到上分為4段)及上覆上二疊統(tǒng)沙灣組(成都-簡陽地區(qū)為龍?zhí)督M，同期異相)呈假整合接觸，平面上具有西南盆周厚、往北東盆內(nèi)變薄的特點。受加里東運動影響，四川盆地二疊紀之前古地貌整體呈現(xiàn)西南高、北東低的特征，二疊系直接覆蓋在寒武系之上[3]。

2 川西地區(qū)火山巖特征

2.1 巖性特征

根據(jù)已鉆井巖心、巖屑、薄片等分析，川西地區(qū)火山巖主要為火山碎屑熔巖、火山碎屑巖和玄武巖，含少部分凝灰?guī)r[1-4]?；鹕剿樾既蹘r代表性井為川西中部成都-簡陽地區(qū)的YT1井、YS1井、TF2井；主要礦物為輝石、斜長石、鈉長石、角閃石，還可見大量后期蝕變和交代礦物，如綠泥石、伊丁石、方解石等。 玄武巖代表性井為川西南部的ZG1井、PT1井、LS1井；礦物成分主要為長石、輝石、角閃石、磁鐵礦，主要呈雜色、灰黑色塊狀，致密堅硬。

2.2 巖相特征

川西地區(qū)火山巖主要為爆發(fā)相及溢流相[1-13]。爆發(fā)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。由火山碎屑濺落形成的角礫巖或集塊巖，為最有利的天然氣儲集巖相。以往發(fā)現(xiàn)的火山巖爆發(fā)相集中于成都-簡陽地區(qū)，筆者本次新發(fā)現(xiàn)爆發(fā)相主要位于川西南部BMM地區(qū)(圖2)。

溢流相位于火山錐的斜坡部位，火山爆發(fā)后能量較低，以熔巖形式從火山口溢出的玄武巖，儲集性較爆發(fā)相要差。主要分布在川西南部雅安-夾江地區(qū)，從盆周往盆內(nèi)玄武巖厚度逐漸變薄。川中資陽至射洪一帶主要發(fā)育火山巖沉積相。

3 BMM地區(qū)火山巖相地震預測

3.1 火山巖相測井響應特征

以YT1井為代表進行分析，其二疊系火山巖段(峨眉山玄武巖)共厚272 m，存在4個噴發(fā)旋回并以早期爆發(fā)、晚期侵入為特點(圖3)。第一旋回為爆發(fā)相發(fā)育期，火山劇烈噴發(fā)并將其周邊茅口組灰?guī)r震碎，巖性以火山角礫巖為主，含灰?guī)r集塊和角礫凝灰?guī)r，厚達84 m，測井特征表現(xiàn)為低自然伽馬、低密度、低電阻率、中高聲波時差、中高中子。第二旋回發(fā)育爆發(fā)相和溢流相，火山強烈噴發(fā)后能量減弱轉(zhuǎn)為溢流相，火山角礫熔巖厚39 m，玄武巖厚10 m，爆發(fā)相角礫熔巖測井響應特征為低伽馬、中低密度、中低電阻率、中高聲波時差、中高中子；溢流相玄武巖測井響應特征和爆發(fā)相明顯不同，表現(xiàn)為低伽馬、高密度、高電阻率、低聲波時差、中低中子。第一和第二旋回爆發(fā)相儲集物性最好，鉆井過程中頻繁發(fā)生氣侵、井漏，為射孔測試獲工業(yè)氣流段，不同于碳酸鹽巖氣層電阻率普遍較高的特征，受地層含導電礦物及蝕變礦物的束縛水含量高的影響，YT1井爆發(fā)相電阻率明顯較低。第三旋回為火山通道相，巖性為粗粒玄武巖，屬超淺成侵入巖，厚114 m。第四旋回亦為火山通道相，發(fā)育淺成侵入巖-輝綠玢巖，厚25 m。第三和第四旋回粗粒玄武巖和輝綠玢巖測井響應均呈現(xiàn)出高伽馬、高密度、低聲波時差、低中子特征，2種巖性測井響應不同之處在于，前者為中高電阻率而后者更高。

3.2 火山巖相地震地質(zhì)解釋模式

火山巖下伏地層為茅口組碳酸鹽巖，上覆地層為沙灣組(龍?zhí)督M)碎屑巖，使得火山巖在地震剖面上的地震波形、振幅、頻率、反射時差等與圍巖有明顯差異。且由于火山巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、縱向序列及空間疊置關系的不同，導致不同火山巖體內(nèi)部不同巖相所對應的地震響應特征各不相同。

BMM地區(qū)暫無鉆至二疊系火山巖地層的鉆井，筆者結(jié)合川西地區(qū)火山巖典型已鉆井的井震標定，在火山巖段地震反射外形、內(nèi)幕反射特征等[11-20]基礎上建立起火山巖地震地質(zhì)解釋模式。其中，爆發(fā)相地震響應特征為：沙灣組(龍?zhí)督M)底界以下為丘狀雜亂或者亞平行-雜亂、中強振幅反射，火山巖段反射時差大，以成都-簡陽地區(qū)YT1井(圖4-A)、YS1井為代表。反映出火山碎屑熔巖在火山口處快速噴出，從高部位外流，多期熔巖堆積的特征。

溢流相地震響應特征為：沙灣組(龍?zhí)督M)底界以下為平行-亞平行或空白反射，火山巖段反射時差較小，以川西南部LS1井(圖4-B)、PT1井為代表。反映出玄武巖橫向厚度穩(wěn)定、成層性較好的特征。其中LS1井火山巖段厚110 m，巖性以玄武巖為主，夾部分凝灰?guī)r。

筆者結(jié)合盆地內(nèi)火山巖已鉆井地層結(jié)構(gòu)、實際測井速度等建立火山巖噴發(fā)機構(gòu)地質(zhì)模型(圖5-A)，進行模型正演，總結(jié)不同火山巖相所對應的地震響應特征，用以指導BMM地區(qū)火山巖相的地震刻畫。從正演結(jié)果(圖5-B)可以看出：近火山口核部為Ⅰ類爆發(fā)相，丘狀隆起幅度大，地震反射時差大，內(nèi)幕為雜亂-中強振幅反射；翼部為Ⅱ類爆發(fā)相，丘狀隆起幅度較大，地震反射時差較大，內(nèi)幕為較雜亂-亞平行中強振幅發(fā)射。遠火山口為溢流相以及火山沉積相，地震反射時差小，內(nèi)幕為平行-亞平行或空白反射。

3.3 BMM地區(qū)火山巖相地震預測

筆者結(jié)合鄰區(qū)火山巖已鉆井的井震標定和地震地質(zhì)解釋模式，對BMM地區(qū)火山巖地震層位進行對比追蹤，結(jié)合地震相、地層切片等來預測火山巖相的分布。經(jīng)預測，BMM地區(qū)火山巖相主要為爆發(fā)相和溢流相，爆發(fā)相火山碎屑熔巖在地震剖面上為丘狀隆起，內(nèi)幕中強振幅反射特征；溢流相玄武巖在地震剖面上為平行、內(nèi)幕空白反射特征(圖6-A)，和成都-簡陽地區(qū)已鉆井地震響應特征類似。

圖3 YT1井二疊系火山巖綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of Permian volcanic rocks in Well YT1

圖4 川西地區(qū)典型爆發(fā)相和溢流相地震響應特征Fig.4 Seismic response characteristics of typical eruptive facies and overflow facies in western Sichuan Basin

圖5 川西地區(qū)火山機構(gòu)模型正演Fig.5 Forward modeling of volcanic mechanism in western Sichuan Basin

BMM地區(qū)火山巖主要為裂隙式噴發(fā)，火山口附近由于斷層和火山活動錯開了地震反射同相軸，斷層和火山口在相干切片上存在明顯的相干低異常值。地層切片可以解決因地質(zhì)體厚度橫向分布不均導致切片穿時的問題，在地層內(nèi)平均等分并內(nèi)插若干的小層提取地震屬性，對地質(zhì)異常體在空間及平面上的展布特征分析有著獨特的優(yōu)勢。筆者將火山巖段等分成上部、中部、下部地層相干切片，對火山口形態(tài)的縱橫向展布進行刻畫。

從BMM地區(qū)地層相干平面圖上可以清晰地識別出火山口形態(tài)，為不對稱的環(huán)帶狀，火山熔巖呈放射狀向四周不對稱展布?；鹕娇跒榄h(huán)帶狀低相干值特征，這組低相干值區(qū)不對稱分布在火山口四周，反映出火山碎屑熔巖和玄武巖的分布界限。并且從火山巖段不同時間段的地層相干切片上看出，火山口環(huán)帶狀低相干值特征從淺到深逐漸發(fā)散，展現(xiàn)出火山口處碎屑熔巖典型的錐狀堆積特征(圖6-B、C、D)。

經(jīng)地震屬性分析，火山巖段波峰數(shù)地震屬性和地震波反射時差(雙層旅行時)相結(jié)合，能較好地刻畫出爆發(fā)相與溢流相平面分布。波峰數(shù)地震屬性能直觀反映出爆發(fā)相火山巖內(nèi)幕雜亂、波峰數(shù)較多的特點，地震反射時差能反映出爆發(fā)相火山巖丘狀堆積的幾何外形特征。其中爆發(fā)相細分為Ⅰ類爆發(fā)相和Ⅱ類爆發(fā)相，分布在BMM地區(qū)東部,面積共500 km2。Ⅰ類爆發(fā)相在地震剖面上為丘狀、內(nèi)幕雜亂中強振幅反射(圖7)。以火山巖段波峰數(shù)地震屬性圖上的高值區(qū)為基礎(圖8-A)，結(jié)合地震波反射時差平面圖上的高值區(qū)(70～110 ms，圖8-B)，刻畫出Ⅰ類爆發(fā)相發(fā)育區(qū)的面積共140 km2(圖8-C)。

Ⅱ類爆發(fā)相在地震剖面上為丘狀隆起(幅度較小)、內(nèi)幕亞平行-斷續(xù)中強反射。火山巖段波峰數(shù)高值區(qū)、較高地震波反射時差區(qū)(60～70 ms)共同刻畫出Ⅱ類爆發(fā)相發(fā)育區(qū)，面積共360 km2。

火山巖段波峰數(shù)低值區(qū)，地震反射時差平面圖上的低值區(qū)域(20～60 ms) 的交集為溢流相發(fā)育區(qū)，主要分布在工區(qū)西部，面積達600 km2。

4 火山巖分布主控因素

4.1 基底斷裂

基底斷裂是指切穿褶皺基底或者結(jié)晶基底的深大斷裂，斷裂規(guī)模大、切割深，斷裂兩側(cè)基底性質(zhì)多不相同，斷裂的活動控制著兩側(cè)的蓋層沉積、變質(zhì)及火山巖漿作用[21]。前人對四川盆地基底結(jié)構(gòu)和斷裂特征已有基本認識，筆者結(jié)合近年川西地區(qū)最新重磁電、地震、地質(zhì)等資料，認為川西地區(qū)經(jīng)過多期構(gòu)造運動，發(fā)育NE-SW走向和NW-SE走向2組基底斷裂，在中晚二疊世之交發(fā)生的峨眉地裂拉張作用，使2組走向斷裂繼承性活動，巖漿沿著基底斷裂及伴生裂隙往上噴發(fā)。其中，川西成都-簡陽地區(qū)基底斷裂以NE-SW走向和NW-SE走向為主；川西南部地區(qū)基底斷裂主要為NE-SW走向，沿雅安-新津、夾江-彭山一帶展布(圖2)。

圖6 BMM地區(qū)典型火山口地震剖面及地層相干切片F(xiàn)ig.6 Seismic profiles and stratigraphic coherent sections of typical craters in BMM area 切片的平面位置見圖8-A方框

圖7 BMM地區(qū)爆發(fā)相和溢流相地震響應特征Fig.7 Seismic response characteristics of eruptive facies and overflow facies in BMM area三維地震剖面，拉平二疊系底界，剖面的平面位置見圖8-C

圖8 BMM地區(qū)二疊系火山巖相展布Fig.8 Distribution of Permian volcanic facies in BMM area

結(jié)合成都-簡陽地區(qū)目前已鉆井和火山巖地震預測，可以看出火山巖分布和NE-SW、NW-SE走向基底斷裂有著很好的對應關系(圖2)，成都-簡陽地區(qū)火山巖中心式噴發(fā)和裂隙式噴發(fā)并存，兩組基底斷裂交匯處火山規(guī)模最大，YT1井、YS1井等鉆遇厚層火山角礫巖的鉆井正位于此交匯處附近。川西南部BMM地區(qū)火山巖主要為裂隙式噴發(fā)，并存在部分中心式噴發(fā)，結(jié)合地震剖面和沿寒武系底界相干切片(圖9)可以看出，基底斷裂主要為NE-SW走向，分布在工區(qū)東部，主要為F1及F2斷裂帶，縱向斷距較小，具有羽狀走滑性質(zhì)。BMM地區(qū)火山巖爆發(fā)相主要分布于工區(qū)東部基底斷裂帶F1、F2發(fā)育區(qū)附近。

圖9 BMM地區(qū)基底斷裂特征Fig.9 Characteristics of basement faults in BMM area

4.2 火山巖噴發(fā)前古地貌

圖10 BMM地區(qū)二疊紀火山噴發(fā)前古地貌Fig.10 Paleogeomorphology before the eruption of Permian volcanic rocks in BMM area

火山巖分布與火山噴發(fā)前的古地貌關系十分緊密[22]，火山碎屑熔漿沿火山口向古地貌低洼地帶流動。目前，常用的古地貌恢復方法有殘余厚度法、補償厚度印模法、回剝和填平補齊法、沉積學分析法及層序地層恢復法等。由于茅口組頂?shù)讓游惠^易追蹤且可用鉆井資料校正，四川盆地用殘余厚度法恢復茅口組巖溶古地貌較多。茅口組殘余厚度越大的地區(qū)，解釋為地勢較高區(qū)域；殘余厚度越小的地區(qū)，解釋為地勢較低區(qū)域[23-26]。筆者結(jié)合三維地震資料解釋，用茅口組殘余厚度反映出川西南部BMM地區(qū)二疊紀火山噴發(fā)前古地貌特征(圖10)。圖10結(jié)合圖6-A、圖7-A可以看出，BMM地區(qū)火山巖爆發(fā)相發(fā)育區(qū)位于火山噴發(fā)前古地貌斜坡-洼地區(qū)域，反映出峨眉地裂時期BMM地區(qū)火山巖漿整體由古地貌高部位向低部位匯聚；且地震剖面上沙灣組內(nèi)幕同相軸往西上超特征明顯，表明BMM地區(qū)火山巖噴發(fā)后古地貌仍保持了西高東低的特征。

成都-簡陽地區(qū)和BMM地區(qū)類似，YT1井和YS1井茅口組厚度為160 m左右，且都缺失茅二段以上地層；而周邊鉆井茅口組發(fā)育茅四段，厚度在280 m左右。YT1井、YS1井等爆發(fā)相發(fā)育區(qū)正位于火山噴發(fā)前古地貌洼地。

5 結(jié) 論

a.川西地區(qū)二疊系火山巖主要發(fā)育爆發(fā)相和溢流相，已鉆井火山巖相與地震響應之間具有較好的對應關系。其中爆發(fā)相為丘狀、地震反射時差大、內(nèi)幕雜亂-亞平行、中強振幅反射；溢流相為地震反射時差小、內(nèi)幕平行-亞平行或空白反射。

b.川西南部BMM地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)大規(guī)模二疊系火山巖爆發(fā)相發(fā)育區(qū)，面積達500 km2，是四川盆地火山巖油氣勘探區(qū)帶拓展的有利區(qū)。地層相干切片可清晰見到BMM地區(qū)火山口不對稱環(huán)帶狀展布特征。

c.川西地區(qū)二疊系火山巖分布主要受基底斷裂及噴發(fā)前古地貌控制。川西南部BMM地區(qū)東部是NE-SW走向基底斷裂發(fā)育和火山噴發(fā)前古地貌斜坡-洼地區(qū)域，是火山巖爆發(fā)相有利指向區(qū)。