松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖裂縫形成機理

陳樹民，姜傳金，劉 立，初麗蘭，裴明波

1.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712 2.國土資源部油氣資源戰略研究中心，北京 100034

松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖裂縫形成機理

陳樹民1，姜傳金1，劉 立2，初麗蘭1，裴明波1

1.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712 2.國土資源部油氣資源戰略研究中心，北京 100034

松遼盆地徐家圍子斷陷是位于松遼盆地北部深層的半地塹型晚侏羅世--早白堊世伸展斷陷，火山巖發育。在已有研究成果的基礎上，結合野外露頭和巖心觀測及鏡下研究發現：本區火山巖構造裂縫和溶蝕裂縫都比較發育，具有明顯的規律性，多數原生縫被后期的構造應力或溶蝕作用改造成次生縫。本區裂縫形成的控制因素較多，主要有應力、構造、巖性和巖相、溶蝕作用、風化淋濾、構造應力場演化等，其中構造應力場演化、巖性和巖相及風化溶蝕作用是控制裂縫形成的主要因素。構造裂縫以高角度的張扭性和張性縫為主，多為半充填和無充填，具有多期、多方向、組合復雜等特點，是晚侏羅世至新近紀各種地質作用相互疊加的結果。構造通過控制不同構造部位的局部應力場分布來控制裂縫發育程度，沿斷裂帶存在明顯的應力集中，形成裂縫發育帶，特別在正斷層上升盤、斷層端部、背斜軸部等應力集中部位容易形成構造裂縫。有效火山巖油氣儲層為各類原生孔隙與裂縫的有效組合。由于火山噴發多個旋回疊加，加之風化剝蝕及不整合面的存在，造成裂縫在縱向上發育具有旋回性，溶蝕裂縫主要在不整合面附近發育。在平面上，裂縫主要發育在斷裂密集區、斷裂交匯部位和背形或向形構造發育的地區。本區處于爆發相和溢流相火山巖的發育區，氣孔和裂縫最發育，特別是溢流相的流紋巖中，裂縫和氣孔均較為發育，是本區的優質儲層最發育區，也是天然氣富集區。

火山巖；裂縫；構造應力場；火山巖相；形成機理； 徐家圍子斷陷；松遼盆地

0 引言

松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖發育。前人在火山巖地質特征[1-3]、成藏規律及控制因素[1-4]、火山巖儲層特征[5-10]、火山巖識別和預測[11-13]、火山巖地球化學特征[14]、裂縫預測[15]等方面做過大量工作。經過勘探開發實踐證實該區具有廣闊的天然氣勘探前景，但各井的產量及儲量存在較大差異，研究發現這不僅與火山巖的分布有關，而且還與裂縫發育程度有關。眾所周知，由于火山噴發的不規律性，加之后期構造和溶蝕作用的改造，火山巖類型復雜，裂縫分布不均衡，使火山巖地區的勘探難度更大，但由于增儲上產形勢的緊迫需要，尋找火山巖油氣藏仍然是現今油氣勘探的一個新領域。國內外勘探實踐證明：火山巖儲層發育程度的好壞主要受裂縫發育程度的控制，特別是在低孔滲地區，由于構造裂縫的存在，孔隙能夠連通，其滲透率會因構造裂縫的存在大大改善；從大量次生孔隙形成的方式來看，多數是由裂縫和以構造裂縫溝通為主的儲集空間。構造裂縫分布廣、規律性較強、成組出現，可以將原生裂縫、早期構造裂縫和其他孔隙連通起來，尋找構造裂縫發育的火山巖儲層是找到火山巖油氣藏的關鍵。同時，裂縫的發育也不同程度受巖性和巖相及風化淋濾作用的控制。因此，火山巖裂縫的形成機理研究具有重要的理論意義。由于本區火山巖發育、具有多旋回性，裂縫發育、形成機理復雜，前人沒有進行過系統研究。本次研究旨在通過火山巖野外相似露頭區、鉆孔巖心及鏡下薄片的觀察和研究，明確本區火山巖裂縫的形成機理，為結合實際資料預測火山巖儲層裂縫發育區提供理論指導。

1 研究區概況

徐家圍子斷陷是一個位于松遼盆地北部深層的半地塹型晚侏羅世--早白堊世伸展斷陷，近北北西向展布，西與古中央隆起帶以斷層相隔，東側與尚家、朝陽溝隆起帶呈斜坡過渡，是由3條斷裂控制的復式箕狀斷陷。該斷陷的主體發育于晚侏羅世，結束于早白堊世。這一時期，斷陷經歷了3次較長時間的伸展作用和一次短暫的擠壓作用，這與濱太平洋構造域板塊的運動方式是相聯系的。該斷陷自南到北依次為安達斷陷、杏山斷陷、薄荷臺斷陷3個一級構造單元(圖1)。地層平均厚度3 000 m，總面積5 300 km2，基底埋深1 800～8 800 m，包括火石嶺組、沙河子組和營城組。在斷陷發育期，火山巖噴發強烈，可劃分為3個火山巖噴發旋回，火山巖主體為白堊系營城組一段(Kyc1)、三段(Kyc3)。已在徐深1和徐深6等井火山巖中獲得工業氣流，顯示該區具有廣闊的天然氣勘探前景。多年勘探研究表明，旋回Ⅲ(營城組)火山巖是重要的儲集層，陸續發現了昌德、升平、興城等氣田。

圖1 徐家圍子斷陷構造單元劃分Fig. 1 Division of Xujiaweizi fault depression tectonic units

2 火山巖裂縫類型

2.1 野外相似露頭區觀察

本次野外進行了4個露頭點的裂縫觀測，均位于吉林省九臺市，大地坐標分別為:44°22′37.0″N， 126°06′49.5″E； 44°22′37.7″N， 126°06′51.9″E； 44°23′13.5″N， 126°08′11.1″E； 44°23′14.5″N， 126°08′11.6″E。通過野外露頭觀測發現：相似露頭區火山巖為營城子組火山巖，巖性以流紋巖及安山巖為主，構造裂縫發育，裂縫多數為剪性縫及壓扭性縫。裂縫具有成組、成帶分布的特征(圖2)，平面延伸方向為近SN、EW、NW及NE向。其中流紋巖構造裂縫和氣孔最發育:裂縫傾角以高角度縫(>75°)為主，占66.67%；斜交縫(15° ～75°)次之，占30.77%；低角度縫(<15°)較少，占2.56%(圖3)。共軛剪切裂縫分期配套結果顯示本區火山巖裂縫可分為3期：最早期為近SN向和NNW--SSE向，中期為NW--SE向，晚期為近EW向。

2.2 鉆孔巖心裂縫觀察

鉆孔巖心觀測表明：徐家圍子地區營城組火山巖性主要以流紋巖、凝灰巖、火山角礫巖、安山巖為主，其次為英安巖、火山熔巖等，裂縫以中--高角度為主。裂縫按力學性質有張性、張扭性、壓性、壓扭性和剪切裂縫(圖4)，以張性縫為主，張扭性縫次之，其余為壓性縫，壓扭性縫，剪性縫(圖3)。裂縫大部分呈半充填及完全充填，充填物多以硅質、火山巖屑及碎屑巖脈為主；裂縫最大寬度為20.0 mm，主要以0.1～10.0 mm的中縫和小縫為主(約占76.00%)，小于0.1 mm微縫次之(約占14.29%)，大縫(>10.0 mm)較少發育(約占7.14%)。

2.3 顯微裂縫觀察

顯微裂縫觀測表明：本區主要發育有張性、張扭性構造裂縫；其次發育晶內、晶間、粒間及穿晶裂縫、冷凝收縮縫和炸裂縫等，裂縫以無充填為主。鏡下觀察最大縫寬為1.610 mm，縫寬主要區間為0.005～0.600 mm；以微縫(<0.100 mm)最發育(約占74.4%)，小縫(0.100～1.00 mm)次之(約占24.15%)，中縫(>1.000 mm)較少發育(約占0.97%)(圖5)。儲集空間的組合類型主要有原生孔隙+構造裂縫型及次生孔隙+構造裂縫型。

a.壓扭性裂縫，裂面光滑,其內發育多條剪裂縫；b. 壓扭性裂面，長度約4 m，波狀彎曲，縫寬3～8 cm；c.3組剪切裂縫,無充填或半充填；d. 低角度張性構造縫，裂面鋸齒狀，延伸大于10 m，寬度1～5 cm，縫內無充填；e.2組壓扭性結構面，具釘頭擦痕；f. 3組裂縫：垂直剪切裂縫，高角度壓扭裂面，低角度張性裂縫，鋸齒狀。圖2 徐家圍子斷陷野外火山巖裂縫觀測圖片Fig.2 Fracture observation of volcanic rocks outcrop of Xujiaweizi fault depression

圖3 徐家圍子斷陷裂縫觀測結果對比圖Fig.3 Comparison chart of fracture observations of Xujiaweizi fault depression

通過對火山巖野外相似露頭區、鉆孔巖心及鏡下薄片的裂縫觀察與描述發現：徐家圍子斷陷營城組火山巖裂縫按裂縫的形成時間可分為原生縫和次生縫，多數原生縫被后期的構造應力或溶蝕作用改造成次生縫；按力學性質發育有張性、張扭性、壓性、壓扭性和剪裂縫，以張扭性縫為主，其次為張性縫；按充填情況有完全充填、半充填和無充填3種情況(圖3)，充填物多以硅質、火山巖屑及碎屑巖脈為主。

3 火山巖裂縫形成機理

3.1 構造裂縫形成與應力場演化

松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖儲層發育的構造裂縫，具有多期、多方向、組合復雜等特點，是晚侏羅至新近紀各種地質作用相互疊加的結果。根據本區裂縫形成時期和構造應力場分析，裂縫主要在早白堊世構造伸展期和晚白堊世構造反轉期形成，其中以晚白堊世構造反轉作用為主。晚侏羅世--早白堊世時期，整個松遼盆地處在以東西向張扭應力為主的應力場中，在營城組火山巖固結成巖后，持續的拉伸破裂機制使部分南北向裂縫伴隨著主斷裂的形成，晚白堊世構造作用最強，應力場逐漸轉變為壓扭性質，且越來越強烈，構造應力值最大，對該區裂縫的形成起主導作用。在白堊紀早期的伸展構造時期，主要形成近南北向裂縫。在晚白堊世的反轉構造時期，在近北西向擠壓應力作用下，主要形成近北西向張裂縫和北西西及近南北向的剪切裂縫。在古近紀，又經歷了一次張扭-壓扭的應力旋回，巖層受共軛剪切作用形成北東向與北西向兩組共軛縫。新近紀以來， 應力又轉變為壓扭為主，多數東西向裂縫在此時期擠壓破裂生成，為有效裂縫(圖6)。

a.達深401井，3 183.99 m，灰白色流紋巖，剪切縫，裂縫傾角80°；b.徐深11井，3 783.30 m，英安巖，張性縫；c.宋深102，3 177.79 m，灰白色凝灰巖，網狀縫，碎屑巖脈充填；d.汪深101井，3 088.54 m，灰色流紋巖，張性縫；e.肇深12井，3 508.98 m，火山角礫巖，張性縫；f.達深3井，3 242.86 m，安山巖，發育高角度75°張扭性裂縫；g.宋深102井，3 178.39 m，灰白色凝灰巖，網狀縫；h.汪深101井，3 090.04 m，灰色流紋巖，發育85°～90°張扭性裂縫。圖4 松遼盆地徐家圍子斷陷典型巖心裂縫描述Fig.4 Typical core fracture description of Xujiaweizi fault depression

圖5 徐家圍子斷陷鏡下顯微裂縫寬度頻率圖Fig.5 Percentage of microfracture width of Xujiaweizi fault depression diagram

圖6 徐家圍子不同時期應力場與裂縫形成機制關系圖Fig.6 Relationship diagram of fracture formation mechanism and different periods of stress field of Xujiaweizi fault depression

3.2 與斷層相關的裂縫

斷裂是控制火山巖儲層裂縫發育的重要因素，它通過控制不同構造部位的局部應力場分布來控制其裂縫發育程度。由于斷層活動造成的應力擾動作用，沿斷裂帶具有明顯的應力集中現象，擾動帶寬度大致為斷層斷距的1/2，遠離斷層，裂縫密度呈遞減的趨勢，通常形成與斷層平行的一組張裂縫和與斷層斜交的兩組剪切裂縫(圖7)。在斷層的端部等部位，通常是應力的集中區，是裂縫的發育區。本區正斷層是控制裂縫形成與分布的主要因素，上盤較下盤裂縫更發育，上盤裂縫指數比斷層下盤高，裂縫指數隨深度增加逐漸減小(圖7)。逆斷層是構造反轉時的壓扭性應力作用形成的，通常規模很小，在逆斷層的端部由于應力集中通常形成裂縫密集發育區(圖7)。

圖7 徐家圍子斷陷與斷層相關的裂縫形成機制圖Fig.7 Fault-related fractures formation mechanism of Xujiaweizi fault depression

3.3 與褶皺相關的裂縫

與褶皺相關的裂縫包括與縱彎和橫彎褶皺有關的裂縫。與縱彎褶皺有關的裂縫的巖層在受到擠壓力之前，先形成一組直立的共軛剪切裂縫(平面X型裂縫)，以及與最大擠壓應力方向平行的一組橫張裂縫(追蹤張裂縫)，垂直或平行褶皺軸線的為張裂縫，斜交褶皺軸線的為剪裂縫，多以共軛形式出現。與橫彎褶皺有關的裂縫的產生與巖層之間的錯動有關，往往在層面上形成張裂縫和放射狀裂縫。本區火山巖氣藏以構造-巖性復合氣藏為主,在構造高部位聚集(升深2-1斷背斜油氣藏)。低幅背斜-巖性復合氣藏(升深6，徐深9)[1]則是本區火山巖氣藏特有的一種氣藏類型,它是火山噴發過程中形成的一種特殊的背斜構造。背斜巖層的變形強度通常較大，在背斜軸部附近形成裂縫發育帶。

3.4 巖性的控制作用

原生孔隙是火山巖儲集空間形成的基礎,其發育情況受巖性和巖相的控制。巖性決定了原生孔隙的類型，巖相(亞相)則決定了原生孔隙的發育狀況[5]。

巖性是影響裂縫發育的最基本的因素。影響裂縫發育的巖性因素包括巖石成分、顆粒大小及物性等。由于不同巖性的巖石成分及結構、構造不同，巖石力學性質各異，在相同構造應力作用下，裂縫的發育程度不一致。強硬致密巖層通常表現為脆性，裂縫一般比軟弱巖石更發育，構造裂縫發育程度與儲集層巖石致密、性脆呈正相關關系。徐家圍子地區主要發育高角度縫和斜交縫，低角度縫相對不發育。流紋巖中裂縫最發育，特別是高角度縫發育，超過30%，斜交縫占15%左右，其次為英安巖、凝灰巖、安山巖等。凝灰巖與英安巖中斜交縫比高角度縫發育(圖8)。

3.5 巖相的控制作用

圖8 研究區巖心觀察裂縫分布頻率與巖性關系直方圖Fig.8 Fracture distribution frequency and lithologic relationships histogram by core observing in study area

本區發育爆發相、溢流相、次火山巖相、火山通道相、火山沉積相(圖9)。儲層孔隙和裂縫的發育與火山巖相密切相關：與爆發作用相關的各種裂縫十分發育，有火山角礫巖粒間縫、炸裂縫等。由于火山爆發相一般都處于古侵蝕高地，容易遭受風化淋濾作用，因此溶蝕孔(洞)和溶蝕裂縫發育，為復合型孔隙系統，是有利儲集相帶(圖9)。溢流相的火山巖頂底層以碳酸巖化為主，造成溢流相的火山巖頂底的巖石脆性大，有利于裂縫的產生(圖10)；中部以綠泥石化為主，伴有絹云母化、蛇紋石化，泥質含量較高，使巖石塑性增加，巖石脆性小，裂縫相對不發育。火山溢流相中的X型剪切節理型構造裂縫，是火山溢流相中最發育、最重要的裂縫，多與柱狀節理和層面節理組成網狀裂縫(圖9)。孔隙在火山溢流相中亦占有重要地位，但要有裂縫相連才能成為有效孔隙。次火山巖相構造裂縫在火山口附近裂縫最為發育，其次是近火山口處，遠源的裂縫最不發育，主要原因是火山口附近的隱爆角礫巖礫間縫十分發育，圍巖中的網狀裂縫、垂直張裂縫也十分發育。火山沉積相一般位于噴發主體的邊緣，火山巖層薄，多為凝灰質火山巖或沉積凝灰巖，原生氣孔不發育，加之位于古侵蝕低洼地帶，風化裂縫不發育，儲集層一般較差，但在構造應力作用下，產生構造裂縫，也可能成為好的儲集層。

3.6 風化淋濾的控制作用

火山巖巖體形成之后,其原生氣孔大多是互不連通、獨立存在的,或連通性很差[14]；而構造裂縫的發育和晚期的風化淋濾作用起到了溝通裂縫和孔隙的作用，從而提高了火山巖儲層的孔、滲性,是形成天然氣高產區的重要因素。風化作用主要是指物理風化過程和化學風化過程。物理風化使一些小尺度隱性裂縫發展為顯性裂縫，提高了裂縫的發育程度，密度加大，貫通性變好。其主要是具有化學活動性的流體對先形成的裂縫所進行的溶解交代等的改造，但水-巖反應處于地下較深部位相對封閉的成巖環境而不易被帶出，沉淀于原來的孔隙之中[13]，使得裂縫被充填，影響了貫通性。先期裂縫是溶蝕裂縫形成的基礎，如興城地區徐深8井區發育早、中、晚3期構造裂縫，其中以晚期NEE向構造裂隙為主，溝通了原生氣孔，沿裂縫具有明顯的溶蝕作用，加上沙河子組烴源巖進入過成熟演化階段，有機質向烴類轉化時發生脫羧作用，形成的CO2使地下流體變為酸性，流體沿裂隙進入儲層，形成了大量溶蝕孔隙。構造裂縫與酸性流體的良好配置，有利于儲集空間溶蝕作用的發生，進一步改造儲層的性能。

4 火山巖裂縫形成模式

圖9 徐家圍子斷陷不同火山巖相裂縫發育模式Fig.9 Fracture development mode of difference volcanic facies of Xujiaweizi fault depression

圖10 徐家圍子斷陷裂縫形成機制模式Fig.10 Xujiaweizi fault depression fracture formation mechanism mode

火山機構可劃分為火山口-近火山口、近源、遠源和火山沉積帶[6]。火山巖儲層裂縫形成的控制因素較多，主要有構造、巖性、巖相、構造應力場演化、溶蝕作用、風化淋濾等，其中構造應力場演化、巖性和巖相、風化淋濾是控制裂縫形成的主導因素。構造應力場演化通過控制不同構造部位的局部應力分布來控制其裂縫發育程度。在斷層附近，由于斷層活動造成的應力擾動，沿斷裂帶具有明顯的應力集中，造成裂縫發育。在背斜或低幅背斜的軸部，是裂縫發育帶。不同巖性的巖石成分及結構、構造不同，巖石力學性質各異，因而在相同構造應力作用下，裂縫的發育程度不一致。火山爆發強度越大，巖石越破碎，與爆發作用相關的各種裂縫越發育；近火山口相裂縫連通，儲層更好。火山溢流相的孔隙系統為復合型網狀孔隙，溢流相火山巖頂底部各種節理發育，是溢流相亞相中構造裂縫最發育的。溶蝕作用主要發生在火山巖頂部、不整合面附近及裂縫和酸性流體發育區(圖10)。由于多個火山噴發旋回疊加，加之風化剝蝕及不整合面的存在，造成在縱向上裂縫發育程度的旋回性。以不整合面為界，隨著深度增加，一般在不整合面下0～10 m帶，溶蝕網狀縫或高角度縫發育，形成較高的溶蝕裂縫孔隙度；往下構造縫相對發育。原生孔隙和次生孔隙的聯合作用形成本區的裂縫系統，控制著火山巖儲層的有效性。

5 結論

1)徐家圍子斷陷營城組火山巖構造裂縫發育，以中--高角度、張扭性縫為主，具有多期疊加的特點。有效縫至少分3期形成：最早形成裂縫近南北向，其次為近北西--南東向的裂縫，近東西向裂縫形成最晚。風化淋濾及溶蝕裂縫也比較發育，主要分別發育在不整合面附近及地下酸性流體充足的部位。

2)徐家圍子地區火山巖儲層裂縫形成的控制因素較多，構造應力場演化、巖相和巖性及風化溶蝕作用是控制裂縫形成的主要因素。火山巖有效油氣儲層為各類原生孔隙與裂縫的有效組合；組合類型有原生孔隙-構造裂縫型、次生溶蝕孔-構造裂縫型，裂縫充填以半充填有效裂縫為主。

3)在斷裂密集區、斷裂交匯部位、構造發育帶及不整合面附近，特別是處于爆發相和溢流相裂縫火山巖的部位，裂縫和氣孔均發育，是最有利的火山巖儲層發育區，也是天然氣富集區。

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Fracture Formation Mechanism of Volcanic Rocksin Xujiaweizi Fault Depression of Songliao Basin

Chen Shumin1,Jiang Chuanjin1，Liu Li2，Chu Lilan1，Pei Mingbo1

1.Daqing Oil Field Co.，Ltd. Company Exploration & Development Institute，Daqing 163712 ，Heilongjiang, China 2. Strategic Research Center of Oil and Gas Resources Ministry of Land & Resources，Beijing 100034，China

Xujiaweizi fault depression is a Late Jurassic-Early Cretaceous deep half-graben type extensional fault depression in northern Songliao basin, and volcanic rocks developed. The article is mainly based on macro and micro studies on outcrops, cores and thin sections. Tectonic fractures and corrosion fractures are well developed, and show apparent regularity. Most of primary fractures are transformed into secondary fractures by later tectonic stress or dissolution. Fractures formation are controlled by several factors, for instance, regional tectonic stress and its evolution, structure, lithology, lithofacies, dissolution, weathering. Among these, tectonic stress field evolution, lithology and lithofacies, weathering and dissolution are dominant factors. Most of tectonic fractures are characterized by high angle, tensional and torsional, part filled or unfilled, multi-period, and multi-directional, which is the results of the superposition of various geological and tectonic role from Late Jurassic to Neogene. Local development of fractures are controlled by local stress field distribution. In general, since obvious stress concentration, fault systems are fracture development zone. Local stress are especially concentrated in the hanging wall of normal fault, the end of normal and reverse fault, and anticline axis, where tectonic fractures are abundant. The effective hydrocarbon reservoirs in volcanic rocks are controlled by combination of primary pore spaces and structural fractures. The fracture development shows vertical cyclicity because of multi-eruption, weathering and unconformable surface. The dissolution fractures develop near unconformity. In plane, the fractures mainly developed in fault-concentrated area, faults intersection, anticline and syncline. Pores and fractures is the most developed in explosive and effusive facies, especially in effusive rhyolite. The rhyolite is the most advantageous reservoir and high yield gas production area.

volcanic rocks；fracture；tectonic stress field；volcanic facies；formation mechanism; Xujiaweizi fault depression; Songliao basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201406110.

2014-02-21

國家“973”計劃項目(2009CB219307)

陳樹民(1962--)，男，教授級高級工程師，博士，主要從事油氣地質、地震勘探方向研究，E-mail:chenshm @petrolchina.com.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406110

P618.13

A

陳樹民，姜傳金，劉立，等. 松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖裂縫形成機理.吉林大學學報:地球科學版,2014,44(6):1816-1826.

Chen Shumin,Jiang Chuanjin，Liu Li ,et al.Fracture Formation Mechanism of Volcanic Rocks in Xujiaweizi Fault Depression of Songliao Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):1816-1826.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406110.