塔里木盆地二疊紀火山—巖漿活動對古生界生儲條件的影響①——以塔中47井區為例

張 巍 關 平 簡 星

(1.北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學地球與空間科學學院 北京 100871;2.中國石油勘探開發研究院 北京 100083)

0 引言

塔里木盆地二疊系火山巖分布廣泛，前人從構造背景、成因機理、年代學等方面針對火山巖做過大量的研究［1～14］，并將其歸為全球第 12 個大火成巖省［10］，在這種地質背景下，大量、長期、多階段的火山—巖漿活動必然會對下伏古生界沉積地層及油氣體系產生強烈的影響。前人針對火山巖對生烴、碳酸鹽巖儲層、油氣運移成藏以及圈閉的破壞及形成等方面的影響進行過研究［14～19］，但是結論存在爭議，包括火山活動對油氣成藏具有促進作用［14～17］、破壞作用［18］及不造成影響［19］等幾種不同的觀點。塔里木盆地古生界主要的碎屑巖儲層發育于志留系、泥盆系、石炭系，是重要的產油氣層段及主力勘探層段［20～29］，前人針對其展布、沉積相與層序地層學、成因類型及成巖作用等展開了大量的研究［20～29］，但是二疊紀火山—巖漿活動對古生界碎屑巖生儲條件的影響規律尚不清楚。塔里木盆地塔中47井鉆遇了火山機構［18，19］，為研究生儲條件受火山—巖漿活動影響提供了材料。本文選取塔中47井區作為研究區，通過三維地震解釋，研究二疊系火成巖的空間分布，并通過薄片及鑄體薄片觀察、面孔率統計及氣相色譜—質譜等方法，研究火山活動對古生界的有機質、碎屑巖儲層及成藏等方面的改造作用，探討火山活動對沉積地層的影響規律，為塔里木盆地深層油氣勘探開拓思路。

1 地質背景及樣品采集

圖1 研究區構造綱要及研究井位分布圖Fig.1 Map showing outline structure and well positions of the study area

二疊紀塔里木盆地處于全球地幔柱巖漿活動頻繁的構造背景下［13］，廣泛發育了大量的巖漿巖，巖石類型豐富，年齡大多集中在 272～291 Ma［1～14］，基性巖和酸性巖大量發育，而中性巖非常稀少，反映了塔里木二疊系火山巖是典型的板內裂谷作用產物［10］。前人的研究認為盆地內部在時間和空間上存在著兩類不同的二疊系火山巖，大致以烏什—阿瓦提—滿參1井一線為界，南部發育基性火山巖類，北部發育中—酸性火山巖類［30，31］。以玄武巖為代表的基性巖一般呈層狀展布，分布于柯坪隆起、巴楚隆起、滿加爾凹陷南部、塔中隆起、和田河地區以及塔西南等廣大地區;巖性以玄武巖和輝綠巖為主，夾少量中酸性侵入巖。以流紋巖為代表的中—酸性巖一般為局限性分布的巨大巖體，分布于庫車坳陷、塔北隆起、滿加爾東北部以及孔雀河斜坡;巖性包括流紋巖、安山巖、英安巖、粗面巖、粗安巖以及英安質、流紋質凝灰巖、火山角礫巖，伴有侵入巖和火山碎屑巖［30，31］。前人［31，32］根據露頭、鉆井、航磁、測井、地震等資料估算盆地內二疊系殘余玄武巖覆蓋面積約為2.46×105km2，殘余流紋巖覆蓋面積約為4.04×104km2。由于盆地內北部和東部二疊系大范圍缺失，盆地內二疊系火山巖原始噴發面積和噴出量可能遠大于殘余量。

塔里木盆地古生界儲層主要發育于志留系、泥盆系、石炭系。塔中地區志留系儲層以柯坪塔格組砂巖為主，巖性為瀝青質細砂巖、中砂巖等，是一套潮坪相沉積［23，24］，①陸愛華，陳德華，袁克學，等.塔里木盆地塔中47號構造塔中47井完井地質總結報告，2001:11-36。泥盆系儲層巖性以細砂巖為主，是一套濱海相沉積①。石炭系儲層主要包括下石炭統巴楚組東河砂巖段、含礫砂巖段及卡拉沙依組砂泥巖段［23，24］，東河砂巖段是晚泥盆世至早石炭世海平面上升背景下沉積的一套海侵砂(礫)巖，主體為濱岸海灘相砂巖，是一套礦物成熟度和結構成熟度都很高的中—細粒石英砂巖及少量巖屑石英砂巖［33～35］。在全盆地范圍內東河砂巖段是個明顯的穿時沉積砂體，在盆地西部為晚泥盆世沉積，在塔中地區(圖1)為早石炭世沉積(圖2)，盆地范圍內自西向東向北從古地貌低部位向高部位逐層超覆變薄［33～35］。巴楚組含礫砂巖段是低水位晚期陸架河河谷充填沉積物，主要為河流相沉積，巖性以含礫粗—中砂巖、砂質礫巖、粉細砂巖夾泥巖為主。卡拉沙依組砂泥巖段儲層主要是低水位期河流相砂體和高水位期三角洲相和河流相砂體［23，24］。

塔中47井區位于塔里木盆地中央隆起帶塔中隆起北坡中部(圖1)，是塔中三維地震區的一部分，具有高品質的三維地震數據，主要探井包括塔中47井、塔中39井、塔中35井、塔中40井、中古11井、中古12井、中古13井、中古14井、中古21井等。通過詳細的三維地震解釋，刻畫出該井區火山機構的平面分布(圖3C)，并依據距離火山機構的遠近不同，選取塔中47井、塔中35井、塔中40井(圖1，2)的志留系、泥盆系、石炭系油砂樣品進行氣相色譜—質譜分析，砂巖樣品鑄體薄片進行觀察及面孔率統計。

2 塔中47井區二疊系火山巖特征

圖2 塔中47井區重點研究探井巖性柱狀圖及分析層段位置Fig.2 Locations of analysis layers on columns of crucial research wells in Tazhong 47 well area

塔中47井區內所有探井都鉆遇二疊系火山巖，主要巖性為玄武巖和凝灰巖。通過對塔中47井、塔中39井、塔中35井和塔中40井等進行單井巖性巖相分析、測井標定和解釋［31］，識別出多套玄武巖和凝灰巖。通過合成記錄將巖性分層標定到地震剖面上，從過塔中39井—塔中47井—塔中35井—塔中40井的連井地震剖面上(圖3A)，可以識別出玄武巖層橫向延展性強，成層性好，高振幅，強連續的典型地震反射特征。凝灰巖在玄武巖噴發之后沉積，橫向上呈楔狀，局部呈透鏡狀，自火山機構向四周減薄、尖滅，而凝灰巖上部的沉積巖則向火山機構方向超覆(圖3A)。

從地震剖面上可以明顯的看到，塔中47井鉆遇一個大型火山機構，其火山通道在地震剖面上的特征明顯，并具有較大的規模，橫向寬度約為3～4 km(圖3A)。火山通道相具有弱雜亂反射的特征，火山通道使得二疊系以下的地層在橫向上不連續，并在部分地層中有侵入相的發育。火山通道可以分為主火山通道和次火山通道(火山噴氣錐)，巖漿主要從主火山通道中噴發，在次火山通道中以噴發火山灰和火山氣體為主。次火山通道(火山噴氣錐)在地震特征上明顯的展示了火山通道的穿刺現象，其外形輪廓清晰，內部反射雜亂，在平面上沿著斷裂的延伸方向呈條帶狀或串珠狀分布。

在平面上，通過井區內地震剖面的解釋，發現火山口主要分布在二疊系底界之上150～200 ms處，因而通過對該層位的屬性提取，可以刻畫出火山口的平面分布。通過對均方根振幅、平均能量、最大波峰振幅、相關長度、互相關的協方差系數、互相關的時移等6種屬性的提取和分析，發現均方根振幅、平均能量、相關長度(圖3B)三種屬性在空間上對火山口和火山通道的識別性最好。通過對幾種屬性的綜合分析得到了塔中47井區火山口的平面分布(圖3C)，可見塔中47井鉆遇的大型火山機構在平面上也得以清晰的體現，其中“X”型裂隙是淺部的火山通道，而塔中35井和塔中40井距火山機構分別為約6.2 km及10.4 km。相關長度屬性(圖3B)能很好的反映地層的斷裂系統，因而可以認為構造因素為發育火山機構的主控因素。

3 火山—巖漿作用對沉積有機質的影響

選取塔中47、塔中35、塔中40三口探井志留系和石炭系的油砂樣品進行氣相色譜—質譜分析，選取生物標志化合物指標，尤其是反映熱成熟度方面的指標，來判斷沉積地層中的有機質受火山活動影響的程度。

塔中47井區油砂中的有機質普遍處于成熟到過成熟階段［37，38］，且由于巖漿作用帶來大量熱，屬于熱作用高演化樣品，因此對微生物作用較為敏感的成熟度指標藿烷 Ts/Tm 值、C30αβ/βα 值及甾烷 C29ββ/(ββ +αα)值失效［39］。我們選用在熱作用成熟度評價中最為普遍和可靠的參數藿烷C31αβ-22S/22(S+R)值和甾烷 C29-ααα-20S/(20S+20R)值進行不同層位三口井之間的對比。計算結果表明總體看來石炭系藿烷 C31αβ-22S/22(S+R)值和甾烷 C29-ααα-20S/(20S+20R)值均呈現塔中47井＞塔中35井＞塔中40井的特征。志留系藿烷C31αβ-22S/22(S+R)值塔中47井與塔中35井相差不是很大，甾烷C29-ααα-20S/(20S+20R)值呈現塔中47井＞塔中35井的特征。在其他條件基本相同的情況下，造成三口井間這種差異的原因只能是塔中47井區的巖漿活動產生大量的熱，導致距離火山機構越近的地方，有機質熱成熟度越大。

圖4 塔中47井區志留系、石炭系油砂樣品有機地化參數相干圖Fig.4 Coherence chart of organic geochemical parameters of oil sand samples in Tazhong-47 Well area

利用生物標志化合物有機質成熟度指標藿烷C31αβ-22S/22(S+R)值和甾烷 C29-ααα-20S/(20S+20R)值作相干圖(圖4)可見，樣品數據點大致具有線性關系，即有機質成熟度石炭系呈現塔中47井＞塔中35井＞塔中40井的特征，志留系呈現塔中47井＞塔中35井的特征。塔中47井區距離火山機構越近的地方，有機質熱成熟度越大(圖5)，火山—巖漿活動對沉積地層中的有機質確實存在影響。另外，塔中47井的樣品數據十分分散，說明有機質經受的熱作用是不均勻的、隨機的，推測與巖漿巖體分布不均勻有關，也成為塔中47井區有機質成熟度異常是由于火山活動影響的另一佐證。

圖5 塔中47井區油砂樣品成熟度與火山機構位置的關系Fig.5 Relevance of crater location and maturity of oil sand samples in Tazhong 47 well area

4 火山—巖漿作用對碎屑巖儲層的影響

火山活動中的巖漿攜帶大量的流體和熱量，通過火山通道噴發到地表，在下伏沉積地層中能夠留下很多記錄［14，16］，影響其成巖作用和儲集空間。通過對比塔中47井、塔中35井和塔中40井的古生界志留系、泥盆系、石炭系砂巖儲層的特征及成巖作用，研究火山活動對碎屑巖儲層的影響規律。

4.1 儲層巖相學特征

通過對儲層砂巖鑄體薄片的鑒定發現，塔中47井區志留系和石炭系的砂巖薄片顯示儲層經歷了中等—較強的壓實作用，碎屑顆粒間以點—線接觸為主。其主要膠結作用類型為鈣質膠結和石英次生加大的硅質膠結兩種類型(圖6a-f)。塔中47井石英次生加大的硅質膠結在膠結物中所占比例普遍在70%～100%范圍內(圖6a，d、表1)，鈣質膠結物較少。塔中35井和塔中40井石炭系砂巖膠結類型以鈣質膠結為主，發育極少數的石英次生加大膠結物(圖6b，c，e，f、表1)。結合塔中 47 井區火山機構的分布情況，這些砂巖儲層中的石英次生加大的硅質膠結物可能有如下兩種解釋:①是直接受火山—巖漿活動的影響形成;②是與火山活動相關的熱液流體改造儲層的特征產物。塔中47井區志留系和石炭系的砂巖經歷了較為強烈的溶蝕作用，主要表現為鈣質膠結物的溶解，產生孔隙，石英次生加大的硅質膠結物普遍未受到溶蝕作用的影響(圖6a-f)，推測儲層經歷了酸性流體的溶蝕。塔中47井溶蝕作用最為強烈，塔中40井次之，塔中35井受溶蝕作用影響較小(圖6a-f)。

4.2 儲集空間特征

研究層段砂巖儲層的儲集空間類型多樣，主要包括粒間原生孔隙、粒間溶蝕孔隙、粒內原生孔隙和粒內溶蝕孔隙(圖6a，b，c)。通過觀察砂巖儲層中膠結物類型和面孔率的關系可知，方解石膠結物極其發育的砂巖孔隙度很低(圖6b，e)，方解石膠結物中等—弱發育，含少量石英次生加大的硅質膠結的砂巖孔隙度較高(圖6a，c，d，f)。塔中47井區內砂巖鈣質膠結十分發育，使得砂巖的孔隙度明顯降低，而發育石英次生加大硅質膠結的砂巖孔隙度反而較高(表1)。總體而言，塔中47井儲層面孔率最高，以硅質膠結為主，塔中35井儲層面孔率很低，發育大量鈣質膠結，塔中40井儲層面孔率較高，以鈣質膠結為主(表1)。

通過膠結物與面孔率的相關圖(圖7)可以看出，隨膠結物比例增高，面孔率減小，儲層變差。鈣質膠結物比例與面孔率呈負相關關系，而石英次生加大的硅質膠結與面孔率之間并無明顯的關系(圖7)，說明鈣質膠結是抑制優質儲層發育的主控因素，而石英次生加大的硅質膠結并未破壞優質儲層。

5 討論

圖6 塔中47井區古生界碎屑巖儲層典型鑄體薄片照片Fig.6 Representative casting thin sections photos of Paleozoic clastic rock reservoir in Tazhong-47 well area

表1 塔中47井區碎屑巖儲層鑄體薄片鑒定統計表Table 1 Identification and statistics of casting thin sections of clastic rock reservoir in Tazhong 47 well area

圖7 塔中47井區碎屑巖儲層面孔率與膠結物比例相干圖Fig.7 Coherence chart of thin section porosity and cement proportion of clastic rock reservoir in Tazhong-47 well area

利用熱作用成熟度評價中最為普遍和可靠的參數藿烷 C31αβ-22S/22(S+R)值和甾烷 C29-ααα-20S/(20S+20R)值對比了塔中47井區三口探井的古生界沉積有機質成熟度變化，可見有機質成熟度石炭系呈現塔中47井＞塔中35井＞塔中40井的特征，志留系呈現塔中47井＞塔中35井的特征(圖4)。根據同層位沉積有機質的成熟度橫向差異，認為塔中47井區的火山—巖漿活動產生大量的熱，導致距離火山機構越近的地方，有機質熱成熟度越大(圖5)，盡管塔中35井和塔中40井也靠近一些小型火山活動中心或火山通道(圖3c)，但是本文認為大型火山機構的影響要遠遠大于這些小火山通道。因此，二疊紀火山—巖漿活動可以提高下伏沉積地層中的有機質成熟度，距離火山機構越近影響越強烈。

塔中47井區距離火山機構最近的塔中47井砂巖整體面孔率大于塔中35井和塔中40井(表1，圖7)，說明受火山活動影響越大，面孔率越高，儲層越好。塔中地區古生界碎屑巖儲層是一套優質儲層，平均孔隙度和平均滲透率均為石炭系最大、泥盆系次之、志留系最小［23～28］，已有研究表明塔里木盆地古生界志留系—石炭系儲層在二疊紀時經歷了強烈的溶蝕作用［23～28］，即烴源巖中的有機質(或干酪根)在埋藏過程中隨溫度增加產生的大量有機酸對巖石中的長石和部分巖屑等進行強烈的溶蝕作用，其中石炭系溶蝕程度更高一些。由于二疊紀火山活動中的巖漿攜帶大量熱量［16］，可以直接導致烴源巖的成熟［14］，釋放出大量有機酸，同時巖漿自身也可攜帶大量流體［16］，這些酸性流體溶解沉積后期形成的方解石膠結物，從而促進了孔隙形成及優質儲層的發育。儲層的好壞主要取決于酸性流體溶蝕作用的強烈程度，同時普遍發育了石英次生加大的硅質膠結物。儲層中發育伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層等黏土礦物，不含蒙脫石［26］。硅質膠結物形成的成巖反應［25，39，40］為:

通過薄片觀察，膠結物含量的定量統計，綜合分析總結出塔中47井區碎屑巖儲層的演化模式(圖8)為:首先沉積后期廣泛的鈣質膠結作用抑制孔隙發育，同時存在有機酸對儲層中膠結物的溶蝕作用，其次火山—巖漿活動控制下的酸性流體進一步溶解方解石，促進孔隙發育，最后石英次生加大的硅質膠結物形成。我們通過塔中47井區三口井儲層的橫向對比可以發現，受火山活動影響的溶蝕作用在塔中47井附近最強烈，即距離火山機構越近溶蝕作用越強烈，說明火山活動強烈的地區，下伏地層烴源巖釋放的有機酸越多，酸性流體總量越大，對儲層的溶蝕作用越強烈，儲層物性越好(圖6a)。塔中地區二疊系火山巖以基性玄武巖為主［10］，巖漿中酸性成分較少，因此硅質膠結物總體含量均很小，相比很強烈的溶蝕作用微不足道，對儲層不會起到破壞的作用。塔中35井距離火山機構約6.2 km，結果顯示砂巖儲層的鈣質膠結非常發育，面孔率很小，推測從塔中47井附近溶解的原始鈣質膠結物成分，隨著流體性質變化在塔中35井附近大量沉淀，因此該井附近儲層受火山活動的影響反而是破壞作用。塔中40井距離火山機構約10.4 km，儲層以鈣質膠結為主，幾乎不發育石英次生加大的硅質膠結物，說明其基本未受火山活動的影響，該井面孔率大于塔中35井、小于塔中47井的特征說明井區內普遍存在有機酸的溶蝕作用，火山活動影響下的儲層進一步改造疊加在有機酸溶蝕作用基礎之上(圖9)。總而言之，火山活動對碎屑巖優質儲層的發育具有不容忽視的影響，推測火山活動能夠改善距離火山機構大約6 km之內的碎屑巖儲層。

塔里木盆地野外露頭和鉆井取心的大量火山巖地球化學年代學數據［1～10］顯示，塔里木盆地大火成巖省的主體玄武巖噴發時間為291～283 Ma，晚期巖漿作用的時間為287～272 Ma(圖8)。塔里木盆地古生界碎屑巖儲層中油氣成藏時間大約為275～245 Ma［14，29］，略晚于二疊紀的火山活動。結合碎屑巖儲層的演化模式(圖8)，可以看出儲層的演化與火山活動有一定的關聯性。330～300 Ma沉積后期廣泛發育鈣質膠結作用，抑制孔隙發育;291～272 Ma二疊系火山活動，包括早期玄武巖噴發及晚期中—酸性巖漿作用，在大量酸性流體及熱量的作用下，溶解早期形成的鈣質膠結物，促進孔隙發育，大大改善了儲層;275～245 Ma油氣充注成藏與石英次生加大的硅質膠結物大致同期形成。

火山活動提供的熱量及富含各類物質的流體，對盆地形成演化、有機質成熟度、儲集層性能、油氣藏形成與破壞都有較大的影響［14～19］。前文已經證明火山活動對下伏沉積地層中有機質存在明顯的影響，能夠促進優質儲層的發育。同時，在火山活動中，巖漿沿斷層、裂縫噴發或侵入，形成許多次一級的小斷層和裂縫，往往有利于油氣的運移［14～17］，即火山噴發或巖漿侵入的通道也常是油氣運移的良好通道。因此，綜合火山活動對有機質及儲層的影響規律，以及其噴發或侵入通道對油氣運移的積極作用，總結出塔里木盆地受火山活動影響的古生界碎屑巖儲層油氣成藏模式(圖9)，我們認為塔里木盆地二疊紀廣泛的火山活動，直接促進了油氣運移和油氣藏的形成，對油氣成藏具有利作用。

圖8 塔中47井區碎屑巖儲層的演化模式Fig.8 Evolution model of clastic rock reservoir in Tazhong-47 well area

圖9 塔里木盆地受二疊紀火山—巖漿活動影響的古生界碎屑巖儲層油氣成藏模式Fig.9 Accumulation model of the Paleozoic clastic rock reservoir effected by Permian volcanic-magmatic activity in Tarim Basin

6 結論

通過對塔里木盆地塔中47井區三口重點探井的烴源巖和儲層研究，結合井區的三維地震數據及相應解釋，探討二疊紀火山—巖漿活動對古生界生儲條件的影響，得出以下結論:

(1)塔里木盆地二疊系火山巖分布廣泛，塔中地區主要巖性為玄武巖和凝灰巖，塔中47井鉆遇一個大型火山機構，本文刻畫出了該井區火山機構的平面分布。

(2)火山—巖漿活動可以提高下伏地層中的有機質成熟度，距離火山機構越近的有機質具有越高的熱成熟度。

(3)火山—巖漿活動影響下伏碎屑巖儲層的成巖作用，大大地降低了鈣質膠結物的含量，同時也增加了硅質膠結物的含量，以石英次生加大的形式出現。這種影響可以歸因于火山活動加速烴源巖成熟，釋放大量有機酸，進而與巖漿攜帶的酸性流體一同溶蝕鈣質膠結物。

(4)火山活動促進孔隙形成及優質儲層的發育，并且受火山活動影響越大，儲層改造作用越強烈，儲集性能越好。火山活動能夠改善距離火山機構大約6 km之內的碎屑巖儲層。

(5)儲層演化與油氣成藏與二疊紀火山活動有一定的對應性和關聯性。古生界碎屑巖油氣成藏模式顯示火山活動直接促進了油氣運移和油氣藏的形成，對油氣成藏具有利作用。

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