巴西桑托斯盆地巖漿巖成因類型劃分與活動期次分析*

程 濤 康洪全 梁建設 賈懷存 白 博 李明剛

(1.中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2.中海石油(中國)有限公司 北京 100010)

南大西洋西側巴西海域桑托斯盆地是中生代南美洲板塊與非洲板塊解體所形成的一系列被動大陸邊緣盆地之一[1-4]，自裂谷期開裂之初就伴隨著頻繁的火山活動[5-8]，巖漿巖在盆地內廣泛發育。隨著桑托斯盆地油氣勘探的不斷推進，尤其是自2006年以來在鹽下層系發現了多個特大型油氣田，揭開了該盆地新一輪油氣勘探的序幕[9-12]。

隨著桑托斯盆地鹽下油氣勘探的進行，越來越多的鉆井揭示了盆地內巖漿巖的廣泛存在，同時也有多口鉆井因為鉆遇巖漿巖或因巖漿巖對儲層的影響而失利，巖漿巖發育與否成為決定研究區油氣勘探成敗的關鍵因素之一。因此，開展對巖漿巖的分析成為該地區油氣勘探研究的一項重要工作內容，迫切需要通過系統分析明確盆地內巖漿巖的成因類型、地質特征及發育規律，進而進行巖漿巖分布預測。國內外學者專家對沉積盆地內巖漿巖開展了大量深入系統的研究，內容涉及成因分析、同位素定年、地球化學等多個方面[13-19]，但在油氣勘探相關領域則多集中于對巖漿巖儲層及巖漿巖油氣成藏的研究[20-25],而且目前國內外對巴西桑托斯盆地的巖漿巖類型、活動期次及其識別刻畫也鮮有報道。

本文依據研究區鉆井、地震、地球化學等資料數據，圍繞巴西桑托斯盆地的巖漿巖開展系統研究，劃分研究區的巖漿巖成因類型，總結不同類型巖漿巖的地震反射特征，分析火山活動期次，旨在為研究區勘探地質風險的識別規避、有利勘探方向的優選乃至勘探部署提供有力支持，并為巴西桑托斯盆地及南大西洋兩岸火山發育的多個被動大陸邊緣盆地油氣勘探中的巖漿巖識別與刻畫提供重要參考。

1 區域地質背景

桑托斯盆地位于巴西東南部海域(圖1)，面積約32.7×104km。該盆地與北部的坎波斯盆地和埃斯皮里圖桑托盆地共同構成大坎波斯盆地，它們具有相似的構造演化和沉積充填史，為典型的被動大陸邊緣盆地。桑托斯盆地石油地質與成藏條件十分優越，油氣資源豐富，已經發現油氣可采儲量約409億桶油當量；自2006年以來在深水區鹽下層系湖相碳酸鹽巖領域相繼發現了Lula、Iara、Libra、Franco等多個特大型油氣田，累計發現油氣可采儲量達331億桶油當量。

圖1 桑托斯盆地區域地質圖Fig.1 Regional geological map of Santos basin

桑托斯盆地構造演化和沉積充填可以劃分為3個階段(圖2)：①早白堊世裂谷階段，盆地構造活動強烈，自下向上又可以細分為3期，分別是強烈斷陷期、斷拗轉換期與拗陷期，其中強烈斷陷期以發育巖漿巖地層與湖相泥巖沉積為主；斷拗轉換期發育湖相生屑灘貝殼灰巖沉積與湖相泥巖沉積，巖漿巖地層也較為發育；拗陷期則主要發育湖相微生物礁疊層石灰巖或湖相泥巖沉積，局部發育巖漿巖地層。②早白堊世末期Aptian階過渡階段和晚白堊世過渡階段，盆地發生海侵并受南部Walvis 脊的遮擋，處于局限海環境，主要沉積了一套厚層的蒸發鹽巖地層，局部可見硬石膏或巖漿巖。③晚白堊世—新生代漂移階段，盆地進入被動大陸邊緣期，沉積充填了一套巨厚海相地層，早期以海相碳酸鹽巖沉積為主，晚期以海相泥巖沉積為主，并發育有多期深水濁積砂巖沉積，局部也發育巖漿巖。

圖2 桑托斯盆地地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite column of Santos basin

2 巖漿巖成因類型劃分及發育模式

2.1 巖相特征

通過對巖心及鏡下薄片資料進行分析，桑托斯盆地巖漿巖可以劃分為5種巖相(圖3)。

1) 塊狀玄武巖。為厚層塊狀細粒半玻璃質玄武巖，火山玻璃含量約10%～30%，可以識別出斑狀結構、聚斑狀結構、斑點結構、粒間結構和填隙結構(圖3a、b)。

2) 杏仁狀玄武巖。為具有圓—次圓狀孔洞結構的玄武巖，孔洞被與巖漿活動不同期的次生礦物全部或部分充填；杏仁孔含量5%～25%，孔徑0.5～10.0 mm，充填孔洞的次生礦物包括碳酸鹽巖、沸石和綠泥石等，局部可見次生礦物部分溶解形成的少量孔隙(圖3c、d)。

3) 玄武碎屑巖。以玻璃質玄武巖碎屑被不同礦物膠結為特征，這類巖石是淬火破碎作用的產物，由在水下噴發環境中巖漿與水發生熱沖擊形成。玄武碎屑巖的碎屑為細粒，具有曲線形體和拼圖結構，巖石為全玻璃質，可見蝕變的斜長石斑晶，基質由火山玻璃和不透明礦物組成，杏仁氣孔常見但形狀不定，氣孔被次生礦物充填，巖石裂縫被碳酸鹽巖、沸石和硫化物充填，碎屑被次生礦物膠結(圖3e、f)。

4) 再沉積玄武碎屑巖。反映了玄武巖被搬運離開原形成地，以碎屑的散亂分布沉積為特征，巖石由杏仁狀玄武巖、火山玻璃和被白云石膠結的碳酸鹽巖顆粒的碎屑組成(圖3g、h)。

5) 輝綠巖。為全晶質到半晶質細粒—中粒，從不等粒斑狀結構到次無斑隱晶質結構，再到等粒隱晶結構。基本礦物組合為斜長石、少量橄欖石、輝石和火山玻璃，巖石遭受中等到強蝕變，次生礦物多充填裂縫和杏仁孔或作為蝕變產物交代原始組分或玻璃質(圖3i、j)。

圖3 桑托斯盆地巖漿巖巖石學特征Fig.3 Petrological characteristics of magmatic rocks in Santos basin

2.2 成因類型劃分

依據巖漿巖宏觀和微觀巖石學特征、噴發作用方式、形成環境差異及火山機構的空間幾何形態特征，將研究區的巖漿巖劃分為3種主要成因類型(圖4)。

1) 火山通道成因相。該成因相可以細分為火山頸亞相與隱爆角礫巖亞相，其中火山頸亞相發育廣泛，主要為大套塊狀玄武巖，測井上多表現為大套箱形低GR特征，鉆井揭示厚度達數百米。火山通道成因相對應于從深部巖漿房到火山口頂部的巖漿巖熱液活動及其上涌通道系統，多位于火山機構的下部及中心部位，是火山的噴發通道與核心區，按照噴發方式的差異可以進一步劃分為中心式噴發通道、裂隙式噴發通道及中心-裂隙復合式噴發通道等3種類型，其中中心式通道平面分布范圍較為集中，延伸距離約為1.5～2.5 km；裂隙式通道平面延伸范圍變大，約為5～10 km；而中心-裂隙復合式通道延伸最遠，平面延伸距離約15～20 km。火山通道成因相是巖漿巖向上噴涌至湖盆水體或地表過程中滯留和回填在火山通道中的巖漿巖組合，其最初形成于盆地巖漿巖活動早期，但在巖漿活動的全過程中都有存在，保留下的則多為后期乃至最后一期活動的產物。隱爆角礫巖亞相在研究區局部有較少揭示，多形成于巖漿巖熱液在地下隱伏條件背景中得到一定釋放但又釋放不完全而發生爆炸作用所形成，形成時間要稍晚于巖漿巖主活動期，多位于火山口附近，其代表性巖性為隱爆角礫巖。

圖4 桑托斯盆地巖漿巖成因類型Fig.4 Genesis types of magmatic rocks in Santos basin

2) 噴發溢流成因相。該成因類型巖漿巖代表性巖相為塊狀玄武巖或杏仁狀玄武巖，以火山玻璃為主，含橄欖石、斜長石、輝石，局部夾玄武碎屑巖及再沉積玄武碎屑巖。顯微鏡下可見橄欖石、輝石和斜長石斑晶“漂浮”于火山玻璃基質之中，充填杏仁氣孔的礦物結晶程度較好，部分玄武巖遭受了不同程度的蝕變作用。在結構特征方面，這類玄武巖具有較多的火山玻璃，且具有典型的淬火結構，如骸晶、中空斜長石、燕尾結構以及微晶斜長石，這些結構表明桑托斯盆地的巖漿噴發作用多發生于較深的水體環境之中，其中較小且稀少的圓形杏仁氣孔也可以指示深水噴發環境。

該成因相在測井曲線上對應為弱齒化箱形或鐘形較低GR特征，鉆井揭示單層厚度50～100 m，且經常出現巖漿巖與泥灰巖、貝殼灰巖或砂巖的互層沉積(圖4)，反映并對應于火山的頻繁多期次噴發及噴發間隙所沉積的湖相碳酸鹽巖或海相深水濁積砂巖。這一成因類型的巖漿巖多為巖漿巖從火山通道噴涌而出，被噴濺到水中或空中后回落溢出火山中心區，并向火山側翼繼續流動卸載，之后逐漸冷凝滯留下來固結而成。

3) 侵入成因相。該成因類型巖漿巖代表性巖相為輝綠巖，以斜長石、橄欖石、輝石、角閃石為主，蝕變較為嚴重，可見完全蝕變的橄欖石晶體及未蝕變完全的具反應邊結構橄欖石。顯微鏡下可見結晶程度較好的斜長石、橄欖石、輝石和角閃石。輝綠巖具有較為明顯的輝綠結構，即在板條狀斜長石組成的格架內填充一粒或幾粒與其大小相當的輝石或橄欖石顆粒；輝綠巖中水化礦物的存在(角閃石和黑云母)表明巖石為地下交代侵入成因而非地面/水下噴發成因。從組成和結構來看，桑托斯盆地侵入成因相巖漿巖主要對應于同一階段的火山事件，組成了一個巖床，該巖床由多期次巖漿脈動或巖漿分異作用形成。幾乎所有侵入巖都表現為相似的稀土元素分布模式，表明不同巖石在地球化學特征方面存在親緣特征，反映了單一巖漿來源。

該成因相在測井曲線上對應為弱齒化的箱形，厚度相對于其他2種成因類型明顯減薄，多為20～90 m，多表現為大套疊層石灰巖或鹽巖沉積中的巖漿巖厚夾層(圖4)。桑托斯盆地侵入成因相巖漿巖多形成于火山噴發活動的晚期，在火山機構已經整體形成并漸趨穩定后又發生后期活躍，高黏度巖漿巖受內部壓力擠壓出老的火山機構，侵入后期已經成巖的碳酸鹽巖或蒸發鹽巖地層中并逐漸冷凝固結而成。

2.3 發育模式

綜合考慮巖漿巖的不同成因類型、空間幾何結構特征及其與碳酸鹽巖、鹽巖或漂移期深水沉積的關系，建立了桑托斯盆地巖漿巖發育模式(圖5)。其中，火山通道成因相主要發育在鹽下裂谷階段地層之中，尤其是在強烈斷陷期及斷拗轉換期最為發育。噴發溢流成因相空間分布較為廣泛，在裂谷階段強烈斷陷期、斷拗轉換期、拗陷期以及后期漂移階段均有發育，大多與火山通道成因相伴生，并具有多期次噴發的特征，目前鉆井已鉆遇多套巖漿巖與碳酸鹽巖或砂巖的分期互層結構。火山通道成因相和噴發溢流成因相巖漿作用可以改變盆地的古地貌特征，在局部形成古凸起地形；侵入成因相多與深大斷裂相伴生，主要發生在較晚的漂移階段巖漿巖活躍時期，為深層巖漿巖沿較大斷裂體系擠占侵入到鹽下裂谷階段湖相碳酸鹽巖地層、過渡階段鹽巖地層乃至前期巖漿巖等圍巖體之中形成，多成層狀分布，范圍較為局限。

圖5 桑托斯盆地巖漿巖發育模式(剖面位置見圖1)Fig.5 Magmatic rocks model of Santos basin(see Fig.1 for location)

3 巖漿巖地震反射特征

桑托斯盆地各種成因類型巖漿巖的地震反射幾何形態及內幕結構具有較大的差異，可以作為識別巖漿巖或區分不同成因類型巖漿巖的主要依據(圖6)。

3.1 火山通道成因相地震反射特征

火山通道成因相多位于火山機構的下部或根部，是火山噴發的通道與核心區，具有較為明顯的巖漿巖上涌及運移的通道特征。對應于火山噴發方式的不同，其地震相可以細分為3種亞相。A類：丘狀通道地震亞相(圖6a)，主要對應于中心式噴發，呈現出類圓錐狀外部幾何形態特征，高3.7～10.4 km，寬1.4～2.8 km，并在頂部可見較為明顯的火山口下凹結構；內部多為中弱振幅高頻雜亂反射，局部有上拉現象，整體與圍巖或其他期次的巖漿巖具有明顯的巖性界線，可見其他期次巖漿巖或湖相沉積上超于火山通道側翼，反映出事件性爆發形成古地形高的背景；該類型巖漿巖在強烈斷陷期地層中最為發育。B類：條帶狀上涌地震亞相(圖6b)，對應于裂隙式噴發，多呈不大規則的上涌幾何形態，高3.0～4.1 km，寬0.5～1.2 km；內部為中弱振幅雜亂反射，局部連續性有變化，與圍巖具有明顯的上超不整合接觸，有時可見條帶狀火山通道自強烈斷陷期向上延伸至拗陷末期；該類地震亞相在裂谷期地層中普遍發育。C類：裂隙式上涌地震亞相(圖6c)，對應于裂隙式噴發，多與較大斷裂相伴生，巖漿巖沿斷層或者鹽側翼向上突進并呈現出較窄條帶的特點，高2.0～3.0 km，寬0.1 km；下部多與前兩種類型地震亞相溝通，反映出巖漿巖后期二次活躍并向上運動；內部多為較強振幅雜亂反射，具有后期破壞圍巖的特點；該類地震亞相在鹽巖及漂移期地層中較為常見。

圖6 桑托斯盆地巖漿巖地震相特征Fig.6 Seismic facies characteristics of magmatic rocks in Santos basin

3.2 噴發溢流成因相地震反射特征

噴發溢流成因相多位于火山機構的中上部，呈現出較明顯的厚層狀流出固結形態特征，其地震相可以細分為3種亞相類型。D類：塊狀均一地震亞相(圖6d)，多具有塊狀外形特點，主要發育于鹽下地層，與上下地層具有明顯的地層反射界線，高0.4～0.5 km，寬2.0～3.0 km，且多位于A類丘狀通道亞相或B類條帶狀上涌亞相的側翼，表現出明顯自火山通道噴溢流動而出的空間配置關系；內部多為較均一的弱振幅到空白反射，對應于大套均一厚層的玄武巖巖性；該類地震亞相多在斷拗轉換期地層中發育。E類：層狀交互結構地震亞相(圖6e)，主要發育于鹽下地層，多具有板狀或楔狀的幾何外形，高0.4～0.6 km，寬3.0～8.0 km，多發育于B類條帶狀上涌亞相的側翼或者D類塊狀均一亞相的前端，由巖漿巖自火山口噴溢而出或在厚層塊狀噴溢相前端向湖相沉積過渡形成；內部多為中強振幅連續中低頻平行反射，巖性組合上則對應于玄武巖與碳酸鹽巖或泥巖的互層結構；該類地震亞相在裂谷階段各個時期地層中均有發育。F類：楔狀充填結構地震亞相(圖6f)，其外部幾何形態多呈現楔形—板狀結構，主要發育于鹽上地層，多充填在鹽巖滑動形成的鹽拱或鹽底劈之間的低洼負地形之中，多與C類沿斷層裂隙式上涌地震亞相伴生，自火山通道向周圍逐漸加厚，高0.5～0.6 km，寬度多大于12 km；內部多為中強振幅斷續亞平行—雜亂反射；該類型巖漿巖在鹽上漂移階段地層中普遍發育。

3.3 侵入成因相地震反射特征

桑托斯盆地侵入巖沒有進一步細分亞相，多數表現為單一地震反射軸，主要表現為連續低頻強振幅(圖6g)，平面和剖面上多與深大斷裂或火山通道相伴生。侵入成因相巖漿巖在鹽下裂谷期湖相沉積與鹽巖地層中較為常見。

4 巖漿巖活動期次分析

桑托斯盆地巖漿巖具有多期次活動的特點(圖7)。根據斷裂活動性、地震反射特征及同位素定年等資料，將研究區巖漿巖活動期次劃分為3個階段。

圖7 桑托斯盆地巖漿巖活動期次分析Fig.7 Active stages of magmatic rocks in Santos basin

1) 斷陷期火山活躍階段。從巖漿巖相關及緊鄰巖漿巖的斷層落差數據來看(圖7a)，早期斷陷階段的斷裂活動最為強烈活躍，該時期斷裂的多個位置都存在有較大落差變化，說明斷陷期的火山頻繁爆發引起并伴隨著相關斷裂的活化。通過對研究區多口鉆井在巖漿巖發育層段井壁取心進行巖漿巖40Ar/39Ar同位素定年分析(圖7b)，發現在早白堊世(120～125 Ma,對應于強烈斷陷階段)存在一期明顯的峰值異常，揭示了該時期的火山活動十分活躍并伴隨深層巖漿巖的噴出。相應地，在地震剖面上可以識別出A類丘狀通道地震亞相、D類塊狀均一地震亞相和E類層狀交互結構地震亞相。

2) 拗陷期火山活躍階段。在拗陷期或斷拗轉換期，巖漿巖相關斷層活動也較為強烈，該時期斷裂的一些位置存在有較大落差變化(圖7a)，說明這一時期也在局部存在火山爆發，但活動強度及分布頻率要低于斷陷期；同時，巖漿巖40Ar/39Ar同位素定年分析也反映出在早白堊世(110 Ma左右)存在一期明顯的峰值異常，對應于拗陷期的火山活躍及巖漿巖噴出(圖7b)。相應地，在地震剖面上能夠辨識出B類條帶狀上涌地震亞相、D類塊狀均一地震亞相與E類層狀交互結構地震亞相。

3) 漂移期火山活躍階段。在漂移期晚白堊世土倫階—馬斯特里赫特階，巖漿巖相關斷層又開始變得活躍，該時期斷裂的一些位置又能夠見到有較大落差變化，反映了這一時期局部火山活動的再次活躍爆發(圖7a)，活動強度及分布頻率明顯與拗陷期較為接近，但強度明顯低于斷陷期；同時，巖漿巖40Ar/39Ar同位素定年數據也在晚白堊世(70～90 Ma)存在一期明顯的峰值異常，對應于漂移期的火山活躍及巖漿巖噴出(圖7b)。相應地，在地震剖面上則可以識別出較多的C類沿斷層裂隙上涌地震亞相及F類楔狀充填結構地震亞相。

5 巖漿巖識別刻畫方法探索

桑托斯盆地主要勘探目的層系為鹽下湖相碳酸鹽巖儲層段，其中夾雜了多期次、多種類型的巖漿巖，巖漿巖的存在干擾了儲層預測，也增加了勘探部署的風險以及資源規模估算的不確定性，因此開展對各種類型巖漿巖行之有效的識別刻畫乃至預測顯得愈發重要。結合研究區巖漿巖類型多樣、地質地球物理特征差異明顯的特點，探索出針對不同類型巖漿巖的地質-地球物理識別刻畫方法。

5.1 侵入成因相巖漿巖識別刻畫方法

針對侵入成因相巖漿巖厚度較薄、多位于鹽底附近且小于鹽下地震分辨率的特點，建立了“侵入巖體地球物理識別剔除4步法”：①應用多子波分解與重構技術，有效消除鹽底低頻強振幅對侵入巖層段的能量效應和波形干涉效應，重構后的數據體，突出侵入巖段的分布特征，凸顯其地震反射特征；②基于多維正演模擬的敏感屬性分析方法，明確能量類屬性可以識別刻畫侵入巖分布范圍，侵入巖的存在導致振幅類屬性絕對值增強約41%；③引入“負振幅加和”屬性，實現對侵入巖平面展布的識別預測，落實儲層段內侵入巖體的平面分布范圍；④引入繞射波三維體雕刻技術，實現對侵入巖體的空間刻畫。

5.2 火山通道及噴發溢流成因相巖漿巖識別方法

對于火山通道成因相及噴發溢流成因相巖漿巖，形成了“追根溯源”式地質-地球物理綜合識別方法，該方法主要基于巖漿巖地震相特征及巖漿巖空間相序組合規律。首先明確火山通道相與噴發溢流相存在良好的伴生組合關系(圖8)，可以作為地震解釋追蹤的重要依據；區塊火山噴發與斷裂活動具有相關性，在斷層活化強烈區易于發生火山噴發，因此引入斷裂節點活化強度分析技術指示區塊內火山通道與噴發作用活躍區，然后針對各種類型巖漿巖進行地震反射特征的正演模擬(圖9)，總結出火山通道及噴發溢流成因相巖漿巖的地震相特征，在此基礎上，采用振幅傾角疊合切片，開展平剖面地震相聯動解釋，刻畫火山通道和溢流邊界，進而完成對這兩種成因類型巖漿巖分布范圍的空間識別與解釋追蹤，確定巖漿巖發育區及分布范圍。

圖8 桑托斯盆地火山通道與噴發溢流成因相伴生組合模式Fig.8 Combinatorial pattern of volcanic channel and eruption overflow in Santos basin

實踐表明，上述識別刻畫方法在研究區勘探部署及鉆探中有效規避了巖漿巖的地質風險，同時也在油氣地質儲量及資源規模估算中有效去除了巖漿巖的影響，提高了巴西海上鹽下領域的勘探成效。

圖9 桑托斯盆地巖漿巖地震反射特征正演模擬Fig.9 Seismic forward modeling of magmatic rocks reflection character in Santos basin

6 結論

1) 依據桑托斯盆地巖漿巖宏觀和微觀巖石學特征、噴發作用方式、形成環境差異及火山機構幾何形態，可以劃分出火山通道成因相、噴發溢流成因相及侵入成因相等3種主要的巖漿巖成因類型。各種成因類型巖漿巖的地震反射幾何形態及地震相特征具有較大差異，可以作為識別巖漿巖及區分不同成因類型巖漿巖的有力依據。

2) 桑托斯盆地巖漿巖具有多期活動的特點，根據斷裂活動性分析、地震反射特征及同位素定年分析，將研究區巖漿巖活動期次劃分為斷陷期火山活躍階段、拗陷期火山活躍階段和漂移期火山活躍階段等3個階段。

3) 針對侵入成因相巖漿巖厚度較薄特點，建立了“侵入巖體地球物理識別剔除4步法”；對于火山通道及噴發溢流成因相，形成了“追根溯源”式地質-地球物理綜合識別方法。實踐表明，上述識別刻畫方法在研究區勘探部署及鉆探中有效規避了巖漿巖的地質風險，同時也在地質儲量及資源規模估算中去除了巖漿巖的影響，提高了巴西海上鹽下領域的勘探成效。