黃河口凹陷中洼古近系火山巖發育特征及其對油氣成藏的控制作用*

張志軍 張笑桀 徐德奎

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300452)

黃河口凹陷中洼古近系是渤海油田的重要勘探層系[1-2]，但古近系火山巖大量發育，嚴重影響地震資料品質，很難弄清火山巖對(準)同沉積期碎屑巖地層油氣成藏的影響，這在很大程度上制約了該地區油氣勘探成效。與常規沉積巖層不同，火山巖層基本不受可容空間限制，具有典型異化地層特征。至20世紀中葉，火山研究不斷深入，發現火山巖層具有獨特的成因序列[3-6]，如謝家瑩[4]、冀國盛[5]等先后在勘探成熟區重點基于測井、鉆井資料精細對比，提出了旋回、組、巖相、層和旋回、亞旋回、巖流組、巖流單元的劃分方法；王璞珺 等[6-7]在松遼盆地徐家圍子火山巖研究中提出了基于巖性、測井響應和地震反射外型的段、旋回、期次劃分方案，實現了少井區火山巖層序橫向對比，且取得了良好應用效果。但比較而言，黃河口凹陷中洼古近系火山巖存在多期疊置、被復雜斷裂系統切割、與常規碎屑巖伴生及物性特征復雜等難題，且火山巖層地震反射外形、巖相、厚度等特征與松遼盆地巨厚火山巖有顯著差異[6-7]，因此上述針對少井區火山巖體刻畫的方法、經驗已難以直接應用。

在火山巖對油氣成藏控制作用方面，前人亦有大量研究，但大多集中于松遼盆地、塔里木盆地。研究表明，物性較好的火山巖可作為有效儲層[1-6]，致密火山巖可作為碎屑巖油氣藏的蓋層或側向遮擋條件[7-9]，但火山活動對附近烴源巖生、排烴和碎屑巖儲層的影響尚存多種不同理解。例如，劉嘉麒[10]、郭占謙[11]等在松遼盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地的相關研究中發現火山活動產生的巖漿、火山灰流會侵占碎屑巖沉積可容空間，不利于優質儲層、烴源巖發育，穿切沉積巖地層的火山巖對油藏、源巖有強烈破壞作用，火山熱液與硅質碎屑發生作用會產生礦物沉淀充填原生孔隙，從而降低儲層物性；但也有研究認為，火山活動為優質碎屑巖儲層發育提供了良好物源條件，巖漿熱液攜帶CO2對形成次生孔隙具有建設性，中基性凝灰質在酸性環境中極易溶蝕，火山巖圍區砂巖溶蝕孔隙與火山物質密切相關，火山活動產生額外熱能、微量元素對生排烴有積極作用[12-17]。

本文選擇黃河口凹陷中洼南部斜坡帶為靶區，以井筒、三維地震資料為核心，建立了地質與地球物理互饋的研究模式，對該區古近系火山機構的形成、演化進行了精細解剖，并結合地球化學資料探討了火山活動期次、強弱對(準)同沉積期碎屑巖油氣成藏的影響。

1 區域地質概況

黃河口凹陷位于渤海海域東南部(圖1)，郯廬斷裂帶縱貫切割整個凹陷，北與渤南低凸起相望，南接萊北低凸起、墾東凸起，西與沾化凹陷相連，東以郯廬斷裂為界，面積約3 300 km2[1-2]。該凹陷具有北斷南超、西深東淺的結構特征和三洼一隆的構造格局，主要發育北東向走滑斷裂和近東西向伸展斷裂，斷裂樣式復雜、圈閉類型多樣，具有復式成藏特征，是渤海海域三大富烴凹陷之一。受控于同期伸展作用所形成的半地塹格局，該凹陷發育以深湖—半深湖相厚層泥巖為主的古近系優質烴源巖層系，縱向上具有良好的儲蓋組合，但在凹陷中洼、東洼有大量火山巖發育，具有厚度變化大、巖性多樣(以玄武巖、凝灰巖、輝綠巖為主)、平面分布廣、多期次疊置的特點。

圖1 研究區構造綱要圖Fig .1 Structural framework of the study area

2 火山巖噴發期次及地球物理響應特征

與沉積巖不同，火山巖作為火山活動的產物，其生成、發育不受水體可容空間控制，地層巖性從火山口向外由火山巖逐漸過渡為常規沉積巖，在地震剖面上具有異化地層穿時的特征[6]。火山活動旋回是劃分火山活動變化的層序單元，具有規則性、規律性、同源性，包含起始期至高峰期、高峰期至衰退期、衰退期至休眠期的整個過程，反映火山活動在時間上的演化序列。研究表明，火山巖旋回劃分標志主要有3個：一是具有區域對比性的火山質沉積巖、沉凝灰巖夾層；二是上下存在火山活動強度、巖性、巖相差異的不整合面；三是火山巖具有明顯疊置特征差異[7]。

本次研究中將火山巖旋回劃分的主要標志和巖性組合與地震響應特征相結合，將研究區火山活動劃分為兩大旋回、6個期次。一個完整的火山活動旋回包括多個活動期次，從平靜期到起始期，再到發展期，止于休眠期，而穩定分布的沉積巖夾層、不整合面是劃分火山活動旋回的最明顯標志。以A8井為例，東營組頂部、沙河街組頂部發育2套穩定分布的泥巖，據此將研究區古近系火山活動劃分為兩大旋回，在測井曲線上表現為高自然伽馬、高聲波時差、中低電阻率的特征，其中旋回Ⅰ頂部發育的沉積巖層在地震剖面上表現為中弱振幅、中連續、低頻反射特征，受到上覆厚層火山巖能量屏蔽影響而反射能量較弱，但與火山巖雜亂反射有明顯區別；旋回Ⅱ頂部發育的大套沉積巖層在地震剖面上表現為中強振幅、中頻、連續反射特征，成層性明顯，與上覆地層為超覆接觸關系，是渤海油田的區域不整合面(圖2)。

圖2 黃河口凹陷中洼南部斜坡帶A8井地質綜合柱狀圖與典型地震剖面Fig .2 Typical geological comprehensive columnar map and seismic profile of A8 well in the southern slope zone of middle subsag,Huanghekou sag

火山活動期次是一次相對連續的火山活動，具有規律性、同源性的特征；單一火山旋回可劃為多個噴發期次[8-12]，且同一火山旋回不同噴發期次的巖性類型、韻律結構、厚度以及地震反射強度、連續性、反射構型、接觸關系(超覆、下超、削截等)都有不同，可作為期次劃分的依據。仍以A8井為例，研究區古近系火山活動旋回Ⅰ可劃分為2期，其中Ⅰ1期底部以似層狀紅色玄武巖為主，受到上覆火山巖強反射能量屏蔽影響，地震剖面上以似層狀、強振幅、中連續反射為主，上覆凝灰巖以弱振幅、雜亂反射為主，為高峰期；Ⅰ2期以泥巖、細砂巖為主，厚度約為50 m，是火山巖夾層的2倍，為衰退期或短暫休眠期，即旋回Ⅰ、Ⅱ的分界面，地震剖面上具有由弱連續雜亂反射向層狀連續反射過渡的特征，橫向對比性較好。旋回Ⅱ是研究區主要火山活動旋回，可劃分為4期，其中Ⅱ1期以凝灰巖為主，僅在底部發育一套玄武巖，地震剖面上具有由底部中強振幅強連續反射向上覆厚層弱振幅雜亂反射變化的特征；Ⅱ2期下部以輝綠巖和玄武巖為主，頂部發育厚層凝灰巖，具有多火山口大規模噴發特征，地震剖面上具有下部強振幅強連續反射與上部中弱振幅雜亂反射并存的特征，與下伏地層為超覆接觸關系；Ⅱ3期發育大套玄武巖，為火山活動高峰期，地震剖面上以強振幅強連續反射為主，成層性好，與下伏地層為超覆接觸關系；Ⅱ4期以凝灰巖、褐色泥巖為主，為火山的衰退期和靜止期，地震剖面上以中弱振幅連續反射為主，成層性較好。

3 火山機構類型特征及演化模式

3.1 火山機構類型特征

作為火山巖的主體，火山機構是指一定時期由同源火山物質組成的三維空間結構體[12-14]，即由同一火山口噴出的火山巖堆積而成。顯然，火山通道及火山口相是火山機構的核心，因此對火山通道進行準確刻畫是火山研究的首要任務。研究區火山通道有兩類，即地塹或半地塹式和中心式火山通道，是與基底斷裂伴生且具有雜亂斷續強反射特征的裂隙式通道。依據火山通道類型，可將研究區火山機構分為3類(圖3)，即中心式、裂隙式、復合式。由于火山機構發育區存在強多次波干擾、偏移成像精度不足等原因而導致資料品質不佳，因此需要據火山機構特征優選地震刻畫手段。

研究區中心式火山機構由火山頸和火山口亞相組成，地塹式火山口下部可見類似走滑斷裂的穿切式火山頸，火山口直徑290～1 050 m，縱向規模可達408 m；火山頸直徑普遍小于50 m，縱向穿切深度超617 m，頂部玄武巖蓋厚度達105 m，幅度最大約150 m。裂隙式火山機構規模不等，以切穿基底的大中型斷裂為通道，巖漿由裂隙傳導噴溢，在斷裂一側可見雜亂反射或強反射(由于郯廬斷裂的影響，研究區斷裂系統復雜，多期斷裂相互穿切，裂隙式火山通道響應特征更加復雜)。復合式火山機構表現為多中心式、裂隙式火山機構相互疊置，不同活動期形成的火山巖厚度、規模變化劇烈，下伏地層反射更弱、雜亂，導致該類火山機構地震反射辨識度更低(圖3)，常規幾何屬性刻畫難度較大。通過波動方程火山機構正演模擬，篩選出基于傾角體的邊緣檢測雙向增強屬性，進一步減弱沉積地層強反射、構造起伏的影響，采用沿斷裂、構造走向和傾向分別計算火山機構雜亂反射邊界，增強了火山機構反射邊界強度，結果顯示同一時期檢測值越高，火山機構規模越大，數量越多，溢流相玄武巖越發育，火山活動性越強(圖4)。

圖3 黃河口凹陷中洼南部斜坡帶典型火山機構類型Fig .3 Typical types of volcanic structures in the southern slope zone of middle subsag,Huanghekou sag

圖4 黃河口凹陷中洼南部斜坡帶火山機構識別Fig .4 Central volcanic mechanism identification of the southern slope zone in middle subsag,Huanghekou sag

3.2 火山機構演化過程

通過對不同期次火山機構的研究，發現研究區火山機構的發育、展布具有明顯的時空差異，具體表現為：

1) Ⅰ1期對應早始新世裂陷Ⅰ幕，該時期形成大量斷裂，溝通深部巖漿房，火山開始活動，在底部發育紅色玄武巖；北西—南東向伸展斷裂發育，斷裂根部有環形火山口亞相分布，沿斷裂伴生玄武巖強反射，但火山活動總體不強，火山機構規模較小、數量少，A8、A6井鉆遇同期溢流相玄武巖，厚度分別為42 m和32 m(圖5a)。

圖5 黃河口凹陷中洼南部斜坡帶火山巖期次演化過程Fig .5 Evolution of volcanic activity stages in the southern slope zone of middle subsag,Huanghekou sag

2) Ⅰ2期屬于Ⅰ幕裂后熱沉降拗陷幕，火山巖厚度薄，火山活動變弱并進入平靜期，該時期火山口反射強度弱，檢測結果主要受斷裂控制，僅A8井鉆遇同期火山巖，厚度為18 m(圖5b)。

3) Ⅱ1期屬于始新世中期裂陷Ⅱ幕，右旋走滑斷裂活化，伴隨北西—南東向伸展和幔隆運動，斷裂活動性、巖漿活動強度增強，火山活動也進入復蘇期，A1、A4、A8井鉆遇同期火山巖，厚度分別為38 m、28 m和41 m，但同期新增火山機構較少(圖5c)。

4) 隨著右旋走滑和地幔活動，Ⅱ2期底部發育厚層輝綠巖、玄武巖，A8、A4、A6、E1井鉆遇同期火山巖，厚度分別為71 m、43 m、35 m和25 m，檢測結果繼續增強，為火山活動的接力增強期，火山口發育數量增多，規模增大，均沿主干斷裂展布，表現為較多孤立的中心式火山，且由斜坡高部位向凹陷內部遷移(圖5d)。

5) Ⅱ3期是高峰期，巖漿活動強烈，A8、A6、E1、A4、A2井鉆遇同期火山巖，厚度分別為95 m、76 m、46 m、42 m和34 m，該時期火山活動最強，巖漿噴發持續最長，對應的檢測結果也最強，火山口數量、規模、反射強度均達最大，且沿斷裂帶自東向西展布，在A1井兩側、A2井東側、A4井南側均可見到規模型中心式火山通道發育(圖5e)。

6) Ⅱ4期屬于衰退期，表現為泥巖之間夾有多個凝灰巖層，火山口數量、規模均較小，檢測結果較弱，以斷裂為主(圖5f)。

由此可見，研究區整個火山活動演化過程呈現斷裂活動強烈、巖漿活動頻繁、活動中心自始新世早期逐漸向西遷移的特征，具有東強西弱的基本格局。

4 火山活動對油氣成藏的控制作用

4.1 火山活動對成烴的影響

有學者認為，火山活動會導致水體環境改變、抑制生物富集、侵占湖相泥巖發育空間、有機質高溫分解等不利因素，阻礙優質烴源巖的發育和熱演化進程[11-12]。有機質豐度和成熟度是評價烴源巖最重要的指標,其中有機質豐度直接與烴源巖質量相關，評價指標通常包括有機碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”、總烴質量分數和巖石熱解生烴潛量(S1+S2)等；而成熟度直接決定有機質的排烴時間，評價指標有Ro、巖石熱解峰溫及生物標志化合物參數等[11-14]。本次研究中，采用TOC、S1+S2、Ro等評價指標綜合分析火山活動強度對黃河口凹陷中洼烴源巖的影響。

研究表明，沙三段深湖—半深湖相泥巖、沙一二段濱淺湖相油頁巖、東三段半深湖—深湖相泥巖為黃河口凹陷的主力烴源層系[15]，成烴物質基礎較好，其中沙三段TOC值最高，為0.42%～9.2%，平均2.27%；沙一二段TOC值次之，為0.3%～4.8%，平均1.8%；東三段TOC值最低，為0.3%～2.8%，平均1.2%。統計分析表明，黃河口凹陷中洼受到火山活動的影響，TOC值大于2%的好烴源巖樣本占比為48%，TOC值大于1%的中等烴源巖樣本占比為30%(圖6a)；而黃河口凹陷西洼未受到火山活動的影響，TOC值大于2%的好烴源巖樣本占比達65%，TOC值大于1%的中等烴源巖樣本占比為32%(圖6b)。

圖6 黃河口凹陷中洼、西洼烴源巖有機質豐度樣品分布頻率Fig .6 Distribution frequence of organic matter abundance of the source rocks in middle and western subsags,Huanghekou sag

S1+S2值能夠更好地反映烴源巖的有機質豐度，常與TOC聯合使用。對于渤海海域，一般認定烴源巖S1+S2值大于10 mg/g時為優質烴源巖。統計分析表明，黃河口凹陷中洼沙三段S1+S2值為2.1～61.2 mg/g，平均27.6 mg/g，其中有45%的樣本達好烴源巖標準，有32%的樣本達較好烴源巖標準；沙一二段S1+S2值為0.76～21.6mg/g，平均7.3 mg/g，其中有28%的樣本達好烴源巖標準，有31%的樣品達較好烴源巖標準；東三段S1+S2值為0.31～30.60 mg/g，平均5.7 mg/g，其中有32%的樣品達好烴源巖標準，有29%的樣品達較好烴源巖標準(圖7a)。可見，黃河口凹陷中洼三套烴源巖TOC、S1+S2值均較高，其中沙三段烴源巖物質基礎最好，生烴潛力最強，與整個黃河口凹陷烴源巖特征完全一致，并未因火山活動而改變有機質的富集。

圖7 黃河口凹陷中洼烴源巖TOC、S1+S2及Ro分布特征Fig .7 TOC,S1+S2 and Ro distribution of source rock in middle subsag，Huanghekou sag

有機質豐度決定烴源巖的成烴潛力，而有機質成熟度最終決定烴源巖能否生成油氣。研究表明，火山運動導致地殼深部攜帶高溫巖漿物質噴出地表、侵入巖層，這些火山巖的溫度基本超過600 ℃，在冷卻過程中促使鄰近地層變為熱源體，將加熱促進有機質的成熟，這種現象稱為灶體熱源[11-12]。統計分析表明，黃河口凹陷西洼未受到火山活動的影響，烴源巖Ro值為0.38%～0.62%，約有50%的樣本Ro值大于0.5%,處低熟—成熟階段，生烴門限在2 600 m左右；而黃河口凹陷中洼烴源巖Ro值為0.46%～0.76%，絕大部分樣本Ro值大于0.5%,處于低熟—成熟階段，生烴門限在2 200 m左右(圖7b)，可見同沉積期火山活動高峰期對黃河口凹陷中洼有機質的加快成熟具有建設性作用，有利于油氣更早大量生成。

此外，火山熱液中包含大量Fe、Zn、Ni、Co、Cu、Mn等金屬元素，在有機物質向石油天然氣轉化的過程中，這些金屬元素礦物可以顯著提高有機質生烴量，加速石油的生成，甚至生成低熟油氣[10-11]。B4井位于黃河口凹陷西洼，基本不受火山活動的影響，過渡金屬元素含量較低，東營組與沙河街組差異不大，以Ni和Co為例，均值分別為27.8 μg/g和14.6 μg/g(表1)；而A1井位于黃河口凹陷中洼中心斷裂北側，過渡金屬元素含量高，縱向各層差異明顯，以Ni和Co為例，東二段均值分別為95.7 μg/g和40.3 μg/g，東三段均值分別為33.9 μg/g和17.1 μg/g，沙河街組均值分別為25.1 μg/g和12.5 μg/g(表1)，可見金屬元素含量隨火山活動增強而升高。若在后期發現中洼產出原油中Fe、Mn等金屬元素含量偏高，則進一步印證火山熱液金屬元素的催化作用。

表1 黃河口凹陷中洼南緣、西緣地層元素含量對比數據Table 1 Comparison data of element contents in the southern and western margins of middle subsag，Huanghekou sag

4.2 火山活動對儲層的影響

研究區火山活動由始新世早期開始，各期火山活動強度與機構規模、類型差別較大，同沉積期碎屑巖沉積規律也不同。始新世早期，斷裂活動劇烈，大量斷裂開啟深部巖漿房，多個火山機構在中、東部開始形成，但火山機構規模較小并未影響碎屑巖搬運規律，來自西南側墾東凸起的物源向凹陷方向減薄，為典型三角洲相；始新世早中期，為沙一段沉積期，屬于裂后熱沉降坳陷期，火山活動相對較弱，火山機構數量、規模基本與始新世早期保持一致，沉積中心主要受斷裂控制，但整體沉積面貌仍為自西南向凹陷深部減薄的三角洲相沉積；始新世中期，火山活動增強，火山機構數量增多、規模顯著增大，沿主干斷裂出現眾多火山機構，伴生溢流相玄武巖、巖墻侵入體，使得中央火山機構群開始阻斷來自西南的三角洲向凹陷深部運移，沉積中心變為由西至東，在火山機構富集區形成砂體富集帶；始新世晚期火山活動強度達頂峰，強烈的火山活動進一步阻斷沉積物沿斜坡向凹陷運移，沉積中心逐漸由東西兩個中心變為東西帶狀分布，可見火山活動在占據沉積物可容空間時會改變沉積物搬運模式，在火山機構群的一側、間隙內形成局部沉積中心，可作為優質勘探靶區(圖8)。以沙一段優質儲層為例，A1、A4、A5井反演厚度分別為22.0、36.0和32.5 m，實鉆厚度分別為24.0、33.8和29.0 m，平均誤差小于9%，反演效果較好。

圖8 黃河口凹陷中洼南部斜坡帶古近系相控儲層厚度演化反演Fig .8 Inversion of Paleogene facies-controlled reservoir thickness evolution in the southern slope zone of middle subsag,Huanghekou sag

此外，火山活動產生大量的熱液、金屬元素等物質，對碎屑巖儲層的成巖演化具有多方面的影響。如火山活動會導致水解反應，使噴發物不穩定組分析出Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+、Al3+、Fe3+等陽離子，可形成堿性還原環境，促使蒙皂石形成，并加速蒙皂石向綠泥石轉換；而火山熱液會導致硅質膠結，不利于原生孔隙的保存[16-17]。通過對研究區200余塊巖石薄片的分析發現，主要儲集層段受火山熱液硅質成分的影響較小，基本未見熱液導致的硅質膠結，石英次生加大不明顯；火山巖綠泥石蝕變現象較多，在同沉積碎屑巖儲層中可見顆粒四周有明顯的綠泥石包膜，能夠抑制石英加大邊的發育，有利于原生孔隙保存，而后期排烴所形成的大量有機酸又能夠通過薄膜，對溶蝕次生孔隙的形成有積極作用。相應地，鏡下薄片還可見到大量火山沸石充填，可增強儲層抗壓強度，有利于儲層原生孔隙保存；該火山礦物是在堿性環境中形成的易溶礦物，在后期有機質熱演化生成的有機酸等溶蝕流體通過原生粒間孔注入上覆碎屑巖儲層內部時會形成更多的溶蝕次生孔隙(圖9)。綜合分析認為，研究區火山活動對同沉積期碎屑巖儲層原生孔隙保存、次生孔隙發育有積極意義。

5 結論

1) 利用區域標志層與地震相特征相結合的方法能夠較好地進行火山活動旋回與期次劃分，其中全區穩定分布的沉積巖、沉凝灰巖夾層、不整合面是火山活動期次識別的基礎，而地震反射連續性、振幅強弱、成層性的變化是火山活動期次區域識別的標志。研究區火山活動可劃分為2個旋回、6個期次，該區整個火山活動演化過程呈現斷裂活動強烈、巖漿活動頻繁、活動中心自始新世早期逐漸向西遷移的特征，具有東強西弱的基本格局。

2) 火山活動對研究區烴源富集及油氣生成具有建設性作用。火山活動不會顯著改變洼陷的有機質富集規律，但所攜帶的高溫灶體熱源會加速有機質的演化進程，使烴源巖生烴門限變淺，有利于油氣的大量生成；同時，火山活動攜帶的大量金屬元素對低熟油氣、生烴量的增加具有建設性作用。

3) 研究區火山活動的高峰期是火山機構大規模發育時期，所伴生的火山口、伴生溢流相玄武巖、巖墻侵入體除了可以形成側向圈閉外，還可能改變沉積物的富集規律，在火山機構富集區面向物源的一側形成厚砂層，可作為優質勘探靶區。此外，火山活動產生的綠泥石包膜、沸石等礦物有利于同沉積期碎屑巖儲層原生孔隙、次生孔隙的形成，對優質儲層的發育具有積極意義。