瓊東南盆地碟形侵入體的地震響應特征及油氣意義

吳曉川 張功成 蒲仁海*(①西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069； ②西北大學地質學系，陜西西安 710069； 中國海洋石油研究中心勘探研究院，北京 100027)

1 引言

碟形侵入體在沉積盆地特別是位于大陸邊緣的沉積盆地中普遍發育。Magee等[1]、Schofield等[2]在北大西洋的法羅—設得蘭盆地、泛愛爾蘭羅科爾盆地的地震剖面上分別識別出100和82個底部平坦、翼部往上翹傾的火成巖床，巖床的組合型式為單個巖床在垂向上至少與另一個巖床連接，構成規模巨大的巖床復合體。深度小于1.5km的巖漿侵入活動形成的巖床在地震剖面上通常表現為碟形反射[2-4]；深度大于1.5km的巖漿侵入活動形成的巖床較為平整，翹傾的翼部欠發育，為整合反射[3,5-7]。大陸邊緣盆地中砂巖侵入形成的巖床在地震剖面上同樣表現為碟形反射，這已在北海、法羅—設得蘭等盆地得到鉆井證實[8，9]。

兩種類型的巖床可共存于同一個沉積盆地中，甚至侵位于同一套地層中。從沉積角度看砂巖侵入隸屬于液化顆粒流的范疇，從構造角度看砂巖侵入隸屬于軟沉積變形的范疇。弱固結的砂巖在異常超壓下可活化并上侵[10]，而熔融的巖漿以浮力為主要驅動力?；鸪傻螏r床在中國大陸邊緣盆地也有發育，如瓊東南盆地松南凹陷和寶島凹陷[11]、珠江口盆地白云凹陷[12]、東海盆地椒江凹陷[13]、黃海盆地[14]。砂巖侵入在珠江口盆地白云凹陷表現為孤立丘狀反射[15]，在瓊東南盆地陵水低凸起表現為數個縱向疊置的碟形反射[16]。

識別埋深于地下的碟形侵入體的可靠方法是鉆井驗證，由于其不是油氣勘探的主要對象而易被忽視，導致對其成因的認識模糊。在無井的條件下，通常采用地層壓力梯度、速度分析等方法識別砂巖侵入。前人利用磁異常、重力異常、高速異常等多種地球物理異常輔助地震剖面識別火成巖床[17，18]。在瓊東南盆地很少有井鉆遇巖漿巖，大多通過地震反射樣式確定火成巖[19]。

本文根據二維地震資料，在分析瓊東南盆地碟形侵入體反射特征的基礎上，依據反射系數和鄰區VSP測井資料求取碟形侵入體的波阻抗值，通過分析地層壓力和沉積環境排除了砂巖侵入的可能性。

2 地質背景

瓊東南盆地位于南海西北部，呈北東向展布(圖1)。自新生代以來，盆地演化分為三個階段[20]：始新世和漸新世的裂谷期，自漸新世(36～21Ma)開始沉積了崖城組、陵水組； 早—中中新世(21～10.5Ma)為熱沉降期，沉積了三亞組和梅山組；晚中新世—第四紀為快速沉降期(10.5Ma～)，沉積了黃流組、鶯歌海組、樂東組(圖2)。該盆地有著巨大的油氣資源潛力，20世紀80年代就在崖南凹陷發現了巨大的商業性氣田，且在其周緣的崖北凹陷、崖城凸起相繼鉆遇不同豐度的油氣藏(圖1)。YC8-2-1井鉆遇了豐度較高的崖城組煤系暗色泥巖，YC8-1-1井發現了富含油砂的陵水組，YC7-4-1井發現了2.5m厚的氣層，YC14-1-1井在三亞組發現了1.4m厚的油層顯示[21]。近年來在盆地深水區的中央峽谷也發現了大氣田[22]。盆地深水區普遍存在異常超壓，漸新統崖城組已形成東、西兩大超壓系統，到10.5Ma以來盆地深水區組成統一的超壓系統，且西部壓力系數普遍超過2.2，最高達2.27[16,23]?？偟膩碚f，瓊東南盆地具備砂巖侵入的深水超壓條件，且盆地內發現的多期次巖漿活動意味著盆地內碟形侵入體的成因較復雜。

圖1 瓊東南盆地構造單元及井位、測線位置圖

圖2 研究段地層劃分

3 地震反射特征

3.1 幾何學特征

碟形侵入體由三部分組成：一是平坦的底部巖席，與地層層面大致平行；二是翹傾的翼部巖席，向上、向外以一定角度侵入地層，出現明顯的不整合；三是外部巖席，斜向上的翼部發生明顯轉折，外部巖席與地層的夾角明顯小于翼部與地層的夾角，繼而以向外的橫向延伸為主[24]。膠結不甚致密的砂巖在超壓驅使下，侵入相鄰或較遠的軟弱地層中，由于其與圍巖波阻抗值的差異而表現為強反射?；鸪蓭r與圍巖的波阻抗值差異更大，因而引起更強的反射。巖床的厚度一般在地震子波的半波長范圍之內，圍巖與巖床的接觸面為一個正反射系數界面，在正極性地震資料上表現為“上峰下谷”的不對稱反射或“一峰兩谷”的對稱反射(圖3a、圖4a、圖5a)，所以在地震剖面上呈異常強反射的碟形侵入體的厚度在數十米之間，但其橫向延伸長度在數千米～數十千米之間[25]。造成垂向厚度和橫向延伸長度差異巨大的原因是地層的縱向楊氏模量遠遠小于橫向楊氏模量[26]。

本次發現的①號碟形侵入體位于北部淺水區崖城凸起，出現在第四系樂東組近水平的沉積層中(圖3a)。強振幅低頻反射突然消失的位置就是碟形侵入體橫向尖滅的端點，其橫向寬度為5.5km，刺穿了上部175ms的地層，由底部、翼部、外部三部分巖席組成(圖3)。左翼的高度和寬度稍大于右翼，左側外部巖席的延伸長度也大于右側外部巖席的長度(表1)，且左側外部巖席產狀近水平而右側仍與地層斜交。②號碟形侵入體位于北部淺凹崖北凹陷上新統鶯歌海組，產出于傾斜地層中，底部巖席同地層層面保持平行，右翼截切地層的角度較左翼大，外部巖席不發育。整個碟形侵入體的寬度為3.37km，刺穿地層的垂向高度為256ms，為不對稱的異常強振幅反射(圖4a)。③號碟形侵入體位于深水區南部隆起，由翹傾的翼部和弧形上凸的底部巖席組成。與前兩個侵入體不同的是，傾斜的翼部與底部銜接處呈尖棱狀轉折而非弧形轉折，其寬度為2.46km，刺穿上覆162ms的地層，左翼高度小于右翼高度(圖5)。

圖3 ①號異常反射體地震剖面(a)及反射強度剖面(b)

圖4 ②號異常反射體地震剖面(a)及反射強度剖面(b)

圖5 ③號異常反射體地震剖面(a)及反射強度剖面(b)

表1 碟形體幾何要素表

3.2 波阻抗求取

由于前期勘探部署井未鉆遇上述三個碟形侵入體，但①號和②號碟形侵入體附近存在多口鉆井(①號侵入體距西北方向的YC8-2-1井僅為13km，②號侵入體距東北方向的YC7-4-1井僅為12km)。由于①號和②號碟形侵入體的圍巖地層時代均較新，鶯歌海組和樂東組對應盆地的快速沉降期，因此構造沉積差異遠遠小于裂谷期。

利用崖城凸起和崖北凹陷的YC13-6-1、YC7-4-1、YC14-1-1、YC8-2-1、YC8-1-1等井的VSP數據擬合各自的時深關系。上述井的時深關系曲線重合度非常高，除了位置稍偏南的YC13-6-1井外，北部4口井的時深關系趨于一致(圖6)，因此碟形侵入體所在區域的圍巖特征大致相同。通過擬合的VSP數據求取碟形侵入體刺穿的上覆地層的平均速度，然后根據 Gardner公式推算對應的地層密度，進而得到相應的波阻抗值，再通過反射強度剖面讀取碟形侵入體的反射強度，并結合刺穿巖層的波阻抗值反推碟形侵入體的波阻抗值。①號碟形侵入體刺穿地層的頂、底反射時間分別為614、784ms，在VSP曲線上對應的深度分別為575.65、763.99m，被刺穿巖層的平均速度為2152m/s，對應的密度值為2.1g/cm3，碟形侵入體的反射強度為0.18。②號碟形侵入體刺穿地層的頂、底反射時間分別為1654、1910ms，在VSP曲線上對應的深度分別為1999.31、2449.28m，被刺穿巖層的平均速度為3515m/s，對應的密度值為2.3g/cm3，碟形侵入體的反射強度為0.17。

圖6 ①、②號碟形侵入體周緣鉆井VSP時深關系疊合圖

4 討論

4.1 侵入類型分析

砂巖侵入的物質來源于盆地蓋層中的超壓層，熔融的巖漿來自中下地殼甚至是地幔。因此，火成碟形侵入體的巖漿通道首先穿過盆地基底，然后刺穿蓋層，達到相應的巖層接觸面上，巖脈就會轉為巖床。該接觸面可以是剝離面，也可以是應力主軸方向發生改變的面(該面以下σ1豎直、σ3水平，該面以上σ1水平、σ3豎直)，還可以是上、下巖層彈性性質差異較大的接觸面[26]。

在①號碟形侵入體的正下方可見寬度為3.5km的柱狀通道，該通道呈雜亂反射，在方差體剖面上通道形態更為明顯(圖7a)，連接了盆地的結晶基底；在②號碟形侵入體的下方可見傾斜的柱狀通道，該通道寬約2km，該通道同樣來自盆地基底，斜向上刺穿了斷層，說明兩者的物質來源并非沉積層。其次，計算出的波阻抗值(分別為6.5×106、1.1×107kg·m-2·s-1)遠大于北部淺水區砂巖，且VSP反映的時深關系否定了碟形侵入體附近存在異常超壓，表明不存在砂巖侵入的動力來源。此外，在出現①號、②號碟形侵入體的地震剖面上未見大套砂巖的地震反射，周緣井鉆遇的樂東組、鶯歌海組和黃流組偏向泥質沉積，這就意味著缺乏砂巖侵入的物質來源。從所處的位置來看，①號碟形侵入體位于陸架上(圖7b)，與已發現的處于深水環境的砂巖侵入體截然不同。因此，①號和②號碟形侵入體應為火成巖床。③號碟形侵入體位于盆地南部隆起，其附近沒有鉆井。由圖1和圖5可見，③號碟形侵入體位于南部隆起的高部位，缺失T60以下沉積，隆起周緣的三亞組應為淺水沉積，沉降速率緩慢，遠離北部物源，是生物礁等碳酸鹽巖發育的重要背景[28，29]。砂巖侵入的母體砂巖一般形成于深水環境的快速堆積，顯然③號碟形侵入體的周緣地層不滿足該條件。③號碟形侵入體直接位于盆地基底上，在其下方可見三個柱狀通道，除形成③號碟形侵入體外，左側通道的上方還有丘狀的巖體侵入。沉積環境和通道的分析表明，③號碟形侵入體也為火成巖床。

圖7 ①號碟形侵入體周緣方差體剖面(a)及過①號碟形侵入體的地震大剖面(b)

綜上所述，①、②、③號碟形侵入體均為火成巖碟形巖床，其中①、②號碟形侵入體不具備砂巖侵入形成的超壓條件和物質來源，③號碟形侵入體不具備砂巖侵入發育的深水環境，上述侵入體的地球物理特征類似于火成巖。

4.2 侵入時間確定

確定火成巖形成地質年代的較常規方法是同位素測年，但在無井、無樣品的情況下，采用地震剖面同相軸的終止和疊置關系劃分巖漿活動期次也是可行的做法。瓊東南盆地的巖漿活動十分普遍，前人大多在無井條件下利用地震資料劃分相應的巖漿活動期次。松南三維區的巖漿侵入活動可劃分為早中新世和第四紀兩個期次[11]，而崖北凹陷在新近紀末期有一次噴發活動[30]。

針對本次研究的碟形侵入體，采用不整合面、地層厚度變化分析其活動期次。①、②、③號碟形侵入體的出現均引起上部地層的被動褶皺，其中褶皺寬度略寬于碟形侵入體兩翼的寬度，褶皺的隆起幅度與平坦巖席的厚度呈正相關(圖8)。 與巖床侵入體有關的強制褶皺的出現可引起地史時期沉積表面的變化，后期沉積的地層就會在褶皺兩翼形成超覆不整合，在不整合面上新地層的厚度向褶皺頂部減薄。該超覆不整合面代表的地質年代即為巖漿侵入年齡，同時該不整合面也為上部頂薄褶皺和下部協調褶皺的分界面。

圖8 放大后的①(a)、②(b)、③號(c)碟形巖床及有關的褶皺與不整合(d)

因此，①號碟形侵入體形成于樂東組沉積時期，時間小于1.8Ma，②號碟形侵入體形成于上新世鶯歌海組沉積末期T20不整合面形成時期，對應1.8Ma，③號碟形侵入體形成于梅山組沉積末期T40不整合面形成時期，對應10.5Ma。

5 油氣意義

從巖漿侵入的時間來看，本次活動的時間分布于中中新世末、晚中新世末期以及第四紀。①號和②號碟形侵入體周緣鉆井發現了不同程度的油氣顯示，由于它們的形成時間均較晚，可能對油氣藏保存不利，但其分布局限，不會造成大范圍的破壞。盆地北部崖北凹陷崖城組烴源巖干酪根類型以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，從凹陷邊緣到凹陷中央，鏡質體反射率R0值為0.6%～2.1%，屬于油氣共生階段[31]。從①號、②號碟形侵入體的發育時間和所處的邊緣位置來看，其侵位時凹陷北部烴源巖的R0值很可能還不到0.6%，高溫巖漿必然促進烴源巖的熱演化。其中三亞組和陵水組作為該區已證實的儲層，巖漿在刺穿三亞組地層時會引起周緣儲層的孔隙度變化，但巖漿沒有發生遠距離側向侵位，因此作用區域不大。

從理論上講，巖床分為上、下致密段和中間滲透段三個部分(圖9)，上、下致密段是巖床的冷凝邊，中間滲透段是巖漿冷凝過程中發育的節理段[32]。具有一定厚度的巖床，其水平節理和柱狀節理都較為發育，縱、橫交錯的節理使巖床內部的裂縫具有很好的連通性(圖9b)。在巖漿冷凝過程中，高溫巖漿通常與含流體的低溫圍巖相接觸，巖床的上、下邊緣便形成冷凝邊或玻璃質邊緣。如果冷凝邊沒有破損，則其可作為圈閉的蓋層或遮擋物[33]。

圖9 巖床的冷凝邊(a)與巖床內部的節理系統(b)(據L?tveit等[32]修改)

若巖床下部冷凝邊破損形成油氣運移通道，上部玻璃質邊緣未破損而具有封閉能力時則形成自儲、自蓋的儲蓋組合[34]；若巖床上、下邊緣都破裂則具有良好的輸導能力，被圍巖封隔時可形成透鏡型圈閉，這已得到阿根廷Neuquén盆地油田的證實[35]。因此，烴類流體可進入巖床內部或者穿過巖床發生垂向運移，也可沿著巖床底界面發生橫向運移，這取決于上、下冷凝邊保存的完整程度，也就是說巖床在油氣運聚時可充當隔層、運載層甚至是儲層的角色(圖10)。巖床對圍巖的孔隙度和滲透率也具有正、反兩面的作用：在圍巖與巖床的接觸邊緣由于接觸變質作用形成烘烤邊，使圍巖孔隙度和滲透率部分降低或者是直接轉變為隔層，但由于侵入時的熱力作用形成強制褶皺并在其頂部產生斷層或節理，形成背斜圈閉[36，37]。此外，前人在地震剖面上發現下凹的熱液口通過垂向的異常反射與下伏巖床的一端相連，表明下伏的巖漿侵入控制了熱液口的形成，然而這些熱液口被后期的砂質沉積物充填再被弱滲透層封閉也能形成巖性圈閉[38]。

圖10 與火成碟形巖床相關的圈閉類型

6 結束語

(1)①號碟形侵入體位于樂東組內部，②號碟形侵入體位于鶯歌海組內部，③號碟形侵入體位于梅山組內部，它們的寬度為2～6km，在地震剖面上表現為高速正極性強反射。上覆地層中出現的褶皺不整合面揭示①號、②號、③號碟形侵入體各自的侵位時間分別為第四紀、中中新世末期(1.8Ma)、晚中新世末期(10.5Ma)。

(2)①號和②號碟形侵入體波阻抗值分別為6.5×106、1.1×107kg·m-2·s-1，比由鉆井數據統計得到的砂巖波阻抗值(5.3×106kg·m-2·s-1)大得多。①號、②號和③號碟形侵入體均出現在淺水正常壓實地層中，周緣不存在異常超壓和大套的砂巖強反射，且在侵入體底部均可見與盆地結晶基底相連的通道。因此，上述三個碟形侵入體是由巖漿侵位形成的。

(3)①號和②號碟形巖漿侵入體侵位時促進了其附近未成熟—低熟有機質的熱演化過程，但由于其形成時間晚，不利于早期含氣構造的保存。碟形巖床兩側冷凝邊的破損程度決定了其在含油氣系統中扮演儲層、蓋層或輸導層的角色。與巖床直接關聯的圈閉包括上傾遮擋型、蓋層型、透鏡型等圈閉類型，與圍巖有關的次生圈閉包括背斜圈閉、熱液口形成的巖性圈閉等。

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