四川盆地简阳地区二叠系火山喷发旋回、环境与模式
夏茂龙, 文龙, 李亚, 罗冰, 何开来, 刘冉, 邱玉超, 何青林, 陈康
中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

作者简介:夏茂龙,1982年生,高级工程师,硕士;主要从事油气地质研究工作。地址:(610041)四川省成都市天府大道北段12号。ORCID: 0000-0003-2329-7559。E-mail: xiamaolong@petrochina.com.cn

摘要

四川盆地简阳地区二叠系峨眉山玄武岩发育火山碎屑岩优质储层,永探1井为该区二叠系火山碎屑岩气藏的首口工业气井,但目前对于该区火山喷发旋回、古地理环境及喷发模式的认识还不清楚,制约了对岩相、储层分布的认识和勘探区带评价。为此,从研究该区火山岩岩石组合特征入手,分析火山喷发旋回,结合区域地层、岩相古地理研究成果综合对比确定火山喷发环境,建立火山喷发模式,综合钻井、重磁力、地震等资料预测区域火山机构的分布特征。研究结果表明:①该区二叠系火山岩纵向发育5套岩性、4个喷发旋回(期次),早期两个旋回强烈爆发,以火山碎屑岩为主,晚期两个旋回能量减弱,发育浅成侵入岩;②该区火山岩为东吴运动抬升后陆相环境喷发,主喷发期与峨眉山玄武岩基本一致,为中—晚二叠世之交及其后的100万年(1 Myr);③简阳—中江地区北东向主断裂和北西向次级断裂的交汇处为深层岩浆上涌通道,控制该区发育中心式多火山口喷发形成的复式火山机构,有利于爆发相火山碎屑岩叠置、连片规模分布。结论认为,简阳地区火山岩与峨眉山玄武岩喷发环境、喷发时代一致,但喷发模式及岩性、岩相却存在着较大的差异,为峨眉山大火成岩省的特殊组成部分。

关键词: 四川盆地; 简阳地区; 二叠纪; 火山碎屑岩气藏; 火山岩岩相; 喷发旋回; 喷发环境; 喷发模式; 峨眉山大火成岩省
Permian volcanic eruption cycle, environment and model in the Jianyang area of the Sichuan Basin
XIA Maolong, WEN Long, LI Ya, LUO Bing, HE Kailai, LIU Ran, QIU Yuchao, HE Qinglin, CHEN Kang
Exploration and Development Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan 610051, China
Abstract

High-quality pyroclastic reservoirs are developed in the Permian Emeishan basalt in Jianyang area of the Sichuan Basin. Well Yongtan 1 is the first industrial gas well drilling into the Permian pyroclastic gas reservoir in this area. So far, however, volcanic eruption cycle, paleogeographic environment and eruption model in this area have not been clarified, which restricts the understanding of lithofacies and reservoir distribution and the evaluation on exploration zones. Based on the characteristics of volcanic rock assemblage in this area, this paper analyzed the volcanic eruption cycle. Then, combined with the comprehensive result comparison of regional stratigraphy and lithofacies paleogeography, volcanic eruption environment was determined and a volcanic eruption model was established. Finally, the distribution characteristics of regional volcanic mechanism were predicted on the basis of drilling, gravity and magnetism and seismic data. And the following research results were obtained. First, 4 eruption cycles (periods) with 5 sets of lithology are vertically developed in the Permian volcanic rocks of Jianyang area. In the early two cycles, eruption is strong and pyroclastic rocks are dominant. In the late two cycles, energy is weak and shallow intrusive rocks are developed. Second, volcanic rocks in this area are the eruptive products in the continental environment after the uplift of Dongwu movement. The main eruption period is the turn of Middle to Late Permian and one million years (1 Myr) after that, which is basically consistent with the eruption period of Emeishan basalt. Third, the intersection of NE main fault and NW secondary fault in Jianyang-Zhongjiang area is the upwelling channel of deep magma. It controls the development of complex volcanic mechanism formed by the central multi-crater eruption in this area, and it is conducive to the superposed and continuous distribution of pyroclastic rocks of eruptive facies in the large scale. In conclusion, volcanic rocks in Jianyang area and the Emeishan basalt are basically the same in eruption environment and age, but more different in eruption model, lithology and lithofacies. Therefore, volcanic rocks in Jianyang area are a special part of Emeishan large igneous province.

Keyword: Sichuan Basin; Jianyang area; Permian; Pyroclastic gas reservoir; Volcanic lithofacies; Eruption cycle; Eruption environment; Eruption model; Emeishan large igneous province
0 引言

永探1井为四川盆地简阳地区二叠系火山碎屑岩气藏的首口工业气井, 在四川盆地内首次发现了火山碎屑岩气藏、拓展了的天然气勘探的领域, 使二叠系峨眉山玄武岩成为天然气勘探的热点。关于峨眉山玄武岩的喷发旋回、环境的研究主要集中在云南、贵州及川西南玄武岩发育区, 简阳地区火山碎屑岩发育区相关研究处于起步阶段, 可资借鉴的相关研究成果较少, 而且关于火山喷发旋回、环境尚存在着不同的观点和认识。张成江等[1]将峨眉地区玄武岩自下而上划分为3个喷发旋回、9个溢流期次; 田景春等[2]研究峨眉山龙门洞剖面认为, 垂向上最多识别出10~11个旋回; 陆建林等[3]将永胜1井二叠系火山岩划分为3个火山喷发旋回和一个侵入岩段, 认为喷发环境为浅海海底爆发式喷发; 陈辉等[4]依据岩石组合及层序特征, 将永胜1井二叠系火山岩划分为16个韵律、3个旋回; He等[5, 6]研究认为峨眉山玄武岩以陆上喷发为主。

简阳地区永探1井钻遇的火山碎屑岩孔隙型储层与前期川西南部周公山、汉王场等地区的玄武岩裂缝型储层在岩石类型、储层特征及成因等方面存在着较大的差异[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]。是什么原因造成了上述差异?简阳地区爆发相火山碎屑岩的喷发旋回、喷发环境与川西南部玄武岩有何异同?什么因素控制了火山岩岩性、岩相及储层?简阳地区火山喷发模式与川西南部有何不同?为了解答上述制约火山碎屑岩气藏勘探的基础研究问题, 笔者利用永探1井取得的最新资料, 综合分析简阳地区岩石类型、岩相组合与火山喷发旋回之间的关系, 厘定火山喷发环境, 建立火山喷发模式, 恢复火山喷发过程, 预测火山机构分布, 以期为认识及预测该区火山岩岩相与储层分布等提供理论依据, 为评价火山岩气藏的有利勘探区带提供技术支撑。

1 地质概况

峨眉山玄武岩由赵亚曾先生于1929年命名, 原指四川盆地西南部峨眉山地区覆盖于中二叠统茅口组之上的玄武岩, 后泛指位于我国西南地区云、贵、川3省广泛分布的一套以玄武岩为主的暗色岩系, 并被作为上二叠统的一个岩石地层单位广泛使用, 也称为“ 峨眉山玄武岩组” [15]。峨眉山玄武岩一般发育于茅口组之上, 上二叠统沙湾组或龙潭组之下, 分布面积介于25× 104~50× 104 km2, 是我国唯一被国际地学界广泛认可的大火成岩省, 受到国内外学者的广泛关注[16, 17, 18, 19, 20]

四川盆地西南部、华蓥山等地区的野外剖面广泛出露峨眉山玄武岩, 出露区及地腹火山岩分布面积为2× 104 km2, 川西— 川西南地区火山岩厚度较大, 介于300~500 m, 向盆地内厚度逐渐减薄, 厚度介于0~300 m。简阳地区峨眉山玄武岩发育爆发相火山碎屑岩, 永探1井二叠系火山岩厚度为272 m, 其中基性火山碎屑岩厚度为123 m, 岩心孔隙度介于8.66%~16.48%, 平均值为13.76%, 储集空间以脱玻化微孔、溶蚀孔为主[21], 气显示好, 火山碎屑岩段上部测试日产天然气量为22.5× 104 m3。距离永探1井约19 km的永胜1井火山岩厚度为290 m, 也发育优质火山碎屑岩储层, 平均岩心孔隙度高达18%[3]。钻井与地震结合刻画简阳地区爆发相火山碎屑岩发育有利区面积为1 700 km2

2 火山岩岩性、岩相及喷发旋回

通过对永探1井岩性、岩相特征分析, 厘定出4个主要喷发旋回(期次)。邻区永胜1井也发育4个主要喷发旋回, 与永探1井可以较好地对比, 均为早期发育两个爆发为主的旋回和晚期发育两个侵入旋回。

2.1 永探1井岩性、岩相及喷发旋回

2.1.1 喷发旋回岩性、岩相学

通过永探1井岩性、岩相组合分析认为, 该井火山岩纵向发育5套岩性段, 可划分为4个主要喷发旋回(期次), 具有早期爆发、晚期侵入的特点(图1、表1)。

图1 永探1井二叠系火山岩岩相、喷发期次柱状图

表1 永探1井二叠系火山岩岩性、岩相特征表

永探1井第1旋回(期次)为含石灰岩集块、角砾凝灰岩, 深度介于5 667~5 751 m, 厚度为84 m(图1)。成像测井表明岩石具角砾状构造(图1), 结合岩屑薄片分析角砾以石灰岩为主(图2-a), 石灰岩碎屑含量介于25%~50%[22], 砾径介于5~40 cm, 见少量火山岩角砾, 角砾间以团块状、棱角状隐晶结构凝灰岩岩屑(粒径小于2 mm火山颗粒)为主, 具有熔结结构(图2-a、b)。依据火山岩相特征划分为爆发相, 是火山强烈爆发将火山口周围的茅口组石灰岩破碎, 并由岩浆裹挟强烈爆发的产物。主要发育空落亚相及热碎屑流亚相, 空落亚相为喷发强烈时碎屑与熔浆形成的塑性喷出物在火山气射作用下喷射到空中, 在重力作用下降落至地表形成; 热碎屑流亚相是熔浆喷出地表与火山岩碎屑形成炽热的浆屑混合物, 在后续喷出物推动和自身重力共同作用下沿地表流动, 冷凝胶结而成[23]。该段是火山旋回早期强烈爆发的产物, 为爆发相下部。成像测井显示该段底部集块直径最大可达40 cm(图1), 集块、角砾的大小向上变小, 含量下部高达50%, 向上逐渐减少到25%, 表明早期爆发强度较大, 后期强度有一定减弱。

图2 永探1井二叠系火山岩显微照片及电子探针照片

永探1井第2旋回(期次)发育两个岩性段。中下部为火山角砾熔岩段, 深度介于5 628~5 667 m, 厚度为39 m(图1); 角砾为火山岩, 有玄武岩角砾、自碎角砾, 砾径介于2~6 cm, 具有定向流动构造(图2-c), 见半固结熔浆绕角砾流动, 熔浆冷凝胶结, 角砾和熔浆结晶程度低, 隐晶结构为主, 部分绿泥石化(图2-d), 为爆发相中的热碎屑流亚相。顶部为玄武岩, 深度介于5 618~5 628 m, 厚度为10 m, 熔浆冷凝固结, 结晶程度低, 为典型的溢流相上部亚相特征(图1、表1)。第2期与第1期火山碎屑岩同为火山爆发产物。第2期喷发砾石较第1期小, 以角砾为主, 表明喷发强度较第1期有一定降低。第2期火山作用的早中期为爆发相角砾熔岩, 后期逐渐过渡为溢流相玄武岩, 火山喷发能量呈现逐渐减弱的特征。

永探1井第3旋回(期次)为粒玄岩段, 位于第1期火山碎屑岩之下、第4期辉绿玢岩之上, 深度介于5 751~5 865 m, 厚度为114 m(图1)。以均一块状构造为主, 未见矿物定向排列等流动构造特征, 矿物结晶程度较第2期玄武岩高, 以细粒— 中粒结构为主, 单斜辉石、斜长石斑晶粒径介于0.2~1.0 mm, 长石呈柱状, 辉石呈粒状, 副矿物钛铁矿呈黑色针状(图2-e、f), 未见气孔、杏仁构造等典型溢流相玄武岩特征, 定名为粗粒玄武岩, 也称“ 粒玄岩” , 为超浅成侵入岩。该期火山作用发生于前两期以爆发为主的火山碎屑冷凝固结后, 火山碎屑岩孔隙发育, 使岩石具有较强弹性和较低的密度。永探1井第2期火山角砾熔岩岩心裂缝不发育, 通过三轴抗压实验测得火山角砾熔岩杨氏模量为10 270 MPa, 其下部茅口组石灰岩杨氏模量约为35 000 MPa, 表明火山碎屑岩类具较强弹性、不易产生裂缝的特点。火山碎屑岩现今密度介于2.40~2.60 g/cm3, 玄武质岩浆近地表密度约为2.65 g/cm3[24], 密度较火山碎屑岩大。第3期岩浆到达具有较强弹性和较低密度的第1、2期火山碎屑岩下部时, 不会大量形成裂缝, 岩浆不能成规模冲破火山碎屑岩层到达地表。而火山碎屑岩受岩浆的浮力和上涌压力的共同作用向上运动, 同时岩浆沿火山碎屑岩与茅口组石灰岩间的薄弱面侧向侵入, 形成岩盘状超浅成侵入岩体, 属于火山通道相中的次火山岩亚相。

第4旋回(期次)喷发形成了火山岩段底部的辉绿玢岩, 深度介于5 865~5 890 m, 厚度为25 m。以均一块状构造为主, 未见矿物定向排列等流动构造特征。辉绿玢岩结晶程度较上部粒玄岩更高(表1), 具辉绿结构:部分辉石粒状他形, 充填在长石晶体间, 见长石嵌入辉石, 表明辉石结晶较晚(图2-g、h), 为基性浅成侵入岩典型特征。辉绿玢岩与上部粗玄岩和下部茅口组石灰岩为侵入接触关系, 与上部粗玄岩接触界线处矿物结晶程度发生突变, 下部石灰岩发生接触变质, 方解石重结晶, 为火山通道相中的次火山岩亚相。电子探针矿物组分分析结果表明, 辉绿玢岩与粒玄岩矿物组成有差异, 辉绿玢岩中辉石均为普通辉石, 粒玄岩中发育普通辉石和透辉石; 辉绿玢岩中长石均为拉长石, 粒玄岩以拉长石为主, 还发育部分中长石, 矿物成分的差异表明二者可能来自不同的岩浆房。笔者分析认为, 辉绿玢岩的侵入时间在第3期粗玄岩之后, 正是该期火山作用带出的大量热流体使早期火山岩发生强烈的蚀变作用, 第3期粒玄岩岩心高角度裂缝中充填大量绿泥石, 是辉绿玢岩侵入时对上部粗玄岩造成破裂和热流体沿着裂缝上涌的证据。第4期辉绿玢岩及第3期粒玄岩的侵入作用为第1、2期火山碎屑岩储层溶蚀改造提供了热流体, 对储层中大量溶蚀微孔的形成有重要积极意义[9]

2.1.2 喷发旋回划分的地质温度、压力

通过地质温度、压力计法分析了粒玄岩、辉绿玢岩中单斜辉石的结晶温度和压力, 也表明二者为不同期次形成。运用Putirka[25]研究提出的适用于基性、超基性岩浆体系的单斜辉石和熔体间物质平衡方法, 通过单斜辉石主量元素与熔体主量元素含量的比值计算单斜辉石的结晶温度(T)、压力(p)。选取粒状、无蚀变的单斜辉石, 用电子探针分析单矿物的主量元素含量, 用X射线荧光光谱法分析全岩主量元素的含量来代表熔体(图2-f、h)。计算粒玄岩结晶温度介于989~1 118 ℃, 平均值为1 055 ℃, 辉绿玢岩结晶温度介于1 096~1 141 ℃, 平均值为1 123 ℃。结合岩相学观察, 辉绿玢岩的矿物结晶程度明显优于粒玄岩, 表明粒玄岩结晶温度低, 速度快, 辉绿玢岩结晶温度较高, 且结晶缓慢。辉绿玢岩的结晶压力介于290~710 MPa, 平均压力为490 MPa; 粒玄岩的结晶压力介于250~920 MPa, 平均压力为550 MPa。粒玄岩结晶压力较辉绿玢岩跨度更大, 表明其岩浆上涌的过程更快, 进一步表明二者分属不同喷发期。上述特征表明, 第4期辉绿玢岩喷发能量较第3期减弱, 岩浆上涌速度慢, 时间较晚, 才能充分结晶。该认识与基性火山次火山岩相主要形成于火山旋回后期的认识一致[23]

2.1.3 喷发旋回特征

永探1井火山岩纵向连续发育, 岩屑、测井分析喷发间歇风化蚀变面特征不明显。依据火山岩岩性、岩相组合特征、矿物结晶温压变化及其反映出的火山喷发强度、方式变化规律进行期次划分。永探1井表现出早期两个旋回强烈爆发、晚期两个旋回能量逐渐降低且以侵入为主的特点, 早期第1、2两个强烈爆发旋回界面识别主要依据是第1旋回发育大量石灰岩角砾, 进入第2旋回石灰岩角砾突然消失。第1期强烈喷发已将火山通道周围的茅口组石灰岩大量带出, 并破坏火山口附近茅口组顶部风化侵蚀面, 喷发间歇期岩浆在火山通道壁附近的冷凝固结作用使第2期爆发火山口周围的石灰岩不易破碎形成石灰岩角砾, 加上第2期爆发强度较第1期降低, 未造成火山口扩大, 第2期火山岩无石灰岩角砾, 由此确定两期间存在喷发间歇, 划分两个期次。第1期石灰岩集块、角砾含量由下向上从50%减少到25%, 砾石大小逐渐变小, 显示出火山活动能量逐渐减小的旋回性; 第2期中下部为爆发相角砾熔岩, 顶部为玄武岩, 具备爆发到溢流的旋回特征。第3期粒玄岩、第4期辉绿玢岩为火山通道相中的次火山岩亚相, 第4期强度较第3期减弱。

2.2 区域火山岩喷发旋回特征

2.2.1 永胜1井与永探1井喷发旋回对比

永胜1井与永探1井喷发期次和旋回可对比性较好(图3)。永胜1井火山岩段中部, 深度介于6 468~6 615 m, 发育两段含石灰岩角砾、集块凝灰岩[3], 厚度为132 m, 与永探1井可较好对比, 为第1期火山强烈爆发形成的爆发相火山岩(图3)。永胜1井火山岩段上部发育火山角砾熔岩(深度介于6 380~6 432 m, 厚度为52 m)和玄武岩(深度介于6 357~6 380 m, 厚度为23 m)两套岩性段[3], 与永探1井第2期火山岩可很好的对比, 该期喷发的砾石与永探1井相似, 以火山岩角砾为主(图3)。永胜1井火山岩段底部发育一套辉绿玢岩[3], 可以与永探1井第4期的辉绿玢岩对比(图3)。永胜1井第1、2期的火山碎屑岩中夹有两层玄武岩[3], 深度分别介于6 432~6 468 m、6 522~6 532 m, 分析其电性特征, 密度与永探1井粒玄岩相似, 介于2.8~2.9 g/cm3(图3), 高于其顶部玄武岩的密度(2.6~2.7 g/cm3), 表明这两层岩性为粒玄岩, 即超浅成侵入岩体, 属于火山通道相中的次火山岩亚相。

图3 永探1井与永胜1井二叠系火山岩喷发期次对比图

2.2.2 侵入方式与火山口距离

永探1井粒玄岩沿火山碎屑岩与茅口组石灰岩间薄弱面侵入, 永胜1井为沿裂隙侵入到前两期火山碎屑岩的内部。两口井不同侵入方式与距离火山口的距离有关, 永胜1井紧邻火山口, 距离非常近, 岩浆上涌作用力较永探1井更大, 因此能够形成裂隙, 岩浆沿着裂隙侵入至前两期火山岩碎屑岩内部; 永探1井距离火山口较近, 但与火山口有一定距离, 岩浆上涌作用力不能形成裂隙, 岩浆主要是侧向侵入到火山碎屑岩底部。一般越是靠近火山口的区域爆发强度越高, 火山碎屑岩厚度随着与火山口的距离增大而逐渐减小, 两口井特点符合这一规律:永胜1井火山碎屑岩厚度为184 m, 永探1井火山碎屑岩厚度为123 m, 永胜1井火山碎屑岩厚度更大, 表明爆发强度更高, 进一步表明永胜1井比永探1井距火山口更近。上述分析表明, 永探1井及永胜1井火山岩旋回(期次)可以对比, 均具有4期喷发, 早期发育两期以爆发为主的旋回, 旋回末期能量减弱, 过度为溢流相, 晚期发育两期侵入旋回。

3 喷发环境

喷发环境对火山碎屑岩的堆积和早成岩期成岩作用有重要影响, 是控制火山岩储层的重要因素。He等[5, 6]研究认为峨眉山玄武岩喷发前地幔柱上升引起的地壳抬升, 形成东吴期风化侵蚀面, 火山岩以陆上喷发为主。Zhu等[26]在云南省大理市峨眉山玄武岩的底部发现枕状玄武岩、沉凝灰岩与石灰岩互层, 表明喷发早期为海相喷发。综上研究表明峨眉山玄武岩以陆相喷发为主, 部分地区早期为海相喷发。

永探1井第1期含石灰岩角砾火山碎屑岩的岩石宏观、微观特征对比分析表明, 简阳地区火山岩为陆相环境喷发。永探1井第1期喷发含石灰岩集块、角砾凝灰岩(井段5 667~5 751 m), 石灰岩绝大部分以砾石的形式出现。该段在成像测井上未见层状沉积结构, 见高电阻明亮角砾状结构(图1)。岩屑观察发现大部分石灰岩角砾原岩结构保存较好, 见蜓类、有孔虫、海绵骨针及生屑, 与火山岩接触边界为不规则、平直或弧形贝壳状, 未见沉积接触界面(图2-i), 表明该段石灰岩与火山岩不是在沉积过程中同期形成。海相火山喷发期沉积的石灰岩中常见火山灰颗粒, 火山喷发间歇期沉积的石灰岩中也会有早期喷发火山岩被波浪打碎形成火山岩碎屑混入。镜下石灰岩角砾内部均未见火山岩晶屑、浆屑及岩屑等火山物质(图2-a、i), 表明石灰岩沉积不是发生在火山喷发期及喷发间歇期, 而是在火山喷发前茅口期海相环境。镜下火山岩中仅见少量晚期方解石胶结物充填孔隙, 未见海底方解石胶结物出现, 也表明火山岩不是在海相环境喷发。上述特征排除了茅口期海相喷发的可能。综上分析表明, 简阳地区火山岩为东吴运动抬升后陆相环境喷发形成。

Zhong等[27]、梁新权等[28]、徐义刚等[29]通过高精度测年等研究认为峨眉山玄武岩火山主体喷发于中— 晚二叠世之交, 在持续时间为100 万年(1 Myr)的短时间内发生。简阳地区火山岩为东吴运动抬升后陆相环境喷发形成, 可以较好地限定火山喷发开始的时间。永探1井火山岩上部发育的龙潭组厚度为70 m, 相比邻区不发育火山岩的资探1井(龙潭组厚度为140 m)明显减薄, 主要是因为厚层火山岩占据了沉积容纳空间, 导致龙潭组沉积减薄。川西南部玄武岩区火山岩厚度与上部沙湾组厚度也具有互补关系, 表明简阳地区火山岩喷发结束时间与峨眉山大火成岩省基本一致。综上所述, 简阳地区火山岩为峨眉山大火成岩省特殊组成部分。

4 火山喷发模式
4.1 基底断裂与火山机构分布特征

火山喷发模式对火山岩岩性、岩相差异有重要控制。重磁、地震联合解释表明, 简阳地区与川西南部地区具有不同的基底断裂组合特征, 控制了火山喷发模式、火山机构分布及岩相特征差异。

4.1.1 重力梯度异常与基底断裂

简阳— 中江地区展现出NE与NW两个方向重力梯度异常带, 反映深层基底断裂特征, NE方向重力梯度异常幅度大, 与龙泉山断裂方向一致。龙泉山断裂呈NE向, 经中江、龙泉, 至眉山、乐山, 在地貌上为成都平原与川中丘陵的分界线。罗志立[30]认为, 该基底断裂在区域构造特征上为川西凹陷与川中台地的分界, 在基底特征上为川中太古界— 下元古界的结晶基底与川西中元古界的褶皱基底的分界。油罐顶— 龙泉— 中江地区多口钻井二叠系钻遇幔源基性火山岩, 表明该断裂为切割至上地幔的超壳断裂, 进一步证实了其基底断裂特征。川西地区重力梯度背景值小于0.08 mGal/km, 沿龙泉山发现两条进近平行的重力梯度异常高带F1、F2, 重力梯度异常值介于0.3~0.5 mGal/km; 在龙泉山以西地区发育4条NE向重力梯度异常高带(F6、F7、F8、F9), 重力梯度异常值也较高, 介于0.3~0.5 mGal/km, 简阳— 中江地区以东主要发育3条重力梯度异常高带(F3、F4、F5), 重力梯度异常值较龙泉山以西弱, 介于0.1~0.2 mGal/km(图4)。表明区内发育多条NE向基底断裂, 龙泉山及以西基底断裂的规模较以东地区大。简阳— 中江地区还发育多条NW向重力梯度异常次高带, 重力梯度异常值约为0.1 mGal/km, NW向重力梯度异常次高带多被NE向重力梯度异常高带分割, 表现出断续分布特征, 代表区域次级基底断裂(图4)。NE向主断裂与NW向次级断裂组成“ 棋盘格式” 断裂组合, 为深部上地幔岩浆沿断裂交汇处大规模上涌喷发创造了条件, 有利于强烈爆发作用发生。

图4 川西地区火山岩重力梯度异常特征与基底断裂关系图

4.1.2 剩余磁力异常与火山岩分布

剩余磁力异常高与磁铁矿、钛铁矿等磁性矿物有关。磁铁矿、钛铁矿是该区粒玄岩、辉绿玢岩中主要不透明矿物, 含量介于3%~10%。剩余磁力异常特征与实钻井火山岩发育程度吻合较好, 永探1井火山岩厚度大, 位于剩余磁力异常高值区, 油1井火山岩较薄, 位于中值区, 资探1井不发育火山岩, 位于低值区(图5)。简阳— 中江地区发育两个剩余磁力异常高值区, 呈近椭圆形, 直径为8~20 km, 为火山喷发中心(图5)。基底断裂交汇处为深层岩浆上涌通道, 有利于中心式爆发, 一般地表喷发口发育在基底断裂交汇处附近, 由于岩浆上涌通道不是垂直的, 二者会有一定错位。简阳— 中江地区剩余磁力异常高值反映的火山喷发中心位于重力梯度异常反映的两组基底断裂交汇处附近, 与古地貌等因素联合控制火山喷发中心形成的厚层火山岩分布。简阳以南地区剩余磁力异常高沿NE向断裂条带状展布(图5), 该区钻井证实发育溢流相玄武岩, 以裂隙式喷发为主。区域基底断裂发育程度及组合特征决定了火山喷发模式, 控制区域火山岩岩性、岩相。川西南部地区玄武岩沿着断裂呈裂隙式喷发, 简阳地区火山碎屑岩为岩浆沿深层基底断裂交汇处上涌, 形成中心式爆发。龙泉山以西大兴场钻井表明该区主要发育溢流相玄武岩, 发育NE向重力梯度异常高带, 连续性好, 表明该区基底断裂规模较大, 较连续, 岩浆上涌过程中阻力相对较小, 沿裂隙大面积喷发, 能量易释放, 有利于溢流相玄武岩发育。龙泉山以东简阳— 中江地区及永胜1井附近重力梯度异常带值较低, 且明显具断续分布特征, 表明该区基底断裂规模小, 连续性较差, 火山喷发早期能量较强, 岩浆上涌过程中阻力相对较大, 岩浆上升温度、压力降低脱气, 使大量高膨胀性气体聚集在岩浆上部, 岩浆一旦沿两组断裂交汇处冲破地表, 将形成强烈爆发, 不仅形成大量火山碎屑岩, 还将火山口附近的原有茅口组石灰岩破坏, 形成大量集块、角砾混入火山岩。火山喷发晚期(第3、4期)能量减弱, 岩浆上涌到早期火山岩下部, 主要以浅成侵入的方式形成粒玄岩和辉绿玢岩。

图5 川西地区火山岩剩余磁力异常特征与喷发中心分布关系图

4.1.3 火山机构

地震刻画简阳地区二叠系火山喷发中心发育多火山口复式火山机构, 该机构主要由碎屑锥和熔岩流构成。该区火山岩顶界(龙潭组底界)为断续中强— 强振幅反射, 火山岩内部为杂乱— 断续反射, 火山岩底界为中— 弱断续反射[31]。通过地震剖面层拉平技术, 将火山岩下部区域地震追踪标志层茅口组底界拉平, 采用火山岩顶(龙潭组底界)的起伏可以近似代表区域火山岩的厚度, 隆起区火山岩厚, 下凹区火山岩薄(图6)。永探1井区火山岩厚度介于200~280 m, 为爆发相火山碎屑岩发育区, 区内发育多个丘状隆起, 为近火山口区盾状火山锥, 隆起下部茅口组底等区域地震标志层及其下部同向轴发生错断, 该现象为火山岩下部的火山通道切断地层的反映。通过三维地震刻画火山机构, 永探1井区展现出多个火山口集中分布, 形成复式火山机构, 永探1井地区东北部见线状火山机构特征(图7)。复式火山机构的直径达25 km, 单个火山机构直径介于2~4 km, 具有呈盾状火山碎屑锥的特点, 碎屑锥顶部呈“ M” 字形(图6)。上述特征表明研究区以多火山口复式火山机构为主, 有利于爆发相火山碎屑岩叠置、集中连片分布, 为优质火山岩储层规模分布有利区。

图6 永探1井区二叠系火山机构特征三维地震刻画剖面图

图7 永探1井区二叠系火山机构特征三维地震刻画图

4.2 区域火山喷发模式

龙泉— 简阳— 中江地区以多火山口中心式喷发为主(图8), 喷发强度总体表现为:早— 中期强, 晚期变弱的特点。中心式喷发特点为岩浆、气体沿管道上涌, 能量聚集, 形成强烈的爆发, 火山口附近前期沉积岩或火山岩, 在火山爆发的巨大破坏力作用下, 形成大量的角砾、集块等碎屑与岩浆一起喷射出地表, 形成爆发相火山岩(图8-a)。爆发旋回的晚期由于火山能量的衰减, 喷发方式由爆发过渡为溢流, 形成溢流相玄武岩(图8-b)。中心式喷发的晚期由于火山气体、能量的大量释放, 岩浆在火山通道附近沿层面、裂缝侵入岩层, 形成次火山岩相粒玄岩和辉绿玢岩(图8-c、d)。

图8 龙泉— 简阳— 中江地区二叠系火山岩喷发模式图

5 结论

1)简阳地区二叠系火山岩段主要发育4个喷发旋回, 表现出早期强烈爆发、晚期侵入的特点, 喷发强度逐渐降低。第1、2期以爆发相火山碎屑岩为主, 第3期粒玄岩、第4期辉绿玢岩为火山通道相中的次火山岩亚相。

2)简阳地区火山岩为东吴运动抬升后陆相环境喷发形成, 主喷发期与峨眉山玄武岩基本一致。永探1井位于火山口附近, 火山强烈爆发破坏了茅口组上部石灰岩及其顶部风化侵蚀面, 形成巨量的石灰岩角砾。

3)简阳地区发育NE向主断裂和NW向次级断裂, 两组断裂交汇处为岩浆上涌通道, 控制火山中心式喷发形成的厚层火山岩分布, 发育多火山口复式火山机构, 有利于爆发相火山碎屑岩叠置、集中连片发育, 控制爆发相火山碎屑岩规模分布。川西南部地区主要发育北东向一组基底断裂, 控制区域火山以沿裂隙喷发为主, 发育溢流相玄武岩。

4)简阳地区火山岩与峨眉山大火成岩省喷发时代、环境基本一致, 喷发模式及岩性、岩相有较大差异, 表明该区火山岩为峨眉山大火成岩省特殊组成部分。

编 辑 陈古明

参考文献
[1] 张成江, 李晓林. 峨眉山玄武岩的铂族元素地球化学特征[J]. 岩石学报, 1998, 14(3): 299-304.
ZHANG Chengjiang, LI Xiaolin. Geochemical characteristics of platinum group elements in Emeishan Basalts[J]. Acta Petrologica Sinica, 1998, 14(3): 299-304. [本文引用:1]
[2] 田景春, 林小兵, 郭维, . 四川盆地二叠纪玄武岩喷发事件的油气地质意义[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2017, 44(1): 14-20.
TIAN Jingchun, LIN Xiaobing, GUO Wei, et al. Geological significance of oil and gas in the Permian basalt eruption event in Sichuan Basin, China[J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2017, 44(1): 14-20. [本文引用:1]
[3] 陆建林, 左宗鑫, 师政, . 四川盆地西部二叠系火山作用特征与天然气勘探潜力[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 46-53.
LU Jianlin, ZUO Zongxin, SHI Zheng, et al. Characteristics of Permian volcanism in the western Sichuan Basin and its natural gas exploration potential[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 46-53. [本文引用:6]
[4] 陈辉, 邓江红, 刘树根, . 川西YS-1井玄武岩特征及与峨眉山玄武岩对比[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2019, 46(3): 299-315.
CHEN Hui, DENG Jianghong, LIU Shugen, et al. Basalt characteristics of Well YS-1 in western Sichuan and contrast with Emeishan basalts[J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2019, 46(3): 299-315. [本文引用:1]
[5] HE Bin, XU Yigang, CHUNG Sunling, et al. Sedimentary evidence for a rapid, kilometer-scale crustal doming prior to the eruption of the Emeishan flood basalts[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 213(3/4): 391-405. [本文引用:2]
[6] HE Bin, XU Yigang, HUANG Xiaolong, et al. Age and duration of the Emeishan flood volcanism, SW China: Geochemistry and SHRIMP zircon U-Pb dating of silicic ignimbrites, post-volcanic Xuanwei Formation and clay tuff at the Chaotian section[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2007, 255(3/4): 306-323. [本文引用:2]
[7] 马新华, 杨雨, 张健, . 四川盆地二叠系火山碎屑岩气藏勘探重大发现及其启示[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 1-8.
MA Xinhua, YANG Yu, ZHANG Jian, et al. A major discovery in Permian volcanic rock gas reservoir exploration in the Sichuan Basin and its implications[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 1-8. [本文引用:1]
[8] 罗冰, 夏茂龙, 汪华, . 四川盆地西部二叠系火山岩气藏成藏条件分析[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 9-16.
LUO Bing, XIA Maolong, WANG Hua, et al. Hydrocarbon accumulation conditions of Permian volcanic gas reservoirs in the western Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 9-16. [本文引用:1]
[9] 文龙, 李亚, 易海永, . 四川盆地二叠系火山岩岩相与储层特征[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 17-27.
WEN Long, LI Ya, YI Haiyong, et al. Lithofacies and reservoir characteristics of Permian volcanic rocks in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 17-27. [本文引用:2]
[10] 牛善政, 庞家黎. 周1井二叠系玄武岩储层评价[J]. 天然气工业, 1994, 14(5): 20-23.
NIU Shanzheng, PANG Jiali. Evaluating the Permian basalt reservoir of Zhou-1 Well[J]. Natural Gas Industry, 1994, 14(5): 20-23. [本文引用:1]
[11] 黄籍中, 苟学敏. 四川盆地二叠系玄武岩非常规气藏气源及勘探前景分析[J]. 天然气工业, 1994, 14(5): 16-19.
HUANG Jizhong, GOU Xuemin. Analysis of gas source and exploration potential of Permian basalt unconventional gas reservoir in Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 1994, 14(5): 16-19. [本文引用:1]
[12] 宋文海, 庞家黎. 四川盆地西南部上二叠统玄武岩含气性研究[J]. 天然气工业, 1994, 14(5): 11-15.
SONG Wenhai, PANG Jiali. Gas bearing study of P2 basalt in the southwest part of Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 1994, 14(5): 11-15. [本文引用:1]
[13] 冯仁蔚, 王兴志, 张帆, . 四川西南部周公山及邻区“峨眉山玄武岩”特征及储集性能研究[J]. 沉积学报, 2008, 26(6): 913-924.
FENG Renwei, WANG Xingzhi, ZHANG Fan, et al. The study on reservoir property and characteristics of the Emeishan basalts of Zhougongshan and its neighbour area in the Southwest Sichuan[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2008, 26(6): 913-924. [本文引用:1]
[14] 杨毅, 张本健, 蒋德生, . 四川盆地西南部上二叠统峨眉山玄武岩成藏模式初探[J]. 天然气工业, 2010, 30(5): 46-49.
YANG Yi, ZHANG Benjian, JIANG Desheng, et al. A preliminary study on hydrocarbon pooling patterns of the Upper Permian Emeishan basalts in southwestern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(5): 46-49. [本文引用:1]
[15] 四川省地质矿产勘探开发局. 四川省区域地质志[M]. 北京: 地质出版社, 1991.
Bureau of Geology and Mineral Resources of Sichuan Province. Regional geology of Sichuan Province[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1991. [本文引用:1]
[16] 徐义刚, 钟孙霖. 峨眉山大火成岩省: 地幔柱活动的证据及其熔融条件[J]. 地球化学, 2001, 30(1): 1-9.
XU Yigang, ZHONG Sunlin. The Emeishan large igneous province: Evidence for mantle plume activity and melting conditions[J]. Geochimica, 2001, 30(1): 1-9. [本文引用:1]
[17] XU Yigang, HE Bin, CHUNG Sunlin, et al. Geologic, geochemical, and geophysical consequences of plume involvement in the Emeishan flood-basalt province[J]. Geology, 2004, 32(10): 917-920. [本文引用:1]
[18] 张招崇, 王福生, 范蔚茗, . 峨眉山玄武岩研究中的一些问题的讨论[J]. 岩石矿物学杂志, 2001, 20(3): 239-246.
ZHANG Zhaochong, WANG Fusheng, FAN Weiming, et al. A discussion on some problems concerning the study of the Emeishan basalts[J]. Acta Petrologica et Mineralogica, 2001, 20(3): 239-246. [本文引用:1]
[19] ALI J R, THOMPSON G M, ZHOU Meifu, et al. Emeishan large igneous province, SW China[J]. Lithos, 2005, 79(3/4): 475-489. [本文引用:1]
[20] XU Yigang, HE Bin, HUANG Xiaolong, et al. Identification of mantle plumes in the Emeishan large igneous province[J]. Episodes, 2007, 30(1): 32-42. [本文引用:1]
[21] 马新华, 徐春春, 李国辉, . 四川盆地二叠系火成岩分布及含气性[J]. 石油勘探与开发, 2019, 46(2): 216-225.
MA Xinhua, XU Chunchun, LI Guohui, et al. Distribution and gas-bearing properties of Permian igneous rocks in Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2019, 46(2): 216-225. [本文引用:1]
[22] 吴煜宇, 谢冰, 伍丽红, . 四川盆地二叠系基性火山岩测井评价技术——以永探1井区火山岩为例[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 37-45.
WU Yuyu, XIE Bing, WU Lihong, et al. Logging based lithology identification of Permian mafic volcanic rocks in the Sichuan Basin: A case study from the Well Yongtan 1[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 37-45. [本文引用:1]
[23] 王璞珺, 冯志强. 盆地火山岩[M]. 北京: 科学出版社, 2008.
WANG Pujun, FENG Zhiqiang. Volcanic rock in petroliferous basin[M]. Beijing: Science Press, 2008. [本文引用:2]
[24] 路凤香, 桑隆康. 岩石学[M]. 北京: 地质出版社, 2002.
LU Fengxiang, SANG Longkang. Petrology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2002. [本文引用:1]
[25] PUTIRKA K D. Thermometers and barometers for volcanic systems[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2008, 69(1): 61-120. [本文引用:1]
[26] ZHU Bei, GUO Zhaojie, LIU Runchao, et al. No pre-eruptive uplift in the Emeishan large igneous province: New evidences from its 'inner zone', Dali area, Southwest China[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2014, 269: 57-67. [本文引用:1]
[27] ZHONG Yuting, HE Bin, MUNDIL R, et al. CA-TIMS zircon U-Pb dating of felsic ignimbrite from the Binchuan section: Implications for the termination age of Emeishan large igneous province[J]. Lithos, 2014, 204: 14-19. [本文引用:1]
[28] 梁新权, 周云, 蒋英, . 二叠纪东吴运动的沉积响应差异: 来自扬子和华夏板块吴家坪组或龙潭组碎屑锆石LA-ICPMS U-Pb年龄研究[J]. 岩石学报, 2013, 29(10): 3592-3606.
LIANG Xinquan, ZHOU Yun, JIANG Ying, et al. Difference of sedimentary response to Dongwu Movement: Study on LA-ICPMS U-Pb ages of detrital zircons from Upper Permian Wujiaping or Longtan Formation from the Yangtze and Cathaysia blocks[J]. Acta Petrologica Sinica, 2013, 29(10): 3592-3606. [本文引用:1]
[29] 徐义刚, 钟玉婷, 位荀, . 二叠纪地幔柱与地表系统演变[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2017, 36(3): 358-373.
XU Yigang, ZHONG Yuting, WEI Xun, et al. Permian mantle plumes and Earth's surface system evolution[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2017, 36(3): 358-373. [本文引用:1]
[30] 罗志立. 四川盆地基底结构的新认识[J]. 成都理工学院学报, 1998, 25(2): 191-200.
LUO Zhili. New recognition of basement in Sichuan Basin[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 1998, 25(2): 191-200. [本文引用:1]
[31] 陈骁, 何青林, 冉崎, . 四川盆地二叠系火山岩地震相特征及识别[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 28-36.
CHEN Xiao, HE Qinglin, RAN Qi, et al. Features and recognition for seismic facies of Permian volcanic reservoirs in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(2): 28-36. [本文引用:1]