火山地层学(Volcanostratigraphy)是地层学的分支学科,起源于19世纪中叶莱伊尔(莱伊尔,1959)等人对维苏威等欧洲第四纪火山的相关研究,至20世纪中叶随着对火山研究的深入,人们越发认识到火山成因序列有其自身的规律性,需要专门的术语及其理论体系加以描述。1980年以来,相关学者针对英国北海大陆边缘含火山岩盆地洪泛玄武岩省总结了一套称之为地震地层学子集(subset of seismic stratigraphy)的地震火山地层学术语,并依此建立了火山陆缘构造-岩浆模型,对火山地层学在盆地内部的应用起到了重要的推动作用。2000年以来,松辽盆地火山岩油气勘探取得很大进展,在火山岩相、火山机构、火山岩储层、火山岩地球物理识别技术等方面取得了一系列成果,但目前仍存一些制约火山岩油气藏勘探的瓶颈问题,其中包括:(1)岩性、岩相、储层等相关研究缺少火山地层框架对其时-空关系的约束目前我国火山地层研究中,由于缺少火山地层界面的详细研究,造成火山地层单元的划分困难,现有的火山地层框架缺少对火山地层单元的详细刻画,导致火山岩性、岩相、储层研究缺少最基本的成因单元约束。同时,由于缺少火山地层理论支撑,多用沉积地层的建造和对比方式研究火山地层,没有考虑到火山地层特殊的叠置和建造方式,导致了火山地层结构认识不清,火山地层序列对比困难,无法真正了解火山岩岩性、岩相、储层在火山地层中的时-空分布规律和互相之间的成因联系。(2)火山岩地震识别缺少地震反射结构-火山地层单元响应关系的机理约束在沉积地层中,地震反射结构揭示了总的层理模式,据此可解释沉积过程、侵蚀现象和古地形,而在火山岩地震解释中,尚未建立地震反射结构与火山地层结构之间的联系,造成了火山岩地震响应特征多属描述性,随机性较大,系统性 和普适性不强。(3)需要断陷尺度的断裂-火山岩-盆地充填关系的理论框架目前我国盆地火山岩研究主要集中在火山岩性、岩相、火山机构等小-中尺度,在三维空间上,断陷乃至盆地级别的火山岩序列分布特征、叠置关系和发育规律等相关研究开展较少,对火山岩分布宏观特征缺乏整体和规律性的认识,导致火山地层的发生、发展和成因关系及火山岩储层在盆地范围内的分布规律不清。火山地层学研究对解决这些问题具有一定的指导意义,火山地层学旨在对火山堆积体进行分解描述和整体认知,即基于火山地层界面的识别、喷出物的内在属性和表观特征把火山堆积体划分成可辨别的、实用的和可填图的火山地层单元,通过对火山地层单元的描述、分类、命名和对比研究其叠置关系,建立其空间关系和时代序列,并在此基础上建立一系列可鉴别和对比的地层序列。本文以火山地层学为指导,以松辽盆地周边及邻区中、新生代火山岩露头野外考察为基础,综合利用盆地钻井和地震资料,研究了火山地层界面、火山地层单元及其叠置关系。以松辽盆地长岭断陷为例,探索了盆地火山地层的充填特征和断裂-火山岩-盆地充填发育模式,并在此基础上尝试应用多属性叠合和火山岩储层反演等方法,半定量-定量进行盆地火山岩储层综合评价。一、火山地层界面火山地层界面是由火山喷发和喷发间断作用形成的,存在于火山岩体之间的地层界面。由于火山作用的参与,火山地层界面相对于沉积岩中的界面更加的复杂和多样,为了火山地层划分和对比的需要,本文对火山地层界面进行刻画和归类。通过火山岩野外地质观测、岩性描述和测井-地震分析,将火山地层界面划分4类10种。4类界面为喷发整合界面、喷发不整合界面、喷发间断不整合界面和侵入不整合界面。进一步划分出的10种界面为岩性/岩相突变面、熔岩结构/构造突变面、火山碎屑岩结构/构造突变面、熔岩表面结构构造面、火山碎屑岩表面结构构造面、产状突变面、环形柱状节理面、风化壳、再搬运堆积物夹层、穿切面等。喷发整合界面是由火山连续喷发或喷发存在短暂间歇形成,界面处不存在风化和再搬运产物,火山地层产状协调;喷发不整合界面是由火山喷发短暂间歇、喷发中心迁移和地下岩浆潜流形成,界面上下火山地层产状不协调,但这种产状不协调是由于火山喷发作用而非长期喷发中断或陆上剥蚀造成,因此称为喷发不整合;喷发间断不整合界面由火山喷发的长时间间断形成;侵入不整合界面是浅层侵入的岩墙、岩席穿切围岩形成。盆内火山地层界面通过测井-地震方法进行刻画,其中火山地层界面在成像测井上表现为图像特征的突变,可进行界面的精确识别;常规测井识别界面精度小于成像测井,岩性/岩相突变面、熔岩和火山碎屑岩结构/构造突变面表现为曲线形态的陡坎状突变,风化壳表现为高伽马、低密度、低电阻,沉积岩夹层类似于沉积岩的曲线特征。在火山地层界面测井识别的基础上,通过井震对比发现,喷发间断不整合界面在地震上响应特征明显,为光滑连续强反射,下伏地层反射存在削截现象。多个喷发不整合界面可以合并为一个同相轴成像,地震响应特征为波状、断续-连续、粗糙-光滑界面,界面下部无削截现象。火山地层界面是识别火山地层单元、研究火山地层叠置关系和划分对比火山地层序列的基础,通过火山地层界面的识别,可建立等时火山地层喷发格架,为火山地层的分解描述提供依据。火山地层界面对储层发育具有控制作用,有利储层多发育在距离火山地层界面15m以内(基性熔岩)和30m以内(酸性熔岩)。在剥蚀界面附近储层物性会近一步改善,剥蚀界面对熔岩和火山碎屑熔岩的影响相对较大、对火山碎屑岩的影响较少。二、火山地层单元火山地层单元是由火山脉动式喷发、岩浆流动性质、就位环境等因素影响形成的,由火山地层界面所围限,具有特定外部形态和内部结构的相对独立的火山构成单元。火山地层由一系列特定的火山地层单元叠置构成,相对于整个火山地层的复杂性,火山地层单元具有尺度相对较小,内部结构构造规律性强的特点,对化繁为简的研究火山地层具有重要作用。作者通过火山岩野外地质观察测量和盆内井-震联合刻画发现,火山地层单元可以用成岩方式和包络线形态加以表征。二者可综合反映其形成时的喷发方式、岩浆性质、搬运和就位环境。成岩方式分为冷凝(熔岩类)和压实(火山碎屑岩类)两种。包络线形态就是火山地层单元的外形。据此将火山地层单元分为熔岩型和火山碎屑岩型2类,进一步按形态分为8种。其中熔岩类可分为辫状熔岩流、板状熔岩流、舌状熔岩流、管状熔岩流、熔岩穹丘5种;火山碎屑岩类可分为火山碎屑堆、半披覆-披覆状火山碎屑层、充填状火山碎屑流3种。辫状熔岩流为类似辫状河道状的薄层熔岩流;板状熔岩流为空间上几何形态板状或席状的熔岩流,厚度和横向延伸均较辫状熔岩流大;舌状熔岩流为几何形态为舌状的熔岩流;管状熔岩流为几何形态属管状的熔岩流,由岩浆供给通道充填岩浆冷凝形成;熔岩穹丘为具有大纵-横比的丘状熔岩流,多由粘度较高的酸性熔岩冷凝形成;火山碎屑堆为火山碎屑物在火山喷发中心附近近源堆积形成的丘状火山碎屑岩型火山地层单元;半披覆-披覆状火山碎屑为层状、近层状火山碎屑岩型地层单元,由远源空落的火山灰层或能态较高的热碎屑流、热基浪火山碎屑披覆堆积形成的;充填状火山碎屑流为低能态的火山碎屑物在洼地堆积形成,一般为火山泥石流成因。盆内火山地层单元的识别主要通过火山地层界面的测井识别划分单元顶、底,通过成像测井、常规测井对岩石结构、构造的响应刻画单元内部孔-缝带和火山碎屑粒度、熔结程度变化,通过井-震对比,在地震剖面上对火山地层单元的形态进行识别。火山地层单元内部岩石结构和构造纵向序列具有规律性,熔岩型火山地层单元内部结构构造可用孔-缝带进行描述,从顶到底序列通常为自碎角砾岩带(结壳熔岩不发育)、泡沫状气孔带、韵律性气孔带(基性岩不发育)、稀疏气孔带、致密带、底部气孔带。管状熔岩流较为特殊,目前仅见于基性熔岩中,由外圈环形柱状节理带和内部玄武质角砾岩带构成。火山碎屑岩型地层单元内部结构构造分带性通常体现在粒度和熔结程度的变化。熔岩型火山地层单元内部孔-缝带的发育序列直接控制了火山岩储层的分布,原生孔隙多发育在流动单元顶部和底部的泡沫状气孔带和底部气孔带中,通过野外剖面和盆内钻井统计发现,泡沫状气孔带在中基性的熔岩火山地层单元中厚度多在2-7m之间,在酸性的熔岩火山地层单元中厚度在0-30m之间,其厚度和比例与熔岩流单元厚度具有相关性,随熔岩流单元厚度的减小,泡沫状气孔带厚度减小,但比例均逐渐增大。测井储层物性统计表明,不同类型熔岩型火山地层单元,储层物性存在差异,其中辫状熔岩流储层物性好于板状熔岩流好于熔岩穹丘。三、火山地层叠置关系火山地层叠置关系即火山地层单元本身包络线的终止方式和火山地层单元之间叠置方式。由于火山喷发的脉动性、多源性,造成了火山地层单元在空间上以不同方式互相叠合、互相依存,构成了类型多样的火山岩体,控制了岩性、岩相、储层等在火山地层中的时-空分布,同时通过火山地层叠置方式地震响应特征的研究,可建立地震反射结构与火山地层之间的联系。因此基于火山地层精细刻画和地震识别的需要,作者通过野外火山岩地质观察、盆内井旁地震反射结构和同相轴终止方式研究,将火山地层单元的终止方式分为4种,叠置方式分为5种。火山地层单元包络线的终止方式包括断层终止、上超终止、下超终止、削截终止4种;叠置方式包括孤立单元(不叠合)、交织状叠合、层状叠合、多丘叠合、混合叠合5种类型。断层终止通常指火山地层在同生大断裂处终止;上超和下超终止为火山地层对下伏地层的侧向终止;削截终止为火山地层在侵蚀面处终止。孤立单元叠置方式由单个火山地层单元构成;交织状叠合为多个辫状熔岩流纵向和侧向叠合构成;层状叠合由多个板状熔岩流或半披覆-披覆状碎屑流纵向叠合构成;多丘叠合为多个熔岩穹丘或火山碎屑堆侧向叠合构成;混合叠合为前几类叠置方式的组合。通过井震对比,建立地震反射结构与火山地层叠置关系的联系,以实现火山地层不同叠置方式的地震识别,其中杂乱反射、乱岗状反射结构反映了孤立单元叠置方式、波状-断续反射反映了交织状叠置、平行-亚平行连续反射反映了层状叠置、复合丘状反射反映了多丘叠置,混合叠置在地震剖面上表现为前几种反射类型的叠加。火山地层叠置方式的研究意义主要体现在以下3个方面:(1)揭示火山岩体内部结构:不同类型的火山地层单元按照一定的叠置方式叠置后,形成了类型丰富多样、尺度更大的火山岩体(火山机构),可按成分-火山地层单元叠置方式-外形可进行综合分类和命名。本文通过钻井和井旁地震分析,建立了松辽盆地典型火山机构的火山地层界面、火山地层单元、叠置方式和储集空间地质结构模型,包括流纹质孤立单元熔岩丘、流纹质混合叠合熔岩丘、流纹质层状叠合熔岩台地、流纹质多丘叠合碎屑丘、流纹质层状叠合碎屑台地、安山质层状叠合熔岩流台地、玄武质交织叠合熔岩盾等。(2)储层意义:不同的火山地层单元叠置方式,造成了这些火山机构内部储层分布方式的不同,孤立单元叠置方式形成顶部和底部双层原生孔隙带,交织叠合形成众多交织状分布的原生孔隙带,层状叠合形成多个纵向叠置的层状原生孔隙带,多丘叠合形成侧向局限性分布的多个原生孔隙带,混合叠合原生孔隙分布方式为前几种分布方式的组合。测井物性统计显示,有利储层多发育在流纹质多丘叠合火山碎屑丘、流纹质层状叠合火山碎屑台地、流纹质混合叠合熔岩丘、玄武质交织状叠合熔岩盾四类火山机构中,这几类火山机构的特点均是由多个火山地层单元堆积形成,流动单元叠置方式以交织状叠合、多丘状叠合和混合叠合为主,单个流动单元厚度小,孔隙带数量多且所占比例大,储层条件较好。(3)基于火山地层叠置方式的火山岩地震识别:火山机构尺度适中,易于进行地震识别,可以作为联系火山地层(界面、火山地层单元、叠置方式)和火山地层地震反射特征的有效载体,结合地震反射外形、反射结构、同相轴终止方式总结了一套松辽盆地火山岩地震相特征,用以识别不同类型的火山机构。四、长岭断陷火山地层研究实例及其储层预测在火山地层界面、火山地层单元和火山地层叠置关系研究的基础上,以松辽盆地长岭断陷为例进行盆地火山地层充填特征和构造-火山盆地充填关系的研究,并进行了储层预测。在火山机构地震识别此基础上,建立了长岭断陷地震火山地层格架,刻画了不同类型火山机构的平面分布,初步探讨了构造-火山盆地充填关系。松辽盆地长岭断陷火山地层的旋回演化控制火山地层的纵向序列,断裂控制火山地层的横向展布:早期基底断裂控制盆地早期火山岩体分布,形成了环绕盆地分布的大面积安山质层状叠合熔岩流台地,之后早期基底断裂的火山活动趋于平静;之后控陷同生大断裂控制了火山岩优势发育区,他们的活动使火山作用由盆缘向盆地内部迁移,在凸起带建造了大规模多期叠合的火山岩充填;后期次级同生断层活跃,在次凹带建造了一系列串珠状分布的小型火山机构。 将火山地层界面、火山地层单元和火山地层叠置关系与储层的关系以火山机构类型为载体引入火山岩储层评价体系之中,结合火山机构相带、亚相组合和含流体性等评价指标,对在长岭断陷YYT、DEHN、SLN三个地震工区营城组一段和三段火山岩储层进行了综合评价,并根据火山地层结构建立似层状地质模型进行储层反演,计算了有利储层厚度。