松辽盆地徐家围子断陷火山岩裂缝形成机理

陈树民，姜传金，刘 立，初丽兰，裴明波

1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712 2.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034

松辽盆地徐家围子断陷火山岩裂缝形成机理

陈树民1，姜传金1，刘 立2，初丽兰1，裴明波1

1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712 2.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034

松辽盆地徐家围子断陷是位于松辽盆地北部深层的半地堑型晚侏罗世--早白垩世伸展断陷，火山岩发育。在已有研究成果的基础上，结合野外露头和岩心观测及镜下研究发现：本区火山岩构造裂缝和溶蚀裂缝都比较发育，具有明显的规律性，多数原生缝被后期的构造应力或溶蚀作用改造成次生缝。本区裂缝形成的控制因素较多，主要有应力、构造、岩性和岩相、溶蚀作用、风化淋滤、构造应力场演化等，其中构造应力场演化、岩性和岩相及风化溶蚀作用是控制裂缝形成的主要因素。构造裂缝以高角度的张扭性和张性缝为主，多为半充填和无充填，具有多期、多方向、组合复杂等特点，是晚侏罗世至新近纪各种地质作用相互叠加的结果。构造通过控制不同构造部位的局部应力场分布来控制裂缝发育程度，沿断裂带存在明显的应力集中，形成裂缝发育带，特别在正断层上升盘、断层端部、背斜轴部等应力集中部位容易形成构造裂缝。有效火山岩油气储层为各类原生孔隙与裂缝的有效组合。由于火山喷发多个旋回叠加，加之风化剥蚀及不整合面的存在，造成裂缝在纵向上发育具有旋回性，溶蚀裂缝主要在不整合面附近发育。在平面上，裂缝主要发育在断裂密集区、断裂交汇部位和背形或向形构造发育的地区。本区处于爆发相和溢流相火山岩的发育区，气孔和裂缝最发育，特别是溢流相的流纹岩中，裂缝和气孔均较为发育，是本区的优质储层最发育区，也是天然气富集区。

火山岩；裂缝；构造应力场；火山岩相；形成机理； 徐家围子断陷；松辽盆地

0 引言

松辽盆地徐家围子断陷火山岩发育。前人在火山岩地质特征[1-3]、成藏规律及控制因素[1-4]、火山岩储层特征[5-10]、火山岩识别和预测[11-13]、火山岩地球化学特征[14]、裂缝预测[15]等方面做过大量工作。经过勘探开发实践证实该区具有广阔的天然气勘探前景，但各井的产量及储量存在较大差异，研究发现这不仅与火山岩的分布有关，而且还与裂缝发育程度有关。众所周知，由于火山喷发的不规律性，加之后期构造和溶蚀作用的改造，火山岩类型复杂，裂缝分布不均衡，使火山岩地区的勘探难度更大，但由于增储上产形势的紧迫需要，寻找火山岩油气藏仍然是现今油气勘探的一个新领域。国内外勘探实践证明：火山岩储层发育程度的好坏主要受裂缝发育程度的控制，特别是在低孔渗地区，由于构造裂缝的存在，孔隙能够连通，其渗透率会因构造裂缝的存在大大改善；从大量次生孔隙形成的方式来看，多数是由裂缝和以构造裂缝沟通为主的储集空间。构造裂缝分布广、规律性较强、成组出现，可以将原生裂缝、早期构造裂缝和其他孔隙连通起来，寻找构造裂缝发育的火山岩储层是找到火山岩油气藏的关键。同时，裂缝的发育也不同程度受岩性和岩相及风化淋滤作用的控制。因此，火山岩裂缝的形成机理研究具有重要的理论意义。由于本区火山岩发育、具有多旋回性，裂缝发育、形成机理复杂，前人没有进行过系统研究。本次研究旨在通过火山岩野外相似露头区、钻孔岩心及镜下薄片的观察和研究，明确本区火山岩裂缝的形成机理，为结合实际资料预测火山岩储层裂缝发育区提供理论指导。

1 研究区概况

徐家围子断陷是一个位于松辽盆地北部深层的半地堑型晚侏罗世--早白垩世伸展断陷，近北北西向展布，西与古中央隆起带以断层相隔，东侧与尚家、朝阳沟隆起带呈斜坡过渡，是由3条断裂控制的复式箕状断陷。该断陷的主体发育于晚侏罗世，结束于早白垩世。这一时期，断陷经历了3次较长时间的伸展作用和一次短暂的挤压作用，这与滨太平洋构造域板块的运动方式是相联系的。该断陷自南到北依次为安达断陷、杏山断陷、薄荷台断陷3个一级构造单元(图1)。地层平均厚度3 000 m，总面积5 300 km2，基底埋深1 800～8 800 m，包括火石岭组、沙河子组和营城组。在断陷发育期，火山岩喷发强烈，可划分为3个火山岩喷发旋回，火山岩主体为白垩系营城组一段(Kyc1)、三段(Kyc3)。已在徐深1和徐深6等井火山岩中获得工业气流，显示该区具有广阔的天然气勘探前景。多年勘探研究表明，旋回Ⅲ(营城组)火山岩是重要的储集层，陆续发现了昌德、升平、兴城等气田。

图1 徐家围子断陷构造单元划分Fig. 1 Division of Xujiaweizi fault depression tectonic units

2 火山岩裂缝类型

2.1 野外相似露头区观察

本次野外进行了4个露头点的裂缝观测，均位于吉林省九台市，大地坐标分别为:44°22′37.0″N， 126°06′49.5″E； 44°22′37.7″N， 126°06′51.9″E； 44°23′13.5″N， 126°08′11.1″E； 44°23′14.5″N， 126°08′11.6″E。通过野外露头观测发现：相似露头区火山岩为营城子组火山岩，岩性以流纹岩及安山岩为主，构造裂缝发育，裂缝多数为剪性缝及压扭性缝。裂缝具有成组、成带分布的特征(图2)，平面延伸方向为近SN、EW、NW及NE向。其中流纹岩构造裂缝和气孔最发育:裂缝倾角以高角度缝(>75°)为主，占66.67%；斜交缝(15° ～75°)次之，占30.77%；低角度缝(<15°)较少，占2.56%(图3)。共轭剪切裂缝分期配套结果显示本区火山岩裂缝可分为3期：最早期为近SN向和NNW--SSE向，中期为NW--SE向，晚期为近EW向。

2.2 钻孔岩心裂缝观察

钻孔岩心观测表明：徐家围子地区营城组火山岩性主要以流纹岩、凝灰岩、火山角砾岩、安山岩为主，其次为英安岩、火山熔岩等，裂缝以中--高角度为主。裂缝按力学性质有张性、张扭性、压性、压扭性和剪切裂缝(图4)，以张性缝为主，张扭性缝次之，其余为压性缝，压扭性缝，剪性缝(图3)。裂缝大部分呈半充填及完全充填，充填物多以硅质、火山岩屑及碎屑岩脉为主；裂缝最大宽度为20.0 mm，主要以0.1～10.0 mm的中缝和小缝为主(约占76.00%)，小于0.1 mm微缝次之(约占14.29%)，大缝(>10.0 mm)较少发育(约占7.14%)。

2.3 显微裂缝观察

显微裂缝观测表明：本区主要发育有张性、张扭性构造裂缝；其次发育晶内、晶间、粒间及穿晶裂缝、冷凝收缩缝和炸裂缝等，裂缝以无充填为主。镜下观察最大缝宽为1.610 mm，缝宽主要区间为0.005～0.600 mm；以微缝(<0.100 mm)最发育(约占74.4%)，小缝(0.100～1.00 mm)次之(约占24.15%)，中缝(>1.000 mm)较少发育(约占0.97%)(图5)。储集空间的组合类型主要有原生孔隙+构造裂缝型及次生孔隙+构造裂缝型。

a.压扭性裂缝，裂面光滑,其内发育多条剪裂缝；b. 压扭性裂面，长度约4 m，波状弯曲，缝宽3～8 cm；c.3组剪切裂缝,无充填或半充填；d. 低角度张性构造缝，裂面锯齿状，延伸大于10 m，宽度1～5 cm，缝内无充填；e.2组压扭性结构面，具钉头擦痕；f. 3组裂缝：垂直剪切裂缝，高角度压扭裂面，低角度张性裂缝，锯齿状。图2 徐家围子断陷野外火山岩裂缝观测图片Fig.2 Fracture observation of volcanic rocks outcrop of Xujiaweizi fault depression

图3 徐家围子断陷裂缝观测结果对比图Fig.3 Comparison chart of fracture observations of Xujiaweizi fault depression

通过对火山岩野外相似露头区、钻孔岩心及镜下薄片的裂缝观察与描述发现：徐家围子断陷营城组火山岩裂缝按裂缝的形成时间可分为原生缝和次生缝，多数原生缝被后期的构造应力或溶蚀作用改造成次生缝；按力学性质发育有张性、张扭性、压性、压扭性和剪裂缝，以张扭性缝为主，其次为张性缝；按充填情况有完全充填、半充填和无充填3种情况(图3)，充填物多以硅质、火山岩屑及碎屑岩脉为主。

3 火山岩裂缝形成机理

3.1 构造裂缝形成与应力场演化

松辽盆地徐家围子断陷火山岩储层发育的构造裂缝，具有多期、多方向、组合复杂等特点，是晚侏罗至新近纪各种地质作用相互叠加的结果。根据本区裂缝形成时期和构造应力场分析，裂缝主要在早白垩世构造伸展期和晚白垩世构造反转期形成，其中以晚白垩世构造反转作用为主。晚侏罗世--早白垩世时期，整个松辽盆地处在以东西向张扭应力为主的应力场中，在营城组火山岩固结成岩后，持续的拉伸破裂机制使部分南北向裂缝伴随着主断裂的形成，晚白垩世构造作用最强，应力场逐渐转变为压扭性质，且越来越强烈，构造应力值最大，对该区裂缝的形成起主导作用。在白垩纪早期的伸展构造时期，主要形成近南北向裂缝。在晚白垩世的反转构造时期，在近北西向挤压应力作用下，主要形成近北西向张裂缝和北西西及近南北向的剪切裂缝。在古近纪，又经历了一次张扭-压扭的应力旋回，岩层受共轭剪切作用形成北东向与北西向两组共轭缝。新近纪以来， 应力又转变为压扭为主，多数东西向裂缝在此时期挤压破裂生成，为有效裂缝(图6)。

a.达深401井，3 183.99 m，灰白色流纹岩，剪切缝，裂缝倾角80°；b.徐深11井，3 783.30 m，英安岩，张性缝；c.宋深102，3 177.79 m，灰白色凝灰岩，网状缝，碎屑岩脉充填；d.汪深101井，3 088.54 m，灰色流纹岩，张性缝；e.肇深12井，3 508.98 m，火山角砾岩，张性缝；f.达深3井，3 242.86 m，安山岩，发育高角度75°张扭性裂缝；g.宋深102井，3 178.39 m，灰白色凝灰岩，网状缝；h.汪深101井，3 090.04 m，灰色流纹岩，发育85°～90°张扭性裂缝。图4 松辽盆地徐家围子断陷典型岩心裂缝描述Fig.4 Typical core fracture description of Xujiaweizi fault depression

图5 徐家围子断陷镜下显微裂缝宽度频率图Fig.5 Percentage of microfracture width of Xujiaweizi fault depression diagram

图6 徐家围子不同时期应力场与裂缝形成机制关系图Fig.6 Relationship diagram of fracture formation mechanism and different periods of stress field of Xujiaweizi fault depression

3.2 与断层相关的裂缝

断裂是控制火山岩储层裂缝发育的重要因素，它通过控制不同构造部位的局部应力场分布来控制其裂缝发育程度。由于断层活动造成的应力扰动作用，沿断裂带具有明显的应力集中现象，扰动带宽度大致为断层断距的1/2，远离断层，裂缝密度呈递减的趋势，通常形成与断层平行的一组张裂缝和与断层斜交的两组剪切裂缝(图7)。在断层的端部等部位，通常是应力的集中区，是裂缝的发育区。本区正断层是控制裂缝形成与分布的主要因素，上盘较下盘裂缝更发育，上盘裂缝指数比断层下盘高，裂缝指数随深度增加逐渐减小(图7)。逆断层是构造反转时的压扭性应力作用形成的，通常规模很小，在逆断层的端部由于应力集中通常形成裂缝密集发育区(图7)。

图7 徐家围子断陷与断层相关的裂缝形成机制图Fig.7 Fault-related fractures formation mechanism of Xujiaweizi fault depression

3.3 与褶皱相关的裂缝

与褶皱相关的裂缝包括与纵弯和横弯褶皱有关的裂缝。与纵弯褶皱有关的裂缝的岩层在受到挤压力之前，先形成一组直立的共轭剪切裂缝(平面X型裂缝)，以及与最大挤压应力方向平行的一组横张裂缝(追踪张裂缝)，垂直或平行褶皱轴线的为张裂缝，斜交褶皱轴线的为剪裂缝，多以共轭形式出现。与横弯褶皱有关的裂缝的产生与岩层之间的错动有关，往往在层面上形成张裂缝和放射状裂缝。本区火山岩气藏以构造-岩性复合气藏为主,在构造高部位聚集(升深2-1断背斜油气藏)。低幅背斜-岩性复合气藏(升深6，徐深9)[1]则是本区火山岩气藏特有的一种气藏类型,它是火山喷发过程中形成的一种特殊的背斜构造。背斜岩层的变形强度通常较大，在背斜轴部附近形成裂缝发育带。

3.4 岩性的控制作用

原生孔隙是火山岩储集空间形成的基础,其发育情况受岩性和岩相的控制。岩性决定了原生孔隙的类型，岩相(亚相)则决定了原生孔隙的发育状况[5]。

岩性是影响裂缝发育的最基本的因素。影响裂缝发育的岩性因素包括岩石成分、颗粒大小及物性等。由于不同岩性的岩石成分及结构、构造不同，岩石力学性质各异，在相同构造应力作用下，裂缝的发育程度不一致。强硬致密岩层通常表现为脆性，裂缝一般比软弱岩石更发育，构造裂缝发育程度与储集层岩石致密、性脆呈正相关关系。徐家围子地区主要发育高角度缝和斜交缝，低角度缝相对不发育。流纹岩中裂缝最发育，特别是高角度缝发育，超过30%，斜交缝占15%左右，其次为英安岩、凝灰岩、安山岩等。凝灰岩与英安岩中斜交缝比高角度缝发育(图8)。

3.5 岩相的控制作用

图8 研究区岩心观察裂缝分布频率与岩性关系直方图Fig.8 Fracture distribution frequency and lithologic relationships histogram by core observing in study area

本区发育爆发相、溢流相、次火山岩相、火山通道相、火山沉积相(图9)。储层孔隙和裂缝的发育与火山岩相密切相关：与爆发作用相关的各种裂缝十分发育，有火山角砾岩粒间缝、炸裂缝等。由于火山爆发相一般都处于古侵蚀高地，容易遭受风化淋滤作用，因此溶蚀孔(洞)和溶蚀裂缝发育，为复合型孔隙系统，是有利储集相带(图9)。溢流相的火山岩顶底层以碳酸岩化为主，造成溢流相的火山岩顶底的岩石脆性大，有利于裂缝的产生(图10)；中部以绿泥石化为主，伴有绢云母化、蛇纹石化，泥质含量较高，使岩石塑性增加，岩石脆性小，裂缝相对不发育。火山溢流相中的X型剪切节理型构造裂缝，是火山溢流相中最发育、最重要的裂缝，多与柱状节理和层面节理组成网状裂缝(图9)。孔隙在火山溢流相中亦占有重要地位，但要有裂缝相连才能成为有效孔隙。次火山岩相构造裂缝在火山口附近裂缝最为发育，其次是近火山口处，远源的裂缝最不发育，主要原因是火山口附近的隐爆角砾岩砾间缝十分发育，围岩中的网状裂缝、垂直张裂缝也十分发育。火山沉积相一般位于喷发主体的边缘，火山岩层薄，多为凝灰质火山岩或沉积凝灰岩，原生气孔不发育，加之位于古侵蚀低洼地带，风化裂缝不发育，储集层一般较差，但在构造应力作用下，产生构造裂缝，也可能成为好的储集层。

3.6 风化淋滤的控制作用

火山岩岩体形成之后,其原生气孔大多是互不连通、独立存在的,或连通性很差[14]；而构造裂缝的发育和晚期的风化淋滤作用起到了沟通裂缝和孔隙的作用，从而提高了火山岩储层的孔、渗性,是形成天然气高产区的重要因素。风化作用主要是指物理风化过程和化学风化过程。物理风化使一些小尺度隐性裂缝发展为显性裂缝，提高了裂缝的发育程度，密度加大，贯通性变好。其主要是具有化学活动性的流体对先形成的裂缝所进行的溶解交代等的改造，但水-岩反应处于地下较深部位相对封闭的成岩环境而不易被带出，沉淀于原来的孔隙之中[13]，使得裂缝被充填，影响了贯通性。先期裂缝是溶蚀裂缝形成的基础，如兴城地区徐深8井区发育早、中、晚3期构造裂缝，其中以晚期NEE向构造裂隙为主，沟通了原生气孔，沿裂缝具有明显的溶蚀作用，加上沙河子组烃源岩进入过成熟演化阶段，有机质向烃类转化时发生脱羧作用，形成的CO2使地下流体变为酸性，流体沿裂隙进入储层，形成了大量溶蚀孔隙。构造裂缝与酸性流体的良好配置，有利于储集空间溶蚀作用的发生，进一步改造储层的性能。

4 火山岩裂缝形成模式

图9 徐家围子断陷不同火山岩相裂缝发育模式Fig.9 Fracture development mode of difference volcanic facies of Xujiaweizi fault depression

图10 徐家围子断陷裂缝形成机制模式Fig.10 Xujiaweizi fault depression fracture formation mechanism mode

火山机构可划分为火山口-近火山口、近源、远源和火山沉积带[6]。火山岩储层裂缝形成的控制因素较多，主要有构造、岩性、岩相、构造应力场演化、溶蚀作用、风化淋滤等，其中构造应力场演化、岩性和岩相、风化淋滤是控制裂缝形成的主导因素。构造应力场演化通过控制不同构造部位的局部应力分布来控制其裂缝发育程度。在断层附近，由于断层活动造成的应力扰动，沿断裂带具有明显的应力集中，造成裂缝发育。在背斜或低幅背斜的轴部，是裂缝发育带。不同岩性的岩石成分及结构、构造不同，岩石力学性质各异，因而在相同构造应力作用下，裂缝的发育程度不一致。火山爆发强度越大，岩石越破碎，与爆发作用相关的各种裂缝越发育；近火山口相裂缝连通，储层更好。火山溢流相的孔隙系统为复合型网状孔隙，溢流相火山岩顶底部各种节理发育，是溢流相亚相中构造裂缝最发育的。溶蚀作用主要发生在火山岩顶部、不整合面附近及裂缝和酸性流体发育区(图10)。由于多个火山喷发旋回叠加，加之风化剥蚀及不整合面的存在，造成在纵向上裂缝发育程度的旋回性。以不整合面为界，随着深度增加，一般在不整合面下0～10 m带，溶蚀网状缝或高角度缝发育，形成较高的溶蚀裂缝孔隙度；往下构造缝相对发育。原生孔隙和次生孔隙的联合作用形成本区的裂缝系统，控制着火山岩储层的有效性。

5 结论

1)徐家围子断陷营城组火山岩构造裂缝发育，以中--高角度、张扭性缝为主，具有多期叠加的特点。有效缝至少分3期形成：最早形成裂缝近南北向，其次为近北西--南东向的裂缝，近东西向裂缝形成最晚。风化淋滤及溶蚀裂缝也比较发育，主要分别发育在不整合面附近及地下酸性流体充足的部位。

2)徐家围子地区火山岩储层裂缝形成的控制因素较多，构造应力场演化、岩相和岩性及风化溶蚀作用是控制裂缝形成的主要因素。火山岩有效油气储层为各类原生孔隙与裂缝的有效组合；组合类型有原生孔隙-构造裂缝型、次生溶蚀孔-构造裂缝型，裂缝充填以半充填有效裂缝为主。

3)在断裂密集区、断裂交汇部位、构造发育带及不整合面附近，特别是处于爆发相和溢流相裂缝火山岩的部位，裂缝和气孔均发育，是最有利的火山岩储层发育区，也是天然气富集区。

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Fracture Formation Mechanism of Volcanic Rocksin Xujiaweizi Fault Depression of Songliao Basin

Chen Shumin1,Jiang Chuanjin1，Liu Li2，Chu Lilan1，Pei Mingbo1

1.Daqing Oil Field Co.，Ltd. Company Exploration & Development Institute，Daqing 163712 ，Heilongjiang, China 2. Strategic Research Center of Oil and Gas Resources Ministry of Land & Resources，Beijing 100034，China

Xujiaweizi fault depression is a Late Jurassic-Early Cretaceous deep half-graben type extensional fault depression in northern Songliao basin, and volcanic rocks developed. The article is mainly based on macro and micro studies on outcrops, cores and thin sections. Tectonic fractures and corrosion fractures are well developed, and show apparent regularity. Most of primary fractures are transformed into secondary fractures by later tectonic stress or dissolution. Fractures formation are controlled by several factors, for instance, regional tectonic stress and its evolution, structure, lithology, lithofacies, dissolution, weathering. Among these, tectonic stress field evolution, lithology and lithofacies, weathering and dissolution are dominant factors. Most of tectonic fractures are characterized by high angle, tensional and torsional, part filled or unfilled, multi-period, and multi-directional, which is the results of the superposition of various geological and tectonic role from Late Jurassic to Neogene. Local development of fractures are controlled by local stress field distribution. In general, since obvious stress concentration, fault systems are fracture development zone. Local stress are especially concentrated in the hanging wall of normal fault, the end of normal and reverse fault, and anticline axis, where tectonic fractures are abundant. The effective hydrocarbon reservoirs in volcanic rocks are controlled by combination of primary pore spaces and structural fractures. The fracture development shows vertical cyclicity because of multi-eruption, weathering and unconformable surface. The dissolution fractures develop near unconformity. In plane, the fractures mainly developed in fault-concentrated area, faults intersection, anticline and syncline. Pores and fractures is the most developed in explosive and effusive facies, especially in effusive rhyolite. The rhyolite is the most advantageous reservoir and high yield gas production area.

volcanic rocks；fracture；tectonic stress field；volcanic facies；formation mechanism; Xujiaweizi fault depression; Songliao basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201406110.

2014-02-21

国家“973”计划项目(2009CB219307)

陈树民(1962--)，男，教授级高级工程师，博士，主要从事油气地质、地震勘探方向研究，E-mail:chenshm @petrolchina.com.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406110

P618.13

A

陈树民，姜传金，刘立，等. 松辽盆地徐家围子断陷火山岩裂缝形成机理.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(6):1816-1826.

Chen Shumin,Jiang Chuanjin，Liu Li ,et al.Fracture Formation Mechanism of Volcanic Rocks in Xujiaweizi Fault Depression of Songliao Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):1816-1826.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406110.