勘探成果显示，塔河地区奥陶系的油气主要分布在上奥陶统良里塔格组(O₃l)、中奥陶统一间房组(O₂yj)以及下奥陶统鹰山组(O_1-2y)顶部^[1]，但深层领域依然具有良好的勘探前景，尤其是近年来，在对塔里木盆地深层碳酸盐岩的勘探过程中，发现下奥陶统蓬莱坝组具有良好的油气资源潜力^[2]。玉北5井的钻探结果证实了蓬莱坝组发育白云岩储层，并在塔里木盆地玉北地区中、下奥陶统获得了油气发现^[3-4]。杨海军等^[5]研究发现，塔中地区深部热液流体极为活跃，对蓬莱坝组碳酸盐岩储层有着良好的改造效果，塔北地区的热液活动使白云石发生了重结晶作用和溶蚀作用，对该地区下奥陶统白云岩储层物性具有积极影响^[6]。因此，下奥陶统蓬莱坝组的白云岩是塔河地区深部勘探部署的有利目标之一。由于热液活动在塔里木盆地广泛发育，热液作用对下奥陶统碳酸盐岩储层的改造逐渐得到了勘探家们的重视。

研究发现，塔河地区鹰山组发育特有的“串珠状”地震反射特征，近年来的钻探成果证实了这一特征往往对应着良好的缝洞型碳酸盐岩储层，但对于其下伏的蓬莱坝组的“强地震反射”现象的研究较为薄弱，其分布范围与地质成因尚不明确^[7]。李坤白等^[8]在塔里木盆地顺南1井区发现了蓬莱坝组及其附近碳酸盐岩地层在地震剖面上表现为片状强振幅异常及管状强振幅异常，分析显示其为热液溶蚀作用造成的。因此推测，塔河油田蓬莱坝组极有可能发育类似的热液白云岩，并形成了此类强反射地震特征。通过对三维地震资料中蓬莱坝组广泛存在的强反射地震特征与分布进行详细研究，并阐述其成因机制，建立热液对储层的改造模式，以期为塔里木盆地深层油气勘探中寻找优质的热液白云岩储层提供新的研究思路和地震分析方法。

塔河油田位于塔里木盆地北部，构造上属于沙雅隆起阿克库勒凸起，北依轮台断裂，东临草湖凹陷和满加尔坳陷，西接哈拉哈塘凹陷，南靠顺托果勒低隆起(图 1)。早震旦世—早奥陶世，塔里木板块整体处于拉张环境，早奥陶世末期，塔里木盆地呈现出“东盆西台”的沉积特征，至中奥陶世，塔里木板块南北两侧被动大陆边缘逐渐转变为主动大陆边缘，板块整体变为挤压环境^[9]。塔河地区经历了多期次、多幕构造运动，形成了多个不整合面和多套构造层序，其中影响较大的构造运动为加里东运动和海西运动。钻井资料揭示，塔河地区中、下奥陶统自上而下分别为一间房组(O₂yj)、鹰山组(O_1-2y)和蓬莱坝组(O₁p)，其中下奥陶统蓬莱坝组为本次研究的目的层段，其顶、底均为区域不整合面，在地震剖面上对应T₇⁸界面和T₈⁰界面，为三级层序界面^[10]。蓬莱坝组在全区皆有分布，地层厚度变化小，以局限台地为背景，沉积环境以潮坪为主。岩性主要为微晶白云岩、粉细晶白云岩、砂砾屑白云岩，顶部为白云质灰岩与泥—微晶灰质白云岩互层^[3]。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 塔河油田奥陶系蓬莱坝组构造-沉积背景图 Fig. 1 Tectonic-sedimentary settings of Ordovician Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

塔河油田蓬莱坝组强反射地震相是指多层、短连续的强反射特征，外部形态呈块状或层状、沿断裂分布、受界面约束、一般终止于顶界面以下。本文在地震属性分析的基础上^[11-13]，采用人工识别的方法对研究区地震剖面进行测网式逐一追踪，明确了这类具有强反射地震特征的平面分布范围。

塔河油田蓬莱坝组强反射地震相多与断层相伴生，沿断裂单侧或双侧发育，向上倾方向延伸较远；纵向上受不整合面约束，仅在蓬莱坝组(T₇⁸~ T₈⁰)内部发育[图 2(a)]。通过三维地震特征识别，可见该强反射地层与断裂和层序界面关系密切，与断裂的关系可分为2种情况：一是在断裂两侧均发育，在其上倾方向延伸较远[图 2(b)]；一是在断裂单侧发育，在断裂的另一侧不发育，有时表现为强反射地层夹于两条断裂之间[图 2(c)]。强反射地震特征与蓬莱坝组顶部(T₇⁸)不整合面的关系表现为：靠近T₇⁸不整合面处，强反射特征顺层延伸较远，但未穿越该界面[图 2(d)]。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 塔河油田三维地震中的强反射地震相 Fig. 2 Strong reflection seismic facies in 3D seismic data of Tahe Oilfield

从均方根振幅属性图(图 3)和人工追踪得到的平面分布图(图 4)均可以看出，强反射地震相在塔河地区下奥陶统蓬莱坝组具有以下发育特征：①多发育于构造主体部位，总体上分布较为集中，在研究区中北部较为发育，但相互之间不连续，呈孤立的点状分布；②除中北部2个区块发育外，西北部也有1个区块发育强反射地震相，而南部及东部欠发育；③主体沿NE及NNW向深大断裂分布，强反射地震特征与研究区的几条主要深大断裂的发育位置基本一致。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 塔河油田奥陶系蓬莱坝组振幅属性 Fig. 3 Amplitude attributes of Ordovician Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 塔河油田奥陶系蓬莱坝组强反射地震相平面分布特征 Fig. 4 Plane distribution of strong reflection seismic facies of Ordovician Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

塔里木盆地顺南4井钻探结果显示，蓬莱坝组及其上下层位发现了大量热液白云岩，溶蚀孔极为发育，在地震特征上表现为片状强振幅异常，程飞^[7]、李坤白等^[8]已证实其热液溶蚀作用与断裂带的发育及二叠纪的火山活动有关。由此可以推断，具有相同地质背景的塔河油田蓬莱坝组可能同样发育热液白云岩储层，为了进一步验证这一推论，笔者通过地震正演模拟，将地质与地震有机结合，从而论证研究区的岩石成因类型。

热液溶蚀作用对地层的改造主要包括2种情况：①酸性热液流体通过对岩石矿物的溶蚀作用而形成次生孔隙，对物性的改善具有积极的贡献作用；②含有丰富矿物质的热液流体可能会在现有的储集空间内发生热液矿物的沉淀，从而占据一定量的储集空间。上述2种情况均会导致地层的岩性发生改变，在地震上则会引起地震波速度的变化，从而形成强反射特征。陈红汉等^[14]通过研究认为，热液作用造成白云石发生重结晶现象在塔里木盆地白云岩成岩演化历史上具有广泛性，通常来讲，酸性热液流体的改造多以促进溶蚀为主，对储层物性的提高具有积极的贡献作用^[5]，无论致密的灰岩还是泥—微晶白云岩，在热液的改造作用下大多会产生丰富的晶间孔隙和热液溶蚀孔隙^[15]，例如雅克拉地区S15井的蓬莱坝组白云岩，可见热液改造形成的大量溶蚀孔洞并部分沉淀了热液矿物^[16]，邵小明等^[17]曾报道塔河油田深部地层也存在典型的热液白云岩，且受构造裂缝控制。

结合研究区钻遇蓬莱坝组的TS2、S88和TS1等3口井的分层数据，统计了各个组段的地震波速度和密度(表 1)，再通过井震标定建立了塔里木盆地蓬莱坝组强反射地震相正演模型[图 5(a)]。利用该模型模拟了热液流体侵入白云岩地层，并顺层运移对围岩进行的溶蚀改造，同时模拟了热液溶蚀作用形成的孔洞导致地震波速度变小的情况。

表 1(Table 1)

表 1 塔河油田地震强反射模型的速度和密度值 Table 1 Velocity and density values of strong reflection seismic facies model in Tahe Oilfield 地层 纵波速度/ (m·s-1) 横波速度/ (m·s-1) 密度/(g·cm-3) 鹰山组 5 800 3 388 2.62 蓬莱坝组 6 050~6 100 3 534~3 558 2.67~2.68 下丘里塔格组 6 300 3 654 2.75 热液改造白云岩 5 500 3 205 3 205

下载CSV 表 1 塔河油田地震强反射模型的速度和密度值 Table 1 Velocity and density values of strong reflection seismic facies model in Tahe Oilfield

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 塔河油田奥陶系强反射地震相正演模型(a)和强反射地震相正演成像剖面(b) Fig. 5 Forward model(a)and forward imaging profile(b)of strong reflection seismic facies of Ordovician in Tahe Oilfield

正演成像剖面[图 5(b)]显示，中间被热液改造的部分呈现出较强的地震反射特征，且沿地层横向展布，与实际地震资料具有一致性。通过对该3组地震强反射分别进行波动方程正演及克希霍夫偏移，提取反射层位的振幅最大能量(图 6)，从整体趋势上可以明显看出，中间部分(对应成像剖面中的强反射部分)的振幅明显强于两侧，这进一步证实了热液改造后的地层存在振幅异常。因此，可以通过研究区的强反射地震特征推断蓬莱坝组极有可能存在热液白云岩。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 塔河油田奥陶系蓬莱坝组各地层振幅最大能量曲线 Fig. 6 Maximum energy curves of amplitude of Ordovician Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

前人研究表明，蓬莱坝组下伏寒武系发育热液白云岩，热液流体沿海西期张性断裂向上运移，对寒武系进行了热液改造^{[14, 18-19]}。郑剑锋等^[20]总结了发生热液白云石化作用须具备以下3个条件：①深大断裂是热液流体的运移通道；②断裂系统及多孔的碳酸盐岩可构成热液的输导体系；③致密的泥岩或者泥晶灰岩可作为封盖层，阻止热液继续向上运移。塔河油田块状强反射特征在蓬莱坝组白云岩地层中大量出现，并且多发育于断裂附近，推测可能是深部热液流体在海西期沿深大断裂向上运移并对蓬莱坝组进行热液改造后形成的热液白云岩。因此，下文将从构造发育特征、断裂-热液作用以及致密盖层的封闭条件等3个方面讨论其成因机制。

塔河油田位于塔里木盆地阿克库勒凸起西南斜坡，构造上属塔北隆起中部，是一个周缘被坳陷或凹陷环绕的构造高部位。塔河地区在加里东期表现为一个北东向较宽缓的鼻隆，高点在现今轮台断裂附近；海西晚期，整个区域再次强烈隆升，该期构造运动对古地貌格局的形成影响重大，形成了北高南低、倾向为南南西向、局部发育古构造高点及平台的单斜构造面貌^[21]。从海西晚期至现今，其构造格局基本维持不变^[22-23]。从现今塔河油田深度等值线图(图 7)可以看出，研究区中北部相对周边地区较高，构造高点位于东北部，总体表现为由北东向南西存在地势逐渐降低的趋势。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 塔河油田蓬莱坝组顶界深度等值线图 Fig. 7 Depth contour map of the top boundary of Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

塔河地区蓬莱坝组断裂十分发育。断裂的发育具有多期次、多级别的特点，以走滑断裂为主，层间断裂也较为发育^[24]。依据断裂规模及其对地层的影响程度，可划分为4个级别(图 8)：一级断裂为长期活动的区域性断裂和大型断裂，延伸数百公里甚至上千公里，共计6条，大都从基底延伸到奥陶统，又称基底深大断裂，走向以NW—SE向或NE— SW向为主，平面上多呈现共轭状；二级断裂为多期活动的中型断裂，规模中等，延伸长度数十到上百公里，主要分布在一级断裂附近并与其走向近似；三级断裂主要是与二级断裂相伴生的NEE向断裂，规模较小，活动时间短，延伸距离小，大多为层间断裂，平面上主要发育于研究区中部，东西部也有零星发育；四级断裂主要是大断裂派生出的小断裂，规模小但数量众多，方向性差，走向多变，全区广泛分布，图 8中未予以刻画。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 塔河油田蓬莱坝组强反射地震相与不同断裂级别叠合图 Fig. 8 Overlap map of strong reflection seismic facies and faults of Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

断裂级别与其发育期次具有一定关联性(图 9)：加里东期主要形成的是一级和二级深大断裂，奠定了区域断裂格局，但数量较少；海西期三级断裂异常发育，具有在深大断裂基础上继承性发育特征，如NNW和NNE向断裂；此外，在较高级别的断裂附近也派生出了众多四级小断裂，这一时期发育的断裂数量约占断裂总数的90%。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 塔河油田蓬莱坝组强反射地震相与不同期次断裂叠合图 Fig. 9 Overlap map of strong reflection seismic facies and different stages of faults of Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

强反射地震相的平面分布及其断裂发育叠合图(图 9)显示：①块状强反射主要发育于构造高部位，即研究区中北部的构造隆起区强反射特征大面积发育，而南部属于构造低部位，其强反射特征基本不发育；②深大断裂是强反射地震相的主要成因机制，强反射地震相主要沿一级和二级深大断裂分布，且与其走向一致，总体上具有沿NNE和NEE方向展布的趋势；③断裂交会处更利于强反射地震相的发育，尤其是级别较高的断裂交会处，在平面上表现为强反射特征的集中分布。因此，塔河地区复杂的断裂系统与构造演化格局共同控制了强反射地震相在平面上的分布特征。

前人研究显示，塔里木盆地共经历了4期岩浆活动，其中二叠纪的火山活动最为强烈，形成了大规模的基性火山喷发岩和中酸性喷发岩，在塔西、塔中以及塔北地区广泛分布^{[15, 25]}(图 10)。因此，塔河油田奥陶系曾经历过强烈的火山-岩浆活动，深部存在热液流体活动。塔里木盆地柯坪水泥厂剖面的野外地质考察结果显示，蓬莱坝组发育明显的硅质层和透镜状硅质团块，岩石薄片在偏光显微镜下也显示了大量热液溶蚀现象以及白云石晶间发生的硅化现象(图 11)，硅质团块通常被认为是热液作用的产物，充填于岩石缝洞系统中。

图 10

Fig. 10

下载eps/tif图 图 10 塔北地区二叠系酸性岩浆岩分布特征(据文献[26]修改) Fig. 10 Distribution characteristics of Permian acid magmatic rocks in northern Tarim Basin

图 11

Fig. 11

下载eps/tif图 图 11 塔河地区蓬莱坝组热液白云岩的露头特征及显微特征 Fig. 11 Outcrop characteristics and microscopic features of hydrothermal dolomite of Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

塔河地区寒武系热液白云岩为热液流体沿海西期张性断裂向上运移进而对上部地层进行热液改造的结果^[12]。晚加里东期—早海西期，盆地在NW—SE向的压扭性应力作用下形成了高角度断裂，表现为在原始沟通基底的大断裂基础上伴生出新的走滑断裂，而早期的深大断裂在海西期得到继承性发育，它们共同组成了热液向上运移的复杂通道系统^[27]。因此，可以推测热液流体沿深大断裂向上运移不仅可以对寒武系进行了热液改造^[28]，也可以运移至上覆的蓬莱坝组，并对其进行热液白云岩化作用^[24]，即对原先已经存在的粉—细晶白云岩进行热液改造，使其发生重结晶作用，可形成储集物性更好的中—粗晶白云岩^[6]，但热液流体对储层的改造既有建设性作用又有破坏性作用，适度的白云石化作用能够使白云石晶体变大，孔隙度增加，从而形成更优质的储层，但过度的白云石化作用也可能使得岩石孔隙度降低^[29-30]。研究区的这种热液白云岩化作用在白云岩储层中形成了一定量的孔洞系统，在地震剖面上表现为强反射地震相，因此，这一特征可为优质的白云岩储层勘探提供指示标志。

野外地质露头显示，蓬莱坝组顶部(T78不整合面处)发育一套较薄的黏土岩层，其上覆鹰山组底部广泛发育了一套海进体系域的致密泥晶灰岩，这2套岩层共同构成了封闭性良好且广泛分布的区域性致密盖层，可对热液流体向上运移起到一定的终止和封闭作用(图 12)，使其发生横向顺层延伸。从而在地震剖面上表现为块状的强反射特征。在深部热液流体沿断裂向上运移时，会对运移路径附近的白云岩进行热液改造，当遭遇区域性不整合面的致密盖层遮挡时，横向延伸往往较远，因此，在地震剖面中强反射特征往往沿区域性不整合附近侧向延伸较远。

图 12

Fig. 12

下载eps/tif图 图 12 塔河地区蓬莱坝组热液白云岩化模式 Fig. 12 Hydrothermal dolomitization model of Penglaiba Formation in Tahe Oilfield

通过分析强反射地震相在三维地震中的特征和平面分布规律，结合前人对塔河油田附近区域热液作用的研究成果，发现塔河油田蓬莱坝组具备发育热液白云岩化作用的地质条件。野外地质露头和镜下岩石学特征、深大断裂的发育、深部存在的热液流体活动、区域不整合面迫使热液横向延伸与地震强反射特征的匹配关系等一系列证据证实研究区发育优质的热液白云岩储层。其发育模式如下：深部热液流体沿着研究区广泛发育的断裂系统(深大断裂及其派生的次级断裂系统)向上运移，对运移路径上的围岩进行热液溶蚀改造，当深部流体运移至上覆区域不整合面处的致密盖层，发生遮挡而顺层运移，由于不整合面附近岩石本身储集物性相对较好，热液流体运移较远，进一步改造该界面附近的岩石。总体上，热液对围岩的改造作用可在一定范围内增加岩石的孔隙度，改善其储集性能，形成深部相对优质的构造-热液白云岩储层，从而在三维地震剖面中表现为强反射地震特征。

(1) 塔河油田蓬莱坝组发育多层、短连续的强反射地震现象，外部形态呈块状或层状，分布于断裂单侧或双侧，纵向受层位约束，一般终止于不整合面之下，总体上多发育于构造高部位，平面上中部和西北部均较为发育，展布方向与深大断裂一致，呈NE和NNW向。

(2) 塔河地区复杂的断裂系统与构造特征对强反射地震相的分布具有重要影响，宏观上强反射地震相主要发育于构造隆起区，深大断裂是其主要的运移通道，特别是加里东期形成的一级和二级深大断裂在断裂交会处尤其发育。

(3) 断裂-热液作用为强反射地震相的主要成因机制。塔河地区二叠系经历了大规模的火山活动，深部热液流体沿深大断裂向上运移并对蓬莱坝组进行热液改造作用，形成了相对优质的热液白云岩储层。当热液运移至蓬莱坝组T78不整合面处时，遇到区域性致密盖层的遮挡而发生横向运移，不整合面附近岩石本身物性相对较好使得热液运移延伸较远，这类发育模式在三维地震剖面中强反射地震特征的宏观分布特征上得到了体现和验证

中国地质大学(北京)樊奇、谢玮、尤加春、毕臣臣均给予了热忱帮助，在此表示感谢！