冀北坳陷龍?zhí)稖瞎庞筒叵埋R嶺組輝綠巖侵入定量評(píng)價(jià)

田永晶 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249中石化華東分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 南京210036）

劉 巖 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249中石油大港油田分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，天津300280）

鐘寧寧，朱 雷 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

王 民 （東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

對(duì)沉積盆地而言，巖漿活動(dòng)不僅代表著強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，還意味著較高的熱流與地層溫度 （可達(dá)1300℃）[1]，并可持續(xù)一定的時(shí)間，這一過(guò)程往往會(huì)引起圍巖及有機(jī)質(zhì)的蝕變，并極大改變盆地的地溫場(chǎng)特征。一般來(lái)講，圍巖的變質(zhì)作用溫度范圍在200～900℃，而高于200℃時(shí)原油就全部裂解成天然氣[2]。因此，巖漿活動(dòng)對(duì)有機(jī)質(zhì)尤其是油藏影響范圍要遠(yuǎn)大于其對(duì)圍巖影響范圍。與圍巖蝕變過(guò)程相同，有機(jī)質(zhì)受熱蝕變過(guò)程同樣受巖漿巖的性質(zhì)、規(guī)模和埋深等多種因素的影響，其蝕變程度取決于圍巖所遭受到的最高溫度及其持續(xù)時(shí)間[3]。

火成巖侵入帶來(lái)大量的熱量，在促進(jìn)圍巖蝕變、加速有機(jī)質(zhì)的成熟與成烴[4，5]方面早已為大家所接受，同時(shí)又可對(duì)先期形成的油藏起到破壞作用[6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)巖漿侵入體引起圍巖熱蝕變研究很多，但這些成果定性描述較多，定量研究較少，尤其在熱蝕變范圍的認(rèn)識(shí)上存在巨大差異，熱蝕變的范圍為侵入體厚度的0.3～4倍[5，7，8]。不同侵入體對(duì)圍巖及有機(jī)質(zhì)熱蝕變究竟起多大作用一直沒(méi)有定論。深入探討侵入體對(duì)圍巖及有機(jī)質(zhì)熱蝕變的影響程度及范圍，對(duì)合理正確認(rèn)識(shí)火成巖分布區(qū)油氣成藏規(guī)律具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

冀北坳陷地處燕遼裂陷槽中段，是華北克拉通北緣元古代殘留型盆地中一個(gè)極其重要的負(fù)向構(gòu)造單元。自古元古代末期的呂梁運(yùn)動(dòng)之后，沉積了巨厚的中－新元古界地層，成為我國(guó)中－新元古界地層發(fā)育最齊全、保存最完好的地區(qū)之一[9]。中－新元古界自下而上分為3個(gè)系：長(zhǎng)城系 （Ch）、薊縣系 （Jx）和青白口系 （Qn）；又可分為12個(gè)組 （圖1），中－新元古界與下伏太古宇地層呈角度不整合接觸，頂部為下寒武統(tǒng)所覆蓋。

受多期的構(gòu)造活動(dòng)及強(qiáng)烈的巖漿運(yùn)動(dòng)的影響，燕山地區(qū)火成巖廣泛發(fā)育。元古代火山巖主要集中出現(xiàn)在中元古代早期的長(zhǎng)城紀(jì)，Chcl下部軟沉積巖層中有輝綠巖床 的 侵 入[10]。 薊 縣 紀(jì) 僅Jxw有所活動(dòng)。但從1620Ma之后，中－新元古代華北克拉通上則鮮有巖漿事件發(fā)生[11]。其中晚元古代青白口系Qnx頁(yè)巖中普遍夾有略呈穿層產(chǎn)狀的2～4層輝綠巖巖床，并往往與Qnx瀝青砂巖相伴生。

龍?zhí)稖螿nx瀝青砂巖古油藏位于冀北坳陷東北部，行政區(qū)劃上屬遼寧省凌源市大河北鄉(xiāng)，在平泉縣城東南方向約30km處 （圖2），是冀北坳陷4大古油藏之一。該古油藏瀝青砂巖沿Qnx地層呈EN－WS走向，長(zhǎng)約10km。在前人發(fā)現(xiàn)龍?zhí)稖蠟r青砂巖點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者沿Qnx地層順層追蹤，新發(fā)現(xiàn)瀝青砂巖9處 （圖2），遍布在Qnx地層出露區(qū)域，且瀝青含量有以龍?zhí)稖蠟橹行南騈E和SW兩個(gè)方向遞減的趨勢(shì)，初步確定了研究區(qū)瀝青砂巖油藏的范圍。野外調(diào)查過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)油苗/瀝青點(diǎn)與輝綠巖侵入體有并存現(xiàn)象。前人研究業(yè)已證明了油苗/瀝青的原生性，并認(rèn)為兩者之間有一定的成因聯(lián)系[12～14]。王鐵冠等[14]通過(guò)瀝青砂巖中瀝青產(chǎn)狀、反射率及可溶組分的地球化學(xué)特征等證據(jù)，認(rèn)為瀝青砂巖古油藏破壞的主要因素是火山巖的熱蝕變作用，且不排除后期氧化及剝蝕作用的可能。有關(guān)輝綠巖侵入對(duì)圍巖及有機(jī)質(zhì)影響的程度及范圍一直沒(méi)有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，輝綠巖侵入是否為固體瀝青形成的直接原因仍有待充分的證明。筆者嘗試依據(jù)層狀侵入體散熱模型，從火山巖侵入體散熱正演模擬的角度來(lái)證明侵入體是否為固體瀝青形成的直接成因。

圖1 華北燕山地區(qū)中－新元古界地層柱狀圖

2 層狀侵入體散熱模型簡(jiǎn)介

侵入體侵入巖層中會(huì)帶來(lái)大量的熱量，其散熱必然會(huì)影響到圍巖地層溫度場(chǎng)的演化。根據(jù)熱力學(xué)定律，侵入體的散熱過(guò)程可以用熱量與時(shí)間、溫度的函數(shù)來(lái)表示，從而可用于預(yù)測(cè)侵入體及圍巖溫度場(chǎng)的演化。自從Lovering最早根據(jù)熱流理論建立起描述巖漿侵入體散熱過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程[16]以來(lái)，有多位學(xué)者嘗試采用不同的方式對(duì)該模型進(jìn)行了完善[7，16～18]。目前公開(kāi)報(bào)道的火山巖侵入體熱傳導(dǎo)模型很多，有Fjeldskaar模型[18]、Wang 模 型[19]、Huter模型[20]等。這些模型基本都是基于Mundry的一些假定[21]：即巖漿一次性快速侵入到圍巖中，且冷卻過(guò)程中不發(fā)生遷移和流動(dòng)；侵入體向圍巖以熱傳導(dǎo)的方式傳熱，不發(fā)生對(duì)流和輻射傳熱；侵入體傳導(dǎo)給圍巖的熱量?jī)H用于改變圍巖的溫度而不轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。王民等[22]，通過(guò)對(duì)各個(gè)模型的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在Fjeldskaar模型基礎(chǔ)上考慮地溫梯度的影響，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的Fjeldskaar模型不僅可以較好地?cái)M合實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率Ro數(shù)據(jù)，還可以方便地模擬計(jì)算二維、三維空間內(nèi)溫度場(chǎng)演化情況。模型詳見(jiàn)文獻(xiàn) [18]。利用改進(jìn)的Fjeldskaar模型和Easy%Ro模型，結(jié)合埋藏史就可以定量求取侵入體對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)的熱蝕變程度。

圖2 龍?zhí)稖瞎庞筒匚恢脠D

3 凌源龍?zhí)稖螿nx輝綠巖侵入的定量評(píng)價(jià)

凌源龍?zhí)稖螿nx出露地區(qū)普遍可見(jiàn)到2～3層輝綠巖侵入體，厚度在20～80m不等，有合并與分岔現(xiàn)象[13]。Qnx的βμ1輝綠巖侵入體下方普遍可見(jiàn)到Qnx底部瀝青砂巖存在。該黑色瀝青砂巖質(zhì)地疏松，面孔率在10%以上；鏡下觀察發(fā)現(xiàn)瀝青砂巖石英顆粒呈漂浮狀、點(diǎn)接觸，粒間充滿固體瀝青，固體瀝青含量很高，是一個(gè)典型的被破壞的古油藏。龍?zhí)稖瞎庞筒厥茄嗌降貐^(qū)元古界古油藏中規(guī)模較大，發(fā)現(xiàn)與研究最早的油藏之一。

3.1 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

從瀝青砂巖顆粒接觸形式和其間充填固體瀝青的情況，可以確定Qnx瀝青砂巖油氣成藏及輝綠巖侵入時(shí)尚未開(kāi)始?jí)簩?shí)成巖作用，由此推斷侵入發(fā)生時(shí)Qnx埋深并不大。各地層厚度數(shù)據(jù)等資料采用近年來(lái)研究區(qū)幾條地質(zhì)剖面的丈量結(jié)果 ，同時(shí)參考了文獻(xiàn) [13，15]。地層年代參考了近年最新的測(cè)年數(shù)據(jù)[10，11，23，24]，同時(shí)，據(jù)劉巖等[25]的成果，根據(jù)平泉雙洞地區(qū)βμ1輝綠巖床斜鋯石測(cè)試結(jié)果，輝綠巖侵入年代為1327Ma，Qnx地層沉積年齡取1400～1300Ma。不同類型巖漿巖形成的溫度差異很大。通?；詭r比酸性巖形成溫度高，噴發(fā)巖比侵入巖溫度高。一般認(rèn)為輝長(zhǎng)巖形成溫度為900～1150℃，這里取1000℃。其他相關(guān)參數(shù)取值參照文獻(xiàn) [19]。

3.2 侵入體對(duì)圍巖地層溫度場(chǎng)演化的影響

采用上述熱傳導(dǎo)散熱模型對(duì)研究區(qū)輝綠巖侵入體散熱過(guò)程進(jìn)行了定量計(jì)算?？傮w來(lái)看，侵入體圍巖地溫場(chǎng)演化具有一些明顯的特點(diǎn)：①隨著散熱過(guò)程的進(jìn)行，侵入體對(duì)圍巖的影響范圍逐漸增大，但引起圍巖升溫的溫度值卻在降低；②侵入體對(duì)圍巖地溫場(chǎng)影響范圍與其侵入體的厚度及侵入深度密切相關(guān)，侵入體越厚，其對(duì)圍巖影響范圍越大，侵入深度越淺，對(duì)圍巖影響范圍也越小；③侵入體通過(guò)散熱迅速，在龍?zhí)稖系貐^(qū)，其圍巖地層溫度在侵入活動(dòng)發(fā)生1萬(wàn)年時(shí)已經(jīng)接近正常地層溫度，0.1Ma后就已經(jīng)完全達(dá)到正常地層埋深溫度。圍巖地層溫度降至正常地層溫度所用的時(shí)間明顯小于文獻(xiàn)報(bào)道值[26～28]，這應(yīng)該與侵入體侵入深度小，散熱更快有關(guān)。

3.3 侵入體對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱演化的影響

巖漿活動(dòng)帶來(lái)的巨大熱量使圍巖有機(jī)質(zhì)發(fā)生接觸變質(zhì)作用，形成的天然焦具有以鑲嵌結(jié)構(gòu)、流動(dòng)狀結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)為主的獨(dú)特顯微結(jié)構(gòu)。天然焦的存在被認(rèn)為是沉積有機(jī)質(zhì)是否發(fā)生熱變質(zhì)作用的重要依據(jù)[30]。經(jīng)過(guò)大量樣品有機(jī)巖石學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，龍?zhí)稖螿nx底砂巖孔隙中固體瀝青具有明顯的各向異性，具有雙反射特征，較高反射率的固體瀝青呈灰白色，沿裂隙分布，與礦物顆粒呈平直或彎弧形界面緊密接觸，具有粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或呈均勻塊狀，瀝青反射率較高，并發(fā)現(xiàn)固體瀝青中具有類天然焦光學(xué)結(jié)構(gòu)；另一類固體瀝青呈灰色，沿裂隙分布或分布于裂隙間，呈均勻塊狀，瀝青反射率較低。真正代表地層熱演化程度的瀝青反射率應(yīng)該介于2類瀝青反射率之間。這些證據(jù)表明固體瀝青確實(shí)遭受過(guò)嚴(yán)重的異常高溫蝕變作用。

圖3 龍?zhí)稖瞎庞筒鼗鸪蓭r侵入后圍巖溫度場(chǎng)演化和熱演化程度模擬結(jié)果

巖漿活動(dòng)引起的熱蝕變程度可用Ro來(lái)表示[8]。在圍巖溫度場(chǎng)演化的基礎(chǔ)上，采用Easy%Ro模型對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱蝕變程度進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明 （圖3），侵入體對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生明顯的熱蝕變效應(yīng)，有機(jī)質(zhì)受熱蝕變范圍及程度與侵入體的厚度和距侵入體距離有關(guān)，侵入體越厚，其對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱蝕變影響范圍越大，程度也越高；距侵入體距離越近蝕變程度越高。Qnx底瀝青砂巖主要受下部βμ1侵入體的影響，其蝕變程度與現(xiàn)今實(shí)測(cè)結(jié)果相符合，這就從再演的角度證實(shí)了固體瀝青的異常高溫?zé)嵛g變成因。同時(shí)模擬結(jié)果也證實(shí)了侵入體對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱蝕變影響范圍極其有限，只有幾到幾十米，基本局限于Qnx地層本身。因此，盡管火成巖侵入所代表的巖漿活動(dòng)必然引起區(qū)域地溫場(chǎng)背景的升高，這會(huì)對(duì)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化生烴產(chǎn)生一定的影響，但該期巖漿活動(dòng)不可能對(duì)下伏的Chg和Jxh烴源巖產(chǎn)生直接影響。

根據(jù)研究區(qū)地層厚度丈量結(jié)果，推斷Qnx輝綠巖侵入時(shí)Jxh地層埋深不足800m，在正常沉積埋深達(dá)不到生烴門(mén)限深度，而且又不受侵入體直接影響的情況下，Jxh烴源巖不大可能是Qnx底砂巖固體瀝青來(lái)源。而Chg烴源巖此時(shí)埋深可達(dá)4000m，可以大量生烴。因而，Qnx底砂巖固體瀝青來(lái)源于Chg烴源巖似乎更為可靠。

4 結(jié) 論

1）冀北坳陷龍?zhí)稖螿nx瀝青砂巖古油藏與輝綠巖侵入體并存，兩者之間成因具有明顯的成因關(guān)系。

2）有機(jī)巖石學(xué)分析與侵入體散熱數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)Qnx底砂巖具有熱蝕變成因。

3）Qnx底砂巖固體瀝青不大可能來(lái)源于Jxh烴源巖，而來(lái)源于Chg烴源巖似乎更為可靠。

[1]邱家驤 .應(yīng)用巖漿巖巖石學(xué) [M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1991.

[2]Waples D W.The kinetics of in－reservoir oil destruction and gas formation：Constraints from experimental and empirical data，and from thermodynamics[J].Organic Geochemistry，2000，31 （6）：553～575.

[3]溫克勒H G.變質(zhì)巖成因 [M].周云生 譯 .北京：科學(xué)出版社，1980.

[4]曹學(xué)偉，胡文暄，金之鈞，等 .臨盤(pán)油田夏38井區(qū)輝綠巖熱效應(yīng)對(duì)成烴作用的影響 [J].石油與天然氣地質(zhì)，2005，26（3）：317～322.

[5]陳榮書(shū)，何生，王青玲，等 .巖漿活動(dòng)對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟作用的影響初探——以冀中葛漁城－文安地區(qū)為例 [J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，1989，16 （1）：29～38.

[6]馮喬，湯錫元 .巖漿活動(dòng)與油氣成藏地質(zhì)條件的關(guān)系 [J].西北地質(zhì)科學(xué)，1997，16（4）：59～65.

[7]Galushkin Y I.Thermal effects of igneous intrusions on maturity of organic matter：A possible mechanism of intrusion [J].Organic Geochemistry，1997，26 （11～12）：645～658.

[8]Dow W G.Kerogen studies and geological interpretation [J].Geochem.Explor，1997，7（2）：79～99.

[9]陳晉鑣，吳鐵山 .全國(guó)地層多重劃分對(duì)比研究 （10）·華北區(qū)區(qū)域地層 [M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

[10]高林志，張傳恒，劉鵬舉，等 .華北－江南地區(qū)中、新元古代地層格架的再認(rèn)識(shí) [J].地球?qū)W報(bào)，2009，30（4）：433～446.

[11]李懷坤，陸松年，李惠民，等 .侵入下馬嶺組的基性巖床的鋯石和斜鋯石U－Pb精確定年——對(duì)華北中元古界地層劃分方案的制約[J].地質(zhì)通報(bào)，2009，28 （10）：1396～1404.

[12]王鐵冠 .燕山地區(qū)震旦亞界油苗的原生性及其石油地質(zhì)意義 [J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，1980，7（2）：34～52.

[13]郝石生，高耀斌，張有成，等 .華北北部中、上元古界石油地質(zhì)學(xué) [M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1990.

[14]王鐵冠，黃光輝，徐中一 .遼西龍?zhí)稖显沤缦埋R嶺組底砂巖古油藏探討 [J].石油與天然氣地質(zhì)，1988，9（3）：278～287.

[15]Lovering T S.Theory of heat condition applied to geological problems [J].Geol.Soc.Am.Bull，1935，46：69～94.

[16]Delaney P T.Rapid instrusion of magama into wet rosk：groundwater flow due to pore pressure increases [J].Geophys.Res.，1982，87 （B9）：7739～7756.

[17]Delaney P T.Heat transfer during emplacement and cooling of mafic disks [A] .Halls H C.Mafic Dike Swarms[C].Geol.Assoc.Can.，1987，Special paper 34：31～46.

[18]Fjeldskaar W，Helset H M，Johansen H，et al.Thermal modeling of magmatic intrusions in the Gjallar Ridge，Norwegian Sea：implications for vitrinite reflectance and hydrocarbon maturation [J].Basin Research，2008，20，143～159.

[19]Wang X，Leche L，Walters C.The effect of igneous intrusive bodies on sedimentary thermal maturity [J].Organic Geochemistry，1989，64 （6）：571～584.

[20]Hunter S J，Pollack H N.Effect of the Cretaceous Serra Geral igneous event on the temperatures and heat flow of the Parana Basin，southern Brazil[J].Basin Research，1995，7，215～220.

[21]Mundry E.Ueber die abkuhlung magma tischer korper [J].Geol Jahrb，1968，85 （1）：755～766.

[22]王民，盧雙舫，劉大為，等，巖漿侵入體對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴 （成熟）作用的影響及數(shù)值模擬 [J].巖石學(xué)報(bào)，2010，26（1）：177～184.

[23]高林志，張傳恒，史曉穎，等 .華北青白口系下馬嶺組凝灰?guī)r鋯石SHRIMP U～Pb定年 [J].地質(zhì)通報(bào).2007，26（3）：249～255.

[24]Wenbo Su，Shihong Zhang，Warren D H，et al.SHRIMP U～Pb ages of K－bentonite beds in the Xiamaling formation：implications for revised subdivision of the Meso～to Neoproterozoic history of the North China Craton [J].Gondwana Research，2008，14 （3）：543～553.

[25]劉巖，鐘寧寧，田永晶，等 .中國(guó)最老古油藏－中元古界下馬嶺組瀝青砂巖古油藏 [J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2011，38（4），503～512.

[26]Mundry E.Ueber die abkühlung magmatischer korper [J].Geol Jahrb，1968，85 （1）：755～766.

[27]Rikitake T.Studies of the thermal state of the earth，part2－h(huán)eat flow associated with magma intrusions [J].Bull Earthq Inst，1959，37 （2）：1584～1596.

[28]Gretener P E.地?zé)釋W(xué)在油氣勘探中的應(yīng)用 [M].北京：石油工業(yè)出版社，1988.

[29]Stach E，Mackowskym T H，Teichmuller，et al.Stach＇s textbook of coal petrology [M].Berlin：Gebruder Borntraeger，1982，177～197.