雅布賴盆地薩爾臺(tái)凹陷古地溫場(chǎng)與油氣成藏期次①

田 濤 任戰(zhàn)利 吳曉青 馬國(guó)福 張睿勝 楊智明 郭 科

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710069;2.中石油玉門油田分公司 甘肅酒泉 735000)

0 引言

油氣藏的形成是油氣地質(zhì)學(xué)的核心內(nèi)容，油氣的生成、運(yùn)移、聚集成藏都會(huì)受到地溫場(chǎng)、地壓場(chǎng)、地應(yīng)力場(chǎng)的嚴(yán)格制約［1］。其中，地溫場(chǎng)在控制有機(jī)質(zhì)成熟演化、烴源巖生排烴、油氣生成等過程中起著主導(dǎo)作用。沉積盆地?zé)嵫莼费芯渴墙沂镜販貓?chǎng)熱歷史，探索烴源巖熱演化與油氣關(guān)系的有效手段之一，油氣成藏期次分析是進(jìn)行油氣成藏過程、模式、分布規(guī)律等方面研究首先需要解決的關(guān)鍵問題［2-8］。雅布賴盆地作為中國(guó)西部疊合含油氣盆地(地區(qū))的邊緣地帶，勘探程度較低，研究?jī)?nèi)容目前仍主要停滯在沉積、構(gòu)造、單一地球化學(xué)特征等方面［9-12］，內(nèi)容單一，為下一步勘探突破帶來(lái)局限性。探明薩爾臺(tái)凹陷的古地溫場(chǎng)環(huán)境、有機(jī)質(zhì)熱演化史，進(jìn)一步探索與油氣關(guān)系，能夠?yàn)檠芯繀^(qū)石油、天然氣等能源礦產(chǎn)的勘探提供一定新的約束條件。因此，雅布賴盆地薩爾臺(tái)凹陷中侏羅統(tǒng)古地溫與油氣成藏關(guān)系的綜合分析不僅能夠揭示烴源巖經(jīng)歷的古地溫場(chǎng)環(huán)境及其對(duì)油氣成藏的影響，而且對(duì)油氣資源評(píng)價(jià)及尋找有利的生油區(qū)有很重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

雅布賴盆地位于我國(guó)內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)北部，面積約1.5×104km2，是受北大山逆沖推覆斷裂和雅布賴山正斷層控制發(fā)育的小型斷陷翹傾疊合盆地［9］。該盆地由西部坳陷和東部隆起兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元以及紅杉湖凹陷、薩爾臺(tái)凹陷、黑茨灣凸起三個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元構(gòu)成。其中，薩爾臺(tái)凹陷劃分為鹽場(chǎng)次凹、黑沙低凸起、小湖子次凹三個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。薩爾臺(tái)凹陷為雅布賴盆地侏羅系地層主要沉積區(qū)域，發(fā)育青土井組(J2q)、新河組下/上(J2x1/J2x2)三套烴源巖，暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖總厚度可達(dá)1 053.0 m，為主要勘探目的層。

2 現(xiàn)今地溫場(chǎng)

盆地地溫場(chǎng)是控制油氣生成、演化、消亡的主要因素，地溫條件與油氣具有密切的聯(lián)系。現(xiàn)今地溫場(chǎng)是古地溫場(chǎng)發(fā)展演化的最后階段，不僅揭示了烴源巖現(xiàn)今所處的地?zé)岘h(huán)境也是進(jìn)行盆地?zé)崾纺M的重要約束條件［2-5］。雅布賴盆地現(xiàn)今地溫場(chǎng)研究程度相對(duì)較弱，系統(tǒng)大地?zé)崃鳒y(cè)值和鉆井地層測(cè)溫資料相對(duì)匱乏。本次研究共收集了5口探井的地層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，但測(cè)點(diǎn)較少，各單井地層測(cè)溫并非系統(tǒng)連續(xù)的數(shù)據(jù)。因此，采用如下方法計(jì)算現(xiàn)今地溫梯度，首先要確定研究區(qū)域的恒溫帶深度和溫度，然后根據(jù)公式(1)進(jìn)行現(xiàn)今地溫梯度計(jì)算［13］。由于雅布賴地區(qū)恒溫帶深度和溫度范圍不明，可暫且將地表作恒溫帶，取日平均氣溫10℃為恒溫帶溫度。如某一深度Z的地溫為T，則該測(cè)溫點(diǎn)的現(xiàn)今地溫梯度為:

圖1 雅布賴盆地構(gòu)造及樣品采點(diǎn)分布圖Fig.1 Geological map of Yabrai Basin and sampling points

式中，G為現(xiàn)今地溫梯度，℃/km;T為Z處地層溫度，℃;T0為恒溫帶溫度，取10℃;Z為溫度測(cè)點(diǎn)距地表深度，km;Z0為恒溫帶深度，km。

根據(jù)這5口井的地層溫度資料計(jì)算，Yt1、Yt4、Yt5、Yt8、Hs1井現(xiàn)今地溫梯度分別為2.7～3.3℃/100m、2.65℃/100m、3.15℃/100m、2.47℃/100m、2.76～2.84℃/100m，整個(gè)區(qū)域現(xiàn)今溫度場(chǎng)分布較均一。為進(jìn)一步尋求區(qū)域地層溫度與深度的關(guān)系，將5口井的總測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)綜合起來(lái)作線性回歸，得到的回歸關(guān)系表達(dá)式為:

式中:T為地層溫度，℃;H為深度，m;常數(shù)為研究區(qū)現(xiàn)今地表溫度，℃。

由回歸關(guān)系式可知雅布賴盆地薩爾臺(tái)凹陷代表性現(xiàn)今地溫梯度為2.76℃/100m，鉆井地層溫度與深度呈線性正相關(guān)關(guān)系，表明雅布賴盆地現(xiàn)今地溫場(chǎng)具有良好的傳導(dǎo)性(圖2)。

圖2 地層溫度—深度關(guān)系圖Fig.2 The formation temperature vs.depth

3 古地溫場(chǎng)分析

生烴潛力較好的烴源巖有機(jī)質(zhì)是油(氣)生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，適合的古地溫條件則是生油母質(zhì)成熟并生油(氣)的前提。含油氣盆地古地溫研究的主要目的就是為了探索烴源巖所經(jīng)歷的古地溫環(huán)境，并分析其與烴源巖成熟生油(氣)及演化的關(guān)系，為油氣資源勘探與遠(yuǎn)景預(yù)側(cè)提供論證依據(jù)［14］。

3.1 鏡質(zhì)體反射率反應(yīng)古地溫信息

鏡質(zhì)體反射率值取決于有機(jī)質(zhì)受熱溫度和受熱時(shí)間，且以溫度為主，是應(yīng)用最廣泛、最有效的古溫標(biāo)［14-16］。鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹的鏡質(zhì)體反射率測(cè)試樣品均取自不整合面以下地層，Ro(%)與深度之間的關(guān)系并未因地層剝蝕的影響而呈兩段性，主要呈線性、似線性分布，表明該區(qū)域古地溫場(chǎng)具有良好的傳導(dǎo)性。黑沙低凸起帶由于受到凸起聚熱或熱異常影響，致使有機(jī)質(zhì)熱演化發(fā)生異常，Ro隨深度呈扇形或不規(guī)則分布。在同一古埋深坐標(biāo)下，黑沙低凸起帶Ro值最大，鹽場(chǎng)次凹Ro最小，可能指示著在晚侏羅世抬升剝蝕之前，前者具有異常高溫古地溫場(chǎng)環(huán)境，致使該區(qū)域鏡質(zhì)體反射率成熟度高且異常。新河組(J2x)及青土井組(J2q)烴源巖成熟度演化情況整體良好，Ro大小分布在0.45%～1.55%之間，絕大部分進(jìn)入成熟演化階段，小部分為未成熟烴源巖(圖3)。根據(jù) Barker和 Pawlewicz［17］建立的最大埋藏溫度(Tmax)與平均鏡質(zhì)體反射率(Rm)之間的關(guān)系，即可近似地求得樣品所在地層經(jīng)歷的最大古地溫。

因此，通過換算可得中侏羅統(tǒng)由淺到深經(jīng)歷的最高古地溫為51.5℃～210℃，為油氣大量生成的最佳溫度范圍。

圖3 鏡質(zhì)體反射率(Ro/%)—深度—時(shí)間關(guān)系Fig.3 Vitrinite reflectance(Ro/%)vs.depth and time

鏡質(zhì)體反射率不僅可以表征盆地經(jīng)歷的最高古地溫情況，還可以結(jié)合剝蝕厚度、不整合面埋深、樣品埋深、古地表溫度等參數(shù)，根據(jù)鏡質(zhì)體反射率計(jì)算的最大古溫度與古深度進(jìn)行回歸計(jì)算古地溫梯度［18］，計(jì)算公式為:

式中，Tpeak為最高古地溫，℃;H古、H今、H1、ΔH 分別為目的層的古埋深、今埋深、不整合面的今埋深、剝蝕厚度，m;T0為古地表溫度，℃。

通過Ro法古地溫梯度計(jì)算表明，鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹在侏羅系地層達(dá)到最大埋深(溫度)時(shí)古地溫梯度分別為2.8～3.2℃/100m、2.8～3.4℃/100m，黑沙低凸起帶則明顯高于凹陷沉積區(qū)，古地溫梯度高達(dá)4.0～4.8℃/100m(圖4)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該古地溫梯度的準(zhǔn)確性，將本結(jié)果與基于實(shí)測(cè)Ro值正演擬合法［19］模擬的該時(shí)期古地溫梯度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示兩者具有較好的一致性(圖5)。造成如此特征的古地?zé)釄?chǎng)分布與構(gòu)造格架和沉降速率有著密切聯(lián)系，熱流的流動(dòng)方向和流量分量取決于流通介質(zhì)的性質(zhì)，熱流總是向熱阻最小的基巖凸起集中，使凸起區(qū)的熱流增加［20］。盆內(nèi)熱平衡理論分析認(rèn)為，若快速沉降速率遠(yuǎn)超過100 m/Ma這一界限值，將會(huì)打破盆內(nèi)熱平衡系統(tǒng)，地溫梯度受到快速沉積作用的影響而降低［21］。因此，薩爾臺(tái)凹陷不同次級(jí)構(gòu)造單元的古地溫場(chǎng)具有一定的差異性:黑沙低凸起構(gòu)造帶距離基底較近且沉積蓋層適宜，受古熱流影響導(dǎo)致古地溫梯度較大。鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹為侏羅系地層快速沉降區(qū)域，鹽場(chǎng)次凹沉積中心沉降速率高達(dá)約200 m/Ma，且厚度巨大，不利于熱流傳遞，導(dǎo)致該區(qū)域古地溫梯度較低。

圖4 古地溫梯度分布直方圖Fig.4 The distribution of paleo-geothermal gradient

3.2 包裹體均一溫度反應(yīng)古地溫信息

隨著流體包裹體的顯微測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，均一溫度數(shù)據(jù)可以用來(lái)更完整的揭示古地溫場(chǎng)溫度環(huán)境［22-23］。本次研究利用18個(gè)來(lái)自中侏羅統(tǒng)新河組(J2x)和青土井組(J2q)的鉆井砂巖樣品進(jìn)行流體包裹體均一溫度測(cè)試，共測(cè)得183個(gè)均一溫度值。統(tǒng)計(jì)分析表明鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起帶中侏羅統(tǒng)流體包裹體均一溫度分別集中分布在90.8℃～100.9℃、81.2℃ ～128.1℃、103.2℃ ～140.2℃，黑沙低凸起帶均一溫度最高。研究區(qū)各次級(jí)構(gòu)造單元中侏羅統(tǒng)包裹體均一溫度分布具兩個(gè)或多個(gè)峰值區(qū)。裂縫的形成期多受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制的，裂縫充填物中流體包裹體均一溫度的峰值區(qū)應(yīng)該和雅布賴盆地的兩次重要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。由此可以認(rèn)為各次級(jí)構(gòu)造單元最高均一溫度分布峰值是由盆地埋深最大時(shí)的構(gòu)造裂縫中充填的礦物所捕獲［24］。鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起最高溫度峰值區(qū)分別為 120℃～130℃、150℃ ～160℃、190℃ ～200℃(圖6)，結(jié)合埋藏史恢復(fù)的古埋深計(jì)算各對(duì)應(yīng)的古地溫梯度為2.6～2.9℃/100m、3.4～3.6℃ /100m、4.5～4.8 ℃ /100m，與Ro反應(yīng)的古地溫信息較一致。包裹體取樣區(qū)域中侏羅統(tǒng)底界深度為1 030.0～4 410.0 m，按現(xiàn)今地溫梯度2.76℃/100m，地表溫度取10℃計(jì)算，中侏羅統(tǒng)現(xiàn)今最高地層溫度分布在37.8℃～129.1℃之間。中侏羅統(tǒng)古地溫明顯高于現(xiàn)今地溫，表明研究區(qū)在晚侏羅世以來(lái)發(fā)生了抬升降溫過程，烴源巖熱演化主要受古地溫場(chǎng)控制(圖7)。

圖5 基于Easy%Ro模型擬合古地溫梯度Fig.5 The results of paleogeothermal gradients by Easy%Ro modeling

圖6 包裹體均一溫度分布直方圖Fig.6 The distribution of homogenization temperature of fluid inclusions

3.3 磷灰石裂變徑跡(AFT)反應(yīng)古地溫信息

圖7 古今地溫對(duì)比Fig.7 Paleotemperature vs.present temperature

分布于薩爾臺(tái)凹陷各樣品的AFT中值年齡在31.0±4 Ma～138.0±10 Ma之間，均小于中侏羅統(tǒng)沉積地層年齡(約174.0 Ma)。Yc1-1樣品裂變徑跡長(zhǎng)度主要集中在11.0～13.0 μm 之間，平均值為10.9 μm，Yt1-1樣品主要集中在10.0～12.0 μm之間，平均值為10.1 μm ，Yt1-4 樣品主要集中在 11.0 μm 左右，Hs1-2樣品主要集中在12.0～14.0 μm之間，平均值為12.2 μm，均小于初始磷灰石裂變徑跡的原始長(zhǎng)度(約16.15 μm)(表1、圖8)。研究區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡和長(zhǎng)度的分布特征說明磷灰石裂變徑跡在形成之后均遭受構(gòu)造熱事件的影響而發(fā)生部分退火，甚至是完全退火。

Yc1-1、Yt1-1的 AFT年齡概率檢驗(yàn) P(χ2)＜5.0%，分別為0.5%、0.0%，樣品裂變徑跡長(zhǎng)度呈偏峰狀分布，表明這些樣品在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了較復(fù)雜的熱歷史或從部分退火帶返回至冷卻帶。Yt1-4、Hs1-2AFT年齡概率檢驗(yàn) P(χ2)＞5.0%，分別為91.1%、91.0%，表明各單顆粒年齡的差別屬于統(tǒng)計(jì)誤差，具有單一的年齡平均值，樣品的徑跡長(zhǎng)度分布呈單峰狀且不存在小于9.0 μm的短徑跡，表明該組樣品是從完全退火帶反彈至冷卻帶的樣品［25-27］。磷灰石裂變徑跡的封閉溫度帶一般為65℃～125℃，因此，Yc1-1、Yt1-1樣品經(jīng)歷的最大古地溫在封閉溫度帶之內(nèi)，而Yt1-4、Hs1-2樣品經(jīng)歷的最高古地溫則超出了125℃，發(fā)生過完全退火。

表1 AFT測(cè)試分析數(shù)據(jù)Table 1 The test results of AFT

圖8 磷灰石裂變徑跡長(zhǎng)度分布Fig.8 The distribution of AFT length

4 熱演化史與油氣成藏期次判定

在已有構(gòu)造演化分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)剝蝕厚度、地層劃分、地層年齡等參數(shù)，在Ro古溫標(biāo)約束下，建立各構(gòu)造單元熱史模型。熱演化模擬表明受盆地沉積—構(gòu)造演化影響，研究區(qū)中侏羅統(tǒng)在晚侏羅世早期(≈150.0 Ma)達(dá)到最大古地溫，后期的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層冷卻降溫，烴源巖熱演化程度減弱;早白堊時(shí)期(137.0～100.0 Ma)的快速沉積深埋，導(dǎo)致中侏羅統(tǒng)地層溫度再次升高。由模擬Ro與時(shí)間關(guān)系(圖3)可以看出，各組烴源巖進(jìn)一步成熟演化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)均發(fā)生在100.6～114.6 Ma和145.4～162.6 Ma，尤其以J2x和J2q烴源巖在中侏羅世早期至晚侏羅世早期熱演化明顯，在近30.0 Ma內(nèi)，由未成熟烴源巖快速演化為成熟甚至高熟烴源巖，達(dá)到大量生烴的熱演化條件。因此，晚侏羅世和早白堊世可能是薩爾臺(tái)凹陷中侏羅統(tǒng)烴源巖大量生烴的關(guān)鍵時(shí)期。

流體包裹體的均一溫度在含油氣盆地分析領(lǐng)域除了用來(lái)分析古地溫外，還經(jīng)常以地層埋藏史及其地層溫度的演化過程為包裹體定年依據(jù)，將均一溫度數(shù)據(jù)與盆地?zé)崾分袦囟鹊难莼愤M(jìn)行對(duì)比，可以判定油氣運(yùn)移充注的時(shí)間［4，7，22，28-30］。本次測(cè)溫選取與油氣包裹體同期形成的氣液兩相鹽水包裹體進(jìn)行均一溫度測(cè)定，樣品主要采自中侏羅統(tǒng)新河組下段(J2x1)和青土井組(J2q)。流體包裹體形狀多樣，多數(shù)呈橢圓形，部分呈三角形、長(zhǎng)方形及不規(guī)則形態(tài)，包體大小不一，主要為 1×3～4×4 μm，氣液比多為 8%～12%。早期包裹體主要呈群體狀和串珠狀分布在宿主礦物顆粒內(nèi)部及顆粒裂縫中，晚期包裹體主要分布在晚期裂縫、碳酸鹽膠結(jié)物以及石英加大邊中。測(cè)溫結(jié)果分布直方圖顯示不同次級(jí)構(gòu)造單元中侏羅統(tǒng)包裹體均一溫度分布具有雙峰或多峰特征，表明油氣充注過程并非一次完成。Yc1-1樣品(2 791.0 m，J2x1流體包裹體均一溫度呈單峰狀主要分布在90℃～100℃之間，表明鹽場(chǎng)次凹新河組下段儲(chǔ)層可能只存在一次油氣充注過程，投影至熱演化史圖對(duì)應(yīng)的油氣充注時(shí)間為134.0～125.0 Ma。黑沙低凸起和小湖子次凹中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層則存在兩期油氣充注過程，主要發(fā)生在100.0～123.0 Ma和145.0～152.0 Ma，其中小湖子次凹具有晚期成藏(11.0～28 Ma)的可能(圖9)。

圖9 熱演化史模擬及油氣充注時(shí)間判定Fig.9 The results of geothermal history simulation and hydrocarbon accumulation period

5 結(jié)論

(1)雅布賴盆地薩爾臺(tái)凹陷典型現(xiàn)今地溫場(chǎng)地溫梯度為2.76℃/100m，為低溫傳導(dǎo)型地溫場(chǎng)。鏡質(zhì)體反射率(Ro/%)、AFT和包裹體均一溫度分析表明，不同次級(jí)構(gòu)造單元古地溫場(chǎng)具有一定差異。鹽場(chǎng)次凹、小湖子次凹為傳導(dǎo)型古地溫場(chǎng)，增溫主要受埋藏因素影響，古地溫梯度主要為2.8～3.4℃/100m，古地溫81.2℃～128.1℃;黑沙低凸起帶受基底古熱流的影響，古地溫梯度明顯高于沉積凹陷區(qū)域，達(dá)到4.2～4.8℃/100m，古地溫103.2℃～140.2℃。鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)表明黑沙低凸起區(qū)域有機(jī)質(zhì)熱演化程度最高，其次是小湖子凹陷，鹽場(chǎng)次凹最低。研究區(qū)中侏羅統(tǒng)古地溫高于現(xiàn)今地層溫度，有機(jī)質(zhì)成熟演化主要受古地溫場(chǎng)的控制。

(2)熱史模擬分析表明，薩爾臺(tái)凹陷中侏羅統(tǒng)在晚侏羅世早期(≈150.0 Ma)達(dá)到最大古地溫，后期的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層冷卻降溫，烴源巖熱演化程度減弱。早白堊時(shí)期(137.0～100.0 Ma)的快速沉積深埋，使中侏羅統(tǒng)地層溫度升高，達(dá)到第二次埋藏峰溫。因此，晚侏羅世和早白堊世可能是薩爾臺(tái)凹陷中侏羅統(tǒng)烴源巖大量生烴的關(guān)鍵時(shí)期。從烴源巖熱演化程度來(lái)看，中侏羅J2x和J2q烴源巖在中侏羅世早期至晚侏羅世早期，近30.0 Ma內(nèi)，由未成熟烴源巖快速演化為成熟甚至高熟烴源巖，達(dá)到大量生烴的熱演化條件。

(3)利用流體包裹體均一溫度結(jié)合熱演化史法標(biāo)定油氣運(yùn)移(充注)時(shí)間的方法表明，薩爾臺(tái)凹陷不同次級(jí)構(gòu)造單元、各中侏羅統(tǒng)亞組儲(chǔ)層的油氣充注過程有差異，但對(duì)整個(gè)薩爾臺(tái)凹陷中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層來(lái)講主要存在兩期油氣充注過程，分別發(fā)生在晚侏羅世早期(145.0～152.0 Ma)和早白堊世(100.0～134.0 Ma)，與達(dá)到古地溫峰值的時(shí)間大致相當(dāng)，體現(xiàn)出古地溫場(chǎng)演化在油氣成藏過程中的重要性。

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