柴達木盆地石炭系油氣調(diào)查最新進展

李宗星， 彭博， 馬寅生， 胡俊杰， 魏小潔, 馬立成， 方欣欣， 楊元元, 劉奎

(1.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室，北京 100081; 2.中國地質科學院地質力學研究所頁巖油氣調(diào)查評價重點實驗室，北京 100081;3.中國地質科學院地球深部探測中心,北京 100037)

0 引言

柴達木盆地是中國西部三大含油氣盆地之一，目前油氣主力產(chǎn)層為冷湖地區(qū)侏羅系[1-5]、柴西尕斯庫勒地區(qū)古近系—新近系[6-10]和三湖地區(qū)第四系自生自儲生物氣[11-15]。深部海相地層研究始于20世紀90年代初，在“新盆地、新層系、新類型、新領域”勘探思路指導下，柴達木盆地石炭系逐漸受到重視，在構造[16-20]、沉積[21-22]、地層展布[23-24]、烴源巖[25-29]與儲層[30-31]發(fā)育等研究方面取得重要進展。柴達木盆地石炭系等深部海相地層油氣出露點調(diào)查、烴源巖評價[32]、區(qū)域熱歷史-生烴史模擬[33-34]及油氣運聚分析顯示，該區(qū)以石炭系為代表的深部海相地層具備生烴能力且存在油氣運移過程，石炭系油氣至少存在兩期運聚過程[35]。柴達木盆地東北緣的原油證據(jù)進一步證明，新生界原油有來自石炭系烴源巖的貢獻[36]，且沿大型斷裂帶與區(qū)域性不整合面運移和聚集[37-38]?？傮w來說，前期工作具有以下特點： (1)盆地演化史研究主要集中在柴西中生代—新生代主力烴源巖； (2)柴東石炭系烴源巖發(fā)育良好，油氣地化指標好，但主力烴源巖的熱演化、生、排等動態(tài)過程尚未開展研究； (3)前期柴東石炭系油氣成藏過程仍停留在定性分析階段，定量化表征與主控因素分析工作亟待開展。

根據(jù)石炭系區(qū)域調(diào)查、二維地震采集及鉆探成果，開展了石炭系地層追蹤及構造分析，同時開展了綜合區(qū)域調(diào)查、平衡剖面反演，鏡質體反射率、磷灰石裂變徑跡與(U-Th)/He、鋯石裂變徑跡聯(lián)合反演，獲取了柴達木盆地主要構造運動期次與剝蝕量，結合盆地模擬技術，重建了石炭系埋藏史，分析了石炭系主力烴源巖油氣地化指標，研究了烴源巖生烴演化史及其控制因素。研究成果一方面對分析柴達木盆地古地貌演化、盆地構造成因等具有重要意義，另一方面也為柴達木盆地海相油氣勘探工作提供了科學依據(jù)，可直接服務于生產(chǎn)。

1 地質概況

柴達木盆地位于青藏高原北部，分別被祁連山、昆侖山和阿爾金山所限，是青藏高原北部大型新生代山間盆地(圖1(a))。德令哈坳陷位于柴達木盆地東部，夾持于宗務隆山和埃姆尼克山之間(圖1(b))。德令哈坳陷以二級斷裂及局部構造圈閉發(fā)育特征為依據(jù)，劃分出德令哈凹陷、歐龍布魯克隆起、歐南凹陷、埃姆尼克隆起、霍布遜凹陷二級構造單元，呈現(xiàn)“三凹夾二隆”的構造格局，隆起、凹陷相間發(fā)育，沿NW—NWW向展布[39]。德令哈坳陷內(nèi)元古宇、古生界和中生界均有發(fā)育，但未見二疊系、三疊系發(fā)育，侏羅系直接覆蓋于石炭系之上，斷層多為逆斷層。坳陷內(nèi)石炭系分布廣泛，埋深較大，但未發(fā)生變質，泥巖主要發(fā)育于上石炭統(tǒng)克魯克組與扎布薩尕秀組海陸過渡相煤系中，有機質豐度較高，有機質類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型，處于成熟—高成熟演化階段。

圖1 柴達木盆地德令哈坳陷構造位置圖Fig.1 Structural location of Delingha depression in Qaidam Basin

2 調(diào)查重要進展

2.1 柴達木盆地海相石炭系油氣重要發(fā)現(xiàn)

近年來針對石炭系露頭及鉆井的烴源巖地化分析表明，石炭系烴源巖具有有機質豐度高、中等成熟度、有機質類型好的特點，打破了“古生界為變質結晶基底，存在古老陸塊”的傳統(tǒng)認識。同時，“牛鼻子梁—達布遜古陸”的傳統(tǒng)認識也受到挑戰(zhàn)。柴頁2井、青德地1井、尕丘1井、石淺1井、霍參1井及一批煤炭鉆孔均鉆遇了石炭系，個別鉆井處于原古陸范圍內(nèi)。鉆井標定的重磁電震綜合解釋顯示，柴達木盆地中生界以下石炭系廣泛發(fā)育，厚度超過1 000 m的石炭系分布面積達10萬km2(圖2(a))，發(fā)現(xiàn)并初步落實柴東構造圈閉23處。綜合柴達木盆地石炭系各項油氣地質條件，逐步證實石炭系為該區(qū)油氣勘探的新層系，具備形成大型油氣田的地質條件。以該認識為指導，對有利區(qū)歐南凹陷的柴頁2井開展含氣性驗證(圖2(b))，優(yōu)選上石炭統(tǒng)克魯克組致密含氣層,實施了含氣性測試(1 080～1 060 m，820～800 m)(圖2(c))。首次在柴達木盆地石炭系獲得油氣流，壓裂試氣最高流量為55.52 m3/h，天然氣流穩(wěn)定產(chǎn)量為488.30 m3/d，8 mm油嘴放噴，點火火焰高度為2～2.5 m，產(chǎn)輕質油0.65 m3，證實了柴達木盆地古生界海相新層系廣闊的油氣資源前景。

圖2 柴達木盆地石炭系殘余厚度圖(a)、柴頁2井地理位置(b)及柴頁2井石炭系測試層段柱狀圖(c)Fig.2 Carboniferous residual thickness in Qaidam Basin (a),location of well Chaiye 2 (b),histogram of Carboniferous test section of well Chaiye 2 (c)

2.2 柴達木盆地晚古生代以來主要構造演化期次

采用野外地質調(diào)查、磷灰石裂變徑跡年齡分布特征定性分析與徑跡長度分布數(shù)據(jù)定量模擬[39]等相結合的方法，初步查明了柴達木盆地晚古生代以來主要經(jīng)歷了6期構造事件： 印支運動期(254.0～199 Ma，177～148.6 Ma)構造活動強烈，導致了石炭系抬升、剝蝕； 燕山運動(87～62 Ma)相對較弱，表現(xiàn)為早期的弱伸展與晚期NE-SW向擠壓； 喜山運動在該區(qū)域多期發(fā)育，主要為喜山運動早期(41.1～33.6 Ma)和喜山運動晚期(9.6～7.1 Ma，2.9～1.8 Ma)，其中晚喜山運動造成了先存斷裂的再次活化[40]。

三疊紀柴北緣宗務隆構造帶上的印支期造山作用和同期的阿爾金基底走滑作用，結束了柴達木盆地海相沉積歷史，開啟了陸相盆地發(fā)育階段； 早中侏羅世，處于造山后伸展階段，柴北緣發(fā)育一系列斷陷盆地； 晚侏羅世到白堊紀，柴達木盆地整體處于陸內(nèi)造山演化階段，盆地發(fā)育一系列擠壓逆沖構造及坳陷盆地沉積； 路樂河組沉積時期，柴達木盆地處于弱伸展階段，發(fā)育斷陷盆地沉積； 上、下干柴溝組沉積時期，盆地處于弱擠壓階段，屬于坳陷盆地沉積時期； 獅子溝組到七個泉組沉積時期，伴隨著印度板塊與歐亞板塊的陸陸碰撞作用，應力持續(xù)向北部傳遞，導致柴達木盆地周緣山系的快速隆升，同時沿著原始構造薄弱面發(fā)生斷層的逆沖活動，柴達木盆地周緣山系擠壓隆升，處于強烈剝蝕期。

2.3 柴達木盆地關鍵構造期次剝蝕量

晚古生代以來，柴達木盆地東部先后經(jīng)歷了3期重要構造運動的改造，即晚海西—印支運動(晚二疊世—三疊紀)、晚燕山運動(晚白堊世)、晚喜山運動(中新世—上新世)，這使得晚古生代的原型盆地信息被嚴重破壞。然而，基于現(xiàn)今殘留的石炭系地質信息恢復晚海西—印支期剝蝕量，必然會受到后期盆地演化的干擾，增加了研究區(qū)晚海西—印支期剝蝕量恢復難度。因此，必須在詳細分析3期不整合面發(fā)育特征的基礎上，利用古溫標法與地震地層趨勢延伸法，對晚喜山期與晚燕山期剝蝕量進行估算，同時綜合殘留石炭系在印支運動之前的最大古埋深信息，然后再重點恢復晚海西—印支期剝蝕量。

2.3.1 晚喜山期剝蝕量

晚喜山運動使柴達木盆地東部發(fā)生強烈擠壓隆升，形成了第三系與第四系之間的角度不整合面，該不整合面在全盆地范圍內(nèi)均明顯發(fā)育，表現(xiàn)為第三系及之前地層強烈褶皺變形并被隆升剝蝕，第四系不整合覆蓋于其上。根據(jù)已有熱年代學數(shù)據(jù)(AHe、AFT)、地震剖面及區(qū)域地質等資料，利用古溫標法和地震地層趨勢延伸法等對研究區(qū)30個控制點的晚喜山期剝蝕量進行恢復。結果表明，柴達木盆地東部晚喜山期剝蝕量變化范圍為200～4 400 m(圖3)，總體表現(xiàn)為盆地邊緣或構造隆起部位剝蝕量大，凹陷內(nèi)或構造活動平緩部位剝蝕量相對較小。其中，盆地南緣剝蝕量達到了1 200～4 400 m，往霍布遜凹陷中心迅速減小至200～800 m。另外，也有從西往東逐漸減小后又增大的趨勢，歐龍布魯克凸起晚喜山期剝蝕量普遍增大至1 600～2 800 m，德令哈凹陷剝蝕量變化范圍為1 400～2 200 m。

圖3 柴達木盆地東部晚喜山期剝蝕量等值線圖Fig.3 Contour map of the erosion rate of Late Himalayan in Eastern Qaidam Basin

2.3.2 晚燕山期剝蝕量

晚燕山運動形成的不整合面主要表現(xiàn)為侏羅系(白堊系)與第三系(第四系)之間的角度不整合接觸，部分地區(qū)存在侏羅系(白堊系)與第三系(第四系)平行不整合接觸，仍有部分區(qū)域缺失侏羅系與白堊系，第三系直接不整合于前中生界之上。晚燕山期剝蝕量恢復結果表明，柴達木盆地東部晚燕山期剝蝕量為500～2 300 m(圖4)，剝蝕量總體由盆地邊緣往盆地中心逐漸減小，且研究區(qū)西段剝蝕量明顯大于研究區(qū)東段。盆地南緣的剝蝕量為1 100～2 000 m，盆地北緣的剝蝕量增大到1 200～2 300 m，至盆地中心逐漸減小到500～1 000 m。

2.3.3 晚海西—印支期剝蝕量

晚海西—印支運動對盆地邊緣的擠壓抬升作用較強，往盆地內(nèi)逐漸減弱，但盆地內(nèi)亦有強烈隆升剝蝕區(qū)。該時期不整合面特征主要表現(xiàn)為侏羅系(白堊系)與前中生界之間的角度不整合接觸。晚海西—印支期剝蝕量恢復結果表明，印支運動(三疊紀)之前，柴達木盆地東部殘留石炭系頂界面埋深普遍超過2 500 m，古地溫梯度變化范圍為37～43 ℃/km。晚海西—印支期剝蝕量為2 100～4 300 m(圖5)，剝蝕量總體由盆地南緣往北緣逐漸減小。柴東南緣的剝蝕量為3 600～4 300 m，往柴東北緣逐漸減小到2 100～3 100 m，僅穿山溝一帶達到了3 700 m，剝蝕量橫向變化較大。

圖4 柴達木盆地東部晚燕山期剝蝕量等值線圖Fig.4 Contour map of the erosion rate of Late Yanshanian in Eastern Qaidam Basin

圖5 柴達木盆地東部晚海西—印支期剝蝕量等值線圖Fig.5 Contour map of the erosion rate of Late Hercynian-Indosinian in Eastern Qaidam Basin

2.4 柴達木盆地石炭系烴源巖成熟度演化史研究

柴達木盆地石炭系熱演化史主要表現(xiàn)為“存在二次生烴，晚期生烴為主”的特點(圖6)。研究區(qū)石炭系烴源巖在早二疊世進入生烴門限，開始生烴，主要以生油為主。后受控于海西運動，地層抬升，遭受剝蝕，生烴停止，在石炭系露頭砂巖中發(fā)現(xiàn)了早期的瀝青充填，證實了早期的生烴事件。印支運動期，研究區(qū)遭受近南北向擠壓，石炭系繼續(xù)抬升剝蝕； 晚燕山期，德令哈坳陷擠壓撓曲，為坳陷期，石炭系再次深埋，并在古新世達到最大埋藏，石炭系烴源巖再次達到生烴溫度，并大規(guī)模生烴，主要以產(chǎn)氣為主； 古新世—上新世為石炭系主力生烴期； 喜山運動晚期研究區(qū)南北向擠壓持續(xù)加強，在德令哈坳陷周緣靠近老山前表現(xiàn)為逆沖推覆，在坳陷腹地，石炭系發(fā)生褶皺，變形強度不均勻。

(a) 柴頁2井 (b) 冷科1井

圖6 柴達木盆地德令哈坳陷柴頁2井(a)、冷科1井(b)埋藏史、熱史模擬

Fig.6 Modeling results of burial and thermal history of well Chaieye 2 (a) and Lengke 1 (b) in Delingha depression of Qaidam Basin

3 構造運動對石炭系分布的控制

研究區(qū)構造演化總體上反映了統(tǒng)一的構造背景，但由于地質條件的差異，在不同的位置呈不同的演化模式，因此，分別選取了NW向2條及NE向2條剖面開展構造演化研究。其中NE向剖面橫跨諾木洪凹陷、埃姆尼克山、歐南凹陷、德令哈凹陷等構造單元。

以NE向(545-00054測線)構造演化史分析為例，該剖面橫跨宗加斷裂、諾木洪凹陷、埃姆尼克山、歐南凹陷及德令哈凹陷。諾木洪凹陷邊界為宗加斷裂和埃南斷裂，自西向東逐漸變窄，東部基底較西部更具剛性，因而其變形主要以脆性為主，斷裂活動更頻繁(圖7)。

印支運動晚期(侏羅系沉積前)，宗加斷裂和控制埃姆尼克山形成的埃南斷裂形成強烈對沖，宗加斷階和埃東低凸起石炭系大部分被剝蝕或剝蝕殆盡。諾木洪凹陷石炭系殘留分布具有南北薄中間厚的特點，中部殘留上石炭統(tǒng)，斷裂非常發(fā)育。

燕山運動晚期(古近系沉積前)，受強烈擠壓作用，埃姆尼克凸起形成，凸起之上中生界明顯減薄，說明該時期凸起再次遭受較強剝蝕。中侏羅統(tǒng)局部發(fā)育，僅小范圍分布于埃南斷裂以南。晚侏羅世—早白堊世，全區(qū)接受沉積，具有坳陷型廣盆特征，古地形控制分布，歐北斷裂兩側見超覆現(xiàn)象。宗加斷裂及印支運動末期形成的次級斷裂均有活動，控制上侏羅統(tǒng)沉積，地震剖面上可見其地層超覆現(xiàn)象。

圖7 宗加斷階-諾木洪凹陷-埃東低凸起-歐南凹陷-德令哈凹陷構造演化剖面圖Fig.7 Tectonic evolution section of Zongjia fault order- Nuomuhong depression-Edong low bulge- Ou’nan depression-Delingha depression

喜山運動晚期強烈擠壓作用使埃南、歐南等老斷層活化，兩個凸起區(qū)繼承性發(fā)育，但前石炭系未出露地表。諾木洪凹陷、德令哈凹陷的古近系—第四系沉積厚度較大，總體趨勢為向南、向北減薄。該剖面現(xiàn)今長度為131.06 km，石炭系沉積后為194.63 km，壓縮量為63.57 km，壓縮率為67.34%。

總體來看，印支末期的構造運動控制了本區(qū)石炭系殘留分布，主要分布于歐南凹陷局部、諾木洪凹陷大部以及德令哈凹陷。歐南凹陷西部深洼在印支運動時期石炭系保存較好，殘留部分上石炭統(tǒng)，向東全被剝蝕。凹陷內(nèi)部石炭系殘留厚度差異較大，主要受該期形成的一系列逆沖斷裂控制，斷裂上盤均遭受不同程度的剝蝕，厚度較下盤明顯變薄。諾木洪凹陷在印支運動時期差異剝蝕較明顯，受凹陷內(nèi)部多條逆沖斷層的影響，上石炭統(tǒng)僅在凹陷中部斷層對沖區(qū)域殘存，且范圍局限，下石炭統(tǒng)厚度也不均一。德令哈凹陷總體上殘存較完整的石炭系，受祁連山持續(xù)逆沖作用影響，向北逐漸減薄。印支運動時期隆升的埃姆尼克凸起、歐龍布魯克凸起、全吉凸起等，石炭系剝蝕厚度均較大，盆地邊緣斷裂活動量較大，導致石炭系剝蝕殆盡。因此，印支末期的差異隆升是控制石炭系殘留厚度以及造成殘留厚度差異較大的主要原因。印支運動末期以后，本區(qū)雖經(jīng)歷了多期運動改造，但對石炭系殘留影響較小，受影響的區(qū)域主要為持續(xù)活動抬升的埃姆尼克凸起區(qū)和歐龍布魯克凸起區(qū)。燕山運動和喜山運動控制了中新生界的殘留，造就了現(xiàn)今的構造形態(tài)，同時控制了石炭系埋深。

4 結論

(1)首次在柴達木盆地石炭系獲得油氣流，取得柴達木盆地古生界海相新層系油氣的重要發(fā)現(xiàn)，打破了柴達木地區(qū)“古生界為變質結晶基底，存在古老陸塊”的傳統(tǒng)認識。經(jīng)調(diào)查確認石炭系未變質，具備良好的油氣地質條件，提出石炭系“晚期、多類型”的成藏理論認識。

(2)柴達木盆地晚古生代以來主要經(jīng)歷了6期顯著的構造事件。Ⅰ(254.0～199 Ma) 該構造事件揭開了柴達木盆地中、新生代構造演化的序幕； Ⅱ(177～148.6 Ma)區(qū)域由早期的溫暖-潮濕氣候轉變?yōu)楹笃诘母稍镅趸瘹夂颍?Ⅲ(87～62 Ma)柴達木盆地東部緩慢隆升遭受剝蝕，柴北緣在弱擠壓環(huán)境下形成坳陷盆地； Ⅳ(41.1～33.6 Ma)是盆地對印度板塊和歐亞板塊碰撞早期的響應； Ⅴ(9.6～7.1 Ma) 青藏高原的強烈隆升誘發(fā)了柴達木盆地快速隆升，并遭受剝蝕, 盆地周緣變形強烈； Ⅵ (2.9～1.8 Ma)盆地遭受強烈擠壓、隆升與構造變形，導致先存斷裂普遍遭受強烈改造，先期褶皺得到進一步發(fā)展。

(3)柴達木盆地德令哈坳陷石炭系烴源巖熱演化史主要表現(xiàn)為“存在二次生烴，晚期生烴為主”的特點，主要受該區(qū)構造運動控制。德令哈坳陷石炭系埋藏史主要表現(xiàn)為快速埋藏期、穩(wěn)定期與強烈抬升剝蝕期，新生代以來沉降史與抬升剝蝕史存在著差異，主要受控于青藏高原隆生的遠程效應與阿爾金構造帶新生代以來的左旋走滑作用。