黃驊坳陷中生代構(gòu)造運動對上古生界煤系烴源巖生烴演化的控制

張津?qū)? 周建生 肖敦清 韓國猛 趙 敏 付立新 李宏軍 樓 達

1.中國石油大港油田公司 2.中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

中國華北地區(qū)上古生界分布廣泛，殘留厚度大，其中下二疊統(tǒng)太原組、中二疊統(tǒng)山西組為含煤地層，有機質(zhì)含量較高，熱演化程度以成熟—過成熟為主，具備較好的生烴能力。20世紀(jì)60年代末，鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)二疊系氣藏，并成為該盆地主力油氣勘探層系，揭示上古生界煤系烴源巖具有較大的油氣勘探潛力[1-5]。渤海灣盆地與鄂爾多斯盆地中生代前同屬華北克拉通盆地，古生代統(tǒng)一的演化形成了以上古生界煤系烴源巖為核心的古生界含油氣系統(tǒng)，而中生代“克拉通破壞”事件使得兩個盆地分化發(fā)育[6]。由于渤海灣盆地后期構(gòu)造運動改造作用強烈，上古生界分布與厚度在盆地各坳陷區(qū)差異性較大，且上古生界煤系烴源巖生烴能力研究尚處于起步階段，以上古生界煤系烴源巖為油氣勘探方向的思路未能形成主流認識[7]，制約了該領(lǐng)域的地質(zhì)研究和天然氣勘探。

自20世紀(jì)60年代以來，黃驊坳陷一直以古近系暗色泥巖為主力烴源巖進行勘探。20世紀(jì)90年代末，發(fā)現(xiàn)WS1井與上古生界煤系地層有關(guān)的油氣藏，顯示煤系烴源巖具有良好的生烴潛力和油氣勘探前景[8-9]。近期，港北、烏馬營和歧北等古潛山內(nèi)幕與上古生界煤系有關(guān)的原生氣藏勘探取得重大發(fā)現(xiàn)[10-11]，揭示其巨大的油氣資源潛力，使該領(lǐng)域基礎(chǔ)地質(zhì)研究逐步成為熱點。隨著勘探進程的逐步深入，黃驊坳陷多個地區(qū)上古生界儲層發(fā)現(xiàn)大量的固體瀝青和早期包裹體，證實了早期油氣藏的存在。早期油氣聚集成藏，儲層具有濕潤性，有利于油氣后期再次充注成藏[12]。因此，煤系烴源巖一次生烴潛力、排烴范圍以及控制因素是進一步落實勘探部署的關(guān)鍵。中生代為上古生界煤系烴源巖一次生烴期，構(gòu)造體制、沉降特征以及構(gòu)造變遷對其一次生烴具有較強的控制作用。筆者以渤海灣盆地黃驊坳陷為研究對象，通過研究中生代構(gòu)造體制以及盆地遷移特征，結(jié)合上古生界埋藏—熱演化史分析，探討中生代構(gòu)造運動對上古生界煤系烴源巖一次生烴演化的控制作用，以期為華北地區(qū)克拉通中生代構(gòu)造運動、原型盆地恢復(fù)、煤系生烴演化研究以及油氣勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黃驊坳陷地處我國東部，為渤海灣盆地腹地，夾持于NE走向的滄縣隆起和埕寧隆起之間，以孔店隆起為界分為南、北兩個不同的沉積單元，南為滄東凹陷，北為歧口凹陷（圖1）。黃驊坳陷自加里東運動由穩(wěn)定的海相克拉通盆地演化形成寒武系—奧陶系海相碳酸鹽巖沉積建造[13]，晚奧陶世發(fā)生抬升海退，古構(gòu)造格局呈北升南降；海西期原型盆地為陸內(nèi)大型坳陷，中—晚石炭世為海陸交互相建造期[14-15]，發(fā)育石灰?guī)r、碎屑巖及煤系地層，山西組沉積期大型內(nèi)陸盆地已具雛形，發(fā)育夾煤層與頁巖的碎屑巖沉積。上古生界在黃驊坳陷分布廣泛，地層穩(wěn)定，最大厚度約為1 100 m，一般為600 m，其烴源巖層主要為發(fā)育在上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和中二疊統(tǒng)山西組的煤系地層。內(nèi)幕地層多為整合或平行不整合接觸關(guān)系，斷裂相對不發(fā)育，構(gòu)造格局具有繼承性。上古生界煤系烴源巖生烴潛力巨大，為潛山內(nèi)幕油氣成藏提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 中生代構(gòu)造事件與演化過程

自中生代以來，黃驊坳陷主要經(jīng)歷了印支和燕山兩期構(gòu)造運動。多期、多類型構(gòu)造活動對該區(qū)上古生界煤系地層生烴演化產(chǎn)生了深遠的影響。根據(jù)構(gòu)造變形特征、盆地升降遷移和構(gòu)造熱事件，黃驊坳陷中生代經(jīng)歷了三疊紀(jì)克拉通抬升—沉降運動、侏羅紀(jì)差異壓陷—壓扭運動、白堊紀(jì)火山活動和伸展抬升運動。

2.1 三疊紀(jì)陸內(nèi)克拉通盆地抬升—沉降運動

早三疊世，黃驊坳陷殘留的下三疊統(tǒng)承襲了古生代北高、南低的古構(gòu)造格局，殘留沉積地層主要分布在滄東凹陷，最大厚度約500 m。該時期為陸內(nèi)克拉通盆地沉降期，沉降中心位于常莊次凹、黑龍村凸起和埕海斷階。

中—晚三疊世，為渤海灣盆地萎縮期[16-19]，華北克拉通東部發(fā)生了南北向地層縮短[20-21]，黃驊坳陷EW軸向?qū)捑彽鸟薨櫂?gòu)造初始形態(tài)形成于該時期。褶皺軸部為板橋次凹—歧口次凹—沙壘田凸起一線，軸部剝蝕強烈，出露奧陶系海相碳酸鹽巖沉積。該時期為陸內(nèi)克拉通盆地抬升期。

2.2 侏羅紀(jì)差異壓陷—壓扭運動

早侏羅世，華北克拉通開始發(fā)生強烈的構(gòu)造變形[22-23]，渤海灣盆地為一大型內(nèi)陸湖盆，處于區(qū)域弱引張應(yīng)力環(huán)境[24]。中侏羅世，受蘭聊斷裂活動的影響，沉積地層發(fā)育逆沖斷層，構(gòu)造軸向為EW向、NE—NNE向，為擠壓—走滑環(huán)境下坳陷盆地[25-26]。黃驊坳陷中—下侏羅統(tǒng)未見巖漿巖，為一套砂礫巖、砂巖、泥巖和煤系等陸相沉積建造，主要分布滄東凹陷，最大厚度約1 600 m。該時期為陸相盆地壓陷沉降期，沉降中心分布在常莊次凹、南皮次凹和鹽山次凹。

晚侏羅世，華北克拉通與西伯利亞板塊、古太平洋板塊和特提斯板塊之間匯聚碰撞，受到多向強烈擠壓[27-29]，整體缺失上侏羅統(tǒng)，為中生代第二次抬升階段。該時期黃驊坳陷受到強烈擠壓抬升，下伏沉積地層中多見EW—NE走向三角對沖斷層、低角度逆沖推覆斷層、疊瓦式逆沖斷層等擠壓應(yīng)力構(gòu)造，滄縣隆起和埕寧隆起壓扭抬升，對古構(gòu)造格局具有較強的約束作用。該時期為陸相盆地壓扭抬升期。

圖1 黃驊坳陷區(qū)域構(gòu)造與地層柱狀圖

2.3 白堊紀(jì)火山活動與伸展運動

早白堊世，華北克拉通發(fā)生構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折，從以擠壓為主到以伸展為主[30-31]。受郯廬斷裂帶再次發(fā)生強烈的左行平移活動和伸展活動的影響[32-33]，黃驊坳陷大型走滑斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮呋\動，早期發(fā)育的逆斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)改造為正斷層，形成基底斷裂。下白堊統(tǒng)東部邊界為沿海岸走滑斷裂帶，西部邊界為滄縣隆起，自孔店隆起向北部厚度增加至1 800 m，孔店隆起為控制該套層系南、北差異分布的關(guān)鍵[34-35]。華北克拉通東部在該時期巖漿活動的范圍和強度達到頂峰[36-37]，可能與古太平洋板塊的俯沖有關(guān)[38-40]。黃驊坳陷下白堊統(tǒng)發(fā)育安山巖、玄武巖和安山玢巖等噴出巖或淺侵入巖，在歧口凹陷分布廣泛。玄武巖全巖K—Ar年齡為101～106 Ma、134～138 Ma，與華北克拉通東部巖漿活動時限一致。該時期為陸相斷陷盆地沉降期，沉降中心分布在板橋次凹、歧口次凹和北塘次凹。

晚白堊世，華北克拉通東部巖石圈已經(jīng)大幅度減薄，熱膨脹對古地勢起到主導(dǎo)作用，導(dǎo)致淺部伸展抬升[41]，整體遭受剝蝕。黃驊坳陷位于華北克拉通中生代以來隆起區(qū)的軸部，剝蝕強度大，未見上白堊統(tǒng)碎屑巖沉積。該時期華北克拉通轉(zhuǎn)變?yōu)閹r漿活動與構(gòu)造活動的平靜期[42]，基本沒有發(fā)生巖漿活動，陸相盆地僅局部出現(xiàn)。該時期為黃驊坳陷伸展抬升期。

2.4 中生代盆地遷移

黃驊坳陷中生界地層厚度可代表各期沉降特征，各層地層厚度空間展布的變化反映了盆地在中生代的遷移特征。下三疊統(tǒng)，黃驊坳陷沉降中心分布在滄東凹陷，最大地層厚度為600 m，最大沉降速率為100 m/Ma，厚度分布較均一，歧口凹陷局部殘留于埕海地區(qū)，分布面積?。恢小沦_統(tǒng)，黃驊坳陷存在多個沉降中心，最大地層厚度為1 600 m，最大沉降速率為42 m/Ma，孔店隆起對地層的展布具有較強的控制作用，分布面積大于下三疊統(tǒng)，中—下侏羅統(tǒng)與下三疊統(tǒng)對比，沉降中心具有向北遷移的趨勢（圖2）。下白堊統(tǒng)與下伏中—下侏羅統(tǒng)分布特征具有較大的差異，主要分布在歧口凹陷，最大地層厚度為1 200 m，最大沉降速率為27 m/Ma，與中—下侏羅統(tǒng)相比，盆地在該時期大幅度向北遷移，以孔店隆起為南、北界形成“翹板式”差異沉降。

圖2 黃驊坳陷中生代沉降速率圖

3 上古生界煤系烴源巖生烴史

3.1 煤系烴源巖特征

黃驊坳陷上古生界煤系地層分布范圍廣，分布面積為8 061 km2，煤層、碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖最大厚度為500 m，其中太原組煤層厚度介于2～16 m，山西組煤層厚度介于4～10 m，厚值區(qū)分布在滄東凹陷的南皮次凹、常莊次凹、歧北次凹和埕海斷階，板橋次凹—歧口次凹—沙壘田凸起一線以北缺失上古生界。地球化學(xué)特征顯示，煤層總有機碳含量（TOC）主要介于20%～70%，碳質(zhì)泥巖TOC介于3%～9%，泥巖TOC一般小于6%；煤層生烴潛量介于60.0～300.0 mg/g，碳質(zhì)泥巖生烴潛量介于2.0～200.0 mg/g，泥巖生烴潛量一般為2.5～6.0 mg/g；烴源巖鏡質(zhì)體反射率（Ro）介于0.50%～3.73%（表1）。該套煤系烴源巖經(jīng)歷了兩次生烴過程，一次生烴發(fā)生在中生代，二次生烴為古近紀(jì)漸新世至今[9,43-45]。上古生界煤系烴源巖可為油氣成藏提供大量烴類物質(zhì)。

3.2 滄東凹陷上古生界煤系生烴史

埋藏—熱演化史結(jié)合包裹體巖相學(xué)分析結(jié)果顯示，滄東凹陷上古生界完成煤系建造后在晚侏羅世和晚白堊紀(jì)兩次抬升，分別對應(yīng)了黃驊坳陷晚侏羅世壓扭抬升期和晚白堊世伸展抬升期。早三疊世滄東凹陷上古生界上覆上三疊統(tǒng)沉積厚度約為600 m，煤系烴源巖Ro達到0.5%，進入生烴門限，生排烴能力有限；中侏羅世末，上古生界上覆地層厚度沉積總厚度達到2 600 m，煤系烴源巖Ro超過0.7%，進入有效生烴門限，具備大量生排烴能力；古近紀(jì)漸新世，上古生界煤系烴源巖Ro達到1.0%，開始大規(guī)模生排烴（圖3）。

表1 黃驊坳陷上古生界煤系烴源巖地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

圖3 滄東凹陷上古生界煤系烴源巖埋藏—熱演化史與二疊系儲層包裹體均一溫度圖

圖4 滄東凹陷中—古生界儲層瀝青與包裹體特征圖

埋藏—熱演化史揭示上古生界煤系烴源巖自中侏羅世進入了有效生烴門限。上古生界儲層發(fā)現(xiàn)大量的固體瀝青和早期包裹體，證實了滄東凹陷古油藏的存在（圖4-a～c），亦證實了上古生界煤系烴源巖經(jīng)歷了早期大規(guī)模生烴過程。

3.3 歧口凹陷上古生界煤系生烴史

歧口凹陷中生代構(gòu)造演化特征與滄東凹陷具有較大的差異性。歧口凹陷上古生界完成煤系建造后在三疊紀(jì)至侏羅紀(jì)為抬升期，經(jīng)歷了100 Ma的沉積間斷，板橋次凹—歧口次凹上古生界剝蝕殆盡，剝蝕區(qū)呈EW軸向，與中—晚三疊世SN向擠壓褶皺構(gòu)造和晚侏羅世近SN向走滑擠壓運動一致。早白堊世歧口凹陷接受大規(guī)模陸相沉積建造，最大沉積厚度達1 200 m。下白堊統(tǒng)沉積后，上古生界煤系烴源巖Ro達到0.5%，進入生烴門限。自古近紀(jì)漸新世，黃驊坳陷大幅度沉降，上古生界煤系烴源巖Ro達到0.7%，進入有效生烴門限（圖5）。

埋藏—熱演化史揭示上古生界煤系烴源巖自早白堊世進入了生烴門限，生烴能力有限。但是，上古生界儲層發(fā)現(xiàn)大量的固體瀝青和早期包裹體證實了歧口凹陷亦存在古油藏（圖4-d～f），上古生界煤系烴源巖在歧口凹陷也經(jīng)歷了早期大規(guī)模生烴過程。這可能與歧口凹陷廣泛發(fā)育的巖漿巖有關(guān)，巖漿巖直接覆蓋或侵入于上古生界煤系，形成局部熱事件，烘烤和加熱作用加快煤系熱演化，促使烴源巖中有機質(zhì)加速生烴和異常成熟。

圖5 歧口凹陷上古生界煤系烴源巖埋藏—熱演化史與二疊系儲層包裹體均一溫度圖

4 討論

4.1 煤系烴源巖生烴演化的差異性

上古生界煤系完成沉積建造后，埋藏深度逐漸增大，地層溫度不斷升高，有機質(zhì)逐步成熟，Ro＞0.5%后，烴源巖開始進入生烴門限；Ro＞0.7%后，烴源巖進入有效生烴門限，開始大量生排烴。通過生烴演化分析顯示：①三疊紀(jì)末，只有滄東凹陷煤系局部進入生烴門限，面積較小，生烴能力甚微；歧口凹陷煤系未進入生烴門限（圖6-a）。②侏羅紀(jì)末，滄東凹陷煤系大面積進入生烴門限，其中南皮次凹Ro＞0.7%，進入有效生烴門限，具有較好的生烴能力，面積約169.46 km2；歧口凹陷煤系局部進入生烴門限，面積很小，生烴能力甚微（圖6-b）。③白堊紀(jì)末，滄東凹陷煤系Ro普遍超過0.5%，其中南皮次凹、鹽山次凹和常莊次凹Ro超過0.7%，進入有效生烴門限，面積約344.60 km2；歧口凹陷僅港西凸起、歧北次凹、歧南次凹、埕海斷階以及北塘次凹Ro超過0.5%，該時期上古生界煤系烴源巖已具備大范圍規(guī)模生烴的能力（圖6-c）。

生烴演化序列揭示了上古生界煤系烴源巖具有由南向北逐步成熟生烴的特征，與盆地遷移一致。中生代各時期盆地沉降差異較大。三疊紀(jì)，黃驊坳陷沉積厚度小，歧口凹陷出露剝蝕，上古生界煤系烴源巖埋深淺，煤系烴源巖有機質(zhì)成熟度低，僅滄東凹陷局部進入生烴門限；侏羅紀(jì)，黃驊坳陷沉積厚度大，滄東凹陷為主沉降區(qū)，上古生界煤系烴源巖埋深大，沉降中心區(qū)首先進入有效生烴門限，大量生排烴；白堊紀(jì)，受差異沉降作用影響，黃驊坳陷下白堊統(tǒng)主沉降區(qū)位于孔店隆起以北，煤系烴源巖在歧口凹陷亦進入生烴階段。生烴演化過程證實了黃驊坳陷中生代各時期盆地遷移事件控制上古生界煤系烴源巖生烴序列。

圖6 黃驊坳陷上古生界煤系烴源巖生烴演化序列圖

4.2 巖漿巖局部加熱事件對煤系烴源巖生烴的促進作用

烴源巖生烴演化除了受地溫梯度控制外，還受局部加熱事件的影響。巖漿巖的烘烤作用使得圍巖中Ro急劇上升，遠遠高于沉積盆地沉降過程中正常熱演化所能達到的成熟度，加速烴源巖的成熟和成烴作用[46-49]。早白堊世，華北克拉通東部巖漿活動的范圍和強度達到頂峰，黃驊坳陷廣泛發(fā)育巖漿巖，直接覆蓋于上古生界煤系地層之上，或淺侵入于煤系地層之中。上古生界煤系烴源巖的Ro橫向?qū)Ρ蕊@示，覆蓋或侵入巖漿巖的煤系烴源巖Ro（1.71%～2.15%）高出未覆蓋或侵入巖漿巖的煤系烴源巖Ro（0.90%～1.29%）0.5%～1.0%。煤系烴源巖Ro縱向?qū)Ρ蕊@示，未覆蓋或侵入巖漿巖的煤系烴源巖Ro隨深度變化的范圍介于0.5%～2.0%，覆蓋或侵入巖漿巖的煤系烴源巖Ro變化范圍相對未覆蓋或侵入巖漿巖的煤系烴源巖Ro要高出0.5%～1.5%（圖7）。Ro異常特征證實了中生代巖漿巖局部加熱事件促使上古生界煤系烴源巖中有機質(zhì)加速生烴和異常成熟。港西凸起、歧北次凹、歧南次凹等區(qū)域上古生界煤系的上覆或侵入巖漿巖區(qū)為有利勘探帶，面積為1 317 km2。

圖7 上古生界煤系烴源巖Ro與巖漿巖縱向相關(guān)性分布圖

5 結(jié)論

1）中生代發(fā)生多期、多類型構(gòu)造運動，構(gòu)造事件分別為三疊紀(jì)克拉通抬升—沉降運動、侏羅紀(jì)差異壓陷—壓扭運動、白堊紀(jì)火山活動和伸展抬升運動。盆地遷移過程為由南向北，孔店隆起為盆地遷移的重要界線。

2）黃驊坳陷上古生界煤系地層分布廣泛，經(jīng)歷兩次生烴過程。滄東凹陷上古生界完成煤系建造后于中侏羅世末進入有效生烴門限；歧口凹陷上古生界完成煤系建造后于早白堊世末進入生烴門限。中—古生界儲層發(fā)現(xiàn)大量的固體瀝青和早期包裹體，證實早期有油氣藏的存在。

3）中生代構(gòu)造運動對上古生界煤系烴源巖一次生烴的影響主要體現(xiàn)在盆地遷移事件控制上古生界煤系烴源巖一次生烴序列，以及巖漿巖局部加熱事件促使上古生界煤系烴源巖中有機質(zhì)加速生烴和異常成熟。