北羌塘凹陷重力地震聯(lián)合反演預(yù)測深部油藏

吳珍漢， 宋 洋， 趙 珍

中國地質(zhì)科學(xué)院， 北京 100037

西藏羌塘發(fā)育我國大陸面積最大的中生代海相含油氣盆地， 三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)形成了厚達(dá)數(shù)千米的濱淺?！懪锵嗵妓猁}巖-碎屑巖系， 侏羅系烴源巖經(jīng)歷了復(fù)雜埋藏歷史、熱史和生烴史(趙政璋等，2001； 許懷先和秦建中， 2004； 秦建中， 2006)； 地表發(fā)現(xiàn)油氣顯示 220余處， 出露白云巖油砂技術(shù)可采油資源量超過2.5億噸， 部分地區(qū)液態(tài)油苗成片或成帶分布， 指示羌塘盆地經(jīng)歷過大規(guī)模油氣成藏過程(王劍等， 2009； 吳珍漢等， 2019)。前人對羌塘盆地開展了大量油氣地質(zhì)調(diào)查和研究工作， 先后完成數(shù)千公里二維地震反射和不同深度的地質(zhì)鉆探， 優(yōu)選提出半島湖、托納木、達(dá)卓瑪?shù)鹊貐^(qū)為羌塘盆地油氣勘探有利區(qū)塊(趙政璋等， 2001； 王劍等， 2009)。盡管如此， 羌塘盆地油氣勘探長期未能取得突破， 亟待更為有效的技術(shù)方法和更加深入的研究工作。

國內(nèi)外大量觀測資料表明， 重磁界面識別能夠為盆地結(jié)構(gòu)分析及基底構(gòu)造劃分提供重要依據(jù)(譚富文等， 2008； 熊盛青等， 2013)； 規(guī)模較大的油氣藏能夠產(chǎn)生比較顯著的重力負(fù)異常(許慶剛和高明遠(yuǎn)，1961； 袁業(yè)培等， 1995)， 重力勘探結(jié)合地震反射可以有效預(yù)測油氣藏(王西文和米哈依諾夫， 1996)。本文綜合野外地質(zhì)觀測、地球物理探測及相關(guān)實驗測試資料， 建立剖面密度模型， 進(jìn)行重力-地震聯(lián)合反演， 預(yù)測深部油藏及相關(guān)參數(shù)， 力爭為羌塘盆地油氣勘查突破提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 羌塘盆地中部地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Fig. 1 Geological map of the central Qiangtang basin

1 巖石地層和密度特征

羌塘盆地位于青藏高原北部， 由南羌塘凹陷、羌中隆起、北羌塘凹陷組成(圖1)。橫穿羌塘盆地不同構(gòu)造單元， Sinoprobe高質(zhì)量完成了二維地震反射剖面(Gao et al.， 2013)， 良好揭示了羌塘盆地的深部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征(Lu et al.， 2013； 吳珍漢等， 2019)。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造觀測、油氣地質(zhì)調(diào)查、羌參 1井和QK-5井鉆探標(biāo)定， 對Sinoprobe地震反射剖面進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋(吳珍漢等， 2016， 2019)， 結(jié)合巖石密度測量等資料(表 1)， 建立羌塘盆地中部二維剖面結(jié)構(gòu)和密度模型(圖2)， 為聯(lián)合反演提供必要約束。

羌塘盆地結(jié)晶基底為古生代變質(zhì)巖(Pzm)， 部分已出露地表(譚富文等， 2009)； 主要巖石類型包括晚古生代淺變質(zhì)巖如板巖、變質(zhì)砂巖、變粒巖和早古生代深變質(zhì)巖如斜長角閃巖、片麻巖、花崗片麻巖， 密度 2.64～2.89 g/cm3， 平均密度 2.75 g/cm3。北羌塘凹陷古生代變質(zhì)基底埋深自北向南發(fā)生變化，多格錯仁Pzm埋深≥7500 m， 半島湖背斜核部Pzm埋深≥5300 m， 半島湖背斜北翼 Pzm埋深≥7000 m，東湖—阿木錯Pzm頂面埋深為6000～7000 m； 向南基底埋深逐步變淺， 羌中隆起 Pzm 埋深≥2000 m，受逆沖推覆構(gòu)造影響， 部分Pzm變質(zhì)基底出露地表(圖2)。北羌塘凹陷南部阿木錯地區(qū)及羌中隆起發(fā)育未變質(zhì)-弱變質(zhì)石炭系—二疊系(C-P)， 主要由灰?guī)r、砂巖、泥巖、玄武巖組成， 密度 2.63～2.75 g/cm3， 平均密度 2.71 g/cm3。羌中隆起出露古生代變質(zhì)巖和三疊紀(jì)中酸性侵入巖(圖 1)， 閃長巖-花崗閃長巖密度為 2.69～2.71 g/cm3， 平均 2.70 g/cm3(表 1)。

北羌塘凹陷三疊系—侏羅系以海相沉積為主，底部與古生代變質(zhì)基底隔以推覆構(gòu)造底板斷層。阿木錯地區(qū)侏羅系海相沉積地層逆沖推覆于三疊系之上， 三疊系與下伏石炭系—二疊系呈角度不整合接觸(圖2)。三疊系主要巖石類型為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、粉砂巖， 厚度較大的上三疊統(tǒng)肖茶卡組平均密度為 2.76 g/cm3； 多格錯仁地區(qū)上三疊統(tǒng)頂部那底崗日組發(fā)育厚度300～600 m的玄武巖， 平均密度為2.71 g/cm3。北羌塘凹陷侏羅紀(jì)發(fā)育厚達(dá)數(shù)千米的海相沉積地層， 下侏羅統(tǒng)(J1)主要包括厚約150～220 m的Toarcian期油頁巖、頁巖、泥巖及下伏石膏巖， 平均密度 2.66 g/cm3。中侏羅統(tǒng)雀莫錯組(J2q)泥巖、粉砂巖、灰?guī)r厚度超過 680～950 m， 平均密度2.66 g/cm3； 布曲組(J2b)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r厚度815～1446 m， 平均密度 2.67 g/cm3； 夏里組(J2x)泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖厚度 842～991 m， 平均密度2.62 g/cm3。上侏羅統(tǒng)索瓦組(J3s)灰?guī)r、泥巖、泥晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r厚度 815～860 m， 密度為2.59～2.65 g/cm3， 平均密度 2.62 g/cm3。不同時代、不同類型的巖石密度如表1。

圖2 羌塘盆地北部二維地震反射及布格重力剖面圖Fig. 2 Seismic reflection and Bouguer gravity profiles across the northern Qiangtang basin

表1 羌塘盆地及鄰區(qū)巖石密度統(tǒng)計表Table 1 Density of rocks in the Qiangtang basin and adjacent areas

根據(jù)比洛錯古油藏觀測資料， 中侏羅統(tǒng)布曲組(陷J2b)含油白云巖與含油灰?guī)r為主要儲層(J2o)。北羌塘凹陷J2b埋深1000～3900 m， 大部分地區(qū)埋深為1000～2500 m， J2o油儲分布于 J2b中上部(圖 2)。J2o油儲密度ρ=ρ1+ρ2??，ρ1為孔隙巖石骨架不含流體(原油)的有效密度，ρ2為孔隙所含流體(原油)的平均密度，?表示巖石總孔隙度(袁業(yè)培等， 1995)。布曲組碳酸鹽巖密度ρ1=2.67 g/cm3， 原油密度ρ2=0.80 g/cm3， Δρ=?(ρ1?ρ2)； 如果含油率?=10%，則油儲密度為 2.48 g/cm3， 布曲組碳酸鹽巖(J2b)與油儲(J2o)的密度差為?0.19 g/cm3。

羌塘盆地早白堊世結(jié)束海相沉積歷史， 進(jìn)入?yún)^(qū)域隆升剝蝕環(huán)境； 很多地區(qū)上侏羅統(tǒng)頂部—下白堊統(tǒng)雪山組(J3-K1x)剝蝕殆盡， 部分地區(qū)上侏羅統(tǒng)索瓦組遭受嚴(yán)重風(fēng)化剝蝕。晚白堊世和古近紀(jì)早期，區(qū)域凹陷和前陸盆地發(fā)育厚達(dá)數(shù)百米—數(shù)千米的紅層沉積(圖 1)。上白堊統(tǒng)阿布山組(K2a)紅層厚度1200～2580 m， 密度 2.53～2.67 g/cm3， 平均密度2.61 g/cm3； 古 近 紀(jì) 早 期 (E1-2)紅 層 沉 積 厚 度470～1580 m， 密 度 2.40～2.52 g/cm3， 平 均 密 度2.47 g/cm3(表1)。漸新世—中新世早期及第四紀(jì)大部分地區(qū)處于風(fēng)化剝蝕環(huán)境， 部分地區(qū)發(fā)育湖相沉積， 厚約數(shù)十米—百余米(圖2)。

2 深部結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演

羌塘盆地北部布格重力自南向北發(fā)生規(guī)律性變化(圖 2)。沿Sinoprobe地震反射測線， 自羌中隆起向北， 布格重力逐步降低(王劍等， 2009； 熊盛青等， 2013)； 羌中隆起南部為?532 mGal， 羌中隆起北緣降低為?544 mGal； 至阿木錯向斜進(jìn)一步降為?550 mGal， 向北至東湖—龍尾錯地區(qū)布格重力異常降低為?550 ～ ?551 mGal， 北羌塘凹陷南部東湖—阿木錯地區(qū)布格重力相對羌中隆起和半島湖地區(qū)降低幅度為～8 mGal。自半島湖背斜南翼向北， 布格重力異常逐步增高， 由?550 mGal快速升高為?544 mGal； 半島湖—萬安湖布格重力值為?543 mGal，萬安湖東南 (羌科 -1井 )升高為?542 mGal。自萬安湖(測點 13000)向北， 布格重力由?540 mGal升高至?534 mGal， 至白灘湖形成極高值區(qū)， 布格重力異常約為?533 mGal， 向北至多格錯仁西降低為?536 mGal。

正常情況下， 布格重力與地殼厚度呈反鏡像關(guān)系， Moho面隆起會導(dǎo)致布格重力增高， 但羌塘盆地北部卻出現(xiàn)反常情況。北羌塘凹陷深地震反射剖面良好揭示了 Moho 面和地殼結(jié)構(gòu)(Gao et al.， 2013)，北羌塘凹陷龍尾錯—阿木錯重力低值異常區(qū)， 地殼厚度為 60.6～61.5 km， 莫霍面(Moho)相對隆起； 向北至萬安湖—多格錯仁地區(qū)， Moho面深度增加至63.8～64.9 km， 向南至羌中隆起南部， Moho 面深度增加至62.0～62.7 km。龍尾錯—阿木錯地區(qū)布格重力低值異常不是 Moho深度變化引起， 而與深部巖石組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造密切相關(guān)。

基于布格重力異常和地震反射解釋剖面， 采用重力交互反演技術(shù)， 進(jìn)行重力-地震聯(lián)合反演， 研究北羌塘凹陷的深部結(jié)構(gòu)和油儲分布。沿 Sinoprobe地震反射測線， 綜合地震反射剖面解釋和巖石地層密度測量資料， 以巖石地層的幾何參數(shù)和密度為約束條件， 建立聯(lián)合反演初始模型(楊高印等， 2019)；幾何參數(shù)由鉆探標(biāo)定的地震反射剖面及地質(zhì)構(gòu)造綜合解釋確定， 參考地表實測巖石地層密度確定初始物性參數(shù)(表1)。

結(jié)合野外觀測及相關(guān)資料， 設(shè)置和優(yōu)化油儲厚度與埋深等幾何參數(shù)(圖2)。采用Model Vision軟件，通過重力正演試算， 擬合實測重力異常， 獲取最佳反演效果(郇恒飛等， 2012)。模型密度在垂直方向(縱向)和水平方向(橫向)都存在比較大的變化， 水平方向密度的橫向變化取決于巖石地層空間分布； 垂直方向密度隨深度增加而增大， 密度隨深度變化主要呈線性、雙曲線、多項式、指數(shù)函數(shù)等形式(郭武林，1981)。采用任意二度體重力計算方法進(jìn)行重力正演建模， 深部巖石地層的密度隨深度呈線性變化(Murthy and Rao， 1979； 默撒和羅， 1980)， 通過在縱向的疊加實現(xiàn)密度隨深度的變化， 淺部巖石地層的密度隨深度變化用多項式函數(shù)表示(張建中等，2000)。

任意二度體在坐標(biāo)原點處的重力異常表達(dá)式為：

(1)式中， G為萬有引力常數(shù)，S為二度體的截面積；ε和ζ分別為二度體內(nèi)任意點的水平和垂直坐標(biāo)，ρ(ε，ζ)為(ε，ζ)處的密度值(張建中等， 2000)。密度隨深度變化用多項式函數(shù)表示：

(2)式中， an是常系數(shù)；N是ζ的最高次冪。當(dāng)N=0時，ρ為常數(shù)， 當(dāng)密度存在變化時， 可將密度體分塊計算。

對于變密度模 型 (徐世浙等， 1984； 姜 枚 等 ，1986)， 利用奧氏公式將重力異常的體積分變換成閉合曲面上的面積分并分成多個三角單元， 然后利用高斯公式對每一個三角單元進(jìn)行數(shù)值積分計算，最后將所有單元積分相加得到重力異常。在變密度的情況下， 重力異常表達(dá)式為：

(3)式中， 計算點的坐標(biāo)為(x，y，z)， △ρ(ε，η，ζ)是密度差?！鳓?ε，η，ζ)=Aε+Bη+Cζ+D， 其中 A、B、C分別為ε、η、ζ方向的密度變化率，D為坐標(biāo)原點的密度差(楊高印等， 2019)。

為了提高擬合速度和準(zhǔn)確性， 利用重力有限元正演擬合模型來進(jìn)行模擬計算(朱自強等， 2010)。通過人機交互， 先計算初始模型的異常曲線； 通過調(diào)整模型幾何參數(shù)， 合理選取物性參數(shù)(密度)， 使得計算曲線逐步逼近實測曲線。用于反演的重力布格異常數(shù)據(jù)， 包含 23個觀測值和 3個插值， 合計 26個數(shù)據(jù)點(圖 2， 3)。

采用初始模型， 對布曲組密度較低(2.48 g/cm3)的油儲(J2o)取不同厚度和埋深進(jìn)行試算； 當(dāng) J2o埋深 1400～2000 m， 平均埋深 1700 m， 油儲厚度～480 m時， 東湖向斜—半島湖背斜的布格重力計算值與觀測值基本擬合。但白灘湖地區(qū)布格重力異常計算值比實測布格重力異常明顯偏小， 最大相差2.0 mGal(圖 3a)； 阿木錯向斜和羌中隆起北部布格重力異常計算值比實測布格重力異常明顯偏大， 計算值和觀測值相差0.5～1.0 mGal(圖3b)。

根據(jù)羌科1井鉆探和野外觀測資料， 推斷白灘湖重力異常增高與三疊紀(jì)晚期火山巖密切相關(guān)； 北羌塘凹陷上三疊統(tǒng)那底崗日組(T3n)發(fā)育玄武巖及凝灰?guī)r， 羌科1井及萬安湖地區(qū)T3n以凝灰?guī)r為主，沒有產(chǎn)生顯著的重力異常； 白灘湖地區(qū) T3n發(fā)育厚度較大的玄武巖， 玄武巖密度(2.71 g/cm3)明顯高于三疊系和侏羅系海相沉積地層(密度 2.62～2.67 g/cm3)， 厚度較大的晚三疊世玄武巖導(dǎo)致重力異常增高。在白灘湖地區(qū)添加三疊系上部添加透鏡體狀玄武巖， 最大厚度 500 m， 深度范圍為5800～6300 m， 計算得出的重力異常與布格重力異常觀測值基本符合(圖3b)。

羌中隆起北部初始模型設(shè)置為古生界變質(zhì)巖，密度為 2.75 g/cm3， 導(dǎo)致重力異常計算結(jié)果偏高；野外觀測表明羌中隆起北部大面積出露三疊紀(jì)花崗閃長巖和閃長巖， 平均密度為 2.70 g/cm3， 據(jù)此對模型進(jìn)行修改， 修改模型計算得出的重力異常與觀測值基本符合(圖3c)。

阿木錯向斜兩側(cè)發(fā)育不同規(guī)模的背斜構(gòu)造， 背斜核部容易富集更多石油并引起油儲增厚； 經(jīng)過試算， 當(dāng)J2o油儲厚度增加至583～620 m時， 反演得出的重力異常曲線與實測曲線基本吻合(圖 3c， 圖 4)，指示褶皺變形導(dǎo)致油儲增厚103～140 m。

羌塘盆地北部重力-地震聯(lián)合反演取得良好效果， 實測布格重力異常曲線與反演得到的重力布格異常曲線擬合度高達(dá) 97.5%。聯(lián)合反演揭示了羌塘盆地的深部結(jié)構(gòu)、油儲埋深及厚度變化， 北羌塘凹陷南部中侏羅統(tǒng)布曲組油儲(J2o)密度 2.48 g/cm3，埋深 1400～2000 m， 平均埋深 1700 m， 東湖向斜 J2o最大埋深3400 m； J2o油儲厚度～480 m， 阿木錯褶皺區(qū)J2o增厚至583～620 m， 半島湖—白灘湖地區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組J2o油儲不甚發(fā)育(圖4)。聯(lián)合反演還表明， 北羌塘凹陷北部白灘湖地區(qū)三疊系頂部發(fā)育厚度500 m的玄武巖(T3n)。

3 結(jié)論與討論

圖3 不同測試模型布格重力異常正演擬合圖(說明見正文)Fig. 3 Comparison between the observed and synthetic Bouguer gravity anomalies along the profile(see the text for the related explanations)

圖4 羌塘盆地北部重震聯(lián)合反演擬合曲線(a)與深部結(jié)構(gòu)解釋剖面(b)Fig. 4 Best-fitted Bouguer gravity profile (a) and deep geological cross-section (b) across the northern Qiangtang basin by joint inversion of the seismic reflection and gravity profiles

羌塘盆地深部油儲對布格重力異常變化具有控制作用， 重力-地震聯(lián)合反演能夠良好揭示深部油儲的埋深、厚度、密度、含油率等重要參數(shù)?；谝巴庥^測和鉆探標(biāo)定， 形成橫穿北羌塘凹陷的地震反射解釋剖面； 以巖石地層的幾何參數(shù)和密度為約束， 建立初始模型。采用Model Vision軟件和人機交互方式， 通過改變厚度和埋深等參數(shù)、優(yōu)化修改模型、反復(fù)正演試算， 逐步擬合布格重力異常； 最終擬合度達(dá)到 97.5%， 達(dá)到重力-地震聯(lián)合反演目的。聯(lián)合反演結(jié)果表明， 北羌塘凹陷南部龍尾錯—阿木錯地區(qū)中侏羅統(tǒng)布曲組發(fā)育厚層油儲，厚度約 480 m， 褶皺變形導(dǎo)致油儲局部增厚103～140 m； 油儲密度為 2.48 g/cm3， 含油率 10%，埋深 1400～3400 m， 平均埋深 1700 m， 對應(yīng)布格重力異常變化為?8 mGal。北羌塘凹陷北部白灘湖地區(qū)上三疊統(tǒng)頂部發(fā)育厚達(dá)500 m的玄武巖， 導(dǎo)致的布格重力異常變化為+2 mGal。

隆鄂尼—昂達(dá)爾錯古油藏作為羌塘北部大型逆沖推覆構(gòu)造的前鋒， 是北羌塘凹陷深部油藏在地表出露的重要窗口(吳珍漢等， 2016)， 重力-地震聯(lián)合反演得出的北羌塘油儲參數(shù)與隆鄂尼白云巖油砂具有良好可對比性。油砂鉆探表明， 隆鄂尼地區(qū)深度0～200 m中侏羅統(tǒng)布曲組白云巖油砂單層最大厚度25～88 m， 單孔累計厚度 82～174 m； 井取油砂樣平均含油率 3.31%～5.10%， 最大含油率 10.45%(趙光通等， 2019)。相比逆沖推覆構(gòu)造前鋒出露地表的隆鄂尼白云巖油砂， 北羌塘凹陷南部深部油儲厚度更大， 含油率更高； 綜合油砂勘探和重震聯(lián)合反演資料， 預(yù)測龍尾錯—阿木錯油儲重力異常區(qū)儲層厚度174～480 m， 含油率平均 5%～10%， 北羌塘凹陷南部具有發(fā)現(xiàn)超大型油田的勘探前景。

羌塘盆地中酸性巖漿侵位也能夠引起顯著的布格重力異常， 如普若崗日巖漿穹隆和各拉丹東花崗巖， 不僅發(fā)育非常顯著的布格重力負(fù)異常， 而且伴有明顯的磁異常(熊盛青等， 2013)。密度較低的花崗巖可導(dǎo)致布格重力降低， 密度較高的玄武巖和基性侵入巖可導(dǎo)致布格重力增高， 兩者均有磁異常相伴產(chǎn)出； 侏羅系布曲組厚層油儲雖可導(dǎo)致布格重力降低(圖4)， 但不會伴生顯著的磁異常。

致謝：中國地質(zhì)科學(xué)院嚴(yán)加永研究員提供了重力反演軟件， 對聯(lián)合反演給予了咨詢和指導(dǎo)； 審稿專家提出了寶貴的意見和建議， 特致謝忱。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 1212011221111 and DD 20190367).