塔里木盆地寒武紀早期地質背景及對烴源巖發(fā)育的控制

陳書平，王中昱，楊偉利，王 毅，袁浩偉

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249；3.中國石化股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

塔里木盆地寒武系油氣勘探長期以來得到關注。在塔里木盆地寒武系中，中寒武統(tǒng)發(fā)育膏鹽層[1-2]，下寒武統(tǒng)發(fā)育鹽巖[3]，這些都可以作為蓋層。中下寒武統(tǒng)發(fā)育白云巖儲集層[2,4-5]和微生物碳酸鹽巖儲集層[6-7]，但目前中下寒武統(tǒng)中仍沒有重大油氣發(fā)現(xiàn)，究其原因，關鍵因素之一是烴源巖是否發(fā)育和分布情況。盡管有研究表明，塔里木盆地寒武系存在較好-極好烴源巖，以下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組及西山布拉克-西大山組為最佳，總有機碳(TOC)為0.5%～8.39%[8-10]，但對其發(fā)育程度和分布控制因素仍存在不同的認識，直接制約著下一步的油氣勘探。基于全球氣候和塔里木鉆井及地球物理資料分析，進一步分析研究了塔里木盆地寒武系沉積環(huán)境，進而分析了下寒武統(tǒng)烴源巖的存在及分布狀況，建立顯生宙早期海相烴源巖發(fā)育模式。

1 地質背景

塔里木盆地位于中國西北地區(qū)，面積56萬km2。其發(fā)育于塔里木板塊之上，周圍被山系環(huán)繞，包括北邊的天山褶皺系、南邊的昆侖山褶皺系、東邊的阿爾金山褶皺系(圖1)。

圖1 塔里木盆地地理位置及構造單元劃分Fig.1 Geographical location and structural unit division of Tarim Basin

塔里木盆地沉積地層包括南華系、震旦系、古生界各系、中生界各系及新生界各系。南華系為裂谷層序的陸相沉積，裂谷的發(fā)育與羅迪尼亞超大陸裂解有關[11-13]。震旦紀時，塔里木板塊在前期裂陷基礎上，進入坳陷期，主要沉積了寒冷氣候的深淺海、冰海和火山噴發(fā)相的碎屑巖、冰磧巖、火山和火山碎屑巖[14]。寒武紀時，塔里木盆地南北緣進入被動大陸邊緣發(fā)育期，內部繼承性發(fā)育，沉積海相碳酸鹽巖、泥巖、膏鹽巖和硅質泥巖(圖2)。海相沉積一直延續(xù)到泥盆系。震旦紀以來，一直到泥盆紀，塔里木板塊為一獨立板塊[14]。石炭紀-三疊紀，塔里木盆地構造格局發(fā)生了根本改變，塔里木板塊與周緣板塊進入俯沖碰撞階段，沉積了海陸交互相地層。侏羅紀-漸新世，塔里木盆地進入碰撞后板內構造發(fā)育階段。其后，天山、昆侖山復活，盆地進入再生前陸盆地演化階段。

圖2 塔里木盆地中下寒武統(tǒng)層序[2]Fig.2 Middle lower Cambrian sequence in Tarim Basin[2]

塔里木盆地油氣資源豐富。早期評價結果顯示，油氣總資源量為123.37×108t油當量，其中油資源量為59.94×108t，天然氣資源量為79 599.43×108m3[15]。最新評價結果顯示，塔里木盆地常規(guī)天然氣資源量為117 398.96×108m3，非常規(guī)天然氣(包括致密砂巖氣和頁巖氣)資源量約為3×1012m3[16]。30年的勘探實踐明確了塔里木盆地庫車坳陷、臺盆區(qū)和西南坳陷三大含油氣系統(tǒng)的烴源巖、儲蓋組合、構造樣式、圈閉類型和油氣藏模式，油氣剩余勘探潛力依然巨大[17]，有利勘探領域包括寒武系鹽下，但烴源巖的發(fā)育和展布情況依然不清楚。

2 古氣候和古生物

全球氣候在進入寒武紀前，氣候明顯變冷。寒武紀開始的時候，氣候迅速變暖和海平面大規(guī)模上升(圖3)。早寒武世時適宜的氣候條件、大氣氧含量的增加等因素為早寒武世生物大爆發(fā)提供了首要條件。寒武紀時，地球生命迎來了生物發(fā)育爆發(fā)時期，也叫“寒武紀大爆發(fā)”[21-24]。

圖3 寒武紀以來氣候及生物變化[18-20]Fig.3 Climate and biological changes since Cambrian[18-20]

寒武紀時，塔里木板塊范圍位于南緯34°～18°，氣溫在23～29℃(圖4)，屬于溫、熱帶氣候，有利于生物生長[25]。具有上升洋流[26-27]，這既有利于浮游生物的生長，又有利于有機質的保存。與以前相比，進入寒武紀，碳和氧同位素值快速負向漂移，說明有大氣水的大量輸入[28]。大氣淡水的輸入有利于有機質的保存[29]。

圖4 地球海面年平均溫度Fig.4 Annual mean sea surface temperature of the earth

3 基底古地貌

震旦紀，塔里木盆地進入南華紀裂陷后熱沉降期[11,13,30]。至寒武系沉積時，基底古地貌形態(tài)延續(xù)了震旦系沉積末期時的古地貌。其時顯示出有三個古隆起，一是塔里木盆地南部隆起，大致對應現(xiàn)今巴楚隆起和塔中隆起靠南的部分。另一個是位于塔里木盆地北部的塔北古隆，對應現(xiàn)今塔北隆起中部。還有一個古隆起在南邊，沿皮山一帶[13,31]。烴源巖則正是圍繞古隆起發(fā)育，即發(fā)育在塔北古隆北邊、東邊和西邊，塔北古隆與南部隆起之間和南部古隆起與皮山隆起之間(圖5)。塔北古隆北邊就是東北天山-準噶爾洋，南部隆起或皮山古隆起以南為北昆侖洋和阿爾金洋。塔北古隆起北邊發(fā)育泥巖、白云巖，東邊發(fā)育硅質、碳質泥巖、磷塊巖、白云巖，西邊發(fā)育泥巖、硅藻巖、磷灰?guī)r。烴源巖分布與古地貌有很好的對應關系。南部隆起方1井見砂泥巖，這套砂泥巖值得注意，圍繞南部隆起可能呈裙狀分布。

4 寒武系烴源巖形成模式

塔里木盆地寒武系烴源巖以灰質硅質泥巖、灰質硅質頁巖、泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖為主，比較好的為泥質或含泥巖類[8-9]，這與黏土含量有關。黏土礦物因其元素組成和結構而與有機質富集有緊密聯(lián)系[32-35]。對地殼中有機碳的調查表明[36]，生物體中的有機碳僅占地殼中有機碳的極少部分，大部分的有機質以有機集合體的形式存在于沉積物和沉積巖中。沉積物中僅有10%左右的有機質呈顆粒態(tài)與礦物共生[37-38]，其余絕大部分與黏土礦物相結合，廣泛以有機黏土復合體的形式存在[35,39]。

近期，位于塔北隆起輪南低凸起的輪探1井鉆獲下寒武統(tǒng)輕質原油，是塔里木深層油氣勘探的重大突破。輪探1井鉆揭寒武系烴源巖，下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組下段灰黑色泥巖TOC平均值接近10%，Ro為1.5%～1.8%，為優(yōu)質烴源巖；上段含泥灰?guī)rTOC平均值為1.45%，為中等烴源巖[40]。塔里木盆地下寒武統(tǒng)烴源巖的存在，說明有古隆起提供黏土礦物。寒武紀時，塔里木板塊為一孤立板塊[41]，其黏土物質只能是自身隆起提供。這也從一個側面說明了寒武紀沉積時，古隆起的存在。同時，古隆起周邊砂巖是值得注意的儲集層，正與鉆井揭示的那樣[10]，這類儲集層與烴源巖側向相接，對儲集油氣是有利的。

圖5 塔里木盆地寒武系烴源巖分布圖[10,13,31]Fig.5 Distribution of Cambrian source rocks in Tarim Basin[10,13,31]

對于寒武紀海相烴源巖發(fā)育模式，有的提出了盆地相烴源巖發(fā)育模式[42]，認為古老碳酸鹽臺地烴源巖是發(fā)育在盆地相；有的提出了濕潤氣候-滯留靜海環(huán)境的烴源巖形成模式[43-44]。從古地貌與烴源巖沉積對應關系上看，塔北古隆起、南部隆起或皮山隆起南邊都是盆地相，與經典碳酸鹽臺地烴源巖發(fā)育模式一致。塔北古隆起與南部隆起之間、南部隆起與皮山隆起之間是潮坪-瀉湖體系，也發(fā)育了烴源巖。據(jù)此建立了塔里木盆地寒武紀早期海相烴源巖發(fā)育模式圖(圖6)。從北而南，首先是南天山深海盆地、然后是塔北古隆，向南進入瀉湖-潮坪沉積體系，然后是南部古隆起，再進入瀉湖-潮坪體系，到皮山古隆起，最后進入昆侖洋，是深海盆地與瀉湖-潮坪聯(lián)合控制烴源巖的發(fā)育。

圖6 塔里木盆地下寒武統(tǒng)下部烴源巖發(fā)育模式(位置見圖5)Fig.6 Source rock development model of Lower Cambrian in Tarim Basin(The location of the profile is shown in figure 5)

5 結論

(1)塔里木盆地寒武紀早期所處古緯度以及全球氣候和全球生物演化，都有利于烴源巖的發(fā)育。烴源巖以泥頁巖為主。塔里木盆地下寒武統(tǒng)下部海相烴源巖的發(fā)育既受盆地相控制，也受潮坪-瀉湖體系控制，這樣的古地形與震旦紀沉積古地形有繼承關系。

(2)塔里木盆地泥質烴源巖發(fā)育，盆地內部存在古隆起，即南部古隆起，其周邊可能會發(fā)育砂巖類儲層，其與烴源巖側向相接，是值得注意的勘探目標。