輝綠巖床侵入對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱演化影響的模擬研究
——以趙家山下馬嶺組剖面為例

劉君蘭，張金川，王 勝，陳 莉，牛嘉亮

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第九采油廠,寧夏銀川750006；4.重慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)建設(shè)局，重慶401329）

目前我國(guó)開發(fā)的最古老頁(yè)巖氣藏形成于距今6億年的震旦系陡山沱組。中上元古界發(fā)育多套黑色頁(yè)巖層系，主要分布在燕遼地區(qū)的串嶺溝組、洪水莊組和下馬嶺組地層中。近年來(lái)地質(zhì)學(xué)家一直在探索這些更古老的層系中是否可能存在頁(yè)巖氣藏，已有很多學(xué)者對(duì)該地區(qū)中上元古界暗色頁(yè)巖的地化、儲(chǔ)層等頁(yè)巖氣成藏條件開展過研究，認(rèn)為具有一定的頁(yè)巖氣勘探潛力[1-8]。

中上元古代地層廣泛出露于燕山地區(qū)，根據(jù)野外地質(zhì)露頭調(diào)查發(fā)現(xiàn)，下馬嶺組地層中普遍發(fā)育2～5層輝綠巖床，且平面分布范圍廣[8-11]。除此之外，在下伏的鐵嶺組、高于莊組、霧迷山組地層中也發(fā)現(xiàn)了輝綠巖床的存在。燕遼地區(qū)這些基性巖床空間分布范圍廣、規(guī)模龐大，也被一些學(xué)者稱為燕遼大火成巖省[11]。巖漿的侵入會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的熱演化，但同時(shí)也會(huì)對(duì)油氣藏造成破壞，已有證據(jù)表明輝綠巖床侵入是影響中元古界頁(yè)巖氣成藏的重要制約因素[9,12]。巖漿的侵入不僅會(huì)加速圍巖有機(jī)質(zhì)的成熟和生烴，也會(huì)促進(jìn)排烴，從而降低頁(yè)巖中殘存烴類的含量。前人對(duì)侵入巖附近有機(jī)質(zhì)的地化特征變化規(guī)律也開展過相關(guān)研究[13-16]，但是目前輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)的影響范圍和程度尚沒有定論，因此開展輝綠巖床侵入對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱演化影響定量研究，對(duì)頁(yè)巖氣生烴評(píng)價(jià)及有利層段優(yōu)選具有重要的指導(dǎo)意義。通過數(shù)值模擬手段研究了巖床侵入對(duì)圍巖地溫場(chǎng)及成熟度的影響范圍及程度。

1 剖面及取樣情況

本次研究選取的趙家山下馬嶺組剖面上有多套輝綠巖床的存在，該剖面位于河北省張家口市懷來(lái)縣趙家山村附近（圖1a），分布連續(xù)、厚度大、出露地層最完整，是下馬嶺組的標(biāo)準(zhǔn)剖面。構(gòu)造位置處于宣化盆地南緣（圖1b）。宣化盆地位于燕山構(gòu)造帶西部宣龍坳陷內(nèi)，是一個(gè)小型山間擠壓盆地。盆地內(nèi)主要發(fā)育元古代和中生代侏羅紀(jì)地層，元古代地層廣泛出露在盆地邊緣。中元古界下馬嶺組有機(jī)質(zhì)豐度高，熱演化適中，具有重要的頁(yè)巖氣勘探價(jià)值。下馬嶺組主要出露在宣化盆地東南緣夏家溝—玉帶山—趙家山一帶，在趙家山發(fā)育比較完整，并有數(shù)層輝綠巖床侵入。

圖1 趙家山下馬嶺組實(shí)測(cè)地層剖面位置Fig.1 Location of measured section of Xiamaling Formation in Zhaojiashan

為了詳細(xì)描述下馬嶺組暗色頁(yè)巖和輝綠巖的分布特征，對(duì)趙家山下馬嶺組剖面進(jìn)行了實(shí)測(cè)，共測(cè)了14根導(dǎo)線，測(cè)量起始層位是上覆地層長(zhǎng)龍山組砂巖，起點(diǎn)坐標(biāo)X 4 483 951，Y 20 363 459，從山頂向下依次測(cè)量。由于下馬嶺組底部出露情況不佳，且暗色頁(yè)巖少，未對(duì)底部層段進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量終點(diǎn)坐標(biāo)X 4 483 294，Y 20 363 572（圖2）。為了研究輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度的影響，在下馬嶺組中部一套巖床附近共取黑色頁(yè)巖樣品19 個(gè)，取樣間隔約0.5 m，巖床厚約7 m，取樣范圍約9.5 m，取樣位置見圖3。由于下馬嶺組暗色頁(yè)巖中沒有鏡質(zhì)體，因此對(duì)樣品開展了瀝青反射率（Rb）測(cè)定，并通過公式轉(zhuǎn)換得到Ro來(lái)確定其成熟度。

圖2 趙家山下馬嶺組實(shí)測(cè)剖面Fig.2 Measured section of Xiamaling Formation in Zhaojiashan

2 下馬嶺組剖面地層發(fā)育特征

趙家山下馬嶺組剖面整體上是由一系列層狀平行分布的雜色頁(yè)巖組成，其中夾砂巖和灰?guī)r層。自下而上按照大的沉積旋回共分為4個(gè)大段，根據(jù)巖性細(xì)分成13個(gè)小層（圖3），詳細(xì)介紹如下：

圖3 趙家山下馬嶺組實(shí)測(cè)剖面柱狀剖面Fig.3 Stratigraphic histogram of measured section of Xiamaling Formation in Zhaojiashan

下伏地層為薊縣系鐵嶺組白云巖，白色厚層狀，表面發(fā)育清晰的刀砍紋（圖4a），局部夾燧石條帶，與下馬嶺組底界不整合接觸，接觸面發(fā)育古風(fēng)化殼，呈土紅色（圖4b）。

下馬嶺組一段：在趙家山出露不完整，多被第四系沉積物覆蓋，未涵蓋在本次實(shí)測(cè)剖面范圍內(nèi)。根據(jù)斷續(xù)分布的野外露頭，按巖性從下到上分為3個(gè)小層，整體上反映水體由淺逐漸加深。

1小層鐵質(zhì)砂巖段：以厚層狀灰色砂巖為主，其中夾灰色粉砂巖，含鐵質(zhì)結(jié)核。

2小層雜色頁(yè)巖段：黃綠色、灰色、深灰色頁(yè)巖互層段，頁(yè)理發(fā)育，呈薄片狀，表面風(fēng)化嚴(yán)重，易碎。

3小層灰色與灰黑色頁(yè)巖互層段：灰色與灰黑色紙片狀頁(yè)巖互層，局部順層發(fā)育結(jié)核，斷面呈深灰色，結(jié)核長(zhǎng)軸長(zhǎng)度10 cm 左右（圖4c），該段中上部發(fā)育一套薄層的輝綠巖床，厚度約40 cm。

圖4 趙家山下馬嶺組一段與下伏地層野外露頭照片F(xiàn)ig.4 Photographs of representative lithofacies and typical sedimentary characteristics of the first Member in Xiamaling Formation and underlying strata of Zhaojiashan

下馬嶺組二段從下到上按巖性分為3個(gè)小層：

4小層灰綠色砂巖與灰綠色頁(yè)巖發(fā)育層段：該段的底部是一套厚層的灰綠色砂巖，向上逐漸過渡為灰綠色砂巖與灰綠色粉砂巖、頁(yè)巖互層（圖5a），厚度約24 m。

5小層紫紅色頁(yè)巖與鮮綠色頁(yè)巖發(fā)育層段：底部為一套鮮綠色的薄片狀頁(yè)巖，頁(yè)理發(fā)育，向上逐漸過渡為鮮綠色與紫紅色頁(yè)巖互層段，順層發(fā)育不連續(xù)的薄餅狀碳酸鹽巖（圖5b），直徑大約為30～40 cm左右，新鮮斷面滴鹽酸起泡，厚度約35 m。

6小層灰綠色頁(yè)巖與灰黑色頁(yè)巖互層段：灰綠色與灰黑色頁(yè)巖互層，頁(yè)理發(fā)育，呈薄片狀，頂部發(fā)育一套輝綠巖床，厚度約20 m。

下馬嶺組三段：從下到上按巖性分為4 個(gè)小層，整體上反映水體逐漸變淺的過程。

7小層灰色硅質(zhì)巖與黑色頁(yè)巖互層段：底部輝綠巖床之上發(fā)育灰色硅質(zhì)巖夾黑色頁(yè)巖，其中黑色頁(yè)巖以薄片狀?yuàn)A在中厚層硅質(zhì)巖之間（圖5c），厚度約20 m。

8小層黑色頁(yè)巖層段：黑色頁(yè)巖呈薄片狀，頁(yè)理極其發(fā)育，表面風(fēng)化嚴(yán)重，中下部有2 套輝綠巖床侵入，中上部黑色頁(yè)巖中順層發(fā)育數(shù)十層土黃色粉末狀的薄層斑脫巖，是下馬嶺組頁(yè)巖氣勘探潛力目的層段（圖5d，圖5e），厚度約125 m。

9小層黑色頁(yè)巖與青色頁(yè)巖互層段：黑色薄片狀頁(yè)巖夾亮青灰色頁(yè)巖，向上亮青灰色頁(yè)巖逐漸增多，厚度約14 m。

10小層灰色鈣質(zhì)頁(yè)巖與灰色灰?guī)r發(fā)育層段：下部為灰色鈣質(zhì)頁(yè)巖與薄片狀黑色頁(yè)巖互層（圖5f），向上過渡為中—厚層淺灰色灰?guī)r夾灰色薄層狀粉砂巖，其中發(fā)育疊層石狀灰?guī)r（圖3），頂部發(fā)育一套輝綠巖床，厚度約13 m。

圖5 趙家山下馬嶺組二段和三段野外露頭照片F(xiàn)ig.5 Photographs of representative lithofacies and typical sedimentary characteristics of the second Member and the third Member in Xiamaling Formation of Zhaojiashan

下馬嶺組四段從下到上按巖性分為3個(gè)小層：

11小層灰綠色頁(yè)巖與黑色頁(yè)巖發(fā)育段：黑色頁(yè)巖、深灰色頁(yè)巖與灰綠色頁(yè)巖互層，頁(yè)理極其發(fā)育，呈薄片狀，厚度約13 m。

12小層黃白色石灰?guī)r發(fā)育段：在灰綠色與黑色頁(yè)巖頂部發(fā)育兩套中厚層灰?guī)r，緊鄰灰?guī)r層發(fā)育大量順層不連續(xù)分布的灰?guī)r結(jié)核，該段厚度約4 m。

13小層灰綠色頁(yè)巖與深灰色頁(yè)巖發(fā)育段：深灰色頁(yè)巖與灰綠色頁(yè)巖互層，頁(yè)理發(fā)育，呈薄片狀，厚度約43 m。

上覆地層為長(zhǎng)龍山組砂巖，以黃色中粗砂巖為主，在露頭上可觀察到明顯的斜層理和交錯(cuò)層理（圖6c）。

圖6 趙家山下馬嶺組四段及上覆地層野外露頭照片F(xiàn)ig.6 Photographs of representative lithofacies and typical sedimentary characteristics of the fourth Member in Xiamaling Formation and overlying strata in Zhaojiashan

趙家山下馬嶺組剖面中共發(fā)育5套輝綠巖床，分別位于一段上部、三段中下部和四段底部，都是順層侵入到頁(yè)巖層位中，累計(jì)厚度56 m/5層（圖3和圖7）。輝綠巖表面因風(fēng)化呈黃褐色，新鮮面為灰綠色，質(zhì)地堅(jiān)硬，塊狀結(jié)構(gòu)。下馬嶺組三段發(fā)育大套黑色頁(yè)巖，其中有一套厚度約7 m的輝綠巖床侵入，在巖床附近可看到明顯的烘烤邊。

圖7 趙家山下馬嶺組輝綠巖露頭照片F(xiàn)ig.7 Photographs of diabase outcrop of Xiamaling Formation in Zhaojiashan

3 輝綠巖床對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟度影響的模擬研究

3.1 模擬方法確定

巖漿侵入后會(huì)影響圍巖地溫場(chǎng)，進(jìn)而不同程度的增加圍巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度。傳統(tǒng)確定地溫場(chǎng)的方法較復(fù)雜，成本高且受諸多因素制約。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法，并建立合理的熱傳導(dǎo)模型，來(lái)研究巖漿巖區(qū)地溫場(chǎng)的變化，取得了很好的效果[18-20]。本次研究借助ANSYS（有限元分析）軟件對(duì)巖漿侵入后圍巖地溫場(chǎng)的演化進(jìn)行了二維有限元模擬。選用該軟件的原因主要有兩方面：一是使用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的二維有限元方法，可以合理模擬瞬態(tài)地溫場(chǎng)的變化，還能將熱傳導(dǎo)過程簡(jiǎn)單化；二是能定量模擬出溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化分布，再結(jié)合EASY%Ro生烴動(dòng)力模型[20-21]可以實(shí)現(xiàn)地溫場(chǎng)到Ro的轉(zhuǎn)換。

3.2 參數(shù)選取

輝綠巖侵入后熱量向圍巖熱傳導(dǎo)的整個(gè)散熱升溫過程主要受以下參數(shù)的影響：侵入巖和圍巖的初始溫度、密度、比熱容、熱導(dǎo)率以及巖床的厚度。為了賦值的合理性，開展了大量的參數(shù)調(diào)研[19-20,22-25]。輝綠巖為基性巖漿巖，溫度范圍介于1 000～1 200 ℃，密度范圍介于2 600～2 720 kg/m3，熱導(dǎo)率范圍介于2.10～2.64 W/（m·K），比熱容范圍介于787～1 200 J/（kg·K）（表1）。本次研究的下馬嶺組剖面圍巖為純黑色頁(yè)巖，所以圍巖參數(shù)的選取主要依據(jù)頁(yè)巖的相關(guān)參數(shù)。頁(yè)巖的密度介于2 400～2 700 kg/m3，比熱容介于820～1 090 J/（kg·K），富含有機(jī)質(zhì)圍巖熱導(dǎo)率介于1.3～2.1 W/（m·K），其中頁(yè)巖稍低于砂巖（表1）。圍巖的初始溫度主要取決于巖漿侵入時(shí)地層的埋深，前人對(duì)下馬嶺組的沉積時(shí)間以及其中輝綠巖侵入時(shí)間做過大量的研究。目前認(rèn)為下馬嶺組的沉積時(shí)間早于1 392 Ma[26]，下馬嶺組輝綠巖侵入時(shí)間約為1 321.7 Ma，相當(dāng)于下馬嶺組沉積末期[27-29]。趙家山下馬嶺組的總厚度大約為500 m，所以近似認(rèn)為輝綠巖侵入時(shí)圍巖的埋深約為500 m。由于下馬嶺組沉積時(shí)，火山活動(dòng)極為活躍，大地?zé)崃髦岛芨?，所以圍巖初始溫度選取30 ℃。具體的參數(shù)值會(huì)根據(jù)Ro的擬合度在以上范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以保證模型更接近真實(shí)情況。

3.3 模型建立

下馬嶺組侵入巖和圍巖數(shù)值物理模型及相關(guān)參數(shù)見圖8。其中巖床厚度選取實(shí)際厚度7 m，初始溫度設(shè)定為1 200 ℃；巖床距離下馬嶺組頂部距離為500 m，由于該剖面上共有5層輝綠巖，為了簡(jiǎn)化彼此之間的熱影響，將圍巖初始溫度適當(dāng)提高，設(shè)定為30 ℃；輝綠巖床的平面延伸距離設(shè)定為1 000 m。此外，假定圍巖和巖床都是水平分布，網(wǎng)格尺寸1 m×1 m。

圖8 下馬嶺組侵入巖和圍巖數(shù)值物理模型及相關(guān)參數(shù)Fig.8 Numerical physical model and related parameters of intrusive rock and host rock of Xiamaling Formation

3.4 Ro擬合

通過數(shù)值模擬可以得到圍巖地溫場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程，結(jié)合Easy%Ro生烴動(dòng)力模型及地層埋藏史可以計(jì)算出圍巖不同位置對(duì)應(yīng)的成熟度。因?yàn)檩x綠巖侵入時(shí)下馬嶺組埋藏較淺，處于未成熟階段，所以，其中圍巖的初始成熟度設(shè)定為0.2 %。由于趙家山下馬嶺組露頭埋藏史恢復(fù)難度大，考慮到圍巖中未受巖床影響的頁(yè)巖Ro≤0.7%，成熟度較低，說明該地區(qū)下馬嶺組長(zhǎng)期處于抬升或者淺埋藏的狀態(tài)，所以未恢復(fù)其埋藏史，而是對(duì)計(jì)算得到的8 m以外的Ro值進(jìn)行回歸，即調(diào)整到實(shí)測(cè)值；而8 m 以內(nèi)由于Ro相對(duì)較高，后期淺埋藏影響較弱，可以直接使用模擬計(jì)算結(jié)果。通過調(diào)整參數(shù)模擬計(jì)算出了一組Ro與實(shí)測(cè)Ro值擬合度較好（圖9），最后的參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模型各參數(shù)賦值Table 1 Parameter assignment of numerical model

圖9 下馬嶺組圍巖實(shí)測(cè)Ro與模擬Ro擬合效果Fig.9 Fitting effect of measured Ro and simulated Ro in host rock of Xiamaling Formation

3.5 圍巖地溫場(chǎng)變化特征

輝綠巖侵入后熱量逐步向圍巖擴(kuò)散，通過模擬表明1年后距離巖床30 m 的圍巖才開始升溫；5年后，距離巖床60 m的圍巖才開始升溫，熱傳遞的過程比較緩慢。這套厚度為7 m 的輝綠巖床對(duì)圍巖地溫場(chǎng)的最大擾動(dòng)范圍大約為100 m，遠(yuǎn)大于圍巖有機(jī)質(zhì)熱成熟度的響應(yīng)范圍,并且距離巖床越遠(yuǎn)，地溫場(chǎng)的變化強(qiáng)度越弱（圖10）。

圖10 下馬嶺組輝綠巖床侵入后地溫場(chǎng)變化過程模擬Fig.10 Simulation of geothermal field change process with diabase bed intrusion of Xiamaling Formation

隨著熱量向圍巖中的釋放，巖漿逐漸冷卻。本次模擬選取的輝綠巖侵入溫度為1 150 ℃，100年后溫度7 m 厚的輝綠巖床可降低到100 ℃，110年后基本冷卻。

分別選取了與巖床不同距離的幾個(gè)點(diǎn)的溫度變化曲線見圖11，除了升溫幅度較低的點(diǎn)以外，其他點(diǎn)的溫度變化可以大致分為兩個(gè)過程：先迅速升高，再緩慢降低。距離圍巖越遠(yuǎn)，能達(dá)到的最高溫度越低，距離巖床與圍巖接觸面2 m 處溫度最大升高到380 ℃，然后緩慢降低；距離巖床20 m 處最高溫只能達(dá)到150 ℃；距離巖床70 m 處，升溫幅度很弱，且升溫過程緩慢。

圖11 離巖床接觸面不同距離圍巖地溫隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variation curve of ground temperature with time at different distances from contact surface

3.6 圍巖Ro影響范圍

由于下馬嶺組富有機(jī)質(zhì)暗色頁(yè)巖中沒有鏡質(zhì)體，所以測(cè)定了樣品的瀝青反射率（Rb），然后根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式換算為Ro[30-31]，換算后的Ro值見圖12。從Ro的變化特征可以看出，距離巖床0.5 m 處的頁(yè)巖Ro為2.2 %，距離巖床1.5 m 處的Ro為1.7 %，距離巖床8.5～9.5 m 范圍Ro穩(wěn)定在0.7%，即輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)熱成熟度的影響范圍為8.5 m，大約是自身厚度的1.2 倍。從變化趨勢(shì)來(lái)看，靠近巖床方向頁(yè)巖Ro呈指數(shù)增加。受巖床高溫烘烤的影響，圍巖有機(jī)質(zhì)在距離接觸面0.5 m 范圍內(nèi)進(jìn)入過成熟階段（Ro＞2%），在0.5～3.5 m 范圍內(nèi)進(jìn)入高成熟度階段（1.2%＜Ro＜2%），在3.5～7 m之間進(jìn)入成熟度階段（0.8%＜Ro＜1.2 %），7 m 以外仍然處于低成熟階段（0.5%＜Ro＜0.8%）。

圖12 輝綠巖床上部黑色頁(yè)巖Ro變化曲線Fig.12 Variation curve of Ro of overlying black shale

輝綠巖床對(duì)圍巖地溫場(chǎng)的擾動(dòng)范圍明顯高于對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟度的影響范圍，即地溫的升高不一定都會(huì)引起Ro的升高。本研究中輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響范圍為8.5 m，從8 m 和10 m 處的地溫場(chǎng)變化特征可以推測(cè)出，在距離巖床接觸面8.5 m 處圍巖受巖床影響能達(dá)到的最高溫度約為250 ℃（圖11），即只有當(dāng)圍巖溫度能達(dá)到并超過250 ℃時(shí)才會(huì)引起有機(jī)質(zhì)Ro值的變化響應(yīng)。

在本次模型的基礎(chǔ)上，分別對(duì)10 m、50 m、100 m和200 m 厚度的輝綠巖對(duì)暗色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響范圍進(jìn)行了模擬對(duì)比分析，結(jié)果表明輝綠巖床厚度越大，對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)成熟度的影響范圍越大，Ro升高的程度越大；輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響范圍大約都是自身厚度1倍以上（圖13）。

圖13 不同厚度的侵入巖對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響特征Fig.13 Influence of intrusive rocks with different thickness on Ro of host rock

4 結(jié)論

1）趙家山下馬嶺組三段發(fā)育厚層的黑色頁(yè)巖，厚度約125 m，是中上元古界頁(yè)巖氣勘探的重要潛力層段。趙家山下馬嶺組剖面共發(fā)育5層輝綠巖床，分別位于下馬嶺組一段上部、三段中部和下部以及四段下部，總厚度56 m，是制約頁(yè)巖氣成藏的重要因素。

2）下馬嶺組三段共有3 套輝綠巖床侵入，其中一套輝綠巖床厚7 m，順層侵入到黑色頁(yè)巖中，對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響范圍約為8.5 m，是自身厚度的1.2倍，并且靠近巖床方向Ro呈指數(shù)增加。

3）數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，這套7 m 厚的輝綠巖在110年后基本冷卻，對(duì)圍巖地溫場(chǎng)的擾動(dòng)范圍約為100 m，遠(yuǎn)大于對(duì)Ro的影響范圍。只有當(dāng)圍巖溫度能達(dá)到并超過250 ℃時(shí)才會(huì)引起有機(jī)質(zhì)成熟度Ro值的變化響應(yīng)。

4）輝綠巖床厚度越大，對(duì)圍巖Ro的影響范圍越大，靠近巖床方向Ro增加的程度越大；輝綠巖床對(duì)圍巖有機(jī)質(zhì)Ro的影響范圍是自身厚度的1倍以上。