冀北坳陷中元古界流體包裹體與油氣成藏期次研究

陳睿倩，柳廣弟，孫明亮，曹玉順，劉祥柏，李 強

油氣資源與探測國家重點實驗室，中國石油大學(xué)（北京） 地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249

中國燕山地區(qū)中—新元古界頁巖和碳酸鹽巖中含有豐富的有機質(zhì)，雖然地層年代古老，但是一些地區(qū)的中—新元古界地層中有機質(zhì)演化程度適中，尚處于“生油窗”的范圍內(nèi)，是中國前寒武系地層中最具有勘探潛力的地區(qū)之一（王鐵冠等，1988；郝石生，1990；趙澄林，1997；王杰等，2004；劉巖等，2011）。其中，冀北坳陷地表油苗、瀝青顯示十分廣泛，產(chǎn)出地點多達110余處（劉巖等，2011），主要集中在下馬嶺組、鐵嶺組和霧迷山組地層中（王鐵冠等，2016），指示著該地區(qū)曾發(fā)生過大規(guī)模的油氣生成與充注過程。作為一個潛在的油氣勘探新領(lǐng)域，冀北坳陷中—新元古界油氣資源的勘探引起了石油地質(zhì)界的日益關(guān)注。從20世紀(jì)50年代起，中國的地質(zhì)工作者就對冀北坳陷的油苗和瀝青做過詳細地調(diào)查（吳迪，2015）；王鐵冠院士在2011年出版的《論中—新元古界的原生油氣資源》中闡述了華北地區(qū)冀北坳陷的中—新元古界地層具有良好的含油性和勘探前景（王鐵冠和韓克猷，2011）。這些研究成果進一步印證了冀北坳陷中—新元古界形成原生油氣藏的條件是存在的。

前人對冀北坳陷中—新元古界從構(gòu)造、地層、巖相和有機巖石學(xué)等方面都進行了較全面地研究，尤其是對烴源巖的有機地球化學(xué)特征進行了詳細分析，對該地區(qū)油苗和瀝青的來源有了系統(tǒng)的認識（劉寶泉等，2000；歐光習(xí)和李林強，2006；王鐵冠等，2016）。吳迪（2015）以凌源地區(qū)龍?zhí)稖瞎庞筒貫橹饕芯繉ο?，利用大量巖石薄片顯微巖相學(xué)與油氣包裹體研究，提出了冀元1井及鄰區(qū)中元古界有多期油氣充注過程，其中，下馬嶺組石英砂巖古油藏早期小規(guī)模成藏時間開始于217 Ma，屬于晚三疊世，第二期大規(guī)模油氣充注開始于155 Ma，屬于晚侏羅世早期或中侏羅世晚期，且油氣成藏時間集中于150～180 Ma。然而，對于冀北坳陷中—新元古界另外兩個古油藏（蘆家莊古油藏和雙洞古油藏）中各時期的烴類流體包裹體特征以及油氣成藏歷史缺乏系統(tǒng)、深入的研究。本文主要從顯微巖相學(xué)和流體包裹體特征對冀北坳陷的寬城蘆家莊古油藏和平泉雙洞古油藏的油氣成藏史進行研究和重建，其研究結(jié)果可以深化對冀北坳陷中元古界洪水莊組、下馬嶺組和霧迷山組等重要烴源巖的烴類形成和演化、油氣藏成藏及充注特征的認識，對該地區(qū)油氣勘探有著重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

冀北坳陷位于華北地臺燕山褶皺帶的中段，西接密懷隆起，東臨遼西凹陷，北抵內(nèi)蒙地軸，向南至山海關(guān)隆起（圖1）。由于研究區(qū)受到古亞洲構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的復(fù)合疊加，使得本區(qū)域構(gòu)造演化極其復(fù)雜（王杰等，2004；吳迪，2015）。從中元古代到新生代，冀北坳陷沉積構(gòu)造演化史可以分為以下四個階段：（1）中元古代至中奧陶世為長期穩(wěn)定下沉階段，沉積了巨厚的以鹽酸巖鹽為主的海相地層；（2）石炭紀(jì)至中三疊世主要是以地殼上升為主及海陸交互沉積，表現(xiàn)為從海相過渡到陸相沉積；（3）上三疊世至白堊紀(jì)構(gòu)造活動主要表現(xiàn)為劇烈的地殼褶皺和斷裂活動，并伴隨著異?；钴S的巖漿活動；（4）自新生代開始地層抬升，遭受強烈的剝蝕（林曉輝和秦正永，2003；吳迪，2015）。冀北坳陷也是中國中—新元古界發(fā)育最全、保存最好的地區(qū)之一，地層自下而上發(fā)育有長城系、薊縣系、待建系和青白口系（吳迪，2015；王鐵冠等，2016），其中，中元古界的薊縣系是本次研究的主要層系。薊縣系自下而上發(fā)育了楊莊組白云巖、霧迷山組白云巖、洪水莊組頁巖、鐵嶺組灰?guī)r和下馬嶺組頁巖（溫獻德，1989；趙澄林，1997；張敏，2005）（圖2）。冀北坳陷巖漿活動強烈，且具有多期活動、分布受區(qū)域斷裂控制的特點。其中，中元古代和燕山期的巖漿活動對冀北坳陷的油氣成藏與聚集有著非常重要的影響?；鹕交顒又饕霈F(xiàn)在霧迷山組和下馬嶺組沉積時期，其中，中元古代的火山活動體現(xiàn)在下馬嶺組底部瀝青砂巖與火成巖侵入體有明顯且廣泛的共存關(guān)系，而燕山期的火山活動則形成了厚度變化巨大的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)火山碎屑沉積（王鐵冠，1980；王鐵冠等，1988；劉巖等，2011）。

圖1 燕遼裂陷帶地質(zhì)構(gòu)造單元及古油藏分布Fig. 1 Geological structural units and distributions of paleo-oil reservoirs in the Yanliao faulted-depression zone(according to Wang et al., 2016)

圖2 冀北坳陷中—新元古界地層及巖性特征Fig. 2 Generalized stratigraphy and lithology characteristics of the Meso-Neoproterozoic strata in the Jibei Depression(according to Wang et al., 2016)

根據(jù)研究區(qū)油苗點和瀝青點的分布特征，前人命名了4個古油藏，分別是寬城蘆家莊和塌山古油藏，平泉雙洞古油藏和凌源龍?zhí)稖瞎庞筒?。平泉雙洞古油藏是一處背斜型古油藏，區(qū)域構(gòu)造部位屬于平泉背斜帶東北端的雙洞短軸背斜構(gòu)造。該古油藏地油苗分布廣泛， 在螢石礦露天采石場中，從薊縣系霧迷山組、鐵嶺組和下寒武統(tǒng)的府君山組的灰?guī)r裂隙中，常見油苗滲出，或含有無流動性的稠油，此類油苗點共約30處（王鐵冠等，2016）。寬城蘆家莊古油藏在區(qū)域構(gòu)造上位于郭杖子單斜帶的北緣，屬于巖性地層型古油藏，在下馬嶺組出露處均能發(fā)現(xiàn)到下馬嶺組底部瀝青砂巖，鏡下可以觀察到明顯的固體瀝青存在（劉巖等，2011；王鐵冠等，2016）。關(guān)于古油藏中油氣成藏的時間，一直存在不同的觀點。郝石生（1984）利用了燕山地區(qū)大地?zé)崃髦?，結(jié)合古成熟生油門限分析，提出了燕山地區(qū)原生油氣藏的形成時間大約是從三疊紀(jì)開始，直至侏羅紀(jì)結(jié)束。秦建中（2005）通過冀北坳陷的有機質(zhì)成熟度數(shù)據(jù)重建了該地區(qū)的生烴史，提出了第一次生烴是從石炭紀(jì)—二疊紀(jì)開始，到三疊紀(jì)末結(jié)束；第二次生烴起始于侏羅紀(jì)末。張敏（2005）通過流體包裹體研究認為遼西—冀北地區(qū)的中—新元古界地層一共發(fā)生了三至四次的油氣成藏過程，其中，印支—燕山期的構(gòu)造活動對油氣運移提供了良好的通道。本次研究試圖通過古油藏中流體包裹體的顯微巖相學(xué)和測溫學(xué)研究，綜合埋藏史和熱史，解剖冀北坳陷蘆家莊和雙洞古油藏的烴類充注成藏與演變歷史。

2 樣品采集與實驗方法

本次研究對冀北坳陷寬城蘆家莊古油藏和平泉雙洞古油藏的10塊樣品進行了流體包裹體觀察與測試（圖1）。其中，7塊瀝青砂巖樣品采集于蘆家莊古油藏的下馬嶺組底部，樣品主要呈較松散，未完全固結(jié)的瀝青砂；其余3塊樣品采集于雙洞古油藏霧迷山組灰?guī)r的頂部，樣品以發(fā)育了螢石脈的碳酸鹽巖為主。流體包裹體分析測試是在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院流體包裹體實驗室完成。測試環(huán)境的溫度和相對濕度保持在25℃和40%，本研究一共對10個樣品中的131個包裹體進行觀察和測試，其中，有效數(shù)據(jù)有106個。研究中，對包裹體的偏光和熒光特征觀察是在Leica DMRX HC研究級反—透射光顯微鏡進行的。對包裹體均一溫度的測定對象是與烴類包裹體同期伴生的含烴鹽水包裹體。其中，均一溫度和鹽度是在LINKAM THMS600型冷熱臺進行的，冷熱臺的分辨率為0.1℃，均一法測溫精度為±1℃。分析方法和依據(jù)為中華人民共和國核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（EJ/T1105-1999）《礦物流體包裹體溫度的測定》。

3 流體包裹體特征

3.1 巖礦與包裹體顯微特征

通過顯微巖相學(xué)觀察，在寬城蘆家莊古油藏的砂巖中，大部分石英顆粒粒間孔隙充填了黑色、黑褐色固體瀝青，反映該砂巖曾經(jīng)經(jīng)歷過大規(guī)模的油氣充注（圖3a）。該砂巖的成巖作用較弱，石英顆粒普遍發(fā)育次生加大，粒間孔隙為晚期膠結(jié)石英所充填。前人研究表明（劉巖等，2011），該砂巖有兩期油氣充注，第一期油氣充注發(fā)生于成巖作用之前，第二期發(fā)生于成巖期后。在本次研究中，筆者認為該古油藏的砂巖也經(jīng)歷了兩期油氣充注。第一期油氣充注發(fā)生于石英顆粒次生加大之前，該期次的油氣充注表現(xiàn)為砂巖石英顆粒粒間孔隙普遍充滿了黑色和黑褐色瀝青，抑制了成巖作用。然而，隨著該期次的油氣充注遭到破壞，液體烴在高溫的條件下，蝕變成為固體瀝青并殘存在顆粒間的空隙中。在成巖階段，石英顆粒表面變?yōu)橛H水性，部分石英顆粒出現(xiàn)了次生加大現(xiàn)象，空隙間殘存的固體瀝青受到擠壓，因此，在發(fā)育有次生加大邊的石英顆粒周圍呈現(xiàn)出線接觸和凹凸接觸（圖3b），且固體瀝青懸浮和被排斥。

圖3 冀北凹陷古油藏巖礦與包裹體顯微特征Fig. 3 Photomicrographs showing mineralogy, petrology and fluid inclusions of the paleo-oil reservoirs in the Jibei Depression

包裹體顯微巖相學(xué)表明，與該瀝青砂巖第一期油氣充注相關(guān)的含烴鹽水包裹體發(fā)育程度很低，在經(jīng)歷了輝綠巖侵入及后期的地質(zhì)作用后已無法辨別。此外，前人研究表明，該地區(qū)第一期的油氣充注發(fā)生在高于莊組烴源巖生排烴期（王鐵冠等，2016）。此時，下馬嶺組仍處于沉積階段，埋藏較淺，被捕獲的包裹體溫度與地表溫差很小，相分異就無法產(chǎn)生，均一溫度也無法測得。對于鹽水包裹體，如果形成溫度低于50℃就難以發(fā)生相分異，只能觀察到純液相包裹體（Goldstein and Reynolds，1994）。

第二期油氣包裹體發(fā)育于砂巖成巖期后，發(fā)育豐度極高（GOI為6%），包裹體沿石英顆粒成巖期后微裂隙成帶分布，液烴包裹體呈淡黃色，顯示黃色、黃綠色熒光，氣烴呈灰色，無熒光顯示。其中液烴包裹體占10%，氣液烴包裹體占90%。與這期包裹體伴生的鹽水包裹體產(chǎn)狀和發(fā)育特征與其相似，主要分布在環(huán)石英顆粒加大邊或沿切穿石英顆粒及加大邊微裂隙（圖3c, d），呈線狀/帶狀分布，有些石英顆粒中可以觀察到微裂隙呈“X”型（圖3e, f）。 沿微裂隙分布的包裹體有的切穿石英顆粒及固體瀝青，表明這些微裂隙的產(chǎn)生是在固體瀝青形成之后，這一期的烴類充注則晚于固體瀝青。綜上所述，蘆家莊古油藏除了黑色和黑褐色的固體瀝青之外，還有顯示黃色熒光的中質(zhì)原油（圖3d）及黃綠色熒光的中—輕質(zhì)原油（圖3f）（陳漢紅，2014），反映了一期較大規(guī)模的中—輕質(zhì)油運移，表明了該地層仍保存有少量原油。

平泉雙洞古油藏霧迷山組頂部的碳酸鹽巖中發(fā)育了大量的螢石脈及微晶石英礦物，其間可見大量的烴類包裹體。包裹體顯微巖相學(xué)表明，螢石中烴類包裹體主要有兩種賦存狀態(tài)：（1）包裹體沿螢石礦物微裂隙成帶分布（圖3g），發(fā)育程度較高（GOI為4%），液烴包裹體呈透明無色（占5%），顯示藍綠色熒光，氣烴包裹體呈灰色（占95%），無熒光顯示；（2）石英脈中孔洞充填螢石礦物（圖3h），石英礦物粒間孔隙充填大量黃褐色稀油瀝青，螢石中包裹體發(fā)育豐度較低（GOI為2%），且沿螢石及石英礦物微裂隙成帶分布，液烴包裹體呈淡黃色（占10%），顯示黃色熒光（圖3i），氣烴包裹體呈灰色（占90%），無熒光顯示。

3.2 包裹體均一溫度及鹽度特征

含烴鹽水包裹體是由鹽水和微量的輕烴組成，并且捕獲溫度與均一溫度很接近，所以含烴鹽水包裹體的均一溫度更能反映出成巖或成藏時的溫度（陳紅漢等，2002；曹青等，2015；吳迪，2015；張俊武等，2015）。因此，筆者在對包裹體巖相學(xué)及顯微觀察的基礎(chǔ)上，選取與油氣包裹體伴生的、均一捕獲的含烴鹽水包裹體進行顯微溫度和鹽度測試（表1；表2）。從均一溫度分布圖上可以看出，蘆家莊古油藏的下馬嶺組底部砂巖層在燕山期只發(fā)育了一期次的流體包裹體，且包裹體主要分布在沿石英顆粒加大邊微裂隙、沿石英顆粒微裂隙以及沿切穿石英顆粒及其加大邊微裂隙，這三類賦存礦物產(chǎn)狀的包裹體均一溫度的主峰主要分布在90～100℃之間（圖4a）。平泉雙洞古油藏的霧迷山組頂部灰?guī)r層在燕山期主要發(fā)育了兩期次的流體包裹體，其溫度分布在100～130℃和130～160℃，主峰位于110～120℃和 140～150℃之間（圖4b）。其中，第二期次的流體包裹體主要發(fā)育在沿孔洞充填螢石晶體微裂隙中。包裹體的鹽度是根據(jù)鹽水溶液的冰點與鹽度的對應(yīng)關(guān)系換算而來（余宏全等，2006）。通過表1和表2可以看出，蘆家莊古油藏的大部分包裹體鹽度小于12 wt%，屬于低鹽度水溶液（盧煥章等，2004）。雙洞古油藏中，大部分包裹體鹽度分布在0～2 wt%的區(qū)間中，僅有少量的包裹體鹽度分布在10～14 wt%的范圍內(nèi)。這部分包裹體有可能受到了成巖環(huán)境下流體包裹體再平衡的作用，使得其鹽度升高，這時包裹體記錄的為混源流體信息，不能代表原始捕獲條件（Goldstein,2001;曹春夢等，2017）。

圖4 冀北坳陷古油藏含烴鹽水包裹體均一溫度分布圖Fig. 4 Histograms showing homogenization temperatures of saline inclusions in paleo-oil-reservoirs, Jibei Depression

表1 冀北坳陷蘆家莊古油藏下馬嶺組底砂巖流體包裹體特征Table 1 Characteristics of fluid inclusions in the Xiamaling sandstone, the Lujiazhuang paleo-oil-reservoir, Jibei Depression

表2 冀北坳陷雙洞古油藏霧迷山組頂部灰?guī)r流體包裹體特征Table 2 Characteristics of fluid inclusions in the Wumishan limestone of the Shuangdong paleo-oil-reservoir, Jibei Depression

4 油氣成藏演化綜合研究

在石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，利用烴類流體包裹體研究油氣成藏期次已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用（Mclimans，1987；Burley et al.，1989；Carlos et al.，2002；歐光習(xí)等，2006；曹青和柳益群，2007；陳哲龍等，2015）。根據(jù)對包裹體的顯微巖相學(xué)觀察，對礦物中烴類包裹體的形成期次進行劃分，分析與其伴生的含烴鹽水包裹體的形成溫度，再結(jié)合研究區(qū)儲層的埋藏史—熱史，就可以得到古油藏油氣充注的期次與時間。

顯微巖相學(xué)觀察表明，蘆家莊古油藏下馬嶺組底砂巖普遍發(fā)育了固體瀝青。顯然，這些固體瀝青應(yīng)該是以液態(tài)石油的滲濾方式充注到底砂巖，再經(jīng)過后來的蝕變作用才演變成瀝青砂巖。根據(jù)前人研究（王鐵冠等，2016），下馬嶺底砂巖的瀝青組分在正交偏光顯微鏡下可觀察到數(shù)量不等的雛晶鑲嵌結(jié)構(gòu)。雛晶鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成，標(biāo)志著在巖漿高溫烘烤的狀態(tài)下，古油藏中油分子中的可溶組分逐漸喪失，氫原子急劇減少，碳原子開始結(jié)晶，這可以作為古油藏?zé)嵛g變導(dǎo)致瀝青形成的重要佐證。此外，冀北坳陷下馬嶺組普遍夾有1～4層的輝長輝綠巖侵入體，順層分布在下馬嶺組地層中。鋯石U-Pb定年顯示輝長輝綠巖的侵位年齡值約在1327 Ma，因此，由輝長輝綠巖侵入而引起的圍巖蝕變的時間為1327 Ma。由此可見，下馬嶺組底砂巖古油藏的早期的石油充注應(yīng)該發(fā)生于這個時間之前，第一期油氣充注的存續(xù)時限為1400～1327 Ma（王鐵冠等，2016）。

根據(jù)鹽水包裹體均一溫度統(tǒng)計結(jié)果，蘆家莊古油藏中第二期成藏的均一溫度90～120℃，其溫度主峰位于90～100℃之間。結(jié)合埋藏史和古地溫史，該古油藏第二次油氣充注時間開始于215 Ma，屬于晚三疊世，并在早侏羅世晚期至中侏羅世達到高峰（圖5）。前人研究表明，這一期的油氣充注受控于火山活動的影響 （吳迪，2015；劉巖等，2011； 王鐵冠等，2016）。冀北坳陷在燕山期巖漿活動頻繁、強烈且廣泛分布。其中，侏羅紀(jì)是噴發(fā)活動的主要時期（趙國春，2003）。這一時期，冀北地區(qū)火山噴發(fā)主要有早侏羅世南大嶺期、中—晚侏羅世髫髻山期、早白堊世東嶺臺階段和東狼溝階段（白志民等，1999）。巖漿侵入活動也被劃分出三期，侵入體絕對年齡分別為：185～170 Ma、170～140 Ma、140～110 Ma（齊雯，2010；吳迪，2015），表明蘆家莊古油藏在燕山期發(fā)生的油氣充注受到了第一期巖漿侵入的影響。

與蘆家莊古油藏相似，雙洞古油藏頂部灰?guī)r儲層也經(jīng)歷了早期的一次油氣充注過程 (即1400～1327 Ma)，但是，這一期的油氣并沒有在該古油藏中保存下來。根據(jù)包裹體附存礦物生長關(guān)系和形成溫度，雙洞古油藏在燕山期發(fā)生了第二次和第三次油氣充注（圖5）。成藏均一溫度分別為100～130℃和130～160℃。結(jié)合埋藏史和古地溫史，推測該灰?guī)r頂部第二次和第三次油氣充注時間于185 Ma 和150 Ma ，屬于早侏羅世中晚期和晚侏羅世（圖5）。

圖5 冀北坳陷古油藏埋藏史與成藏時間Fig. 5 Burial history and times of hydrocarbon accumulation in the Jibei Depression

總體而言，蘆家莊古油藏與雙洞古油藏中后期的油氣充注成藏與該地區(qū)燕山期的火山巖漿活動異常有關(guān)，尤其，大規(guī)模的油氣成藏期集中在燕山中期，此時期也是火山活動異常期與古地溫高溫期，為冀北古油藏的烴源巖生排烴提供了非常有利的條件。

5 結(jié)論

（1）蘆家莊古油藏下馬嶺組底砂巖的大部分石英顆粒粒間孔隙充填了黑色、黑褐色固體瀝青，揭示該砂巖曾經(jīng)經(jīng)歷過大規(guī)模的油氣充注，且這一期次充注的油氣在高溫作用下遭到破壞，蝕變成為固體瀝青并殘存在顆?？障吨?。

（2）包裹體測溫結(jié)果表明，蘆家莊古油藏在燕山期經(jīng)歷了一期較大規(guī)模的油氣充注，以黃色熒光的正常原油以及弱黃綠色的輕質(zhì)原油為主，并在早侏羅世晚期至中侏羅世達到高峰。

（3）雙洞古油藏霧迷山組頂部灰?guī)r在燕山期發(fā)生了兩次油氣充注，與蘆家莊古油藏類似，在燕山期發(fā)生的油氣充注過程與這一時期強烈的巖漿活動密切相關(guān)。這一時期的火山活動異常期與古地溫高溫期，為冀北古油藏的烴源巖生排烴提供了有利條件。

致謝：感謝中國石油大學(xué)（北京）鐘寧寧教授在樣品采集過程中的幫助，感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院張敏老師在包裹體分析中的幫助。