巴布亞盆地構造研究新認識及勘探意義*

盧景美 閔才政 于圣杰 張 洋 陳景陽 袁 峰

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

巴布亞(Papuan)盆地位于澳大利亞板塊北部邊緣，勘探面積64×104km2，海域占三分之一(圖1)。該盆地勘探程度低，資源潛力大，待發(fā)現(xiàn)資源量130億桶；財稅條款好，基礎設施較完善，是中國石油公司實施“走向海外”戰(zhàn)略的理想資源國。但其所處的板塊環(huán)境復雜，構造活動頻繁，加之地表叢林密布，地震采集難度大等多因素限制了對巴布亞盆地的基礎地質(zhì)認識和油氣地質(zhì)研究。前人研究認為巴布亞盆地為弧—陸碰撞形成的弧后前陸盆地，東、西前陸結構存在差異[1-4]，尤其西部前陸結構中僅發(fā)育強沖斷褶皺和臺地，沒有典型前陸盆地的前淵和斜坡區(qū)，如此特殊的前陸結構其成因機制和控制因素有待進一步考證；復雜的構造演化造成古地理分析困難，全盆地地層展布不明朗；以往的勘探證實油氣分布很不均衡，其控制因素也不清楚。本文基于新收集的地表地質(zhì)圖、地震和鉆井的深入研究，對巴布亞盆地的性質(zhì)進行重新認識，在此基礎上闡述了盆地構造格局和構造演化特征，分析了構造特征新認識對東、西沉積差異及油氣成藏條件差異的控制作用，以期為盆地區(qū)帶優(yōu)選提供有益借鑒。

圖1 巴布亞盆地構造單元圖Fig.1 Distribution map of main structure units in Papuan Basin

1 新地塊識別

巴布亞盆地及其鄰區(qū)自中生代至今處于活躍的澳大利亞板塊和太平洋板塊邊界，經(jīng)歷了多期洋盆的張開和消亡[5]。前人研究認為巴布亞盆地是發(fā)育在古生界花崗巖基底上的中新生代弧后前陸盆地，該盆地東西兩側(cè)以塔斯曼(Tasman)線為界[1-3](圖1)。前人只說明了東西結構和構造存在差異，但沒有深究造成差異的原因。通過全區(qū)二維地震解釋和地表地質(zhì)巖性提取等工作，結合前人發(fā)表的大量的賽皮克(Sepik)地塊和新幾內(nèi)亞地塊主體接觸邊界處的磷灰石徑跡和角閃石K-Ar年齡測試數(shù)據(jù)[6-8]，進行構造重建。

1.1 巴布亞盆地組成及類型

本次研究認為巴布亞盆地為陸陸碰撞的產(chǎn)物，是周緣前陸盆地，由新幾內(nèi)亞、賽皮克、東部高地和巴布亞高地等多個地塊拼合而成(圖2)，形成了西部的巴布亞周緣前陸和東部的奧雷周緣前陸。其中賽皮克、東部高地和巴布亞高地為本次研究新識別出的地塊。

圖2 巴布亞盆地晚漸新世—晚中新世構造演化圖Fig.2 Tectonic reconstruction of Papuan Basin from late Oligocene to early Miocene

東部高地和巴布亞高地兩個新地塊在地震上比較容易識別。伴隨著這兩個地塊和澳大利亞板塊的分離，兩個高地所在的地殼不斷地伸展減薄，發(fā)育中生代斷陷結構。與幾內(nèi)亞半島碰撞時這些斷陷沒有卷入沖斷帶，比較容易識別。識別賽皮克地塊有3個方面依據(jù)。依據(jù)一，巴布亞南北地塊巖性差異明顯，南部主要由中新生代沉積地層覆蓋(新幾內(nèi)亞地塊)，北部存在大量變質(zhì)巖、火山巖(賽皮克地塊)，這表明南北可能分屬于不同的大地構造單元；依據(jù)二，巴布亞褶皺帶北部分布帶狀的SSZ型蛇綠巖，SSZ型蛇綠巖由洋陸俯沖或洋內(nèi)俯沖形成，這指示新幾內(nèi)亞與賽皮克不是一個整體，兩者之間存在洋殼俯沖作用；依據(jù)三，巴布亞褶皺帶北部存在明顯的地震活動帶，且是中深源地震帶，推測可能存在板塊縫合帶，近年主流觀點也認為褶皺帶北部存在縫合帶[9-10]，這表明北部可能存在新地塊即賽皮克地塊。

由角閃石K-Ar年齡和磷灰石裂變徑跡定年數(shù)據(jù)推斷巴布亞沖斷帶經(jīng)歷了兩期碰撞，陸陸碰撞在先，弧陸改造在后，故巴布亞盆地是周緣前陸盆地，后期經(jīng)歷了弧陸改造。巴布亞活動帶內(nèi)4個樣品角閃石K-Ar年齡測定分別為41、27、24、20 Ma，其中27 Ma測年數(shù)據(jù)對應著賽皮克地塊與新幾內(nèi)亞陸塊碰撞拼合的起始時間，推測巴布亞沖斷帶起始發(fā)育時間為27 Ma。41 Ma的樣品代表著東部高地從澳大利亞板塊裂離—珊瑚海(Coral)打開的熱隆事件導致的區(qū)域整體抬升。梅拉尼婭島弧與新幾內(nèi)亞陸塊交界處的磷灰石樣品測定的年齡集中在5 Ma左右，這說明梅拉尼婭島弧與新幾內(nèi)亞地塊以及賽皮克地塊的碰撞始于5 Ma。測年數(shù)據(jù)也表明了巴布亞褶皺沖斷帶構造變形始于晚漸新世，并一直持續(xù)到現(xiàn)在。

1.2 東西前陸的分界線

本次研究認為東西前陸的分界線不是塔斯曼線，而是巴布亞灣走滑斷裂帶。塔斯曼線總體呈南北走向，位于巴布亞盆地的陸上，縱貫澳洲板塊東緣，西側(cè)為元古界—太古界古老澳洲克拉通結晶基底，東側(cè)為古生界東澳增生基底，多發(fā)育火山和巖株。基底的差異造成兩側(cè)構造樣式的不同，西側(cè)以基底卷入型構造為主，東側(cè)發(fā)育蓋層滑脫型構造樣式。雖然二者在基底性質(zhì)、構造樣式上都存在較大差異，但其經(jīng)歷的構造沉積演化過程相似、沉積充填差別不大，均主要沉積中生界。因此，把塔斯曼線作為劃分東西兩個前陸系統(tǒng)的分界明顯不合適。

巴布亞灣走滑斷裂帶包括3條走滑斷層(圖1、3)，呈北北東走向，中間走滑斷層為東部高地和新幾內(nèi)亞地塊的邊界，長度大于200 km，走滑作用最強，伴隨強烈的火山作用。其他兩個走滑斷層分別位于新幾內(nèi)亞地塊和東部高地，長度小于中間的走滑斷層，走滑作用和火山作用均較弱(圖3)。把走滑斷裂帶作為東西前陸的分界線有3個方面依據(jù)。首先，走滑斷裂帶兩側(cè)的褶皺沖斷帶形成機制不同，西部的巴布亞褶皺沖斷帶是由于賽皮克向新幾內(nèi)亞地塊的俯沖碰撞產(chǎn)生的，東部的奧雷褶皺沖斷帶是由于東部高地和巴布亞高地向幾內(nèi)亞半島的俯沖碰撞形成的。其次，褶皺沖斷帶的形態(tài)不同，西部的巴布亞褶皺帶呈直線型展布，東部的奧雷褶皺帶呈弧形展布，反映了俯沖板塊東西部地殼厚度的差異，西部屬于澳大利亞板塊，地殼厚度較大(40～70 km)，未經(jīng)過強烈的伸展減薄。東部高地等地塊是經(jīng)歷了中生代長期的伸展減薄從澳大利亞板塊裂離出的地塊，地殼厚度較薄(10～20 km)。第三，走滑斷裂帶兩側(cè)的中生界沉積充填樣式不同，走滑帶以東發(fā)育中生界的半地塹，以西從巴布亞灣到陸上弗萊(Fly)臺地以及巴布亞褶皺帶發(fā)育連續(xù)、穩(wěn)定的侏羅系和白堊系等中生界大陸邊緣海相碎屑巖。

圖3 東部高地和新幾內(nèi)亞地塊之間走滑斷層帶特征(位置見圖1)Fig.3 Characteristic of Strick-Slip fault between Easten Plateau and New Guinea Block(see Fig.1 for location)

綜上，巴布亞盆地由新幾內(nèi)亞、賽皮克、東部高地和巴布亞高地等多個地塊拼合而成，東西前陸的分界線是位于巴布亞灣的走滑斷裂帶。此研究更新了該區(qū)構造演化和油氣地質(zhì)認識，進而指導了該區(qū)油氣勘探。

2 構造格局及構造演化特征

巴布亞盆地是由東西兩個周緣前陸系統(tǒng)組成，現(xiàn)今構造格局呈現(xiàn)“東西分塊、中間走滑”的特征(圖1)。中間為微陸塊拼合形成的左旋壓扭走滑斷層帶，呈北北東向展布(圖1、3)。東部的奧雷前陸盆地，呈現(xiàn)雙楔形，奧雷褶皺沖斷帶前緣以蓋層滑脫為主，俯沖板塊的裂陷地層未卷入沖斷帶，后緣基底卷入，為仰沖板塊的造山楔，隆升幅度大，沖起角度高。西部的巴布亞前陸褶皺帶分為東、西兩段，西段裂陷層序卷入程度大，東段以蓋層滑脫為主，前緣寬緩褶皺、后緣疊瓦狀和雙重疊瓦構造特征。巴布亞褶皺沖斷帶強烈隆升和剝露，前淵地層大量卷入褶皺沖斷帶。

關于巴布亞盆地構造演化，前人表述要么基于西部陸上，要么作為一個大整體劃分演化階段，沒有針對不同塊體不同時期的構造演化來進行具體分析。在前人研究基礎上，結合地震解釋和構造恢復以及新地塊的識別，研究認為巴布亞盆地中新生代構造演化具有“東西不同，西部4期，東部3期”的特征。

西部巴布亞前陸經(jīng)歷弧后伸展、被動陸緣、周緣前陸和碰撞改造4個演化階段。早—中侏羅世，古洋殼向澳洲板塊俯沖誘發(fā)賽皮克地塊和新幾內(nèi)亞主體之間發(fā)育近東西向的裂谷；晚侏羅世兩個地塊分離進入被動陸緣階段，賽皮克洋持續(xù)張開，直至晚白堊世賽皮克洋停止擴張并向北俯沖；晚漸新世是周緣前陸發(fā)育階段，賽皮克地塊自西向東逐漸拼貼到新幾內(nèi)亞主體，賽皮克洋盆斜向關閉，巴布亞周緣前陸盆地開始形成；早上新世弧陸碰撞改造階段，太平洋梅拉尼婭島弧的俯沖作用導致周緣前陸的前淵地層大部分卷入褶皺沖斷帶。塔斯曼線兩側(cè)由于基底性質(zhì)不同，構造樣式表現(xiàn)為基底卷入和蓋層滑脫兩種類型。

巴布亞盆地東部是由澳洲板塊上分離出來的兩個微陸塊(東部高地和巴布亞高地)與新幾內(nèi)亞半島拼貼形成的，經(jīng)歷了陸內(nèi)伸展、被動陸緣和周緣前陸3個演化階段。東部高地和巴布亞高地位于澳洲北部陸緣，二疊紀至中晚侏羅世發(fā)育陸內(nèi)裂谷；晚白堊世，由于珊瑚海的打開，巴布亞高地和東部高地逆時針向北漂移；晚漸新世—早中新世，巴布亞半島與東部高地和巴布亞高地自西向東發(fā)生碰撞形成東部的奧雷周緣前陸盆地。

3 構造格局對東西沉積差異的影響

巴布亞盆地東西部復雜的構造活動導致沉積地層變質(zhì)、剝蝕和變形[11]，古地理的恢復面臨較大挑戰(zhàn)。以西部的賽皮克地塊、東部的東部高地和巴布亞高地新地塊的識別形成的構造演化新認識為根基，以鉆井揭示巖性為準繩，結合地表地質(zhì)圖巖性提取和單井相分析，無鉆井地區(qū)輔助地震相分析，開展了全盆的古地理重建，理清了東西部沉積演化，盆地沉積充填東西部差異大。這種差異與3個新地塊的分布和活動密切相關。賽皮克地塊與新幾內(nèi)亞陸塊在晚侏羅世開始分離，西部大范圍發(fā)育裂谷和被動陸緣的三角洲和濱淺海沉積，東部兩個塊體(東部高地和巴布亞高地)在中生代和澳洲板塊為一體，發(fā)育陸內(nèi)斷陷，中生界孤立分布。東西分塊的構造格局造就了巴布亞盆地蹺蹺板式的沉積充填樣式，西部以中生界為主，東部以新近系為主。中生界在平面上表現(xiàn)為西部廣泛分布，東部孤立分布。

西部新幾內(nèi)亞地塊和賽皮克地塊侏羅系和白堊系主要填充裂谷期和被動陸緣期的沉積地層。新幾內(nèi)亞地塊歷經(jīng)海進—海退—海進沉積旋回，沉積環(huán)境從三角洲向濱淺海過渡，主要巖性為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂泥互層和泥巖，見少量的海綠石和黃鐵礦；賽皮克地塊沉積環(huán)境以濱淺海和濁積扇為主，泥巖和含砂泥巖為主，含黃鐵礦。因海底火山巖的噴發(fā)，持續(xù)發(fā)育玄武巖。西部現(xiàn)存中生界分布在巴布亞褶皺帶、弗萊臺地和巴布亞灣地區(qū)，原始沉積厚度普遍大于2 000 m，最厚處達6 600 m，殘留厚度以巴布亞褶皺帶和巴布亞灣地區(qū)較厚。東部中生界沉積位于澳大利亞板塊東北部，響應昆士蘭海槽構造事件，在東部高地和巴布亞高地發(fā)育二疊系和侏羅系陸內(nèi)斷陷。通過地震相分析，推測半地塹里充填沖積扇、半深—深湖和濱淺湖相沉積物。伴隨珊瑚海打開這一事件，巴布亞高地上形成一系列近東西向展布的晚白堊世洼陷，構造樣式也為半地塹，有的半地塹侏羅系和白堊系疊置。

東部為中新統(tǒng)和上新統(tǒng)的沉積中心，西部新生界殘留零星分布。晚漸新世賽皮克與新幾內(nèi)亞主體拼合，巴布亞褶皺帶隆升，前陸斜坡區(qū)形成小角度且寬緩的斜坡，發(fā)育中新統(tǒng)淺水碳酸鹽巖。賽皮克地塊上大量火山噴發(fā)，形成北西走向的火山巖帶和侵入帶。東部地區(qū)在中新世發(fā)育前陸系統(tǒng)，北部陡坡為濁積扇沉積，發(fā)育砂巖、礫巖和泥巖。南部緩坡東部高地和巴布亞高地以混合灘壩相為主，局部也發(fā)育生物礁。上新世，西部地區(qū)的島弧帶在5 Ma與新幾內(nèi)亞碰撞，西部周緣前陸的前淵斜坡發(fā)育擠壓褶皺，中生界為擠壓沖斷帶的主體(圖4)。巴布亞褶皺帶的持續(xù)隆升為東部提供了物源，東部地區(qū)中新世發(fā)育的前陸范圍仍在擴大，前陸陡坡濁積扇相擴大，斜坡和前隆區(qū)沉入水下，為濱海—淺海沉積。

4 構造格局對東西油氣成藏的影響

對比東西前陸盆地油氣成藏條件(圖5)，研究表明優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在盆地的中西部，中生界被動陸緣層序的區(qū)域蓋層優(yōu)于新近系的局部蓋層；多期構造活動影響了圈閉形成、定型和類型以及油氣在時空上的匹配；西部周緣前陸中生界成藏條件好于東部新近系前陸層系。

圖5 巴布亞盆地綜合柱狀圖和東西前陸油氣成藏條件對比Fig.5 Comprehensive histogram and comparison of hydrocarbon accumulation conditions in east and west foreland of Papuan Basin

4.1 東西油氣成藏地質(zhì)條件差異

巴布亞盆地西部地區(qū)侏羅系的海相泥頁巖、三角洲碳質(zhì)泥巖及煤為主力烴源巖[12-14]，沿巴布亞褶皺帶和巴布亞灣廣泛分布，以海相陸源和混合生源型有機質(zhì)為主，TOC為0.50%～2.86%，HI為150～399 mg/g，平均值為198 mg/g，II2—III型干酪根(表1)，總體屬于好烴源巖。中上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)的三角洲砂巖和濱淺海砂巖為巴布亞褶皺帶的主力儲層。儲層普遍埋深1 500～3 500 m，濱岸砂和河口壩砂巖儲層物性最好，遠端的遠砂壩和前三角洲砂巖較差。海進期的上白堊統(tǒng)海相泥巖為區(qū)域優(yōu)質(zhì)蓋層，巴布亞褶皺帶的油氣富集在上白堊統(tǒng)下部的Toro組和上侏羅統(tǒng)Koi lange組砂巖儲層中，該套泥巖蓋層可封蓋達千米的油柱高度。但是在巴布亞灣地區(qū)，侏羅系和白堊系受珊瑚海擴張構造事件影響而抬升，最大剝蝕厚度可達3 000 m，在地震上表現(xiàn)為不整合削截特征。導致巴布亞灣中生界圈閉缺乏有效的儲蓋組合，目前還沒有鉆探成功的探井。在巴布亞灣海域除了碎屑巖組合外，在走滑斷裂帶的火山巖基座之上發(fā)育的塔礁和始新世、中新世臺地邊緣礁為潛力成藏組合。生物礁儲層物性好，孔隙度5%～30%，滲透率50～3 000 mD。臺地相碳酸鹽巖物性普遍較差。

巴布亞盆地東部地區(qū)在東部和巴布亞兩個高地與新幾內(nèi)亞半島碰撞拼合后，奧雷褶皺帶處于扇三角洲和淺海環(huán)境，兩個高地部分出露水面，部分碳酸鹽巖沉積，因此東部發(fā)育中新統(tǒng)—上新統(tǒng)海相烴源巖[15]，中新統(tǒng)生烴發(fā)育模式為海相內(nèi)源和海相陸源型混合，上新統(tǒng)為海相陸源型，有機質(zhì)豐度差—中等，Ⅲ型干酪根(表1)。盆地模擬表明新生界有效烴源巖灶范圍小，主要分布在東部奧雷褶皺帶前緣區(qū)。鉆井證實東部奧雷褶皺帶的基底卷入帶和疊瓦滑脫沖斷帶中新統(tǒng)碎屑巖儲蓋組合配置差，基底卷入帶多處地表見油苗顯示，且中新統(tǒng)出露地表，發(fā)育粉砂巖和火山碎屑巖，有效儲蓋組合不發(fā)育，在褶皺帶缺乏區(qū)域蓋層，沖斷帶持續(xù)活動，保存條件差。中生界以孤立的半地塹分布于奧雷前陸的前淵斜坡和前隆區(qū)，上覆的新生界500～1 000 m，盆地模擬表明侏羅系和白堊系的湖相烴源巖處于未成熟—早成熟階段，潛力有限。

表1 巴布亞盆地烴源巖有機質(zhì)豐度參數(shù)Table 1 Organic geochemical parameters of source rocks in Papuan Basin

基于以上分析，認為東西前陸盆地成藏條件具有較大差異。烴源巖品質(zhì)和有效烴源巖灶的范圍決定了東、西部生烴物質(zhì)基礎的不同，西部優(yōu)于東部。同時，西部周緣前陸盆地在中生代處于穩(wěn)定大陸緣，經(jīng)歷了裂谷和被動陸緣階段，發(fā)育三角洲和淺海相的砂巖儲層，上白堊統(tǒng)海相泥巖分布穩(wěn)定為西部的區(qū)域蓋層，尤其在巴布亞褶皺沖斷帶之上為復雜擠壓構造提供了優(yōu)質(zhì)蓋層；東部周緣前陸盆地奧雷褶皺沖斷帶在新近系主要發(fā)育近物源粗碎屑的沉積，褶皺帶之上缺有效的區(qū)域蓋層，褶皺帶前緣以及前淵區(qū)域蓋層條件轉(zhuǎn)好，但烴源巖條件和儲層變差。烴源巖和優(yōu)質(zhì)蓋層的差異造就了盆地油氣分布平面上具有“西富東貧”，層位上具有“老多新少”的特征，總體成藏條件“西好東差”。

4.2 有利油氣勘探方向

位于西部周緣前陸盆地的巴布亞褶皺帶西段構造樣式為基底卷入型，發(fā)育較大規(guī)模的斷背斜和背斜構造，侏羅系主力生烴中心之一位于西段，鉆井揭示白堊系Toro組儲層發(fā)育，為有利成藏區(qū)帶，因擠壓構造抬升較高存在上白堊統(tǒng)泥巖剝蝕，局部可能存在蓋層封蓋的風險。

東西部前陸在巴布亞灣海域拼合形成壓扭中部走滑帶，該帶發(fā)育擠壓構造、地層圈閉和生物礁建造。走滑斷層緊鄰巴布亞灣區(qū)的斷裂帶具有侏羅—白堊系的勘探潛力，東部高地相鄰的花狀構造具有中新統(tǒng)的勘探潛力，火山基座上的生物礁Pasca氣藏發(fā)現(xiàn)已證實中新統(tǒng)熱成因氣具有一定的潛力。中部走滑斷裂帶是潛力成藏區(qū)帶。

5 結論

1) 巴布亞盆地由新幾內(nèi)亞、賽皮克、東部高地和巴布亞高地等多個地塊拼合而成，新近紀經(jīng)歷兩期碰撞影響，形成了西部的巴布亞周緣前陸和東部的奧雷周緣前陸，東西前陸的分界線是位于巴布亞灣的走滑斷裂帶。

2) 巴布亞盆地中新生代構造演化東西有差異。西部巴布亞前陸經(jīng)歷弧后伸展、被動陸緣、周緣前陸和碰撞改造4個演化階段；東部經(jīng)歷了陸內(nèi)伸展、被動陸緣和周緣前陸3個演化階段。

3) 東西前陸沉積充填差異大，西部以前前陸層序中生界為主，分布在巴布亞褶皺帶、弗萊臺地和巴布亞灣地區(qū)；東部以前陸層序新生界為主，中生界地層零星展布在半地塹。

4) 東西分塊的構造格局影響油氣成藏條件西好東差。西部烴源巖條件和蓋層條件均優(yōu)于東部。巴布亞褶皺帶西段為有利成藏區(qū)帶，中間壓扭走滑帶是潛力成藏區(qū)帶。