多期巖漿侵入事件對(duì)長(zhǎng)昌凹陷烴源巖熱演化的影響

曾小宇，郭明剛，朱繼田，熊小峰，段 亮，彭俊峰

1. 中海石油（中國(guó)）有限公司 湛江分公司，湛江 524057；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 湛江實(shí)驗(yàn)中心，湛江 524057

沉積盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系，而與時(shí)間只是線性關(guān)系，有機(jī)質(zhì)的成熟度主要受溫度的控制（Tissot et al., 1984, 1987），盆地的地溫史決定著烴類成熟度史（曹環(huán)宇等，2015；唐世林，2018；任戰(zhàn)利等，2020）。裂谷盆地的形成發(fā)育與巖石圈的減薄、軟流圈的上涌有關(guān),巖漿侵入事件甚是頻繁，巖漿侵入所攜帶的巨大熱能就可能會(huì)對(duì)盆地的熱史產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響盆地有機(jī)質(zhì)演化史，因此在研究盆地沉積物有機(jī)質(zhì)成熟度中必須考慮巖漿的作用（張健等，1997；范桃園等，1999；高翔等，2013；田文廣等，2005；Petersen et al., 1994；Bonté et al.，2019）。

長(zhǎng)昌凹陷位于瓊東南盆地中央坳陷帶東部超深水區(qū)，北接神狐隆起，南接南部隆起，東至西沙隆起區(qū)，西鄰寶島凹陷，是該盆地最大的凹陷，面積達(dá)14000 km2（圖1）。新生代以來(lái)，長(zhǎng)昌凹陷構(gòu)造演化經(jīng)歷了早期始新世的裂陷階段、漸新世—早中新世的“拗—斷”階段和之后的拗陷階段，由此發(fā)育了一套三層結(jié)構(gòu)、由陸相到海相沉積演變的厚層新生代地層（張迎朝等，2017）。經(jīng)過(guò)多輪油氣勘探研究表明，長(zhǎng)昌凹陷是瓊東南盆地深水區(qū)潛在的富生烴凹陷，資源潛力大，作為該盆地深水勘探的后備領(lǐng)域。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Tectonic subdivision of the Qiongdongnan Basin and location of the study area

最新研究成果表明，長(zhǎng)昌凹陷內(nèi)地殼強(qiáng)烈減薄，地幔上涌，沉積地層中發(fā)育多期多個(gè)巖漿侵入體。目前對(duì)于巖漿侵入事件對(duì)長(zhǎng)昌凹陷烴源巖熱演化影響尚未清楚，且很可能由于巖漿侵入事件的影響，導(dǎo)致凹陷內(nèi)兩口鉆井（C6-1-1，W1-1-1）井上生烴門(mén)限相差較大，凹陷生烴門(mén)限不明確，制約著本區(qū)油氣勘探進(jìn)程。為探討巖漿侵入事件對(duì)本區(qū)烴源巖熱演化的影響，本文利用地震相技術(shù)先識(shí)別出區(qū)內(nèi)巖漿侵入體的分布和發(fā)育期次；在此基礎(chǔ)上，綜合區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)成果和最新地震區(qū)域解釋地層格架，建立兩個(gè)三維模型（其中一個(gè)發(fā)育巖漿侵入事件，一個(gè)不發(fā)育巖漿侵入事件）進(jìn)行熱模擬，通過(guò)兩個(gè)模型模擬結(jié)果對(duì)比分析，定量評(píng)價(jià)巖漿熱事件對(duì)本區(qū)烴源巖熱演化的影響，確定巖漿熱事件的影響是局部的特殊事件還是凹陷熱演化整體受其影響，這對(duì)本區(qū)烴源巖生、排烴史的研究和指導(dǎo)本區(qū)下一步油氣勘探有重要意義。

1 巖漿侵入體的識(shí)別與分布規(guī)律

火山（噴發(fā)）和巖漿底辟（侵入）是地殼深部巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物，二者是由伸展盆地在地殼減薄和拆離斷層形成后，地幔進(jìn)一步上涌，盆地進(jìn)一步拉伸，導(dǎo)致地殼破裂或斷層與地幔溝通而形成（郭明剛等，2017）。本次研究考慮的是巖漿熱對(duì)烴源巖熱演化的影響，對(duì)于火山噴出地表部分認(rèn)為是無(wú)效的，所有只考慮地表以下的火山通道（火山頸）部分，與巖漿底辟統(tǒng)稱為巖漿侵入體。本區(qū)鉆井少，地震資料豐富，利用地震資料識(shí)別巖漿體分布是一種有效的途徑?；鸪蓭r與圍巖沉積巖由于存在聲學(xué)特征之間的差異而在地震上呈現(xiàn)不同的地震特征。根據(jù)這一特點(diǎn)和巖漿體發(fā)育機(jī)理，可以依據(jù)深部莫霍面的變化形態(tài)、巖漿體的特殊反射結(jié)構(gòu)特征、與圍巖特殊接觸關(guān)系在地震相上的反映來(lái)識(shí)別巖漿體，并對(duì)其發(fā)育時(shí)間進(jìn)行判別（郭明剛等，2017；應(yīng)明雄等，2012）。

我們通過(guò)大量的地震剖面和平面相干體切片的研究分析發(fā)現(xiàn)，在平面相干體切片上巖漿通道外形為近圓形，周圍地層發(fā)育放射狀斷裂，通道口外部沉積巖（泥巖背景）在地震上呈弱反射特征（程日輝等，2011；郭明剛等，2017；徐穎新等，2008；應(yīng)明雄等，2012）（圖2）。

剖面上，本區(qū)巖漿體有如下地震反射特征：（1）巖漿底辟：沉積層被刺穿，深部地層雜亂，整體呈錐形體或柱狀體；兩側(cè)圍巖地層見(jiàn)上拉或切割，地層間或見(jiàn)席狀強(qiáng)反射；其內(nèi)部為不規(guī)則雜亂反射或弱反射；頂部為連續(xù)強(qiáng)反射，呈丘狀，巖體上部地層或有上拱現(xiàn)象，（2）火山：整體為蘑菇狀或樹(shù)狀，上大下小，頂部呈丘狀，部分保留火山口古地貌及后期形成的火山口下陷，反射強(qiáng)而光滑；由于頂部火成巖的屏蔽，其下部即火山通道為不規(guī)則雜亂反射或弱反射，（3）二者深部莫霍面均表現(xiàn)為中斷、錯(cuò)動(dòng)（程日輝等， 2011；郭明剛等， 2017；徐穎新等，2008；應(yīng)明雄等，2012）（圖2）。

圖2 長(zhǎng)昌凹陷巖漿體地震相特征圖Fig. 2 Seismic facies characteristics of magmatic bodies in the Changchang Sag

根據(jù)巖漿體對(duì)周圍地層的侵入及改造所具有的典型特征對(duì)巖漿體發(fā)育時(shí)間進(jìn)行判定，分為以下四種情況。（1）簡(jiǎn)單完整火山噴發(fā)型: 火山噴發(fā)形成古地貌，有典型的蘑菇狀形態(tài)特征，因此，火山古地貌在哪個(gè)層系那么這個(gè)時(shí)期即為火山的活動(dòng)時(shí)間。（2）簡(jiǎn)單殘留火山噴發(fā)型: 火山噴發(fā)形成古地貌后被改造，殘留有錐狀的古地貌，因此，殘留的火山古地貌在哪個(gè)層系那么這個(gè)時(shí)期即為火山的活動(dòng)時(shí)間。（3）簡(jiǎn)單底辟刺穿型型: 晚期活動(dòng)的巖漿底辟造成其上早期地層的變形，那么最晚變形的地層沉積時(shí)間為巖漿活動(dòng)時(shí)間。（4）復(fù)雜火山噴發(fā)型:巨大的火山出露地表，火山口以下屏蔽或者被破壞造成弱-空白反射，因此根據(jù)火山口所處層系、臨近的相關(guān)小火山口發(fā)育層系，即為大火山的多期發(fā)育時(shí)間（程日輝等，2011；郭明剛等，2017；徐穎新等，2008）。

運(yùn)用該方法對(duì)區(qū)內(nèi)巖漿侵入體進(jìn)行搜索，識(shí)別出9個(gè)火山或巖漿底辟并確定其發(fā)育時(shí)間。它們主要分布在凹陷中部，這是因?yàn)榘枷葜胁康牡貧ぷ畋?。它們可分?期，分別是早中新世三亞期、中中新世梅山期、晚中新世黃流期和上新世鶯歌海期。其中，黃流期（T30）和梅山期（T40）巖漿侵入事件最為發(fā)育。除寶島—長(zhǎng)昌凹陷邊界大火山規(guī)模較大外，其它火山或漿底辟直徑都在在1～6 km之間（表 1; 圖 3）。

圖3 長(zhǎng)昌凹陷新生代主要巖漿體分布圖Fig. 3 Distribution of major Cenozoic magmatic bodies in the Changchang Sag

表1 長(zhǎng)昌凹陷火山通道/巖漿底辟規(guī)模和發(fā)育時(shí)間統(tǒng)計(jì)表Table 1 scale and development time of magmatic bodies in the Changchang Sag

2 模擬方法與原理

2.1 熱傳導(dǎo)基本方程

巖漿侵入后散熱方式主要是熱傳導(dǎo)，本文假設(shè)巖漿侵入是瞬間的，侵入體和圍巖的熱擴(kuò)散率相同，并考慮巖漿凝固過(guò)程中釋放的潛熱。本次模擬采用了三維非穩(wěn)態(tài)熱傳遞微分方程：

式中，ρ為密度（kg/m3），c為常壓下的比熱值（J/（kg·K）），T為溫度(℃)，t為時(shí)間（s），K為熱導(dǎo)率（W/（m·K）），S為熔融速率（s-1），L為巖漿的熔融潛熱（KJ/kg），Q 為巖石的熱產(chǎn)生值（ 包括放射性元素的產(chǎn)熱）（μW/m3）（Liu et al., 1992）。

2.2 計(jì)算模型

在識(shí)別火山通道與巖漿底辟分布范圍與發(fā)育期次基礎(chǔ)上，根據(jù)最新地震區(qū)域解釋地層數(shù)據(jù) T00、T20、T30、T40、T50、T60、T70、T80、T100反射界面和莫霍面（分別對(duì)應(yīng)于海底、樂(lè)東組、鶯歌海組、黃流組、梅山組、三亞組、陵水組、崖城組、始新統(tǒng)和地殼的底部），建立兩個(gè)長(zhǎng)為167.5 km、寬為123.8 km、高為13 km的三維模型——模型1不發(fā)育巖漿侵入熱事件，模型2發(fā)育巖漿熱事件（實(shí)際情況）（圖4）。兩個(gè)模型均采用0.815 km×0.478 km 網(wǎng)格，取時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 Ma。其中崖城組、始新統(tǒng)是長(zhǎng)昌凹陷主要烴源巖層，各類烴源巖評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。各地層巖性參考盆地內(nèi)已鉆井情況，以沉積相為單位統(tǒng)計(jì)劃分，并依據(jù)地震相特征作部分修改（江汝鋒等，2018）。

表2 研究區(qū)及鄰區(qū)烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征Table 2 Organic geochemical characteristics of source rocks in the study area and adjacent areas

圖4 三維熱演化模型Fig. 4 Three-dimensional thermal simulation model

模型上邊界為海底，溫度介于4～20℃之間；模型底邊界為莫霍面。盆地現(xiàn)今基底熱流值據(jù)“十二五”研究成果（施小斌等，2015）與實(shí)鉆數(shù)據(jù)校正擬合得到，為30～53 mW/m2；模型前后左右邊界為自由邊界。

2.3 巖漿侵入模擬參數(shù)

巖漿的溫度、熱導(dǎo)率、熱容等參數(shù)隨組分的不同而不同（Toulowkian et al., 1981）。根據(jù)鄰近珠江口盆地和研究區(qū)所在盆地火山巖的鉆遇情況，始新世至中新世，基性噴出巖逐漸增加，到中新世后，全為玄武巖（陳長(zhǎng)民等，2003；王璞珺等，2010）。根據(jù)本區(qū)巖漿侵入事件的發(fā)育時(shí)間，認(rèn)為其巖性為玄武巖。據(jù)前人研究成果，玄武巖巖漿侵入溫度為1000～1300℃ （Toulowkian et al., 1981）。本文計(jì)算中長(zhǎng)昌凹陷玄武巖取巖漿溫度為1000℃，固相曲線溫度取為780℃；計(jì)算模型中所使用的其他物性參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巖漿侵入模擬參數(shù)（據(jù)Toulowkian等修改，1981）Table 3 Thermal parameters for magma intrusion simulation (modified from toulowkian,1981)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巖漿侵入體對(duì)凹陷烴源巖熱演化影響的時(shí)空范圍

對(duì)比模型1與模型2模擬結(jié)果得到：不同規(guī)模的巖漿侵入體會(huì)對(duì)周邊不同范圍的烴源巖熱演化有促進(jìn)作用（圖4）。為定量表征不同規(guī)模巖漿侵入體對(duì)凹陷烴源巖影響的時(shí)空范圍，本文選取巖漿體1、2、3不同規(guī)模巖漿侵入體（表1）來(lái)做對(duì)比分析。由于烴源巖熱演化具備不可逆性，且主要受溫度控制，所以可以根據(jù)巖漿體侵入體對(duì)區(qū)域溫度場(chǎng)的擾動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)判定其對(duì)烴源巖熱演化影響的時(shí)間。模擬結(jié)果揭示（圖5）巖漿體1侵入沉積地層后4.5 Ma在溫度場(chǎng)基本恢復(fù)正常，巖漿體2和巖漿體3在侵入后0.4 Ma溫度場(chǎng)基本恢復(fù)正常。確定巖漿體對(duì)溫度場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)間范圍后，我們分析在該時(shí)間段巖漿熱對(duì)周圍烴源巖熱演化的影響，另依據(jù)溫度場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)間末時(shí)刻的巖漿侵入體周邊烴源巖層熱演化突變范圍的半徑來(lái)判定其影響的空間范圍，以排除后期不斷沉積埋深對(duì)烴源巖熱演化影響的干擾。據(jù)模擬結(jié)果，巖漿侵入后帶來(lái)的巨大熱量使其接觸圍巖熱演化程度迅速進(jìn)入過(guò)熟階段，可把生烴門(mén)限直接抬高至海底，之后隨著溫度向外圍傳導(dǎo)，周邊地層熱演化程度在原來(lái)埋深的基礎(chǔ)上逐漸升高，橫向上以巖漿體為中心呈同心圓狀發(fā)散，距離越遠(yuǎn)熱演化影響越不明顯，成熟度也就越低，生烴門(mén)限逐漸降低至正常值；縱向上深度越深影響范圍越大（圖6）。巖漿體1引起周邊烴源巖演化突變范圍的半徑為16 km，巖漿體2影響范圍半徑為2.3 km，巖漿體3影響范圍半徑為1.8 km（圖6）。由此表明，影響范圍和影響程度跟巖漿體規(guī)模、與巖漿體距離遠(yuǎn)近等因素相關(guān)；距離巖漿體越近，烴源巖熱演化突變?cè)矫黠@，影響時(shí)間也越長(zhǎng)。根據(jù)侵入體規(guī)模，將其對(duì)烴源巖熱演化影響的范圍劃分為三個(gè)級(jí)次：巖漿體直徑小于2 km，對(duì)烴源巖熱演化影響范圍的半徑小于2 km；巖漿體直徑大于2 km而小于5 km，影響范圍半徑小于5 km；巖漿體直徑大于10 km而小于20 km，影響范圍半徑小于16 km（表4）。綜述所述，研究區(qū)內(nèi)巖漿侵入體對(duì)烴源巖熱演化影響的范圍有限，長(zhǎng)昌凹陷烴源巖主體熱演化基本不受其影響。

表4 巖漿體規(guī)模與其熱演化影響范圍關(guān)系Table 4 The size of magmatic body and its influence range

圖5 巖漿體1、巖漿體2和巖漿體3侵入后不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)剖面Fig. 5 Simulated temperature field for different times after the intrusion of magmatic body 1, 2 and 3

圖6 漿體1、巖漿體2和巖漿體3侵入后不同時(shí)刻的熱演化剖面Fig. 6 Simulated maturity for different times after the intrusion of magmatic body 1, 2 and 3

3.2 巖漿侵入體對(duì)鉆井烴源巖熱演化的影響

根據(jù)模擬結(jié)果，區(qū)內(nèi)W1-1-1井距離巖漿侵入體較遠(yuǎn)，處在巖漿熱影響范圍之外；而另一口C6-1-1井則處在晚期火山影響范圍內(nèi)。通過(guò)兩個(gè)模型模擬結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)C6-1-1井由于受巖漿熱影響，生烴門(mén)限抬升了約700 m，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合（圖7）。所以C6-1-1井受特殊事件影響，其生烴門(mén)限不能代表凹陷生烴門(mén)限；除去巖漿熱事件影響后，C6-1-1井上生烴門(mén)限約為海底以下2450 m，與W1-1-1井實(shí)測(cè)的生烴門(mén)限（海底以下2350 m）相差不大，可代表凹陷的生烴門(mén)限。

圖7 模型1與模型2中C6-1-1井生烴門(mén)限對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of the hydrocarbon generation threshold of well c6-1-1 between model 1 and model 2

綜上模擬結(jié)果對(duì)比分析，巖漿侵入體只是局部特殊熱事件，對(duì)本區(qū)烴源巖熱演化影響范圍較?。磺冶緟^(qū)巖漿侵入活動(dòng)較晚，為漸新世之后，巖漿活動(dòng)最劇烈在中新世中晚期，而本區(qū)主要烴源巖為始新統(tǒng)湖相泥巖和下漸新統(tǒng)陸源海相泥巖，生烴高峰期為晚漸新世至早中新世，因而巖漿侵入活動(dòng)對(duì)本區(qū)生烴量貢獻(xiàn)不大，還可能破壞早期形成的油氣藏，并有非烴（CO2）充注風(fēng)險(xiǎn)（郭明剛等，2017）。

4 結(jié)論

文章通過(guò)三維盆地?zé)崮M技術(shù)探討了多期巖漿侵入事件對(duì)長(zhǎng)昌凹陷烴源巖熱演化的影響，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）運(yùn)用地震相技術(shù)在長(zhǎng)昌凹陷搜索到9個(gè)巖漿侵入體，主要分布在凹陷中央，直徑大多在1～6 km之間；分為4期：早中新世三亞期、中中新世梅山期、晚中新世黃流期和上新世鶯歌海期。其中，中新世黃流期（T30）和梅山期（T40）巖漿侵入事件最為發(fā)育。

（2）巖漿侵入體對(duì)周圍小范圍烴源巖熱演化有促進(jìn)作用（生烴門(mén)限變淺），影響范圍和影響程度跟巖漿體規(guī)模、與巖漿體距離遠(yuǎn)近等因素相關(guān)。巖漿體規(guī)模與其影響范圍有如下規(guī)律：巖漿體直徑小于2 km，對(duì)烴源巖熱演化影響范圍的半徑小于2 km；巖漿體直徑大于2 km而小于5 km，影響范圍半徑小于5 km；巖漿體直徑大于10 km而小于20 km，影響范圍半徑小于16 km。

（3）長(zhǎng)昌凹陷內(nèi)W1-1-1井烴源巖基本不受巖漿侵入體影響，而C6-1-1井受晚期火山影響生烴門(mén)限抬升約為700 m，所以W1-1-1井實(shí)測(cè)的生烴門(mén)限（海底以下2350 m）可代表凹陷的生烴門(mén)限。

（4）多期巖漿事件對(duì)烴源巖熱演化影響范圍小、發(fā)育事件晚，錯(cuò)過(guò)長(zhǎng)昌凹陷生烴高峰期，對(duì)本區(qū)生烴量貢獻(xiàn)不大，可能帶來(lái)非烴充注風(fēng)險(xiǎn)。

說(shuō)明：本文的模擬過(guò)程中，由于缺乏深部巖漿的資料，未對(duì)基底巖漿房的影響做單獨(dú)分析；再者，由于巖漿活動(dòng)的多期性，也會(huì)增加模擬巖漿影響的難度。由于資料限制，本次模擬僅對(duì)巖漿的熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了模擬，而未能考慮巖漿侵入過(guò)程中的熱流體活動(dòng)的影響。