法爾康盆地基于重力資料的構造特征分析與油氣有利區(qū)預測

薛 健,袁炳強,邢錦程,張春灌,馮旭亮,張 歡,賈洪楊

(1.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安710065;2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學重點實驗室,陜西西安710065;3.勝利油田魯明公司,山東東營257000)

法爾康盆地位于委內(nèi)瑞拉北部近海區(qū)域,為受走滑斷裂控制的陸緣盆地[1]。法爾康盆地總面積約為45521km2,其中東北部位于海域,面積為11419km2;其余部分位于陸上,面積為34102km2。該盆地的勘探工作始于1912年,至20世紀末,在盆地內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了8個小型油氣田,顯示出該盆地具有良好的油氣資源前景[2]。該盆地構造復雜,以往已實施的地震勘探工作僅分布在盆地中北部勘探授權許可的4490km2(其中陸上面積為3403km2,海域面積為1087km2)范圍內(nèi)[2]。授權許可范圍內(nèi)陸上施測二維地震測線約7000km,海域施測二維地震測線約為800km。陸上測線距約為4.8km,海域測線距為13km。另外,海域及陸上施測的三維地震面積不足100km2[3]。顯然法爾康盆地勘探程度較低,地震測網(wǎng)密度小,地震測線覆蓋面積小,地震資料少,對盆地構造控制精度不夠,同時研究區(qū)缺乏其它相關地球物理測量資料,也鮮見有對法爾康全盆地的斷裂構造及構造單元等的研究結(jié)果。因此,難以利用研究區(qū)小范圍有限的地震資料研究整個盆地的構造特征并預測油氣有利區(qū)。

為了研究盆地的整體構造特征并預測油氣有利區(qū),利用地面、船測及衛(wèi)星重力資料,并通過對法爾康盆地重力數(shù)據(jù)的處理分析解釋,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、地震資料等,新推測確定法爾康盆地的斷裂構造,綜合應用Parker法[4]和相關分析法[5]反演計算盆地的基底深度,對盆地構造單元進行劃分,模擬分析盆地內(nèi)不同次級構造單元內(nèi)烴源巖熱演化的差異性,預測盆地油氣有利區(qū)。本研究可為今后該地區(qū)的油氣勘探開發(fā)工作提供依據(jù)。同時,也可為國內(nèi)油企進軍海外油氣勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

法爾康盆地位于南美板塊北部大陸邊緣、委內(nèi)瑞拉西北陸緣,該盆地呈近EW向展布[3],其西側(cè)與馬拉開波盆地接壤,東北部與博內(nèi)爾盆地相鄰,東南緣為梅里達安第斯山脈、科迪勒拉山脈[2](圖1)。該盆地是晚始新世-早更新世在加勒比板塊向南美板塊俯沖兼右旋走滑構造背景下形成的右旋走滑拉分盆地[6]。該盆地所在地區(qū)經(jīng)歷了復雜的構造演化過程,在右旋走滑拉分盆地形成之前,該區(qū)還經(jīng)歷了中生代的裂谷階段、白堊紀被動陸緣和古新世-中始新世的擠壓演化階段,隨后該區(qū)又經(jīng)歷了上新世至今的構造反轉(zhuǎn)階段[7]。法爾康盆地的基底主要由早白堊紀-侏羅紀的火山巖和變質(zhì)沉積巖組成,沉積蓋層主要包括始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)-下中新統(tǒng)和中-上中新統(tǒng)等三大沉積層序,其主要巖性分別為砂巖和礫巖、海相頁巖和薄層灰?guī)r、頁巖和砂巖[2,8]。法爾康盆地發(fā)育4套烴源巖,分別為上白堊統(tǒng)的La luna組黑色碳質(zhì)頁巖及石灰?guī)r、始新統(tǒng)Jarillal組和Misoa組泥巖、漸新統(tǒng)的Pecaya組碳質(zhì)泥巖、中新統(tǒng)Agua Salada組和Agua Clara組頁巖。盆地儲集層主要由下中新統(tǒng)Agua clara組Cauderalito段灰?guī)r、中中新統(tǒng)Socorro組砂巖和白堊系基底組成,平均孔隙度約為18%,滲透率變化范圍在0.031～0.370μm2[8]。盆地區(qū)域蓋層為下中新統(tǒng)Agua Clara組頁巖(圖2)[9-10]。盆地已探明石油儲量(2010年)為3.50×107t,天然氣儲量為2.95×109m3[2]。盆地待發(fā)現(xiàn)油氣資源量為9.5×108t。

圖1 法爾康盆地構造位置(據(jù)IHS[2],2008修改)

圖2 法爾康盆地地層綜合柱狀分析

2 重力場特征及地質(zhì)意義

本次研究所用重力數(shù)據(jù)是收集的地面重力、船測重力及衛(wèi)星重力的融合數(shù)據(jù)集(圖3),包括布格重力異常數(shù)據(jù)和自由空間異常數(shù)據(jù)。為了驗證所收集布格重力異常數(shù)據(jù)的可靠性,利用自由空間異常數(shù)據(jù)獨立計算了研究區(qū)范圍內(nèi)布格重力異常,并將其與收集的布格重力異常數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)兩者基本一致。由自由空間異常計算布格重力異常所用的中間層密度為2.67g/cm3。其中,進行海水改正的水深資料來源于美國斯克里普斯海洋研究所發(fā)布的海水深度數(shù)據(jù)。文中選擇了所收集的布格重力異常數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理解釋工作。

圖3 法爾康盆地重力、地震資料分布

為了研究重力異常的特征及地質(zhì)意義,先對收集的重力數(shù)據(jù)進行了網(wǎng)格化處理(克里金插值法,網(wǎng)格間距為2km),得到了法爾康盆地布格重力異常分布(圖4)。

圖4 法爾康盆地及鄰區(qū)布格重力異常分布(黑色邊框所圍即研究區(qū))

由圖4可以看出,研究區(qū)布格重力異常具有明顯的分區(qū)性,異常宏觀上呈NE走向,其中東北部列西托-波拉馬爾-米里米雷-庫馬雷奧港一線以東為布格重力異常高值區(qū),異常極大值約為75×10-5m/s2;列西托-米里米雷-庫馬雷奧港一線以西,異常值相對較低,異常極小值約為-75×10-5m/s2。研究區(qū)東部布格重力異常值變化幅度較大,而其它區(qū)域布格重力異常值變化相對平緩,重力高值帶與重力低值帶之間發(fā)育近NE向重力梯級帶。

根據(jù)CHULICK等[11]的研究,法爾康盆地東部莫霍面埋深較淺(約為30km);而其西部埋深較大(約為42km),布格重力異?？傮w趨勢可能反映了莫霍面的起伏特征。因此,為了準確研究盆地構造特征及構造單元,必須消除莫霍面起伏的重力效應。我們利用CHULICK等的莫霍面深度分析結(jié)果(圖5)對研究區(qū)的布格重力異常進行了莫霍面改正,進行莫霍面改正時選擇殼幔密度差為0.5g/cm3。圖6為莫霍面改正后的布格重力異常,由圖6可以看出,經(jīng)莫霍面改正后的布格重力異常宏觀上具有明顯的分區(qū)性,整體呈NE走向,呈現(xiàn)“兩低夾一高”的形態(tài)。在庫馬雷奧港-科羅-烏魯馬科-達瓦胡羅一線以北為一低值帶,在卡羅拉-波拉馬爾一線以南也為一低值帶,上述兩低值帶之間夾一重力異常高值帶,重力高與重力低之間發(fā)育密集梯度帶。

圖5 法爾康盆地及鄰區(qū)莫霍面深度平面顯示(黑色邊框所圍即研究區(qū)范圍,據(jù)CHULICK等[11]修改)

為了研究法爾康盆地的局部構造特征,應用解析延拓、滑動平均等多種方法對莫霍面改正后的布格重力異常進行了位場分離處理,結(jié)合已有的地震剖面及地質(zhì)資料對比分析上述方法的計算結(jié)果,得到了法爾康盆地的剩余重力異常。對比發(fā)現(xiàn)窗長為48km滑動平均法求取的剩余異常與前人對盆地內(nèi)的局部構造相關研究結(jié)果對應較好[5],因此,選用滑動平均窗長為48km剩余重力異常圖作為研究盆地內(nèi)局部構造的基礎圖件(圖7)。

圖6 法爾康盆地及鄰區(qū)莫霍面改正后布格重力異常分布(黑色線框所圍即研究區(qū)范圍)

圖7 法爾康盆地莫霍面改正后剩余重力異常分布(滑動平均法求取,窗長為48km)

法爾康盆地的基底主要由早白堊紀-侏羅紀的火山巖和變質(zhì)沉積巖組成,沉積蓋層主要包括始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)-下中新統(tǒng)和中-上中新統(tǒng)等三大沉積層序。對比研究區(qū)2條地震解釋剖面AA′,BB′(位置見圖7)與這2條剖面通過地段的剩余重力異常特征(圖8和圖9)發(fā)現(xiàn),剩余重力異常高低大體與白堊系底界起伏相對應,故剩余重力異?？赡苤饕从沉税讏紫档捉缙鸱卣鳌?/p>

圖8 AA′剖面重力異常擬合結(jié)果

圖9 BB′剖面重力異常擬合結(jié)果

同樣,剩余重力異常宏觀上呈現(xiàn)“兩低夾一高”的形態(tài),庫馬雷沃港-科羅-烏魯馬科-達瓦胡羅一線以北為剩余重力異常低值帶,在卡羅拉-波拉馬爾一線以南為剩余重力異常低值帶,上述兩低值帶間為剩余重力異常高值帶。剩余重力異常重力高、重力低反映了盆地基底白堊系底界隆起與凹陷構造,故認為研究區(qū)內(nèi)由南向北凹陷與隆起成帶分布,盆地南部、北部分別為NE向的凹陷帶,夾于該南北兩凹陷帶之間盆地中部為隆起構造。

3 斷裂構造

斷裂的發(fā)生使兩側(cè)巖層有明顯的密度差異,因而應用重力資料確定斷裂的分布特征有良好的地質(zhì)效果。前人應用重力資料確定斷裂構造形成系列方法技術[12-13]。為了研究法爾康盆地的斷裂分布特征,根據(jù)研究區(qū)實際地質(zhì)背景,借鑒前人經(jīng)驗,經(jīng)過對重力資料進行多種位場邊緣識別方法處理結(jié)果對比,對經(jīng)過莫霍面改正后的重力異常應用垂向二階導數(shù)(羅森巴赫Ⅱ式)、傾斜角(TA)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR)等方法處理識別斷裂構造。進一步推測確定斷裂先是在重力異?；A圖件(莫霍面改正后的布格重力異常圖和剩余重力異常圖)及各種轉(zhuǎn)換參數(shù)異常圖(傾斜角(TA)異常圖、垂向二階導數(shù)異常圖和歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR)異常圖)上識別出線性構造信息,并將不同圖件上反映的線性構造標繪出來,然后再結(jié)合區(qū)域地質(zhì)研究成果推斷出了法爾康盆地的斷裂構造[14-16](圖10)。

由圖10可以看出,法爾康盆地發(fā)育的斷裂具有以下特征:①盆地內(nèi)發(fā)育主要斷裂為NE向和NW向,此外還有一些切斷主要斷裂的近EW(NEE)向和近SN(NNE)向次級斷裂。斷裂構造發(fā)育規(guī)模大小不一。②盆地內(nèi)發(fā)育的NE向斷裂有7條,NW向斷裂有13條。法爾康盆地經(jīng)歷了中生代的裂谷構造等演化階段,在裂谷構造期間發(fā)育了大量的張性斷裂,地震AA′,BB′解釋剖面也顯示出了這些斷裂大部分切穿基底(圖8和圖9),同時這些斷裂在重力異常圖中反映為明顯的重力梯級帶或不同場區(qū)的分界,延伸距離長,為構成研究區(qū)構造單元及次級構造單元邊界的基底斷裂,控制著盆地邊界及盆地內(nèi)蓋層的發(fā)育。③近EW(NEE)向斷裂有4條,近SN(NNE)向斷裂有6條。為研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的次級斷裂,規(guī)模較小,切斷主要斷裂,可能為沉積層內(nèi)部斷裂。④引起盆地內(nèi)斷裂呈NE向和NW向展布的原因可能是由于晚始新世時,南美板塊北緣開始進入右旋走滑應力環(huán)境,在NE向滑動斷裂作用下,使得沿著委內(nèi)瑞拉北部近海地區(qū)形成了許多拉分盆地,同時在盆地內(nèi)形成了眾多NE向地塹(凹陷)和地壘(凸起)[1-3,6-10]。

圖10 法爾康盆地斷裂分布(紅線表示斷裂)a NVDR-THDR與斷裂疊合; b 垂向二階導數(shù)與斷裂疊合; c 傾斜角與斷裂疊合; d 剩余重力異常與斷裂疊合

4 基底特征

前人對法爾康盆地的基底特征做了一些研究,如BAQUERO等[17]和RODRGUEZ等[18]解釋了2條地震剖面AA′,BB′(測線位置見圖7),并確定了剖面通過地段的基底深度。由于法爾康盆地勘探程度低,為了在密度資料缺乏的情況下僅利用重力資料求取法爾康整個盆地的基底深度,以地震解釋深度作為約束條件,參考以往在多巴哥盆地的資料處理解釋經(jīng)驗[5],利用RGIS軟件對與地震剖面位置一致的剩余重力異常剖面進行擬合,獲得了盆地內(nèi)剖面通過地段地層密度與基底界面深度。擬合結(jié)果如圖8和圖9所示。擬合異常與實測異常吻合較好,盆地內(nèi)白堊系密度為2.30～2.43g/cm3,始新統(tǒng)密度為2.13～2.30g/cm3,漸新統(tǒng)密度為1.90～2.25g/cm3,中新統(tǒng)密度為2.10～2.23g/cm3。

為了對法爾康盆地的基底(白堊系底界)深度進行反演計算,根據(jù)盆地內(nèi)剩余重力異常的分區(qū)特征和地震剖面所在位置,將法爾康盆地分為3個區(qū)域(圖7),盆地南部的剩余異常低值帶(Ⅰ區(qū))、盆地中部的剩余異常高值帶(Ⅱ區(qū))以及盆地北部的剩余異常低值帶(Ⅲ區(qū))。

求取基底界面深度的常用方法主要有Parker法[4]和Parker-Oldenburg方法[19]?；咨疃惹笕∠壤肞arker法反演了盆地基底深度(圖11)。其中反演時選擇前人地震解釋剖面深度為平均深度,界面密度差參考前述重力異常擬合剖面得到的地層密度。為了分析利用Parker法反演基底深度的可靠性,將應用Parker法反演的基底深度與地震解釋的基底深度進行對比(表1),發(fā)現(xiàn)利用Parker法反演的基底深度與研究區(qū)Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)內(nèi)地震解釋深度差別較大,個別點誤差達到25%,而Ⅰ區(qū)差別較小。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,可能是由于Parker法主要適用于基底界面深度橫向差異較小的區(qū)域,研究區(qū)內(nèi)Ⅰ區(qū)重力異常比較平緩,基底深度橫向差異可能較小,故利用Parker法反演的基底深度與地震剖面解釋的基底深度之間的誤差較小;而Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)重力異常幅值變化相對較大,其基底深度橫向差異可能較大,故利用Parker法反演的基底深度與地震剖面解釋的基底深度誤差較大。顯然,利用Parker法求取整個研究區(qū)基底深度尤其是在盆地Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)內(nèi)的基底深度可能有一定的局限性。

圖11 法爾康盆地基底深度計算結(jié)果(Parker法[4])

表1 利用Parker法計算的基底深度與地震解釋的深度對比

為了提高基底深度反演精度,參考前人相關研究成果[5,20-22],利用相關分析法分別計算了地震解釋深度與剖面所在位置的布格重力異常、區(qū)域重力異常和剩余重力異常之間的相關性,發(fā)現(xiàn)地震解釋深度與滑動平均法(窗長為48km)得到的剩余重力異常相關性最好,其相關性均大于0.80,雙側(cè)顯著性為0。故分別選取線性函數(shù)、三次函數(shù)及四次函數(shù)、五次函數(shù)進行剩余重力異常與地震解釋深度的回歸分析,獲得了剩余重力異常與地震解釋深度之間的回歸關系(圖12)。分析不同函數(shù)關系的回歸結(jié)果,選擇計算Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)基底公式分別如下:

H1=-0.0797713712987623Δg+
3.45386085849795(R2=0.819)

(1)

H2=0.00801347098766256Δg3-
0.168884422286391
Δg2-1.14366174584337Δg-
1.310484034377799(R2=0.994)

(2)

H3=-0.0000429799905551698Δg3+
0.0002388481675369Δg2-
0.0133272757627138Δg+
2.86387398768(R2=0.973)

(3)

上述公式中:H代表基底深度,單位為km;Δg代表剩余重力異常值,單位為mGal。

圖12 Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)剩余重力異常與地震解釋深度關系

應用回歸公式計算基底深度結(jié)果如圖13所示。同樣,將利用相關分析法計算的基底深度結(jié)果與地震解釋深度進行比較,結(jié)果如表2所示。

圖13 法爾康盆地基底深度計算結(jié)果(相關分析法)

由表1和表2對比結(jié)果可以看出,利用相關分析法計算的Ⅰ區(qū)的基底深度誤差明顯大于利用Parker法計算的基底深度誤差,而Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的相關分析法計算的基底深度誤差明顯小于Parker法。故最終基底深度結(jié)果Ⅰ區(qū)采用Parker法計算的結(jié)果,而Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)則采用相關分析法的計算結(jié)果(圖14)。

圖14 法爾康盆地基底深度分析

表2 相關分析法基底深度計算結(jié)果與地震解釋深度對比

由圖14可以看出,法爾康盆地基底深度在盆地中部較淺,而南部、東部及北部相對較深。根據(jù)前述斷裂推斷結(jié)果,由于法爾康盆地中部可能為正斷層形成的地壘(隆起)構造,故盆地中部基底深度較淺,一般為3800～4600m。盆地北、南兩側(cè)凹陷位于斷層的下降盤,可能為地塹構造,其基底深度相對較大,分別為4400～6000m與3900～4700m。

5 構造單元劃分及油氣有利區(qū)預測

根據(jù)重力異常特征、前述確定的斷裂展布特征及反演計算的基底深度結(jié)果,結(jié)合前人研究成果對法爾康盆地進行構造單元劃分。盆地內(nèi)依次可劃分為6個次級構造單元,即東部凹陷、西部凹陷、南部凹陷、北部凹陷、東南凹陷及中部隆起(圖15)。

圖15 法爾康盆地構造單元劃分示意

中部隆起為斷層形成的地壘構造,可能發(fā)育基底斷壘、斷鼻及斷背斜等圈閉構造,并且中部隆起南北兩側(cè)為凹陷區(qū)(次盆),凹陷區(qū)沉積層厚度大,烴源巖發(fā)育,凹內(nèi)油氣可能向構造高點運移即向中部隆起運移。此外,目前已發(fā)現(xiàn)的油氣田多位于中部隆起區(qū)西南部(卡羅拉西側(cè)),且其普遍發(fā)育優(yōu)質(zhì)的白堊統(tǒng)、始新統(tǒng)烴源巖,始新統(tǒng)-中新統(tǒng)高孔高滲儲層及中新統(tǒng)的區(qū)域性蓋層。

為了進一步預測油氣有利區(qū),應用盆地模擬軟件,結(jié)合現(xiàn)有資料重點分析了法爾康盆地3個構造單元的成熟度演化特征,分別得到了北部凹陷、中部隆起及南部凹陷白堊系和始新統(tǒng)烴源巖隨時間演化的成熟度史(圖16、圖17及表3)。其中,地質(zhì)年代參數(shù)、地層巖性參數(shù)參考IHS資料[2];TOC含量、平均IH含量、古水深、古熱流值參考BOESI等[3]和MONTERO-SERRANO等[23]研究結(jié)果。模擬結(jié)果表明,北部凹陷、中部隆起區(qū)及南部凹陷不同時期烴源巖進入各階段門限的時間存在一定差異。

圖16 AA′剖面有機質(zhì)成熟度演化剖面(測線位置見圖7)a 66Ma成熟度剖面; b 56Ma成熟度剖面; c 33.9Ma成熟度剖面; d 23.3Ma成熟度剖面; e 5.3Ma成熟度剖面; f 現(xiàn)今成熟度剖面

對比上述3個構造單元白堊系烴源巖進入生烴門限(Ro=0.5%)的時間,發(fā)現(xiàn)中部隆起區(qū)與北部凹陷進入生烴門限的時間為66Ma,且后續(xù)地層沉降較為完整,從而形成了以上覆始新統(tǒng)為儲層、中新統(tǒng)為區(qū)域性蓋層的成藏組合,且現(xiàn)今白堊系烴源巖處于生干氣階段;南部凹陷白堊系烴源巖進入生烴門限相對較晚,為56Ma,現(xiàn)今處于生干氣階段,形成了以中新統(tǒng)為儲層及區(qū)域性蓋層的成藏組合。同樣,對比上述各構造單元始新統(tǒng)烴源巖進入生烴門限的時間,發(fā)現(xiàn)中部隆起區(qū)進入生烴門限的時間早于其它兩個構造單元,且現(xiàn)今大部分始新統(tǒng)烴源巖均已成熟,成熟度為0.5%～1.3%,有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型,少量為Ⅲ型,以生油為主,形成了以中新統(tǒng)為儲層及區(qū)域性蓋層的成藏組合。北部、南部凹陷內(nèi)油氣向中部隆起區(qū)運移,因此認為盆地中部隆起區(qū)油氣地質(zhì)條件有利,應為進一步勘探的重點有利區(qū);北部凹陷和南部凹陷沉積層發(fā)育,具備油氣生成條件,為較有利區(qū),也值得進一步關注(圖18)。

圖17 BB′剖面有機質(zhì)成熟度演化剖面(測線位置見圖7)a 66Ma成熟度剖面; b 56Ma成熟度剖面; c 33.9Ma成熟度剖面; d 23.3Ma成熟度剖面; e 5.3Ma成熟度剖面; f 現(xiàn)今成熟度剖面

表3 法爾康盆地各構造單元烴源巖成熟度史對比

圖18 法爾康盆地油氣有利區(qū)預測

6 結(jié)論

1) 法爾康盆地的莫霍面改正后布格重力異常具有明顯的分區(qū)性,異常呈“兩低夾一高”的形態(tài),其變化幅值高達80×10-5m/s2以上。盆地內(nèi)斷裂發(fā)育,主要斷裂呈NE及NW走向,控制著盆地范圍和盆地內(nèi)蓋層的發(fā)育。

2) 法爾康盆地的基底起伏較大。中部隆起區(qū)及東南凹陷基底埋深相對較淺,深度為3800～4600m。北部凹陷、南部凹陷及東部凹陷基底埋深相對較深,深度在4400～6000m。

3) 法爾康盆地可劃分為東部凹陷、西部凹陷、南部凹陷、北部凹陷、東南凹陷及中部隆起6個次級構造單元。其中,盆地中部隆起區(qū)油氣地質(zhì)條件有利,應是下一步開展油氣勘探的重點區(qū)域。

4) 法爾康盆地石油勘探程度低,地震資料少,能夠在該盆地利用地表重力、船測重力及衛(wèi)星重力資料,結(jié)合以往區(qū)域地質(zhì)、石油地質(zhì)、少量二維地震成果確定研究區(qū)的構造體系、反演計算研究區(qū)基底埋深及構造單元劃分、預測油氣有利區(qū)等。本文研究成果對研究區(qū)油氣勘探具有一定參考意義,同時對在類似地區(qū)的油氣勘探工作也有一定方法技術上的借鑒意義。