巖漿侵入作用對(duì)不同成熟度烴源巖熱演化的影響
——以方正斷陷和綏濱坳陷為例

馮 祿，曾花森，王洪偉

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

巖漿侵入對(duì)烴源巖成熟度的影響已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道[1-5]，但對(duì)其影響范圍不同學(xué)者大致給出了兩種不同的研究結(jié)果。一種是影響范圍較大，如美國(guó)德克薩斯州Delaware盆地巖漿侵入體對(duì)圍巖成熟度的影響范圍相當(dāng)于侵入體厚度的2倍左右[1]；冀中葛漁城—文安地區(qū)蘇401井輝綠巖侵入體對(duì)石炭—二疊系煤系烴源巖成熟度的影響范圍大約是侵入體厚度的2～2.7倍[2]。另一種是影響范圍較小，如大西洋東部深海鉆探計(jì)劃(DSDP)41-368鉆孔，其基性巖侵入體對(duì)白堊系黑色頁(yè)巖成熟度影響范圍僅相當(dāng)于侵入體厚度的 1～2/3[3]；澳大利亞Gunnedah盆地北部鉆井輝綠巖侵入體對(duì)三疊系烴源巖成熟度的影響范圍大約是侵入體厚度的1倍左右[4]；臨盤油田夏38井輝綠巖侵入體對(duì)沙河街組三段烴源巖成熟度的影響范圍與侵入體厚度大致相當(dāng)[5]。為什么相同巖性的巖漿侵入體(如輝綠巖)對(duì)烴源巖熱力烘烤范圍不同，國(guó)內(nèi)外學(xué)者尚未得出明確的認(rèn)識(shí)。

巖漿侵入熱烘烤作用提高了烴源巖的成熟度，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的生烴演化進(jìn)程[6-9]。深入研究巖漿侵入后烴源巖的成熟演化規(guī)律，客觀地預(yù)測(cè)烴源巖的有效生烴范圍，對(duì)于評(píng)價(jià)研究區(qū)的油氣資源潛力具有重要的實(shí)踐意義。本文以黑龍江省東部方正斷陷古近系烴源巖和綏濱坳陷白堊系烴源巖為例，通過研究巖漿侵入后對(duì)不同成熟階段的烴源巖的烘烤厚度及生烴的影響，揭示了相同巖性侵入體熱作用影響烴源巖縱向成熟度范圍的一般規(guī)律，指出烴源巖成熟背景或成巖階段是導(dǎo)致侵入體烘烤范圍(烘烤厚度/侵入體厚度)差異性的重要因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黑龍江省東部發(fā)育眾多沉積盆地，根據(jù)盆地地層與構(gòu)造特征，可劃分為以方正斷陷為代表的繼承型盆地和以綏濱坳陷為代表的殘余型盆地兩種類型(圖1)。

方正斷陷屬依—舒地塹中的一個(gè)負(fù)向構(gòu)造單元，面積約1 460 km2，最大沉積厚度超5 km。該斷陷自下而上發(fā)育白堊系，古近系新安村—烏云組、達(dá)連河組、寶泉嶺組，新近系富錦組和第四系，從古近紀(jì)至新近紀(jì)基本為連續(xù)沉積，呈現(xiàn)繼承型盆地的發(fā)育特征。巖漿侵入的層位為寶泉嶺組一段中部，巖性為輝綠巖。構(gòu)造與沉積研究表明，寶泉嶺組為走滑構(gòu)造層，以辮狀河三角洲和濱淺湖、湖相沉積為主，區(qū)域分布具有東厚西薄的特征。

圖1 黑龍江省東部沉積盆地及取樣井位分布Fig.1 Basins in eastern Heilongjiang proviance and well locations in the study area

綏濱坳陷面積為6 440 km2，最大沉積厚度可達(dá)6 km,自下而上主要發(fā)育中侏羅統(tǒng)綏濱組，上侏羅統(tǒng)東榮組，下白堊統(tǒng)城子河組、穆棱組和東山組，新近系富錦組和第四系。白堊紀(jì)至新近紀(jì)發(fā)生沉積間斷和抬升剝蝕，呈現(xiàn)殘余型盆地發(fā)育特征。巖漿侵入的層位為城子河組中下部。構(gòu)造與沉積研究揭示，早白堊世發(fā)生海退，在城子河組和穆棱組沉積了一套以煤系地層為特征的砂、泥巖夾煤層沉積，沉積層具有西厚東薄的特點(diǎn)。早白堊世晚期東山組沉積期，火山活動(dòng)強(qiáng)烈，推測(cè)巖漿侵入體與該期火山活動(dòng)有關(guān)。

2 樣品選取及實(shí)驗(yàn)分析

在侵入體的上下圍巖內(nèi)對(duì)烴源巖進(jìn)行密集取樣，其中方正斷陷方20井在寶泉嶺組一段(305～2 360.4 m)取烴源巖樣品176份；綏濱坳陷濱2井在城子河組(1 083～2 344 m)取烴源巖樣品88份。巖石樣品經(jīng)過去污染處理后，開展了巖石有機(jī)碳、巖石熱解分析(Rock-Eval)和鏡質(zhì)組反射率(Ro)等測(cè)定。各項(xiàng)分析執(zhí)行國(guó)內(nèi)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)及石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 巖漿侵入對(duì)烴源巖成熟作用的影響

3.1 方正斷陷巖漿侵入的影響

3.1.1 方20井烴源巖地球化學(xué)特征

方20井寶泉嶺組一段烴源巖以暗色泥巖為主，地球化學(xué)分析結(jié)果表明，泥巖有機(jī)碳含量介于0.74%～4.45%，平均為2.27%；生烴潛量介于0.23～7.05 mg/g，平均為3.12 mg/g；氫指數(shù)介于8.90～238.27 mg/g，平均為130.39 mg/g；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ—Ⅲ型。

3.1.2 侵入體對(duì)烴源巖成熟度及生烴演化的影響

方20井寶泉嶺組一段巖石處于早成巖作用階段(圖2)，烴源巖成熟度區(qū)域背景值總體偏低，Ro一般小于0.6%，最高裂解峰溫(Tmax)一般小于440 ℃，產(chǎn)烴指數(shù)(PI)一般小于0.1，隨埋深增加各項(xiàng)參數(shù)雖然有逐漸增大的趨勢(shì)，但烴源巖總體處于未熟—低熟階段。在輝綠巖侵入體(井段：1 104～1 254 m，厚度150 m)上下臨近的烴源巖中，成熟度具有明顯增大的特征(圖2)。侵入體上部烴源巖成熟度異常井段為1 104～952 m，厚度為152 m，Ro最大達(dá)2.5%，遠(yuǎn)離侵入體，Ro逐漸降低至背景值；Tmax和PI呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，最大值分別為480 ℃和0.33，兩項(xiàng)參數(shù)降低為背景值的深度與Ro接近背景值的深度一致。侵入體下部烴源巖成熟度異常井段為1 254～1 390 m，厚度為136 m，Ro最大值為2.5%，遠(yuǎn)離侵入體Ro也逐漸降低至背景值；Tmax與PI的變化趨勢(shì)也是先增大后降低，最大值分別為456 ℃和0.34，兩項(xiàng)參數(shù)降低為背景值的深度也與Ro接近背景值的深度對(duì)應(yīng)?？傮w來看，該井巖漿侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍大約是侵入體厚度的1倍左右，其中上部影響范圍略大于下部。由于巖漿侵入的熱促進(jìn)作用，臨近侵入體的烴源巖從未熟—低熟進(jìn)入成熟—高成熟演化階段，為本地區(qū)油氣層的形成提供了潛在的油氣來源(圖2)。

圖2 方正斷陷方20井寶泉嶺組地球化學(xué)剖面Fig.2 Geochemical profile of well Fang-20 in Baoquanling Formation,Fangzheng Fault Depression

3.2 綏濱坳陷巖漿侵入的影響

3.2.1 濱2井烴源巖地球化學(xué)特征

濱2井城子河組以煤系地層為主，發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層三類烴源巖。泥巖有機(jī)碳含量為0.29%～9.68%，平均為2.76%；生烴潛量為0.04～5.22 mg/g，平均為0.83 mg/g；氫指數(shù)為2.33～86.38 mg/g，平均為28.66 mg/g；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。碳質(zhì)泥巖和煤層有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較高，有機(jī)碳含量分別為11.44%～36.41%和41.69%～78.32%，平均值分別為20.98%和51.84%；生烴潛量分別為0.13～16.65 mg/g和1.11～54.99 mg/g，平均值分別為4.12 mg/g和22.63 mg/g；氫指數(shù)分別為0.35～85.81 mg/g和0.81～86.96 mg/g，平均值分別為18.28 mg/g和40.07 mg/g；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。

3.2.2 侵入體對(duì)烴源巖成熟度及生烴演化的影響

濱2井城子河組巖石處于中成巖晚期—晚成巖階段(圖3)，烴源巖成熟度區(qū)域背景值總體較高，Ro一般大于1.0%，Tmax一般大于450 ℃，PI一般大于0.1，反映烴源巖處于成熟—高成熟階段。與方20井類似，在輝綠巖侵入體(井段為1 900～2 000 m，厚度100 m)上下臨近的烴源巖中，成熟度表現(xiàn)出明顯增大的特征。侵入體上部烴源巖成熟度異常井段為1 900～1 720 m，厚度180 m，Ro最大值為3.8%，遠(yuǎn)離侵入體Ro逐漸降低至背景值；Tmax和PI呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，最大值分別為540 ℃和0.40，兩項(xiàng)參數(shù)降低為背景值的深度與Ro接近背景值的深度一致。侵入體下部烴源巖成熟度異常井段為2 000～2 180 m，厚度180 m，Ro最大值為4.0%，遠(yuǎn)離侵入體Ro逐漸降低至背景值；Tmax和PI也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，最大值分別為540 ℃和0.58，兩項(xiàng)參數(shù)降低為背景值的深度與Ro接近背景值的深度一致。侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍大致是侵入體厚度的1.8倍，其中上部影響范圍與下部基本一致(圖3)。由于巖漿侵入熱作用，臨近侵入體的烴源巖從成熟進(jìn)入到高—過成熟演化階段，有利于煤層和煤系烴源巖生成天然氣，這對(duì)該區(qū)煤型氣的勘探具有重要意義。

圖3 綏濱坳陷濱2井城子河組地球化學(xué)剖面Fig.3 Geochemical profile of well Bin-2 in Chengzihe Formation,Suibin Sag

4 巖漿侵入對(duì)烴源巖熱作用結(jié)果討論

4.1 侵入體規(guī)模、巖性和溫度的影響

巖漿侵入熱變質(zhì)作用對(duì)圍巖成熟度的影響程度及范圍，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多關(guān)注侵入體巖性、密度、溫度和規(guī)模等因素的影響[10-17]，一般認(rèn)為侵入體的初始溫度越高，侵入體的厚度越大，熱作用的范圍就越廣。對(duì)于侵入體的橫向發(fā)育規(guī)模對(duì)成熟度的影響鮮有人討論，其原因可能是由于較難掌握地下侵入體的橫向發(fā)育規(guī)模。而侵入體橫向發(fā)育規(guī)模往往與侵入體的厚度正相關(guān)，因此并不影響我們只從侵入體的厚度來考察其熱烘烤效應(yīng)。本次研究和前人的認(rèn)識(shí)[1-5]均表明(表1)，相同巖性巖漿侵入體的熱作用(基性巖或輝綠巖巖漿的初始溫度大約為1 000～1 255 ℃)對(duì)不同烴源巖的熱烘烤范圍明顯不同。濱2井侵入體規(guī)模小(厚度為100 m)，但縱向烘烤厚度較大(厚度180 m)；而方20井侵入體規(guī)模雖大(厚度150 m)，但縱向烘烤厚度較小(厚度為150 m)，表明侵入巖對(duì)圍巖熱蝕變的影響程度及范圍除受侵入體自身的影響外，還受其他因素控制。王民等[10]研究認(rèn)為，侵入體熱蝕變的強(qiáng)度除了與侵入體的厚度、溫度有關(guān)外，還可能與圍巖中熱傳遞有關(guān)。因此，考慮侵入體對(duì)烴源巖的熱作用影響，需要綜合考慮圍巖的物理化學(xué)特征及其熱傳導(dǎo)特征。

4.2 圍巖成巖階段與巖石熱導(dǎo)率、比熱容的影響

巖石中熱傳導(dǎo)遵循能量守恒定律的熱傳導(dǎo)方程[10,12-13]，巖漿侵入后熱量在圍巖中的熱傳導(dǎo)距離與巖石熱導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，與巖石密度和巖石比熱容呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圍巖的成巖階段或巖性特征，為揭示巖漿侵入熱作用范圍的差異性提供了新思路。

表1 不同沉積盆地巖漿侵入體特征與圍巖成熟度數(shù)據(jù)Table 1 Igneous intrusion characters and corresponding ambient source rock maturity from different basins

圖4 方正斷陷方20井(a)和綏濱坳陷濱2井(b)埋藏史與熱演化史Fig.4 Burial and thermal histories of well Fang-20 (a) in Fangzheng Fault Depression and well Bin-2 (b) in Suibin Sag

方20井埋藏史和熱演化史恢復(fù)結(jié)果(圖4a)表明，該井經(jīng)歷的古地溫較低，有機(jī)質(zhì)Ro區(qū)域背景值普遍小于0.6%，巖漿侵入時(shí)烴源層處于早成巖階段(輝綠巖鉀氬法同位素確定侵入時(shí)間為17.7 Ma)。早成巖階段，巖石熱導(dǎo)率一般較低[18]，造成熱傳導(dǎo)距離小。此時(shí)沉積巖孔隙度較高、含水量較大，由于水的比熱容[(4 200 J/(kg·K)]遠(yuǎn)高于圍巖比熱容[18]，帶走大量熱能，導(dǎo)致侵入體熱變質(zhì)影響范圍小。此外，早成巖階段巖石可能處于一個(gè)相對(duì)開放或半開放的環(huán)境[5]，孔隙流體對(duì)流循環(huán)會(huì)將侵入體的熱能傳遞到更遠(yuǎn)的部位，而減少了對(duì)圍巖的熱影響。相似的侵入背景(表1)可見于大西洋東部深海鉆探計(jì)劃的41-368鉆孔[3]、澳大利亞Gunnedah盆地[4]以及臨盤油田夏 38 井區(qū)[5]，這些地區(qū)侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍均為侵入體厚度的1倍左右。與之相比，濱2井埋藏史和熱演化史恢復(fù)結(jié)果(圖4b)表明，其經(jīng)歷的古地溫較高，有機(jī)質(zhì)Ro區(qū)域背景值普遍大于1.0%，巖漿侵入時(shí)(96～101 Ma)[19]圍巖處于中成巖晚期—晚成巖早期階段(烴源巖處于成熟—高成熟階段)。該階段巖石熱導(dǎo)率較高[18]，侵入體熱傳導(dǎo)距離大；此時(shí)巖石孔隙度一般較小、含水量較少，巖石比熱容相對(duì)較低，巖石升溫需要熱能小，造成侵入體熱變質(zhì)影響范圍大。此外，成巖階段巖石孔隙流體封閉性較強(qiáng)，圍巖中的熱傳導(dǎo)受孔隙流體對(duì)流循環(huán)的影響小，有利于增大侵入體對(duì)圍巖的熱效應(yīng)。相似的侵入背景可見于德克薩斯州Delaware盆地[1]以及冀中葛漁城—文安地區(qū)[2](表1)，這些地區(qū)侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍均為侵入體厚度的2倍左右。

5 結(jié)論

巖漿侵入熱變質(zhì)作用對(duì)圍巖中有機(jī)質(zhì)成熟度的影響程度及范圍，不但受侵入體巖性、密度、溫度和規(guī)模等因素的影響，還與圍巖的性質(zhì)或熱傳導(dǎo)有關(guān)。處于早成巖作用階段(烴源巖為未熟—低熟)的沉積巖巖石熱導(dǎo)率低、巖石比熱容高，導(dǎo)致巖漿侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍較小，一般是侵入體厚度的1倍左右，Ro最高可達(dá)2.5%左右；處于中成巖晚期—晚成巖早期階段(烴源巖為成熟—高成熟)的沉積巖巖石熱導(dǎo)率較高、巖石比熱容低，導(dǎo)致巖漿侵入體對(duì)烴源巖成熟度的影響范圍較大，一般為侵入體厚度的2倍左右，Ro最高可達(dá)4.0%左右。

致謝：本文初稿完成后，得到吉林大學(xué)王璞珺教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)侯讀杰教授的指導(dǎo)并提出寶貴的修改意見，在審稿過程中相關(guān)專家對(duì)本文的完善給予了許多寶貴的意見，在此致以衷心感謝！