北黄海东部次盆地构造热机制与成烃效应

Tectono-thermal mechanism and hydrocarbon generation action in the North Yellow Sea Eastern Sub-basin

摘要

北黄海东部次盆地属于中新生代小型叠合断陷盆地,是我国海域勘探程度较低的一个盆地,对其经历的复杂构造-热演化史尚未有相关研究。本文利用镜质体反射率(R_o)和磷灰石裂变径迹(AFT)两种古温标进行多方法的热史模拟,获得了盆地中新生界的热流史及地温梯度的变化,并恢复了盆地的剥蚀量及抬升剥蚀过程,在此基础上研究了盆地内烃源岩的热演化历史。结果表明,东部次盆地从中侏罗世至今,经历了古热流由高(75~90 mW/m²,120~100 Ma)到低(60 mW/m²,40 Ma),然后再升高至现今(70 mW/m²)的过程,且早期(100~70 Ma)降温缓慢,后期(70~40 Ma)降温快速。古地温梯度相应地呈现由高(34~36 ℃/km)到低(23 ℃/km),再升高(28 ℃/km)的变化趋势。 东部次盆地晚白垩世之前的古地温梯度和古热流高于现今的地温梯度和热流,这与盆地由断陷阶段-坳陷阶段的演化过程一致。东部次盆地晚白垩世—始新世经历了较强的抬升剥蚀,地层的剥蚀厚度为1.0~1.5 km,在100~90 Ma地层沉积开始缓慢或停止,明显的剥蚀过程发生在85~40 Ma,其中70~40 Ma为快速剥蚀阶段。东部次盆地的构造热演化史影响了盆地内烃源岩的生烃过程。中上侏罗统两套烃源岩都存在早期(晚侏罗世—早白垩世)生烃过程,在中部坳陷内的主体生烃坳陷,晚白垩世—始新世地层剥蚀厚度较小,且渐新世之后地层沉积厚度较大,现今能够达到的地温也越高,有利于烃源岩晚期生烃,证实了该盆地具有一定的勘探潜力,应围绕主体生烃坳陷寻找有利成藏区。

关键词

东部次盆地 / 磷灰石裂变径迹 / 镜质体反射率 / 构造热演化史 / 成烃效应

Key words

Eastern Sub-basin / apatite fission track / vitrinite reflectance / tectonic-thermal history / hydrocarbon generation action

0 引言

沉积盆地中油气的形成、运移、聚集乃至油气藏的形成和破坏都与盆地的地温条件及热历史演化密切相关, 盆地热演化史在盆地油气成藏及油气评价中发挥了重要作用^[1⇓⇓-4]。沉积盆地一般都经历沉降沉积(增温)和抬升剥蚀(降温)等复杂的温度变化过程^[5-6],因而自然界中烃源岩的埋藏过程并非持续进行,抬升和剥蚀导致的烃源岩退火之后再生烃的现象十分普遍。烃源岩所经历的复杂生烃过程影响了油气的排出与运移、油气成藏关键时期和油气藏在空间的分布等^[7]。因此,研究沉积盆地构造热机制与成烃效应之间的关系有着重要的意义。

北黄海海域是我国迄今为止勘探程度较低的一个海域。近年来,我国在北黄海东部次盆地实施了多项综合地球物理调查和钻探工作,关于东部次盆地诸多油气地质条件的认识有了实钻资料依托。受基础资料的限制,以往对北黄海东部次盆地构造热演化史及成烃特征的研究有限^[8-9]。国外有学者曾给出该盆地邻区晚白垩世—始新世地层的剥蚀厚度高达5 000 m,由此认为中生界侏罗系烃源岩在沉积以后很快就进入生烃门限,并在白垩世达到生烃高峰^[10-11],但是目前我们的勘探现状并不支持这一结论。东部次盆地经历了多期构造变动,受强烈断陷和大规模坳陷影响,盆地内的构造变动较强烈,从而导致盆地内构造热历史的复杂化,也因此对烃源岩生排烃过程产生了很大影响。目前所钻探井中已经发现了上侏罗统烃源岩生成的原油^[12],尽管现今钻井的地温测试显示,东部次盆地为正常地温梯度盆地,但是在地质历史时期中古地温场的情况并不清楚。目前尚不清楚东部次盆地这类经过长期构造反转(约60 Ma的抬升间断)的小型断陷盆地的构造热历史对其内烃源岩成烃效应的影响。

本文在系统采集样品,并在所获得的镜质体反射率和磷灰石裂变径迹这两种有效古温标数据的基础上,运用综合模拟手段,重建了东部次盆地热演化历史,探讨了盆地的构造热演化特征,并模拟了主要钻井中生界烃源层的热演化史,探讨了其在复杂的构造热历史条件下的成烃特征,为评价该盆地的油气资源潜力和确定后续勘探部署思路提供了基础支撑。

1 地质背景

北黄海东部次盆地是在华北地台区域隆起背景之上发育的一个中新生代陆相断陷盆地,基底主要为太古宇-下元古界变质岩和中上元古界-寒武系碳酸盐岩、板岩等。该盆地自中侏罗世以来开始沉降接受沉积,自下而上发育中侏罗统、上侏罗统、下白垩统、渐新统和新近系-第四系^[13]。东部次盆地现今呈“三坳四隆”的构造格局,即中部坳陷、东部坳陷、西部坳陷、中部隆起、东部隆起、西部隆起和北部隆起,其中位于盆地中部的中部坳陷面积约2 000 km²,是东部次盆地的主体坳陷(图1)。

东部次盆地经历多期构造运动,形成了多旋回的构造-沉积组合,盆地内的中新生界可划分为中上侏罗统、下白垩统、古近系和新近系4个构造层序。东部次盆地的构造演化经历了中侏罗世—早白垩世初始拉张裂陷阶段、晚白垩世—始新世抬升剥蚀阶段、渐新世拉张裂陷阶段、渐新世末—早中新世挤压阶段和中中新世—第四纪区域沉降阶段5个主要的演化阶段^[14]。中新生代不同盆地演化机制的叠加造就了东部次盆地复杂的地层组合和地质结构,由此导致不同类型盆地的纵向叠置,是较典型的中—新生代叠合盆地。中晚白垩世—始新世,盆地处于构造抬升阶段,造成了盆地内上白垩统-始新统的严重剥蚀,抬升时间长约60 Ma^[15-16]。

钻井揭示,东部次盆地内发育了中生界中上侏罗统两套主要的烃源岩。中侏罗世处于湖盆的初始断陷期,半深湖-深湖亚相发育,仅在坳陷边缘见少量小规模的扇三角洲沉积。受边界断层等的限制,中侏罗统分布局限,以深灰色泥岩为主,夹薄层粉砂岩、泥质粉砂岩,局部有火成岩侵入,厚度为0~1 400 m;晚侏罗世处于断陷扩展期,整体为一个完整的湖进-湖退旋回,早期北部缓坡发育三角洲沉积,南部及东部陡坡见扇三角洲沉积,中后期则由于湖平面上升,发育暗色泥岩为主的湖泊沉积,晚期北部缓坡见小规模三角洲前缘沉积。上侏罗统岩性主要为粉细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和深灰色泥岩,自下而上组成水体变深的正旋回沉积序列,厚度为350~1 200 m,其中暗色泥岩厚度为0~600 m^[17]。

2 研究方法与样品测试分析

2.1 研究方法

目前,国际上关于盆地热历史恢复的方法总体上可以分为两大类,即古温标法和地球动力学方法^[18]。基于古温标的盆地热史恢复方法主要有3种:随机反演法、古地温梯度法和古热流法^[19-20],这3种方法各有利弊。镜质体反射率(R_o)和磷灰石裂变径迹(AFT)是目前最常用的两种古温标,在利用古温标进行古地温模拟计算时,可以用镜质体反射率等实测数据来检验模拟结果,因而被认为是研究精度较高的方法^[21]。盆地演化的热动力学模型是不同学者基于各类盆地的研究而建立起来的,因此,具有不同的适用范围,主要可以分为拉张模型、挤压模型和剪切模型,关键是根据盆地性质、地球物理和地球化学等资料,确定盆地成因类型,进而选择适当的盆地模型^[22-23]。

由于北黄海东部次盆地属于中新生代叠合盆地,经历了断陷-坳陷的演化过程,中间有较长时期的抬升剥蚀过程,构造演化史较复杂,因此,本研究通过组合镜质体反射率(R_o)和磷灰石裂变径迹(AFT)两种古温标样品和系统结合多种热史恢复方法,来恢复研究区的埋藏史和热史,达到既恢复晚期热史,又得到早期热史;既恢复研究区热流史,又得到地层埋藏史的研究目的。

2.2 样品测试

镜质体反射率样品来源于研究区近年钻探的5口探井的岩心和岩屑样品,测试获得镜质体反射率数据共54个。

磷灰石裂变径迹样品采自4口探井,共测试11个样品,其中2个样品没有测得长度数据(表1)。所有样品均在中国科学院高能物理研究所进行了磷灰石样品的AFT测试分析。具体测试流程与文献[24]一致。

2.3 数据分析

镜质体反射率实测数据见图2。整体趋势上,镜质体反射率(R_o)与样品所处的深度呈较好的正相关关系。当深度为2 500 m时,R_o值在0.5%左右;深度为3 100~3 300 m时,R_o值在0.7%左右;深度为3 600~4 000 m时,R_o值为0.8%~1.0%;深度超过4 300 m,R_o值超过1.2%。本次实测数据反映的R_o和深度的对应关系,也反映了研究区烃源岩的成熟度现状。

样品的磷灰石裂变径迹的年龄分布和平均径迹长度的分布见图3。样品的径迹长度及其分布形态、径迹长度标准差等径迹数据反映了样品通过退火区的冷却信息^[25]。测试数据表明,无论是年龄数据还是长度数据,以2 000 m深度为界,分为上下两部分。裂变径迹表观年龄在2 000 m深度以上有随深度增加的趋势,在2 000 m深度以下,裂变径迹表观年龄有随深度减小的趋势。所有测试样品的裂变径迹长度都小于初始裂变径迹平均长度16.3 μm。在2 000 m深度以上,裂变径迹长度与深度关系不明显,在2 000 m深度以下,裂变径迹长度有随深度增加而减小的趋势。在浅部样品中,碎屑AFT颗粒年龄的分布有可能相当分散,这些年龄的差异反映了不同剥蚀历史的源区的差异^[26-27]。各单颗粒年龄的差别属于统计误差,具有单一的年龄平均值,且多数样品的径迹长度呈现为单峰,表明样品经过单一的冷却过程。2 000 m界面代表研究区中-新生界分界面:界面以上新生界的样品,磷灰石裂变径迹年龄大于地层年龄且随深度增加而变老,反映出来自物源区的磷灰石裂变径迹未发生完全退火,较老的颗粒较早剥蚀而发生沉积,沉积于新地层底部,从而具有更老的年龄,后期剥蚀的颗粒沉积于新地层的上部,从而具有较小的年龄;界面以下中生界的样品,裂变径迹年龄小于地层年龄,且随深度增加而变小,反映出地层抬升的信息,同时也表明现今埋藏深度未到磷灰石退火带,因而保留了早期抬升的信息。

以上数据分析表明,本次研究所测样品的磷灰石裂变径迹可以反映研究区的热史信息。此外,从不同样品的磷灰石裂变径迹长度分布可以看出(图4),不同样品的长度分布模式相似,反映其经历的热历史路径类似,同时不同样品数量最多的径迹长度又有所差别,反映其经历的温度并不相同。

3 热史模拟

3.1 镜质体反射率热史模拟

研究区实测温度数据有限(表2),3口探井油层实测温度为68~86.2 ℃。一般来讲,试油温度或随钻温度所计算的地温梯度比实际的稳态温度要低,BHT数据有可能偏低10~15 ℃,据此推测研究区的地温梯度在30℃/km左右。前人据地层埋藏史推断盆地坳陷区现今地层温度应是地质历史上的最高温度,目前的镜质体反射率梯度应与地温梯度一致^[28]。

本研究利用古地温梯度法^[29]进行了单井热史恢复,并依据下伏构造层R_o补偿过程的3种模式^[30],认为研究区R_o的补偿过程主要存在完全补偿和部分补偿两种模式(图5)。在现今地温梯度取33℃/km的条件下,D1井的最高古地温剖面与现今地温剖面重合。依据古地温梯度演化的地质模式^[19],可以认为该井的地层在现今达到了最高古地温,其早期热记录已不存在,属于完全补偿模式;NYS3井则反映了镜质体反射率可能记录了早期古地温的情况。东部次盆地在晚白垩世整体大规模抬升,遭受剥蚀,缺失晚白垩世—始新世地层,形成重要的区域不整合面。NYS3井下渐新统和上白垩统之间的不整合面在井深1 850 m处。由图5可见,该井上覆构造层拟合的T-H线段要比下伏构造层的拟合线段斜率大,表明上覆构造层的地温梯度小于下伏构造层的古地温梯度。不整合面之上,浅部的最高古地温可以与梯度为33℃/km的现今地温剖面拟合,而中深部之下的最高古地温则明显高于现今温度,最高古地温梯度为42 ℃/km,这可以用部分补偿模式来解释^[30]。

结合前人的认识和断陷期高热流、坳陷期低热流的盆地演化特征,经过单井热史恢复,可以得到盆地的最高古地温梯度、古热流和剥蚀量数据:NYS1、NYS2和NYS3井地层达到最大古地温的时期均为100 Ma左右,达到最高古地温时期的热流分别为91、80和77 mW/m²;3口井的最高古地温梯度为40~50 ℃/km;3口井晚白垩世—始新世地层的剥蚀量分别为1.19、1.48和1.37 km。由此得到东部次盆地两期的热流对比:中侏罗世—晚白垩世抬升开始前,盆地的热流值为80~90 mW/m²;渐新世—现今,盆地的热流值为65~75 mW/m²。

3.2 磷灰石裂变径迹热史模拟

磷灰石裂变径迹可以较好地反映沉积盆地热历史的演化过程^[31-32]。利用磷灰石裂变径迹模拟沉积盆地的热历史中,强调径迹长度和年龄的结合^[33⇓-35]。应用磷灰石裂变径迹资料分析盆地后期抬升冷却年龄及过程的关键是前完全退火带或冷却带的解释和确定^[36]。在实际工作中,将磷灰石裂变径迹法与古地温梯度法结合可以相互验证模拟结果。

为了进一步了解样品所经历的冷却、埋藏和热历史等过程,使用HeFTy Version 1.7 软件对样品进行热史模拟,退火模型选用Ketcham2007 模型^[37],根据测得的单颗粒年龄和径迹长度数据,利用计算机结合地质事件进行模拟,重现所测样品的时间-温度演化轨迹^[35]。Dpar初始值选1.65 μm,初始径迹长度选16.3 μm。径迹长度的测试条数一般要求大于50条以满足热模拟的要求,长度测量条数大于100条,则热模拟的可信度更高。计算机模拟10 000次以得到最佳拟合曲线。本次样品径迹长度测量数多在100条左右,热史模拟结果可信度较高。

图6为NYS3井AF1样品的热史模拟结果。根据模拟结果推测,该样品来自下白垩统,且未经历完全退火,保留了物源区的热史特征,应在晚白垩世开始沉积。该样品的温度在100 Ma左右达到最大(约80 ℃),此后开始缓慢降温,自70 Ma左右开始降温加快,到40 Ma时抬升至地表温度(约20 ℃),此后开始沉积,现今温度约45 ℃,低于其地质历史中所经历的最高温度。图7为该井其他两个样品的热史路径模拟结果。这两个样品均位于中新生界不整合面之下,样品的AFT年龄均小于地层年龄,表明沉积后曾长时间处于磷灰石裂变径迹退火带中,沉积前的径迹记录已部分消失,古地温高于今地温。且与AF1形成线性关系,反映地层的抬升得到了记录,而且后期未经历完全退火。整体上,该井3个样品的降温幅度较接近(约45 ℃),降温过程都体现出早期(100~70 Ma)降温较缓慢,晚期(70~40 Ma)降温加快的状况。这与样品所经历的抬升剥蚀过程是密切相关的。晚白垩世,由于太平洋板块俯冲方向改变,区域构造应力场发生了转变,由区域性拉张变为区域性挤压,受其作用或影响,东部次盆地整体大规模抬升,但是晚白垩世—始新世的抬升剥蚀过程并不是匀速的,由模拟结果推测,晚白垩世早期,地层的抬升剥蚀过程应是比较缓慢的,地层剥蚀量也较小;而到了晚白垩世晚期—始新世,地层的抬升剥蚀过程则加快,由此产生的地层剥蚀量也较大。

总体模拟结果显示(图6~图8),无论是不整合面之上的样品还是不整合面之下的样品,其自晚白垩世以来所经历的热历史是相似的,都经历了早期(100~70 Ma)缓慢、后期(70~40 Ma)快速的降温过程,早期(100~70 Ma)的冷却速度约为0.3 ℃/Ma,70~40 Ma时冷却加速,以约1.3 ℃/Ma的冷却速度冷却。不整合面之上,样品现今温度低于其最高古地温;不整合面之下,样品现今温度与其最高古地温接近,并未明显高于最高古地温。有的浅部样品,现今地温显示出接近甚至低于最高古地温的趋势,这与镜质体反射率的模拟结果是一致的。需要说明的是,AFT模拟反映出的热史路径,并不能完全理解为样品经历的真实热路径,只能说与真实热路径接近。从本次模拟的结果看,不同样品的最佳模拟路径较为接近,能够反映研究区的抬升剥蚀特征。而且,将AFT模拟出的温度值与利用镜质体反射率采用古地温梯度法模拟的结果相比较,具有较好的一致性,进一步说明了模拟结果较接近研究区的地质实际。

通过45~50 ℃的温度差值,和35 ℃/km的地温梯度估算,晚白垩—始新世地层经历的剥蚀量为1.0~1.5 km,这与古地温梯度法的恢复结果也是相近的。通过冷却历史计算剥蚀历史最简单且有效的方法为剥蚀速度=冷却速度/地温梯度^[38-39]。根据模拟结果,可以计算得到研究区的剥蚀历史为:100~70 Ma剥蚀速度约为10 m/Ma(地温梯度为34 ℃/km);70~40 Ma的剥蚀速度约为57 m/Ma(地温梯度为23 ℃/km)。

同一钻井不同深度的多样品联合反演,为获得研究区古地温梯度的演化提供了可能,但要求样品达到一定的深度差,且多个样品都测试了较多的径迹长度。本次测试的NYS3井AF3、AF5两个样品符合条件,利用QTQT软件^[39⇓-41]对这两个样品进行热史联合模拟。模拟结果揭示出研究区古地温梯度由高(34~36 ℃/km)到低(约23 ℃/km),再升高(约28 ℃/km)的过程(图9)。通过AFT热史模拟,基本确立了研究区的抬升剥蚀过程和剥蚀量范围,对研究区热流演化也得到了与古地温梯度法相近的认识,进一步明确了研究区热演化的基本特征。经与类似盆地的比较研究^[42],得到东部次盆地的热演化轨迹,该盆地的热流史可以概括为:从中侏罗世至今,经历了古热流由高(75~90 mW/m²,120~100 Ma)到低(60 mW/m²,40 Ma),然后再升高至现今(70 mW/m²)的过程(图10)。

4 烃源岩成熟史模拟

含油气盆地的构造热历史是决定一个盆地含油气性的关键因素之一。一方面构造活动导致的盆地充填与剥蚀决定了油气生成、运聚的物质基础;另一方面地热场的变迁为油气的生成提供能量^[43-44]。构造热历史决定了烃源岩的生排烃历史,也将导致生烃时限与成藏期次的不同认识。

在进行了多种古温标的热史恢复之后,结合地层埋藏史,并在掌握了研究区中生界烃源岩的有机质类型等地球化学特征之后,恢复了研究区两套主要烃源层的成熟度史(图11,图12)。模拟结果显示,无论中侏罗统烃源岩还是上侏罗统烃源岩,都存在早期(晚侏罗世—早白垩世)的生烃过程,但是生烃量有所差异。中侏罗统烃源岩在早期达到成熟早期,上侏罗统烃源岩在早期仅达到低成熟状态,生烃量较少,该套烃源岩主要在晚渐新世达到成熟早期,逐渐进入生烃高峰。

烃源岩的热演化受控于盆地热体制和沉积、埋藏过程。综合各项研究成果,认为东部次盆地内中上侏罗统烃源岩的热演化与盆地早期较高的古热流、晚白垩—始新世地层的剥蚀量和渐新世之后的地层沉积厚度等因素密切相关。从不同的空间位置来讲,早期经历的热流越高、晚白垩世—始新世地层剥蚀量越大和渐新世之后的沉积厚度越小,则早期古地温高于现今的可能性就越大,不利于烃源岩发生二次生烃。

因此,NYS3井所在的Ⅳ号构造带,由于后期新生界沉积厚度与晚白垩世—始新世地层剥蚀量差别较小,不利于烃源岩发生二次生烃作用。但是在新生界沉积厚度较大的地区,上侏罗统烃源岩的热演化程度明显升高,即NYS7井区所在的Ⅲ号坳陷,也是研究区的主体生烃坳陷,有利于烃源岩的二次生烃。未来的勘探方向,应是围绕主体生烃坳陷寻找有利成藏区。

5 结论

(1)东部次盆地构造热演化史复杂,从中侏罗世至今,经历了古热流由高(75~90 mW/m²,120~100 Ma)到低(60 mW/m²,40 Ma),然后再升高至现今(70 mW/m²)的过程,且早期(100~70 Ma)降温缓慢,后期(70~40 Ma)降温快速。古地温梯度相应地由高(34~36 ℃/km)到低(23 ℃/km),再升高(28 ℃/km)变化。东部次盆地晚白垩世的古地温梯度和古热流要高于现今的地温梯度和热流。

(2)东部次盆地晚白垩世—始新世地层的剥蚀厚度为1.0~1.5 km,地层在100~90 Ma沉积开始缓慢或停止,明显的剥蚀过程发生在85~40 Ma,其中85~70 Ma为沉积间断或缓慢剥蚀阶段,70~40 Ma为快速剥蚀阶段。

(3)东部次盆地的构造热演化史影响了盆地内烃源岩的生烃过程。中上侏罗统两套烃源岩都存在早期(晚侏罗世—早白垩世)生烃过程,在中部坳陷内的主体生烃坳陷,晚白垩世—始新世地层剥蚀厚度较小,且渐新世之后地层沉积厚度较大,现今能够达到的地温也越高,有利于烃源岩晚期生烃,未来的勘探方向,应是围绕主体生烃坳陷寻找有利成藏区。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20211362)

中国地质调查局地质调查项目(DD20221708)

中国地质调查局地质调查项目(DD20242406)