多圈层相互作用与鄂尔多斯盆地油气资源形成富集

Multi-sphere interactions and the formation and enrichment of oil and gas resources in the Ordos Basin

摘要

从地球系统演化的角度分析沉积盆地古地理格局和构造演化、有机质的富集和烃源岩的热演化历史、沉积响应和优质储层的形成、多场耦合和多类型油气资源的富集逐渐成为石油地质理论发展的新趋势。作为我国最重要的含油气盆地之一,鄂尔多斯盆地经历了多阶段的构造演化,从海相到海陆过渡相和陆相的沉积演变,发育有常规和非常规以及煤层气等多类型的油气资源。本文从地球系统演化和多圈层相互作用的角度对鄂尔多斯盆地的演化过程和油气资源形成进行了系统的梳理,认为鄂尔多斯盆地的构造演化与华北板块密切相关,华北板块的多期壳幔相互作用过程控制了盆地的形成和演化;盆地的古地理位置和古气候条件控制了生物的演化和有机质的富集,盆地的构造-热演化史、特别是受华北克拉通破坏引起的热流演化高峰以及盆地的构造埋深共同控制了烃源岩的热演化过程;流体动力场控制着盆地中致密油气、页岩油气/煤层气以及常规油气的有序分布;古生代和中生代的沉积环境演化、构造活动及烃源岩-储层配置关系决定了盆地中多类型油气资源的垂向和平面上的有序展布规律。

Abstract

From the perspective of Earth system evolution, the analysis of sedimentary basins-encompassing their paleogeographic and tectonic evolution, organic matter enrichment and thermal history of source rocks, sedimentary processes and high-quality reservoir formation, and multi-field coupling governing the accumulation of diverse hydrocarbons-has gradually emerged as a new frontier in petroleum geology theory. As one of China’s most important petroliferous basins, the Ordos Basin has experienced multi-stage tectonic evolution, a sedimentary transition from marine to transitional and ultimately to continental facies, and hosts multiple resource types, including conventional oil and gas, unconventional oil and gas, and coalbed methane. This paper systematically reviews the Ordos Basin’s evolutionary processes and hydrocarbon accumulation from the perspective of Earth system evolution and multi-sphere interactions and concludes that: (1) the tectonic evolution of the Ordos Basin is closely related to the North China Plate, with multi-phase crust-mantle interactions governing its formation and development; (2) paleogeographic setting and paleoclimatic conditions dictated biological evolution and organic matter enrichment; (3) the tectonic-thermal evolution-especially peak heat flow events associated with the destruction of the North China Craton-combined with tectonic burial depth, collectively controlled source rock maturation; (4) the hydrodynamic field regulates the orderly distribution of tight oil and gas, shale oil/gas, coalbed methane, and conventional hydrocarbons within the basin; (5) the evolution of Paleozoic-Mesozoic sedimentary environments, coupled with tectonic activity and source-reservoir configurations, determined the spatial (vertical and lateral) distribution patterns of diverse hydrocarbon resources within the basin.

Graphical abstract

关键词

鄂尔多斯盆地 / 圈层作用 / 构造演化 / 油气成藏 / 全油气系统

Key words

Ordos Basin / multi-sphere interactions / tectonic evolution / petroleum reservoir formation / whole petroleum system

0 引言

从地球系统演化和多圈层相互作用的角度认识沉积盆地中油气资源的形成和富集已逐渐成为油气地质理论的发展新方向和油气勘探开拓新领域的新趋势^[1-2]。地球化学、地球动力学、构造地质学、沉积地质学和石油地质学等多学科交叉研究发现,深部地幔过程驱动着陆块的运动、碰撞造山,进而控制着沉积盆地的构造演化过程;表生圈层(大气圈、水圈和生物圈)的相互作用和板块的古地理位置控制着生物的演化和沉积盆地中有机质的富集;受壳幔相互作用影响的沉积盆地的热演化史和盆地构造埋深、隆升过程等因素控制着有机质的成熟演化和生烃过程;沉积盆地的温压场和应力场等影响着油气的运移和聚集等过程^[1,3-4]。因此,沉积盆地中油气资源的形成与地幔、岩石圈、生物圈、大气圈和水圈等多圈层相互作用过程息息相关。

鄂尔多斯盆地是我国最重要的含油气盆地之一,盆地经历了古生代地台与中—新生代台内坳陷等构造演化阶段,是典型的克拉通背景上形成超级含油气盆地,发生过海相—海陆过渡相—陆相等沉积环境演化过程,发育有下古生界、上古生界和中生界多套烃源岩,形成了包括常规油气、页岩油气、致密砂岩油气、煤层气等类型丰富的油气资源^[5-8],且其中元古宙、古生代、中生代均有油气资源发现,是研究多类型、多期次、多相带油气资源协同共生的理想场所。因此,本文将从地球系统科学的角度,立足多圈层相互作用的视角对鄂尔多斯盆地的构造演化、有机质富集和烃源岩热演化、沉积过程和储层发育、盆地多场耦合和多类型油气成藏过程进行系统的梳理,以期为推动鄂尔多斯盆地的油气勘探开发工作提供新的思路,为丰富地球系统演化控制下的油气地质理论发展提供支撑。

1 鄂尔多斯盆地概况

1.1 构造演化旋回

鄂尔多斯盆地位于华北地块西部,是一个多构造体制、多演化阶段、多沉积体系、古生代地台与中—新生代台内坳陷叠合的克拉通盆地,总面积达25×10⁴ km²(图1)。其演化经历了太古宙—古元古代盆地结晶基底形成阶段、中新元古代大陆裂谷阶段、早古生代碳酸盐岩台地阶段、晚古生代克拉通内碎屑岩沉积阶段、中生代挤压挠曲阶段以及新生代周缘断陷发育阶段^[9]。鄂尔多斯盆地的构造演化与华北地块密切相关,华北地块的多期壳幔相互作用过程控制了盆地的形成, 盆地构造演化阶段分别对应了华北地块主要的壳幔相互作用过程^[10]。在太古宙—古元古代,盆地基底拼合,地壳以横向增生为主。到了中新元古代,北东向裂谷发育形成拗拉槽,壳幔相互作用以纵向增生为主。古生代时期,华北克拉通进入稳定发展阶段,周缘大洋板块的俯冲作用导致地壳横向增生。进入中生代后,受深部构造动力影响,华北克拉通发生显著破坏,地壳转为横向增生。该阶段也是鄂尔多斯盆地地质发展历史的重大变革期和油气形成的关键期,此时盆地处于掀斜构造演化过程,深部地幔上涌,岩石圈厚度减薄,浅部沉积盆地内部构造活动强烈,发生强烈的构造抬升和剥蚀作用,地表热流显著增大出现热流的高峰值^[11]。随后新生代以来,受太平洋板块远程俯冲效应影响,壳幔相互作用表现为较弱的纵向作用。

1.2 沉积环境演化过程

鄂尔多斯盆地沉积环境经历多次变化,早古生代以海相沉积环境为主,晚古生代经历海陆过渡到陆相碎屑沉积环境的转变,中生代以大型内陆湖盆发育为主^[12-15]。早古生代,鄂尔多斯地区属于华北地台的一部分,沉积环境以海相碳酸盐岩为主^[12-13](图2)。

中晚奥陶世,发生大规模海侵,形成浅水陆表海沉积,发育海岸沉积体系、碳酸盐台地沉积体系和深水斜坡海槽沉积体系^[13]。晚古生代,盆地由海陆过渡逐步转为陆相沉积。晚石炭世—早二叠世为海陆过渡期,发育含煤碎屑岩与陆表海沉积。中—晚二叠世冲积扇、三角洲及浅湖相广泛发育^[14]。中生代,盆地沉积演化以构造-气候耦合控制为特征,呈现湖盆扩张、抬升剥蚀与沉积迁移的阶段性变化。中—晚三叠世,温暖潮湿气候伴随深湖相广泛发育^[16]。中侏罗世,大面积河湖三角洲沉积主导(延安组),末期构造抬升导致沉积受限,仅西缘发育磨拉石粗碎屑建造^[17]。早白垩世,盆地东部持续隆升,狭义鄂尔多斯盆地定型,沉积范围退缩至吕梁山以西,沉降中心西迁至定边—环县—庆阳一带,发育浅湖相沉积,周缘分布河流与沙漠环境^[18](图2)。

1.3 主要含油气层系及地质特征

鄂尔多斯盆地为大型叠合盆地,经历了海相—海陆过渡相—陆相的沉积环境演化,不同时期的盆地纵向叠置,发育下古生界、上古生界和中生界的多套烃源岩。目前,盆地所发现的石油主要源自中—上三叠统延长组,天然气大多来自石炭系—二叠系煤系地层,少数为奥陶系碳酸盐岩^[5]。盆地内的中生界和古生界沉积地层中形成了类型丰富的油气资源,包括常规油气、页岩油气、致密砂岩油气、煤层气等。其中古生界主要以海相和煤系沉积为主,油气类型以常规天然气、致密气为主,如靖边气田奥陶系马家沟组碳酸盐岩风化壳中的天然气。石炭系—二叠系的煤层中以甲烷为主的煤层气,煤系地层产生的天然气运移至附近致密砂岩储层形成叠复连片的致密砂岩气藏,如苏里格等大型气田盒8段致密气,海陆过渡相页岩(如本溪组、太原组)具备页岩气潜力^[19]。近年来,在鄂尔多斯盆地西缘的本溪组超深层煤岩气首次取得了重大突破,表明盆地内深层煤岩气的开发具有重要前景^[20-21]。中生代主要是陆相沉积,形成致密砂岩油藏、页岩油等油气资源。如三叠系延长组长7段富有机质页岩形成的页岩油藏^[15],其向长6、长8等致密砂岩储层中运移之后形成致密砂岩油藏(如中国最大的致密油分布区——华庆油田)^[22-23]。

2 圈层相互作用与盆地油气资源形成

2.1 壳幔作用与关键构造变革及原型盆地

2.1.1 盆地基底拼合过程奠定了盆地发育基础

(1)基底定型与拼合过程

鄂尔多斯地块作为华北克拉通西部地块主体之一,具有与其相似的构造演化过程^[24]。在众多构造模型中,早期学者多认为鄂尔多斯地块是由伊盟微陆块、晋陕微陆块或集宁、阜平微陆块在太古宙晚期完成了拼接与碰撞,形成一个完整和稳定的太古宙陆块^[25]。

古元古代,在华北克拉通内识别出了中部造山带、孔兹岩带、胶辽吉带三条古元古代造山带,将华北克拉通划分为由阴山地块与鄂尔多斯地块组成的西部陆块和由狼林地块与龙岗地块组成的东部陆块两部分,鄂尔多斯地块先在约1.95 Ga与北部阴山地块碰撞造山,后约1.85 Ga与东部陆块沿中部造山带拼合碰撞,形成现今的华北克拉通统一结晶基底^[26](图3)。最近十年,鄂尔多斯盆地基底岩样显示基底广泛存在与华北克拉通一致的2.2~2.0 Ga的岩浆活动,认为鄂尔多斯盆地北部地区在2.3~2.0 Ga期间长期处于北部洋壳俯冲的活动大陆边缘,其地块内部可能也发育一条大陆边缘活动带^[27-28]。利用1∶20万航磁数据和地震资料,结合盆内基底岩样和周缘前寒武纪变质岩系的岩石组合、岩石磁性、年代学、岩石地球化学等最新研究进展,认为鄂尔多斯地块古元古代构造演化过程包括:>2.2 Ga北部洋壳俯冲早期阶段;2.2~1.95 Ga俯冲-弧后NE向伸展-表壳岩类沉积阶段;1.95~1.85 Ga阴山与鄂尔多斯地块碰撞-弧后NE向伸展区闭合-形成西部陆块阶段;1.85~1.80 Ga东部陆块与西部陆块东部碰撞NE向构造被改造,形成近SN向中部造山带阶段^[29](图4)。

(2)中晚元古代的拉张体制控制了盆地形成演化的基础

中元古代早期,哥伦比亚超大陆裂解,华北克拉通南北两侧分别形成秦祁和兴蒙两个大洋裂谷,华北克拉通内部和边缘也产生了多个裂陷槽,包括中东部燕辽裂陷槽、北部白云鄂博裂陷槽、西缘贺兰裂陷槽、南缘熊耳裂陷槽等^[30]。鄂尔多斯地块内部继承了基底NE向的构造格局,在拉张体制控制下,也相继发育了晋陕裂陷槽、甘陕裂陷槽、宁蒙裂陷槽,呈NE向走向且向西南方向敝开并与秦祁海槽相连^[31](图5)。约1.0 Ga,北缘进入Grenville碰撞造山阶段并持续到晚元古代早中期(0.9~0.7 Ga)。洋盆与裂谷关闭,华北克拉通成为Rodinia超大陆的一部分。在青白口纪至南华纪,鄂尔多斯地块整体隆升,长期处于剥蚀状态。直到震旦纪,才在鄂尔多斯地块西南缘沉积了部分地层。

2.1.2 多期壳幔相互作用过程与原型盆地发育

(1)古生代

进入古生代以来,鄂尔多斯盆地进入稳定克拉通盆地发育阶段,边缘大洋的扩张和俯冲,使盆地经历横向增生的为主的壳幔相互作用。早中寒武世,随着秦祁贺三叉裂谷系重新开启,秦祁海槽进一步发育成秦祁洋,鄂尔多斯盆地西南缘为被动大陆边缘环境。盆缘中元古代基底断裂被激活,以同生长正断层形式控制地层沉积^[8]。华北克拉通北侧兴蒙海槽自新元古代至早古生代早期洋底扩张,发育为兴蒙洋。在两者控制下整个华北板块整体处于陆表海环境,主体上呈北隆南拗、面向秦祁洋的宽广陆架。鄂尔多斯盆地继承了前期形成的古构造格局,表现为北高南低、中隆东西凹的态势,大多区域被海水覆盖。晚奥陶世,兴蒙洋向南俯冲,秦岭洋向北俯冲-挤压加剧,被动大陆边缘转换为活动大陆边缘,发育沟-弧-盆体系,并进一步造成北秦岭陆块与华北板块碰撞造山,形成加里东造山带。华北板块在这SN向挤压应力场下,整体抬升,缺失晚奥陶世—早石炭世沉积,同时也结束了华北陆缘海盆的地质历史(图6)。

晚石炭世,鄂尔多斯盆地北部兴蒙海槽和部贺兰裂陷槽再度复活,盆内区域开始沉降,接受沉积。华北板块南北两侧因加里东运动挤压形成的边缘隆起带阻隔了海水直接从南北两侧进入板块内部,海水则从东和西两个方向向鄂尔多斯盆地古隆起侵进,使地层由东西两侧向古隆起尖灭。二叠纪早期,华北海与祁连海在中央古隆起北部连通,中央古隆起没于水下,沉积地层超覆其上,早古生代受中央古隆起控制的“一隆两坳”的构造格局逐渐消失。之后,华北板块主要受北部古亚洲洋向南俯冲消减,古陆抬升,海水逐渐退出鄂尔多斯盆地,沉积环境开始转变为内陆克拉通盆地环境(图6)。

(2)中生代

中生代以来,受周缘造山作用的影响,鄂尔多斯盆地进入陆内不均衡拗陷-陆内前陆盆地阶段,同时受华北克拉通破坏的控制,经历强烈的纵向壳幔相互作用。早三叠世,盆地继承了二叠纪古构造格局,盆内沉积以河流相、沼泽相为主。晚三叠世,华北板块与扬子板块呈顺时针“剪刀式”碰撞造成古特提斯洋闭合,导致晚三叠世大华北盆地向西退缩和盆地构造差异隆升,造成延长组顶部地层大量被剥蚀以及下侏罗统地层大范围缺失。中晚侏罗世,古太平洋板块向东亚大陆NW向斜向俯冲,造成鄂尔多斯盆地东部向西掀斜,盆地西缘地层强烈逆冲变形,遭受大量剥蚀。早白垩世,华北克拉通破坏作用导致盆地再次区域沉降,局部处于弱伸展环境,岩石圈减薄导致深部地幔上涌,盆地地表热流显著增大出现热流的高峰值。至晚白垩世,全盆又再次发生隆升剥蚀,沉积缺失(图6)。

(3)新生代

新生代以来,印度板块与欧亚板块碰撞导致新特提斯洋闭合,碰撞的远程效应造成鄂尔多斯盆地整体持续抬升,周缘地区发生强烈伸展构造变形。盆地周缘形成渭河地堑、银川地堑和河套地堑等断陷盆地,沉积了巨厚的新生界地层(图6)。盆地经历了少量的纵向壳幔相互作用。

2.2 表生圈层与有机质富集及烃源岩形成

鄂尔多斯盆地的烃源岩发育情况受控于盆地所处的古地理位置、古气候条件、生物发育情况等多种因素。总体上看,盆地经历了海相—海陆过渡相—陆相的沉积环境演变,发育有下古生界中上奥陶统马家沟组和平凉组海相烃源岩系,上古生界石炭—二叠系本溪组、太原组、山西组海相烃源岩系,以及中—上三叠统延长组湖相烃源岩系等三套主要的烃源岩^[32]。

鄂尔多斯盆地在奥陶纪期间处于低纬度地区,该时期为浅海台地环境,降水充沛,整体气候较为温暖湿润,这些古气候和古地理条件为生物的繁盛创造了十分有利的生存条件,海相生物丰度处于高值(图7^[33-41]),为优质烃源岩的形成带来了丰富的有机质来源。盆地西、南台缘深水斜坡相平凉组地层中的碳酸盐岩和泥质碳酸盐岩累计厚度近百米(图8^[42]),围绕中央古隆起广泛分布^[43],有机质类型为Ⅰ-Ⅱ₁。马家沟组盐下烃源岩平均TOC值为0.3%,其中TOC值大于0.4%的占28.2%,干酪根类型为Ⅰ型,有机质类型为优质腐泥型,生烃潜力大^[44]。

到了石炭纪和二叠纪,鄂尔多斯盆地处于北纬0~30°的低纬度地区,由于华北板块与西伯利亚板块碰撞,盆地的沉积环境由海相向陆相演变^[45]。该时期海平面相对较低,盆地为滨海平原的沉积环境(图7),在此期间气候整体处于湿润状态,温暖潮湿的环境带来了陆源高等植物的规模性生长,以鳞木、芦木、科达树等成煤植物为主,进而促进了石炭纪—二叠纪煤系源岩的形成^[46]。煤系烃源岩在盆地大面积发育,一般厚度介于8~10 m,最厚者可达35 m,呈“北厚南薄、东西两侧厚、盆地中心薄”的分布特征(图8)。本溪组—山西组煤岩有机碳含量较高,干酪根的类型指数(TI)为-85~-10,属于Ⅲ型干酪根,具腐殖型有机质的特征^[47]。

鄂尔多斯盆地在三叠纪为内陆盆地环境,在此期间盆地处于半干旱-半湿润气候带(图7),发育大型内陆湖泊(如延长湖)。在该古地理和古气候条件下,湖泊中叶肢介类、介形虫及鱼类大量繁盛,此外银杏、苏铁等裸子植物广泛发育^[48]。这些内陆湖盆和沼泽内的生物活动为盆地内湖相和沼泽相的泥岩的有机质发育创造了良好的条件^[32]。该套地层中有效烃源岩厚度最厚处大于30m(图8),有机碳5%~10%,烃源岩干酪根属于Ⅱ型,有机质来源于藻类与陆源植物混合来源,主要生成液态石油及伴生湿气^[49-51]。

2.3 壳幔能量传递与成烃机理

沉积盆地内烃源岩的成烃演化过程受控于有机质所经历的温度历史,而温度历史则取决于盆地的热状态和地层的埋藏史。从现今盆地的热状况来看,鄂尔多斯盆地的大地热流介于43.3~88.7 mW/m²之间,盆地平均热流值为(64.7±8.9) mW/m²。从热流分布来看(图9^[52]),盆地东部和南部的热流值最高,可达70 mW/m²,北部次之,约64 mW/m²,西部最低,仅约55 mW/m²。整体上,热流值呈自东向西递减的趋势,与盆地基底的起伏形态相对应。

鄂尔多斯盆地的构造-热演化过程与华北克拉通的破坏密切相关。中生代以来,受太平洋板块俯冲影响,华北克拉通东部发生岩石圈拆沉与热侵蚀,导致岩石圈逐渐减薄^[53],区域热流值随之升高(图10^[54-56])。大量研究表明^[54-56],在约150 Ma时,鄂尔多斯盆地的热流值出现明显上升,但不同构造单元受影响的程度存在差异。东南部地区(如渭北隆起、晋西挠褶带)由于距离太平洋板块较近,早期经历了岩石圈减薄和深部热异常的影响,热流值在150~130 Ma期间开始升高,并在早白垩世(约120~100 Ma)达到峰值(80~90 mW/m²)。而西部和北部地区(如伊盟隆起、西缘缓冲带)由于距离远,受影响程度较小,热流峰值较低(70~80 mW/m²;图11^{[29,55,57-60]})。

区域热流演化的差异直接影响烃源岩的热演化过程及油气生成期,从而控制油气的富集特征。以二叠系烃源岩为例,不同构造单元的热流演化对烃源岩的成熟度产生了显著影响。为系统分析各构造单元的热演化差异,基于鄂尔多斯盆地不同构造单元典型井的相关数据,构建了晚中生代热流、岩石圈厚度及烃源岩成熟度的直方图(图9)以及二叠系地层埋深与烃源岩演化图^{[29,55,57-60]}(图12)。东南部地区(如渭北隆起、晋西挠褶带)由于较早受到热流升高的影响,二叠系烃源岩在早白垩世(约140~120 Ma)进入成熟阶段,并在晚白垩世(约100 Ma)达到高成熟至过成熟状态(R_o≈2.0%~2.2%),油气生成期较早。而西缘缓冲带尽管热流值较低,但由于二叠系地层的底面埋深较大(图11),导致其烃源岩的成熟度演化较早,R_o值也相对较高。相比之下,北部的伊盟隆起由于热流升高较晚,烃源岩的成熟度演化较慢,R_o值直到晚白垩世(约100 Ma)才达到1.0%~1.8%,油气生成期也相对推迟。由此可见,构造-热演化控制了鄂尔多斯盆地不同构造单元的热流演化历史,并直接决定了烃源岩的成熟度及油气生成期。东南部因较早受到岩石圈减薄和热流升高的影响,烃源岩成熟较快,油气生成期较早;而西部因热流相对较低,烃源岩成熟度演化较慢,油气生成期相对推迟。

盆地内有机质成烃除了受盆地构造-热演化史的控制外,不同类型的烃源岩在生烃能力方面也表现出较大的差异。例如,封闭体系黄金管热模拟实验发现,鄂尔多斯盆地东北部神府地区下二叠统山西组煤的总烃气(C₁—C₅)产率显著高于煤系泥岩(最终产率分别为173.32 mg/g TOC和98.96 mg/g TOC),动力学模拟显示煤系泥岩的活化能(42~59 kcal/mol)低于煤(46~59 kcal/mol),更易启动生气过程,因此煤是更重要的气源岩^[32]。

2.4 古地理环境和深部水岩反应控制优质储层发育及分布

2.4.1 表生圈层作用与沉积环境

早古生代鄂尔多斯盆地以海相沉积环境为主,主要发育碳酸盐岩^[13](图13a)。频发的火山活动以及陆地植被的缺乏导致二氧化碳浓度高达(4 000~7 000)×10^{-6 [61]}。此时,华北板块位于南半球低纬度地区^[62](图7),温暖湿润的气候与高浓度二氧化碳共同作用,为海洋生物的繁盛创造了条件,进而促进了碳酸盐岩的沉积^[63]。鄂尔多斯盆地在此时期处于海相沉积环境,寒武系的鲕粒灰岩、鲕粒白云岩等沉积物反映了温暖的浅海气候^[12-13]。至奥陶纪末期,受加里东运动影响,盆地整体抬升,形成奥陶系顶部风化壳,气候条件逐渐由湿润向半干旱转变^[13]。此时期海相生物以蓝藻、绿藻等藻类为主,三叶虫、腕足类及笔石等生物也广泛分布^[13]。志留纪时期,鄂尔多斯地区经历海退,沉积环境从浅海逐渐转变为滨海-陆相,细粒沉积物如泥岩、粉砂岩开始形成。

晚古生代,鄂尔多斯盆地沉积环境实现了海陆过渡相向陆相沉积环境的转换^[14],二氧化碳浓度发生了显著变化。石炭纪,由于植物的大量生长和碳封存作用,致使二氧化碳浓度降至(350~450)×10^{-6 [61]}。晚石炭世时期,华北板块位于北纬10.1°^[64](图7),湿润的气候条件促使植物繁茂生长,其生长和沉积过程进一步降低了二氧化碳的浓度。该时期盆地的沉积环境为海陆过渡类型,形成了海陆交互相的沉积物,如煤系地层,其中含有丰富的植物化石,包括鳞木、芦木和科达树等成煤植物^[14]。进入二叠纪,鄂尔多斯盆地作为一个大型克拉通内坳陷盆地,受古亚洲洋闭合的影响,其北部和南部边缘经历了俯冲作用,构造环境变得复杂^[14]。该时期二氧化碳浓度回升至(1 000~2 000)×10^-6,可能与大规模火山活动以及生物灭绝事件密切相关^[61]。气候逐渐向半干旱-半湿润过渡,盆地内发育大型内陆湖泊(如延长湖),河流—湖泊相沉积物记录了这一时期的环境变迁^[65](图13b)。

中生代,鄂尔多斯盆地沉积环境稳定为陆相河流-三角洲-湖泊^[15]。全球二氧化碳浓度持续处于较高水平,华北板块自早三叠世(约北纬22°)持续北移,至白垩纪稳定于北纬30°至40°^[64](图7)。该时期,鄂尔多斯盆地的沉积环境不断变化。三叠纪,鄂尔多斯盆地继承了二叠纪的构造格局和沉积环境,气候温暖,发育河流和湖泊相沉积,形成了红色、杂色砂岩、泥岩等地层,其中延长组的暗色湖相泥岩是该时期的主要生油岩^[66](图13c)。到侏罗纪,二氧化碳浓度升至(2 000~3 000)×10^-6,全球气候更加温暖,海平面上升,植被繁盛^[61]。鄂尔多斯地区以河流—湖泊相沉积为主,是主要的成煤期,大量植物的生长和沉积对碳封存产生了重要影响^[67]。白垩纪末期,二氧化碳浓度保持在(1 500~2 000)×10^-6的高位,与温暖的气候和恐龙的繁盛相对应^[61]。此时华北板块稳定于北纬30°至40°^[64],鄂尔多斯地区气候逐渐干旱化,湖盆范围持续收缩,沉积作用减弱。至晚白垩世,盆地消亡,缺失了晚白垩世的沉积记录^[66]。

2.4.2 深部水岩反应与储层发育

早古生代以海相沉积环境为主,发育海岸沉积、碳酸盐台地沉积、台地边缘沉积以及深水斜坡海槽沉积体系^[13]。中央古隆起分割鄂尔多斯盆地,控制着盆地东西分异的沉积格局,西部秦祁海域奥陶系发育齐全,东部华北海域部分缺失中上奥陶统^[68]。下古生界寒武系主要发育颗粒滩孔隙型、溶蚀缝洞型两大类储层,主力含油气储层为奥陶系马家沟组,发育丘滩型、斑状白云岩型、膏模孔型三大类储层^[69]。盆地中东部古气候条件、封闭-半封闭古地理环境、海平面周期性波动为碳酸盐岩-膏盐岩共生的生储盖组合提供先决条件,含膏云坪、颗粒滩和生物扰动作用为储层发育奠定基础^[70](图14),准同生溶蚀作用和白云石化作用是深层优质储层发育的关键条件^[34,71]。其中,准同生溶蚀作用形成的优质储层多与加里东风化壳期密切相关,岩溶作用使膏盐矿物溶解,溶蚀孔隙在持续埋藏过程之中得以保存或部分保存^[68]。此外,白云石化前的原岩初始孔隙和白云石化路径是控制白云岩储集层发育的关键因素,白云岩保持型和白云岩改造型具有较为有利的成储效应^[72]。

晚古生代发育冲积扇沉积、河流沉积、湖泊沉积、三角洲沉积、障壁海岸沉积和陆表海碳酸盐岩台地沉积等多种沉积体系,经历由东西分异为主海相沉积体系向南北分异为主陆相沉积体系的过渡^[14]。石炭纪—二叠纪沉积古地形平缓,构造沉降缓慢,沉积大面积分布的煤系烃源岩和砂岩储层;三叠纪—中侏罗世快速沉降,伴随强烈的压实作用和胶结作用,形成以致密砂岩为主的典型非常规储层;晚侏罗世—早白垩世构造活动强烈,伴随构造热事件的发生,天然气大量生成并运聚成藏,形成以致密气藏为主的有利目标^[73]。上古生界中深层优质碎屑岩储层主要发育在辫状河/曲流河的心滩/边滩中部或辫状河三角洲分流河道中部等高能沉积微相内^[74-75],中层碎屑岩储层以原生-次生混合孔隙型为主,深层碎屑岩储层以次生孔隙型为主。富含刚性矿物以及绿泥石薄膜发育是形成中深层有效碎屑岩储层的关键因素^[76](图15)。其中,绿泥石薄膜对于有效储层的发育具有双面效应,含量过高或厚度过大均将通过堵塞或分割孔隙,导致储层物性变差。对于温度相对较低的中层储层,绿泥石薄膜主要具有指示有利沉积微相和岩石组构特征的作用;对于高温深层储层,随着胶结作用趋势增强,绿泥石薄膜抑制胶结的控储作用更为明显。有利岩石组构和适中的绿泥石薄膜有利于抑制压实和胶结减孔作用,促进原生孔隙保存^[77],同时为次生溶蚀作用提供有利的酸性流体运移通道。次生孔隙发育源于长石和岩屑多期溶蚀,经历地表大气淡水-干酪根热演化生成有机酸和CO₂等流体-储层烃类高温水氧化生成有机酸和CO₂等流体的侵蚀性流体的转变,开放—半开放成岩体系的长石溶蚀形成增孔型有效储层,深层封闭成岩体系的长石溶蚀形成调配型次生孔隙有效储层^[78]。

中生代以陆相河流-三角洲-湖泊沉积环境为主^[15],发育辫状河、曲流河、辫状河三角洲、曲流河三角洲、滨浅湖、半深湖-深湖沉积体系。鄂尔多斯盆地中生界主力储层为延长组,以致密砂岩和页岩储层为主。其中,致密砂岩主要源于强压实作用和碳酸盐胶结作用^[79],相对优质储层主要集中在强水动力水下分流河道微相,此类储层具有相对较高的刚性矿物含量^[80],同时绿泥石薄膜的发育受控于三角洲前缘沉积环境、富黑云母砂岩和咸-微咸水湖泊水体的空间耦合^[79]。与上古生界碎屑岩储层相似,刚性矿物和绿泥石薄膜有利于抑制压实和胶结减孔作用,同时促进溶蚀增孔作用。除砂岩储层之外,延长组还发育有利的页岩储层。与海相页岩储层相比,陆相页岩层系物质组成与沉积构造更为复杂。长7段为主力的页岩储层发育段,页岩储层主要发育黏土矿物晶间孔、刚性矿物支撑粒间孔、有机质孔等,脆性矿物含量高,利于孔缝形成以及压裂改造^[81],并且油气还可以经过孔缝网络系统在页岩相邻的粉-细砂岩夹层内富集,多具有源-储分离的配置关系^[82]。

3 多场耦合机制与油气富集模式

3.1 应力场、温压场和流体动力场耦合

多圈层相互作用影响下的深部动力学过程控制了鄂尔多斯盆地的构造应力场演化^[83-84]。如中生代地层沉积发育受控于两个构造事件,一是太平洋板块向西俯冲到欧亚板块之下,在中国大陆形成了东西走向应力场;二是印度板块和欧亚板块碰撞,在中国大陆形成了东北-西南走向应力场。构造应力场控制了基底断裂启闭和活动强弱以及地质流体外部压力负载,进而控制了鄂尔多斯盆地的温压场以及流体动力场。温度场变化产生的热应力影响压力场,温度场和压力场又进一步控制了流体动力场的分布。因此,构造应力场、温度场、压力场和流体动力场的层级存在差别,其中构造应力场应为最高层级,四场耦合控制了鄂尔多斯盆地的油气运聚过程^[85]。

3.2 油气有序分布与成藏特征

鄂尔多斯盆地油气呈现多套含油气系统叠合发育的时空分异格局^[86]。元古宇含气系统以长城系裂陷槽烃源岩为核心,受晋宁运动构造抬升与早白垩世岩石圈减薄事件双重控制,具早期生烃与热事件驱动干气成藏的耦合特征^[87-88]。下古生界靖边气田发育奥陶系海相碳酸盐岩成藏体系,受控于中石炭世中央古隆起带,经历早侏罗世油气充注与早白垩世天然气充注的双期成藏过程^[89]。上古生界碎屑岩系统展现“煤系源岩-致密砂岩储层-多层泥页岩封隔”的三维成藏网络,自盆地中心源储配置呈现源内页岩气、近源致密气与断裂调整型远源气的分带性,生烃强度与储层物性耦合控制甜点分布;盆地边缘远源致密气和常规气主要受断裂展布的控制,并调整改造源内、近源和远源天然气分布^[7]。中生界含油系统表现为“持续充注-砂岩输导-构造活化调整”动态成藏机制,晚白垩世构造抬升促使早期油藏重构,形成现今“源内滞留-裂缝输导-多层系富集”的复式成藏特征^[90-91]。4个全油气系统油气分布受深部热动力演化、构造活动期次与流体压力系统转换边界的多场耦合控制,展现出“源—储—盖时空匹配、构造-热力协同驱动”的动力学本质,形成了盆地“深层裂解气-中深层煤成气-中浅层页岩油”的立体资源格局^[5,40],为多类型资源协同开发提供了地质基础。

为明确油气有序分布特征,进一步选择勘探成熟度较高的上古生界和中生界全油气系统开展对比,从四方面展开。

层系分异与有序叠置。上古生界石炭系—二叠系太原组、山西组气藏类型主要以煤层气(煤系内部)、致密砂岩气(盒8段、山1段)、页岩气(本溪组)为主,受控于海陆过渡相煤系提供气源,砂体与煤系互层形成“源储共生”结构^[92](图16)。中生界垂向上呈现“下油上气、源储紧邻”的分层分布格局。三叠系延长组油藏类型以页岩油、致密砂岩油为主,而长6段、长8段则主要发育致密砂岩油藏^[93]。分布特征受控于源储耦合,长7段优质烃源岩与长6、长8段致密砂岩储层形成“源储一体”结构,超压驱动短距离运移。侏罗系延安组也发育有致密砂岩油藏,油藏类型包括构造-岩性油藏、河道砂岩油藏^[94]。

烃类相态有序分带。上古生界石炭—二叠系烃源岩以煤系为主(生气为主),以干气(甲烷)为主,局部含少量液态烃^[95]。中生界三叠系烃类主要表现为长7段页岩油(未-低熟阶段)、长6—长8段致密油(成熟原油)^[96]。侏罗系表现为轻质油-常规油(受运移分馏影响,原油密度降低),侏罗系油藏依赖三叠系油源垂向运移^[97]。

共生组合类型有序分布。上古生界本溪组、太原组和山西组煤层、富含有机质泥页岩和致密砂岩储层垂向上相互叠置,发育多种共生组合类型^[98]。煤层气-页岩气-致密气成藏系统在纵向上主要分布在本溪组、太原组和山西组地层中。中生界延长组页岩油主要是源内成藏,而致密砂岩油藏则有源内和远源成藏两种组合^[99]。天然气在垂向上主要通过孔隙和微裂缝直接充注,形成源内和近源天然气分布;或者沿断裂输导并充注,控制远源分布^[100](图17)。

源-储配置有序分带。上古生界发育盆地北部和南部的煤层气-页岩气-致密气和盆地中东部的页岩气-致密气两个共生成藏系统^[7,20]。盆内以源内、近源成藏为主,盆缘则通过断裂输导实现远源成藏。中生界油气系统则表现为源储动态耦合与断裂控藏的协同效应。包裹体均一温度峰值显示,源内(105~130 ℃)、近源(同温峰)与远源(100~125 ℃)成藏具有时序性:早期断裂未发育阶段以源内-近源充注为主,燕山期断裂活动激活远源输导通道。这种充注时序与通道演化的耦合,使得延长组页岩油富集受“生烃强度圈定平面范围、储层物性筛选垂向层位、断裂网络优化运移路径”的三维控制机制。

综上所述,鄂尔多斯盆地上古生界和中生界全油气系统具有显著的天然气和石油有序分布的特征,其中上古生界自盆地中心向边缘整体表现为页岩气藏/煤岩气藏→源内致密气藏→近源致密气藏→远源致密气藏→常规气藏的侧向有序分布,而中生界自长7段页岩向上和向下表现为页岩油→致密油→常规油垂向有序分布,同时从盆地中心向边缘也具有一定的页岩油→致密油→常规油侧向有序分布。

3.3 多场耦合控藏机制与油气有序富集模式

全油气系统为理解含油气盆地常规、致密、页岩油气整体分布规律的关键理论基础,其中油气运聚动力转换边界控制了不同类型油气资源形成分布^[101-102]。油气运聚动力学转换边界包括浮力成藏下限和油气成藏底限。浮力成藏下限指随埋深增大和储层孔喉半径减小,油气运移由浮力主导向非浮力主导转变的临界条件^[103]。油气成藏底限指随埋深增大,油气成藏条件趋于消失的临界条件^[104]。浮力主导油气长距离运移形成常规油气藏,非浮力主导油气短距离运移形成致密油气藏,源岩内滞留油气形成页岩油气藏^[101]。鄂尔多斯盆地存在明显的浮力成藏下限和油气成藏底限。以鄂尔多斯盆地上古生界与中生界全油气系统为例,基于上古生界目前已有的钻井资料统计表明,致密气层浮力成藏下限对应孔隙度8.6%~11.8%、渗透率1.0 mD,相应埋深约2 000~2 400 m;致密气层不同孔隙度区间油气水和干层统计结果表明,天然气成藏底限的临界孔隙度为2.0%,界面势差消失埋深约6 000 m(图18a)。以孔隙度10%和渗透率1.0 mD作为中生界地层浮力成藏下限,统计不同埋深下不同孔隙度和渗透率储层的相对比例,高孔-高渗常规储层向低孔-低渗致密储层转化的临界埋深为1 800~2 200 m;不同孔隙度区间的油气水和干层统计结果表明,油气成藏底限对应的孔隙度为1.0%,界面势差消失的埋深约4 000 m(图18b)。因此,由于鄂尔多斯盆地上古生界和中生界全油气系统的构造应力场、温压场和流体动力场存在差异,浮力成藏下限和油气成藏底限这两个运聚动力转换边界亦存在差异^[101]。基于浮力成藏下限和油气成藏底限判识结果,将鄂尔多斯盆地划分为自由、局限和束缚油气动力场。同一油气动力场为地质条件下相互连通的地层区域,主要的驱动力和油气聚集类型相同^[105]。

上古生界地层具有天然气广泛发育,页岩气、致密气和煤层气多类型并存的特征,这主要与烃源岩在地热场作用下已进入高-过成熟热演化阶段有关。在盆地中心内部发育束缚和局限油气动力场,以源内及近源致密气、页岩气和煤层气为主,其中致密气以苏里格气田为代表;由于盆地边缘构造应力场较为强烈,因此到盆地边缘扩展为自由、局限和束缚油气动力场共存,主要发育源内和近源的致密气、页岩气和煤层气,以神木气田为代表,并且在山西组发育海陆过渡相页岩气、煤层气。同时,在构造应力场作用下边缘位置的断裂较为发育,盆地边缘主要还发育远源常规气^[7]。因此,四场相互耦合导致上古生界主要发育了天然气藏类型侧向有序分布的天然气全油气系统(图19a)。

中生界地层则广泛发育石油,具有由沉积充填核心区向外分别发育页岩油→致密油→常规油的特征,这主要与烃源岩在地热场作用下目前处于生油高峰期有关。中生界油藏分布具有特殊的向上和向下的页岩油→致密油→常规油垂向有序分布。具体表现为,长7为一套优质湖相烃源岩,形成的原油向下运移形成长8段致密油聚集,长9段原油继续向下运移形成常规油藏。同时,原油向上在长6到长2段形成了连续分布的致密油聚集,在长1段和侏罗系段以上形成了圈闭控制的常规油藏^[106](图19b)。

综上所述,鄂尔多斯盆地上古生界和中生界全油气系统存在明显差异,一是前者主要发育天然气而后者主要石油,这与构造应力场和温度场控制下的烃源岩热演化阶段密切相关;二是前者为天然气类型为侧向有序分布而后者为纵向有序分布,这与构造应力场、温压场控制下的断裂发育、成岩演化控制下的流体动力场有关,流体动力场进而控制了油气运聚转换动力转换边界,控制了页岩、致密和常规类油气的类型以及聚集和分布的范围。因此,四场耦合作用通过控制烃源岩供烃类型及数量、储层成岩演化、断裂发育和沉积体系分布,进而控制了油气成藏与分布^[101-102]。

4 结论

(1)鄂尔多斯盆地的构造演化与华北地块密切相关,华北地块的多期壳幔相互作用过程控制了盆地的形成。在太古宙—古元古代以地壳纵向增生为主,古生代时期以地壳横向增生为主。进入中生代后,华北克拉通发生显著破坏,地壳转为纵向增生。该阶段岩石圈厚度减薄,地表热流显著增大出现热流的高峰值,形成重要的含油和成煤岩系。新生代以来,受太平洋板块远程俯冲效应影响,壳幔相互作用表现为较弱的纵向作用。鄂尔多斯盆地的构造演化阶段也分别对应了华北地块主要的壳幔相互作用过程,可以划分为太古宙—古元古代盆地结晶基底形成阶段、中新元古代大陆裂解-整体隆起阶段、早古生代克拉通盆地边缘裂陷与陆内拗陷-碰撞造山阶段、晚古生代海槽再活动-海陆过渡稳定沉积阶段、中生代陆内不均衡拗陷-陆内前陆盆地阶段和新生代盆缘断陷阶段。

(2)鄂尔多斯盆地的古地理位置、古气候条件和沉积环境控制了生物的演化和有机质的富集,盆地的构造-热演化史、特别是受华北克拉通破坏引起的热流演化高峰以及盆地的构造埋深共同控制了烃源岩的热演化过程。盆地古地理环境和深部水岩反应控制了优质储层的发育及分布,盆地经历了早古生代海相沉积—晚古生代海陆过渡相沉积—中生代陆相沉积的整体演化过程,有利的沉积岩相及其组合是控制规模优质储层发育的前提条件,准同生溶蚀作用和白云石化作用是有效碳酸盐岩储层发育的关键条件,富含刚性矿物以及绿泥石薄膜发育是有效碎屑岩储层的关键因素。

(3)太平洋板块向西俯冲到欧亚板块之下以及印度板块和欧亚板块的碰撞促使了东西走向以及东北-西南走向压应力场的形成,主压应力场通过形成节理分别控制了三个期次的油气运聚调整。同时,深部基底断裂系统的热传导和流体运移产生热应力影响压力场,为上古生界烃源岩热演化提供了能量基础。古生界全油气系统浮力成藏下限的临界埋深约2 000~2 400 m,这对应着浮力成藏下限的边界值;油气成藏底限的临界埋深约6 000 m。中生界全油气系统的浮力成藏下限临界条件为1 800~2 200 m。油气成藏底限的临界埋深约4 000 m,这些边界围合形成的流体动力场控制着致密油气、页岩油气/煤层气以及常规油气的有序分布。

(4)鄂尔多斯盆地经历了海相、海陆过渡相、陆相的多重相带沉积演化,在四套沉积地层中形成了常规油气、页岩油气、致密砂岩油气、煤层气等类型丰富的油气资源,构造应力场、温压场和流体动力场耦合作用导致烃源岩成烃演化、储层成岩演化、封闭条件、运移通道和成藏模式等方面存在较大差异,进而导致不同类型油气分布在侧向、纵向(向上和向下)存在显著的有序性。上古生界天然气分布有序性受控于四场耦合作用下的沉积环境演化、构造活动及成藏动力差异;中生界石油分布有序性受控于四场耦合作用下的湖盆沉积演化、构造活动及烃源岩-储层配置关系。

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基金资助

中国科学院重大科技任务专项