雅布賴盆地薩爾臺凹陷古地溫場與油氣成藏期次①

田 濤 任戰利 吳曉青 馬國福 張睿勝 楊智明 郭 科

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室 西安 710069;2.中石油玉門油田分公司 甘肅酒泉 735000)

0 引言

油氣藏的形成是油氣地質學的核心內容，油氣的生成、運移、聚集成藏都會受到地溫場、地壓場、地應力場的嚴格制約［1］。其中，地溫場在控制有機質成熟演化、烴源巖生排烴、油氣生成等過程中起著主導作用。沉積盆地熱演化史研究是揭示地溫場熱歷史，探索烴源巖熱演化與油氣關系的有效手段之一，油氣成藏期次分析是進行油氣成藏過程、模式、分布規律等方面研究首先需要解決的關鍵問題［2-8］。雅布賴盆地作為中國西部疊合含油氣盆地(地區)的邊緣地帶，勘探程度較低，研究內容目前仍主要停滯在沉積、構造、單一地球化學特征等方面［9-12］，內容單一，為下一步勘探突破帶來局限性。探明薩爾臺凹陷的古地溫場環境、有機質熱演化史，進一步探索與油氣關系，能夠為研究區石油、天然氣等能源礦產的勘探提供一定新的約束條件。因此，雅布賴盆地薩爾臺凹陷中侏羅統古地溫與油氣成藏關系的綜合分析不僅能夠揭示烴源巖經歷的古地溫場環境及其對油氣成藏的影響，而且對油氣資源評價及尋找有利的生油區有很重要的指導意義。

1 研究區地質背景

雅布賴盆地位于我國內蒙古阿拉善地區北部，面積約1.5×104km2，是受北大山逆沖推覆斷裂和雅布賴山正斷層控制發育的小型斷陷翹傾疊合盆地［9］。該盆地由西部坳陷和東部隆起兩個一級構造單元以及紅杉湖凹陷、薩爾臺凹陷、黑茨灣凸起三個二級構造單元構成。其中，薩爾臺凹陷劃分為鹽場次凹、黑沙低凸起、小湖子次凹三個次級構造單元(圖1)。薩爾臺凹陷為雅布賴盆地侏羅系地層主要沉積區域，發育青土井組(J2q)、新河組下/上(J2x1/J2x2)三套烴源巖，暗色泥巖、粉砂質泥巖總厚度可達1 053.0 m，為主要勘探目的層。

2 現今地溫場

盆地地溫場是控制油氣生成、演化、消亡的主要因素，地溫條件與油氣具有密切的聯系。現今地溫場是古地溫場發展演化的最后階段，不僅揭示了烴源巖現今所處的地熱環境也是進行盆地熱史模擬的重要約束條件［2-5］。雅布賴盆地現今地溫場研究程度相對較弱，系統大地熱流測值和鉆井地層測溫資料相對匱乏。本次研究共收集了5口探井的地層測溫數據，但測點較少，各單井地層測溫并非系統連續的數據。因此，采用如下方法計算現今地溫梯度，首先要確定研究區域的恒溫帶深度和溫度，然后根據公式(1)進行現今地溫梯度計算［13］。由于雅布賴地區恒溫帶深度和溫度范圍不明，可暫且將地表作恒溫帶，取日平均氣溫10℃為恒溫帶溫度。如某一深度Z的地溫為T，則該測溫點的現今地溫梯度為:

圖1 雅布賴盆地構造及樣品采點分布圖Fig.1 Geological map of Yabrai Basin and sampling points

式中，G為現今地溫梯度，℃/km;T為Z處地層溫度，℃;T0為恒溫帶溫度，取10℃;Z為溫度測點距地表深度，km;Z0為恒溫帶深度，km。

根據這5口井的地層溫度資料計算，Yt1、Yt4、Yt5、Yt8、Hs1井現今地溫梯度分別為2.7～3.3℃/100m、2.65℃/100m、3.15℃/100m、2.47℃/100m、2.76～2.84℃/100m，整個區域現今溫度場分布較均一。為進一步尋求區域地層溫度與深度的關系，將5口井的總測溫數據綜合起來作線性回歸，得到的回歸關系表達式為:

式中:T為地層溫度，℃;H為深度，m;常數為研究區現今地表溫度，℃。

由回歸關系式可知雅布賴盆地薩爾臺凹陷代表性現今地溫梯度為2.76℃/100m，鉆井地層溫度與深度呈線性正相關關系，表明雅布賴盆地現今地溫場具有良好的傳導性(圖2)。

圖2 地層溫度—深度關系圖Fig.2 The formation temperature vs.depth

3 古地溫場分析

生烴潛力較好的烴源巖有機質是油(氣)生成的物質基礎，適合的古地溫條件則是生油母質成熟并生油(氣)的前提。含油氣盆地古地溫研究的主要目的就是為了探索烴源巖所經歷的古地溫環境，并分析其與烴源巖成熟生油(氣)及演化的關系，為油氣資源勘探與遠景預側提供論證依據［14］。

3.1 鏡質體反射率反應古地溫信息

鏡質體反射率值取決于有機質受熱溫度和受熱時間，且以溫度為主，是應用最廣泛、最有效的古溫標［14-16］。鹽場次凹、小湖子次凹的鏡質體反射率測試樣品均取自不整合面以下地層，Ro(%)與深度之間的關系并未因地層剝蝕的影響而呈兩段性，主要呈線性、似線性分布，表明該區域古地溫場具有良好的傳導性。黑沙低凸起帶由于受到凸起聚熱或熱異常影響，致使有機質熱演化發生異常，Ro隨深度呈扇形或不規則分布。在同一古埋深坐標下，黑沙低凸起帶Ro值最大，鹽場次凹Ro最小，可能指示著在晚侏羅世抬升剝蝕之前，前者具有異常高溫古地溫場環境，致使該區域鏡質體反射率成熟度高且異常。新河組(J2x)及青土井組(J2q)烴源巖成熟度演化情況整體良好，Ro大小分布在0.45%～1.55%之間，絕大部分進入成熟演化階段，小部分為未成熟烴源巖(圖3)。根據 Barker和 Pawlewicz［17］建立的最大埋藏溫度(Tmax)與平均鏡質體反射率(Rm)之間的關系，即可近似地求得樣品所在地層經歷的最大古地溫。

因此，通過換算可得中侏羅統由淺到深經歷的最高古地溫為51.5℃～210℃，為油氣大量生成的最佳溫度范圍。

圖3 鏡質體反射率(Ro/%)—深度—時間關系Fig.3 Vitrinite reflectance(Ro/%)vs.depth and time

鏡質體反射率不僅可以表征盆地經歷的最高古地溫情況，還可以結合剝蝕厚度、不整合面埋深、樣品埋深、古地表溫度等參數，根據鏡質體反射率計算的最大古溫度與古深度進行回歸計算古地溫梯度［18］，計算公式為:

式中，Tpeak為最高古地溫，℃;H古、H今、H1、ΔH 分別為目的層的古埋深、今埋深、不整合面的今埋深、剝蝕厚度，m;T0為古地表溫度，℃。

通過Ro法古地溫梯度計算表明，鹽場次凹、小湖子次凹在侏羅系地層達到最大埋深(溫度)時古地溫梯度分別為2.8～3.2℃/100m、2.8～3.4℃/100m，黑沙低凸起帶則明顯高于凹陷沉積區，古地溫梯度高達4.0～4.8℃/100m(圖4)。為了進一步驗證該古地溫梯度的準確性，將本結果與基于實測Ro值正演擬合法［19］模擬的該時期古地溫梯度進行對比，對比結果顯示兩者具有較好的一致性(圖5)。造成如此特征的古地熱場分布與構造格架和沉降速率有著密切聯系，熱流的流動方向和流量分量取決于流通介質的性質，熱流總是向熱阻最小的基巖凸起集中，使凸起區的熱流增加［20］。盆內熱平衡理論分析認為，若快速沉降速率遠超過100 m/Ma這一界限值，將會打破盆內熱平衡系統，地溫梯度受到快速沉積作用的影響而降低［21］。因此，薩爾臺凹陷不同次級構造單元的古地溫場具有一定的差異性:黑沙低凸起構造帶距離基底較近且沉積蓋層適宜，受古熱流影響導致古地溫梯度較大。鹽場次凹、小湖子次凹為侏羅系地層快速沉降區域，鹽場次凹沉積中心沉降速率高達約200 m/Ma，且厚度巨大，不利于熱流傳遞，導致該區域古地溫梯度較低。

圖4 古地溫梯度分布直方圖Fig.4 The distribution of paleo-geothermal gradient

3.2 包裹體均一溫度反應古地溫信息

隨著流體包裹體的顯微測溫技術的發展，均一溫度數據可以用來更完整的揭示古地溫場溫度環境［22-23］。本次研究利用18個來自中侏羅統新河組(J2x)和青土井組(J2q)的鉆井砂巖樣品進行流體包裹體均一溫度測試，共測得183個均一溫度值。統計分析表明鹽場次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起帶中侏羅統流體包裹體均一溫度分別集中分布在90.8℃～100.9℃、81.2℃ ～128.1℃、103.2℃ ～140.2℃，黑沙低凸起帶均一溫度最高。研究區各次級構造單元中侏羅統包裹體均一溫度分布具兩個或多個峰值區。裂縫的形成期多受構造運動控制的，裂縫充填物中流體包裹體均一溫度的峰值區應該和雅布賴盆地的兩次重要構造運動對應。由此可以認為各次級構造單元最高均一溫度分布峰值是由盆地埋深最大時的構造裂縫中充填的礦物所捕獲［24］。鹽場次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起最高溫度峰值區分別為 120℃～130℃、150℃ ～160℃、190℃ ～200℃(圖6)，結合埋藏史恢復的古埋深計算各對應的古地溫梯度為2.6～2.9℃/100m、3.4～3.6℃ /100m、4.5～4.8 ℃ /100m，與Ro反應的古地溫信息較一致。包裹體取樣區域中侏羅統底界深度為1 030.0～4 410.0 m，按現今地溫梯度2.76℃/100m，地表溫度取10℃計算，中侏羅統現今最高地層溫度分布在37.8℃～129.1℃之間。中侏羅統古地溫明顯高于現今地溫，表明研究區在晚侏羅世以來發生了抬升降溫過程，烴源巖熱演化主要受古地溫場控制(圖7)。

圖5 基于Easy%Ro模型擬合古地溫梯度Fig.5 The results of paleogeothermal gradients by Easy%Ro modeling

圖6 包裹體均一溫度分布直方圖Fig.6 The distribution of homogenization temperature of fluid inclusions

3.3 磷灰石裂變徑跡(AFT)反應古地溫信息

圖7 古今地溫對比Fig.7 Paleotemperature vs.present temperature

分布于薩爾臺凹陷各樣品的AFT中值年齡在31.0±4 Ma～138.0±10 Ma之間，均小于中侏羅統沉積地層年齡(約174.0 Ma)。Yc1-1樣品裂變徑跡長度主要集中在11.0～13.0 μm 之間，平均值為10.9 μm，Yt1-1樣品主要集中在10.0～12.0 μm之間，平均值為10.1 μm ，Yt1-4 樣品主要集中在 11.0 μm 左右，Hs1-2樣品主要集中在12.0～14.0 μm之間，平均值為12.2 μm，均小于初始磷灰石裂變徑跡的原始長度(約16.15 μm)(表1、圖8)。研究區磷灰石裂變徑跡年齡和長度的分布特征說明磷灰石裂變徑跡在形成之后均遭受構造熱事件的影響而發生部分退火，甚至是完全退火。

Yc1-1、Yt1-1的 AFT年齡概率檢驗 P(χ2)＜5.0%，分別為0.5%、0.0%，樣品裂變徑跡長度呈偏峰狀分布，表明這些樣品在地質歷史時期經歷了較復雜的熱歷史或從部分退火帶返回至冷卻帶。Yt1-4、Hs1-2AFT年齡概率檢驗 P(χ2)＞5.0%，分別為91.1%、91.0%，表明各單顆粒年齡的差別屬于統計誤差，具有單一的年齡平均值，樣品的徑跡長度分布呈單峰狀且不存在小于9.0 μm的短徑跡，表明該組樣品是從完全退火帶反彈至冷卻帶的樣品［25-27］。磷灰石裂變徑跡的封閉溫度帶一般為65℃～125℃，因此，Yc1-1、Yt1-1樣品經歷的最大古地溫在封閉溫度帶之內，而Yt1-4、Hs1-2樣品經歷的最高古地溫則超出了125℃，發生過完全退火。

表1 AFT測試分析數據Table 1 The test results of AFT

圖8 磷灰石裂變徑跡長度分布Fig.8 The distribution of AFT length

4 熱演化史與油氣成藏期次判定

在已有構造演化分析的基礎上，結合研究區剝蝕厚度、地層劃分、地層年齡等參數，在Ro古溫標約束下，建立各構造單元熱史模型。熱演化模擬表明受盆地沉積—構造演化影響，研究區中侏羅統在晚侏羅世早期(≈150.0 Ma)達到最大古地溫，后期的構造抬升運動導致地層冷卻降溫，烴源巖熱演化程度減弱;早白堊時期(137.0～100.0 Ma)的快速沉積深埋，導致中侏羅統地層溫度再次升高。由模擬Ro與時間關系(圖3)可以看出，各組烴源巖進一步成熟演化的轉折點均發生在100.6～114.6 Ma和145.4～162.6 Ma，尤其以J2x和J2q烴源巖在中侏羅世早期至晚侏羅世早期熱演化明顯，在近30.0 Ma內，由未成熟烴源巖快速演化為成熟甚至高熟烴源巖，達到大量生烴的熱演化條件。因此，晚侏羅世和早白堊世可能是薩爾臺凹陷中侏羅統烴源巖大量生烴的關鍵時期。

流體包裹體的均一溫度在含油氣盆地分析領域除了用來分析古地溫外，還經常以地層埋藏史及其地層溫度的演化過程為包裹體定年依據，將均一溫度數據與盆地熱史中溫度的演化史進行對比，可以判定油氣運移充注的時間［4，7，22，28-30］。本次測溫選取與油氣包裹體同期形成的氣液兩相鹽水包裹體進行均一溫度測定，樣品主要采自中侏羅統新河組下段(J2x1)和青土井組(J2q)。流體包裹體形狀多樣，多數呈橢圓形，部分呈三角形、長方形及不規則形態，包體大小不一，主要為 1×3～4×4 μm，氣液比多為 8%～12%。早期包裹體主要呈群體狀和串珠狀分布在宿主礦物顆粒內部及顆粒裂縫中，晚期包裹體主要分布在晚期裂縫、碳酸鹽膠結物以及石英加大邊中。測溫結果分布直方圖顯示不同次級構造單元中侏羅統包裹體均一溫度分布具有雙峰或多峰特征，表明油氣充注過程并非一次完成。Yc1-1樣品(2 791.0 m，J2x1流體包裹體均一溫度呈單峰狀主要分布在90℃～100℃之間，表明鹽場次凹新河組下段儲層可能只存在一次油氣充注過程，投影至熱演化史圖對應的油氣充注時間為134.0～125.0 Ma。黑沙低凸起和小湖子次凹中侏羅統儲層則存在兩期油氣充注過程，主要發生在100.0～123.0 Ma和145.0～152.0 Ma，其中小湖子次凹具有晚期成藏(11.0～28 Ma)的可能(圖9)。

圖9 熱演化史模擬及油氣充注時間判定Fig.9 The results of geothermal history simulation and hydrocarbon accumulation period

5 結論

(1)雅布賴盆地薩爾臺凹陷典型現今地溫場地溫梯度為2.76℃/100m，為低溫傳導型地溫場。鏡質體反射率(Ro/%)、AFT和包裹體均一溫度分析表明，不同次級構造單元古地溫場具有一定差異。鹽場次凹、小湖子次凹為傳導型古地溫場，增溫主要受埋藏因素影響，古地溫梯度主要為2.8～3.4℃/100m，古地溫81.2℃～128.1℃;黑沙低凸起帶受基底古熱流的影響，古地溫梯度明顯高于沉積凹陷區域，達到4.2～4.8℃/100m，古地溫103.2℃～140.2℃。鏡質體反射率數據表明黑沙低凸起區域有機質熱演化程度最高，其次是小湖子凹陷，鹽場次凹最低。研究區中侏羅統古地溫高于現今地層溫度，有機質成熟演化主要受古地溫場的控制。

(2)熱史模擬分析表明，薩爾臺凹陷中侏羅統在晚侏羅世早期(≈150.0 Ma)達到最大古地溫，后期的構造抬升運動導致地層冷卻降溫，烴源巖熱演化程度減弱。早白堊時期(137.0～100.0 Ma)的快速沉積深埋，使中侏羅統地層溫度升高，達到第二次埋藏峰溫。因此，晚侏羅世和早白堊世可能是薩爾臺凹陷中侏羅統烴源巖大量生烴的關鍵時期。從烴源巖熱演化程度來看，中侏羅J2x和J2q烴源巖在中侏羅世早期至晚侏羅世早期，近30.0 Ma內，由未成熟烴源巖快速演化為成熟甚至高熟烴源巖，達到大量生烴的熱演化條件。

(3)利用流體包裹體均一溫度結合熱演化史法標定油氣運移(充注)時間的方法表明，薩爾臺凹陷不同次級構造單元、各中侏羅統亞組儲層的油氣充注過程有差異，但對整個薩爾臺凹陷中侏羅統儲層來講主要存在兩期油氣充注過程，分別發生在晚侏羅世早期(145.0～152.0 Ma)和早白堊世(100.0～134.0 Ma)，與達到古地溫峰值的時間大致相當，體現出古地溫場演化在油氣成藏過程中的重要性。

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