敦煌盆地演化特征及致密油勘探方向

柳忠泉，林中凱，徐佑德

(中石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257015)

敦煌盆地位于河西走廊西端，地跨甘肅、新疆多個市縣，呈NEE-SWW向展布，總面積約8×104km2。區內的油氣勘探始于20世紀50年代，至今一直處于徘徊不前的局面[1]，分析原因主要是對侏羅紀盆地性質及演化過程認識不清，且盆地主要勘探層系埋藏較淺，前期評價勘探潛力較小。但近期鉆探的XC1井揭示較好的湖相烴源巖，錄井見到較好的油氣顯示，測井解釋油層17.3m/8層，壓裂后試油，日產油0.02～1.53m3，累計產油12.1m3，展示了較好的油氣勘探遠景。

諸多學者都對敦煌盆地類型及演化進行了研究，一種觀點認為敦煌盆地整體屬于阿爾金斷裂帶的一部分，其形成演化主要與阿爾金斷裂的走滑活動有關，具有拉分盆地性質[2～4]；另一種觀點認為阿爾金斷裂帶的顯著走滑活動主要發生在新生代，而西北地區主要造山作用(包括碰撞造山作用和碰撞后調整作用) 在三疊紀前已經完成，侏羅紀的構造動力學機制主要以造山后的區域性伸展作用為主，因而敦煌盆地具有伸展性質[5，6]。由于資料的限制，上述認識從不同的角度重點強調了單一因素的作用，難以細化盆地不同階段演化轉型及其控制作用。隨著勘探程度的不斷提高，筆者從橫亙于盆地中部的三危山隆起的形成演化入手，依據盆山一體化的研究思路，分析其耦合關系及盆地性質、發育特征和演化過程。

1 地質概況

敦煌盆地為發育在不同板塊交界處的中、新生代沉積盆地，盆地基底主要由前寒武紀變質巖組成，同時又有燕山晚期侵入的花崗巖，整體屬于古亞洲構造域的一部分，是后期拼貼的產物，是介于塔里木板塊、華北板塊之間的一個活動較強的獨立地塊[2]。現今的敦煌盆地主要具有殘留特點，殘留地層包括中生界侏羅系和新生界新近系、第四系，整體具有南北分帶、東西分區的格局，三危山隆起橫亙于盆地中部，兩側的阿克塞坳陷和安墩坳陷可進一步劃分為“六凸七凹”共13個次一級構造單元[7](見圖1)。

據最新勘探成果，盆地內主要充填的是中、新生界河流相、三角洲相和湖泊沼澤相等沉積物。侏羅紀地層主要出露在三危山前的蘆草溝、南湖、多壩溝和阿爾金山前的北大窯、黑大阪一帶，其中黑大阪剖面侏羅系厚度約1700m，主要為陸相碎屑巖建造，中下部夾有湖泊、沼澤相沉積，底部發育中、酸性巖漿巖侵入體。新近紀敦煌盆地整體下降接受沉積，在盆地南緣山前，為新近系內陸湖泊沉積中心，沉積厚度較大；在北大窯，新近系淺湖相-河流相沉積厚度達500m左右；在五墩凹陷，新近系最大厚度可達3400m。第四系在盆地內分布廣泛，發育較全，從早更新世至全新世具有多種成因的沉積物發育，下部為土黃色泥巖及黏土、砂巖、粉砂巖等，上部主要為沖積-洪積砂礫層。

圖1 敦煌盆地構造單元劃分圖

侏羅系可進一步劃分為下侏羅統大山口組(J1d)、中侏羅統中間溝組(J2z)、新河組(J2x)和上侏羅統博羅組(J3b)。五墩凹陷近期鉆探的XC1井、D1井、DY1井等井在J1d和J2z下部鉆遇多套灰黑色、灰色的泥巖、炭質泥巖，并見油斑、油跡、熒光等油氣顯示，說明盆地內曾發生過油氣的運聚過程[8]。

2 侏羅紀盆地性質及發育特征

2.1 三危山隆升的地質學證據

三危山是一條狹長的隆起帶，出露前寒武紀敦煌群變質巖和侵入其中的泥盆紀花崗巖、白堊紀基性巖墻群。其中，沙棗園、黨河水庫花崗巖為中亞造山碰撞期的產物[9]。敦煌南側發育的斜長花崗巖脈體為古亞洲洋弧后盆地擴張的結果[10]。在三危山發現的基性巖墻群[11]，指示了該地區早白堊世的伸展環境。從現有的資料分析，三危山對J1d-J2z沉積期原型盆地具有強烈的分隔作用，主要體現在以下幾個方面。

2.1.1 侏羅系露頭邊緣相沉積特征

就內陸盆地而言，厚層礫巖或復雜成分礫巖的發育是盆地邊緣沉積的典型標志，邊緣相的識別對確定沉積邊界以及物源方向都具有重要意義[12]，其中沖積扇是最可靠的邊緣相，是陸上沉積體系中分選最差、最粗的近物源沉積。因此，對三危山周緣露頭進行了系統觀測，發現其普遍發育沖積扇沉積，其中近三危山的蘆草溝地區，侏羅系呈狹長帶狀出露在山前，J1d不整合壓覆于南側加里東期鉀長花崗巖之上，其下部為塊狀礫巖沉積，礫石大者達10cm×15cm，一般3cm×5cm，礫石成分以花崗質礫為主，分選磨圓差，雜基支撐，屬近源快速堆積的沖積扇沉積，為很好的邊緣相標志(見圖2)。

圖2 敦煌盆地蘆草溝露頭礫巖

礫巖向上逐漸變為中粗砂巖，頂部可見灰綠色含礫熔結凝灰巖，發育杏仁狀構造，杏仁體為隱晶質石英；巖石樣品中巖屑成分為花崗巖，次為變質巖；成分成熟度中等，結構成熟度較低，同樣表現為近源快速沉積的特點。靠近蘆草溝的三危山發育海西期旋回的花崗巖，是蘆草溝地區侏羅系的主要物源，因此推斷三危山在侏羅紀或侏羅紀之前已經隆升成山。

2.1.2 侏羅紀沉積物物源分析

物源分析對判斷侵蝕區、恢復古地貌特征及古河流體系都有重要意義，其中重礦物在物源分析中具一定的指向性，特別是在相似的水動力條件下，不同物源沉積物的穩定重礦物比值往往存在一定的差異。筆者主要采用反映重礦物成熟度較好的ZTR指數(重礦物指數)進行對比分析，確定物源區。選取了三危山周緣4處露頭并對XC1井進行系統取樣分析，其中蘆草溝露頭樣品5個，ZTR指數介于0.9%～17.1%(平均7.3%)，說明碎屑巖的成熟度低。結合露頭巖性及鏡下分析結果判斷，其具有近物源的沉積特征。靠近三危山的多壩溝露頭ZTR指數與蘆草溝基本一致，而遠離三危山的南湖、黑大坂和XC1井的ZTR指數均在10.2%以上(見表1)，表明三危山是敦煌盆地侏羅紀時期的主要物源區，當時三危山已經隆起并為其相鄰的侏羅系盆地提供物源。

表1 XC1井及其周緣侏羅系露頭重礦物分析表

2.1.3 電法及地震反射特征

電法勘探表明，五墩凹陷內侏羅系厚度中心位于三危山前，三危山南北兩側侏羅系厚度差別大，三危山對兩側侏羅系起分割作用，其中三危山北斷層陡立北傾、切割深達基底。三危山北側的地震資料(見圖3)表明，侏羅系厚度中心位于三危山前，向北超覆減薄；而南側侏羅系明顯變薄，厚度中心位于阿爾金山前。上述結論與電法解釋結果基本一致，說明在侏羅紀沉積期三危山已經隆升，為北側沉積坳陷的主要物源區，而南側沉積坳陷主要受阿爾金山的控制，三危山為次要物源。

2.1.4 火山巖特征

三危山北側的托格、多壩溝和蘆草溝等地區發育早-中侏羅世堿性火山巖，與典型大陸裂谷堿性玄武巖相似，該堿性玄武巖與地幔隆起和部分熔融作用關系密切，為張性作用的產物[6]，表明研究區早中侏羅世處于拉張狀態。大陸裂谷堿性火山巖的發現進一步明確了敦煌盆地早中侏羅世時期的拉張性質[13]。同時，盆地只有經歷了一定程度的拉張作用后, 斷裂才能達到一定的切割深度, 從而引發了火山作用，而火山巖的分布與三危山北斷裂展布位置是一致的，并在該斷裂中發育火山巖的角礫，說明三危山北斷裂在早-中侏羅世強烈活動，其上升盤三危山處于隆升狀態。

圖3 敦煌盆地DH15-X2二維地震解釋測線

綜上所述，三危山在侏羅紀早期已經隆升成山并提供物源。三危山隆起與兩側的沉積坳陷是緊密相連的構造單元，它們在形成和時空演化上必然具有密切的關系，既相互依存、相互作用，又同步演化。因此受三危山的分割，可以確定敦煌盆地內的南、北坳陷在侏羅紀早期已成雛形，并各自獨立，與三危山具有較好的耦合關系，二者之間的活動斷裂在空間上發揮了直接的“橋梁”作用。

2.2 侏羅紀盆地發育特征

2.2.1 熱史模擬

為進一步確定敦煌盆地侏羅紀的盆地性質及其活動強度，分別在蘆草溝、多壩溝等多處露頭采集侏羅系砂巖樣品進行鋯石、磷灰石裂變徑跡分析測試。磷灰石裂變徑跡測年(中值年齡)介于(62±3)～(72±5)Ma(見表2)，磷灰石裂變徑跡年齡和高程有一定的線性關系，樣品位置越高，年齡越老，反映了區域上隆升歷史的相似性。鋯石裂變徑跡測年(中值年齡)介于(155±12)～(179±10)Ma(見表3)，鋯石裂變徑跡年齡小于J1d沉積年齡(174～201Ma)的下限，表明樣品沉積后經歷了鋯石裂變徑跡的退火過程，發生過埋藏升溫退火事件，記錄了盆地的構造熱演化過程。對其樣品年齡數據進行峰值分組估計，分析數據得知，磷灰石年齡及其峰值年齡均勻分布在晚白堊紀-早古近紀，鋯石中值年齡及其峰值年齡顯示了晚侏羅-早白堊紀冷卻事件的記錄。

表2 敦煌盆地J1d砂巖磷灰石裂變徑跡測年數據

注：n為樣品顆粒數；ρs、ρi、ρd分別為樣品的自發、誘發和標準鈾玻璃產生在白云母外探測器上的誘發裂變徑跡密度；Ns、Ni和Nd分別為與ρs、ρi、ρd

相對應的徑跡數目;P(χ2)為χ2統計值；N為測量封閉徑跡長度的徑跡條數。

表3 敦煌盆地J1d砂巖鋯石裂變徑跡測年數據

利用砂巖樣品的鋯石裂變徑跡年齡和封閉溫度作為熱史模擬的約束條件，鋯石裂變徑跡有效封閉溫度采用210±40℃，沉積時的地表溫度設定為5～30℃，現今地表溫度設為20±10℃。模擬結果表明，大部分樣品在中生代以來均經歷了4個階段的熱史演化過程：侏羅紀快速沉降埋藏階段、白堊紀緩慢-快速冷卻隆升階段、晚白堊世-古近紀的快速冷卻抬升階段及新近紀開始的緩慢冷卻抬升階段。其中，多壩溝北側侏羅系底部砂巖熱史模擬結果與區域上有明顯差異，其在侏羅紀晚期就達到了最大埋深，白堊紀開始進入快速冷卻抬升階段，結合鄰近的灣窯凹陷鉆井情況(DC1井僅揭示153m上侏羅統，缺失中、下侏羅統)，推測為盆地內不均衡演化造成的，說明多壩溝地區及所在的灣窯凹陷早、中侏羅世和早白堊世沉積期沉積范圍有限，該時期整個盆地的活動特點應以差異升降為主。

2.2.2 盆地原型特征

基于上述分析，根據大量的物探資料解釋成果，利用平衡剖面技術恢復盆地構造發展史(見圖4)，侏羅紀各時期盆地的原型特征既有繼承性又存在明顯差異，整體上可劃分為2期不同性質的原型盆地。

圖4 敦煌盆地構造演化剖面圖

1)J1d～J2z沉積期 侏羅紀前的印支運動使研究區整體處于擠壓造山環境，到了侏羅紀早期才開始造山之后的松弛階段，在敦煌盆地，由于南北向的伸展應力影響，沿各凹陷邊緣斷裂帶出現張性正斷層，并逐漸形成了與斷陷有關的箕狀斷陷和地塹，開始了J1d陸相粗碎屑物的沉積，并控制了其沉積規模和范圍，由于差異升降該時期整體上沉積范圍較為局限，分割性強。J2z沉積期斷陷作用進一步發展，加之溫暖濕潤的古氣候，水位升高引起湖泛，較大型湖泊開始發育，發育了一套以暗色泥巖、砂質泥巖為主的細碎屑巖沉積建造，成為敦煌盆地的主力烴源巖，其主要生烴顯微組分為藻類體和角質體[7]，具有有機質類型好、豐度高的特點。在J1d～J2z沉積期，南部的阿爾金山、中部的三危山及北部的北山均為盆地物源供給區，沉積中心位于控凹邊界斷裂一側, 分布于阿爾金山南緣和三危山北緣，沿控凹斷裂走向呈近東西向展布，明顯受阿爾金、三危山等同生斷裂控制。由于該時期阿爾金斷裂活動性相對較弱，阿克塞坳陷沉積厚度較薄，最厚約800m。三危山斷層東段活動性強并由東向西逐漸減弱，致使五墩凹陷最大沉積厚度可達1650m(見圖5)，而灣窯凹陷最厚只有約560m。清臺凹陷主要受該凹陷北部活動性強的清臺斷層控制，形成北斷南超的斷陷結構，最大厚度可達1640m。盆地總體顯示南高北低、東西向上中間高兩頭低的沉積格局。

圖5 敦煌盆地J1d～J2z沉積期原型盆地

2)J2x～J3b沉積期 中侏羅世晚期開始，由于西北地區南、北兩側板塊碰撞所產生的遠程效應[14]，敦煌盆地所處的構造環境開始發生轉變，開始了坳陷盆地的發育階段，盆地內J2x與J2z呈假整合面接觸，J2x～J3b沉積范圍明顯擴大，在地震剖面上盆地邊緣可見明顯的上超現象，是地殼整體抬升的沉積響應。從平衡剖面分析，早期形成的斷裂性質并未發生變化，仍以正斷層為主，但活動強度明顯減弱，盆地內部仍以拉張環境為主，此時盆地的沉積量大于沉降量，以填平補齊準平原化為主要特征，主要發育河流-沖積扇相沉積，其儲集物性要明顯好于下部地層。

3 后期改造作用及對油氣勘探的影響

油氣的聚散既嚴格受成盆期和成盆前構造格局的控制，又明顯受成盆后每一次構造運動和任一種改造方式的影響。敦煌盆地殘留特征明顯，侏羅紀成盆后經歷了一定程度的改造作用, 才最終形成現今盆地的面貌。

3.1 后期改造作用時限

盆地內已鉆的DC1井、XC1井、D1井等均未揭示白堊系、古近系，地震剖面上可見新近系疏勒河組與下伏的侏羅系呈角度不整合接觸[15]，大量的資料解釋結果也證實盆地內未殘留白堊系、古近系。研究認為，上白堊統-古近系屬“沉積缺失”，下白堊統沉積厚度大于500m，從晚白堊世開始發生擠壓抬升，一直持續到古近紀，導致下白堊統和部分上侏羅統遭受剝蝕。

主要依據包括3個方面：①根據現有資料恢復的剝蝕量[16]約700～1000m，而上侏羅統殘留厚度約700m，如果沉積缺失下白堊統，則上侏羅統原始沉積厚度在1400m以上，遠大于中侏羅統的沉積厚度，與西北地區侏羅紀盆地的主要發育期存在明顯差異;②在盆地內發現的堿性玄武巖(120.1～102.2Ma)[6]和基性巖墻(136～99.11Ma)[10]，均具有富集地幔來源特征，與巖石圈減薄和軟流圈上涌有關，形成于陸內伸展環境;③在盆地南緣出露有下白堊統，在玉門鎮地區發育近東西向延伸的褶皺，而在上覆的新近系并沒有卷入變形，說明從晚白堊世開始該區曾遭受過擠壓作用，該過程可能一直持續到古近紀，南緣下白堊統的有效保存和盆地區的剝蝕殆盡應該是后期差異升降遭受不均衡剝蝕的結果。

3.2 盆地改造方式

對于復雜變動型殘留盆地的改造方式可以根據改造前后構造作用的不同分為繼承性改造和反轉性改造2種。繼承性改造的先、后2期構造作用性質基本一致，反轉性改造的先、后2期構造作用性質完全相反。

敦煌盆地為早元古代敦煌群變質巖結晶基底[17]，穩定性較好。中生代成盆期前，基底相對較為完整。在侏羅紀成盆期，河西走廊及鄰區處于張性環境，但該時期阿爾金斷裂已開始走滑活動，敦煌盆地是在走滑-伸展背景下形成的斷陷盆地[18～20]。在該時期除邊緣的控盆斷裂活動強度較大外，盆地內還發育一些規模較小的近東西向或北東向斷裂，因此成盆期的盆地基底破碎并不強烈，盆地內破裂密度小。

在上述成盆背景基礎上，晚白堊世區域應力場的改變使盆地經歷長期的擠壓作用，以整體抬升剝蝕為主要特征，局部掀斜，斷裂活動基本在原有基礎上反轉，在盆內形成一些小規模的擠壓背斜和牽引褶皺，因此敦煌盆地成盆后的改造作用是一種強度較小的走滑反轉性改造，即在總體走滑背景下，以晚燕山期走滑-隆升和喜馬拉雅期走滑-逆沖為主要改造特征。

3.3 油氣勘探方向

從盆內中、下侏羅統烴源巖生烴演化史分析，其在早白堊世進入生烴門限，開始大量生烴，在晚白堊世至古近紀，盆地開始整體抬升剝蝕，新近紀-第四紀重新接受沉積的地層厚度未超過剝蝕量，導致該套烴源巖并未達到二次生烴門限。綜合研究認為，XC1井鉆遇的油藏應為一次生烴所形成的致密油藏，其孔隙度為6.4%～8.2%，地面滲透率為0.429～2.698mD，為典型的致密儲集層，油氣來源于源儲一體的中、下侏羅統內部烴源巖。該類油氣藏形成時代早，現今是否具有勘探價值，關鍵是保存條件，特別是后期改造作用。

目前，國內已在四川、鄂爾多斯等多個盆地致密油勘探上取得較大的突破，對比致密油的儲集條件，區內的中、下侏羅統儲層的孔隙度和滲透率要略高于四川、鄂爾多斯等盆地，故研究區致密油有較好的前景，近源自生自儲、保存條件較好的致密油藏是下步勘探的有利區。結合中、下侏羅統的發育狀況[21]，三危山北側的清臺凹陷和五墩凹陷烴源巖發育厚度大，其深洼帶斷層發育較少，后期改造以整體抬升為主，保存相對完整，發育的巖性和構造-巖性圈閉最為有利(見圖6)，特別是被大山口組和中間溝組烴源巖包裹的有利砂體是首選的鉆探目標。

圖6 敦煌盆地五墩凹陷圈閉發育模式

4 結論

1)三危山在三疊紀末期已經隆升，同北山、阿爾金山共同控制了敦煌盆地侏羅紀的沉積充填。早、中侏羅世盆地具有明顯的斷陷性質，是烴源巖發育的主要時期，差異升降形成多個小型湖盆，各湖盆獨立分布，分割性較強；晚侏羅世盆地整體拗陷，普遍接受上侏羅統沉積，各凹陷與凸起已經連通。

2)晚白堊世至古近紀時期，盆地經歷反轉改造作用，導致白堊系剝蝕殆盡，上侏羅統部分剝蝕，以晚燕山期走滑-隆升和喜馬拉雅期走滑-逆沖為主要改造特征，對烴源巖的演化過程、油氣的聚散等均有重要影響。

3)清臺凹陷和五墩凹陷烴源巖較發育，在早白堊世達到過生烴門限，其深洼帶斷層發育較少，后期改造以整體抬升為主，是近源致密油、保存條件好的致密油藏發育的有利場所。