桑托斯盆地鹽下裂谷系構造特征及其對油氣成藏的控制作用*

李明剛 程 濤 蔡文杰 賈懷存 劉 瓊 李運振

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

桑托斯盆地位于巴西東南海域，是一個含鹽巖的富油氣盆地。2006年Lula億噸級特大油田發現[1]，之后該盆地鹽下湖相碳酸鹽巖領域就成為了全球油氣勘探的熱點地區，近10多年已累計發現原油2P可采儲量約311億桶，揭示了這一勘探領域巨大的勘探潛力。前人從區域地質以及油氣地質等不同角度對該盆地進行了大量研究[2-12]，但是由于盆地內廣泛發育的厚層鹽巖對地震信號的屏蔽作用影響了鹽下地震成像質量，從而制約了對該盆地鹽下裂谷系構造特征的認識。前人多是用區域資料從宏觀上分析盆地的裂谷系構造特征或從單一的油田區入手評價相關的斷裂構造與油氣成藏關系，由于受制于資料品質的限制，研究程度及系統性還有一定不足。本文主要依據寬頻采集的高質量3D深度域地震數據及鉆井資料，系統梳理了鹽下裂谷系構造特征，進而分析了構造對油氣成藏的影響，提出下步勘探方向和建議。

1 盆地基本地質特征

桑托斯盆地是一個典型的含鹽巖被動大陸邊緣盆地，在前寒武系結晶基底上沉積了白堊紀以來的地層(圖1)。該盆地的形成演化受控于岡瓦納大陸的裂解和大西洋的擴張，先后經歷了裂谷、過渡和漂移(被動大陸邊緣期)3個演化階段，相應沉積了裂谷期湖相沉積、過渡期鹽巖和漂移期海相沉積3套構造層系。鹽下裂谷期湖相沉積自下而上依次發育Picarras組、Itapema組和Barra Velha組地層。其中Picarras組以湖相泥巖和砂礫巖為主；Itapema組發育生屑灘，巖性主要為貝殼灰巖和泥灰巖等；Barra Velha組發育生物礁，巖性主要為灌木狀疊層石、球粒灰巖、泥礫灰巖、紋層灰巖和泥灰巖等。過渡期盆地處于局限海環境，由于蒸發量超過降雨量，主要沉積了一套厚層鹽巖，由石鹽、硬石膏和白云巖等組成。鹽上漂移期海相沉積包括下部的淺海局限臺地相碳酸鹽巖沉積和上部的開闊海深水沉積，發育了巨厚的海相泥巖，局部夾深水扇濁積砂巖沉積。

圖1 桑托斯盆地綜合柱狀圖Fig .1 Comprehensive histogram of Santos basin

桑托斯盆地主要發育鹽上漂移期濁積砂巖和鹽下裂谷期碳酸鹽巖兩套勘探層系。其中鹽下裂谷期碳酸鹽巖層系是盆地的主要勘探目的層，以構造型圈閉勘探為主，目前發現的油氣占到整個盆地的83%，具有優越的成藏條件。鹽下裂谷期碳酸鹽巖勘探層系的烴源巖為裂谷期廣泛分布的優質湖相泥頁巖，I型干酪根，TOC平均約4.4%，目前總體處于成熟-高熟階段。該套烴源巖供烴能力強，統計表明已發現大油田絕大部分都能夠全充滿，且部分過充滿，盆地內近90%石油儲量都來自該套湖相烴源巖。儲層為裂谷末期發育的湖相碳酸鹽巖，儲層物性好，孔隙度平均值為13%，最大可達30%，在遠岸隆起區廣泛發育，上覆厚層鹽巖蓋層，具有較好的儲蓋組合。裂谷系地壘-地塹系統發育，基底高的地壘分布區有利于各類構造型圈閉的發育，同時也是油氣長期優勢運聚區，且構造圈閉形成期早于烴源巖生、排烴期，關鍵時刻配置關系好。因此，裂谷期優質烴源巖生成的油氣可以沿著基底斷裂及碳酸鹽巖輸導層，垂向、側向運移到碳酸鹽巖構造圈閉中聚集成藏。

2 盆地裂谷系構造特征

2.1 斷裂特征

桑托斯盆地在裂谷期處于NW—SE向拉張應力場，發育的斷裂系統在平面上整體與拉張應力場近直交而表現為NE—SW走向，且近平行接替排列。同時局部斷裂也發育雁列組合，這與晚期漂移階段區域拉張應力場發生改變有關。晚期漂移階段SWW—NEE向拉張應力場與裂谷系斷裂斜交而使得部分再活動的斷裂發生伸展走滑變形[13]。重力異常資料顯示基底NW向存在明顯錯動跡象，推斷發育NW向隱伏基底斷裂(圖2)。剖面上，斷裂多表現為壘塹式、多米諾式、鏟式以及花狀等多種組合樣式。按照斷裂尺度級別，盆地內裂谷系斷裂可以劃分為四級(圖2)。一級斷裂為控制盆地一級構造單元(坳陷、隆起)的邊界基底大斷層；二級斷裂為控制盆地二級構造單元(凹陷、凸起)的邊界大斷層；三級斷裂為二級構造單元內，能夠控制局部構造及沉積的規模較大的斷裂；四級斷裂規模相對較小，對地層沉積控制作用有限，主要起到調節構造變形作用。

圖2 研究區鹽下裂谷系斷裂展布Fig .2 Fracture distribution of pre-salt rift system in study area

2.2 構造單元

不同級別的斷裂控制桑托斯裂谷盆地形成具有“隆坳相間”的構造格局。自西向東可以依次劃分為西部坳陷帶、西部隆起帶、中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶等5個一級構造單元[14]，不同坳陷帶內存在大量的古高地，在隆起區也有明顯的古洼地。本次根據覆蓋范圍有限的高質量3D深度域地震資料解釋與分析，進一步將中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶劃分為6個二級構造單元，分別為西部凹陷、中央低凸起、中央凹陷、東部凸起、東部斷階和東部凹陷，各構造單元以一、二級邊界斷裂為界，且不同構造單元具有獨特的構造特征(圖3、4)。

圖3 研究區鹽下裂谷系構造單元分布Fig .3 Structural unit division of pre-salt rift system of study area

西部凹陷整體向陸抬升，具有北東走向窄條狀的半地塹或不對稱地塹結構，裂谷地層厚度約1 800～3 000 m。中央低凸起表現為1～2排北東走向地壘構造，裂谷地層厚度約1 200～1 800 m。中央凹陷是盆地的沉積沉降中心，最大裂谷地層厚度近4 000 m，具有被斷層復雜化的不對稱地塹結構，東側受晚期走滑作用發生構造反轉抬升。東部凸起是一個被斷層復雜化的地壘構造。東部斷階受向海傾斜的基底斷層控制，發育一系列多米諾半地塹構造，裂谷系厚度普遍在500～1 500 m。東部凹陷是一個滾動半地塹系，向海傾斜的基底斷層控制地層沉積，斷層主要在裂谷晚期之后活動，推斷鹽下裂谷系厚度薄。

2.3 構造演化規律

桑托斯盆地是一個在前寒武系結晶基底之上發育的含鹽巖沉積盆地。盆地沉積地層以鹽巖為界可以劃分為鹽下裂谷和鹽上被動大陸邊緣兩套構造層系。其中盆地鹽下裂谷系構造層伸展變形具有由西向東遷移的時序特征(圖4)。

圖4 桑托斯盆地鹽下裂谷系構造演化(位置見圖3)Fig .4 Structural evolution of pre-salt rift system in Santos basin(see Fig.3 for location)

裂谷早期(圖4a)強烈斷陷中心在中央坳陷，地層厚度大，斷裂活動強烈；東部隆起這一時期的斷裂活動相對較弱，地層厚度薄，而東部坳陷幾乎無斷裂活動，伸展變形特征不明顯，有一定厚度的地層分布。裂谷晚期(圖4b)沉積沉降中心雖然仍在中央坳陷，但是伸展變形明顯向東遷移，這一時期東部隆起的斷裂活動強度與中央坳陷相當，東部坳陷也開始發生伸展變形，有明顯的斷裂活動。鹽巖沉積期及后續的被動大陸邊緣階段(圖4c、d)中央坳陷構造穩定，斷裂活動微弱，僅少量斷層活動，處于熱沉降的拗陷變形期，這一時期盆地沉降中心轉移到東部坳陷，構造活動強烈，發育一系列鏟式斷裂，斷距大，控制盆地強烈沉降，沉積了巨厚鹽巖。

2.4 構造單元形成機制

桑托斯盆地裂谷層系整體受區域拉張應力場控制，呈現NE—SW走向，局部構造變形同時受先存基底構造的制約，導致各構造單元具有不同的形成機制(圖5)。中央凹陷沿著NE走向的先存基底弱化帶發生伸展破裂，同時在NW—SE向左旋走滑先存基底隱伏斷裂的限制下，表現為南、北2個洼陷。NE走向的先存基底弱化帶穿過南部洼陷中部[15]，該先存基底弱化帶在漂移期NEE—SWW向拉張應力場作用下發生左旋走滑，導致其東部地體向北位移受Franco-Libra基底高塊體阻擋，而發生構造反轉。東部凸起在裂谷早期處于中央凹陷東側肩部，構造位置高。裂谷晚期后，盆地裂離中心遷移到東部凹陷而使得該區開始發生強烈伸展沉降，導致其西側的東部凸起和東部斷階“瞬時失壓”而均衡上升，形成現今構造形態。

圖5 桑托斯盆地主要構造單元形成機制Fig .5 Formation mechanism of main structural units in Santos basin

3 盆地構造對油氣成藏的控制作用

盆地的構造變形能夠控制著可容空間的變化和沉積地層的分布，進而影響了盆地內油氣地質條件，決定了盆地內油氣成藏規律和富集特征。

3.1 構造演化控制了烴源巖的時空展布

桑托斯盆地鹽下裂谷系烴源巖為Picarras組、Itapema組湖相泥巖。這兩套烴源巖都在裂谷早期斷陷階段發育，這一時期構造活動強烈，控制凹陷主體的斷裂垂向斷距普遍在1 500～2 500 m之間，最大可達4 000 m，盆地的沉降速率快、幅度大，湖深水廣，形成了具有還原環境的湖盆，有利于優質烴源巖的形成，鉆井揭示烴源巖I—II1型干酪根，TOC平均約4.4%，最大可達16%，S1+S2平均約37 mg/g，HI普遍在400～1 000 mg/g。平面上，斷陷階段烴源巖發育期，盆地發育多個NE向的凹陷和凸起，且凸起區也分布了大量的小型洼陷，這些不同尺度的洼陷從宏觀上控制烴源巖的分布。烴源巖主要在中央凹陷南北兩個洼陷分布，這兩個洼陷地層厚度普遍在2 500～3 500 m，最厚可達4 000 m，面積近4×104km2。地震上烴源巖段具有低頻連續強振幅反射特征，地震相追蹤表明烴源巖厚度多在200～500 m之間，面積近3×104km2，且目前油氣發現(超過300億桶的2P可采儲量)都分布在這兩個洼陷內部或周邊，顯示了烴源巖強大生烴能力(圖6)。

圖6 研究區鹽下裂谷系生烴主洼分布Fig .6 Distribution of main hydrocarbon generating depressions in pre-salt rift system of study area

3.2 構造格局約束了碳酸鹽巖儲層發育的有利場所

裂谷早期斷陷階段，盆地發育“高低起伏”的壘塹系統，無論凸起帶還是凹陷區都存在大量的基底高。從空間分布看，遠岸的基底高和物源之間發育“沉砂池”能夠阻擋碎屑物質推進，使得遠岸基底高保持了清澈的水體，水深適中，光照適度，具備適宜生物棲息和發育的環境[16]。此外，鉆井揭示盆地內的基底高都為火山噴發形成的地壘，巖漿巖活動不但能夠提高局部水體中氮、硫等元素含量，為微生物生長提供營養物質，且冷卻后的巖漿巖可作為礁體附著生長的堅硬基底。因此，遠岸火山型基底高是裂谷后期Itapema組和Barra Velha組生屑灘貝殼灰巖和微生物礁疊層石灰巖發育的有利場所。鉆井揭示桑托斯盆地遠岸凸起帶上湖相碳酸鹽巖儲層疊合連片，廣泛發育。東部凸起上發育疊層石灰巖和貝殼灰巖，儲層厚度普遍在300～500 m之間；中央凹陷低凸起區，同樣發育厚層疊層石灰巖儲層，厚度可達300 m。Lula、Libra等鹽下大油田勘探實踐證實，遠岸基底高的迎浪緩坡是碳酸鹽巖儲層發育的“甜點”區，這一區域一般處于高能環境，發育的碳酸鹽巖厚度大、巖性純，而緩坡的頂部可能因生物生長形成的阻擋作用降低了水體能量，進而導致這一區域儲層發育程度降低。向緩坡的底部過渡，隨著水體能量的降低，碳酸鹽巖發育程度逐漸降低，巖性變細，最終進入深湖—半深湖的泥巖沉積(圖7)。此外，如果基底高的緩坡處于較為封閉的湖灣低能靜水環境，碳酸鹽巖儲層發育程度會明顯降低，鉆井也揭示了是薄層生物灰巖儲層，主要為泥灰巖與泥巖沉積。

圖7 桑托斯盆地碳酸鹽巖沉積模式Fig .7 Carbonate sedimentary model of Santos basin

3.3 斷裂活動為油氣成藏提供了圈閉和高效的運移通道

桑托斯盆地裂谷期處于NW—SE向區域拉張應力場，在區域拉張應力場作用下，盆地內發育了NE—SW向伸展正斷層系統。伸展正斷層活動引起盆地差異伸展沉降，進而形成了大量的斷塊和斷背斜等構造圈閉。同時由于盆地所在的南大西洋區域由南到北的“剪刀式”旋轉拉張裂離，導致盆地的拉張應力場方向發生改變，使得先存基底斷裂和一些早期的正斷層發生走滑變形，引起局部區域發生反轉形成背斜圈閉。不同類型的構造圈閉與基底斷裂伴生，且這些基底斷裂都斷至烴源巖層，是溝通了烴源巖與圈閉的油源斷裂。因此深層成熟烴源巖生成的油氣可以沿著基底斷裂垂向運移，在基底高的碳酸鹽巖構造圈閉內聚集成藏，且這些構造圈閉上覆厚層的區域鹽巖蓋層，后期構造活動弱，不易遭到破壞，保存條件好(圖8)。

圖8 桑托斯盆地鹽下裂谷系油氣成藏模式Fig .8 Hydrocarbon accumulation of pre-salt rift system in Santos basin

4 討論

桑托斯盆地鹽下裂谷系發育優質湖相烴源巖，目前已有發現可采儲量達500億桶油當量。從油氣分布特征看，“源控”的規律非常明顯，雖然在中央低凸起、中央凹陷、東部凸起以及東部斷階等不同構造單元都有油氣發現，但是大部分油氣發現主要分布在主生烴洼陷內部及其圍區(圖6)。不同構造帶油氣藏解剖表明東部凸起和中央凹陷東部反轉帶成藏條件最好，已有大型發現多分布在這一區域，但是目前勘探程度已經很高，剩余勘探潛力有限。中央坳陷帶低凸起區勘探潛力最大，這一區帶成藏條件好，靠近主生烴洼陷，烴源巖充足，且凸起區遠離物源，適宜生物灰巖儲層發育，也有利于規模大、幅度高的構造型圈閉發育，是油氣的優勢運聚區，洼陷內成熟烴源巖生成的油氣可以沿著斷裂運移，在高部位的碳酸鹽巖圈閉內聚集成藏。此外，目前該區勘探程度低，還有多個未鉆目標，是下一步油氣勘探潛力區。東部斷階遠離主生烴洼陷，存在供烴不足的風險，勘探潛力有待進一步研究。

5 結論

1) 桑托斯盆地裂谷系發育NE—SW向伸展斷裂系統，局部斷裂發生伸展走滑變形，表現為雁行排列特征。斷裂分為四級，控制裂谷系構造格局，可劃分一級構造單元5個，其中中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶3個一級構造單元又劃分為6個二級構造單元。

2) 桑托斯盆地裂谷系伸展變形具有由西向東遷移的時序特征。裂谷早期中央凹陷是盆地沉降沉積中心；裂谷晚期全盆地斷裂活動相當，無明顯的沉降沉積中心；鹽巖沉積期及后續的被動大陸邊緣階段，盆地沉降中心轉移到東部凹陷，該凹陷發育一系列鏟式斷裂控制盆地強烈沉降。

3) 桑托斯盆地裂谷系構造格局受區域拉張應力場和先存基底構造共同控制。中央凹陷受先存隱伏基底斷裂的分割，表現為南、北2個洼陷，其東部塊體因基底弱化帶走滑作用而發生構造反轉。東部凹陷在裂谷晚期隨著裂陷中心的遷移而發育。東部凸起和斷階因兩側的凹陷強烈伸展沉降作用而均衡上升定型。

4) 桑托斯盆地裂谷系烴源巖在強烈斷陷階段形成的洼陷內發育，主力烴源巖主要分布在中央凹陷。遠岸火山型基底迎浪開闊緩坡是優質儲層發育區。斷裂活動不但形成了高效的油源斷裂，也造就了大量斷塊、斷背斜等伸展型圈閉以及與斷層走滑作用相關的反轉背斜圈閉。中央坳陷帶內低凸起是下一步油氣勘探的有利區。