松遼盆地上古生界深層系展布特征
——來自綜合地球物理資料的依據

袁永真，方 慧，裴發根，王興宇，陳德元，荊 磊，張明鵬

1.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.自然資源部地球物理電磁法探測技術重點實驗室，河北 廊坊 065000；3.江蘇省有色金屬華東地質勘查局814 隊，江蘇 鎮江 212005

0 引言

松遼盆地是中國重要的油氣產區，經過幾十年的連續開采，接續資源嚴重不足，亟待開展新領域的調查研究工作.近幾年開展的深層油氣勘探，發現松遼盆地石炭紀—二疊紀地層具有巨大的油氣資源潛力［1］，應成為深部油氣資源勘探的重要目標層系［2］.多年來基礎地質成果認為，松遼盆地的石炭系—二疊系（CP）遭受了區域變質作用，即便在C-P 發現油氣也認為屬于新生古儲［3］.隨著油氣基礎地質調查與研究的開展，對C-P 的認識取得了發現與突破.在以上古生界深層系為目標的油氣地質勘探方面，業內學者分別從構造活動與盆地性質、上古生界分布狀況、油氣資源潛力研究方面進行了不懈的探索，積累了豐富資料［4-14］.原國土資源部油氣戰略研究中心開展的油氣戰略選區項目，利用地球物理勘查手段，對松遼盆地及周緣石炭系—二疊系油氣地質條件進行了初步評價，認為C-P沒有經歷區域變質作用，并且層內發育多套烴源巖［15］.松遼盆地外圍多個中小盆地中發現“第一低阻層”之下存在“第二低阻層”［16-18］，并且有向盆地內部連片的趨勢［19］，認為是晚二疊世林西組泥頁巖類.井中化探分析表明C-P 具備生烴物質基礎，進一步明確了C-P 油氣地質條件與資源前景.油田部門于石炭系—二疊系也不斷取得發現與突破.余和中等［20］利用鉆遇變質巖探井的剖面，建立地震反射模型，在全盆地選取部分地震剖面進行地震解釋，最后確定C-P 厚度.趙福海等［21］應用鉆井、重磁、物性、地質和鉆孔等資料，進行重電約束反演，開展綜合解釋，推測出松遼盆地的C-P底界埋深.總之，無論是在油氣戰略選區還是油氣基礎地質調查，盆地外圍還是盆地內部，利用地球物理方法來揭示松遼盆地C-P 的發育情況是有效的.

雖然不同學者利用綜合地球物理剖面資料對盆地內的C-P 發育情況進行了探究，但是松遼盆地的C-P發育情況還存在幾個問題.一是盆地內的C-P 研究缺乏整體性，研究精度不夠；二是現有的地球物理資料大多是以白堊系為目的層，下伏地層結構的信息通常缺失或信噪比低，并不能滿足對C-P 地層研究的需求；三是受盆地內深部信息不足等影響，松遼盆地C-P 分布大多是利用重力資料（經過延拓、小波分解等處理方式）解釋推斷，松遼盆地是一個凹陷盆地，利用重力數據進行平面的數據濾波等處理，來獲得石炭-二疊系的分布顯然是不合適的.

本研究收集了盆地內的深反射地震剖面、重力、鉆井、地質、測井、巖石物性等資料，在分析研究區綜合地球物理資料的基礎上，采用強約束“剝皮”技術-地震精細解釋資料-測井數據多信息融合反演密度界面的方法獲得了C-P 地層分布，分析地層分布特征，討論上古生界盆地現今構造格局、C-P 地層特征的形成原因，為下一步石炭-二疊系的油氣有利區劃分及資源前景評價提供基礎數據，為油氣地質調查與勘探部署提供依據，為實現松遼盆地油氣勘探的可持續發展提供保障.

1 區域地質概況

東北地區位于西伯利亞、華北、太平洋三大板塊交匯處，松遼盆地是中國東北部的一個大型的中、新生代陸相含油氣盆地，發育在松遼-渾善達克地塊之上，西臨興安地塊、艾力格廟-錫林浩特地塊，東與佳木斯地塊為界，南接華北克拉通（圖1）.松遼盆地在早古生代經歷了復雜的開合旋回與構造-巖漿事件后，形成了相對穩定的塊體，進入晚古生代后，研究區進入了蓋層演化階段.從晚古生代開始，總體呈現南海北陸的構造格局［19］.古地理研究表明，研究區晚石炭世—二疊世沉積環境是一個規模巨大、南與古亞洲洋相連的海相沉積盆地，到二疊紀末整體向南敞開，向北逐漸變窄.同時晚石炭紀—早二疊世陸內裂谷的發育形成了規模巨大的近東西向的海盆，其沉積作用持續到中二疊世［23］.晚二疊世初期，裂谷由伸展轉向閉合，沉積環境逐漸由海相過渡為海陸過渡相，最終成為近東西向的大型陸相沉積盆地［24］.早三疊世之后，古亞洲洋構造域演化進入尾聲，濱太平洋大陸邊緣構造作用逐漸加強.盆地經歷了晚印支運動的強烈擠壓作用后，轉入造山后期的應力松弛階段，地幔熱物質上涌，使盆地經歷了初始張裂階段、沉積斷陷階段、沉積萎縮期、拗陷階段、沉積構造反轉等復雜的構造演化，形成了現今的盆地構造格局.

圖1 東北地區大地構造圖（據文獻［22］改編）Fig.1 Geotectonic map of Northeast China（Modified from Reference［22］）

從盆地內鉆遇前古生界的探井可知，前古生界變質程度較高，巖性主要為花崗片麻巖、片麻狀花崗巖、片巖類等.下古生界以絹云母片巖、綠泥石片巖、石英片巖、綠泥石千枚巖為主.上述地層中見有加里東期雜色花崗巖.下石炭統主要為海相沉積，巖石受到輕微變質.上石炭統本巴圖組巖性主要為砂礫巖、粉砂巖、粉砂質頁巖及深灰色灰巖.上石炭-下二疊統阿木山組巖性主要為碳酸鹽巖，中部和下部有少量砂巖、粉砂巖及泥巖［25］.下二疊統壽山溝組為一套濱淺海相陸源碎屑巖沉積夾薄層泥質灰巖，主要的巖石類型有含碳屑粉砂質板巖、巖屑長石石英砂巖、薄層泥灰巖、砂屑灰巖及紋層狀灰巖等.下二疊統大石寨組為一套海相火山巖夾碎屑巖建造，巖性組合為流紋質角礫巖屑玻屑凝灰巖、流紋質晶屑玻屑（細）凝灰巖.中二疊統哲斯組巖性主要為淺海相砂巖、粉砂質泥巖和生物碎屑灰巖類，是研究區上古生界重要的潛在生烴層系.上二疊統林西組為一套陸相湖盆類復理石碎屑沉積，巖性組合為巨厚層暗色泥頁巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和細砂巖，其中半深湖—深湖相厚層暗色泥巖發育，是上古生界重要的潛在生烴層系.盆地外圍扎魯特盆地的陶海營子剖面暗色泥巖總厚度為126.9 m，單層最大厚度為67.5 m，鉆遇林西組的魯D1 井的沉積相顯示為半深湖—深湖相.突D2 井鉆探過程中發現厚層暗色泥巖的生烴潛力好，且有機質豐度為中等—好.

2 綜合解釋方法

2.1 解釋思路

為約束非震資料處理解譯，優選出多條橫跨松遼盆地、具有C-P 地震反射信息的地震剖面，針對地震剖面進行精細的處理、解釋，并將其結果應用于重力數據的反演，從而獲取松遼盆地內石炭-二疊系展布特征.主要分為以下幾個步驟：分析總結物性特征—中生界底界面識別—約束條件下重力“剝皮”處理—獲得石炭-二疊系地層重力異?！?二疊系地層底界面判別與綜合解譯—強約束條件下的重力三維反演.

2.2 物性特征

多家單位在盆地內開展了大量的物性調查研究工作，形成了比較豐富的巖石物性資料，包括巖石密度、磁化率、電阻率（井旁MT、測井曲線等）等資料［26］.近年來，以上古生界為目的層，在松遼盆地外圍采集并測試了1 199 塊巖石物性標本；以中生界為目的層在松遼盆地外圍采集并測試了3 390 塊巖石物性標本；在盆地內收集鉆井數據382 口.

將這些巖石物性標本測試數據與盆地內的井旁測深、地球物理測井等資料對比表明，上古生界目的層（石炭系、二疊系）與蓋層（中生界）和下伏的基底（前古生界、下古生界）及各類巖體存在較為明顯的物性差異.需要說明的是，大地電磁對低阻層敏感，研究區石炭-二疊系暗色泥頁巖類含泥質、炭質成分較多，低阻特征更加明顯；同時上古生界地層具有高密特征，與上下地層存在密度界面（表1）.物性界面為下一步有針對性地開展地球物理資料綜合處理解釋提供了物性依據，對研究上古生界目的層分布狀況和發育特征具有重要意義.

表1 研究區物性界面關系表Table 1 Physical property interfaces in the study area

2.3 工作方法

2.3.1 中生界底界識別

盆地內有多家單位實施的二維地震反射剖面，以及豐富的地球物理和鉆井等資料，地震資料深部信息的信噪比低，淺部信息T1—T5反射層較清晰.通過系統收集、整理盆地內外鉆遇上古生界頂面的探井和地震T1—T5構造層資料來確定中生界底界面埋深（圖2），依此初步確立上古生界頂面埋藏深度，然后整理通過剖面的鉆井分層資料對其深度進行校正，最終確定盆地內上古生界頂部埋深.

圖2 松遼盆地中生界底界（地震T5 界面）等深度圖Fig.2 Depth contour map of Mesozoic bottom（seismic interface T5）in Songliao Basin

2.3.2 約束條件下重力“剝皮”處理

大慶油田和吉林油田等單位以及江蘇有色814 隊多年來在松遼盆地開展了大量的重力勘探工作，形成了豐富重力資料.本研究采用的資料大部分是高精度重力，然后用1∶25 萬和1∶100 萬區域重力資料進行補充，最后形成500 m × 500 m 的網格數據.重力異常為經過各項改正的布格異常.布格重力異常是深、淺部地質體的綜合疊加效應，既包括有沉積蓋層的重力信息，又包含目的層和基底起伏、巖性變化及地殼深部因素引起的重力信息.使用變密度正演方法計算出蓋層地質體引起的重力效應（圖3），然后從實測布格重力異常（圖4）中減去蓋層以上地質體引起的重力效應，就可分離出反映蓋層以下地層的重力效應（圖5）.

圖3 地震T5 界面之上重力異常圖Fig.3 Gravity anomaly map above seismic interface T5

圖4 布格重力異常圖Fig.4 Bouguer gravity anomaly map

圖5 地震T5 界面之下剩余重力異常圖Fig.5 Residual gravity anomaly map below seismic interface T5

2.3.3 石炭-二疊系底界面判別與綜合解譯

由于盆內資料較多，選擇橫跨盆地內地震與重力資料齊全的骨架剖面進行聯合解譯，獲取晚古生界目標層系底界面埋深及在盆地內部的展布特征，并對相關的平面結果進行校定.鉆井及地質露頭顯示，目標層內部巖性與基巖內部的巖性具有很大差異，地震反射波特征有所不同，推測其底界面反射波應表現為中弱振幅.鉆井揭示，目標層包括沉積巖、火山（噴發）巖、巖漿侵入體，不同環境及巖性在地震剖面上會表現出不同的反射特征（圖6）.另外，通過鉆井對比地震剖面總結了C-P 內部地層主要典型構造樣式和反射特征.從整個東北地區的地質構造背景分析認為，目標層的沉積是伴隨深大斷裂的活動開始的，并且目標層伴有火山噴發及不同時代多期次巖漿侵入.

圖6 松遼盆地地球物理綜合解釋剖面Fig.6 Comprehensive geophysical interpretation profiles of Songliao Basin

對T5界面以下的重力異常進行滑動趨勢分析處理，結合本區異常特征，取得深部區域場，T5界面以下重力效應減去深部區域場得到剩余重力場.該重力場主要是中生代盆地底界面以下地層的重力效應，也是本研究目的層上古生界的重力效應.進行人機交互反演前，首先截取與地震剖面同位置的剩余重力異常（圖6a），利用重力二維人機交互反演擬合軟件，對上一步驟地震反演剖面解釋推斷的石炭-二疊系的形態進行調整，確定其埋深及厚度.

2.3.4 強約束條件下的三維重力反演

首先，將收集到的資料進行整理融合，提取與密度模型相關的已知信息，包括密度測井信息、地震剖面提取的T1—T5界面深度信息、C-P 底界面控制點信息以及莫霍面控制點信息等.然后，根據已知信息建立整個松遼盆地及外圍區域的密度參考模型.模型的主要分層包括T1—T5地層、T5底界面—莫霍面的地層.最后，在三維重力反演框架下，基于參考模型，并通過多種約束方式反演密度界面，最終得到與界面控制點信息吻合度較好的C-P 底界面展布.

2.3.5 巖體分布

在深井揭示不足，深層地震資料不佳的情況下，利用重磁資料預測基底巖性是目前最為有效的方法.在地震構造界面的約束下采用重力剝皮技術，消除沉積蓋層引起的重力效應，獲取較為可靠的目標層巖性的重力異常；利用磁力資料通過向上延拓處理進行異常場源分離，取得反映目標層地層與侵入巖分布的磁異常信息.采用支持向量機巖性預測方法對不同巖性進行編碼，作為訓練樣本，結合不同巖性鉆井的重磁異常相應特征，利用已知井處的剩余重力、剩余磁力值，作為樣本的兩個特征量；對松遼盆地進行剖分與特征值歸一化處理，采用徑向積核函數進行巖性預測，結合剩余重力、磁力場的垂向二階導數，獲得初步中生界基底巖性分布；并結合綜合地球物理剖面的解釋結果進行調整，最終得到巖性分布圖.

3 盆地內石炭-二疊系的埋深與厚度特征

松遼盆地石炭-二疊系構造上總體呈現北北東向，C-P 底界埋深表現為中、東、北部石炭系底界面埋深大，西部和東北部埋深較?。▓D7、8）.凹陷區以大慶-松原-通遼為中心，埋深在10～14 km 之間，在齊齊哈爾-白城北和海倫-大慶-哈爾濱一帶，石炭-二疊系底界面埋深較淺，局部地區甚至埋深只有幾百米.

圖7 松遼盆地石炭-二疊系底界面埋深圖Fig.7 Burial depth map of Carboniferous-Permian bottom in Songliao Basin

松遼盆地C-P 地層厚度整體表現為厚薄不均，指示了地層結構復雜，受到多期次的構造活動作用影響.沉積厚度一般為2～10 km，最大可達13 km.地層分布特征反映出晚古生代（C-P）以長條狀槽盆沉積為主，平面總體上呈北北東—北東向帶狀展布.可大致劃分為北帶、中帶和南帶3 個部分.

圖8 松遼盆地石炭-二疊系厚度圖Fig.8 Carboniferous-Permian stratigraphic thickness map of Songliao Basin

北帶主要指齊齊哈爾—大慶—哈爾濱一線以北的廣大區域，區內C-P 厚度集中在6～10 km 之間.結合鉆井資料分析，該區主要發育的是泥質巖、砂質巖為主的中晚二疊系地層.

中帶是指北帶以南、西拉木倫斷裂以北的地區.該區上古生界地層沉積呈現“兩拗夾一隆”的特征.東西兩側地層厚度在5～8 km 之間，并且呈現一個厚度中心和兩個條帶狀的沉積.沉積厚度中心在白城地區，厚度在8～10 km，面積9 000 km2.兩個條帶分別位于通遼北和長春西，條帶走向均為北東東，厚度在7～8.5 km 之間.在松原以西部分地區，中生界地層直接不整合覆蓋于前石炭系之上，缺失C-P 地層沉積.

南帶主要指西拉木倫斷裂以南的地區.結合煤田鉆井資料及部分測年資料，該區最顯著的特征是C-P地層大面積缺失.前石炭系地層廣泛分布，主要為海相的碳酸鹽巖.

4 討論

綜合分析表明，松遼盆地內上古生界從北到南呈現厚度不均，總體表現出東西向隆拗相間的展布特征.拗陷區的厚度在8～10 km 之間，隆起區厚度500～2 000 m，并且北部拗陷表現為寬緩.該特征表明，上古生界形成之后遭受了南北方向擠壓作用，并且南北向擠壓應力由北向南逐漸增強，形成了東西向隆拗褶皺構造.從區域構造角度分析是古亞洲洋閉合造成的南北向擠壓作用，產生東西向的褶皺構造現象［27］.古亞洲洋閉合后，盆地受濱太平洋大陸邊緣構造作用逐漸加強，在北西向的擠壓應力場作用下形成了北東向構造［28］.從整個盆地看，北東向構造規模最大的為依安-大慶-大安-通遼斷裂，以齊齊哈爾—大慶—哈爾濱一線為界，北段地層埋藏深度與地層厚度有較好的對應關系，地層埋藏較深的區域，地層厚度也較大，南段卻不存在這種對應關系.盆地北部北東向的構造特征明顯，南部只在局部地區存在北東向構造.反映盆地的北部受北西向環境應力影響較大，盆地的結構從東西向構造轉變為北東向構造為主；南部受北西向環境應力影響較小，影響盆地結構的主要因素仍然是古亞洲洋閉合時期的南北向應力.在長春、哈爾濱、白城南部、齊齊哈爾以及南部地區地層厚度較薄，小于500 m，并且地層埋深淺，甚至出露地表.松遼盆地內的部分鉆井資料顯示，下白堊統地層直接以角度不整合覆蓋于二疊系之上，反映盆地邊緣受到了比較強烈的擠壓隆升剝蝕.早中生代時期，盆地中的上古生界遭受伸展拉張，形成一系列小型斷陷盆地，并且太平洋板塊西斜向俯沖，盆地受到北東向的擠壓應力，東西向的構造被改造.白堊紀期間大興安嶺、小興安嶺等地區為隆起區，松遼盆地邊緣遭受抬升剝蝕，盆地內部拉張斷陷，侏羅-白堊系直接覆蓋于石炭-二疊系之上.從巖體分布看，松遼盆地內侵入巖廣泛發育，巖體規模較大，厚度較厚，對石炭-二疊系有明顯的改造作用，地層結構被破壞，厚度減薄，如圖6 所示.地層厚度過薄不利于烴源巖的保存.

總之，石炭-二疊系在盆地內廣泛分布，經過多期次構造域的疊加改造，其中的斷陷發育區石炭-二疊系埋藏較深，地層較厚，蓋層厚度大，保存較好；盆地邊緣隆起區埋藏較淺，地層較薄，蓋層厚度小，石炭-二疊系保存不好，甚至被剝蝕殆盡；巖體發育的地區對地層保存和烴源巖的生烴演化產生重要的影響.

5 結論

（1）以物性為橋梁對松遼盆地的地球物理資料綜合分析，通過強約束“剝皮”技術，重力、地震剖面聯合解釋的精細格架＋強約束條件下反演密度界面方法來獲得的C-P 地層分布，比傳統的濾波方法得到的C-P地層分布更加接近實際情況.

（2）松遼盆地上古生界構造上總體呈現北北東向，底界埋深表現為中、東、北部石炭系底界面埋深大，西部和東北部埋深較小.松遼盆地上古生界地層厚度整體表現為厚薄不均，指示了上古生界結構復雜，受到多期次的構造活動作用影響.沉積厚度一般為2～10 km，最大厚度可達13 km.可大致劃分為北帶、中帶和南帶3 個部分.

（3）結合東北地區構造演化規律分析了石炭-二疊系構造特征，認為松遼盆地雖然經歷了區域多期次構造疊加，現今的石炭-二疊系仍然保留了受古亞洲洋板塊影響形成的東西向隆拗褶皺構造；中生代時期受太平洋板塊的影響，東西向隆拗褶皺構造被改造，盆地南北部出現差異，以齊齊哈爾—大慶—哈爾濱一線為界，北部北東向構造特征明顯，南部只在局部地區存在北東向的構造，反映盆地的南北部受太平洋板塊的影響存在差異.

（4）盆地斷陷發育區石炭-二疊系埋藏較深，地層較厚，蓋層厚度大，保存較好；盆地邊緣隆起區埋藏較淺，地層較薄，蓋層厚度小，石炭-二疊系保存較差.