第一作者简介 田涛,男,1987年生,博士,2015年毕业于西北大学地质学系,现为国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室工程师,主要从事非常规油气地质研究。E-mail:tiantao870211@163.com。
剥蚀厚度恢复是进行盆地埋藏史、热演化史、油气成藏等定量分析的基础。文中利用镜质体反射率法、流体包裹体法、声波时差法和地层厚度趋势法等多种方法,恢复了内蒙古雅布赖盆地侏罗系和白垩系剥蚀厚度。计算结果表明,侏罗系和白垩系总剥蚀厚度为 1610.9~2177.0, m;在流体包裹体法和地层厚度趋势法约束下,恢复的侏罗系剥蚀厚度为 930.2~1395.3, m,白垩系剥蚀厚度为 0~612.1, m。雅布赖盆地侏罗系剥蚀厚度“北大南小”,白垩系剥蚀厚度“南大北小”,反映盆地改造强度具有晚侏罗世南弱北强、早白垩世南强北弱的特征。大规模隆升剥蚀,导致地层温度下降、烃源岩遭到破坏,一定程度上制约着雅布赖盆地的烃源岩成熟演化以及油气生成。
About the first author Tian Tao,born in 1987,graduated from department of Geology of Northwest University,and obtained his Ph.D. degree in 2015. Now he is an engineer of Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,MLR, and engaged in unconventional petroleum geology. E-mail:tiantao870211@163.com.
Recovery of denuded strata thickness is the foundation of making quantitative analysis of basin burial history,thermal history and hydrocarbon accumulation. In this paper,the denuded thickness of the Jurassic and Cretaceous in Yabrai Basin of Inner Mongolia was calculated by the methods of vitrinite reflectance( RO),fluid inclusion,interval transit-time and trend surface of formation thickness. The analysis results show that the total denuded thickness of the Jurassic and Cretaceous is 1610.9-2177.0,m, and that of Jurassic and Cretaceous is 930.2-1395.3,m and 0-612.1,m respectively under the constraint results calculated by fluid inclusion and trend surface of formation thickness methods. The denuded thickness of Jurassic appears larger in north and smaller in south, while that of Cretaceous shows diametrically opposed as larger in south and smaller in north. The spatial distribution characteristics of denuded strata thickness indicate that the intensity of tectonic uplift in north was much stronger than that in south during the Late Jurassic and interconverted during the Early Cretaceous. The formation temperature descended and the source rocks were destroyed after the large scale uplifting and denudation,and that restricted the maturity and thermal evolution of source rocks and even the hydrocarbon generation in Yabrai Basin to a certain extent.
沉积盆地的形成演化普遍伴随有地层剥蚀过程的发生, 并常常造成地层间呈不整合接触。盆地中沉积地层剥蚀厚度和过程的恢复及其空间分布特征, 对沉积过程、构造演化、热演化史分析等具有重要作用, 因为在含油气盆地分析中, 这些因素将直接或间接地对油气的生成、运移、保存、破坏等造成影响(黄捍东等, 2006; 曹强等, 2007; 吴涛等, 2015)。早期提出的剥蚀厚度恢复方法主要有地层对比法和沉降速率法、声波时差法(AC)、镜质组反射率(RO)法和波动方程法等(Magara, 1976; Dow, 1977; Katz et al., 1988; 何生和王青玲, 1989; 刘国臣等, 1995), 之后得到了不断的改进和发展(陈增智等, 1999; 胡圣标, 1999; 佟彦明等, 2005; 佟彦明和朱光辉, 2006)。较新出现的剥蚀厚度恢复方法有磷灰石裂变径迹法(AFT)、包裹体测温恢复法和沉积-构造综合分析法(柳益群和周立发, 1997; 胡少华, 2004; 赵立彬等, 2006; 史长林等, 2011)。上述这些方法均较多依靠测井数据和实验分析数据等, 因此对于钻井资料较少的勘探新区来说, 难以利用以上方法获得可靠的结果。针对新探区域的剥蚀厚度恢复, 有学者结合地震剖面资料提出了沉积地层趋势厚度分析法(李坤等, 2007; 梁全胜等, 2009)。内蒙古雅布赖盆地为中国西北地区勘探程度较低的小型盆地, 为了做好勘探研究, 需要系统进行剥蚀厚度恢复分析。本次分析在沉积地层发育特征基础上, 以研究区主要经历晚侏罗世和早白垩世晚期2次重要抬升过程为地质约束, 利用声波时差法、镜质体反射率法、流体包裹体法等计算单井剥蚀量, 并结合地震解释剖面, 采用地层厚度趋势法进行区域剥蚀量估算, 从而形成多种方法相互约束和验证。根据计算结果, 探讨雅布赖盆地地层剥蚀厚度分布特征及其地质意义。
雅布赖盆地位于中国内蒙古阿拉善地区北部, 面积约1.5× 104, km2, 是受北大山逆冲推覆断裂和雅布赖山正断层控制发育的小型断陷翘倾叠合盆地(吴茂炳等, 2007; 赵宏波, 2011)。该盆地由西部坳陷和东部隆起2个一级构造单元构成, 西部坳陷可进一步划分为红杉湖凹陷、萨尔台凹陷和黑茨湾凸起3个二级构造单元。其中, 萨尔台凹陷可划分为盐场次凹、黑沙低凸起、小湖子次凹3个次级构造单元(图 1-a)。该盆地主要发育侏罗系、白垩系和新生界(图 1-c), 其中侏罗系厚2730, m, 可进一步分为中侏罗统青土井组、新河组和上侏罗统沙枣河组, 白垩系厚约300, m。磷灰石裂变径迹分析(田涛等, 2015a)表明, 雅布赖盆地在侏罗纪晚期和早白垩世晚期发生了2次较大规模的抬升剥蚀事件, 2期沉积地层在黑茨湾凸起地区减薄叠合, 形成特殊的“ 翘倾叠合” 型式, 呈削截不整合接触(图 1-b)。
随着埋藏温度的升高, 有机质热演化程度逐渐增大, 镜质体反射率数值变大, 但当地层抬升冷却时, RO值不会随着温度的降低而减小, 即镜质体反射率的热演化过程具有不可逆性。通过一定的换算关系可以恢复 RO记录的地质历史时期地层曾达到的最高古地温。基于这一特性, Dow(1977)根据分布在不整合面上下构造层中的镜质体反射率, 利用差值法来估算某期地层的剥蚀厚度。随着镜质体反射率差值法在盆地沉降史、构造演化史、热演化史等研究领域的应用实践, 国内学者发现该方法存在一定的缺陷并进行了合理的改善。胡圣标(1999)指出Dow(1977)提出的直接利用不整合面上下 RO数据估算的地层抬升规模与剥蚀量的方法缺乏一定的理论基础, 利用该方法得出的结果并不是不整合面上的地层剥蚀厚度, 而是相当于正断层错动导致的地层缺失量。陈增智等(1999)考虑到再埋藏作用对分布在不整合面上下的镜质体反射率影响程度不同, 认为在再埋藏进行的早期阶段, 不整合面上部的镜质体反射率变化程度较大而不整合面下部老地层的镜质体反射率则变化程度较小。当再埋藏作用进行到一定程度时, 不整合面上下的镜质体反射率之间的差距会越来越小, 甚至无法区分, 给利用Dow(1977)的差值法估算剥蚀厚度带来一定困难。因此, 陈增智等(1999)提出了基于 RO-TTI法的镜质体反射率法进行地层剥蚀厚度恢复。佟彦明等(2005)、佟彦明和朱光辉(2006)在陈增智等(1999)的理论基础上, 对最高古地温法作了进一步发展, 提出了一种利用 RO数据恢复剥蚀厚度的新方法, 即ln(RO)-H线性关系回归法。这种新方法不但具有最高古地温法的合理思想, 而且计算过程简单易行。
本次剥蚀厚度恢复主要利用分布于不整合面下伏地层的镜质体反射率值, 建立其与埋藏深度(H)之间的线性回归关系, 并将其外推至ln(0.2)≈ -1.61处, 得到近似的古地表, 而古地表和不整合面之间的差值即为某一构造层顶面的剥蚀厚度。利用该方法恢复出了研究区部分单井侏罗系顶面剥蚀厚度, 如小湖子次凹中Yt1、Yt2、Yt3井侏罗系顶面剥蚀厚度分别为1706.1, m(图2-b)、1610.98, m、1921.1, m(图2-d); 盐场次凹Yc1井侏罗系顶面剥蚀厚度约1671.15, m(图2-a); 黑沙低凸起Hs1井侏罗系顶面剥蚀厚度约2054.66, m(图 2-c)。
剥蚀后沉降未对早期(不整合面以下)地层压实规律造成破坏即未发生过补偿沉积过程, 是声波时差法恢复地层剥蚀厚度的前提条件(付晓飞等, 2004; 周路等, 2007), 其通常根据不整合面上下 RO与深度分布的分段性来判断。由于本次研究中 RO测点均在侏罗系不整合面以下, 故无法通过 RO、埋深、不整合面三者之间的关系来判断声波时差法是否适用于本区, 但可通过对雅布赖地区沉积-构造演化、现今地层厚度结合 RO法恢复的剥蚀厚度等进行推断。在中侏罗世, 研究区南北断层活动加剧, 黑茨湾隆起, 此时形成巨厚的中侏罗统; 晚侏罗世早期至中期, 气候干旱, 不利于沉积, 形成了相对较薄的上侏罗统沙枣河组; 晚侏罗世末期, 北部急剧隆起, 剥蚀了大量侏罗系; 早白垩世再次进入沉积期, 其中早白垩世晚期北部急剧沉降, 而南部相对隆起, 剥蚀掉大量白垩系, 沉积中心北移; 进入新生代以来, 盆地普遍处于隆升阶段。由沉积-构造演化过程可见, 研究区仅在中侏罗世和早白垩世出现了较快的沉降, 其他时期均处在不利于沉积或隆升剥蚀的阶段, 且剥蚀厚度巨大。通过钻井层位的划分和地震综合解释剖面得知, 研究区不整合面上部沉积地层厚度小, 如白垩系/古近系不整合面(K/E)之上的沉积地层仅厚27.0~299.0, m; 白垩系/侏罗系不整合面(J/K)之上的沉积地层厚度为353.0~592.0, m; 侏罗系/古近系(J/E)不整合面之上的地层厚度为97.0~233.0, m。 RO法恢复的剥蚀厚度可达2000, m以上, 远大于后期沉积厚度, 因此, 研究区可以利用声波时差法来恢复剥蚀厚度。将声波时差与深度的线性关系反推至620~650 μ s/m处, 得到近似古地表, 并进一步根据与不整合面之间的差值确定剥蚀厚度。如Yt2井、Yt3井、Yt4井利用声波时差法恢复侏罗系顶面总剥蚀厚度分别为1778.0, m、2177.0, m和1620.0, m(图 3), 与用镜质体反射率法恢复的结果相接近。
在沉积盆地沉降深埋、抬升剥蚀等地质过程中均有包裹体的产生。均一温度测温分析表明, 矿物在埋深较大时捕获的包裹体均一温度较高, 在抬升冷却时捕获的包裹体均一温度较低(史长林等, 2011)(图 4)。因此, 根据地层抬升前后2个流体包裹体均一温度的差异, 结合古地温梯度, 利用公式(1)即可恢复某一构造层的顶面剥蚀厚度:
式中:H为地层剥蚀厚度(m); Ta 为抬升剥蚀前流体包裹体均一温度(℃); Tb 为抬升剥蚀后流体包裹体均一温度(℃); dT/dZ为抬升剥蚀期古地温梯度(℃/100m)。
本次研究共计观察19个钻井砂岩包裹体薄片, 并对其中的18个进行了流体包裹体均一温度测定。测温结果显示, 大部分包裹体均一温度直方图显示出高、低温2个峰值, 是沉积盆地在沉降增温、抬升冷却的不同温度阶段所捕获。根据镜下观察与测温结果, 选取Yt1-2、Yt7-2、Hs1-2等具有代表性的样品进行包裹体法剥蚀厚度恢复。
Yt1-2样品取自Yt1井2368.63~2368.76, m段, 处于中侏罗统新河组下段(J2x1)。镜下观察显示, Yt1-2样品早期流体包裹体赋存在石英颗粒内部、未切穿胶结物, 晚期流体包裹体则赋存于石英颗粒周边的晚期胶结物中(图 5-a)。均一温度测温结果显示, 早期流体包裹体均一温度较高、主要集中分布在120~125, ℃, 晚期包裹体均一温度较低、主要集中分布在85~90, ℃。由于目前尚无法判别2期流体包裹体被捕获具体时间, 本次利用流体包裹体恢复的剥蚀厚度结果应小于实际剥蚀厚度。Yt1-2样品早期高温包裹体均一温度(120~125, ℃)为侏罗系抬升剥蚀前最高古地温(Ta), 晚期低温包裹体均一温度(85~90, ℃)为侏罗系抬升剥蚀后地层降温时捕获(Tb)。通过古地温场分析(田涛等, 2015b), Yt1井抬升剥蚀期古地温梯度取3.2, ℃/100, m, 代入公式(1)即可得Yt1井侏罗系顶面剥蚀厚度为1094.0, m。由于Yt1井白垩系全被剥蚀殆尽, 缺乏白垩系包裹体样品, 无法通过该方法恢复白垩系剥蚀厚度, 可与RO法、声波时差法恢复的总剥蚀厚度相结合, 推算白垩系剥蚀厚度。 RO法恢复的Yt1井总剥蚀厚度1706.1, m, 总剥蚀厚度减去侏罗系剥蚀厚度可得Yt1井白垩系剥蚀厚度为612.1, m。相同方法, 计算可得Yt7井侏罗系剥蚀厚度约为937.5~1250.0, m、白垩系剥蚀厚度为460.0~772.5, m; Hs1井侏罗系剥蚀厚度为930.2~1395.3, m、白垩系剥蚀厚度为659.3~1124.5, m(表 1)。
通过地震解释技术, 可以区分出沉积地层间存在的不整合接触关系, 并能确定被剥蚀地层的残留顶界面。当不整合面下伏地层出现削顶接触关系时, 则可根据下伏地层的残留顶界面趋势进行追踪, 恢复地层被剥蚀前的原始面貌。在利用沉积地层厚度趋势法时, 为了方便地层追踪, 一般选取地层横向变化波动较小的剖面(梁全胜等, 2009)。
雅布赖盆地南北地区在不同时期遭受了不同强度的叠合改造, 地层差异变化幅度大。因此, 选取萨尔台凹陷东西向地震剖面(YL97-564)进行综合解释, 并根据沉积地层厚度趋势法恢复侏罗系、白垩系原始地层沉积趋势面。萨尔台凹陷东部残留较完整的上侏罗统, 存在上侏罗统顶面地层, 可以根据顶界面变化趋势恢复侏罗系剥蚀前沉积界面。由于剖面中未出现完整白垩系顶界, 仅在东部残留部分白垩系, 其与上覆古近系呈不整合接触。因此, 可将该残留白垩系的中心作为白垩系零剥蚀点, 此时恢复出来的白垩系剥蚀厚度为最小剥蚀厚度, 可估算沿此剖面线方向展布的侏罗系剥蚀厚度主要为1100.0~1200.0, m, 白垩系剥蚀厚度为0~615.5, m、主要为600, m左右。将离剖面线较近的井位投影至构造剖面图中, 便可根据比例尺和追踪的剥蚀趋势线估算剥蚀厚度, 例如J1井侏罗系剥蚀厚度约1050.0, m, 白垩系剥蚀厚度约650.0, m; Hs1井侏罗系剥蚀厚度约1210.0, m, 白垩系剥蚀厚度约600.0, m(图 6)。
镜质体反射率法(RO)与声波时差法(AC)基本原理相似, 均根据不整合面上下某一参数因地层剥蚀而产生的差值进行计算。在满足计算条件前提下, 这两种方法都较方便快捷, 但用声波时差法计算的过程中需要读取泥岩正常压实段的时差数据, 受人为影响因素较大, 不同人计算的结果具有一定的差异性。包裹体均一温度法关键在于所需参数和不同期次包裹体的准确识别与分析, 由于包裹体均一温度峰值多为某一温度区间, 所以计算出来的剥蚀厚度同样多为区间值, 具一定的波动性。为减小计算误差, 地层厚度趋势法一般适用于地层横向波动幅度较小的区域。本次研究受样品采集、各方法适应条件、资料丰度低等因素的影响, 并非所有单井均能利用每种方法进行恢复, 单井对比程度较低, 就Yt1、Yt2、Yt3、Yc1、Hs1等可对比的单井来讲, 本次采用各方法计算出的结果均保持较好的一致性(表 2)。不同剥蚀厚度恢复方法均具有其各自优点和不足, 为了保障计算结果的准确性, 需要多种方法相互验证。
受资料丰度限制, 准确恢复每口单井侏罗系和白垩系2期地层剥蚀厚度有一定困难。在现有单井剥蚀厚度恢复结果的基础上, 结合沉积构造演化、地质剖面以及前人研究成果, 对次级构造单元和构造带进行局部细化, 由点到面、由定量到定性绘制研究区总剥蚀量、侏罗系剥蚀量、白垩系剥蚀量平面分布并进行分析。
研究区总剥蚀厚度以萨尔台凹陷为中心, 向北部(黑茨湾低凸起), 中部(黑沙低凸起)以及东部(东部隆起)方向, 逐渐增大(图 7-a); 由于侏罗系剥蚀厚度明显大于白垩系剥蚀厚度, 致使侏罗系剥蚀厚度与总剥蚀厚度分布特征相当(图 7-b); 白垩系剥蚀厚度分布特征与侏罗系剥蚀厚度分布特征呈相反的趋势, 剥蚀厚度由南部凹陷带向北部凸起和红杉湖凹陷方向减小(图 7-c)。在雅布赖盆地沉积-构造演化, 尤其是晚侏罗世和早白垩世的差异性沉降隆升的控制下, 形成上述剥蚀厚度平面分布特征。
白垩系剥蚀厚度与侏罗系剥蚀厚度呈相反分布趋势, 表明盆地经历了2期差异隆升剥蚀与沉降。中侏罗世, 盆地南部沉积厚层侏罗系, 向北大山山前呈增厚趋势; 晚侏罗世末期, 盆地北部隆升强烈, 剥蚀了大量侏罗系, 甚至全部遭剥蚀。早白垩世晚期北部急剧沉降, 沉积了厚层白垩系, 而南部急剧隆升, 剥蚀掉大量白垩系, 局部被全部剥蚀, 沉积中心北移。此时, 在2期隆升剥蚀与沉降的差异性作用下, 北部局部白垩系直接覆盖在南部残留侏罗系之上, 相互叠合呈削截不整合接触关系, 形成现今沉积构造格局。
计算结果显示, 雅布赖盆地总剥蚀厚度普遍高达1600, m以上, 剥蚀强度较大, 按该区古地温梯度2.8~4.3, ℃/100, m(田涛等, 2015)计算, 隆升剥蚀可导致地层温度降低44.8~68.8, ℃以上, 这制约了侏罗系烃源岩热演化并向油气转化的能力, 并且大规模的隆升剥蚀致使烃源岩层遭到破坏, 故从烃源岩质量和规模两方面给雅布赖盆地生油气潜力带来一定影响。
1)多种地层剥蚀厚度恢复方法相结合, 表明内蒙古雅布赖盆地北部侏罗系剥蚀厚度大于南部, 南部白垩系剥蚀厚度大于北部, 反映了盆地改造强度具有晚侏罗世南弱北强、早白垩世南强北弱的特征, 盆地形成演化经历了差异性隆升剥蚀与沉降过程。
2)雅布赖盆地大规模的隆升剥蚀必然导致地层温度降低和烃源岩层破坏等, 这对盆地烃源岩热演化、油气生成产生重要影响。多种方法恢复雅布赖盆地剥蚀厚度, 可为今后该区的油气勘探提供一定的地质依据。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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