何发岐, 王杰, 赵永强, 安川, 王付斌, 陶成, 倪春华, 贾会冲. (2022)鄂尔多斯盆地东胜富氦气田成藏特征及其大地构造背景* [J]. 古地理学报, 24(5): 937-950
HE Faqi, WANG Jie, ZHAO Yongqiang, AN Chuan, WANG Fubin, TAO Cheng, NI Chunhua, JIA Huichong. (2022)Accumulation characteristics of Dongsheng helium-rich gas field in Ordos Basin and its tectonic background[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(5): 937-950.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.05.067
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鄂尔多斯盆地东胜富氦气田成藏特征及其大地构造背景*
何发岐1, 王杰2,3, 赵永强2,3, 安川1, 王付斌1, 陶成2,3, 倪春华2,3, 贾会冲1
1 中国石化华北油气分公司,河南郑州 450006
2 中国石油化工集团公司油气成藏重点实验室,江苏无锡 214126
3 中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡 214126

第一作者简介 何发岐,男,1967年生,1987年毕业于西北大学地质学系,博士,教授级高级工程师,主要从事石油地质综合研究及油气勘探开发工作。E-mail: hefq.hbsj@sinopec.com。

*庆贺西北大学建校120周年!

收稿日期:2022-05-19
基金资助:国家自然科学基金项目(编号: 42072154)和中国石化重点科技项目(编号: P17009)联合资助
摘要

近年来,在鄂尔多斯盆地北缘东胜气田上古生界天然气中发现伴生的氦气,含量分布在0.045%~0.487%范围内,具有工业价值,其三级储量约为8.3亿立方米,为一特大型含氦—富氦天然气田。东胜气田氦气属于典型的壳源氦,来源于基底的太古界—元古界变质岩—花岗岩系,富集与燕山期以来的岩浆侵入、断裂活动有关。东胜气田具备有利的氦气成藏地质条件,伴生氦气与烃类气具有异源同储成藏特征,剖析其成藏主控因素为: 基底富U、Th岩石发育是基础,断裂活动是核心,储盖圈保条件是必备,时空配置是关键,其中早白垩世是最重要的一期构造—岩浆热事件,深源岩浆活动导致的深部物质和热能的大规模上涌是中生代流体成藏(矿)的有利地球动力学背景,控制了鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤系烃源岩大规模生气。断裂活动和圈闭形成与上古生界天然气、氦气聚集成藏具有良好的时空配置关系,与华北克拉通破坏过程耦合。鄂尔多斯地块在早白垩世至中新世深部热流体对盆地发生的多期岩浆活动、基底断裂活化及浅部断裂活动具有明显的控制作用,同时也对石炭系—二叠系煤系烃源岩成烃成藏具有重要的控制作用。

关键词: 氦气成藏; 构造演化与断裂发育; 大地构造; 特大型富氦气田; 东胜气田; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)05-0937-14
Accumulation characteristics of Dongsheng helium-rich gas field in Ordos Basin and its tectonic background
HE Faqi1, WANG Jie2,3, ZHAO Yongqiang2,3, AN Chuan1, WANG Fubin1, TAO Cheng2,3, NI Chunhua2,3, JIA Huichong1
1 SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China
2 SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanisms, Jiangsu Wuxi 214126, China
3 Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, SINOPEC, Jiangsu Wuxi 214126, China

About the first author HE Faqi,born in 1967,graduated from Northwest University in 1987, Ph.D. and professor of engineering, is mainly engaged in petroleum geology,exploration and development of petroleum. E-mail: hefq.hbsj@sinopec.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.42072154)and the Major Science and Technology Projects of Sinopec(No. P17009)
Abstract

In recent years,commercial helium associated with natural gas has been discovered in the Upper Paleozoic in Dongsheng gas field,in the northern part of Ordos Basin,with helium content ranging from 0.045% to 0.487%. The 3P reserves of helium gas are about 8.3×108 m3,which is the first supergiant helium-rich natural gas field in China. The helium in Dongsheng gas field belongs to typical crust source,which is derived from the Archaean-Proterozoic metamorphic-granite series in the basement and its enrichment is related to magmatic intrusion and fault activity since the Yanshan Orogeny. Dongsheng gas field has favorable geological conditions for helium accumulation,with helium and natural gas from different sources but accumulated in the same reservoir. The main controlling factors of helium accumulation including the development of U- and Th-rich rocks in the basement,fault activity,good combination of reservoir,cap,trap and preservation,and the temporal-spatial configuration. The most important tectonic-magmatic-thermal event occurred in the Early Cretaceous,and the large-scale upwelling of deep material and heat energy caused by deep magmatic activity was the favorable geodynamic background for the Mesozoic fluid accumulation(mineralization),which controlled the large-scale gas generation of the Carboniferous-Permian coal source rocks in the Ordos Basin. Coupled with the destruction process of the North China Craton,the fault activity and trap formation had a good spatial and temporal relationship with the accumulation of hydrocarbon gas and helium of the Upper Paleozoic. From the early Cretaceous to Miocene,the deep thermal fluid in the Ordos block significantly affected the multiple-period magmatic activity,basement fault reactivation and shallow fault activity,as well as controlled the hydrocarbon generation and accumulation of the Carboniferous-Permian coal type source rocks.

Key words: helium accumulation; tectonic evolution and fault development; geotectonics; supergiant helium-rich gas field; Dongsheng gas field; Ordos Basin

氦气具有无色、无味、沸点低、化学惰性强的特点, 在国防军工、核工业、航空航天、临床医学、深海潜水、低温科学等领域都有广泛应用, 是一种关系到国家安全和高新技术产业发展的不可替代的重要战略资源。近年来中国氦气需求快速增长, 目前中国氦气年消费量约为2240万立方米, 自给率不足1%, 其余依赖进口, 中国氦气资源严重缺乏, 资源安全形势十分严峻。氦气主要与烃类气藏或二氧化碳、氮气等非烃气藏伴生, 同时还有一些氦气以溶解状态存在于地下热水中, 从含氦、富氦天然气藏中提取氦气仍是工业提取氦气的最主要途径。鄂尔多斯盆地东胜气田天然气中氦气含量较高, 已测天然气中氦气含量主要处于0.045%~0.487%之间, 基本上氦气含量都可以达到工业标准, 属于含氦— 富氦天然气田(何发岐等, 2022), 评价氦气三级储量为8.3亿立方米, 是目前为止发现最大的特大型含氦— 富氦天然气田, 具有较大的开发利用价值, 但这个特大型含氦气田中氦气的成因、成藏机制及主控因素还不清楚。为此作者系统采集了东胜气田不同区带天然气样品, 系统开展伴生氦气成因、来源及分布特征研究, 剖析氦气藏与常规天然气成藏要素的时空配置关系, 明确氦气成藏条件、成藏模式及主控因素, 为鄂尔多斯盆地氦气藏乃至常规天然气勘探评价提供基础支撑。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是华北板块西部典型的克拉通叠合盆地, 面积为25× 104 km2, 周缘与河套盆地、银川地堑、巴彦浩特盆地、六盘山盆地、定西盆地、渭河盆地等6大盆地以断层接触分界(图1-a)。现今鄂尔多斯盆地由伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘逆冲带6个二级构造单元组成。东胜气田位于鄂尔多斯盆地北缘杭锦旗区块。杭锦旗区块横跨伊盟隆起、伊陕斜坡、天环坳陷3个二级构造单元, 勘探矿权面积8940 km2(图1-a)。杭锦旗地区上古生界自下而上发育太原组(C3t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2sh)和石千峰组(P3s), 太原组和山西组的煤岩、碳质泥岩和暗色泥岩等煤系地层是东胜气田上古生界天然气的主力烃源岩, 受前石炭纪古地貌影响, 烃源岩主要分布在南部斜坡区, 尤其是西南部烃源岩最为发育, 在北部隆起区仅分布在局部洼地、沟谷中, 具有南厚北薄、东厚西薄、凹陷最为发育的特点(何发岐等, 2020)。下石盒子组和山西组的含砾粗砂岩和粗砂岩层为良好的储集层; 上石盒子组和石千峰组广泛分布、厚度大的大套泥岩及粉砂质泥岩构成了良好的区域性盖层, 对天然气藏的形成和保存起到了很好的遮挡和封盖作用(李功强等, 2017)。东胜气田烃源岩、储集岩和盖层发育较好, 时空配置关系较好, 具有较好的生储盖配置组合。该区油气勘探始于20世纪 50年代, 到目前共完钻探井174口, 开发井630口, 截止到2021年11月底, 杭锦旗地区在下石盒子组和山西组等主力产层提交天然气三级储量已达到万亿立方米, 展示出良好的天然气勘探前景。

图1 鄂尔多斯盆地与周缘大地构造关系(a)、杭锦旗区块区带划分(b)和地层综合柱状图(c)Fig.1 Tectonic relation of Ordos Basin and its surrounding(a), zone division(b)and comprehensive stratigraphic column(c)of Hangjinqi area

表 1 鄂尔多斯盆地东胜气田不同区带氦气含量统计 Table1 Statistics of helium contents in different zones of Dongsheng gas field, Ordos Basin

东胜气田主要产气层自上而下为下二叠统下石盒子组的盒3段、盒2段、盒1段, 以及山西组的山2段、山1段(图1-c), 不同区带产气层位也有差别, 什股壕区带以下石盒子组盒 2段、盒 3段为主, 独贵加汗区带主要为盒1段、盒3段, 十里加汗区带以盒 1段、盒3段、山 1段为主, 新召区带以盒 1段、山 2段为主, 呈现出多层立体含气格局。按照东胜气田上古生界天然气的成藏区带、赋存层位(图1-b), 共系统采集天然气样品166件, 其中什股壕区带34件, 独贵加汗区带93件, 新召东区带28件, 十里加汗11件, 基本上做到了区块、区带、层位上的全覆盖(表 1)。天然气中氦气含量和同位素分析由中国石化油气成藏重点实验室开发的天然气中稀有气体浓度与同位素比值联测仪器完成。

2 东胜气田氦气成因及分布特征
2.1 氦气来源于基底太古界— 元古界变质岩— 花岗岩系

应用氦同位素组成特征可以有效地判识氦气成因和来源。不同成因来源的氦, 其同位素3He/4He值具有明显的差异, 大气来源氦的3He/4He值为1.4× 10-6, 壳源氦的3He/4He值为(2~3)× 10-8, 典型幔源氦的3He/4He值为1.1× 10-5或更高。通常利用天然气样品中氦的3He/4He值(R)与大气氦的3He/4He值(Ra)的比值R/Ra=(3He/4He)样品/(3He/4He)大气来定量表征天然气样品中幔源氦的贡献大小, 当R/Ra> 1, 表示具有明显的幔源氦加入, 至少有12.5%以上的幔源氦贡献; 当 R/Ra< 0.1时, 可以认为天然气中氦基本上都来自壳源(王杰等, 2006a)。东胜气田上古生界天然气中3He/4He值分布在1.83× 10-8~6.25× 10-8范围内, R/Ra分布范围为0.013~0.045, 远小于0.1, 幔源氦几乎可以忽略不计, 表明东胜气田伴生氦气为典型的壳源成因。经过潜在氦源岩脱附气中氦、氩同位素与天然气中氦、氩同位素比值对比分析, 发现东胜气田上古生界天然气3He/4He值和 40Ar/36Ar 值的变化范围及规律, 与基底太古界— 元古界变质岩— 花岗岩系岩石脱附气的3He/4He值和 40Ar/36Ar 值具有相似的特征, 而与石炭系— 二叠系煤系烃源岩以及延长组油页岩脱附气处于不同范围内, 直接说明了东胜气田氦气来源于盆地北部基底的太古界— 元古界变质岩— 花岗岩系(何发岐等, 2022)。

2.2 氦气平面局部富集, 纵向在下石盒子组气层中含量高于下部山西组

前人把天然气中氦含量为0.05%作为具有商业开采价值的氦气含量下限值(王杰等, 2006b; Dai et al., 2017; 陈践发等, 2021), 将氦含量大于 0.1% 的天然气称为富氦天然气藏(Ballentime and Sherwood, 2002; 陈践发等, 2021; 秦胜飞等, 2022)。目前, 氦气的提取主要是从具有商业开采价值, 即氦含量大于 0.05%的天然气藏中提取。东胜气田上古生界天然气中氦气含量总体上分布在0.045%~0.487%范围内, 平均值为0.118%, 除个别气样外, 基本上都具有氦气商业开采价值。就平面分布而言, 独贵加汗区带氦气含量处于0.061%~0.487%内, 平均值为0.138%, 整体含量较高, 氦气含量大于0.1%的气样占59.1%; 什股壕区带氦气含量分布范围为0.072%~0.158%, 平均值为0.113%, 氦气含量大于0.1%的气样占比为67.7%, 占比最高, 氦气含量分布相对较平均; 新召区带和十里加汗区带天然气氦气含量较低, 其分布范围分别为0.066%~0.094%(均值为0.081%)和0.045%~0.076%(均值为0.063%)(表 1)。综合来讲, 氦气含量大于0.1%的气样占比为47.0%, 与乌兰吉林庙断裂和泊尔江海子断裂相近的独贵加汗区带和什股壕区带具有较大的氦气勘探开发潜力。

从纵向产层分布看, 下石盒子组盒1段天然气中氦气含量分布在0.06%~0.343%内, 平均值为0.129%, 盒2段氦气含量分布范围为0.07%~0.222%, 平均值为0.123%, 盒3段氦气含量处于0.082%~0.150%, 平均值为0.098%, 总体上氦气含量从上部到下部逐渐增加, 显示出氦气具有由下向上运移的特征。下石盒子组不同小层的混层天然气中氦气含量在0.043%~0.137%内, 平均值为0.087%; 下石盒子组和山西组合采天然气中氦气含量为0.071%~0.127%, 平均值为0.084%; 山西组不同小层合采天然气中氦气含量为0.076%~0.086%, 平均值为0.082%。由此可见, 盒1段和盒2段天然气中氦气含量较高, 是东胜气田目前主要的氦气勘探开发层系。

东胜气田氦气含量为0.045%~0.487%, 平均含量为0.118%, 按照前述划分氦气经济价值的标准, 东胜气田属于含氦— 富氦天然气田。利用天然气储量和天然气中氦气含量等数据, 评价东胜气田氦气探明储量为2.44× 108 m3, 三级储量为8.3× 108 m3, 氦气资源潜力巨大, 是迄今为止发现的第一大特大型含氦— 富氦天然气田(何发岐等, 2022), 具备建设氦气战略储备基地的资源基础。

3 氦气成藏条件与主控因素
3.1 氦气成藏条件

氦气因扩散性强, 在地层中无法独立成藏, 大多以微量组分与烃类气藏或二氧化碳、氮气等非烃气藏伴生, 同时还有一些氦气以溶解状态存在于地下热水中。氦气成藏与烃类气体成藏既有相同点, 又有差异, 氦气成藏必须具有以下几个方面的必要条件。

3.1.1 潜力巨大的氦源岩

太古代— 早元古代由多个古陆核拼合形成华北克拉通(翟明国等, 2003, 2021)。鄂尔多斯盆地共经历了迁西、阜平、五台、吕梁等4次构造运动, 在基底形成过程中, 阜平运动促使古陆核形成, 五台运动使古陆核由塑性向刚性转变, 并最终在18亿年前的吕梁运动后形成了稳定的结晶基底(王涛等, 2007; 赵振宇等, 2012)。在此过程中盆地基底岩系发生变质、混合岩化及褶皱作用, 并由此形成了乌审旗和清水河等地区EW向的正、负相间磁异常区, 其中部南凸呈弧形, 北部正异常以集宁群、乌拉山群和二道凹群为代表, 为麻粒岩相— 角闪岩相, 局部为绿片岩相区, 主要由太古界古陆核组成; 内部为平缓的宽条带状, 北东走向, 它主要代表下元古界五台群及滹沱群组成的基底, 为变质片麻岩、片岩及大理岩; 东南部以吕梁群、岚河群及野鸡山群为代表, 为绿片岩、千枚岩、大理岩和变质的火山岩, 主要由下元古界褶皱变质岩系组成(杨华等, 2006)。

华北克拉通受天山— 兴蒙造山系和祁连— 秦岭— 大别— 苏鲁造山系所围限, 西部是鄂尔多斯地块, 其基底为一个拼合基底, 存在南北分区性:阴山、集宁、阿拉善古陆核拼合形成北部古陆核; 南部古陆核与北部古陆核在吕梁期沿北东向断裂带发生汇聚、拼合, 固结克拉通化形成盆地基底, 在中元古代进入稳定地台发展阶段。杭锦旗地区东胜气田位于鄂尔多斯地块的北缘, 杭锦旗地区发育约8~10 km主要由变质岩、花岗岩、混合岩等构成的巨厚结晶基底(张成立等, 2021)。该区大量的钻井钻遇到了较厚的富含铀、钍等放射性元素的花岗岩、变质岩系, 其铀、钍元素含量大都在1.49× 10-6~19.4× 10-6范围内, 这些岩石中的U、Th等放射性元素经过α 衰变产生大量的4He, 成为潜力巨大的氦源岩, 是东胜含氦— 富氦气田的主要来源。鄂尔多斯地块北部的古元古界大桦背岩体、乌海桌子山花岗岩等铀含量分布在5.16× 10-6~25.7× 10-6, 局部铀含量达到216.7× 10-6, 钍含量分布介于24× 10-6~47.5× 10-6之间, 也从侧面印证了该区太古界— 元古界变质岩— 花岗岩系富含铀、钍等放射性元素(王梁等, 2015; 何泽宇等, 2021)。Brown(2010)研究认为, 花岗岩与普通页岩释放氦气的速率和潜力几乎一样。不像烃源岩生烃受热成熟作用的控制, 氦源岩中U、Th等放射性元素在漫长的地质历史时期中以稳定的衰变速率发生衰变, 并源源不断地释放出充足的壳源氦。

3.1.2 深大断裂是控制氦气运移和富集的通道

东胜气田上古生界天然气中氦气是壳源成因氦。氦气具有极强的扩散性和渗透性, 在一定条件下可以脱离宿主矿物成为自由态, 4He脱离宿主矿物进入孔隙空间的机制主要为: (1)核反冲效应; (2)矿物裂隙处的快速扩散; (3)缓慢扩散脱离宿主矿物; (4)构造运动引起的应力释放矿物破碎; (5)水岩交互作用、热作用、蚀变作用等(Torgersen and Clarke, 1985; Torgersen and Ivey, 1985)。基底岩石衰变产生的氦气在脱离宿主矿物后以溶于地层流体或以独立相态在压力差、浓度差、地热场等驱动下, 沿贯穿基底的深大断裂向上运移, 然后沿上古生界的层间断裂运移输导至有效的富集环境再成藏。

本区泊尔江海子、乌兰吉林庙等深大断裂沟通了基底氦源岩和储集层, 控制着氦气在平面上和层位上的分布, 然后氦气再沿着层间和层内断裂伴随着烃类气体运移到适宜的部位聚集成藏。从氦气分布特征可以看出, 氦气主要在二级断裂的通氦源断裂与四级断裂的输导体系交汇处富集(图2, 图3), 含量高值区南北分别临近泊尔江海子和乌兰吉林庙二级大断裂, 独贵加汗区带和什股壕区带四级断裂发育, 且四级断裂多由基底断裂后期活动形成, 促进了氦气输导和成藏。

图2 鄂尔多斯盆地北部南北向典型地震剖面图(A-A'位置见图1-b)Fig.2 Typical north-south seismic profile in northern Ordos Basin profile (Location of profile A-A' is shown in Fig.1-b)

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗东胜气田氦气含量与断裂以及基底发育的关系(据何发岐等, 2022)Fig.3 Distribution of fractures, helium contents and basement in Dongsheng gas field(after He et al., 2022)

3.1.3 异常高压带补充了高效的封盖条件

相对于烃类气体而言, 氦气分子直径很小, 仅为0.26 nm, 具有极强的扩散性和穿透性, 容易发生散失, 氦气聚集成藏对保存条件的要求更加苛刻, 需要优质的封闭条件。杭锦旗东胜气田上石盒子组和石千峰组厚度为130~160 m, 主要发育大套内陆干旱湖相泥质岩, 主要为粉砂质泥岩、泥岩, 泥质岩中的黏土矿物以高岭石和伊利石为主, 并含有较多的膨胀性矿物蒙脱石和伊利石-蒙脱石混层矿物, 膨胀性矿物越多, 其封阻能力较强。石千峰组和上石盒子组分布广泛而稳定, 普遍发育泥岩欠压实带, 形成一个面积巨大的异常高压带, 弥补了常规泥岩突破压力低的不足(郝蜀民等, 2016; 王欢等, 2020), 构成了下伏下石盒子组、山西组天然气藏的区域性盖层(郝蜀民等, 2016), 而下石盒子组与山西组之间缺少这个异常高压带, 造成了下石盒子组较山西组氦气更富集的特征。

3.1.4 良好的宿主气藏环境

受控于气源、储集层、输导、构造演化的差异配置, 东胜气田发育构造、岩性-构造、地层-岩性复合等多类型气藏。纵向上, 从下到上岩性的控制作用逐渐增加, 圈闭类型从以构造圈闭为主过渡为以复合或岩性圈闭为主。太原组、山西组气藏以岩性-构造复合气藏为主, 下石盒子组盒2+3、盒1气藏以岩性气藏为主(李功强等, 2017)。平面上, 同一含气层系从西向东, 构造的控制作用逐渐增强, 由岩性圈闭为主过渡为以构造圈闭、构造-岩性复合圈闭为主。盒1段总体表现为砂体大面积叠置发育, 大面积含气, 天然气富集程度差异明显, 其中主要发育源内致密岩性气藏、致密低渗地层-岩性气藏和低渗岩性-构造气藏, 以及源侧低渗构造、岩性-构造气藏; 盒2、盒3段河道规模小, 相变快, 以岩性气藏为主, 其中主要发育源内致密岩性气藏、源内低渗地层-岩性气藏以及源侧构造和岩性-构造复合气藏(齐荣, 2016)。就不同区带而言, 杭锦旗地区以泊尔江海子断裂和乌兰吉林庙断裂为界南北两侧天然气藏圈闭类型差异明显, 断裂以北什股壕区带主要发育构造圈闭气藏, 局部还发育地层圈闭气藏; 断裂以南主要发育岩性圈闭和岩性-构造复合圈闭气藏, 局部发育低幅度构造圈闭气藏, 其中新召东区带主要为岩性圈闭气藏, 独贵加汗区带主要发育致密岩性圈闭和地层圈闭气藏, 十里加汗区带主要发育构造圈闭和岩性圈闭气藏。上古生界岩性圈闭与沉积过程密切关联, 形成于二叠纪, 构造圈闭形成于侏罗纪— 白垩纪, 这些圈闭形成时间均早于或同步于早白垩世晚期生气高峰期, 时间匹配关系良好, 氦气聚集成藏乃至富集应与石炭系— 二叠系煤系烃源岩成藏聚集同步。

3.2 氦气成藏模式及主控因素

目前全球已发现的工业氦气资源均以伴生组分赋存于各类天然气藏中, 包括烃类、以氮气或二氧化碳为主的非烃类天然气藏, 未见以氦气为主的天然气藏或氦气独立成藏。杭锦旗东胜气田伴生氦气与烃类气具有异源同储成藏特征, 太古界— 元古界基底富含U、Th的花岗岩、片麻岩等源源不断衰变产生氦气, 并通过断裂、裂缝等通道或微渗漏等向上运移, 在固态岩石和地层水中不易聚集, 根据相似相溶原理, 遇到天然气藏更容易聚集, 与常规天然气伴生, 当气藏聚集的通量大于散失量时, 氦气浓度逐渐增大, 形成工业氦气藏。综合剖析杭锦旗地区构造— 断裂演化、基底岩相发育特征、天然气成藏地质要素动态演化, 根据氦气成藏需要的苛刻地质条件、时空和物质上的复杂配置关系(图4), 东胜气田氦气成藏主控因素为: 基底富U、Th岩石发育是基础, 断裂活动是核心, 储盖圈保条件是必备, 燕山期以来的时空配置是关键。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗东胜气田氦气成藏模式(据何发岐等, 2022; 有修改)Fig.4 Helium accumulation model of Dongsheng gas field, Ordos Basin(modified from He et al., 2022)

4 氦气成藏特征启示及大地构造意义

华北克拉通自太古代陆核形成到中生代构造转折与去克拉通化经历了复杂的构造演化过程(翟明国, 2021)。鄂尔多斯盆是华北克拉通西部一个稳定沉降、扭动明显、拗陷迁移的多重叠合盆地, 在太古宙— 古元古代形成的基底之上, 经历了中新元古代拗拉谷、早古生代浅海台地、晚古生代近海平原、中生代内陆湖盆和新生代周边断陷5大沉积演化阶段, 盆地形成过程中发生多次沉降与隆升相互交替, 构造活动呈现出明显的多旋回性, 发育 中新元古界、寒武系— 下奥陶统、中石炭统— 二叠系、三叠系、侏罗系— 下白垩统等5套构造— 地层层序, 盆地内部缺失了中奥陶统— 下石炭统、上白垩统— 新近系(何登发等, 2021)。前人研究认为鄂尔多斯盆地是个稳定的克拉通内坳陷盆地, 以构造相对稳定、变形微弱为主要特征(刘池洋等, 2005; 何登发等, 2017, 2021)。随着勘探程度提高和三维地震应用, 认识到在鄂尔多斯盆地内部发育有大量不同级别断裂, 断层多具有产状直立、断距小的特征, 断层的成因与基底断裂后期多期活动密切相关。尽管前人对鄂北杭锦旗的构造活动有所研究, 但对杭锦旗地区中生代以来的构造活动、地温场及关键热事件与油气关系研究还很薄弱。

4.1 鄂北断裂发育特征表明不同构造期鄂尔多斯地块演化与周缘过程同步

鄂尔多斯盆地演化至今, 主要经历了吕梁、晋宁、加里东、海西、印支、燕山和喜山等多期构造运动旋回(图5)。吕梁构造运动期(约为2500~1800 Ma)属古元古代, 华北陆块在1.8 Ga前由阴山— 冀北、晋冀、鲁西、渤海东和陕豫皖5个陆块及其之间的洋壳消减汇聚而成统一的古大陆, 经历了古— 中太古代陆核孕育、新太古代岩浆弧、古元古代基底形成阶段。此时阴山、集宁、阿拉善古陆核拼合形成的北部古陆核与鄂尔多斯南部古陆核沿北东向断裂带发生拼贴而成鄂尔多斯地块, 鄂尔多斯克拉通北部为东西走向的向南突出的深变质稳定陆核, 总体形态呈北高南低, 是华北古陆核向南增生而形成的。

图5 鄂尔多斯盆地北部南北向构造演化剖面(A-A'位置见图1-b)Fig.5 South-north tectonic evolution section in northern Ordos Basin(Location of profile A-A'is shown in Fig.1-b)

中生代, 古特提斯洋的扩张使得扬子陆块与华北克拉通对接, 在对接带两侧产生近东西向的差异沉降盆地, 盆地进入陆内坳陷阶段, 此时鄂尔多斯地块受古亚洲洋、古特提斯洋和环太平洋3大区域动力体系控制, 华北地区发生重大构造转折, 华北克拉通的岩石圈减薄而发生自下而上的破坏作用, 自晚侏罗世以来, 进入破坏高峰期(翟明国等, 2003, 2021), 鄂尔多斯地块周缘板块相继汇聚、碰撞造山, 边缘发生隆起并整体掀斜, 鄂尔多斯盆地开始作为独立的盆地接受沉积。燕山期伴随着盆地西部的阿拉善地块向东逆冲作用的持续发展, 与之伴生的前渊坳陷也依次向东迁移(图6), 形成典型的前陆盆地构造序列。燕山期尤其在侏罗纪末期发生强烈的挤压逆冲, 二级基底断裂发生活化, 形成一系列逆断层。在泊尔江海子断裂与乌兰吉林庙断裂之间, 或在主断层两侧发育伴生的众多的NWW向次级逆断层、NE向次级正断层(四级和五级断裂)(刘池洋等, 2005; 邹和平等, 2008; 罗开平等, 2021), 这些伴生的小构造指示泊尔江海子断裂与乌兰吉林庙断裂都具有左行扭张性质。

图6 鄂尔多斯盆地及邻区燕山期区域构造背景纲要图(据杨明慧, 2011①; 有修改)Fig.6 Yanshanian regional tectonic background of Ordos Basin and its adjacent areas(modified from Yang, 2011①)

4.2 氦气成藏的时空配置关系说明中生代以来盆地北部基底断裂发生活化并有岩浆侵入

中生代, 华北克拉通与相邻块体的下地壳发生大比例的熔融和壳幔物质交换, 华北克拉通发生大规模的地壳变动和破坏, 这种破坏主要集中在东部, 而西部主要表现为克拉通的改造(翟明国, 2019)。位于华北克拉通西北部的杭锦旗地区在改造过程中发生了多期伸展— 挤压构造旋回, 发育了系列形态各异的断裂, 断裂构造类型丰富、空间展布复杂多样, 表现出明显的分期、分区、分带、分段及分层差异活动特征。从西向东宗别立、三眼井、乌兰吉林庙、泊尔江海子等二级基底大断裂在加里东期初具雏形, 构成伊盟隆起与伊陕斜坡的边界, 这4条基底断裂平面上延伸较长, 走向基本一致, 都具有雁列式展布、左行走滑的特点(徐立涛等, 2020)。

综合泊尔江海子断裂以南石炭系— 二叠系煤系烃源岩生烃史和研究区储集层包裹体均一温度测温及激光拉曼光谱分析, 东胜气田上古生界天然气的成藏开始于中— 晚侏罗世, 关键期始于早白垩世延续至今(薛会等, 2009; 王明健等, 2011)。氦气与常规天然气伴生分布的范围相对集中, 说明泊尔江海子、乌兰吉林庙、三眼井和李家渠— 掌岗图西斯断裂等二级大断裂再度活动具有差异性(徐立涛等, 2020), 断裂活动和圈闭形成与上古生界天然气的主成藏期具有良好时空配置关系(图7)。持续活动的断层自下而上贯通基底、源岩和储集层, 为油气垂向运移提供了通道, 此时氦气也沿二级基底大断裂向上运移, 古生界层间断裂控制了天然气纵向调整和氦气输导, 砂体和层内断裂控制了天然气和氦气横向运移, 断裂带控制了油气及其伴生氦气藏的空间分布差异说明氦源岩的分布具有局部性, 在基底变质岩— 花岗岩系普遍发育的基础上与局部的燕山期岩浆侵入有关。在杭锦旗地区下地壳和上地幔顶部存在大规模高导层, 石榴片麻岩、黑云斜长片麻岩、麻粒岩组成的变质岩系和火成岩系是高导层存在的证据, 这也从侧面证明了在此期间地幔隆起、深部流体上涌, 造成岩石圈的减薄, 壳幔局部区域发生熔融。在杭锦旗黑石头沟的下白垩统砂岩之上发现碱性橄榄玄武岩, 在盆地周缘普遍发育中生代火成岩体, 在伊盟隆起保尔斯太沟、伊12井下白垩统泾川组见玄武岩侵入, 以及喇嘛沟有辉绿岩侵入等充分证明了这次构造— 岩浆热事件(邹和平等, 2008), 此时期及以后地幔发生多次隆起, 岩石圈发生上拱, 引发了东西向泊尔江海子、乌兰吉林庙等基底断裂持续活动。

图7 鄂尔多斯盆地主要层系油气成藏配置与热事件对应关系(据任战利等, 2021; 有修改)Fig.7 Relationship between petroleum accumulation configuration and thermal events in main strata of Ordos Basin(modified from Ren et al., 2021)

4.3 中生代以来构造— 岩浆热事件对成烃演化和铀矿成矿的促进作用

早白垩世华北克拉通的深源岩浆活动所代表的深部物质和热能的大规模上涌是中生代流体成藏(矿)的有利地球动力学背景(翟明国等, 2003), 所带来的热流体及热场对其周缘的石炭系— 二叠系煤系烃源岩、三叠系延长组页岩生烃演化, 乃至侏罗系煤的煤化、金属铀矿的形成、演化、成藏(矿)都有重要的控制作用(图7)。在中侏罗世— 早白垩世, 该区石炭系— 二叠系煤系烃源岩进入生气高峰, 三叠系油页岩进入成熟阶段, 侏罗系进入煤化作用阶段, 早白垩世是上古生界煤系烃源岩的主要生气期和煤成气的主要运移成藏期, 是鄂尔多斯地块中的一次重要成矿期(任战利等, 2006, 2007; 刘汉彬等, 2007)。中生代以后, 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区基底断裂有较强的活动性, 新构造运动较为频繁, 基底断裂现代仍在活动, 5级以上的地震时有发生(马润勇等, 2009; 李明和高建荣, 2010), 基底断裂及其引起的盖层断裂有利于深部热源向上传递, 使得基底断裂上覆岩层具有比其他地区较高的热流值和高地温梯度特征, 受此影响该区石炭系— 二叠系煤系烃源岩有机质的成烃演化加速, 导致煤系烃源岩现今的成熟度比较高, 尤其是泊尔江海子— 乌兰吉林庙断裂以南的烃源岩现今RO约为1.4%~1.8%, 长期处于大规模生气阶段, 对上古生界天然气成藏具有重要意义。

多次构造— 热事件发生时期, 深部热液流体沿基底大断裂向上运移, 由于这些大断裂错切上古生界底与白垩系底之间的所有地层, 热液流体所携带的丰富的成矿元素运移到白垩系中, 铀源物质在杭锦旗白垩系砂岩地层中发生迁移、沉淀, 此时泊尔江海子— 乌兰吉林庙断裂以南的石炭系— 二叠系煤系烃源岩生成的天然气沿断裂向上运移到直罗组砂岩地层中, 具有还原作用的天然气对铀的沉淀、富集成矿创造了条件, 进而形成了中国超大型砂岩型铀矿聚集(赵宏刚, 2005; 刘汉彬等, 2007; 冯晓曦等, 2019)。

5 结论

1)鄂尔多斯盆地东胜气田上古生界天然气中氦气含量分布在0.045%~0.487%范围内, 三级储量为8.3亿立方米, 为迄今发现的第一大特大型含氦— 富氦天然气田; 氦气为典型的壳源成因, 来源于基底的太古界— 元古界变质岩— 花岗岩系, 富集与燕山期以来的岩浆侵入、断裂活动有关。

2)东胜气田伴生氦气与烃类气为异源同储成藏, 综合剖析杭锦旗地区构造— 断裂演化、基底岩相发育特征、天然气成藏地质要素动态演化, 明确指出氦气成藏主控因素为: 基底富U、Th岩石发育是基础, 断裂活动是核心, 储盖圈保条件是必备, 时空配置是关键。

3)中生代太平洋板块俯冲控制了华北克拉通的破坏与改造, 鄂尔多斯盆地北部在早白垩世至中新世发生多次岩浆活动, 东西向泊尔江海子、乌兰吉林庙等基底断裂持续活动和燕山期侵入体决定了氦气富集, 深部热流体活动对盆地石炭系— 二叠系煤系烃源岩成烃成藏具有重要的控制作用, 其中早白垩世是最重要的一期构造— 岩浆热事件, 也是鄂尔多斯地块中多种能源的一次重要成藏(矿)期。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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