中國中西部前陸盆地類型及烴源巖演化

中國中西部前陸盆地類型及烴源巖演化

中國中部和新生代的前陸盆地位于特提斯構(gòu)造帶的北緣盆地群的東部，主要受提斯構(gòu)造群的發(fā)育控制。中生代以來,中國中西部地區(qū)分別在中生代早期、新生代晚期發(fā)育兩期前陸盆地,又被分為3類、4種相應(yīng)的前陸盆地(前陸逆沖帶)。而根據(jù)盆地變形、構(gòu)造演化和沉積充填特征將中國前陸盆地的地質(zhì)特征分為類早衰型前陸盆地,主要發(fā)育在川陜地區(qū),印支期前陸盆地保存較完整、再生前陸不發(fā)育,且在早期前陸層序的基礎(chǔ)上發(fā)育坳陷湖盆沉積;2)改造型前陸盆地,主要發(fā)育在甘青地區(qū),早期(印支期)前陸盆地完全被剝蝕掉,而且晚期前陸盆地被走滑-逆沖構(gòu)造改造得很破碎,現(xiàn)今看到的主要是喜山期前陸盆地或沖斷走滑帶疊加型前陸盆地主要發(fā)育在新疆地區(qū),印支期前陸盆地和喜山期前陸盆地相疊加,且再生前陸逆沖作用對早期前陸盆地具有明顯的改造作用,晚期前陸盆地結(jié)構(gòu)完整。我國中西部前陸盆地具有很好的油氣成藏地質(zhì)條件,如拉張構(gòu)造背景下沉積有效的烴源巖層系、擠壓背景下發(fā)育前陸逆沖帶、喜山期形成成排成帶的大型圈閉等[1～10],是我國油氣勘探的重要領(lǐng)域。在我國中西部前陸盆地成藏期次、過程的研究中,必須結(jié)合不同類型前陸盆地的成藏條件、發(fā)育史開展前陸盆地的成藏地球化學(xué)研究。據(jù)此我們的研究思路是首先解剖典型天然氣藏的成藏過程,在此基礎(chǔ)上總結(jié)前陸盆地的成藏期次、過程,最終達到認(rèn)識我國中西部前陸盆地成藏特征的目的。本文以川西前陸盆地(早衰型)、柴北緣沖斷帶(改造型)和準(zhǔn)南緣前陸盆地(疊加型)為實例探討了3類前陸盆地成藏的地質(zhì)條件和成藏期次上的差異,這對深入認(rèn)識我國中西部前陸盆地的油氣富集規(guī)律具有十分重要的意義。1盆地結(jié)構(gòu)特征3類盆地之間的發(fā)育部位、盆地基礎(chǔ)、充填層序、構(gòu)造疊加、盆山耦合形式、構(gòu)造應(yīng)力條件等均不相同,即3類前陸盆地具有不同的結(jié)構(gòu)特征(表1),從而決定了其成藏地質(zhì)條件上的差異。1.1不同類型前陸盆地儲蓋組合我國中西部前陸盆地在兩期前陸及其間坳陷盆地區(qū)域構(gòu)造背景下,沉積演化基本上有前前陸盆地克拉通沉積、早期前陸盆地沉積、中生代坳陷盆地沉積和新生代陸內(nèi)前陸沉積4個階段。考慮到中生界煤系在成藏過程中的重要性,可劃分為4套儲蓋組合。不同類型的前陸盆地儲蓋組合具有一定的差異(圖1)。早衰型前陸(川西)存在組合Ⅰ(中、下三疊統(tǒng))、組合Ⅱ(上三疊統(tǒng))和組合Ⅲ(侏羅系)共3套儲蓋組合。其中儲蓋組合Ⅱ和Ⅲ是油氣勘探的重點。改造型前陸(柴北緣)存在組合Ⅱ(中、下侏羅統(tǒng))、組合Ⅲ(下第三系)和組合Ⅳ(上第三系)共3套儲蓋組合。其中儲蓋組合Ⅲ是油氣勘探的重點,儲蓋組合Ⅱ也有較大勘探潛力。疊加型前陸(準(zhǔn)南緣)存在組合Ⅰ(二疊系、三疊系)、組合Ⅱ(侏羅系)、組合Ⅲ(白堊系、下第三系)和組合Ⅳ(上第三系)4套儲蓋組合。其中儲蓋組合是大型特大型油氣藏勘探的重點1.2泉巖1.2.1注重系烴源巖早衰型前陸盆地主要發(fā)育上三疊統(tǒng)(T3)煤系烴源巖和前前陸期的下伏古生界被動大陸邊緣海相烴源巖。其中上三疊統(tǒng)(T3)煤系烴源巖是川西前陸盆地最主要的烴源巖(圖2)。上三疊統(tǒng)須家河組須一、須三、須五段煤系烴源巖分布于整個川西前陸地區(qū)。泥質(zhì)烴源巖厚度自東向西逐漸增厚,川西坳陷中心厚度可達1400m;煤層在川西普遍發(fā)育,累厚一般為2～10m,但在坳陷部位最厚,累計厚度達25m以上。泥巖有機碳含量多集中在0.5%～6.5%,絕大部分樣品大于1.0%,平均值為2.43%。1.2.2中侏羅統(tǒng)烴源巖厚度由于早期前陸盆地剝蝕殆盡,因此改造型前陸主要發(fā)育前前陸期的斷(坳)陷沉積的中、下侏羅統(tǒng)(J1-2)湖沼相烴源巖。下侏羅統(tǒng)暗色泥巖厚度大分布面積廣如昆特依斷陷北部的鄂Ⅰ號次凹和冷西次凹發(fā)育了巨厚的暗色泥巖,厚度達600～1200m;冷湖四、五號厚度也較大,為400～900m;冷湖六、七號為100～300m;鄂博梁Ⅰ號和葫蘆山地區(qū)為100～200m;昆北斜坡為100～200m;昆特依Ⅰ號附近為200～400m;昆特依中部厚度多為200m;而南部的伊北次凹厚度多為400～800m。中侏羅統(tǒng)烴源巖以魚卡坳陷暗色泥巖厚度最大,為200～500m,是中侏羅統(tǒng)主要的生油中心;賽什騰凹陷中部多為100～200m;南部綠南斷裂下盤為200m左右。下侏羅統(tǒng)烴源巖有機碳平均為1.97%,中侏羅統(tǒng)有機碳平均為1.84%(圖2)。1.2.3上、下侏羅統(tǒng)對比疊加型前陸主要發(fā)育晚期前陸盆地期前的中、下侏羅統(tǒng)(J1-2)煤系地層烴源巖和早期前陸盆地期的二疊系烴源巖,次要烴源巖為晚期前陸盆地期前的白堊系和下第三系湖相烴源巖。中、下侏羅統(tǒng)暗色泥巖主要分布在三工河組和西山窯組,厚度100～500m,自西向東逐漸增厚;有機碳平均值為1.7%。上二疊統(tǒng)烴源巖是一套咸化半深水湖相沉積,以灰黑色泥巖、頁巖、油頁巖為主,縱向上主要分布在蘆草溝組和紅雁池組,橫向上主要分布在南緣東部的博格達山前地帶,厚度由東向西減薄,昌吉附近暗色泥巖最大厚度為700m。蘆草溝組是盆地有機質(zhì)最豐富的地層,有機碳平均值為7.45%;紅雁池組有機碳平均值為1.96%(圖2)。1.3晚晚生烴源巖期早衰型前陸(川西)主要烴源巖為二疊系烴源巖、印支晚期上三疊統(tǒng)烴源巖、燕山早期和燕山晚期烴源巖。早衰型前陸盆地由于再生前陸發(fā)育不明顯,第三系沉積厚度不大,烴源巖受第三系沉積影響不大,主要受侏羅系和白堊系沉積的影響,生烴事件發(fā)生較早。三疊系須家河組烴源巖大部分是在侏羅紀(jì)開始成熟生烴,在白堊紀(jì)晚期進入生氣高峰期(圖3)。改造型前陸(柴北緣)主要生烴期為喜山期(主要是喜山晚期)。中生代末期,中、下侏羅統(tǒng)(J1-2)煤系烴源巖尚未成熟,在第三紀(jì)晚期沉積的時候,侏羅系烴源巖處于低—成熟階段;隨著晚第三紀(jì)沉積地層的增加,在喜山晚期侏羅系烴源巖才進入了高、過成熟階段(圖3)。疊加型前陸(準(zhǔn)南)主要生烴期為印支晚期—燕山早期、燕山晚期和喜山晚期。早期前陸期發(fā)育的烴源巖(P,T)由于時代較早、烴源巖埋深較大,生烴演化作用發(fā)生較早,在凹陷部位演化程度已達很高。中、下侏羅統(tǒng)烴源巖一般在白堊紀(jì)末進入成熟階段;在N2末由于巨厚的第三系沉積,侏羅系大部分處于高、過成熟階段,以生成大量的干氣為主。同樣,白堊系湖相烴源巖也是由于晚期前陸發(fā)育才達到成熟生油階段(圖3)。可見,晚期前陸盆地發(fā)育對改造型和疊加型前陸盆地主要烴源巖的成熟度影響較大,而對早衰型前陸盆地則沒有影響。2儲存過程2.1須家河組葉片生物降解特征中西部早衰型前陸盆地主要為印支期前陸盆地,經(jīng)歷喜山期構(gòu)造改造。這里以川西為例剖析早衰型前陸盆地的成藏過程。川西前陸盆地的成藏過程具有如下特征:源自上三疊統(tǒng)煤系烴源巖的天然氣聚集主要在燕山期,形成原生氣藏或下生上儲型氣藏;后經(jīng)過喜山期的逆沖作用,對淺層儲集層進行改造,產(chǎn)生的斷裂溝通深部氣藏與淺層圈閉,在對深層(主要在上三疊統(tǒng))原生氣藏進行改造的基礎(chǔ)上形成淺層(侏羅系)次生氣藏[11～13]。印支期的油氣聚集主要發(fā)生在川西古隆起背景上發(fā)育的圈閉中,具有“早聚晚藏”的成藏特征。在南段主要發(fā)生在安縣運動時(須三期末),這里的油氣主要由凹陷深處運移而來,該期油氣遭受破壞,從而使須家河組二段儲層瀝青具有明顯的生物降解,如飽和烴色譜中正構(gòu)烷烴的消失和UCM包絡(luò)線的存在(圖4)以及明顯的25-降藿烷的存在(圖5);三疊紀(jì)末主要聚集了源自須家河組一、三段的凝析油氣,該期的包裹體溫度為95℃。在北段雷口坡組烴源巖及其早期烴源巖處于成熟階段,生成的腐泥型原油聚集成藏,此時須家河組一段的包裹體溫度為60～90℃,由于晚印支運動地層遭到剝蝕從而使油藏遭到嚴(yán)重的生物降解。燕山早期,在川西的南段主要聚集了源自須家河組一、三段高、過成熟度的產(chǎn)物。該期包裹體溫度為100～130℃,該期產(chǎn)物在離逆沖帶較遠的松華-白馬廟地區(qū)既有保存也有破壞,在逆沖帶中的平落壩地區(qū)則破壞殆盡;此時在蓬萊鎮(zhèn)組聚集了源自須家河組五段的低—成熟階段的產(chǎn)物,由于此時蓬萊鎮(zhèn)組直接蓋層埋藏淺,發(fā)生生物降解,儲層瀝青中具有明顯的生物降解現(xiàn)象。在北段須家河組一、三段烴源巖處于成熟階段,此時須家河組一段的包裹體均一溫度分布在100～130℃,由于須家河組烴源巖以腐殖型烴源巖為主,生成的產(chǎn)物以凝析油氣為主。燕山晚期,在南段的蓬萊鎮(zhèn)組聚集了源自須家河組五段的高成熟階段濕氣。在北段須家河組烴源巖主要處于高—過成熟階段,以生成高成熟度的濕氣為主,此時須家河組一段的包裹體主要分布在150～180℃。喜山期構(gòu)造運動對早期形成的氣藏具有調(diào)整、改造作用。龍門山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)的整體抬升和剝蝕作用決定了裂縫系統(tǒng)的發(fā)育和上三疊統(tǒng)氣藏的調(diào)整及侏羅系氣藏的形成,主要表現(xiàn)在對淺層儲集層進行改造,產(chǎn)生的斷裂溝通深部氣藏與淺層圈閉,使深層天然氣運移至淺層,形成次生氣藏。2.2中-下侏羅系缺失及早期油氣聚集形成機制由于改造型前陸盆地是在早期(印支期)前陸盆地幾乎完全被剝蝕掉的基礎(chǔ)上發(fā)育的晚期前陸盆地(沖斷帶),烴源巖成熟較晚,這就決定了其晚期成藏的特征,如柴北緣和酒泉。這里主要以柴北緣為例說明改造型前陸盆地的成藏過程。柴北緣總體上表現(xiàn)為喜山期成藏的特征。中生代末期燕山運動在馬海凸起的南八仙地區(qū)形成了侏羅系圈閉,后接受剝蝕,在高點出現(xiàn)侏羅系缺失,但周圍侏羅系已出現(xiàn)圈閉的構(gòu)造形式;中侏羅世末,冷湖構(gòu)造帶抬升剝蝕,此時未形成獨立的構(gòu)造圈閉,烴源巖尚未成熟。在第三紀(jì)晚期沉積的時候,昆特依-伊北次凹陷的下侏羅統(tǒng)烴源巖處于低—成熟階段,此時在E1+2—E3的圈閉進一步加強,形成早期的油氣聚集,如冷湖三號、四號、五號油田和魚卡油田,并在南八仙有早期原油聚集。由于抬升作用或上覆蓋層成巖作用較弱,早期聚集的原油遭受不同程度的降解。如冷湖三號以喜山早期油氣充注為主,而主要以生物降解稠油的形式出現(xiàn)。隨著晚第三系沉積地層的增加,侏羅系烴源巖進入了高、過成熟階段,大量斷層發(fā)育,使得側(cè)向運移的油氣沿斷層垂向運移到有效的儲層中,并和早期聚集的油氣發(fā)生混合作用多以凝析油氣性質(zhì)存在;喜山末期的強烈構(gòu)造運動使得油氣沿斷層垂向運移到上第三系中,形成次生油氣藏。如在南八仙E3l凝析油氣儲層中由于主要由喜山晚期大量充注的油氣組成,基本上已經(jīng)很難看出早期充注的原油降解的痕跡,不存在飽和烴色譜的UCM包絡(luò)線和明顯的25-降藿烷(圖6,7)。2.3晚三疊紀(jì)油氣運移的期疊加型前陸盆地主要為喜山期再生前陸盆地疊加在晚古生代—印支期前陸盆地之上,因此多期成藏的特征十分明顯。這里主要以準(zhǔn)南疊加型前陸盆地為例來說明。準(zhǔn)噶爾盆地南緣有多套烴源巖,具有多期演化的成藏特征,但以晚期源自侏羅系煤系烴源巖的天然氣成藏為主。因此準(zhǔn)南緣前陸盆地主要經(jīng)歷了如下的多期成藏,即印支晚期—燕山早期源自二疊系烴源巖的成藏、燕山晚期—喜山早期源自中生界烴源巖的油氣成藏和喜山晚期源自中生界烴源巖的天然氣成藏。三疊紀(jì)末,二疊系烴源巖進入生油高峰階段,此時受海西期基巖斷凸影響,在第一排構(gòu)造帶上覆三疊系形成的低幅度構(gòu)造圈閉,從而形成源自二疊系的油氣聚集。該期油氣運移以長距離側(cè)向運移為主,此時形成的油藏以齊古油田的三疊系油藏為代表從儲層瀝青的甾萜分布來看它們主要源自二疊系源巖;同時三疊系和侏羅系儲層瀝青中都具有明顯的生物降解特征,如在飽和烴色譜中正構(gòu)烷烴的不完整、UCM包絡(luò)線的存在(圖8)及明顯的25-降藿烷化合物的存在(圖9),說明無論是印支期末聚集的二疊系原油還是燕山期末聚集的源自侏羅系的原油都曾發(fā)生過由于油藏抬升而形成的破壞。白堊紀(jì)末,侏羅系烴源巖進入成熟階段,生成的油氣主要由凹陷中心向西南邊緣隆起部位側(cè)向運移。此時第一排構(gòu)造帶經(jīng)過強烈的推覆已初見雛形,從而形成侏羅系油藏。在前陸坳陷中有構(gòu)造背景的地方也有源自侏羅、二疊的混源油氣的聚集。在二疊系古隆起背景的馬橋凸起的侏羅系儲層中,此時聚集了主要源自二疊系的油氣,砂巖中的包裹體均一溫度一般為由于燕山運動導(dǎo)致上侏羅統(tǒng)和部分中侏羅統(tǒng)的剝蝕,使淺層石油遭受生物降解。晚第三系末,由于巨厚的第三系沉積,準(zhǔn)南前陸盆地的侏羅系大部分處于高、過成熟階段,開始了大量生成煤成氣的階段。此時由于南北向的擠壓應(yīng)力,使準(zhǔn)南燕山期古構(gòu)造及古斷裂得以改造并最終定型,形成現(xiàn)今的三排構(gòu)造帶和馬橋凸起及白家海凸起圈閉的定型。此時一方面聚集源自侏羅系的天然氣,一方面由于斷裂的作用使得下伏的侏羅系原生油藏破壞或向上調(diào)整,從而在喜山圈閉中成藏,如呼圖壁氣田。3不同類型前陸盆地的成藏期早衰型、改造型和疊加型前陸盆地的結(jié)構(gòu)特征決定了前陸盆