热力作用对富烃凹陷的影响

李 健，王建强，贺小元，曲少东，陈思谦

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室地质学系，陕西 西安 710069)

热力作用作为地球上普遍存在影响深远的主要地质动力和各种内动力地质作用的源头，其能量来源于地球内部的地幔热源以及岩石圈中放射性元素蜕变产生的巨大热能。这些热能不断通过多种热传导方式(如流体蠕动热对流、热传导)向外界传导并散失释放能量，对地球深浅层以及表层产生着直接或间接的影响，其表现形式就是热力作用及热力构造的发生。刘池洋把热力作用定义为地壳深部或地幔的气液等热流体及深部热能向上运动所产生的地质作用和结果［1］。

目前对热力作用及其产生的热力构造效应研究还比较薄弱，近些年来随着地幔地震层析成像技术在解释地幔热力构造方面的应用，热力作用研究所取得的进展有:核—幔边界的地幔热柱或多层圈、多级别的地幔柱以及“冷羽柱”［2］的发现;地幔对流构成地球内部的复杂涡旋结构;幔汁流体HACONS及壳幔溃疡或壳幔混合作用［3］的提出;板块俯冲带深部热力作用引起的多重地震效应及对地幔温度的控制［4］。对热力构造的分类上，刘池洋、杨兴科等根据现今构造、地貌形态，结合地层时代和岩浆—热力影响深度等特征，按岩浆—热力作用影响深度分为(古)地热异常群集区、表浅层火山喷发—热液活动—浅成斑岩侵入型、热力背斜(热穹隆)型、中深层侵入型(含壳内热柱型)、地幔热柱型5种热力构造类型［5］。

在现有盆地动力学模式中，盆地的演化和改造是深受热力作用控制的。热力作用作为含煤、油、气、铀等多能源盆地发育、发展及动力学演化的主要源泉之一，其成藏成矿效应近些年来也得到的广泛的研究:热力作用对油气运移的主导作用［6］;热力作用对油气成藏的效应［7］;地球深部热流与地壳浅部流体发生混合与交换作用后对油气形成的贡献［8］。

在我国中新生代的陆相含油气盆地中，目前得到较普遍承认的富烃凹陷或石油资源丰度高的凹陷(坳陷)主要有渤海湾盆地的一些次级凹陷，南襄盆地的泌阳凹陷，酒西盆地的下白垩统青西凹陷，以及松辽盆地中央坳陷，鄂尔多斯盆地南部延长组富烃凹陷。这些所有富油气凹陷(坳陷)在烃源岩方面具有共同特点是:烃源岩质量好、有效烃源岩面积和厚度大、热演化程度较高，有机碳含量高，生烃量和资源量巨大(表1)。

表1 中国部分富烃凹陷烃源岩特征

目前对富烃凹陷的研究发现［1］，富烃凹陷无一例外的都经历过一定较高的热演化，都有过较高的热背景，也无一例外的受到过热力作用的影响。因此从热力作用影响效应角度来分析富烃凹陷的形成，烃源岩演化，可以更好的了解富烃凹陷的特征，为富烃凹陷的油气勘探提供更加丰富的理论指导。

1 热力作用对富烃凹陷(坳陷)形成的影响

目前沉积盆地成因的分类方案，主流是分为热力、重力、应力和复合4种成因类型［9］。单一的热力成因盆地(如北美Michigan盆地)虽然并不多见，但对盆地的研究发现，在盆地深约10～25 km处经常发现有低阻高导层的存在，作为盆地深部地壳内的构造活动软弱带，可理解为部分熔融或高地热梯度导致边界弱化;或高温蠕变位错松弛引起地震波衰减。但总体来说，低阻高导层的存在多与热力作用有一定关系［5］。这也从侧面说明大部分盆地形成过程中热力作用或多或少的都参与其中。盆地动力学研究已经说明［10］，含油气盆地发生、演化和改造的根本原因在于深部。壳内低阻层的普遍发育对盆地基底和盖层构造的发育、热力构造的发生演化、盆地改造的热动力来源等均有重要的控制作用。

对于富烃凹陷(坳陷)来讲，热力作用更是直接参与了其形成过程，并有着不可替代的作用，而且这种影响作用可能贯穿于盆地整个埋藏生烃过程。

例如，松辽盆地是在海西期褶皱基底基础上堆积了5 000 m以上中生代地层形成的断坳叠置盆地，中央坳陷区是其地幔隆起区。在松辽盆地前期形成过程中，热力作用起到了很重要的作用。中生代早期太平洋板块生成后向亚洲大陆推进，在亚洲大陆板块东缘形成了贝尼奥夫带，库拉板块和太平洋板块又向亚洲大陆板块俯冲推进，造成了大陆板块下的软流圈的增压以及部分洋壳板块消熔为次生岩浆，新的次生岩浆打破了岩石圈下部软流圈及地幔的热液物质平衡，引起了深部热(物质)流上涌或者深部热驱动－地幔底辟，应力和热力的双重效应使岩石圈上拱，三叠 －侏罗纪松辽地区地壳大范围抬升隆起，并伴随有强烈的岩浆活动，而且有大规模的花岗岩侵入，松辽盆地处于被剥蚀状态，并开始发生张裂。对于松辽盆地形成与演化的深部动力学机制，肖龙等认为地幔柱活动起到了十分重要的作用。

松辽盆地的地球物理资料［11］也证明在盆地深部16～20 km存在重力测量的低速层(＜6 km/s)，厚约6 km;大地电磁测量的低电阻层(3～8Ω·m)，埋深为18～20 km;大地热流平均值高达69.9 MW/m2(全球地热平均值为63 MW/m2);松辽盆地诸多地球物理资料证明了一个认识:在松辽盆地地壳内16～20 km处存在一个来自软流圈的流体相岩浆房，这是热力作用活动的一大证据，也证明了在盆地形成阶段热力作用的参与存在(图1)。

2 热力作用对富烃凹陷古生产力的影响

盆地或凹陷油气的贫富程度在于油源岩发育的差异性，富烃凹陷足够体积的油源岩离不开古湖泊高生产力及良好的有效有机质保存条件。大洋底部黑烟囱生物群落的存在已经证明热液物质是能够为生物提供生存能量的;经深大断裂上涌来的金属矿物质是生物所需的养料，可以促使湖盆水生生物大量繁殖［13］;来自现代海洋及湖泊的各种生物群体的超常繁盛及其生存活动环境和相关实验表明也表明［10］，热力作用对古湖泊高生产力有不可替代的作用。这些都是形成富烃凹陷巨大面积有效烃源岩的必要条件。

邱欣卫对鄂尔多斯盆地延长组富烃凹陷的研究发现［14］，深部热液流体沿深大断裂的上涌会带来大量富营养物质，有利于湖盆微生物、藻类、浮游植物、双壳类等生物有机体勃发，在相对较深水还原环境中得以保存，从而形成富有机质层，发育成优质烃源岩。

图1 内蒙古满洲里－黑龙江绥芬河剖面

3 热力作用对富烃凹陷热背景及烃源岩热演化的影响

通过目前对富烃凹陷的研究发现，富烃凹陷均经历了比正常盆地更高的热背景和热演化，并且一般具有该区最高的地热环境［1］。如松辽盆地白垩系中央坳陷的生油门限在1 050 m 左右，比西部塔里木等盆地浅1 000～2 500 m［15］，这明显是和松辽盆地较高的热背景是有密切关系的。鄂尔多斯盆地南部延长组富烃凹陷的生油门限在1 600 m左右，这比西部也浅500～2 000 m［15］，这也是和烃源岩演化过程中较高的热背景密不可分的。

地热场是反映盆地活动性和深部作用的一个重要标志［10］。表2揭示出各富烃凹陷都确实存在过较高的热背景。

3.1 热力作用对鄂尔多斯盆地中生代延长组生烃影响

任战利认为鄂尔多斯盆地在晚古生代－中生代三叠纪时的地温梯度可能在2.2～2.4℃/100 m左右，中生代晚期地温梯度要集中在 4.0～4.5℃/100 m之间，现今地温梯度为2.80℃ /100 m［15］。而中生代晚期地温梯度的突然升高也已经被证明是由晚侏罗世 －早白垩世(95.34～166.45 Ma)的一次构造热事件造成的［16］。

这次构造热事件发生的根本原因在于中生代晚期岩石圈深部活动活跃、热力作用增强，尤其是在盆地南部的岩石圈深部。早白垩世鄂尔多斯盆地处于一种弱拉张的构造环境，使地球各圈层相互作用和深部物质向上运移更为普遍，地幔发生底侵作用，岩石圈减薄，发生岩浆侵入和喷发。而鄂尔多斯盆地岩石圈深部热力活动增强很可能与秦岭造山带燕山晚期强烈的构造活动有关系，与中生代晚期欧亚板块与库拉、太平洋板块左旋剪切运动强烈也有密切的关系。

表2 主要富烃凹陷(坳陷)地温场

图2 鄂尔多斯盆地西缘断裂－郯庐断裂带地温结构剖面图

图2可以发现鄂尔多斯盆地内部存在地热背景有显著差异的两部分，E108°以东延长期富烃凹陷地区在同等深度下明显要比盆地西部地区要热。而鄂尔多斯盆地作为稳定克拉通盆地的一部分，内部并不应该有这么明显的热背景差异，那么富烃凹陷地区较高热背景的出现就应该与热力作用活动有很紧密地联系。

这次构造热事件使鄂尔多斯盆地整体地温梯度升高，盆地南部吴旗—庆阳—富县—铜川延长期富烃凹陷一带地温梯度更高，造成了古生界、中生界烃源岩热演化程度异常。对于中生代延长组烃源岩演化来说，这次构造热事件具有不可替代的作用，在晚侏罗世之前，延长组烃源岩演化程度较低，这有利于有机质的保存。构造热事件使地温梯度迅速升高，延长组烃源岩进入生油窗，并达到生油高峰。可以说，正是晚侏罗世－早白垩世的这次深部热力作用，加速了延长组烃源岩的生烃演化，促进了鄂尔多斯南部中生代延长组富烃凹陷的形成。

3.2 热力作用对渤海湾富烃凹陷生烃影响

渤海湾盆地作为岩浆弧后拉张，下陆壳发生裂谷作用而形成的新生代裂谷型盆地，在盆地形成过程中深部热力作用是非常活跃的。大型走滑断裂带和古老缝合带内主断裂带下部一般都存在莫霍面错断，郯庐断裂带的存在，为壳幔物质交换提供了通道，是渤海湾盆地深部热力作用活跃区。图2中可以看出同等深度下，渤海湾盆地富烃凹陷地区要比周邻地区明显要热。根据大地电磁测深资料解释结果［18］，渤海中部地区相对于华北其它震区，上地幔高导层埋藏较浅，只有30～50 km，分析表明，这是地幔热物质上涌造成的。

对渤海湾盆地各凹陷对比研究后也发现［19］，富烃凹陷主要发育在郯庐断裂带及其他主要断裂带沿线，并且断陷走向和主应力方向垂直，例如辽西凹陷及渤中凹陷，这是因为这类凹陷中断陷水平拉张量大、洼陷埋藏最深、沉降量大，易于形成欠补偿沉积环境，并且断层的拆离滑脱面深，深部热流体活动活跃，热力值高，热力作用对凹陷影响直接，烃源岩最发育、热演化程度最高、生烃能力最强、资源量最丰富。而埕北、沙南等这类非富烃凹陷，其共同点都是断陷走向和主应力方向近于平行，深部热力作用不活跃，烃源岩不发育。

渤海湾盆地富烃凹陷的主力烃源岩为沙河街组及东营组，在这些烃源岩地层沉积时，渤海湾盆地各凹陷都在经历着很高的热背景，新生代早期孔店组和沙四段沉积时，地温梯度达3.59～3.93℃ /100 m，东营组沉积时，古地温梯度达3.46℃ /100 m［15］，较高的热背景加速了烃源岩的热演化，使在单一热传导背景下不可能成熟的地层进入生烃门限，使烃源岩较早的到达生油窗，增加了成熟源岩的层位和体积，加速了油气的生成。

4 结语

热力作用是富烃凹陷形成的必要条件。深部热力作用活动参与了富烃凹陷盆地的形成及改造;热流物质通过深大断裂上涌至古湖泊，可造就古湖泊较高的有机物生产力，是形成富烃凹陷巨大面积油源岩的先决条件;热力作用还能为盆地提供较高的热背景，加速盆地内有机质的成烃演化，加速油气生成速率。可以说，热力作用活动是贯穿影响富烃凹陷形成至油气生成全过程的。

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