雅布赖盆地萨尔台凹陷古地温场与油气成藏期次①

田 涛 任战利 吴晓青 马国福 张睿胜 杨智明 郭 科

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室 西安 710069;2.中石油玉门油田分公司 甘肃酒泉 735000)

0 引言

油气藏的形成是油气地质学的核心内容，油气的生成、运移、聚集成藏都会受到地温场、地压场、地应力场的严格制约［1］。其中，地温场在控制有机质成熟演化、烃源岩生排烃、油气生成等过程中起着主导作用。沉积盆地热演化史研究是揭示地温场热历史，探索烃源岩热演化与油气关系的有效手段之一，油气成藏期次分析是进行油气成藏过程、模式、分布规律等方面研究首先需要解决的关键问题［2-8］。雅布赖盆地作为中国西部叠合含油气盆地(地区)的边缘地带，勘探程度较低，研究内容目前仍主要停滞在沉积、构造、单一地球化学特征等方面［9-12］，内容单一，为下一步勘探突破带来局限性。探明萨尔台凹陷的古地温场环境、有机质热演化史，进一步探索与油气关系，能够为研究区石油、天然气等能源矿产的勘探提供一定新的约束条件。因此，雅布赖盆地萨尔台凹陷中侏罗统古地温与油气成藏关系的综合分析不仅能够揭示烃源岩经历的古地温场环境及其对油气成藏的影响，而且对油气资源评价及寻找有利的生油区有很重要的指导意义。

1 研究区地质背景

雅布赖盆地位于我国内蒙古阿拉善地区北部，面积约1.5×104km2，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［9］。该盆地由西部坳陷和东部隆起两个一级构造单元以及红杉湖凹陷、萨尔台凹陷、黑茨湾凸起三个二级构造单元构成。其中，萨尔台凹陷划分为盐场次凹、黑沙低凸起、小湖子次凹三个次级构造单元(图1)。萨尔台凹陷为雅布赖盆地侏罗系地层主要沉积区域，发育青土井组(J2q)、新河组下/上(J2x1/J2x2)三套烃源岩，暗色泥岩、粉砂质泥岩总厚度可达1 053.0 m，为主要勘探目的层。

2 现今地温场

盆地地温场是控制油气生成、演化、消亡的主要因素，地温条件与油气具有密切的联系。现今地温场是古地温场发展演化的最后阶段，不仅揭示了烃源岩现今所处的地热环境也是进行盆地热史模拟的重要约束条件［2-5］。雅布赖盆地现今地温场研究程度相对较弱，系统大地热流测值和钻井地层测温资料相对匮乏。本次研究共收集了5口探井的地层测温数据，但测点较少，各单井地层测温并非系统连续的数据。因此，采用如下方法计算现今地温梯度，首先要确定研究区域的恒温带深度和温度，然后根据公式(1)进行现今地温梯度计算［13］。由于雅布赖地区恒温带深度和温度范围不明，可暂且将地表作恒温带，取日平均气温10℃为恒温带温度。如某一深度Z的地温为T，则该测温点的现今地温梯度为:

图1 雅布赖盆地构造及样品采点分布图Fig.1 Geological map of Yabrai Basin and sampling points

式中，G为现今地温梯度，℃/km;T为Z处地层温度，℃;T0为恒温带温度，取10℃;Z为温度测点距地表深度，km;Z0为恒温带深度，km。

根据这5口井的地层温度资料计算，Yt1、Yt4、Yt5、Yt8、Hs1井现今地温梯度分别为2.7～3.3℃/100m、2.65℃/100m、3.15℃/100m、2.47℃/100m、2.76～2.84℃/100m，整个区域现今温度场分布较均一。为进一步寻求区域地层温度与深度的关系，将5口井的总测温数据综合起来作线性回归，得到的回归关系表达式为:

式中:T为地层温度，℃;H为深度，m;常数为研究区现今地表温度，℃。

由回归关系式可知雅布赖盆地萨尔台凹陷代表性现今地温梯度为2.76℃/100m，钻井地层温度与深度呈线性正相关关系，表明雅布赖盆地现今地温场具有良好的传导性(图2)。

图2 地层温度—深度关系图Fig.2 The formation temperature vs.depth

3 古地温场分析

生烃潜力较好的烃源岩有机质是油(气)生成的物质基础，适合的古地温条件则是生油母质成熟并生油(气)的前提。含油气盆地古地温研究的主要目的就是为了探索烃源岩所经历的古地温环境，并分析其与烃源岩成熟生油(气)及演化的关系，为油气资源勘探与远景预侧提供论证依据［14］。

3.1 镜质体反射率反应古地温信息

镜质体反射率值取决于有机质受热温度和受热时间，且以温度为主，是应用最广泛、最有效的古温标［14-16］。盐场次凹、小湖子次凹的镜质体反射率测试样品均取自不整合面以下地层，Ro(%)与深度之间的关系并未因地层剥蚀的影响而呈两段性，主要呈线性、似线性分布，表明该区域古地温场具有良好的传导性。黑沙低凸起带由于受到凸起聚热或热异常影响，致使有机质热演化发生异常，Ro随深度呈扇形或不规则分布。在同一古埋深坐标下，黑沙低凸起带Ro值最大，盐场次凹Ro最小，可能指示着在晚侏罗世抬升剥蚀之前，前者具有异常高温古地温场环境，致使该区域镜质体反射率成熟度高且异常。新河组(J2x)及青土井组(J2q)烃源岩成熟度演化情况整体良好，Ro大小分布在0.45%～1.55%之间，绝大部分进入成熟演化阶段，小部分为未成熟烃源岩(图3)。根据 Barker和 Pawlewicz［17］建立的最大埋藏温度(Tmax)与平均镜质体反射率(Rm)之间的关系，即可近似地求得样品所在地层经历的最大古地温。

因此，通过换算可得中侏罗统由浅到深经历的最高古地温为51.5℃～210℃，为油气大量生成的最佳温度范围。

图3 镜质体反射率(Ro/%)—深度—时间关系Fig.3 Vitrinite reflectance(Ro/%)vs.depth and time

镜质体反射率不仅可以表征盆地经历的最高古地温情况，还可以结合剥蚀厚度、不整合面埋深、样品埋深、古地表温度等参数，根据镜质体反射率计算的最大古温度与古深度进行回归计算古地温梯度［18］，计算公式为:

式中，Tpeak为最高古地温，℃;H古、H今、H1、ΔH 分别为目的层的古埋深、今埋深、不整合面的今埋深、剥蚀厚度，m;T0为古地表温度，℃。

通过Ro法古地温梯度计算表明，盐场次凹、小湖子次凹在侏罗系地层达到最大埋深(温度)时古地温梯度分别为2.8～3.2℃/100m、2.8～3.4℃/100m，黑沙低凸起带则明显高于凹陷沉积区，古地温梯度高达4.0～4.8℃/100m(图4)。为了进一步验证该古地温梯度的准确性，将本结果与基于实测Ro值正演拟合法［19］模拟的该时期古地温梯度进行对比，对比结果显示两者具有较好的一致性(图5)。造成如此特征的古地热场分布与构造格架和沉降速率有着密切联系，热流的流动方向和流量分量取决于流通介质的性质，热流总是向热阻最小的基岩凸起集中，使凸起区的热流增加［20］。盆内热平衡理论分析认为，若快速沉降速率远超过100 m/Ma这一界限值，将会打破盆内热平衡系统，地温梯度受到快速沉积作用的影响而降低［21］。因此，萨尔台凹陷不同次级构造单元的古地温场具有一定的差异性:黑沙低凸起构造带距离基底较近且沉积盖层适宜，受古热流影响导致古地温梯度较大。盐场次凹、小湖子次凹为侏罗系地层快速沉降区域，盐场次凹沉积中心沉降速率高达约200 m/Ma，且厚度巨大，不利于热流传递，导致该区域古地温梯度较低。

图4 古地温梯度分布直方图Fig.4 The distribution of paleo-geothermal gradient

3.2 包裹体均一温度反应古地温信息

随着流体包裹体的显微测温技术的发展，均一温度数据可以用来更完整的揭示古地温场温度环境［22-23］。本次研究利用18个来自中侏罗统新河组(J2x)和青土井组(J2q)的钻井砂岩样品进行流体包裹体均一温度测试，共测得183个均一温度值。统计分析表明盐场次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起带中侏罗统流体包裹体均一温度分别集中分布在90.8℃～100.9℃、81.2℃ ～128.1℃、103.2℃ ～140.2℃，黑沙低凸起带均一温度最高。研究区各次级构造单元中侏罗统包裹体均一温度分布具两个或多个峰值区。裂缝的形成期多受构造运动控制的，裂缝充填物中流体包裹体均一温度的峰值区应该和雅布赖盆地的两次重要构造运动对应。由此可以认为各次级构造单元最高均一温度分布峰值是由盆地埋深最大时的构造裂缝中充填的矿物所捕获［24］。盐场次凹、小湖子次凹、黑沙低凸起最高温度峰值区分别为 120℃～130℃、150℃ ～160℃、190℃ ～200℃(图6)，结合埋藏史恢复的古埋深计算各对应的古地温梯度为2.6～2.9℃/100m、3.4～3.6℃ /100m、4.5～4.8 ℃ /100m，与Ro反应的古地温信息较一致。包裹体取样区域中侏罗统底界深度为1 030.0～4 410.0 m，按现今地温梯度2.76℃/100m，地表温度取10℃计算，中侏罗统现今最高地层温度分布在37.8℃～129.1℃之间。中侏罗统古地温明显高于现今地温，表明研究区在晚侏罗世以来发生了抬升降温过程，烃源岩热演化主要受古地温场控制(图7)。

图5 基于Easy%Ro模型拟合古地温梯度Fig.5 The results of paleogeothermal gradients by Easy%Ro modeling

图6 包裹体均一温度分布直方图Fig.6 The distribution of homogenization temperature of fluid inclusions

3.3 磷灰石裂变径迹(AFT)反应古地温信息

图7 古今地温对比Fig.7 Paleotemperature vs.present temperature

分布于萨尔台凹陷各样品的AFT中值年龄在31.0±4 Ma～138.0±10 Ma之间，均小于中侏罗统沉积地层年龄(约174.0 Ma)。Yc1-1样品裂变径迹长度主要集中在11.0～13.0 μm 之间，平均值为10.9 μm，Yt1-1样品主要集中在10.0～12.0 μm之间，平均值为10.1 μm ，Yt1-4 样品主要集中在 11.0 μm 左右，Hs1-2样品主要集中在12.0～14.0 μm之间，平均值为12.2 μm，均小于初始磷灰石裂变径迹的原始长度(约16.15 μm)(表1、图8)。研究区磷灰石裂变径迹年龄和长度的分布特征说明磷灰石裂变径迹在形成之后均遭受构造热事件的影响而发生部分退火，甚至是完全退火。

Yc1-1、Yt1-1的 AFT年龄概率检验 P(χ2)＜5.0%，分别为0.5%、0.0%，样品裂变径迹长度呈偏峰状分布，表明这些样品在地质历史时期经历了较复杂的热历史或从部分退火带返回至冷却带。Yt1-4、Hs1-2AFT年龄概率检验 P(χ2)＞5.0%，分别为91.1%、91.0%，表明各单颗粒年龄的差别属于统计误差，具有单一的年龄平均值，样品的径迹长度分布呈单峰状且不存在小于9.0 μm的短径迹，表明该组样品是从完全退火带反弹至冷却带的样品［25-27］。磷灰石裂变径迹的封闭温度带一般为65℃～125℃，因此，Yc1-1、Yt1-1样品经历的最大古地温在封闭温度带之内，而Yt1-4、Hs1-2样品经历的最高古地温则超出了125℃，发生过完全退火。

表1 AFT测试分析数据Table 1 The test results of AFT

图8 磷灰石裂变径迹长度分布Fig.8 The distribution of AFT length

4 热演化史与油气成藏期次判定

在已有构造演化分析的基础上，结合研究区剥蚀厚度、地层划分、地层年龄等参数，在Ro古温标约束下，建立各构造单元热史模型。热演化模拟表明受盆地沉积—构造演化影响，研究区中侏罗统在晚侏罗世早期(≈150.0 Ma)达到最大古地温，后期的构造抬升运动导致地层冷却降温，烃源岩热演化程度减弱;早白垩时期(137.0～100.0 Ma)的快速沉积深埋，导致中侏罗统地层温度再次升高。由模拟Ro与时间关系(图3)可以看出，各组烃源岩进一步成熟演化的转折点均发生在100.6～114.6 Ma和145.4～162.6 Ma，尤其以J2x和J2q烃源岩在中侏罗世早期至晚侏罗世早期热演化明显，在近30.0 Ma内，由未成熟烃源岩快速演化为成熟甚至高熟烃源岩，达到大量生烃的热演化条件。因此，晚侏罗世和早白垩世可能是萨尔台凹陷中侏罗统烃源岩大量生烃的关键时期。

流体包裹体的均一温度在含油气盆地分析领域除了用来分析古地温外，还经常以地层埋藏史及其地层温度的演化过程为包裹体定年依据，将均一温度数据与盆地热史中温度的演化史进行对比，可以判定油气运移充注的时间［4，7，22，28-30］。本次测温选取与油气包裹体同期形成的气液两相盐水包裹体进行均一温度测定，样品主要采自中侏罗统新河组下段(J2x1)和青土井组(J2q)。流体包裹体形状多样，多数呈椭圆形，部分呈三角形、长方形及不规则形态，包体大小不一，主要为 1×3～4×4 μm，气液比多为 8%～12%。早期包裹体主要呈群体状和串珠状分布在宿主矿物颗粒内部及颗粒裂缝中，晚期包裹体主要分布在晚期裂缝、碳酸盐胶结物以及石英加大边中。测温结果分布直方图显示不同次级构造单元中侏罗统包裹体均一温度分布具有双峰或多峰特征，表明油气充注过程并非一次完成。Yc1-1样品(2 791.0 m，J2x1流体包裹体均一温度呈单峰状主要分布在90℃～100℃之间，表明盐场次凹新河组下段储层可能只存在一次油气充注过程，投影至热演化史图对应的油气充注时间为134.0～125.0 Ma。黑沙低凸起和小湖子次凹中侏罗统储层则存在两期油气充注过程，主要发生在100.0～123.0 Ma和145.0～152.0 Ma，其中小湖子次凹具有晚期成藏(11.0～28 Ma)的可能(图9)。

图9 热演化史模拟及油气充注时间判定Fig.9 The results of geothermal history simulation and hydrocarbon accumulation period

5 结论

(1)雅布赖盆地萨尔台凹陷典型现今地温场地温梯度为2.76℃/100m，为低温传导型地温场。镜质体反射率(Ro/%)、AFT和包裹体均一温度分析表明，不同次级构造单元古地温场具有一定差异。盐场次凹、小湖子次凹为传导型古地温场，增温主要受埋藏因素影响，古地温梯度主要为2.8～3.4℃/100m，古地温81.2℃～128.1℃;黑沙低凸起带受基底古热流的影响，古地温梯度明显高于沉积凹陷区域，达到4.2～4.8℃/100m，古地温103.2℃～140.2℃。镜质体反射率数据表明黑沙低凸起区域有机质热演化程度最高，其次是小湖子凹陷，盐场次凹最低。研究区中侏罗统古地温高于现今地层温度，有机质成熟演化主要受古地温场的控制。

(2)热史模拟分析表明，萨尔台凹陷中侏罗统在晚侏罗世早期(≈150.0 Ma)达到最大古地温，后期的构造抬升运动导致地层冷却降温，烃源岩热演化程度减弱。早白垩时期(137.0～100.0 Ma)的快速沉积深埋，使中侏罗统地层温度升高，达到第二次埋藏峰温。因此，晚侏罗世和早白垩世可能是萨尔台凹陷中侏罗统烃源岩大量生烃的关键时期。从烃源岩热演化程度来看，中侏罗J2x和J2q烃源岩在中侏罗世早期至晚侏罗世早期，近30.0 Ma内，由未成熟烃源岩快速演化为成熟甚至高熟烃源岩，达到大量生烃的热演化条件。

(3)利用流体包裹体均一温度结合热演化史法标定油气运移(充注)时间的方法表明，萨尔台凹陷不同次级构造单元、各中侏罗统亚组储层的油气充注过程有差异，但对整个萨尔台凹陷中侏罗统储层来讲主要存在两期油气充注过程，分别发生在晚侏罗世早期(145.0～152.0 Ma)和早白垩世(100.0～134.0 Ma)，与达到古地温峰值的时间大致相当，体现出古地温场演化在油气成藏过程中的重要性。

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30 贾元琴，胡沛青，张铭杰，等.琼东南盆地崖城地区流体包裹体特征和油气充注期次分析［J］.沉积学报，2012，30(1):189-196.［Jia Yuanqin，Hu Peiqing，Zhang Mingjie，et al.Characteristics of fluid inclusions and their constraints on timing of hydrocarbon filling in the Yacheng area of Qiongdongnan Basin，South China［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2012，30(1):189-196.］