四川盆地热演化异常成因及热场演化特征分析

彭金宁，罗开平，刘光祥，杨 帆，杨 俊，潘文蕾

(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)

1 地质概况

烃源岩成熟度、生油气过程受沉积盆地的热史控制。因此，盆地热演化史在烃源岩生(排)烃史、油气成藏过程、资源规模等方面具有重要的地位[1-5]。当前，沉积盆地热史研究方法很多，主要有古温标法和地球动力学法2大类[6-14]。受构造—热体制的制约，四川盆地经历了扬子、加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅6个旋回的演化，形成了克拉通内拗陷、陆内裂陷与拗陷盆地、类前陆盆地等几期不同类型盆地的迭加与改造[15-18]，从而构建了上震旦—下志留统、泥盆系—中、下三叠统和陆相领域3套含油气系统。

对于四川盆地热史及演化特征，不同学者运用不同方法进行了多次探索与研究[19-31]，但多见于各个地区单剖面纵向上热历史分析，横向上各历史时期的热场分布、演化及主控因素等鲜见研究与探讨。然而不同历史时期发育不同的盆地原型与结构及几期构造运动的迭加，必然决定了地温场横向差异的存在，如研究区晚古生代二叠纪为陆内裂陷与拗陷盆地的并列与迭加，龙门山逆冲推覆构造带、米仓山—大巴山逆冲推覆构造带、雪峰山基底拆离推覆体及其前缘盖层滑脱褶皱变形带形成时序和变形强度均存在差异。本文通过各区典型剖面热史分析，探讨了四川盆地热演化异常成因，分析了不同地史时期热场分布及其主控因素，以期对四川盆地烃源岩热演化及油气成藏研究提供参考。

2 典型剖面热史分析

笔者及其研究团队先后在四川盆地及邻区建立了系统的Ro-H热演化剖面12条(表1)。

2.1 典型剖面镜质体反射率(Ro)与深度(H)特点

2.1.1 川东区新场2井

新场2井位于鄂西渝东区北部，共计选送镜质体反射率测试样品24件，其中3个样品因镜质体或沥青体颗粒细小，不满足测试条件，未能获得有效数据。

由Ro-H剖面(图1)可见，有机质演化程度随深度的变化可明显分为2段：第一段为下侏罗统—嘉四段，Ro与H呈直线相关，相关式为H=2 625.5Ro-3 290.9，相关系数为0.898 5。Ro由1.34%增至2.04%，有机质主体处于高成熟演化阶段。平均镜质体反射率变化梯度(ΔRo)为0.3809%km-1，反映地温梯度相对较低。按照Ro-ΔRo模版，地温梯度为2.52 ℃/hm，据最高古地温法，地温梯度为2.41 ℃/hm。第二段为嘉三段—二叠系，Ro随深度变化曲线总体呈“C”形，明显有别于一般Ro-H变化曲线，呈异常变化。据Ro随深度变化特征，第二段可进一步分为3段：(1)Ro不变段，为嘉三段—嘉一段；(2)Ro反向变化段，Ro随深度增加呈逐渐减小的变化趋势，由飞仙关—长兴组构成，ΔRo=-0.28% km-1；(3)Ro正向变化段，Ro随深度的增加基本呈线性增加，由吴家坪组—栖霞组构成，Ro由2.04%增至2.11%，有机质处于过成熟演化早期阶段，以产干气为主。

图1 鄂西渝东区北部新场2井Ro-H相关性Fig.1 Ro-H correlation of well Xinchang 2 in the north of West Hubei and East Chongqing

川东区黄金1井、石柱马武剖面镜质体反射率随深度的变化在大致相近的层位也出现了与新场2井相似的变化特点。四川盆地外围的恩施剖面在二叠系呈突变带、咸丰剖面在深部Ro基本不随埋深而变，可能为热液流体作用所致。

2.1.2 川北区河坝1井

河坝1井位于通南巴构造带河坝场构造，选送镜质体反射率测试样品33件，从须家河组(3 000 m)至志留系(6 128 m)，控制地层厚度3 128 m。

表1 四川盆地及邻区重点井(剖面)Ro样品数及控制地层Table 1 Ro sample numbers and controlled formations of key wells(sections) in the Sichuan Basin and its adjacent area

由Ro-H剖面(图2)可见，Ro值总体较新场2井高，但Ro随井深的变化特点与其相似，也可明显分为2段：第一段为须家河组—雷口坡组下部(3 851 m)，Ro与H呈线性相关，相关式为H=1 260.4Ro+158.95，相关系数为0.980 8，ΔRo变化较大，达0.793 4% km-1，具高热场特点，地温梯度达3.5 ℃/hm，按最高古地温法估算，地温梯度为3.27 ℃/hm。第二段为雷口坡组下部—志留系顶部，Ro随深度的增加先呈逐渐减小变化趋势，至嘉陵江组底部达极小值(1.59%)，之后随深度的增加，Ro逐渐增高，Ro-H曲线总体也呈“C”字形。处于同一分区的通江诺水河剖面Ro-H曲线与河坝1井相似。

2.1.3 川中区川石55井

川石55井位于川中隆起石龙场构造，镜质体反射率测值样品28个，从最上部中侏罗统凉山组底部(2 855 m)至雷口坡组顶部(4 136 m)，控制地层厚度1 281 m。

镜质体反射率随深度的变化(图3)呈线性相关，相关式为H=36.23Ro-12.527，相关系数为0.971 4，ΔRo为0.276 0% km-1，属低地温场作用的结果。据Ro-ΔRo法估算，地温梯度为2.35 ℃/hm，按最高古地温法估算，地温梯度为2.22 ℃/hm。

2.1.4 川西区川科1井

川科1井位于孝泉—丰谷构造上，小塘子—嘉陵江组(5484～7453m)共选送Ro测试样32件。

图2 川北通南巴构造带河坝场构造河坝1井Ro-H相关性Fig.2 Ro-H correlation of well Heba 1 in Hebachang, Tongnanba tectonic belt,northern Sichuan Basin

图3 川中隆起石龙场构造川石55井Ro-H相关性Fig.3 Ro-H correlation of well Chuanshi 55 in Longshichang tectonic belt,central Sichuan Basin

图4 川西孝泉—丰谷构造川科1井Ro-H相关性Fig.4 Ro-H correlation of well Chuanke 1 in Xiaoquan-Fenggu tectonic belt,western Sichuan Basin

Ro随埋深的增加而增加(图4)，但在井深5 539～5 626 m井段Ro值(Ro为2.53%～2.89%，平均2.72%)明显高于上、下层位，呈异常点群分布，指示可能存在异常热力作用，其成因有待深入研究。在井深6 711～6 801 m井段(90 m)Ro变化幅度高达4.67% km-1，属典型的异常热力作用所致。如果剔除剖面上的异常点群，Ro-H存在较好的对数相关关系(H=-4 444.8lnRo-2 454)，相关系数为0.963 2。平均镜质体反射率变化梯度为0.435 2% km-1，具低地温场背景，地温梯度为2.34 ℃/hm，与川石55井的相近。

2.2 热演化异常成因分析

新场2井、河坝1井、石柱马武、黄金1井、通江诺水河剖面有机质热演化程度随埋深的变化在上组合普遍出现“倒置”，呈“负”异常现象，普光2、4井Tmax在海相层系也呈负向变化；此外，新场2井甾、萜烷参数的跃变与镜质体反射率的突变相对应(图5)，这些现象说明上述“倒置”并非偶然，也非测试误差所致，而是客观实际。

一般而言，有机质成熟度随埋深的增加而增高。何以导致上述剖面有机质演化的“负”异常？镜质体反射率为公认的衡量有机质热演化程度的标尺，但其应用仍存在一定的局限性[32-34]，这主要是因为镜质体反射率往往受不同机制的抑制。通常认为，镜质体的富氢程度决定了镜质体反射率的抑制，而镜质体的富氢程度由多因素控制，如母质类型、富氢类脂物及细菌对有机质选择性改造等。而本文研究的二叠系、三叠系镜质体反射率主要测自其中的正常镜质体，因此，镜质体的富氢程度引起的镜质体反射率测值偏低并不是导致本研究剖面Ro倒置的缘由。

近年来，越来越多的专家、学者认为超压体对有机质熟化和生烃进程有抑制作用。一部分学者[35-36]对莺—琼盆地LD3011、YA1911、YA35-1-1等钻井镜质体反射率剖面研究表明，镜质体反射率的变化在常压带是正常的，随埋深的增加而增加；但在超压体内，镜质体反射率随深度的增加变化不大。由此表明，超压对于干酪根的转化起抑制作用。

CARR[37]阐述了超压对有机质成熟作用抑制的机理，研究认为，在超压带内，若超压对镜质体反射率的抑制作用足以消除温度对镜质体反射率的促进作用，则在超压带内，镜质体反射率不会随埋深的增加而增加(或增加速率极小)，但在静水压力带内，镜质体因受热力作用，其镜质体反射率随深度的增加而增加(增加速率较超压带内高得多)，镜质体反射率增加速率的差异在超压带内就会出现异常低值区。郝芳等[38]研究认为，超压对不同热演化反应具差异抑制作用，包括3方面：一是不同干酪根组分的差异成熟和差异生烃作用；二是干酪根和可溶有机质的差异演化；三是热稳定性不同的烃类的差异演化。

区内多口钻井现今均存在超压现象，如川涪82井(T1f2—J1压力系数1.3～1.64)、川岳83井(T1j3-5压力系数1.35～1.38)、川岳84井(T1f—P1m压力系数1.58～1.97)、川付85井(P2ch—P2l压力系数1.63～2.17)等，而且压力系数大于1.5的主要为飞仙关组及以下层位。马启富[39]指出，快速沉积产生的超压一般发生在新地层中(流体排泄不畅产生欠压实)，老地层内超压的形成一般归因于烃类的生成和后期构造隆升作用。研究剖面有机碳含量垂向变化特征表明，Ro低值段正好与有机碳含量高值段相对应，如新场2井(图5)。

河坝1井二叠系演化程度高达2.8%～3.2%，但其氯仿沥青“A”仍较高，高者可达近1 000×10-6，这在以往的研究中罕见；此外，残余有机碳(TOC)与氯仿沥青“A”相关性差，尤其是TOC小于1.0%的部分，TOC变化不大，但氯仿沥青“A”变化幅度较大，分布于(120～890)×10-6之间，相关性不明显(图6a)；中下三叠统也具类似的现象(图6b)。高演化程度却具高含量的可溶有机质，可能是超压对烃类裂解抑制所致。

因此，笔者认为Ro“负”异常可能与烃源岩生烃作用产生超压并对镜质体反射率和烃类裂解的抑制相关。

图5 鄂西渝东区新场2井深度与TOC、Ro、甾萜烷特征参数相关性Fig.5 Depth vs.TOC content,Ro and steroid characteristic parameters of well Xinchang 2,West Hubei and East Chongqing

图6 川北河坝1井二叠系和中下三叠统TOC与氯仿沥青“A”的相关性Fig.6 Correlation between TOC content and chloroform asphalt “A” in Permian and Middle-Lower Triassic,well Heba 1,northern Sichuan Basin

3 热场分布与演化

3.1 热场分布

求取古地温梯度主要有3种方法：一是借助于“沉积盆地热史恢复模拟系统”中的热史Ro反演模块；二是采用高喜龙等[40]提出的镜质体反射率梯度法；三是采用BARKER[41]最高古地温法。在上述热演化剖面建立的基础上，采用3种方法分别求取了四川盆地晚古生代—中三叠世、晚三叠世—侏罗纪及现今的古地温梯度图(图7)。

从古地温梯度图上可以看出，晚古生代—中三叠世地温梯度在四川盆地主体小于3.0 ℃/hm，在盆地北部相对较高，地温梯度分布于3.0～>3.5 ℃/hm，呈北西向展布；盆地东缘也相对较高，地温梯度大于3.0 ℃/hm，呈NNE向展布；晚三叠世—侏罗纪地温梯度的分布具有盆地周缘冲断活动带高、盆地内部低的特点，边缘地区地温梯度一般大于3.5 ℃/hm，盆地内部地温梯度小于2.5 ℃/hm，呈低地温场背景。而现今热场的分布较中生代发生了巨变，总体呈现周缘低、中部相对较高的特点(图8)，地温梯度分布于2.0～2.5 ℃/hm。

3.2 热史演化特征分析

中二叠世晚期，上扬子地区受到西部特提斯的拉张作用影响，也经受区域性拉张作用，形成了一系列断陷，这种盆地原型与结构不仅控制了二叠系烃源岩的展布，而且这种热体制也改变了四川盆地早期统一的低热场，导致了断陷内热流值不断升高，至晚二叠世达古热流最大值。

图7 四川盆地及邻区晚古生代—侏罗纪地温梯度分布Fig.7 Geothermal gradient from Late Paleozoic to Jurassic in the Sichuan Basin and its adjacent area

图8 四川盆地及邻区现今地温梯度分布据袁玉松等[42]修编。Fig.8 Present geothermal gradient in the Sichuan Basin and its adjacent area

中三叠世末的印支运动被认为是扬子地区最大、最有影响的一次构造运动。它使得整个南方结束海相沉积，同时也使得雪峰—江南隆起在内的华南地区发生强烈的褶皱和广泛的岩浆活动，并使得中三叠统几乎被剥蚀殆尽；而在四川盆地，印支运动主要以隆升运动为主，并形成了泸州—开江古隆起。

早燕山期，雪峰山自南东向北西的基底拆离及以盖层滑脱方式的递进推覆作用，四川盆地在周缘持续挤压应力作用下，形成了川西、川北等一系列前渊带。在构造活动带，因深大断裂的沟通，总体表现为高热场背景，平均地温梯度在3.5 ℃/hm以上，而在前陆稳定区(川中地区)，地温梯度则相对较低。地温场的这种分布特征与库车前陆盆地地温场的分布相似[43-44 ]。

晚燕山—早喜马拉雅期，盆地东部开始隆升剥蚀，盆地逐渐向西萎缩，周缘冲断作用趋于平静，高热场开始降温，至喜马拉雅晚期的快速隆升及降温作用，形成了今地温场分布面貌。由于盆地周缘隆升幅度大，剥蚀作用强烈，老地层(成岩演化程度高，热导率高)广泛出露，而盆地内剥蚀作用相对较弱，形成了盆地周缘热流值低、盆地中部相对较高的热场分布面貌。

4 结论

(1)四川盆地纵向有机质演化的“负”异常，可能与烃源岩生烃作用产生超压并对镜质体反射率和烃类裂解的抑制相关。

(2)四川盆地热场演化，纵向、平面展布上整体受历史时期构造运动及盆地性质的影响：晚古生代—中三叠世，热场在盆地北部及东缘相对较高，地温梯度大于3.0 ℃/hm；晚三叠世—侏罗纪，热场呈盆地周缘冲断活动带高、盆地内部低的特点，边缘地区地温梯度大于3.5 ℃/hm，盆地内部地温梯度小于2.5 ℃/hm，呈低地温场背景；现今热场的分布总体呈周缘低、中部相对较高的特点。