松辽盆地西部斜坡区上古生界油气地质调查进展与发现

陈树旺， 张 健， 郑月娟， 苏 飞， 张海华， 张德军， 孙 雷

(自然资源部中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034)

0 引言

以白垩系为目的层的传统油气勘探认为，松辽盆地西部斜坡区白垩系目的层总体沉积厚度小、生烃潜力差、有利相带不发育，具有所谓“迟到早退”特征[1]，长期以来投入的常规油气勘探工作较少。与之相比，在上古生界深层系为目标的非常规油气勘探方面，业内学者[2-8]分别从构造活动与盆地形成演化、上古生界分布状况、油气资源潜力研究方面进行了不懈的探索，积累了丰富资料。但由于松辽盆地西部斜坡区构造岩浆活动复杂，不整合面(T5)之下勘探目标具有不确定性，导致该区域的油气勘探具有难度大、风险高的特征，各大油公司陆续退出西斜坡区的油气勘探。但从长远来看，尽管西斜坡区的油气勘探不易在短期内实现储量、产量和效益重大突破，但其晚古生代时期所处的古地理环境和目前的中生代盖层特征等表明，要实现松辽盆地上古生界深层系新认识、新发现乃至勘探突破，西斜坡区将成为关键带。本文旨在梳理区域地质与地球物理资料，分析上古生界目的层及其盖层和基底的物性特征，探讨针对深层系油气资源的调查方法和松辽盆地西部斜坡区上古生界的油气资源勘探前景，为下一步公益性油气地质调查指明方向。

1 区域地质概况

松辽盆地西部斜坡区位于松辽盆地西部白城—齐齐哈尔一带，其西侧与大兴安岭东部毗邻，北部和南部分别与松辽盆地的北部倾没区和中央凹陷区毗邻； 白垩纪以来该区在构造上为自西向东的缓坡，俗称西斜坡； 是一个中、上白垩统与下第三系地层超覆带(图1)。

晚古生代以来，“古亚洲洋构造域”与“滨太平洋构造域”的叠加转换[9-10]以及构造-岩浆活动和不同类型的沉积作用，为松辽盆地上古生界深层系研究提供了广阔空间和物质基础。从石炭纪开始，东北地区总体呈现南海北陆的构造格局。晚石炭世—早二叠世陆内裂谷的发育，形成了规模巨大的近EW向海盆，其沉积作用持续到中二叠世[7]。晚二叠世初期，裂谷由伸展转向闭合，沉积环境逐步由海相过渡为海陆交互相，最终成为近EW向的大型陆相沉积盆地。华北板块与西伯利亚板块最终闭合后，晚二叠世大型陆相盆地至早三叠世转变为断续分布的小规模陆相沉积盆地，中晚三叠世近EW向至NE-SW向[11]挤压隆升造山活动和岩浆活动，致使上古生界遭受不同程度的动力变质和接触变质作用[12-13]。

1.地名； 2.国界； 3.盆地边缘； 4.上古生界露头； 5.典型地质剖面； 6.物性采样点； 7.上古生界远景区； 8.地震剖面； 9.非震剖面； 10.地质调查井

1.1 目的层发育状况

参照松辽盆地外围与滨北地区地层资料[2,4,14]，初步分析松辽盆地西部斜坡区发育的上古生界地层主要为二叠系，自下而上分别为下二叠统大石寨组、中二叠统哲斯组和上二叠统林西组。

(1)下二叠统大石寨组(P1d)： 松辽盆地外围西部表现为一套中酸性熔岩及凝灰岩组合，局部夹正常碎屑岩(砂泥质板岩、黑色泥板岩等)。一般认为与盆地内杜尔伯特板岩组大致相当，但目前缺少年代学依据。杜尔伯特板岩组主要岩性为砂泥质板岩、黑色泥板岩、黑色板状千枚岩和变余砂泥岩，含花岗质脉岩类，见于杜101井1 946.0～2 200.0 m井段(未见底)。

(2)中二叠统哲斯组(P2z)： 整合于大石寨组之上。松辽外围的西乌旗—林西地区以碎屑岩为主，局部夹有灰岩，富含腕足化石； 龙江—乌兰浩特分区以灰岩为主，富含、珊瑚、腕足、菊石化石。与盆地内部的一心组相当，主要岩性为泥灰岩夹强碳酸盐化流纹岩，见于杜101井1 662.2～1 946.0 m井段。揭露的最大厚度为283.8 m； 发现门类丰富的大化石生物群，其中腕足化石属于Spiriferella-Kochiproductus-Yakovlevia组合，与哲斯组层位相当。

(3)上二叠统林西组(P3l)： 整合于哲斯组之上，松辽盆地外围的林西组岩性组合为灰黑、灰绿色为主的砂板岩组合，局部夹灰岩、泥灰岩，含有双壳、叶肢介、介形虫、植物和孢粉等多门类化石。相当于松辽盆地内部的四站板岩组，主要岩性为灰色、深灰色板岩； 盆地内四深1井3 480.5～4 770.0 m井段揭露四站板岩组(1 289.5 m，未见底)； 本次工作在高D1井2 911.5～2 758 m井段发现孢粉化石，时代为晚二叠世，可与盆地西缘的林西组进行对比。

1.2 油气地质条件

松辽盆地外围上古生界研究[15-17]表明: 晚二叠世林西组暗色泥页岩分布范围广、厚度大； 有机质丰度中等，有机质类型为Ⅱ型，沉积环境为微咸—半咸水[18-20]还原环境，其有机质热演化程度属于高、过成熟阶段。晚二叠世湖相沉积具有向东延伸进入松辽盆地，与盆地内部的大安—榆树一带半深湖或深湖相沉积[21-22]连片的趋势； 扎鲁特—高力板地区零星分布的采石场露头证实了晚二叠世林西组在松辽盆地西缘的发育情况。

与外围中小盆地和松辽盆地中心部位相比，松辽盆地西部斜坡区的上二叠统目的层规模大、埋深适中，具有可观的油气资源前景。初步统计表明： 滨北地区钻遇二叠系泥板岩(相当于晚二叠世林西组)的8口探井的有机碳含量均值总体大于1.0%； 氯仿沥青“A”和热解参数S1、S2等地化指标相对较低； 有机质成熟度Ro主要为2.0%～3.0%，个别可达4.8%～5.5%。如鱼深1井灰黑色、黑色泥板岩就具有如下特征： 有机碳含量为0.137%～2.375%，平均1.226%； 热解(S1+S2)均值2.26 mg/g，氯仿沥青“A”均值0.013%； 有机质成熟度Ro均值4.86%。

2 油气调查进展与发现

2.1 火成岩覆盖区物探方法和目的层物性特征

2.1.1 物探难点与重磁电震联合反演探索

松辽盆地西部广泛发育火山岩，相关地震资料处理存在此下难点： 一是火山岩分布不均，给静校正带来不确定性； 二是火成岩的强反射屏蔽造成中深层反射能量较弱，深层资料成像困难； 三是资料信噪比较低，干扰波严重，有效信号能量较弱，同时断裂发育，构造复杂，速度多解性强，导致速度分析以及地震成像困难。

每一种地球物理探测方法都有各自的优缺点，为得到一个更准确的解释结果，在分析了盆地内已有勘探成果的基础上，开展重、磁、电、震联合解释研究。主要研究思路为： 以岩石物性差异为桥梁，利用地震浅部地质信息和大地电磁的深部信息构建剖面构造格架和地层结构，并作为重力和磁力反演的初始地质模型； 参考区域物性特征和差异，进行重力异常的密度反演和磁异常的磁性反演，基于重力异常特征，对其进行反演调整，力求获得接近实际情况的地球物理综合模型。

2.1.2 目的层物性特征

近年来，以上古生界为目的层，在扎鲁特盆地、突泉盆地、白城、镇赉等松辽盆地西部斜坡区及外围区采集并测试了3 173块岩石物性标本(采样点见图1)，测试参数包括密度、磁化率、剩余磁化强度等。将这些岩石物性标本测试数据与盆地内的井旁测深、地球物理测井等资料对比表明，上古生界目的层(石炭系、二叠系)与中新生界盖层(主要为白垩系)和下伏的基底(前石炭系)及各类岩体存在较为明显的物性差异，上古生界地层不同岩性之间也存在一定的物性差异。正是这些物性差异引起了研究区内不同的重磁电异常响应，为针对性地开展地球物理资料处理解释提供了物性依据，对研究上古生界目的层分布状况和发育特征具有重要意义。

表1所列的电性特征方面数据主要来自电阻率测井资料和实测的上古生界地层露头电阻率资料； 密度、磁化率特征方面数据，主要来自收集的密度测井资料，以及实测的上古生界地层露头资料。盖层、上古生界目的层、下伏的前石炭系基底及各类岩体的物性特征如下。

(1)盖层物性。营城组、沙河子组和火石岭组表现为中高阻、中等密度、微弱—中强磁性层； 泉头组、登娄库组表现为中阻—中低阻、中等密度、弱磁性层； 新生界地层和嫩江组、姚家组、青山口组表现为中低阻—低阻、低密度、弱磁性层。

(2)上古生界目的层物性。二叠系表现为中低阻、中高密度、弱磁性层； 石炭系则表现为中高阻、中高密度、弱磁性层。

(3)基底物性。前石炭系基底表现为高阻、高密度、中—强磁性层； 花岗岩类基底则表现为高阻、中低密度、弱—强磁性层。

侵入岩体物性总体表现为高阻、中低密度、弱—强磁性层。

表1 松辽盆地西部斜坡区及外围地区物性分层统计Tab.1 Statistics of physical properties of different strata in the western slope of Songliao Basin and peripheral regions

2.2 富裕—宝山远景区上古生界及油气发现

富裕—宝山远景区位于松辽盆地西部斜坡区的北部(图1)，地形上处于由平缓起伏的漫岗向平原的过渡段，面积约850 km2。区内T5界面(为典型的不整合面型)以下地震像与滨北地区类似。上古生界表现为较连续的反射地层，反射能量较强。近期开展的二维地震剖面测量和广域电磁剖面测量表明，富裕—宝山区上古生界目的层埋深为1 500～3 500 m； 据零星探井资料分析，初步预测沉积层厚度为20～300 m； 储层为暗色泥板岩(源内成藏)和火成岩(近源成藏)； 盖层为营城组—火石岭组巨厚火山岩及暗色泥岩盖层、泉头组泥岩盖层、青山口组厚层泥岩盖层及姚家组—嫩江组大段泥岩盖层； 总厚度大于300 m。部署的黑富地1井在1 386.73 m处钻遇T5界面。

2.2.1 黑富地1井钻遇地层情况

黑富地1井位于富裕—宝山区的中东部，黑龙江省富裕县，完钻深度2 089.4 m。该井较好地揭示了区内上二叠统、白垩系及其上部地层的充填序列。钻遇的地层自上而下分别为第四系(0～202.4 m)、明水组(202.4～473.1 m)、四方台组(473.1～529.4 m)、嫩江组四段(529.4～876 m)、姚家组(876～1 083 m)、青山口组(1 083～1 181.8 m)、泉头组(1 181.8～1 386.42 m)和林西组(1 386.42～2 089.4 m，未见底)。

二叠系目的层与上覆地层的岩性界线位于1 386.73 m处，之上为下白垩统泉头组(K1q)杂色砾岩，之下为上二叠统林西组(P3l)灰色、深灰色、灰黑色砂质、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、页岩等，局部夹薄层泥灰岩、沉凝灰岩。T5之下不同井段岩心样品同位素锆石U-Pb年龄数据表明，沉凝灰岩的下限年龄为(272.9±3.7) Ma，含细砂质泥质粉砂岩的年龄为(257.4±4.1) Ma，石英正长斑岩的年龄为(245.6±6.7) Ma。综合分析认为该套沉积地层沉积时间应在250～260 Ma之间，即为晚二叠世沉积，相当于盆地外围的上二叠统林西组。

2.2.2 二叠系烃源岩特征

黑富地1井钻遇二叠系6层泥页岩(未钻穿)，累计厚度276 m，最大单层厚度约70 m。泥页岩样品(26块)总有机碳(TOC)含量分布在0.013%～1.56%之间，平均值为1.058%(样品中 TOC含量<0.5%为 5件，占比为19%； 0．6%450 ℃的阶段，指示高成熟—过成熟阶段(图3)。

图2 黑富地1井烃源岩TOC含量直方图Fig.2 Histogram of TOC of the source rocks in well HFD1

图3 黑富地1井烃源岩Tmax分布Fig.3 Distribution of Tmax of the source rocks in well HFD1

伊利石结晶度(K.I)是划分变质作用最有效的指标之一。黑富地1井样品(26块)伊利石结晶度平均值为0.54 °Δ2θ，最小值0.41 °Δ2θ，最大值0.85 °Δ2θ，总体上表现为中晚成岩阶段(表2)。

表2 二叠系伊利石结晶度Tab.2 Illite crystallinity in Permian

2.2.3 二叠系气测异常显示

黑富地1井在深度2 004 m之后有明显的气测异常，气测基值为0.3～0.4，有逐渐增大的趋势，逐渐增加至0.8左右，钻进中气测异常高值可达1.6～1.8，后效值达4左右，每次取芯后开始钻进都会产生后效值，说明地层中气体在停钻泥浆不循环时溢入钻井中。对采集深度2 000～-2 037 m井段的气体成分分析表明，主要为CH4、N2、O2、C2H6以及CO2，其中CH4含量较高，无空气基分析组分含量一般在66.95%～97.34%，N2含量介于25.61%～95.66%， CO2的含量介于0.30%～11.33%。

2.3 白城—丰收镇远景区“基底”下的厚层泥页岩

白城—丰收镇远景区位于松辽盆地西部斜坡区的南部(图1)，地形地貌特征以平原为主，面积约1 150 km2。区内构造-岩浆活动较为发育，以往的油田钻井多终孔(井深一般为500～1 500 m)于传统认识的花岗岩“基底”之上。在开展本轮研究工作之前，该区没有钻遇古生界基底地层的钻井，井震标定困难； T5界面以下层状反射特征不明显，内部反射波组层状反射特征亦不明显，地震剖面上的同相轴不连续，反射能量也较弱。但花岗岩“基底”之下是否存在上古生界沉积地层，一直是悬而未决的问题。近年来，结合晚古生代区域古地理格局分析以及物探资料重新处理解释，部署的广域电磁剖面和二维地震剖面在花岗岩“基底”高阻之下发现了明显的低阻信息，推测二叠系(林西组—哲斯组)顶面埋深最大约6.0 km，一般3.0 km左右； 本区的西南部埋深相对较浅，为1.8～2.2 km。据此部署实施的吉白地2井首次在该区传统油气勘探终孔的花岗岩“基底”之下钻遇厚层泥页岩。

2.3.1 吉白地2井钻遇地层情况

吉白地2井位于白城—丰收镇区的南部，吉林省大安市龙沼镇，设计井深2 200 m，完钻井深2 284.4 m。钻遇地层自上而下分别为： 第四系(0～202.4 m)、明水组(215～504 m)、四方台组(504～604 m)、嫩江组(604～814 m)、姚家组(814～930 m)、青山口组(930～1 118 m)、泉头组(1 118～1 496 m)、营城组(1 496～1 812 m)、花岗岩脉(1 812～1 872 m)、林西组(1 872～2 252 m)和花岗岩(2 252～2 284.4 m，未见底)。

林西组岩性为灰黑色泥岩、泥质粉砂岩，其中发育有薄层状花岗质脉、石英脉和方解石脉； 在靠近脉岩处接触变质作用明显，岩性为红柱石角岩。确认该套地层时代目前主要是依据录井岩石组合特征与露头剖面对比，以及测井曲线和过井地震像特征与邻区高D1井下部(已确认为二叠系)的测井曲线和过井地震像对比而定的。

2.3.2 烃源岩特征

吉白地2井钻遇二叠系19层泥页岩(未钻穿)累计厚度139 m，最大单层厚度约29 m； 泥页岩样品(18块)总有机碳(TOC)含量分布在0.01%～2.10%之间，平均值为0.65%(样品中TOC含量<0.5%为 9件，占比为50%； 0．6%2．0%为2件，占比11%(图4))，大部分为中等—好烃源岩； 吉白地2井烃源岩δ13C值为-28.632‰～-22.881‰，平均值为-25.491‰，指示有机质类型大部分为Ⅱ型干酪根，部分为Ⅲ型干酪根，个别为Ⅰ型干酪根，具备生烃物质基础。

图4 吉白地2井烃源岩TOC含量直方图Fig.4 Histogram of TOC of the source rocks in well JBD2

18个样品的Tmax为300～546 ℃。样品中Tmax<435 ℃为11件，占比为61%，指示未成熟； 435 ℃≤Tmax<440 ℃为 1件，占比6%，指示低成熟； 440 ℃≤Tmax<450 ℃为 4件，占比22%，指示成熟； 450 ℃≤Tmax<580 ℃为 2件，占比11%，指示高成熟。从测试分析结果来看有机质成熟度从未成熟—高成熟阶段均有分布，总体上为成熟—高成熟阶段(图5)。伊利石结晶度(表2)平均值为0.536 K.I(°Δ2θ)，最小值0.25 K.I(°Δ2θ)，最大值0.84 K.I(°Δ2θ)。总体上表现为中晚成岩阶段。靠近花岗质脉岩的样品，由于受到接触变质作用影响，与其它样品的成熟度差距较大。

图5 吉白地2井烃源岩Tmax分布Fig.5 Distribution of Tmax of the source rocks in well JBD2

3 关于三叠纪地层的认识

松辽盆地西部斜坡区中部的高D1井和蒙科地1井(图1)孢粉化石鉴定和同位素年龄分析表明，该区发育有三叠纪地层。

3.1 高D1井生物地层

深度0～198.2 m层段岩石固结不好，较为疏松，为新生代地层； 198.2～1078.7 m段为白垩系地层，岩性主要为灰色、灰绿色凝灰质砂岩、砾岩夹凝灰岩，浅灰绿色凝灰岩、安山质凝灰岩； 1 078.7～2 460.3 m段为侏罗系，岩性主要为深灰色粉砂岩、泥岩、砂砾岩，灰白色流纹质凝灰岩； 2 460.3～2 758 m段为三叠系，岩性主要为灰绿色晶屑凝灰岩、灰色凝灰质砂岩，夹灰绿色闪长岩类脉岩； 2 758～2 911.2 m段为二叠系(未见底)，岩性主要为灰黑色粉砂质泥岩、泥岩、粉细砂岩。

在2 460.3～2 758 m井段有4件样品获得孢粉化石，共有蕨类植物孢子5属5未定种，裸子植物花粉16属7种15未定种，以无肋两气囊花粉为主(图6)。该层段所有孢粉都可见于中生代地层，其中Taeniaesporites(宽肋粉)可作为早三叠世的标志性分子，从孢粉组合特点来看，可与我国新疆塔里木盆地和吐哈盆地早三叠世孢粉组合对比[23]。东北地区早三叠世地层一般为红层沉积[23-24]，该井段地层虽然未发现红层沉积，但其上部被闪长玢岩侵入，不排除存在红层的可能。

2 782～2 911.2 m井段共有10件样品发现晚二叠世孢粉化石，其中Klausipollenitesschaubergeri、Platysaccuspapilionis常作为二叠纪常见的标志性分子，Hamiapollenites、Cordaitina、Florinites、Potonieisporites等也为二叠纪常见属种。另外组合中含量相对较多的Protohaploxypinus、Striatopodocarpites在准噶尔盆地二叠系—三叠系、陕甘宁盆地南部下二叠统、山东北部上石盒子组都有不同程度的分布。

图6 高D1井2 460.3～2 758 m井段部分孢粉化石Fig.6 Sporopollen fossils from the segment of 2 460.3～2 758 m in well GD1

3.2 蒙科D1井年代地层

从钻遇地层情况看，根据岩性组合特征，可以分为2大部分。

深度0～322.15 m： 该层段岩石固结不好，较为疏松，为中新生代地层。上部为灰黑色、灰绿色泥岩、泥质粉砂岩，夹少量灰绿色砂岩及紫红色泥岩夹层，灰黑色泥岩中见大量介形虫化石，为嫩江组； 下部为以砖红色为主色调的泥岩、砂岩及砾岩组合，为泉头组。

深度322.15～1 800 m： 为一套黑色、灰黑色、灰绿色砂岩、粉砂岩、泥岩组合，夹多层火山岩，岩石较为致密坚硬。虽然采集了孢粉分析样品并送往实验室分析鉴定，但未获得孢粉化石，针对众多火山岩夹层，开展了同位素测年工作。

深度322.15～953.84 m井段共对7件火山岩样品进行同位素测年，其中6件样品数据较集中，可信度较高： 336.56 m处流纹岩同位素年龄为(224.7±2.1) Ma(n=11，MSWD=1.3)(图7)； 648.2 m流纹岩年龄为(226.0±5.1) Ma； 652.8 m处蚀变流纹岩的年龄为(225.4±1.7) Ma； 687.25 m处石英粗安岩同位素年龄为(232.1±1.7) Ma； 835.1 m处蚀变流纹岩同位素年龄为(225.4±1.3) Ma； 947 m处蚀变流纹岩同位素年龄为(234.0±1.3) Ma。综上认为6件样品的年龄为(224.7±2.1)～(234.0±1.3) Ma，时代应为中—晚三叠世。

(a) U-Pb谐和图 (b) 加权平均年龄

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)确认了富裕—宝山远景区具有上古生界油气资源前景。松辽西斜坡北部富裕—宝山区不整合面T5之下发育有上古生界目的层，该套晚二叠世林西组厚层泥页岩不仅具有生烃潜力，而且含有较高录井气测异常，具有良好的油气资源前景。

(2)突破了白城—丰收镇远景区的花岗岩“基底”禁区。首次在白城—丰收镇地区传统油气勘探终孔的花岗岩“基底”之下钻遇厚层泥页岩，综合分析认为属上古生界目的层，具有一定的生烃潜力。

(3)发现并厘定了三叠纪地层。依据年代地层和生物地层分析，指出松辽盆地西部斜坡区的中部区发育有三叠纪地层，为丰富东北地区三叠系地层研究、讨论中生代构造-岩浆活动与上古生界的改造提供了重要的地层学依据。

4.2 讨论

(1)关于地层学研究。针对上古生代地层连续顶底剖面缺乏情况，要结合松辽盆地外围典型露头剖面和盆地内部代表性钻孔，进一步深化典型地区重点层位对比研究，完善松辽盆地及外围晚古生代地层格架，明确具有生烃潜力的关键层段。关于三叠纪地层研究，还需要针对具体的野外露头和钻孔岩心，开展系统的生物地层学和年代地层学采样，深化区域地层划分对比研究。

(2)关于地球物理方法。针对区域构造活动复杂、岩浆-火山事件发育特点，目的层及其顶、底的物性特点需要进一步明确。关于上古生界，特别是二叠系目的层的有效物探方法组合还有待加强探索。晚古生代地层基底埋深尚未得到一致认识，包括基底的时代、岩性组合、物性特征等，有待结合外围露头区进行深入研究。

(3)关于油气资源研究。从松辽盆地及外围的整体视野来看，尽管野外露头剖面较为丰富，但盆地内关于上古生界的钻井资料少，而且目前还没有一口井钻穿上古生界目的层，使得系统的烃源岩评价和上古生界原型盆地恢复难。但与外围中小盆地和盆地中心部位相比而言，松辽盆地西部斜坡区的上古生界目的层具有规模大、埋深适中的特点，以“晚古生代以来重大地质事件与盆地形成演化”为主线，加强建造、改造和保存研究，寻找远离构造-岩浆活动带、变质作用较微弱的优势相带，优选有利目标区，有望实现上古生界暗色泥页岩油气调查与勘探突破。

此外，松辽盆地西部斜坡区油气调查发现的稠油(吉洮地1井、吉白地1井在上白垩统姚家组分别钻遇稠油层5.68 m和1.96 m)以及氦气(高D1井、吉洮地1井、黑富地1井曾检测到含量大于0.5%的氦气)等资源提示我们： “全盆地、大地质、多资源、综合调查”将成为新时期公益性油气地质调查的工作方向。

致谢： 本文成果是集体劳动的结晶，乔德武、张抗、金成志、黄桂雄、贺君玲、李志忠、朱群等对项目工作给予了指导帮助，刘建勋、董向宇、冉清昌、周锡明、卞雄飞、黄欣等参加了相关工作，在此一并致以衷心的感谢！