法尔康盆地基于重力资料的构造特征分析与油气有利区预测

薛 健,袁炳强,邢锦程,张春灌,冯旭亮,张 欢,贾洪杨

(1.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065;2.陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西西安710065;3.胜利油田鲁明公司,山东东营257000)

法尔康盆地位于委内瑞拉北部近海区域,为受走滑断裂控制的陆缘盆地[1]。法尔康盆地总面积约为45521km2,其中东北部位于海域,面积为11419km2;其余部分位于陆上,面积为34102km2。该盆地的勘探工作始于1912年,至20世纪末,在盆地内先后发现了8个小型油气田,显示出该盆地具有良好的油气资源前景[2]。该盆地构造复杂,以往已实施的地震勘探工作仅分布在盆地中北部勘探授权许可的4490km2(其中陆上面积为3403km2,海域面积为1087km2)范围内[2]。授权许可范围内陆上施测二维地震测线约7000km,海域施测二维地震测线约为800km。陆上测线距约为4.8km,海域测线距为13km。另外,海域及陆上施测的三维地震面积不足100km2[3]。显然法尔康盆地勘探程度较低,地震测网密度小,地震测线覆盖面积小,地震资料少,对盆地构造控制精度不够,同时研究区缺乏其它相关地球物理测量资料,也鲜见有对法尔康全盆地的断裂构造及构造单元等的研究结果。因此,难以利用研究区小范围有限的地震资料研究整个盆地的构造特征并预测油气有利区。

为了研究盆地的整体构造特征并预测油气有利区,利用地面、船测及卫星重力资料,并通过对法尔康盆地重力数据的处理分析解释,结合区域地质、地震资料等,新推测确定法尔康盆地的断裂构造,综合应用Parker法[4]和相关分析法[5]反演计算盆地的基底深度,对盆地构造单元进行划分,模拟分析盆地内不同次级构造单元内烃源岩热演化的差异性,预测盆地油气有利区。本研究可为今后该地区的油气勘探开发工作提供依据。同时,也可为国内油企进军海外油气勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

法尔康盆地位于南美板块北部大陆边缘、委内瑞拉西北陆缘,该盆地呈近EW向展布[3],其西侧与马拉开波盆地接壤,东北部与博内尔盆地相邻,东南缘为梅里达安第斯山脉、科迪勒拉山脉[2](图1)。该盆地是晚始新世-早更新世在加勒比板块向南美板块俯冲兼右旋走滑构造背景下形成的右旋走滑拉分盆地[6]。该盆地所在地区经历了复杂的构造演化过程,在右旋走滑拉分盆地形成之前,该区还经历了中生代的裂谷阶段、白垩纪被动陆缘和古新世-中始新世的挤压演化阶段,随后该区又经历了上新世至今的构造反转阶段[7]。法尔康盆地的基底主要由早白垩纪-侏罗纪的火山岩和变质沉积岩组成,沉积盖层主要包括始新统、渐新统-下中新统和中-上中新统等三大沉积层序,其主要岩性分别为砂岩和砾岩、海相页岩和薄层灰岩、页岩和砂岩[2,8]。法尔康盆地发育4套烃源岩,分别为上白垩统的La luna组黑色碳质页岩及石灰岩、始新统Jarillal组和Misoa组泥岩、渐新统的Pecaya组碳质泥岩、中新统Agua Salada组和Agua Clara组页岩。盆地储集层主要由下中新统Agua clara组Cauderalito段灰岩、中中新统Socorro组砂岩和白垩系基底组成,平均孔隙度约为18%,渗透率变化范围在0.031～0.370μm2[8]。盆地区域盖层为下中新统Agua Clara组页岩(图2)[9-10]。盆地已探明石油储量(2010年)为3.50×107t,天然气储量为2.95×109m3[2]。盆地待发现油气资源量为9.5×108t。

图1 法尔康盆地构造位置(据IHS[2],2008修改)

图2 法尔康盆地地层综合柱状分析

2 重力场特征及地质意义

本次研究所用重力数据是收集的地面重力、船测重力及卫星重力的融合数据集(图3),包括布格重力异常数据和自由空间异常数据。为了验证所收集布格重力异常数据的可靠性,利用自由空间异常数据独立计算了研究区范围内布格重力异常,并将其与收集的布格重力异常数据进行对比,发现两者基本一致。由自由空间异常计算布格重力异常所用的中间层密度为2.67g/cm3。其中,进行海水改正的水深资料来源于美国斯克里普斯海洋研究所发布的海水深度数据。文中选择了所收集的布格重力异常数据进行后续处理解释工作。

图3 法尔康盆地重力、地震资料分布

为了研究重力异常的特征及地质意义,先对收集的重力数据进行了网格化处理(克里金插值法,网格间距为2km),得到了法尔康盆地布格重力异常分布(图4)。

图4 法尔康盆地及邻区布格重力异常分布(黑色边框所围即研究区)

由图4可以看出,研究区布格重力异常具有明显的分区性,异常宏观上呈NE走向,其中东北部列西托-波拉马尔-米里米雷-库马雷奥港一线以东为布格重力异常高值区,异常极大值约为75×10-5m/s2;列西托-米里米雷-库马雷奥港一线以西,异常值相对较低,异常极小值约为-75×10-5m/s2。研究区东部布格重力异常值变化幅度较大,而其它区域布格重力异常值变化相对平缓,重力高值带与重力低值带之间发育近NE向重力梯级带。

根据CHULICK等[11]的研究,法尔康盆地东部莫霍面埋深较浅(约为30km);而其西部埋深较大(约为42km),布格重力异常总体趋势可能反映了莫霍面的起伏特征。因此,为了准确研究盆地构造特征及构造单元,必须消除莫霍面起伏的重力效应。我们利用CHULICK等的莫霍面深度分析结果(图5)对研究区的布格重力异常进行了莫霍面改正,进行莫霍面改正时选择壳幔密度差为0.5g/cm3。图6为莫霍面改正后的布格重力异常,由图6可以看出,经莫霍面改正后的布格重力异常宏观上具有明显的分区性,整体呈NE走向,呈现“两低夹一高”的形态。在库马雷奥港-科罗-乌鲁马科-达瓦胡罗一线以北为一低值带,在卡罗拉-波拉马尔一线以南也为一低值带,上述两低值带之间夹一重力异常高值带,重力高与重力低之间发育密集梯度带。

图5 法尔康盆地及邻区莫霍面深度平面显示(黑色边框所围即研究区范围,据CHULICK等[11]修改)

为了研究法尔康盆地的局部构造特征,应用解析延拓、滑动平均等多种方法对莫霍面改正后的布格重力异常进行了位场分离处理,结合已有的地震剖面及地质资料对比分析上述方法的计算结果,得到了法尔康盆地的剩余重力异常。对比发现窗长为48km滑动平均法求取的剩余异常与前人对盆地内的局部构造相关研究结果对应较好[5],因此,选用滑动平均窗长为48km剩余重力异常图作为研究盆地内局部构造的基础图件(图7)。

图6 法尔康盆地及邻区莫霍面改正后布格重力异常分布(黑色线框所围即研究区范围)

图7 法尔康盆地莫霍面改正后剩余重力异常分布(滑动平均法求取,窗长为48km)

法尔康盆地的基底主要由早白垩纪-侏罗纪的火山岩和变质沉积岩组成,沉积盖层主要包括始新统、渐新统-下中新统和中-上中新统等三大沉积层序。对比研究区2条地震解释剖面AA′,BB′(位置见图7)与这2条剖面通过地段的剩余重力异常特征(图8和图9)发现,剩余重力异常高低大体与白垩系底界起伏相对应,故剩余重力异常可能主要反映了白垩系底界起伏特征。

图8 AA′剖面重力异常拟合结果

图9 BB′剖面重力异常拟合结果

同样,剩余重力异常宏观上呈现“两低夹一高”的形态,库马雷沃港-科罗-乌鲁马科-达瓦胡罗一线以北为剩余重力异常低值带,在卡罗拉-波拉马尔一线以南为剩余重力异常低值带,上述两低值带间为剩余重力异常高值带。剩余重力异常重力高、重力低反映了盆地基底白垩系底界隆起与凹陷构造,故认为研究区内由南向北凹陷与隆起成带分布,盆地南部、北部分别为NE向的凹陷带,夹于该南北两凹陷带之间盆地中部为隆起构造。

3 断裂构造

断裂的发生使两侧岩层有明显的密度差异,因而应用重力资料确定断裂的分布特征有良好的地质效果。前人应用重力资料确定断裂构造形成系列方法技术[12-13]。为了研究法尔康盆地的断裂分布特征,根据研究区实际地质背景,借鉴前人经验,经过对重力资料进行多种位场边缘识别方法处理结果对比,对经过莫霍面改正后的重力异常应用垂向二阶导数(罗森巴赫Ⅱ式)、倾斜角(TA)、归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)等方法处理识别断裂构造。进一步推测确定断裂先是在重力异常基础图件(莫霍面改正后的布格重力异常图和剩余重力异常图)及各种转换参数异常图(倾斜角(TA)异常图、垂向二阶导数异常图和归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)异常图)上识别出线性构造信息,并将不同图件上反映的线性构造标绘出来,然后再结合区域地质研究成果推断出了法尔康盆地的断裂构造[14-16](图10)。

由图10可以看出,法尔康盆地发育的断裂具有以下特征:①盆地内发育主要断裂为NE向和NW向,此外还有一些切断主要断裂的近EW(NEE)向和近SN(NNE)向次级断裂。断裂构造发育规模大小不一。②盆地内发育的NE向断裂有7条,NW向断裂有13条。法尔康盆地经历了中生代的裂谷构造等演化阶段,在裂谷构造期间发育了大量的张性断裂,地震AA′,BB′解释剖面也显示出了这些断裂大部分切穿基底(图8和图9),同时这些断裂在重力异常图中反映为明显的重力梯级带或不同场区的分界,延伸距离长,为构成研究区构造单元及次级构造单元边界的基底断裂,控制着盆地边界及盆地内盖层的发育。③近EW(NEE)向断裂有4条,近SN(NNE)向断裂有6条。为研究区内发育的次级断裂,规模较小,切断主要断裂,可能为沉积层内部断裂。④引起盆地内断裂呈NE向和NW向展布的原因可能是由于晚始新世时,南美板块北缘开始进入右旋走滑应力环境,在NE向滑动断裂作用下,使得沿着委内瑞拉北部近海地区形成了许多拉分盆地,同时在盆地内形成了众多NE向地堑(凹陷)和地垒(凸起)[1-3,6-10]。

图10 法尔康盆地断裂分布(红线表示断裂)a NVDR-THDR与断裂叠合; b 垂向二阶导数与断裂叠合; c 倾斜角与断裂叠合; d 剩余重力异常与断裂叠合

4 基底特征

前人对法尔康盆地的基底特征做了一些研究,如BAQUERO等[17]和RODRGUEZ等[18]解释了2条地震剖面AA′,BB′(测线位置见图7),并确定了剖面通过地段的基底深度。由于法尔康盆地勘探程度低,为了在密度资料缺乏的情况下仅利用重力资料求取法尔康整个盆地的基底深度,以地震解释深度作为约束条件,参考以往在多巴哥盆地的资料处理解释经验[5],利用RGIS软件对与地震剖面位置一致的剩余重力异常剖面进行拟合,获得了盆地内剖面通过地段地层密度与基底界面深度。拟合结果如图8和图9所示。拟合异常与实测异常吻合较好,盆地内白垩系密度为2.30～2.43g/cm3,始新统密度为2.13～2.30g/cm3,渐新统密度为1.90～2.25g/cm3,中新统密度为2.10～2.23g/cm3。

为了对法尔康盆地的基底(白垩系底界)深度进行反演计算,根据盆地内剩余重力异常的分区特征和地震剖面所在位置,将法尔康盆地分为3个区域(图7),盆地南部的剩余异常低值带(Ⅰ区)、盆地中部的剩余异常高值带(Ⅱ区)以及盆地北部的剩余异常低值带(Ⅲ区)。

求取基底界面深度的常用方法主要有Parker法[4]和Parker-Oldenburg方法[19]。基底深度求取先利用Parker法反演了盆地基底深度(图11)。其中反演时选择前人地震解释剖面深度为平均深度,界面密度差参考前述重力异常拟合剖面得到的地层密度。为了分析利用Parker法反演基底深度的可靠性,将应用Parker法反演的基底深度与地震解释的基底深度进行对比(表1),发现利用Parker法反演的基底深度与研究区Ⅱ区、Ⅲ区内地震解释深度差别较大,个别点误差达到25%,而Ⅰ区差别较小。分析这种现象产生的原因,可能是由于Parker法主要适用于基底界面深度横向差异较小的区域,研究区内Ⅰ区重力异常比较平缓,基底深度横向差异可能较小,故利用Parker法反演的基底深度与地震剖面解释的基底深度之间的误差较小;而Ⅱ区、Ⅲ区重力异常幅值变化相对较大,其基底深度横向差异可能较大,故利用Parker法反演的基底深度与地震剖面解释的基底深度误差较大。显然,利用Parker法求取整个研究区基底深度尤其是在盆地Ⅱ区、Ⅲ区内的基底深度可能有一定的局限性。

图11 法尔康盆地基底深度计算结果(Parker法[4])

表1 利用Parker法计算的基底深度与地震解释的深度对比

为了提高基底深度反演精度,参考前人相关研究成果[5,20-22],利用相关分析法分别计算了地震解释深度与剖面所在位置的布格重力异常、区域重力异常和剩余重力异常之间的相关性,发现地震解释深度与滑动平均法(窗长为48km)得到的剩余重力异常相关性最好,其相关性均大于0.80,双侧显著性为0。故分别选取线性函数、三次函数及四次函数、五次函数进行剩余重力异常与地震解释深度的回归分析,获得了剩余重力异常与地震解释深度之间的回归关系(图12)。分析不同函数关系的回归结果,选择计算Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区基底公式分别如下:

H1=-0.0797713712987623Δg+
3.45386085849795(R2=0.819)

(1)

H2=0.00801347098766256Δg3-
0.168884422286391
Δg2-1.14366174584337Δg-
1.310484034377799(R2=0.994)

(2)

H3=-0.0000429799905551698Δg3+
0.0002388481675369Δg2-
0.0133272757627138Δg+
2.86387398768(R2=0.973)

(3)

上述公式中:H代表基底深度,单位为km;Δg代表剩余重力异常值,单位为mGal。

图12 Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区剩余重力异常与地震解释深度关系

应用回归公式计算基底深度结果如图13所示。同样,将利用相关分析法计算的基底深度结果与地震解释深度进行比较,结果如表2所示。

图13 法尔康盆地基底深度计算结果(相关分析法)

由表1和表2对比结果可以看出,利用相关分析法计算的Ⅰ区的基底深度误差明显大于利用Parker法计算的基底深度误差,而Ⅱ区、Ⅲ区的相关分析法计算的基底深度误差明显小于Parker法。故最终基底深度结果Ⅰ区采用Parker法计算的结果,而Ⅱ区、Ⅲ区则采用相关分析法的计算结果(图14)。

图14 法尔康盆地基底深度分析

表2 相关分析法基底深度计算结果与地震解释深度对比

由图14可以看出,法尔康盆地基底深度在盆地中部较浅,而南部、东部及北部相对较深。根据前述断裂推断结果,由于法尔康盆地中部可能为正断层形成的地垒(隆起)构造,故盆地中部基底深度较浅,一般为3800～4600m。盆地北、南两侧凹陷位于断层的下降盘,可能为地堑构造,其基底深度相对较大,分别为4400～6000m与3900～4700m。

5 构造单元划分及油气有利区预测

根据重力异常特征、前述确定的断裂展布特征及反演计算的基底深度结果,结合前人研究成果对法尔康盆地进行构造单元划分。盆地内依次可划分为6个次级构造单元,即东部凹陷、西部凹陷、南部凹陷、北部凹陷、东南凹陷及中部隆起(图15)。

图15 法尔康盆地构造单元划分示意

中部隆起为断层形成的地垒构造,可能发育基底断垒、断鼻及断背斜等圈闭构造,并且中部隆起南北两侧为凹陷区(次盆),凹陷区沉积层厚度大,烃源岩发育,凹内油气可能向构造高点运移即向中部隆起运移。此外,目前已发现的油气田多位于中部隆起区西南部(卡罗拉西侧),且其普遍发育优质的白垩统、始新统烃源岩,始新统-中新统高孔高渗储层及中新统的区域性盖层。

为了进一步预测油气有利区,应用盆地模拟软件,结合现有资料重点分析了法尔康盆地3个构造单元的成熟度演化特征,分别得到了北部凹陷、中部隆起及南部凹陷白垩系和始新统烃源岩随时间演化的成熟度史(图16、图17及表3)。其中,地质年代参数、地层岩性参数参考IHS资料[2];TOC含量、平均IH含量、古水深、古热流值参考BOESI等[3]和MONTERO-SERRANO等[23]研究结果。模拟结果表明,北部凹陷、中部隆起区及南部凹陷不同时期烃源岩进入各阶段门限的时间存在一定差异。

图16 AA′剖面有机质成熟度演化剖面(测线位置见图7)a 66Ma成熟度剖面; b 56Ma成熟度剖面; c 33.9Ma成熟度剖面; d 23.3Ma成熟度剖面; e 5.3Ma成熟度剖面; f 现今成熟度剖面

对比上述3个构造单元白垩系烃源岩进入生烃门限(Ro=0.5%)的时间,发现中部隆起区与北部凹陷进入生烃门限的时间为66Ma,且后续地层沉降较为完整,从而形成了以上覆始新统为储层、中新统为区域性盖层的成藏组合,且现今白垩系烃源岩处于生干气阶段;南部凹陷白垩系烃源岩进入生烃门限相对较晚,为56Ma,现今处于生干气阶段,形成了以中新统为储层及区域性盖层的成藏组合。同样,对比上述各构造单元始新统烃源岩进入生烃门限的时间,发现中部隆起区进入生烃门限的时间早于其它两个构造单元,且现今大部分始新统烃源岩均已成熟,成熟度为0.5%～1.3%,有机质类型主要为Ⅱ型,少量为Ⅲ型,以生油为主,形成了以中新统为储层及区域性盖层的成藏组合。北部、南部凹陷内油气向中部隆起区运移,因此认为盆地中部隆起区油气地质条件有利,应为进一步勘探的重点有利区;北部凹陷和南部凹陷沉积层发育,具备油气生成条件,为较有利区,也值得进一步关注(图18)。

图17 BB′剖面有机质成熟度演化剖面(测线位置见图7)a 66Ma成熟度剖面; b 56Ma成熟度剖面; c 33.9Ma成熟度剖面; d 23.3Ma成熟度剖面; e 5.3Ma成熟度剖面; f 现今成熟度剖面

表3 法尔康盆地各构造单元烃源岩成熟度史对比

图18 法尔康盆地油气有利区预测

6 结论

1) 法尔康盆地的莫霍面改正后布格重力异常具有明显的分区性,异常呈“两低夹一高”的形态,其变化幅值高达80×10-5m/s2以上。盆地内断裂发育,主要断裂呈NE及NW走向,控制着盆地范围和盆地内盖层的发育。

2) 法尔康盆地的基底起伏较大。中部隆起区及东南凹陷基底埋深相对较浅,深度为3800～4600m。北部凹陷、南部凹陷及东部凹陷基底埋深相对较深,深度在4400～6000m。

3) 法尔康盆地可划分为东部凹陷、西部凹陷、南部凹陷、北部凹陷、东南凹陷及中部隆起6个次级构造单元。其中,盆地中部隆起区油气地质条件有利,应是下一步开展油气勘探的重点区域。

4) 法尔康盆地石油勘探程度低,地震资料少,能够在该盆地利用地表重力、船测重力及卫星重力资料,结合以往区域地质、石油地质、少量二维地震成果确定研究区的构造体系、反演计算研究区基底埋深及构造单元划分、预测油气有利区等。本文研究成果对研究区油气勘探具有一定参考意义,同时对在类似地区的油气勘探工作也有一定方法技术上的借鉴意义。