松辽盆地开鲁凹陷构造特征及其有利区预测——基于重力异常资料

袁禹涵,张金功,袁炳强,薛健,姚天星

1) 西北大学地质学系,西安,710069; 2) 西北大学大陆动力学国家重点实验室,西安,710069;3) 西安石油大学地球科学与工程学院,西安,710065;4) 陕西省油气成藏地质学重点实验室,西安,710065

内容提要:开鲁凹陷位于松辽盆地西南部,油气前景优良,但研究程度较低。前人主要针对凹陷内次级构造单元进行研究,而对凹陷整体构造和基底特征缺乏研究。为了研究凹陷构造特征,预测油气有利区,笔者等基于重力资料,综合地质、地震等前人相关研究成果,推测了该区的断裂构造;应用Parker法和相关分析法计算了盆地的基底深度;并对凹陷进行了次级构造单元划分及油气有利区预测。研究结果表明:开鲁凹陷重力场特征宏观上表现为由西北向东南重力高和重力低呈条带状相间分布;反映了凹陷内突起与断陷亦由西北向东南相间分布。凹陷内断裂发育,其边界主要受近SN向、EW向及两组NE向断裂控制。开鲁凹陷可进一步划分为8个次级构造单元,各次级构造单元之间以断裂为界。凹陷内新生界、中生界白垩系、侏罗系发育。开鲁凹陷西部清河—苇莲苏断陷带内的平安地断阶,东部茫汉断陷中的茫汉南西缓坡带,南部奈曼旗断陷等区域,油气地质条件良好,为油气有利区。

松辽盆地是中、新生代形成的断—坳叠置的大型陆相沉积盆地,具有丰富的油气资源。开鲁凹陷是松辽盆地西南部的一个次级构造单元。前人曾对开鲁凹陷的构造特征(蒋笑霞等,1991)、地层层序(许坤等,1995)、构造单元划分(许德树,2005)进行了一定的研究,张玉明(2006)、修安鹏等(2012)对内茫汉断陷的构造演化及烃源岩特征进行研究,刘明洁等(2012)、谢庆宾等(2013)对陆东凹陷沉积相开展了研究。前人研究揭示了九佛堂组—沙海组为凹陷内的主力烃源岩,凹陷具有重要油气勘探潜力(刘斌等,1997;吴亚生等,2012),“洼中隆”是油气富集有利区(吴亚生等,2012)。

开鲁凹陷构造复杂,地质工作程度较低,鲜有对整个开鲁凹陷宏观构造特征研究的成果。在石油地质工作程度较低的盆地内利用重力资料,可较好地揭示盆地的构造特征,并预测其油气远景区(鲁海鸥等,2012;邢锦程等,2021)。因此,本文基于对研究区1∶20万重力调查资料的处理分析解释,并结合区域地质、地震资料等,推测确定了开鲁凹陷的断裂构造,反演计算了盆地的基底深度,对凹陷进行了构造单元划分,预测了油气有利区。研究成果可为该地区进一步油气勘探开发工作提供科学依据。

1 地质概况

1.1 地质背景

松辽盆地是位于东北亚地块群内的松嫩地块之上的中—新生代陆相断坳叠置型的含油气盆地。开鲁凹陷位于松辽盆地西南隆起区,是该区较大的一个呈NE向展布的次级凹陷,面积近6000 km2。开鲁凹陷(图1)主要经历了断陷(150～105 Ma)、坳陷(105.0～79.1 Ma)和反转(79.1～64.0 Ma)3个构造演化阶段(高瑞祺和蔡希源,1997;葛荣峰等,2010;王璞珺等,2015;刘志宏等,2020)。凹陷的基底主要为石炭系和二叠系的泥质灰岩或凝灰岩,局部发育海西期与燕山期花岗岩以及中基性侵入岩(谈顺佳等,2021),凹陷的沉积盖层主要为侏罗系、下白垩统九佛堂组、沙海组、阜新组、泉头组以及上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组及新生界地层,累计最大厚度可达万米。

开鲁凹陷主要烃源岩为下白垩统九佛堂组(K1jf)和沙海组(K1sh)两套烃源岩,其中九佛堂组主力烃源岩,以半深湖、深湖相深灰色泥岩、油页岩为主,Ro位于0.4%～0.9%,最大可达1.3%,总体处于低熟—成熟阶段(陈为佳等,2014;刘斌等,1997;吴亚生等,2012)。上侏罗统火山岩储层发育,九佛堂组、沙海组和阜新组等岩性以砂砾岩、含砾砂岩为主,为主要碎屑岩储层。储层孔隙度为10%～15%,渗透率为(0～5)×10-3μm2,表现为中—低孔、低—特低渗的特点(陈为佳等,2014)。

1.2 地球物理特征

开鲁凹陷基底石炭系、二叠系的密度相对比较稳定,平均密度为 2.60～2.72 g/cm3,多数在2.66 g/cm3;上覆侏罗系平均密度为2.42 g/cm3,白垩系密度为2.40 g/cm3,新近系密度为2.25 g/cm3,第四系的密度为1.90 g/cm3。基底与侏罗系之间密度差约为0.2 g/cm3,白垩系与新近系密度差约为0.18 g/cm3,侏罗系与白垩系密度差约为0.02 g/cm3(表1)。显然,开鲁凹陷基底与上覆侏罗系、白垩系及新生界之间有明显的密度差。

2 重力场特征

重力数据为收集的松辽盆地南部开鲁凹陷1∶200000重力测量资料,使用Surfer软件对重力数据进行了网格化,并绘制了研究区的布格重力异常图(图2)。

图2 松辽盆地开鲁凹陷及邻区重力异常图(黑色边框所围即为研究区);(a) 开鲁凹陷及邻区布格重力异常图;(b) 开鲁凹陷及邻区剩余重力异常图(滑动平均法求取,窗长54 km))Fig.2 Map of Bouguer gravity anomaly in Kailu Sag and its adjacent areas (the black line shows the confine of Kailu Sag in the study area; (a) map of Bouguer gravity anomaly in Kailu Sag and its adjacent areas; (b) map of residual gravity anomaly in Kailu Sag and its adjacent areas(calculated by moving average, the length of window is 54 km)

2.1 布格重力异常

布格重力异常平面等值线图(图2a)显示,开鲁凹陷内重力异常变化较大,具有明显的分区性、宏观呈NE向展布特征,由西北向东南依次呈现出高、低、高、低的特点。根据布格重力异常值特征,研究区可划分为西北部重力异常平缓低值区(Ⅰ),中部重力异常复杂区(Ⅱ)和东部重力异常低值区(Ⅲ)(图2a)。其中,西北部平缓低值区整体重力异常值变化较小 异常值在(-17.2～-37.9)×10-5m/s2;中部重力异常复杂区内发育的重力高、重力低呈条带状相间分布,异常值介于-46.4×10-5m/s2～-12.8×10-5m/s2,最高值位于凹陷中部东明附近,异常值约-12.8×10-5m/s2,最低值位于凹陷西南部奈曼旗断陷内,异常值约为-46.4×10-5m/s2。凹陷内重力高与重力低发育,重力高与重力低之间为梯级带。由布格重力异常特征结合研究区地质背景,推测凹陷内发育的重力高可能由断裂造成的基底隆升引起,重力低的基底下陷(断陷)引起。研究区重力异常值差异较大,可能是凹陷基底起伏较大反映;研究区内发育的重力梯级带可能反映凹陷构造复杂,断裂发育。

2.2 剩余重力异常

为了研究开鲁凹陷的局部构造特征,选取解析延拓、趋势分析、正则化滤波、滑动平均等多种方法进行位场分离,结合已有地震剖面和地质资料进行对比,发现滑动平均法窗长为54 km求取的剩余重力异常与已有凹陷内局部构造相关研究成果对应较好,故选择其作为研究盆地内局部构造的基本图件与布格重力异常类似,剩余重力异常分区特征和布格重力异常一致,即剩余重力异常也可划分为西北部剩余重力异常平缓低值区,中部剩余重力异常复杂区和东部剩余重力异常低值区(图2b)。西北部剩余异常平缓低值区内,多个重力低呈NE向串珠状展布;中部剩余重力异常复杂区内,重力高和重力低呈条带状相间分布;东部剩余重力异常低值区内,有北兴和芒汉两处明显的重力低。对比前人(王伟等,2017)在研究区解释地3条地震剖面AA′、BB′、CC′(图4)与该3条剖面通过地段剩余重力异常特征(图2b)发现,剩余重力异常高低大体与基底界面起伏相对应,重力高范围内基底抬升,重力低范围内基底下陷,故剩余重力异常的重力高、重力低可能反映了基底的隆起与凹陷。

3 断裂构造解释

3.1 解释方法

断裂的发生使其两侧岩层有明显的密度差异,所以应用重力资料确定断裂的分布特征有良好的地质效果(袁炳强等,2015)。推断断裂构造先根据重力异常基础图件(布格重力异常图、剩余重力异常图)及多种转换参数异常图上(归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)异常图、Theta异常图等)的异常特征识别出线性构造信息,再结合研究区的地质资料,综合推断出了开鲁凹陷的断裂构造。

3.2 断裂构造特征

推测的开鲁凹陷断裂构造如图3示,凹陷的边界断裂形成于断陷期(150～105 Ma)(云金表等,2002),与周缘构造单元为断层接触,在重力异常图上反映为明显的重力梯级带或不同场区的分界,以广泛发育的同沉积正断层为特征,规模大且延伸距离长,走向以NNE、NE为主,EW、NW次之。断裂组合中NNE、NE向断层反映了形成张性断块构造时东西向拉张的区域构造应力场,EW、NW走向断层是不均一拉张产生的调节断层。这些断裂将凹陷分割成“东西成带、南北分带”隆凹相间、次级断陷相互独立的构造格局(云金表等,2002)。

图3 松辽盆地开鲁凹陷断裂分布图:(a) 布格重力异常与断裂叠合图; (b) 剩余布格重力异常与断裂叠合图; (c) Theta异常与断裂叠合图; (d) NVDR-THDR异常与断裂叠合图)Fig.3 Fault distribution map of Kailu Sag:(a) map of the fault distribution with Bouguer gravity anomaly; (b) map of the fault distribution with residual gravity anomaly; (c) map of the fault distribution with Theta of gravity anomaly; (d) map of the fault distribution with NVDR-THDR of gravity anomaly

F1断裂为凹陷的西北部边界断裂,呈NE向展布,断层面倾向南东,区内延伸长度约为133 km。该断裂是西拉木伦河断裂带的分支断裂(赵文智等,2004;韩国卿等,2009),对凹陷的形成和凹陷内地层的发育有强烈的控制作用。F2断裂为凹陷的西部边界断裂,呈NE—NW向展布,区内延伸长度约为79.7 km,断裂向西北延伸至西部的舍伯吐凸起带内。

F3断裂为凹陷的南部边界断裂,呈近EW向展布,赤峰—开原大断裂带在区块内的延伸部分,被NNE向断裂切割成若干段,各段呈雁列状排列,贯穿整个区块。该断裂切割深度较深,区域上为松辽盆地南界断裂,对整个松辽盆地和西南隆起区的形成和发育有明显地控制作用。

F4断裂为凹陷东部边界断裂,呈NNE走向,断层面向西陡倾,研究区内长约115.5 km,为东部额勒凸起与凹陷的分界断裂,它对凹陷内沉积层发育和区内构造带的形成有明显的控制作用(赵文智等,2004)。

凹陷内发育的断裂(F6—F26)多为深大断裂的伴生断裂,规模相对较小,切割深度较浅,为凹陷内各次级构造单元之间的分界断裂,控制了凹内次级构造单元的发育。

4 基底特征

为了研究开鲁凹陷的基底特征,计算了凹陷的基底(侏罗系底界面)深度。首先选择垂直于凹陷走向、与前人(王伟等,2017)完成的3条地震剖面AA′、BB′、CC′部分位置重合的剩余重力异常剖面(图4)。定量拟合解释初始地质—地球物理模型设计以地震解释结果作为约束条件,密度层选取根据前文密度资料,把古生界基底作为一个密度层,密度值取2.66 g/cm3;侏罗系作为一个密度层,密度值取2.42 g/cm3;白垩系及新生界作为一个密度层,密度值取2.35 g/cm3。

图4 松辽盆地开鲁凹陷基底深度图:(a) Parker 法计算结果; (b) 相关分析法计算结果; (c) 开鲁凹陷基底深度图Fig.4 Basement depth map of the Kailu Sag:(a) basement depth calculated with Parker method; (b) basement depth calculated with correlation analysis method; (c) basement depth map of the Kailu Sag

利用RGIS软件对所选重力异常剖面进行了定量拟合解释,获取了剖面通过地段的地层密度与基底界面深度。拟合结果见图5a、b、c。拟合异常与实测异常吻合较好,剖面通过地段基底凹陷和隆起相间分布,侏罗系在凹陷内较厚,隆起处较薄,拟合解释的断裂、基底隆升或沉降与开鲁凹陷的实际地质情况基本一致。

图5 松辽盆地开鲁凹陷AA′剖面(a)、 BB′剖面(b)和CC′剖面(c)重力异常拟合结果Fig.5 Fitting results of gravity anomaly for profile AA′(a), BB′(b) and CC′(c)

图6 Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区剩余重力异常与地震解释深度关系图(H:km;Δg:mGal)Fig.6 The correlation between residual gravity anomaly and basement depth at Zone Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ of the Kailu Sag (H: km;Δg: mGal)

在剖面拟合结果的基础上,根据前述剩余重力异常的分区即西北部异常平缓低值区(Ⅰ区),中部异常复杂区(Ⅱ区)和东部异常低值区(Ⅲ区),应用Parker法(Parker, Robert L,1974)分别反演了3个区的基底深度。应用Parker反演基底深度平均界面深度参考已有地震解释深度,界面密度差参考拟合得到的地层密度,反演结果如图4a所示。

为了验证Parker法反演基底深度的准确性,对比分析了Parker法反演的基底深度与前人地震解释基底深度的差值(对比值点位选取见图4),发现Parker法反演的基底深度在研究区Ⅰ区内与地震解释的深度误差相对较小,而Ⅱ区、Ⅲ区内误差较大。分析其原因可能是Parker法适用于连续界面的反演,对于基底起伏较大且不连续的界面会产生较大误差。Ⅰ区重力异常比较平缓,基底深度横向差异可能较小,故误差较小;而Ⅱ区、Ⅲ区构造活动较为剧烈,断裂发育,沉积层横向变化大,故误差较大。综上所述,利用Parker法求取整个研究区基底深度尤其在Ⅱ区、Ⅲ区内具有一定局限性。

为了提高基底深度反演精度,参考前人相关研究成果(Yuan Bingqiang et al., 2017),利用相关分析法分别了计算了开鲁凹陷Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的基底深度。相关分析法先计算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54 km)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、四次函数及五次函数进行剩余重力异常与地震解释深度的回归分析,获得了计算基底深度的回归公式(图4b)。分析不同函数关系的回归结果,选择计算Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区基底公式分别为:

H1=-0.179467Δg+

3.280060

(R2=0.90)

(1)

H2=

0.001704524881Δg4+

0.00254655246Δg3-

0.03958601139Δg2-

0.1511045352Δg+

4.347307964

(R2=0.921)

(2)

H3=-0.000031263598Δg4+ 0.0001862Δg3- 0.0102685Δg2-0.1870528Δg+4.0034649

(R2=0.906)

(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。

应用回归公式计算基底深度结果如图4b所示。同样,把利用将相关分析法计算的基底深度结果与地震深度进行了比较可知,利用相关分析法计算的Ⅰ区的基底深度误差大于利用 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4c)。

开鲁凹陷的基底深度在东部和北部埋藏较深,而中部基底起伏大(图4c)。根据凹陷内断裂分布特征,开鲁凹陷的东部和西北部断裂发育,断距较大,其基底深度在3000～5200 m。凹陷中部洼陷与隆起相间分布,洼陷处基底深度一般在4000～6000 m,隆起处基底深度一般在2000～2700 m。

5 构造单元划分及油气有利区预测

5.1 构造单元划分

在重力场特征、断裂构造分布、剖面拟合和基底深度反演的基础上,参考前人研究成果,对开鲁凹陷进行了进一步构造单元划分,划分为兴北断陷、清河—苇连苏断陷、芒汉断陷带、东明突起、八仙筒—固力本花断陷、白音塔拉突起、奈曼旗断陷、东南突起8个次级构造单元(图7)

图7 开鲁凹陷构造单元划分及油气有利区预测图Fig.7 Division of the Kailu Sag structural unit and forecast diagram of oil and gas favorable area

各个次级构造单元的特征如下:

兴北断陷位于开鲁凹陷的北部,宏观呈近东西向展布,平面形态近似为一矩形,有北兴、保安两个沉积中心,具北断南超性质,面积约700 km2,基底深度在4500～4800 m。清河—苇连苏断陷位于凹陷的西部,宏观呈北—北东向展布,主要由白音他拉断陷,布拉嘎台断陷和北图连塔拉断陷组成,3个断陷围绕平安地断阶展布,面积超过2000 km2,基底最大埋深超过4500 m。芒汉断陷位于凹陷的东部,宏观呈北—北东向展布,其东部基底平缓,西部与东明突起带相邻,由于断层作用,西部基底深度变化较大,南部则以斜坡形式向突起过渡。该断陷带面积约900 km2,最大基底深度超过4000 m。东明突起位于凹陷中部,宏观呈北东向展布。由基底深度结果(图4),东明突起为夹在芒汉断陷带和八仙筒—固力本花断陷之间的低突起,基底较浅,最大深度约1500 m,面积约1150 km2。八仙筒—固力本花断陷亦位于凹陷中部,为北北西向地堑式断陷,有南北两个沉积中心,面积约525 km2,基底深度3200～4100 m。白音塔拉突起宏观呈东西向,往西倾伏,整个突起东陡西缓,南陡北缓,面积约480 km2。为断裂作用引起的基底隆升,基底埋深约1800 m。奈曼旗断陷位于凹陷的南部,为北北东向的地堑式断陷,面积约750 km2,从南到北有3个沉积中心,尤以奈曼旗沉积中心最大、最深约6000 m,各中心间存在较平缓的低突起。东南突起位于凹陷东南部,走向近东西,基底深度约2000 m。

5.2 有利区预测

开鲁凹陷内白垩系九佛堂组和沙海组烃源岩普遍发育。前人研究表明,九佛堂组烃源岩在晚白垩世早期到中期开始进入生烃门限,烃源岩埋深达到2000 m及以上时,烃源岩层镜质体反射率达到1.0%,达到3000 m时,烃源岩层镜质体反射率达到1.3%。随着晚白垩世末—古近纪整体抬升,结束了断陷发育史,断陷层地层普遍遭受剥蚀,烃源岩演化也随之结束。由于控盆断层的活动具有继承性,凹陷内清河—苇莲苏断陷、芒汉断陷、奈曼旗断陷等断陷区基底深度大部分区域大于3500 m,最深的部位达6000 m,故烃源岩埋藏较深。其中,九佛堂组烃源岩有机质类型分布具有一定的规律性,断陷间差异不大,主要为腐植—腐泥型(Ⅱ1型和Ⅱ2型,少数为Ⅲ型),总有机碳含量高,为1.40%～3.01%,Ro值主体在0.4%～0.9%,个别断陷可高达1.3%,总体处于低熟—成熟阶段,阜新组沉积中晚期,具有生油能力,早白垩世末达到生油高峰(图8)。而沙海组只有其下部且分布在主洼陷带内的烃源岩达到低成熟,Ro为0.5%左右,生油能力有限(陈为佳等,2014;刘斌等,1997;吴亚生等,2012)。

图8 早白垩世含油气系统油气成藏事件(据陈为佳,2014修改)Fig.8 Pool-formation events of Early Cretaceous petroleum systems (modified from Chen Weijia, 2014&)

开鲁凹陷内的次级断裂将盆地内部划分为许多突起和次级断陷,根据定量拟合结果可知,白垩系地层在各次级断陷内厚度可达1000～2000 m,次级洼陷内烃源岩层系厚度可观。洼陷带内九佛堂组烃源岩在早白垩世末到达成熟期,且到四方台组沉积前主生烃期一直持续,凹陷内断裂发育,能够为油气运移提供良好的运移通道,油气主要沿断层垂向运移,所在上倾方向的近岸水下扇砂体中能聚集成藏;或往下伏地层中运移,在义县组火山岩储集体中聚集成藏;故靠近控盆断裂的主洼陷带是烃源岩分布的有利区带(陈为佳等,2014)。西部清河—苇莲苏断陷带内的平安地断阶周围被断陷围绕,处于凹中隆部位,周围断陷区域的油气可向构造高点(断阶带)垂向运移,“洼中隆”的构造可能形成断背斜油气藏;另外,据前人研究成果,凹陷内东部茫汉断陷带的基底埋藏深度较大,断陷内部存在缓坡带,且含油砂体稳定发育,油气主要通过砂体往上倾方向运移,形成三角洲前缘砂体上倾尖灭油气藏,是重要生油区(张玉明,2006;修安鹏等,2012;王伟等,2017);奈曼旗断陷发育较厚的生油层系,断陷内存在凹中隆低突起构造,晚白垩世末的反转使原生油气藏抬升调整,或沿内部的次级断裂往上运移形成次生油气藏(图8)。

6 结论

(1)开鲁凹陷重力异常宏观上由西北向东南呈重力高与重力低相间分布,局部重力异常特征反映出本区基底起伏较大,隆起与断陷发育。

(2)凹陷内SN向、近EW向、近NE向断裂发育,这些断裂构成凹陷内次级构造单元的边界。

(3)开鲁凹陷的东部和西北部的基底深度较大,在3000～5200 m之间。凹陷中部断陷与突起相间分布,凹陷处基底深度较大,在4000～6000 m之间;隆起处基底深度较浅,一般在1800～2700 m之间。

(4)开鲁凹陷可划分为兴北断陷、清河—苇连苏断陷、芒汉断陷带、东明断突带、八仙筒—固力本花断陷、白音塔拉突起、奈曼旗断陷、东南突起区8个构造单元。其中清河—苇莲苏断陷中的平安地断阶、茫汉断陷的缓坡带、奈曼旗断陷的低突起等构造油气地质条件优良,为油气勘探的有利区。

致谢:感谢审稿人建设性和专业性的建议以及责任编辑认真及时的回复。

注 释Note

❶ 据黑龙江物探队、吉林物探队内部资料, 1985.