羌塘盆地白云湖凹陷航空重磁异常特征及其油气勘探意义

刘中戎,胡悦,范志伟,贺鸿冰,周道卿,郭志宏,曹宝宝,魏岩岩

(1.中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川 成都 610041;2.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083)

0 引言

羌塘盆地是我国陆上新区勘探程度最低、面积最大、地层层序最完整的中生代海相含油气盆地[1]。国家在羌塘盆地开展的石油地质调查及研究工作始于20世纪50年代,先后进行过石油地质填图、遥感、重力、航磁、大地电磁、化探、二维反射地震勘探、钻探等工作,在地层、沉积及古地理演化、构造区划、地球物理场特征等方面,取得了众多的创新成果认识[1-9]。最新的航空重磁数据揭示,羌塘盆地存在多个次级凹陷,最西侧的白云湖凹陷分布范围最大,油气勘探前景最好[5,8]。但对该区的研究目前多集中在其南部唢呐湖一带较小范围里,研究内容涉及地层、构造及岩性组合等方面[1,10-12],而对白云湖凹陷基底埋深特征、构造层分布等情况鲜有涉及,利用航空重磁数据,研究白云湖凹陷基底及上覆地层构造形态及其连续性,可为评价北羌塘坳陷油气保存条件提供重要依据。

1 地质背景

白云湖凹陷位于北羌塘坳陷西北部(图1),那底岗日西面,布若错东面,研究区西南角为蜥蜴山,南面为玛尔果茶卡,研究区内有长梁山、元宝湖、白云湖、光明湖、沙土湾湖等,凹陷呈NW向展布,面积约为6 072 km2。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the research area

研究区内地表出露地层主要为侏罗系雀莫错组(以含砾砂岩、砂岩为主)、布曲组(以灰黑色泥晶灰岩、生物屑泥晶灰岩、亮晶灰岩为主)、索瓦组(以泥晶灰岩为主),古近系出露唢呐湖组,主要为含砾砂岩、含石膏灰岩、泥晶生物屑灰岩组合(图2)。

图2 研究区区域地质Fig.2 Regional geological map of research area

羌塘盆地目前已经发现200 多处油气显示,表明该地区有过油气的生成、聚集、运移和成藏过程[7]。羌塘盆地大致可分出N1k、E3s、K1b、J3x、J3s、J2x、J2b、T3x、P2r、P1l等十余套生油层,其中,羌塘盆地侏罗系沉积连续、厚度巨大(>5 000 m),自下而上包括下侏罗统曲色组,中侏罗统雀莫错组、布曲组、夏里组和上侏罗统索瓦组、雪山组、白龙冰河组[13]。对于羌塘盆地主要烃源岩一直有不同的认识,王剑等[1]认为羌塘盆地主力烃源岩主要有4 套,分别是肖茶卡组(T3x) 、布曲组(J2b) 、夏里组(J2x) 和索瓦组(J3s);而王成善等[2]认为上侏罗统曲色组(J1q) 油页岩为盆地主力烃源岩。钻井资料揭示北羌塘发育有多套烃源岩,其中上三叠统陆棚—三角洲相烃源岩在区域内分布范围广,有机质丰度高,是最主要烃源岩。区域发育多套储层,无论是井下储层,还是地表储层均表现为低孔、低渗的特征,与地表相比,井下储层的物性特征及孔隙结构特征均明显偏差。羌塘盆地发育上三叠统巴贡组、中下侏罗统雀莫错组和中侏罗统夏里组三套区域性盖层,其他为局部盖层,生储盖条件优越[7]。

2 物性特征

研究区内及周边地区岩矿石的物性特征为航空重磁异常资料推断解释的重要依据之一,依据野外实测与搜集的物性资料(表1),研究区垂向上存在4个明显的密度层,可以划分出3个密度界面,即新生界与中生界之间,中生界与古生界之间,古生界与前寒武系之间。新生界岩性以紫红色砂砾岩、泥岩为主,密度值在1.7～2.61 g/cm3,构造层平均密度值约2.50 g/cm3,表现出低密度特征。中生界以砂岩、碳酸盐岩为主,密度在1.73～2.99 g/cm3,构造层平均密度值约2.61 g/cm3,显示出中等密度特征,与上覆地层之间的密度差约为0.11 g/cm3。古生界泥盆、石炭及二叠系以灰岩、硅质岩、白云岩为主,地层密度在2.38～2.94 g/cm3,构造层平均密度值约2.67 g/cm3,表现出高密度特征,与上覆地层之间的密度差约为0.06 g/cm3。前寒武系以大理岩、片麻岩为主,密度为2.61～2.97 g/cm3,构造层平均密度值为2.77 g/cm3,显示出高密度特征,与上覆地层之间的密度差约为0.10 g/cm3。总的来看,区内岩石密度有随着地层时代的变老而逐渐增大的规律。

表1 研究区密度层划分、磁化率统计Table 1 Magnetic determination results of rocks and density distribution of the strata in the research area

羌塘地区实测的变质岩(硅质岩、石英岩、大理岩、板岩、石英片岩、石英云母片岩、绿泥片岩)磁化率值为(0～150)×10-5SI,平均值为30×10-5SI,属弱磁性。聂荣岩群(An∈Ngn2)片麻岩磁化率较高,最高值6 418×10-5SI,平均值为3 148×10-5SI,显示羌塘地区发育强磁性变质结晶基底;中生界、古生界碳酸盐岩和碎屑岩的磁化率值均小于30×10-5SI,基本上无磁性。蛇绿岩套内部橄榄辉长岩、玄武岩等磁性极强,磁化率均值可达1 765×10-5SI,可产生明显的航磁异常。

羌塘盆地内正常沉积碎屑岩、碳酸盐岩及其变质岩,酸性火山岩和部分酸性侵入岩磁性普遍较弱,是形成区域降低负磁场的主要因素。中基性火山岩、中酸性侵入岩(黑云母花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩)和基性、超基性岩磁性变化范围较大,具有磁性强、剩磁较大的特点,是引起区域升高正磁场和航磁局部异常的主要因素。

3 重磁场特征

白云湖凹陷磁场面貌以宽缓变化背景场叠加数个孤立团块化升高局部异常为主要特征(图3),凹陷区磁场面貌较外部磁场明显平静、均一,磁场变化范围为-7.8～5.6 nT,高值异常走向近EW向。在航磁△T垂向一阶导数图上中部显示有异常圈闭(图4),最高值为0.5 nT/km,各局部异常主体独立,边界清晰,高值磁异常中心主要分布在研究区南部、西部。白云湖凹陷整体宽缓的磁低背景场为起伏平缓的中等磁性基岩的反映,而孤立局部异常则是不同磁化率岩体的响应,经实测岩石磁化率统计结果,该区附近中酸性岩体磁化率相对较低,平均在100×10-5SI左右,可引起低幅值局部异常,而南部噶尔孔茶卡出露的新生代辉绿岩磁化率较高,为870×10-5SI左右,在磁场中会引起较高的磁异常,经垂向一阶导数处理后,突出了异常形态,异常边界更为清晰。

图3 白云湖凹陷航磁ΔT化极Fig.3 Reduced-to-pole regional aeromagnetic (ΔT) anomalies in the Baiyunhu sag

图4 白云湖凹陷航磁ΔT垂向一阶导数Fig.4 Diagram of the vertical first derivative for reduced to pole regional aeromagnetic (ΔT) in the Baiyunhu sag

白云湖凹陷重力场总体呈现西低东高的面貌(图5),重力场由西向东缓慢升高,可见明显圈闭,异常值范围为(-554～-558)×10-5m/s2。航空布格重力垂向一阶导数图上表现为平静背景场中叠加局部升高正异常的场面貌(图6),异常值最高处为元宝湖西部,约0.85×10-8m/s2。长梁山以北重力低值区附近出露白垩纪花岗斑岩,实测密度为2.58 g/cm3,低于古生界(平均密度值2.67 g/cm3)和中生界(平均密度值为2.61 g/cm3)围岩密度,产生质量亏损,且此异常中心与磁化极高值异常中心对应较为良好,推断其下存在隐伏中酸性岩体,相对低密度的中酸性岩体是引起局部重力场低值的主要原因。

图5 白云湖凹陷航空布格重力场平面Fig.5 Color grid of the airborne Bouguer gravity in the Baiyunhu sag

图6 白云湖凹陷航空布格重力垂向一阶导数Fig.6 Diagram of the vertical first derivative for airborne Bouguer gravity in the Baiyunhu sag

4 推断断裂及岩浆岩分布特征

4.1 断裂特征

羌塘盆地自元古代以来历经多期构造运动,其中,晚侏罗世末期拉萨地块与羌塘地块持续碰撞,羌塘盆地受南北向强烈挤压,使得北羌塘盆地EW向、NWW向断裂活跃,派生出一系列同向次级断层及小型反向倾斜次级断层,上新世以来,青藏高原隆升,EW向、NWW向断裂再度活跃,形成一系列NE、NW向共轭走滑断裂系,这些断裂在航空重磁场中具有清晰的反映。通过对正负场分界线、异常梯度带、串珠或团块状异常分布情况的研究,识别出白云湖凹陷一带2条一级断裂(图7),分别为北羌塘北部边界EW向断裂组合(F2、F3)与中央隆起带北部NWW向断裂(F5),2条断裂将白云湖凹陷夹于其中,呈现出较为完整的NWW向块状构造。利用航磁ΔT垂向一阶导数图与航空布格重力垂向一阶导数图也识别出了受强烈挤压应力形成的NWW向展布的次级断裂,如F25、F26、F27等,及一系列同向展布的三级断裂。

图7 白云湖凹陷推断岩浆岩构造Fig.7 Tectonic map of igneous rocks in the Baiyunhu sag

4.2 岩浆岩特征

根据岩石物性特征分析,引起羌塘盆地内磁场变化的主要地质因素为中生代侵入岩体、新生代火山岩、中生代火山岩以及前寒武系变质岩,这些具有磁性岩石的分布和磁性变化规律共同形成了测区的磁场面貌。相对而言,白云湖凹陷中生代侵入岩和新生代火山岩均十分发育,种类繁多,是引起该区磁异常变化的最主要的地质因素。利用航磁△T化极等值线平面图、化极垂向一阶导数等值线平面图等资料划定岩浆岩边界,对异常强度不大、地处弱磁性岩石分布区的磁性体划为酸性侵入岩;对具中等强度、地表出露或地质资料已圈定中酸性岩体划为中酸性侵入岩;对异常强度大、梯度陡、沿深大断裂分布或地质资料已圈定的磁性体划为基性、超基性侵入岩。白云湖凹陷内部岩浆岩分布较少,其周缘地区侵入岩最为发育,布若错出露下白垩统花岗斑岩,航磁数据显示其周边高值异常范围远大于出露范围,推断深部发育隐伏岩体;长梁山一带受F26断裂控制,深部亦发育有隐伏岩体。火山岩分布范围较小,岩浆岩多沿断裂及其两侧分布,岩浆活动明显受断裂控制,断裂交汇处为岩浆侵入提供了重要通道。

5 深部构造形态

5.1 磁性基底埋藏深度

羌塘盆地中新生代和古生代沉积盖层的磁性较弱,与经历了变质、褶皱和岩浆贯入的前寒武纪基底变质岩系相比较,可以近似地看成无磁性[4],区域升高磁背景场主要为前寒武系变质基岩引起,可以利用航磁数据对基底埋藏深度进行计算。这里所说的基底是指前寒武系变质基底,也称之为磁性基底。通过对航磁异常计算磁性体埋藏深度,并编绘磁性基底深度图[8],可以了解凹陷区变质基底形态变化特征。

白云湖凹陷磁场整体呈现平稳的面貌,这是其基底稳定、连续的反映。依据磁性体埋藏深度值与磁场特征间的内在联系及深度数据所表示的范围,采用人工切线法计算磁性体顶面埋深,并使用欧拉反褶积自动计算方法对手工计算结果进行验证。计算得到的深度点,既包含了磁性基底产生的宽缓异常,也包含了浅层磁性体产生的局部异常,需要结合航空重磁场特征及构造展布形态等进行甄别筛选,勾绘磁性基岩深度图。羌塘盆地全区用于编图的磁性基底深度值约1 300个,其中,白云湖凹陷计算深度值约80个。

图8计算结果表明,白云湖凹陷为北羌塘坳陷内部基底埋藏最深的区域,达15 000 m;南、北两侧受NW向、近EW向深大断裂控制,形态似平行四边形,整体近EW向展布;东部基底埋藏深度较西部深,凹陷内部存在2条NW向展布的大型断裂,凹陷中心夹于其中,凹陷西部有EW向展布的中型基底凸起,埋藏深度9 000 m;长梁山一带存在一处小型基底凸起,埋藏深度约为6 000 m;白云湖凹陷分布范围大、形态完整且基底埋藏较深,能大体反映出其上古生界及中生界沉积厚度的变化特征(图8)。

图8 白云湖凹陷磁性基岩埋藏深度Fig.8 Color shaded grid of the depth of the top of the magnetic basement in the Baiyunhu sag

5.2 中生界构造特征

根据实测密度资料,区内存在3个主要密度界面:新生界平均密度为2.50 g/cm3,与下伏中生界密度差0.11 g/cm3;中生界平均密度为2.61 g/cm3,与下伏古生界密度差0.06 g/cm3;古生界平均密度为2.67 g/cm3,与下伏前寒武系密度差0.10 g/cm3;前寒武系变质基底密度最大,平均密度2.77 g/cm3。因此,可以通过重力数据构造分层方法对新生界、中生界、古生界进行异常分离和深度计算[5,8]。白云湖地区新生界不发育,基底深度基本可以代表古生界底界面特征,本次研究重点对中生界异常进行分离和深度计算。

为获得更高精度的构造层异常分离效果,采用功率谱分析法对中生界构造层的异常进行分离,通过频率域中的Parker-Oldenburg迭代反演其埋藏深度,主要为约束顶底面网格并加滤波圆滑的方法获得中生界底面深度数据,结合地质、地震等综合信息进行深度图编制[5]。

编图结果表明(图9):白云湖凹陷中生界分布连续,展布形态受基底、断裂控制影响,呈近EW向分布,整体形态较为完整;中生界深度平均在6 000 m,内部存在8个凹陷中心,如白云湖、双泉湖、光明湖等深度大多在6 500～7 000 m,最深处在白云湖西北方,中心深度达8 000 m。

图9 白云湖凹陷中生界底面埋藏深度Fig.9 Burial depth of the Mesozoic bottom in the Baiyunhu sag

5.3 典型剖面构造解释

为研究引起白云湖凹陷重磁异常的地质成因,以及深部构造层变化规律,选取南北向贯穿白云湖凹陷的典型剖面(剖面位置见图9中AB剖面),依据实测物性资料,进行剖面航重—航磁联合反演解释。所选剖面切过南北两处高值磁异常和一处布格重力低值异常,贯穿了白云湖西侧中生界沉积凹陷中心,地质图中出露地层为下侏罗统雀莫错组(J1q)、上侏罗统索瓦组(J3s)、上新统双泉湖组(N2sq)、中新统唢呐湖组(N1s)。为了尽可能保留反演数据精度,航空重磁数据均沿实测航迹剖面提取,磁测数据相邻点距约10 m(10次/s采样率),重力数据相邻点距约50 m(2次/s采样率)。

本次剖面拟合使用了人机交互式重磁正反演软件RGIS,以最优化理论为基础,使用二维半模型(2.5D)来模拟二度和三度地质体,整个计算过程在计算机上完成。2.5D人机交互拟合,是以二维半多边形截面积水平棱柱体作为场源体的初始模型,并根据先验地质资料和半定量解释结果,对所有参数估计初始值进行设置,而后采用人机交互修改,计算机自动迭代反演相结合的方式,求取地下地质体埋深、空间形态和体积的技术[14]。

剖面反演计算成果图中显示(图10),白云湖凹陷从南向北变质基底及上伏地层分布整体呈现连续形态,基底在剖面北侧微隆,噶尔孔茶卡北部发育大型断裂,并伴随一定规模岩浆活动,深部沿断裂发育一中酸性岩体,平面宽度达9 000 m,基底在此处上隆。古生界、中生界沉积连续,特别是中生界平均厚度达5 500 m,白云湖西侧凹陷中心中生界厚度达8 000 m,呈现沉积稳定且厚度巨大的特点,受岩浆活动影响较少,仅在北部3 000 m深处发育小规模强磁性火山岩,中生界较其他地层具有明显的厚度与稳定性优势。

图10 重磁剖面异常解释Fig.10 Interpretation of gravity and magnetic anomaly profiles

6 油气勘探意义

6.1 地质成因分析

白云湖凹陷深部构造特征表明,该地区古生界、中生界具备明显的厚度优势,推测是因为北羌塘地块在早三叠世完成拼合后,晚三叠世至早白垩受盆地南侧班公湖—怒江一带地壳拉张破裂,盆地裂陷,中生代海相沉积物连续沉积,形成羌塘盆地中生界厚层海相沉积,为研究区成油地质条件打下坚实的物质基础[1,7,15]。新生代以来,由于雅鲁藏布江新特提斯的关闭,引起羌塘盆地强烈的构造隆升,造成其内部断块差异上升,大部分地区处于抬升剥蚀阶段,白云湖地区新生界被剥蚀,这一系列的抬升与剥蚀作用是AB剖面反演结果中新生界地层变薄的主要原因,成就了现今的白云湖凹陷,该区域发生的厚层海相碳酸盐岩沉积、基底及上覆地层抬升是引起白云湖凹陷航空重力异常的主要原因。

区内整体缺乏大规模的岩浆活动,沉积层基本不含火山岩,具有稳定的被动大陆边缘沉积特征[16-19],中生界、古生界碳酸盐岩和碎屑岩的磁化率值均小于30×10-5SI,基本上无磁性,可见,白云湖地区平静、低缓的磁场应由磁性弱、埋深大的前寒武纪变质岩系引起。

6.2 油气勘探意义

白云湖地区中生界海相沉积厚度大,从重磁反演结果看,中生界沉积厚度可达5 000～9 000 m,为三叠系和侏罗系海相地层多期沉积中心的叠合发育地区,烃源岩层系多、厚度大,其东部北羌塘坳陷半岛湖地区的羌科一井在厚达4 057 m的中生界地层中发现13层气测异常,侏罗系雀莫错组及夏里组发育了两套重要的硬石膏及含膏泥质岩封盖层,其下均发现了油气显示[1],通过计算白云湖地区中生界埋藏深度并结合重点剖面重—磁—地质联合反演结果,白云湖凹陷巨厚的中生界沉积存在油气显示的物质基础。白云湖凹陷内部局部构造异常,对应白云湖凹陷内部基岩凸起,重力异常特征清晰,研究区深部存在有引起研究区航空重力异常的侏罗系布曲组、索瓦组碳酸盐岩储集层和上三叠统肖茶卡组的碎屑岩等优质储集层,内部的膏泥岩段可作为良好的盖层,起着很好的封隔作用,储盖条件优越。通过对重点剖面重—磁—地质联合反演,结合前人研究结果,喜马拉雅期羌塘盆地虽然与青藏高原一同开始强烈的隆升和剥蚀,但以整体隆升为主,盆地内部构造变形是青藏高原上最弱的地区[20],白云湖地区构造形变相对较弱,受断层破坏程度较小,次级断裂规模较小,多期构造活动产生的微裂隙,还增强储集层连通性和储集空间,保存条件有利,有非常好的油气勘探前景。

7 结论

1)白云湖凹陷航空布格重力高值异常由中生界、古生界海相沉积层的起伏变化引起,航磁高值异常则是由磁性基底、小范围岩浆活动共同作用引起。白云湖凹陷重、磁异常属于非同源异常。

2)白云湖凹陷断裂构造不发育,全区岩浆活动较弱,仅在南侧存在一处由岩浆沿大型断裂上涌造成的磁性基底隆起,后期油气保存较为有利。

3)中生界—古生界沉积层总厚度10 000～15 000 m,中生界分布连续,厚度平均在6 000 m,且存在8个凹陷中心,埋藏深度适中。

4)白云湖凹陷中生界构造形态主要受基底凹陷控制,凹陷内部沉积层厚度大,地层发育丰富,储盖条件优越,具有良好的油气勘探潜力。