何發(fā)岐,王付斌,郭利果,安 川
1.中國石化 華北油氣分公司,鄭州 450006;2.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院, 鄭州 450006
朱夏首次將“原型盆地”的概念應用于我國的含油氣盆地分析中,把原型的概念和某一階段盆地形成的地球動力學環(huán)境相關聯(lián),并基于“兩種運動體制”的概念提出了原型盆地分析的系統(tǒng)方法[1],張渝昌等學者繼承了朱夏先生的學術思想,對中國和世界典型盆地原型進行了動態(tài)分析和分類總結[2-6]。相比于其他盆地,由于前期二、三維地震及深鉆井資料的缺乏或品質較差,前人關于鄂爾多斯盆地中新元古代及早古生代的盆地原型研究相對薄弱,一般集中在某一地區(qū)或某一階段,編圖單元普遍局限在現(xiàn)今盆地邊界范圍內,對相鄰地質單元已有地質認識應用不夠;盆地內部構造—環(huán)境分析主要依賴少數(shù)的區(qū)域探井,基于地質認識模式編制的圖件對內部細節(jié)刻畫精細程度相對有限[7-14]。2017—2021年,針對鄂爾多斯盆地下古生界及以下地層認識相對薄弱這一問題,中國石化華北油氣分公司等單位利用盆地近年來實施的22條地震區(qū)域大剖面、300余條局部二、三維地震測線、122口深井,50余條盆緣古生界露頭、2 800多組測試分析數(shù)據(jù),解析了盆地西緣—南緣—北緣—東緣構造樣式并劃分了構造活動期次,利用盆—山地質大剖面解釋、沉積充填分析、平衡剖面+原型盆地恢復技術反演了中元古代—現(xiàn)今構造演化過程;明確了中元古代裂陷槽、中央古隆起對古生代不同時期構造—沉積格局的控制和影響作用,實現(xiàn)了全盆范圍內體系域—三級層序約束下的地層—沉積對比與平面編圖;確定了古生界潛在有效烴源巖發(fā)育層位,采用“碳酸鹽巖成烴生物+酸溶有機質(全烴碳)校正+熱演化恢復”技術明確了奧陶系馬家溝組、平?jīng)鼋M海相烴源的有效性。
在明確了華北地區(qū)西部古生代各期深部地球動力學背景及構造—沉積環(huán)境,恢復了現(xiàn)今鄂爾多斯盆地早古生代各期原型盆地分布及其并列—迭加關系的基礎上,將盆地古生代劃分為早古生代克拉通邊緣拗陷—晚古生代克拉通內拗陷2階段6期,并探討了古生代構造—沉積變遷過程中對下寒武統(tǒng)、奧陶系馬家溝組、平?jīng)鼋M海相烴源巖、石炭—二疊系煤系烴源巖,盆地寒武系張夏組、奧陶系馬家溝組、克里摩里組、石炭—二疊系儲層發(fā)育的控制和影響作用及其對古生界油氣勘探的指示意義。
鄂爾多斯古生代盆地是在前寒武裂陷體系基礎上發(fā)展起來的大型克拉通盆地,宏觀上屬于華北克拉通西部部分?,F(xiàn)今盆地范圍中元古代長城紀表現(xiàn)為NE—SW走向一系列裂陷盆地并列;中元古代薊縣紀表現(xiàn)為一個相對統(tǒng)一的西南厚東北薄大型坳陷[15-18];南華紀—震旦紀,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地主體區(qū)經(jīng)歷了長約4.7億年的沉積間斷(圖1),僅在華北克拉通西部、南部可見一定厚度震旦紀晚期沉積,從黃旗口—賀蘭山—青龍山—洛南地區(qū)的露頭來看,其主要為一套冰磧及碎屑流沉積物。零星的地層記錄表明前寒武紀末華北克拉通北緣已表現(xiàn)為穩(wěn)定的被動大陸邊緣,與古亞洲洋相鄰;南緣相繼受600 Ma寬坪洋盆閉合和542 Ma商丹洋盆伸展影響[19-20],僅在震旦紀末期保留了部分被動大陸邊緣沉積。
寒武紀早期商丹洋開始向北部俯沖,形成了北秦嶺島弧帶,華北南部表現(xiàn)為平緩的被動大陸邊緣[21];震旦紀末期分布在華北南緣的冰川由于氣候變暖完全消失,華北西部—南部經(jīng)歷古生代第一次海侵并開始接受辛集期(對應于盆地西緣蘇峪口期)和朱砂洞期海相超覆沉積,華北中北部仍表現(xiàn)為大面積隆起區(qū)未接受沉積(圖2a,圖3a-b)。辛集(蘇峪口)組主體為一套含磷碎屑質—碳酸鹽巖沉積,主體沿賀蘭裂陷槽—北秦嶺洋盆延伸方向分布,該套地層在豫西—賀蘭山一線野外露頭中已廣泛出露,在鄂爾多斯盆地范圍內鮮有揭示,目前僅在南緣彬長探區(qū)實施的風險探井——長探1井有發(fā)現(xiàn)。饅頭期至徐莊期由于板塊俯沖引起熱地幔主動底辟上涌,成為弧后擴張的動力,在北秦嶺島弧帶北側—華北南側區(qū)域發(fā)育二郎坪弧后盆地;徐莊期受早古生代第一次海侵影響,沉積范圍已從寒武紀早期現(xiàn)今盆地西緣—南緣擴展到盆地內部(圖2b,圖3c)。張夏期二郎坪洋盆擴展受到南部北秦嶺洋盆俯沖阻礙,開始向南俯沖,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地海侵達到最大范圍,盆內僅鎮(zhèn)原隆起、烏審旗隆起、呂梁隆起、杭錦隆起未接受沉積(圖2c,圖3d)。
寒武紀早—中期受華北北部、華北南部被動大陸邊緣背景聯(lián)合控制,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地西緣—南緣持續(xù)接受沉積,厚度較大;盆地內部僅在海侵高位期接受沉積,厚度相對較?。粯嬙旄窬肿晕髂暇壡仄詈O蚺璧貎炔咳A北海表現(xiàn)為“坳—坡—隆—坪”的變化特征。辛集期—朱砂洞期—饅頭期,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地表現(xiàn)為華北南部被動大陸邊緣、走廊被動大陸邊緣、華北西部賀蘭裂陷槽等原型盆地的并列(圖3a-b);毛莊期—徐莊期—張夏期,表現(xiàn)為華北南部被動大陸邊緣、富縣坳陷、走廊被動大陸邊緣、神木坳陷、賀蘭裂陷槽、定邊坳陷等原型盆地的并列(圖3c-d)。
三山子期,華北南側二郎坪洋盆向南俯沖形成島弧與北秦嶺島弧組成雙排島弧帶,北側古亞洲洋向南俯沖逐漸形成華北北緣島弧帶,華北南北兩側均處在被動陸緣環(huán)境;南北雙向俯沖背景下,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地區(qū)域發(fā)生區(qū)域性海退,沉積范圍減小,在寒武紀中期已存在的鎮(zhèn)原隆起、烏審旗隆起、杭錦隆起沿南北方向連成一片,形成鄂爾多斯中央隆起(圖2d,圖3e)。早奧陶世冶里期—亮甲山期,隨著北側古亞洲洋向南俯沖作用加強,華北北緣構造體制由被動陸緣轉變?yōu)橹鲃雨懢壉本壽晗輲?;阿拉善隆起和鄂爾多斯中央隆起陸域面積不斷擴大,定邊坳陷逐漸消失。亮甲山期末華北地區(qū)發(fā)生懷遠運動,大規(guī)模海退形成廣泛的沉積間斷;先前存在的富縣坳陷、神木坳陷逐漸衰亡,表現(xiàn)為砂泥坪—潮坪沉積(圖3f)。
圖2 華北地區(qū)早古生代南北向區(qū)域構造—沉積演化模式
圖3 華北地區(qū)寒武紀—奧陶紀早期不同階段原型盆地分布
馬家溝期,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地沉積受華北北部主動大陸邊緣、華北南部—西南部被動大陸邊緣背景聯(lián)合控制,整體具有構造相對穩(wěn)定、震蕩性海侵—海退、氣候干旱—濕潤頻繁變化的特點(圖2e-f);現(xiàn)今鄂爾多斯盆地范圍沉積受中西部南北向延伸的古隆起弱分割,外側、內側分別受秦祁海、華北海演化控制[22]。
馬一期華北發(fā)生早古生代第二次海侵,海水從東、南、西3個方向再次侵入,海侵范圍擴大,鄂爾多斯中央隆起范圍較三山子期明顯縮?。获R二段沉積時期,海侵繼續(xù)擴大,隆起進一步縮??;馬三段沉積期,區(qū)域發(fā)生振蕩性海退,氣候干旱,隆起以東以發(fā)育大規(guī)模膏鹽巖沉積為特點(圖4a);馬四段沉積期是奧陶紀以來的最大海侵期,水體變深,除阿拉善隆起、杭錦隆起和西南鎮(zhèn)原隆起外,其余地區(qū)均被海水淹沒(圖4b);馬五段沉積時期振蕩件海退,水體明顯變淺,鎮(zhèn)原隆起向北延伸到定邊,向東接近宜君,“L”型形態(tài)更加明顯,杭錦隆起范圍增大(圖4c);馬六期存在一次規(guī)模較大的海侵,水體較馬五期深,地層由于后期加里東—海西期剝蝕保存不全(圖4d)。
奧陶紀現(xiàn)今盆地西南緣仍表現(xiàn)為裂陷海槽或伸展海盆,沉積厚度巨大;中西部發(fā)育鄂爾多斯中央隆起;東部表現(xiàn)為一個相對統(tǒng)一,沉積厚度較大的大型坳陷;構造格局自西南緣秦祁海向盆內華北海變現(xiàn)為“坳—坡—隆—坳”的變化特征。馬家溝期,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地表現(xiàn)為華北南部被動大陸邊緣、走廊被動大陸邊緣、賀蘭裂陷槽、鄂爾多斯東部坳陷等原型盆地的并列。
馬六期后,受加里東運動影響,華北海退出現(xiàn)今鄂爾多斯盆地主體區(qū),形成大面積隆起。平?jīng)銎冢A北南部二郎坪弧后洋盆開始關閉,盆地南緣構造體制向前陸盆地轉變,現(xiàn)今盆地南緣前陸盆地區(qū)—西緣賀蘭裂陷槽區(qū)域伸展斷裂活動頻繁(圖4e)。背鍋山期,二郎坪弧后洋盆關閉,并形成二郎坪弧后縫合線,向北到華北隆起之間發(fā)育華北南部前陸盆地;華北西南部走廊被動大陸邊緣也由于北祁連洋盆關閉造山轉變?yōu)樽呃惹瓣懪璧?,西緣賀蘭裂陷槽由于受阿拉善地塊與華北陸塊陸陸拼接影響,古地理形態(tài)也發(fā)生較大變化,已經(jīng)不具有狹窄的三角槽型,向南遷移演變?yōu)橐酝摹T瓰槌练e中心形成賀蘭坳陷(圖2g,圖4f)。背鍋山期末,海水全面退出鄂爾多斯盆地南緣,奧陶紀沉積結束。
圖4 華北地區(qū)奧陶紀中晚期不同階段原型盆地分布
平?jīng)觥冲伾狡谂璧匚鳌暇墭嬙旒皫r漿活動強烈,平?jīng)鋈罍稀y洞—官莊、涇陽鐵瓦殿剖面、麟游、富平趙老峪等剖面中上奧陶統(tǒng)中廣泛發(fā)育火山凝灰?guī)r、凝灰質砂巖,這些凝灰?guī)r、凝灰質砂巖鋯石U-Pb年齡均分布在462~450 Ma之間,與北秦嶺—北祁連地區(qū)洋殼俯沖引起的火山弧噴發(fā)密切相關[23-25];北部古亞洲洋仍以俯沖作用為主,盆地北緣延續(xù)了相對穩(wěn)定的主動陸緣背景,構造及巖漿活動較弱;現(xiàn)今盆地主體區(qū)表現(xiàn)為弧后造山環(huán)境,大部分隆升成陸未接受沉積。
平?jīng)銎?,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地范圍內表現(xiàn)為南緣前陸盆地、走廊被動大陸邊緣、賀蘭裂陷槽的并列;背鍋山期表現(xiàn)為南緣前陸盆地、走廊前陸盆地、賀蘭坳陷的并列。
志留紀—中石炭世,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地整體處于會聚碰撞、抬升剝蝕階段,華北北部溫都爾廟洋(古亞洲洋分支),華北西南部祁連洋、華北南部商丹洋盆(秦嶺洋分支)相繼關閉造山,華北西部阿拉善與華北地塊沿賀蘭山拼接并陸內造山[26-27],整個華北地區(qū)形成了長達1.3~1.5 億年的沉積間斷,普遍缺失志留系(圖1)。相對而言,中祁連地塊與阿拉善—華北板塊470~450 Ma以來的碰撞具“東早西晚”、“東強西弱”的特點[28-29],因此,在北祁連—河西走廊地區(qū)仍保留了相對連續(xù)的志留—泥盆系海相沉積[30]。
晚石炭世本溪期,華北北部恩格爾烏蘇洋(古亞洲洋分支)、南秦嶺南部勉略洋盆(秦嶺洋分支)快速擴展,華北西部祁連地塊宗務隆山—同仁一線發(fā)育裂谷—小洋盆[26],華北克拉通發(fā)生沉降重新接受沉積,海水主要從NEE、SWW兩個方向侵入,華北東部形成受限陸表海,西部祁連海域形成深度較大的海灣—潟湖,本溪晚期分布在鄂爾多斯盆地中東部華北海與西部祁連海在現(xiàn)今盆地中北部發(fā)生連通,本溪組向中央古隆起方向超覆變薄,表現(xiàn)為廣覆式 “填平補齊”特征(圖6a)。晚石炭世末,北部索侖—西拉木侖洋(古亞洲洋分支)向南俯沖、消減,區(qū)域應力場受來自北側南北向擠壓應力控制,華北克拉通區(qū)域構造格局逐漸由志留紀—中石炭世的“南隆北傾”逐漸轉為“北隆南傾”(圖5a)。早二疊世太原期,南秦嶺南部勉略洋(秦嶺洋分支)向北俯沖,華北海改由SE方向侵入研究區(qū),經(jīng)過了晚石炭世的填平補齊,陸表海進一步發(fā)展,并與西部祁連海廣泛連通,水動力條件以潮汐作用為主,海平面升降頻繁,表現(xiàn)為不連續(xù)的幕式海侵過程(圖5b,圖6b)。從早二疊世山西期開始,受北部古亞洲洋持續(xù)向南俯沖—消減影響,盆地北部物源區(qū)顯著隆升,盆地內部海水逐步向南退出,進入以陸相沉積為主的演化階段,僅在盆地南部局部保留殘留海盆沉積(圖5c,圖6c)。
圖5 華北及鄰區(qū)奧陶紀末—二疊紀南北向大地構造動力學背景
晚石炭世—早二疊世,盆地西緣具活化拗拉槽特征,中央古隆起主體表現(xiàn)為水下低隆,盆地中東部表現(xiàn)為一大型克拉通內坳陷;盆地整體表現(xiàn)出“一隆兩坳”的構造—沉積格局(圖6a-b);山西期以后,盆地逐漸表現(xiàn)出統(tǒng)一的克拉通內坳陷特征,東西向沉積分異變弱,南北向由于物源輸入強弱差異分異加強(圖6c)。
中二疊世下石盒子期,隨著古亞洲洋持續(xù)向南俯沖推擠,華北克拉通北緣進一步抬升,物源供給充足,地表徑流作用最為活躍,砂體由北向南長距離輸入;海水持續(xù)南撤,以海相灰?guī)r為代表的陸表海沉積不復存在(圖5d,圖6d)。中二疊世上石盒子期,氣候進一步變干燥,隨基底沉降速率加快,沉積范圍持續(xù)擴大,現(xiàn)今鄂爾多斯盆地南部的麟游、岐山地區(qū)上石盒子組超覆于奧陶系灰?guī)r之上[31-32]。石千峰期,北緣古亞洲洋因西伯利亞板塊與華北板塊對接而消亡,南秦嶺南部勉略洋盆(秦嶺洋分支)向北俯沖加劇,使華北克拉通整體抬升,海水撤出大華北地區(qū)(圖5e)。盆地由前期的近海湖盆演變?yōu)閮汝懞?,沉積環(huán)境完全轉化為大陸體制,盆地的地形仍保持著“南陡北緩,南深北淺”的不對稱箕狀湖盆面貌,三角洲—湖泊沉積進一步萎縮。
圖6 華北地區(qū)晚石炭世—早中二疊世構造—沉積格局
晚震旦世東坡期至早寒武世辛集(蘇峪口)期,賀蘭裂陷槽和南部被動陸緣近洋盆陡斜坡區(qū)域發(fā)育了一套高有機質(TOC含量約3%~5%)黑色頁巖、暗色泥板巖優(yōu)質烴源巖;該套烴源巖與伸展早期海相含磷碎屑質—碳酸鹽巖沉積密切相關,并且已在盆地西緣蘇峪口、華北南緣柞水—藍田—洛南—欒川等地區(qū)廣泛揭示[17,33]。海侵高位的徐莊期,華北地區(qū)相對分散獨立的坳陷—洼陷中心區(qū)域發(fā)育一定厚度、顏色較深泥巖—泥質灰?guī)r—泥質白云巖,部分TOC含量相對較高(0.5%~1%),母質類型為Ⅰ~Ⅱ1型,基本可達到有效烴源標準[34-35]。海侵最大的張夏期,被動大陸邊緣—陸緣坳陷過渡區(qū)域發(fā)育物性條件較好的高—中能鮞粒灘,孔隙度最高可達7.5%左右,滲透率最高可達10×10-3μm2,可作為寒武系有效儲層(圖7a)。
圖7 鄂爾多斯盆地古生界有效烴源巖及儲層平面分布
馬家溝期,盆地中東部地區(qū)潛在烴源巖發(fā)育受NE向基底斷裂再活動宏觀控制,在馬三期、馬五期氣候相對干旱期遠離中央古隆起的環(huán)局限臺地膏鹽湖內斜坡和鹽巖盆地發(fā)育了暗色泥巖、泥質碳酸巖,具有厚度大(20~50 m)、原始TOC含量較高(>1%)的特點(圖7b);在盆地西部近南北向斷裂及盆地內部NE向基底斷裂再活動形成的塊斷凸起或低隆臺坪環(huán)境發(fā)育了物性相對較好的生物礁灘、碳酸鹽巖顆粒灘,形成相對優(yōu)質的天然氣儲層(圖7c-d)。
平?jīng)銎谇瓣懪璧刂黧w斜坡—陸棚區(qū)域發(fā)育了一套厚度較大,有機質豐度較高的海相泥頁巖、泥灰?guī)r,為區(qū)域有效烴源巖。該套烴源巖為優(yōu)質的海相Ⅰ-Ⅱ1型烴源巖,其在深水斜坡—陸棚主體區(qū)域具有較大的厚度(50~125 m)和較高有機質豐度(TOC含量介于 0.5%~1.6%,圖7e)。
石炭—二疊紀早期,盆地廣泛沉積了一套煤系烴源巖,古隆起核部區(qū)域煤系烴源厚度相對偏小,兩側遠離古隆起坳陷煤層厚度較大(圖7f);本溪期—太原期砂體沿中央古隆起軸部延伸,且大致具有東部坳陷輸入規(guī)模大,西部坳陷輸入規(guī)模小的特點(圖6a-b);山西期—石千峰期砂體廣泛發(fā)育,東西方向由于古隆起逐漸衰亡分異減弱,南北方向由于北部伊盟隆起持續(xù)隆升,砂體輸入表現(xiàn)北強南弱的特點(圖6c-d)。
總體而言,盆地西緣、南緣古生代連續(xù)沉積區(qū)發(fā)育下寒武統(tǒng)蘇峪口組—辛集組、中寒武統(tǒng)徐莊組、上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M等多套海相烴源巖,發(fā)育上石炭統(tǒng)羊虎溝組、下二疊統(tǒng)太原組—山西組煤系烴源巖;發(fā)育寒武系張夏組臺緣高能鮞粒灘、奧陶系克里摩里組和馬家溝組六段臺緣生物礁灘—臺內顆粒灘碳酸鹽巖儲層,發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組—下二疊統(tǒng)太原組障壁島、二疊系山西組—上石盒子組三角洲碎屑砂巖儲層。盆地中東部古生代沉積不連續(xù)區(qū)域在馬家溝期氣候相對干旱期發(fā)育環(huán)局限臺地膏鹽湖內斜坡和鹽巖盆地暗色泥巖、泥質碳酸鹽巖烴源巖,在晚石炭世、早二疊世發(fā)育羊虎溝組、太原組—山西組煤系烴源巖;在馬家溝期毗鄰古隆起、坳陷內次級低隆或NE向斷塊凸起部位發(fā)育臺內潮緣灘、臺坪顆粒灘碳酸鹽巖儲層,在晚石炭世—二疊紀發(fā)育本溪組—太原組障壁島、山西組—石千峰組三角洲碎屑砂巖儲層。
(1)鄂爾多斯盆地在早古生代克拉通邊緣拗陷階段發(fā)生了晚寒武世三山子期—早奧陶世亮甲山期、晚奧陶世平?jīng)觥冲伾狡?次構造變革,在晚古生代克拉通內坳陷經(jīng)歷了中晚二疊世構造變革,這3次構造變革分別與古亞洲洋開始向南俯沖、二郎坪—北祁連洋盆關閉、西伯利亞板塊與華北北緣擠壓碰撞相關。
(2)鄂爾多斯盆地西緣寒武紀—晚奧陶世平?jīng)銎诒憩F(xiàn)為走廊被動大陸邊緣、賀蘭裂陷槽的橫向并列;晚石炭世—晚二疊世由早期再生拗拉槽性質的坳陷轉變?yōu)榻y(tǒng)一鄂爾多斯盆地西部坳陷的一部分。盆地南緣經(jīng)歷了寒武紀—中奧陶世被動大陸邊緣、晚奧陶世前陸盆地、晚石炭世—早二疊世東部坳陷南緣的垂向迭加,中晚二疊世則成為鄂爾多斯克拉通內坳陷的一部分。盆地中東部寒武紀中晚期—早奧陶世亮甲山期表現(xiàn)為北部神木坳陷和南部富縣坳陷的并列;馬家溝期—早二疊世成為鄂爾多斯盆地東部坳陷的主體;中晚二疊成為鄂爾多斯克拉通內坳陷的主體部分。
(3)盆地上古煤系烴源巖廣泛發(fā)育,與上部碎屑砂巖儲層構成“下生上儲”成藏組合,近年來埋深相對較大的西部和煤層相對較薄的南部相繼獲得勘探突破,是下一步增儲上產(chǎn)的有利區(qū)。盆地西緣下古天然氣勘探應重點關注古隆起西側、南側向秦祁海槽過渡陡斜坡區(qū),該區(qū)下古發(fā)育多套生儲蓋組合,現(xiàn)今天環(huán)坳陷范圍地層未經(jīng)歷大的構造反轉,抬升幅度較小,可能保留了原生油氣藏;盆地南緣渭北隆起范圍內地層后期經(jīng)歷了構造反轉,抬升幅度較大,應以尋找殘留型油氣藏為主。盆內主體區(qū)下寒武統(tǒng)徐莊組有效烴源不發(fā)育或厚度偏小,寒武系勘探應重點關注深部有中元古界裂陷槽分布的區(qū)域;奧陶系馬家溝組發(fā)育多套生儲蓋組合,下一步應重點在古隆起上斜坡、馬五段6亞段鹽下層段洼陷間次級低隆、NE向斷塊凸起展開勘探。