熱力作用對(duì)富烴凹陷的影響

李 健，王建強(qiáng)，賀小元，曲少東，陳思謙

(西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

熱力作用作為地球上普遍存在影響深遠(yuǎn)的主要地質(zhì)動(dòng)力和各種內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用的源頭，其能量來源于地球內(nèi)部的地幔熱源以及巖石圈中放射性元素蛻變產(chǎn)生的巨大熱能。這些熱能不斷通過多種熱傳導(dǎo)方式(如流體蠕動(dòng)熱對(duì)流、熱傳導(dǎo))向外界傳導(dǎo)并散失釋放能量，對(duì)地球深淺層以及表層產(chǎn)生著直接或間接的影響，其表現(xiàn)形式就是熱力作用及熱力構(gòu)造的發(fā)生。劉池洋把熱力作用定義為地殼深部或地幔的氣液等熱流體及深部熱能向上運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的地質(zhì)作用和結(jié)果［1］。

目前對(duì)熱力作用及其產(chǎn)生的熱力構(gòu)造效應(yīng)研究還比較薄弱，近些年來隨著地幔地震層析成像技術(shù)在解釋地幔熱力構(gòu)造方面的應(yīng)用，熱力作用研究所取得的進(jìn)展有:核—幔邊界的地幔熱柱或多層圈、多級(jí)別的地幔柱以及“冷羽柱”［2］的發(fā)現(xiàn);地幔對(duì)流構(gòu)成地球內(nèi)部的復(fù)雜渦旋結(jié)構(gòu);幔汁流體HACONS及殼幔潰瘍或殼?；旌献饔茫?］的提出;板塊俯沖帶深部熱力作用引起的多重地震效應(yīng)及對(duì)地幔溫度的控制［4］。對(duì)熱力構(gòu)造的分類上，劉池洋、楊興科等根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造、地貌形態(tài)，結(jié)合地層時(shí)代和巖漿—熱力影響深度等特征，按巖漿—熱力作用影響深度分為(古)地?zé)岙惓Ｈ杭瘏^(qū)、表淺層火山噴發(fā)—熱液活動(dòng)—淺成斑巖侵入型、熱力背斜(熱穹隆)型、中深層侵入型(含殼內(nèi)熱柱型)、地幔熱柱型5種熱力構(gòu)造類型［5］。

在現(xiàn)有盆地動(dòng)力學(xué)模式中，盆地的演化和改造是深受熱力作用控制的。熱力作用作為含煤、油、氣、鈾等多能源盆地發(fā)育、發(fā)展及動(dòng)力學(xué)演化的主要源泉之一，其成藏成礦效應(yīng)近些年來也得到的廣泛的研究:熱力作用對(duì)油氣運(yùn)移的主導(dǎo)作用［6］;熱力作用對(duì)油氣成藏的效應(yīng)［7］;地球深部熱流與地殼淺部流體發(fā)生混合與交換作用后對(duì)油氣形成的貢獻(xiàn)［8］。

在我國(guó)中新生代的陸相含油氣盆地中，目前得到較普遍承認(rèn)的富烴凹陷或石油資源豐度高的凹陷(坳陷)主要有渤海灣盆地的一些次級(jí)凹陷，南襄盆地的泌陽凹陷，酒西盆地的下白堊統(tǒng)青西凹陷，以及松遼盆地中央坳陷，鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組富烴凹陷。這些所有富油氣凹陷(坳陷)在烴源巖方面具有共同特點(diǎn)是:烴源巖質(zhì)量好、有效烴源巖面積和厚度大、熱演化程度較高，有機(jī)碳含量高，生烴量和資源量巨大(表1)。

表1 中國(guó)部分富烴凹陷烴源巖特征

目前對(duì)富烴凹陷的研究發(fā)現(xiàn)［1］，富烴凹陷無一例外的都經(jīng)歷過一定較高的熱演化，都有過較高的熱背景，也無一例外的受到過熱力作用的影響。因此從熱力作用影響效應(yīng)角度來分析富烴凹陷的形成，烴源巖演化，可以更好的了解富烴凹陷的特征，為富烴凹陷的油氣勘探提供更加豐富的理論指導(dǎo)。

1 熱力作用對(duì)富烴凹陷(坳陷)形成的影響

目前沉積盆地成因的分類方案，主流是分為熱力、重力、應(yīng)力和復(fù)合4種成因類型［9］。單一的熱力成因盆地(如北美Michigan盆地)雖然并不多見，但對(duì)盆地的研究發(fā)現(xiàn)，在盆地深約10～25 km處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有低阻高導(dǎo)層的存在，作為盆地深部地殼內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)軟弱帶，可理解為部分熔融或高地?zé)崽荻葘?dǎo)致邊界弱化;或高溫蠕變位錯(cuò)松弛引起地震波衰減。但總體來說，低阻高導(dǎo)層的存在多與熱力作用有一定關(guān)系［5］。這也從側(cè)面說明大部分盆地形成過程中熱力作用或多或少的都參與其中。盆地動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)說明［10］，含油氣盆地發(fā)生、演化和改造的根本原因在于深部。殼內(nèi)低阻層的普遍發(fā)育對(duì)盆地基底和蓋層構(gòu)造的發(fā)育、熱力構(gòu)造的發(fā)生演化、盆地改造的熱動(dòng)力來源等均有重要的控制作用。

對(duì)于富烴凹陷(坳陷)來講，熱力作用更是直接參與了其形成過程，并有著不可替代的作用，而且這種影響作用可能貫穿于盆地整個(gè)埋藏生烴過程。

例如，松遼盆地是在海西期褶皺基底基礎(chǔ)上堆積了5 000 m以上中生代地層形成的斷坳疊置盆地，中央坳陷區(qū)是其地幔隆起區(qū)。在松遼盆地前期形成過程中，熱力作用起到了很重要的作用。中生代早期太平洋板塊生成后向亞洲大陸推進(jìn)，在亞洲大陸板塊東緣形成了貝尼奧夫帶，庫(kù)拉板塊和太平洋板塊又向亞洲大陸板塊俯沖推進(jìn)，造成了大陸板塊下的軟流圈的增壓以及部分洋殼板塊消熔為次生巖漿，新的次生巖漿打破了巖石圈下部軟流圈及地幔的熱液物質(zhì)平衡，引起了深部熱(物質(zhì))流上涌或者深部熱驅(qū)動(dòng)－地幔底辟，應(yīng)力和熱力的雙重效應(yīng)使巖石圈上拱，三疊 －侏羅紀(jì)松遼地區(qū)地殼大范圍抬升隆起，并伴隨有強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，而且有大規(guī)模的花崗巖侵入，松遼盆地處于被剝蝕狀態(tài)，并開始發(fā)生張裂。對(duì)于松遼盆地形成與演化的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制，肖龍等認(rèn)為地幔柱活動(dòng)起到了十分重要的作用。

松遼盆地的地球物理資料［11］也證明在盆地深部16～20 km存在重力測(cè)量的低速層(＜6 km/s)，厚約6 km;大地電磁測(cè)量的低電阻層(3～8Ω·m)，埋深為18～20 km;大地?zé)崃髌骄蹈哌_(dá)69.9 MW/m2(全球地?zé)崞骄禐?3 MW/m2);松遼盆地諸多地球物理資料證明了一個(gè)認(rèn)識(shí):在松遼盆地地殼內(nèi)16～20 km處存在一個(gè)來自軟流圈的流體相巖漿房，這是熱力作用活動(dòng)的一大證據(jù)，也證明了在盆地形成階段熱力作用的參與存在(圖1)。

2 熱力作用對(duì)富烴凹陷古生產(chǎn)力的影響

盆地或凹陷油氣的貧富程度在于油源巖發(fā)育的差異性，富烴凹陷足夠體積的油源巖離不開古湖泊高生產(chǎn)力及良好的有效有機(jī)質(zhì)保存條件。大洋底部黑煙囪生物群落的存在已經(jīng)證明熱液物質(zhì)是能夠?yàn)樯锾峁┥婺芰康?經(jīng)深大斷裂上涌來的金屬礦物質(zhì)是生物所需的養(yǎng)料，可以促使湖盆水生生物大量繁殖［13］;來自現(xiàn)代海洋及湖泊的各種生物群體的超常繁盛及其生存活動(dòng)環(huán)境和相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明也表明［10］，熱力作用對(duì)古湖泊高生產(chǎn)力有不可替代的作用。這些都是形成富烴凹陷巨大面積有效烴源巖的必要條件。

邱欣衛(wèi)對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組富烴凹陷的研究發(fā)現(xiàn)［14］，深部熱液流體沿深大斷裂的上涌會(huì)帶來大量富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于湖盆微生物、藻類、浮游植物、雙殼類等生物有機(jī)體勃發(fā)，在相對(duì)較深水還原環(huán)境中得以保存，從而形成富有機(jī)質(zhì)層，發(fā)育成優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖1 內(nèi)蒙古滿洲里－黑龍江綏芬河剖面

3 熱力作用對(duì)富烴凹陷熱背景及烴源巖熱演化的影響

通過目前對(duì)富烴凹陷的研究發(fā)現(xiàn)，富烴凹陷均經(jīng)歷了比正常盆地更高的熱背景和熱演化，并且一般具有該區(qū)最高的地?zé)岘h(huán)境［1］。如松遼盆地白堊系中央坳陷的生油門限在1 050 m 左右，比西部塔里木等盆地淺1 000～2 500 m［15］，這明顯是和松遼盆地較高的熱背景是有密切關(guān)系的。鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組富烴凹陷的生油門限在1 600 m左右，這比西部也淺500～2 000 m［15］，這也是和烴源巖演化過程中較高的熱背景密不可分的。

地?zé)釄?chǎng)是反映盆地活動(dòng)性和深部作用的一個(gè)重要標(biāo)志［10］。表2揭示出各富烴凹陷都確實(shí)存在過較高的熱背景。

3.1 熱力作用對(duì)鄂爾多斯盆地中生代延長(zhǎng)組生烴影響

任戰(zhàn)利認(rèn)為鄂爾多斯盆地在晚古生代－中生代三疊紀(jì)時(shí)的地溫梯度可能在2.2～2.4℃/100 m左右，中生代晚期地溫梯度要集中在 4.0～4.5℃/100 m之間，現(xiàn)今地溫梯度為2.80℃ /100 m［15］。而中生代晚期地溫梯度的突然升高也已經(jīng)被證明是由晚侏羅世 －早白堊世(95.34～166.45 Ma)的一次構(gòu)造熱事件造成的［16］。

這次構(gòu)造熱事件發(fā)生的根本原因在于中生代晚期巖石圈深部活動(dòng)活躍、熱力作用增強(qiáng)，尤其是在盆地南部的巖石圈深部。早白堊世鄂爾多斯盆地處于一種弱拉張的構(gòu)造環(huán)境，使地球各圈層相互作用和深部物質(zhì)向上運(yùn)移更為普遍，地幔發(fā)生底侵作用，巖石圈減薄，發(fā)生巖漿侵入和噴發(fā)。而鄂爾多斯盆地巖石圈深部熱力活動(dòng)增強(qiáng)很可能與秦嶺造山帶燕山晚期強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)系，與中生代晚期歐亞板塊與庫(kù)拉、太平洋板塊左旋剪切運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈也有密切的關(guān)系。

表2 主要富烴凹陷(坳陷)地溫場(chǎng)

圖2 鄂爾多斯盆地西緣斷裂－郯廬斷裂帶地溫結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2可以發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地內(nèi)部存在地?zé)岜尘坝酗@著差異的兩部分，E108°以東延長(zhǎng)期富烴凹陷地區(qū)在同等深度下明顯要比盆地西部地區(qū)要熱。而鄂爾多斯盆地作為穩(wěn)定克拉通盆地的一部分，內(nèi)部并不應(yīng)該有這么明顯的熱背景差異，那么富烴凹陷地區(qū)較高熱背景的出現(xiàn)就應(yīng)該與熱力作用活動(dòng)有很緊密地聯(lián)系。

這次構(gòu)造熱事件使鄂爾多斯盆地整體地溫梯度升高，盆地南部吳旗—慶陽—富縣—銅川延長(zhǎng)期富烴凹陷一帶地溫梯度更高，造成了古生界、中生界烴源巖熱演化程度異常。對(duì)于中生代延長(zhǎng)組烴源巖演化來說，這次構(gòu)造熱事件具有不可替代的作用，在晚侏羅世之前，延長(zhǎng)組烴源巖演化程度較低，這有利于有機(jī)質(zhì)的保存。構(gòu)造熱事件使地溫梯度迅速升高，延長(zhǎng)組烴源巖進(jìn)入生油窗，并達(dá)到生油高峰?？梢哉f，正是晚侏羅世－早白堊世的這次深部熱力作用，加速了延長(zhǎng)組烴源巖的生烴演化，促進(jìn)了鄂爾多斯南部中生代延長(zhǎng)組富烴凹陷的形成。

3.2 熱力作用對(duì)渤海灣富烴凹陷生烴影響

渤海灣盆地作為巖漿弧后拉張，下陸殼發(fā)生裂谷作用而形成的新生代裂谷型盆地，在盆地形成過程中深部熱力作用是非?；钴S的。大型走滑斷裂帶和古老縫合帶內(nèi)主斷裂帶下部一般都存在莫霍面錯(cuò)斷，郯廬斷裂帶的存在，為殼幔物質(zhì)交換提供了通道，是渤海灣盆地深部熱力作用活躍區(qū)。圖2中可以看出同等深度下，渤海灣盆地富烴凹陷地區(qū)要比周鄰地區(qū)明顯要熱。根據(jù)大地電磁測(cè)深資料解釋結(jié)果［18］，渤海中部地區(qū)相對(duì)于華北其它震區(qū)，上地幔高導(dǎo)層埋藏較淺，只有30～50 km，分析表明，這是地幔熱物質(zhì)上涌造成的。

對(duì)渤海灣盆地各凹陷對(duì)比研究后也發(fā)現(xiàn)［19］，富烴凹陷主要發(fā)育在郯廬斷裂帶及其他主要斷裂帶沿線，并且斷陷走向和主應(yīng)力方向垂直，例如遼西凹陷及渤中凹陷，這是因?yàn)檫@類凹陷中斷陷水平拉張量大、洼陷埋藏最深、沉降量大，易于形成欠補(bǔ)償沉積環(huán)境，并且斷層的拆離滑脫面深，深部熱流體活動(dòng)活躍，熱力值高，熱力作用對(duì)凹陷影響直接，烴源巖最發(fā)育、熱演化程度最高、生烴能力最強(qiáng)、資源量最豐富。而埕北、沙南等這類非富烴凹陷，其共同點(diǎn)都是斷陷走向和主應(yīng)力方向近于平行，深部熱力作用不活躍，烴源巖不發(fā)育。

渤海灣盆地富烴凹陷的主力烴源巖為沙河街組及東營(yíng)組，在這些烴源巖地層沉積時(shí)，渤海灣盆地各凹陷都在經(jīng)歷著很高的熱背景，新生代早期孔店組和沙四段沉積時(shí)，地溫梯度達(dá)3.59～3.93℃ /100 m，東營(yíng)組沉積時(shí)，古地溫梯度達(dá)3.46℃ /100 m［15］，較高的熱背景加速了烴源巖的熱演化，使在單一熱傳導(dǎo)背景下不可能成熟的地層進(jìn)入生烴門限，使烴源巖較早的到達(dá)生油窗，增加了成熟源巖的層位和體積，加速了油氣的生成。

4 結(jié)語

熱力作用是富烴凹陷形成的必要條件。深部熱力作用活動(dòng)參與了富烴凹陷盆地的形成及改造;熱流物質(zhì)通過深大斷裂上涌至古湖泊，可造就古湖泊較高的有機(jī)物生產(chǎn)力，是形成富烴凹陷巨大面積油源巖的先決條件;熱力作用還能為盆地提供較高的熱背景，加速盆地內(nèi)有機(jī)質(zhì)的成烴演化，加速油氣生成速率?？梢哉f，熱力作用活動(dòng)是貫穿影響富烴凹陷形成至油氣生成全過程的。

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