劉安 ,吳世敏 ,李旭兵 ,程衛(wèi)華
(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,湖北 武漢 430205;2.中山大學(xué)地球科學(xué)系,廣東 廣州 510275;3.中國(guó)海洋石油有限公司深圳分公司,廣東 廣州 510240)
基巖是指位于烴源巖之下的巖石[1]。在一個(gè)盆地,隨著勘探發(fā)展,以往被認(rèn)為是基巖的地層也可能發(fā)現(xiàn)烴源巖,因此,基巖不是一成不變的[2]。目前,基巖油氣藏的發(fā)現(xiàn)仍然充滿“偶然”和“意外”,而事實(shí)上,基巖油氣藏的形成也遵循油氣生、運(yùn)、聚全部規(guī)則[2-3]。第1個(gè)基巖油氣田于1945年在委內(nèi)瑞拉La Paz意外發(fā)現(xiàn),油氣產(chǎn)自花崗巖和碳酸鹽巖[4]。隨后,在阿根廷、中國(guó)、埃及、利比亞、阿爾及利亞、美國(guó)、印尼等多國(guó)發(fā)現(xiàn)基巖油氣田[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),花崗巖與基巖油氣藏具有更為密切的關(guān)系,在已發(fā)現(xiàn)的基巖油氣田中,多數(shù)屬于花崗巖基巖油氣田,其數(shù)量占40%,儲(chǔ)量占75%[5]。中國(guó)的珠江口、松遼、渤海灣等盆地及東海陸架盆地都有花崗巖分布,柴達(dá)木盆地西部,基底也由花崗巖組成[6-7],東部盆地油氣勘探逐漸向深部延伸,在中東部中新生代沉積盆地基底分布大量中生代花崗巖。近來(lái),花崗巖對(duì)油氣影響重新受到重視[8],為此,本文總結(jié)了沉積盆地中花崗巖的分布規(guī)律、侵入的熱影響、與花崗巖有關(guān)的油氣藏類(lèi)型及油氣成藏模式。
盡管目前花崗巖的成因仍存在分歧,但一般認(rèn)為花崗巖的形成主要與板塊俯沖或大陸碰撞有關(guān),是板塊俯沖碰撞產(chǎn)生的熱能促使沉積巖-火山巖-變質(zhì)巖大規(guī)模熔融分異而成[9-10]。由于上地殼重熔界面的波動(dòng)起伏,造成橫向靜巖壓力的差異,導(dǎo)致巖漿層之上的巖石產(chǎn)生垂向彎曲,在側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下,巖漿向低壓區(qū)流動(dòng)促使上覆巖石向上彎曲,均會(huì)產(chǎn)生花崗巖穹窿或背斜,巖漿在強(qiáng)大壓力下沿著斷裂灌入會(huì)形成巖墻[10](見(jiàn)圖1)。因此,沉積盆地中花崗巖往往分布在深大斷裂及隆起區(qū)域。
圖1 擠壓環(huán)境下花崗巖背斜形成機(jī)制
早在1920年,F(xiàn)ath[11]就討論了堪薩斯州北東走向的背斜、斷裂、花崗巖脊的成因以及三者之間的聯(lián)系,認(rèn)為斷裂造成的隆升和剝蝕作用是花崗巖脊?jié)撋叫纬傻闹匾??;◢弾r較其他類(lèi)型基巖具有更強(qiáng)的抗風(fēng)化能力,隱伏花崗巖穹窿或背斜在剝蝕作用之下暴露地表,被基底其他類(lèi)型巖石環(huán)繞,成為構(gòu)造高點(diǎn)。伸展盆地基底花崗巖往往分布在隆起和次級(jí)隆起,在坳陷區(qū)基底多為變質(zhì)巖。深大斷裂控制了盆地沉積蓋層展布,也是控制基底花崗巖分布的重要因素。例如東海陸架盆地為古近紀(jì)伸展盆地,燕山期中酸性侵入巖主要分布在盆地西部的閩浙隆起區(qū)、中央低隆起、釣魚(yú)島巖漿帶和琉球隆褶區(qū);松遼盆地為中生代以來(lái)的伸展盆地,中央坳陷區(qū)基底為變質(zhì)巖,東南隆起區(qū)和西部?jī)A沒(méi)區(qū)基底以海西期花崗巖為主,局部見(jiàn)古生界和前古生界變質(zhì)巖。
中新生代伸展盆地,侵入沉積蓋層的花崗巖較盆地基底要少。美國(guó)西部?jī)?nèi)華達(dá)州的Railroad Valley Basin為新生代裂谷盆地,東部的花崗巖穹窿伴隨盆地發(fā)育,從晚漸新世隆起開(kāi)始形成,早中新世抬升達(dá)到最大,花崗巖穹窿之上中新世之前的沉積抬升剝蝕,成為盆地西部的物源區(qū)[12]。海拉爾盆地燕山期花崗巖除了侵入古生界基底,還侵入侏羅系蓋層,盆地北部斷裂帶附近花崗巖尤其發(fā)育。而古生代和中生代的殘留盆地,侵入沉積蓋層的花崗巖則相對(duì)較多,我國(guó)東中部古生代海相殘留盆地也會(huì)受海西期以來(lái)花崗巖侵入的影響。侵入盆地沉積蓋層的花崗巖往往分布在盆地邊緣,可能與地殼伸展和深大斷裂在盆地邊緣形成的低壓區(qū)相關(guān),花崗質(zhì)熔融層沿低壓區(qū)移動(dòng),導(dǎo)致蓋層隆升剝蝕。湘中漣源凹陷印支—燕山期花崗巖發(fā)育于泥盆系—二疊系盆地形成之后,分布在盆地東北部的溈山凸起和南緣的龍山凸起,盆地中心殘留泥盆系—下三疊統(tǒng)地層,在隆起帶殘留下古生界—下泥盆統(tǒng)地層。山西沁水盆地西部邊緣燕山期花崗巖侵入,對(duì)石炭系—二疊系蓋層剝蝕改造[13]。
花崗巖在殘留盆地沉積蓋層較多,而在新生代伸展盆地分布較少,可能是因?yàn)楣派椭猩鷼埩襞璧卦?jīng)有巨厚的沉積蓋層,而新生代伸展盆地形成時(shí)間短、蓋層相對(duì)較薄。前人研究表明,花崗巖形成深度一般在 4~5 km 以上[14-15]。
沉積盆地侵入巖體的熱影響要遠(yuǎn)大于火山噴發(fā)巖?;◢弾r是上地殼底部受熱重熔的產(chǎn)物,花崗巖的出現(xiàn)代表地史中的熱事件,即上地殼等溫面大面積上隆導(dǎo)致上地殼熔融,花崗巖體或隱伏花崗巖是上隆等溫面不均一的突出部分[10];因此,花崗巖侵入代表該區(qū)域地溫場(chǎng)整體升高背景下古地溫的異常高點(diǎn),但這種異常高點(diǎn)在古生界—中生界殘留盆地中較其他類(lèi)侵入巖具有分布廣、面積大的特點(diǎn)。
板塊邊緣的熱結(jié)構(gòu)受到俯沖板塊的匯聚速率、幾何形態(tài)、熱狀態(tài)、板塊之上的地幔剪切生熱率及流變率等因素影響[16-17]。俯沖作用產(chǎn)生的剪切熱傳導(dǎo)到兩側(cè)板塊,俯沖帶上方巖石圈等溫面會(huì)明顯向上拱曲;俯沖板塊匯聚速率、俯沖角度等因素會(huì)改變地溫場(chǎng),使地殼硅鋁質(zhì)層多次熔融和結(jié)晶,形成多期次花崗巖層。以華南為例,印支期—燕山期發(fā)育多期次花崗巖,各期花崗巖有規(guī)律分布,從湘中—沿?;◢弾r侵入時(shí)間逐漸變晚[10],花崗巖形成時(shí)的高地溫場(chǎng)也相應(yīng)從內(nèi)陸向沿海移動(dòng)。
從侵入盆地蓋層花崗巖的分布特征可知,花崗巖對(duì)古生代和中生代殘留盆地的影響較大。
前人對(duì)沉積盆地中侵入巖熱模型及其對(duì)烴源巖影響模擬研究表明,侵入體熱影響時(shí)間一般小于1 Ma;影響的范圍與侵入體的大小及性質(zhì)有關(guān)[18]。但模型一般沒(méi)有考慮侵入體上覆地層沉積或剝蝕的影響,模型將侵入巖的形態(tài)一般假設(shè)為孤立的似層狀或蘑菇狀,定位于溫度相對(duì)低的圍巖中,大規(guī)模的侵入還應(yīng)考慮潛熱等因素[19]。在花崗巖分布區(qū),似層狀花崗巖之下為連續(xù)增高的等溫面,溫度場(chǎng)的改變一方面受垂直向上熱擴(kuò)散的影響,另一方面受深部熱源擾動(dòng)的影響;因此,花崗巖較一般孤立侵入體熱影響時(shí)間可能要長(zhǎng),影響范圍大。Skogsed[20]認(rèn)為,底侵作用熱影響時(shí)間較長(zhǎng),最長(zhǎng)可達(dá)10 Ma。底侵作用引起的地殼熱調(diào)整會(huì)產(chǎn)生各種類(lèi)型的花崗巖[21]。
花崗巖的熱影響一方面是對(duì)圍巖的直接烘烤作用;另一方面是熱水系統(tǒng)將花崗巖的熱量以熱循環(huán)的方式帶走,影響周?chē)貙拥臒釥顟B(tài)[22]。山西沁水盆地西北側(cè)石炭系—二疊系含煤層系經(jīng)歷了晚侏羅世—早白堊世的構(gòu)造熱事件,在煤田鉆孔發(fā)現(xiàn)燕山期的石英二長(zhǎng)巖,構(gòu)造熱事件使煤級(jí)在短時(shí)間迅速增高,完成了主要的生氣歷程[13]。湘中漣源凹陷南緣的龍山東西向隱伏花崗巖帶,造成從盆地邊緣向盆地中心烴源巖熱演化程度遞減的異?,F(xiàn)象,石炭系測(cè)水組煤系Ro在靠近巖體最大值為10.58%,而向盆地中心降為3.00%。盆地東北緣印支期溈山花崗巖帶,在晚白堊世以前就已經(jīng)剝露于地表,靠近巖體的烴源巖熱演化程度較低,高變質(zhì)帶狹窄[23](見(jiàn)圖 2)。
圖2 漣源凹陷測(cè)水煤系Ro等值線圖
本文主要從與花崗巖相關(guān)的儲(chǔ)層和圈閉來(lái)討論其對(duì)油氣藏的影響,大致可分為如下幾類(lèi):與花崗巖風(fēng)化殼或沖刷沉積有關(guān)的油氣藏,以花崗巖為基底的披覆背斜、與花崗巖裂隙有關(guān)的油氣藏,或者是油氣藏介于2種基本類(lèi)型之間。
花崗巖古隆起經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的暴露風(fēng)化,產(chǎn)生大量的溶蝕孔隙及裂隙,改善了儲(chǔ)層條件,被上覆沉積蓋層覆蓋形成風(fēng)化殼圈閉?;◢弾r風(fēng)化殼可以分為區(qū)域性風(fēng)化殼和線狀風(fēng)化,區(qū)域性風(fēng)化殼在基底隆起普遍發(fā)育,厚度一般只有幾米至幾十米;線狀風(fēng)化主要沿?cái)嗔寻l(fā)育,受斷裂控制的線狀風(fēng)化深度可達(dá)1 500 m[24]。決定風(fēng)化殼性質(zhì)的主要因素是氣候條件,在不同氣候條件下分別產(chǎn)生碎屑型、硅鋁酸鹽型、硅鋁黏土和紅土型風(fēng)化殼[25-26],其成分和厚度還受到巖性、地形、風(fēng)化時(shí)間等因素的影響[27]。風(fēng)化殼具有垂向分帶的結(jié)構(gòu),頂部為風(fēng)化黏土層,之下為半風(fēng)化花崗巖;風(fēng)化黏土層孔滲都非常低,可作為蓋層,但在隆起或凸起的頂部黏土層可能因剝蝕搬運(yùn)較強(qiáng)而缺失[28]。半風(fēng)化花崗巖淋濾帶保留了基巖的殘余礦物,部分石英顆粒組成了剛性的框架,阻止上覆巖石強(qiáng)烈的壓實(shí)作用,具有較高的孔滲物性,這也是花崗巖風(fēng)化殼物性往往好于其他類(lèi)型巖性風(fēng)化殼物性的主要原因,該帶風(fēng)化程度自上而下逐漸減弱,物性也隨之變差[24];另外物理風(fēng)化形成的裂隙密度在半風(fēng)化層自上而下先增大后減小,而黏土層中裂隙極少[29]。世界上有多個(gè)花崗巖風(fēng)化殼油氣田,但是儲(chǔ)層往往不是單純的風(fēng)化殼,多是上部風(fēng)化殼和下部基巖裂隙共同作用的結(jié)果。例如西西伯利亞地區(qū)發(fā)現(xiàn)多個(gè)風(fēng)化殼油氣田,以花崗巖風(fēng)化殼為主,但規(guī)模較?。?4](見(jiàn)表 1)。
花崗巖若風(fēng)化剝蝕伴有短距離的搬運(yùn)沉積,則形成花崗巖沖刷沉積?;◢弾r沖刷沉積最早用來(lái)描述加拿大Peace River隆起前寒武系基底之上的不成熟的粗碎屑巖[30],碎屑巖來(lái)自風(fēng)化的花崗巖,填充到山谷或者是低洼的地方,呈裙?fàn)钪苯痈采w在基底隆起之上[31]。Peace River地區(qū)在1954年就將披蓋在寒武系基底上的泥盆系花崗巖沖刷沉積作為勘探目的層,泥盆系Muskeg組蒸發(fā)巖為直接蓋層,油田位于隆起東部,花崗巖沖刷沉積厚度為0~150m;先后發(fā)現(xiàn)了UtikumaLake和Red Earth油田。美國(guó)Anadarko盆地的Panhandle花崗巖沖刷沉積,從晚石炭—二疊紀(jì)穿時(shí)發(fā)育,泥盆紀(jì)—晚石炭紀(jì)烴源巖生成的油氣,主要通過(guò)側(cè)向運(yùn)移和垂直向上運(yùn)移進(jìn)入花崗巖沖刷沉積[32](見(jiàn)表1)。花崗巖沖刷沉積儲(chǔ)層的巖性變化較大,以雜砂巖為主夾泥質(zhì)沉積,物性變化也大,油氣藏多是地層和構(gòu)造復(fù)合圈閉,很少僅僅是構(gòu)造圈閉[30]。
表1 與花崗巖有關(guān)的油氣藏類(lèi)型實(shí)例
3.3.1 花崗巖裂縫儲(chǔ)集層的特征
2009年在卡塔爾召開(kāi)的國(guó)際石油科技會(huì)議對(duì)基巖油氣藏的地質(zhì)特征做過(guò)相應(yīng)的總結(jié),認(rèn)為就基巖的巖性而言,花崗巖具有更好的勘探前景,與層狀的基底變質(zhì)巖相比,花崗巖具有連通的裂隙系統(tǒng)[33]?;◢弾r基巖裂隙包含剝落裂隙、冷卻收縮裂隙和構(gòu)造裂隙。剝落裂隙形成于巖體淺部,是巖體暴露和壓力釋放的結(jié)果[34]。冷卻收縮裂隙更易在酸性巖石中發(fā)生,隨著石英含量的增高而增高[35],Koenders[36]指出熱收縮應(yīng)力集中在侵入體的邊緣和圍巖接觸面,裂隙在這些區(qū)域密集發(fā)育,侵入體中部的變形程度相對(duì)低,裂隙不發(fā)育。構(gòu)造裂隙按成因分為區(qū)域性裂縫和局部構(gòu)造裂縫,區(qū)域性裂縫受到區(qū)域性水平擠壓或緩慢伸展控制[37],局部構(gòu)造裂縫往往與褶皺和斷層有特定的空間關(guān)系[38]。剝落裂隙和冷卻收縮裂隙在花崗巖基底淺部發(fā)育,構(gòu)造裂隙也隨深度減少,因此,基底裂縫的密度和孔隙在縱向上呈下降的趨勢(shì)。
Sanders[39]以越南陸架伸展盆地為例,通過(guò)模擬分析,認(rèn)為斷層的下盤(pán)往往缺乏斷裂,花崗巖裂隙主要是侵入體冷卻過(guò)程中形成的原生裂隙以及剝落裂隙;斷層上盤(pán)構(gòu)造裂隙發(fā)育,因此裂隙在不同的構(gòu)造部位也具有不同的類(lèi)型。
3.3.2 花崗巖裂縫油氣藏的控制因素
更多的勘探實(shí)例表明,局部裂隙中與斷裂相關(guān)的裂隙對(duì)花崗巖基底裂縫油氣藏影響更大,花崗巖裂縫油氣藏往往分布在斷裂交會(huì)或斷裂密集發(fā)育的部位。委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波灣的La Paz油田的儲(chǔ)集層包括碳酸鹽巖裂縫儲(chǔ)層和花崗巖裂縫儲(chǔ)層。從初始產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量來(lái)看,蓋層要比基底裂縫的產(chǎn)量高,產(chǎn)量主要受到橫向和經(jīng)向斷層及其交會(huì)點(diǎn)的控制,還受到基底構(gòu)造高點(diǎn)的控制[40](見(jiàn)表1)。石油地質(zhì)學(xué)家對(duì)越南White Tiger油田有不同的認(rèn)識(shí),從其產(chǎn)量特征來(lái)看具有明顯的裂縫油氣藏特征,即初始產(chǎn)量高,但在短時(shí)間會(huì)急劇衰減,這也正是花崗巖裂縫油氣藏勘探的風(fēng)險(xiǎn)所在。越南White Tiger油田高產(chǎn)區(qū)位于湄公河盆地中央隆起的中部,受到NE—SW走向逆沖斷層的控制;花崗巖基巖在晚漸新世逆沖擠壓以及隨后的應(yīng)力釋放作用下產(chǎn)生新的裂隙,同時(shí)使先存被充填閉塞的裂隙重新打開(kāi)[41](見(jiàn)表 1、圖 3)。
圖3 越南White Tiger油田裂縫儲(chǔ)層特征
Allen[42]認(rèn)為披覆背斜是伸展盆地中發(fā)育的重要圈閉樣式,基底隆起和掀斜的斷塊是披覆背斜發(fā)育的有利部位;因?yàn)槠錁?gòu)造簡(jiǎn)單,可以形成規(guī)模大、保存好的油氣田?;◢弾r的分布及抗風(fēng)化特征使其在基底地貌上往往表現(xiàn)為古隆起,沉積蓋層直接披覆在古隆起之上,形成花崗巖基底披覆構(gòu)造?;◢弾r提供了古隆起地貌,使上覆頂薄翼厚沉積蓋層形成構(gòu)造高點(diǎn),為有利的油氣運(yùn)移指向區(qū),油氣儲(chǔ)層往往是上覆沉積蓋層的砂巖層。截至1997年,在珠江口盆地早期的勘探研究中,有50多口鉆井鉆遇前古近紀(jì)基巖,其中,燕山期中酸性巖漿巖占89%,由此認(rèn)為,盆地的中央隆起帶廣泛分布花崗巖。但地震剖面解釋認(rèn)為中央隆起帶和周?chē)嫩晗蓊?lèi)似,主要也由中生代的沉積巖組成。造成這種矛盾的原因正是花崗巖古隆起之上發(fā)育披覆背斜構(gòu)造,或者是在古隆起之上發(fā)育生物礁油氣藏[43-44](見(jiàn)表1),而早期的油氣勘探又以此為重要的勘探對(duì)象,從而造成了鉆井揭示基底花崗巖分布廣泛的假象。渤海灣地區(qū)花崗巖披覆潛山之上亦發(fā)育沙河街組披覆背斜,除了砂巖,在花崗巖風(fēng)化殼也見(jiàn)油層[45]。埃及的Gensah油田位于花崗巖潛山之上,儲(chǔ)層為花崗巖頂部的中新世生物礁,具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值[3,46]。
一般基巖油氣藏的油氣來(lái)源有上覆生油巖、基巖旁側(cè)生油巖和基巖旁側(cè)較低部位油氣藏因?yàn)閮A斜或超載向上溢出的油氣3種[5]。從世界上基巖油氣藏的分布特征與盆地沉積烴源巖層的空間位置來(lái)看,儲(chǔ)層往往位于烴源巖旁側(cè)高位,在White Tiger油田花崗巖基巖甚至逆沖到烴源巖之上[41],沿不整合面、高孔隙度地層的側(cè)向運(yùn)移以及沿?cái)嗔训拇瓜蜻\(yùn)移可能仍然是基巖油氣藏的主要運(yùn)移方式[47]。
花崗巖風(fēng)化殼、花崗巖沖刷沉積、花崗巖基底裂縫以及花崗巖基底披覆背斜油氣藏是與花崗巖最為密切的基本油氣藏類(lèi)型,事實(shí)上有很多油氣田往往為復(fù)合型的,例如花崗巖風(fēng)化殼-裂縫型油氣藏、花崗巖風(fēng)化殼-沖刷沉積油氣藏。在同一盆地不同區(qū)域,因不同的地質(zhì)條件,也會(huì)同時(shí)存在幾種不同類(lèi)型的油氣藏。構(gòu)造裂縫往往會(huì)影響到風(fēng)化的深度和強(qiáng)度,表現(xiàn)為上部是風(fēng)化殼儲(chǔ)層,向深部以裂縫為主導(dǎo)的儲(chǔ)集層,即風(fēng)化殼-裂縫油氣藏;渤海海域PL花崗巖油氣田頂部為溶孔-溶洞型儲(chǔ)集空間,向下構(gòu)造裂縫發(fā)育[48](見(jiàn)表 1)。在蓋層圈閉高度足夠的情況下,下部可能形成花崗巖基巖油氣藏,之上發(fā)育受花崗巖隆起控制的披覆背斜油氣藏,如曹妃甸1-6花崗巖油藏、錦州25-1S油田[45]。Auduzhil油田基底發(fā)育花崗巖風(fēng)化殼和風(fēng)化殼-裂縫油氣藏,上部則發(fā)育生物礁油氣藏[24]。早期認(rèn)為湄公河盆地有花崗巖風(fēng)化殼、沖刷沉積和裂縫油氣藏同時(shí)存在的地質(zhì)條件,勘探證明以裂縫油氣藏為主[41]。
1)沉積盆地基底和侵入盆地沉積蓋層的花崗巖往往分布在盆地?cái)嗔褞Щ蚵∑饚В憩F(xiàn)為穹窿或背斜。
2)侵入古生代和中生代殘留盆地的花崗巖熱影響較大,花崗巖體是盆地地溫場(chǎng)整體上升背景下的異常高點(diǎn),以烘烤作用和熱水循環(huán)的方式影響沉積蓋層的熱狀態(tài)。
3)花崗巖在盆地基底具有隆起、抗風(fēng)化性強(qiáng)、裂隙系統(tǒng)發(fā)育等性質(zhì),使與基巖油氣藏關(guān)系密切,與花崗巖相關(guān)的油氣藏類(lèi)型主要有花崗巖風(fēng)化殼、花崗巖沖刷沉積油氣藏、花崗巖基底裂縫油氣藏、花崗巖基底隆起披覆油氣藏。
4)大量基巖油氣藏往往介于2種基本類(lèi)型之間,形成花崗巖風(fēng)化殼-裂縫型油氣藏、花崗巖風(fēng)化殼-沖刷沉積油氣藏等類(lèi)型,在同一盆地不同的區(qū)域因不同的地質(zhì)條件會(huì)同時(shí)存在幾種不同類(lèi)型的油氣藏。
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