松遼盆地西斜坡油砂成藏規(guī)律與找礦預(yù)測

劉軼松，郝國麗，李鋒，仝立華 ，康海平，劉天恒

1.中化地質(zhì)礦山總局 吉林地質(zhì)勘查院,長春 130022； 2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 長春 130061； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心, 北京 100029

0 引言

油砂是石油天然氣重要的替代能源[1--2]。近年來，松遼盆地西斜坡地區(qū)進行過多次油砂地質(zhì)調(diào)查及試采研發(fā)工作，已發(fā)現(xiàn)多個油砂礦床(點)，其中圖牧吉油砂礦已經(jīng)進行了露天開采[3--4]，西北溝油砂礦也達到了詳查階段并進行了蒸汽吞吐原位試采及微生物降黏先導(dǎo)性試驗。但油砂礦的開采無論是露采或原位開采[5]，相對于石油及稠油開采，其要求的礦石質(zhì)量和開采條件都非常高，這就要求不斷尋找更好品質(zhì)的油砂礦。西斜坡地區(qū)不斷發(fā)現(xiàn)的油砂礦藏為對該地區(qū)進行系統(tǒng)化的成藏規(guī)律研究提供了大量詳實的資料，為總結(jié)該地區(qū)油砂成礦模式打下了基礎(chǔ)。

筆者在分析大量油砂礦相關(guān)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合近年實際勘查工作，對西斜坡地區(qū)各油砂礦床(點)的地質(zhì)特征、沉積成因、控礦因素以及找礦標(biāo)志等進行分析。通過研究油砂形成及時空分布特征，提出西斜坡油砂“2類4式”的油砂成藏模式，并通過遠(yuǎn)景預(yù)測在西斜坡中南部地區(qū)給出4個有利目標(biāo)區(qū)，對今后在松遼盆地西斜坡地區(qū)尋找新的油砂礦藏具有指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 松遼盆地的演化過程

松遼盆地的演化經(jīng)歷了4個階段：①熱隆張裂：三疊紀(jì)—晚侏羅世(T--J3)莫霍面的拱起，發(fā)生熱穹隆作用，引起張裂構(gòu)造[6]；②裂陷階段：早白堊世早期—晚期(K1--K2)，盆地從開始的快速裂陷沉降，到后期由于太平洋板塊向西擠壓活動，而呈現(xiàn)出封閉；③坳陷階段：隨著盆底整體下沉，使裂陷向坳陷轉(zhuǎn)化，進入盆地發(fā)展的全盛時期。后期的青山口期至嫩江期，形成松遼盆地中部含油氣組合；④萎縮褶皺階段：晚白堊世四方臺期至新近紀(jì)末期(K2--Q)，松遼盆地深部地殼的調(diào)整漸趨平衡，至新近紀(jì)末期松遼盆地演化結(jié)束，形成與現(xiàn)代構(gòu)造面貌相似的景觀。

1.2 西部斜坡區(qū)地質(zhì)概況

松遼盆地自晚侏羅世以來的構(gòu)造演化結(jié)果形成了“下斷(陷)上拗(陷)”的“雙層”結(jié)構(gòu)。依據(jù)中淺層構(gòu)造地質(zhì)特征，按坳陷、隆起、傾沒及斜坡等特征劃分為6個一級構(gòu)造單元(圖1)。其中西斜坡地區(qū)是油砂的主要賦存地區(qū)[7]。主要地層為上白堊統(tǒng)的青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組及第四系等。區(qū)域構(gòu)造特征簡單，總體上地層?xùn)|傾，地層厚度向西減薄或尖滅，局部地區(qū)的微幅隆起形成地層巖性圈閉有益于油砂富集。已發(fā)現(xiàn)的主要油砂礦床(點)均賦存于該區(qū)的嫩江組一段和姚家組二三段地層中，與油田劃分的薩爾圖油層相對應(yīng)。

圖1 松遼盆地構(gòu)造單元劃分示意圖Fig.1 Structural unit division of Songliao Basin

2 油砂礦床(點)地質(zhì)特征

目前，松遼盆地先后已發(fā)現(xiàn)的油砂礦有圖牧吉、西北溝、小太平山[8]、大崗和長春嶺等油砂礦床(點)。多數(shù)分布在松遼盆地西斜坡的吉林省境內(nèi)(圖2)。

圖2 松遼盆地西斜坡油砂礦床(點)位置圖Fig.2 Location map of oil sands deposits (points) in western slope of Songliao Basin

各礦床(點)均為晚白堊世生物化學(xué)沉積型礦床，礦石為碎屑型結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。礦石自然類型為砂巖型，工業(yè)類型為油砂型。各礦床(點)主要地質(zhì)特征對比見表1。

表1 各礦床(點)主要地質(zhì)特征對比

通過各油砂礦床(點)的地質(zhì)特征對比，目前松遼盆地已發(fā)現(xiàn)的油砂礦的相似特征有：油砂礦多分布在西斜坡地區(qū)油砂成礦帶上，蓋層均為嫩江組，油砂巖性均為粉細(xì)砂巖，頂?shù)装寮皧A層為泥巖，礦層層數(shù)較多。但各礦床(點)也有許多不同之處，如賦礦層位雖多以姚家組二三段為主[9]，但也有以嫩江組一段為主的圖牧吉油砂礦和以泉頭組為賦礦層位的長春嶺油砂礦(伴生)；控礦類型有單純以地層巖性控制的，也有地層巖性加構(gòu)造控制的；構(gòu)造作用也有不同，有的起導(dǎo)礦作用，如圖牧吉油砂礦，有的起封堵作用為主的，如小太平山油砂礦；含油率和規(guī)模也有差異，圖牧吉和西北溝油砂礦含油率較高、礦層厚，向東有降低、減薄及埋藏變深的趨勢。

3 油砂成礦規(guī)律與成藏模式

3.1 油砂的成因

西斜坡油砂礦的形成與松遼盆地的發(fā)展演化密切相關(guān)。盆地在經(jīng)歷了中生代三疊紀(jì)到白堊紀(jì)早期的熱隆張裂和裂陷階段后，由于區(qū)域重力的均衡調(diào)整及太平洋板塊向歐亞大陸板塊的俯沖作用，盆地后期沒有繼續(xù)拉伸形成新的洋盆，而是整體下沉形成了規(guī)模巨大的內(nèi)陸淡水湖泊。在白堊紀(jì)早、中期的坳陷階段，板塊碰撞的彈性反彈作用使湖底頻繁升降，湖水時深時淺，白堊紀(jì)時松遼盆地經(jīng)歷多次升降過程，不同時期的沉積環(huán)境形成了特殊的巖石組合[6，10]。

早白堊世青山口期湖寬水足，氣候溫暖潮濕，介形蟲和葉肢介等生物大量繁殖,隨著盆地沉降接受泥質(zhì)碎屑沉積，形成烴源巖層。早白堊世姚家期西斜坡多處地區(qū)處于陸相三角洲前緣相沉積環(huán)境，形成了三角洲砂體[6，10]，為油砂的運移及賦存提供了條件。早白堊世明水組到古近紀(jì)時期,烴源巖開始成熟并大量生烴, 向沉積盆地邊緣淺處不斷運移和富集[6，10]，同時由于生物降解、水洗和游離氧的氧化，尤其是輕質(zhì)組分的蒸發(fā)等作用而迅速向重油演化[11]，在姚家期砂體中形成含油砂體，隨著盆地的逐漸萎縮，不斷沉降的沉積物加厚、壓力及溫度加大，逐漸固結(jié)成巖,形成現(xiàn)在的油砂[6，10](圖3)。

圖3 松遼盆地西斜坡油砂形成機理示意圖Fig.3 Formation mechanism of oil sands in western slope of Songliao Basin

3.2 油砂的控礦因素

油砂礦的形成過程是各種成藏要素的有效匹配：在油氣從分散到集中的轉(zhuǎn)化過程，能否有豐富的油氣聚集，形成儲量豐富的油砂礦且被保存下來，主要取決于生油層、儲集層、蓋層、運移途徑及方式等成藏要素的優(yōu)劣。因此，松遼盆地油砂的形成、分布與富集是多方面因素綜合作用的結(jié)果[10]。

(1)沉積相帶的控制

各油砂礦區(qū)主要沉積相帶為三角洲前緣亞相[9]，主力含油層位是以湖進為主要沉積背景的姚家組末期砂組。受物源供給及較弱的水動力條件制約，砂體規(guī)模小，粒度細(xì)，橫向變化大；分流河道間沉積復(fù)雜，砂體連通性、連片性較差。

(2)儲層封蓋條件的控制

礦區(qū)主要儲層為姚家組二三段及嫩江組一段的粉細(xì)砂巖，而嫩江組厚層泥巖作為區(qū)域性蓋層，保存完整，主要為半深湖的灰黑色、黑色泥巖層，含少量泥質(zhì)粉砂巖，粉砂質(zhì)泥巖，垂向上泥巖厚度分布最大，作為油砂層的區(qū)域蓋層，使油砂中原油得以封閉并保存。

(3)構(gòu)造控制

在整個西部斜坡區(qū)，構(gòu)造不發(fā)育，僅發(fā)育少量低幅度構(gòu)造，是油砂礦藏的主要圈閉類型之一。此外，局部斷層的發(fā)育特征也決定了對油砂礦藏的圈閉及規(guī)模，也是關(guān)鍵的影響因素之一。

(4)油氣運移特征

松遼盆地西斜坡的油砂油主要來源于齊家—古龍凹陷原油，向西運移過中原油降解程度逐漸加劇。西斜坡油氣運移輸導(dǎo)通道主要有3種基本類型：①有較好孔隙度及滲透率的砂體；②有滲透能力的斷裂或裂隙體系；③能進行流體運移的層間不整合面。初期深部運移主要以斷裂和不整合面為主，后期淺部運移以儲層物性好的砂體及局部斷層為主要通道。

3.3 油砂的找礦標(biāo)志

油砂礦的找礦標(biāo)志主要有4種：巖性巖相標(biāo)志、生物標(biāo)志、構(gòu)造標(biāo)志和烴類油氣地球化學(xué)標(biāo)志[10]。

巖性巖相標(biāo)志姚家組三角洲前緣相的灰綠色含油粉細(xì)砂巖為最直接的找礦標(biāo)志。

生物標(biāo)志灰色--灰綠色泥質(zhì)粉砂巖層位中常富含呈薄層狀的介形蟲、葉肢介化石層，是間接的找礦標(biāo)志。

構(gòu)造標(biāo)志油砂層具有厚層狀或水平層理、交錯層理，并且常夾有紋層狀或薄層狀粉砂質(zhì)泥巖或泥巖薄層，這一沉積構(gòu)造特征也是重要的找礦標(biāo)志。

烴類油氣地球化學(xué)標(biāo)志通過對土壤中吸附的烴類油氣的檢測，并對其進行地球化學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)烴類異常特征，尋找油氣藏賦存位置。

3.4 油砂的成藏模式

松遼盆地西斜坡油砂自20世紀(jì)50、60年代就有發(fā)現(xiàn)，圖牧吉和西北溝油砂礦規(guī)模較大，勘查程度也較高。近些年，松遼盆地西斜坡油砂勘查開發(fā)投入逐年提高，先后發(fā)現(xiàn)了小太平山、大崗油砂礦點及長春嶺伴生油砂礦等，隨著認(rèn)識的不斷提高，對其成藏規(guī)律的研究也在不斷深入。西斜坡油砂均來源于齊家—古龍坳陷，烴源巖來自盆地中部的青山口組。原油在運移過程中由于水、生物等降解、輕質(zhì)組分揮發(fā)等作用而形成現(xiàn)今的油砂礦。因此，各礦運移、存儲層位相近，均以嫩江組一段和姚家組二三段為主，空間分布范圍多在西斜坡西側(cè)超覆帶及附近[12]。

目前發(fā)現(xiàn)的各油砂礦床(點)的主要差別在賦存位置及受控因素上，根據(jù)與其有關(guān)的賦存地層巖性和構(gòu)造控制條件差別，可將松遼盆地油砂分為兩大類：一類為單一地層巖性控制，根據(jù)層位及深度不同，分為西北溝式(姚家組)和長春嶺式油砂礦(泉頭組)，另一類為地層巖性加構(gòu)造控制，根據(jù)層位巖性、斷層性質(zhì)及其作用分為圖牧吉式(嫩江組為主、正斷層導(dǎo)礦)和小太平山式油砂礦(姚家組、逆斷層封堵)。松遼盆地西斜坡油砂成藏模式整體上為簡單斜坡運移型(圖4)。

圖4 松遼盆地西斜坡油砂成礦模式圖Fig.4 Accumulation pattern of oil sands in western slope of Songliao Basin

4 西部斜坡區(qū)油砂找礦遠(yuǎn)景預(yù)測

4.1 找礦方向

西斜坡油砂成礦有其特殊性，主要表現(xiàn)為：①西斜坡的原油主要來自臨近的齊家—古龍凹陷，油氣沿砂體的優(yōu)勢路徑運移[13]，呈面狀或帶狀分布，其形狀、方向受地層砂體及構(gòu)造影響；②西斜坡構(gòu)造不發(fā)育，圈閉類型以地層、巖性和斷層圈閉為主，在超覆帶較發(fā)育。③西斜坡普遍受大氣水的淋濾作用，造成稠油、油砂分布普遍,但受控礦條件影響，只在局部富集成礦[14]。因此，西部斜坡區(qū)的找礦重點方向，應(yīng)在油氣運移末端的河道砂體與超覆帶交匯的地區(qū)，尋找地層巖性控礦或構(gòu)造控礦的油砂，尤其是二者均有的地區(qū)為最佳優(yōu)選區(qū)：在油氣運移路徑上尋找低幅度構(gòu)造背景下的油砂礦，即：以地層巖性控礦為主的西北溝式；在斷層附近尋找斷層遮擋的油砂礦，即：以構(gòu)造控礦為主的小太平山式及圖牧吉式。

4.2 遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測

(1)西斜坡有利遠(yuǎn)景區(qū)塊劃分：在整個松遼盆地西斜坡地區(qū)，根據(jù)油砂成礦規(guī)律，在超覆帶和河道砂體重疊地區(qū)劃分了4個有利成礦遠(yuǎn)景區(qū)塊(圖5)，范圍自北部富拉爾基到南部白城地區(qū)，各有利遠(yuǎn)景區(qū)長寬在30～40 km，面積均超過1 000 km2。目前，除中央坳陷區(qū)埋藏較深的長春嶺油砂礦外，已發(fā)現(xiàn)的油砂礦基本上都在這幾個區(qū)內(nèi)或周邊，其中主要分布在泰來至白城間。

圖5 成礦有利遠(yuǎn)景區(qū)示意圖Fig.5 Favorable prospect area for mineralization

(2)西斜坡重點目標(biāo)區(qū)的圈定：在有利遠(yuǎn)景區(qū)塊基礎(chǔ)上，在西斜坡中南部地區(qū)，經(jīng)綜合分析圈定出4個新的重點目標(biāo)區(qū)(圖6)：①泰來地區(qū)，位于黑龍江省泰來地區(qū)及周邊，呈長方形，面積1 200 km2。主要依據(jù)為目標(biāo)區(qū)位于松遼盆地西斜坡油砂成礦帶上；既在超覆帶上，區(qū)內(nèi)又有古河道(砂體)通過；地層有姚家組二三段粉細(xì)砂巖儲層及嫩江組厚層泥巖蓋層；東部有吉林和大慶油田，是油氣向西部運移的末端。②坦途地區(qū)，位于吉林省坦途鎮(zhèn)及以西地區(qū)，呈長方形，面積600 km2。主要依據(jù)為目標(biāo)區(qū)位于松遼盆地西斜坡油砂成礦帶上；既在超覆帶上，區(qū)內(nèi)又有古河道(砂體)通過；地層有姚家組二三段粉細(xì)砂巖儲層及嫩江組厚層泥巖蓋層；東部有吉林和大慶油田，是油氣向西部運移的末端。西部為圖牧吉油砂礦，其向東延伸，多個普查鉆孔發(fā)現(xiàn)有油砂礦存在，目標(biāo)區(qū)沒有進行驗證。③英華地區(qū)，位于吉林省英華鄉(xiāng)地區(qū)，北至東平鎮(zhèn)，南至鎮(zhèn)賚縣城，呈正方形，面積900 km2。主要依據(jù)為目標(biāo)區(qū)位于松遼盆地西斜坡油砂成礦帶上；既在超覆帶上，區(qū)內(nèi)又有古河道(砂體)通過；地層有姚家組二三段粉細(xì)砂巖儲層及嫩江組厚層泥巖蓋層；東部有吉林和大慶油田，是油氣向西部運移的途經(jīng)地。區(qū)內(nèi)有油氣顯示孔，是東部油氣向西運移的必經(jīng)之路，存在多處古基巖地貌低洼區(qū)。④白城地區(qū)，位于白城市及東部地區(qū)，呈正方形，面積800 km2。主要依據(jù)為目標(biāo)區(qū)位于松遼盆地西斜坡油砂成礦帶上；既在超覆帶上，區(qū)內(nèi)又有古河道(砂體)通過；地層有姚家組二三段粉細(xì)砂巖儲層及嫩江組厚層泥巖蓋層；東部有吉林和大慶油田，是油氣向西部運移的末端。有油氣顯示孔，存在多處古基巖地貌低洼區(qū)。

圖6 重點目標(biāo)區(qū)預(yù)測示意圖Fig.6 Key target area prediction

5 結(jié)論

(1)松遼盆地西斜坡油砂礦地質(zhì)特征相似，均賦存于粉細(xì)砂巖地層中，層狀產(chǎn)出，長寬分布數(shù)公里；具有埋深淺，局部含油率較高、多層的特點，屬晚白堊世生物化學(xué)沉積型礦床。

(2)油砂初始來源于齊家—古龍坳陷，向西運移稠化。受構(gòu)造阻擋或?qū)ㄓ绊懀稍诘貙泳植课⒙^(qū)富集形成油砂礦。

(3)根據(jù)賦存地層巖性和構(gòu)造控制條件的差別，將松遼盆地各油砂礦床(點)分成2類4式：一類為單一地層巖性控制的西北溝式和長春嶺式油砂礦，另一類為地層巖性加構(gòu)造控制的圖牧吉式和小太平山式油砂礦。

(4)松遼盆地西斜坡油砂分布在白城到富拉爾基一帶，主要遠(yuǎn)景區(qū)應(yīng)在超覆帶和河道砂體交匯部位。