桑托斯盆地鹽下裂谷系構(gòu)造特征及其對油氣成藏的控制作用*

李明剛 程 濤 蔡文杰 賈懷存 劉 瓊 李運振

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

桑托斯盆地位于巴西東南海域，是一個含鹽巖的富油氣盆地。2006年Lula億噸級特大油田發(fā)現(xiàn)[1]，之后該盆地鹽下湖相碳酸鹽巖領(lǐng)域就成為了全球油氣勘探的熱點地區(qū)，近10多年已累計發(fā)現(xiàn)原油2P可采儲量約311億桶，揭示了這一勘探領(lǐng)域巨大的勘探潛力。前人從區(qū)域地質(zhì)以及油氣地質(zhì)等不同角度對該盆地進行了大量研究[2-12]，但是由于盆地內(nèi)廣泛發(fā)育的厚層鹽巖對地震信號的屏蔽作用影響了鹽下地震成像質(zhì)量，從而制約了對該盆地鹽下裂谷系構(gòu)造特征的認識。前人多是用區(qū)域資料從宏觀上分析盆地的裂谷系構(gòu)造特征或從單一的油田區(qū)入手評價相關(guān)的斷裂構(gòu)造與油氣成藏關(guān)系，由于受制于資料品質(zhì)的限制，研究程度及系統(tǒng)性還有一定不足。本文主要依據(jù)寬頻采集的高質(zhì)量3D深度域地震數(shù)據(jù)及鉆井資料，系統(tǒng)梳理了鹽下裂谷系構(gòu)造特征，進而分析了構(gòu)造對油氣成藏的影響，提出下步勘探方向和建議。

1 盆地基本地質(zhì)特征

桑托斯盆地是一個典型的含鹽巖被動大陸邊緣盆地，在前寒武系結(jié)晶基底上沉積了白堊紀以來的地層(圖1)。該盆地的形成演化受控于岡瓦納大陸的裂解和大西洋的擴張，先后經(jīng)歷了裂谷、過渡和漂移(被動大陸邊緣期)3個演化階段，相應(yīng)沉積了裂谷期湖相沉積、過渡期鹽巖和漂移期海相沉積3套構(gòu)造層系。鹽下裂谷期湖相沉積自下而上依次發(fā)育Picarras組、Itapema組和Barra Velha組地層。其中Picarras組以湖相泥巖和砂礫巖為主；Itapema組發(fā)育生屑灘，巖性主要為貝殼灰?guī)r和泥灰?guī)r等；Barra Velha組發(fā)育生物礁，巖性主要為灌木狀疊層石、球?；?guī)r、泥礫灰?guī)r、紋層灰?guī)r和泥灰?guī)r等。過渡期盆地處于局限海環(huán)境，由于蒸發(fā)量超過降雨量，主要沉積了一套厚層鹽巖，由石鹽、硬石膏和白云巖等組成。鹽上漂移期海相沉積包括下部的淺海局限臺地相碳酸鹽巖沉積和上部的開闊海深水沉積，發(fā)育了巨厚的海相泥巖，局部夾深水扇濁積砂巖沉積。

圖1 桑托斯盆地綜合柱狀圖Fig .1 Comprehensive histogram of Santos basin

桑托斯盆地主要發(fā)育鹽上漂移期濁積砂巖和鹽下裂谷期碳酸鹽巖兩套勘探層系。其中鹽下裂谷期碳酸鹽巖層系是盆地的主要勘探目的層，以構(gòu)造型圈閉勘探為主，目前發(fā)現(xiàn)的油氣占到整個盆地的83%，具有優(yōu)越的成藏條件。鹽下裂谷期碳酸鹽巖勘探層系的烴源巖為裂谷期廣泛分布的優(yōu)質(zhì)湖相泥頁巖，I型干酪根，TOC平均約4.4%，目前總體處于成熟-高熟階段。該套烴源巖供烴能力強，統(tǒng)計表明已發(fā)現(xiàn)大油田絕大部分都能夠全充滿，且部分過充滿，盆地內(nèi)近90%石油儲量都來自該套湖相烴源巖。儲層為裂谷末期發(fā)育的湖相碳酸鹽巖，儲層物性好，孔隙度平均值為13%，最大可達30%，在遠岸隆起區(qū)廣泛發(fā)育，上覆厚層鹽巖蓋層，具有較好的儲蓋組合。裂谷系地壘-地塹系統(tǒng)發(fā)育，基底高的地壘分布區(qū)有利于各類構(gòu)造型圈閉的發(fā)育，同時也是油氣長期優(yōu)勢運聚區(qū)，且構(gòu)造圈閉形成期早于烴源巖生、排烴期，關(guān)鍵時刻配置關(guān)系好。因此，裂谷期優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的油氣可以沿著基底斷裂及碳酸鹽巖輸導(dǎo)層，垂向、側(cè)向運移到碳酸鹽巖構(gòu)造圈閉中聚集成藏。

2 盆地裂谷系構(gòu)造特征

2.1 斷裂特征

桑托斯盆地在裂谷期處于NW—SE向拉張應(yīng)力場，發(fā)育的斷裂系統(tǒng)在平面上整體與拉張應(yīng)力場近直交而表現(xiàn)為NE—SW走向，且近平行接替排列。同時局部斷裂也發(fā)育雁列組合，這與晚期漂移階段區(qū)域拉張應(yīng)力場發(fā)生改變有關(guān)。晚期漂移階段SWW—NEE向拉張應(yīng)力場與裂谷系斷裂斜交而使得部分再活動的斷裂發(fā)生伸展走滑變形[13]。重力異常資料顯示基底NW向存在明顯錯動跡象，推斷發(fā)育NW向隱伏基底斷裂(圖2)。剖面上，斷裂多表現(xiàn)為壘塹式、多米諾式、鏟式以及花狀等多種組合樣式。按照斷裂尺度級別，盆地內(nèi)裂谷系斷裂可以劃分為四級(圖2)。一級斷裂為控制盆地一級構(gòu)造單元(坳陷、隆起)的邊界基底大斷層；二級斷裂為控制盆地二級構(gòu)造單元(凹陷、凸起)的邊界大斷層；三級斷裂為二級構(gòu)造單元內(nèi)，能夠控制局部構(gòu)造及沉積的規(guī)模較大的斷裂；四級斷裂規(guī)模相對較小，對地層沉積控制作用有限，主要起到調(diào)節(jié)構(gòu)造變形作用。

圖2 研究區(qū)鹽下裂谷系斷裂展布Fig .2 Fracture distribution of pre-salt rift system in study area

2.2 構(gòu)造單元

不同級別的斷裂控制桑托斯裂谷盆地形成具有“隆坳相間”的構(gòu)造格局。自西向東可以依次劃分為西部坳陷帶、西部隆起帶、中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶等5個一級構(gòu)造單元[14]，不同坳陷帶內(nèi)存在大量的古高地，在隆起區(qū)也有明顯的古洼地。本次根據(jù)覆蓋范圍有限的高質(zhì)量3D深度域地震資料解釋與分析，進一步將中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶劃分為6個二級構(gòu)造單元，分別為西部凹陷、中央低凸起、中央凹陷、東部凸起、東部斷階和東部凹陷，各構(gòu)造單元以一、二級邊界斷裂為界，且不同構(gòu)造單元具有獨特的構(gòu)造特征(圖3、4)。

圖3 研究區(qū)鹽下裂谷系構(gòu)造單元分布Fig .3 Structural unit division of pre-salt rift system of study area

西部凹陷整體向陸抬升，具有北東走向窄條狀的半地塹或不對稱地塹結(jié)構(gòu)，裂谷地層厚度約1 800～3 000 m。中央低凸起表現(xiàn)為1～2排北東走向地壘構(gòu)造，裂谷地層厚度約1 200～1 800 m。中央凹陷是盆地的沉積沉降中心，最大裂谷地層厚度近4 000 m，具有被斷層復(fù)雜化的不對稱地塹結(jié)構(gòu)，東側(cè)受晚期走滑作用發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)抬升。東部凸起是一個被斷層復(fù)雜化的地壘構(gòu)造。東部斷階受向海傾斜的基底斷層控制，發(fā)育一系列多米諾半地塹構(gòu)造，裂谷系厚度普遍在500～1 500 m。東部凹陷是一個滾動半地塹系，向海傾斜的基底斷層控制地層沉積，斷層主要在裂谷晚期之后活動，推斷鹽下裂谷系厚度薄。

2.3 構(gòu)造演化規(guī)律

桑托斯盆地是一個在前寒武系結(jié)晶基底之上發(fā)育的含鹽巖沉積盆地。盆地沉積地層以鹽巖為界可以劃分為鹽下裂谷和鹽上被動大陸邊緣兩套構(gòu)造層系。其中盆地鹽下裂谷系構(gòu)造層伸展變形具有由西向東遷移的時序特征(圖4)。

圖4 桑托斯盆地鹽下裂谷系構(gòu)造演化(位置見圖3)Fig .4 Structural evolution of pre-salt rift system in Santos basin(see Fig.3 for location)

裂谷早期(圖4a)強烈斷陷中心在中央坳陷，地層厚度大，斷裂活動強烈；東部隆起這一時期的斷裂活動相對較弱，地層厚度薄，而東部坳陷幾乎無斷裂活動，伸展變形特征不明顯，有一定厚度的地層分布。裂谷晚期(圖4b)沉積沉降中心雖然仍在中央坳陷，但是伸展變形明顯向東遷移，這一時期東部隆起的斷裂活動強度與中央坳陷相當(dāng)，東部坳陷也開始發(fā)生伸展變形，有明顯的斷裂活動。鹽巖沉積期及后續(xù)的被動大陸邊緣階段(圖4c、d)中央坳陷構(gòu)造穩(wěn)定，斷裂活動微弱，僅少量斷層活動，處于熱沉降的拗陷變形期，這一時期盆地沉降中心轉(zhuǎn)移到東部坳陷，構(gòu)造活動強烈，發(fā)育一系列鏟式斷裂，斷距大，控制盆地強烈沉降，沉積了巨厚鹽巖。

2.4 構(gòu)造單元形成機制

桑托斯盆地裂谷層系整體受區(qū)域拉張應(yīng)力場控制，呈現(xiàn)NE—SW走向，局部構(gòu)造變形同時受先存基底構(gòu)造的制約，導(dǎo)致各構(gòu)造單元具有不同的形成機制(圖5)。中央凹陷沿著NE走向的先存基底弱化帶發(fā)生伸展破裂，同時在NW—SE向左旋走滑先存基底隱伏斷裂的限制下，表現(xiàn)為南、北2個洼陷。NE走向的先存基底弱化帶穿過南部洼陷中部[15]，該先存基底弱化帶在漂移期NEE—SWW向拉張應(yīng)力場作用下發(fā)生左旋走滑，導(dǎo)致其東部地體向北位移受Franco-Libra基底高塊體阻擋，而發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)。東部凸起在裂谷早期處于中央凹陷東側(cè)肩部，構(gòu)造位置高。裂谷晚期后，盆地裂離中心遷移到東部凹陷而使得該區(qū)開始發(fā)生強烈伸展沉降，導(dǎo)致其西側(cè)的東部凸起和東部斷階“瞬時失壓”而均衡上升，形成現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)。

圖5 桑托斯盆地主要構(gòu)造單元形成機制Fig .5 Formation mechanism of main structural units in Santos basin

3 盆地構(gòu)造對油氣成藏的控制作用

盆地的構(gòu)造變形能夠控制著可容空間的變化和沉積地層的分布，進而影響了盆地內(nèi)油氣地質(zhì)條件，決定了盆地內(nèi)油氣成藏規(guī)律和富集特征。

3.1 構(gòu)造演化控制了烴源巖的時空展布

桑托斯盆地鹽下裂谷系烴源巖為Picarras組、Itapema組湖相泥巖。這兩套烴源巖都在裂谷早期斷陷階段發(fā)育，這一時期構(gòu)造活動強烈，控制凹陷主體的斷裂垂向斷距普遍在1 500～2 500 m之間，最大可達4 000 m，盆地的沉降速率快、幅度大，湖深水廣，形成了具有還原環(huán)境的湖盆，有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成，鉆井揭示烴源巖I—II1型干酪根，TOC平均約4.4%，最大可達16%，S1+S2平均約37 mg/g，HI普遍在400～1 000 mg/g。平面上，斷陷階段烴源巖發(fā)育期，盆地發(fā)育多個NE向的凹陷和凸起，且凸起區(qū)也分布了大量的小型洼陷，這些不同尺度的洼陷從宏觀上控制烴源巖的分布。烴源巖主要在中央凹陷南北兩個洼陷分布，這兩個洼陷地層厚度普遍在2 500～3 500 m，最厚可達4 000 m，面積近4×104km2。地震上烴源巖段具有低頻連續(xù)強振幅反射特征，地震相追蹤表明烴源巖厚度多在200～500 m之間，面積近3×104km2，且目前油氣發(fā)現(xiàn)(超過300億桶的2P可采儲量)都分布在這兩個洼陷內(nèi)部或周邊，顯示了烴源巖強大生烴能力(圖6)。

圖6 研究區(qū)鹽下裂谷系生烴主洼分布Fig .6 Distribution of main hydrocarbon generating depressions in pre-salt rift system of study area

3.2 構(gòu)造格局約束了碳酸鹽巖儲層發(fā)育的有利場所

裂谷早期斷陷階段，盆地發(fā)育“高低起伏”的壘塹系統(tǒng)，無論凸起帶還是凹陷區(qū)都存在大量的基底高。從空間分布看，遠岸的基底高和物源之間發(fā)育“沉砂池”能夠阻擋碎屑物質(zhì)推進，使得遠岸基底高保持了清澈的水體，水深適中，光照適度，具備適宜生物棲息和發(fā)育的環(huán)境[16]。此外，鉆井揭示盆地內(nèi)的基底高都為火山噴發(fā)形成的地壘，巖漿巖活動不但能夠提高局部水體中氮、硫等元素含量，為微生物生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，且冷卻后的巖漿巖可作為礁體附著生長的堅硬基底。因此，遠岸火山型基底高是裂谷后期Itapema組和Barra Velha組生屑灘貝殼灰?guī)r和微生物礁疊層石灰?guī)r發(fā)育的有利場所。鉆井揭示桑托斯盆地遠岸凸起帶上湖相碳酸鹽巖儲層疊合連片，廣泛發(fā)育。東部凸起上發(fā)育疊層石灰?guī)r和貝殼灰?guī)r，儲層厚度普遍在300～500 m之間；中央凹陷低凸起區(qū)，同樣發(fā)育厚層疊層石灰?guī)r儲層，厚度可達300 m。Lula、Libra等鹽下大油田勘探實踐證實，遠岸基底高的迎浪緩坡是碳酸鹽巖儲層發(fā)育的“甜點”區(qū)，這一區(qū)域一般處于高能環(huán)境，發(fā)育的碳酸鹽巖厚度大、巖性純，而緩坡的頂部可能因生物生長形成的阻擋作用降低了水體能量，進而導(dǎo)致這一區(qū)域儲層發(fā)育程度降低。向緩坡的底部過渡，隨著水體能量的降低，碳酸鹽巖發(fā)育程度逐漸降低，巖性變細，最終進入深湖—半深湖的泥巖沉積(圖7)。此外，如果基底高的緩坡處于較為封閉的湖灣低能靜水環(huán)境，碳酸鹽巖儲層發(fā)育程度會明顯降低，鉆井也揭示了是薄層生物灰?guī)r儲層，主要為泥灰?guī)r與泥巖沉積。

圖7 桑托斯盆地碳酸鹽巖沉積模式Fig .7 Carbonate sedimentary model of Santos basin

3.3 斷裂活動為油氣成藏提供了圈閉和高效的運移通道

桑托斯盆地裂谷期處于NW—SE向區(qū)域拉張應(yīng)力場，在區(qū)域拉張應(yīng)力場作用下，盆地內(nèi)發(fā)育了NE—SW向伸展正斷層系統(tǒng)。伸展正斷層活動引起盆地差異伸展沉降，進而形成了大量的斷塊和斷背斜等構(gòu)造圈閉。同時由于盆地所在的南大西洋區(qū)域由南到北的“剪刀式”旋轉(zhuǎn)拉張裂離，導(dǎo)致盆地的拉張應(yīng)力場方向發(fā)生改變，使得先存基底斷裂和一些早期的正斷層發(fā)生走滑變形，引起局部區(qū)域發(fā)生反轉(zhuǎn)形成背斜圈閉。不同類型的構(gòu)造圈閉與基底斷裂伴生，且這些基底斷裂都斷至烴源巖層，是溝通了烴源巖與圈閉的油源斷裂。因此深層成熟烴源巖生成的油氣可以沿著基底斷裂垂向運移，在基底高的碳酸鹽巖構(gòu)造圈閉內(nèi)聚集成藏，且這些構(gòu)造圈閉上覆厚層的區(qū)域鹽巖蓋層，后期構(gòu)造活動弱，不易遭到破壞，保存條件好(圖8)。

圖8 桑托斯盆地鹽下裂谷系油氣成藏模式Fig .8 Hydrocarbon accumulation of pre-salt rift system in Santos basin

4 討論

桑托斯盆地鹽下裂谷系發(fā)育優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖，目前已有發(fā)現(xiàn)可采儲量達500億桶油當(dāng)量。從油氣分布特征看，“源控”的規(guī)律非常明顯，雖然在中央低凸起、中央凹陷、東部凸起以及東部斷階等不同構(gòu)造單元都有油氣發(fā)現(xiàn)，但是大部分油氣發(fā)現(xiàn)主要分布在主生烴洼陷內(nèi)部及其圍區(qū)(圖6)。不同構(gòu)造帶油氣藏解剖表明東部凸起和中央凹陷東部反轉(zhuǎn)帶成藏條件最好，已有大型發(fā)現(xiàn)多分布在這一區(qū)域，但是目前勘探程度已經(jīng)很高，剩余勘探潛力有限。中央坳陷帶低凸起區(qū)勘探潛力最大，這一區(qū)帶成藏條件好，靠近主生烴洼陷，烴源巖充足，且凸起區(qū)遠離物源，適宜生物灰?guī)r儲層發(fā)育，也有利于規(guī)模大、幅度高的構(gòu)造型圈閉發(fā)育，是油氣的優(yōu)勢運聚區(qū)，洼陷內(nèi)成熟烴源巖生成的油氣可以沿著斷裂運移，在高部位的碳酸鹽巖圈閉內(nèi)聚集成藏。此外，目前該區(qū)勘探程度低，還有多個未鉆目標(biāo)，是下一步油氣勘探潛力區(qū)。東部斷階遠離主生烴洼陷，存在供烴不足的風(fēng)險，勘探潛力有待進一步研究。

5 結(jié)論

1) 桑托斯盆地裂谷系發(fā)育NE—SW向伸展斷裂系統(tǒng)，局部斷裂發(fā)生伸展走滑變形，表現(xiàn)為雁行排列特征。斷裂分為四級，控制裂谷系構(gòu)造格局，可劃分一級構(gòu)造單元5個，其中中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶3個一級構(gòu)造單元又劃分為6個二級構(gòu)造單元。

2) 桑托斯盆地裂谷系伸展變形具有由西向東遷移的時序特征。裂谷早期中央凹陷是盆地沉降沉積中心；裂谷晚期全盆地斷裂活動相當(dāng)，無明顯的沉降沉積中心；鹽巖沉積期及后續(xù)的被動大陸邊緣階段，盆地沉降中心轉(zhuǎn)移到東部凹陷，該凹陷發(fā)育一系列鏟式斷裂控制盆地強烈沉降。

3) 桑托斯盆地裂谷系構(gòu)造格局受區(qū)域拉張應(yīng)力場和先存基底構(gòu)造共同控制。中央凹陷受先存隱伏基底斷裂的分割，表現(xiàn)為南、北2個洼陷，其東部塊體因基底弱化帶走滑作用而發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)。東部凹陷在裂谷晚期隨著裂陷中心的遷移而發(fā)育。東部凸起和斷階因兩側(cè)的凹陷強烈伸展沉降作用而均衡上升定型。

4) 桑托斯盆地裂谷系烴源巖在強烈斷陷階段形成的洼陷內(nèi)發(fā)育，主力烴源巖主要分布在中央凹陷。遠岸火山型基底迎浪開闊緩坡是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)。斷裂活動不但形成了高效的油源斷裂，也造就了大量斷塊、斷背斜等伸展型圈閉以及與斷層走滑作用相關(guān)的反轉(zhuǎn)背斜圈閉。中央坳陷帶內(nèi)低凸起是下一步油氣勘探的有利區(qū)。