川東北地區(qū)中、新生代熱歷史演化特征及其對油氣成藏的影響

川東北地區(qū)中、新生代熱歷史演化特征及其對油氣成藏的影響

盆地熱歷史研究在油氣勘探和油氣勘探實踐中發(fā)揮著重要作用。這也是當前地質(zhì)研究的前沿和盆地動力學研究的重要組成部分。利用礦物裂變徑跡來分析恢復盆地熱歷史是近年來新興的研究領域之一,并得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應用。裂變徑跡長度分布是地質(zhì)熱史過程中最直接的記錄,裂變徑跡數(shù)值模擬能夠很好地反演盆地的地溫演化歷史。隨著川東北地區(qū)普光氣田的發(fā)現(xiàn),該區(qū)現(xiàn)今已成為油氣勘探的熱點地區(qū)。前人對該區(qū)的熱歷史做過部分的研究工作,如韓永輝(1993)發(fā)表過兩個熱流數(shù)據(jù)、王一剛等(1998)應用流體包裹體對四川盆地的古地溫梯度進行過研究、陳梅濤等(2005)和盧慶治等(2005)對熱流演化史進行了探討,但是對于地溫隨時間演化歷史的研究則不多見。為此,筆者通過對裂變徑跡的分析來揭示川東北地區(qū)的地溫演化歷史,以期為該區(qū)構(gòu)造演化、油氣成藏的研究提供更豐富的證據(jù)。一、樣本分析與測試1.實驗數(shù)據(jù)和分析方法樣品主要分布于達州市—宣漢縣和開縣等地區(qū),其中5個樣品采自地表侏羅系砂巖,1個樣品采自M1井巖心侏羅系砂巖(圖1)。地表樣品海拔高程數(shù)據(jù)根據(jù)GPS和地形圖等高線聯(lián)合獲得,M1井巖心樣品深度數(shù)據(jù)根據(jù)鉆井地質(zhì)分層數(shù)據(jù)獲得。樣品的分析測試在中國科學院高能物理研究所完成。實驗方法詳見袁萬明(2005)、沈傳波(2006)的文獻。年齡計算采用Zeta常數(shù)法,本次實驗獲得的磷灰石的Zeta常數(shù)為359.2±10.8。磷灰石裂變徑跡退火的封閉溫度范圍取60～125℃。2.裂變徑跡變化的年齡分布所測6個樣品的磷灰石裂變徑跡長度為11.4～12.3μm,標準差為1.5～2.3μm;裂變徑跡年齡為距今34.0～80.3Ma,標準差為4.7～7.1Ma(表1)。顯然,所測磷灰石裂變徑跡表觀年齡均遠小于樣品形成時的地層沉積年齡,徑跡長度小于原始徑跡長度(16.3±0.9μm),說明磷灰石顆粒形成后均遭受了熱事件的影響而退火。裂變徑跡分析中單顆粒年齡的χ2檢驗值,均遠大于5%,說明其單顆粒年齡是屬于同一組的,表1中年齡數(shù)據(jù)是可信的。測試中裂變徑跡長度分布直方圖總體具有雙峰特征,說明本區(qū)至少發(fā)生過兩期主要熱事件活動。對經(jīng)歷了多期熱事件影響的磷灰石顆粒而言,裂變徑跡測定年齡本身一般不具有實際的地質(zhì)意義,解釋也會產(chǎn)生不確定性,必須對裂變徑跡數(shù)據(jù)進行反演,通過模擬來認識時間—溫度演化的歷史。二、熱歷史模擬1.成巖構(gòu)造升降活動基于裂變徑跡的分析測試數(shù)據(jù),應用Ketcham等的退火模型和蒙特卡羅(MonteCarlo)逼近法以及AFTSolve模擬軟件,根據(jù)獲得的裂變徑跡參數(shù)和樣品所處的地質(zhì)背景確定反演模擬的初始條件,可以對樣品的時間—溫度熱歷史進行定量模擬。模擬方法詳見沈傳波(2006)。由于本區(qū)6個樣品中所經(jīng)歷的最后地質(zhì)熱歷史是相似的,因此對其中典型的樣品M1-1進行了熱史模擬,其他樣品的熱史模擬與此類似。模擬結(jié)果表明M1-1樣品在距今105Ma左右,即早白堊世末,地層埋藏達到最大埋深,早侏羅世地溫約126℃,之后發(fā)生構(gòu)造抬升并遭受剝蝕(圖2)。對模擬的樣品,筆者還采用Sweeney等(1990)的方法計算了相應的Ro值(EasyRo),樣品M1-1模擬計算的EasyRo>0.64%。凌躍蓉等(2005)測定的下侏羅統(tǒng)烴源巖Ro介于0.65%～1.49%之間,大多為1%左右,換算成古地溫大約為122℃,與模擬的數(shù)據(jù)基本吻合,驗證了模擬結(jié)果的正確性。從模擬的熱史圖上看,早白堊世末以來川東北地區(qū)的構(gòu)造抬升活動可劃分為3個階段(圖2):①距今105～80Ma快速抬升,地溫從126℃降至66℃;②距今80～12Ma的相對平靜階段,地溫66℃降至64℃;③距今12Ma以來的快速抬升,地溫從64℃降至地表溫度20℃。以最佳熱演化路線計算,地溫梯度據(jù)王一剛(1998)取25℃/km,則3個構(gòu)造活動階段的冷卻速率、抬升速率和抬升量分別為:①2.4℃/Ma、96m/Ma、2400m;②0.029℃/Ma、1.1m/Ma、74.8m;③3.6℃/Ma、144m/Ma、1728m。據(jù)此推算,M1-1樣品下侏羅統(tǒng)地層在早白堊世末的最大埋深為4202.8m?？紤]樣品M1-1現(xiàn)今的埋深以及鉆井補心高642.5m,則可以計算出M1-1樣品上覆地層總剝蝕量為2240.3m,與盧慶治等(2005)通過熱流史反演獲得的平均剝蝕量2100m相差不大。這也從另一個方面驗證了本次模擬結(jié)果的可靠性。據(jù)此也可認為,川東北地區(qū)中生界上部地層平均總剝蝕厚度為2100～2240m。2.川東北構(gòu)造變形的年代學約束關(guān)于川東北地區(qū)的構(gòu)造變形及演化,前人做過許多的研究。但是由于不整合出露非常局限,對于變形的時間目前還存在爭論。主要有兩種觀點:①川東變形主要形成于J3—K2間,與江南—雪峰山的沖斷作用有關(guān);②川東高陡構(gòu)造主要形成于新生代,與青藏高原隆升引發(fā)的新構(gòu)造運動有關(guān)。兩種觀點都有其合理的證據(jù),但都缺乏年代學方面的約束。熱歷史是盆地構(gòu)造演化過程的客觀反映,考慮到川東北地區(qū)巖漿活動微弱,因此本區(qū)熱演化曲線上地溫的突變應主要與構(gòu)造活動有關(guān)?；诖?結(jié)合前面的分析可知,川東北地區(qū)構(gòu)造活動有兩個強烈的時期:距今105～80Ma和距今12Ma,即川東北地區(qū)的構(gòu)造變形主要發(fā)生在距今105～80Ma和距今12Ma,從而為川東北地區(qū)的構(gòu)造變形提供了年代學方面的約束。距今105～80Ma江南—雪峰山的隆起造山活動引發(fā)的由南東向北西的沖斷作用影響到本區(qū),導致了川東地區(qū)開始隆升,高陡構(gòu)造開始形成,其褶皺應屬于斷層相關(guān)褶皺類型;距今12Ma受青藏高原隆升引發(fā)的新構(gòu)造運動的影響,川東北構(gòu)造帶進一步隆升并最終定型。3.氣烴成熟時間根據(jù)王一剛等的研究以及筆者對普光氣田的解剖,研究區(qū)飛仙關(guān)組和長興組的天然氣同源,均以上二疊統(tǒng)為主力烴源巖。王一剛的研究表明上二疊統(tǒng)烴源巖在距今198Ma進入液態(tài)窗,距今156Ma進入氣態(tài)窗,距今103Ma為氣烴成熟關(guān)鍵時刻。而筆者的研究則表明:距今105～80Ma川東北地區(qū)高陡構(gòu)造帶開始形成,構(gòu)造的發(fā)育與氣烴生成的高峰期具有良好的匹配關(guān)系,有利于構(gòu)造—巖性復合氣藏的形成,同時也實現(xiàn)“油氣轉(zhuǎn)化”,并在儲層中殘留了瀝青;研究區(qū)鐵山坡、渡口河、羅家寨和普光構(gòu)造—巖性復合大氣藏可能就是主要在這一時期(距今105～80Ma)形成的;喜山晚期(距今12Ma)新構(gòu)造運動對前期的構(gòu)造圈閉進行強化和改造,使得區(qū)內(nèi)局部構(gòu)造圈閉全部形成并最終定型為現(xiàn)今的構(gòu)造格局,由于整體封閉環(huán)境未被破壞,構(gòu)造—巖性復合大氣藏局部發(fā)生調(diào)整改造,晚期成藏并最終定位。這一認識為川東北地區(qū)海相油氣成藏的研究提供了重要的證據(jù)。三、快速升降階段(1)裂變徑跡分析表明川東地區(qū)的構(gòu)造抬升活動可劃分為3個階段:距今105～80Ma的快速抬升階段、距今80～12Ma的相對平靜階段、距今12Ma以來的快速抬升階段。根據(jù)最佳熱演化路線計算總平均剝蝕量約2240m。(2)川東北地區(qū)在早白堊世