济阳坳陷地温演化及其对构造沉降的响应

济阳坳陷地温演化及其对构造沉降的响应

盆地的现状和热历史不仅是研究盆地内泉岩发育和泉岩气藏的重要物理参数，也是盆地构造发育的客观反映。济阳坳陷大量钻井温度测试结果表明,现今地温梯度是较高的,图1是本文根据所收集的钻孔测温数据和试油温度数据得到的温度随深度变化情况,得到的平均地温梯度为4.05℃/100m。渤海湾地区的热状况和热体制前人已进行了一些研究。杨绪充(1985)根据测温数据得到的区域地温梯度在3.0～5.5℃/100m之间,平均3.5℃/100m。渤海湾地区的大地热流值也是较高的。根据陈墨香等(1984)的研究,该区的热流值为50～92mW/m2,平均65mW/m2;Hu等(2000)得到的渤海湾盆地平均热流值为69mW/m2;王良书等(2002)根据76个大地热流值得到的平均值为65.8mW/m2。杨绪充(1988)利用镜质组反射率作为古温标,结合Waples(1980)的TTI方法估算了坳陷的古地温梯度;程本合等(2000)分析了济阳坳陷中沾化凹陷的古地温。本文在地温特征分析的基础上,利用磷灰石裂变径迹和镜质组反射率数据进行热历史恢复,结合坳陷的构造沉降分析,讨论了济阳坳陷的构造-热演化特征。1恢复热历史的基本原则和相关参数1.1升降剥蚀量的计算盆地内一定深度的古温度取决于当时的古热流和古埋深及与古埋深相关的岩石热物理性质。当决定岩石热物理性质的有关参数确定以后,则地层的古温度为其埋深与古热流的函数。在利用古温标进行古地温模拟计算时,古地温结果的可信度由地质温度计(Ro、磷灰石裂变径迹等)检验。对于正常连续沉积的盆地,地层的古埋深模拟只需回剥技术和压实校正即可。而对于在沉积过程中有过抬升剥蚀的盆地,则抬升剥蚀开始时的最大古埋深及其剥蚀量是地史模拟中的未知量。在热历史模拟中与古热流有关的参数是未知量,将这些有关的未知量作为控制变量,通过模拟地层埋藏史和热历史,计算该条件下古温标的理论值及该理论值与实测值之间的方差,应用最优化方法实现目标函数极小值的求取和埋藏史、热历史的反演及抬升剥蚀量的计算(周礼成,1995;Shi,2000)。在沉积盆地热历史恢复中,常用的方法是利用一些古温标,如镜质组反射率(Ro)、磷灰石裂变径迹(AFT)等,进行热历史重建。通过热历史重建可以获取盆地的古地温梯度和古热流值。磷灰石裂变径迹(长度和年龄)和镜质组反射率是目前最常用的两种古温标方法。本文正是利用这两种古温标进行热历史恢复的研究,其中裂变径迹模拟热历史采用扇形模型(Laslettetal.,1987;Greenetal.,1989),镜质组反射率模拟热历史采用EASY%Ro模型(Sweeneyetal.,1990)。1.2模拟参数热历史模拟计算中需要的参数包括古温标数据和基础地质数据。1.2.1物源区范围及年龄的确定本研究中采用镜质组反射率和磷灰石裂变径迹为古温标,其中的镜质组反射率数据由胜利油田测试的数据库中得到。研究中,尽量选择那些有系统镜质组反射率测试数据的井,以避免由于模拟时数据较少而造成的误差。图2是本文模拟计算所用到的镜质组反射率数据随深度的变化。沾化凹陷的镜质组反射率由于其样品的埋藏深度要大于东营凹陷,因此,其总体的值均比较高。磷灰石裂变径迹样品全部为砂岩,层位从馆陶组到孔店组。样品测量的主要参数有自发裂变径迹密度、诱发裂变径迹密度、径迹年龄、径迹长度等(表1)。永554井样品由于取样深度太深(3260m),导致磷灰石已经基本退火,无法测量。表1中有些样品的裂变径迹年龄大于地层的年龄,这是由于磷灰石从物源区带来的径迹(作为颗粒中全部径迹的组成部分)参与径迹年龄、径迹长度分布贡献所致。模拟计算中必须确定裂变径迹模拟的起始时间(t0)以扣除这些物源区的径迹。沉积盆地中的磷灰石大多为陆源碎屑,沉积时或多或少地带有物源区形成的裂变径迹。因此,在模拟的径迹中必须加入物源区径迹的记录,即将t0外延到物源区的某个时间。盆地内的陆源碎屑岩颗粒可以来自多个物源区,但大多应以其中的一个物源区为主,其中的磷灰石颗粒亦可以经历多次“旋回”,但距今较近的“旋回”肯定对径迹参数的影响大。因此,我们仅考虑磷灰石从物源区被抬升剥蚀搬运到盆地内沉积埋藏直到现今这最后一个“旋回”,并设磷灰石从径迹完全退火线抬升穿出,从此开始有径迹记录。磷灰石在物源区从完全退火线穿出并有径迹保存的时间定为径迹模拟的起始时间t0。1.2.2地层底界年龄基础地质数据包括岩性参数、现今地热数据和地层分层数据。在本文的模拟计算中,岩性参数主要包括各岩性的热导率、生热率、密度、压实系数、初始孔隙度等。岩石热物性数据采用王良书等(2002)的数据,压实系数和初始孔隙度等数据则采用胜利油田各井区的实际数据。现今地温数据和地层分层采用钻孔实际测量值,各地层底界年龄数据取自中国石油地质志第六卷“胜利油田”(胜利油田石油地质志编写组,1987)。具体为:平原组(Q)2.0Ma,明化镇组(Nm)5.1Ma,馆陶组(Ng)24.6Ma,东营组(Ed)32.6Ma,沙一段(Es1)36Ma,沙二段(Es2)38Ma,沙三段(Es3)43Ma,沙四段(Es4)50.5Ma,孔一段(Ek1)52Ma,孔二段(Ek2)54.9Ma,孔三段(Ek3)65Ma。模拟过程中研究区地表气温设定为15℃,并设地史上的地表气温不变。2-热历史模型的结果2.1古地温梯度及成烃状态根据凹陷内钻井岩心样品的磷灰石裂变径迹分析数据(表1)和大量的镜质组反射率数据,结合沉积埋藏史恢复,对济阳坳陷中的东营凹陷、沾化凹陷的单井热历史进行了模拟计算。如前所述,埋藏史及其准确恢复是热历史模拟的基础和关键。在我们的模拟计算中,利用回剥技术和压实校正进行地层沉积埋藏史的恢复;在研究区,受东营组沉积末期构造运动的影响,东营组顶部普遍存在不整合。对于这种有剥蚀作用存在的情况,根据古温标模拟计算其剥蚀量,即在热历史模拟过程中,剥蚀量和古温度是同时模拟得到的。本文的研究区中,东营组的剥蚀厚度都不大,一般小于600m。利用现有的古温标方法可以准确恢复其剥蚀厚度。由此得到的埋藏史的准确性可以得到保证。图3中各井的古地温梯度除表1中所列井号是由裂变径迹数据模拟得到外,其余都是根据镜质组反射率古温标模拟得到的。根据东营凹陷20多口井的地温模拟结果显示,在孔店组—沙二段沉积期间地温梯度是较高的,最高可达5.5～6.0℃/100m,但在此期间地温梯度下降较快;东营组至馆陶组沉积时期地温梯度变化较小,约在3.5～4.5℃/100m之间;明化镇组沉积期间至第四纪地温梯度又普遍下降,至目前的3.3～4.2℃/100m左右(图3a)。沾化凹陷的古地温梯度在沙四段—沙二段沉积期间,由5.3～5.5℃/100m下降到4.0℃/100m左右;在沙二段期间地温梯度减小较快。东营组至明化镇组沉积末期,地温梯度逐渐减小。在新近纪末期,地温梯度已降低至现今状况,第四纪以来地温状况基本不变,为3.5℃/100m左右(图3b)。由上述模拟结果可以看出,济阳坳陷的古地温梯度在孔店组至沙河街组沉积时期是较高的,东营组沉积以来地温梯度缓慢降低,到新近纪末期地温已基本降至目前的状况。坳陷的地温梯度演化特征与渤海湾地区的辽河盆地相似(邱楠生等,1998)。独特的地温演化特征造成了目前坳陷烃源岩处于有利的成烃状态。图4是沾化凹陷渤深5井的沉积埋藏史及热历史、生烃史图。沙四段上部源岩在东营组沉积开始时才进入生油门限(Ro=0.5%),在东营构造运动前达到成熟中期(Ro=0.5%～0.7%),至今仍保留该状态。沙三段下部的源岩则在东营运动前沉积最深时才达到中期成熟阶段(Ro=0.7%),至今成熟度仍在该阶段。沙三段上部源岩则仍处在低成熟阶段。而东营凹陷沙三段下部的烃源岩在沙二段沉积时进入生油门限(Ro=0.5%),约在明化镇期后才进入生油高峰(Ro=1%);沙四段上部的烃源岩在沙三段中期也进入生油门限,在东营期的中后期进入生油高峰。主要烃源岩(沙三下段和沙四上段)的生烃历史表明目前仍在生烃(图5)。2.2盆地沉降特征盆地构造沉降史的研究可以获取盆地演化的地球动力学信息,是盆地构造-热演化研究的重要内容。一般而言,盆地的沉降由负载沉降和构造沉降两部分组成。构造沉降主要是由构造运动力作用引起,如水平拉张、挤压、地幔上隆、地幔拆沉等均可能导致盆地的沉降。而负载沉降主要是由沉积物本身及盆地水体的重量引起的。图6是济阳坳陷不同凹陷构造沉降的典型例子。坳陷自孔店组沉积以来的构造沉降特征表现为:济阳坳陷在孔店组至沙四段沉积期间(65～43Ma)为快速的构造沉降阶段,构造沉降量可达2000m;沙三段沉积(43Ma)以后总体处于大规模的热沉降阶段,在此阶段内的盆地构造运动,如发生在东营组末期(24Ma左右)的构造运动使得坳陷抬升。而东营凹陷在最近5Ma以来出现了类似前陆盆地的快速构造沉降。盆地的地热历史模拟结果和构造沉降所揭示的坳陷演化阶段具有很好的对应关系。3构造-沉积演化对盆地热的影响根据以上的研究,对济阳坳陷的构造-热演化取得如下初步的认识:(1)济阳坳陷的古地温梯度在孔店组至沙河街组沉积时期是较高的,东营组沉积以来地温梯度缓慢降低。坳陷在沙河街组沉积前曾经历较高的地温梯度(>5.0℃/100m)阶段,结合该时期坳陷的快速构造沉降特征,可以推测坳陷该时期经历了裂谷发展阶段。(2)济阳坳陷在孔店组至沙四段沉积期间(65～43Ma)为快速的构造沉降阶段,沙三段沉积(43Ma)以后总体处于大规模的热沉降阶段,盆地的地热历史模拟结果和构造沉降所揭示的坳陷演化阶段具有很好的对应关系。渤海湾盆地的构造演化对其热演化有决定性的作用(Caietal.,2000),特别是其岩石圈的多期拉张使得第三纪的裂谷盆地具有高的古热状况(Linetal.,2002)。东营凹陷不存在前陆盆地发展的区域构造背景,也无与快速沉降相伴随的高地热状态。对其在5Ma以来的快速构造沉降的解释,胡圣标等(1999)认为渤海湾盆地具有较高密度的地