渤海东部庙西地区隆凹结构的形成及与油气聚集的关系
2014-07-24田立新吴国强张金辉
田立新,吴国强,张金辉
(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452; 2.雪佛龙中国能源公司,北京 100004)
渤海东部庙西地区隆凹结构的形成及与油气聚集的关系
田立新1,吴国强2,张金辉1
(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452; 2.雪佛龙中国能源公司,北京 100004)
通过LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年测试,得出渤海东部庙西地区基底花岗岩形成于中—晚侏罗世(161 Ma左右)。通过三维地震资料解释和绘制该区新生界厚度图,揭示出庙西地区具有典型的断坳结构,主要经历了中生代末的基底形成期、新生代的断陷期和坳陷期3个阶段。构造演化对油气聚集产生了重要影响,主要表现在:中—晚侏罗世基底的形成奠定了后期构造演化的基本格局;断陷期形成了沙河街组和东营组烃源岩;坳陷阶段开始了油气的生成与排替。凸起和斜坡区深浅层形成了大量与断裂相关的断背斜、断鼻和断块圈闭;不同级别的断层对油气运移作用不同,一、二级主干断裂沟通源岩,将油气运移至有利圈闭,三级断裂则将油气封堵聚集成藏。
LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年;构造演化;郯庐断裂;油气成藏;庙西地区;渤海东部
庙西地区位于渤海海域东部,构造上位于渤海湾盆地的东缘,包括庙西北凸起、庙西南凸起以及庙西凹陷3个次级单元;其北临渤东凹陷,西北为渤中凹陷,西部与渤南低凸起、黄河口凹陷、莱北低凸起和莱州湾凹陷相邻,总面积达2 200 km2(图1)。该区勘探时间短、程度浅,截至2012年6月,共钻井10余口,发现油田和含油气构造7个。2012年3月,位于庙西北凸起上的PL9含油气构造在潜山和新近系层位均取得成功,深浅层均表现出巨大的勘探潜力。但目前为止,对于庙西地区基底形成年龄并不明确,基底和上部沉积盖层的形成演化以及与油气生成和运聚的关系认识不清。本文旨在对以上问题进行研究,以期能对下一步油气勘探提供指导。
图1 渤海海域庙西地区区域构造
1 区域地质背景
庙西地区总体为两凸三洼结构,凸起包括北部的庙西北凸起和南部的庙西南凸起,庙西凹陷则由北洼、南洼和东洼3个洼陷组成(图1)。庙西凹陷基底为前第三系,沉积地层主要为新生界,自下而上分别发育古近系孔店组、沙河街组和东营组,新近系馆陶组和明化镇组以及第四系平原组。庙西北凸起缺失沙河街组和东营组,庙西南凸起则缺失了沙河街组以及东营组三段[1]。
2 构造活动与沉积演化
2.1基底
2.1.1 基底年龄
前人对庙西地区新生代以前形成的地层研究较少[2],一般笼统地称为前第三系地层。因此,本文对该构造上钻遇的潜山花岗岩进行测验,确定其形成年龄,以探讨该地区潜山形成演化过程。
本次测试样品为庙西北凸起PL9A井新生界之下1 436~1 438 m段岩心,样品均为花岗岩,主要成分为斜长石、正长石,并含少量石英及黑云母。
前人对于锆石定年做过大量研究[3-10],本次锆石阴极发光(CL)图像分析由北京锆年领航科技有限公司完成,LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质科学院矿产资源研究所MC-ICP-MS实验室完成,锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为25 μm,频率为10 Hz,能量密度约为2.5 J/cm2,以He为载气。实验测试过程见文献[11]。数据处理采用ICPMSDataCal程序,锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。
本次测试中,CL图像中锆石内部多表现出明显的岩浆震荡生长环带,或宽缓的岩浆生长环带,且测试的绝大多数样品Th/U值大于0.4(表1),因此认为测试样品为岩浆来源[12-13]。
表1 渤海海域庙西北凸起PL9A井区花岗岩锆石U-Th-Pb同位素测定结果
注:1σ表示标准偏差。
图2 渤海海域庙西北凸起PL9A井区花岗岩锆石U-Pb谐和图与206Pb/238U年龄
测试锆石多为浅黄色至无色、透明、长柱状自形晶体。选取晶形完整、自形程度较高、以及具有明显震荡环带的20颗锆石进行剥蚀测试,数据分析后剔除无效样品点后剩余11个有效样本(表1)。
测试结果表明:锆石206Pb/238U年龄为(157.9±2.4)~(163.3±3.6)Ma,加权平均年龄为(160.6±1.2) Ma(加权平均方差MSWD=0.59)。测试分析点均分布于谐和线上或附近,表明这些锆石几乎没有U或Pb的丢失和加入,样品可信度高(图2)。因此,庙西凸起上花岗岩的时代为161 Ma左右,属中—晚侏罗世。
2.1.2 基底形成
前人研究认为,庙西地区基底花岗岩形成年龄为2 047~2 483 Ma前,属于新太古代—早元古代五台期—吕梁期的产物[2]。而本次锆石测年认为,钻遇花岗岩样品的形成时间为161 Ma左右,为中生代中侏罗世晚期—晚侏罗世早期。结合前人对渤海湾盆地基底构造演化的研究[14],认为自太古宙开始,庙西地区开始发育结晶基底。晚三叠世—中侏罗世,受华北板块和扬子板块的碰撞作用影响,庙西地区产生火山活动,形成大量的岩浆岩。晚侏罗世—新生代期间,渤海海域内主要为NW-SE向拉伸应力场,处于裂陷盆地发育阶段,抬升作用并不强烈,庙西地区并未接受沉积。因此,庙西地区基底发育起始于太古宙—古元古代变质结晶基底发育阶段(>1 800 Ma),定型于晚三叠世—早、中侏罗世内陆盆地发育阶段(230~157 Ma)。
2.2断裂、结构特征
庙西地区先前基底形成的隆凹结构,对后期新生界沉积盖层的形成和展布有着重要影响。在先前形成的凹陷处,新生界地层沉积完整,古近系—第四系地层均有发育,而在隆起处则缺失了部分或全部古近系地层。
2.2.1 断裂特征
庙西地区为郯庐断裂在渤海海域的中段[13],主要发育4条主干断裂,依次为庙西1号、庙西2号、郯庐断裂东支以及庙东1号断裂(图1)。
(1) 庙西1号断裂。庙西1号断裂是庙西北凸起的边界断裂,控制了庙西凹陷北洼的形成与演化。平面上,断裂整体走向为NE-SW向,延伸约45 km。剖面上倾向为SE向,表现为上陡下缓的铲式正断层,浅层发育雁列状次级断层,深层则表现为单一大断裂。
(2) 庙西2号断裂。庙西2号断裂为庙西南凸起的南部边界断层,控制了庙西南洼的形成与演化。平面上,断裂整体表现为NEE走向,延伸长度约为39 km。剖面上倾向SE向,也表现为上陡下缓的铲式正断层,浅层次级断层并不发育。
(3)郯庐断裂东支。郯庐断裂在庙西地区共有东西两支,西支为庙西凹陷的西部边界,东支则切过了庙西凹陷。平面上,郯庐断裂呈NNE向,庙西地区延伸长度达123 km。剖面上表现为直立状或高角度倾斜,浅层发育次级伴生断裂。
(4)庙东1号断裂。庙东1号断裂为庙西南凸起东南部以及庙西凹陷东洼的边界断层,控制了庙西凹陷东洼的形成与演化。平面上走向为NNE向,延伸长度约为68 km。剖面上倾向NEE,与庙西1号、2号断裂类似,亦表现为铲状。浅层次级断层未有发育。
2.2.2 结构特征
庙西凹陷总体上由3个洼陷组成,分别是北洼、南洼和东洼,其中南洼又可细分为南部和北部两个次洼(图1)。不同的洼陷有着不同的结构特征和地层厚度,反应了各洼陷具有不同的活动演化历程。
庙西北洼形成演化受控于庙西1号断裂,平面上整体为北东向,剖面上呈明显北西断、南东超的箕状构造,为典型的断陷构造特征(图3a)。
庙西东洼形成演化受控于庙东1号断裂。平面上,庙西东洼表现为狭长的北北东向,剖面上形态与庙西北洼类似,但古近系地层充填与北洼不同(图3a)。东洼古近系沉积充填主体为孔店组—沙三段,东营组厚度薄;与之相比,北洼孔店组—沙三段沉积地层厚度较薄,但东营组沉积地层较厚。
庙西南洼可进一步细分为南北两个次洼。平面上,庙西南洼与庙西东洼整体平行,为北北东向。剖面上,北部次洼表现为堑状构造,洼陷西部被郯庐断裂改造,且表现出明显的花状构造(图3b);南次洼整体为箕状构造,古近系地层充填与北次洼相比,孔店组—沙三段及东营组地层明显增厚,且表现为楔状构造(图3c)。
图3 渤海海域庙西地区地震剖面测线位置见图1。
2.3构造演化与沉积特征
断陷盆地的活动演化与主干断裂的活动史密切相关[15-19],庙西地区几条主干断裂的活动控制了整个庙西地区基底以上沉积地层的形成演化。利用钻井和地震资料绘制了庙西地区古近纪不同时期的地层厚度图(图4),结合主干断裂活动综合分析后认为,庙西地区活动演化可分为古近纪断陷期和新近纪坳陷期2个主要时期,其中古近纪断陷期又可细分为三幕。
2.3.1 古近纪断陷期
(1)早期。古新世—始新世早期,庙西地区开始了第一期的裂陷沉降,沉积了孔店组和沙四段地层,厚度可达1 000 m以上。这一时期地层沉积范围主要分布在庙西南部地区,形成了庙西南洼。随后,地层整体抬升,形成了整个渤海海域广泛分布的区域性不整合面。
(2)中期。始新世中晚期,庙西地区开始了第二期裂陷沉降,在庙西凹陷的3个次洼内广泛沉积了沙三段地层。此时,庙西南洼南部地区沉积厚度仍然最大,沉积厚度近500 m;但庙西北洼、庙西东洼也开始沉积了近400 m厚的地层。
(3)晚期。渐新世早期,郯庐断裂开始右旋活动,庙西地区也开始沉积了沙二段和沙一段地层。至东营组地层沉积时,整个渤海湾盆地的沉积中心已移至渤中坳陷,研究区的沉积中心也向北移至庙西北洼。因此,庙西北洼沉积了厚层的东营组地层,厚度达1 500 m以上。
2.3.2 新近纪坳陷期
新近纪时,整个渤海盆地主要表现为在前期裂陷基础上的热冷却沉降,进入坳陷发育阶段。庙西地区也在全区沉积了明化镇组—第四系地层,沉积地层不仅厚度大(1 000 m以上),且展布比较均匀。
总的来说,庙西地区构造演化可以分为3个阶段,即基底形成期、断陷期以及坳陷期。其中,基底形成的隆凹结构为后期地层的沉积奠定了分布格局,断陷期是该地区主要地层充填阶段,坳陷期则为填平补齐阶段。
3 构造演化与油气聚集
3.1构造演化对烃源岩的影响
庙西凹陷发育了2套主力烃源岩:古近系沙河街组三段和东营组三段。其中,沙三段主要分布在庙西南洼及庙西北洼,东营组烃源岩主要分布在庙西北洼。庙西东洼烃源岩并不发育。沙四段烃源岩丰度低,东营组以上地层至今均未成熟,均难以作为有效烃源岩。
PL14-3-1井钻遇的东三段烃源岩的地球化学特征如下:w(TOC)=2.31%,(S1+S2)=11.85 mg/g,氯仿沥青“A” 为0.571 8%,总烃HC为 4 337×10-6;有机质类型主要为Ⅱ型,部分为Ⅰ型;有机质来源为水生生物,藻类体丰富;Tmax为435~445 ℃,Ro略大于0.5%。
PL25-6-1井钻遇的沙三段烃源岩的地球化学特征如下:w(TOC)>3%,(S1+S2)=20 mg/g,氢指数为550 mg/g;有机质类型主要为Ⅱ型,部分为Ⅰ型;Tmax=440 ℃,Ro值约为1.0%。
有机地球化学资料表明,PL14A构造原油为邻近地区东营组烃源岩提供;PL9A油田原油为沙河街组和东营组混源提供;PL25C油田和PL19B油田原油来自于庙西凹陷北洼和南洼沙三段烃源岩。由此可见,庙西地区沙河街组和东营组烃源岩均已成熟,并已向周围有利构造供烃。本区并未做烃源岩的热演化分析,但对比邻区认为,其主要成熟排烃期为新近纪[20]。
庙西地区构造演化对于烃源岩的影响主要表现为:基底形成了整个庙西地区隆凹结构的原型,为后期地层的沉积奠定了基础;沉积盖层断陷阶段,庙西地区沉积发育了两套主力烃源岩;随着坳陷阶段的进行,两套烃源岩开始成熟排烃至已形成的有利圈闭。
3.2构造演化对圈闭的影响
前人研究表明,断裂发育地区易形成多种类型的断裂相关圈闭[21-23]。庙西地区断裂广泛发育,形成的圈闭也多与断裂有关,圈闭的分布在纵向上和平面上表现出明显的规律性。纵向上,浅层多断鼻、断块圈闭,深层多发育断背斜、断鼻圈闭。平面上,不同的构造区域发育的主要圈闭类型不同:凸起上主要发育深层潜山圈闭以及浅层的披覆背斜,浅层披覆背斜后期继续被断层错断成断背斜和断鼻圈闭;在斜坡部位,深浅层主要发育断鼻和断块圈闭,在长期活动断层的作用下,深层也可形成滚动背斜圈闭(图5)。
渤海海域内圈闭的形成与几次重要的构造运动相对应。中生代末期的华北运动在整个渤海海域的新生界底部均形成了角度不整合面,使凸起处遭受剥蚀,发育了大量溶蚀孔隙和裂缝,形成了潜山圈闭,后期沉积的地层在凸起上形成披覆构造。始新世末的济阳运动在沙河街组三段顶面形成了海域内广泛分布的区域不整合面,并使得先前沉积的沙河街组地层反转,形成了有利的背斜和断鼻圈闭。渐新世末期的东营运动在东营组顶面形成了裂后区域不整合面,此次运动伴随着郯庐断裂强烈的右旋走滑。在走滑活动影响区内,不仅东营组形成了断块、断背斜等有利圈闭,并且还将先前形成的背斜也切割成断背斜。新近纪以来,渤海海域全区普遍产生了新构造运动[24-26],最显著的是在中更新世末、上更新世末这两个时期,使得浅层馆陶组和明化镇组广泛发育了断块、断鼻圈闭。
图5 渤海海域庙西地区圈闭分布
3.3构造演化对油气运移的影响
断裂对于油气运移有着重要影响[27-28],渤海海域目前所发现的含油气构造中,大多数以断裂作为主要的油气运移通道,庙西地区的油气运移也几乎全部以断裂作为通道。庙西地区在构造活动演化过程中形成不同级别、不同期次的各级断裂,对油气运移的作用各不相同。根据断裂活动时期以及断穿层位,可大致将庙西地区断裂分为3个级别。一级断裂断至凹陷基底,控制了凹陷的形成与演化,多为边界断裂。庙西地区共发育有5条一级断裂,分别为庙西1号、庙西2号、庙东1号、莱东断裂和郯庐断裂东支。这些一级断裂主要形成于中生代末期,后又继承性发育,沟通了源岩和储集层,使得深层生成的油气能够运聚到浅层有利的圈闭之中。二级断裂为断至古近系而未穿基底的断裂,控制了构造带的发育,大部分形成于古近纪末而后又继承性发育,主要为NS向与NE向。二级断裂多为一级断裂活动时诱导形成,并将通过一级断裂从深部运移而来的油气引至有利的构造带。因此,一级断裂和二级断裂是具有油源断层作用的主干断裂。三级断裂为只断至新近系地层而未穿古近系地层的断裂,通常是控制圈闭的发育,主要形成于新构造运动期,主要为近NE、NW走向。三级断裂将油气封堵在各个细小单元中,形成油气聚集的基本单元——油气藏(图6)。已有勘探实践表明,砂泥对接、断层与地层产状配置以及SGR值(地层泥岩厚度与断距的比值)等是影响油气封堵的最重要因素,但对于更为精准的断层封堵性评价仍需更为综合全面的研究。
图6 渤海海域庙西地区PL13A含油构造油气成藏模式
4 结论与认识
(1)庙西PL9A井基底花岗岩形成于中生代中侏罗世晚期—晚侏罗世早期(161 Ma左右),基底的形成为后期新生代沉积盖层的发育和分布奠定了基本的隆凹格局。
(2)庙西凹陷新生代各个次级洼陷表现出了典型的断洼结构,庙西地区活动演化经历了断陷期和坳陷期两个阶段。平面上,庙西地区沉积中心表现出由南至北迁徙的特征。
(3)庙西地区的构造演化控制了烃源岩的发育以及圈闭的形成和油气的运聚。庙西凹陷在断陷阶段发育了沙河街组三段和东营组两套有利的烃源岩,并在坳陷阶段开始成熟排烃;构造演化中的几次抬升隆起,使得庙西地区在凸起和斜坡区深浅层形成了大量与断裂相关的断背斜、断鼻和断块圈闭。同时,构造活动期间,一二级主干断裂开启,沟通了烃源岩与储层,将油气引导至有利的圈闭内聚集成藏,形成的次级断裂则起到了封堵油气的作用。
致谢:本文在写作过程中,得到中国石油大学(北京)吕修祥教授的悉心指导,在此深表谢意!
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(编辑徐文明)
FormationofupliftsandsagsinMiaoxiareaofeasternBohaiSeaandtheirrelationshipwithhydrocarbonaccumulation
Tian Lixin1, Wu Guoqiang2, Zhang Jinhui1
(1.TianjinBranchCompany,CNOOC,Tianjin300452,China; 2.ChevronChinaEnergyCompany,Beijing100004,China)
According to LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb dating, the granite base in the Miaoxi area of the eastern Bohai Sea deposited during the Middle and Late Jurassic (about 161 Ma). Based on 3d seismic data interpretation, the thickness map of Cenozoic strata was drawn, showing typical faulted depression in the study area. The Miaoxi area has experienced 3 evolutionary stages: the basement formation stage at the end of Mesozoic, the faulted stage and the depression stage during Cenozoic. Structural evolutions had significant impacts on hydrocarbon accumulations. The basement formation during the Middle and Late Jurassic established the basic foundation for the latter structural evolution. During the faulted stage, the source rocks of the Shahejie and Dongying Formations deposited. During the depression stage, hydrocarbon generation and expulsion occurred. A large number of fault-related traps including faulted-anticlines, fault noses and fault blocks were formed in deep and shallow layers of uplifts and slopes. Faults of different orders played different roles in hydrocarbon accumulation. Major faults of the first and second orders connected source rocks and reservoirs, making hydrocarbon migrate to favorable traps. Faults of the third order plugged hydrocarbon.
LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb dating; structural evolution; Tan-Lu fault; hydrocarbon accumulation; Miaoxi area; eastern Bohai Sea
1001-6112(2014)01-0056-08
10.11781/sysydz201401056
2012-10-09;
:2013-12-11。
田立新(1970—),男,博士,高级工程师,从事油气地质勘探研究。E-mail: tianlx@cnooc.com.cn。
中海石油(中国)有限公司天津分公司重大基础研究项目“渤海海域郯庐断裂带控油气作用研究”(S10TJMM016)资助。
TE121.2
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