岩浆侵入作用对不同成熟度烃源岩热演化的影响——以方正断陷和绥滨坳陷为例

冯 禄，曾花森，王洪伟

(1.北京大学 地球与空间科学学院，北京 100871；2.大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

岩浆侵入对烃源岩成熟度的影响已有大量的文献报道[1-5]，但对其影响范围不同学者大致给出了两种不同的研究结果。一种是影响范围较大，如美国德克萨斯州Delaware盆地岩浆侵入体对围岩成熟度的影响范围相当于侵入体厚度的2倍左右[1]；冀中葛渔城—文安地区苏401井辉绿岩侵入体对石炭—二叠系煤系烃源岩成熟度的影响范围大约是侵入体厚度的2～2.7倍[2]。另一种是影响范围较小，如大西洋东部深海钻探计划(DSDP)41-368钻孔，其基性岩侵入体对白垩系黑色页岩成熟度影响范围仅相当于侵入体厚度的 1～2/3[3]；澳大利亚Gunnedah盆地北部钻井辉绿岩侵入体对三叠系烃源岩成熟度的影响范围大约是侵入体厚度的1倍左右[4]；临盘油田夏38井辉绿岩侵入体对沙河街组三段烃源岩成熟度的影响范围与侵入体厚度大致相当[5]。为什么相同岩性的岩浆侵入体(如辉绿岩)对烃源岩热力烘烤范围不同，国内外学者尚未得出明确的认识。

岩浆侵入热烘烤作用提高了烃源岩的成熟度，促进了有机质的生烃演化进程[6-9]。深入研究岩浆侵入后烃源岩的成熟演化规律，客观地预测烃源岩的有效生烃范围，对于评价研究区的油气资源潜力具有重要的实践意义。本文以黑龙江省东部方正断陷古近系烃源岩和绥滨坳陷白垩系烃源岩为例，通过研究岩浆侵入后对不同成熟阶段的烃源岩的烘烤厚度及生烃的影响，揭示了相同岩性侵入体热作用影响烃源岩纵向成熟度范围的一般规律，指出烃源岩成熟背景或成岩阶段是导致侵入体烘烤范围(烘烤厚度/侵入体厚度)差异性的重要因素。

1 区域地质概况

黑龙江省东部发育众多沉积盆地，根据盆地地层与构造特征，可划分为以方正断陷为代表的继承型盆地和以绥滨坳陷为代表的残余型盆地两种类型(图1)。

方正断陷属依—舒地堑中的一个负向构造单元，面积约1 460 km2，最大沉积厚度超5 km。该断陷自下而上发育白垩系，古近系新安村—乌云组、达连河组、宝泉岭组，新近系富锦组和第四系，从古近纪至新近纪基本为连续沉积，呈现继承型盆地的发育特征。岩浆侵入的层位为宝泉岭组一段中部，岩性为辉绿岩。构造与沉积研究表明，宝泉岭组为走滑构造层，以辫状河三角洲和滨浅湖、湖相沉积为主，区域分布具有东厚西薄的特征。

图1 黑龙江省东部沉积盆地及取样井位分布Fig.1 Basins in eastern Heilongjiang proviance and well locations in the study area

绥滨坳陷面积为6 440 km2，最大沉积厚度可达6 km,自下而上主要发育中侏罗统绥滨组，上侏罗统东荣组，下白垩统城子河组、穆棱组和东山组，新近系富锦组和第四系。白垩纪至新近纪发生沉积间断和抬升剥蚀，呈现残余型盆地发育特征。岩浆侵入的层位为城子河组中下部。构造与沉积研究揭示，早白垩世发生海退，在城子河组和穆棱组沉积了一套以煤系地层为特征的砂、泥岩夹煤层沉积，沉积层具有西厚东薄的特点。早白垩世晚期东山组沉积期，火山活动强烈，推测岩浆侵入体与该期火山活动有关。

2 样品选取及实验分析

在侵入体的上下围岩内对烃源岩进行密集取样，其中方正断陷方20井在宝泉岭组一段(305～2 360.4 m)取烃源岩样品176份；绥滨坳陷滨2井在城子河组(1 083～2 344 m)取烃源岩样品88份。岩石样品经过去污染处理后，开展了岩石有机碳、岩石热解分析(Rock-Eval)和镜质组反射率(Ro)等测定。各项分析执行国内现行国标及石油行业标准。

3 岩浆侵入对烃源岩成熟作用的影响

3.1 方正断陷岩浆侵入的影响

3.1.1 方20井烃源岩地球化学特征

方20井宝泉岭组一段烃源岩以暗色泥岩为主，地球化学分析结果表明，泥岩有机碳含量介于0.74%～4.45%，平均为2.27%；生烃潜量介于0.23～7.05 mg/g，平均为3.12 mg/g；氢指数介于8.90～238.27 mg/g，平均为130.39 mg/g；有机质类型为Ⅱ—Ⅲ型。

3.1.2 侵入体对烃源岩成熟度及生烃演化的影响

方20井宝泉岭组一段岩石处于早成岩作用阶段(图2)，烃源岩成熟度区域背景值总体偏低，Ro一般小于0.6%，最高裂解峰温(Tmax)一般小于440 ℃，产烃指数(PI)一般小于0.1，随埋深增加各项参数虽然有逐渐增大的趋势，但烃源岩总体处于未熟—低熟阶段。在辉绿岩侵入体(井段：1 104～1 254 m，厚度150 m)上下临近的烃源岩中，成熟度具有明显增大的特征(图2)。侵入体上部烃源岩成熟度异常井段为1 104～952 m，厚度为152 m，Ro最大达2.5%，远离侵入体，Ro逐渐降低至背景值；Tmax和PI呈现先增大后降低的趋势，最大值分别为480 ℃和0.33，两项参数降低为背景值的深度与Ro接近背景值的深度一致。侵入体下部烃源岩成熟度异常井段为1 254～1 390 m，厚度为136 m，Ro最大值为2.5%，远离侵入体Ro也逐渐降低至背景值；Tmax与PI的变化趋势也是先增大后降低，最大值分别为456 ℃和0.34，两项参数降低为背景值的深度也与Ro接近背景值的深度对应。总体来看，该井岩浆侵入体对烃源岩成熟度的影响范围大约是侵入体厚度的1倍左右，其中上部影响范围略大于下部。由于岩浆侵入的热促进作用，临近侵入体的烃源岩从未熟—低熟进入成熟—高成熟演化阶段，为本地区油气层的形成提供了潜在的油气来源(图2)。

图2 方正断陷方20井宝泉岭组地球化学剖面Fig.2 Geochemical profile of well Fang-20 in Baoquanling Formation,Fangzheng Fault Depression

3.2 绥滨坳陷岩浆侵入的影响

3.2.1 滨2井烃源岩地球化学特征

滨2井城子河组以煤系地层为主，发育泥岩、碳质泥岩和煤层三类烃源岩。泥岩有机碳含量为0.29%～9.68%，平均为2.76%；生烃潜量为0.04～5.22 mg/g，平均为0.83 mg/g；氢指数为2.33～86.38 mg/g，平均为28.66 mg/g；有机质类型为Ⅲ型。碳质泥岩和煤层有机质丰度相对较高，有机碳含量分别为11.44%～36.41%和41.69%～78.32%，平均值分别为20.98%和51.84%；生烃潜量分别为0.13～16.65 mg/g和1.11～54.99 mg/g，平均值分别为4.12 mg/g和22.63 mg/g；氢指数分别为0.35～85.81 mg/g和0.81～86.96 mg/g，平均值分别为18.28 mg/g和40.07 mg/g；有机质类型为Ⅲ型。

3.2.2 侵入体对烃源岩成熟度及生烃演化的影响

滨2井城子河组岩石处于中成岩晚期—晚成岩阶段(图3)，烃源岩成熟度区域背景值总体较高，Ro一般大于1.0%，Tmax一般大于450 ℃，PI一般大于0.1，反映烃源岩处于成熟—高成熟阶段。与方20井类似，在辉绿岩侵入体(井段为1 900～2 000 m，厚度100 m)上下临近的烃源岩中，成熟度表现出明显增大的特征。侵入体上部烃源岩成熟度异常井段为1 900～1 720 m，厚度180 m，Ro最大值为3.8%，远离侵入体Ro逐渐降低至背景值；Tmax和PI呈现先增大后降低的趋势，最大值分别为540 ℃和0.40，两项参数降低为背景值的深度与Ro接近背景值的深度一致。侵入体下部烃源岩成熟度异常井段为2 000～2 180 m，厚度180 m，Ro最大值为4.0%，远离侵入体Ro逐渐降低至背景值；Tmax和PI也呈现先增大后降低的趋势，最大值分别为540 ℃和0.58，两项参数降低为背景值的深度与Ro接近背景值的深度一致。侵入体对烃源岩成熟度的影响范围大致是侵入体厚度的1.8倍，其中上部影响范围与下部基本一致(图3)。由于岩浆侵入热作用，临近侵入体的烃源岩从成熟进入到高—过成熟演化阶段，有利于煤层和煤系烃源岩生成天然气，这对该区煤型气的勘探具有重要意义。

图3 绥滨坳陷滨2井城子河组地球化学剖面Fig.3 Geochemical profile of well Bin-2 in Chengzihe Formation,Suibin Sag

4 岩浆侵入对烃源岩热作用结果讨论

4.1 侵入体规模、岩性和温度的影响

岩浆侵入热变质作用对围岩成熟度的影响程度及范围，目前国内外学者大多关注侵入体岩性、密度、温度和规模等因素的影响[10-17]，一般认为侵入体的初始温度越高，侵入体的厚度越大，热作用的范围就越广。对于侵入体的横向发育规模对成熟度的影响鲜有人讨论，其原因可能是由于较难掌握地下侵入体的横向发育规模。而侵入体横向发育规模往往与侵入体的厚度正相关，因此并不影响我们只从侵入体的厚度来考察其热烘烤效应。本次研究和前人的认识[1-5]均表明(表1)，相同岩性岩浆侵入体的热作用(基性岩或辉绿岩岩浆的初始温度大约为1 000～1 255 ℃)对不同烃源岩的热烘烤范围明显不同。滨2井侵入体规模小(厚度为100 m)，但纵向烘烤厚度较大(厚度180 m)；而方20井侵入体规模虽大(厚度150 m)，但纵向烘烤厚度较小(厚度为150 m)，表明侵入岩对围岩热蚀变的影响程度及范围除受侵入体自身的影响外，还受其他因素控制。王民等[10]研究认为，侵入体热蚀变的强度除了与侵入体的厚度、温度有关外，还可能与围岩中热传递有关。因此，考虑侵入体对烃源岩的热作用影响，需要综合考虑围岩的物理化学特征及其热传导特征。

4.2 围岩成岩阶段与岩石热导率、比热容的影响

岩石中热传导遵循能量守恒定律的热传导方程[10,12-13]，岩浆侵入后热量在围岩中的热传导距离与岩石热导率呈正相关关系，与岩石密度和岩石比热容呈负相关关系。结合围岩的成岩阶段或岩性特征，为揭示岩浆侵入热作用范围的差异性提供了新思路。

表1 不同沉积盆地岩浆侵入体特征与围岩成熟度数据Table 1 Igneous intrusion characters and corresponding ambient source rock maturity from different basins

图4 方正断陷方20井(a)和绥滨坳陷滨2井(b)埋藏史与热演化史Fig.4 Burial and thermal histories of well Fang-20 (a) in Fangzheng Fault Depression and well Bin-2 (b) in Suibin Sag

方20井埋藏史和热演化史恢复结果(图4a)表明，该井经历的古地温较低，有机质Ro区域背景值普遍小于0.6%，岩浆侵入时烃源层处于早成岩阶段(辉绿岩钾氩法同位素确定侵入时间为17.7 Ma)。早成岩阶段，岩石热导率一般较低[18]，造成热传导距离小。此时沉积岩孔隙度较高、含水量较大，由于水的比热容[(4 200 J/(kg·K)]远高于围岩比热容[18]，带走大量热能，导致侵入体热变质影响范围小。此外，早成岩阶段岩石可能处于一个相对开放或半开放的环境[5]，孔隙流体对流循环会将侵入体的热能传递到更远的部位，而减少了对围岩的热影响。相似的侵入背景(表1)可见于大西洋东部深海钻探计划的41-368钻孔[3]、澳大利亚Gunnedah盆地[4]以及临盘油田夏 38 井区[5]，这些地区侵入体对烃源岩成熟度的影响范围均为侵入体厚度的1倍左右。与之相比，滨2井埋藏史和热演化史恢复结果(图4b)表明，其经历的古地温较高，有机质Ro区域背景值普遍大于1.0%，岩浆侵入时(96～101 Ma)[19]围岩处于中成岩晚期—晚成岩早期阶段(烃源岩处于成熟—高成熟阶段)。该阶段岩石热导率较高[18]，侵入体热传导距离大；此时岩石孔隙度一般较小、含水量较少，岩石比热容相对较低，岩石升温需要热能小，造成侵入体热变质影响范围大。此外，成岩阶段岩石孔隙流体封闭性较强，围岩中的热传导受孔隙流体对流循环的影响小，有利于增大侵入体对围岩的热效应。相似的侵入背景可见于德克萨斯州Delaware盆地[1]以及冀中葛渔城—文安地区[2](表1)，这些地区侵入体对烃源岩成熟度的影响范围均为侵入体厚度的2倍左右。

5 结论

岩浆侵入热变质作用对围岩中有机质成熟度的影响程度及范围，不但受侵入体岩性、密度、温度和规模等因素的影响，还与围岩的性质或热传导有关。处于早成岩作用阶段(烃源岩为未熟—低熟)的沉积岩岩石热导率低、岩石比热容高，导致岩浆侵入体对烃源岩成熟度的影响范围较小，一般是侵入体厚度的1倍左右，Ro最高可达2.5%左右；处于中成岩晚期—晚成岩早期阶段(烃源岩为成熟—高成熟)的沉积岩岩石热导率较高、岩石比热容低，导致岩浆侵入体对烃源岩成熟度的影响范围较大，一般为侵入体厚度的2倍左右，Ro最高可达4.0%左右。

致谢：本文初稿完成后，得到吉林大学王璞珺教授和中国地质大学侯读杰教授的指导并提出宝贵的修改意见，在审稿过程中相关专家对本文的完善给予了许多宝贵的意见，在此致以衷心感谢！