柴达木盆地石炭系油气调查最新进展

李宗星， 彭博， 马寅生， 胡俊杰， 魏小洁, 马立成， 方欣欣， 杨元元, 刘奎

(1.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室，北京 100081; 2.中国地质科学院地质力学研究所页岩油气调查评价重点实验室，北京 100081;3.中国地质科学院地球深部探测中心,北京 100037)

0 引言

柴达木盆地是中国西部三大含油气盆地之一，目前油气主力产层为冷湖地区侏罗系[1-5]、柴西尕斯库勒地区古近系—新近系[6-10]和三湖地区第四系自生自储生物气[11-15]。深部海相地层研究始于20世纪90年代初，在“新盆地、新层系、新类型、新领域”勘探思路指导下，柴达木盆地石炭系逐渐受到重视，在构造[16-20]、沉积[21-22]、地层展布[23-24]、烃源岩[25-29]与储层[30-31]发育等研究方面取得重要进展。柴达木盆地石炭系等深部海相地层油气出露点调查、烃源岩评价[32]、区域热历史-生烃史模拟[33-34]及油气运聚分析显示，该区以石炭系为代表的深部海相地层具备生烃能力且存在油气运移过程，石炭系油气至少存在两期运聚过程[35]。柴达木盆地东北缘的原油证据进一步证明，新生界原油有来自石炭系烃源岩的贡献[36]，且沿大型断裂带与区域性不整合面运移和聚集[37-38]。总体来说，前期工作具有以下特点： (1)盆地演化史研究主要集中在柴西中生代—新生代主力烃源岩； (2)柴东石炭系烃源岩发育良好，油气地化指标好，但主力烃源岩的热演化、生、排等动态过程尚未开展研究； (3)前期柴东石炭系油气成藏过程仍停留在定性分析阶段，定量化表征与主控因素分析工作亟待开展。

根据石炭系区域调查、二维地震采集及钻探成果，开展了石炭系地层追踪及构造分析，同时开展了综合区域调查、平衡剖面反演，镜质体反射率、磷灰石裂变径迹与(U-Th)/He、锆石裂变径迹联合反演，获取了柴达木盆地主要构造运动期次与剥蚀量，结合盆地模拟技术，重建了石炭系埋藏史，分析了石炭系主力烃源岩油气地化指标，研究了烃源岩生烃演化史及其控制因素。研究成果一方面对分析柴达木盆地古地貌演化、盆地构造成因等具有重要意义，另一方面也为柴达木盆地海相油气勘探工作提供了科学依据，可直接服务于生产。

1 地质概况

柴达木盆地位于青藏高原北部，分别被祁连山、昆仑山和阿尔金山所限，是青藏高原北部大型新生代山间盆地(图1(a))。德令哈坳陷位于柴达木盆地东部，夹持于宗务隆山和埃姆尼克山之间(图1(b))。德令哈坳陷以二级断裂及局部构造圈闭发育特征为依据，划分出德令哈凹陷、欧龙布鲁克隆起、欧南凹陷、埃姆尼克隆起、霍布逊凹陷二级构造单元，呈现“三凹夹二隆”的构造格局，隆起、凹陷相间发育，沿NW—NWW向展布[39]。德令哈坳陷内元古宇、古生界和中生界均有发育，但未见二叠系、三叠系发育，侏罗系直接覆盖于石炭系之上，断层多为逆断层。坳陷内石炭系分布广泛，埋深较大，但未发生变质，泥岩主要发育于上石炭统克鲁克组与扎布萨尕秀组海陆过渡相煤系中，有机质丰度较高，有机质类型主要为Ⅱ2型和Ⅲ型，处于成熟—高成熟演化阶段。

图1 柴达木盆地德令哈坳陷构造位置图Fig.1 Structural location of Delingha depression in Qaidam Basin

2 调查重要进展

2.1 柴达木盆地海相石炭系油气重要发现

近年来针对石炭系露头及钻井的烃源岩地化分析表明，石炭系烃源岩具有有机质丰度高、中等成熟度、有机质类型好的特点，打破了“古生界为变质结晶基底，存在古老陆块”的传统认识。同时，“牛鼻子梁—达布逊古陆”的传统认识也受到挑战。柴页2井、青德地1井、尕丘1井、石浅1井、霍参1井及一批煤炭钻孔均钻遇了石炭系，个别钻井处于原古陆范围内。钻井标定的重磁电震综合解释显示，柴达木盆地中生界以下石炭系广泛发育，厚度超过1 000 m的石炭系分布面积达10万km2(图2(a))，发现并初步落实柴东构造圈闭23处。综合柴达木盆地石炭系各项油气地质条件，逐步证实石炭系为该区油气勘探的新层系，具备形成大型油气田的地质条件。以该认识为指导，对有利区欧南凹陷的柴页2井开展含气性验证(图2(b))，优选上石炭统克鲁克组致密含气层,实施了含气性测试(1 080～1 060 m，820～800 m)(图2(c))。首次在柴达木盆地石炭系获得油气流，压裂试气最高流量为55.52 m3/h，天然气流稳定产量为488.30 m3/d，8 mm油嘴放喷，点火火焰高度为2～2.5 m，产轻质油0.65 m3，证实了柴达木盆地古生界海相新层系广阔的油气资源前景。

图2 柴达木盆地石炭系残余厚度图(a)、柴页2井地理位置(b)及柴页2井石炭系测试层段柱状图(c)Fig.2 Carboniferous residual thickness in Qaidam Basin (a),location of well Chaiye 2 (b),histogram of Carboniferous test section of well Chaiye 2 (c)

2.2 柴达木盆地晚古生代以来主要构造演化期次

采用野外地质调查、磷灰石裂变径迹年龄分布特征定性分析与径迹长度分布数据定量模拟[39]等相结合的方法，初步查明了柴达木盆地晚古生代以来主要经历了6期构造事件： 印支运动期(254.0～199 Ma，177～148.6 Ma)构造活动强烈，导致了石炭系抬升、剥蚀； 燕山运动(87～62 Ma)相对较弱，表现为早期的弱伸展与晚期NE-SW向挤压； 喜山运动在该区域多期发育，主要为喜山运动早期(41.1～33.6 Ma)和喜山运动晚期(9.6～7.1 Ma，2.9～1.8 Ma)，其中晚喜山运动造成了先存断裂的再次活化[40]。

三叠纪柴北缘宗务隆构造带上的印支期造山作用和同期的阿尔金基底走滑作用，结束了柴达木盆地海相沉积历史，开启了陆相盆地发育阶段； 早中侏罗世，处于造山后伸展阶段，柴北缘发育一系列断陷盆地； 晚侏罗世到白垩纪，柴达木盆地整体处于陆内造山演化阶段，盆地发育一系列挤压逆冲构造及坳陷盆地沉积； 路乐河组沉积时期，柴达木盆地处于弱伸展阶段，发育断陷盆地沉积； 上、下干柴沟组沉积时期，盆地处于弱挤压阶段，属于坳陷盆地沉积时期； 狮子沟组到七个泉组沉积时期，伴随着印度板块与欧亚板块的陆陆碰撞作用，应力持续向北部传递，导致柴达木盆地周缘山系的快速隆升，同时沿着原始构造薄弱面发生断层的逆冲活动，柴达木盆地周缘山系挤压隆升，处于强烈剥蚀期。

2.3 柴达木盆地关键构造期次剥蚀量

晚古生代以来，柴达木盆地东部先后经历了3期重要构造运动的改造，即晚海西—印支运动(晚二叠世—三叠纪)、晚燕山运动(晚白垩世)、晚喜山运动(中新世—上新世)，这使得晚古生代的原型盆地信息被严重破坏。然而，基于现今残留的石炭系地质信息恢复晚海西—印支期剥蚀量，必然会受到后期盆地演化的干扰，增加了研究区晚海西—印支期剥蚀量恢复难度。因此，必须在详细分析3期不整合面发育特征的基础上，利用古温标法与地震地层趋势延伸法，对晚喜山期与晚燕山期剥蚀量进行估算，同时综合残留石炭系在印支运动之前的最大古埋深信息，然后再重点恢复晚海西—印支期剥蚀量。

2.3.1 晚喜山期剥蚀量

晚喜山运动使柴达木盆地东部发生强烈挤压隆升，形成了第三系与第四系之间的角度不整合面，该不整合面在全盆地范围内均明显发育，表现为第三系及之前地层强烈褶皱变形并被隆升剥蚀，第四系不整合覆盖于其上。根据已有热年代学数据(AHe、AFT)、地震剖面及区域地质等资料，利用古温标法和地震地层趋势延伸法等对研究区30个控制点的晚喜山期剥蚀量进行恢复。结果表明，柴达木盆地东部晚喜山期剥蚀量变化范围为200～4 400 m(图3)，总体表现为盆地边缘或构造隆起部位剥蚀量大，凹陷内或构造活动平缓部位剥蚀量相对较小。其中，盆地南缘剥蚀量达到了1 200～4 400 m，往霍布逊凹陷中心迅速减小至200～800 m。另外，也有从西往东逐渐减小后又增大的趋势，欧龙布鲁克凸起晚喜山期剥蚀量普遍增大至1 600～2 800 m，德令哈凹陷剥蚀量变化范围为1 400～2 200 m。

图3 柴达木盆地东部晚喜山期剥蚀量等值线图Fig.3 Contour map of the erosion rate of Late Himalayan in Eastern Qaidam Basin

2.3.2 晚燕山期剥蚀量

晚燕山运动形成的不整合面主要表现为侏罗系(白垩系)与第三系(第四系)之间的角度不整合接触，部分地区存在侏罗系(白垩系)与第三系(第四系)平行不整合接触，仍有部分区域缺失侏罗系与白垩系，第三系直接不整合于前中生界之上。晚燕山期剥蚀量恢复结果表明，柴达木盆地东部晚燕山期剥蚀量为500～2 300 m(图4)，剥蚀量总体由盆地边缘往盆地中心逐渐减小，且研究区西段剥蚀量明显大于研究区东段。盆地南缘的剥蚀量为1 100～2 000 m，盆地北缘的剥蚀量增大到1 200～2 300 m，至盆地中心逐渐减小到500～1 000 m。

2.3.3 晚海西—印支期剥蚀量

晚海西—印支运动对盆地边缘的挤压抬升作用较强，往盆地内逐渐减弱，但盆地内亦有强烈隆升剥蚀区。该时期不整合面特征主要表现为侏罗系(白垩系)与前中生界之间的角度不整合接触。晚海西—印支期剥蚀量恢复结果表明，印支运动(三叠纪)之前，柴达木盆地东部残留石炭系顶界面埋深普遍超过2 500 m，古地温梯度变化范围为37～43 ℃/km。晚海西—印支期剥蚀量为2 100～4 300 m(图5)，剥蚀量总体由盆地南缘往北缘逐渐减小。柴东南缘的剥蚀量为3 600～4 300 m，往柴东北缘逐渐减小到2 100～3 100 m，仅穿山沟一带达到了3 700 m，剥蚀量横向变化较大。

图4 柴达木盆地东部晚燕山期剥蚀量等值线图Fig.4 Contour map of the erosion rate of Late Yanshanian in Eastern Qaidam Basin

图5 柴达木盆地东部晚海西—印支期剥蚀量等值线图Fig.5 Contour map of the erosion rate of Late Hercynian-Indosinian in Eastern Qaidam Basin

2.4 柴达木盆地石炭系烃源岩成熟度演化史研究

柴达木盆地石炭系热演化史主要表现为“存在二次生烃，晚期生烃为主”的特点(图6)。研究区石炭系烃源岩在早二叠世进入生烃门限，开始生烃，主要以生油为主。后受控于海西运动，地层抬升，遭受剥蚀，生烃停止，在石炭系露头砂岩中发现了早期的沥青充填，证实了早期的生烃事件。印支运动期，研究区遭受近南北向挤压，石炭系继续抬升剥蚀； 晚燕山期，德令哈坳陷挤压挠曲，为坳陷期，石炭系再次深埋，并在古新世达到最大埋藏，石炭系烃源岩再次达到生烃温度，并大规模生烃，主要以产气为主； 古新世—上新世为石炭系主力生烃期； 喜山运动晚期研究区南北向挤压持续加强，在德令哈坳陷周缘靠近老山前表现为逆冲推覆，在坳陷腹地，石炭系发生褶皱，变形强度不均匀。

(a) 柴页2井 (b) 冷科1井

图6 柴达木盆地德令哈坳陷柴页2井(a)、冷科1井(b)埋藏史、热史模拟

Fig.6 Modeling results of burial and thermal history of well Chaieye 2 (a) and Lengke 1 (b) in Delingha depression of Qaidam Basin

3 构造运动对石炭系分布的控制

研究区构造演化总体上反映了统一的构造背景，但由于地质条件的差异，在不同的位置呈不同的演化模式，因此，分别选取了NW向2条及NE向2条剖面开展构造演化研究。其中NE向剖面横跨诺木洪凹陷、埃姆尼克山、欧南凹陷、德令哈凹陷等构造单元。

以NE向(545-00054测线)构造演化史分析为例，该剖面横跨宗加断裂、诺木洪凹陷、埃姆尼克山、欧南凹陷及德令哈凹陷。诺木洪凹陷边界为宗加断裂和埃南断裂，自西向东逐渐变窄，东部基底较西部更具刚性，因而其变形主要以脆性为主，断裂活动更频繁(图7)。

印支运动晚期(侏罗系沉积前)，宗加断裂和控制埃姆尼克山形成的埃南断裂形成强烈对冲，宗加断阶和埃东低凸起石炭系大部分被剥蚀或剥蚀殆尽。诺木洪凹陷石炭系残留分布具有南北薄中间厚的特点，中部残留上石炭统，断裂非常发育。

燕山运动晚期(古近系沉积前)，受强烈挤压作用，埃姆尼克凸起形成，凸起之上中生界明显减薄，说明该时期凸起再次遭受较强剥蚀。中侏罗统局部发育，仅小范围分布于埃南断裂以南。晚侏罗世—早白垩世，全区接受沉积，具有坳陷型广盆特征，古地形控制分布，欧北断裂两侧见超覆现象。宗加断裂及印支运动末期形成的次级断裂均有活动，控制上侏罗统沉积，地震剖面上可见其地层超覆现象。

图7 宗加断阶-诺木洪凹陷-埃东低凸起-欧南凹陷-德令哈凹陷构造演化剖面图Fig.7 Tectonic evolution section of Zongjia fault order- Nuomuhong depression-Edong low bulge- Ou’nan depression-Delingha depression

喜山运动晚期强烈挤压作用使埃南、欧南等老断层活化，两个凸起区继承性发育，但前石炭系未出露地表。诺木洪凹陷、德令哈凹陷的古近系—第四系沉积厚度较大，总体趋势为向南、向北减薄。该剖面现今长度为131.06 km，石炭系沉积后为194.63 km，压缩量为63.57 km，压缩率为67.34%。

总体来看，印支末期的构造运动控制了本区石炭系残留分布，主要分布于欧南凹陷局部、诺木洪凹陷大部以及德令哈凹陷。欧南凹陷西部深洼在印支运动时期石炭系保存较好，残留部分上石炭统，向东全被剥蚀。凹陷内部石炭系残留厚度差异较大，主要受该期形成的一系列逆冲断裂控制，断裂上盘均遭受不同程度的剥蚀，厚度较下盘明显变薄。诺木洪凹陷在印支运动时期差异剥蚀较明显，受凹陷内部多条逆冲断层的影响，上石炭统仅在凹陷中部断层对冲区域残存，且范围局限，下石炭统厚度也不均一。德令哈凹陷总体上残存较完整的石炭系，受祁连山持续逆冲作用影响，向北逐渐减薄。印支运动时期隆升的埃姆尼克凸起、欧龙布鲁克凸起、全吉凸起等，石炭系剥蚀厚度均较大，盆地边缘断裂活动量较大，导致石炭系剥蚀殆尽。因此，印支末期的差异隆升是控制石炭系残留厚度以及造成残留厚度差异较大的主要原因。印支运动末期以后，本区虽经历了多期运动改造，但对石炭系残留影响较小，受影响的区域主要为持续活动抬升的埃姆尼克凸起区和欧龙布鲁克凸起区。燕山运动和喜山运动控制了中新生界的残留，造就了现今的构造形态，同时控制了石炭系埋深。

4 结论

(1)首次在柴达木盆地石炭系获得油气流，取得柴达木盆地古生界海相新层系油气的重要发现，打破了柴达木地区“古生界为变质结晶基底，存在古老陆块”的传统认识。经调查确认石炭系未变质，具备良好的油气地质条件，提出石炭系“晚期、多类型”的成藏理论认识。

(2)柴达木盆地晚古生代以来主要经历了6期显著的构造事件。Ⅰ(254.0～199 Ma) 该构造事件揭开了柴达木盆地中、新生代构造演化的序幕； Ⅱ(177～148.6 Ma)区域由早期的温暖-潮湿气候转变为后期的干燥氧化气候； Ⅲ(87～62 Ma)柴达木盆地东部缓慢隆升遭受剥蚀，柴北缘在弱挤压环境下形成坳陷盆地； Ⅳ(41.1～33.6 Ma)是盆地对印度板块和欧亚板块碰撞早期的响应； Ⅴ(9.6～7.1 Ma) 青藏高原的强烈隆升诱发了柴达木盆地快速隆升，并遭受剥蚀, 盆地周缘变形强烈； Ⅵ (2.9～1.8 Ma)盆地遭受强烈挤压、隆升与构造变形，导致先存断裂普遍遭受强烈改造，先期褶皱得到进一步发展。

(3)柴达木盆地德令哈坳陷石炭系烃源岩热演化史主要表现为“存在二次生烃，晚期生烃为主”的特点，主要受该区构造运动控制。德令哈坳陷石炭系埋藏史主要表现为快速埋藏期、稳定期与强烈抬升剥蚀期，新生代以来沉降史与抬升剥蚀史存在着差异，主要受控于青藏高原隆生的远程效应与阿尔金构造带新生代以来的左旋走滑作用。