塔里木盆地寒武纪早期地质背景及对烃源岩发育的控制

2021-02-25陈书平王中昱杨伟利袁浩伟

科学技术与工程 2021年1期

陈书平，王中昱，杨伟利，王毅，袁浩伟

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；3.中国石化股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083)

塔里木盆地寒武系油气勘探长期以来得到关注。在塔里木盆地寒武系中，中寒武统发育膏盐层[1-2]，下寒武统发育盐岩[3]，这些都可以作为盖层。中下寒武统发育白云岩储集层[2,4-5]和微生物碳酸盐岩储集层[6-7]，但目前中下寒武统中仍没有重大油气发现，究其原因，关键因素之一是烃源岩是否发育和分布情况。尽管有研究表明，塔里木盆地寒武系存在较好-极好烃源岩，以下寒武统玉尔吐斯组及西山布拉克-西大山组为最佳，总有机碳(TOC)为0.5%～8.39%[8-10]，但对其发育程度和分布控制因素仍存在不同的认识，直接制约着下一步的油气勘探。基于全球气候和塔里木钻井及地球物理资料分析，进一步分析研究了塔里木盆地寒武系沉积环境，进而分析了下寒武统烃源岩的存在及分布状况，建立显生宙早期海相烃源岩发育模式。

1 地质背景

塔里木盆地位于中国西北地区，面积56万km2。其发育于塔里木板块之上，周围被山系环绕，包括北边的天山褶皱系、南边的昆仑山褶皱系、东边的阿尔金山褶皱系(图1)。

图1 塔里木盆地地理位置及构造单元划分Fig.1 Geographical location and structural unit division of Tarim Basin

塔里木盆地沉积地层包括南华系、震旦系、古生界各系、中生界各系及新生界各系。南华系为裂谷层序的陆相沉积，裂谷的发育与罗迪尼亚超大陆裂解有关[11-13]。震旦纪时，塔里木板块在前期裂陷基础上，进入坳陷期，主要沉积了寒冷气候的深浅海、冰海和火山喷发相的碎屑岩、冰碛岩、火山和火山碎屑岩[14]。寒武纪时，塔里木盆地南北缘进入被动大陆边缘发育期，内部继承性发育，沉积海相碳酸盐岩、泥岩、膏盐岩和硅质泥岩(图2)。海相沉积一直延续到泥盆系。震旦纪以来，一直到泥盆纪，塔里木板块为一独立板块[14]。石炭纪-三叠纪，塔里木盆地构造格局发生了根本改变，塔里木板块与周缘板块进入俯冲碰撞阶段，沉积了海陆交互相地层。侏罗纪-渐新世，塔里木盆地进入碰撞后板内构造发育阶段。其后，天山、昆仑山复活，盆地进入再生前陆盆地演化阶段。

图2 塔里木盆地中下寒武统层序[2]Fig.2 Middle lower Cambrian sequence in Tarim Basin[2]

塔里木盆地油气资源丰富。早期评价结果显示，油气总资源量为123.37×108t油当量，其中油资源量为59.94×108t，天然气资源量为79 599.43×108m3[15]。最新评价结果显示，塔里木盆地常规天然气资源量为117 398.96×108m3，非常规天然气(包括致密砂岩气和页岩气)资源量约为3×1012m3[16]。30年的勘探实践明确了塔里木盆地库车坳陷、台盆区和西南坳陷三大含油气系统的烃源岩、储盖组合、构造样式、圈闭类型和油气藏模式，油气剩余勘探潜力依然巨大[17]，有利勘探领域包括寒武系盐下，但烃源岩的发育和展布情况依然不清楚。

2 古气候和古生物

全球气候在进入寒武纪前，气候明显变冷。寒武纪开始的时候，气候迅速变暖和海平面大规模上升(图3)。早寒武世时适宜的气候条件、大气氧含量的增加等因素为早寒武世生物大爆发提供了首要条件。寒武纪时，地球生命迎来了生物发育爆发时期，也叫“寒武纪大爆发”[21-24]。

图3 寒武纪以来气候及生物变化[18-20]Fig.3 Climate and biological changes since Cambrian[18-20]

寒武纪时，塔里木板块范围位于南纬34°～18°，气温在23～29℃(图4)，属于温、热带气候，有利于生物生长[25]。具有上升洋流[26-27]，这既有利于浮游生物的生长，又有利于有机质的保存。与以前相比，进入寒武纪，碳和氧同位素值快速负向漂移，说明有大气水的大量输入[28]。大气淡水的输入有利于有机质的保存[29]。

图4 地球海面年平均温度Fig.4 Annual mean sea surface temperature of the earth

3 基底古地貌

震旦纪，塔里木盆地进入南华纪裂陷后热沉降期[11,13,30]。至寒武系沉积时，基底古地貌形态延续了震旦系沉积末期时的古地貌。其时显示出有三个古隆起，一是塔里木盆地南部隆起，大致对应现今巴楚隆起和塔中隆起靠南的部分。另一个是位于塔里木盆地北部的塔北古隆，对应现今塔北隆起中部。还有一个古隆起在南边，沿皮山一带[13,31]。烃源岩则正是围绕古隆起发育，即发育在塔北古隆北边、东边和西边，塔北古隆与南部隆起之间和南部古隆起与皮山隆起之间(图5)。塔北古隆北边就是东北天山-准噶尔洋，南部隆起或皮山古隆起以南为北昆仑洋和阿尔金洋。塔北古隆起北边发育泥岩、白云岩，东边发育硅质、碳质泥岩、磷块岩、白云岩，西边发育泥岩、硅藻岩、磷灰岩。烃源岩分布与古地貌有很好的对应关系。南部隆起方1井见砂泥岩，这套砂泥岩值得注意，围绕南部隆起可能呈裙状分布。

4 寒武系烃源岩形成模式

塔里木盆地寒武系烃源岩以灰质硅质泥岩、灰质硅质页岩、泥灰岩、泥晶灰岩、泥晶白云岩为主，比较好的为泥质或含泥岩类[8-9]，这与黏土含量有关。黏土矿物因其元素组成和结构而与有机质富集有紧密联系[32-35]。对地壳中有机碳的调查表明[36]，生物体中的有机碳仅占地壳中有机碳的极少部分，大部分的有机质以有机集合体的形式存在于沉积物和沉积岩中。沉积物中仅有10%左右的有机质呈颗粒态与矿物共生[37-38]，其余绝大部分与黏土矿物相结合，广泛以有机黏土复合体的形式存在[35,39]。

近期，位于塔北隆起轮南低凸起的轮探1井钻获下寒武统轻质原油，是塔里木深层油气勘探的重大突破。轮探1井钻揭寒武系烃源岩，下寒武统玉尔吐斯组下段灰黑色泥岩TOC平均值接近10%，Ro为1.5%～1.8%，为优质烃源岩；上段含泥灰岩TOC平均值为1.45%，为中等烃源岩[40]。塔里木盆地下寒武统烃源岩的存在，说明有古隆起提供黏土矿物。寒武纪时，塔里木板块为一孤立板块[41]，其黏土物质只能是自身隆起提供。这也从一个侧面说明了寒武纪沉积时，古隆起的存在。同时，古隆起周边砂岩是值得注意的储集层，正与钻井揭示的那样[10]，这类储集层与烃源岩侧向相接，对储集油气是有利的。

图5 塔里木盆地寒武系烃源岩分布图[10,13,31]Fig.5 Distribution of Cambrian source rocks in Tarim Basin[10,13,31]

对于寒武纪海相烃源岩发育模式，有的提出了盆地相烃源岩发育模式[42]，认为古老碳酸盐台地烃源岩是发育在盆地相；有的提出了湿润气候-滞留静海环境的烃源岩形成模式[43-44]。从古地貌与烃源岩沉积对应关系上看，塔北古隆起、南部隆起或皮山隆起南边都是盆地相，与经典碳酸盐台地烃源岩发育模式一致。塔北古隆起与南部隆起之间、南部隆起与皮山隆起之间是潮坪-泻湖体系，也发育了烃源岩。据此建立了塔里木盆地寒武纪早期海相烃源岩发育模式图(图6)。从北而南，首先是南天山深海盆地、然后是塔北古隆，向南进入泻湖-潮坪沉积体系，然后是南部古隆起，再进入泻湖-潮坪体系，到皮山古隆起，最后进入昆仑洋，是深海盆地与泻湖-潮坪联合控制烃源岩的发育。