叠合盆地深层、超深层热演化史恢复理论及方法研究新进展

任战利,崔军平，祁 凯,杨 鹏,刘新社,张才利,杨桂林,高彦芳,张 莹,邢光远

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069;2.西安市多种能源资源勘探开发重点实验室,陕西 西安 710069;3.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院,陕西 西安 710018)

一个多世纪以来,人类社会的发展及对能源的重大需求，推动了油气勘探开发理论的发展与技术进步，大大加速了油气工业的发展。随着中浅层找油难度的加大,向更深、更古老层系寻找油气资源已经成为油气公司的共识及趋势[1-2]。近年来,全球深层油气勘探开发取得重要进展,深层及超深层是油气勘探的重要新领域及探明储量的增长主体。截至 2018 年底,世界范围内已发现了68 个深度超过8 000 m的油气藏,最大探测深度达 12 869 m[3]。中国已成为深层油气勘探最活跃的地区,2019年，塔里木盆地完钻的亚洲陆上最深井轮探1井井深达8 882 m,在8 200 m之下碳酸盐岩层系中获得轻质原油[4]。中国深层油气资源潜力巨大,石油、天然气探明程度低(分别为13% 和 10%),深层、超深层是未来油气勘探开发的现实领域[5]。深层、超深层油气相态、分布深度、油气贫富差异极大,国家对深层、超深层油气十分重视,设立了重大项目进行研究。国内外学者对超深层古老层系的成藏条件及成藏规律的研究已成为热点,取得了一批高质量的成果[1-15]。深层、超深层多属于演化历史复杂的叠合盆地,油气分布深度及相态等差异大的重要原因与盆地热演化史、现今地温场等有密切关系[13-15],盆地热演化史在盆地深层、超深层油气成藏评价及大陆动力学研究研究中发挥着重要作用。深入研究深层、超深层现今地温场及热演化史差异对油气成藏及富集的控制作用,对指导深层油气勘探开发,满足国家重大需求与探索大陆动力学演化有重要意义。

沉积盆地的热演化史不仅对油气的生成、运移聚集及成藏富集有重要控制作用,而且在大陆动力学、盆地演化研究中具有重要地位,是当代地球科学研究的前沿领域。国内外学者在盆地热演化研究中取得了丰硕成果,在盆地演化、油气成藏评价及勘探中发挥了重要作用[16-20]。但是，已有的研究工作主要集中在中浅层,深层、超深层热演化史的研究方法、思路及研究实例相对缺乏。

本文在收集大量国内外深层、超深层地层温度及热演化史研究最新资料的基础上,对不同地温类型盆地深层、超深层地温场差异及对油气相态的控制作用规律、古温标研究方法新进展、复杂叠合盆地深层、超深层热演化史思路及恢复方法、热演化史对深层、超深层油气成藏评价的控制作用及前沿问题进行了系统深入的探讨,以期对不同地热类型盆地深层、超深层油气分布深度、相态、生烃成藏早晚及富集差异的原因进行深入分析。该研究成果对深层、超深层油气成藏评价及油气勘探有重要的指导意义。

1 不同热状态类型盆地深层、超深层现今地温差异及对油气相态的影响

1.1 不同热状态类型盆地深度与温度关系及差异

中国沉积盆地东部主要为断陷盆地或裂谷盆地,中部为克拉通盆地,西部为前陆盆地或挤压盆地。地温梯度具有东高西低的特点,东部断陷盆地或裂谷盆地地温梯度高,西部挤压盆地或前陆盆地地温梯度低。不同热状态类型盆地的形成机制、地球动力学背景及地温场有明显的差异[18，21]。不同盆地按照地温梯度的高低可分为低地温梯度(小于25℃/km)、正常地温梯度(25～35℃/km),超高地温梯度(大于35℃/km)[22]。不同热状态类型盆地在地温梯度及大地热流值上差异明显。近年来，随着深层、超深层勘探的进展,积累了大量深层、超深层地层温度资料。根据已有资料,作者建立了国内外不同热状态类型盆地深层、超深层温度与深度关系图版[13-14],发现不同地温梯度的含油气盆地,随着深度增加，温度增加,深层、超深层增加更为明显,差值越来越大。在中浅层，随着深度的增加,不同深度不同类型盆地的地温有差异[18,23],但差异幅度较小。如在埋深2 000 m,高温型盆地与低温型盆地的地温分布在34～90℃,差值56℃;埋深3 000 m,地温分布在47～130℃,差值83℃。到超深层7 000 m，不同地温梯度的盆地从低地温梯度到高地温梯度，相同深度地温可达146～300℃,差异可达150℃以上,埋深8 000 m温度差异可达200℃以上(见表1)。国内外深层、超深层7 000～8 000 m高温型盆地与低温型盆地的地层温度差异更大，更明显[13-14](见图1)。不同地温类型盆地现今地温场差异大的主要原因是由不同类型盆地深部热结构的差异所决定的,高温型盆地一般地壳、岩石圈厚度薄,地温梯度及热流值高;低温型盆地一般地壳、岩石圈厚度厚,地温梯度及热流值低;中温型盆地深部热结构介于两者之间。不同类型盆地如此高的温度差异也是导致不同盆地、不同地区深层、超深层相同深度油气相态差异、 成藏早晚的主要原因。 中国东西部盆地深层地层相同深度， 在东部地温梯度高的盆地是气田, 在西部地温梯度低的盆地则是油田, 甚至在超深层7 000～8 000 m仍然存在液态原油。

图1 国内外深层、超深层不同盆地温度与深度关系对比图Fig.1 Comparison of temperature and depth in different deep in ultra-deep basins at home and abroad

表1 不同地热类型盆地不同深度温度差异对比表Tab.1 Comparison of temperature differences at different depths in different geothermal types of basins

1.2 加热时间、温度与油气相态的关系

国内外已发现的20 446个油气藏埋深超过4 500 m，其地层温度主要分布在50～200℃,最高达到370℃。与盆地中浅层油气藏相比,深层油气藏的温度更高,温度分布范围也更宽。深层油气藏流体相态变异大,总的规律是天然气多于液态烃。深层油气藏为油气混相、气相常见,油相少[24]。地温梯度差异导致了生油门限、油气相态有很大差异[13-14]。

压力、加热时间、升温时间和热流梯度等因素对镜质体反射率值有重要影响,其中温度及加热时间是造成不同盆地油气相态存在温度区间差异的主要原因。原油裂解实验表明,不同原油裂解的开始温度差异较大,为165～200℃,原油完全裂解的温度为230～240℃。液态石油的保存深度及温度均大于传统认识的深度及温度[2,25]。在加热时间较短的情况下,石油可以在很高的温度状况下存在及稳定。液态烃完全消失的最大深度在低温型盆地埋深可达8 000～9 000 m,地层温度可达200℃及以上；气藏分布的最大深度下限超过1 000～1 200 m,地层温度可达 300～350℃[26]。新生代沉降幅度大、沉降速度快的盆地,有效加热时间短,原油可以在很高的温度状况下存在。由于加热速率的影响,独立油相存在的地层温度范围为 178～214℃,凝析油气态保存的上限温度约为 240℃[13，25]。

盆地地温场及深部热动力背景控制了石油液态窗、石油裂解及向干气转化的深度,从高地温梯度到低地温梯度盆地,相同温度等温线埋藏深度逐渐增加[13-14]。按照液态窗存在的温度范围65～165℃、原油裂解温度165～200℃、大于240℃原油完全裂解来计算,不同地温场盆地的石油液态窗、原油裂解、凝析油湿气、干气深度范围逐渐加深：中国东盆地深层主要是气藏,西部主要为油藏、凝析油藏,这也是西部塔里木盆地深度超过8 000 m仍有液态油藏的根本原因(见图2，表2)。

图2 不同地温梯度盆地原油液态窗、凝析油湿气及干气分布深度对比图Fig.2 Contrast diagram of distribution depth of liquid window of crude oil, condensate moisture and dry gas in basins with different geothermal gradients

盆地热演化史对油气生成、油气相态演化及油气成藏等有重要影响,现今处于最大埋深的深层盆地与后期抬升剥蚀明显、改造强烈的盆地深层，在油气相态、生烃门限等方面差异大。沉积盆地内镜质体反射率与最大埋深时的深度关系及其斜率反映了古地温梯度的大小,应用镜质体反射率-深度-古地温梯度关系图版可以估算古地温梯度及剥蚀厚度[18，27-28]。深层、超深层Ro与深度曲线的斜率差异大,表明不同盆地的古地温梯度差异大(见图2，表2)。应用镜质体反射率与深度的关系资料可以恢复地层的剥蚀厚度及古地温梯度。松辽盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地的镜质体反射率-深度曲线明显上移,表明其后期抬升剥蚀明显。

图3 不同盆地深层、超深层镜质体反射率与深度关系对比图Fig.3 The relationship between deep and ultra-deep vitrinite reflectance and depth in different basins

中国西部塔里木盆地为现今处于最大埋深的盆地,现今地温大部分是地层经历的最大地温,盆地地温梯度低,后期沉降幅度大,加热时间短,导致地层温度及热演化程度低；奥陶系虽然埋深达8 000 m,但地层温度小于180℃,地层温度低,处于原油裂解-凝析油湿气阶段,未进入干气阶段,使得塔里木盆地在7 000～8 000 m超深层有油藏存在[4,29]。中部四川盆地和鄂尔多斯盆地的地温梯度中等,后期有明显的抬升剥蚀,地层温度较低,热演化程度中等,深层、超深层油气藏深度介于西部与东部之间,古老层系油气藏主要为天然气藏和凝析油气藏(如鄂尔多斯盆地)。东部盆地地温梯度高,地层温度最高,特别是松辽盆地后期抬升明显,地温梯度高,深层、超深层油气藏深度浅,热演化程度高(见图2，表2)。中国由西部向东部，地温梯度逐渐升高,油藏分布埋藏极限深度由西部的8 000～9 000 m 减小到东部的4 800～5 000 m;凝析油湿气气藏由西部埋深9 000～12 000 m 减小到东部的5 000～6 000 m; 干气气藏顶界由西部埋深12 000 m 减小到东部的约6 000 m。总体而言，中国油气藏分布各界限的埋深具有由西向东逐渐变浅的规律,分布规律主要受地温场及岩石圈深部热背景的控制[13-14]。

深层、超深层地温梯度的高低不仅对生油门限及油气相态有重要的控制作用,而且对深层储层物性也有明显的影响[18,29-30]。

表2 不同类型盆地不同油气生成阶段镜质体反射率与深度、温度对比表Tab.2 Vitrinite reflectance and depth comparison in different types of basins at different oil and gas generation stages

盆地深层、超深层异常高压对有机质热演化有抑制作用,且抑制作用具有不同的表现形式和程度。异常高压延长了超深层烃源岩液态烃持续生成的时间,并抑制液态烃向气态烃转化,增加了超深层油气勘探的深度[31-32]。深层、超深层地层的温度与地层压力关系复杂,可将深层地层温度与地层压力的关系划分为3种类型[13]。不同类型温压关系的盆地或地区，深层、超深层在油气藏成藏动力、富集层位、油气产量等方面差异明显[13,24]。

2 盆地热演化史研究方法及进展

国内外关于盆地热演化史的研究方法可以分为3类:一类为古温标方法,二类为盆地热动力学模型法,第三类为古温标与盆地动力学方法的结合。第三类方法克服了前两类方法的不足及局限性,对于早期盆地及具体地区或钻井的热演化史恢复更有效,精度也更高[18-19,28]。

古温标方法被认为是研究精度较高且切实可行的方法。虽然古温标研究方法多,但对于叠合盆地深层、超深层,特别是碳酸盐岩层系,古地温恢复难度大。对深层、超深层古地温恢复有效的古温标方法主要有镜质体反射率法(包括沥青反射率、牙形石色变指数、镜状体反射率等)、包裹体测温法、裂变径迹、(U-Th)/He定年方法等。

2.1 镜质体反射率方法

镜质体反射率是温度及受热时间的函数,温度影响更为重要。镜质体反射率法是盆地热史恢复最为常用且有效的方法,可用于盆地或造山带热历史重建。但是，在深层、超深层古老海相地层中缺乏来自高等植物的镜质体,需要采用沥青反射率、镜状体反射率等反射率换算成等效镜质体反射率。在利用等效镜质体反射率研究热历史的时候,不同学者提出的换算关系不同且差别较大[28,33],需要结合研究盆地的实际地质情况选择适合的模型。

镜质体反射率与深度关系曲线的斜率可以反映地温梯度的大小及剥蚀厚度的大小[18，27-28],因此，在利用镜质体反射率资料进行古地温恢复时，要特别重视在不同层位、不同深度应尽可能地有测试值控制,镜质组反射率值的变化趋势更为重要。局部出现的镜质组反射率值异常除与有机质本身的性质有关外,还与温度、压力、岩浆侵入及流体活动有密切关系,需要分析其形成的原因并进行整体的判断。

镜质体反射率(Ro) 和热解峰温(Tmax)是两种广泛使用的烃源岩热成熟度参数,镜质体反射率与热解峰温密切相关。在深层、超深层镜质体反射率缺乏的情况下,可以通过建立镜质体反射率与热解峰温关系的方法来评估和预测沉积盆地烃源岩的热成熟度。Evenick J C通过来自全球数据库的回归方程很好地建立了Tmax和VRo相关性[34]。北非加达姆斯盆地(Ghadames)是全球超级含油气盆地之一,是一个典型的海相盆地。盆地的地温梯度和热流为35℃/km 和 120 mW/m2。Khaled A建立了北非加达姆斯盆地志留系热页岩热解峰温Tmax与镜质体反射率关系模式[35]。热解峰温数据比镜质体反射率数据更容易获得,热解数据提供了在数据较少的地区推断成熟度和预测热成熟度水平的方法。应用Tmax和VRo关系图版可以用热解峰温数据来校准和预测深层页岩现今热成熟度。北非加达姆斯盆地在200℃时达到2.45%的VRo,相当于到盆地沉积中心的5 200 m埋深,热页岩进入过(高)成熟阶段,表明热页岩目前已到达干气窗,盆地演化后期抬升明显[35]。

将镜质体反射率与包裹体测温、地温热年代等方法结合来确定或重建热演化史、成岩事件的相对时间,这种综合方法被应用于加达姆斯—伊利兹盆地(北非)古生界和三叠系储层砂岩的热史恢复。研究表明，简单的仅因埋深增加而升温的热过程是不可能解释观察到的实验数据,相反，一个早第三纪加热事件很好地解释了所收集的数据[36]。

2.2 黏土矿物转化及伊利石测年

黏土矿物转化也是研究盆地热史的重要方法,常用的黏土矿物地质温度计有伊蒙混层矿物、伊利石结晶度、绿泥石化学成分等。通过对自生黏土矿物及其转化特征进行系统研究,可获得有关地层的成岩温度、相关古地温梯度资料及其盆地演化信息[37]。对于伊利石结晶度与其形成温度的关系,前人已进行了大量研究,建立了自生伊利石结晶度与其形成温度的关系式[38]。伊利石的黏土矿物组成及成因特征代表一个样品的埋藏条件,从成岩条件到极低变质作用。国内外不同盆地由低地温梯度到高温梯度不同的地热条件下,成岩相可以从低成岩相到变质岩绿片岩相。RAFAEL F M等建立了伊利石结晶度与镜质体反射率关系图版,由该图版可以判断古地温梯度的大小及进行古地温恢复[39]。

将镜质体反射率与黏土矿物转化相结合是研究盆地热史的可行途径。镜质体反射率结合黏土矿物转变研究表明，澳大利亚昆士兰博文盆地煤的有机成熟和大量黏土矿化的最高温度与中三叠世晚期、晚三叠世早期的深埋变质作用无关[40]。晚三叠世晚期，高热流带的发育对博文盆地热史的形成起着重要的控制作用,博文盆地北部的高古地温梯度是热事件发生时流热转化的结果[41]。

Vaclavs等对捷克共和国巴兰德(Barrandian)盆地下古生界成岩作用至极低级变质作用进行了研究,有机物、黏土矿物和流体包裹体的综合证据表明， 志留泥盆系经历的最大古温度为100～230℃,奥陶系最高温度可达250℃。磷灰石裂变径迹分析数据表明,在340～380 Ma的海西期造山变形期间,地层达到最大古地温。这些古温度和成岩作用程度可能是由中泥盆世后的埋藏或随后被侵蚀的构造负荷产生的[42]。Hu D Q等利用伊利石黏土矿物转变及镜质体反射率作为地温计,分析了大兴安岭南部上二叠统林西组经历的低等级变质作用的温度、压力及变质发生的时间(温度小于300℃，中低压,变质时间为127.64 Ma± 2.12 Ma)[43]。

如果K-Ar法是测定成岩黏土过程(如海绿石化、伊利石晶体成核和生长或低温热液活动)年代的首选方法,那么40Ar/39Ar法在低温构造热活动年代测定方面更有潜力。在沉积成岩环境中，K-Ar方法相对于40Ar/39Ar方法有更大的适用性[44]。

2.3 包裹体测温法

流体包裹体方法广泛应用于测定古温度和恢复盆地热历史，其应用于确定古地温研究需要满足3个假设条件及占有3个方面的资料。包裹体测温最关键的问题是要确定包裹体形成的期次及形成时代,流体活动时间可以从流体包裹体与成岩矿物世代及其共生系列关系、结合流体包裹体测年等方法确定[28]。将流体包裹体分析结果与镜质体反射率资料进行对比,可以用于盆地热演化史恢复及确定油气生成、热演化程度及阶段、地温异常时期等[45]。Luis等2022年建立了最大流体包裹体温度和镜质体反射率数据的关系式,这是一种应用包裹体测温结果来估算有机质热成熟度值(等效反射率值)的无机热成熟度新工具[46-47]。

2.4 低温热年代学方法

以裂变径迹及(U-Th)/He为代表的低温热年代学方法被广泛应用于盆地构造热演化史恢复领域。磷灰石裂变径迹分析方法已经发展成为研究盆地热历史的有效手段,(U-Th)/He定年方法是恢复更低温热演化史的一种方法。裂变径迹及(U-Th)/He方法在深层、超深层应用时受岩性取样限制较大,不同单位、不同测试者测试结果往往有一定的误差,且在深层、超深层，其测试结果往往不能反映盆地早期的地温场状况。因此需要根据不同的古温标所适用的温度范围及盆地演化的实际,将多种古温标相结合,进行多温标相互约束、多方法的综合研究。目前,国内外的研究实例普遍将(U-Th)/He定年与镜质体反射率、裂变径迹以及K/Ar、Ar/Ar等方法结合起来进行,以便利用不同矿物封闭温度的差异,对复杂热历史轨迹进行限定及恢复[16，48]。

2.5 碳酸盐岩矿物铀铅测年法

方解石U-Pb测年法分为同位素稀释法和原位激光剥蚀法两种。近年来,碳酸盐岩原位激光剥蚀U-Pb定年技术，因其具有简单高效的优势得到了快速发展。特别是在碳酸盐岩地层，由于缺乏古地温及热年代研究手段,因而其在热液活动、成岩作用方面更具有优势。碳酸盐岩原位U-Pb年代学已在恢复断裂活动、盆地构造-热演化历史、成岩-孔隙演化历史、成矿机制及盆地流体等领域得到了广泛应用[49--50]。方解石U-Pb测年法测试结果需要与其他方法相结合,相互约束。将方解石原位U-Pb测年及磷灰石裂变径迹模拟结果与沉积-埋藏演化历史结合可以揭示盆地演化过程及构造事件[50]。

2.6 碳酸盐团簇同位素法

碳酸盐团簇同位素(Clumped isotope)作为一种全新的稳定同位素测温手段,目前已在古气候 (温度) 重建、古地貌重建、碳酸盐岩的成岩作用、古地温恢复、构造地质学等方面得到了广泛应用。利用盆地沉积物中碳酸盐团簇同位素的分布可以恢复盆地埋藏最大古温度及剥蚀量,目前已在多个盆地的热历史恢复中得到了应用[51-53]。随着研究的深入,对团簇同位素研究的一些问题也凸显出来,如同位素是否平衡，埋藏成岩蚀变对团簇同位素的改造等,需要进一步研究[54]。

将方解石或白云石胶结物U-Pb同位素测年与团簇同位素(Δ47)测温相结合,可以用于经历多旋回构造改造的深层碳酸盐岩构造-埋藏史重建,而且在成烃、成储和成藏研究中具重要的应用价值。碳酸盐胶结物的期次越多,建立的成岩序列越完整,测得的同位素年龄和Δ47温度的约束点就越多,建立的构造-埋藏史曲线就越符合地质实际。该方法被应用于四川盆地、塔里木盆地构造-埋藏史重建[55-56]。该方法需要与其他方法相结合,相互约束,进一步提高该方法的可信度及精度。

3 复杂叠合盆地深层、超深层热演化史恢复理论及实践

中国沉积盆地特别是大型盆地深层、超深层大多是由不同时代的盆地叠合而成,叠合盆地深层、超深层大多经历了多期次、不同动力学背景盆地的叠加和多期次构造的改造。叠合盆地深层、超深层早期盆地地温场的信息更容易被抹去或改变,这种现象在深层、超深层古老含油气盆地中普遍存在[57-59]。

由于不同类型盆地的叠加及多期次改造作用,叠合盆地深层、超深层热演化过程复杂,恢复难度更大。早在1991年，作者研究发现叠合盆地内地温场信息存在叠加改造及抹去(重置)现象,根据古地温信息改造的不同情况,划分了叠合盆地古地温改造类型[58]。根据叠合盆地地温场演化信息的记录、保持及后期叠加改造情况的不同,从盆地叠加与改造对古地温场信息影响的角度出发,针对叠合盆地古地温不同的改造情况,应用多种古地温研究方法,详细讨论了叠合盆地热演化史恢复的新思路,提出了分演化阶段来真实恢复复杂叠合盆地热演化史的理论及方法[18，28，57-58]。深层、超深层古老盆地经历多期次及长多期构造运动的改造及破坏,早期盆地古地温信息难以记录及恢复。根据叠合盆地深层、超深层及古地温方法研究的进展，以盆地叠合改造对盆地古地温场的影响为指导,将盆地与造山带相结合，盆缘与盆内相结合，多种古地温研究方法相结合,不同时期原型盆地及盆地热体制与盆地模拟方法相结合,选择适合古地温恢复的剖面、层段来进行复杂叠合盆地热史的恢复[28]。随着研究的深入,复杂叠合盆地热演化史恢复的理论及方法得到进一步完善,可为叠合盆地深层、超深层热演化史的恢复提供理论及方法(见图4)。

鄂尔多斯盆地为长期发育的大型叠合盆地,不同的大地构造发育阶段，构造热体制不同。在国家“八五”攻关项目的支持下,采用多种古地温研究新方法及叠合盆地古地温场叠加改造的思路,恢复了鄂尔多斯盆地古温场及热演化史,发现了中生代晚期构造热事件的存在[60-62],首次应用裂变径迹方法定量确定了盆地后期抬升冷却的过程[63]。在国家基金委重点基金项目的支持下,对鄂尔多斯盆地早白垩世热岩石圈厚度及热状态进行了恢复,进一步明确了早白垩世热流值、地温梯度存在异常及分布范围,建立了盆地热岩石圈减薄与软流圈上涌的动力学机制[64]。早白垩世构造热事件发生时期,研究区处于拉张背景,深部热流体及断裂活动。鄂尔多斯盆地不同层位烃源岩均在早白垩世发生大规模生油、生气及成藏,具有同时性。早白垩世也是盆地内铀矿、油页岩、东胜富氦气藏等及盆地外围金矿、钼矿等金属矿的重要成矿期,成藏、成矿期总体受控于早白垩世岩石圈减薄的深部热动力学背景及构造热事件[64-67]，从而建立了鄂尔多斯盆地岩石圈热动力学及油气成藏期次关系模式。早白垩世构造热事件明显增加了烃源岩生烃量,是鄂尔多斯盆油气资源丰富的原因之一[64-67]。

应用叠合盆地热演化史恢复的思路及方法恢复了中国北方各盆地的构造热演化史,研究结果揭示了古生代以来，中国主要盆地的构造及古地温场演化规律[18,59],发现了中国北方中生代晚期—早白垩世区域规模构造热事件的存在[18,68](见图5),明确了中生代晚期构造热事件对盆地油气成藏期次、评价及盆地动力学演化具有重大意义[18,20]。根据盆地热演化史研究结果,结合油气成藏研究多种方法,确定了中国北方主要盆地的油气生成及成藏年代,构建了3种不同热演化史类型盆地与生烃、成藏期次关系模式[18,20]。

4 深层、超深层不同热演化史类型与油气成藏及勘探前景

4.1 鄂尔多斯盆地深层热演化史恢复

鄂尔多斯盆地深层中新元古界—下古生界发育多套烃源岩,长城系为较好的烃源岩。中新元古界—下古生界经历了长期的构造演化及改造,热演化史过程复杂,热演化史恢复难度大,特别是恢复中新元古代、早古生代盆地古地温场,由于受到后期多期盆地的叠加改造,中新元古界深埋地下,古地温信息难以记录。鄂尔多斯盆地周缘中新元古代以来的构造环境长期处于边缘裂陷阶段,南缘、西南缘在中元古代长城纪处于被动大陆边缘早期裂谷拉张环境。鄂尔多斯盆地北缘长城纪为陆内伸展裂谷环境[13，69-70]。蓟县系开始,鄂尔多斯盆地由裂谷发育阶段转为边缘拗陷发育阶段。在鄂尔多斯盆地长城系中有多期裂谷岩浆活动, 表明在中元古代深部岩浆活动强烈。 在李34、桃59井等长城系发育玄武岩,反映伸展背景下地幔物质上涌,为元古代古裂陷槽提供了直接的岩石学证据。早古生代寒武系早奥陶世，鄂尔多斯盆地周缘整体处于平稳缓倾的被动大陆边缘环境,内部为稳定的克拉通盆地。晚奥陶系，南侧北秦岭地块商丹洋开始俯冲闭合,在鄂尔多斯盆地南缘形成了具有典型“沟-弧-盆”体系的主动大陆边缘,华北板块整体抬升为陆,在西南缘发育弧后盆地[71]。晚奥陶世以来，盆地经历多期次沉降及抬升,不同时期盆地范围、动力学背景有明显差异。

图5 中国北方沉积盆地中生代晚期地温梯度分布对比图Fig.5 Comparison of geothermal gradient distribution in the late Mesozoic in sedimentary basins of northern China

鄂尔多斯盆地不同时期不同构造单元处于不同构造环境及背景中,鄂尔多斯盆地中新元古代为拉张背景,火成岩活动,岩石圈较薄；元古代以后经历多期盆地叠加改造,晚中生代早白垩世盆地深部软流圈物质上涌,岩石圈厚度减薄，发生构造热事件[64，67],对中新元古界最高热演化程度及成藏有重要的控制作用。

根据盆地性质及动力学机制分析认为，中元古代地温梯度较高,古生代地温梯度较低。根据鄂尔多斯盆地的实际，建立了盆地热史概念模型,以已取得的盆地中生代晚期以来的古地温演化过程研究成果为约束，应用多种古地温研究方法进行盆地热史的恢复与模拟,最终使模拟的理论值与实测值有很好的一致性。恢复结果表明，鄂尔多斯盆地内部天深1井元古代地温梯度较高,古生代地温梯度较低,中生代晚期地温梯度出现异常,晚白垩世以来地温梯度降低。盆地属于早期缓慢增温，中后期快速增温，晚期抬升降温型[13]。 鄂尔多斯盆地深层中新元古界在中元古代拗拉槽沉降幅度大, 埋藏深, 经历第一次生油过程, 第二次生油主要在早古到晚古生代, 中生代晚期是主要生气阶段, 现今处于干气阶段(见图6)。 在中元古代深凹馅斜坡区庆深1井、 古探1井、 桃59井中，元古界沉降幅度小,中元古界生油主要在早晚古生代—中生代早期,中生代晚期主要是生气阶段,现今处于干气阶段。由此可以看出，斜坡区主要生油期只有一次且比深凹陷区晚,深凹陷区及斜坡区均在中生代晚期大量生气(见图7)。下古生界奥陶系近年来在东部奥陶系盐下及西部奥陶系乌拉利克组发现高产工业气流,获得新层系的突破,表明奥陶系具有天然气勘探潜力。下古生界奥陶系在古生代埋藏浅,热演化程度低。奥陶系烃源岩在中生代快速埋藏,在早白垩世快速升温, 温度超过200℃, 达到生气高峰期。 晚白垩世以来， 盆地整体大幅度抬升, 地温梯度减小, 烃源岩埋深变浅， 生烃作用逐渐减弱或停止。

对中新元古界—下古生界天然气生烃、成藏影响较大的主要为中新元古代的裂陷深度及地温梯度、早白垩世异常古地温场及晚白垩世以来的构造抬升、剥蚀。中新元古界、下古生界烃源岩现今热演化程度高,主要为气态天然气(见图7)。

图6 鄂尔多斯盆地深拗陷区中新元古界热演化史图Fig.5 The thermal evolution history of the Meso-Neoproterozoic inthe deep depression area of the Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地斜坡区桃59井中新元古界热演化史图Fig.7 The thermal evolution history of the Meso-Neoproterozoic in Well Tao 59 in the slope area of the Ordos Basin

4.2 深层、超深层热演化史类型及成藏的控制作用

古老盆地深层、超深层热演化史复杂,热演史对油气生成、成藏及评价有重要控制作用。古老叠合盆地超深层、深层油气生成、成藏总体具有晚期生成、成藏的特点[31]。

根据国内外深层、超深层盆地热演化史的分析结果[13，72-76],按照盆地沉降抬升过程、最大埋深及最高古地温达到时期早晚、盆地现今地温梯度的高低等条件,将深层、超深层热演化史划分类为 4 种主要类型(见图8)[13-14]。

图8 不同类型盆地深层、超深层热演化史类型划分图Fig.8 Classification of deep and ultra-deep thermal evolution history types in different types of basins

深层、超深层不同热演化史类型盆地由于在盆地现今地温场、沉降及抬升过程、热演化史、加热时间、压力等方面存在较大差异,导致不同热演化史类型盆地深层、超深层在生油门限、油气相态、油气生成时间、成藏期早晚、油气富集程度及油气勘探前景等方面有明显差异[13-14]。盆地古地温演化史及现今地层温度对油气相态及成藏富集有重要影响。

5 深层、超深层热演化史与油气关系应重视的科学问题

5.1 古温标的开发及深入研究

深层、超深层古老海相地层中缺乏来自高等植物的镜质体,缺乏古温标。不同学者应用沥青反射率、镜状体反射率、笔石等反射率与镜质体反射率建立联系来恢复热史。团簇同位素作为一种新的有效古温标,为碳酸盐岩地层的热历史恢复提供了可能[51-53]。有学者将方解石或白云石胶结物U-Pb同位素测年与包裹体测温、 团簇同位素(Δ47)测温相结合恢复碳酸盐岩层系的热演化史[56]。

对古老深层碳酸盐岩层系而言,由于缺乏古温标，需要继续开发新的温标及对已有的温标进行深入研究,需要根据盆地的实际地质状况,将地球动力学热史恢复方法与古温标方法相结合,克服古地温温标法及动力学模型法的不足及局限性。根据盆地的地质实际选择适合的模型,多种方法相互约束验证,对于早期盆地及具体地区或钻井的热演化史恢复将更有效,精度也更高。

5.2 深层古老盆地早期热体制、热事件研究

古老叠合盆地深层、超深层早期盆地热动力学及热体制是盆地热演化研究的重要内容及今后研究的重要方向,但早期盆地热体制研究难度大,总体薄弱。对于古老叠合盆地而言,后期盆地对前期盆地的古地温场、构造热事件有改造或改变作用,早期的古地温场、构造热事件、热体制信息可能被后期的构造热事件或盆地叠而加改造或抹去[28]。深层、超深层古老盆地早期热体制的研究需要考虑不同的改造情况,将盆地形成的构造背景、盆地类型、沉积构造特征及演化过程、深部物质及热活动信息、火成岩地球化学与年代学等相结合,采用古温标法与盆地动力学模型法相结合的方法,来恢复叠合盆地深层、超深层早期盆地的地温梯度、古大地热流、热事件、岩石圈热结构等古地温场信息。需要将盆地深部岩石圈的热动力学形成演化机制与盆地的热演化史相结合,来探讨盆地的热体制[64，67-77]。

澳大利亚马斯格雷夫省中元古代发育镁铁质侵入体和约1 075 Ma形成的大火成岩省,研究表明，该地区经历了高到超高的地壳温度并伴随中地壳超高温变质作用,反映了在中元古代存在薄而弱的岩石圈。澳大利亚中部马斯格雷夫地区中元古代热异常是岩石圈深部热/熔融的作用导致了岩石圈减薄及火成岩活动的结果[78]。

沉积盆地构造热事件的研究是盆地热演化史恢复研究的一个重要方面及研究的重点,构造-热事件对盆地或造山带的构造演化及其油气等矿产成藏、成矿作用有重要影响[28，64，67]。盆地构造热事件可以通过古温标法、岩石学方法、构造恢复方法、盆地模拟方法、热年代学技术等多种方法,结合区域构造-沉积建造特征来确定[28，67]。

5.3 加热时间、压力对深层成熟度、油气相态的影响

加热时间是影响深层、超深层油气温度、深度分布范围差异的重要原因之一,不同热演化史类型的盆地深层、超深层原油液态窗的温度差异大[1-2，13]。对于盆地演化后期沉降幅度大、地温梯度低、加热时间短的盆地,埋藏深度大(如塔里木盆地),在埋深7 000～8 000 m仍然有液态原油存在。在东部中生代的松辽盆地，地温梯度高,烃源岩加热时间长,相同深度热演化程度高，埋藏浅， 如松辽盆地庆深大气田， 埋深主要在3 400～4 400 m,气田分布深度明显比塔里木盆地浅。

因此，需要加强深层、超深层热演化史过程及加热时间对油气生成时间、油气相态及成藏期次的研究,建立不同热演化史类型、不同加热时间盆地深层原油液态窗、气态窗温度、深度分布范围模式,以指导不同热演化史类型盆地的深层油气成藏研究及勘探开发[79]。

压力对烃源岩成熟度及油气相态温度范围有一定的影响,异常压力高,加大了原油存在的深度范围[31,80]。另外，不同热演化史盆地的油气压力与温度关系不同[13-14],压力对烃源岩成熟度的影响较为复杂,不同类型盆地影响不同,因此应进一步加强压力对油气相态存在的温度范围影响的定量研究及对油气成藏影响的研究。

5.4 不同烃源岩母质类型对油气生成窗温度的影响

深层、超深层烃源岩主要形成于深水及斜坡相环境,其岩石类型有泥页岩、硅质泥岩、泥质灰岩和白云岩。

不同盆地烃源岩的特征及类型差异大,其生成液态烃及天然气的温度差异较大,油气产物相态及生油窗温度不同[81]。因此，应进一步深入研究盆地深层、超深层不同烃源岩母质类型温度及加热过程对油气相态的影响,分析不同母质类型与油气相态及温度的关系[80]。

5.5 深层古老烃源层系是否变质及生烃极限研究

深层、 超深层烃源岩演化程度一般较高, 烃源岩是否变质直接影响对油气勘探潜力的评价, 是石油气勘探领域的重要问题。 中国塔里木盆地勘探深度已超过8 000 m, 国外油气勘探深度已超过9 000 m, 原油在200～250℃甚至更高的温度条件下都是稳定的[82]。 气藏分布的最大下限深度为 10 000～12 000 m, 地层温度为300～350℃[26]。

模拟实验表明， Ⅰ、 Ⅱ型干酪根的主生油期为Ro值小于1.5%, 主生气期在Ro值为1.1%～2.6%。纯原油裂解的起始点Ro值为1.3%,主生气阶段Ro值为1.5%～3.8%。液态烃裂解生气的终点应在Ro值超过3.5%之后,在有压力参与环境中,终止点有可能延至Ro值超过4.0%以后[83]。天然气保存的下限为Ro≈5.0%,在深层Ro≤5.0%的特高演化阶段仍然具有一定的勘探前景[84]。学者对深层、超深层烃源岩生烃热演化程度及温度极限有不同认识,生烃热演化程度及温度极限是多少?烃源岩变质与未变质对应的温度及热成熟度指标界限如何?这些重要问题关系到对烃源岩及盆地油气勘探前景的评价,需要进一步的研究,以便更好为深层、超深层油气勘探提供科学指导。

烃源岩是否变质可以通过变质矿物组合是否形成、伊利石结晶度、K-白云母演化、镜质体成熟度和化学分析来确定[41-43]。研究黏土矿物的蚀变和反应进程是分析沉积盆地热演化中低—极低级变质的有力工具。 伊利石和绿泥石等片状硅酸盐在沉积盆地层序中非常常见， 它们可用于确定通过X-射线衍射(XRD)分析的成岩作用和低温变质作用的等级, 利用伊利石“结晶度”(KI)和绿泥石rkai指数来定义变质带的界限。 Sebastien P等2016年结合矿物组合、伊利石和绿泥石“结晶度指标”和K-白云母b细胞维数,对马克斯坦盆地变质程度进行了多学科研究,认为在盆地中心符合中压型埋藏变质或造山变质作用特征[85]。

5.6 深层古地温及演化史恢复及其对油气成藏的控制作用

不同盆地深层、超深层热演化史复杂, 类型多样, 古地温及热演化史的恢复难度大, 关键是早期盆地地热场及热体制的恢复， 需要根据盆地各种资料, 采用叠合盆地古地温恢复的理论及多种古地温方法进行综合研究[28]。 充分利用各种古温标建立的动力学模型与温度的关系, 结合沉积地层恢复的精细埋藏史及地质历史时期关键节点古地温恢复结果为约束, 将地球动力学方法与古温标方法相结合, 克服了古地温温标法和动力学模型法的不足与局限性, 对于早期盆地及具体地区或钻井的热演化史恢复更有效, 精度也更高[13，28]。

深层、超深层复杂的热演化史导致生烃、油气相态、成藏历史及富集程度差异大。只有在精确恢复盆地深层构造热演化史的基础上,结合烃源岩地球化学特征,才能准确地确定油气生成期、油气相态、成藏历史等油气评价的关键问题,有效地指导深层、超深层油气的勘探[13，20]。

6 结论

1)沉积盆地深层、超深层是油气勘探的重要领域,不同地热类型盆地深层、超深层现今温度差异大,热演化历史复杂,恢复难度大。

2)不同地温梯度盆地在中浅层差异较小,在深层、超深层同一深度、不同地温梯度盆地，其现今地温温度可相差110℃以上,最大差值可达180℃以上，现今温度差异大。温度是控制油气相态分布最为重要的控制因素,加热时间也是重要因素。从高地温梯度盆地到低地温梯度盆地,石油液态窗、凝析油湿气、干气分布深度逐渐加深。在西部低温型快速沉降盆地，超深层油藏分布的埋深可达8 000～9 000 m,凝析油湿气气藏埋深更大,可达12 000 m以上。

3)叠合盆地深层、超深层，特别是海相碳酸盐岩缺乏有效的古地温恢复方法。在国内外对不同古温标方法研究新进展分析的基础上,认为多种古温标方法与盆地演化地质条件相结合,相互约束,可有效提高古地温恢复的精度和可靠性。

4)深层、超深层经历多期构造运动改造及破坏,早期盆地古地温场及构造热事件的信息难以记录,可将盆地与造山带相结合、盆缘与盆内相结合、多种古地温研究方法相结合、不同时期原型盆地热动力学模型与多种盆地模拟方法相结合，从而提出的复杂叠合盆地热演化史恢复理论及方法是进行复杂叠合盆地热演化史恢复的有效方法,特别是叠合盆地早期地温场状况的恢复。将深层、超深层盆地热演化史划分为4种类型,不同热演化史类型盆地深层、超深层在油气相态、油气生成、成藏期次及早晚、油气前景方面差异明显。

5)鄂尔多斯盆地深层中新元古界的热演化史恢复表明，其中新元古界经历了多期次不同热动力背景盆地的叠加与改造、盆地多期次抬升剥蚀,盆地热演化史控制了中新元古界及以上各层烃源岩的生烃及成藏历史。在中新元古代，深凹陷中新元古界经历二次生油阶段；在斜坡区主要生油期只有一次且比深凹陷区晚,深凹陷区及斜坡区均在中生代晚期大量生气。对中新元古界、下古生界天然气生烃、成藏早晚影响较大的主要为中新元古代断陷深浅、古地温梯度及早白垩世异常古地温场。

6)深层、超深层热演化史与油气关系研究中应重视新古温标的开发、热体制、热事件、烃源岩是否变质等学科前沿问题研究。