盆地热体制是目前地学研究的前缘课题和盆地动力学研究的重要内容,是研究板块运动、地球动力学的重要环节。通过盆地热体制研究,不仅可以从地热学角度重塑盆地的构造演化特征,还可以揭示烃源岩的受热历史和油气生成史,进而揭示“烃灶”的位置及其在地质历史时期中的迁移过程,为含油气系统的“动态”演化研究提供重要约束。随着我国经济的快速增长,油气短缺趋势正逐年加大,而中国西部叠合盆地是我国最现实的油气后备储量战略接替区。我国西部新生代以来独特的大地构造活动性塑造了盆地基底地壳厚度大、地温梯度小、主体油气藏埋深大的油气地质背景,成为我国乃至世界上深层(>4500m)油气勘探开发的重要战场。高成熟度烃源岩的热演化评价是深层油气勘探尚未解决的重要问题之一。传统的以烃源岩成熟度为指标的静态评价方法已经不能适应我国深层高成熟烃源岩的评价需要,发展动态的评价方法十分必要。近十余年来,以多种古温标反演为核心的叠合盆地热史恢复方法的建立,为开展烃源岩动态评价奠定了基础。通过盆地热史的精细恢复,可以详细描述烃源岩在地质历史过程中时空演化规律,准确确定其生烃期,定量地认识不同时段烃源岩对油气藏的贡献,进而为深层油气勘探中资源评价和有力勘探目标优选提供可靠的地热学参数。
本文以我国西部典型叠合盆地之一----准噶尔盆地为例,针对其深层多期复杂热史的特点,综合盆地演化阶段、构造与岩浆作用过程,在盆地现今地温场与岩石圈热结构研究的基础上,采用镜质体反射率等古温标,定量、系统、有效地恢复了准噶尔盆地晚石炭世以来的热历史,进而分析其演化特征和主控因素。在此基础上,模拟准噶尔盆地深层石炭系、下二叠统、中二叠统和中—下侏罗统四套烃源岩热演化过程,分析烃源岩热演化控制下的含油气系统的形成和变迁。通过系统分析准噶尔盆地2000年以来新增的102口钻孔的系统测井温度和400余口钻孔的试油温度资料;采用光学扫描法测试了15口钻孔共187块代表性岩石热导率,首次建立了准噶尔盆地岩石热导率柱,新增了11个高质量的(A类)大地热流数据,分析了准噶尔盆地大地热流分布特征,并揭示了其岩石圈热结构。研究表明,准噶尔盆地现今地温梯度介于11.6~27.6℃/km,平均21.3±3.7℃/km,大地热流介于23.4~56.1mW/m2,平均42.5±7.4 mW/m2,表现为低地温梯度、低大地热流的“冷”盆特征。准噶尔盆地大地热流与地温梯度分布规律基本一致,主要受控于基底的构造形态,东部隆起最高,陆梁隆起次之,乌伦古坳陷、中央坳陷和西部隆起较低,北天山山前坳陷最低。准噶尔盆地地壳热流介于18.8~26.0mW/m2,地幔热流介于16.5~23.7mW/m2,壳幔热流比值介于0.79~1.58,属于典型的“冷壳冷幔”型热结构。准噶尔盆地地幔热流值与莫霍面起伏一致,隆起区地幔热流高,坳陷区地幔热流低。
本研究利用不同的自然伽马(GR)—生热率(A)经验关系式分别计算了准噶尔盆地不同构造单元16口钻孔共6120个沉积层生热率,通过与实测生热率的统计对比,确定了适用于研究区的GR—A经验关系,建立了准噶尔盆地地层生热率柱,据此计算了研究区沉积层热流贡献,并以盆参2井为例定量分析了沉积层热流的增温效应。结果表明,准噶尔盆地沉积层平均生热率为1.179±0.339μW/m3,总体上随着时代变老,沉积层生热率呈现出递减趋势。准噶尔盆地沉积层热流平均为7.9±4.9mW/m2,约占地壳热流的29.2%和大地热流的19.6%,区域上与盆地沉积层厚度大体一致,表现为中央坳陷最高,北天山山前冲断带变化较大,陆梁隆起和西部隆起次之,东部隆起和乌伦古坳陷最低。沉积层热流能够有效增高深层烃源层受热温度,促进有机质热演化,如在考虑和忽略沉积层生热的两种情况下计算的盆参2井下侏罗统三工河组烃源岩底部(5300m)温度差异最大为7.3℃,这显然对于地温梯度小、主体油气藏埋深大的准噶尔盆地油气资源评价和勘探目标优选具有重要意义。
本文通过古温标Ro和裂变径迹的定性、定量热史分析,采用古地温梯度法和古热流法,联合对准噶尔盆地热流演化历史进行了反演计算。结果表明,准噶尔盆地古热流较高,晚石炭世—早中二叠世一般可达80~100mW/m2;中、新生代,热流持续、逐渐降低,直至现今的42.5mW/m2。盆地的热流演化与构造演化息息相关。综合盆地及其周缘晚古生代火山机构的平面分布、火山活动期次和上石炭统的沉积序列,认为晚石炭世的超高古热流受控于同时期的强烈的岩浆活动。结合盆地地质、地球物理和地球化学资料,论证了早—中二叠世准噶尔盆地的裂谷属性,即岩石圈的减薄与强烈拉张造成了早—中二叠世的高热流。中生代为陆内坳陷阶段,盆地的构造稳定性增强以及缺乏幔源热活动的动力学机制导致盆地热流降低。新生代,印度板块与欧亚板块碰撞产生的远程效应,使盆地转为前陆盆地演化阶段,盆地南缘岩石圈的挠曲沉降及快速、巨厚的磨拉石建造是现今低地温梯度、低大地热流的主要原因。准噶尔盆地石炭纪强烈的岩浆活动和早—中二叠世的拉张断陷是准噶尔盆地经历的重要的构造—热事件,对深层烃源岩的热演化及其油气成藏产生了深远影响,石炭系烃源岩以早期一次快速演化生烃为特征,而中—下二叠统烃源岩则表现为在早期高热流背景下的一次生烃和晚期深埋增温作用下的二次生烃,以中—下二叠统为烃源的油气藏则表现为多源多期复合成藏。与石炭系和中—下二叠统烃源岩不同,中—下侏罗统烃源岩的热演化受控于低热流背景下的深埋增温作用。现今盆地大部分地区,中—下侏罗统仍处于未成熟阶段,仅在埋深大的盆地南缘已经成熟,阜康凹陷在早白垩世进入生烃门限,晚白垩世达到生烃高峰,古近纪进入生油晚期。在早期高古热流和后期埋深增热的共同控制下,准噶尔盆地不同层系或者不同构造位置相同层系深层烃源岩热演化过程存在明显差异,以深层烃源岩为核心的含油气系统自然就随着地质历史时期发生变化。盆地内下二叠统含油气系统主要形成于高热流背景下的中晚二叠世,以玛湖凹陷内的下二叠统含油气系统最为富集;中二叠统含油气系统主要形成于三叠纪—早侏罗世,以多期、多储的复合含油气系统为主要特征;受中、新生代低热流背景的影响,中—下侏罗统烃源岩的差异成熟显著,侏罗系含油气系统范围比较局限,仅分布在中—下侏罗统埋深较大的南缘。