中上扬子地区地史模拟及其油气地质意义

邱登峰;李双建;袁玉松;毛小平;周雁;孙冬胜

【摘 要】利用三维盆地数值模拟技术恢复了中上扬子地区地史演化过程,在地史发育特征的基础上,分析了古构造对沉积的控制作用,并阐明了其发育的油气地质意义.结果表明,扬子板块泥盆纪沉积前表现为“隆凹相间”的格局,印支期在扬子地台上形成北东向的“一隆两坳”格局.对比加里东期与印支期的构造格局发现,印支期的川西坳陷基本上位于加里东期乐山—龙女寺隆起之上,印支期的泸州古隆起亦覆叠在加里东期的川南坳陷之上,南充—梁平一带位于构造转换的枢纽带,印支期的石首—宜昌隆起发育在加里东期的江汉盆地北部坳陷上,反映出印支期对加里东期的构造反转现象十分显著.从贯穿四川盆地东西向和南北向的2条构造演化剖面也可以看出,印支期对加里东期构造的叠加和反转,并反映出古构造的形成与迁移过程.泸州古隆起是一个典型的印支期古隆起叠加在加里东期古坳陷上的构造,形成了下生上储的油气资源配置关系,对以志留系为源的油气勘探应该具有良好的前景.乐山—龙女寺古隆起和黔中古隆起是印支期以前奥陶系以下地层油气运移的持续指向区,但它们仅能控制寒武系烃源岩的油气,与寒武系生烃坳陷相邻的古斜坡部位油气勘探比较有利.

【期刊名称】《油气地质与采收率》 【年(卷),期】2015(022)004 【总页数】8页(P6-13)

【关键词】地史模拟;回剥法;加里东期;印支期;构造反转;中上扬子地区 【作 者】邱登峰;李双建;袁玉松;毛小平;周雁;孙冬胜

【作者单位】中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室,北京100083;中国地质大学(北京)能源学院,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室,北京100083 【正文语种】中 文 【中图分类】TE111.3

自从20世纪70年代Ojakangas首先用计算机实现一维沉积柱的升降模拟以来，盆地模拟方法发展神速［1］，作为一项高新仿真技术，它对降低油气勘探风险、深化地质认识并促进地学定量化等方面有着重大意义［2］。盆地数值模拟可以定量描述地质对象特征，综合考虑诸如沉积埋藏过程、成岩过程、温度场演化、压力场演化等沉积盆地演变的基本方面及其相互间的耦合关系［3-4］，为克服时空的、定量再现地质事件的发生、发展、演化过程提供一条可行之路［5］。目前一个完整的盆地模拟系统是由地史模型、热史模型、成岩史模型、生烃史模型、排烃史模型（初次运移）、烃类运聚史模型（二次运移）6个模型有机组成［6］。地史模型是盆地模拟的基础，应考虑沉积间断、沉积压实、欠压实（超压）、单层剥蚀、多层连续剥蚀、断层及古水深等地质现象［6］，其精度直接影响后面5个模型的精度，因此备受广大石油地质工作者的关注与重视［6-7］。

中上扬子地区是在扬子克拉通台地基础上形成和发展起来的大型含油气叠合盆地，盆地沉积盖层发育齐全，自震旦纪至早中三叠世，整个扬子地块以升降运动占主导，发育一套巨厚的，以碳酸盐岩、泥岩、砂岩、蒸发岩等为主的台地相和边缘相沉积，具有多旋回、多层系、多烃源层、多产层、油气多期成藏的特点［8-11］。在漫长的地质演化历史中，中上扬子地区经历了多期次、不同性质的构造变动事件，

不同构造事件不仅导致了原型盆地的形成和改造，同时它们之间的叠加、复合和联合，造就了现今复杂的构造形变图像［8］。对于中上扬子地区的埋藏史，刘伊克等将地震剖面与钻井资料结合起来，对剖面上任意点进行回剥分析，给出了四川盆地的沉积史和构造史［12］；沃玉进等通过各二级构造区关键井埋藏史恢复，将印支运动以来中国南方海相层系的多期沉降与隆升划分为“早降晚抬”和“早抬晚降”2大类6种形式的埋藏演化史类型［13］；袁玉松等采用回剥法重建埋藏史，将中上扬子地区的埋藏史分为3种主要类型，即早抬持续型、早抬再降型和晚抬持续型［14］。这些成果均是在单井埋藏史模拟的基础上作出的分析和讨论。笔者采用朱夏院士提出的盆地研究TSM系统工作程式为指导思想的TSM盆地模拟技术［15］，重建了中上扬子地区地史演化过程，对深入认识该区演化历史及其与油气形成、聚集的关系具有重要意义。

中上扬子地区大地构造位置隶属扬子地台中西部，北以商丹断裂带与秦岭褶皱系相邻，西以龙门山-小江断裂带与青藏-滇西褶皱区分界，西南以垭都—紫云-罗甸断裂带为界，东南则以江山-绍兴断裂与华南褶皱系相接［16］，东以连云港-黄梅大断裂与下扬子地块分隔［17］，面积近50×104km2。基底由前震旦系变质地层组成，最终于晋宁运动（距今1 000～830Ma）固结［8，18-21］。自中元古代以来，在秦岭造山带及其南北两侧块伸展裂解—汇聚碰撞的大背景下，研究区经历了中新元古代、新元古代末—奥陶纪原特提斯、泥盆纪—中二叠世古特提斯、晚二叠世—侏罗纪新特提斯及白垩纪以来等5大收敛—聚合构造旋回，形成了丰富多彩的盆地原型及组合［22-23］。根据前人的研究成果［24］，将中上扬子地区划分为四川盆地、黔西北宽缓褶皱带、黔南坳陷、武陵褶皱带、湘鄂西冲断褶皱带、江汉盆地及其北部褶皱带、监利通山冲断带等7个构造单元（图1）。 地史模拟的关键是恢复地层的古厚度，通过压实校正，消除地层厚度随时间和深度变化的影响，把某一地层单元的现今实测厚度恢复到沉积时或埋藏过程中某一时刻

的厚度［25］。采用回剥反演法来进行地层古厚度的恢复计算。

回剥反演法基于3条假设［26-27］：①在压实过程中，地层骨架体积始终保持不变，地层体积变小是由地层孔隙体积变小引起的；②在压实过程中，地层横向宽度保持不变，仅纵向厚度随地层体积的变小而变小；③地层压实程度由埋深所决定，具不可逆性，即在埋深不超过最大古埋深时，地层压实程度保持不变。 地层骨架厚度的计算公式为

式中：hs为地层骨架厚度，m；z1和z2分别为地层的顶、底界埋深，m；φ为孔隙度；z为埋深，m。

Athy等基于正常压力提出的孔隙度—深度关系方程［28-29］，认为孔隙度与埋深呈指数关系，即

式中：φ0为地表孔隙度；c为压实因子，岩性不同其取值不同。 将式（2）代入式（1），经过变换得到求取地层底界埋深的公式为

TSM地史模拟在现今残余地层格架的基础上，结合钻井地层资料、孔隙度资料、剥蚀量资料，按式（3）将上覆地层层层回剥、迭代得到各地层的原始沉积厚度，进而按地层年代关系重建盆地的构造演化史，在此过程中运用体元表达空间曲面，运用体平衡技术保持变形过程中的体积守恒，进而实现三维模拟［30-31］。 3.1 地层时代参数

将中上扬子地区纵向上按照已有的地层厚度资料建立了11个地层层系，并考虑了志留纪末、早中三叠世末、侏罗纪末等3期剥蚀因素。每个层系根据国际地层年代表给定底界地质年龄，并以地层综合柱状体为依据统计了砂岩、泥岩和碳酸盐岩的平均含量（表1）。 3.2 构造沉积体

现今的残余地层厚度来源于全国第3次油气资源评价的地层厚度数据［32］。中上扬子地区寒武系分布不均匀，厚度为500～3 600m。奥陶系在北部厚度薄，仅

为100～200m，中南部除黔西北宽缓褶皱带外厚度约为500～800m。志留系东西部差别较大，在西部的四川盆地中西部、黔南坳陷基本无志留系，其他地区厚度约为300～800m；东部地区厚度为1 000～2 000m。泥盆系在黔南坳陷厚度为2 000～4 000m，其余地区剥蚀殆尽。石炭系在黔南坳陷、黔西北宽缓褶皱带厚度为300～1 000m，尽管厚度比泥盆系小，但范围比泥盆系大。下二叠统遍布全区，厚度为300～600m；上二叠统在四川盆地、黔南坳陷、黔西北宽缓褶皱带、武陵褶皱带厚度为300～500m，其余地区较薄，厚度约为100m。中下三叠统在全区均较厚，在湘鄂西冲断褶皱带、黔南坳陷、四川盆地厚度可达2 000m以上；上三叠统在研究区中部几乎无地层残余，在四川盆地西北角厚度约为800～2 000m，在四川盆地中东部、江汉盆地及其北部褶皱带残余200～400m。侏罗系除湘鄂西冲断褶皱带南部地区外，其余地区厚度均为800～2 000 m，在江汉盆地及其北部褶皱带、四川盆地厚度最大。白垩系—新近系在江汉盆地厚度为900～2 000 m，四川盆地西北角残余300～600m，中部大量地区缺失。忽略地表起伏及第四系残余厚度，以白垩系—新近系残余厚度的负值为基准，各层厚度取负值后依次累加即得到各地层底界埋深。将各层的埋深图在三维模拟界面中按新老次序叠加，即得到了地史模拟的构造沉积体（图2）。平面上模拟区南北宽866 km，东西长1 250 km，综合考虑计算精度和模拟运算速度，取网格密度为160行×240列，每个网格代表的实际尺寸约为5 km×5 km。 3.3 孔隙度—深度关系

利用回剥法进行地史恢复时，孔隙度随埋深的增加呈指数减小，而且岩性不同初始孔隙度和递减速率均不同。按照式（2）建立孔隙度—深度关系，根据前人盆地模拟时所选取的岩性参数［33-34］，并结合钻井孔隙度进行适度修正。砂岩、泥岩和碳酸盐岩的初始孔隙度分别为45%，60%和50%，压实系数分别为0.000 35，0.000 5和0.000 45。对于碳酸盐岩，在埋深达到一定程度后，除了机械压实还

会发生压溶及其他影响作用，已有学者对压溶碳酸盐岩地层厚度的恢复问题进行初步探讨［35］，但尚不成熟，有待以后进一步研究。 3.4 剥蚀厚度

中上扬子地区在经历了加里东期、印支期、燕山早期、喜马拉雅晚期等强烈的构造运动后，分别在志留纪末、早中三叠世末、侏罗纪末、白垩纪—新近纪后形成了4期规模较大的区域性抬升剥蚀，在地震剖面上可识别出志留纪末、中三叠世末、侏罗纪末3个连续可追踪的区域不整合面。综合前人在四川盆地、江汉盆地、鄂西渝东、贵州等地区所做的剥蚀期次与剥蚀程度的工作［36-42］，对研究区的剥蚀量进行了整理。其中加里东期剥蚀厚度为200～600 m，印支期剥蚀厚度较大，为400～2 000m，燕山早期剥蚀厚度为1 000～4 000m，喜马拉雅晚期剥蚀厚度为500～2 000m。

盆地模拟中将剥蚀事件视为沉积时间和剥蚀时间相等的地质过程［7］，而受剥蚀地层的古厚度恢复包括被剥蚀地层的古厚度恢复与目前残余地层的古厚度恢复2部分［25］。

运用回剥法反演了中上扬子地区的地史演化过程，在平面上编制不同层系、不同时期的古埋深图。中上扬子地区泥盆系沉积前寒武系底面埋深（图3）显示，研究区在加里东期具有“隆凹相间”的构造格局，形成了鄂西坳陷、川南坳陷、黔东南坳陷、江汉盆地北部坳陷、黔中隆起、乐山—龙女寺隆起。上三叠统沉积前二叠系底面埋深（图4）显示，研究区在印支期具有“三坳两隆”的构造格局，包含当阳—武汉坳陷、石首—宜昌隆起、湘鄂西—黔南坳陷、泸州隆起、川北—川西坳陷。二者对比显示，印支期的川北—川西坳陷发育在加里东期的乐山—龙女寺隆起上，泸州隆起发育在川南坳陷上，石首—宜昌隆起发育在江汉盆地北部坳陷上，表明印支期构造和沉降中心对加里东期的构造反转明显。

剖面上，纵贯四川盆地东西向和南北向的2条构造演化剖面反映了古构造的形成

与迁移过程（剖面线位置见图1）。四川盆地南北向苍溪—大方剖面古构造演化史（图5）显示，在寒武系沉积末奥陶系沉积前，川中古隆起就已经形成，它控制了寒武系的沉积厚度，隆起的高点在南充一带，该古隆起在二叠纪沉积前持续发育，对奥陶系和志留系的沉积具有控制作用。同期形成的黔中古隆起的隆起幅度没有川中古隆起大，在寒武纪末期隆起的规模不大，奥陶纪—二叠纪前该隆起也是持续发育，控制了奥陶系和志留系的沉积，该构造剖面经过的地区都缺失了泥盆系和石炭系的沉积。二叠系完全覆盖了加里东期的古隆起，隆起在海西期已经不对沉积产生控制，二叠系在区域上的厚度是稳定的。晚二叠世末—三叠纪沉积前，泸州古隆起初步形成，它控制了上二叠统的沉积厚度，在早中三叠世，泸州古隆起进一步发育，先前形成的川中古隆起和黔中古隆起都演变成了泸州古隆起的斜坡，但是以奥陶系底面为界，加里东期古隆起仍然控制着奥陶系以下地层的油气运移方向，奥陶系以上地层的油气运移受控于印支期古隆起。晚三叠世，四川盆地总体表现为南升北降，由北向南表现为一个巨大的向北倾的斜坡，前期的加里东期和印支期古隆起不再对沉积起控制作用，但对油气运移有控制作用，仍然是油气运移的低势区。从整个剖面的演化来看，泸州古隆起是一个典型的印支期古隆起叠加在加里东期古坳陷上的构造，该区志留系烃源岩发育，又有适时的古隆起背景，形成了下生上储的油气资源配置关系，对以志留系为源的油气勘探应该具有良好的前景。川中古隆起和黔中古隆起是印支期以前奥陶系以下地层油气运移的持续指向区，但它们仅能控制寒武系烃源岩的油气，所以在这些地区与寒武系生烃坳陷相邻的古斜坡部位油气勘探比较有利。

四川盆地东西向成都—利川剖面的构造演化史（图6）显示，四川盆地东西向构造在加里东期和印支期明显存在一次大规模的构造反转，在加里东期四川盆地表现为西高东低的构造格局，印支期特别是晚三叠世以来主要表现为西低东高的构造格局，南充—梁平一带是构造转换的枢纽带。枢纽带是一系列构造活动中的相对稳定部

位，相对于凹陷处在高部位是油气运移的指向区，相对于隆起处在低部位有利于油气藏的保存，对于油气勘探具有重要意义［43-44］。在加里东期川中古隆起控制了寒武系、奥陶系和志留系的沉积厚度，尤其对志留系的控制作用比较明显。同样，该构造线所经过的地区缺失了泥盆系与石炭系沉积，二叠纪开始，川中古隆起对沉积的控制作用已经消失，但是它仍然控制着奥陶系以下地层的构造面貌，是以寒武系为源的油气运移的有利指向区。中晚三叠世末的印支运动，在该构造线上仅表现为梁平地区的低幅度隆起，控制了早中三叠世的沉积，随后被晚三叠世末形成的西低东高的大斜坡所改造。

地史模拟结果表明，中上扬子区在加里东期具有“隆凹相间”的构造格局，在印支期具有“三坳两隆”的构造格局，印支期构造和沉降中心对加里东期的构造反转作用明显。加里东期古隆起控制着奥陶系以下地层的油气运移方向，与寒武系生烃坳陷相邻的古斜坡部位油气勘探比较有利；泸州古隆起是一个典型的印支期古隆起叠加在加里东期古坳陷上的构造，形成了下生上储的油气资源配置关系；南充—梁平一带位于构造转换的枢纽带，有利于油气的运移和保存。

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