前新生代海相残留盆地是中国油气勘探二次创业的主要方向^{[1, 2]}.江汉盆地南部（图 1）的海相地层以高热演化、多期构造运动叠加为特点，盆地热史和烃源岩成熟度演化史已经成为该地区油气勘探的重要研究内容.

图 1

Fig. 1

图 1 江汉盆地南部构造分区和地震剖面分布图 Fig. 1 Sketch map of structural units and distribution of seismic cross-sectionsin the southern Jianghan basin

在江汉盆地的热史恢复方面，前人以Ro为古温度计反演热史做过一些工作^[3]，但Ro值只能记录最高古温度，最高古温度以前的热史利用此方法是不能恢复的.针对这种情况，作者采用赵长煜等（2010）的最新研究资料^[4]，恢复了古生代及其以前的古热流，并利用Ro古温度、磷灰石裂变径迹数据恢复了江汉盆地自古生代以来的热流史.江汉盆地南部发育着上震旦统、下寒武统、下志留统和二叠系四套烃源岩（图 2）^[5].上震旦统和下寒武统烃源岩的分布面积较小，埋藏较深、厚度薄，油气勘探潜力小^1）.相比之下，下志留统和二叠系烃源岩的分布面积较大，埋藏较浅，地表可见十余处油苗，井下有良好的油气显示，在区域油气勘探中占有十分重要的地位.前人对二叠系烃源岩成熟度演化已做过系统研究^[6]，但是对下志留统烃源岩成熟度演化的研究亟待深入.江汉盆地南部钻井数量较少，分布不均，潜北断裂以北的钻井很少钻遇志留系.因此，作者结合现有的97条地震剖面以及大量的钻井分层数据、有机地球化学数据等资料，利用美国PRA公司的Basinmod1D和Basinview软件对下志留统烃源岩成熟度演化规律进行了探讨，这对江汉盆地油气勘探具有重要的指导意义.

1）王正元，旷理雄.江汉探区油气资源评价.江汉石油管理局科研报告，2000

图 2

Fig. 2

图 2 江汉盆地南部区域构造剖面图 Fig. 2 Tectonic cross-section in the southern Jianghan basin

江汉盆地南部位于团凤-麻城断裂以西、黄陵背斜以东，南北分别以江南断裂和襄广断裂为界，属于中古生界海相油气勘探领域.研究区可进一步划分为黄陵背斜、宜都-鹤峰复背斜、当阳复向斜、乐乡关-潜江复背斜、沉湖-土地堂复向斜、巴洪冲断背斜带和崇阳-通山冲断背斜带等七个次级构造单元.因实测资料所限，作者只研究了图 1虚线框内的勘探区域.

晋宁事件期间，江汉盆地构建了前震旦系的变质基底.在此基础上，进一步发育了加里东期（Z-O₁）和海西-早印支期（D₂-T₂）两个世代的被动大陆边缘盆地，以及晚加里东期（O-S）与晚印支-早燕山期（T₃-J_1-2）的两期前陆盆地.中燕山期桐柏碰撞造山带和九岭-雪峰基底折离造山带陆内造山运动的强烈挤压、逆冲推覆活动，改造并破坏了两个世代的原型大陆边缘盆地和前陆盆地，使其成为构造残留盆地.晚燕山-早喜山期的构造体制反转为伸展盆地，叠加了大型K₂-E的断陷盆地和N-Q的拗陷盆地^[7~13].

盆地南部发育上震旦统、下寒武统、下志留统和二叠系四套烃源岩.下志留统烃源岩为一套浅海沉积-广海陆棚相的碎屑岩沉积，烃源岩以碳质页岩、深灰色泥页岩为主，分布面积为32400km²，厚度为23.6~139.7m，平均厚度为68.9m，有机碳含量在0.6%~1.2%之间，沥青“A”含量为0.0119%，碳同位素分布在-28.17‰~-29.15‰，平均值为-28.85‰，属于典型的Ⅰ型.下志留统烃源岩的Ro值介于0.66%~3.37%，以当阳地区的演化程度为最高，属于过成熟中晚期.其次是沉湖地区、崇阳地区，以乐乡关-潜江复背斜的成熟度为最低，其Ro值普遍小于1.5%，属于高成熟-过成熟早期阶段.盆地烃源岩的生烃强度一般为（10.0~30.0）× 10⁸m³/km²，当阳地区最高，沉湖地区次之^{[6, 14~16]}.

在盆地尺度上，可利用各种古温度计（如Ro、磷灰石裂变径迹、粘土矿物等）重建热史^[17~20].根据江汉盆地的实际地质条件和古温度数据，作者采用古热流法^[21]来恢复盆地热流史.

在明确各主要构造层剥蚀厚度的情况下，地层埋藏史可通过对地层现今残留厚度进行回剥，并结合超压分析技术予以恢复^[22].地层的热演化主要受埋藏史、盆地底部热流、地层热物性参数（热导率、比热、密度等）变化以及沉积剥蚀作用、非稳态热效应等因素的控制^[17].埋藏史和盆地底部热流是控制地层热演化的主导因素，地层中古温度计则间接记录了地层埋藏史（古埋深或剥蚀厚度）和盆地底部热流的变化情况.

正演过程中，Ro值采用平行化学反应模型（EASY%Ro）进行计算^[18]，裂变径迹数据采用扇形模型进行处理^[23]，盆地热史则采用PRA公司开发的Basinmod1D进行模拟.

（1）基本参数包括岩性参数和现今盆地实测热流.其中，岩性参数包括各种岩石的热导率、生热率、比热、密度、压实系数和初始孔隙度，灰岩、白云岩、砂岩、页岩及火山岩的热导率、压实系数通过实测的钻井资料统计获得，其他参数采用模拟软件的自带参数.现今盆地热流数据采用徐明等（2010）的研究成果^[24]，研究区不同地质时期的剥蚀量参考王韶华等（2002）研究成果^[6].

（2）基础数据包括地质数据、Ro值和磷灰石裂变径迹数据.地质数据包括钻井的底界埋深、厚度、各类岩性的百分比和地层年龄等.Ro值和裂变径迹数据由中国石油化工股份有限公司南方勘探开发分公司提供，裂变径迹分析测试结果见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 当深3井磷灰石样品裂变径迹分析结果[34] Table 1 AFT results of the Well Dangshen 3 [34]

表 1 当深3井磷灰石样品裂变径迹分析结果[34] Table 1 AFT results of the Well Dangshen 3 [34]

盆地热流史模拟计算结果往往具有多解性，不同热流史路径可以使得有机质达到相同的成熟度.因此，模拟计算必须以盆地沉积、构造演化、原型盆地类型、现今区域热场特征（现今大地热流、现今地温梯度）为约束条件，将今论古，以求解最佳热史路径^[25].

（1）现今大地热流和地温梯度约束

江汉盆地岩石圈热结构表现为热壳冷幔型，其壳、幔热流比为2.06/1^[26].江汉盆地及其周边地区的大地热流是41.9~60.9mW/m²，平均为52.3mW/m²，与四川盆地的大地热流（53mW/m²）相近，低于下扬子地区的60mW/m^2[27]，更低于中国大陆地区的平均大地热流63.0mW/m^2[28].地温变化趋势是从盆地（中新生代）边缘向盆地中心逐渐增高，盆地边缘的地温梯度比较低，在20~25 ℃/km之间，盆地中心的地温梯度比较高，平均为33.6 ℃/km^[24].

（2）抬升剥蚀事件、不整合面与剥蚀开始的时间约束

根据区域构造演化史分析，江汉盆地南部主要有四次抬升剥蚀事件，即加里东运动、印支运动、燕山运动和喜山运动^[29].两次大的抬升剥蚀发生在晚侏罗世末期的中燕山期和早第三纪末期的喜山期.白垩系与下伏地层之间，上第三系广华寺组与下第三系之间的不整合界面是一级不整合面，在全区都可以见到明显的大规模削蚀角度不整合^[8].其他不整合界面是二级不整合面，主要表现为假整合，仅出现在盆地周缘及盆地内凹陷区与沉积断层附近，因断块旋转而发育一些局部削蚀不整合.

（3）古生代热流约束

利用古温度计进行热流史计算不能恢复出达到最高古地温以前的热流史，因为以前的热历史信息都被最高古地温所掩盖^[30].本文研究中，古生代及其以前的热流值参考了岩石圈尺度上的地球物理模拟计算成果.在考虑岩石生热率的影响下，以Mackenzie均匀伸展模型^[31~33]为基础的地球物理反演表明，研究区志留纪末的热流在50 mW/m²左右^[4].选择此值作为古生代的初始热流进行模拟计算，最终以与实测古温度数据最吻合的热史路径下延值为古生代的热流.

从径迹年龄、封闭径迹长度和分布样式（图 3）来看，样品的年龄普遍较小（ < 70 Ma），长度较短（ < 10μm），说明径迹退火率较高，并在中生代末或新生代初期完全退火.径迹年龄和长度的非单峰态分布特征反映了复杂的沉积与剥蚀过程.所有层位磷灰石裂变径迹样品的年龄均小于地层沉积年龄，且样品的径迹长度偏小，随深度增加而减小，这表明样品所在层位沉积后经受了较高的古地温（>120 ℃）.样品所在层位早期完全退火后，在晚期长时间处于部分退火状态，最后一次抬升冷却时间发生得比较晚（40 Ma）.

图 3

Fig. 3

图 3 当深3井裂变径迹年龄与地层年龄和裂变径迹长度与埋藏深度的关系 Fig. 3 AFTage vs.stratohorizon age and AFT length vs.depth of the well Dangshen 3

应用Ro值和裂变径迹数据（表 1）恢复了当深3井的热史；应用Ro值，恢复了江参4井、汊参1井等10口钻井的热史.限于篇幅，仅阐述当深3井的反演结果.当深3井位于当阳复向斜，最深钻遇下二叠统栖霞组，热史恢复结果见图 4.印支期以前，热流是53mW/m².240 Ma以后，热流开始增大.在150 Ma左右，热流达到高峰71 mW/m².此后热流开始降低，在晚白垩世红马套组沉积末至始新世荆沙组沉积末有小幅度的升高，之后再次下降.

图 4

Fig. 4

图 4 当深3井的埋藏史和热史计算结果 Fig. 4 Calculated results of burial and thermal histories from the well Dangshen 3

通过11口代表性钻井的热史恢复，获得了研究区不同构造单元上的热流史（图 5）.参考以往对邻区的研究成果^[35~37]，江汉盆地南部热流史的基本特征可以概括如下：

图 5

Fig. 5

图 5 江汉盆地南部热流史 Fig. 5 Diagram showing the heat flow history in the southern Jianghan Basin

印支运动（240 Ma）以前，盆地基底热流为50~55mW/m².240 Ma以后，热流开始升高，并以潜北断裂为界出现南北分块的现象.潜北断裂以北地区的热流在155 Ma左右达到最高（~72mW/m²），之后开始降低.潜北断裂以南地区的热流从240Ma开始升高，在155Ma时约为65mW/m²，并保持继续增高的趋势，在40 Ma才达到最高（~76mW/m²）.晚喜山期整个研究区的热流快速下降，盆地开始冷却.

在热史恢复的基础上，结合盆地的沉积和构造发育史及地球化学参数，作者应用Basinmod1D软件模拟了典型井的下志留统烃源岩成熟度演化史，之后又使用Basinview软件模拟了下志留统烃源岩的成熟度演化史.镜质体反射率化学动力学模型选用LLNL模型^[18].

应用Basinview软件模拟烃源岩成熟度演化史，需要的基本参数包括地质数据、烃源岩地球化学参数和热参数.基本的地质数据包括各层系的地层等厚图、埋藏深度图和岩性等.各层系的基本地质参数采用研究区的11口钻井和97条地震剖面数据.烃源岩的地球化学参数采用已有的研究成果^{[5, 6, 14]}.岩石物性数据由江汉石油勘探局勘探开发研究院提供，压实系数和初始孔隙度是江汉盆地南部各钻井的实测数据利用Sclater和Christie的方法进行回归获得^[38].

应用Basinmod1D对钻井进行烃源岩成熟度演化模拟计算，从一维的角度研究下志留统烃源岩的成熟度演化史.成熟度演化划分为六个阶段：Ro < 0.6%为未成熟阶段，0.6% < Ro < 1.0%为成熟阶段，1.0% < Ro < 1.35%为高成熟阶段（生油高峰期），1.35% < Ro < 2.0%为过成熟早期阶段，2.0% < Ro < 3.0%为过成熟中期阶段，Ro>3.0为过成熟晚期阶段.

研究表明：沉湖-土地堂复向斜的下志留统烃源岩在T₂末进入生油门限，在J₁末地层快速沉降，埋深增大，地温增高，最高温度曾达到160 ℃，烃源岩快速增熟，并在J₂末进入生油高峰期.到K1早期，地层开始抬升，温度降低，生烃停止，直到始新世地层开始再次深埋，烃源岩再次生烃（即为二次生烃）.始新世末期，达到过成熟早期（1.53% < Ro < 2.0%）（图 6）.乐乡关潜江复背斜的下志留统烃源岩在D₂末进入生油门限.从J₂早期开始，地层快速深埋，地温增高，烃源岩快速增熟，在J₂末古地温高达160 ℃，烃源岩底部的Ro值最高达到1.3%，进入生油高峰期.始新世末，伴随再一次的沉积深埋，烃源岩进一步增熟.渐新世早期，下志留统烃源岩的Ro值达到2.24%~2.8%，属于过成熟中期---生凝析油湿气阶段（图 7）.

图 6

Fig. 6

图 6 汊参1井的埋藏史、热史和生烃史计算结果 Fig. 6 Calculated results of burial, thermal and hydrocarbon generation histories from the well Chacan1

图 7

Fig. 7

图 7 江参4井的埋藏史、热史和生烃史计算结果 Fig. 7 Calculated results of burial, thermal and hydrocarbon generation histories from the Well Jiangcan 4

早三叠世末，潜北断裂以北当阳、枝江、钟市一带的下志留统烃源岩已进入成熟生油阶段，钟市附近已进入生油高峰阶段.潜北断裂以南的下志留统烃源岩热演化程度相对较低，除沔阳凹陷一带的Ro值大于0.7%外，其余地区均小于该值，龙湾、陈陀口和天门凸起一带尚未进入生烃门限（图 8a），下志留统烃源岩热演化出现了南北分块的局面.

图 8

Fig. 8

图 8 下志留统烃源岩在不同地质时期的成熟度 （a）早三叠世末；（b）早侏罗世末；（c）早白垩世末；（d）现在. Fig. 8 Maturation evolution of Lower Silurian rocks at different geological times (a) End of early Triassic; (b) End of early Jurassic; (c) End of early Cretaceous; (d) At present.

早侏罗世末，烃源岩热演化南北分块现象更为明显，潜北断裂以北的建阳、钟市一带已进入高成熟阶段.潜北断裂以南沔阳凹陷内的仙桃一带Ro值普遍大于1.2，表明已进入高成熟阶段，另外丫角新沟一带也进入了成熟生油阶段（图 8b）.

早白垩世末，烃源岩经历了快速增熟阶段，潜北断裂以北的当阳一带进入过成熟中-晚期生气阶段，枝江、钟市一带也进入了过成熟早期阶段.除云应凹陷处于未成熟阶段外，其他区域均进入成熟-高成熟阶段.潜北断裂以南丫角新沟低凸起、沔阳凹陷一带进入过成熟早期阶段，陈陀口凹陷进入成熟生油阶段，江陵凹陷、潜江凹陷部分地区还未进入生烃门限（图 8c）.

平原组沉积末期，下志留统烃源岩在潜北断裂以北的当阳、建阳一带处于过成熟晚期生干气阶段，钟市、枝江凹陷大部处于过成熟早期阶段，云应凹陷仍未进入生烃门限.潜北断裂以南沔阳凹陷部分地区进入过成熟中期阶段，江陵凹陷、小板凹陷普遍进入成熟生油阶段，部分地区进入生油高峰期，松滋大部分地区也进入高成熟度快速生油阶段（图 8d）.

在印支运动（240 Ma）以前的海盆发育阶段，盆地处于克拉通内陆台地，构造活动弱，以升降运动为主，具有较低的热背景^[39].从240 Ma开始，受印支运动的影响，长期稳定的构造格局被打破，构造活动性增强，深部岩浆的热扰动导致晚印支-早燕山期盆地基底热流整体开始升高^[40].中燕山期，盆地内部岩浆活动发育，基底热流受到岩浆活动的控制.以潜北断裂为界，断裂以南地区的岩浆活动剧烈，基底热流大幅度升高，而断裂以北地区的岩浆活动减弱，并因早期负载挠曲、岩石圈加厚^[41]，导致基底热流降低、盆地冷却.晚燕山-早喜山期，盆地由挤压体制转变为伸展体制，软流圈隆起，岩浆活动强烈，基底热流升高.盆地在潜北断裂南北伸展的拉张程度存在着差异：潜北断裂以南地区，拉张程度大，盆地沉降量大，岩浆活动剧烈，热流升高；而潜北断裂以北地区，拉张量小，盆地沉降量小，白垩纪-第三纪断陷盆地不发育，岩浆活动微弱.盆地基底热流由于受早期盆地挠曲和岩石圈加厚的影响，热流降低.晚喜山期，始新世荆沙组沉积末期，盆地北部抬升剥蚀，南部出现热沉降，基底热流都降低.晚喜山期以后，全区热流快速下降，盆地出现冷却.

以上研究表明：盆地的热史与沉积构造演化、岩浆活动热事件存在着较好的耦合关系.

江汉盆地南部在早三叠世末处于稳定的低热流时期，烃源岩成熟度演化程度较低，仅在部分凹陷进入成熟度生油阶段.印支运动后，研究区热流开始增高，至早侏罗世末潜北断裂以北地区的热流高于潜北断裂以南地区，与此相对应，本时期研究区烃源岩热演化出现南北分带的现象.潜北断裂以北的大部分地区在本阶段进入生油门限，部分地区进入生油高峰期；潜北断裂以南的地区除了沔阳凹陷一带外，大部分地区处于未成熟阶段.中燕山期，盆地构造活动强烈，研究区热流快速升高，及至晚侏罗世末，潜北断裂以北地区热流到达峰值后降低，潜北断裂以南的热流继续升高，烃源岩在此阶段因经历了高的热流而快速增熟.早白垩世末，潜北断裂以北地区要比潜北断裂以南烃源岩的演化程度要高，范围要广.研究区除云应凹陷外，大部地区进入过成熟-高成熟阶段.早喜山期，潜北断裂以北地区的热流继续降低，烃源岩成熟度演化缓慢，潜北断裂以南地区的热流达到了峰值，烃源岩快速增熟，沔阳凹陷、丫角新沟低凸起进入过成熟早期阶段，江陵凹陷、陈陀口凹陷进入成熟生油阶段.喜山期后，研究区的热流出现整体降低，烃源岩成熟度演化经历缓慢到终止.

（1）江汉盆地南部的热史表现为：研究区在印支期前处于稳定的低热流阶段.印支运动后，热流受深部热扰动的影响开始整体升高.中燕山期后，研究区热史可以分成两类：潜北断裂以北地区在中侏罗世末的热流达到峰值，之后开始降低；潜北断裂以南地区在本阶段的热流较断裂以北的要小，但仍在缓慢增加.晚燕山-早喜山期，潜北断裂以北地区的热流继续下降，潜北断裂以南地区的热流在始新世末达到高峰之后开始降低.研究区在晚喜山期后的热流整体快速降低，盆地开始冷却.

（2）下志留统烃源岩成熟度在时空上具有不同的演化特征.时间上，部分区域在早三叠世未进入生油门限.早侏罗世-早白垩世为烃源岩演化的快速发展阶段，晚白垩世-古近纪烃源岩进一步增熟，新近纪后烃源岩热演化终止.空间上，早白垩世以前热演化以南北分块为特征.潜北断裂以北地区的热演化程度较高，以南的热演化程度相对较低.晚白垩世以后，在原有的南北分块的基础上叠加了东西分带的特征.由东往西，热演化程度逐渐增加，并呈条带状展布.同时，着眼全区，下志留统烃源岩在枝江、当阳以及沔阳一带为高成熟度区，在龙湾、潜江、陈陀口、通海口以及天门-小板以东地区为低成熟度区.

汪集暘院士在盆地大地热流研究方面给予了指导，中国科学院地质与地球物理研究所胡圣标研究员在热史反演方面提供了技术支持，中国石油大学（北京）盆地与油藏研究中心左银辉在软件的学习和使用中给予了辅导，中国石油化工股份有限公司南方勘探分公司提供了宝贵的地质资料，在此一并致谢.