地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (3): 1139-1147   PDF    
基于地球物理方法预测二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩分布
单玄龙1,2,3, 曲跃1,2, 杜添添1,2, 刘财3,4,5,6, 马国庆4, 杜先利1,2, 孟庆发4     
1. 吉林大学, 地球科学学院, 长春 130061;
2. 东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春 130061;
3. 吉林大学, 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心, 长春 130026;
4. 吉林大学, 地球探测科学与技术学院, 长春 130026;
5. 国土资源部应用地球物理重点实验室, 长春 130026;
6. 吉林大学, 应用地球物理实验教学中心, 长春 130026
摘要:二连盆地及邻区是我国油气勘探的重点区域之一,普遍认为烃源岩层主要分布在中生代地层,对其晚古生代地层的烃源岩潜力研究较少,本文对研究区内晚古生代碳酸盐岩及泥岩进行了有机地球化学实验并分析其烃源岩潜力,评价结果表明二连盆地及邻区内晚古生代地层具有一定的生烃潜力,受高成熟度的影响,剩余潜力以生气能力为主.依据研究区内电法剖面、布格重力异常特征及磁性资料认为晚古生代潜在烃源岩层具有"低电阻、高密度、弱磁性"的地球物理性质,并初步预测了二连盆地及邻区晚古生代的深度大致分布在3~5 km的范围内,进一步利用优化后的小子域滤波重力异常分离技术对晚古生代地层进行了厚度预测,刻画其平面分布特征,认为研究区内的晚古生代地层具有两个分布中心,其中心区厚度范围为1000~2000 m之间,与野外地质剖面的厚度基本一致,晚古生代潜在烃源岩的平面预测可以为二连盆地油气勘探工作提供新方向.
关键词: 二连盆地及邻区      晚古生代      潜在烃源岩      重力异常      电性特征     
Prediction of Late Paleozoic potential hydrocarbon source rocks in Erlian Basin and adjacent areas based on geophysical methods
SHAN XuanLong1,2,3, QU Yue1,2, DU TianTian1,2, LIU Cai3,4,5,6, MA GuoQing4, DU XianLi1,2, MENG QingFa4     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. Key Laboratory for Evolution of Past Life and Environment in Northeast Asia(Jilin University), Ministry of Education, Changchun 130061, China;
3. Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Stereoscopic-Exploration of Geological Resources, Changchun 130026, China;
4. College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China;
5. Key Laboratory of Applied Geophysics, Ministry of Land and Resources, Changchun 130026, China;
6. Central Lab of Applied Geophysics, Changchun 130026, China
Abstract: The Erlian Basin is an important area of oil and gas exploration in our country.The known hydrocarbon source rocks are mainly distributed in Mesozoic strata, while the study on Late Paleozoic potential hydrocarbon source rocks remains little.In this paper, the organic geochemistry experiment results show that the carbonate and mudstone layers of the Late Paleozoic in the Erlian Basin and its adjacent areas have a certain hydrocarbon source rocks potential.The residual potential of source rocks is dominated by gas generation due to the high mature.Research of electrical survey, Bouguer gravity anomaly and magnetic data suggests that the Late Paleozoic potential hydrocarbon source rocks in this region are characterized by low resistivity, high density and weak magnetism.Moreover, the depths of these rocks are predicted to range 3~5 km roughly.Using the improved technique of gravity anomaly separation based on sub-region filtering, this work predicts the thickness of the Late Paleozoic source rocks.The results show that two centers of Late Paleozoic strata are presented in Erlian Basin and adjacent areas, of which the thickness ranges 1000~2000 m, largely consistent with geological cross sections in the field.Such distribution prediction of Late Paleozoic potential source rocks can provide a new direction for oil and gas exploration in the Erlian Basin.
Keywords: Erlian Basin and its adjacent areas    Late Paleozoic    Hydrocarbon source rocks    Gravity anomaly    Electrical characteristics    
0 引言

二连盆地是一个中生代含油气盆地,前人普遍认为其晚古生代地层的构造属性是海西期的褶皱带或者是碰撞形成的造山带,是盆地的变质结晶基底且并无油气勘探潜力(黄汲清等,1977王道永等,1998),但“佳蒙地块”概念的提出为二连盆地晚古生代地层油气勘探提供了新思路(王成文等,2008),近年来对“佳蒙地块”的新研究辨明该地区晚古生代石炭系、二叠系地层是一套海相-陆相的沉积地层,处于高级成岩阶段,未发生或者局部发生了轻微的浅变质作用,碳酸盐岩及暗色泥岩大量发育(王成文等,2009周建波等,2009张兴洲等,2011).对晚古生代海相及海相-陆相过渡地层的研究也开展起来,韩春元等(2011)认为二连盆地上古生界发育了三套有利的生储盖组合,总体处于生气阶段,具有良好的生油气能力;2007年在二连盆地赛51井内首次钻遇了晚古生代油气藏,储层为石炭系的碳酸盐岩,油源对比结果认为烃源岩来自中生代白垩系泥岩,但碳酸盐岩层仍具有一定的生烃能力(陈亚青等,2010).张兴洲等(2008)依据该区的晚古生代沉积岩伊利石结晶度测定及火成岩锆石测年结果认为晚古生代地层没有遭受到区域性的强烈变质作用,大面积分布的花岗岩并不是海西期运动形成的.

对晚古生代油气藏的研究在国内已经广泛开展,在柴达木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地以及塔里木盆地均发现了大量的油气显示(袁剑英等,2006赵孟军等,2008饶松等,2013Liu et al.,2016),而勘探程度较低二连盆地及邻区晚古生代地层虽然蕴含了一定的烃源岩潜力,但晚古生代地层及烃源岩层深度的确定及分布范围却较难确定.该地区的油气勘探工作集中在中生代白垩系及侏罗系地层,晚古生代地层勘探程度较低,钻遇井位少,无法根据探井建立盆地内的石炭-二叠系地层格架.在低勘探程度的基础上,需要根据地球物理勘探方法对盆地内晚古生代地层及潜在烃源岩的分布进行分析.本文结合重力异常、磁力异常及电性特征资料预测了晚古生代的深度范围,并根据野外地质露头岩样的有机碳分析、岩石热解分析、镜质体反射率测定等有机地球化学实验确定了晚古生代地层的烃源岩潜力,进一步确定了二连盆地及邻区晚古生代地层的潜在烃源岩分布,为研究区古生界油气勘探提供地质及地球物理勘探依据.

1 晚古生代地层烃源岩潜力分析

对二连盆地及邻区内的晚古生代露头进行了取样及有机地球化学实验分析工作,二叠系林西组泥岩的总有机碳(TOC)含量平均值为0.426%,生烃潜力为0.02 mg·g-1,有机质类型以Ⅱ1型为主,Ro范围为1.3%~2.2%;哲斯组碳酸盐岩TOC平均值为0.139%,生烃潜力为0.219 mg·g-1,有机质类型为Ⅲ型有机质,OEP指数接近1;石炭系本巴图组碳酸盐岩TOC平均值为0.096%,生烃潜力为0.065 mg·g-1;阿木山组TOC平均值为0.331%,生烃潜力为0.1099 mg·g-1,石炭系碳酸盐岩地层均为Ⅲ型有机质,处在高成熟的演化阶段.晚古生代地层为高-过成熟烃源岩,露头样品受风化作用及高演化作用的影响,除林西组泥岩可以达到低烃源岩标准外,其余地层实测的有机质丰度较低(Pepper,1991薛海涛等,2004),在经过一定的校正及原始有机质丰度恢复之后,均可以达到有效烃源岩标准(卢双舫等,2003魏建设等,2012).对二连盆地内晚古生代地层露头地区进行了剖面采集工作,分别在满都拉图镇南20 km处(图 2a)、锡林浩特北18 km处(图 2b)及林西县官地镇(图 2c)发现了大量晚古生代地层出露,碳酸盐岩及泥岩厚度均超过了1000 m,最厚可达1800 m.碳酸盐岩中发育的生物碎屑也可以说明在石炭-二叠系海相地层形成过程中有大量的生物存在,为油气的生成提供了良好的物源条件基础(Scalan and Smith, 1970).

图 1 二连盆地及邻区晚古生代分布及烃源岩取样点 Fig. 1 Late Paleozoic distributions and source rock sampling positions in Erlian Basin and adjacent areas
图 2 二连盆地及邻区晚古生代地层野外剖面柱状图 (a)满都拉图镇南20 km;(b)锡林浩特北18 km;(c)林西县官地镇. Fig. 2 Histograms of Late Paleozoic strata in Erlian Basin and adjacent areas (a) 20 km south of Mandulatu town; (b) 18 km north of Xilinhot; (c) Guandi town, Linxi country.

有机地球化学实验结果及地表露头剖面测量结果表明二连盆地及邻区内晚古生代地层具有一定的生烃潜力,地层厚度较厚,受高成熟度的影响,剩余潜力以生气能力为主.但局限于露头样品的零星分布特征,无法确定研究区内的潜在烃源岩平面分布,因此采用地球物理勘探方法与地质勘探方法相结合的方式进行潜在烃源岩层的预测.

2 二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩层地球物理特征

电性特征的研究在二连盆地已经广泛开展,张凤旭(2012)等结合了地震反射剖面、测井资料、电法勘探资料及地质资料对二连盆地的古生界地层进行了研究,进行了地质-电性特征的综合解释,认为二连盆地存在着一种“三明治”电性结构,即在中生代和晚古生代之间分布了一套以玄武岩、安山岩及凝灰岩为主的火成岩地层,自上而下具有“低-高-低”的电性结构特征,并结合三条实测电法剖面对晚古生代地层的深度进行了预测,预测的结果显示三条剖面的晚古生代地层均分布在3~5 km的深度范围内(图 3).

图 3 研究区电法剖面位置及晚古生代深度范围预测结果(修改自张凤旭等,2012) Fig. 3 Depth prediction results of Late Paleozoic strata and location of electrical exploration profile in research area (modified from Zhang et al, 2012)

不同岩性的岩石具有不同的物理性质,而岩性的大规模变化通常是地层开始宏观变化的表现,因此密度、磁化率及电阻率的变化特征可以确定不同地层之间的界限.宋景明等(2012)通过对二连盆地大量的物性数据进行了统计,依据密度差确定了盆地内的三个密度界面,并进一步将地层划分为三个密度层,晚古生代地层(第二密度层)的密度值要大于中生代地层(第一密度层),晚古生代地层的密度范围值为2.53~2.63 g·cm-3,并且认为沉积岩的磁性较弱而火成岩磁性较强.而区域性的大规模弱磁场可能反映晚古生代地层较厚的特点,局部强磁异常可能与火山岩岩体的分布有关.

图 4为1:500000布格重力异常分布图,整体表现为“东高西低”的趋势,二连盆地的布格重力异常值较低,普遍小于-40 mGal,说明其地壳厚度薄,盆地内部地壳厚度呈现由西向东逐渐增加的趋势,而重力正、负异常值突变明显,反映了研究区域内凹陷区及凸起区分布频率高的特点,表明盆地形成之后,局部小构造运动频繁(图 4).

图 4 东北地区1:500000布格重力异常分布图(据马国庆等收集) Fig. 4 Bouguer gravity anomalies(1:500000)in Northeast China(after Ma et al.)

二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩层岩性以浅海相的碳酸盐岩、海陆过渡相的砂、泥岩为主,具有低电阻、高密度、弱磁性的物理性质,盆地内部发育广泛,盆地边缘受局部小构造运动影响出露地表.

3 晚古生代潜在烃源岩分布

依据不同密度界面的剩余重力异常、磁性特征可以预测晚古生代地层的顶底界面,完成晚古生代潜在烃源岩层厚度的预测,但这种预测方法缺乏有效的深度约束,可以采用连续电磁阵列剖面电法勘探的结果约束晚古生代发育的深度,观测二连盆地及邻区的天然交变电磁场来研究地下岩层的电性特征,而不同频率的电磁波具有不同的穿透深度,进一步根据电磁波的频率确定深度范围值(张凤旭等,2012),并由预测的深度范围完成厚度预测.受盆地边缘及局部构造作用的影响,部分地区古生代地层的深度值小于3 km,因此本次研究预测二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩主要近似分布在3~5 km的范围内.

本次研究以1:50万拼接重力异常分布图为底图(图 4),根据前人的研究成果应用优化后的小子域滤波的重力异常场分离技术对二连盆地3~5 km深度范围内的重力异常特征进行分析.优化后的小子域滤波方法是对得到的重力异常数据进行低通滤波,提取目标体异常,并采用了原始异常和水平倒数的均方差联合进行子域选取,在保留区域的基础上有效地去除了局部异常因素的影响(马国庆等,2013).

首先对布格重力异常底图进行去除深部(>30 km)异常工作,得到常规频率域的重力异常结果(图 5a),在明确晚古生代主要分布范围在5 km以上范围内之后,去除下部地层重力异常影响并提取剩余重力异常,得到5 km以上的重力异常特征(图 5b),进一步去除3 km以上地层重力作用的影响,并进行局部滤波,求取极大值,提取3~5 km的重力异常分布图(图 6).

图 5 去除深部重力异常影响剩余重力异常分布图 Fig. 5 Distribution of residual gravity anomalies in Erlian Basin and adjacent areas after removing influence of deep gravity anomalies
图 6 二连盆地及邻区3~5 km剩余重力异常分布图 Fig. 6 Distribution of residual gravity anomalies in Erlian Basin and adjacent(3~5 km)areas

在3~5 km的剩余重力异常分布图中呈现明显的“两个中心”特征,即两个高值中心,分别分布在锡林浩特北部及二连浩特东南部,并向周围重力值逐渐降低,且高异常值的分布与二连盆地的界限具有良好的对应性,说明二连盆地内的晚古生代潜在烃源岩层普遍具有高重力异常(高密度)的特征.

在3~5 km剩余重力异常分布的基础上,结合前人对晚古生代地层密度(2.53~2.63 g·cm-3)的反演结果(宋景明等,2012)及电性剖面的深度预测结果(张凤旭等,2012),预测二连盆地及邻区晚古生代厚度分布.具体原理为依据单井或地震剖面的深度点为控制点,利用晚古生代顶底面的密度界面剩余重力异常特征进行单界面反演.赛51井钻遇的石炭系碳酸盐岩地层顶部深度约为1260 m,底部未钻穿,陈亚青等(2010)对塞汉塔拉凹陷的研究表明,赛51井所处的位置是受局部构造运动的影响,在石炭世之后经历了大规模的抬升运动,在多板块的挤压作用之下最终形成闭合成山,形成了赛51井潜山构造单元,并结合了相应的地震剖面进行了油层剖面的预测,受地层抬升的影响,赛51井潜山构造单元对应的晚古生代地层顶界深度浅,深度范围为1200~1800 m,而未受到抬升作用影响的地区晚古生代地层顶界深度则较深,普遍大于3 km (图 7),与电法勘探的深度结果相吻合,潜山构造单元并未在研究区内部大量发育,因此将晚古生代地层的顶界控制深度范围确定为3 km,并根据电法勘探结果确定底界控制深度范围为5 km.经校正后得到晚古生代地层的顶底界面埋深,经过差值计算之后,可以预测晚古生代厚度(图 8).潜在烃源岩在二连盆地的分布以二连浩特东部及东乌珠穆沁旗南部为沉积中心,厚度范围为1000~2000 m,向周围变薄.预测结果与实际的野外露头地质剖面预测的厚度结果(图 2)相符合,大量发育的碳酸盐岩地层及泥页岩层具有较强的烃源岩潜力.

图 7 赛51井油层剖面图(陈亚青等,2010) Fig. 7 Cross section of oil layers through well Sai 51(Chen et al., 2010)
图 8 二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩层预测厚度分布图 Fig. 8 Predicted thickness distribution of Late Paleozoic potential source rocks in Erlian Basin and adjacent areas
4 结论

对二连盆地及邻区内的晚古生代地层进行了露头取样及有机地球化学实验分析工作,发现二连盆地及邻区晚古生代碳酸盐岩及泥岩地层具有一定的烃源岩潜力,并结合了研究区内重、磁、电特征资料的分析对晚古生代潜在烃源岩层的地球物理特征进行了解释,认为二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩具有“低电阻、高密度、弱磁性”的宏观物理性质,预测烃源岩层主要发育的深度范围为3~5 km.地球物理性质的识别对晚古生代勘探程度较低的区域内地层识别工作具有重要的意义.

本文同时依据重力异常分离技术对二连盆地及邻区晚古生代潜在烃源岩层进行了平面分布刻画,预测了两个分布中心,整体分布特征与二连盆地边界对应性强,并根据电性特征及密度反演技术对潜在烃源岩层厚度进行了预测,认为局部分布中心厚度可达2000 m以上.广泛分布的晚古生代烃源岩可以为二连盆地的油气勘探工作提供新方向、新思路.

致谢  感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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