油气勘探

特提斯域演化对四川超级盆地油气系统形成的影响

  • 石书缘 , 1 ,
  • 杨威 , 1 ,
  • 周刚 2 ,
  • 姜华 1 ,
  • 孟昊 1 ,
  • 武赛军 1 ,
  • 张岩 1 ,
  • 鲁卫华 1 ,
  • 白壮壮 1
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  • 1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
  • 2 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,成都 610041
杨威(1971-),男,湖北天门人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事油气地质综合研究。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油天然气地质研究所,邮政编码:100083。E-mail:

石书缘(1987-),男,湖南邵阳人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师,现从事碳酸盐岩油气地质综合研究工作。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油天然气地质研究所,邮政编码:100083。E-mail:

Copy editor: 魏玮

收稿日期: 2024-02-26

  修回日期: 2024-09-04

  网络出版日期: 2024-10-15

基金资助

国家自然科学基金项目“环青藏高原盆山体系动力学与天然气富集机理”(U22B6002)

国家自然科学基金项目“扬子西北缘早古生代海相多幕次构造-沉积转换及其成烃成储响应”(U2344209)

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“叠合盆地中下组合油气成藏与保持机制研究”(2023ZZ02)

Impact of Tethyan domain evolution on the formation of petroleum systems in the Sichuan super basin, SW China

  • SHI Shuyuan , 1 ,
  • YANG Wei , 1 ,
  • ZHOU Gang 2 ,
  • JIANG Hua 1 ,
  • MENG Hao 1 ,
  • WU Saijun 1 ,
  • ZHANG Yan 1 ,
  • LU Weihua 1 ,
  • BAI Zhuangzhuang 1
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  • 1 Research Institution of Petroleum Exploration & Development, Petrochina, Beijing 100083, China
  • 2 Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610041, China

Received date: 2024-02-26

  Revised date: 2024-09-04

  Online published: 2024-10-15

摘要

基于“单向裂解—聚合”地球动力学模型,研究特提斯域演化对四川超级盆地油气系统形成的影响,探讨天然气富集规律。结果表明:①四川盆地及周缘新元古代—三叠纪历经了原特提斯洋和古特提斯洋叠加影响的两次单向裂解—聚合旋回,侏罗纪—新生代并入新特提斯构造域及环青藏高原盆山体系,板块内部各幕次构造运动控制沉积充填形式。②特提斯域演化、古气候环境和重大地质事件控制了盆地内部优质烃源岩形成与分布;裂谷、克拉通内裂陷、被动大陆边缘斜坡和克拉通内凹陷是烃源岩发育的有利地质构造单元。③特提斯域演化、超级大陆旋回、全球海平面变化以及构造-气候事件控制了碳酸盐台地及储盖组合的分布;克拉通台地边缘、台地内部水下地貌高带是寻找碳酸盐岩高能相带的重点区,同沉积古隆起及围斜区、区域性不整合面和后期改造断裂带是规模碳酸盐岩储层分布区;区域性蒸发岩或者泥页岩盖层有利于盆地油气大规模保存。④早期构造-沉积演化格局和后期构造改造程度共同影响的成藏要素时空匹配关系是油气富集的关键,未来油气勘探要重点关注南华纪裂谷期潜在含气系统,四川盆地东部—南部地区寒武系盐下含气系统以及二叠系、三叠系全油气系统等领域。

本文引用格式

石书缘 , 杨威 , 周刚 , 姜华 , 孟昊 , 武赛军 , 张岩 , 鲁卫华 , 白壮壮 . 特提斯域演化对四川超级盆地油气系统形成的影响[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(5) : 1024 -1039 . DOI: 10.11698/PED.20240126

Abstract

Based on the “unidirectional rifting-aggregation” geodynamic model, this study investigates the impact of the evolution of the Tethyan domain on the formation of petroleum systems in the Sichuan super basin and explores the enrichment pattern of natural gas. Frist, the Sichuan Basin and its surrounding areas have experienced two unidirectional rifting-aggregation cycles influenced by the Proto-Tethys Ocean and the Paleo-Tethys Ocean during the Neoproterozoic to Triassic. During Jurassic-Cenozoic, the Sichuan Basin is incorporated in the circum-Tibetan plateau basin-mountain coupled tectonic domain system. The tectonic movements of each phase within the plate control the sedimentary infill styles. Second, the evolution of the Tethyan domain, paleoclimatic environment and major geological events controlled the formation and distribution of high-quality hydrocarbon source rocks within the basin. The rift valley and intracratonic rift, passive continental margin slope, and intracratonic sags are favorable areas for the development of hydrocarbon source rocks. Third, the evolution of the Tethyan domain, supercontinent cycles, global sea level changes, and tectono-climatic events controlled the distribution of carbonate platform and reservoir-seal combinations. The cratonic platform margins and sub-platform high terrains formed during the rifting or aggregation processes are key areas for finding carbonate high-energy facies belts. Syndepositional paleo-uplifts and surrounding slopes, regional unconformities, and later tectonic faults are areas where large-scale carbonate reservoirs are distributed. The regional evaporite or shale seals are beneficial for the large-scale preservation of oil and gas in the basin. Fourth, the spatio-temporal matching relationship of reservoir forming factors influenced by the early tectonic-sedimentary evolution pattern and the degree of later tectonic modification is the key to oil and gas enrichment. Future oil and gas exploration should focus on potential gas systems during the Sinian rift period, Cambrian pre-salt gas systems in the eastern and southern Sichuan regions, and whole oil and gas systems of Permian and Triassic.

0 引言

构造、环境和传统沉积学等多学科交叉融合是解决资源能源富集效应重要研究方向之一[1-2]。“板块构造理论”创建之后,国内外油气地质学家用“活动论”观点研究盆地的构造-沉积演化,指导了系列油气田发现[2-5]。比如马锋等研究了特提斯构造域东段的构造-沉积演化特征,编制了生、储、盖组合剖面图,分析了中亚和中国西部前陆盆地演化和油气富集规律的异同[5]。何治亮等通过开展波斯湾盆地和四川盆地的对比,研究了特提斯域演化对盆地原型的继承和改造,揭示了两大盆地的油气差异富集规律[6]。朱日祥等根据超级大陆裂解—聚合过程,构建“单向列车装货”地球动力学模型,分成“启动期”、“装货期”和“停靠期”3个阶段,探讨了新特提斯域演化对波斯湾超级含油气盆地形成的影响[1,7 -8]。另外,自油气咨询公司IHS于2016年提出超级盆地概念以来,国内外多位学者对不同超级盆地以新的视角探讨了油气富集规律[9-12]。近年也有学者研究认为,四川盆地可算作一个超级含油气盆地[11,13 -14]。近期统计显示四川盆地天然气资源量非常丰富,剩余可采资源量为59 561×108 m3,总可采资源量为73 859×108 m3,包含27个工业油气产层[14];截至2023底新增寒武系沧浪铺组、奥陶系宝塔组和二叠系吴家坪组等8个层,累计达到35个工业油气层。从区域构造位置来看,四川盆地在地质历史时期长期位于特提斯构造域,沉积记录了从原特提斯洋到古特提斯洋单向裂解—聚合演化的全地质过程[6]。因此,无论是从油气产层数量,还是从天然气资源量等方面,四川盆地均可算作是一个超级富气盆地,可作为特提斯域演化对油气系统形成影响的解剖范例。本文对四川盆地影响最大的原、古特提斯洋开展演化分析,明确四川超级富气盆地是探索地质事件等多要素耦合的资源环境效应最理想场所。聚焦中上扬子地区(四川盆地)南华纪以来的地质演化历史,基于特提斯域演化“单向裂解—聚合”动力学模型和油气勘探开发地质研究资料,探讨四川超级富气盆地天然气成藏与富集规律。提出了新元古代—早古生代和晚古生代—中生代三叠纪四川盆地及周缘历经两次单向裂解—聚合旋回,侏罗纪—新生代逐步并入新特提斯构造域及环青藏高原盆山体系;在此基础上详细解剖了板块内部各幕次构造运动的沉积充填演化形式,并分析了特提斯域演化、重大地质事件和超级大陆旋回等对烃源岩、储盖组合以及油气成藏的影响。据此展望四川超级盆地的油气资源前景,提出未来油气勘探要重视超古老含气系统、二叠系—三叠系全油气系统等研究,以期对有关盆地油气勘探实践提供借鉴和地质理论依据。

1 四川超级盆地形成的特提斯域背景

特提斯洋最早由Suess提出,指代中生代介于欧亚大陆南缘与Gondwana大陆北界之间的大洋。随后100多年,特提斯洋的内涵被不断丰富,依据发育时期的不同,将特提斯洋划分为原特提斯(新元古代末—晚志留世)、古特提斯(晚奥陶世—晚三叠世)以及新特提斯(早二叠世—古近纪)等大洋[8]。特提斯域则指由3大特提斯洋缝合带以及原Gondwana大陆南缘被新特提斯洋海侵的大陆架共同围合成的区域,与特提斯洋的形成演化密切相关[8]。四川盆地在地质历史时期均处于特提斯域影响区域,现今盆地被中—新生代造山带所围限,具有明显的菱形边框,可划分为川西低陡构造带、川北低缓构造带、川中平缓构造带、川东背斜构造带和川南低陡构造带等5个二级构造带(见图1)。从发育位置来看,受原、古、新特提斯洋构造-沉积演化影响,四川盆地(所属扬子板块)在不同演化阶段和板块内部不同区域的动力学背景差异较大。从地层序列来看,四川盆地新元古代—新生代的构造演化具幕式旋回发育特征,与全球重大地质事件、板块内部地质事件等有较好的耦合关系。重建了盆地从新元古代到新生代各地质事件、盆地性质及其演化阶段之间的关系,为油气成藏条件发育的时空分布与规模品质搭建了格架演化基础(见图2)。
图1 特提斯构造域沉积盆地展布范围(据文献[6]修改)和四川盆地前二叠系残余地层展布及构造分区
图2 四川盆地构造演化阶段、沉积充填序列、重大地质事件和特提斯域耦合关系(据文献[19]修改)
在原特提斯洋演化阶段,受Rodinia超大陆裂解到Gondwana大陆聚合的影响,板块内部从南华纪裂谷盆地裂陷期进入埃迪卡拉纪裂谷盆地拗陷期沉积阶段;到寒武纪开始进入克拉通盆地阶段,早期为克拉通盆地内裂陷阶段,晚期进入被动大陆边缘沉积阶段[15]。从构造旋回划分来看,主要包括扬子和加里东两个幕次演化阶段[6],发育澄江运动、桐湾运动和郁南运动等多幕次构造运动,期间发生了寒武纪生命大爆发、克拉通内裂陷和川中古隆起等多级次全球和板内重大地质事件。
到古特提斯洋演化阶段,受Gondwana大陆裂解到Pangea超大陆聚合的影响,板块内部历经了泥盆纪—石炭纪早期的裂谷盆地阶段过渡到二叠纪—三叠纪的克拉通盆地发育阶段[16-17]。此时,南秦岭地块从扬子板块北缘逐步裂离形成了勉略洋,基本继承了原特提洋演化阶段的构造格架,依然处于碳酸盐岩沉积为主的被动大陆边缘,主要发生了云南运动和东吴运动。在该阶段,还发生了二叠纪生物大灭绝等重大地质事件,另外晚古生代—中生代转换的裂解或聚合环境形成了陆内裂陷,泸州古隆起和开江古隆起等古构造单元。
在新特提斯洋叠加环青藏挤压构造演化阶段,受Pangea超大陆裂解影响,四川盆地位于特提斯洋北部汇聚大陆边缘,远离了新特提斯洋影响的主要区域,处于环青藏复杂盆山结构演化主体阶段,以前陆盆地为主要沉积环境,表现为从海陆过渡相到陆相湖盆沉积体系的转换演化过程。晚三叠世末—白垩纪以来,盆地内部及周缘分别发生了强烈隆升剥蚀和挤压造山作用[18]

2 四川超级盆地的单向裂解—聚合旋回过程及沉积响应

特提斯域演化与超级大陆裂解—聚合旋回具有较好的耦合关系,四川盆地海相层系主要历经了原特提斯洋和古特提斯洋两次单向裂解—聚合超级旋回,分别为新元古代南华纪—晚古生代志留纪(Rodinia裂解—Gondwana聚合)和晚古生代泥盆纪—中生代三叠纪(Gondwana裂解—Pangea聚合)[6,19](见图2)。侏罗纪以来的新特提斯洋演化时期,四川盆地并入环青藏高原盆山体系[20],转换为陆相沉积环境,盆山耦合结构明显,裂解—聚合旋回不明显。总体来看,原特提斯洋阶段的构造-沉积演化控制了德阳—安岳裂陷、城口—鄂西裂陷、川中古隆起、川北古隆起和黔中古隆起等构造单元的发育,而古特提斯洋阶段的构造-沉积演化控制了开江—梁平海槽、泸州古隆起和开江古隆起等构造单元的发育。

2.1 新元古代南华纪—早古生代志留纪

受控于原特提斯洋演化,叠加Rodinia超大陆裂解和Gondwana大陆逐步聚合的影响,上扬子地区(盆地内部)受兴凯地裂运动和加里东运动构造作用影响,从新元古代到志留纪,四川盆地构造-沉积演化格局主要呈北西—南东向展布。

2.1.1 南华纪—埃迪卡拉纪早期的裂谷盆地发育阶段

威远和高磨地区的探井揭示四川盆地在南华纪属于发育于Rodinia超大陆初始裂解环境,反映了晋宁运动之后扬子地块进入裂解的构造环境[15,21]。南华纪,中上扬子地区形成了北东向展布的裂谷盆地,具地垒、地堑式结构(见图3a)。从盆地充填结构来看,该阶段主要沉积了南华系和埃迪卡拉系。南华纪共发育两次冰期、一次间冰期沉积体系,其中间冰期沉积了大塘坡组的大套含锰黑色岩系,在重庆秀山、贵州铜仁和湖南松桃的野外剖面上,可见到大量黑色页岩和锰矿沉积[22]。此外,从全球范围来看,埃迪卡拉纪早期的陡山沱组沉积期发育了含丰富磷矿的富有机质黑色页岩沉积[23]。在四川盆地北缘可以见到明显的裂谷盆地拗陷期沉积的烃源岩特征,地震反射表现为强连续反射轴特征,表现盆地内部可能存在规模发育的前寒武系古老烃源岩(见图4)。
图3 四川超级盆地埃迪卡拉纪—志留纪构造-沉积演化示意图(据文献[6]修改)
图4 四川超级盆地东西向地震地质解释剖面图(栖霞组底拉平,剖面位置见图1

2.1.2 埃迪卡拉纪晚期—早寒武世早期的克拉通内裂陷盆地发育阶段

受Rodinia超大陆和Gondwana大陆裂解—聚合的叠加影响,从埃迪卡拉纪晚期灯影组沉积期开始,中上扬子地区由拉张环境逐步转换成挤压环境,古地理格局逐步转换成西北高东南低。埃迪卡拉纪晚期灯影组和纽芬兰世麦地坪组沉积期,四川盆地及邻区发育了受同沉积断裂的控制的碳酸盐台地沉积体系,克拉通陆内裂陷发育,并具有镶边台地的特征[24-25]。受构造-沉积分异影响,形成了深水沉积与镶边高能相带的沉积组合,为储层形成和寒武纪早期烃源岩发育提供了优越的古地貌条件。在寒武纪筇竹寺组沉积期,随着海平面的上升,四川盆地范围内发育局部缺氧环境,以黑色岩系为主的碎屑岩沉积物逐步填充裂陷地貌,在地震剖面上表现为连续亮点强轴,且有上超特征(见图3b图4)。受Gondwana大陆逐步聚合影响,在早寒武世沧浪铺组沉积后,德阳—安岳裂陷逐步消亡,盆地西缘受超大陆远程挤压效应影响逐步抬升,表现为川中同沉积古隆起特征。至此,盆地内部形成西高东低地貌格局,转换为统一台地,直至龙王庙组沉积期从陆棚演变为大型缓坡台地沉积环境。

2.1.3 早寒武世晚期—早奥陶世的被动大陆边缘克拉通盆地发育阶段

受到Gondwana大陆聚合叠加的远程挤压效应影响,板块内部郁南运动时期为古隆起主要发育期,沉积体受四川盆地中部、北部(简称川中、川北)等同沉积古隆起的控制,地震剖面上可见到大量上超现象(见图3c图4)。早寒武世晚期龙王庙组沉积期起,川中古隆起为同沉积古隆起特征,四川盆地寒武纪进入碳酸盐岩缓坡-镶边台地沉积体系,发生了多幕次的海侵-海退旋回,高位期盆地内部发育了大量滩相白云岩,盆地边缘表现为被动陆缘特征。到中—晚寒武世,受盆地古气候以及古海洋环境叠加效应影响,中—上寒武统的高台组—洗象池组为镶边碳酸盐台地沉积体系,台地内部发育膏盐岩-碳酸盐岩沉积组合。从晚寒武世起,川北古隆起、黔中古隆起已逐步开始发育,表现为同沉积古隆起特征,控制了洗象池组—奥陶系沉积演化规律,且在洗象池组沉积末期有短暂沉积间断[19]。早奥陶世桐梓组—红花园组沉积期,四川盆地内再次发生了区域性海侵,海平面上升达到了开阔台地发育的极盛时期。早奥陶世湄潭组沉积期—中奥陶世,扬子板块处于被动大陆边缘到前陆盆地的构造转换时期,盆地周缘造山带逐步隆升,幕式提供稳定的物源供应[26]

2.1.4 中晚奥陶世—志留纪的前陆盆地发育阶段

受Gondwana大陆聚合叠加的远程挤压持续效应,叠加板块内部都匀运动和全球性气候事件的影响,华南板块逐步转换为弱挤压背景下的克拉通内坳陷盆地-前陆盆地发育阶段,为优质烃源岩发育提供了大地构造背景[27]。在该时期,属于板块内部同沉积古隆起定型期,华南板块在晚奥陶世以后沉积期发生强烈挤压造山作用,黔中古陆和康滇古陆连为一体,川南地区为台地凹陷区,沉积上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组深水陆棚相优质烃源岩[6];志留纪末期扬子地区整体抬升,成为古陆剥蚀区,核部缺失奥陶系—志留系,在川中古隆起、黔中古隆起及周缘发生了强烈褶皱变形及隆升剥蚀,扬子东南缘反转为古陆和古隆起(雪峰隆起),成为主要物源区(见图3d)。

2.2 晚古生代泥盆纪—中生代侏罗纪

受勉略洋近南北向开启-闭合及峨眉地幔柱作用控制,泥盆纪—三叠纪南西—北东向的构造-沉积-充填演化序列表明上扬子地块经历了从伸展—挤压的多幕式演化,受控于Gondwana大陆—Pangea超大陆的裂解—聚合旋回周期,以及古特提斯洋的开启和闭合过程[28]

2.2.1 泥盆纪—早中二叠世的克拉通周缘裂谷盆地发育阶段

随着中上扬子地区进入原、古特提斯洋闭合和形成的转换阶段,从泥盆纪开始华南板块进入了新的构造-沉积演化旋回,扬子板块再次逐步发生裂解。另外,位于扬子地块北缘的勉略洋也在大致于早石炭世开始逐步形成[26]。泥盆纪至石炭纪为古隆起发育延续期,总体继承了加里东末期残余古地貌,现今盆地内以古陆为主(上扬子古陆)[6],沉积作用弱,仅在盆地西缘、东部凹陷区以及南部的右江盆地发育沉积地层。泥盆纪四川盆地边缘裂陷沉积、盆地内发育古陆,受边缘裂陷控制,地层主要广泛分布在盆地外围,盆地内部基本未接受沉积。石炭纪在泥盆纪古地理格局上进一步继承性发育,海水逐渐淹没,由北部勉略洋发生海侵,地层逐步向盆内超覆,地层主要分布在川西与川东地区。总体来看,泥盆纪到早二叠世,受Gondwana大陆裂解叠加影响,在现今四川盆地范围内表现为上扬子古陆,未接受泥盆纪—下二叠统的碳酸盐台地沉积,仅在扬子板块北缘(松潘—甘孜盆地)和湘黔桂地区(右江盆地)中可见裂谷沉积的完整序列[29](见图5a)。
图5 四川超级盆地泥盆纪—三叠纪构造-沉积演化示意图(据文献[6]修改)

2.2.2 晚二叠世—早三叠世的克拉通盆地内裂陷发育阶段

中二叠世,Pangea超大陆逐步表现为聚合特征。受古特提斯洋和Pangaea超大陆聚合影响,叠加板块内部峨眉山地幔柱活动隆升导致区域拉张,中上扬子板块内部经历克拉通内裂陷到坳陷盆地阶段的转换过程,在板块边缘保持稳定的被动大陆边缘沉积体系。栖霞组沉积期中上扬子地区全部淹没,继承性受加里东古隆起沉积格局影响,栖霞组颗粒滩带环川中古隆起斜坡发育。到茅口组沉积期开始,继承栖霞组沉积期古隆起地貌特征,此后受古特提斯洋叠加拉张作用影响,茅口组晚期在川中—川东地区发育坡折带[30]。茅口组沉积中晚期发生峨眉地裂运动,盆地北部为弱拉张背景,开江—梁平海槽逐步形成雏形,川北地区发育“一缘两高带”有利颗粒滩相带;茅口组沉积末期峨眉地裂运动达到高峰,川南地区广泛分布火山岩,盆地内地貌差异加大,盆地北缘汉中—安康一带为开阔台地,与上扬子台地之间形成台间盆地(见图5b图6)。到吴家坪组—长兴组沉积期,继承了早期茅口组岩溶古地貌,总体具有“隆起控盆、裂陷控带”的特征,龙潭组在茅口组岩溶洼地继承性沉积了硅质页岩,为川北地区上古生界最重要烃源岩(见图5b图6)。盆地内部的川中—川南隆起控制西南陆—北东海的沉积格局,北部海相碳酸盐岩槽台分异明显,开江—梁平海槽和蓬溪—武胜台凹的礁滩体成排、成带分布,丘状和进积体形态特征在地震剖面上明显(见图6)。早三叠世飞仙关组沉积期延续了晚二叠世格局,早期海侵晚期海退特征明显。海平面的持续下降使区内的海水不断向北、向东退却,台内、台缘鲕粒滩大面积分布;四川盆地外的右江盆地和湘桂海盆在泥盆纪格局基础上进一步发育(见图5b)。
图6 四川超级盆地南西—北东向地震地质解释剖面图(龙潭组底拉平,剖面位置见图1

2.2.3 中三叠世—晚三叠世早期的克拉通坳陷盆地发育阶段

受板块内部印支旋回挤压造山运动的影响,早三叠世晚期嘉陵江组沉积期构造活动较为频繁,康滇古陆持续隆升,泸州古隆起和开江古隆起已经形成,三叠纪雷口坡组沉积期为古隆起改造期(见图5c)。峨眉地裂运动使地幔柱隆升、盆地中北部发育台内裂陷,构造体制由挤压向弱伸展转换,改造型古隆起与古裂陷共同控制沉积体分布,隆起斜坡区、裂陷边缘发育颗粒滩相储层。受Pangea大陆聚合影响,自飞仙关组沉积中—晚期开始,盆地内部逐步由伸展环境转向挤压环境,开江—梁平海槽等克拉通内裂陷被填充形成统一地貌,构造-沉积格局再次发生调整,为区域性鲕粒滩发育提供了地质背景[30];嘉陵江组沉积期起经历多次海进-海退事件,整体表现为发育海退期的局限蒸发环境,沉积厚度较大的膏盐岩层系;到雷口坡组沉积期,盆地内部整体处于海西—印支旋回构造拉张向挤压转换时期,早期表现为低隆低坳的构造格局,晚期为大隆大坳的构造格局,以蒸发潟湖环境和多期次溶蚀暴露为特征(见图5c)。

2.2.4 晚三叠世晚期—侏罗纪的前陆盆地发育阶段

上扬子地区北部勉略洋在晚二叠世向西逐渐关闭,到中三叠世末,现今意义上的四川盆地从古特提斯洋关闭开始,到晚三叠世已基本形成雏形(见图5c)。从晚三叠世须家河组二段沉积期开始,盆地内部主要发育三角洲沉积体系,属于残留海盆消亡期的产物,古特提斯洋在晚三叠世末完全闭合,盆地西缘松潘—甘孜陆块向东逆冲推覆,整个扬子地块在西部发生隆升,在龙门山前形成了一系列前陆盆地坳陷沉积(见图5d)。盆地东南缘雪峰山褶皱带是加里东运动以来多期构造活动和大地构造边界,受印支运动影响在中三叠世隆升,形成四川陆相盆地东南缘边界;在早白垩世受燕山运动影响,进一步陆内造山使盆地边界向西移动。盆地东北缘大巴山地区从中—晚三叠世进入陆-陆碰撞造山阶段,形成北大巴山推覆体;中侏罗世强烈逆冲推覆形成大巴山弧和川北前陆盆地。盆地西南缘西昌盆地至晚三叠世接受沉积,与四川盆地连为一体,发育晚三叠统白果湾组底砾岩;早侏罗世末西昌盆地发生一次构造抬升,形成中侏罗统新春组底部砾岩。

3 四川超级盆地油气成藏特征与富集规律

烃源岩、储层和盖层分布受到特提斯构造域单向裂解—聚合过程综合控制,影响了超级盆地的油气富集程度和分布规律[1]。以扬子板块(四川盆地)为例,在该过程中发生的(重大)地质事件对四川超级盆地油气系统分布具有重要影响。板块活动和全球重大事件控制构造-沉积演化的总体格局,板块内部(区域)地质事件控制沉积体系及规模成藏要素分布。比如,Rodinia超大陆裂解和Gondwana大陆聚合的过程控制了埃迪卡拉纪—早寒武世构造-沉积整体格局,克拉通内部的裂解作用控制了德阳—安岳裂陷断控型台缘带新模式,聚合过程影响的同沉积隆升事件控制颗粒滩大面积分布[24,27]。总体来看,板块间及板内的构造-沉积分异控制了油气分布的基础,后期构造改造程度决定了油气的最终富集程度,早期成藏和晚期成藏等多种模式为勘探家提供了多样化选择。超级大陆裂解或聚合过程形成的裂谷和克拉通内裂陷、被动大陆边缘斜坡和克拉通内局部凹陷是烃源岩发育的有利部位。裂解或聚合过程形成的克拉通台地边缘、台内水下地貌高地是寻找碳酸盐岩高能相带的重点区,碳酸盐台地分异控制了规模储集体和区域性盖层的分布,进而影响油气富集,后期构造演化过程中形成的断缝系统与不整合面控制了油气规模聚集。

3.1 特提斯域演化、古气候环境和重大地质事件对优质烃源岩发育的控制

特提斯域演化与超大陆裂解—聚合旋回保持一致性,与全球性变化的气候旋回、重大地质事件共同控制了富有机质黑色岩系的发育。在冰期后,随着气候逐步温暖湿润、海平面上升,以及大量陆源物质输入,导致海洋初级生产力爆发,沉积了区域性分布的富有机质黑色页岩[31]。克拉通内裂陷、被动大陆边缘的斜坡环境和台地内部局部凹陷等为黑色岩系发育提供可容纳空间,形成了海相烃源岩生烃中心。从地质历史发育角度来看,富有机质黑色页岩的发育通常受控于岩石圈、水圈和生物圈等各圈层相互作用,与氧气浓度、二氧化碳浓度以及全球气温变化息息相关,且与重大生物地质事件以及区域构造环境有密切的关系,寒武纪生命大爆发、奥陶纪生物大灭绝等重大生物/地质事件均形成了区域分布的优质烃源岩[32-35](见图7)。
图7 四川盆地主要烃源岩发育期与古气候环境、重大地质事件关系(平均温度异常值曲线据文献[33];氧气浓度据文献[34];二氧化碳浓度据文献[35]修改;生物灭绝事件据文献[36])
从超级大陆的两大单向裂解—聚合旋回来看,四川盆地几套重要烃源岩在裂解和聚合背景均可规模发育。在裂解旋回背景下,裂谷和克拉通内裂陷发育大塘坡组、陡山沱组、麦地坪组和筇竹寺组优质烃源岩。在聚合旋回背景下,被动大陆边缘的斜坡位置,尤其是上斜坡,发育了稳定分布的奥陶系五峰组—志留系龙马溪组优质黑色页岩[36]。因此,从油气勘探的角度出发,综合考虑不同时代全球气候、海平面变化以及区域构造运动和烃源岩分布之间的关系很有意义,油气勘探家们可以在被动大陆边缘斜坡、裂谷盆地和克拉通盆地内裂陷等古构造单元内寻找规模分布的黑色页岩沉积体作为优质烃源岩[31,36]
从原、古特提斯洋演化阶段来看,中上扬子地区广泛分布的寒武系筇竹寺组烃源岩和志留系龙马溪组是四川超级盆地震旦系—古生界天然气富集的基础。受控于Rodinia超大陆裂解和原特提斯洋演化影响,震旦系—寒武系过渡阶段四川盆地总体处于拉张应力背景下,从北缘逐步向克拉通内部在由北向南方向形成了“德阳—安岳裂陷”和“城口—鄂西裂陷”[37]。这造成了埃迪卡拉纪晚期—寒武纪早期“隆坳相间”的古地貌格局,为下寒武统麦地坪组、筇竹寺组两套富有机质烃源岩发育提供了充分的可容纳沉积空间。到奥陶系五峰组—志留系龙马溪组沉积期,发生了多幕次全球性海侵事件,在远离古陆、古隆起的斜坡区,在宝塔组岩溶地貌基础上,龙马溪组底部沉积发育一套稳定分布的深水陆棚相富有机质页岩[38]。到古特提斯洋演化阶段,叠加了板块内部峨眉地裂运动影响,在二叠纪,四川盆地在克拉通内部逐步开始从盆地西北方向拉张,相带分异形成了茅口组孤峰段、大隆组、吴家坪组槽内优质烃源岩[39-41]。到新特提斯洋叠加环青藏高原构造体系演化阶段,在洋-陆转换过渡过程中,四川盆地内部发育须家河组和侏罗系多套烃源岩。

3.2 特提斯域演化、超级大陆旋回对碳酸盐台地及储-盖组合发育的控制

从超级大陆裂解—聚合过程来看,不论是裂解期还是聚合期,碳酸盐台地均可稳定发育,主要发育在聚合时期,不同时期表现不同的台地类型。从原特提斯洋影响的埃迪卡拉纪—志留纪旋回来看,四川盆地在裂解期沉积了大面积的埃迪卡拉系灯影组微生物碳酸盐台地,聚合期在龙王庙组沉积期之后形成了大面积碳酸盐岩缓坡—镶边台地沉积[42-43]。到古特提斯演化阶段,裂解期在右江盆地形成了泥盆纪孤立碳酸盐台地,聚合期在四川盆地内部自二叠纪栖霞组沉积期起,形成了稳定的碳酸盐台地。到茅口组—飞仙关组沉积期,峨眉地裂运动引起盆地中北部发育台内裂陷,构造体制由挤压向弱拉张转换,古陆、隆起与裂陷共同控制沉积,隆起斜坡区、裂陷边缘发育滩相储层[44-45](见图8)。
图8 四川盆地主要碳酸盐台地发育期与古海洋环境、超级大陆裂解—聚合关系(大陆架海水深度据文献[22,49]修改)
前人通过对古海洋环境中碳酸盐矿物,包括文石、方解石和白云石开展模拟分析,建立了距今550 Ma年以来白云岩和鲕粒大小变化曲线[46-48]。对比分析表明,古海洋环境、古气候条件、白云岩含量变化和鲕粒大小中位数变化曲线均可反映碳酸盐台地演化的性质,白云岩规模发育期一般处于碳酸盐台地发育高位体系域、以镶边台地为主,并且所有这些影响因素记录均受到特提斯域演化以及超级大陆裂解—聚合耦合影响[17,49](见图8)。碳酸盐台地的形成演化进一步影响规模储层和区域性盖层的发育,分阶段控制了油气的区域聚集。
通常来讲,碳酸盐岩储层发育受同沉积短期暴露、区域性不整合面以及断缝系统等因素影响较大[50-51]。特提斯域影响下四川盆地长期处于中低纬度,碳酸盐岩高能颗粒滩体规模发育,叠加受到高频海平面波动造成的暴露影响,具有较高的原始孔隙度。区域不整合面可进一步叠加改造,发育风化壳-层间岩溶作用,形成规模分布的岩溶储层[52]。其中,原特提斯洋演化控制了四川盆地埃迪卡拉系—寒武系、寒武系—奥陶系之间不整合,是重要的风化壳岩溶储层发育界面;与古特提斯洋演化有关的石炭系—二叠系界面和二叠系—三叠系界面同样是区域性岩溶储层发育界面。碳酸盐台地多期次演化过程中形成的断缝系统控制了碳酸盐岩裂缝及构造破碎带形成,控制了与断缝系统有关的缝洞型储层的分布。
碳酸盐台地沉积体系在强蒸发气候条件下,多幕次形成蒸发台地环境,容易沉积区域性分布的膏盐岩,可作为含油气盆地的区域盖层[53]。另外,在海侵期通常容易形成区域分布的泥页岩,淹没碳酸盐台地,与台地演化伴生,也可以作为优质的区域盖层。在特提斯域演化过程中,聚合阶段的早期造成了四川盆地相对闭塞的沉积环境,在中低纬度强蒸发气候条件下,沉积了大量区域分布的蒸发岩。如四川盆地中下寒武统龙王庙组、高台组和中下三叠统嘉陵江组、雷口坡组等地层中均沉积了厚度大、分布广的蒸发岩-碳酸盐岩组合沉积体系[54-55]
总之,从全球范围来看,蒸发岩和泥页岩盖层分布在特提斯构造域各个时期,从前寒武纪到新生代多个时代均断续发育,控制了特提斯构造域各时期的油气分布。四川盆地发育寒武系和三叠系两套区域性蒸发岩盖层,为超级盆地天然气规模富集成藏奠定了基础。

3.3 特提斯域演化对油气成藏与富集规律的控制

总体来看,板块运动位置、超级大陆裂解—聚合过程、板块及其内部的重大地质事件、全球性气候和海平面变化事件是控制四川盆地油气富集的基本条件。被动大陆边缘的稳定沉积-沉降区,在后期改造少的条件下是油气藏形成最有利部位。单向裂解—聚合过程为不同地质体发育提供了多样化的构造背景,适度的海平面升降、气候变化和构造分异有利于生、储、盖层的纵向叠置和横向交叉发育。综合多因素对原特提斯和古特提斯域影响的构造-沉积古地理分布格局分析,建立了四川盆地油气成藏与差异富集模式,指出盆地内部多区带多层系具备立体勘探条件(见图9)。
图9 特提斯域演化控制下四川超级盆地油气成藏与差异聚集模式图
板块内部重大地质事件控制了大型古隆起-古裂陷的协同演化,控制四川盆地多套源-储组合分布,古隆起凹陷-斜坡区、裂陷内充填多套优质烃源岩,为规模含油气提供了雄厚的油气资源基础[56]。烃源岩展布控制着油气的区域聚集,重大生物-地质事件影响下四川盆地内部发育筇竹寺组、龙马溪组和吴家坪组等3套稳定分布的烃源岩。板块内部重要构造事件影响的古隆起及斜坡区、海槽边缘为碳酸盐岩礁、丘、滩相储层发育有利区,台地内部凹陷区、槽内深水沉积为非常规储层有利区,造就自生自储、旁生侧储、下生上储等多类型优质源储配置,是隆起-裂陷叠合区规模含气的关键,是寻找大气田的有利地区。
在原特提斯洋演化时期,受Rodinia超大陆裂解影响,盆地内部形成了多个北东—南西向的大裂谷,裂谷内可能发育大塘坡组或陡山沱组烃源岩;埃迪卡拉纪—寒武纪过渡时期形成了德阳—安岳裂陷和城口—鄂西裂陷,裂陷内麦地坪组和筇竹寺组优质烃源岩厚度大,裂陷边缘规模微生物丘滩储层发育,可形成旁生侧储常规气藏和自生自储页岩气藏;Gondwana大陆到Pangea超大陆聚合过程中,受加里东运动影响,形成了川中古隆起、川北古隆起,控制了寒武纪—奥陶纪颗粒滩储层的发育规模,构成下生上储成藏模式,是埃迪卡拉系—下古生界常规气田聚集的有利场所。在该套源储组合中,发现并开发了威远气田改造型气藏、安岳气田和蓬莱大气区原生型气藏两类常规天然气藏[57]。也发现了焦石坝、威远、长宁和泸州等大型非常规页岩气田,主要开发志留系龙马溪组的富有机质黑色页岩。到古特提斯—新特提斯洋演化时期,受峨眉地裂运动影响,形成了开江—梁平海槽、蓬溪—武胜台凹等低洼单元,裂陷内发育大隆组和吴家坪组烃源岩,裂陷两侧长兴组—飞仙关组礁滩储层规模发育,可构造良好的旁生侧储常规气成藏组合以及槽内自生自储型非常规页岩气藏模式;受印支构造运动影响,盆地内部还形成了泸州古隆起、开江古隆起以及九龙山古隆起等,可构成下生上储型有利成藏组合,是二叠系、三叠系气田聚集的有利场所(见图9)。在该源储组合中,发现并开发了普光气田、龙岗气田、罗家寨气田和元坝气田等多个改造型和原生型成藏组合并存的常规礁滩大型气田。

4 油气勘探前景展望及讨论

从原特提斯洋演化的角度来看,按照超级含油气盆地思路,重新认识埃迪卡拉纪—早寒武世裂陷周缘油气分布情况。未来要重点关注新元古界裂谷期潜在含气系统[56],川东—川南地区寒武系碳酸盐岩-蒸发岩组合含气系统[58],裂陷槽内深层页岩气含气系统等;从区域上要重点关注川东、川西南和川南地区(见图10)。目前,龙马溪组在深层具有好的页岩气物质基础和保存条件,是近期乃至未来几年四川盆地页岩气产业发展的重点研究攻关方向,以龙马溪组作为主要烃源岩,在川东地区也具备寒武系盐上勘探的有利条件。近年来,寒武系筇竹寺组在裂陷槽内取得了重大突破,是页岩气勘探开发的重要新领域[59]。另外,以筇竹寺组作为主要烃源岩,川东—川南地区寒武系盐下含气系统,是寻找大油气区的重要接替领域。
图10 四川超级富气盆地古地质单元与有利油气分布区
从古特提斯洋演化阶段的来看,二叠系、三叠系和侏罗系的海相页岩油气、煤岩气和致密气等需要重新认识,可以利用大数据、人工智能等新技术整理和深度挖掘盆地基础资料,常非并举,海陆并重来重新认识油气地质条件和油气富集规律。地幔柱隆升与被动大陆边缘裂解形成的北东—南西向拉张应力多重构造叠加,构造沉积分异强,形成隆凹相间的构造-沉积格局,海槽周缘、隆起斜坡区沉积多排礁滩体,规模发育白云岩储层、多类型圈闭,深化勘探潜力大。其中环海槽礁滩领域具有储层厚,储量丰度高,落实程度高的优势,宣汉—正坝南、西充—梓潼地区生物礁滩带是近期规模发现的现实有利区;九岭—铁山缓坡型礁滩带是重要接替有利区;梁平地区是规模发现的重要接替区带;海槽内领域具分布面积广,烃源条件优越,常规、非常规气兼备的特点,是重要的后备领域(见图10)。从新特提斯演化的角度来看,要进一步细化晚三叠世须家河组及侏罗系沉积期古构造格局和物源研究,从全盆地角度系统开展沉积古地理恢复,力争在致密气勘探上取得新突破。
总体来看,四川超级富气盆地历经了超大陆裂解—聚合过程,发育多幕次的海侵和海退旋回。每个旋回早期发育烃源岩,中期发育碳酸盐岩储集层,晚期发育蒸发岩盖层,形成了多旋回多期生储盖组合,构成了复合含油气系统,后期还经历了多期调整改造,为立体勘探部署提供了理论依据。目前已从宏观角度关注构造-沉积演化的影响,后续应持续关注德阳—安岳、城口—鄂西和开江—梁平等裂陷,以及加里东期等构造期各大古隆起具体形成时间、机制和分布范围,并细化探讨对油气分布的影响。此外,未来应更多关注特提斯域演化对古老原生型含气系统、改造型含气系统和全油气系统的影响,以及早期成藏和晚期成藏观点证据的夯实等研究。

5 结论

根据超级大陆单向裂解—聚合过程,聚焦中国天然气资源最富集的超级盆地之一——四川盆地,综合古环境演化和重大地质事件,探讨特提斯域演化对四川超级盆地油气系统形成的影响。以中上扬子地区为核心,从整体—局部、周缘—内部等多角度解剖了内部古构造单元裂谷、裂陷、隆起和被动陆缘等特征,明确板块活动和全球重大事件控制构造-沉积演化的总体格局,板块内(区域)地质事件控制沉积体系及规模成藏要素分布。受Rodinia超大陆、Gondwana大陆和Pangea超大陆裂解—聚合旋回影响,诠释了四川盆地历经了新元古代—早古生代和晚古生代—中生代两次单向裂解—聚合旋回的形成过程,以及晚三叠世起进入环青藏高原盆山耦合构造体系,据此详细解剖了盆地内各幕次构造-沉积充填演化表现形式。
提出了特提斯域演化、古气候环境和重大地质事件控制了四川盆地内部优质烃源岩的形成与分布,板块裂解或聚合过程形成的裂谷和克拉通内裂陷、被动大陆边缘斜坡和克拉通内凹陷是烃源岩发育有利部位。特提斯域演化、超级大陆旋回控制了碳酸盐台地及储盖组合的分布,板块裂解或聚合过程中形成的克拉通台地边缘、台内水下地貌高带是寻找碳酸盐岩高能相带重点区,同沉积古隆起及围斜区、区域不整合面和后期改造断裂带是规模碳酸盐岩储层分布区。碳酸盐台地演化阶段、全球海平面变化以及气候事件影响发育的区域性蒸发岩或者泥页岩盖层,有利于盆地油气大规模保存。
明确了早期构造-沉积演化格局和后期构造改造程度之间共同作用是成藏要素时空匹配关系的关键。特提斯域演化、地质事件和超级大陆裂解—聚合多级次旋回形成的古裂陷、古隆起和深大断裂带等构造单元,控制地层层序和沉积相带展布特征,进而影响生储盖组合分布,决定四川盆地的油气勘探潜力。Gondwana大陆和Pangea超大陆聚合过程形成的川中古隆起、川北古隆起、泸州古隆起和开江古隆起等构造单元,以及峨眉地裂运动形成的开江—梁平海槽、蓬溪—武胜台凹等构造单元,均控制了油气生、储、盖等有利地质体发育。后期构造改造程度决定了油气的最终富集程度,早期成藏和晚期成藏等多种模式为勘探家提供了多样化勘探思路选择。
展望了四川超级含气盆地的勘探前景,原特提斯洋演化阶段应重点关注新元古界裂谷期潜在含气系统以及川东—川南地区碳酸盐岩-蒸发岩组合含气系统,古特提斯洋演化阶段应重点关注构造-沉积演化以及岩相古地理格局新认识带来新的油气系统认识。通过深化超级盆地油气富集规律研究,以期加快推进四川大气区天然气上产,为有关盆地油气勘探实践提供借鉴。
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