挤压型盆地逆冲推覆带烃源岩热演化史模拟技术——以胜利和田探区南带为例

沈扬　许开前　肖鸿雁　庄新明　朱凤云

摘要　根据胜利和田探区南带地层在纵向上多次重复的特点，提出逆冲推覆的沉积化处理的地质模型和同层多期剥蚀模式，建立了相应的数学模型，研制了适合挤压型碳酸盐岩盆地生油层模拟评价的软件系统。计算结果表明，现今剖面成熟度表现为大范围内的正序演化和小范围内的反序演化，处于不同构造部位的同一地层热演化R。值不同。综合分析认为，准原地系统石炭—二叠系烃源岩的生油期与区内圈闭形成良好配套，可以提供有效的油源；准原地系统寒武—奥陶系烃源岩的生气期与圈闭配套良好，可以提供有效的气源。

关键词　逆冲推覆　热演化史　盆地模拟　山前构造带　烃源岩　和田探区

一、引言

胜利和田探区位于新疆维吾尔自治区南部的和田地区，其南部山前逆冲推覆构造带位于昆仑山北麓，南靠铁克里克断隆，北至和田断裂、桑株北反冲断裂，向西至桑株地区，东到塔南隆起西缘，东西长240km，南北宽20～40km，勘探面积为7500km²（图1）。该区经历三期伸展－聚敛旋回，同时代的地层由于逆冲造成纵向上多次叠加。以和田大型台阶式断层为界，可划分为上部的由40～60km以外推覆而来的断层转折褶皱推覆体外来系统，下部的由多个次级断层冲断形成的叠加背斜准原地系统。石油地质综合研究表明，准原地系统成藏条件最为有利，是今后勘探的主要领域。但深埋于外来系统之下的准原地系统烃源岩热演化R。值多大？在多次逆冲叠加构造演化过程中，其热演化史如何？烃源岩层的热演化与圈闭的形成期是否匹配？笔者针对上述问题做一初步探讨。

图1　胜利和田探区及南部逆冲推覆构造带构造位置示意图

二、建立地质模型

鉴于胜利和田探区南带构造演化的复杂性，合理的地质综合解释是其关键。在综合解释和平衡剖面再现各剖面的构造发育史的基础上，建立合理的地质模型。将逆冲推覆构造的地质模型分为四种类型，即顺序沉积型、逆冲推覆型、推覆体下双重体型、推覆体外缘三角带型。后三种类型是第一种类型在挤压力的作用下形成的不同构造形态，其机理是相似的。在研究中，将复杂的构造变形作为一种特殊的沉积现象处理，即地层逆掩推覆等价为瞬时（或快速）沉积，而对原沉积地层的逆冲削截等价为瞬时（或快速）剥蚀。

1.模型分析

（1）顺序沉积型

顺序沉积型由下而上为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、下第三系、上第三系、第四系（图2）。

图2　南部逆冲推覆构造带沉积埋藏史地质模型示意图

（2）逆冲推覆型（喜马拉雅中期推覆）

逆冲推覆型由下而上为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、下第三系顺序沉积，因中生界分布范围有限可视为无沉积。早第三纪末，逆冲推覆削去下第三系及上元古界上部部分地层，推覆体（变质岩体及上覆沉积岩体包括石炭系、二叠系、下第三系）逆掩上来，为瞬时或快速沉积；最后上第三系、第四系沉积或遭受剥蚀。

（3）推覆体下双重体型（喜马拉雅中期推覆）

基本同喜马拉雅中期推覆型，只是在上第三系沉积前增加了推覆体下双重体形成过程，把双重体各断夹片视为一片（包括变质岩下伏沉积岩体、变质岩体及变质岩上覆沉积岩体）瞬时或快速沉积。

（4）推覆体外缘三角带或双重体型（喜马拉雅中期推覆）

实际模型为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、下第三系顺序沉积。早第三纪末，逆冲推覆削去下第三系及上元古界上部部分地层，而后楔入原地下第三系下部（即快速沉积“原地下第三系”），最上边为第三系、第四系。该模型可等同为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、下第三系顺序沉积；早第三系末，推覆运动削去下第三系部分地层（即二叠系所应剥蚀的厚度）；上第三系、第四系沉积。

2.模型的简化

由于构造运动的复杂性，在模型的建立中进行了某些假定和一定程度的简化。即复杂运动可视为一次运动，即不考虑过程，仅看结果；当一个断夹片沿断坪逆冲楔入时，其厚度（不包括削截厚度）不变；上覆同期形成的多套逆冲叠加层体简化为一个逆掩层；甲、乙两层先后沉积，然后乙层被全部剥蚀，甲层被剥掉部分，后期又被楔入原地乙层之下，可简化为甲、乙层先后沉积，然后乙层被剥掉甲层所应剥掉的部分。

3.逆冲推覆的阶段性

对全区而言，逆冲推覆向北运动时，局部高部位边推覆边剥蚀，表现为下伏层埋深缓慢增加（甚至不增加），即抬高速率大于或等于剥蚀速率；通过其构造发育史的分析，发现对于一个点与对于全区，视点是不一样的。对于一个现今的点而言，逆冲推覆是瞬时压上的，相当于快速大厚度沉积，而后随着推覆体向北运动，推覆体厚度大的部分代替了厚度小的部分，这时剥蚀也在进行，相当于慢速小厚度沉积。因此，逆冲推覆过程可分为前期快速大厚度沉积和后期慢速小厚度沉积两个阶段。

三、建立剥蚀模型

胜利和田探区古生代发育北东向的“和田古隆起”。南带准原地系统特别是西南的桑株地区受其影响，表现出具有特色的沉积剥蚀现象。

对于一般的剥蚀，现今缺失区的剥蚀量（即剥蚀厚度）大于现今残存区；而对于继承性隆起区，如果缺失区的剥蚀量大于残存区，将会出现先是缺失区大厚度沉积，然后大厚度被剥蚀，两种现象反复出现，呈一种“跷跷板”式沉积。大地构造研究表明，塔西南地区在志留纪—泥盆纪处于周缘前陆盆地发展阶段，区域上受挤压应力作用。全球典型盆地研究成果表明，隆起和凹陷多具有继承性，很少出现一个时期为沉积中心，另一时期为隆起中心的周而复始的变换。因而继承性剥蚀区的剥蚀厚度恢复，与一般短期剥蚀区的剥蚀厚度有一定区别。对于继承性隆起区的剥蚀现象，可归纳为剥蚀区的总剥蚀量大于非剥蚀区，但某一地层隆起中心区的剥蚀量反而小于周边区，隆起中心区的剥蚀量由下伏层剥蚀补偿（图3）。

图3　剥蚀模式示意图

a—地层1沉积然后遭到剥蚀，原始厚度西薄东厚，剥蚀厚度西大东小（实线为地层1顶底，虚线为剥蚀后的地表）；b—沉积地层2，地层2西薄东厚；c—地层2遭到剥蚀，后期地层1又一次遭到剥蚀，总的剥蚀量为西小东大；d—第二次剥蚀后的情形，A为地层2的古尖灭点，B为地层2的现今尖灭点，竖线的长度对应着地层2的剥蚀厚度

四、建立数学模型

1.沉积埋藏史

沉积埋藏史模拟计算是以地质模型和剥蚀模型各步骤的反演为基础，采用回剥法再现复杂构造背景下单井点的构造、沉积过程。回剥法的理论依据为沉积压实原理，即随埋藏深度的增加，上部负荷也增加，导致孔隙度和地层体积变小，地层体积的变小可视作地层厚度的减小。再根据骨架密度在沉降过程中不变的假设，地层的骨架厚度始终不变。回剥反演即在某历史时刻将某层的上覆地层剥去，使该层处于地表状态，根据其沉积压实的逆过程，将现已压实的地层恢复到原始沉积即未压实时的厚度和埋藏深度。对此，分四种岩性（泥岩、砂岩、灰岩、变质岩）对南带地区进行了沉积埋藏史的回剥反演，其中桑株HT97-112、SZ1剖面13点，皮牙曼HT96-180剖面11点，平面人工井17点。具体步骤如下。

第一，计算骨架厚度：

胜利油区勘探开发论文集

则

式中：h_s——骨架厚度，m；

胜利油区勘探开发论文集

z₁——地层顶界埋深，m；

z₂——地层底界埋深，m；

φ（z）——地层孔隙度－深度曲线函数，小数；

p_x——岩性x的含量，小数；x在上列公式中分别由s、m、l、b表示，并分别代表砂岩、泥岩、灰岩、变质岩；

φ_0x——岩性x的原始孔隙度，小数；

c_x——岩性x的与深度有关的因次常数，m^-1。

第二，逐层回剥至地表：

胜利油区勘探开发论文集

通过迭代法求得z₂。

第三，若存在剥蚀，则在剥蚀开始年代重新计算骨架厚度。

2.热演化史

胜利和田探区热演化史计算采用正、反演两种方法。

外来系统即推覆体上盘以某一采用露头样品 R_o值的人工井作基准井，采用反演方法的具体步骤如下。

第一，求现今热流：

胜利油区勘探开发论文集

式中：Q₀——现今热流，μcal/(cm²·s）；

G——地温梯度，℃/100m；

z_i——深度，m；

K_tf——孔隙流体热导率，μcal/(cm·s·℃）；

K_ts——骨架热导率，μcal/(cm·s·℃）。

第二，假定古热流与现今热流成线性关系为：

胜利油区勘探开发论文集

第三，求古地温：

胜利油区勘探开发论文集

式中：Q——古热流，μcal/(cm²·s）；

θ——古热流与今热流的关系因子，Ma^-1；

T_s——古地表温度，℃；

t_i——该点现今地质年龄，Ma；

t——某地质时刻，Ma；

第四，求I指数：

胜利油区勘探开发论文集

理论证明

式中：k=1,2，…，n。

采用一系列θ值计算此式的均方差，选择均方差最小的θ值，其对应的古热流与古地温为最佳值。

胜利油区勘探开发论文集

第五，求时温指数TTI。

第六，拟合TTI-R_o公式。

第七，求取R_o。

准原地系统即推覆体下盘采用正演方法，热流数据采用周中毅、金朝熙叶城凹陷热流值

周中毅、金朝熙.塔里木盆地大地热流、古地温演化及今地温场研究.1994.

五、南部逆冲构造带计算结果分析

1.剖面计算结果分析

1）桑株地区

桑株地区主要进行了HT97-112、SZ1地震地质综合解释剖面的沉积埋藏史、热史的模拟计算。

（1）二叠纪是各烃源岩层在主推覆期前演化的关键阶段

二叠纪末，二叠系底、石炭系、奥陶系底、寒武系底镜质体反射率 R_o分别为0.5%、0.7%、1.0%、1.3%，属平稳式演化。

（2）早第三纪末（即主推覆期）为急速深化阶段

除推覆体和下伏一至两层构造楔形体外，下第三系底、二叠系底、石炭系底、奥陶系底、寒武系底热演化R_o值多大于2.0%，进入过成熟阶段。由于所处构造部位和构造层不同，而处于不同的演化程度。推覆体上差异巨大，桑株露头区尚处于成熟中期阶段，而变质岩区下伏层演化现今为高成熟期。

（3）现今剖面成熟度并非随深度增加而简单增加

在拉张背景下，即使发育正断层，也表现为正序演化，即随深度增加，R_o值增大。而在挤压背景下发育逆断层或逆冲推覆构造，就不再是正序的经典模式，而表现为大范围内的正序演化和小范围内的反序演化。根据化学动力学原理和时温指数TTI的假定，成熟度与时间成线性关系，与温度成指数关系。对于浅层，上覆的石炭系比下伏的二叠系、下第三系R_o值大，这是由于上覆的老地层比下伏的新地层受热时间长，早期阶段也比下伏的新地层受热温度大，只是在后期推覆造成老地层盖在新地层之上后，才比下伏的新地层受热温度低。而在深层，温度的重要性逐渐显露出来，又向经典的正序演化模式靠拢。

（4）同一构造层由于上覆层不同，即处于不同的构造部位，其热演化不同

一般情况下，同一构造层的不同部位热演化程度相近或渐进变化，这与其上覆层为结构一致的地层密切相关。对于上覆层不同的情形，这一经典模型就不适用了。深度相近的同一构造层其上覆的构造层越多，其热演化程度越大，如复杂构造区比原地或轻微构造区R_o值大，四层构造层比一层构造层 R_o值大；横向上，从一构造部位向另一构造部位变动，其热演化可表现为突变。构造复杂和构造层多的地方就是构造应力集中和释放的部位，其构造应力作用、断层带来的深层热源作用、多次的向上叠置表现出的快速沉积作用都是其热演化程度比轻微构造变动区大的原因。

2）皮牙曼地区

在皮牙曼地区主要进行了HT96-180地震地质综合解释剖面的沉积埋藏史、热史的模拟计算。相比桑株地区而言，皮牙曼地区的构造发育史简单一些，但R_o值倒置以及同层R。值变化快的特点依然存在。

（1）二叠纪仍是烃源岩层最关键的演化阶段

与桑株地区相比，该区二叠纪热演化程度低些，石炭系底部 R_o为0.5%，奥陶系底部R_。为0.7%（厚度大的地区可达1.0%），寒武系底部R_o为1.3%。寒武系、奥陶系烃源岩在二叠纪处于生油高峰。

（2）早第三纪末（即推覆期）是急速深化阶段

由于多层构造楔形体的出现造成了巨大的埋深，各地层的热演化程度增加。皮牙曼露头区尚处于低成熟阶段，第Ⅰ层楔形体处于成熟阶段，第Ⅱ层楔形体处于高成熟阶段，第Ⅲ层楔形体处于过成熟阶段，推覆体下原地地层R_。值可达6.0%以上。

（3）和田地区

和田地区热演化平面图上表现为北低南高。其热演化以靠近和田市的人工井——人12井与和参1井为例说明。

人12井靠近推覆体锋带，和参1井靠近推覆体后部，由于推覆体楔形特征差异，导致两地埋藏史、热史、生排烃史都存在较大的差异。现今推覆体下原地石炭系底 R_o，人12井为1.99%，和参1井为3.3%；奥陶系底 R_o，人12井为2.8%，和参1井为4.8%；寒武系底 R_o，人12井为3.2%，和参1井为5.8%。人12井寒武系底在早奥陶世、奥陶系在泥盆纪、石炭系底在推覆期达到生油高峰；和参1井寒武系底在早奥陶世、奥陶系在中晚奥陶世、石炭系底在推覆期达生油高峰。推覆体上石炭系底R_o值为0.8%～1.0%，二叠系底R_o值为0.7%～0.8%，处于成熟期。

2.平面计算结果分析

推覆体下准原地系统现今各地层热演化程度为北低南高，西低东高，前者主要由于推覆体厚度的差异，后者由于其西部地层上厚下薄，东部上薄下厚。南带寒武系底现今 R_o为3.2%～5.7%，寒武系底在早奥陶世末开始大量生油，而奥陶系底在奥陶纪末大部进入生油窗，即寒武系烃源岩的主生油期在中晚奥陶世，奥陶系底现今 R_。o为2.8%～4.6%，中上奥陶统底在石炭纪进入生油窗，下奥陶统主生油期在石炭纪。石炭系现今 R_o为2.0%～3.2%，于主推覆期进入生油高峰。

推覆体上外来系统石炭系现今大部处于生油窗范围，二叠系为低成熟—生油高峰。

3.烃源岩热演化史与南带圈闭匹配关系分析

外来系统石炭系—二叠系在现今处于成熟—生油高峰阶段。准原地系统寒武系、下奥陶统、石炭系一二叠系大部处于生油高峰时期分别为奥陶纪、石炭纪、推覆期。

外来系统石炭—二叠系在长时期处于生油高峰阶段，与南带的圈闭有较好的配套。

准原地系统石炭系—二叠系烃源岩的主生油期与推覆体的形成期相一致，各类断层相关褶皱也开始发育，两者匹配关系较好。该系统寒武系—奥陶系主要在加里东—海西期进入生油高峰，在推覆期进入生气高峰阶段，生气期与圈闭配套，可以提供有效的气源。

由于构造发育史和沉积埋藏史的复杂性，不同构造层的同一烃源岩层在推覆后经历了不同的演化轨迹，导致同一烃源岩生排烃时间跨度大。

六、结论

计算表明现今剖面成熟度表现为大范围内的正序演化和小范围内的反序演化，处于不同构造部位的同一构造层，其热演化不同。准原地系统石炭系—二叠系烃源岩的生油期与区内圈闭形成良好配套，可以提供有效的油源；准原地系统寒武系—奥陶系烃源岩的生气期与圈闭配套，可以提供有效的气源。

主要参考文献

[1]石广仁.油气盆地数值模拟方法.北京：石油工业出版社，1994.

[2]康玉柱.中国塔里木盆地石油地质特征及资源评价.北京：地质出版社，1996.

[3]何登发，吕修祥.前陆盆地分析.北京：石油工业出版社，1996.