南黄海中-新生代裂谷盆地构造-热演化：对成盆机制和烃源岩热演化的指示
发布时间：2021-10-20
摘要：基于AdvancedMcKenzie地球动力学模型和Easy%RoDL化学动力学模型，建立了南黄海中-新生代(K13-Q)裂谷盆地的构造-热演化史，结合盆地深部壳幔结构、梳理周缘中-新生代板块汇聚与离散过程，讨论了该盆地低地热状态成因、成盆机制和烃源岩热演化。盆地地壳伸展系数约为1.22，岩石圈地幔伸展系数约为1.06;由裂陷期(K13-E2)至今，最高热流值仅由约76mW/m2降低至约66mW/m2，最高地温梯度仅由约37℃/km降低至约30℃/km，首次揭示低地热状态贯穿整个裂谷盆地发育阶段。低岩石圈地幔伸展系数、深部非镜像莫霍面分布、盆地发育阶段仅处于弧后远场拉张应力环境，均指示成盆过程中深部伸展上涌强度低，是导致其持续低地热状态的根本原因，深部热应力不是其主要成盆动力来源;依据高地壳伸展系数和控盆拆离断层演化，认为印支-燕山期先存逆冲断裂复活形成壳间拆离体系，并以简单剪切变形方式控制裂谷盆地发育，是其根本成盆机制;南、北部坳陷烃源岩主排烃期为三垛组二段沉积时期，热演化均截止于渐新统构造反转前，古埋深和古地温场条件共同控制现今南、北部坳陷相同深度烃源岩热成熟度差异。
关键词：构造-热演化;低地热状态;成盆机制;烃源岩热演化;南黄海盆地
主动伸展裂陷和被动伸展裂陷是裂谷盆地成因机制中的两个理想端元模式，将深部热应力产生的主动伸展裂陷和远场拉张应力产生的被动伸展裂陷对立起来是不合适的，因为在裂谷盆地发育过程中，岩石圈伸展减薄和软流圈上涌是相互作用的结果。对裂谷盆地成因机制的研究，更加重要的是对大陆岩石圈伸展模式的深入认识(李思田等，2004)。大陆岩石圈的伸展变形机制主要分为三类：即纯剪切、简单剪切和纯剪切-简单剪切联合模式。不同岩石圈伸展模式下控制形成的裂谷盆地，在构造发育特征如地壳与岩石圈地幔(以下简称地幔)伸展强度、浅部沉积盖层与深部壳幔结构，以及盆地热演化史等方面具有较大的差异(Mckenzie，1978;RoydenandKeen，1980;Wernicke，1981;Kuszniretal.,1991;Listeretal.,1991;胡圣标等，1999)。盆地热演化史控制着烃源岩热演化过程与特征，不同类型、不同成因机制盆地则具备不同的热演化史(邱楠生等，2019)。含油气盆地构造-热演化史是深部构造活动在浅部的直观响应和记录，是揭示成盆动力机制和成藏动力条件的重要研究手段。
南黄海发育大型的中-新生代(K13-Q)裂谷盆地(以下简称南黄海盆地)，勘探投入极低，其历经五十余年的勘探，至今仍未获得商业性油气突破。随着中国东部陆域及近海(以下简称中国东部)陆续进入高勘探程度阶段，临近陆域苏北盆地勘探成果丰硕，该盆地被认为是中国东部未来重要的勘探战略接替领域。南黄海-苏北盆地地温梯度仅约30℃/km，是中国东部罕见的低地热状态裂谷盆地。南黄海盆地的热演化史研究很薄弱，已钻井揭示烃源岩热成熟度较低，前人的研究全部是基于Easy%Ro化学动力学模型(以下简称模型)建立的(杨树春等，2003;庞玉茂等，2017)，而该模型对成熟度较低(Ro<0.9%)的烃源岩样品适用性不高(Niselsenetal.,2017);尽管中国近海主要含油气盆地的岩石圈伸展模式和成盆动力机制已经趋于成熟(Renetal.,2002;任建业，2018)，但南黄海盆地还尚未开展此类研究工作，建立可靠的构造-热演化史有助于深入了解盆地的成因机制;盆地烃源岩热演化差异明显，已钻井揭示北部坳陷上白垩统泰二段3420m烃源岩(Ro约0.9%)已进入生油窗并接近生油高峰，而南部坳陷阜宁组四段3400m烃源岩(Ro约0.6%)却仍处于低熟阶段。北部坳陷现今地温梯度约为31℃/km，南部坳陷现今地温梯度约为29℃/km，3400m左右地温相差不超过10℃，不足以造成如此大的成熟度差异。
基于上述面临的实际勘探问题，本文开展了基于岩石圈尺度的AdvancedMcKenzie地球动力学模型正演，建立了盆地壳、幔伸展系数和热流演化史，明确岩石圈伸展模式，并进一步结合适用于低成熟度样品的Easy%RoDL模型约束得到可靠的地表热流史。从盆地深部壳幔结构，周缘中侏罗世以来西太平洋构造域的板块汇聚和离散过程，讨论了盆地低地热状态成因;从岩石圈伸展模式和控盆拆离断层演化，讨论了成盆机制;从烃源岩热演化过程讨论了南、北部坳陷现今烃源岩成熟度差异的控制因素。这对深入认识南黄海盆地的油气勘探潜力和指导下步油气勘探部署具有重要意义。
1区域地质概况
南黄海盆地位于下扬子构造区在海域的延伸(图1a)，和苏北盆地为一个统一的大型叠合盆地，面积约为15×104km2，平均水深46m，其北侧为苏鲁造山带，是晚三叠世中期华北板块和扬子板块碰撞(印支运动)形成的造山带(图1b)，向西延伸至朝鲜半岛(董树文等，2019);西侧为郯庐断裂带，形成于中侏罗世西太平洋伊泽奈崎板块俯冲启动(燕山运动)(朱光等，2016);南侧为江绍断裂，其形成可追溯至元古代，早古生代扬子与华夏板块曾沿该断裂发生过强烈的北东向左行走滑(加里东运动)(Wangetal.,2020)。盆地存在双层基底构造，即太古代-早元古代形成的深层变质岩系构成的相对刚性的陆核，环绕变质岩陆核发育的相对韧性的中-新元古代形成的浅变质岩。在三叠世以前，南黄海盆地与整个扬子板块一致，发育稳定的海相和海陆过渡相沉积，之后经历了印支运动和燕山运动，而在早白垩世晚期(K13)受太平洋板块近向北的俯冲下，盆地处于远场拉伸应力环境开始伸展裂陷，因此盆地在前裂陷期经历了强烈的近南北向挤压改造(图2)。盆地存在四个构造单元：中部隆起和勿南沙隆起是残余的中-古生代海相盆地，“中-新生代裂谷盆地”即是指盆地的南部坳陷和北部坳陷。南、北部坳陷最大埋深均超过8km，在裂陷期发育下白垩统赤山-浦口组、上白垩统泰州组、古近系发育阜宁组、戴南组和三垛组(图2)：其中赤山-浦口组主要以灰色泥岩和含砾砂岩为主;泰州组分为两段，泰一段主要为砂岩、灰色泥岩夹少量膏岩，而泰二段沉积时存在区域性的湖侵事件，发育大套的黑色泥岩;古新统阜宁组分为四段，其中阜一段和阜三段均以砂岩为主，仅夹少量的灰色泥岩;而阜二段和阜四段沉积时期，也存在区域性的湖侵事件，发育大套的黑色泥岩;始新统戴南组和三垛组主要以辫状河和曲流河沉积为主，岩性以大套砂岩和灰色泥岩互层为主，是重要的储层发育段;盆地在渐新统发生了强烈的挤压和构造抬升，伸展裂陷终止发育;自新近纪后盆地再次接受沉积发育了新近系盐城组和第四系东台组。多期湖侵事件形成的生油层也是重要的盖层，因此在纵向上形成了多套储盖组合。
盆地的主要生油层是泰二段，阜二段和阜四段，但是分布具有差异性，其中北部坳陷的主力生油层泰州组为Ⅰ-Ⅱ1型，好-优质烃源岩，阜二段整体为Ⅱ2或Ⅲ型，中等烃源岩;南部坳陷主力生油层是阜四段和阜二段(徐建永等，2019)，为Ⅱ1-Ⅱ2型，中等-优质烃源岩。南、北部坳陷烃源岩的成熟度差异明显：北部坳陷Well-A井3420m泰二段烃源岩Ro约0.9%，Well-C井2200m阜二段烃源岩Ro约为0.7%;而南部坳陷Well-B井和Well-D井在3400m钻遇的阜四段烃源岩Ro仅约为0.6%;Well-E井在3000m钻遇的阜二段烃源岩Ro<0.5%。
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分别选取两口实钻井用于本次研究，两个次级凹陷结构完整(图1c、1d)，凹陷内钻井揭示层位齐全，三维地震资料覆盖且构造解析落实，未钻遇层位通过引层结合VSP推测。
2地球动力学模型正演
2.1AdvancedMckenzie地球动力学模型
McKenzie(1978)提出的纯剪切模式(图3a)和McKenzie动力学模型(图3b)一直是石油地质领域公认的经典沉积盆地模型，该模型是一种瞬时的均匀拉张模型，既在伸展应力的作用下，岩石圈发生减薄并导致软流圈以一个恒定的温度上涌，之后伴随块体的断裂和沉降。模型假设这个过程是在裂陷期最后一刻瞬间发生的，而在伸展应力消失之后，岩石圈恢复热平衡发生热沉降。盆地的总沉降量是由两部分组成的，即瞬时拉张时均衡补偿及断层控制的初始沉降量和热沉降量两部分。该模型首次建立了热沉降量与岩石圈伸展系数、岩石圈初始厚度、盆地充填物及软流圈顶面温度的函数关系。Wernicke(1981)提出的简单剪切模式(图3a)认为岩石圈的伸展减薄是沿切穿整个岩石圈的低角度正断层(拆离断层)的滑动来完成的，并在浅部控制裂谷盆地发育。实际上大部分控制裂谷盆地发育的拆离断层多收敛于莫霍面和地壳内部，鲜有能够切穿整个岩石圈直至软流圈的大型拆离断层(KusznirandMatthews，1988)。当地质学家认识到地壳和地幔的脆、韧性流变学差异后，同时考虑深部地幔(或包含下地壳)韧性纯剪切和浅部地壳(或仅包含上地壳)沿拆离断层脆性简单剪切的联合剪切模式(Kuszniretal.,1991;Listeretal.,1991)，是当前广泛认可的裂谷盆地发育模式(图3a)。
基于上述认识，AdvancedMcKenzie非均匀拉张地球动力学模型(图3c)在引入了地壳伸展系数(βc)和地幔伸展系数(βm)后(HantschelandKauerauf，2009)，统一的岩石圈伸展划分为地壳伸展和地幔伸展两个部分，盆地发育阶段包括：1)地壳和地幔不断变薄的伸展阶段;2)恢复岩石圈厚度的热沉降阶段。通过理论构造沉降量与实际构造沉降量拟合即可确定盆地各阶段的地壳与地幔伸展系数、盆地的伸展模式和热流变化趋势。
其具体的方法过程为：1).通过对沉积地层进行回剥，以获得盆地的实际构造沉降曲线;2).对实际构造沉降曲线进行伸展阶段的划分;3).利用地球动力学模型，设置裂陷期与裂后期的时限，不断迭代地壳和地幔伸展系数，实现理论构造沉降曲线与实际构造曲线的拟合，其伸展系数可以确定成盆过程中的伸展机制;4).确定伸展系数后，可以得到一个初步的背景热流演化趋势，进一步利用镜质体反射率和钻井温度进行约束检验。
2.2模型参数设置
模拟所需的参数主要包括岩石圈结构和热物理参数，和地层岩石热物理参数两大类(HantschelandKauerauf，2009)。胥颐等(2008)、祁江豪(2015)、陈艳等(2017)和Kimetal.(2019)等利用Pn波速度结构反演、海底地震仪或布格重力数据反演得到的南黄海-苏北深部的莫霍面深度约为32km~34km，且南、北部坳陷没有较大差异，因此本文使用32~34km作为模型的地壳厚度。横贯整个下扬子及苏北盆地的HQ-13地学断面表明，苏北盆地周缘未发生岩石圈减薄的地区现今岩石圈厚度约为120km(陈沪生和张永鸿，1999)，考虑到南黄海盆地存在过约1~2km的抬升剥蚀，因此使用122km岩石圈初始厚度较为合适，其余岩石圈热物理参数见表1。陈沪生和张永鸿(1999)基于200余块下扬子地区岩石的热导率测试和U、Tk、K含量测定，建立了完整的地层热导率柱和地层生热率柱。在参考下扬子地层热导率柱和生热率柱的基础上，利用地层岩性比例对地层岩石热物理参数进行了混合。南黄海中-新生代盆地以陆相沉积为主，模型中设置15℃沉积水界面温度和50m古水深不变。
2.3沉降特征、岩石圈伸展模式与背景热流模型
通过对沉积地层回剥得到的最大构造沉降量约为1700m~2200m(图4)，相比渤海湾盆地渤中凹陷约4500m、辽中凹陷约4000m，东营凹陷约3000m的构造沉降量要小(刘琼颖和何丽娟，2019)。南、北部坳陷的沉降特征较为相似且表现为两期伸展裂陷，因此模型需要划分为两个阶段，分别包含了早白垩世晚期一个短暂伸展裂陷阶段和晚白垩世早期的一个长时间的热沉降阶段，因此其可以合并为裂陷Ⅰ幕，模型中设置此阶段裂陷期(SynRift)为106~96Ma，裂后期(PostRift)为96~72Ma;从晚白垩世晚期即泰州组二段沉积开始，盆地开始进入活跃的伸展裂陷阶段，并一直持续到渐新统构造抬升发生前，因此划分为裂陷Ⅱ幕，此阶段的裂陷期为72~32Ma，裂后期为32~0Ma。
模拟伸展过程中需要详细逆序推导各阶段的伸展系数，裂陷Ⅰ幕伸展后的地壳和地幔厚度是裂陷Ⅱ幕的初始厚度，最终地壳厚度(32~34km)和初始岩石圈总厚度(122km)作为约束条件，通过不断反复迭代理论构造沉降量和实际构造沉降量，以40km初始地壳厚度建立该盆地的伸展过程。北部坳陷裂Ⅰ幕地壳和地幔伸展系数分别为1.05和1.02，裂陷Ⅱ幕地壳和地幔伸展系数分别为1.14和1.04，地壳总伸展系数为1.20，地幔总伸展系数为1.06，总伸展系数为1.27(图4a);南部坳陷裂陷Ⅰ幕地壳和地幔伸展系数分别为1.07和1.03，裂陷Ⅱ幕地壳和地幔伸展系数为1.16和1.03，地壳总伸展系数为1.24，地幔总伸展系数为1.06，总伸展系数约为1.32(图4b)，稍大于北部坳陷的总伸展系数1.27，这与Well-B井构造沉降量稍大的特征相符合。同时，两口钻井所在的次级凹陷埋深较大，两者平均值具有一定代表性，平均地壳总伸展系数约为1.22，地幔总伸展系数约为1.06，即地壳的伸展系数明显大于地幔伸展系数，根据裂谷盆地伸展机制(图3a)和AdvcncedMckenzie动力学模型的原理(图3c)，南黄海盆地岩石圈伸展模式主要以地壳简单剪切变形为主，地幔纯剪切变形较弱，但仍需要考虑动力机制的来源，以及是否存在拆离断层及其规模，进一步确定盆地的成盆机制。由于没有裂陷Ⅰ幕这一期沉积层的镜质体反射率，无法对其反演进行约束，且裂陷Ⅰ幕的持续时间和沉降强度都很低，对烃源岩热演化的影响不大。因此可以将裂陷期合并成一个裂陷幕进而拟合总沉降量获得一个初步的背景热流模型。地球动力学模型计算的初步背景热流模型表明盆地的最高热流值出现在裂陷期的最后时刻，在渐新统构造抬升发生后逐渐降低(图4c，4d)。同时北部坳陷的热流在裂陷期和裂后期均小于南部坳陷。然而动力学模型模拟所需的参数较多，且无法考虑岩浆活动，造山带或深大断裂等高热异常区带来的影响，需要进一步利用合适的有机质化学动力学模型和钻井温度进行检验约束。——论文作者：李志强，杨波，韩自军，黄振，吴庆勋
