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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (1): 7-15  
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卢进才, 牛亚卓, 姜亭. 中国北方石炭系—二叠系油气地质调查与勘探进展[J]. 地质通报, 2018, 37(1): 7-15.
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Lu J C, Niu Y Z, Jiang T. Progress in geological survey and petroleum exploration of Carboniferous-Permian strata in northern China[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(1): 7-15.
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基金项目

中国地质调查局项目《银额盆地及邻区石炭—二叠系油气远景调查》(编号:121201112096)和《银额盆地及周缘油气基础地质调查》(编号:121201152201)

作者简介

卢进才(1961-), 男, 本科, 教授级高级工程师, 从事石油天然气勘探与开发研究。E-mail:shiyou2002@163.com

文章历史

收稿日期: 2017-08-25
修订日期: 2017-09-20
中国北方石炭系—二叠系油气地质调查与勘探进展
卢进才 , 牛亚卓 , 姜亭     
中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054
摘要: 近10年来,中国北方(天山-兴蒙构造带)以石炭系—二叠系为目的层的油气基础地质调查在地层划分对比、层序地层、沉积充填与沉积体系、构造改造等基础地质领域,以及石炭系—二叠系烃源岩评价等石油地质领域取得了一系列新认识。天山-兴蒙构造带发育石炭纪—二叠纪与中生代2期叠合盆地,其中中生代盆地群是在未变质的石炭系—二叠系之上发育的上叠盆地。盆地内部及周缘地质体均发现了石炭系—二叠系良好烃源岩。准噶尔、三塘湖、吐哈、银额等盆地以石炭系—二叠系为目的层的油气调查与勘探不断取得新的发现与突破,二连、松辽等盆地相继获得了石炭系—二叠系油气赋存信息。中国北方石炭系—二叠系具有良好的油气地质条件与资源前景,有望成为油气勘探的战略接替新领域。
关键词: 天山-兴蒙构造带    石炭系—二叠系    叠合盆地    新领域    
Progress in geological survey and petroleum exploration of Carboniferous-Permian strata in northern China
LU Jincai, NIU Yazhuo, JIANG Ting     
Xi'an Geological Survey Center, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: In the past ten years, the geological and petroleum survey in Carboniferous-Permian strata in northern China (Tianshan-Xingmeng tectonic belt) has obtained some new views in the aspects of stratigraphic subdivision and correlation, sequence stratigraphy, sedimentary filling and system, tectonic deformation in basic geological fields, and the Carboniferous-Permian source rock evaluation. The Tianshan-Xingmeng tectonic belt is composed of a series of superimposed basins of Carboniferous-Permian and Mesozoic strata. That means the Mesozoic basins are superimposed basins developed on the undeformed Carboniferous-Permian strata. Carboniferous-Permian good source rocks were formed in sedimentary basins and their peripheral geological bodies. New discoveries and breakthroughs have been continuously obtained in Junggar, Santanghu, Turpan, and Yingen-Ejin basins. Petroleum information from Erlian and Songliao basins has been reported. Carboniferous-Permian strata in northern China have good oil and gas geological conditions and resource prospect, which can become a new field of oil and gas exploration strategy.
Key words: Tianshan-Xingmeng tectonic belt    Carboniferous-Permian    superimposed basin    new fields    

中国北方(天山-兴蒙构造带)石炭系—二叠系油气地质研究与勘探, 指以天山-兴蒙构造带上一系列中—新生代盆地下伏的石炭系—二叠系为目的层的油气地质研究与勘探,地理位置包括新疆北部、北山地区、内蒙古大部(狼山-阴山以北)和吉林、黑龙江大部,面积约210×104km2

研究区位于华北板块、塔里木板块、哈萨克斯坦板块和西北利亚板块的交汇带[1],构造地质背景复杂,前人对研究区区域构造背景、盆地形成演化与盆地性质,以及后期构造改造等基础地质认识长期存在争议,主要表现在:①对古亚洲洋闭合时限认识的争议[2-6],制约了对盆地性质、盆地沉积充填特征等油气基础地质研究;②对研究区石炭系—二叠系是否遭受区域变质存在不同认识[7-9],传统认为古生代—早中生代地层遭受了多期次的区域变质作用,石炭系—二叠系长期作为中生代盆地基底。由于基础地质认识的争议,石炭系—二叠系油气地质工作程度极低,即便在石炭系—二叠系取得油气的发现也认为属于新生古储,但十多年来的油气地质调查与勘探不断取得的发现与突破,向传统认识提出了挑战。

十多年来,中石油、中石化等石油企业通过准噶尔盆地和三塘湖盆地的油气勘探,于石炭系—二叠系不断取得发现与突破。国土资源部油气战略研究中心开展的油气战略选区项目,以及中国地质调查局开展的油气基础地质调查项目,在天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪盆地形成演化、沉积充填、油气地质条件等研究方面取得了许多新认识,尤其是银额盆地已优选的油气远景区经国土资源部竞争性出让,企业加大勘探投入,于二叠系获得高产工业油气流,进一步佐证了中国北方石炭系—二叠系具有良好的油气资源前景。

本文通过梳理中国北方(天山-兴蒙构造带)石炭系—二叠系油气基础地质调查在盆地形成演化、沉积建造、构造改造、变质作用等影响油气地质条件的基础地质问题研究取得的新认识与新成果,以及商业性油气勘探开发取得的新进展,深化对中国北方(天山-兴蒙构造带)石炭系—二叠系油气地质条件与资源潜力的认识,为油气地质调查与勘探部署提供依据。

1 油气基础地质调查与研究历程

自1957年中石油新疆油田分公司在准噶尔盆地西缘克拉玛依一带发现石炭系—二叠系油藏以来,到2004年相继在二叠系发现了火烧山油田、在石炭系发现了石西油田。但受地质认识的制约,业内一直认为石炭系—二叠系油藏为新生古储,勘探投入有限,进展缓慢。

20世纪80年代以来,一些学者不断探索中国北方(天山-兴蒙构造带)石炭系—二叠系油气地质条件与资源潜力[10-11],并通过开展石炭纪—二叠纪沉积充填特征与沉积体系研究、烃源岩展布与地球化学特征研究,对中国北方(天山-兴蒙构造带)油气条件与资源前景进行了探讨[10-12],为准噶尔盆地、三塘湖盆地等石炭系—二叠系油气的发现奠定了基础。

较早的研究始于20世纪80年代,原地矿部石油地质海洋地质局开展了“中国西北地区石炭系—二叠系含油远景”项目,研究范围涉及中国北方(天山-兴蒙构造带)西段,认为北天山—阴山地区为浅海相沉积,不少地区存在暗色泥页岩与微晶灰岩,并认为新疆北部的准噶尔盆地、吐哈盆地、伊宁盆地及北山地区的石炭系—二叠系发育巨厚的烃源岩[13]

2000年以来,中国石油天然气股份有限公司开展的“中国北方油气区石炭系—二叠系划分对比、古环境研究及油气远景评价”、“新疆北疆地区石炭系油气地质综合评价及勘探部署”等项目,对中国北方(天山-兴蒙构造带)西段的北疆地区,以及内蒙古东部、松辽盆地及外围等研究区的地层岩性特征和主要地层单元的沉积相进行了研究,并预测了油气资源前景[14-16]

同时,国土资源部油气战略研究中心开展的“松辽盆地及外围上古生界油气资源战略选区”项目,对松辽盆地及周缘石炭系—二叠系油气地质条件进行了初步评价[17-18],明确了松辽盆地及外围盆地石炭系—二叠系发育多套烃源岩,烃源岩演化以高成熟-过成熟为主,石炭系—二叠系不存在区域变质。

2007年以来,中国地质调查局开展的“银额盆地及周缘油气基础地质调查”、“松辽外围盆地油气基础地质调查”、“天山-兴蒙构造带石炭系—二叠系对比研究”、“中国西北地区与中亚地区沉积盆地油气地质条件对比研究”等项目,以石炭系—二叠系为主要目的层,在盆地形成演化、层序地层、沉积充填等方面取得了一系列新成果与新认识,明确了石炭系—二叠系为陆内裂谷盆地沉积,发育多套良好烃源岩,烃源岩演化以成熟-高成熟为主,不存在区域变质,明确了石炭系—二叠系油气地质条件与资源前景[19-20]。以银额盆地为代表,优选的油气远景区经国土资源部竞争性出让,企业加大勘探投入,在哈日凹陷、拐子湖凹陷、天草凹陷相继钻获高产工业油气流,实现了自1955年以来银额盆地油气勘探的重大突破。

2 石炭纪—二叠纪地层沉积研究取得新认识

中国地质调查局开展的油气基础地质调查项目,以及中国石油天然气股份有限公司开展的“中国北方油气区石炭系—二叠系划分对比、古环境研究及油气远景评价”项目等,针对中国北方(天山-兴蒙构造带)石炭纪—二叠纪构造背景、盆地形成演化、沉积充填等影响油气地质条件评价的基础问题,通过野外地质调查与室内综合研究,取得了一系列新认识。

2.1 地层研究进展

地层缺失或主要地层单元之间的接触关系是构造演化研究的重要依据之一。中国北方(天山-兴蒙构造带)古生代地层之间的区域不整合通常被作为古亚洲洋闭合时限的证据进行讨论。其中,石炭纪地层与前石炭纪地层的不整合接触广泛出露,其上、下地层在岩石特征、沉积环境、变质变形等方面存在重大变化,许多学者将古亚洲洋闭合时间确定在前石炭纪[4-5];1:20万区域调查报告在石炭纪—二叠纪地层内部划分了多个区域不整合,部分学者将区域调查报告描述的石炭纪—二叠纪内部的不整合作为古亚洲洋闭合的时限[2]

2.1.1 新疆北部地区

新疆北部绝大多数1:20万区域调查报告将早、晚石炭世地层的接触关系划为不整合, 或将下石炭统内部与上石炭统内部划分出多个不整合。2000年,地层清理(中国地层典)将新疆北部阿尔泰—北准噶尔、玛依拉山、觉罗塔格等地区的下、上石炭统及其内部地层的接触关系修正为整合或平行不整合接触[21-22]

笔者所在团队对伊宁盆地周缘1:20万区域调查报告描述的石炭系内部存在不整合的特克斯北剖面、尼勒克北水泥厂剖面等进行了路线调查或实测,结果表明,所谓“不整合”的上、下地层变形特征一致,石炭系内部应为整合或平行不整合接触,不存在区域不整合[23]

综合地层清理及伊宁盆地周缘油气基础地质调查成果,认为北疆地区石炭系内部以整合或平行不整合接触为主,仅准噶尔盆地东北缘、三塘湖盆地周缘等地区的部分剖面石炭系内部厘定为不整合接触,并不代表区域性不整合。这些地区的地层划分对比研究薄弱,大量火山岩锆石年龄对地层时代提出了质疑,地层时代及接触关系有待进一步的认识。

新疆北部晚石炭世地层与早二叠世地层的不整合不存在争议,代表了陆内裂谷盆地向内陆盆山演化的转换。

2.1.2 银额盆地及北山地区

在银额盆地及北山地区,通过大量火山岩锆石U-Pb同位素年龄分析,以及获得的大量古生物化石资料,重新厘定了石炭纪—二叠纪主要岩石地层单元时代归属及主要地层单元的接触关系。

北山地区北部甜水井北剖面、碎石山西剖面等原下石炭统绿条山组,以及碧云泉、甜水井、黑鹰山、哈珠南、六驼山等剖面原下石炭统白山组获得的火山岩锆石年龄为320~297Ma,修订为上石炭统—下二叠统干泉组;原描述的“下石炭统绿条山组、白山组”与上覆的上石炭统—下二叠统的不整合实际为在干泉组火山岩高地上的超覆沉积,并不存在区域不整合[8, 24-25]

北山地区南部公路井、哥德坑东、孔雀泉、同昌口、东三羊井东南等剖面的原“下石炭统白山组”获得的火山岩锆石年龄为363~451Ma,分别修正为早古生代奥陶纪、志留纪及晚古生代泥盆纪地层;原描述的“下石炭统白山组”与上石炭统干泉组或二叠系的不整合,实际为上石炭统干泉组或二叠系不整合在前石炭纪不同时代地层之上[8]

通过石炭纪—二叠纪地层时代及各岩石地层单元接触关系的厘定,建立了石炭纪—二叠纪层序地层对比格架,认为北山地区及银额盆地石炭系—二叠系内部以连续沉积为主,盆地边缘存在上超或下超沉积, 局部存在地层缺失的平行不整合,不存在区域性角度不整合。北山地区及银额盆地南部沉积了下石炭统白山组—中二叠统金塔组(东部为阿其德组),北山地区北部沉积了上石炭统石板山组—上二叠统方山口组(东部为哈日苏海组)。

2.1.3 内蒙古中东部-松辽盆地及周缘

内蒙古中东部-松辽盆地及周缘石炭纪—二叠纪地层出露较差、研究薄弱,不同图幅的1:20万区域调查报告在石炭系、二叠系之间及其内部划分出多个区域不整合。2000年,地层清理(中国地层典)将石炭系内部的不整合全部修正为平行不整合或整合;二叠纪地层除哲斯地区下二叠统西里庙组与中二叠统包特格组为不整合接触,以及西乌珠穆沁旗地区中二叠统西乌珠穆沁旗与上二叠统林西组(包尔敖包组)为不整合接触外,其余均为整合或平行不整合接触。

中国地质调查局开展的油气基础地质调查重新厘定了内蒙古东部、松辽盆地及周缘的石炭纪—二叠纪地层层序,认为石炭系—二叠系以整合或平行不整合接触为主,不存在区域不整合[26]

中国石油天然气股份有限公司开展的“中国北方油气区石炭系—二叠系划分对比、古环境研究及油气远景评价”项目,对内蒙古中东部、松辽盆地及周缘的石炭纪—二叠纪地层进行了清理,认为石炭系、二叠系之间及其内部主要地层单元或为整合接触,或为平行不整合接触[14]

总之,内蒙古中东部、松辽盆地及周缘的石炭纪—二叠纪地层不存在区域性不整合,与新疆北部、北山地区及银额盆地一致。

2.2 沉积充填特征与沉积相研究进展

朱如凯等[15-16]对中国北方石炭纪—二叠纪岩相古地理进行了较详细的研究,分别编制了石炭纪—二叠纪不同阶段的岩相古地理图,总结了天山-兴蒙构造带盆地演化规律与岩相古地理特征。本文将不同学者、不同研究单位在不同区带的研究成果总结如下。

2.2.1 新疆北部地区

中国地质调查局西安地质调查中心长期在新疆北部开展基础地质调查与综合研究,不同学者开展的火山岩地球化学、沉积建造等研究对石炭纪—二叠纪构造背景、盆地性质和盆地演化取得的认识一致[22-23, 27],即新疆北部石炭纪地层不整合在前石炭纪不同地层单元之上,该不整合界面代表了古亚洲洋闭合的时限。石炭纪进入陆内(板内)裂谷盆地演化阶段[27],并发育伊宁-乌鲁木齐和乌尔禾-三塘湖2个裂谷中心,其间被塔城古陆、准噶尔古陆、五彩湾古陆和三塘湖古陆形成的中间岛链分割。

二叠纪,北疆地区进入内陆盆地演化阶段,发育多个陆相盆地(湖盆),局部存在残留海的沉积。新疆北部晚石炭世地层与早二叠世地层的不整合,代表了陆内裂谷盆地向内陆盆山演化的转换。

2.2.2 北山-银额盆地

中国地质调查局西安地质调查中心开展的银额盆地及周缘油气基础地质调查,针对石炭纪—二叠纪盆地形成演化研究存在的争议,通过系统的沉积充填研究,结合火山岩地球化学分析,明确了北山地区、银额盆地石炭纪—二叠纪为统一的陆内裂谷盆地。在地层层序研究、沉积构造标志分析、轻重矿物分析、碎屑锆石测年,以及岩石学分析的基础上,系统编制了石炭纪—二叠纪主要地层单元的沉积相对比剖面图与沉积相平面展布图,重建了岩相古地理格局。认为北山-银额石炭纪—二叠纪盆地形成于早石炭世晚期,消亡于晚二叠世,晚石炭世—早二叠世为盆地发育的鼎盛时期,晚二叠世大部分地区进入内陆演化阶段,仅额济纳旗雅干以东存在残留海盆沉积。明确了北山—银额地区石炭纪—二叠纪为统一的陆内(板内)裂谷盆地[19-20]

2.2.3 内蒙古中东部、松辽盆地及周缘

2000年以来,中国石油天然气股份有限公司、国土资源部油气战略研究中心、中国地质调查局等分别开展了内蒙古中东部、松辽盆地外围石炭系—二叠系岩相古地理研究与油气远景评价。由于基础地质研究相对薄弱,对石炭纪—二叠纪构造背景与沉积演化存在不同认识。多数研究者认为,晚古生代的沉积作用是在统一大陆背景下形成的陆内裂谷盆地[5, 7],早石炭世沉积范围局限,晚石炭世—早中二叠世为盆地演化的鼎盛时期,广泛发育浅海陆棚相、海相火山岩相沉积;晚二叠世盆地萎缩,以海陆交互沉积为主,或进入内陆盆地演化阶段。近年来,许多研究者在晚二叠世地层中发现了大量海相化石,认为晚二叠世仍以海相沉积为主[26]

3 石炭系—二叠系生烃条件研究进展 3.1 新疆北部地区

新疆北部主要盆地二叠系不乏良好的烃源岩,且勘探程度较高,油气地质条件与资源潜力的认识已无争议。由于石炭纪地层、沉积演化、盆地性质、盆地沉积充填特征等基础地质问题的认识久有争议,烃源岩研究程度较低,制约了油气地质条件与资源前景的认识。因此,本文仅对新疆北部石炭系烃源岩研究取得的新认识与新进展进行讨论。

准噶尔盆地发育下石炭统滴水泉组(或姜巴斯套组)、上石炭统巴塔玛依内山组和石浅滩组(或阿拉德依克赛组)等多套烃源岩[12]。受沉积相的控制,发育多个生烃中心,其中,克拉美丽山前烃源岩厚度一般为100~400m,陆东—五彩湾地区烃源岩厚度800m,盆地西北缘的缘扎伊尔山前厚度为300~900m。烃源岩岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质凝灰岩为主,部分为炭质泥岩。下石炭统烃源岩丰度以中等-高为主,有机碳含量(TOC)一般为0.80%~1.76%,高者大于8%,主要分布潟湖相。上石炭统烃源岩有机质丰度以中等为主,有机碳含量平均为0.63%,横向变化大。干酪根类型以Ⅱ1~Ⅱ2型为主,有机质成熟度以成熟-高成熟为主[28]

三塘湖盆地目前没有钻井揭示下石炭统烃源岩,但盆地南缘地表剖面下石炭统烃源岩发育,包括东咕噜巴斯套组、姜巴斯套组,一般累计厚度大于200m,条湖凹陷、马朗凹陷南缘烃源岩累计厚度大于500m;钻井揭示的上石炭统烃源岩广泛发育,多数钻井揭示的上石炭统烃源岩累计厚度小于100m,总体呈南厚北薄、东厚西薄的特点,马朗凹陷上石炭统烃源岩厚度最大,马33井揭示的上石炭统烃源岩厚度达581.6m。烃源岩以泥岩、凝灰质泥岩为主,其中,泥岩有机碳含量一般为1.80%~5.57%,凝灰质泥岩有机碳含量变化大,分布在2.25%~25.70%之间[28]。干酪根类型以Ⅱ型为主,有机质成熟度以成熟为主[28-29]

此外,伊宁盆地及周缘、吐哈盆地及周缘地表剖面石炭系发育多套厚度大、有机质含量高、以Ⅱ型为主、演化程度中等-高的良好烃源岩。因此,新疆北部不乏石炭系良好烃源岩。

3.2 银额盆地及周缘

2007年以来, 中国地质调查局开展的以石炭系—二叠系为目标层的新区新层系油气基础地质调查,通过大量地表剖面及实施的地质调查井获得了丰富的石炭系—二叠系烃源岩评价资料,相关石油、煤田钻井等不同程度揭示了石炭系—二叠系烃源岩的分布, 对主要烃源岩层段的空间展布、地球化学特征进行了系统研究[19-20, 30-31]。烃源岩分布受沉积相控制,黑鹰山-额济纳旗坳陷带(北部坳陷带)发育上石炭统干泉组、下二叠统埋汗哈达组、中二叠统阿其德组, 以及上二叠统哈尔苏海组4套烃源岩,累计烃源岩厚度大于1000m。红柳园-巴丹吉林坳陷带(南部坳陷带)发育上石炭统阿木山组、下二叠统埋汗哈达组和上二叠统哈尔苏海组3套烃源岩,累计烃源岩厚度大于600m。地表剖面样品分析结果,上石炭统干泉组TOC含量分布在0.50%~2.50%之间,下二叠统埋汗哈达组TOC含量一般分布在0.30%~2.34%之间,中二叠统阿其德组TOC含量一般分布在0.29%~1.47%之间,上二叠统哈尔苏海组TOC含量一般分布在0.30%~1.23%之间。钻井仅揭示了二叠系烃源岩,其TOC含量较地表剖面高许多,其中居延海坳陷获得的二叠系(未分组)烃源岩TOC含量一般分布在0.57%~4.21%之间,部分大于5.0%;务桃亥坳陷的拐子湖凹陷获得的上二叠统烃源岩TOC含量分布在0.41%~1.72%之间。综合而言,石炭系—二叠系烃源岩有机质丰度为中等-高,其中,上石炭统烃源岩有机质丰度高于二叠系,二叠系自下而上有机质丰度逐渐降低,钻井岩心样品有机质丰度显著高于地表剖面样品。

对银额盆地周缘石炭系—二叠系12条剖面131件样品的干酪根类型统计[30],Ⅰ型干酪根占5.8%,Ⅱ1型干酪根占55.0%,Ⅱ2型干酪根占36.9%,Ⅲ型干酪根占2.3%。钻井岩心样品分析结果,居延海坳陷二叠系烃源岩有机质类型为Ⅱ1~Ⅱ2型;务桃亥坳陷的拐子湖凹陷上二叠统哈尔苏海组烃源岩干酪根类型为Ⅰ~Ⅱ1型。

热演化史与有机质成熟度研究表明,石炭系烃源岩演化达成熟-高成熟阶段,以生气为主;二叠系烃源岩不同构造单元演化程度存在差异,总体处于成熟阶段,以生油为主。

3.3 内蒙古中东部-松辽盆地及周缘

内蒙古中东部-松辽盆地及周缘石炭系—二叠系发现的主要烃源岩层段为中上石炭统本巴图组、上石炭统—下二叠统阿木山组、下二叠统寿山沟组、中二叠统哲斯组、上二叠统林西组等多套烃源岩[32-34]

采集的地表剖面样品分析结果显示,中二叠统哲斯组烃源岩TOC含量主要分布于0.69%~1.13%之间,干酪根类型以Ⅱ1~Ⅱ2为主;上二叠统烃源岩TOC含量分布在0.25%~1.14%之间,为中等-好烃源岩。烃源岩演化程度为高成熟-过成熟,Ro值为1.34%~3.8%[32]

结合新疆准噶尔盆地、三塘湖盆地及银额盆地的研究,地表剖面受风化作用和造山带构造动力作用的影响,烃源岩有机质丰度较盆地内低,而演化程度较盆地内高。从地表剖面看,内蒙古中东部-松辽盆地及周缘石炭系—二叠系烃源岩各项指标不亚于准噶尔盆地、三塘湖盆地及银额盆地。

4 构造改造与变质作用研究进展

传统认为,天山-兴蒙构造带石炭系—二叠系普遍经历了晚古生代—早中生代的区域变质作用改造,形成大面积的变质岩系[7]。石炭系—二叠系不具备油气形成的基本条件,一直被认为其是中生代盆地的基底。

近十年来,天山-兴蒙构造带开展的油气基础调查与勘探,不仅发现了石炭系—二叠系良好的烃源岩,而且发现了良好的储集层,并发育原生孔隙。尽管天山-兴蒙构造带石炭系—二叠系经历了多期次的构造改造,变质变形特征及时空分布存在差异,但油气基础地质调查与勘探成果表明,区内不存在区域变质。虽然造山带发生强烈变形,但中生代盆地覆盖区变形较弱。

4.1 新疆北部石炭系—二叠系变质变形特征

构造改造研究表明,新疆北部造山带石炭系—二叠系强烈变形,但准噶尔、三塘湖等盆地的地震资料及钻井取心表明,石炭系、二叠系变形较弱,与上覆中生代地层具有小的角度差(一般小于10°)。石炭系与二叠系、二叠系与三叠系等不整合显著,但均为低角度不整合。

变质作用研究表明,新疆北部石炭系、二叠系在造山带局部受构造动力变质作用的影响发生浅变质。从烃源岩演化程度看,准噶尔盆地、三塘湖盆地烃源岩演化以成熟为主,局部为低成熟或高成熟,Ro值一般为0.7%~1.2%;从储层成岩作用与孔隙演化看,多处于中成岩作用A-B期,普遍可见原生孔隙,不存在区域变质。

4.2 银额盆地及周缘变质变形特征

银额盆地及周缘石炭系—二叠系沉积之后,区内主要构造变革期次为华力西末期和燕山Ⅲ幕,均以南北向挤压为主。造山带(洪果尔山及北山地区)石炭系与二叠系变形强烈,地层倾角一般大于40°,为高陡倾角地层。

银额盆地中生界覆盖区获得的大量钻井岩心及地球物理资料表明,石炭系与二叠系变形较弱,倾角一般小于20°,油气地质条件有利[35]

成岩作用及烃源岩埋藏演化研究表明,银额盆地内部石炭系—二叠系总体处于中成岩作用A-B期,Ro一般为0.7%~2.0%,烃源岩演化以成熟-高成熟为主。受构造动力作用的影响,洪果尔山及北山地区局部发生浅变质,不存在区域变质。

4.3 内蒙古中东部、松辽盆地及周缘变质变形特征

与新疆北部的准噶尔盆地、三塘湖盆地及内蒙古西部的银额盆地对比,内蒙古中-东部、松辽盆地及周缘石炭系—二叠系沉积之后的构造在时间及空间上存在显著差异,且更加复杂,尤其是内蒙古中东部、松辽盆地及周缘中生代岩浆活动强烈。但同样具有造山带强烈变形、局部发生构造动力变质、中生代盆地覆盖区变形较弱的特点,不存在区域变质。

内蒙古中东部二连盆地赛罕塔拉地区发现石炭系—二叠系潜山油藏,明确了石炭系—二叠系未变质。马尼特坳陷伊和勘查区揭示的二叠系不仅未变质,而且获得了油气赋存信息。地表剖面烃源岩演化程度差异大,Ro值为1.34%~3.8%,与银额盆地及周缘相近。

松辽盆地有限的钻井揭示的石炭系—二叠系成岩程度差异较大,部分进入中成岩A-B期,部分进入晚成岩早期,烃源岩演化程度进入高成熟-过成熟阶段,较新疆北部及银额盆地演化程度高,可能与松辽盆地及周缘中生代岩浆活动频繁有关。

5 勘探进展 5.1 新疆北部地区石炭系—二叠系油气勘探进展

新疆北部石炭系—二叠系油气勘探经历了2个阶段。

第一阶段(1957—2004年),以准噶尔盆地为代表,在盆地西缘发现了克拉玛依石炭系—二叠系油田、火烧山二叠系油田、石西石炭系油田等。由于对石炭系—二叠系油气地质条件认识不清,认为属于新生古储的潜山油藏。

第二阶段(2005年以来),在准噶尔、三塘湖、吐哈等盆地石炭系—二叠系不断取得油气勘探的突破,成为增储上产的主要层系。其中准噶尔盆地石炭系发现了克拉美丽大气田、春风油田、哈山油田(石炭系、二叠系复合含油系统),二叠系发现了昌吉、金龙等油田,并在盆地西缘的克拉玛依、火烧山、石西等油田不断取得新的发现;三塘湖盆地石炭系发现了牛东油田,二叠系发现了马郎油田,吐哈盆地鲁克沁地区发现二叠系油藏。总之,新疆北部的石炭系—二叠系油气勘探不断取得突破与发现,成为油气增储上产的主要层系。

5.2 银额盆地石炭系—二叠系油气调查与勘探进展

中国地质调查局开展的油气基础地质调查,明确了银额盆地为石炭纪—二叠纪与中生代叠合盆地,发现石炭系—二叠系多套厚良好烃源岩,实施的地质调查钻探于二叠系钻遇良好油气显示。优选的油气远景区于2013年经国土资源部竞争性出让6个勘查区块,已经钻井验证的4个区块均获得了油气发现,其中,中石化中原油田分公司在务桃亥勘查区拐子湖凹陷获日产原油51.67m3、天然气7290m3的高产工业油气流,延长石油在温图高勒勘查区哈日凹陷获得日产9.15×104m3(无阻流量)的高产工业气流,实现了自1955年以来银额盆地油气勘探的重大突破[8]

受哈日凹陷和拐子湖凹陷油气发现的鼓舞,中石油吐哈油田分公司在银额盆地西部天草凹陷、建国营凹陷分别实施以二叠系为主要目的层的勘探钻井,均取得了油气发现与突破。

5.3 二连盆地石炭系—二叠系油气勘探进展

二连盆地赛罕塔拉坳陷赛51井于上石炭统阿木山组碳酸盐岩获得高产工业油流(古潜山油藏)[36],虽然油源为白垩系,但证实了石炭系不存在区域变质,并具有良好的储集条件。

陕西地之光石油科技有限公司在二连盆地马尼特坳陷的伊和凹陷布设了多口钻穿中生界的石油钻井,结果揭示石炭系—二叠系具好的气测异常。其中,YH3井射孔后产少量凝析油和天然气[37]。YH8井白垩系下部产轻质原油,原油密度0.7935g/cm3(20℃条件下),粘度1.575mpas,含蜡量9.0%,凝固点14℃,原油族组分:饱和烃85.96%,芳烃8.79%,沥青质0.26%,非烃5.0%,饱/芳值为9.78,原油同位素(δ13CPDB)为26.9‰,代表了原油源于高热演化的以Ⅰ~Ⅱ1型干酪根为主的烃源岩,与马尼特坳陷及二连盆地其他坳陷(凹陷)获得的原油特征差异巨大。位于同一凹陷的DZG5-1井原油密度为0.9281g/cm3(20℃条件下),粘度380mpas,原油族组分:饱和烃40.19%,芳烃25.99%,沥青质11.52%,非烃22.3%,饱/芳值为1.55,与二连盆地其他坳陷(凹陷)白垩系的原油性质可对比[38-39],代表了原油源于以Ⅱ1~Ⅱ2型干酪根为主、演化程度较低的烃源岩。结合区内不同时代烃源岩的分布及地球化学特征,认为YH8原油可能源于石炭系—二叠系烃源岩。

5.4 松辽盆地石炭系—二叠系油气勘探进展

松辽盆地钻穿中生界的钻井在石炭系—二叠系发现了良好的气测异常,其中汪902井上古生界压后获日产33875m3工业气流,昌401井获2072m3低产气流,四深1井见8层共54m的气测显示。此外,以肇深8井为代表[40],在松辽盆地深部下白垩统下部、侏罗系等发现丰富的天然气资源,以干气为主,CH4含量一般在95%以上,重烃气含量很低,气组成及碳同位素特征与松辽盆地白垩系的天然气差别较大,而与石炭系—二叠系非常相近[41],表明松辽盆地石炭系—二叠系具有良好的天然气资源前景。

6 讨论 6.1 构造背景与盆地演化

天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪构造背景与盆地演化久有争议,主要存在3种认识。其一,认为中晚泥盆世古亚洲洋闭合,石炭纪—二叠纪进入陆内裂谷演化阶段[3-4];其二,认为早石炭世末期古亚洲洋闭合[6],石炭纪—二叠纪之间存在造山事件,早石炭世为大洋环境沉积,晚石炭世—二叠纪为大陆环境沉积;其三,认为二叠纪末期—三叠纪早期古亚洲洋闭合[2],石炭纪—二叠纪为洋陆演化阶段。

主要地层单元之间的接触关系是构造与盆地沉积演化研究的重要证据,天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪地层对比研究薄弱,许多研究者主要基于1:20万区域地质调查报告将石炭系、二叠系内部划分为多个不整合[2, 12],将其中的某个不整合面作为古亚洲洋闭合的时限。

近十年来的地层层序研究表明,天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪地层与前石炭纪不同时期的地层单元(泥盆系或下古生界为主)区域不整合接触普遍存在,且自西向东下伏与上覆地层均具有地层时代逐渐变新的趋势,这一区域性不整合代表了古亚洲洋闭合的时限;区域上,石炭系及二叠系内部以连续沉积为主,盆地边缘具有上超或下超的沉积特征;新疆北部石炭系与二叠系之间的不整合接触,代表了陆内裂谷盆地向内陆盆地的转化;北山地区-银额盆地-内蒙古中东部-松辽盆地及外围石炭系与二叠系多为整合或平行不整合接触,或超覆沉积接触。因此,天山-兴蒙构造带石炭系—二叠系之间不存在代表古亚洲洋闭合时限的区域不整合。

盆地演化、盆地性质决定了其基本的油气地质条件。由于对古亚洲洋闭合时间认识的不一致,以及天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪沉积演化与沉积充填特征研究薄弱,对盆地演化与盆地性质存在不同的认识。其一是基于前石炭纪古亚洲洋已经闭合的认识,认为石炭纪—二叠纪进入陆内裂谷演化阶段[19-20],其二是基于早石炭世末期古亚洲洋闭合的认识,认为早石炭世为大洋环境沉积,晚石炭世—二叠纪为大陆环境沉积[6],石炭纪—二叠纪之间存在碰撞造山事件;其三是基于二叠纪末期—三叠纪早期古亚洲洋闭合[2],认为石炭纪—二叠纪为洋陆演化阶段。

近十年来,以新疆北部、北山-银额盆地为重点的石炭纪—二叠纪沉积体系与沉积充填特征研究表明,天山-兴蒙构造带石炭纪—二叠纪发育多个陆内(海相)裂谷盆地,自西向东盆地逐渐形成与发展,新疆北部陆内(海相)裂谷盆地形成于早石炭世早期,二叠纪进入内陆裂谷盆地演化阶段。北山地区-银额石炭纪—二叠纪裂谷盆地形成于早石炭世晚期,晚二叠世主体进入内陆裂谷盆地演化阶段,局部具有残留海的沉积;内蒙古中-东部、松辽及周缘,裂谷盆地形成于晚石炭世,晚二叠世仍以海相沉积为主。

许多研究者将天山-兴蒙构造带石炭系、二叠系含放射虫硅质岩作为古亚洲洋未闭合的证据[42],笔者所在的团队在北山-银额盆地采集的二叠系硅质岩样品的薄片中普遍见陆源碎屑, 指示了大陆环境的沉积特征;对硅质岩进行地球化学与成因分析, 指示了大陆边缘环境, 与沉积充填研究的陆内裂谷盆地环境一致。天山-兴蒙构造带内的含放射虫化石的硅质岩并不代表二叠纪存在远洋沉积[6, 41]

6.2 变质作用与烃源岩演化阶段

受“石炭系—二叠系遭受多期次区域变质作用”传统认识的影响,天山-兴蒙构造带石炭系—二叠系长期作为中生代基底。

近十年来的基础地质调查与油气勘探表明,中生代盆地覆盖区与造山带成岩作用或热演化史存在巨大差别,新疆北部准噶尔、三塘湖、吐哈、内蒙古西部银额等中生代盆地覆盖区的石炭系—二叠系钻井岩心分析显示,粘土矿物成岩作用总体处于中成岩作用阶段,烃源岩热演化阶段为成熟-高成熟,不存在区域变质。造山带地面地质调查表明,不同构造单元石炭系—二叠系成岩与变质程度亦存在巨大差异,多数处于中成岩作用B期,局部受构造动力作用的影响发生浅变质。尽管内蒙古中东部、松辽盆地及周缘中生代火山活动频繁,石炭系—二叠系热演化史更加复杂,但地表剖面不乏存在保存完好的生物化石,岩石薄片矿物结构完整,粘土矿物成岩作用处于中成岩作用B期,有限的钻井岩心亦证实石炭系—二叠系未遭受区域变质,烃源岩热演化阶段为高成熟-过成熟。

6.3 油气资源前景

由于石炭纪—二叠纪构造背景、盆地演化、沉积充填、构造改造、变质作用等基础地质认识存在争议,前人对石炭系—二叠系油气地质条件一直不看好,油气地质研究与勘探几乎空白。

近十年来的基础地质调查与综合研究表明,天山-兴蒙构造带在石炭纪—二叠纪发育多个陆内(板内)裂谷盆地,广泛发育以浅海陆棚相泥页岩为主的良好烃源岩,具有有机质丰度高、干酪根类型以Ⅱ型为主、演化程度中等-高的特点。经历了华力西末期及其之后不同期次的改造后,在石炭系—二叠系基础上接受了中生代内陆盆地的沉积,且不同构造单元叠加盆地形成期次存在差异,形成了一系列石炭纪—二叠纪与中生代叠合盆地,具有形成复合油气系统的地质条件。

在新疆北部准噶尔、三塘湖、吐哈等盆地石炭系—二叠系油气勘探不断取得油气的发现与突破,成为增储上产的主力层系;银额盆地二叠系油气基础地质调查与勘探亦取得了发现与突破,一批探井分别获得工业油气流,显示了良好的勘探前景;二连盆地、松辽盆地等虽然石炭系—二叠系分布十分有限,但仍获得了石炭系—二叠系油气赋存的信息,部分井获得工业油气流。

总之,天山-兴蒙构造带中生界下伏的石炭系—二叠系烃源岩发育,具有形成深层油气系统的地质条件,是油气地质调查与勘探的新领域。

7 结论

(1)天山-兴蒙构造带发育一系列石炭纪—二叠纪与中生代叠合盆地,石炭纪—二叠纪为陆内(板内)裂谷盆地沉积,盆地自西向东逐步形成与演化,原型盆地沉积建造有利于烃源岩的发育,上叠中生代盆地有利于石炭系—二叠系的保存。

(2)研究区石炭系—二叠系沉积之后经历了多期次的构造改造,虽然不同构造单元的石炭系—二叠系变质变形差异大,但均不存在区域变质,仅造山带局部受构造动力作用的影响发生构造动力变质。

(3)准噶尔、三塘湖、银额等盆地以石炭系—二叠系为目的层的油气基础地质调查与勘探不断取得新的发现与突破,二连盆地、松辽盆地等不同程度地获得了石炭系—二叠系油气赋存的信息,指示石炭系—二叠系是油气地质调查与勘探值得重视的新领域。

致谢: 成文过程中得到中石油吐哈油田分公司、中石化中原油田分公司、陕西省延长石油(集团)有限责任公司等单位的支持与帮助,在此一并表示衷心的感谢。

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