劉　偉, 王國(guó)芝, 范　蕾, 徐亞飛, 唐曉挺

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059； 2.中國(guó)石化 中原油田采油四廠，河南 濮陽 457176)

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蓬萊9-1潛山花崗巖油藏成藏時(shí)間的裂變徑跡熱年代學(xué)約束

劉偉1, 王國(guó)芝1, 范蕾1, 徐亞飛2, 唐曉挺2

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059； 2.中國(guó)石化 中原油田采油四廠，河南 濮陽 457176)

[摘要]油氣藏成藏時(shí)間的確定一直是石油地質(zhì)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。該文利用磷灰石裂變徑跡測(cè)齡及溫度-時(shí)間熱史模擬技術(shù)探索了如何精確限定油氣藏的成藏時(shí)間。從渤海蓬萊9-1潛山花崗巖儲(chǔ)層裂縫帶和基巖帶分別獲取2件磷灰石樣品，根據(jù)磷灰石裂變徑跡的長(zhǎng)度、年齡和徑跡分布，利用AFT Solve軟件模擬獲得了它們的溫度-時(shí)間熱史軌跡。2件樣品相似的溫度-時(shí)間熱史軌跡表明，在3.8~2.6 Ma B.P.期間，由于受石油流體充注的影響，樣品發(fā)生異常熱擾動(dòng)和溫度突變，在3.2 Ma B.P.時(shí)期受擾動(dòng)的溫度達(dá)到最大。根據(jù)受異常熱擾動(dòng)的起始時(shí)間，確定蓬萊9-1潛山花崗巖石油充注時(shí)間為3.8~2.6 Ma B.P.，油氣藏的主成藏期為3.2 Ma B.P.。

[關(guān)鍵詞]蓬萊9-1;潛山花崗巖;油藏;成藏期;磷灰石;裂變徑跡

油氣成藏期是油氣成藏研究中的難點(diǎn)，也是油氣勘探開發(fā)研究中的關(guān)鍵問題之一[1-5]。油氣成藏期研究方法以傳統(tǒng)的圈閉形成時(shí)間[6-8]、生排烴史[7,8]、飽和壓力與露點(diǎn)壓力分析法[5-8]，以及新興的儲(chǔ)層礦物同位素測(cè)齡[3,6,8-10]、流體包裹體[3,4,6,8,10]、有機(jī)地球化學(xué)[5,8,9]、油氣水界面追溯[4,5,7]、儲(chǔ)層固體瀝青[3,4,6]、油田鹵水碘同位素測(cè)齡[3,4]、油儲(chǔ)磁性礦物古地磁學(xué)[3-5]等分析方法為主。除了同位素測(cè)齡能精確確定油氣成藏時(shí)間外，大多數(shù)方法只能定性或大致確定油氣成藏時(shí)間范圍，而且不同的研究方法所獲得的油氣藏形成時(shí)間仍具有一定的不確定性和多解性[8-10]，因而，油氣成藏期研究仍是石油地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)[2]。

磷灰石裂變徑跡技術(shù)作為一種成熟的熱年代學(xué)分析研究手段，被廣泛地用于沉積盆地?zé)嵫莼纺M[11]、地質(zhì)構(gòu)造演化[12]、沉積物源分析[11,13]、油氣勘探[14]等領(lǐng)域。同時(shí)，由于磷灰石自發(fā)裂變徑跡的退火溫度區(qū)間(60~120℃)和時(shí)間區(qū)間(1~100 Ma B.P.)與液態(tài)烴生成的溫度、時(shí)間區(qū)間正好一致[15]，因而，磷灰石裂變徑跡被廣泛用于油氣成藏歷史的定量評(píng)價(jià)中。本文嘗試?yán)昧谆沂炎儚桔E測(cè)齡及溫度-時(shí)間熱史模擬技術(shù)對(duì)油氣藏成藏時(shí)間進(jìn)行較為精確的限定。

1區(qū)域地質(zhì)背景

蓬萊9-1構(gòu)造潛山位于渤海灣盆地廟西北凸起至渤東凹陷東部斜坡之上，主要由古元古代遼河群變質(zhì)巖和燕山期花崗巖構(gòu)成，其頂面具有南北兩側(cè)2個(gè)元古界大山，中間為寬緩的鞍部，其中潛山鞍部的花崗巖油藏約占蓬萊9-1油田儲(chǔ)量的80%[16]。潛山花崗巖油藏儲(chǔ)層類型主要為風(fēng)化殼儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間類型具有孔-縫雙重介質(zhì)性質(zhì)，在垂向上具有明顯的分帶性，從上到下依次為砂質(zhì)風(fēng)化帶、礫質(zhì)風(fēng)化帶、裂縫帶、基巖帶，受風(fēng)化作用控制明顯。油層主要呈似層狀分布，為不規(guī)則的“似層狀油藏”(圖1)。通過對(duì)潛山花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖分別選取其中的鋯石，采用LICP-MS測(cè)齡技術(shù)進(jìn)行U-Pb同位素測(cè)齡，分別獲得163 Ma和164 Ma的同位素年齡，屬于中侏羅世，為燕山期侵入，與中國(guó)東部地區(qū)廣泛分布的花崗巖形成時(shí)代相當(dāng)[16]。新近系直接披覆于潛山花崗巖之上，從上至下，依次為平原組(N2p)、明化鎮(zhèn)組(N2m)、館陶組(N1g)。

2樣品特征及分析測(cè)試

2.1樣品特征

圖1　PL9-1-3井-PL9-1-4井油藏剖面圖Fig.1　Oil reservoir profile of Well PL9-1-3 to Well PL9-1-4(據(jù)中海油天津分公司渤?？碧窖芯吭?，2012)

圖2　裂變徑跡取樣位置圖Fig.2　Sampling locations for fission track analysis(據(jù)中海油天津分公司渤?？碧窖芯吭海?012)A.二長(zhǎng)花崗巖分布區(qū); B.花崗閃長(zhǎng)巖分布區(qū); D.變質(zhì)巖分布區(qū)

本次研究所采集的2件磷灰石裂變徑跡樣品分別來自潛山花崗巖裂縫帶和基巖帶儲(chǔ)層(圖2)的花崗巖巖心樣品。其中，701號(hào)樣品取自PL9-1-5井1 383.5～1 384.1 m深度的裂縫帶，704號(hào)樣品取自PL9-1-13井1 516.3～1 516.8 m深度的基巖帶，兩巖心樣品均含油?，F(xiàn)今鉆井、取心、測(cè)井等資料顯示，潛山花崗巖油藏主力油層深度約為1 260～1 600 m，而研究中2樣品取樣深度均在此深度范圍之內(nèi)。研究區(qū)裂縫帶與基巖帶儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，易于油氣運(yùn)聚，取樣深度處于主力油層深度范圍，油氣充填度較高，且所采集到巖心樣品均含油，說明所采集的磷灰石裂變徑跡樣品在地質(zhì)歷史上曾充分接受了油氣充注成藏的熱影響。同時(shí)，雖然潛山花崗巖儲(chǔ)層發(fā)育受風(fēng)化作用控制明顯，但裂縫帶與基巖帶儲(chǔ)層埋深大，基本脫離了風(fēng)化作用波及范圍，因此該帶磷灰石樣品受風(fēng)化作用影響較小。綜上所述，本次研究所采集的磷灰石裂變徑跡樣品既充分記錄了潛山花崗巖油氣成藏的熱影響，又極少受到后期地質(zhì)作用改造，是理想的分析模擬樣品。

2.2分析測(cè)試

首先將采集的巖石樣品粉碎，樣品經(jīng)粉碎后的粒徑應(yīng)與巖石中礦物粒度相適應(yīng)，經(jīng)傳統(tǒng)方法粗選后，利用電磁選、重液選等方法，分選出足夠數(shù)量的磷灰石單礦物。再將磷灰石顆粒置于玻璃片上，用環(huán)氧樹脂滴固，然后進(jìn)行研磨和拋光，使礦物內(nèi)表面露出。接著在25℃下用7% HNO3蝕刻30 s，揭示自發(fā)徑跡;將低鈾白云母外探測(cè)器與礦物一并放入反應(yīng)堆輻照，之后在25℃下40% HF蝕刻20 s，揭示誘發(fā)徑跡，中子注量利用CN5鈾玻璃標(biāo)定。最后，根據(jù)IUGS推薦的ξ常數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)裂變徑跡年齡方程計(jì)算年齡值(表1)。

如前所述，潛山花崗巖形成于約163~164 Ma B.P.。通過裂變徑跡獲得的樣品中值年齡最大為40±5 Ma(表1)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于潛山花崗巖的形成年齡，說明所有樣品經(jīng)歷了完全退火，其裂變徑跡是由于后期構(gòu)造抬升后再度冷卻，并重新累計(jì)的結(jié)果。

3溫度-時(shí)間熱史模擬

表1　磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果

ρs、ρi、ρd分別為自發(fā)徑跡密度、誘發(fā)徑跡密度和標(biāo)準(zhǔn)徑跡密度；Ns、Ni、Nd分別為自發(fā)徑跡數(shù)、誘發(fā)徑跡數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)徑跡數(shù)；P為檢驗(yàn)的概率。年齡和平均徑跡長(zhǎng)度的誤差取±1σ。

本次研究中采用的是AFT Slove軟件。在模擬過程中，選擇以下參數(shù)：限制任意搜索項(xiàng)(CRS)，曲線擬合采用Monte Carlo算法，擬合曲線數(shù)選取20 000條，約束條件為地層年齡、已知確定的可能隆升階段及地表溫度(20℃)。在條件設(shè)定基礎(chǔ)上，軟件通過階梯式近似法生成若干溫度-時(shí)間熱史模擬曲線，并將模擬曲線劃分為“可以接受的”、“好的”、“最佳的”3類，并給出相應(yīng)的K-S和GOF檢驗(yàn)值。其中，K-S檢驗(yàn)值表示徑跡長(zhǎng)度模擬值與觀測(cè)值之間的吻合程度，GOF檢驗(yàn)值表示徑跡年齡模擬值和觀測(cè)值之間的吻合程度，二值越高越好。據(jù)此，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)演化史和模擬結(jié)果，將正演結(jié)果與實(shí)測(cè)的徑跡長(zhǎng)度、年齡值進(jìn)行比較，尋取最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)和最優(yōu)正演模擬，最終分析獲得最佳結(jié)果。

鉆井及測(cè)井資料顯示，701號(hào)樣品所在的PL9-1-5井上覆館陶組厚度168.5 m，明化鎮(zhèn)組厚度631 m，平原組厚度500 m；704號(hào)樣品所在的PL9-1-13井上覆館陶組厚度155 m，明化鎮(zhèn)組厚度為803 m，平原組厚度500 m。據(jù)此設(shè)置本次模擬研究中潛山花崗巖的熱史限制條件。同時(shí)，設(shè)定古地表溫度為20℃；根據(jù)區(qū)域地層對(duì)比和古生物研究成果，將館陶組的初始沉積時(shí)間定為23.3 Ma B.P.；現(xiàn)今實(shí)測(cè)地溫梯度31.8℃/km，假定古地溫梯度與現(xiàn)今地溫梯度大致相同。

根據(jù)實(shí)測(cè)樣品的徑跡年齡、徑跡長(zhǎng)度、徑跡分布、地層厚度和其他約束條件，采用AFT Slove軟件模擬所獲得的樣品的溫度-時(shí)間熱史軌跡如圖3所示。其中，實(shí)測(cè)樣品701號(hào)的池年齡為49.0±6 Ma，裂變徑跡長(zhǎng)度為11.2±1.8 μm，利用AFT Solve軟件模擬的池年齡為49.6±4 Ma，裂變徑跡長(zhǎng)度為11.3±1.8 μm，模擬的數(shù)學(xué)K-S檢驗(yàn)值為100%，年齡擬合程度為98%；實(shí)測(cè)樣品704號(hào)的池年齡為40.0±5 Ma，裂變徑跡長(zhǎng)度為11.7±1.8 μm，利用AFT Solve軟件模擬的池年齡為41.1±4 Ma，裂變徑跡長(zhǎng)度為10.9±1.8 μm，模擬的數(shù)學(xué)K-S檢驗(yàn)值為87%，年齡擬合程度為93%。2個(gè)樣品的K-S檢驗(yàn)值與GOF檢驗(yàn)值均較高。

4討論與結(jié)論

圖3　磷灰石徑跡溫度-時(shí)間歷史軌跡以及實(shí)測(cè)與模擬長(zhǎng)度分布圖Fig.3　History of temperature-time of apatite track and the distribution of measured and simulated length results(A)樣品701,PL9-1-5井,深度1 383.5~1 384.1 m; (B)樣品704,PL9-1-13井,深度1 516.3~1 516.8 m

從熱史模擬軌跡圖中不難發(fā)現(xiàn)，樣品701號(hào)與704號(hào)模擬結(jié)果的最佳曲線有著較高程度的相似性(圖3)。2個(gè)樣品的模擬結(jié)果均顯示，潛山花崗巖以23.3 Ma B.P.為轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在23.3 Ma B.P.之前經(jīng)歷了快速隆升[(70.7~63.4 Ma B.P.)—(59.3~53.5 Ma B.P.)]→構(gòu)造穩(wěn)定[(59.3~53.5 Ma B.P.)—(35.5~33.5 Ma B.P.)]→快速隆升[(35.5~33.5 Ma B.P.)—23.3 Ma B.P.]的總體隆升過程；23.3 Ma B.P.之后則進(jìn)入構(gòu)造反轉(zhuǎn)期，由快速隆升轉(zhuǎn)為緩慢沉降，潛山上覆館陶組、明化鎮(zhèn)組、平原組均在此期間沉積。

值得注意的是，701號(hào)與704號(hào)樣品的溫度-時(shí)間熱史模擬結(jié)果中，在3.8~2.6 Ma B.P.期間，即明化鎮(zhèn)組沉積末期均出現(xiàn)明顯的溫度突變現(xiàn)象，表現(xiàn)在溫度-時(shí)間熱史軌跡形態(tài)上為一個(gè)較明顯的曲線下凹(圖3)。這樣的溫度突變，是研究區(qū)潛山花崗巖在地質(zhì)歷史上曾受到過明顯熱擾動(dòng)的證據(jù)。究其原因，無外乎為由構(gòu)造變動(dòng)引起的潛山花崗巖快速沉降或異常熱源的影響。顯而易見，在2個(gè)磷灰石溫度-時(shí)間模擬結(jié)果中，701號(hào)樣品的溫度-時(shí)間熱史曲線從3.8 Ma B.P.時(shí)的42.9℃升到3.2 Ma B.P.的94.2℃，若以潛山花崗巖的快速沉降論，取31.8℃/km地溫梯度，14.4~3.2 Ma B.P.沉積時(shí)期(對(duì)應(yīng)于明化鎮(zhèn)組)的沉積厚度應(yīng)當(dāng)高達(dá)1 127 m，與前述實(shí)際測(cè)井分層數(shù)據(jù)顯示的明化鎮(zhèn)組厚度僅為631 m相差甚遠(yuǎn)。706號(hào)樣品亦復(fù)如是。由此可見，這樣的溫度突變現(xiàn)象不可能是由于潛山花崗巖的快速沉降所引起的。

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，磷灰石裂變徑跡樣品取自潛山花崗巖裂縫帶與基巖帶儲(chǔ)層，裂縫發(fā)育，流體運(yùn)移方便，則外來高溫流體的充注必然是影響地溫變化最可能的熱能來源。參照現(xiàn)今潛山花崗巖油藏的主力油層埋深，磷灰石裂變徑跡樣品取樣深度恰在此范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為，磷灰石裂變徑跡溫度-時(shí)間熱史軌跡中的溫度突變極有可能是由于油氣充注引起的。溫度-時(shí)間熱史軌跡圖中，溫度突變發(fā)生于明化鎮(zhèn)組沉積末期。在溫度-時(shí)間熱史軌跡圖中，701號(hào)與704號(hào)樣品在3.8~2.6 Ma B.P.期間熱突變開始時(shí)的起始溫度分別為42.9℃、40.8℃，而液態(tài)烴生成的溫度范圍為60~120℃[15]，明顯高于溫度-時(shí)間熱史軌跡圖中溫度開始發(fā)生劇變時(shí)的溫度。因此，當(dāng)石油充注于潛山花崗巖儲(chǔ)層時(shí)，必然引起儲(chǔ)層溫度的顯著上升；待充注的石油與儲(chǔ)層完成充分的熱交換后，儲(chǔ)層溫度又會(huì)趨向穩(wěn)定。這樣的變化過程，與溫度-時(shí)間熱史模擬圖中的溫度-時(shí)間軌跡變化正好符合。因而，這個(gè)溫度的突變可能是油氣充注所引起。烴源巖的油氣生成史從另一個(gè)側(cè)面也證實(shí)了這種可能性。從油氣的生成史來看，早在明化鎮(zhèn)組下段沉積末期，即5.3 Ma B.P.前后，鄰近渤東凹陷沙河街組烴源巖基本已進(jìn)入生烴門限，Ro>0.5%，生烴中心沙河街組烴源巖Ro≈0.7%，進(jìn)入大量生排烴階段；廟西凹陷沙河街組烴源巖Ro>0.5%，也開始進(jìn)入生烴門限。也就是說，在5.3 Ma B.P.前后2個(gè)凹陷的油氣才開始形成并發(fā)生初次運(yùn)移，其二次運(yùn)移和成藏的時(shí)間必定晚于生烴時(shí)間或與生烴時(shí)間相近?，F(xiàn)今實(shí)際鉆井、測(cè)井資料顯示，研究區(qū)潛山花崗巖油藏主要含油層系均位于明化鎮(zhèn)組下段以下的層位，這也說明，潛山花崗巖油藏的油氣成藏時(shí)間應(yīng)當(dāng)在明化鎮(zhèn)組下段沉積結(jié)束后，即5.3 Ma B.P.之后。

2個(gè)磷灰石樣品的溫度-時(shí)間熱史軌跡顯示，701號(hào)樣品溫度-時(shí)間熱史軌跡從3.8 Ma B.P.開始發(fā)生，到3.2 Ma B.P.溫度上升到最高，到2.6 Ma B.P.趨于穩(wěn)定；704號(hào)樣品溫度-時(shí)間熱史軌跡從3.7 Ma B.P.開始發(fā)生，同樣在3.2 Ma B.P.時(shí)溫度達(dá)到最高，到2.8 Ma B.P.溫度穩(wěn)定。由此可見，實(shí)際模擬的溫度-時(shí)間熱史軌跡顯示的油氣充注時(shí)間，也在5.3 Ma B.P.之后。

綜上所述，2個(gè)磷灰石裂變徑跡模擬的溫度-時(shí)間熱史軌跡在約3.8~2.6 Ma B.P.期間的溫度突變?yōu)榕钊R9-1潛山花崗巖油藏的油氣充注期，其主成藏期在3.2 Ma B.P.前后。

5結(jié) 論

a.渤海灣蓬萊9-1潛山花崗巖在23.3 Ma B.P.之前，經(jīng)歷了快速隆升→構(gòu)造穩(wěn)定→快速隆升的總體隆升過程，23.3 Ma B.P.之后則轉(zhuǎn)為緩慢沉降。

b.蓬萊9-1潛山花崗巖溫度-時(shí)間熱史軌跡表明，油氣成藏期為3.8~2.6 Ma B.P.期間，其中3.2 Ma B.P.為主成藏期。

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Thermochronologic constraints on hydrocarbon accumulation period

of the Penglai 9-1 granite buried-hill oil pool in Bohai, China

LIU Wei1, WANG Guo-zhi1, FAN Lei1, XU Ya-fei2, TANG Xiao-ting2

1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;

2.The4thOilProductionFactory,ZhongyuanOilfield,SINOPEC,Puyang457176,China

Abstract:The research of pool-forming period is always a difficult subject in petroleum geology. Apatite fission track technology and thermal history simulation are used to determine the hydrocarbon accumulation period accurately. Two apatite samples from fissured zone and fresh basement zone in Penglai 9-1 buried-hill in Bohai area are selected to analysis the length, age and distribution of track, then to obtain the thermal history by imitating via AFT Solve software. The results indicate that there is abnormal thermal disturbance because of the hydrocarbon accumulation happened during 3.8~2.6 Ma B.P.. The unusual temperature turned to be highest when the time is 3.2 Ma. Based on the starting time of the temperature disturbance, 3.8~2.6 Ma B.P. is considered as the hydrocarbon accumulation period of the Penglai 9-1 granite buried-hill oil pool, and the main period is 3.2 Ma B.P..

Key words:Penglai 9-1; granite buried-hill; main pool-forming period; apatite; fission track

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][分類號(hào)] TE122.222; P597.3 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.04

[文章編號(hào)]1671-9727(2016)01-0044-06

[收稿日期]2014-11-17。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41273060)。

[第一作者] 劉偉(1986-),男,碩士研究生,研究方向：含油氣盆地分析, E-mail:290991565@qq.com。

[通信作者]王國(guó)芝(1964-),男,博士,教授,研究方向：地質(zhì)流體與成巖成礦, E-mail:wangguozhi66@163.com。