羌塘盆地白云湖凹陷航空重磁異常特征及其油氣勘探意義

劉中戎,胡悅,范志偉,賀鴻冰,周道卿,郭志宏,曹寶寶,魏巖巖

(1.中國石油化工股份有限公司勘探分公司,四川 成都 610041;2.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083)

0 引言

羌塘盆地是我國陸上新區勘探程度最低、面積最大、地層層序最完整的中生代海相含油氣盆地[1]。國家在羌塘盆地開展的石油地質調查及研究工作始于20世紀50年代,先后進行過石油地質填圖、遙感、重力、航磁、大地電磁、化探、二維反射地震勘探、鉆探等工作,在地層、沉積及古地理演化、構造區劃、地球物理場特征等方面,取得了眾多的創新成果認識[1-9]。最新的航空重磁數據揭示,羌塘盆地存在多個次級凹陷,最西側的白云湖凹陷分布范圍最大,油氣勘探前景最好[5,8]。但對該區的研究目前多集中在其南部嗩吶湖一帶較小范圍里,研究內容涉及地層、構造及巖性組合等方面[1,10-12],而對白云湖凹陷基底埋深特征、構造層分布等情況鮮有涉及,利用航空重磁數據,研究白云湖凹陷基底及上覆地層構造形態及其連續性,可為評價北羌塘坳陷油氣保存條件提供重要依據。

1 地質背景

白云湖凹陷位于北羌塘坳陷西北部(圖1),那底崗日西面,布若錯東面,研究區西南角為蜥蜴山,南面為瑪爾果茶卡,研究區內有長梁山、元寶湖、白云湖、光明湖、沙土灣湖等,凹陷呈NW向展布,面積約為6 072 km2。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the research area

研究區內地表出露地層主要為侏羅系雀莫錯組(以含礫砂巖、砂巖為主)、布曲組(以灰黑色泥晶灰巖、生物屑泥晶灰巖、亮晶灰巖為主)、索瓦組(以泥晶灰巖為主),古近系出露嗩吶湖組,主要為含礫砂巖、含石膏灰巖、泥晶生物屑灰巖組合(圖2)。

圖2 研究區區域地質Fig.2 Regional geological map of research area

羌塘盆地目前已經發現200 多處油氣顯示,表明該地區有過油氣的生成、聚集、運移和成藏過程[7]。羌塘盆地大致可分出N1k、E3s、K1b、J3x、J3s、J2x、J2b、T3x、P2r、P1l等十余套生油層,其中,羌塘盆地侏羅系沉積連續、厚度巨大(>5 000 m),自下而上包括下侏羅統曲色組,中侏羅統雀莫錯組、布曲組、夏里組和上侏羅統索瓦組、雪山組、白龍冰河組[13]。對于羌塘盆地主要烴源巖一直有不同的認識,王劍等[1]認為羌塘盆地主力烴源巖主要有4 套,分別是肖茶卡組(T3x) 、布曲組(J2b) 、夏里組(J2x) 和索瓦組(J3s);而王成善等[2]認為上侏羅統曲色組(J1q) 油頁巖為盆地主力烴源巖。鉆井資料揭示北羌塘發育有多套烴源巖,其中上三疊統陸棚—三角洲相烴源巖在區域內分布范圍廣,有機質豐度高,是最主要烴源巖。區域發育多套儲層,無論是井下儲層,還是地表儲層均表現為低孔、低滲的特征,與地表相比,井下儲層的物性特征及孔隙結構特征均明顯偏差。羌塘盆地發育上三疊統巴貢組、中下侏羅統雀莫錯組和中侏羅統夏里組三套區域性蓋層,其他為局部蓋層,生儲蓋條件優越[7]。

2 物性特征

研究區內及周邊地區巖礦石的物性特征為航空重磁異常資料推斷解釋的重要依據之一,依據野外實測與搜集的物性資料(表1),研究區垂向上存在4個明顯的密度層,可以劃分出3個密度界面,即新生界與中生界之間,中生界與古生界之間,古生界與前寒武系之間。新生界巖性以紫紅色砂礫巖、泥巖為主,密度值在1.7～2.61 g/cm3,構造層平均密度值約2.50 g/cm3,表現出低密度特征。中生界以砂巖、碳酸鹽巖為主,密度在1.73～2.99 g/cm3,構造層平均密度值約2.61 g/cm3,顯示出中等密度特征,與上覆地層之間的密度差約為0.11 g/cm3。古生界泥盆、石炭及二疊系以灰巖、硅質巖、白云巖為主,地層密度在2.38～2.94 g/cm3,構造層平均密度值約2.67 g/cm3,表現出高密度特征,與上覆地層之間的密度差約為0.06 g/cm3。前寒武系以大理巖、片麻巖為主,密度為2.61～2.97 g/cm3,構造層平均密度值為2.77 g/cm3,顯示出高密度特征,與上覆地層之間的密度差約為0.10 g/cm3?？偟膩砜?區內巖石密度有隨著地層時代的變老而逐漸增大的規律。

表1 研究區密度層劃分、磁化率統計Table 1 Magnetic determination results of rocks and density distribution of the strata in the research area

羌塘地區實測的變質巖(硅質巖、石英巖、大理巖、板巖、石英片巖、石英云母片巖、綠泥片巖)磁化率值為(0～150)×10-5SI,平均值為30×10-5SI,屬弱磁性。聶榮巖群(An∈Ngn2)片麻巖磁化率較高,最高值6 418×10-5SI,平均值為3 148×10-5SI,顯示羌塘地區發育強磁性變質結晶基底;中生界、古生界碳酸鹽巖和碎屑巖的磁化率值均小于30×10-5SI,基本上無磁性。蛇綠巖套內部橄欖輝長巖、玄武巖等磁性極強,磁化率均值可達1 765×10-5SI,可產生明顯的航磁異常。

羌塘盆地內正常沉積碎屑巖、碳酸鹽巖及其變質巖,酸性火山巖和部分酸性侵入巖磁性普遍較弱,是形成區域降低負磁場的主要因素。中基性火山巖、中酸性侵入巖(黑云母花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖)和基性、超基性巖磁性變化范圍較大,具有磁性強、剩磁較大的特點,是引起區域升高正磁場和航磁局部異常的主要因素。

3 重磁場特征

白云湖凹陷磁場面貌以寬緩變化背景場疊加數個孤立團塊化升高局部異常為主要特征(圖3),凹陷區磁場面貌較外部磁場明顯平靜、均一,磁場變化范圍為-7.8～5.6 nT,高值異常走向近EW向。在航磁△T垂向一階導數圖上中部顯示有異常圈閉(圖4),最高值為0.5 nT/km,各局部異常主體獨立,邊界清晰,高值磁異常中心主要分布在研究區南部、西部。白云湖凹陷整體寬緩的磁低背景場為起伏平緩的中等磁性基巖的反映,而孤立局部異常則是不同磁化率巖體的響應,經實測巖石磁化率統計結果,該區附近中酸性巖體磁化率相對較低,平均在100×10-5SI左右,可引起低幅值局部異常,而南部噶爾孔茶卡出露的新生代輝綠巖磁化率較高,為870×10-5SI左右,在磁場中會引起較高的磁異常,經垂向一階導數處理后,突出了異常形態,異常邊界更為清晰。

圖3 白云湖凹陷航磁ΔT化極Fig.3 Reduced-to-pole regional aeromagnetic (ΔT) anomalies in the Baiyunhu sag

圖4 白云湖凹陷航磁ΔT垂向一階導數Fig.4 Diagram of the vertical first derivative for reduced to pole regional aeromagnetic (ΔT) in the Baiyunhu sag

白云湖凹陷重力場總體呈現西低東高的面貌(圖5),重力場由西向東緩慢升高,可見明顯圈閉,異常值范圍為(-554～-558)×10-5m/s2。航空布格重力垂向一階導數圖上表現為平靜背景場中疊加局部升高正異常的場面貌(圖6),異常值最高處為元寶湖西部,約0.85×10-8m/s2。長梁山以北重力低值區附近出露白堊紀花崗斑巖,實測密度為2.58 g/cm3,低于古生界(平均密度值2.67 g/cm3)和中生界(平均密度值為2.61 g/cm3)圍巖密度,產生質量虧損,且此異常中心與磁化極高值異常中心對應較為良好,推斷其下存在隱伏中酸性巖體,相對低密度的中酸性巖體是引起局部重力場低值的主要原因。

圖5 白云湖凹陷航空布格重力場平面Fig.5 Color grid of the airborne Bouguer gravity in the Baiyunhu sag

圖6 白云湖凹陷航空布格重力垂向一階導數Fig.6 Diagram of the vertical first derivative for airborne Bouguer gravity in the Baiyunhu sag

4 推斷斷裂及巖漿巖分布特征

4.1 斷裂特征

羌塘盆地自元古代以來歷經多期構造運動,其中,晚侏羅世末期拉薩地塊與羌塘地塊持續碰撞,羌塘盆地受南北向強烈擠壓,使得北羌塘盆地EW向、NWW向斷裂活躍,派生出一系列同向次級斷層及小型反向傾斜次級斷層,上新世以來,青藏高原隆升,EW向、NWW向斷裂再度活躍,形成一系列NE、NW向共軛走滑斷裂系,這些斷裂在航空重磁場中具有清晰的反映。通過對正負場分界線、異常梯度帶、串珠或團塊狀異常分布情況的研究,識別出白云湖凹陷一帶2條一級斷裂(圖7),分別為北羌塘北部邊界EW向斷裂組合(F2、F3)與中央隆起帶北部NWW向斷裂(F5),2條斷裂將白云湖凹陷夾于其中,呈現出較為完整的NWW向塊狀構造。利用航磁ΔT垂向一階導數圖與航空布格重力垂向一階導數圖也識別出了受強烈擠壓應力形成的NWW向展布的次級斷裂,如F25、F26、F27等,及一系列同向展布的三級斷裂。

圖7 白云湖凹陷推斷巖漿巖構造Fig.7 Tectonic map of igneous rocks in the Baiyunhu sag

4.2 巖漿巖特征

根據巖石物性特征分析,引起羌塘盆地內磁場變化的主要地質因素為中生代侵入巖體、新生代火山巖、中生代火山巖以及前寒武系變質巖,這些具有磁性巖石的分布和磁性變化規律共同形成了測區的磁場面貌。相對而言,白云湖凹陷中生代侵入巖和新生代火山巖均十分發育,種類繁多,是引起該區磁異常變化的最主要的地質因素。利用航磁△T化極等值線平面圖、化極垂向一階導數等值線平面圖等資料劃定巖漿巖邊界,對異常強度不大、地處弱磁性巖石分布區的磁性體劃為酸性侵入巖;對具中等強度、地表出露或地質資料已圈定中酸性巖體劃為中酸性侵入巖;對異常強度大、梯度陡、沿深大斷裂分布或地質資料已圈定的磁性體劃為基性、超基性侵入巖。白云湖凹陷內部巖漿巖分布較少,其周緣地區侵入巖最為發育,布若錯出露下白堊統花崗斑巖,航磁數據顯示其周邊高值異常范圍遠大于出露范圍,推斷深部發育隱伏巖體;長梁山一帶受F26斷裂控制,深部亦發育有隱伏巖體?；鹕綆r分布范圍較小,巖漿巖多沿斷裂及其兩側分布,巖漿活動明顯受斷裂控制,斷裂交匯處為巖漿侵入提供了重要通道。

5 深部構造形態

5.1 磁性基底埋藏深度

羌塘盆地中新生代和古生代沉積蓋層的磁性較弱,與經歷了變質、褶皺和巖漿貫入的前寒武紀基底變質巖系相比較,可以近似地看成無磁性[4],區域升高磁背景場主要為前寒武系變質基巖引起,可以利用航磁數據對基底埋藏深度進行計算。這里所說的基底是指前寒武系變質基底,也稱之為磁性基底。通過對航磁異常計算磁性體埋藏深度,并編繪磁性基底深度圖[8],可以了解凹陷區變質基底形態變化特征。

白云湖凹陷磁場整體呈現平穩的面貌,這是其基底穩定、連續的反映。依據磁性體埋藏深度值與磁場特征間的內在聯系及深度數據所表示的范圍,采用人工切線法計算磁性體頂面埋深,并使用歐拉反褶積自動計算方法對手工計算結果進行驗證。計算得到的深度點,既包含了磁性基底產生的寬緩異常,也包含了淺層磁性體產生的局部異常,需要結合航空重磁場特征及構造展布形態等進行甄別篩選,勾繪磁性基巖深度圖。羌塘盆地全區用于編圖的磁性基底深度值約1 300個,其中,白云湖凹陷計算深度值約80個。

圖8計算結果表明,白云湖凹陷為北羌塘坳陷內部基底埋藏最深的區域,達15 000 m;南、北兩側受NW向、近EW向深大斷裂控制,形態似平行四邊形,整體近EW向展布;東部基底埋藏深度較西部深,凹陷內部存在2條NW向展布的大型斷裂,凹陷中心夾于其中,凹陷西部有EW向展布的中型基底凸起,埋藏深度9 000 m;長梁山一帶存在一處小型基底凸起,埋藏深度約為6 000 m;白云湖凹陷分布范圍大、形態完整且基底埋藏較深,能大體反映出其上古生界及中生界沉積厚度的變化特征(圖8)。

圖8 白云湖凹陷磁性基巖埋藏深度Fig.8 Color shaded grid of the depth of the top of the magnetic basement in the Baiyunhu sag

5.2 中生界構造特征

根據實測密度資料,區內存在3個主要密度界面:新生界平均密度為2.50 g/cm3,與下伏中生界密度差0.11 g/cm3;中生界平均密度為2.61 g/cm3,與下伏古生界密度差0.06 g/cm3;古生界平均密度為2.67 g/cm3,與下伏前寒武系密度差0.10 g/cm3;前寒武系變質基底密度最大,平均密度2.77 g/cm3。因此,可以通過重力數據構造分層方法對新生界、中生界、古生界進行異常分離和深度計算[5,8]。白云湖地區新生界不發育,基底深度基本可以代表古生界底界面特征,本次研究重點對中生界異常進行分離和深度計算。

為獲得更高精度的構造層異常分離效果,采用功率譜分析法對中生界構造層的異常進行分離,通過頻率域中的Parker-Oldenburg迭代反演其埋藏深度,主要為約束頂底面網格并加濾波圓滑的方法獲得中生界底面深度數據,結合地質、地震等綜合信息進行深度圖編制[5]。

編圖結果表明(圖9):白云湖凹陷中生界分布連續,展布形態受基底、斷裂控制影響,呈近EW向分布,整體形態較為完整;中生界深度平均在6 000 m,內部存在8個凹陷中心,如白云湖、雙泉湖、光明湖等深度大多在6 500～7 000 m,最深處在白云湖西北方,中心深度達8 000 m。

圖9 白云湖凹陷中生界底面埋藏深度Fig.9 Burial depth of the Mesozoic bottom in the Baiyunhu sag

5.3 典型剖面構造解釋

為研究引起白云湖凹陷重磁異常的地質成因,以及深部構造層變化規律,選取南北向貫穿白云湖凹陷的典型剖面(剖面位置見圖9中AB剖面),依據實測物性資料,進行剖面航重—航磁聯合反演解釋。所選剖面切過南北兩處高值磁異常和一處布格重力低值異常,貫穿了白云湖西側中生界沉積凹陷中心,地質圖中出露地層為下侏羅統雀莫錯組(J1q)、上侏羅統索瓦組(J3s)、上新統雙泉湖組(N2sq)、中新統嗩吶湖組(N1s)。為了盡可能保留反演數據精度,航空重磁數據均沿實測航跡剖面提取,磁測數據相鄰點距約10 m(10次/s采樣率),重力數據相鄰點距約50 m(2次/s采樣率)。

本次剖面擬合使用了人機交互式重磁正反演軟件RGIS,以最優化理論為基礎,使用二維半模型(2.5D)來模擬二度和三度地質體,整個計算過程在計算機上完成。2.5D人機交互擬合,是以二維半多邊形截面積水平棱柱體作為場源體的初始模型,并根據先驗地質資料和半定量解釋結果,對所有參數估計初始值進行設置,而后采用人機交互修改,計算機自動迭代反演相結合的方式,求取地下地質體埋深、空間形態和體積的技術[14]。

剖面反演計算成果圖中顯示(圖10),白云湖凹陷從南向北變質基底及上伏地層分布整體呈現連續形態,基底在剖面北側微隆,噶爾孔茶卡北部發育大型斷裂,并伴隨一定規模巖漿活動,深部沿斷裂發育一中酸性巖體,平面寬度達9 000 m,基底在此處上隆。古生界、中生界沉積連續,特別是中生界平均厚度達5 500 m,白云湖西側凹陷中心中生界厚度達8 000 m,呈現沉積穩定且厚度巨大的特點,受巖漿活動影響較少,僅在北部3 000 m深處發育小規模強磁性火山巖,中生界較其他地層具有明顯的厚度與穩定性優勢。

圖10 重磁剖面異常解釋Fig.10 Interpretation of gravity and magnetic anomaly profiles

6 油氣勘探意義

6.1 地質成因分析

白云湖凹陷深部構造特征表明,該地區古生界、中生界具備明顯的厚度優勢,推測是因為北羌塘地塊在早三疊世完成拼合后,晚三疊世至早白堊受盆地南側班公湖—怒江一帶地殼拉張破裂,盆地裂陷,中生代海相沉積物連續沉積,形成羌塘盆地中生界厚層海相沉積,為研究區成油地質條件打下堅實的物質基礎[1,7,15]。新生代以來,由于雅魯藏布江新特提斯的關閉,引起羌塘盆地強烈的構造隆升,造成其內部斷塊差異上升,大部分地區處于抬升剝蝕階段,白云湖地區新生界被剝蝕,這一系列的抬升與剝蝕作用是AB剖面反演結果中新生界地層變薄的主要原因,成就了現今的白云湖凹陷,該區域發生的厚層海相碳酸鹽巖沉積、基底及上覆地層抬升是引起白云湖凹陷航空重力異常的主要原因。

區內整體缺乏大規模的巖漿活動,沉積層基本不含火山巖,具有穩定的被動大陸邊緣沉積特征[16-19],中生界、古生界碳酸鹽巖和碎屑巖的磁化率值均小于30×10-5SI,基本上無磁性,可見,白云湖地區平靜、低緩的磁場應由磁性弱、埋深大的前寒武紀變質巖系引起。

6.2 油氣勘探意義

白云湖地區中生界海相沉積厚度大,從重磁反演結果看,中生界沉積厚度可達5 000～9 000 m,為三疊系和侏羅系海相地層多期沉積中心的疊合發育地區,烴源巖層系多、厚度大,其東部北羌塘坳陷半島湖地區的羌科一井在厚達4 057 m的中生界地層中發現13層氣測異常,侏羅系雀莫錯組及夏里組發育了兩套重要的硬石膏及含膏泥質巖封蓋層,其下均發現了油氣顯示[1],通過計算白云湖地區中生界埋藏深度并結合重點剖面重—磁—地質聯合反演結果,白云湖凹陷巨厚的中生界沉積存在油氣顯示的物質基礎。白云湖凹陷內部局部構造異常,對應白云湖凹陷內部基巖凸起,重力異常特征清晰,研究區深部存在有引起研究區航空重力異常的侏羅系布曲組、索瓦組碳酸鹽巖儲集層和上三疊統肖茶卡組的碎屑巖等優質儲集層,內部的膏泥巖段可作為良好的蓋層,起著很好的封隔作用,儲蓋條件優越。通過對重點剖面重—磁—地質聯合反演,結合前人研究結果,喜馬拉雅期羌塘盆地雖然與青藏高原一同開始強烈的隆升和剝蝕,但以整體隆升為主,盆地內部構造變形是青藏高原上最弱的地區[20],白云湖地區構造形變相對較弱,受斷層破壞程度較小,次級斷裂規模較小,多期構造活動產生的微裂隙,還增強儲集層連通性和儲集空間,保存條件有利,有非常好的油氣勘探前景。

7 結論

1)白云湖凹陷航空布格重力高值異常由中生界、古生界海相沉積層的起伏變化引起,航磁高值異常則是由磁性基底、小范圍巖漿活動共同作用引起。白云湖凹陷重、磁異常屬于非同源異常。

2)白云湖凹陷斷裂構造不發育,全區巖漿活動較弱,僅在南側存在一處由巖漿沿大型斷裂上涌造成的磁性基底隆起,后期油氣保存較為有利。

3)中生界—古生界沉積層總厚度10 000～15 000 m,中生界分布連續,厚度平均在6 000 m,且存在8個凹陷中心,埋藏深度適中。

4)白云湖凹陷中生界構造形態主要受基底凹陷控制,凹陷內部沉積層厚度大,地層發育豐富,儲蓋條件優越,具有良好的油氣勘探潛力。