烃源岩有机质热演化程度及油气生成史分析
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发布时间：2022-06-05 20:46
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时间：2024-11-17 22:30
华北地区古生界烃源岩经历了长达数亿年漫长的地质热演化历史。古生代为初期热演化生烃阶段，整个华北地台以面式升降为主，烃源岩热演化程度基本相同。进入中生代以后，随着区域隆升、沉降活动加剧，地台活化，各区块中生界沉积地层薄厚不一，源岩热变程度出现较大差异；特别是在燕山期—喜马拉雅期，受差异块断活动的影响，使得古生界地层在东部地区支离破碎，埋藏深浅不一，加之局部岩浆作用频繁，各区块烃源岩热演化程度差异更为明显，油气生成历程更为复杂多样。总观全局（表3-2-12），现今各烃源岩热演化程度和油气生成有如下特点。
1.总体上东西分区，南高北低
西部鄂尔多斯坳陷区和沁水块坳烃源岩整体热演化程度比较高，Ro值一般在1.5%～3.0%之间，Ro＞1.8%的高变质区占两个块坳区总面积的70%以上，Ro值在0.6%～1.3%的低变质区仅分布在鄂尔多斯东北部及西部（前印支期隆升区）边缘，占不到坳陷区总面积的13%。
南华北地区济源—开封—永城一线，实测Ro值最高达6.10%，位于Ro＞2.0%等值线圈定的高变质源岩分布区，占块坳总面积的50%以上。并以此为中心，呈对称环带状向四周递减，至东濮块坳北部，徐州、宿州、淮南和襄城-沈丘块坳东南部，Ro值降低为0.6%～1.0%。
渤海湾坳陷区烃源岩总体热演化程度，较以上两个地区明显变低。Ro值一般在0.6%～1.8%之间，在区域上过成熟区与低成熟区相间排布，Ro＞2.0%的过成熟源岩分布区占不到坳陷区总面积的20%，多出现在中、新生代沉积中心部位。海西期以后的古隆升区约占东部总面积的40%，Ro值一般在0.6%～0.8%之间，多停滞在古生代末期的热演化阶段。
2.垂向上两套烃源岩热变程度相近，并保持连续的热演化序列
由华北地区上古生界煤系源岩和下古生界奥陶系灰岩（表3-2-13、表3-2-14）有机质热演化程度对比所示：①同一地区，两套源岩实测Ro值非常接近，在纵向上形成比较连续的热演化序列。上古生界煤系源岩热变程度高的地区，下古生界灰岩热变程度则更高；反之，缺失上古生界或上古生界热演化程度较低的古隆升区，下古生界灰岩热变程度也较低。②两套烃源岩在垂向上的热演化差异，以镜质体反射率Ro值衡量，一般在±0.2%左右，表明两套源岩所经历的热演化进程完全一致。
表3-2-13 华北地区各区块山西组有机质成熟演化范围
续表
表3-2-14 华北地区下古生界中奥陶统灰岩热变程度
3.古生界烃源岩演化在时间上可分为两大阶段
1）古生代—三叠纪深成演化阶段
据程克明、钟宁宁等（1996）系统研究结果，华北古生界烃源岩有机质热演化主要经历了两个发展阶段，四种演化成因类型，并具有五种古地热-有机质热变系统（表3-2-15）。油气生成高峰期主要发生在前燕山期，主要依据是：
表3-2-15 古生界烃源岩有机质热演化历史阶段
第一，全区石炭-二叠系的最低煤种牌号为长焰煤—肥煤，不存在褐煤；在古生界源岩沉积后长期隆升—岩浆活动较弱的地区，如冀东唐山地区、临清西部巨鹿地区、鲁西隆起区，冀北隆起区、大同-静乐块坳、鄂尔多斯西缘的石嘴山-青铜峡-固原地区、东北缘的东胜-府谷地区和南华北的徐淮块隆、合肥块坳，镜质体反射率Ro值一般多在0.6%～0.8%之间，tmax值为424～442℃，色变指数T.A.I值≤3。表明中生界三叠纪末期，古生界烃源岩已全部成热，并进入低成熟—成熟早期生烃阶段。
第二，三叠系沉积厚度大的地区，烃源岩整体热演化程度高。由（图3-2-13）和表3-2-12、13所示，沁水块坳，鄂尔多斯中南部及南华北地区的济源—开封—太康一带，三叠系沉积厚达2000～3700m，为早中生代的沉积中心区。现今烃源岩热演化程度也在全区表现最高，Ro值普遍＞2.0%，最大值为4.0%～6.0%。而渤海湾、鲁西、徐淮、襄城—沈丘、合肥以及鄂尔多斯西北缘，三叠系厚度＜500m，烃源岩现今Ro值一般只在0.6%～1.2%之间。据TTI法和康南公式推算，沁水-济源-太康等高热变源岩区，在三叠纪末古生界Ro已达到1.2%～1.75%，基本上进入常规生油高峰后期———凝析油湿气阶段。
图3-2-13 华北地区三叠系等厚图
上述结果表明：三叠纪时期，是古生界烃源岩有机质热演化最活跃的时期，也是一次油气生成的高峰期。在总体上奠定了现今华北地区古生界源岩有机热变程度东西分区、南高北低的基本面貌。
2）燕山期—喜马拉雅期差异演化阶段
这阶段主要发生在晚燕山期—喜马拉雅期断陷区内，变质作用明显，使古生界源岩发生了二次成烃。
区域构造演化史研究结果证实，燕山期—喜马拉雅期构造运动，在华北东部地区表现最为强烈，差异块断活动造成构造的分隔性，中、新生界沉积厚度变化极大，古地温场的不均衡性愈加明显。对于大部分地区古生界烃源岩而言，由于前一阶段奠定的有机质变质程度甚高，新生界厚度尚未达到补偿古地温所需的厚度，实际上有机质成烃演化已趋于停滞。但在古生界原始煤级较低，而且新生界沉积厚度较大的断陷内，发生了二次深成变质作用，使古生界烃源岩再度演化生烃，主要表现如下。
（1）平面分布上，东部地区古生界烃源岩热演化程度随新生界地层增厚而变高。在东濮、黄骅、文安、济阳、临清等第三系断槽区，古生界烃源岩热变程度，由其原始背景值Ro≈0.6%～0.8%分别升高至1.3%～1.8%，并由断槽中心向周边Ro呈环带状递减。但总体而言，这种二次深成变质生烃区的范围，被块断格局和沉降深度所限定，不呈大面积连续分布。这是东部地区与鄂尔多斯坳陷区生烃条件最显著的差异之一，从而决定了两者之间资源分布特点和规模的差别。
（2）纵向上具有“两段式”重叠热演化特征
秦建中等（1991）对苏桥-文安地区C—P煤层、炭质泥岩，以及老第三系暗色泥岩镜质体反射率Ro值随埋藏深度变化关系对比研究后发现：当埋深＞2900m时，C—P煤系Ro值随埋深增加变质程度增大的热演化曲线斜率，与老第三系源岩Ro-深度曲线斜率趋于一致，少数样品点由于受岩浆烘烤，热变程度很高，但不影响古生界总体热演化曲线的形态。特具意义的是，当埋深＜2900m时，老第三系的曲线斜率与＞2900m时曲线斜率一致，而C—P煤系曲线斜率趋近于零，即在＜2900m深度范围内Ro值保持在0.6%左右，并不随埋深增加而增加（图3-2-14、3-2-15）。这表明：①苏桥地区上古生界源岩在前第三纪曾经发生过一次生烃作用，当时的有机质成熟度Ro=0.6%；②在新生代二次深成变质过程中，它并不随着原来一次生烃的热演化轨迹继续生烃，而是埋藏到一定深度范围后，其Ro值沿着第三系源岩热演化轨迹演化，发生二次生烃作用，而且二次生烃量，足以形成目前苏桥地区相当规模的原生油气藏。
张春荣等（1995）在研究济阳块坳下古生界碳酸盐岩Ro值随埋深二次成烃演化，朱家蔚、许化政等（1987）对东濮块坳煤系二次成烃演化；程克明等（1996）对黄骅块坳古生界二次成烃演化（图3-2-15）；韩云生等（1992）对倪丘集断陷石炭二叠系煤系二次演化生烃研究，也均发现类似于苏桥地区的情况。这表明古生界二次生烃作用在华北地区具有普遍现象。
4.四种不同成因类型的生烃区
（1）中生代以来持续沉降型深成变质作用
如鄂尔多斯坳陷区、济源块凹、丘县块凹等。这些地区中生代以来的沉积演化基本相似，T—K1总的厚度约5000～6000m，K2—E济源＜6000m、丘县＞7000m。
图3-2-14 苏桥地区C—P、E 镜煤反射率随深度变化图
图3-2-15 黄骅块坳 镜煤反射率随深度变化图
丘县块凹烃源岩变质程度基本上受埋深所控制，三叠纪末Ro在0.6%～0.7%之间（据巨鹿地区钻井资料），而到中生代末（K1末）Ro在2.32%左右（据馆深1井资料），丘县块凹深洼部位由于K2—E厚度巨大，推测Ro可达4.0%以上。
同样的埋深条件，如果在正常地温梯度情况下，中生代末煤系Ro值可达到2.5%～3.0%，但济源块凹目前已达到6.0%，这除了中生界之上又沉积了5000～6000m的新生界地层，使其烃源岩有机质进一步演化变质以外，还与本区以断裂为通道的地下水热液活动和岩浆侵入烘烤变质作用有关。
（2）在第一阶段深成变质作用基础上，叠加有岩浆热液变质及岩浆烘烤作用引起的烃源岩有机质进一步演化。
如济源-太康块坳、沁水块坳等。
地下水热液变质作用，其热源来自地球深部的岩浆库或上地幔，以深断裂作为深部岩浆和热流上涌通道，并为地下水深循环提供了条件。以此因素形成的高变质带位于南华北北缘济源—开封—永城一线，与焦作-商丘深断裂毗邻，并出现了济源-郑州、开封-兰考、永城三个无烟煤高变质圈闭（图3-2-16）。这种高变质圈闭往往位于与北北东向断裂与焦-商断裂交叉部位，反映了断裂、岩浆、地下水深循环作用的相互依存关系。
图3-2-16 南华北地区山西组有机质成熟度分布示意图
岩浆热变质作用是岩浆体与烃源岩接触直接烘烤而形成的热变质系统。这种变质作用在沁水块坳表现较为突出，据地面调查及磁力资料，发现航磁ΔTa图上于盆地边缘的太原西山、阳泉、襄垣、阳城、霍县、祁县等出现一系列磁力高（图3-2-17）及在沁水块坳内部由高精度磁力测量发现的沁县-张店正磁异常体。这些均反映出岩浆岩存在的可能，其中祁县磁力高已被钻井和地震资料证实为燕山期侵入体（二长岩），其刺穿石炭系底界的面积达200km2以上。
由于火山岩侵入的不均一性，造成烃源岩热演化程度在平面上差异较大。如沁水块坳东部Ro值一般＞2.0%，西部介于1.0%～1.5%之间，北部太原—阳泉及南部晋城—阳块一带Ro高达3%～5%。
除沁水块坳以外，在华北其他地区燕山期侵入岩体也较普遍，但岩体规模不大，因此影响范围也不大。如北京西山、太原、西山、邯邢煤田、沧参1井、鲁西及徐淮隆起区的局部侵入体等，这些侵入体造成了煤系地层局部高变质圈闭。
（3）喜马拉雅期为主的二次生烃区
主要出现在渤海湾坳陷区的黄骅、文安、东濮、济阳和临清东部地区，以及南华北的商丘-黄口、襄城-沈丘等块坳。其共同之处是，前第三纪原始成熟度较低，Ro背景值多在0.5%～0.8%之间，残余生烃潜力较大，晚燕山期—喜马拉雅期的差异块断活动，使古生界源岩再度被深埋，发生二次深成热变质而大量生烃（表3-2-16）。所不同的是，由于各区二次生烃的起点条件（如一次生烃后的Ro值等）不同，加载在古生界烃源岩上覆的新生界厚度不一，加上局部地区岩浆岩侵入体的烘烤，使各地古生界烃源岩有机质热演化程度和生烃产物略有差别。在黄骅、文安、商丘-黄口和襄城-沈丘等块坳，源岩二次热变程度稍低，多处于成熟—高成熟阶段，生烃产物以常规油、轻质油和湿气为主。东濮、济阳和临清等块坳，源岩二次热变程度较高，多处于高成熟—过成熟早期阶段，生烃产物以湿气和干气为主。
图3-2-17 沁水块坳Ro异常与岩浆岩体及深部磁异常的关系
（4）印支期后的持续隆升区
主要出现在鲁西、冀北、徐淮、邢衡隆起等地，古生界烃源岩热演化和生烃作用主要发生在古生代—早中生代，由于其古埋藏深度浅，原始煤级和现今煤级都比较低（Ro=0.6%～0.8%），加之新生界加载厚度薄，也难以具备二次生烃的基本条件。
总起来看，华北古生界烃源岩有机质热演化峰值期具有西南早，东北晚，多期叠加的特点。鄂尔多斯、沁水、济源-太康等一次生烃区，油气的富集成藏有赖于燕山期以后的保存条件。渤海湾等二次生烃区油气富集成藏，一是取决于二次生烃规模，二是储盖层条件。印支期以来的持续隆升区，由于其生烃时期早，热演化程度低，总体上对油气富集成藏不利。
表3-2-16 华北古生界烃源岩二次生烃条件对比表
