趙俊峰，劉池洋，何爭光，劉永濤

(1. 西北大學(xué) 大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710069；2. 西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069； 3. 東方地球物理公司 研究院，河北 涿州 072751)

南華北地區(qū)是我國油氣勘探歷史較長、但仍未取得工業(yè)性突破的地區(qū)之一?？碧阶C實，上古生界、三疊系、下白堊統(tǒng)及古近系在多個凹陷均有程度不同的油氣顯示，表明該地區(qū)尚具有一定的勘探潛力。南華北地區(qū)處于活動性較強的華北克拉通南緣，中新生代構(gòu)造活動與改造強烈，各層系烴源巖有機質(zhì)經(jīng)歷了復(fù)雜的成烴、成藏與改造過程?？陀^準確地評價烴源巖的熱演化程度及其作用過程，是該地區(qū)油氣資源評價和勘探目標選擇面臨的非常重要的科學(xué)問題。以往針對該地區(qū)烴源巖熱演化特征的研究以局部凹陷或單層系(重點是上古生界)為主，或?qū)嵫莼鳛槌刹貤l件綜合研究的一個要素考慮[1-10]，對全區(qū)主要層系熱演化缺乏系統(tǒng)研究。

本文在較全面收集、甄別研究區(qū)以往有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)(557組)并補測部分樣品(48組)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Tmax、孢粉色變指數(shù)等古溫標參數(shù)，對研究區(qū)古近系、中生界及上古生界烴源巖熱演化特征進行了較全面評價，并從熱演化與保存條件等角度探討了其油氣地質(zhì)意義。

1 古近系

1.1 單井變化規(guī)律

古近系Ro數(shù)據(jù)主要分布在開封坳陷和周口坳陷，共獲得有效Ro數(shù)據(jù)77個，分布在15口鉆井中(圖1)，樣品巖性主要為暗色泥巖、油頁巖等。

開封坳陷濟源凹陷鄧2、鄧5井古近系24個Ro數(shù)據(jù)[9]分布在0.58%～1.30%之間，深度718～3 471 m，Ro值隨深度呈指數(shù)關(guān)系增加 (圖2a)。中牟凹陷僅有開深1井4個Ro值，為1.6%～2.4%，樣品深度在4 284～5 526 m之間，各數(shù)值隨深度略有增加，但相關(guān)性不明顯(圖2b)。黃口凹陷僅商1井有古近系Ro數(shù)據(jù)4個，為0.42%～0.50%之間，深度為700～1 207 m，Ro隨深度線性增加(圖2c)。

周口坳陷舞陽凹陷舞3、舞5、舞鉀1井的17個數(shù)據(jù)[7,11]均分布在0.24%～0.60%，深度為864～3 403 m，Ro值隨深度變化線性增加(圖3a)。此外，該凹陷舞10井2個Ro值，均為1.684%，深度分別為2 640和2 645 m。二者在深度上僅相差5 m，單憑該數(shù)據(jù)難以辨別其熱演化成因或測試結(jié)果的正誤。 襄城凹陷襄參1、襄9兩口井18個數(shù)據(jù)[11]主要分布在0.24%～0.61%之間，深度2 020～3 596 m，Ro隨深度線性增加(圖3b)；襄1井只有1個Ro高值，為1.0%，深度為3 325 m，與該凹陷其他井Ro變化趨勢不一致。周口坳陷中部凹陷帶譚參1、周20、周22、南9共4口井7個Ro值在0.34%～0.68%之間，深度為1 571～3 877 m，Ro值隨深度基本呈線性增加趨勢，與舞陽、襄城熱演化程度一致(圖3c)。

1.2 區(qū)域演化特征

已獲得的古近系Ro值普遍較低，目前多處于未成熟—低成熟階段。周口坳陷、黃口凹陷Ro值大多數(shù)小于0.60%；濟源凹陷相對較高，在0.58%～1.30%之間。各凹陷Ro值隨埋藏深度線性增加趨勢明顯，表明該層系烴源巖大多經(jīng)歷了較簡單的深埋增溫熱史演化過程。少數(shù)井Ro測值較高，可能與局部構(gòu)造熱演化有關(guān)。如，與開深1井同處東吳次凹的開參3井在沙河街組二、三段鉆遇5層累計厚91.5 m的玄武巖[12]，據(jù)地震資料反映該套玄武巖分布范圍較大，故開深1井較高的Ro測值可能與喜山期巖漿侵入活動有關(guān)。舞10和襄1井所在舞陽、襄城凹陷相鄰井的古近系Ro值均小于或等于0.6%，若這2口井測試無誤，其熱演化程度較高顯然應(yīng)屬局部異常較高熱源所致。

圖1 南華北地區(qū)主要層系Ro數(shù)據(jù)資料點分布Fig.1 Map showing the data location of the Ro data from main strata in the southern North China Craton

圖2 開封坳陷Ro—深度關(guān)系Fig.2 Ro-depth relation graphs of the source rock in the Kaifeng Depression

圖3 周口坳陷古近系Ro—深度關(guān)系圖Fig.3 Ro-depth relation graphs of the Paleogene system in the Zhoukou Depression

古近系Ro值平面上大體呈南低北高的格局。在埋深相近的條件下，開封坳陷濟源、中牟凹陷Ro值整體較周口坳陷高，均達到低—高成熟階段。黃口凹陷熱演化程度相對較低，但與周口坳陷相同深度段相比，Ro值仍偏高。南華北地區(qū)古近系Ro值平面分布與現(xiàn)今地溫場南低北高的分布格局基本一致[13]，反映古近系烴源巖熱演化受新生代地溫場的控制作用明顯。

2 中生界

2.1 單井變化規(guī)律

南華北地區(qū)已獲得的中生界鏡質(zhì)體反射率，主要來自三疊系、下白堊統(tǒng)，共有15口井162個數(shù)據(jù)。主要分布在北部濟源、黃口凹陷及南部的周口坳陷譚莊—沈丘凹陷[14-15]，樣品巖性主要為暗色泥巖。

開封坳陷濟源凹陷濟參1井4 042～4 908 m井段8個Ro值變化在1.6%～2.2%之間，Ro隨深度線性增加，與同凹陷鄧2、鄧5井古近系Ro值在深度剖面上基本可上下銜接。豫深2井2 759～3 137 m井段的5個Ro值變化在1.76%～1.98%之間，遠高于相鄰的鄧2、鄧5井同深度古近系Ro值，由于取樣井段較集中，Ro隨深度線性增加趨勢不顯著(圖2a)。黃口凹陷豐參1井1 330～1 540 m 有4個Ro值為0.67%～0.85%，隨深度線性增加；2 951 m深度左右有2個測值，分別為0.81%,0.92%(圖4)。黃口凹陷商1井3 700～3 900 m井段7個Ro值為1.09%～1.44%(圖2c)，Ro值與深度關(guān)系不明顯，可能與取樣段較集中有關(guān)。

周口坳陷譚莊—沈丘凹陷(11口井136個數(shù)據(jù)) 大多數(shù)井(10口)Ro值在0.50%～1.30%之間，深度2 000～4 200 m；且單井Ro隨深度變化的線性關(guān)系均比較明顯；只有南9、周參10及周參11較高，Ro在1.50%～3.80%之間。

圖4 開封坳陷黃口凹陷豐參1井Ro-深度關(guān)系Fig.4 Ro-depth relation graph of the source rock in Well Fengcan l, the Huangkou Sag of the Kaifeng Depression

2.2 區(qū)域演化特征

中生界Ro值普遍較古近系高，除8個數(shù)據(jù)小于0.5%外，多數(shù)在0.5%～1.3%之間，處于低—中等成熟階段。周口坳陷各井及濟源凹陷濟參1、豐參1井Ro均隨埋藏深度線性增加(圖2a,圖4)；表明中生界烴源巖大多經(jīng)歷了較簡單的深埋增溫熱史演化過程。其熱演化特征和熱演化程度，在區(qū)域上應(yīng)有一定代表性。

局部地區(qū)的有機質(zhì)Ro大于1.3%，經(jīng)歷了高異常熱演化作用。盆地內(nèi)井下中生界Ro值大于1.3% 的井有5口，為豫深2(圖2a)、南9、周參10和周參11井，反映這些地區(qū)源巖已達高成熟階段。南9、周參10和周參11井的Ro值多數(shù)大于1.5%(圖5a)，在空間上集中分布在沈丘凹陷南緣約30 km2范圍內(nèi)。在該區(qū)之北約12 km的周參19和南2井，其熱演化程度明顯要低得多。顯然，以周參11井為代表的高熱演化區(qū)，分布較局限，應(yīng)屬局部較高異常熱源成因，并不能代表區(qū)域熱演化面貌。該區(qū)處于燕山晚期較強烈逆沖推覆構(gòu)造的前緣，擠壓變形強烈，基底抬升幅度大，較高的熱演化應(yīng)與此特殊的構(gòu)造背景有成因聯(lián)系。

3 上古生界

共獲得石炭—二疊系代表性鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)366個(含本次補測46個)，其中鉆井樣品共19口井144個數(shù)據(jù)，涵蓋了河淮盆地(包括開封坳陷、周口坳陷和太康隆起3個一級構(gòu)造單元)鉆至古生界的絕大多數(shù)井 (圖1)；露頭樣品數(shù)據(jù)222個，分布在盆地周鄰的徐淮、豫西、豫北地區(qū)和盆地內(nèi)的濟源、平頂山、禹縣等諸煤田及露頭區(qū)；樣品巖性主要為暗色泥巖、煤巖。

圖5 周口坳陷中南部凹陷Ro-深度關(guān)系Fig.5 Ro-depth relation graphs of the source rock in mid-southern sags of the Zhoukou Depression

3.1 河淮盆地

開封坳陷黃口凹陷豐參1井的18個石炭—二疊系Ro值，來自江蘇油田、西北大學(xué)(1991)和本次補測(圖4)的3組數(shù)據(jù)所反映的趨勢總體吻合。其中17個Ro值均小于1.2%，平均為0.92%，反映了較低的熱演化狀態(tài)(圖4)；僅1個樣品(2.35%)數(shù)值明顯偏大，分析認為此測值不具代表性或測試可能有誤。

太康隆起3口井23個Ro數(shù)據(jù)在1 000～3 000 m取樣段內(nèi)Ro變化在1.31%～3.90%之間。其中太參3、南3井Ro值隨深度有線性增加的趨勢，但其斜率(ΔRo)大于1.5%/km，超過正常埋深增溫作用引起的Ro增加幅度(研究區(qū)中、新生界ΔRo一般為(0.2～0.8)%/km)。另收集到太參1井(山西組，Ro>5%)、太參2(下二疊統(tǒng)，Ro為1.86%)2個深度不詳?shù)纳瞎派鏡o數(shù)據(jù)。太參3井1 700～1 800 m左右的Tmax值達到515～537 ℃；1 200～1 800 m深度段奇偶優(yōu)勢指數(shù)(OEP)值為1.1～1.3；南3井下石盒子組OEP值為1.02～1.19。多種溫標參數(shù)均反映該地區(qū)較高的熱演化程度，該地區(qū)僅太參1井見到燕山期巖漿侵入現(xiàn)象。

周口坳陷鹿邑凹陷6口井在1 500～3 900 m深度段42個Ro數(shù)據(jù)在0.72%～2.61%之間，平均1.70%。另獲得南4井1個測值為3.42%(深度不詳)。本次實測的南7井5個Ro值，周參7井1個Ro值與以往所測同深度段Ro數(shù)值一致；同層位烴源巖孢粉顏色指數(shù)為褐黑色。該凹陷Ro值分布呈南低北高之勢，與上古生界現(xiàn)今埋深南深北淺的格局相反，且整個凹陷的Ro數(shù)據(jù)與埋深不在一個趨勢線上，表明新生代以來地熱場對上古生界熱演化不具控制作用。此外，單井ΔRo也比較高，在(1.7%～2.0%)/km之間，指示該凹陷總體熱演化特征與太康隆起具相似性和過渡性。

周口坳陷中南部凹陷除少數(shù)測值(周17井4值，南14井1值及南6井新測1值)在1.66%～2.0%之間外，其余Ro值介于0.65%～1.4%之間(圖5b)。單井Ro值與取樣深度相關(guān)性不強，或表現(xiàn)為隨深度輕微變化(如南6,南11)，或在相近深度段內(nèi)變化劇烈(如襄5,南14)，也有的井由于取樣深度段太短，難以體現(xiàn)相關(guān)性。南11、南14井上古生界Tmax值分別為435～448，440～466 ℃；孢粉顏色為黃色、黃紅色[16]；與同深度Ro反映的變質(zhì)程度一致?？傮w而言，周口坳陷中部各凹陷熱演化程度較低，在液態(tài)窗范圍；而位于坳陷南端的汝南、東岳凹陷熱演化程度可達高成熟晚期階段，主要與燕山期巖漿活動有關(guān)(周17、周淺1井鉆遇中酸性火山巖及花崗巖)。

3.2 周鄰煤田及露頭區(qū)

河淮盆地東鄰自南到北淮南、淮北、徐州、棗莊和兗州礦區(qū)石炭—二疊系的Ro值主要變化在 0.35%～1.24%之間，與周口中部凹陷內(nèi)井下石炭—二疊系的Ro值基本一致，二者可相互補充、彼此印證?；幢钡V區(qū)劉橋和朔里煤礦Ro值普遍較高，在1.55%～2.27%之間，已證實為巖漿侵入所致?；幢钡V區(qū)之西的永城礦區(qū)石炭—二疊系煤巖Ro值均大于2%，多處已為天然焦和無煙煤，表明經(jīng)歷了高的熱演化過程，亦主要是巖漿活動所致。在煤田內(nèi)，閃長巖類和基性輝綠巖類以較大巖株、巖墻或巖脈侵入到煤系及煤層頂?shù)装?。與巖漿侵入體接觸部位的煤全變成天然焦，其外側(cè)則為無煙煤[6,17]。

盆地北部主要是濟源、滎鞏及焦作等煤田大多經(jīng)歷了異常高、但又不均勻的差異熱演化過程。濟源地區(qū)克井礦區(qū)，山西組下部煤層(二1煤)Ro值高達6.0%～7.0%，已為超級無煙煤；向西不到20 km的下冶礦區(qū)，Ro減小為1.89%～2.5%，達貧、瘦及無煙煤階段。偃龍煤田10個地點的反射率都在5.0%以上，到諸葛礦Ro又降到2.91%。由東向西逐漸變低的煤變質(zhì)趨勢十分明顯。滎鞏煤田Ro在4.2%～5.7%之間[18]。焦作煤田各礦Ro值在3.27%～4.90% 之間。盆地北部諸煤田雖熱演化程度很高，但少見巖漿侵入煤系的直接證據(jù)。

盆地西部平頂山礦區(qū)及向西北延伸的宜陽李溝礦熱演化程度較低，14個Ro值變化在0.38%～1.04% 之間。西北部的鄭州米村礦、登封8903礦和禹縣礦的上石炭統(tǒng)熱演化程度較高，7個Ro值在1.25%～2.64%之間[19]。這3個礦區(qū)位于太康隆起的西延部位，其較高熱演化特征與太康隆起具相似性。

位于盆地南部汝南凹陷之南的確山吳桂橋井田，山西組、下石盒子組含煤30余層，煤類有肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤、天然焦等。勘探與研究表明，該區(qū)煤變質(zhì)作用主要受燕山、喜山期巖漿作用控制[20-21]。

3.3 區(qū)域演化特征

總體而言，南華北地區(qū)上古生界熱演化具如下特征：(1)Ro在空間上變化幅度極不均一，不同地區(qū)的熱演化程度差別很大，Ro值變化范圍在0.38%～7.0%之間。(2)Ro值平面分布總體呈南低北高的格局。開封坳陷東部(豐參1井)樣品Ro值相對較低，為中成熟階段；濟源、焦作地區(qū)、太康隆起及西延露頭區(qū)普遍高，達高成熟—過成熟階段；周口坳陷近太康隆起的鹿邑凹陷較高，亦達到高成熟—過成熟階段；周口西部、中部凹陷帶相對較低，多數(shù)處于低—中等成熟階段，南部凹陷和中部深凹可達高成熟—過成熟階段。(3)上古生界較高熱演化的地區(qū)，在空間上分布主要表現(xiàn)為點、帶2種形式。為詳細刻畫上古生界Ro平面分布特征，依據(jù)實測數(shù)據(jù)和深度趨勢外推方法編制了上古生界山西組Ro等值線圖(圖6)。由圖可知，呈點狀分布的主要是受巖漿侵入接觸變質(zhì)影響的地區(qū)，如永城、淮北、確山等；濟源—鄭州—太康—鹿邑凹陷北部則構(gòu)成NW向分布的帶狀高熱演化區(qū)，其Ro值在2.5%以上。(4)不同于本區(qū)新生界、中生界Ro—深度之間的簡單線性關(guān)系，上古生界Ro與埋深之間的關(guān)系復(fù)雜，線性關(guān)系不顯著或變化幅度大，反映其有別于簡單深埋增溫作用的特點。(5)上古生界高熱演化區(qū)與現(xiàn)今高地溫場分布區(qū)[13]不一致，反映熱演化總體上不受后者控制。

4 油氣地質(zhì)意義

與相鄰的渤海灣盆地古近系普遍在低—中等成熟度的熱演化程度相比，南華北古近系Ro值明顯偏低，主要受控于新生代以來華北南部總體較低的地溫場作用。周口坳陷各凹陷、黃口凹陷古近系有機質(zhì)多處于未成熟—低成熟階段。以往勘探在襄城凹陷襄5、襄7、襄9及襄參2井古近系核桃園組發(fā)現(xiàn)油斑、油跡砂巖等不同級別的油氣顯示，油源對比表明原油來自核一段和核二段的未熟烴源巖[21]，說明該套烴源巖尚具有一定的生烴能力，起始生油門限深度在2 400～3 200 m左右。濟源、中牟凹陷古近系有機質(zhì)熱演化相對較高，均達到低—高成熟階段，正處于生烴高峰，起始生油門限深度在1 000～1 300 m左右。如鄧2井古近系曾出油8.36 m3；開參2井古近系沙河街組曾出油0.162 m3，指示這些地區(qū)古近系具有較好的勘探潛力。

中生界熱演化程度普遍高于古近系，除局部地區(qū)外，多數(shù)處于低—中等成熟階段，正值液態(tài)烴生烴高峰。從烴源巖的發(fā)育程度和熱演化狀態(tài)分析，譚莊—沈丘凹陷中部下白堊統(tǒng)、濟源凹陷三疊系烴源巖大部分進入液態(tài)窗范圍，具有良好的生烴潛力。如周參10、周參12井均獲少量原油。

南華北地區(qū)上古生界經(jīng)歷了多期差異性改造，不同地區(qū)埋藏史有別。在印支期末區(qū)域性深埋增溫作用基礎(chǔ)上，中生代晚期，太康—濟源地區(qū)又經(jīng)歷了區(qū)域構(gòu)造熱事件作用，使上古生界熱演化程度顯著增高[22]，新生代以來的差異沉降又對上古生界熱演化產(chǎn)生不同程度的影響。深埋增溫、構(gòu)造熱事件以及巖漿接觸變質(zhì)、動力變質(zhì)作用等共同造就了上古生界空間上極不均一、總體南低北高的熱演化面貌。對于上古生界的油氣勘探，應(yīng)針對不同地區(qū)的熱演化史結(jié)合保存條件等進行評價。濟源凹陷—太康隆起—鹿邑凹陷北部整體熱演化程度達高—過成熟階段，烴類相態(tài)已處于干氣—高變質(zhì)瀝青。其中濟源凹陷中新生代以來以深埋作用為主，為持續(xù)生烴型；太康隆起及相鄰鹿邑凹陷北部新生代以來未得到熱補償(圖7)，生烴作用主要發(fā)生在中生代晚期，屬早期生烴型，若上覆三疊系封蓋條件好，可作為常規(guī)天然氣或煤層氣勘探的遠景區(qū)，這一地區(qū)周參7、南3井在上古生界均顯示氣測異常。周口坳陷西部及中部凹陷帶熱演化程度整體處于低—中等成熟階段，古近紀以來接受2 000～6 000 m不等的深埋熱作用。在埋深較淺、地溫場偏低的地區(qū)如譚莊凹陷西部，上古生界仍未得到熱補償(圖8)；但在埋深較大，地溫場較高的地區(qū)，可以發(fā)生二次生烴。剝蝕厚度恢復(fù)基礎(chǔ)上進行的熱史模擬表明，倪丘集凹陷中南部、譚莊—沈丘凹陷東部及襄城凹陷南部等具有新生代二次生烴的潛力[22]，若烴源巖豐度與規(guī)模、儲蓋、保存條件等具備，可能形成中等或小型油氣聚集，如南12井、周16井等分別見源自上古生界的油流和二疊系油砂。

圖6 南華北地區(qū)上古生界山西組Ro等值線Fig.6 Contour map of the Ro values from Shanxi Formation of the Upper Paleozoic in southern North China Craton

1.地名；2.井位；3. 上古生界殘存邊界；4.Ro等值線/%；5. 推測Ro等值線/%；6.邊界斷裂

圖7 太康隆起南7井Ro-深度關(guān)系Fig.7 Ro-depth relation graph of the main strata from Well Nan 7 in the Taikang Uplift

致謝：文中使用的熱演化數(shù)據(jù)，除實測和來源于公開發(fā)表的文獻外，還有部分來自中國石化河南油田分公司、華北分公司、中原油田分公司、江蘇油田分公司，中國石油華北油田及有關(guān)煤田單位、高校等的分析測試報告，謹向上述單位表示謝忱。

圖8 周口坳陷周16與鄰井Ro-深度關(guān)系Fig.8 Ro-depth relation graph of the main strata from Well Zhou16 and its adjacent wells in the Zhoukou Depression

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