唐曉音，張功成，梁建設，楊樹春，饒 松，胡圣標

1 中國科學院地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

2 中海油研究總院，北京 100027

1 引 言

熱模擬可再現(xiàn)油氣盆地的熱演化歷史，在油氣生氣和儲集過程中，盆地的熱演化決定著烴類成熟度史.沉積盆地中巖漿侵入體是除斷裂活動帶、放射性元素富集區(qū)之外的最主要的局部熱源［1］，其對圍巖的熱影響一直以來在國內外受到廣泛的重視［2－8］.王有孝、朱傳慶等［9－10］發(fā)現(xiàn)異常地熱對烴源巖的有機質生烴過程和烴類成熟作用有明顯影響.Othman等［11］發(fā)現(xiàn)侵入體的存在會使烴源巖的生油窗深度變淺.馮喬等［12］認為侵入體余熱可以使生油層早熟，并使其附近圍巖中的有機質豐度降低.萬從禮等［13］認為基性巖漿帶來大量的熱量和地幔物質，并產生極高的壓力，加速了周圍烴源巖的成熟演化，且促使其排烴.侵入作用的熱效應對油氣成藏既有有利的一面，即加速烴源巖的成熟和成烴作用［7，14－15］，也有不利的一面，如破壞形成的油藏或加速烴源巖進入過熟期［16－18］.

長昌凹陷位于南海北部大陸邊緣瓊東南盆地深水區(qū)，西鄰寶島凹陷，北接神狐隆起、順德凹陷（見圖1），其所在構造帶是深水凹陷群中唯一的中央背斜構造帶［19］.長昌凹陷內發(fā)育始新統(tǒng)湖相烴源巖、下漸新統(tǒng)崖城組和上漸新統(tǒng)陵水組濱海沼澤相烴源巖，始新統(tǒng)烴源巖雖然尚未被鉆井所揭示，但據地震剖面解釋成果推測這套深淺湖相烴源巖應該存在.崖城組和陵水組烴源巖總有機碳含量分別為0.81%和0.69%，H／C一般小于1.0，以Ⅲ干酪根為主［20］.王振峰等［21］分析認為，長昌凹陷很可能是油氣兼生的凹陷，其潛在天然氣資源量約數(shù)千億方，為瓊東南盆地深水區(qū)東部首要鉆探有利區(qū)帶.根據中海油研究總院最新研究成果，長昌凹陷大體上由主洼、東洼、南洼組成，內部分布著多個錐狀火成巖侵入體（見圖1），侵入年齡為17.32Ma.目前為止，關于長昌凹陷尤其是火成巖侵入體對長昌凹陷的影響的研究還處于空白.

本文擬基于最新的地震解釋成果和相關熱物性資料，通過有限元計算方法［22］評價了火成巖侵入體對區(qū)域溫度場的影響，并進一步結合地層冷卻史及Easy%Ro模型探討其對烴源巖成熟度的影響.這一結果對評價侵入體對研究區(qū)內烴源巖生、排烴的影響，計算凹陷油氣資源量等有重要意義.

圖1 長昌凹陷構造單元劃分（a）及地震測線位置圖（b）Fig.1 （a）Structural division of the Changchang Sag，（b）distribution of intrusions and location of the modelled seismic line

2 計算方法與原理

2.1 熱傳導基本方程

有限元法是求解熱傳導方程常用的數(shù)值方法之一，早已被運用于解決熱傳導問題［23］，評價區(qū)域構造形態(tài)、高溫巖漿侵入和地形變化等對區(qū)域溫度場的影響［24－26］.其本質上是將計算區(qū)域內的連續(xù)溫度場離散成有限數(shù)量的溫度點，然后求出給定條件下這些溫度點上的溫度值來近似代表需要求解的溫度場.由于侵入體和圍巖的熱力學性質及地質的復雜性，我們假設侵入是瞬間的，散熱方式主要是熱傳導，侵入體和圍巖的熱擴散率相同.其基本方程為：

式中，T 為溫度（℃）；t為時間（s）；K 為熱導率（W／（m·K））；Q為巖石的熱產生值（μW／m3）；μ為熱容量，μ＝ρc，ρ為密度（kg／m3），c為常壓下的比熱值（J／（kg·K））.

本文所討論的邊界條件為：1）上邊界海底溫度為10℃；2）下邊界上的熱流值為45mW／m2（僅考慮侵入體的影響，屏蔽了形成侵入體時的高熱背景）［27］；3）左右邊界假定為絕熱邊界（即沒有熱傳遞）.

2.2 模型的建立

模型的建立基于凹陷內一條穿越三個不同規(guī)模侵入體的地震測線，模擬剖面AB位置見圖1，長度為200km，高度為14km.侵入體（1）、（2）、（3）為錐狀體，在沉積基底面上的半徑分別為3km、6km、5km；高度分別為：9.2km、10km、3.7km.剖面特征見圖2.總體上具有瓊東南盆地雙層結構，上層表現(xiàn)為披蓋式坳陷，下層則是斷陷和斷隆，具有典型的張性環(huán)境下斷陷盆地的構造特征.根據地震反射特征及實際鉆進層位標定可識別出T20、T30、T40、T50、T60、T70、T100反射界面，分別對應于樂東組、鶯歌海組、黃流組、梅山組、三亞組、陵水組、崖城組、始新統(tǒng)的底部.研究區(qū)T60是破裂不整合面，代表了凹陷從斷陷向坳陷轉化的界面，界面之下發(fā)育了基底斷裂和漸新統(tǒng)斷裂體系，構造活動強，且斷層控制沉積；界面之上斷層基本不活動，一般認為是層序的“穩(wěn)定”充填期［28］.根據實測剖面情況，建立模型（模型形態(tài)見圖2右下角），并采用0.5km×0.5km網格，取時間步長為0.05Ma對其進行二維有限元熱模擬.

圖2 地震剖面及模擬模型簡圖Fig.2 Sketch showing the seismic profile and simulation model

2.3 模擬參數(shù)

巖漿的溫度隨組分的不同而不同［29］，目前，尚沒有文獻介紹瓊東南盆地新生代火山活動的特點及巖性組成.根據珠江口盆地鉆遇火山巖的情況來看，始新世早期以中酸性噴出巖和火山碎屑巖為主，中后期基性噴出巖逐漸增加，中新世以后，火山巖成分比較單一，全為玄武巖［30］.鄒和平等［31］認為中酸性火山巖是由于古近紀的火成巖組合來自大陸地殼之下的富集型地幔的熔融，巖漿中的深源成分逐漸增多，說明巖石圈在古近系發(fā)生了明顯的減薄，軟流圈地幔抬升較高，因此，新近系巖漿中的深源成分增多.據張健等［32］分析，南海北部不同盆地由于所處的地質構造環(huán)境差異，地幔熱流不同，但總體上各坳陷地質成因機制及其形成、演化和衰亡過程基本相似，所以深部地熱狀況具有相似的特點.結合鄒和平等［31］新近系巖漿中的深源成分增多的理論，推測瓊東南盆地可能具有類似的巖性組成和變化特征，因此區(qū)內侵入體初始溫度取980℃.其它模擬參數(shù)見表1.

表1 模擬參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3 侵入體對溫度場的影響

3.1 對圍巖溫度的影響

圖3 侵入體侵入后不同時刻的溫度場剖面（a）侵入0.2Ma后；（b）侵入0.5Ma后；（c）侵入1Ma后；（d）侵入2Ma后；（e）侵入5Ma后；（f）侵入10Ma后.Fig.3 Geothermal field along the modelled section for different times after intrusion（a）0.2Ma，（b）0.5Ma，（c）1Ma，（d）2Ma，（e）5Ma，（f）10Ma.

圖4 侵入體2侵入后溫度隨時間的變化（a）侵入體（2）中心（y約為7km）；（b）侵入體（2）底部（y約為2km）.Fig.4 Temperature changing with time after intrusion for intrusion No.2（a）Intrusion center（at yca.7km）；（b）Bottom of intrusion 2（yca.2km）.

有機質演化過程中化學反應速率與溫度呈指數(shù)關系，而與時間只呈線性關系，所以有機質的成熟度主要受溫度的控制［35］.本文侵入體對圍巖溫度的影響如圖3、圖4所示：侵入1Ma后，侵入體溫度迅速下降，溫度界線開始消失（見圖3c），2Ma后界線消失（見圖3d），5Ma以后對圍巖溫度的影響微弱（圖3e），10Ma以后侵入體與圍巖溫度完全一致（圖3f），與范桃園、張健的研究結論［1，36］相符；侵入體不同深度冷卻速率是不一樣的，以侵入體（2）（規(guī)模最大）為例，侵入體中上部短時間內迅速冷卻，侵入0.2Ma后，侵入體中心的溫度降至750℃，降幅超過200℃（圖4a），而侵入體底部溫度在侵入0.2Ma后下降溫度小于100℃（圖4b）.由此可知，隨著深度的增加，侵入體對圍巖溫度的影響程度減小，但持續(xù)時間較長.

3.2 對熱流的影響

針對不同的地質尺度，目前國內外應用于盆地熱史的研究方法主要有兩種：一是在巖石圈尺度上，根據盆地形成和演化的動力機制及地球內部熱傳播方式，建立相應的盆地數(shù)學模型，在已知或假定的初始和邊界條件下，通過調整模型參數(shù)，使得模擬計算結果擬合實際觀測的盆地構造沉降史而確定盆地底部熱流史，進而結合盆地的埋藏史正演盆地的熱史，稱之為“構造－熱演化法”.二是在盆地尺度上，利用盆地內的沉積地層中記載古地溫信息的有機質、礦物、流體等（稱作古溫標或古地溫計）來反演地層的熱歷史；據“古溫計”直接反推出古地溫范圍，或據它們的熱動力學機理，構造數(shù)學模型，定量反演地熱史，稱之為“古溫標法”［37－38］，這些方法用于熱史重建各有優(yōu)劣.由于研究區(qū)內目前為止還沒有相應的“古溫標”，所以熱史反演行不通.而基于 McKenzie［39］拉伸模型的構造熱演化法只能計算得到基底熱流史，不能反映后期侵入體的熱流影響.

為了定量地評價火成巖侵入體對烴源巖成熟度的影響，我們分別選取了圍繞三個侵入體2km、5km的特殊點，分析了侵入體對這些人工井熱流史的影響.如圖5所示：規(guī)模最大的侵入體2對熱流的影響最大，短時間內引起的熱流異?？沙^25mW／m2.個別人工井熱流異常呈現(xiàn)雙峰，可能是受到鄰近侵入體的影響.但總體來說，侵入體對熱流的影響與對圍巖溫度的影響一致，有顯著影響的時限不超過1Ma.

4 侵入體對烴源巖有機質成熟度的影響

火成巖的異常熱作用對烴源巖的影響主要表現(xiàn)在使鏡質體反射率出現(xiàn)異常，使有機質成熟度增加，促使烴類的成熟、生成及排出.其影響程度與烴源巖距火成巖體的遠近和火成巖體的規(guī)模有關［40－42］.

本文以崖城組烴源巖為例，分析不同規(guī)模侵入體對距其不同距離處有機質成熟度的影響，基底熱流來自基于過長昌凹陷地震測線的構造熱演化計算結果［43］，在此基礎上，根據前述侵入體對熱流的影響和持續(xù)時間，將其所產生的熱作用折算成等效附加大地熱流，定量分析侵入體對人工井烴源層有機質成熟度Ro的影響.圖6、7、8分別表示不同熱史（考慮與不考慮侵入體對熱流的影響）正演得到的距三個侵入體2km、5km處人工井崖城組烴源巖有機質成熟度史.可以明顯地看出，當受熱時間持續(xù)1Ma時，侵入體1短時間內對距其2km處崖城組烴源巖成熟度Ro的影響可達到1.1% （見圖6a），對距其5km處烴源巖成熟度Ro的影響很小，約為0.15% （見圖6b）；受熱時間持續(xù)1Ma時，侵入體2短時間內對距其2km處崖城組烴源巖成熟度Ro的影響可達到1.6%（見圖7a）；對距其5km處烴源巖成熟度Ro的影響為0.4%（見圖7b）；受熱時間持續(xù)1Ma時，侵入體3短時間內對距其2km處崖城組烴源巖成熟度Ro的影響為0.03%（見圖8a）；對距其5km處烴源巖成熟度Ro幾乎沒有影響（見圖8b）.總體說來，侵入體對烴源巖有機質成熟度的影響隨侵入體規(guī)模、距侵入體的距離等因素不同而不同，侵入體3由于規(guī)模小，所以對人工井烴源巖有機質成熟度Ro的影響微弱.

5 討論與結論

關于巖漿侵入體對盆地熱演化及生烴影響的論述很多，但大多數(shù)只是從定性的角度討論，定量化較少［44－47］.張健等［1］根據中國北方沉積盆地 中巖漿 侵入的一般特點，利用二維有限單元法計算了巖漿侵入體對沉積盆地溫度結構的影響和對烴類成熟度的影響，得出幾公里大小的侵入體熱影響可以在時間上持續(xù)數(shù)百萬年，在空間上擴散至十幾公里.范桃園等［36］將該方法用于模擬美國某盆地尺度約為3～4km的分侵入體對盆地熱演化的影響，得出的結論為在巖漿侵入以后，最初約0.4百萬年內，巖漿周圍一定范圍（大約5km內）的巖石受到巖漿所釋放熱的顯著影響.隨著時間的演化，影響范圍逐漸擴大，同時影響程度卻逐漸降低.楊樹春等［27］也用此方法分析了潮汕坳陷火成巖侵入體的影響，并認為研究區(qū)侵入體對烴源巖成熟度影響微弱.本文的模擬結果總體上符合前人的結論，只是根據研究區(qū)的情況不同，影響的時限、空間上有所不同.由于資料有限，本次模擬過程中，只考慮了巖漿的熱傳導過程，而未能考慮巖漿侵入過程中的熱流體活動的影響［48－49］.長昌凹陷的勘探開發(fā)還處于空白狀態(tài)，區(qū)內實際鉆井資料缺乏，隨著今后實測烴源巖有機質成熟度Ro等資料的豐富，本次的模擬結果將會得到更進一步的證明與完善.

圖6 距侵入體（1）2km處（a）和距侵入體（1）5km處（b）人工井的熱史及崖城組烴源巖有機質成熟度史Ⅰ－背景熱史；Ⅱ－考慮火山影響的熱史；1－崖城組烴源巖基于區(qū)域背景熱史計算所得有機質成熟度史；2－崖城組烴源巖基于受侵入體（1）影響熱史計算所得有機質成熟度史.Fig.6 Thermal history and organic maturity for artificial wells（a）2km away from igneous intrusion No.1and（b）5km away from igneous intrusion No.1Ⅰ－Background thermal history；Ⅱ－Thermal history for artificial well 2km away from intrusion No.1；1－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on the background thermal history；2－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on thermal history influenced by intrusion No.1.

目前，幾乎沒有關于長昌凹陷侵入體的報道，本文根據最新的地震解釋成果、熱物性資料，利用二維有限元法計算了火成巖侵入體對凹陷區(qū)域溫度場與熱流史的影響，并進一步結合Easy%Ro模型探討了侵入體熱效應對烴源巖成熟度史的影響（以崖城組為例），得出以下幾點認識：

（1）侵入后1Ma以內，侵入體溫度迅速下降；2Ma以后，侵入體對溫度場的影響微弱，5Ma以后幾乎沒有影響，10Ma以后，侵入體溫度與圍巖溫度一致.侵入體對熱流的影響與對溫度的影響一致，有明顯影響的時限不超過1Ma，距侵入體2km處人工井的熱流值增加5～25mW／m2.

（2）侵入體不同深度冷卻速率不相同，隨著深度的增加，侵入體對圍巖溫度的影響程度減小，但持續(xù)時間較長.

（3）研究區(qū)內侵入體對烴源巖有機質成熟度的影響隨侵入體的規(guī)模、距侵入體的距離不同而不同.當受熱時間持續(xù)1Ma，侵入體1、2短時間內對距其2km處崖城組烴源巖成熟度Ro的影響明顯，最高可使Ro值增加1.6%，對距其5km處崖城組烴源巖成熟度Ro的影響為0.4%.而侵入體3由于規(guī)模較小，對烴源巖成熟度的影響微弱.

本文在評價侵入體對溫度場、熱演化、烴源巖有機質成熟度影響的時候，重點在于考慮單個火成巖侵入體的影響.如果區(qū)域內侵入體分布密集，某些位置可能會受到多個侵入體的共同影響（見圖5中熱流雙峰），在評價侵入體對整個區(qū)域的影響時則需根據具體的地質情況、侵入體的具體規(guī)模和位置等因素綜合考慮.

圖7 距侵入體（2）2km處（a）和距侵入體（2）5km處（b）人工井的熱史及崖城組烴源巖有機質成熟度史Ⅰ－背景熱史；Ⅱ－考慮火山影響的熱史；1－崖城組烴源巖基于區(qū)域背景熱史計算所得有機質成熟度史；2－崖城組烴源巖基于受侵入體（2）影響熱史計算所得有機質成熟度史.Fig.7 Thermal history and organic maturity for artificial wells（a）2km away from igneous intrusion No.2and（b）5km away from igneous No.2Ⅰ－Background thermal history；Ⅱ－ Thermal history for artificial well 2km away from intrusion No.2；1－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on the background thermal history；2－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on thermal history influenced by intrusion No.2.

圖8 距侵入體（3）2km處（a）和距侵入體（3）5km處（b）人工井的熱史及崖城組烴源巖有機質成熟度史Ⅰ－背景熱史；Ⅱ－考慮火山影響的熱史；1－崖城組烴源巖基于區(qū)域背景熱史計算所得有機質成熟度史；2－崖城組烴源巖基于受侵入體（3）影響熱史計算所得有機質成熟度史.Fig.8 Thermal history and organic maturity for artificial wells（a）2km away from igneous intrusion No.3and（b）5km away from igneous intrusion No.3Ⅰ－Background thermal history；Ⅱ－ Thermal history for artificial well 2km away from intrusion No.2；1－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on the background thermal history；2－Organic maturity history of the Yacheng Formation based on thermal history influenced by intrusion No.3.

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