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周中毅与沉积盆地古地温研究

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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周中毅与沉积盆地古地温研究周中毅,现任中国科学院地球化学研究所(广州)研究员。湖南省益阳市人,1934 年10 月生。1956 年毕业于北京地质学院,至 1966 年在中国科学院地质研究所从事沉积矿产的形成与分布规律研究。1966 年调入地球化学研究所从事有机地球化学、石油与天然气的成因及评价研究。近十余年来,全力投入新疆油气盆地的评价工作。他和他领导的新疆油气地化研究组多次获中科院及国家的奖励,例如, “准噶尔盆地形成演化与油气形成”获国家科技进步二等奖(1987) ;“塔里木古地温与油气”获中科院自然科学一等奖(1992) 。许多沉积矿产的形成与分布均受控于沉积盆地的古地温。石油成因研究及勘探实践证明,地温是控制油气生成和聚集的重要因素之一。根据干酪根热降解成油理论,石油是沉积物中不溶有机质——干酪根在一定热力作用下降解的产物。油气勘探已证明,大多数工业油气藏就是以这种方式形成的。一般情况下,干酪根在 60~150℃范围内生成石油。若地温太低,干酪根不能转化成石油;若地温过高,石油被热裂解成天然气。由于地温是随盆地的演化而变化的,盆地形成越早,演化史越复杂,现今地温与古地温相差越大。因此,古地温的研究资料已成为寻找工业油气藏的重要依据。古地温对层控矿床的形成有明显的控制作用,对活泼金属层控矿床的形成与分布的控制作用更加明显。通过古地温研究确定大地热流值及其演化过程是认识盆地形成和演化的重要依据,并可为地质学及地球物理学等有关学科提供基础资料。沉积盆地古地温是一个复杂的地质问题,很难通过纯粹的理论推导建立一个确定的数学模型。受地质作用的复杂性所制约,大多数确定古地温的方法都有两个方面的特点:要有一定的理论依据;更必须依赖大量实际资料的类比与综合。这些特点都离不开地质概念及地质思维方法,同时也必须以一般的科学原理为基础。许多方法依据的原理是化学反应动力学,往往通过实验来建立有关的反应参数。而模拟实验都是在高温短时间内完成的,实验结果能否推广到相对低温作用而时间漫长的地质过程中去?况且人们对许多地质过程中的化学反应并不清楚,但可肯定至少不是一步完成的简单反应,而是多种多步反应的综合结果。因此,建立一种古地温测定方法必须以一系列标准地质剖面或深钻井的系统测试数据为基础。周中毅和他的学生潘长春等以国外近年来在这方面的研究成果为基础,应用多种古地温测定方法,对几个大型沉积盆地的一系列深探井进行了综合对比研究,确立了五种比较有效的方法。这五种方法是:(1)镜质体反射率 R°及其它有机质成熟度指标(固体沥青反射率、甲基菲指数等) ;(2)自生成岩矿物;(3)矿物流体包裹体;(4)矿物裂变径迹;(5)牙形石色变指数。  应用上述五种方法研究了准噶尔盆地、塔里木盆地和黄骅坳陷为代表的我国东西部中、新生代盆地的古地温,并对盆地主要生油层的热演化阶段和生油期进行了推算和预测。一、塔里木盆地早在 1982 年,通过对塔里木盆地西部石炭系地层古地温地质模式研究,周中毅提出了塔里木盆地古地温梯度偏低,古生代地温梯度仅为 3℃/右,据此推算的石炭系生油层生油高峰在 5000~6000m,应在塔里木盆地深部找油找气的观点。这一观点为后来的勘探实践所证实。近几年来,通过测定固体沥青反射率、干酪根无定形基质反射率及生物标志化合物参数,确定了塔北和塔中地区下古生界寒武系和奥陶系生油层的成熟度,结合包裹体测温、裂变径迹分析和牙形石颜色资料,对塔里木盆地古地温演化有了较为明确的认识。塔里木盆地古生代和中、新生代地温梯度都是偏低的。古生代地温梯度约为 ℃/生代为 地温梯度为 2℃/右。据此对塔里木北部海相生油层寒武系和奥陶系热演化阶段和生油期进行推算和预测;满加尔凹陷西部这套生油层系生油期为奥陶纪直至新生代,持续时间很长;而塔北坳陷东部则为奥陶纪至石炭纪,生油结束比较早。塔中隆起区这套生油层的生油期为志留纪至今,奥陶系上部生油层现今仍处于生油后期阶段。世界大多数油气盆地生油的深度区间是在 2500~4500m。塔里木盆地的海相生油层寒武系(∈)及奥陶系(O)大多埋深在 5000m 以下,它们生成的石油能否保存至今是本区找油工作中最提心的问题。周中毅等在 1990 年制作的生油门限深度及生油期展布图消除了这个问题。在确定了古地温梯度及其演变后,用古地温地质模式推算出的结果表明,奥陶系(O)生油的深度是 2800~ 6000m,生油时期是从距今 4 亿年至 1500 万年。塔里木盆地中部及北部分别在 年及 年就已成为古隆起,可以捕集到奥陶系在地质历史时期中(晚古生代至新生代)所生成的大部分石油。这些认识为塔里木找到海相大油气田提供了理论依据。二、准噶尔盆地早在 1983 年,周中毅通过对二叠纪生油层古地温地质模式的研究,认为晚古生代古地温梯度较高,在 4℃/上,随后逐渐降低,现地温梯度仅为 2℃/在此基础上推算二叠纪过成热生油层的生油期为三叠纪和侏罗纪。而此时克—乌断裂带已成为构造高位,产出的油可运移、聚集至断裂带保留下来。近几年通过用磷灰石裂变径迹、镜质体反射率拟合计算及流体包裹体测温等方法的研究,确定准噶尔盆地玛湖坳陷古地温梯度演化模式为:晚二叠世为 三叠纪为 4~罗纪为 ℃/垩纪为 生代为 2~准噶尔盆地东部坳陷的古地温梯度比玛湖坳陷还高,石炭纪为 二叠纪为 ℃/垩纪和新生代为 由于准噶尔盆地东部地壳有两次抬升,推算东部坳陷二叠纪生油层的生油期为早第三纪。裂变径迹研究表明,玛湖坳陷上二叠统生油层在侏罗纪时达到最高古地温,然后逐渐降低,这套生油层主要生油期为侏罗纪。在侏罗纪后断裂带主要聚油层的古地温低于 110℃,使油藏可以保存至今。按照一般的油气盆地评价方法,只用现今处于生油窗内的生油岩能生成的石油来估算资源量。克拉玛依油田用这种方法所计算出的资源量比已开采的石油量还少,这显然是不正确的。用古地温地质模式方法评价得出的是另外一种前景。克拉玛依东侧的玛湖凹陷内有巨量的已过成熟的二叠纪(P)生油层,由于古地温梯度较高,它们在中生代(三叠纪及侏罗纪)所生成的石油均可储集在克—乌断裂带上。克拉玛依油田是 1955 年新中国发现的第一个大油田,虽已开采 30 余年了,但近年来储量及产量仍在逐年增长。古地温研究为开拓克拉玛依的找油前景提供了新的线索。三、渤海湾中、新生代盆地用镜质体反射率古地温拟合计算、粘土矿物、包裹体测温及裂变径迹等方法研究盆地古地温的结果表明:(1)古地温梯度从盆地形成早期至晚期是逐渐降低的,从 6℃/至 3℃/2)由于沉降速率大,因而使地层增温速率大,受热时间短,现今地温为地层经历的最高古地温;(3)某些凹陷生油层有机质丰度高,类型好,使镜质体反射率等成熟度指标偏低,造成古地温梯度偏低的假象。此外,还详细讨论了古地温—流体压力对生油层生油和排烃的影响。这些讨论有助于深入认识本区油气的聚集过程。四、南方残留型小盆地这类盆地是第三纪早期断陷形成的小盆地,在喜山运动时期抬升,经受了不同程度的剥蚀,属于残留盆地。用镜质体反射率及拟合计算推算了该盆地的古地温,第三系下部那读组(古地温梯度为 右,百岗组(古地温梯度为 右。我国南方广泛发育着这类残留型新生代盆地,恢复它们的古地温及剥蚀厚度,有助于推算盆地内生油层的生油期及资源量,对油气勘探有一定的指导作用。盆地的类型不同,发展阶段不同,构造部位不同,岩性及流体流动状况不同都可明显地影响地温。认识这些因素有助于更精细地研究古地温的变化,从而指导资源勘探。周中毅等从许多研究实例中归纳出以下四个方面:1.大地构造性质及发展阶段当洋底拉张盆地形成的开始阶段,古地温梯度可高达 8℃/上,以后逐渐降低。裂谷盆地形成的开始阶段,古地温梯度可达 6℃/造活动(断裂作用)及岩浆或火山作用强烈的时期,古地温梯度可达 5℃/上。稳定地台区的古地温梯度大多在 3℃/古老地台上新产生的裂谷盆地,其后期的地温梯度(裂谷期)比前期(古地台期)的古地温梯度高。2.局部构造在高凸起、古潜山及断层附近往往形成地温异常,在深凹陷部位为低地温区。高地温异常区往往与油气聚集区一致。3.岩石热导率地温梯度与地热流成正比,与岩石热导率成反比。在同一地区或同一钻井中,由于岩性不同,可导致地温梯度出现明显的差异。白云岩及膏盐层的地温梯度不到泥质岩层的地温梯度的 1/3。当岩石孔隙度较大,渗透性高,流体在其中流动时,其热导率显著增高。由十分致密的结晶矿物组成的盆地基底,其热导率也较高,可把深部的地热传导上来,促使隆起区沉积盖层的地温升高。4.液流流体在地层中流动对地温有两种不同的影响。由深部上升的热液(水或油气)可以提高地温。冀中牛驼镇凸起震旦系白云岩地层是一个纵横串通的连通体,深部高温热水向上流动,使上覆的第三纪地层的地温梯度高达 7℃/拉玛依油田八区,由于断裂发育及地下深处原油的不断补给,这个采油区的地温梯度也略高些。高地温异常是油气聚集区的标志之一。液流对地温也有降温作用。渤海湾盆地的太行山前一带,由于地表水沿沙河阶地层侧向下渗,使徐水、保定等凹陷的地温偏低。准噶尔盆地陆梁古隆起区,也由于地表水长期下渗而降低了该区的古地温。近年来,从塔里木等西部油气的研究结果认识到古地温研究工作还应考虑压力因素。生油层生油气后形成局部异常高压,盆地深部的生油层也是处在高压之下,在高压条件下有机质的成熟作用受到抑制。用有机质成熟度指标恢复古地温时,应考虑这种抑制作用。周中毅等人在沉积盆地古地温研究方面所取得的成果,在我国的资源勘探中发挥了较大的作用。这个课题获得国家自然科学基金的资助,已出版了我国在这方面的第一本专著。作为油气评价的国家攻关课题的内容之一,沉积盆地古地温研究正在进一步发展与深化,为油气勘探提供更多更好的信息。(范善发 撰文)主要论著1 范善发,周中毅,潘长春等.塔里木古地温与油气.科学出版社,19902 周中毅,刘德汉,盛国英.新疆某地区古地温地质模式与生油期推断.沉积学报,1983,1(2)3 周中毅,盛国英.塔里木盆地古地温与深部找油(气)前景.地球化学,1985(3)4 周中毅,盛国英,沈汝浪等.准噶尔盆地石油地球化学研究.科学出版社,19895 周中毅,潘长春等.沉积盆地古地温测定方法及其应用.广东科技出版社,19926 潘长春,周中毅,王庆隆.利用磷灰石裂变径迹研究准噶尔盆地热史.石油天然气地质,1989,10(1)7 潘长春,周中毅.流体包裹体在准噶尔盆地油气资源主体中的应用.石油实验地质,1990,12(4)  附:沉积盆地古地温的基础知识1.沉积盆地是地球表面的负向地貌单元,包括湖泊、海洋及陆地上山间或山前的凹陷区这些盆地在地质历史上曾经下沉并接受堆积物——沉积岩。沉积盆地中聚集了许多矿产,其中重要的有石油、天然气、煤、磷、铝等。促使这些矿产得以形成和聚集的重要因素之一是古地温。例如,石油是在 60~150℃的古地温条件下形成的。2.应用地质“温度计” 可以恢复沉积盆地的古地温沉积盆地在地质历史中经历的地温一般低于 200℃。地质科学中现在用以标定高温(高于 200℃)的温度计较多,它们对研究与寻找火成及变质矿产起了很大作用。用以标定低温的温度计还很少。由于沉积矿产的形成受温度变化的幅度不大,对低温地质温度计的要求较苛刻,要求它们准确而又十分灵敏,以反映温度的细微变化。因此,建立有效的低温地质温度计的难度较大,仍然是国内外正在研究的重大课题之一。到目前为止,已在几个方面取得了肯定的结果。3.利用有机质成熟度推算古地温有机质成熟度指标是指有机质热演化成熟作用程度的衡量标准,是以有机质各组分在热降解作用过程中其化学组成、结构和物理性质所发生的变化为基础建立的。各成熟度指标均以特定的化学动力学反应和温度相联系;不仅与生油层经历的最高温度有关,也与生油层的整个受热历史有关。镜质体反射率最早是用来标定煤的热演化阶段——煤阶的指标,70 年代初广泛用于生油层生油阶段的划分,此后成为应用最广泛、也被认为是最可靠的有机质成熟度指标。在一些海相地层和碳酸盐岩地层中,特别是在前志留纪地层(维管束植物出现以前沉积的地层)中镜质体稀少或不含镜质体,这时可采用固体沥青反射率来代替镜质体反射率评价生油层的成熟度。其它以各种有机组分光学性质为基础的成熟度指标还有:孢粉颜色指数(热变指数( ,生物碎屑反射率及干酪根无定形组分反射率等。以化学组成为基础的指标有:热解分析的最高热解峰温(生物标志化合物指标。用有机质成熟度指标,尤以镜质体反射率恢复古地温,进而推算石油生成过程,已在国内外普遍开展。国外的主要石油勘探公司均有专人从事这项工作。在实际应用中,仍在不断改进这种方法,提高其精度和应用范围。4.沉积自生矿物的成岩作用分带与古地温粘土矿物在沉积圈中分布非常广泛,是泥岩的主要组成矿物。研究粘土矿物的成岩变化对沉积岩学和石油地质学具有十分重要的意义。在 60 年代,美国学者 960) 、967) 、969) 、 972)等发现蒙脱石脱水转变成伊利石具有一定的埋藏范围,提出了蒙脱石—伊利石系列矿物可用作标定沉积岩成岩作用程度和古地温的指标。日本学者青柳宏一((1979) 、风间利荣((1980)和佐佐木诏雄((1982)等通过对日本新生代盆地粘土矿物和沸石类矿物成岩分带的研究,标定了自生矿物分带的温度,并据此推测盆地的古地温和地层剥蚀厚度。1993) ,用人工热模拟实验及几个沉积盆地泥岩中混合层粘土矿物结构的实际观测,已查明蒙脱石与伊利石混合层中伊利石所占百分含量的增长与古地温的对应关系。这项最新的研究把沉积自生矿物这一低温地质温度计更为精确化。5.用流体包裹体测定古地温流体包裹体是矿物结晶生长时,被包裹在矿物晶格的缺陷或窝穴内的那部分成矿流体。它至今尚保存在矿物中,并与主矿物(含有包裹体的矿物称为主矿物)有相界限。流体包裹体形成后,由于没有外来物质的加入和自身物质的流出,因而可作为原始的成矿流体进行研究。包裹体保留了成矿流体的成分、性质,可反映成矿时的物理化学条件,加之包裹体在矿物中普遍存在(不论是天然或是人工合成矿物均或多或少地含有包裹体) ,因而通过包裹体研究,可获得成矿时温度和压力等数据。流体包裹体由气、液两相组成,当人工加温使气相消失成为均一的液相的那一温度,就是这个包裹体形成的古地温。测定碳酸盐岩或砂岩胶结物中包裹体的均一化温度可以确定成岩古地温及古地温梯度,重建盆地的成岩作用及矿产形成的热历史。在沉积盆地的石油与天然气评价工作中,这一方法可以确定生油岩的古地温及油气演化程度,推断油气运移的时间、方向,指导油气的勘探。6.裂变径迹测定古地温一个重元素的原子核分裂为两个相似的碎片,同时放出大量能量。分裂出的碎片通过一种绝缘材料时,产生一个放射性损伤的狭窄痕迹,这种痕迹就是裂变径迹。磷灰石、锆石等矿物中普遍含有铀,铀的衰变可产生大量裂变径迹。在沉积岩中,裂变径迹的稳定性主要受控于地温。所有矿物中的裂变径迹均随温度增加而逐渐消失,随地温增加而消失的地温区间称之为退火带。一般情况下,磷灰石裂变径迹的退火带是 70~125℃,从 70℃开始减少,至 125℃完全消失。磷灰石裂变径迹的退火带与石油形成的地温区间近似,应用它可以确定生油层的古地温。近年来,国内外已积累了许多用磷灰石裂变径迹研究含油气盆地古地温的资料。磷灰石裂变径迹退火带地温区间的宽窄还受到沉积速率及受热时间的影响,只有综合研究沉积盆地的其它地质条件后,才可获得较为准确的古地温数据。应用电子计算机反演裂变径迹的热历史,可以获得更详细的古地温变化的信息。7.牙形石色变指数测定古地温牙形石是一种形体还不清楚的海相动物的硬质微体化石,广泛分布于寒武纪至二叠纪海相地层中,在海相碳酸盐岩里尤为丰富。牙形石具有演化快、分布广等特点,它的颜色可作为有机质成熟度和烃类相态的热力学指标,通过该指标可推算古地温。牙形石色变指数 是由美国地质学家 (1977)最先研究和提出的。他们通过对阿巴拉契亚盆地奥陶系—石炭系牙形石颜色的研究认为,牙形石的颜色变化直接与其埋深和持续的有效埋藏时间有关,并可与其它有机质成熟度指标对应。牙形石的加热实验表明:在受热的情况下牙形石颜色发生不可逆变化的内因在于,它的微细孔隙中所含的有机质发生碳化作用,导致其颜色随受热温度和时间的增加而相应地由原色(淡黄或浅琥珀色)变成褐色,以至黑色;在高温条件下,牙形石会褪色成乳白色及透明无色,其原因可能是固定碳挥发,结晶水析出和矿物重结晶。因此,牙形石的颜色变化反映了所经历的地温高低。受方法本身及地质条件、样品条件的限制,每一个方法都不可能是万能的,在实际应用中都会有其局限性。各种方法相互对比,相互验证与相互补充是完善沉积盆地古地温研究的必经之路。对一些地质历史比较复杂的盆地,用不同方法确定的古地温可能有一定的差距。因此,明确每一种方法测定古地温的含义显得很重要。如何解释每一种古地温数据?彼此之间的差距又说明了什么?又如何统一起来?这些问题只有通过对各种方法得到的结果综合分析才可解决,也只有在综合分析的基础上才可较真实地恢复沉积盆地的古地温及其热历史。地质科学是可变因素较多的科学,人们无法在实验室里完全再现古老的地质作用。恢复沉积盆地的古地温是一个复杂的命题,目前已取得了长足的进步,但仍然有许多问题尚待研究。其宜也。
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