加拿大Beaufort-Mackenzie盆地中由区域温度场变化所探测到的烃类运移

1、加拿大Beaufort-Mackenzie盆地中由区域温度场变化所探测到的烃类运移作者：Zhuoheng Chen, Kirk G. Osadetz, Dale R. Issler, and Stephen E. Grasby译自：AAPG Bulletin，2008年11月92卷第12期：16391653摘要区域Beaufort-Mackenzie盆地温度场是利用来自于钻干测试和井底温度钻井记录的数据来表征的。我们发现了两种热异常，其中每个都与特定的地质环境有关。高温下可以观察到：（1）西部Beaufort海，其中后新生代的侵蚀剥蚀掉了始新世地层，且在一个共同的收缩构造环境中褶皱很常见；（2

2、）沿断裂带通过对流向上输送热量。我们观察了迅速沉降沉积中心的始新世和后始新世时低于一般水准的温度，伴随着低于3000米的超压（九千八百四十三英尺）开发.沿着东南裂谷边缘的较老的地层具有更为常见的热环境。从两图和横断面次异常高温的证据表明断裂带和主要区域含水层为流体从深部超压地带向上排出的提供方便。许多重大的石油发现，发生在发现有异常高温的地区，这表明油气运移沿同一流动网络发生。识别温度场异常可能因此成为一种有用的勘探技术。引言加拿大北部的上白垩纪，新生代博福特-麦肯齐盆地（BMB）系列是一个包含了全长超过14km（46，000ft）的三角洲及海相沉积的后裂谷盆地（Dixon等人），1992。

3、最近天然气和原油在北美和世界各地的需求增长，重新引发了人们对BMB地区的石油资源的研究的兴趣（图1）（Bergquist等，2003）。这促使了对区域油气远景的重新评估。作为这一工作的一部分，我们研究了盆地内的温度场。盆地热历史和地热结构是盆地分析的基本要素，在石油勘探中也同样主要（例如， Barker， 1996；Makhous 和 Galushkin， 2005）。热结构主要由深部热通量，盆地热传导性，以及有关的浅边界条件（即多年冻土表面温度或基地）的控制。然而，短暂的地质事件和过程，如剥蚀和流体流动，可以显著改变热结构。先前对BMB的热历史和温度环境的研究包括一些海滨油井的热模拟（Iss

4、ler 和 Snowdon，1990；White 和 Issler，1995）， 热梯度和热流研究（Majorowicz 和Dietrich，1989； Majorowicz 等，1996），及有机热成熟度的研究（Goodarzi， 1996； Stasiuk 等，2005）。近地表温度场和历史的古温度被检验作为多年冻土研究的一部分（Allen 等，1988）。等成熟线轮廓显示它横切岩石地层界线（Goodarzi，1996），可能是热流的变化和埋藏及暴露历史的结果。滨岸地区潜图1.（一）研究区位置图显示出一般的结构特征。ELFZ = Eskimo湖断裂带；TFZ = Taglu断裂带；TAFZ

5、 = Tarsiut-Amauligak断裂带；WBTF = 西Beaufort断层正面；BMTL = Beaufort-Mackenzie构造。黑色的虚线指示组b的位置。组b是一个地质剖面（经Dixon等人修改，1985）。Fish R. = Fish 河；Mackenzie B. = Mackenzie 湾; ；Pz =古生代；uK = 上白垩纪； IK-J = 下白垩纪到整个侏罗纪；SL =海平面。将组a看做剖面位置。BMB在索引图中用红色框表示。在烃源岩的热模拟显示在较高的5000 m（16,400 ft）处迅速掩埋的新生代沉积物具有较低的有机质成熟度，还表明许多典型的沉积盆地由于沉积

6、时间不足，生油窗可能发生在高于100 -140oC温度的门槛值处（Issler 和 Snowdon， 1990）。测量温度和镜质体反射率数据的比较表明，剥蚀可能已经对观察到的成熟模式起到了比对热流量变化更大的影响（Majorowicz和Dietrich，1989）。图2.简化的BMB地层列指示了有重大石油发现的主要区域含水层和地区（由Lane and Dietrich，1995年修改）。凡Taglu和Aklak序列是未分开的地方，就用Reindeer超级层序这个名字。 CK. = 小溪；SEQ. = 层序。在BMB的一些重大发现的空间分布分析表明了与某些地质特征，特别是区域断裂带的发现一致。例

7、如，在Tarsiut - Amauligak断裂带（TAFZ）勘探钻井已有超过50的成功 ，远远高于其他地区（Dixon 等.，1994）。靠近断裂带的地质条件，在这个盆地中显然比其他地区更有利。为了提高我们关于更好的石油潜力评估的石油产生的地质控制的理解，一个盆地规模的水动力条件的研究着重强调研究盆地流体流动方式及他们与油气聚集的关系。这篇文章着重研究水动力条件对盆地热结构的影响和显示我们对空间温度场的变化的解释并讨论了温度分布的主控条件和石油 生成的相关推论。我们认识到现在的温度条件可能不代表原来石油生成相关的古地热条件。但是，温度指纹可以为盆地构造和区域流动系统提供指示，这些是了解石油来

8、源与成藏之间的联系的关键。地质背景该BMB地区（图1）呈现出复杂的演变，开始于古生代最开放的海洋环境，随即是一个侏罗纪到早白垩世的裂谷漂移系统（Dixon 等，1994）。上白垩纪新生代BMB（图2）由褶皱和超过厚度14km（8.6ft）的断裂三角洲复合体组成（Lane 和 Dietrich，1995）。区域地质背景和石油活动类型被Young等（1976），Dixon 等（1985，1994）， Lane 和Dietrich（1995），以及 Dixon （1996）等人很好的记录了。石油地质的许多方面以前已经讨论过了。（例如，Snowdon，1988； Enachescu，1990； Iss

9、ler和Snowdon，1990； Issler，1992； Dixon等， 1994； Bloch和Issler，1996；Dixon，1996；Snowdon 等，2004；Chen等，2007）。盆地构造在区域尺度已经研究的很好了（例如，Lane 和Dietrich， 1995； Embry，1998； Lane，1998，2002）。Lane 和 Dietrich（1995）绘制了BMB中的一些断裂带，其中四个对于这次的研究特别重要（图1）。 Eskimo湖断裂带（ELFZ），明显的从东北到西北，代表着侏罗纪至早白垩世裂谷系的东南缘。平行于该ELFZ的Taglu 断裂带（TFZ），控制

10、着晚白垩世至Mackenzie三角洲的第三纪沉积中心。东北方向延伸的TAFZ，限定了后中新世沉积的中心的南部边界。位于西Beaufort 海洋的冲断层前缘（WBTF），平行于西南海岸，界定了盆地中逆冲断层变形收缩变形线。我们认识到一个复合的构造单元或区域，由不同的地质和地球物理异常所定义，并由从西部主要的收缩构造环境到中央三角洲的铲状断裂带的伸展环境的过渡带所标志。此地带平行于位于西南滨海地区的冲断带前缘，或许代表了由Lane（2002）定义加拿大盆地的Beaufort断裂带的南部延伸。我们将此区域看做Beaufort-Mackenzie棋盘格式构造（BMTL）。BMTL的滨岸延伸能够由地震反

11、映出的断裂段和褶皱来追踪。四个主要的断裂带和BMTL定义了盆地的四个构造域（图3）。区域（D-）是盆地边缘，在那里沉积物沉积在侏罗纪白垩纪断陷或者是盆地南部更老的系统，在那沉积物已经被大量侵蚀。区域（D-）是Mackenzie三角洲的核心，在那里主要是铲式断层和翻转褶皱。区域（D-）是研究区的北部，那里盆地充填主要发生在中新世且页岩核心背斜、底辟很常见。区域（D-）覆盖了Beaufort海域的西南部，此处上早白垩统第三系层序的结构体系是一个始新世前路盆地复杂化的被动陆缘，包括逆冲和严重侵蚀的褶皱。数据分析和结果数据来源到二零零六年，在研究地区钻了268 井和来自251井数据被公开使。这项研究基

12、于176口井的DST、RFT测试，及238口井的井底温度（BHT）、 92口井的镜质组反射率测量、251口井的数字测井的结果的综合数据体。这项研究使用1243个温度数据点，589个属于DST/RFT 温度测量，654个是用 Horner 图表更正从图3. BMB的各个域名，D-I =盆地边缘区域；D-II =铲式断层区域；D-III =页岩核心背斜区域； D-IV =西Beaufort收缩复杂区域。在图7指出来了温度剖面所在位置。标点表明了井的位置，虚线是各种断层。BHT 测量的真实温度估计出来的（Dowdle 和 Cobb，1975）。Issler（印刷中）等提供了关于温度数据更正及质量评估

13、的探讨。所有温度数据都用于确定区域平均温度深度趋势（图4a），因为较低质量数据的排除仅仅增加了1%相关系数的线性回归。浅层温度测量结果是从1955年到1980年的加拿大地热采集项目中得到的（Judge 等，1981）。因为冰饱和多孔介质比水饱和多孔区间具有高得多的声波速度，多年冻土的基础是地质测井上一个明确的界限。冻土地带的推断基础，假定为00C，作为一个附加的温度约束使用（Issler 等，出版中）。从过去75在Inuvik station 的气候记录（来自加拿大环境， 2003）显示一年平均的气温为-90C ，这表明多年冻土的推断基础和地表之间的温度不大于0oC 。在温度测绘之前，将每口井

14、中温度数据，以及冰负荷冻土的推断基础与深度对应标绘可任意确保数据质量；很明显，低质量的数据被移除以避免曲解温度趋势。井数据及地层界限来自于加拿大的卡尔加里地质调查基础上的内部井数据。垂直温度分布图4.（a）来自于完整的数据组的温度分布，显示它适合一个线性模型。 （b）来自D-II and D-IV.的温度分布的比较。D-IV的平均温度与D -相比约高20oC。C组作为在组b和a中使用的井的位置。DST =钻干试验；BHT =井底温度。温度数据显示与深度成一般线性趋势，但具有较大变化（图4a）。一个线性拟合给出了25.7C/km （7.8C/1000 ft）的地热梯度，这里作为盆地正常的梯度使用

15、。尽管观察到了较高的相关系数0.94，这种广义的线性模型并不能帮助我们理解的温度场的空间变化或起到深度功能观测温度变化。整个研究区，共认识到了三种典型的温度分布，每一种都与一种特定的地质域相关联。例如，由在 D-IV一个给定的深度（-20C，图 4b中红色正方形）上以高于平均温度为特点的一个较高的温度分布，可能反映收缩构造以及后始新世隆起的影响。相比之下，在 D- II，低于正常温度（图 4b中的绿色正方形）可能反映后裂谷高沉积速率。在大部分的D-I发现了接近于平均值的地热分布，D-III的地热分布与D-I的类似。 图5.不同深度的温度等值线图：(a) 1000 m (3280 ft), (b

16、) 2000 m (6561 ft), and (c) 3000 m(9843 ft). 这些油气发现的轮廓与温度图(c)重叠，说明异常温度和油气聚集之间的空间关系。ELFZ = Eskimo湖断裂带；TFZ = Taglu断裂带；TAFZ = Tarsiut-Amauligak断裂带；WBTF = 西Beaufort断层正面；BMTL = Beaufort-Mackenzie构造。 2000米深 处（6600 ft）的温度场在2000米（6600 ft）处，D-IV高温区域的范围缩小了，且它主要是限于WBTF和BMTL（图5b）之间的地区。这种温度异常大约与Reindeer地层的地下露头带相

17、一致（Dixon等，1994，他们的图65、66）。 D-I的高温异常区域仍然与在较浅深度区间所观察到的一样，像上文描述的那样。D-I内部， Tukto -yaktuk半岛中北部（图 1）的高温地带与包含有震级达 4.36.5 的事件的地震活动群相一致。3000米深 处（6600 英尺） 的温度场 在3000 m（9843 ft）处，高温区域变得更限于临近主要断层带的地区，例如，ELFZ、TFZ的南部的部分和TAFZ附近。这种异常高温的线性特征也是由对临近断层的温度截面剖面图（图7a-f）上的众多高温异常所指示的。这些线性高温异常在较浅的深度上并不明显，因为许多铲式正断层都被上新世沉积物所覆盖

18、。这些高温异常也被观察到与页岩核的底辟有关，且被近似的解释为构造高点。这种情形特别存在于WBTF和BMTL之间的D-IV及D-III西边，在那里收缩构造也很重要。异常地低温区域与浅深度地图比较在特征或范围上上显示出较小变化。图6.等温图：（a）0oC，相当于多年冻土区的基础；（b）30oC；（c）60 oC。深度是距离地面的米数。在米地面，在一个低地势地区，临近海平面。 ELFZ = Eskimo湖断裂带；TFZ = Taglu断裂带；TAFZ = Tarsiut-Amauligak断裂带；WBTF = 西Beaufort断层正面；BMTL = Beaufort-Mackenzie构造。等温图

19、另一种研究温度深度关系的方法来是将深度映射到一个固定的温度。这些等温图也可以显示出重要区域地质变化（图6）。D-II 和 D-III的厚的冻土区是由在西南的BMTL 和在东南的ELFZ所界定的（图6a），且与区域低温异常有关。对应30C的深度从BMB西南低于500 米（1640 ft）到在其北部高于2200m （7220 ft）的范围。对应30C温度的最浅深度范围在 D-IV和毗邻海岸地区，以及ELFZ南部的D-I断陷边缘（图6b）。50C的深度（图6c）在3000 m（9843ft）处（图5c）显示出相似的温度变化模式。最浅深度出现于D-IV并且局限于在BMTL和WBTF之间，在东南方向沿着

20、ELFZ， Taglu断裂的南部的部分和大多数Tarsiut-Amauligak断层的大部分（图6c）。 温度剖面沿着地层边界的显示垂直温度剖面的六个横截面被构建来说明温度与主要地质特点的关系（图7）。一般来说， 等温线穿过地层界限，但是在厚的第三纪层序保存良好的地方温度会降低（图7ae）。向西在BMTL附近，温度升高（图7ac）。在温度截面上存在许多高温羽毛线，这些大部分与断裂带有关。气温可以在很短的距离显著变化，例如，Toapolok的H24井和Ya Ya P53井井间（图7井87和井46）。高温羽线在D-II中孤立的高点以及高幅度背斜上也可以观察到（例如，图7b中的井70），上面的小断层

21、和断裂系统通常可以从地震数据中观察到（例如， Elsley 和 Graham， 2006）。有意思的是，深部高温异常也与地表湖泊一致（例如，Parsons D-20；图7c井127），说明有些湖泊也许与表面的断层或者断裂带有关，这些断层或断裂带可能对于上涌的更深更温暖的盆地流体起一个出口作用。虽然在这项研究中的温度数据不能证明两者之间的关系，从最近的Beaufort海的滨海地区的pingolike结构的研究模型支持了我们的解释（Paull 等，2007）。在一些湖泊的里面，天然气渗入的出现也支持了这一点，在秋天和春天，当水被由覆盖在湖面的冰的异常结冰和解冻造成的气体上升所鼓动时，这种现象更明显

22、。在这些湖泊（例如， Parsons 湖）之下的热岩溶是由与未冻结的湖水相关的热边界湖所造成，还是由于温暖的水沿断裂破碎带上升所造成的，还要进一步调查。讨论上面的描述提供了当前BMB温度场的概貌。在D-2和D-低温异常都与第三纪沉积中心，特别是始新世，渐新世有关，这个时期一个迅速下沉的厚的超级古沉积记录被很好的保存了。这些低温异常的形状和大小至少离表面3000 m （9843 ft）的地方看上去是大致相同的，指示了在过去几百万年间被动边缘的稳定的地质环境。高温异常的形状和大小与随深度变化。这些异常显示了较浅深度的的最大区域范围。随着深度的增加，他们变得更为有限，与活动断层带、区域构造高点、背斜

23、更紧密相关。这表明，构造是控制BMB热结构的重要因素。最明显的指标是在西部Beaufort海与后中新世收缩构造有关的地层温度的升高，这些构造包括冲断或褶皱和随后的剥蚀。这伴随着向北和向东中新世沉积中心的迁移。尽管在 D-II 图7. 温度横截面。图3为截面的位置。各个界面上的井号。彩色表示地层的接触。等高线的生成使用了Matlab1线性推断算法。ELFZ = Eskimo湖断裂带；TFZ = Taglu断裂带；TAFZ = Tarsiut-Amauligak断裂带；WBTF = 西Beaufort断层正面；BMTL = Beaufort-Mackenzie构造。M. Bay = Mackenz

24、ie湾；U. Cret. =上白垩纪；L. Cret. = 下白垩纪；L. Cret.-J =下白垩纪到整个侏罗纪；uK =上白垩纪；L. K = 下白垩纪；Mz = 中生代.。和D-IV 的第三纪层序的数据的线性特点给出了相似的温度差，非线性特点显示了温度随深度变化的不同特征（图4b）。D-IV区域的温度曲线图显示出一个凸面形状和在D-II的显示出凹面形状。凸状的温度分布通常发生在与对流热流量相关的区域（Allen，2005）。DIV的绝对温度比在D-的要高20（图4b）。收缩构造的作用导致了研究区的西部和南部盆地规模的抬升，并形成了向东的倾角。该区域Taglu和Aklak地层的厚的三角洲含

25、水层成了温暖流体排除的导管，它起源于深部超压的D-II沉积中心，迁移志西部Beaufort海。其次，被西部波弗特海古被动边缘的正断层反转的收缩构造，导致了页岩芯背斜或底辟的形成。沿着相关断裂体系的深部流体的垂直运动增加了局部地层的温度。这种由平流热输送造成的温度的升高，仅限于该地区到WBTF的东部。西部的WBTF的逆冲断层的，和更老更致密的沉积物，形成了阻挡侧向流体运移的屏障（图7a，b，d）。这说明了D-IV中不同深度的热异常区域范围的差异。另一种高温型异常在地图视图作为线性温度趋势出现，这些趋势在空间上与主要断裂带（图5c，图6c）相关联。尽管断层可能是流体穿过断层面运移的有效阻碍，故障可

26、有效流体流动的障碍跨越断层面上，相关的断裂带常形成平行于断层德高渗透性通道（Caine 等，1996）。新生代沉积岩可经由沿D-I的断陷边缘的东南沿海的高角度正断层与中生代和古生代地层连接（图7d，e）。在ELFZ的线性高温异常可能是来自于超压下第三系及Kugmallit Trough较老层序的深部温暖流体的证据（图1）。尽管D-II中开发的超压系统发生在Taglu层序由Richards层序封盖，由于Mackenzie湾和Akpak序列提供的地层封盖，在D -内开发了Kugmallit超压系统（Chen等，出版中）。.TAFZ和TFZ分别形成了两个超压沉积中心的南部和东南界限。这些断层都与超压

27、中心直接连接（Chen等，出版中）。沿TAFZ和TFZ的线性高温异常表明，他们已经称为了垂直运移的热流体的轨迹（图5C；图6C；图7b，d，c）。这也与来自地层水的地球化学证据是一致的（Grasby等，出版中）。温度降低在地质上与始新世，渐新世和超中新世沉积中心相一致，它们本身是由区域断层和构造轮廓线所界定的（图5，图6）。尽管地层年代不同，在D-II和D-III的始新世和超级始新世沉积中心在3000 m （9843 ft）以下都显示出超压现象（Chen等，出版中）。在D -的Richards序列和D -的Akpak和Mackenzie湾序列，作为超压流体的顶盖层细粒沉积岩石 局限于Taglu和Kugmallit蓄水层，防止深部热流体直接垂直运移（Chen等，出版中； Grasby 等， 出版中）。在沉积中心的细颗粒的页岩和泥石具有相对低导热性（Blackwell和 Steele，1988）。此外，弱透水层以下的含水层由于超压更具渗透性，从而与同一深度的正常压实沉积