鄂尔多斯盆地深部地壳结构的研究

鄂尔多斯盆地深部地壳结构的研究

鄂尔多斯盆地是中国乃至东南亚最稳定的构造单元之一。在如此稳定的盆地中,油气是如何生成、运移、成藏的,成了人们关注的热点。本文试图从盆地基底性质、基底断裂、深部流体、古地温、深部地壳构造等角度探讨盆地油气田的成因,并指出鄂尔多斯盆地寻找大油气田的方向。1基底断裂与成藏根据区域航磁资料和盆地周边地层的出露情况判断,本区最古老的基底地层可能相当于吕梁山一带出露的太古界、下元古界。在基底岩系之上,依次覆盖着长城系、蓟县系,青白口系缺失。到蓟县纪,盆地范围内的沉积全部变为稳定型。蓟县系主要是白云岩,含燧石条带,燧石团块,厚705~2243m.长城系为白色石英岩,下部夹紫红色页岩,厚14~428m.据航磁资料,鄂尔多斯盆地中央有一东西向的壳深大断裂,即大同-吴旗壳深大断裂带,它是一种变质杂岩体内的缝合线,属壳深大断裂性质。这种焊接缝合线,一侧以负磁场为主,另一侧以正磁场为主,这意味着基底岩相的差异有不同的构造环境。王同和等注意到,盆地内存在吴堡-绥德-子洲-靖边-定边-天池一线的东西向断裂构造带,它控制盆地地貌、沉积、构造及矿产,被简称为38°带。此带向东延伸到太原、石家庄,与郯庐断裂带相交。李思田等指出,被认为基底最稳定的鄂尔多斯盆地也已发现了基底中的北东向断裂,它们对盆地的沉降和岩相的分异起着控制作用。最近赵文智等依据航磁资料,注意到基底断裂对盆地、三叠系石油、上古生界天然气成藏的影响。潘爱芳等也强调了基底断裂与能源矿床的相互关系,并特别注意到深部流体与成藏的关系。方国庆等指出,鄂尔多斯盆地具有丰富的线性影像特征,线性断裂构造影像清晰,表明该盆地内部新构造活动较为显著,而盆地南部有一巨大的环形影像,这与传统的认识有所不同。这种基底断裂是地幔流体运移的通道,并可能对油气生成有重要意义。2奥陶纪膏盐及地下嫌犯(1)下奥陶统碳酸盐岩的白云石化鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组主体细晶白云岩,包裹体均一温度为104~355℃(未经校正),通常认为是深埋环境下的热水交代成因。但按该地区古地温梯度3.98℃/hm计算,104℃的温度相当于埋藏深度大约2600m;而355℃的温度则相当于埋藏8900m,这显然与当时的沉积环境相悖,这种中高温只能是源于深部地质流体的热液交代作用。鄂尔多斯盆地奥陶系的热液交代作用还有伊利石的K交代,部分则发生了蒙脱石化(Mg交代)。(2)盆地奥陶系的膏盐及地下卤水据陈郁华等报道,在陕北米脂、绥德、佳县一带奥陶系发现含钾石盐、光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)、钾铁盐(2KCl·NaCl·FeCl2),属世界罕见。因为在地质历史上奥陶纪不是一个成盐时代,奥陶纪膏盐总量只占所有地质年代的0.8%,且多数为石膏盆地,但鄂尔多斯盆地却堆积了大量盐类物质,而且是钾盐(KCl)、钾镁盐(光卤石)。马家沟组五段的地层水为CaCl2型,矿化度130~230g/L,Cl-含量83000~103000mg/L,最高达170g/L,比海水浓缩了8.8倍,Mg2+含量为1200~3390mg/L,NH4+含量为250mg/L,鄂尔多斯盆地白垩系上部也有石膏,上三叠统上部居民掘井汲取盐水(卤水)晒盐1)。盆地奥陶系广泛发育的膏盐(特别是钾盐)是地幔富碱流体交代作用的产物。(3)奥陶系储集层中的金属热液矿物在天然气钻探过程中,一些重要的金属热液矿物在奥陶系储集层中被发现,除了方解石、白云石、异型白云石外,还有黄铁矿、石英、萤石、方铅矿、闪锌矿等,并有碳质沥青,在盆地中下侏罗统包尔汉图群中发现有玄武岩、安山岩、凝灰岩。(4)生物礁在富平-陇县的渭北地区奥陶系发育较全,其中分布200km长的生物礁,生物礁位于中上奥陶统潮坪相中,而早奥陶世分布白云岩,这种呈东西向分布的生物礁及白云岩的分布,可能与断裂的分布有关,且是大型油气田储集的极好场所。(5)热事件裂变径迹、热释光、流体包裹体等方法的综合研究表明,在晚侏罗世至早白垩世,盆地曾广泛发生了构造热事件,并伴随有热液活动[15~17]。3中、下地壳结构及与震源的关系截至目前,共有3条地学断面和1条地震测深剖面通过鄂尔多斯盆地(图1),它们是江苏响水至内蒙古满都拉地学断面(包头-榆林段)(Ⅰ);上海奉贤至内蒙古阿拉善左旗地学断面(银川-临汾段)(Ⅱ);青海门源至福建宁德地学断面(西吉-渭南段)(Ⅲ)和青海玛沁-兰州-靖边剖面(Ⅳ),这些剖面揭示了深部构造特征。杨俊杰讨论了上述3条地学断面,认为鄂尔多斯盆地缺乏地幔上隆与中地壳低速层,因而石油是有机成因,而天然气可以有机-无机混合成因。同时他也感到困惑,鄂尔多斯盆地为什么有丰富的油气聚集。(1)响水-满都拉地学断面(榆林-包头段)包头-榆林段的深部地壳,按层速度vp可分为上、中、下3层(图2),上地壳的vp为5.6~6.4km/s;中地壳为6.1~6.2km/s;下地壳为6.4~8.0km/s.在深度20~30km有高导层,与地震给出的低速层基本一致(深度和部位)。张振法指出,中地壳层速度vp为6.1~6.2km/s,为一低速高导层,推断为蛇纹石化超基性岩,岩层破碎、裂缝纵横,并有矿化水充填。(2)奉贤至阿拉善断面(银川段)在阿拉善左旗至银川段(相当于银川盆地)的30km深度有一层速度vp为6.0km/s的低速层(图3),该图还展示了这个低速层与震源的分布关系。魏荣强等详细研究了该地学剖面后指出,在30km深部不仅有低速层,也有高导层,二者分布范围大体一致;该高导层向东南延伸到鄂尔多斯盆地。这个低速高导层也是低粘度区,其中有很多流体。这种流体在银川盆地可表现为强烈排气,如2006年7月4日,台风碧利斯在福建登陆,后来却拐到宁夏银川地区,使银川突降暴雨,造成巨大灾害,还是由于银川盆地强烈排气造成减压区,把碧利斯台风“勾引”到银川上空,两股强大气流相遇,强降暴雨。1975年,强台风拐到河南,进入南阳盆地、周口盆地强烈排气造成的减压区,两大气流相遇导致河南暴雨成灾1)。(3)门源至宁德断面(西吉-渭南段)该地学断面显示在平凉-庆阳地区下地壳也有一高导层(3~4Ω·m)。(4)玛沁-兰州-靖边地震测深剖面及电性结构中国地震局地球物理勘探中心地质所曾布设了一条近1000km长的玛沁-兰州-靖边综合地球物理探测剖面,以研究青藏高原东北边缘和鄂尔多斯地块的相互关系,并了解海原8.5级地震(发生于1920年)与深部构造的关系。该剖面恰好通过六盘山盆地,借以了解六盘山盆地的深部地壳构造,并讨论它与油气的相互关系(图4)。从图4可看出,在海原-同心近于中地壳的20km深部存在一vp为6.1km/s的低速层,其50km深部莫霍面起伏较大,且有上拱现象。另据青海门源至福建宁德的地学断面,西吉-六盘山-平凉的中地壳有一11km厚、100km长的层速度vp为5.9km/s的低速高导层(电阻率仅1~2.9Ω·m),与上述结果大体一致。地震学家认为,海原8.5级地震与中地壳的低速高导层有关,作者则认为这个低速高导层可能与油气生成有关,如同辽河盆地的低速高导层与海城地震有关,也与辽河的油气生成有关。4流体与天然气的有机、无机成因如前所述,鄂尔多斯盆地是一个稳定的克拉通盆地,中地壳没有低速层,也没有地幔上隆,那么盆地丰富的石油、天然气是如何生成的呢?(1)油气的生成地球物理电磁和导电率测深揭示出的深部高导层以及由地震反射推断的岩石圈低速带都认为可能是富含流体和流体强烈活动的表现。关于中地壳的低速高导层,目前有多种地质解释。俄罗斯学者沃里沃夫斯基等提出了一个超基性岩底辟说,他们认为陆壳的结晶岩部分不全由高变质的层状结晶岩组成,在花岗岩(花岗片麻岩)与玄武岩中间夹有具可塑性的超基性蛇纹岩。在地壳发展早期是双层结构,即花岗岩与玄武岩,后来由于超基性岩浆挤入,使上下层分离,并发生破裂,即所谓的“超基性岩底辟说”。又由于以后的热液交代作用,这种超基性岩变成蛇纹石化橄榄岩,在地球物理学上表现为低速高导等特征。当地幔脱气生成的CO2、H2上升,沿玄武岩破裂带上升到超基性蛇纹岩带,便发生了著名的费托合成反应。费托合成的烃类伴随构造运动(或岩浆运动)沿地壳中花岗岩缺失的通道上升,并运移到储集层形成油气藏。张景廉等在综合了国内外含油气盆地、褶皱带的中地壳低速层高导层的特征与油气、金属矿床的关系时认为,当地震纵波速度vp≤6.1km/s时,盆地有石油、天然气,而当vp>6.1km/s时,则有金属矿床;至于vp与地震的关系则显示了vp的范围似乎更大些。在费托合成烃的反应中,地幔流体中的CO2(或CO)与H2的比例不同,反应温度不同,催化剂性质的不同均对反应产物及其碳同位素组成有所影响,可以生成不同类型的烃(包括液态烃)。这方面的研究在国外已成了一个热点,因为这不仅与油气的无机成因有关,更与生命的起源、生物圈的演化有关。需要指出的是,光合作用中的碳同位素分馏作用同样可在费托合成的无机反应中发生。正因为如此,Jenden等的判识天然气有机、无机成因的δ13C准则便不是十分可靠。需要指出的是,天然气地球化学家常根据3He/4He的比值来判据天然气的有机、无机成因。戴金星院士等根据鄂尔多斯盆地46个气样的He同位素分析,3He/4He值为3.1×10-8~1.2×10-7,平均值为4.36×10-8,R/Ra值为0.022~0.085,认为是壳源He,但是,另据33口探井的自然伽马能谱测井曲线表明,盆地上古生界石盒子组到本溪组,有明显的高Th异常,Th含量为(22~30)×10-6,U含量为10×10-6;而对天然气的成分分析表明1),有8口井的He含量超过工业品位0.1%,He最高含量为7.1%.显然低的3He/4He比值是由于高异常Th、U的蜕变所生成的4He所致,这并不能排除天然气的深部来源。杨文采院士提出:“胜利油田下方中地壳低速层,是不是深部正在形成的天然气源?”。在银川盆地下方的中地壳低速高导层生成的天然气一方面参与了汝箕沟煤矿的生成,另一方面向东运移形成了盆地中部的气田群;2006年夏,碧利斯台风登陆拐到银川上空,造成特大暴雨则是银川盆地深部正在排气的具体表现。而在六盘山盆地,地幔流体在中地壳低速高导层发生费托合成石油的反应,这些石油便是鄂尔多斯盆地南部中生界油田群的来源。(2)油气的运移与成藏莫宣学等最近指出,大量地球物理资料支持软流圈地幔与深部地壳层次上的横向物质流动的认识,并已提出了许多模型;根据门源-平凉-渭南地震测深剖面,显示了西部物质向东部流动的迹象,另一些学者则注意到祁连构造带向东蠕散,致使鄂尔多斯盆地形成热异常。XiaWenchen等则明确指出,柴达木盆地的中地壳低速高导层向西侧造山带有明显增厚趋势,中地壳存在强烈拆离伸展作用,盆地深部中地壳物质沿此低速层(拆离物质)流变到造山带下部,造成中地壳内部物质亏空,并导致上地壳发生裂陷作用。李相博等注意到柴达木盆地深部中地壳塑性层对盆地形成的动力学影响,中地壳物质的流动形成了盆山的耦合,并提出了柴达木盆地“深层伸展,浅层压扭”的构造模式。作为贺兰山-六盘山断陷盆地西侧的断隆山的阿拉善古陆和六盘山西南古隆起,在印支运动自西向东的纬向惯性的强烈推挤下,向东侧断陷盆地相对应变空间仰冲、推覆,形成一条长600km,近南北向的仰冲型冲叠造山带。而鄂尔多斯盆地周边的秦岭和贺兰山-六盘山等断陷盆地,在发生了印支冲叠造山运动之后,地壳大大增厚,从而把深部隆升的异常地幔压下去,促使其物质侧向迁回周边地区,引起鄂尔多斯盆地整体抬升剥蚀;直到早侏罗世晚期,才在剥蚀风化残丘上接受了富县组沉积。在上述的逆冲断层带的南段、北段都可发现中上元古界海源群或其他前寒武系变质岩推覆在不同时代的新地层之上,并发现玄武岩、辉绿岩、花岗斑岩、安山玄武岩及一些金属矿床,表明这些断层有的是切入了中地壳塑性层的厚皮构造。它们在自西向东仰冲过程中,其上盘上地壳势必抬升,从而在其下伏的中地壳塑性层顶部出现虚脱空间,引起该部位的围压急剧下降,产生强烈的吸入作用,导致地幔流体沿着前身断陷盆地时期形成的岩石圈地幔和下地壳张性断裂涌入中地壳塑性层。一方面富含CO2、CO、H2的地幔流体在中地壳发生费托合成油气的反应,另一方面,它们通过上地壳逆冲断层和逆冲断层带下盘保存下来的上地壳正断层下段进入上地壳,形成无机、有机成因的油气田。这种粘度小,活动性强的地幔流体(携带着石油、天然气)进入上地壳后,沿着遍布整个鄂尔多斯盆地的3大不整合面向古中央隆起带以及北东向构造裂缝流动,活动范围遍及盆地中、西部并形成了满盆油气的分布格局。这3大不整合面是:(1)侏罗系与三叠系之间的不整合面,(源自六盘山盆地中地壳的石油形成了中生代的油田群);(2)石炭系(本溪组)与奥陶系(马家沟组)之间的不整合,(源自银川盆地中地壳的天然气形成了中部古生代的气田群);(3)寒武系(馒头组)与中元古界(蓟县系)之间的不整合面,这个系统的油气由于埋藏太深,目前尚未钻遇。根据上述分析,在这不整合面附近,应该有大型天然气气田。王震亮等在分析鄂尔多斯油气运移时指出,盆地抬升作用形成区域不整合,而构造反转作用形成断裂系统,它们构成了油气运移的主要通道,其中区域性不整合是油气运移的“高速公路”;他们还注意到,在白垩纪和新生代,油气有向东运移迹象。魏永佩等也注意到油气从西向东运移,不过他们认为运移时间是中新世,而不是早白垩世,这是由于中新世时的抬升,才使盆地地层发生区域性西倾。看来,油气自西向东运移是客观存在的。笔者认为,油气不是源于断裂带,而是源于更西侧的银川盆地与六盘山盆地。至于为什么银川盆地的中地壳生成天然气,而六盘山盆地的中地壳生成石油,则是尚需深入研究的课题。5盆地油气成藏矿作油气藏之源鄂尔多斯盆地为一稳定的克拉通盆地,但其周缘发育逆冲褶皱带、深大断裂、燕山期岩浆岩体及各种热液金属矿化,这些现象表明了在中生代晚期,鄂尔多斯盆地中、西部深部热液活动十分发育。特别是:(1)盆地西缘的深大断裂(有壳断裂,也有岩石圈断裂),使沉积盖层与中下地壳可以沟通,为深部流体垂向运移提供了通道;(2)遍布整个盆地的侏罗系与三叠系,石炭系与奥陶系之间的不整合(假整合)以及大量构造裂缝为热液流体与油、气的横向运移提供了条件;(3)中生代晚期盆地西侧强大的构造挤压、推覆作用为深部油气的横向运移提供了不可缺少的动力。银川盆地中地壳低速高导层所生成的天然气通过上述输导系统沿石炭系与奥陶系之间的不整合面到达鄂尔多斯盆地中部,形成奥陶系及石炭、二叠系大气田;鄂尔多斯盆地天然气聚集区带分布,自西向东依次为:银川盆地-西缘气聚集带-天环气聚集带-苏里格聚集带-中部聚集带-东部聚集带,天然气运移便是自西向东进行。杜乐天等注意到,鄂尔多斯盆地的中生代砂岩普遍发现有沥青球珠,它们切层呈长条状分布,它们原来是砂岩中的油珠、油条、油脉风化而成;盆地中生代的砂岩、泥岩还强烈褪色为浅青白色,这是气还原所致;盆地白垩系可见奇特的褐红-浅青-姜黄等各种风化色层,研究表明这好似被破坏的古油藏;盆地砂岩碳酸盐胶结物种酸解烃含量高;几乎所有中生代砂岩都有荧光反映。所有这些表明,鄂尔多斯盆地后期的油气活动几乎是全盆地性的,一直到今天,还在强烈向空中排气。六盘山盆地中地壳低速高导层所生成的石油,沿侏罗系与三叠系之间的不整合面在盆地的西部、南部形成三叠系、侏罗系大油田。本文前面谈到的白云岩化、膏盐、浓卤水、金属矿物等的发现,其原因可能均来自西缘的地幔流体。笔者认为,分析研究盆地油气资源不能局限在小于6km的盆地沉积盖层,要深入到盆地基底乃至中、下地壳来分析盆地油气前景;事实上,上述思路成功解释了鄂尔多斯盆地“北气南油”的分布格局,解释了中部古生界气田的石炭-二叠系与奥陶系气源之争,澄清了天然气“倒灌”的说法,解决了中生界油田油源的困惑。同时也解释了鄂尔多斯盆地奥陶系堆积了大量膏盐的客观存在。最近,李传亮等从理论上论述