川东北地区异常高压形成的地温场背景

卢庆治,胡圣标,郭彤楼等.川东北地区异常高压形成的地温场背景.地球物理学报,2005,48(5):1110～1116Lu Q Z ,Hu S B ,Guo T L ,et al .The background of the geothermal field for formation of abnormal high pressure in the northeastern Sichuan basin .Chines e J .Geo phys .(in Chinese ),2005,48(5):1110～1116川东北地区异常高压形成的地温场背景卢庆治1,胡圣标1,郭彤楼2,李忠平31中国科学院地质与地球物理研究所,北京　1000292中国石化股份有限公司南方勘探开发分公司,昆明　6500213中国石化西南分公司勘探开发研究院,成都　610081摘　要　利用四川东北地区现有的钻井测温数据及测定的岩石样品热导率数据,计算了12口钻井的大地热流值.结果表明,川东北地区现今地温梯度为18～25℃ k m ,平均21℃ km ,大地热流值介于41～57mW m 2之间,平均为49mW m 2.在此基础上,利用镜质体反射率(R o )资料对研究区热史进行了恢复,认为研究区在255Ma 左右古热流达到最高值(62～70mW m 2),此后热流持续降低直到现今;研究区中-新生界不整合面的剥蚀厚度最大,可达约2100m ;异常高压是在低热流的地温场背景下形成的.关键词　川东北,地温梯度,大地热流,热史恢复,剥蚀厚度文章编号　0001-5733(2005)05-1110-07中图分类号　P314收稿日期　2004-10-18,2005-04-10收修定稿基金项目　国家自然科学基金项目(40172100)和中石化南方勘探开发分公司课题资助.作者简介　卢庆治,男,1977年生,博士研究生,2003年于石油大学(北京)获硕士学位,现主要从事含油气盆地热史恢复方面的研究.E _mail :qingzhilu @mail .igcas .ac .cnThe background of the geothermal field for formation of abnormal high pressurein the northeastern Sichuan basi nLU Qing _Zhi 1,HU Sheng _Biao 1,GUO Tong _Lou 2,LI Zhong _Ping 31Ins titu te o f Geo lo gy a nd G eo ph ys ics ,C hin es e Aca de my o f Scien ces ,Beijin g 100029,Ch ina 2So uth ern Bra nch o f Petr ol eum Expl o rati on an d Devel o pmen t ,SINOPEC ,Ku nming 650021,Chi na3Res ea rc h Ins titut e o f Petr ol eu m Expl o rat ion an d Devel o pmen t ,So uth w est Br an ch Co mp an y of SINOPEC ,Ch en gdu 610081,Chi naA bstract Based on available borehole temperature logging and ther mal conductivity measurement of c ore samples in the northeastern Sichuan Basin ,we have estimated 12terrestrial heat flo w values .The results showthat the present _da y geother mal gradients ranges from 18to 25℃ km ,with an average of 21℃ km ,and that the present _day heat flow varies fr om 41to 57mW m 2,with a mean of 49mW m 2.Thermal history rec onstruction in the northeastern Sichuan basin using vitrinite reflectance data indicates that the paleo _heat flow reached the maximum values (62～70mW m 2)around 255Ma ,and then decreased till present .The maximum erosion occurred on the Mesozoic _Cenozoic unconformity and reached ～2100m .The abnormal high pressure in the area was formed under geote mperature background characterized by low paleo _heat flow .Keywords Northeastern Sichuan basin ,Geothermal gradient ,Heat flow ,Thermal history reconstruction ,Erosion thickness第48卷第5期2005年9月地　球　物　理　学　报C HINESE JOURNAL OF GE OPHYSICSVol .48,No .5Sep .,20051　引　言川东北地区是指四川旺苍—南江县与宣汉县—达川市之间的区域(图1),面积约2.5×104km 2.该区位于上扬子地块北缘,是由古生代和中生代地层组成的一个复杂薄皮变形系统[1].自晋宁期基底形成以后,该区在震旦纪-中三叠世演化为被动大陆边缘盆地;晚三叠世演化为前陆盆地;侏罗纪-早白垩世发展成陆内坳陷盆地;晚白垩世沉积盆地萎缩衰亡,开始进入以抬升剥蚀为主的构造演化阶段1)[2].研究区震旦系至中三叠统为海相地层,发育碳酸盐岩夹碎屑岩沉积;上三叠统至下白垩统为陆相地层,发育碎屑岩沉积[2].区内志留系、二叠系以及上三叠统泥质烃源岩发育,厚度巨大,可达1500～2000m ,具备形成油气的良好条件.目前已在该区下三叠统地层获得工业性气流,展示了该区良好的勘探前景.研究区内异常高压气藏发育,但异常高压的成因不十分清楚.1)邓　军,刘少峰,胡建中.川东北地区区域构造特征与油气有利勘探方向研究.中石化南方勘探开发分公司项目研究报告,2002图1　川东北地区井位分布及基底构造(据文献1)修改)Fig .1　Borehole distribution and the basement structure of the northeastern Sichuan basin (modified from Ref .1)) 盆地现今地温场及其热史是盆地构造演化过程的客观反映,对于盆地烃源岩和油气资源评价具有重要意义.同时,盆地今、古地温场对异常高压的形成也具有一定的影响.迄今为止,前人只对该区现今地温场方面做过部分研究工作[3],发表了两个热流数据;对热史方面的研究近乎空白.本文通过对该区现今地温资料的分析及岩石热导率的测定,计算了该区大地热流;在此基础上,根据镜质体反射率(R o )资料,采用古热流法对研究区热史和不整合面剥蚀厚度进行了恢复.2　现今地温场特征2.1　地温和地温梯度本次研究共收集了区内现有23口钻井的温度测试数据.其中3口钻井为全井段的系统测温,其余为井底温度或试油温度.从钻井温度数据分析来看,部分钻井因静井时间短,井温没有恢复到地层温度,温度数据变化较大,不代表地层的真实温度,用这类数据计算的地温梯度不能准确反映区域地温特征.因此在计算地温梯度时,这类数据被剔除.通过分析,本文选用了12口井的温度数据.总体上看,钻井温度数据与深度的相关性较好(图2).虽然各井的测温井段不同,但井温随深度增加而增大的趋势一致,故所选的井温数据能够反映研究区传导地热特征.图2　钻井温度随深度的变化Fig .2　Variations of borehole temperature with depth本文利用线性回归法计算各井地温梯度.计算结果(表1)表明,川东北地区现今地温梯度为18～25℃ km ,平均21℃ km .相比较而言,研究区平均地温梯度值低于华北盆地(平均为35.8℃ km )[4],接近准噶尔盆地(平均为22.6℃ km )[5]和库车前陆盆地(18～28℃ km )[6].1111　5期卢庆治等:川东北地区异常高压形成的地温场背景表1　川东北地区地温梯度和大地热流Table 1　Temperature gradients and heat flo w values in the northeastern Sichuan basin序号井号经度纬度深度范围(m )地温梯度(℃ km )均值±标准偏差相关系数热导率(W (m ·K ))热流值(mW m 2)1CF82107°09′0″32°09′0″3890～501020±4.20.9692.49502CF69106°42′0″31°45′0″2574～400022±0.10.9991.95433B1106°20′18″32°12′14″1947～600625±0.10.9992.26574L4106°06′22″32°03′43″150～555024±5.90.9962.23545P2107°49′36″31°40′26″2224～411218±0.40.9992.48456P1107°51′53″31°41′32″3347～459918±1.20.9932.27417QL23107°45′27″31°19′14″3783～543522±0.90.9992.31518WQ2107°52′47″31°13′33″2381～386120±10.30.982.23459HL4107°56′20″31°18′48″3618～432321±0.30.9972.194610D4107°57′58″31°21′38″3488～524323±6.60.9852.335411D1108°00′0″31°23′56″4147～474421±2.10.9752.264712D5108°02′0″31°27′0″1521～467822±0.60.9992.31512.2　岩石热导率为计算大地热流,本次研究共测试了11块岩石样品的热导率,并收集了已有的岩石热导率数据24个[3](表2).热导率测试的岩石类型比较齐全,既有陆相碎屑岩类又有海相碳酸盐岩,基本代表了研究区沉积盖层的主要岩性.总的来看,川东北地区岩石热导率较高,各种岩类和地层时代的相关性不大.其中,白云岩类热导率最高,平均2.75W (m ·K );灰岩类次之,平均2.21W (m ·K );砂岩类和泥岩类较低,平均为2.09W (m ·K )和2.06W (m ·K ).表2　川东北地区实测岩石热导率数据Table 2　Thermal conductivity data in the northeasternSichuan Basin岩性层位热导率(W (m ·K ))样品个数均值±标准偏差白云岩类T 22.014～2.0322.75±0.66T 11.703～3.55311灰岩类T 11.851～2.80952.21±0.38J 21.765～2.2285泥岩类J 11.493～2.87952.06±0.38T 12.0141P 22.2431砂岩类J 21.951～2.07822.09±0.23J 11.792～2.3653 注:部分数据引自文献[3].从本区岩石热导率和地层深度的对应关系来看(图3),无论是碎屑岩还是碳酸盐岩,其热导率随深度的变化无明显的规律,埋深相对较浅的岩石热导率值也很高.这一特点在侧面上反映了本区地层过去的埋深比现今大(剥蚀厚度很大),曾经历了很强的压实作用,使岩石变得较为致密,热导率变得较高;后期虽经抬升剥蚀,埋深变浅,但其热导率变化很小.图3　川东北地区岩石热导率k 与深度z 的关系Fig .3　Relationship bet ween thermal conductivity and depth受采样条件的限制,本次研究没有能对所有热流计算井段的热导率进行系统测定,但研究区内同一岩性的热导率与深度的相关性不大.因此在计算各井段的热导率时,先求出各岩性的平均热导率,然后再根据不同井段各岩性所占的百分比,采用地层厚度加权平均的方法求取相应井段的平均热导率.2.3　大地热流大地热流是表征区域地热状态的综合性热参数,在数值上等于反映地热特点的地温梯度与反映岩石传热能力的热导率的乘积[7].热流计算结果(表1)表明,川东北地区估算大地热流介于41～57m W m 2之间,平均值为49±4.9m W m 2,低于下扬子苏北盆地热流值(68m W m 2)[8],也低于我国大陆地区的平均热流值(61mW m 2)[9],1112地球物理学报(Chinese J .Geophys .)48卷　与准噶尔盆地热流值(23.4～53.7mW m2)[10]相比差别不大.研究区热流测点的分布见图1.在平面上,基底隆起区或斜坡热流相对较高,基底坳陷区热流相对较低.本区热流平面分布特征以及热流值较低的特征主要是由以下因素决定:(1)沉积盆地的类型前陆盆地常具较低的热流.晚三叠世-早白垩世川东北地区由前陆盆地演化为陆内坳陷盆地,晚白垩世沉积盆地萎缩衰亡,开始以抬升剥蚀为主的构造改造,由此决定了本区的低热流值属性.(2)基底构造形态基底坳陷区的热流相对较低,基底隆起区或斜坡热流相对较高.因为坳陷区泥质岩沉积厚度较大,热导率较低,对来自地壳深部的热流起着屏蔽作用,使热流在侧向上向热导率较高的基底隆起区或斜坡汇聚,造成了热流再分配,从而使坳陷区的热流低于基底隆起区或斜坡.(3)沉积盖层的放射性生热研究区沉积盖层的放射性生热对热流的影响也不容忽视.本文利用MB1与PG1两口井的自然伽马(γ)测井资料,根据γ与A的理论关系式[11]A=0.0145(γ-5.0)(1)分别计算了这两口井陆相和海相地层的放射性生热率(表3).式(1)中γ为自然伽马测井值(API),A为生热率(μW m2).计算结果表明,本区陆相地层平均生热率为1.58μW m2,海相地层平均生热率为0.51μW m2;陆相地层(T3-J2)平均厚度可达4500m,海相地层(Z-T2)平均厚度可达7000m,则陆相地层放射性生热量为7.1mW m2,海相地层放射性生热量为3.6mW m2,沉积盖层总生热量为10.7mW m2,占地表热流的22%.应该指出,用这两口井的自然伽马测井资料计算的生热率只能大致反映研究区沉积盖层放射性生热量对地表热流的贡献,要获得更准确的结果还需要进一步研究.表3　川东北地区计算生热率Table3　Calculated heat generation of bo reholesin the northeastern Sichuan basin井号井段深度(m)主要岩石类型生热率(mW m2)范围均值总平均值(mW m2)MB1312～2726.5陆相碎屑岩0.33～2.491.391.58PG1310～39640.23～2.791.70MB12726.5～4350海相碳酸盐岩0.10～2.030.560.51PG13964～56900.02～2.270.473　热史恢复3.1　热史恢复方法盆地的热史可以利用各种古温标(如镜质体反射率、裂变径迹等)来恢复.利用古温标恢复热史的方法有随机反演法、古地温梯度法、古热流法三种[12,13],这三种方法各有优劣.需要注意的是无论用何种古温标反演热史(只要其活化能与温度相关),都只能反演出地层达到最高古地温时及其之后的热史,最高古地温时刻之前的热史只能利用盆地构造———热演化模型或构造沉降史与热流的关系予以制约和估计[13].本次研究采用的古温标是镜质体反射率(R o)资料.研究区R o值与深度的关系如图4所示.R o值分布在0.7%～3.9%之间,与深度的相关性很好.图4　川东北地区R o值与深度的关系Fig.4　Relationship between R o values and depth根据川东北地区实际地质条件和镜质体反射率(R o)资料状况,选用古热流法恢复热史.古热流法恢复热史的出发点是影响地层温度史的因素是已知的且是可以定量描述的.盆地内地层的热史(地温史)主要受地层埋藏史和盆地热流史影响,其次还受到火山岩浆和地下流体活动等非稳态热效应的影响.相应地,地层中的R o资料就间接地记录了地层的埋藏史和盆地的热流史.对于埋藏史的恢复来说,确定剥蚀厚度是关键.如果能够确定各剥蚀层的剥蚀厚度,就可通过现今残留地层厚度的回剥来恢复地层埋藏史[14],从而可以模拟与之伴随的沉积1113　5期卢庆治等:川东北地区异常高压形成的地温场背景或剥蚀等非稳态热过程,再结合盆地热流史(如果盆地热流史已知),就能重建地层温度史.因此,古热流法反演中的变量是盆地热流史和不整合面地层剥蚀厚度.需要指出的是,古热流法反演出的古热流是产生实测R o 值所需的实际热流量,并不是单纯的传导热流[13].古热流法热史恢复原理流程如图5所示.图5　古热流法热史恢复原理流程(据文献[13]修改)Fig .5　Flow chart of thermal history reconstruction using the paleo _heat flow method (modified from Ref .[13])反演过程中采用的模型为平行化学反应模型(E ASY %R o )[15].反演前先将反演井剖面按实际地层和不整合分为若干构造层,每一构造层内至多有两个未知量:剥蚀厚度(H e )和剥蚀开始时的热流值(Q i ).然后,从最上一个构造层开始,自上而下逐层反演.这样可以使各构造层间和各样品间的反演结果相互制约,提高反演精度.由于古热流模型采用分段线性模型,现今热流和岩石热导率、比热及密度都是已知的,因此反演时间段(t i )之前t i -1段内任意时刻(t )的热流(Q (t ))为Q (t )=Q i -1(1+λi Δti ),λi -1=(Q i -Q i -1) Δti ,Δti =t i -t i -1,(2)式中,Q i -1为t i -1时刻的热流值,λi -1为Δti 时间段内的热流变化率.通过二分法或非线性牛顿迭代法对H e 和Q i 进行迭代,以使构造层内实测R o 值与相应的E ASY %R o[15]理论模型计算值达到最佳拟合,H e和Q i 即可同时确定.3.2　热史恢复结果根据上述原理,对研究区内CF82、CY84、L4、MB1、PG1、P G2、CF85、HB1、SM1井等9口井进行了热史恢复.下面以CF82井为例说明.图6a 是CF82井古热流法反演拟合的结果,理论值与实测值拟合较好.图6b 为重建的埋藏史.由图可知,中新生界之间的不整合面剥蚀厚度最大,可达2200m ,其他不整合面剥蚀厚度不到200m ;上三叠统沉积速率最大,反映了晚三叠世前陆盆地快速沉积的特征.图6　川东北地区CF82井古热流法反演结果实线代表理论(EASY %R o 模型)计算的R o 值,圆点代表实测值,理论值与实测值拟合较好.Fig .6　Thermal inversion result of Well CF82using the paleo -heat flow methodThe solid line indicates the calculated R o values (by EASY %R o model ),and the dots indicate the meas ured R o values .It shows good _fit bet ween the s ol id line and the dots . 川东北地区钻井反演的剥蚀厚度结果(表4)表明,本区中-新生界不整合面的剥蚀厚度较大,其中L4井剥蚀厚度最小,约500m ;其他8口井的剥蚀厚度在1500～2750m 之间,平均约2100m .其他时代不整合面剥蚀厚度相对较小,在200m 左右. 图7展示了研究区9口井的热史恢复结果.在早二叠世,古热流逐渐增大,约在255Ma (晚二叠世初期),古热流达到最高(62～70mW m 2,井底热流),此后热流持续降低直到现今,现今热流平均为45mW m 2(井底热流).其中晚二叠世-晚三叠世为相对快速冷却阶段,晚三叠世-现今为缓慢冷却阶段.从研究区构造演化情况来看,研究区在震旦纪1114地球物理学报(Chinese J .Geophys .)48卷　表4　川东北地区钻井反演剥蚀厚度和古热流(井底热流) Table4　Erosio n thickness and paleo-heat flux of boreho les井号中、新生界间不整合面侏罗、三叠系间不整合面中、上三叠统间不整合面上、下二叠统间不整合面古热流剥蚀厚度古热流剥蚀厚度古热流剥蚀厚度古热流剥蚀厚度(mW m2)(m)(mW m2)(m)(mW m2)(m)(mW m2)(m)CF85442100471005215062150 CY8445150049505515070150 HB1462300502005520067200 L448500532505710069250 CF824922005325056150MB14522004810053150PG14415004710051150PG24427504810053150SM14323004610050150-中三叠世属被动大陆边缘盆地,热流相对较低;在255Ma左右(晚二叠世初期),在邻区见有玄武岩喷发(峨嵋山玄武岩),研究区处于伸展背景,热流值达到最高;在晚三叠世,研究区由被动大陆边缘盆地演化为前陆盆地,岩石圈发生挠曲增厚,热流持续降低,逐渐冷却,直至现今.这与华北东部盆地[16]以及辽河盆地东部凹陷[17]的热演化形成鲜明对比.图7　川东北地区钻井井底热流史Fig.7　Basal heat flow history of boreholes in thenortheastern Sichuan basin2)姚清国,吕志洲,周文英等.川东北地区毛坝1#单井评价与钻井动态跟踪研究.中石化南方勘探开发分公司项目研究报告,20033.3　古地温场与异常高压形成的关系川东北地区二叠系-中三叠统碳酸盐岩地层异常高压发育[18,19],如MB1井下三叠统飞仙关组三段顶部气藏压力系数可达1.92),CF82井下三叠统嘉陵江组二段气藏压力系数可达1.86[19].根据前人研究[18,19]可知,研究区二叠系-中三叠统碳酸盐岩地层异常高压的形成主要与成烃作用有关,同时还受到印支期后的构造作用的影响,表现在印支期后的构造作用对先期形成的异常高压进行改造或者形成新的异常高压.但就某个特定异常压力体而言,其成因可能是以成烃作用为主,也可能是以构造作用为主.对研究区来说,形成异常高压的成烃作用指的是有机质或液态烃类热裂解为气态烃的过程,这个过程能使地层流体体积增大,在地层具一定封闭能力的前提下,就会产生异常高压[20].而区域地温场及地层埋藏史共同控制了有机质或液态烃类热裂解为气态烃的时间,从而间接控制了以成烃作用为主的地层异常高压的形成时间.根据热史恢复和烃源岩热演化研究结果,研究区二叠系烃源岩在中侏罗世进入生气期,中-下三叠统烃源岩在晚侏罗世进入生气期,以成烃作用为主的异常高压应该是在这两个时期或之后形成的.而对于以构造作用为主形成的异常高压,其形成与区域地温场的关系并不大,其形成时所处的地温场背景是以低热流为特征的“冷”的地温场状态.4　结　论(1)川东北地区现今地温梯度为18～25℃km,平均21℃km;估算大地热流介于41～57mW m2之间,平均值为49mW m2,低于我国大陆地区的平均热流值.(2)热史恢复结果表明,在早二叠世,研究区古1115　5期卢庆治等:川东北地区异常高压形成的地温场背景热流逐渐增大,约在255Ma古热流达到最高(62～70 mW m2,井底热流),此后热流持续降低直到现今,现今热流平均为45mW m2(井底热流).(3)研究区中-新生界不整合面剥蚀厚度较大,在1500～2750m之间,平均为2100m.(4)川东北地区现今与成烃作用相关的异常高压应该形成于中侏罗世-晚侏罗世时期或之后;以构造作用为主形成的异常高压,其形成时处于以低热流为特征的“冷”的地温场背景.参考文献(Refer 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