多期岩浆侵入事件对长昌凹陷烃源岩热演化的影响

曾小宇，郭明刚，朱继田，熊小峰，段 亮，彭俊峰

1. 中海石油（中国）有限公司 湛江分公司，湛江 524057；2. 中海油能源发展股份有限公司 湛江实验中心，湛江 524057

沉积盆地烃源岩有机质演化过程中化学反应的速率与温度呈指数关系，而与时间只是线性关系，有机质的成熟度主要受温度的控制（Tissot et al., 1984, 1987），盆地的地温史决定着烃类成熟度史（曹环宇等，2015；唐世林，2018；任战利等，2020）。裂谷盆地的形成发育与岩石圈的减薄、软流圈的上涌有关,岩浆侵入事件甚是频繁，岩浆侵入所携带的巨大热能就可能会对盆地的热史产生很大的影响，进而影响盆地有机质演化史，因此在研究盆地沉积物有机质成熟度中必须考虑岩浆的作用（张健等，1997；范桃园等，1999；高翔等，2013；田文广等，2005；Petersen et al., 1994；Bonté et al.，2019）。

长昌凹陷位于琼东南盆地中央坳陷带东部超深水区，北接神狐隆起，南接南部隆起，东至西沙隆起区，西邻宝岛凹陷，是该盆地最大的凹陷，面积达14000 km2（图1）。新生代以来，长昌凹陷构造演化经历了早期始新世的裂陷阶段、渐新世—早中新世的“拗—断”阶段和之后的拗陷阶段，由此发育了一套三层结构、由陆相到海相沉积演变的厚层新生代地层（张迎朝等，2017）。经过多轮油气勘探研究表明，长昌凹陷是琼东南盆地深水区潜在的富生烃凹陷，资源潜力大，作为该盆地深水勘探的后备领域。

图1 研究区位置图Fig. 1 Tectonic subdivision of the Qiongdongnan Basin and location of the study area

最新研究成果表明，长昌凹陷内地壳强烈减薄，地幔上涌，沉积地层中发育多期多个岩浆侵入体。目前对于岩浆侵入事件对长昌凹陷烃源岩热演化影响尚未清楚，且很可能由于岩浆侵入事件的影响，导致凹陷内两口钻井（C6-1-1，W1-1-1）井上生烃门限相差较大，凹陷生烃门限不明确，制约着本区油气勘探进程。为探讨岩浆侵入事件对本区烃源岩热演化的影响，本文利用地震相技术先识别出区内岩浆侵入体的分布和发育期次；在此基础上，综合区域地质认识成果和最新地震区域解释地层格架，建立两个三维模型（其中一个发育岩浆侵入事件，一个不发育岩浆侵入事件）进行热模拟，通过两个模型模拟结果对比分析，定量评价岩浆热事件对本区烃源岩热演化的影响，确定岩浆热事件的影响是局部的特殊事件还是凹陷热演化整体受其影响，这对本区烃源岩生、排烃史的研究和指导本区下一步油气勘探有重要意义。

1 岩浆侵入体的识别与分布规律

火山（喷发）和岩浆底辟（侵入）是地壳深部岩浆活动的产物，二者是由伸展盆地在地壳减薄和拆离断层形成后，地幔进一步上涌，盆地进一步拉伸，导致地壳破裂或断层与地幔沟通而形成（郭明刚等，2017）。本次研究考虑的是岩浆热对烃源岩热演化的影响，对于火山喷出地表部分认为是无效的，所有只考虑地表以下的火山通道（火山颈）部分，与岩浆底辟统称为岩浆侵入体。本区钻井少，地震资料丰富，利用地震资料识别岩浆体分布是一种有效的途径。火成岩与围岩沉积岩由于存在声学特征之间的差异而在地震上呈现不同的地震特征。根据这一特点和岩浆体发育机理，可以依据深部莫霍面的变化形态、岩浆体的特殊反射结构特征、与围岩特殊接触关系在地震相上的反映来识别岩浆体，并对其发育时间进行判别（郭明刚等，2017；应明雄等，2012）。

我们通过大量的地震剖面和平面相干体切片的研究分析发现，在平面相干体切片上岩浆通道外形为近圆形，周围地层发育放射状断裂，通道口外部沉积岩（泥岩背景）在地震上呈弱反射特征（程日辉等，2011；郭明刚等，2017；徐颖新等，2008；应明雄等，2012）（图2）。

剖面上，本区岩浆体有如下地震反射特征：（1）岩浆底辟：沉积层被刺穿，深部地层杂乱，整体呈锥形体或柱状体；两侧围岩地层见上拉或切割，地层间或见席状强反射；其内部为不规则杂乱反射或弱反射；顶部为连续强反射，呈丘状，岩体上部地层或有上拱现象，（2）火山：整体为蘑菇状或树状，上大下小，顶部呈丘状，部分保留火山口古地貌及后期形成的火山口下陷，反射强而光滑；由于顶部火成岩的屏蔽，其下部即火山通道为不规则杂乱反射或弱反射，（3）二者深部莫霍面均表现为中断、错动（程日辉等， 2011；郭明刚等， 2017；徐颖新等，2008；应明雄等，2012）（图2）。

图2 长昌凹陷岩浆体地震相特征图Fig. 2 Seismic facies characteristics of magmatic bodies in the Changchang Sag

根据岩浆体对周围地层的侵入及改造所具有的典型特征对岩浆体发育时间进行判定，分为以下四种情况。（1）简单完整火山喷发型: 火山喷发形成古地貌，有典型的蘑菇状形态特征，因此，火山古地貌在哪个层系那么这个时期即为火山的活动时间。（2）简单残留火山喷发型: 火山喷发形成古地貌后被改造，残留有锥状的古地貌，因此，残留的火山古地貌在哪个层系那么这个时期即为火山的活动时间。（3）简单底辟刺穿型型: 晚期活动的岩浆底辟造成其上早期地层的变形，那么最晚变形的地层沉积时间为岩浆活动时间。（4）复杂火山喷发型:巨大的火山出露地表，火山口以下屏蔽或者被破坏造成弱-空白反射，因此根据火山口所处层系、临近的相关小火山口发育层系，即为大火山的多期发育时间（程日辉等，2011；郭明刚等，2017；徐颖新等，2008）。

运用该方法对区内岩浆侵入体进行搜索，识别出9个火山或岩浆底辟并确定其发育时间。它们主要分布在凹陷中部，这是因为凹陷中部的地壳最薄。它们可分为4期，分别是早中新世三亚期、中中新世梅山期、晚中新世黄流期和上新世莺歌海期。其中，黄流期（T30）和梅山期（T40）岩浆侵入事件最为发育。除宝岛—长昌凹陷边界大火山规模较大外，其它火山或浆底辟直径都在在1～6 km之间（表 1; 图 3）。

图3 长昌凹陷新生代主要岩浆体分布图Fig. 3 Distribution of major Cenozoic magmatic bodies in the Changchang Sag

表1 长昌凹陷火山通道/岩浆底辟规模和发育时间统计表Table 1 scale and development time of magmatic bodies in the Changchang Sag

2 模拟方法与原理

2.1 热传导基本方程

岩浆侵入后散热方式主要是热传导，本文假设岩浆侵入是瞬间的，侵入体和围岩的热扩散率相同，并考虑岩浆凝固过程中释放的潜热。本次模拟采用了三维非稳态热传递微分方程：

式中，ρ为密度（kg/m3），c为常压下的比热值（J/（kg·K）），T为温度(℃)，t为时间（s），K为热导率（W/（m·K）），S为熔融速率（s-1），L为岩浆的熔融潜热（KJ/kg），Q 为岩石的热产生值（ 包括放射性元素的产热）（μW/m3）（Liu et al., 1992）。

2.2 计算模型

在识别火山通道与岩浆底辟分布范围与发育期次基础上，根据最新地震区域解释地层数据 T00、T20、T30、T40、T50、T60、T70、T80、T100反射界面和莫霍面（分别对应于海底、乐东组、莺歌海组、黄流组、梅山组、三亚组、陵水组、崖城组、始新统和地壳的底部），建立两个长为167.5 km、宽为123.8 km、高为13 km的三维模型——模型1不发育岩浆侵入热事件，模型2发育岩浆热事件（实际情况）（图4）。两个模型均采用0.815 km×0.478 km 网格，取时间步长为0.05 Ma。其中崖城组、始新统是长昌凹陷主要烃源岩层，各类烃源岩评价指标如表2所示。各地层岩性参考盆地内已钻井情况，以沉积相为单位统计划分，并依据地震相特征作部分修改（江汝锋等，2018）。

表2 研究区及邻区烃源岩有机地球化学特征Table 2 Organic geochemical characteristics of source rocks in the study area and adjacent areas

图4 三维热演化模型Fig. 4 Three-dimensional thermal simulation model

模型上边界为海底，温度介于4～20℃之间；模型底边界为莫霍面。盆地现今基底热流值据“十二五”研究成果（施小斌等，2015）与实钻数据校正拟合得到，为30～53 mW/m2；模型前后左右边界为自由边界。

2.3 岩浆侵入模拟参数

岩浆的温度、热导率、热容等参数随组分的不同而不同（Toulowkian et al., 1981）。根据邻近珠江口盆地和研究区所在盆地火山岩的钻遇情况，始新世至中新世，基性喷出岩逐渐增加，到中新世后，全为玄武岩（陈长民等，2003；王璞珺等，2010）。根据本区岩浆侵入事件的发育时间，认为其岩性为玄武岩。据前人研究成果，玄武岩岩浆侵入温度为1000～1300℃ （Toulowkian et al., 1981）。本文计算中长昌凹陷玄武岩取岩浆温度为1000℃，固相曲线温度取为780℃；计算模型中所使用的其他物性参数见表3。

表3 岩浆侵入模拟参数（据Toulowkian等修改，1981）Table 3 Thermal parameters for magma intrusion simulation (modified from toulowkian,1981)

3 模拟结果分析

3.1 岩浆侵入体对凹陷烃源岩热演化影响的时空范围

对比模型1与模型2模拟结果得到：不同规模的岩浆侵入体会对周边不同范围的烃源岩热演化有促进作用（图4）。为定量表征不同规模岩浆侵入体对凹陷烃源岩影响的时空范围，本文选取岩浆体1、2、3不同规模岩浆侵入体（表1）来做对比分析。由于烃源岩热演化具备不可逆性，且主要受温度控制，所以可以根据岩浆体侵入体对区域温度场的扰动时间长短来判定其对烃源岩热演化影响的时间。模拟结果揭示（图5）岩浆体1侵入沉积地层后4.5 Ma在温度场基本恢复正常，岩浆体2和岩浆体3在侵入后0.4 Ma温度场基本恢复正常。确定岩浆体对温度场扰动时间范围后，我们分析在该时间段岩浆热对周围烃源岩热演化的影响，另依据温度场扰动时间末时刻的岩浆侵入体周边烃源岩层热演化突变范围的半径来判定其影响的空间范围，以排除后期不断沉积埋深对烃源岩热演化影响的干扰。据模拟结果，岩浆侵入后带来的巨大热量使其接触围岩热演化程度迅速进入过熟阶段，可把生烃门限直接抬高至海底，之后随着温度向外围传导，周边地层热演化程度在原来埋深的基础上逐渐升高，横向上以岩浆体为中心呈同心圆状发散，距离越远热演化影响越不明显，成熟度也就越低，生烃门限逐渐降低至正常值；纵向上深度越深影响范围越大（图6）。岩浆体1引起周边烃源岩演化突变范围的半径为16 km，岩浆体2影响范围半径为2.3 km，岩浆体3影响范围半径为1.8 km（图6）。由此表明，影响范围和影响程度跟岩浆体规模、与岩浆体距离远近等因素相关；距离岩浆体越近，烃源岩热演化突变越明显，影响时间也越长。根据侵入体规模，将其对烃源岩热演化影响的范围划分为三个级次：岩浆体直径小于2 km，对烃源岩热演化影响范围的半径小于2 km；岩浆体直径大于2 km而小于5 km，影响范围半径小于5 km；岩浆体直径大于10 km而小于20 km，影响范围半径小于16 km（表4）。综述所述，研究区内岩浆侵入体对烃源岩热演化影响的范围有限，长昌凹陷烃源岩主体热演化基本不受其影响。

表4 岩浆体规模与其热演化影响范围关系Table 4 The size of magmatic body and its influence range

图5 岩浆体1、岩浆体2和岩浆体3侵入后不同时刻的温度场剖面Fig. 5 Simulated temperature field for different times after the intrusion of magmatic body 1, 2 and 3

图6 浆体1、岩浆体2和岩浆体3侵入后不同时刻的热演化剖面Fig. 6 Simulated maturity for different times after the intrusion of magmatic body 1, 2 and 3

3.2 岩浆侵入体对钻井烃源岩热演化的影响

根据模拟结果，区内W1-1-1井距离岩浆侵入体较远，处在岩浆热影响范围之外；而另一口C6-1-1井则处在晚期火山影响范围内。通过两个模型模拟结果对比，发现C6-1-1井由于受岩浆热影响，生烃门限抬升了约700 m，模拟结果与实测资料基本吻合（图7）。所以C6-1-1井受特殊事件影响，其生烃门限不能代表凹陷生烃门限；除去岩浆热事件影响后，C6-1-1井上生烃门限约为海底以下2450 m，与W1-1-1井实测的生烃门限（海底以下2350 m）相差不大，可代表凹陷的生烃门限。

图7 模型1与模型2中C6-1-1井生烃门限对比图Fig. 7 Comparison of the hydrocarbon generation threshold of well c6-1-1 between model 1 and model 2

综上模拟结果对比分析，岩浆侵入体只是局部特殊热事件，对本区烃源岩热演化影响范围较小；且本区岩浆侵入活动较晚，为渐新世之后，岩浆活动最剧烈在中新世中晚期，而本区主要烃源岩为始新统湖相泥岩和下渐新统陆源海相泥岩，生烃高峰期为晚渐新世至早中新世，因而岩浆侵入活动对本区生烃量贡献不大，还可能破坏早期形成的油气藏，并有非烃（CO2）充注风险（郭明刚等，2017）。

4 结论

文章通过三维盆地热模拟技术探讨了多期岩浆侵入事件对长昌凹陷烃源岩热演化的影响，得到以下几点认识：

（1）运用地震相技术在长昌凹陷搜索到9个岩浆侵入体，主要分布在凹陷中央，直径大多在1～6 km之间；分为4期：早中新世三亚期、中中新世梅山期、晚中新世黄流期和上新世莺歌海期。其中，中新世黄流期（T30）和梅山期（T40）岩浆侵入事件最为发育。

（2）岩浆侵入体对周围小范围烃源岩热演化有促进作用（生烃门限变浅），影响范围和影响程度跟岩浆体规模、与岩浆体距离远近等因素相关。岩浆体规模与其影响范围有如下规律：岩浆体直径小于2 km，对烃源岩热演化影响范围的半径小于2 km；岩浆体直径大于2 km而小于5 km，影响范围半径小于5 km；岩浆体直径大于10 km而小于20 km，影响范围半径小于16 km。

（3）长昌凹陷内W1-1-1井烃源岩基本不受岩浆侵入体影响，而C6-1-1井受晚期火山影响生烃门限抬升约为700 m，所以W1-1-1井实测的生烃门限（海底以下2350 m）可代表凹陷的生烃门限。

（4）多期岩浆事件对烃源岩热演化影响范围小、发育事件晚，错过长昌凹陷生烃高峰期，对本区生烃量贡献不大，可能带来非烃充注风险。

说明：本文的模拟过程中，由于缺乏深部岩浆的资料，未对基底岩浆房的影响做单独分析；再者，由于岩浆活动的多期性，也会增加模拟岩浆影响的难度。由于资料限制，本次模拟仅对岩浆的热传导过程进行了模拟，而未能考虑岩浆侵入过程中的热流体活动的影响。