苏丹裂谷盆地油气藏的形成与分布
0.引言
裂谷盆地是烃类聚集的有利区,据统计,全球877个大型油气田(探明储量超过5亿bbl油当量)中31%的油气田分布在大陆裂谷型盆地中.裂谷盆地在中国也占有十分重要的地位,如松辽,渤海湾等盆地,近5年来其油气储量和产量仍保持稳中有升.
自1995年以来,中国在苏联共和国实施了3个大型勘探项目,在借鉴中国和世界裂谷盆地勘探取得的理论和技术的基础上,通过近10年来的勘探实践和研究,建立了不同于中国东部主动裂谷盆地的被动裂谷盆地的地质模式和成藏模式,发现了Palogue等世界级大油田，从1997年底到2003年底，石油地质储量净增长10亿t以上，成为中国在海外最大的原油生产区。本文以苏丹Muglad和Melut盆地为例，阐述被动裂谷盆地的油气藏形成和分布规律，并对比分析主，被动裂谷盆地的油气藏形成和分布的差异。
1. 裂谷盆地的成因类型与分布
“裂谷”一词是Gregory于1894年研究东飞地堑时提出的，裂谷，古裂谷和被动边缘构成了成因上相关的盆地群，在盆地类型系列中占重要地位。裂谷盆地的形成与板块构造的分离或碰撞有密切关系，在地质历史时期有几次大致独立的裂谷作用期.在此期间大型裂谷系的发育使泛古陆型超大陆解体。裂谷盆地在全球广泛发育.主要沿板块边缘分布,总体可以划分为三大裂谷系:一是大西洋型裂谷系.主要形成于大陆板块的开裂时期.可能是对流环重新调整的结果 .那些分布在南美东海岸和西南非海岸的一系列裂谷盆地正逐渐演化为被动大陆边缘盆地.同时由于中非剪切带的走滑伸展作用.非洲板块内部由于远源应力场作用形成中非裂谷系和西非裂谷系:二是西太平洋型裂谷系.其形成是太平洋板块向欧亚板块俯冲的结果,如中国东部的裂谷盆地群;三是与板块碰撞有关的裂谷,一般是在陆-陆碰撞过程中和随后的应力场衰减过程中局部伸展形成的裂谷,如秘鲁的塔拉拉盆地等。根据地壳演化史,可以将裂谷进一步划分为陆内裂谷、陆间裂谷和洋内裂谷。根据岩石圈伸展特征,裂谷作用可划分为两类:主动裂谷和被动裂谷。在主动裂谷概念中,地壳变形与热柱或热席对岩石圈底部的上拱作用有关,来自地幔柱的热传导、岩浆作用生成的转换热或对流热可以引起地壳的减薄,即软流圈均衡上隆产生的张应力会引起岩石圈(地壳)的裂谷活动,中国东部渤海湾盆地就是主动裂谷盆地的典型实例。在被动裂谷概念中,大陆岩石圈内的张应力使岩石圈的强度减弱,从而使得热的地幔物质侵入到岩石圈中。因此,地壳的减薄和伸展是第二阶段的产物,裂谷作用是区域应力场的被动响应。
2.苏丹裂谷盆地的地质背景
苏丹南部裂谷盆地( Muglad盆地和Melut盆地等)位于非洲板块中部,是在稳定的前寒武系基底之上发育的中、新生代裂谷盆地。通过对中非剪切带的构选演化史、盆地发育特征和沉积充填层序的对比分析认为,苏丹裂谷盆地群在早白垩世具有典型的被动裂谷盆地的性质·晚白垩世为过渡性质，到第三纪则主动裂谷盆地的特征更加明显。多期裂谷的叠置增加了盆地的复杂性,也增加了油气勘探的难度。
2. 1盆地的形成和演化
2. 1. 1裂谷盆地的形成机制
中非剪切带实际上是由一系列走滑断层组成的断裂带.走滑作用的强度由西向东变弱.在西非的Doba盆地走滑作用形成的花状构造十分发育,而到Muglad盆地北部的Sufyan坳陷则典型的花状构造不发育。
早白垩世中非剪切带的活动强烈影响和控制着盆地的形成.盆地经历了剧烈的拉张沉降。裂谷作用一直持续到阿尔布期,与南大西洋的初次分离、Benue海槽的扩张在时间上相当。这一区域性的裂谷作用在非洲中部形成了一系列的沉积盆地,沉积了巨厚的下白垩统,如尼日利亚的Benue盆地、尼日尔的Termit盆地、乍得的Doba盆地、Doseo盆地、Bongor盆地、Salamat盆地.以及苏丹的Muglad盆地、Melut盆地和肯尼亚的Anza盆地等。
第二次裂谷作用主要发生在晚白垩世,非洲和南美板块在距今l05Ma时完全分离,到晚白垩世末.中非剪切带的走滑活动停止。而与此同时.由于非洲板块与欧洲板块开始碰撞,区域应力场发生变化,在非洲板块内形成南北向挤压的构造环境造成中西非大多数东西向盆地发生反转,如Bongor和Bagarra等盆地。而北西向的Termit、Muglad、Melut和Anaza等盆地没有上隆而是继续沉降,在晚白垩世发育了另一套裂谷期沉积,如Muglad盆地的上白垩统主要发育在中部的Kaikang凹陷和Nugara东部凹陷,沉积厚300～lOOOm的滨浅湖相地层,而两侧的凹陷上白垩统很薄,并且以砂岩为主。Melut盆地也是以砂岩为主。
进入古近纪，中非剪切带活动停止(在Doba和Doseo等盆地断层活动基本止于白垩系顶).但北西向分布的裂谷盆地则进入了新的裂谷发育期,如西非的Termit盆地古新世裂谷在又一次裂谷发育期中沉积了近5000m厚的地层:东部的Muglad、Melut和Anza等往地受红海分离和东非裂谷作用的影响,第三纪也进入了一个新的裂谷发育期,裂谷作用二直延续到渐新世末,沉积了近3000m厚的地层。
2. 1. 2岩浆活动
苏丹盆地北部裂谷扩张量小,没有重要意义的岩浆活动,有"冷始"裂谷之称。最老的岩浆岩在Blue Nile盆地的喷出玄武岩与湖相泥岩互层段钻遇.时代为晚侏罗世.同时也证实在距今80～83 Ma存在火山活动,但没有明确其属性。在Muglad盆地西北(6区)钻遇90m厚的粒玄岩,说明新生代火山中心沿该盆地北边分布,并从Darfur地区向Bayuda沙漠伸展，在Darfur地区有一个主要火山岩套中心,两个火山岩系列,从碱性玄武岩到响岩有一个不整合面分界,年龄为距今14～23Ma.被认为是第一期活动;第二期活动(距今2Ma以来)顶点约在距今0.06Ma,导致一些地层中含有大量的锰铁镏石。
2. 1. 3热环境特征
据苏丹盆地探井流体包裹体和镜质体反射率测定推算.该区地热梯度在早白垩世为2. 4～3. 1 oC/1OOm,热流值为56～62mW/m2,古近纪地热梯度达到4.65oC/lOOm。因此.本区具有早期地热梯度低、晚期增温的特征。而渤海湾盆地古近纪热流值可达约83.7mW/m2.地热梯度达到3. 5～4. 5oC/100m,与苏丹盆地古近纪接近。
2.2盆地的构造样式
Muglad盆地多期断拗旋回明显.裂谷作用空间位置变化较大,走向上也有一定变化,纵向3期裂谷作用表现为强-弱-强,裂谷翘倾作用较弱,扭动作用相对较强,半地重是最主要的构造组合形式。
2.2. 1陡断面半地主斜列分布
Muglad盆地断层以陡断面为主.不同凹陷边界断层和主干断层的倾角在30°～60° .集中分布在45o，且多以多米诺式排列。通过典型地震大剖面的平衡剖面分析发现.裂谷的主要伸展期在早白垩世.占总伸展量的50%左右。由于断层面相对较陡.盆地总体伸展量较小.约为17.2%。而渤海湾盆地由于莫霍面隆起的幅度很大.产生一系列呈规律性展布的缓断面正断层.多数断层的断面为上陡下缓的犁式.倾角30°～50° 古近纪同裂谷期伸展率一般大于20%.最高可达100%以上。因此.绝大部分凹陷的总体构型为大型半地堑。
2. 2. 2多旋回半地堑垂向叠加
苏丹裂谷盆地是3期裂谷活动演化的结果.不同时期半地堑在垂向上往往叠置。如Muglad盆地Abu Gabra期.由于基底结构和中非剪切带活动剧烈.发生区域构造伸展作用.裂陷走向以北北东向为主.沉积物明显受到凹陷边界生长断层的控制. Abu Gabra组下段为潮湿条件下的欠补偿沉积.以深湖相暗色泥岩为主夹粉砂岩、砂岩.而上段沉积时湖盆浅而广.以粉一 细砂岩与暗灰色一灰色泥岩薄互层为主; Darfur群的沉积以砂泥岩交互为特点.厚度受断层控制.在Baraka组顶面存在白垩系与古近系的不整合面; Nayil组、Tendi组沉积期为盆地的第三裂谷阶段.以强烈的断陷活动为主要特征.裂陷方向为北东向.其特点是受断层活动强烈控制.范围集中.沉积厚度大.盆地中央的Kaikang凹陷和努东凹陷为沉降和沉积中心.累计厚度可达4000m。
3.含油气系统特征
被动型裂谷形成的构造环境与主动型裂谷的差异.决定了在含油气系统特征上有其特殊性:烃源岩相对单一，储集体的来源决定了其物性相对更好一些.圈闭类型相对单一.但后期新生裂谷的叠置导致其油气分布规律明显不同于主动型裂谷含油气系统。
3. 1发育一套优质烃源岩
Muglad盆地和Melut盆地早白垩世强烈伸展的断陷活动为形成断陷型深湖盆和优越的成烃环境提供了先决条件.并促使广泛发育富含湖生生物的半深湖一深湖相暗色泥岩沉积.形成下白垩统主力烃源岩.有机质类型以II型为主。烃源岩热演化分析表明.白俄系烃源岩成熟深度在2500～2900m。苏丹裂谷盆地早白垩世低地温、古近纪增温.导致下白垩统的烃源岩在古近纪末才大量生烃.油气具有晚期成藏的特点。
3. 2石英砂岩和长石石英砂岩是优质储集体
Muglad盆地和Melut盆地的基底都是古老的前寒武系结晶基底.在自主纪前经历了长期的风化剥蚀.由此决定了物源中岩屑含量低、抗压实的石英含量高.导致主力储集层以中-高孔的石英砂岩和长石石英砂岩为主。但盆地的构造位置和演化的差异.决定了Muglad盆地和Melut盆地的储集层在时间和空间上的分布及作用有明显差异.如Melut盆地Yabus组和Samma组砂岩的石英含量平均值达到80%以上.孔隙度超过25% .渗透率大于1000mD; Muglad盆地Bentiu组砂岩的石英含量平均值达到74%。上述物性值明显高于渤海湾盆地的主力储集层。
3.3区域盖层的变化控制油藏特征
选取Muglad盆地不同凹陷的20口探井.分析Aradeiba组井段的测井盖层封盖性.发现相同深度、相同岩性的Aradeiba组泥岩的封盖性具有靠近中非剪切带差、远离中非剪切带变好的特点.这与Bentiu油藏原油物性的横向变化一致。
4.油气藏分布特征
苏丹裂谷盆地油气藏的形成和聚集有别于中国东部.具有其自身的成藏特点。
4.1 Muglad盆地反向断块油气成藏
在Muglad盆地.晚白垩世和古近纪裂谷叠置.使得下白垩统的构造更加破碎.大量早期的隆起和背斜进一步被断裂切害.形成一系列的反向断块圈闭。上白垩统Aradeiba组区域盖层的广泛分布使得大量油气直接聚集在Bcntiu组和Aradeiba组储集层中.形成了大量的反向断块的油气藏.统计结果,70%以上的探明储量分布在Bentiu组，Aradeiba组的反向断块圈闭中。
4.2 Melut盆地跨时代油气聚集成藏
Melut盆地在晚白垩世由于沉降不明显，缺乏大型滨浅湖相沉积，代之以巨厚的大面积分布的砂岩为主，因此地层的砂地比远高于Muglad盆地。同时统计得出，上白垩统上段的砂地比远高于下段（上段砂地比一般为55%-83%，而下段为47%-65%），所以上白垩统缺乏区域性分布的大套泥岩作为油气聚集的盆层条件，导致下伏的下白垩统烃源岩生成的油气眼断层垂向运移到古今系裂谷期层系中聚集。到目前为止，发现有95%以上的探明储量分布在古近系，如Palogue油田等。
而渤海湾盆地断陷期多旋回的特点决定了在同裂谷期层系中形成多套生储盖组合，油气主要运移和聚集在同裂谷期层序中。
4.3 平面上构造调节带控制油气富集成藏
构造调节带（或传递带，变换带）是裂谷盆地的重要构造类型，也是有利砂体和有利成藏族和发育的地区，因此，是油气富集的优势场所。苏丹盆地多期裂谷的叠置，使得构造调节带对油气聚集更为重要。根据条接待的规模和特征，划分出两级调节带，一级是凹间构造调节带，二是凹内构造调节带。如在Muglad盆地Bamboo凹陷和Unity凹陷之间的转换带是典型的凹间调节带，是早期形成的继承性古隆起，后期的断层和发现了EI Toor Toma South,Wizeen,Wizeen North,EI Nar EI Nar North,EI Harr和Faras East等油田，而且大多数为高产油田。该带的局部圈闭多位反向断块类型，产油层都为Bentiu组，Aradeiba砂岩，其探明储量占两个凹陷总探明储量的20%。凹内调节带更加有利于油气的富集，Fula凹陷中Fula-Moga调节带探明储量占整个凹陷总储量的97%，其中95%聚集在Bentiu组反向断块中。在Melut盆地，Palogue调节带是有利的油气富集区，发现了Palogue大油田。
4.4 油藏压力系数正常或偏低，油气比低，底水氧化普遍
Melut盆地Adar组埋深一般小于1500m，盖层的质量总体只能作为油盖层，后期的构造活动导致油藏的油气比很低，油藏绝大多数为正常压力系统或偏低的压力系统，如Palogue油田，其压力系数为0〉78～1.0,油气比在1～3.7。另外，油藏的原油物性受埋藏深度的控制明显，Samma组大套砂岩埋深较浅，受底水氧化和生物降解作用的影响，普遍存在底部重油带;Yabus组，Samma组不同油层亦有随深度增加原油密度增大的现象。而在主动裂谷盆地中.如中国东部的渤海湾等盆地、北非的锡尔特盆地和欧洲的北海盆地等,普遍存在异常高压和较高的油气比等特征。
5.与中国东部主动裂谷盆地的对比分析
中国现代石油地质理论是在中国东部裂谷盆地的勘探开发过程中形成和发展的,是主动裂谷盆地石油地质学的经典。在20世纪50至60年代松辽盆地的勘探生产中,提出了"源控论"等油气成藏和勘探理论;到70年代.在渤海湾盆地勘探实践的基础上,提出了复式油气聚集(区)带理论:随着地球物理勘探技术的提高,非构造油气藏逐渐成为东部裂谷盆地的重要勘探目标;在复式油气聚集理论和含油气系统思想的指导下,最近又提出了"满凹含油"论,为富油气凹陷的勘探提供了新的思路和方法。已经形成的并具有独特性的"主动裂谷盆地油气藏形成和分布规律"与苏丹被动裂谷盆地的油气藏形成和分布特征明显不同,以渤海湾盆地为例.概括对比分析见表1。
表l. 主动裂谷盆地和被动裂谷盆地石油地质特征对比表
特征
主动裂谷盆地(渤海湾盆地)
被动裂谷盆地(苏丹盆地)
伸展模式
隆起伸展.重力扩张和底辟作用.后裂谷期热沉降量较大
以纯剪切或简单剪切为主.后裂谷期沉降量较小.往往上覆新生的主动裂谷盆地
盆地和断陷规模
盆地规模大,由若干半地笙组成,单个地笠规模约3000km2.具明显继承性
盆地规模相对较小.山3~10个半地堑组成,平面斜向排列，迁移性明显
沉积充填
同裂谷期层序由多个粗细粗旋回组成,夹火山岩，砂体呈环带状分布
同裂谷期层序由单的粗-细-粗旋回，火山岩不发育，调节带控制主力砂体分布
烃源岩类型与分布
同裂谷期湖盆范围广，有效烃源岩面积占断陷总面积的60%以上
同裂谷期湖盆范围靠近边界断层分布，有效烃源岩面积一般小于断陷面积的60%
火山活动
早期火山活动强烈，具典型的碱性镁铁质，长英质的双态成分
早期缺乏火山运动
地热史
同裂谷期为高地温（地热梯度一般大于3.0oC/100m）,且逐渐降温
同裂谷期为低地温（地热梯度一般小于3.0oC/100m）
断陷几何特征
半地堑为主，发育中央背斜构造带，边界断层的断面一般较缓，以犁式为主
半地堑为主，不发育中央背斜构造带，边界断层的断面一般较陡，以多米诺式为主
伸展量
伸展量大，一般大于30%
伸展量较小，一般小于20%
主要圈闭类型
披覆背斜，滚动背斜，潜山
反向断块，披覆背斜
主要成藏带类型
中央背斜构造带，潜山带，挠曲带
横向构造调节带，转换构造带
油气藏分布
分布层位由盆地边部向中心变新，构造带和岩相带控制油气分布，油气主要富即在同裂谷期层序中
分布层位远离剪切带变新，构造调节带控制油气分布，油气主要富集在后裂谷期层序和/或上覆的新生的同裂谷期层序中
6.结论
苏丹裂谷盆地是在晚中生代大西洋开启诱导中非剪切带走滑背景下张扭作用形成的被动裂谷盆地,3期裂谷垂向叠置,早白垩世具有典型的被动裂谷盆地性质,晚白垩世呈过渡性质,到古近纪则主动裂谷特征明显。裂陷早期几乎没有火山活动,在整个同裂谷期的后期才有火山活动,地热梯度一般小于3.0oC/lOOm,通常为2. 5～3. 3oC/lOOm。由于同裂谷期断陷的伸展具有稳定性,因此不存在(或存在不明显)多个次级的沉积旋回,只发育一套烃源岩,后期的沉降作用不明显,以粗碎屑沉积为主。盆地结构以半地堑为主,边界断层一般较陡,且以多米诺式断层为主,伸展量较小(伸展因子一般小于20%)。油气储量主要分布在后裂谷期层序中或上覆的新生裂谷层序中,油气藏主要圈闭类型在Muglad盆地以反向断块为主,在Melut盆地的古近系层序中以大型披覆背斜为主;凹间和凹内构造调节带是主要的油气聚集(区)带。
苏丹裂谷盆地的油气藏形成和分布与中国东部的主动裂谷盆地具有明显的差异。
信息来源：石油勘探与开发2006.3期
