滇东北新生代盆地构造反转与生物气藏的形成

侯宇光^1,2，何生^1,2，唐大卿^1,2

(1. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；

2. 中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074)

摘要：利用二维地震测线，结合地质和钻井等资料，通过开展详细的构造和沉积解释，分析滇东北褶皱带上的曲靖、越州和陆良3个残余型陆相沉积盆地的构造特征、形成演化和成因联系，特别对渐新世末和上新世末2期重要的构造反转进行较系统地综合研究，分析构造反转活动对生物气成藏条件的控制作用。研究结果表明：渐新世末的构造反转避免了蔡家冲组沉积有机质的大量消耗，促使了蔡家冲组主力烃源岩的二次产气，保障了第四纪以来生物气成藏的有机物质和气源的持续供给；上新世末的构造反转控制了生物气成藏要素的有利时空配置，控制了滇东北新生代盆地生物气藏的形成。中央断凹带及其与断褶带和斜坡带的过渡区带具有良好的生物气生成、运聚和保存条件，为生物气藏富集区带。

关键词：成藏条件；生物气；构造演化；构造反转；滇东北

中图分类号：TE122          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2238-09

Tectonic reverse of Cenozoic basins and its relationship with the biogas accumulation in north-east of Yunnan Province

HOU Yu-guang^1,2, HE Sheng^1,2, TANG Da-qing^1,2

(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education,

China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

2. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Abstract: Through tectonic and sedimentary interpretation, using two-dimensional seismic lines combining with geological data and well logs, the tectonic characteristics, evolution and genetic relationship of Qujing, Yuezhou, and Luliang basins locating in the fold zone of north-eastern Yunnan Province were discussed, and the effect of tectonic reverse during the Late Oligocene and the end of Pliocene on the accumulation elements of biogenic gas was analysed. The results show that as a result of tectonic reverse of the Late Oligocene, the over-consumption of the organic matters in Caijiachong Formation by organic maturation and hydrocarbon generation or biogas generation was significantly avoided. It ensured the continuous-effective biogenic gas formation providing to the biogas accumulations since Quaternary. The tectonic reverse in the end of Pliocene made the essential elements for the process of biogas accumulation to be placed effectively in time and space, and controlled forming of the biogas reservoir. The middle fault-dowenwarp belt and its transition region with the fault-fold belt and slope belt are the favorite prospecting areas of biogas reservoirs in the basin.

Key words: elements of biogas accumulation; biogas; tectonic evolution; tectonic reverse; north-eastern Yunnan Province

滇东北褶皱带之上分布的曲靖、越州和陆良盆地，是新生代沉积时期印度板块与欧亚板块“陆陆”碰撞，东部多个洋壳向西俯冲的区域构造背景下发育起来的陆相沉积盆地。近年，在该地区相继发现了陆良大嘴子构造生物气藏、曲靖凤来村构造生物气藏和陆家台子岩性圈闭生物气藏。前人从构造演化、烃源岩及含气系统、生物气成藏条件和控制因素等方面对陆良和曲靖盆地开展了较为系统的研究^[1-10]。针对盆地的成因演化，一般认为是在上新世以来的拉张背景下形成的拉分盆地^[1,3-4]，但最新资料表明：3个盆地均存在明显的和可对比的不整合面，最大剥蚀厚度为800~  1 000 m，在不到2 Ma中沉积近3 000 m的地层，这说明盆地的形成中期曾发生过明显的构造反转运动；现今盆地展布的挤压构造样式并不是在走滑拉张过程中产生的，而是在盆地演化后期的挤压并伴有走滑的构造应力场中形成的^[5-9]。有研究人员已从古生物、岩性和沉积相突变，地震反射界面和测井曲线等多方面进行了研究，并应用层序地层学原理进行地层的划分对比，总体上认为滇东北新生代盆地经历了从渐新世到上新世末的拉张断陷—挤压反转—拉张坳陷—挤压反转的构造演化过程^[5-8]。其中，在喜山运动的挤压应力作用下，渐新世晚期和上新世末盆地发生的2次构造反转，对生物气的聚集和成藏起到了重要的控制作用。本研究将3个盆地作为整体研究对象，从区域构造演化史和盆地之间的成因联系入手，探讨滇东北新生代盆地构造反转对生物气藏形成的控制作用。

1  盆地反转构造特征

曲靖、越州和陆良盆地位于扬子地块西缘与康滇地块交接处，是叠置在古生界碳酸盐岩褶皱基底之上的古近系—新近系残留型盆地，为典型的不对称箕状断陷。3个盆在平面上沿磨戛—堡子上断裂带呈串珠状分布，其形成演化明显受北东走向的师宗－弥勒断裂系和南北走向的小江断裂系控制(见图1)。在盆地外围可见古近系地层的零星分布，表明其原始的盆地范围可能更广阔，三者在沉积发育期可能为统一盆地，在遭受后期构造抬升-剥蚀作用之后，才分割成现今的独立盆地。

3个盆地均可进一步划分为断褶带、断凹带和斜坡带3个二级构造单元(图2)。由于受后期构造挤压作用程度的不同，3个盆地的变形强度及构造样式有一定的差异：由陆良、越州向曲靖盆地反转变形的强度逐渐增加，正断层反转的程度逐渐增大，逆冲断层数量明显增加；盆地内部的断层类型由以正断、走滑兼挤压为主，过渡为以逆冲挤压兼走滑性质为主；断层的剖面组合形式由简单的平行断块、阶梯状、“帚状”、“Y字型”向复杂的 “正花状”和逆冲程度较大的简单逆冲断层变化。

图1  滇东北新生代沉积盆地区域构造位置略图

Fig.1  Sketch of regional tectonic location of Cenozoic sedimentary basins in north-east of Yunnan Province

断褶带位于盆地主控断裂一侧的边界狭长地带，构造最为复杂，可见明显的角度不整合，边界正断层发生强烈的构造反转，并伴生次级逆断层和牵引褶皱。主断层在平面上平行排列，断距大，延伸长，呈凸出的“弓形”，主次断层斜交排列，在剖面上组成“帚状”、“Y字型”和局部不规则“正花状”组合(见图2)。

断凹带分布于盆地中部，是盆地沉降和沉积的中心，其反转强度最弱，上下第三系地层以平行不整合接触，以“弓形”大断裂的中心位置为凹陷的中心部位。该单元以简单向斜为主要特征，仅在越州和曲靖盆地发育少量的下正上逆或者小型的反转逆断层。

图2  滇东北新生代盆地典型构造剖面

Fig.2  Geological interpretation of seismic reflection profiles of Cenozoic sedimentary basins in Yunnan province

斜坡带分布于盆地的缓斜部位，面积最大，地层逐渐向上抬升超覆于基底老地层之上，可见明显的角度不整合，反转强度较大，主、次断层在剖面上组成“阶梯状”、“花状”构造组合(图2)，并发育了一系列小幅度牵引背斜，该区是主要的构造圈闭勘探区带。

3个盆地成因相似，其沉积地层可以从岩性变化、沉积相、地震反射界面和测井曲线等方面进行对    比^[6-7,10]。最新研究成果表明：曲靖盆地可划分为古近系和新近系2套地层^[5-7]，相应地可将陆良和越州盆地的地层按照曲靖盆地的标准进行重新统一划分(表1)。

2  构造反转发育史

根据最新的地层对比成果，曲靖、越州和陆良盆地形成演化阶段的划分就发生了质的变化，总体上可以划分为早-中渐新世断陷阶段、渐新世晚期—上新世早期整体抬升—构造反转阶段、晚上新世坳陷阶段和上新世末压扭抬升—构造反转阶段等4个阶段。

2.1  断陷阶段

渐新世开始(38~25 Ma)，随着特提斯和印度板块向北运动，印支板块被右旋式挤出，红河断裂带处于快速左行走滑阶段(38~25 Ma)，南海开始扩张(36 Ma以来)，扬子板块和华南板块相对向西北移动，滇东北地区发生顺时针的旋转(见图3(a))^[11-15]。

区域性的右旋导致了研究区的右行旋转(图3(b))。在区域应力作用下，师宗—弥勒断裂带和宣威断裂带发生挤压兼右行走滑活动，而受其限制的堡子上—磨戛断裂则发生了左行走滑活动。研究区北东向次级断层的运动方向与主滑移方向相同，发生了较大规模的右行走滑。因此，在南北向堡子上—磨戛断裂与北东向断裂的交汇部位发生了伸展沉降，在曲靖至陆良地区内形成了面积较现今大得多的拉分-断陷盆地，沉积了小屯组和较厚的蔡家冲组地层。

表1  曲靖、越州、陆良盆地地层对比划分表

Table 1  Strata correlation of Qujing, Yuezhou, and Luliang basins

2.2  整体抬升-构造反转阶段

渐新世晚期(25~5 Ma)，特提斯洋关闭、印度大陆东突刺入与滇西之间发生陆-陆收敛活动，加之太平洋板块的北西西向挤压，西部各地块发生强烈碰撞，发生了喜山Ⅱ幕的挤压构造运动。该时期，南海的二次扩张逐渐停止(至16 Ma)，红河断裂带进入了左行走滑逐渐减慢，即进入停止阶段(25~5 Ma)^[11-15]。区域上以风化剥蚀作用占优势，造成了中新世晚期与上新世早期沉积缺失，总体处于准平原状态。

研究区在东西向挤压为主的应力场中发生隆升，致使沉积间断，地层遭受不同程度的剥蚀。在越州盆地小石桥地区可见下第三系蔡家冲组与上第三系茨营组呈角度相差很小的不整合接触(见图4(a))。在越州、曲靖和陆良盆地的地震剖面上均可观察到本次运动对盆地结构的影响，控陷断层发生强度较弱的正反转，局部形成不整合接触，T₃界面以下的蔡家冲地层未见强烈的褶皱和逆冲断层的冲断现象，以整体的抬升和剥蚀为主(见图2)，曲靖盆地剥蚀厚度为800~1 300 m，越州和陆良盆地的剥蚀强度较小，其中陆良盆地剥蚀厚度为700~900 m。在此次长期的整体抬升和剥蚀作用下，盆地内沉积地层的厚度和分布面积均明显    减小。

2.3  坳陷阶段

早上新世末(5 Ma)，地壳运动又逐渐活跃，断裂活动增强。红河断裂带进入了右行走滑阶段，被红河断裂带和小江断裂带夹持的滇中菱型块体向东南侧滑动，引起南北向的鲜水河—小江断裂系的左行走滑(4~2 Ma)^[11-17]。进而导致了师宗—弥勒断裂带与宣威断裂带发生左行滑动，磨戛—堡子上断裂在2条断层的夹持下亦发生了左行走滑活动(见图5(a))。

在此阶段，研究区北东—北北东向次级断层的走滑活动可能相对较弱，而以南北向断层的走滑-拉张作用为主(见图5(b))。曲靖、越州和陆良盆地进入坳陷阶段，沉积盆地范围再次增大，广泛沉积了湖泊、三角洲以及沼泽等含煤的茨营组砂泥岩地层。

2.4  压扭抬升-构造反转阶段

上新世末至更新世初，在印度—澳大利亚板块继续北移，菲律宾海板块朝北西向移动和太平洋板块朝西俯冲的联合作用下，发生了喜山Ⅲ幕运动^[17]。云南范围内的构造活动普遍加强，造成区域上强烈隆升。受东西向挤压应力作用，研究区控陷断裂再次发生了正反转，并新生了许多次级的逆冲断层，使得盆地内部地层被抬出地表，在发生褶皱变形的同时遭受了短暂的夷平剥蚀，统一盆地逐渐萎缩，并被分割为3个小型的残余盆地。

图3  渐新世早-中期区域应力场和研究区应力椭圆分析简图

Fig.3  Regional stress field and stress ellipse of studied area during early to mid Oligocene

图4  越州小石桥、曲靖堡子上和陆良鱼塘村地质剖面

Fig.4  Diagram of Xiaoshiqiao geologic section of Yuezhou basin, Puzishang geologic section of

Qujing basin, and Yutangcun geologic section of Luliang basin

在曲靖盆地的堡子上地区和陆良盆地的鱼塘村地区可见此次运动在盆地东部边缘形成的宽缓褶皱(图4(b)和(c))。在曲靖、越州和陆良盆地的地震剖面上可以见到典型的正花状构造，显示了挤压兼走滑的断裂性质。这种正花状构造多出现在盆地的边界断裂和盆内大型控制沉积的断裂附近，而在盆地的缓坡常发育小型的逆冲断层，并伴生幅度不同的褶皱构造。从地震剖面反映的变形强度来看，整体上曲靖最强，越州次之，陆良最弱，本次构造反转造成陆良盆地剥蚀厚度在400 m左右，而曲靖盆地剥蚀厚度在500~800 m之间。

图5  上新世末区域应力场和研究区应力椭圆分析简图

Fig.5  Regional stress field and stress ellipse of study area in end of Pliocene

3  构造反转对生物气藏形成的控制作用

虽然发生在中新世和上新世末的2次构造反转导致的区域抬升和断褶作用使盆地整体抬升遭受强烈的剥蚀，盆地的范围及地层厚度都有较大程度的减小，且破坏了早期的生物气聚集，但从另一角度，却促使了蔡家冲组主力烃源岩的二次产气以保障气源的持续供给，形成了生物气成藏要素的有利时空配置，并最终控制了滇东北新生代盆地生物气藏的形成^[6-7]。

3.1  构造反转控制蔡家冲组主力烃源岩的二次产气

国内外的研究表明：由于生物气本身的扩散和渗透能力极强，容易通过盖层或遮挡层向上逸散，生物气一般是晚期或后期成藏^[18-22]。而且工业性天然气藏均处于逸散和补充的动态平衡之中。因此，在生物气晚期成藏的过程中，持续气源是成藏的物质保障。作为残留型盆地，滇东北新生代盆地之所以能发现具有工业价值的生物气藏，在很大程度上取决于生物气的不断生成和注入。恰恰是因为发生了中新世的抬升剥蚀，使得大部分蔡家冲组气源岩被抬升脱离了有利于生物气生成的深度和温度，而且抬升前除了沉积中心深部地层刚过生油门限外，其他大部分气源岩均未成熟，保存了生物气产生的物质基础(见图6)。地表水经构造运动产生的断裂渗入气源岩，使其暂不具备甲烷菌大规模活动的水介质和强还原条件，避免了蔡家冲组中成烃母质过早地被大量消耗^[23]。上新世晚期盆地再度下陷，气源岩被再次深埋，当逐渐达到有利于甲烷菌活动的深度、温度范围和有利于生物气生成的还原环境，蔡家冲组气源岩进入了二次生物气大量稳定生成阶段^[24-25]。并且，由于成烃母质发生过一定程度的成岩转化，所生成的各种有机酸及其他化合物也有利于甲烷菌的代谢作用，促使生物甲烷气的形成^[18]。由此可见：正是中新世的抬升剥蚀避免了蔡家冲组沉积有机质的大量消耗，保障了第四纪以来生物气成藏所需的有机物质。中新世的构造反转为生物气晚期成藏需要的持续气源提供了物质保障。

3.2  构造反转控制成藏要素的有利时空配置

目前所发现的工业性生物气藏和具有良好生物气显示的井段多位于不整合面附近和发育有通源断层的地区(见图7)。上新世末的构造反转，形成的断鼻、断背斜等构造圈闭和不整合面附近的构造－岩性复合圈闭，成为生物气主要运聚指向，为生物气成藏提供了有利的聚集场所。而发生反转复活的同沉积期正断层，与新生的逆断层、裂缝系统以及中新世构造反转形成的不整合面构成了有利的输导体系，成为生物气二次运移的主要通道，使得正处于产气高峰的蔡家冲组气源岩排出的生物气运移至茨营组砂岩储层中成藏^[26-27]。

图6  曲靖盆地曲参1井热史和含气系统事件图^[8]

Fig.6  Burial and thermal histories for Qucan 1 well and events of gas system in Qujing Basin

图7  曲靖盆地陆家台子岩性圈闭生物气藏^[8]、凤来村构造气藏^[8]和陆良盆地大嘴子构造气藏剖面

Fig.7  Diagram showing Lujiataiz lithologic gas pool in Qujing basin, Fenglaicun structural gas pool and

Dazuizi structural gas pool in Luliang basin

在蔡家冲组主力气源岩进入二次产气阶段的同时，茨营组的气源岩在埋深过程中也逐渐开始产气，并逐渐向茨营组岩性圈闭中聚集。但是，生物气的有效聚集成藏开始于上新世末的构造反转阶段。反转构造的发育时期与生物气成藏形成了良好的匹配     关系^{[7, 28]}：此时蔡家冲组气源岩正处于二次产气高峰，构造运动不但改造了岩性圈闭，产生了众多构造圈闭、构造－岩性复合圈闭，而且活动的断层、裂缝等形成有利的输导通道使深处气源岩生成的生物气运移到圈闭之中聚集成藏，并维持气藏逸散和补充的动态平衡。

因此，上新世末的构造反转使圈闭的发育、输导体系和生物气的持续生成之间形成有利的时空匹配，共同控制了晚期生物气藏的形成。

4  生物气藏有利区带预测

构造反转对生物气藏形成有利也有弊：适度的构造反转既可以形成逆冲断块和低幅度背斜等新的圈闭类型，断裂发育又可以为生物气运和聚提供良好条件；强度过大的构造反转也会使构造圈闭保存条件变差，不利于生物气藏的形成和保存。

通过3个盆地的对比，曲靖盆地遭受构造抬升剥蚀的程度最大，特别是上新世末的构造反转盆地东部边缘相对抬升过高，逆冲断层十分发育，地层破碎，因而未形成良好的构造圈闭，其有利的构造圈闭主要发育于西部斜坡带等构造反转强度相对较弱的区域；陆良盆地构造反转强度相对较小，所以，在其东部主断裂的压扭反转过程中形成了规模较大的大嘴子构造生物气藏；越州盆地构造反转程度中等，但由于其断陷规模较小，生气能力较弱，虽形成了适当的构造圈闭，却无法形成大规模的生物气聚集。

在盆地内部，中央断凹带及其与断褶带和斜坡带的过渡区带为最有利的生物气藏富集带。这些区带紧邻深洼陷，靠近蔡家冲组深湖—半深湖相区，泥岩厚度大，埋深适中，生物产气强度大；产气层与盆地边缘大气水渗滤带隔绝，有利形成有利于甲烷菌活动的还原水介质环境；储层以具有良好孔渗性的粉、细砂岩为主，发育岩性圈闭和岩性－构造圈闭；封盖条件优越，频繁的砂泥互层，泥岩比例高，封盖能力和生物甲烷浓度封闭条件好，而且断层密度远小于边界断裂带和斜坡带，有利于气藏的保存。

5  结论

(1) 根据最新的地层对比成果，曲靖、越州和陆良盆地的形成演化可以划分为：早-中渐新世断陷阶段断陷阶段、渐新世晚期—上新世早期整体抬升—构造反转阶段、晚上新世坳陷阶段和上新世末压扭抬升—构造反转阶段。

(2) 渐新世末的构造反转避免了蔡家冲组沉积有机质的大量消耗，控制了蔡家冲组主力烃源岩的二次产气，保障了第四纪以来生物气成藏的有机物质和气源的持续供给；上新世末的构造反转使圈闭和输导体系的发育和生物气的持续生成等生物气成藏要素构成了有利的时空配置，控制了滇东北新生代盆地生物气藏的形成。

(3) 据反转强度和变形样式上的差异，3个盆地中陆良盆地的勘探潜力最大，曲靖次之，越州最弱；盆地内部，中央断凹带及其与断褶带和斜坡带的过渡区带具有良好的生物气生成、运聚和保存条件，是生物气藏有利的富集区带。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-06-05；修回日期：2011-08-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40802023，41072093)；中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUGL110247)；中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室开放基金资助项目(TPR-2009-22)

通信作者：侯宇光(1979-)，男，吉林松原人，讲师，博士，从事油气地质、盆地分析教学和科研工作；电话：18986006901；E-mail：sporthyg@126.com