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肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用

贾屾

贾屾. 肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用[J]. 海洋地质前沿, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
引用本文: 贾屾. 肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用[J]. 海洋地质前沿, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
Jia Shen. TYPE AND EVOLUTION OF RIFT BASINS IN NORTHERN KENYA AND ITS IMPORTANCE TO SOURCE ROCKS[J]. Marine Geology Frontiers, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
Citation: Jia Shen. TYPE AND EVOLUTION OF RIFT BASINS IN NORTHERN KENYA AND ITS IMPORTANCE TO SOURCE ROCKS[J]. Marine Geology Frontiers, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003

肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
详细信息
    作者简介:

    贾屾(1987—),男,工程师,主要从事石油地质学方面的研究工作. E-mail:371278843@qq.com

  • 中图分类号: TE121.1

TYPE AND EVOLUTION OF RIFT BASINS IN NORTHERN KENYA AND ITS IMPORTANCE TO SOURCE ROCKS

图(7)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-16
  • 刊出日期:  2017-02-28

肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用

doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
    作者简介:

    贾屾(1987—),男,工程师,主要从事石油地质学方面的研究工作. E-mail:371278843@qq.com

  • 中图分类号: TE121.1

摘要: 东非裂谷东支包含多个盆地,面积大,勘探程度低,构造演化复杂。以肯尼亚北部South Lokichar, Kerio及Turkana盆地为例,在区域构造、沉积及地球化学等资料的基础上,对裂谷盆地类型、构造演化和沉积充填及其对烃源岩的影响进行了详细分析。研究认为:South Lokichar盆地为被动裂谷,Kerio及Turkana盆地为主动裂谷。South Lokichar盆地经历了初始裂陷期、快速裂陷期及裂陷后期3个阶段,为一个完整的旋回;Kerio和Turkana盆地形成演化主要是受火山事件的控制,呈幕式拉张,此地区主要发生2期火山事件,对应着2期沉积旋回。裂谷演化控制烃源岩发育,South Lokichar盆地快速裂陷期发育大面积中深湖沉积环境,形成生烃指标优越的厚层泥岩;裂陷后期沉积地层厚度适宜,烃源岩恰处于成熟阶段,这2个阶段较好的匹配形成了优质烃源岩。Kerio和Turkana盆地2次火山事件形成中深湖沉积环境,但是持续时间短,分布面积较小,同时强烈的火山喷发使得中深湖相沉积中凝灰岩含量很高,烃源岩厚度仅为20~50 m。烃源岩厚度薄是Kerio和Turkana盆地暂无发现的主要原因。

English Abstract

贾屾. 肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用[J]. 海洋地质前沿, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
引用本文: 贾屾. 肯尼亚北部裂谷盆地类型和演化及其对烃源岩的控制作用[J]. 海洋地质前沿, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
Jia Shen. TYPE AND EVOLUTION OF RIFT BASINS IN NORTHERN KENYA AND ITS IMPORTANCE TO SOURCE ROCKS[J]. Marine Geology Frontiers, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
Citation: Jia Shen. TYPE AND EVOLUTION OF RIFT BASINS IN NORTHERN KENYA AND ITS IMPORTANCE TO SOURCE ROCKS[J]. Marine Geology Frontiers, 2017, 33(2): 26-34. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.02003
  • 东非裂谷东支为东非裂谷系的一支,从北自南经过埃塞俄比亚、肯尼亚、坦桑尼亚等国家,总面积约11万km2。东非裂谷东支由多个盆地组成,各盆地相对孤立,盆地间被凸起相隔(图 1)。

    图  1  东非裂谷东支中南段盆地位置

    Figure 1.  Basin locarion map in the middle and southern Eastern Branch of the East African Rift System (EARS)

    前人对于该地区裂谷类型的研究很笼统,认为东非裂谷东支整体是主动裂谷[3],缺乏对单个盆地的详细研究。但是,勘探效果证实各盆地并不相似,目前,仅在South Lokichar盆地发现多个油田,其余盆地均无发现。因此,有必要针对裂谷类型、演化过程及对烃源岩的控制作用做深入研究,为下一步认清各盆地的勘探潜力做准备。本文以肯尼亚北部South Lokichar、Turkana、Kerio 3个盆地为例,对比分析盆地形成机制及对烃源岩的控制作用。

    • 东非裂谷东支演化极其复杂,由多期裂谷叠置,包括二叠—三叠纪裂谷、白垩纪裂谷及新生代裂谷[4, 5],本文探讨新生代裂谷。该区新生代裂谷是全球陆上时代最新的裂谷盆地[6],早渐新世(约31 Ma)Afar地幔柱显著隆起导致东非三叉裂谷形成[7, 8]。目前该地区仍处于活动期,火山活动频繁,埃塞俄比亚和肯尼亚境内大面积区域被火山岩覆盖。火山活动影响东非裂谷东支各盆地的形成演化。

      近年来,随着东非裂谷西支Albert湖盆有大量油发现,多家石油公司逐渐重视对东非裂谷东支的勘探,并于2012年取得突破。但由于受地面条件复杂、政局不稳和经济落后等多种因素的影响,该地区的勘探程度仍较低[9]。肯尼亚北部South Lokichar、Kerio及Turkana盆地勘探程度相对较高。South Lokichar盆地约2 200 km2,据作业者Tullow石油公司公布,South Lokichar盆地已发现8个油田,可采储量约6亿桶;Turkana盆地约6 800 km2,已钻2口探井,全为干井;Kerio盆地面积约2 600 km2,已钻2口探井,全为干井(图 1)。

    • 根据张引力的起因,岩石圈的裂陷作用分为主动和被动两种动力学机制[10]。主动裂陷作用是指软流圈热物质主动上涌,引起岩石圈的水平扩张,裂陷过程是对软流圈和地幔热物质主动上涌的反应。被动裂陷作用中区域应力场是驱动岩石圈发生裂陷伸展的主要动力源,地壳或岩石圈的裂陷伸展可能导致岩石圈底下的软流圈物质的被动上涌;裂谷作用的主动机制和被动机制不是彼此孤立的,裂谷既有“主动”成分,也有“被动”成分,二者相互作用,只是在不同阶段可能表现为不同的动力学机制占优势[11]。主动裂陷和被动裂陷的区别并不在于裂谷盆地演化过程中是否有软流圈的上隆及岩浆发育,而是要看裂谷盆地形成前是否出现区域性的热隆起;另外主动裂谷具有高热流值并伴随有强烈的火山活动,沉积地层中往往含有大量的火山岩,特别是大面积玄武岩的产出[12-15]

      本文研究认为,South Lokichar盆地类型和Turkana、Kerio盆地不同。

    • 上世纪未,国外许多学者基于地震P波速度的变化研究地球结构,发现在莫霍面位置地震速度会有明显的增大,在肯尼亚北部裂谷地幔软流圈物质上涌,地壳厚度明显减薄,在Turkana盆地地壳厚度仅20 km左右,向南地壳逐渐变厚,在South Lokichar处可达30 km以上[16](图 2)。而且北部热流值明显高于南部,在Omo盆地南部有2口钻井,其中S-1井地温梯度约7.5 ℃/100 m,T-1井地温梯度约6.5 ℃/100 m,而在Turkana盆地南部ES-1井地温梯度为2.8 ℃/100 m,Kerio盆地北部E-1井地温梯度为3.7 ℃/100 m。东非裂谷东支于早渐新世(31 Ma)Afar地幔柱显著隆升开始形成,现今埃塞俄比亚境内大面积覆盖始新世—渐新世火山岩;“热点”逐渐向南迁移,中新世以来“热点”迁移至肯尼亚北部,在肯尼亚境内大面积分布中新世以来的火山岩。

      图  2  肯尼亚北部裂谷地壳与上地幔顶部结构(据文献[16]修改,剖面位置见图 1)

      Figure 2.  Structure map of crustal and uppermostmantle in the northern Kenya rift (modified from reference [16]. Its location is shown in Fig.1)

    • South Lokichar盆地已钻多口探井,其中Loperot-1井顶部钻于薄层玄武岩,放射性定年为10.7~12.5 Ma(中中新世),下伏地层年代为渐新世—中中新世,下伏地层不发育火山岩[17, 18]。由此可见,South Lokichar盆地渐新世开始形成,发育过程中没有火山作用参与。此时热隆起位于北部Afar盆地,与South Lokichar盆地距离远,影响较小。

      Turkana及Kerio盆地形成较晚,以中中新世—更新世地层为主,此时热隆起迁移至肯尼亚北部。通过对肯尼亚北部火山岩的K-Ar测年以及地球化学的分析,证实有2期火山活动的高峰:中中新世15~14 Ma、中新世末—上新世初6~5 Ma,并且伴随着裂谷拉张。软流圈上涌是裂谷形成的主要控制因素[19]

      从现今地表来看,South Lokichar盆地西侧控盆断层上升盘为基底出露;而Turkana及Kerio盆地周边被中新世以来的火山岩覆盖。

      综合分析,本文认为SourthLokichar为被动裂谷,Turkana及Kerio盆地为主动裂谷。

    • 主动裂谷和被动裂谷是裂谷盆地的两种极端模式。不同类型的裂谷构造演化和沉积充填过程存在较大差异[20]

    • South Lokichar盆地为西陡东缓的半地堑盆地。该盆地主要发育渐新世—中中新世地层。渐新统包括Loperot Shale及Loperot SS组;下中新统包括Lokhone Shale及Lokhone SS组;中中新统包括Upper Auwerwer组、Lower Auwerwer组及顶部的火山岩。South Lokichar盆地演化经历了初始裂陷期、快速裂陷期,裂陷后期3个阶段。该盆地在渐新世晚期开始形成,Loperot SS组、Loperot Shale组及Lokhone SS组为初始裂陷期。Loperot SS组沉积时期,裂谷刚刚形成,此时盆地是以河流相沉积为主,Loperot-1井揭示砂岩厚度大,中间夹薄层泥岩;Loperot Shale组沉积时期,裂谷进一步拉张,主要发育滨浅湖相及三角洲相,此时,湖泊水较浅,分布范围较小,Loperot-1井揭示岩性为砂泥岩薄互层,含砂率较低;Lokhone SS组沉积时期,裂谷缓慢拉张,此时盆地仍以三角洲及滨浅湖相为主,但是物源供给充足,三角洲范围扩大,Loperot-1井揭示厚层砂岩,含砂率高。Lokhone Shale组沉积时期,裂谷快速拉张,进入快速裂陷期,盆地主要发育中深湖相,湖泊水深,分布范围广,Loperot-1井揭示厚层灰黑色泥岩。Lower Auwerwer组沉积时期进入裂陷后期,湖水逐渐变浅,物源供给充足,东部缓坡发育大面积三角洲相沉积,地震剖面上前积特征明显;Upper Auwerwer沉积时期湖水进一步变浅,三角洲往湖盆中心推进距离更大,Loperot-1井揭示这两个时期发育厚层砂岩,含砂率可达70%以上。中中新世晚期,火山活动剧烈,盆地东部大幅隆升,沉积中断,顶部覆盖薄层玄武岩,此期裂谷演化结束。

      由此可见,South Lokichar盆地演化经历了一个完整的旋回,此旋回是一个相对连续的过程,湖泊遵循浅—深—浅的变化规律,构造演化与火山作用无明显关系(图 3)。

      图  3  South Lokichar盆地沉积模式

      Figure 3.  Sedimentary cross section of South Lokichar Basin

    • 主动裂谷的形成受热事件的控制。在肯尼亚北部主要发生2次大规模热事件,一次为中中新世,地表被中中新世火山岩大面积覆盖,岩性以玄武岩、流纹岩及凝灰岩等喷发岩为主,火山岩定年显示从15至10 Ma都存在,钻井揭示该期火山岩厚度可达1 000 m以上,由此可见,此次火山事件持续时间长,强度大;另外一次为中新世末—上新世早期,约6~5 Ma,在地表广泛分布,岩性以玄武岩、凝灰岩为主,钻井揭示该期火山岩厚度约几十米,此次火山事件强度较弱。Turkana和Kerio盆地形成演化主要受这2次火山事件的控制。

      主动裂谷演化分为3个阶段,第1阶段:软流圈上涌,裂谷开始形成,岩浆沿着断层喷发;第2阶段:热隆起快速上拱,裂谷迅速拉张,在裂谷中心薄弱区火山剧烈喷发;第3阶段:热隆起继续上拱,裂谷进一步拉张,出现湖泊,在湖泊中心发育多个火山,呈条带状分布[21](图 4)。

      图  4  主动裂谷构造演化模式(据文献[21]修改)

      Figure 4.  Tectonic evolution model of the active rift (modified from reference [21])

      Kerio和Turkana盆地经历了2次剧烈的火山事件,存在2个沉积旋回[22]。Kerio和Turkana盆地形成于中中新世,15~10 Ma火山活动剧烈,堆积巨厚的火山岩,局部沉积薄层河流相砂岩;上中新世,裂谷逐渐拉开,早期以河流相沉积为主,后期湖泊开始出现,发育三角洲相与滨浅湖相;中新世末期,又发生一次剧烈的火山事件,裂谷再次快速拉张,发育中深湖相,钻井揭示灰黑色泥岩与凝灰岩互层,厚度较薄,不足100 m;随后湖泊变浅,以三角洲相和河流相为主(图 5)。总的来说,第1次火山事件对应着第1期沉积旋回,裂谷开始形成,火山喷发剧烈,火山岩厚,湖泊范围较小,湖水浅;第2次火山事件对应着第2期沉积旋回,此次火山事件再次促进裂谷拉张,形成中深湖沉积环境,但是此次火山活动较弱,持续时间短,湖水逐渐变浅。

      图  5  Kerio盆地沉积模式图

      Figure 5.  Sedimentary cross section of Kerio Basin

      综上所述,被动裂谷与主动裂谷的形成演化与沉积充填有很大差异。被动裂谷演化是一个较为完整的旋回,以碎屑岩沉积为主,沉积物由粗变细再变粗;主动裂谷演化受火山事件控制,呈多幕拉张,每一期火山事件对应着一期沉积旋回。

    • South Lokichar盆地发育下中新统Lokhone Shale组优质烃源岩。盆地东侧存在该套烃源岩露头,TOC平均为3.59%,HI平均为580 mg/g,Ⅰ/Ⅱ干酪根为主,Ro>0.5%(图 6),干酪根组分以腐泥组的无定形体为主。盆地内Loperot-1井也揭示Lokhone Shale组优质烃源岩,烃源指标与露头相似。盆地内烃源岩厚度可达1 500 m以上,分布面积约1 300 km2

      图  6  South Lokichar盆地露头烃源岩类型分析

      Figure 6.  Source rock types of outcrop in South Lokichar Basin

    • Kerio盆地E-1井及Turkana盆地南部ES-1井在上新统底部钻遇烃源岩。E-1井上新统底部岩性为凝灰岩与灰黑色泥岩互层,厚度约90 m,其中灰黑色泥岩的厚度约20 m,生烃指标优越,TOC:0.83%~3.84%,平均2.83%,HI:403~687 mg/g,Tmax:445~449 ℃,为Ⅰ型干酪根,已成熟。ES-1井上新统底部岩性为玄武岩与灰绿色泥岩互层,厚度约80 m,其中泥岩厚度约50 m,TOC:1.1%~4.9%,平均2.2%,HI:153~247 mg/g,Tmax:435~440 ℃,为Ⅱ型干酪根,已成熟(图 7)。2口钻井揭示烃源岩厚度很薄,仅20~50 m;从地震剖面上看,烃源岩厚度无明显变厚;分布面积约600 km2

      图  7  Kerio和Turkana盆地钻井泥岩样品烃源岩类型分析

      Figure 7.  Source rock types of shale samples from drillings in Kerio and Turkana Basins

    • 由上述分析可看出,South Lokichar盆地烃源岩要远远优于Kerio和Turkana盆地,主要体现在两个方面:①South Lokichar盆地烃源岩厚度远大于Kerio和Turkana盆地;②South Lokichar盆地烃源岩分布面积大于Kerio和Turkana盆地。

      东非裂谷西支Albert湖盆及东非裂谷东支South Lokichar盆地丰富的油气资源都是来源于中深湖相烃源岩。研究区3个盆地气候条件、构造背景、物源体系相似,优质烃源岩的厚度和面积主要取决于中深湖的分布面积和持续时间。而构造演化是控制中深湖相发育的主要因素。

      由上述分析可知,South Lokichar盆地为被动裂谷,快速裂陷期沉降速率迅速变大,湖泊水深快速增加,盆地大面积被中深湖覆盖,而且此阶段持续时间长,可达6 Ma以上,在如此优越的环境下沉积了分布面积广、生烃指标好、巨厚的泥岩;而后进入裂陷后期,湖水逐渐变浅,物源供给充足,以大套砂岩沉积为主,钻井揭示上覆地层厚度为1 000 ~1 500 m,地温梯度为3.2~5 ℃/100 m,烃源岩Ro为0.5%~1.3%,现今正处于排烃高峰期,盆地模拟排油量约120亿m3。快速裂陷期发育大面积中深湖沉积环境,形成生烃指标优越的厚层泥岩;裂陷后期沉积地层厚度适宜,烃源岩恰处于成熟阶段,这两个阶段较好的匹配形成了优质烃源岩。

      Kerio和Turkana盆地为主动裂谷,呈幕式拉张,第1期火山事件强度大,晚中新世湖泊开始形成,湖水较浅;晚中新世末期第2期火山事件发生,促进裂谷再次拉张,形成中深湖沉积环境,但此次火山事件强度小,持续时间短,约1 Ma,导致中深湖相泥岩沉积厚度很薄,分布范围局限;同时,强烈的火山喷发使得中深湖相沉积中凝灰岩含量很高,泥岩厚度仅为20~50 m。而后湖水深度变浅,物源充足,以砂岩沉积为主,钻井揭示厚度为1 500~1 800 m,烃源岩已成熟。虽然生烃指标和成熟度与South Lokichar盆地相似,但是厚度太薄,盆地模拟排油量约0.5亿m3。烃源岩厚度薄是导致Kerio和Turkana盆地暂无发现的主要原因。

    • (1) 结合肯尼亚北部裂谷地壳厚度、东非裂谷东支“热点”迁移规律及火山作用的综合分析认为,South Lokichar盆地为被动裂谷,Kerio及Turkana盆地为主动裂谷。

      (2) SouthLokichar盆地构造演化经历了初始裂陷期、快速裂陷期,裂陷后期3个阶段,演化过程是一个较为完整的旋回,以碎屑岩沉积为主,沉积物由粗变细再变粗;Kerio和Turkana盆地形成演化主要是受火山事件的控制,呈幕式拉张,此地区主要发生2期火山事件,对应着2期沉积旋回,火山岩很发育。

      (3) 构造演化控制烃源岩发育。SouthLokichar盆地快速裂陷期发育大面积中深湖沉积环境,形成生烃指标优越的厚层泥岩;裂陷后期沉积地层厚度适宜,烃源岩恰处于成熟阶段,这两个阶段较好的匹配形成了优质烃源岩。Kerio和Turkana盆地为主动裂谷,呈幕式拉张,2次火山事件形成中深湖沉积环境,但是持续时间短,分布面积较小,同时强烈的火山喷发使得中深湖相沉积中凝灰岩含量很高,烃源岩厚度仅为20~50 m。烃源岩厚度薄是导致Kerio和Turkana盆地暂无发现的主要原因。

参考文献 (22)

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