1. 引言
研究沉积盆地古地温场的意义在于更全面地评价烃源岩的生烃能力。油气的成藏是在一定的温度和深度条件下，经历了漫长地质时期的结果，在地质作用过程中，区域的地热可能随着地质作用发生变化，从而影响油气富集、运聚空间分布等。因此，盆地热史的研究与油气成藏有着密切的关系 [1] 。
东濮凹陷的石油勘探工作始于1955年，1975年钻探的濮参1井获高产油流，至今已发现19个油田，已探明石油地质储量5.18 × 108 t，天然气地质储量515.5 × 108 m3，揭示东濮凹陷的油气资源勘探潜力很大 [2] 。但是，近几年来随着油气勘探开采的程度加大，东濮凹陷油气产量逐年下降，急需在深层(大于3500 m)寻找油气资源。因此，为了评价深层油气资源，热史作为基础研究工作必不可少。但是目前东濮凹陷的热史研究还比较薄弱，基本处于定性的阶段 [3] 。为了定量地评价深层油气资源，急需进行热史的研究。前人对东濮凹陷古生界和中生界烃源岩热演化进行了较多的研究，对热演化过程及生烃史有了较为深入的认识，但古近系的烃源岩热演化相对研究不足，刘景东等认为东濮凹陷北部地区各洼陷古近系烃源岩热演化程度较高，前梨园洼陷和海通集洼陷进入高、过成熟阶段 [4] 。刘丽等认为东濮凹陷东部次凹、西部次凹和中央隆起带的石炭二叠系热演化程度高，而白庙地区、西部斜坡带热演化程度较低，且东部次凹和西部次凹的古地温与现今地温接近，地层现今温度是地层经历的最高温度 [5] 。前梨园洼陷是东濮凹陷主要的生烃洼陷，具有丰富的地球化学参数。因此，本文通过Basinmod 1D盆地模拟软件，利用镜质体反射率数据对前梨园洼陷的热史进行恢复，并以热史为基础模拟了前梨园洼陷典型井的烃源岩热演化历史。
2. 地质概况
东濮凹陷位于中国东部渤海湾盆地南部，跨鲁西南和豫东北，呈NNE向延伸，夹持在内黄隆起和鲁西隆起之间。前梨园洼陷古近纪为深部壳–幔强烈拱张的断陷，内部断裂构造十分发育 [6] ，面积约400 km2 (图1)，整个洼陷经历了沙四段-东营组沉积时期的断陷阶段和馆陶组沉积至今的热沉降阶段 [7] (图2)。
第一次大规模断陷阶段沉积了沙河街组和东营组，沙四段沉积了0~600 m，岩性为灰色泥岩与砂岩互层。沙三段断陷发育强烈，又分为4个亚段，其中沙三段四亚段岩性为灰白色岩盐与灰黑色泥岩组合，泥岩与砂岩互层，厚度50~1700 m；沙三段三亚段为石膏与暗色泥岩组合，灰色泥岩与灰色砂岩组合，沉积厚度约100~700 m；沙三段二亚段以盐岩层为主，沉积厚度80~1000 m左右；沙三段一亚段以灰色、深灰色泥岩与粉砂岩互层为主，夹灰色页岩、钙质页岩、油页岩，厚度约50~900 m。整个沙三段厚度占古近系厚度的60%左右，为洼陷主要的构造活动时期。沙二段是洼陷前期强烈断陷与后期坳陷的过渡期，沉积物以砂岩、泥岩为主，厚度为100~1200 m。沙一段沉积以砂质泥岩为主，厚度约为60~450 m。东营组岩性为棕色、紫红、灰绿色泥岩与紫红、灰绿、灰白色粉砂岩、细砂岩、砾状砂岩互层，厚度125~1100 m。新近纪至今，由于太平洋板块向欧亚大陆俯冲带后退，前梨园洼陷进入坳陷阶段(热沉降阶段)，沉积了新近纪馆陶组、明化镇组和第四纪平原组 [5] (图2)。馆陶组主要为灰白、杂色砂砾岩间夹红棕、浅灰色粘土岩，厚度100~1650 m。明化镇组岩性为红棕、棕黄色粘土岩与黄棕、浅灰色粉砂岩、细砂岩不等厚互层，厚度约850~1350 m。平原组为土黄、浅棕黄色粘土岩、粉砂岩、砂砾岩，厚度250~520 m [8] 。前梨园洼陷为古近纪继承性的生油气洼陷，沉积了多套生油层系，沙四段和沙三段的有机碳含量为0.8%~1.4%，有机质类型以IIA和I型干酪根为主，是主要的生烃岩层 [9] 。
3. 研究方法及参数
3.1. 研究方法
关于盆地热史恢复的方法主要有两类：一类是利用古温标恢复盆地热史 [10] - [16] ；另一类是利用地球动力学模型恢复岩石圈热历史 [17] [18] 。本文采用镜质体反射率数据，利用BasinMod 1D盆地模拟软件对前梨园洼陷古近纪至今的热史进行恢复。Basinmod 1D盆地模拟软件能够进行埋藏史、热史、生烃史等的模拟 [15] 。研究方法如下：首先利用单井分层数据、岩性资料、主要地质时期的剥蚀量及地层年龄建立地质模型，再利用回拨法恢复得到单井的埋藏史；并以凹陷的构造演化为依据，拟合关键地质时期的地温梯度，结合埋藏史，利用动力学生烃模型 [19] ，采用正演的方法对单井的温度史及成熟度史进行模拟，模拟得到的镜质体反射率与实测的镜质体反射率进行对比，如果模拟值与实测值具有很好的拟合度，则认为拟合的地温梯度是可行的，该地温梯度则为该井经历的热史。
3.2. 基本参数
在热史模拟计算中需要的参数包括古温标数据和基础地质数据。
1) 古温标数据
本次共测试了5口井的122个镜质体反射率数据(表1)，其中镜质体反射率与深度具体明显的线性关系(图3)，即随着埋藏深度的增加镜质体反射率逐渐增加，暗示受同一地温梯度控制。本文利用镜质体反射率模拟热史采用Easy%Ro模型 [19] 。
2) 基础地质参数
模拟计算中的基础地质参数包括岩性参数、现今地表温度数据、现今地温梯度 [20] 、大地热流 [20] 、
Figure 1. Tectonic division of the Qianliyuan sub-sag
图1. 前梨园洼陷构造划分图
岩石热物性参数 [20] 、地层分层和年龄数据等。岩性参数主要包括岩石的孔隙度、渗透率、砂泥岩含量、压实曲线等，由中原油田提供；压实系数和初始孔隙度数据则采用东濮凹陷各井区的实测数据，利用Sclater和Christie的方法 [21] 进行回归得到初始孔隙度和压实系数；古地表温度取东濮凹陷年平均温度(15℃)，并假设其在地质历史时期不变；地层分层数据采用钻孔实际测量值，各地层底界年龄数据具体为：第四纪平原组(Qp)2 Ma，新近纪明化镇组(Nm)5.1 Ma，馆陶组(Ng)17 Ma，古近纪东营组(Ed)33 Ma，沙一段(Es1)35 Ma，沙二段(Es2)38 Ma，沙三段(Es3)45 Ma，沙四段(Es4)50.5 Ma。
4. 结果
4.1. 前梨园洼陷热史结果
利用镜质体反射率恢复了前参2井、濮深4井、濮深12井、濮深7井等5口典型井的埋藏史，热史及生烃史。前参2井热史的模拟结果显示，前参2井在沙四段沉积开始到东营组沉积中期经历了一次大的沉降过程，沙四段底界埋深到达4700 m左右，为断陷发育阶段。东营组沉积末期经历了一次较为明显的抬升剥蚀，抬升幅度达800 m左右，随后进入了缓慢的沉积时期，沉积了馆陶组，最后从馆陶组沉积末期至今又经历了一次快速沉降过程，沉积了明化镇组和平原组。热史恢复结果表明前梨园洼陷经历两次升温和一次降温阶段(图4)，首先为古近纪沙四段–东营组沉积中期升温阶段，温度最高达到200℃左右；
Figure 2. Stratigraphic column map of the Dongpu sag
图2. 东濮凹陷综合柱状图
然后东营组沉积晚期温度逐渐降低至160℃；最后馆陶组缓慢沉积，温度缓慢上升，从明化镇组至今，前梨园洼陷又再次进入了一段快速的沉降过程，温度仍在上升当中，但未到达200℃，不再生烃。
从热史模拟结果看，前参2井在沙河街组沉积时期地温梯度在39℃~46℃/km之间，表现为中温型地温场。到沙三段沉积中期，地温梯度达到最高的46℃/km，接着沙一段沉积末期地温梯度逐渐下降到39℃/km，随后地温梯度继续下降。最后东营组沉积末期到馆陶组沉积时期再次发生一次升温过程，地温
Figure 3. Vitrinite reflectance (Ro) data versus depth in the Qianliyuan sub-sag (Ro data shown in the Table 1)
图3. 前梨园洼陷镜质体反射率与深度的关系(镜质体反射率数据见表1)
梯度达到40℃/km，明化镇组沉积开始时，前梨园洼陷表现为热沉降阶段，地温梯度逐渐下降，现今仅为33℃~36℃/km。
根据模拟得到的5口典型的地温梯度，结果显示前梨园洼陷现今地温梯度在31～49℃/km之间，具有典型的中温型地温场特征(表2)。
4.2. 烃源岩成熟度演化
烃源岩成熟度演化阶段按照Ro < 0.5%为未成熟阶段，0.5% ≤ Ro < 0.7%为低成熟阶段，0.7% ≤ Ro < 1.0%为中成熟阶段，1.0% ≤ Ro < 1.3%为高成熟阶段(生烃高峰期)，Ro ≥ 1.3%为过成熟阶段。生烃史模拟结果显示，东营组沉积中后期(25 Ma)沙四段和沙三段四亚段烃源岩成熟度达到过成熟阶段；沙三段烃源岩达到高成熟阶段，是最主要的生油时期；沙三段二亚段烃源岩和沙三段一亚段只达到中成熟阶段。东营组沉积末期(21 Ma)，6套烃源岩均停止生烃，此后不再生烃(图5)。
东营组沉积中期(26 Ma)，沙一段、沙二段的烃源岩进入了生油门限，并处于低成熟阶段。因为烃源岩成熟度受到时间与温度的控制，由于此阶段为快速沉积阶段，温度快速上升，烃源岩成熟度逐渐升高接近中等成熟阶段；东营组沉积早期(30 Ma)，沙三段一亚段、二亚段烃源岩进入生油门限，成熟度达到中等成熟阶段，沙三段二亚段底部达到高成熟阶段。与沙一段，沙二段相比，此阶段进入开始大量生油
Table 1. Vitrinite reflectance (Ro) data of the Qianliyuan sub-sag
表1. 前梨园洼陷镜质体反射率统计表
Figure 4. The burial and thermal histories of well Qiancan2
图4. 前参2井埋藏史和热史模拟结果
Table 2. Simulation results of geothermal gradient of the typical well in the Qianliyuan sub-sag
表2. 前梨园洼陷典型井地温梯度模拟结果
的时期，演化程度相对较高；沙河街组沉积后期(35 Ma)，沙三段三亚段烃源岩进入生油门限，到东营组末期烃源岩达到高成熟阶段，是整个洼陷生油的主力时期，是下一步勘探的有利区域；沙河街组沉积期(40 Ma)，沙三段四亚段，沙四段烃源岩进入生油门限，此阶段烃源岩埋深更大，成熟度达到过成熟阶段，至东营组沉积期(21 Ma)，烃源岩已经全部进入生气为主的演化阶段(Ro > 1.3%)，沙河街组四亚段以上烃源岩现今成熟度在洼陷中心达2.0%以上，全部进入生干气阶段。大部分地区的生油岩处于主要生气期，凝析油–湿气阶段，同时有大量的天然气生成，具有丰富的天然气资源(图5)。
5. 讨论
5.1. 热史与构造演化、岩浆活动的耦合关系
通过以上研究表明前梨园洼陷在古近纪具有较高的古地温梯度，这种地热状态与其经历的构造运动密切相关。前梨园洼陷是在古近系断裂基底上发展起来的裂谷盆地，盆地的构造演化经历了早古生代至三叠纪的克拉通盆地旋回和新生代的裂陷盆地旋回 [22] 。自古近纪以来发生了大规模断陷活动(图6)，在这共同作用下引发了多期火山活动，此阶段岩石圈的大幅度拉伸减薄，地幔物质上涌，带来了大量地幔热量，导致古近纪具有高的地热背景。在沙三段沉积末期，前梨园洼陷经历了短期的构造抬升作用，导致地温梯度降低，随后由于裂陷作用，使得地温梯度增加。新近纪至今，前梨园洼陷表现为缓慢的热沉
Figure 5. Source rock maturation history of the typical wells in the Quanliyuan sub-sag
图5. 前梨园洼陷典型井烃源岩成熟度演化历史
Figure 6. Qianliyuan sub-sag in Cenozoic extensional tectonic pattern (According to Hui Su, et al., 2006)
图6. 前梨园洼陷新生代伸展构造模式(据苏慧等2006)
降阶段，大部分断裂停止活动，地温梯度逐渐下降。因此，前梨园洼陷热史与其构造、岩浆岩活动密切相关。
5.2. 热史与烃源岩成熟度的关系
烃源岩热演化是受温度和时间控制的，但主要影响因素为温度，其中温度又主要由地温梯度与烃源岩埋藏深度控制。模拟结果揭示前梨园洼陷地层温度从沙四段逐渐升高，并在东营组沉积时期温度达到最高。烃源岩热演化史显示洼陷到东营组沉积末期，烃源岩成熟度不再变化，结束生烃(图5)。因此，烃源岩热演化受东营组沉积时期的地温场控制。通过烃源岩成熟度模拟，我们可以进一步得出前梨园洼陷的生、排烃时期与成藏时期，结合其它储、盖、圈闭等研究，可以进一步指出油气有利聚集成藏区块。
6. 结论
1) 前梨园洼陷热演化历史总的趋势表现为自沙四段沉积开始(50 Ma)至沙三段沉积时期(45 Ma)，地温梯度逐渐增加，到沙三段达到最大，为44℃~49℃/km；随后地温梯度逐渐降低，到沙一段沉积末期(33 Ma)，地温梯度降低到39℃~42℃/km；东营组沉积中期(25 Ma)，地温梯度再次升高，地温梯度上升到40℃~45℃/km；随后地温梯度逐渐降低至现今的31℃~33℃/km。
2) 前梨园洼陷的烃源岩热演化受古地温梯度控制，6套烃源岩都东营组沉积末期烃源岩成熟度达到最大；同时6套烃源岩的演化程度存在差异，其中沙三段三、四亚段烃源岩达到中–过成熟阶段，几乎都经历了生烃高峰期，生烃潜力大；而沙一段烃源岩仅达到低–中成熟阶段，几乎没有经历生烃高峰期，生烃潜力较小。
基金项目
国家自然科学基金(编号41402219，41125010)。