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区域地质
墨西哥湾盆地位于美国、墨西哥和古巴相环抱的海域,陆架宽阔,地形平坦。中侏罗世墨西哥湾盆地沉积大量盐岩,圈闭类型主要取决于盐岩和生长断层的活动。墨西哥湾盆地从古生代至今大致经历了三个构造发展时期,分别是盐前造山期、断裂拉张期和盐后扩张期。其中,在断裂拉张期的中侏罗世,北美洲和太平洋板块之间的平移运动,使墨西哥南移,尤卡坦和古巴微板块沿转换断层的北东向旋转,限制了正在发育的墨西哥湾与太平洋之间的对流,使墨西哥湾成为半封闭的海,从而沉积了厚逾千米的Louann盐层。
墨西哥湾构造单元及水深图
(Morley et al., 2011)
墨西哥湾油气田带大多呈与现在海岸线(或陆棚边缘)平行的带状。墨西哥湾为全球深水盆地和盐构造油气的勘探领跑者,墨西哥湾1901-1999年发现16个大气田和43大油田,2000-2007发现6个大油田(Mann, 2007)。墨西哥湾盆地为大西洋最早张开位置和夭折部位,造成其独特的油气地质演化。
墨西哥湾北部构造图
(Diegel et al., 1995)
展示外来盐席、断层(黑线)以及深水区褶皱(黑线断线)的分布
从1960年到20世纪80年代,墨西哥湾陆缘台地和深水钻井勘探取得了的巨大成功。大多数钻孔都穿透较浅的外来的盐层(中侏罗统Louann盐上覆第三系)。盐层之下发现硅质碎屑或碳酸盐岩储层是20世纪地震成像和钻探技术要挑战并克服的困难,勘探者认识到,通过钻探具体目标可确认盐下圈闭类型。20世纪90年代初,地质界发现了首个商业区油气区(Mahogany区)。在20世纪80年代,在墨西哥海湾的被动陆缘台地上打井钻探到了Louann盐层,但大多数勘探钻穿盐岩风险太大。几个钻孔不慎钻穿Louann盐层,首次观察到其下储集层,主要为含水砂岩(Mohriak et al., 2012)。
盐构造样式
早期墨西哥湾盆地的盐构造被普遍认为是底劈刺穿构造,进而按照盐层顶或深度划分为:浅层刺穿(0~1524m)、中深层刺穿(1524~3048m)和深部或非刺穿(3048m以上)等3种类型(Mcbride, 1998;Jackson, 1995;Gary, 1995;Hossack, 1995)。
近年来,随着地震勘探技术的进步,墨西哥湾油气成藏具主控因素的盐体在地震剖面上显示得更为清楚,包括盐枕、盐焊接、盐刺穿、盐墙、盐脊以及盐席等多种盐构造,但仍以盐刺穿规模最大、影响范围最广(从源盐层一直穿入到更新世)。同时,随着扩展方向由陆向海,盐体数量和盐构造的种类也不断增加,这与该区盐构造的演化有着密切的关系。
墨西哥湾盆地推测裂谷与衰亡裂谷位置
(Samuel, 1998)
外来盐推覆体
(据互联网资料)
潜力烃源岩在白垩中期不整合面处(图中标MCU处)图中R为潜力储层所在层
墨西哥湾盐下圈闭发现的首个具有工业价值的油气藏为Mahogany油田,钻孔毗邻以前没有穿透异地盐层的勘探钻孔,盐下储集层中新世浊积砂岩。
墨西哥盐下圈闭油气藏—Mahogany油田
(Mohriak et al., 2012)
暗色阴影区示意盐岩
墨西哥湾盆地为伸展盆地,具有双层结构:下构造层为裂陷,上构造层为拗陷。早期(泛大陆解体开始-中生代晚期)为大陆原洋裂谷型,后期(中生代晚期-至今)为被动大陆边缘型。岩石圈拉伸形成裂陷,之后深部热衰减裂陷上发育拗陷。
为了更好的解释墨西哥湾盆地盐岩和基底之间的关系对其进行了模拟,如下图所示,并示意了美国州和尤卡坦州西部和东部海湾盐边界分离后盐上的可能水深(牛津期-启莫里期,边界时间约154Ma)(Pindell and Kennan, 2007)。共包括六个阶段:a)中侏罗世盐沉积。在盆地的近端部分,盐岩沉积于沉积物或变质岩基底上。与些相反,盆地中央部分,由于氧化作用,盐岩沉积于火山地壳正上方(洋壳上),钾盐可能为来源于当时的热液。b)中白垩世期间,盐开始流动并形成盐丘。c)渐新世-中新世的拉张作用和扩展使盐岩流动形成了盐穹顶。d)由于区域拉伸作用,在中新世中期,盐穹顶演化为盐。e)收随生长断层继续发育盐推覆体填充了多余空间且被控制形态,其向海方向流动形成巨大的盐推覆体(中新世晚期)。f)现今大多数盐舌的根为盐焊接形成,外来盐推覆体与母盐层并不相关。
盐的薄缘始终处于盐体底层,盐体和大陆地壳之间并不存在必然的一一对应关系。这个数字说明了几种可能的关系:1)上倾的盐层向北超覆可能是热沉降的结果;2)活动断层的盐使大陆地壳变薄;3)盐在结束沉降前可侵入盐下玄武岩;4)结束沉积后,盐体窄流向盆地中心;5)细盐舌或冰川,后来沉覆盖到先前沉积直接到大洋地壳之上。
第1阶段(侏罗纪):侏罗纪时期,由于北美与非洲—南美板块相分离,断裂活动形成裂谷盆地,随着盆地周期性地与开阔海分割,在半封闭的浅水环境下,快速沉积厚达数千米的芦安盐层(母盐层)。
第2阶段(至白垩纪末):原始盐盆地被海底扩张分割。在此期间,由于沉降速度大于沉积物供应速度,造成陆架地区沉积物较薄,因此不足以形成大规模的盐刺穿。盐构造主要以非刺穿的盐底劈为主,有利于油气的聚集。
第3阶段(至中新世末):在此期间,由于沉积速度大于沉降速度,造成陆架地区沉积物变厚,年轻的第三纪沉积物不断向海推进,发生盐刺穿。同时,由于陆架和陆坡上倾部分沉积载荷的压力,引起盐体向海方向发生横向流动,并超覆在白垩系或更年轻的深海沉积之上。该阶段以盐底劈构造为主,同时发育其他各种盐构造。
墨西哥湾盐推覆体演化图
(据互联网资料)
第4阶段(至现今):随着沉积中心的不断南移、沉积物负荷的不断增加,盐体继续不断向南流动,因此,形成新的盐刺穿,超覆在更新的地层上。Jackson等所做的模拟实验也显示,盐构造演化可以划分为3阶段:①复活底辟阶段,盐体在地堑底部形成盐墙;②主动底辟阶段,盐体向上隆起并刺穿上覆层;③被动底辟阶段,底辟出露地表。伴随第2阶段的盐构造演化,墨西哥湾盆地沉积了第1套,也是最重要的一套烃源岩——提塘阶烃源岩(梁杰,2009)。
墨西哥湾西北包含深水Perdido褶皱冲断带。然而,该冲断带只是部分压缩,其中包括伊莎贝尔港褶皱带。珀迪多褶皱带主要变形发生于渐新世,轻微的变形一直持续到中新世中期。从地图上看,褶皱从线性变化为圆顶形褶皱,褶皱长度由底层NW-SE向同裂谷基底控制(Trudgill et al., 1999)。褶皱带中盐体经过向海方向的倾斜沟形成楔形倾斜构造,膨胀后造成基底滑脱(Morley et al., 2011)。
墨西哥湾盆地Perdido褶皱带剖面演化图
(Morley et al., 2011)
由模式图及分析可知古近纪初始负载和挤压地造成异地盐篷扩展和发展的原因。 封闭的分支盐底辟压力转移到构造系统底部,造成Perdido褶皱带发育。进一步盐构造运动导致沿Perdido褶皱带的盐楔膨胀。
盐构造与油气圈闭
墨西哥湾盆地烃源岩和储集岩发育,油气圈闭类型众多,其中,盐丘型油气圈闭占41%。生油岩包括三叠系、上侏罗统、白垩系以及始新统富有机质岩石。中侏罗世破裂不整合以后,热沉降使墨西哥湾的水深迅速达到1km以上,上侏罗统和白垩系中的深水页岩和泥灰岩成为湾内深水区的主要源岩。储层主要为巨厚的新生界陆源碎屑沉积,其次是晚侏罗世到早白垩世的浅海碳酸盐岩夹碎屑岩系。墨西哥湾北部深水区主要储层是新近纪浊积岩系,上新统到更新统浊积岩系厚度可达6100m,已发现大批深水油气田。
墨西哥湾盆地构造与西非下刚果盆地类似,以生长断层、盐构造和重力构造为主,陆上和近岸带发育张性构造,深水区出现挤压构造。挤压构造主要发育期为晚中新世到上新世,这与大量陆缘沉积物进入盆地有关;挤压构造之下可见NE-SW走向的早期半地堑系。盐构造活动对圈闭的形成起主导作用,浊积岩系发育于由盐活动形成的微型盆地中(周蒂等,2007)。
墨西哥盆地湾剖面
深水盐下勘探的成功关键是对古近系三角洲和陆缘系统的深刻认识。同裂谷阶段为地堑、半地堑和地垒,裂谷边缘和隆起断块的侵蚀消截为地堑和半地堑迅速充填提供碎屑物质。次生高角度走滑断层错动裂谷断层系统,并发展为转换断层。过渡阶段沉积厚层盐层。漂移阶段发育区域伸展变形,由盐岩运动产生生长地层背斜、盐枕、盐底辟、龟背斜。盐层排空后聚集于大陆坡,成为主体沉积,并影响海底地貌。
墨西哥湾盆地油气藏与横剖面叠合图
墨西哥湾海域的四套主要中新生界烃源岩包括古近系、上白垩统、下白垩统、上侏罗统提通阶和牛津阶等在全盆分布广泛。上侏罗统牛津阶和提通阶烃源岩是主要烃源岩,形成于过渡期-早期漂移阶段,占墨西哥湾盆地的58%。盆内海相泥岩普遍发育,富有机质,是良好的烃源岩。盆地北部最年轻有效烃源岩为下古近系,以始新统为主。主要烃源岩古近系则主要为海相-过渡相烃源岩。阿普第阶和土伦阶海相页岩,上侏罗统牛津阶、启莫里阶及提通阶断陷期泥页岩成熟度较高,以生气为主。
东德克萨斯盆地中的盐构造
(Jackson and Seni, 1983)
墨西哥湾外围地质剖面图(东德克萨斯)
(据互联网资料)
墨西哥湾海域大多数已知的油气田和油气发现都有层间运移通道。层间通道的形成机制可能有盐体运动和断层作用。在垮塌的盐株和断层同时存在的地区,是更有效的运移通道。墨西哥湾陆坡气源自侏罗系顶部地层上侏罗统提通阶。侏罗系蒸发岩为深水区早期裂谷阶段相关的油气藏提供了有效盖层。古近系砂质碎屑流为油气发现的重点储集层。地质历史时期,处于赤道附近接受沉积的时期较长,直到晚侏罗世,墨西哥湾盆地才开始向北漂移,有着丰富的有机质来源(Mohriak et al., 2012)。
墨西哥湾深水地震剖面
(据互联网资料)
墨西哥湾西北部剖面图
(Morley et al., 2011)
新生代,海湾地区重力变形是引发沉积的主要原因。一些研究显示,洛矶山脉南部的主要物源为古近系早期物质,休斯顿内湾是主要的沉积中心(Morley et al., 2011)。