南海北部大陸邊緣盆地地?zé)崽卣髋c油氣富集

唐曉音，胡圣標(biāo)＊，張功成，梁建設(shè)，楊樹春，沈懷磊，饒松，李衛(wèi)衛(wèi)

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中海油研究總院，北京 100027

1 引言

南海北部大陸邊緣盆地第三系沉積及烴源巖發(fā)育（既有巨厚的海相沉積的中新統(tǒng)烴源巖也有分布廣泛的古近系中深湖相烴源巖），油氣地質(zhì)現(xiàn)象豐富，油氣成藏規(guī)律獨(dú)特，油氣成因類型多（何家雄等，2008；龔再升等，1997）.半個(gè)世紀(jì)以來，南海北部邊緣盆地油氣勘探已獲得重大突破和進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大中型油氣田，尤其是近年來在北部陸坡深水區(qū)的勘探發(fā)現(xiàn)（金慶煥，2006；張功成等，2007），充分證實(shí)了其巨大的油氣資源潛力.然而，該區(qū)整體油氣勘探程度并不高，很多油氣地質(zhì)規(guī)律及特征尚有待進(jìn)一步深化認(rèn)識與總結(jié).

盆地的地?zé)崽卣髋c盆地所處的大地構(gòu)造位置有關(guān)，是構(gòu)造作用的綜合反映，地?zé)嵬ㄟ^提供能量、改變巖石力學(xué)性質(zhì)來制約和影響巖石圈的變形與演化，同時(shí)也是影響分布于烴源巖中的分散有機(jī)質(zhì)生成油氣關(guān)鍵因素（Tissot et al.，1974；Tissot et al.，1987），當(dāng)其他地質(zhì)條件相同時(shí)，高熱流地區(qū)可能形成更大的油氣田（Klemme，1972；謝鳴謙，1981）.本文歸納整理了南海北部大陸邊緣盆地的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)、地溫梯度數(shù)據(jù)以及大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)，從地?zé)釋W(xué)角度出發(fā)分析不同盆地的熱屬性，探討其與盆地油氣成藏與分布富集規(guī)律間的關(guān)系.這批數(shù)據(jù)不僅豐富了南海地區(qū)的地?zé)釋W(xué)參數(shù)，為研究南海地區(qū)盆地現(xiàn)今地溫場特征和盆地“熱”屬性提供了更全面的數(shù)據(jù)資料，同時(shí)也能為油氣資源評價(jià)和有利勘探區(qū)帶預(yù)測提供科學(xué)依據(jù).

2 地質(zhì)背景

南海北部大陸邊緣位于歐亞板塊、印度—澳大利亞板塊及太平洋板塊三大板塊交匯處，亦是古特提斯構(gòu)造域與古太平洋構(gòu)造域的混合疊置區(qū)，區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜（Briais et al.，1993；Taylor and Hayes，1983），自西向東分布著鶯歌海、北部灣、瓊東南、珠江口、臺(tái)西南等含油氣盆地，本次的研究區(qū)域?yàn)榍八膫€(gè)盆地（圖1）.

除鶯歌海盆地的演化受紅河斷裂走滑作用影響外，其他盆地都屬于由拉伸作用形成的裂谷型或離散邊緣型盆地.這些盆地的形成演化整體上經(jīng)歷了裂陷期和裂后期兩個(gè)大的演化階段，期間有多幕拉張伸展，盆地具有明顯的下斷上坳雙層結(jié)構(gòu)（Ru et al.，1994；龔再升，2004）.結(jié)合區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景分析，盆地演化分為擴(kuò)張前初始裂陷階段、同擴(kuò)張強(qiáng)烈裂陷階段、擴(kuò)張后緩慢沉降階段和擴(kuò)張后快速沉降階段（解習(xí)農(nóng)等，2011）.盆地的沉積環(huán)境一方面受控于構(gòu)造演化階段，另一方面與不同陸緣盆地所處的大地構(gòu)造位置與古地理有關(guān).研究區(qū)發(fā)生了兩次沉積環(huán)境突變，第一次發(fā)生在晚漸新世，從以陸相沉積為主變?yōu)闉I淺海相沉積；第二次發(fā)生在中新世中晚期，由淺海相沉積向深海、半深海相沉積變化（Lüdmann and Wong，1999；Xie et al.，2006）（圖2）.

3 地?zé)釘?shù)據(jù)

為了研究南海的起源、演化歷史、大地構(gòu)造屬性及其形成的地球動(dòng)力學(xué)背景，前人在大地?zé)崃鳒y量方面做了大量工作，獲得了大量鉆井和海底探針地?zé)釘?shù) 據(jù) （Anderson et al.，1978；Jessop et al.，1976；Nissen et al.，1995；Qian et al.，1995；Ru et al.，1986；Shyu et al.，1998；Taylor et al.，1983；Watanable et al.，1977；Xia et al.，1995；陳墨香等，1991；饒春濤和李平魯，1991）.He等（2001a）對南海地區(qū)已發(fā)表的熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)收集和整理、分析，利用收集到的589個(gè)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)編制了南海大地?zé)崃鲌D.Shi等（2003）收集整理了南海地區(qū)熱流數(shù)據(jù)592個(gè)，并進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了南海地區(qū)大地?zé)崃髟谄矫嫔细鳂?gòu)造單元的分布特征.本文在前人研究基礎(chǔ)上，新增測試熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)148個(gè)，新增計(jì)算地溫梯度數(shù)據(jù)65個(gè)，由此計(jì)算大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)65個(gè).

圖1 南海北部大陸邊緣區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Regional geology of the northern South China Sea as a continental margin YGHB—Yinggehai Basin，BBWB—Beibuwan Basin，QDNB—Qiongdongnan Basin，PRMB—Pearl River Mouth Basin

3.1 熱導(dǎo)率

3.1.1 熱導(dǎo)率測試與結(jié)果

巖石熱導(dǎo)率是巖石熱物性中最主要的參數(shù)，是研究地殼和上地幔熱結(jié)構(gòu)、地球深部熱狀態(tài)的基礎(chǔ)，也是大地?zé)崃鳒y量的主要內(nèi)容之一.本文采用德國TCS（Thermal Conductivity Scanning）自動(dòng)掃描儀測試了鶯歌海盆地、北部灣盆地148個(gè)樣品的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)（表1），設(shè)備的測量范圍為0.2～25W／（m·K）.綜合前人研究成果（Yuan et al.，2009；饒春濤等，1991），得出研究區(qū)盆地整體熱導(dǎo)率情況.研究區(qū)泥巖熱導(dǎo)率0.94～2.85W／（m·K），砂巖熱導(dǎo)率0.99～2.98W／（m·K），灰?guī)r熱導(dǎo)率0.72～3.5W／（m·K），基底巖石包括花崗巖、閃長巖、石英巖等熱導(dǎo)率1.42～4.43W／（m·K）（圖3右）.可以看出，研究區(qū)同一巖性的熱導(dǎo)率差異較大（圖3），因?yàn)殡m然巖性相同，但由于埋深不同，固結(jié)程度與孔隙度不同，從而熱導(dǎo)率也不同.由于泥巖的孔隙度與壓實(shí)作用關(guān)系密切，隨埋深增加，孔隙度一般呈指數(shù)衰減，泥巖熱導(dǎo)率與深度相關(guān)性也更為明顯（圖3a）.砂巖和灰?guī)r與地層埋深之間也具有一定的相關(guān)性，即隨埋深增加，砂巖和灰?guī)r的熱導(dǎo)率總體上有增加的趨勢，但離散性高（圖3b，3c），這是由于巖石熱導(dǎo)率的高低除與壓實(shí)程度、孔隙度有關(guān)外，還與巖石成分、結(jié)構(gòu)有關(guān).比如，砂巖石英含量越高，熱導(dǎo)率則越高，長石含量越高，熱導(dǎo)率則越低.研究區(qū)的基底巖石主要為變質(zhì)巖與花崗巖，這些巖石結(jié)構(gòu)上一般比沉積巖致密，壓實(shí)系數(shù)小，孔隙度隨深度變化小，因此，熱導(dǎo)率與埋深之間不存在明顯的相關(guān)性（圖3d）.

圖2 南海北部大陸邊緣盆地構(gòu)造演化與沉積環(huán)境（據(jù)解習(xí)農(nóng)等（2011）修改）Fig.2 Tectonic evolution and sedimentation of basins in the northern South China Sea（modified from Xie et al.（2011））

3.1.2 盆地地層熱導(dǎo)率柱

由于南海大陸邊緣盆地巖芯樣品非常有限，并非有溫度數(shù)據(jù)的鉆井都可以測試其熱導(dǎo)率.根據(jù)實(shí)測的大量巖芯樣品，按照各地層巖性比例，采用加權(quán)平均的方法可計(jì)算盆地各地層的平均熱導(dǎo)率，由此可建立盆地地層熱導(dǎo)率柱（邱楠生等，2004）.本文僅測試了鶯歌海盆地與北部灣盆地的巖芯熱導(dǎo)率，現(xiàn)將這兩個(gè)盆地的地層熱導(dǎo)率柱展示于表2.

3.2 地溫梯度

要準(zhǔn)確獲得大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)，使其能真實(shí)地反映區(qū)域熱背景，除了要有可靠的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)外，還必須要有可靠的地溫梯度數(shù)據(jù).本文利用比較可靠的井底穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)、地層壓力測量時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、油層穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)、試油資料外推溫度數(shù)據(jù)等較穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)線性回歸的方法計(jì)算得到新的地溫梯度數(shù)據(jù)（表3）.綜合前人研究資料（Yuan et al.，2009）繪制了南海北部大陸邊緣盆地地溫等值線圖，可見，地溫梯度在平面上呈“準(zhǔn)帶狀”分布，珠江口盆地、瓊東南盆地深水區(qū)（300m水深以南）地溫梯度值明顯高于淺水區(qū)地溫梯度（圖4）.

表1 鶯歌海盆地、北部灣盆地?zé)釋?dǎo)率數(shù)測試結(jié)果Table 1 Newly measured thermal conductivity data

續(xù)表1

3.3 熱流

大地?zé)崃魇潜碚饔傻厍騼?nèi)部向地表傳輸并在單位面積上散發(fā)的熱量，它是地球內(nèi)部的各種動(dòng)力學(xué)過程的能量平衡在地表最直接的反映，在數(shù)值上，大地?zé)崃髦档扔诘販靥荻扰c地層熱導(dǎo)率之積：

式中，q為大地?zé)崃鳎ɑ蚍Q地表熱流）值（mW／m2）；k為熱導(dǎo)率（W／（m·K））為地溫梯度（℃／km）；負(fù)號表示熱流方向與地溫梯度方向相反.

圖3 研究區(qū)熱導(dǎo)率圖左為巖石熱導(dǎo)率與深度的關(guān)系圖，圖右為對應(yīng)巖石熱導(dǎo)率直方圖.Fig.3 Charts showing characteristics of thermal conductivity for rocks from four basins（YGHB，BBWB，QDNB and PRMB）in the northern of the South China Sea Left figures show the relationship between thermal conductivity and depth while right ones illustrate the value distribution of thermal conductivity for different kinds of rocks in histogram.

從式（1）中可以看出大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)質(zhì)量取決于地溫梯度和巖石熱導(dǎo)率的測試精度.海上盆地的地溫?cái)?shù)據(jù)不同于陸盆，很少有系統(tǒng)的鉆井測溫?cái)?shù)據(jù).本文計(jì)算地溫梯度的溫度數(shù)據(jù)屬于比較可靠的井底穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)、地層壓力測量時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、油層穩(wěn)定溫度數(shù)據(jù)、試油資料外推溫度數(shù)據(jù)等較穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù).在計(jì)算大地?zé)崃鲿r(shí)，盡可能采用鉆井地溫梯度溫度乘以其對應(yīng)深度段巖芯的熱導(dǎo)率，如該鉆孔或巖芯不全，則參考盆地地層平均熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)（表2）.

表2 盆地地層熱導(dǎo)率柱Table 2 Average thermal conductivity of each formation of the PMRB and the YGHB

在Shi等（2003）的基礎(chǔ)上，收集了研究區(qū)2003年以來的新發(fā)表的熱流數(shù)據(jù) （李亞敏等，2010；徐行等，2006），并結(jié)合本文65個(gè)新增計(jì)算熱流數(shù)據(jù)（表3，圖5），計(jì)算得出珠江口盆地、瓊東南盆地、北部灣盆地、鶯歌海盆地的平均熱流值分別為68.7±11mW／m2、71.1±13mW／m2、65.7±8.9mW／m2、74.7±10mW／m2；繪制了中國南海北部大陸邊緣盆地?zé)崃鞯戎稻€圖（圖6）.為保證等值線邊界熱流的準(zhǔn)確性，繪圖時(shí)加入了周邊大陸地表熱流（Hu et al.，2000）.從分布趨勢上來看，大地?zé)崃髋c地溫梯度基本一致，均體現(xiàn)出了由陸架區(qū)向陸坡區(qū)增加的趨勢.

值得注意的是，本文中的地溫梯度、熱流等值線圖是基于所有收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)而得來的，這些數(shù)據(jù)包括鉆井?dāng)?shù)據(jù)、航測數(shù)據(jù)以及探針數(shù)據(jù).而相關(guān)的平均值是由相對穩(wěn)定的鉆井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算而來.

4 討論

4.1 熱流分布特征及其影響因素

研究區(qū)盆地的地溫梯度（平均37.1±6.3℃／km）與熱流值（平均72.6±15.6mW／m2）均較高.地溫梯度值遠(yuǎn)高于中國中西部地區(qū)的鄂爾多斯（24.4℃／km）（Yuan et al.，2007）、四川（22.8℃／km）（徐明等，2011）、塔里木（20℃／km）（王良書等，2003）和準(zhǔn)噶爾（21.2～22.6℃／km）（王社教等，2000；邱楠生等，2001）等克拉通盆地的地溫梯度，與中國近海其他盆地相比，其地溫梯度比東海（32.7℃／km）（Yang et al.，2004）和南黃海（28.6℃／km）（楊樹春等，2003）都高.熱流值比中國大陸地區(qū)大地?zé)崃髌骄担?3±24.2mW／m2）（Hu et al.，2000）高10mW／m2以上，也高于東海和南黃海盆地的平均熱流值（Yang et al.，2004；楊樹春等，2003）.可見，南海北部大陸邊緣盆地屬于典型“熱盆”（Wang，1996）.

表3 新增熱流數(shù)據(jù)Table 3 Newly acquired geothermal gradient and heat flow data

續(xù)表3

圖4 北部大陸邊緣盆地地溫梯度等值線圖Fig.4 Contours of geothermal gradients in basins of the northern South China Sea

圖5 研究區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)點(diǎn)分布Fig.5 Heat flow data scattered in the study area Red solid circles represent the data from previous research while the blue solid circles represent the data from this paper.

盆地現(xiàn)今地溫場受諸多因素的影響，如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)性強(qiáng)弱、最后一次熱事件發(fā)生的時(shí)間、巖石圈伸展拉張程度、地殼厚度、高導(dǎo)層埋深等（袁玉松等，2006）.南海北部大陸邊緣是晚白堊世以來多期幕式張裂及隨后熱沉降的結(jié)果（He et al.，2001b；Ru et al.，1986），多期拉張導(dǎo)致地殼減薄并產(chǎn)生大幅度構(gòu)造沉降.南海北部地殼結(jié)構(gòu)研究從20世紀(jì)70年代開始，經(jīng)歷了聲納浮標(biāo)、雙船擴(kuò)展排列地震（EPS）和海底地震儀探測（OBS或OBH）幾個(gè)階段（丘學(xué)林等，2003）.研究表明南海北部陸緣地殼由陸地向南海中央海盆方向減薄（Nissen et al.，1995；Pin et al.，2001；Qiu et al.，2001；姚伯初，1998）（圖7）.南海北部大陸邊緣的熱流分布具有“帶狀”特征，隨地殼厚度向南減薄而逐漸增高.研究區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)發(fā)育，早第三紀(jì)早期的巖漿活動(dòng)以中酸性為主，早第三紀(jì)晚期轉(zhuǎn)化為以堿性玄武巖和拉斑玄武巖為主的裂陷盆地火山序列，10Ma以后珠江口地區(qū)斷裂活動(dòng)加劇，源于深部堿性玄武巖和拉斑玄武巖有較大規(guī)模噴發(fā)活動(dòng)（Yan et al.，2006；李思田等，1998；鄒和平等，1995）.這些巖漿活動(dòng)可能是引起局部熱流高值異常的原因，如珠江口盆地順德凹陷的高值異常與始新世—漸新世的基性巖侵入和噴發(fā)位置相吻合.除巖漿活動(dòng)以外，斷裂活動(dòng)也可能是導(dǎo)致局部熱流高值異常的原因，如陽江凹陷的高值異常可能與珠三坳陷的北部邊界斷裂活動(dòng)有關(guān)（饒春濤等，1991），鶯歌海盆地與瓊東南盆地西部因受鶯歌海1號斷裂走滑影響而呈現(xiàn)高熱流值.

4.2 熱流分布與含油氣性的關(guān)系

南海北部大陸邊緣自北向南分布有近東西向延展的兩個(gè)盆地（坳陷）帶，即北部盆地（坳陷）帶與中南部盆地（坳陷）帶.北部盆地（坳陷）帶為北部灣盆地—珠江口盆地北部坳陷；中南部盆地（坳陷）帶包括鶯歌海盆地—瓊東南盆地—珠江口盆地珠Ⅱ坳陷、潮汕坳陷等（張功成等，2010）（圖5）.

圖6 南海北部大陸邊緣盆地?zé)崃鞯戎稻€及油氣田分布圖Fig.6 Map showing the heat flow characteristics and oil－gas field distribution in the northern South China Sea

圖7 南海北部陸緣地殼結(jié)構(gòu)斷面圖（據(jù)姚伯初（1998）修改）剖面AB的位置見圖1.Fig.7 Cross section of crust in the northern South China Sea（modified from Yao（1998））Location of the section AB is shown in Fig.1.

北部盆地（坳陷）帶具有與中國東部古近系陸相斷陷盆地相似的典型斷坳雙層盆地結(jié)構(gòu)，普遍充填了古近系陸相斷陷沉積和新近系海相坳陷沉積，且斷陷裂谷期的陸相充填沉積規(guī)模尤其是厚度，一般大于海相坳陷沉積.由于該區(qū)地殼厚度大，大地?zé)崃髦迪鄬^低（平均65.7±9.4mW／m2），烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度亦較低，故主要以生油為主.北部大陸邊緣目前勘探發(fā)現(xiàn)的油田群均位于此帶，如陸豐油田群、惠州油田群、西江油田群、番禺油田群、文昌油田群、潿洲油田群.而中南部盆地（坳陷）帶由于地殼厚度減薄，大地?zé)崃髦蹈撸ㄆ骄?7.1±16mW／m2），烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度高，以產(chǎn)氣為主.在該帶發(fā)現(xiàn)的主要是氣田，如崖城13－1氣田，東方1－1氣田，樂東22－1氣田（圖6）（張功成等，2010）.

地?zé)釛l件是油氣形成、演化最基本的控制條件之一，熱流高對油氣有利的說法并不準(zhǔn)確與嚴(yán)格，理想的條件是由熱流決定的地溫（或地溫梯度）與有利生油巖系空間位置配置的適當(dāng).一般地說，當(dāng)生油巖埋藏深度（現(xiàn)今的或歷史的）較大時(shí)，熱流過高將使生油母質(zhì)過成熟、少油而相對多氣，反之又將有相當(dāng)一部分生油巖不成熟從而既貧油也貧氣.如生油巖系埋深較淺，熱流相對高則是油氣富集的有利條件，因此，熱流研究對油氣總體評價(jià)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義（汪輯安，1992）.本文通過分析南海北部大陸邊緣盆地的地?zé)岱植继卣饕约坝蜌夥植几患闆r，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的相關(guān)性，這種相關(guān)性對預(yù)測油氣遠(yuǎn)景區(qū)以及油氣勘探具有一定的指導(dǎo)作用，但這種相關(guān)性目前只停留在定性階段，更深入的研究還需要下一步工作.

5 結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)現(xiàn)有地?zé)釘?shù)據(jù)，南海北部大陸邊緣盆地的平均地溫梯度為37.1±6.3℃／km，平均熱流值為72.6±15.6mW／m2，屬于典型的“熱盆”.熱流值分布受區(qū)域構(gòu)造背景控制，由北部盆地（坳陷）帶向中南部盆地（坳陷）帶增高，這種增高趨勢與北部地殼由陸架向陸坡區(qū)減薄的趨勢相對應(yīng)；局部熱流高值異常可能由巖漿、斷裂等活動(dòng)造成.

勘探成果表明，南海北部大陸邊緣油氣富集與大地?zé)崃鞣植即嬖诹己玫南嚓P(guān)性.油田多分布在北部盆地（坳陷）帶，而氣田多分布在中南部盆地（坳陷）帶，呈現(xiàn)出“北油南氣”的分布特點(diǎn)，與熱流值“帶狀”分布耦合.

致謝 本工作研究使用的地溫?cái)?shù)據(jù)由中海油研究總院提供，感謝中海石油（中國）有限公司湛江分公司在熱導(dǎo)率樣品采樣及測試過程中提供的幫助.

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