斷陷湖盆富有機質(zhì)頁巖形成環(huán)境及主控機制淺析*
——以潿西南凹陷流沙港組二段為例

嚴德天 陸 江 魏小松 何衛(wèi)軍 秦春雨 李 潼

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣教育部重點實驗室 湖北武漢 430074；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524034)

富有機質(zhì)頁巖研究是常規(guī)油氣烴源巖評價和非常規(guī)油氣地質(zhì)評價的關(guān)鍵[1]，尤其是近年來頁巖氣的異軍突起，使得對富有機質(zhì)頁巖的研究顯得更加重要。20 世紀80 年代以來，就高有機質(zhì)豐度沉積地層形成的主要控制因素，存在“生產(chǎn)力”與“保存條件”兩方面的爭論。前者認為主控因素是豐富的有機質(zhì)來源，即高生產(chǎn)力；后者認為主控因素是良好的有機質(zhì)保存條件，即水體環(huán)境為缺氧條件[2-3]。而這兩大因素從根本上來說又取決于生物繁殖時和埋藏時的古氣候、古構(gòu)造和古湖泊環(huán)境等各種要素的良好匹配[4]。

北部灣盆地經(jīng)過幾十年的勘探，已經(jīng)證實潿西南凹陷為富烴凹陷，其中古近系流沙港組半深湖—深湖相暗色泥巖是凹陷范圍內(nèi)的主力烴源巖系。該套地層發(fā)育廣且厚度大(最厚可達2 500 m)，其中暗色泥巖占該組段的50%以上，尤以流二段為甚，最大含量達90%以上[5-6]。盡管前人對流沙港組烴源巖有機地化特征和生油潛力等做了較深入的研究[7-10]，但對這套湖相烴源巖發(fā)育的成因機制仍有爭議。

筆者根據(jù)大量的地質(zhì)、地球化學(xué)和古生物資料，探討潿西南凹陷流沙港組富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的古氣候、古構(gòu)造和古湖泊環(huán)境，分析富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的控制因素，有助于明確其時空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的烴源巖發(fā)育層系，為該地區(qū)勘探目標的優(yōu)選提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

北部灣盆地位于粵桂古生代褶皺帶和海南褶皺帶之間，是南海北部大陸架西部一個以新生代沉積為主的盆地[11-12]。印支運動以后，北部灣盆地整體一直處于長期的隆起、剝蝕狀態(tài)，直至古近紀，由于南海擴張及邊界斷裂的活動，使本區(qū)張裂斷陷，開始了盆地內(nèi)各凹陷的演化過程[12]，其中盆地中部被NE-SW走向的企西凸起分隔成北部坳陷和南部坳陷。潿西南凹陷位于北部坳陷，北起潿西南大斷層，南靠海中凹陷及企西凸起,東臨潿洲島(圖1)，是北部灣盆地中勘探程度最高、見油氣井及油氣藏最多的凹陷[5,12]。

圖1 北部灣盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地層柱狀圖Fig.1 Geological structure and stratigraphic column of the Beibuwan basin

北部灣盆地區(qū)域構(gòu)造演化經(jīng)歷了古近紀古新世、始新世和中晚漸新世等3次張裂以及新近紀裂后熱沉降[13-14]。與盆地構(gòu)造演化過程相對應(yīng)，潿西南凹陷古近紀經(jīng)歷了湖盆的初始擴張與2次湖盆擴張—鼎盛—萎縮過程，到漸新世晚期湖盆消亡并遭受不均衡抬升剝蝕，新近紀全區(qū)接受海侵形成了海相沉積旋回[6,14]。潿西南凹陷沉積地層由下至上依次可分為3個部分：第1部分為古近系陸相沉積，包括長流組、流沙港組、潿洲組；第2部分為新近系海相沉積，包括下洋組、角尾組、燈樓角組和望樓港組；第3部分為第四系灰黃色砂層及灰色粘土[8]。流沙港組是潿西南凹陷油氣勘探的主要目的層，以湖相、三角洲相沉積為主，巖性主要為深灰色、褐灰色泥巖、頁巖夾灰白色砂巖、粉砂巖。自下而上，流沙港組可進一步分為流三段、流二段和流一段，其中流二段是潿西南凹陷最重要的富有機質(zhì)頁巖層系。

2 富有機質(zhì)頁巖特征

2.1 富有機質(zhì)頁巖分布

流沙港組二段沉積時期，潿西南凹陷整體形態(tài)為典型的半地塹形態(tài)，北部陡坡帶沉積地層厚度最大(約2 100 m)，至南部緩坡帶地層厚度逐漸減薄(約100 m)，沉積地層分布特征與凹陷形態(tài)相吻合[15]。該時期地層發(fā)育主要受控于凹陷北部的1號斷裂，而2號斷裂對地層沉積的控制作用較小，或者其還未發(fā)育[16-17]。由于1號斷裂活動和湖盆快速擴張，導(dǎo)致凹陷內(nèi)沉積地層厚度巨大(圖2a)。地震剖面上富有機質(zhì)頁巖表現(xiàn)為低頻、連續(xù)、平行和強反射，是一套區(qū)域性標志層(圖2b)。

圖2 潿西南凹陷流沙港組二段殘余地層厚度圖(上段)及富有機質(zhì)頁巖地震反射特征Fig.2 The residual stratigraphic thickness map(upper section)and the seismic reflection characteristics of organic-rich shale in the 2nd Member of the Liushagang Formation,Weixinan sag

結(jié)合已有鉆井、錄井和地層厚度等資料分析，流沙港組二段沉積面積大于1 000 km2，富有機質(zhì)頁巖厚度主要在100～500 m，其中緊臨1號斷裂的A洼和B洼為凹陷沉積和沉降中心，富有機質(zhì)頁巖厚度最大，厚度約為800～1 000 m(圖2a)。

2.2 有機質(zhì)豐度與類型

有機地球化學(xué)分析表明，潿西南凹陷流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)豐度高，生烴潛力大[7-8]。根據(jù)該凹陷12口典型探井的有機質(zhì)豐度統(tǒng)計，有機碳含量(TOC)分布于0.31%～10.35%，平均達到2.33%；氯仿瀝青“A”為0.11%～1.18%,平均值0.32%；熱解生烴潛量(S1+S2)為1.14～48.08 mg/g，平均達到11.2 mg/g；熱解氫指數(shù)IH值一般大于300 mgHC/gTOC,最高達688 mgHC/gTOC；有機質(zhì)類型為I—II1型，部分為II2型。這表明，該套富有機質(zhì)頁巖是優(yōu)質(zhì)烴源巖，具有良好的生烴能力。

3 富有機質(zhì)頁巖形成環(huán)境

3.1 流沙港組沉積環(huán)境

沉積環(huán)境對高有機質(zhì)豐度泥頁巖的發(fā)育具有非常重要的作用，決定了沉積物的類型及分布特點，特別是提供了生烴母質(zhì)生物生命活動、繁衍、繁盛的環(huán)境和埋藏條件，進而決定了高有機質(zhì)豐度烴源巖能否形成及其質(zhì)量優(yōu)越與否[10,18]。通過對10余口探井的巖心觀察以及大量地震、測井等資料的詳細分析(圖3),潿西南凹陷流沙港組主要發(fā)育4種沉積體系:扇三角洲體系、辮狀河三角洲體系、湖泊體系和重力流體系。流沙港組三段沉積早期，潿西南凹陷的湖泊面積小、水體淺，盆地周緣粗碎屑物供應(yīng)充足，主要發(fā)育沖積扇、扇三角洲和濱淺湖等沉積體系；到了晚期，湖平面上升，湖盆面積擴大，在凹陷中央發(fā)育半深湖體系，凹陷東部發(fā)育辮狀河三角洲沉積。流沙港組二段沉積時期，潿西南凹陷處于湖盆全盛階段，湖盆水體快速上升，水體深、物源遠，形成欠補償沉積，發(fā)育巨厚的細粒沉積；除北部陡坡帶小范圍發(fā)育三角洲沉積外，絕大部分地區(qū)為中深湖相泥巖，形成潿西南凹陷的良好烴源巖；地震反射特征為連續(xù)性差、振幅很弱，近于空白反射(圖2)。流沙港組一段沉積時期，湖盆水體逐漸變淺，濱淺湖發(fā)育面積擴大，從凹陷西部向盆地中心發(fā)育軸向大型辮狀河三角洲?？傮w上，潿西南凹陷流沙港組沉積時期古湖泊演化經(jīng)歷弱—強—弱的旋回演化過程[6]，巖性由下而上表現(xiàn)為粗—細—粗的沉積特征。

圖3 潿西南凹陷WZ-A井沉積相柱狀圖Fig.3 The sedimentary facies of Well WZ-A in the Weixinan sag

3.2 富有機質(zhì)頁巖發(fā)育環(huán)境

流沙港組二段中深湖相泥頁巖主要由黑色碳質(zhì)泥巖、灰黑色泥頁巖、灰黑色鈣質(zhì)頁巖及含粉砂、粉砂質(zhì)頁巖組成，偶夾紋層狀粉砂巖透鏡體，發(fā)育水平層理及斷續(xù)的水平層理，可見條帶狀的黃鐵礦顆粒，有機質(zhì)豐度和有機碳含量普遍較高，表明沉積時水體平靜，無底棲生物的擾動，沉積速率小，屬于欠補償?shù)纳钏练e[7,10]。沉積物中還原硫含量越高，指示沉積水體的還原性越強[19]。潿西南凹陷富有機質(zhì)頁巖中有機碳和硫比值分布在0.01～1.6，平均0.29，指示水介質(zhì)條件處于較封閉狀態(tài)，含鹽度高，偏還原環(huán)境，有利于有機質(zhì)的富集和保存。有機地球化學(xué)參數(shù)如姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)比值同樣可以判斷水體條件，鹽湖相、咸水深湖相的Pr/Ph 值處于 0.2～0.8，具有明顯的植烷優(yōu)勢；淡水—微咸水深湖相 Pr/Ph 值處于 0.8～2.8；淡水湖相氧化-弱還原環(huán)境Pr/Ph 值處于2.8～4.0[20]。潿西南凹陷流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖的 Pr/Ph值較低，主要分布在0.5～2.5，反映其形成于強還原-還原的微咸水—淡水沉積環(huán)境中[10]。浮游藻類化石豐度是湖盆水體營養(yǎng)程度、生產(chǎn)力水平和浮游植物繁盛的重要標志。潿西南凹陷浮游藻類在流二段含量較高，而其他層位浮游藻類往往貧乏或含量很低，指示流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖沉積時期湖盆具有較高的生物生產(chǎn)力水平，有利于有機質(zhì)的高度富集[7]?？傮w來看，流沙港組二段富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育時期古湖泊的高生物生產(chǎn)力和缺氧條件為有機質(zhì)生產(chǎn)、保存提供絕佳的條件，從而形成厚度較大的富有機質(zhì)頁巖沉積。

4 主控因素分析

富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育程度取決于生烴母質(zhì)生物的生存環(huán)境和有機質(zhì)良好的保存條件。潿西南凹陷流沙港組二段沉積時期具有高生產(chǎn)力和缺氧水體的有利環(huán)境，這種環(huán)境受控于該時期古氣候、古構(gòu)造及古湖泊環(huán)境等各要素的綜合作用。

4.1 古氣候演化

古氣候?qū)嘞莺韪挥袡C質(zhì)頁巖的發(fā)育具有重要的控制作用。在地質(zhì)歷史上，溫暖濕潤氣候一直是富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的有利氣候條件，比如志留紀至泥盆紀的特提斯域(位于岡瓦納大陸和北部大陸間的海域)位于中低緯度，氣候環(huán)境溫暖濕潤，烴源巖廣泛發(fā)育，使得該區(qū)域油氣資源十分豐富[21]。不同的氣候環(huán)境對應(yīng)不同的植物群落，而不同的植物群落可以通過不同的孢粉組合來反映。因此，孢粉組合是古氣候信息分析的直接載體。據(jù)葉得泉等[22]研究，孢粉氣溫帶可分為熱帶、亞熱帶、暖溫帶和寒溫帶等4個類型，其中熱帶、亞熱帶類型為喜熱類型，暖溫帶、寒溫帶類型為喜溫類型，而在熱帶和溫帶均有分布的類型為廣溫類型。

在潿西南凹陷，流沙港組三段以反映熱—亞熱帶類型的櫟粉-水龍骨單縫孢-紫萁孢-擬榛粉組合(Quercoidites-Polypodiaceaesporites haardti-Osmundacidites-Momipites triletipollenite)為主[23]，被子植物花粉主要是櫟粉屬(Quercoidites)，蕨類孢子主要是水龍骨單縫孢屬(Polypodiaceaesporites haardti)，可見少量的擬榛粉屬(Momipites triletipollenites)和紫萁孢屬(Osmundacidites)[23]。流沙港組二段的孢粉組合以雙束松粉-榆粉-櫟粉組合(Pinuspollenites-U.undulosus-Quercoidites)為特色，反映熱—亞熱帶類型的孢粉含量增多，被子植物花粉平均含量為43.87%，以榆粉屬中的U.undulosus、楓香粉屬(Liquidambarpollenites)和小享氏櫟粉(Q.microhenrici)為主；裸子植物花粉次之，平均含量為28.57%，以雙束松粉(Pinuspollenites)為主，含少量油衫粉屬(Keteleeriaepollenites)和云衫粉屬(Piceaepollenites)。流沙港組一段沉積時期，熱—亞熱帶類型的孢粉含量明顯降低，孢粉組合為粒面球藻-櫟粉組合(Granodiscus granulatus-Quercoidites)；組合中粒面球藻屬(Granodiscus granulatus)特別豐富，常見百色藻屬 (Bosedinia granulata)、光面球藻屬(Leiosphaeridia)、皺面球藻(Rugusphaera corrugis)、角凸藻中的Prominangularia corrugis、粒面角凸藻(Prominangularia granulata)、假科梅烏藻屬(Pseudokomewuia)，裸子植物花粉缺乏。潿西南凹陷流沙港組孢粉組合在不同時期雖然存在一定差異(圖3)，但總體上以亞熱帶孢粉為主，表明該時期整體為亞熱帶氣候；從反映濕度的孢粉組合來看，旱生型孢粉均不發(fā)育，喜濕型孢粉含量較高，反映流沙港組沉積時期主要屬于亞熱帶濕潤氣候，尤其是流沙港組二段沉積時期最為溫暖濕潤。在該氣候背景下，潿西南地區(qū)降水量大，湖盆水體充盈，且植被繁茂，風化作用強烈，陸生有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)河流搬運作用進入盆地，使水生浮游植物得以繁榮，有機質(zhì)生產(chǎn)力明顯提高。因此，良好的氣候條件為潿西南凹陷富有機質(zhì)頁巖發(fā)育提供了必要條件。

4.2 構(gòu)造活動

潿西南凹陷先后經(jīng)歷古近紀3次張裂和新近紀裂后熱沉降，盆地沉降是富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的基本因素[14,16]。古新世，北部灣盆地進入初始裂陷階段，在近NW-SE向拉張應(yīng)力作用下發(fā)育控盆的一級斷裂，即潿西南斷裂，沉降中心位于該斷層的下降盤，最大沉降速率80 m/Ma，最大構(gòu)造沉降速率45 m/Ma，控制了長流組沉積(圖4)。始新世第2次張裂期為快速沉降期，無論是總沉降速率，還是構(gòu)造沉降速率，數(shù)值均相對較大，且構(gòu)造沉降速率的占比較大，約占總沉降的3/5左右，沉降中心位于具有控凹作用的1號斷層中段下降盤，其中流沙港組二段沉積時期的沉降速率高達520 m/Ma，是盆地沉降速率最大時期[6,24]。中晚漸新世第3次張裂期，沉降中心位于凹陷東部2號斷層下降盤潿6-9構(gòu)造附近(圖2a)，構(gòu)造沉降速率從320 m/Ma降至200 m/Ma以下(圖4)。新近紀，凹陷進入裂后熱沉降階段，構(gòu)造沉降速率平均小于30 m/Ma，整體緩慢下沉接受新近紀和第四紀海相沉積[6,14]。

在張裂環(huán)境下,潿西南凹陷經(jīng)歷了三期較明顯的斷裂活動。根據(jù)斷裂與地層切割關(guān)系及運動學(xué)特征，可劃分為早期伸展斷裂、中期走滑伸展斷裂、晚期伸展斷裂和長期繼承性活動斷裂4種類型[16]。不同類型斷裂的變形期次、序列及演化過程與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場密切相關(guān)，并對凹陷沉積特征起到重要控制作用(圖2b)。古新世，以潿西南大斷裂為主要特征，控制了早期的長流組初始斷陷盆地。始新世，1號斷裂控制潿西南凹陷的沉積，其總體走向NEE，東端走向近EW，西端走向近NE[6]。其中，流沙港組三段沉積時期，斷裂活動速率約為100 m/Ma，沉積中心位于1號斷層中東部，最大沉積厚度約為800 m，此階段湖泊范圍較小，沉積相主要為河流相-扇三角洲相；隨著1號斷層活動進一步加強，活動速率最大為520 m/Ma，湖盆發(fā)育達到極盛時期，沉積沉降中心仍集中在1號斷層中東段WZ5-7和WZ6-1井區(qū)附近(圖2a)，最大沉積厚度超過1 600 m(圖5)，此時期發(fā)育了流沙港組二段中深湖相富有機質(zhì)頁巖；流一段沉積時期，斷裂活動速率減弱，平均為45 m/Ma左右，沉積中心沿走向向西遷移?？傮w上，始新世斷裂活動速率基本與凹陷沉降速率一致，對該時期凹陷的沉降及充填起主要控制作用[14,16]，并且沉降速率最大的始新世流沙港組二段沉積時期是凹陷古湖泊中深湖發(fā)育的鼎盛期。

圖4 潿西南凹陷WZ-B井沉降速率演化圖Fig.4 The sedimentation rate of Well WZ-B in the Weixinan sag

圖5 潿西南凹陷流沙港組沉積時期1號斷層不同位置古落差值(測線位置見圖2a)Fig.5 The drop value at different locations of the No.1 fault in the Liushagang Formation,Weixinan sag(see Fig.2a for location)

富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育要有適宜的構(gòu)造沉降條件和埋藏條件，如果沒有足夠的沉降量，沉積的有機質(zhì)將被氧化分解。潿西南凹陷流沙港組二段時期構(gòu)造沉積快，斷層活動速率大，湖盆水體深，沉積環(huán)境以半深湖—深湖相為主，屬深水廣盆型湖盆，有利于有機質(zhì)的保存和快速埋藏；同時，沉降過程中斷層的劇烈活動可以將湖盆中生物繁盛所需的營養(yǎng)帶入上層水體，促進湖盆生物的勃發(fā)，進而為富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育提供了高生產(chǎn)力保障。再者，表層水體由于陽光照射，溫度較高，直接刺激了藻類等生物的勃發(fā)及水體的固氮作用，對初級生產(chǎn)力具有顯著貢獻[25-26]，處于缺氧還原環(huán)境的底層水體和溫暖氣候條件下且具較高固氮作用的表層水體是富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的有利條件。因此，潿西南凹陷流沙港組二段可能為最優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層段。

5 發(fā)育模式

富有機質(zhì)頁巖的形成受控于古氣候、古構(gòu)造和古環(huán)境的綜合影響[4]，這些因素對富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的控制作用表現(xiàn)為不同水體環(huán)境的古生產(chǎn)力和氧化還原性。古氣候因素可通過湖盆古生產(chǎn)力來影響富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育和保存，而構(gòu)造活動則為富有機質(zhì)頁巖堆積提供了有效的可容納空間。流沙港組三段和一段沉積時期，潿西南凹陷構(gòu)造沉降較緩，廣泛發(fā)育以濱淺湖為主的沉積，屬于緩慢沉降的淺水廣盆沉積，沖積扇、扇三角洲和辮狀河三角洲等沉積相較為發(fā)育(圖6)；該時期藻類以球藻為主，含部分陸相溝鞭藻[7]，湖盆初級生產(chǎn)力一般，且底部水體以氧化-弱還原為主，因此只有厚度較小的富有機質(zhì)頁巖發(fā)育，且面積往往比較小。而流沙港組二段沉積時期，潿西南凹陷處于快速斷陷期，地殼拉張加劇，凹陷迅速沉降；受溫暖濕潤氣候控制，降雨量大，凹陷內(nèi)水體深，屬于快速沉降背景下的深水湖盆，以中深湖相泥頁巖發(fā)育為主(圖6)；該時期藻類以陸相溝鞭藻為主，球藻為輔，見少量淡水綠藻，整體上具有高的初級生產(chǎn)力[27]，同時底部缺氧還原的水體為有機質(zhì)保存創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，從而廣泛發(fā)育巨厚的富有機質(zhì)頁巖。

圖6 潿西南凹陷流沙港組富有機質(zhì)頁巖沉積模式圖Fig.6 The sedimentary model of the organic-rich shale in the Liushagang Formation,Weixinan sag

6 結(jié)論

1)潿西南凹陷流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖分布緊臨A洼和B洼，分布面積廣，地層厚度大，高有機質(zhì)豐度、良好生烴潛力及Ⅰ—Ⅱ1型有機質(zhì)揭示這套富有機質(zhì)頁巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

2)潿西南凹陷流沙港組二段沉積時期，受溫暖濕潤氣候控制，湖盆表層水體生物生產(chǎn)力較高；受構(gòu)造沉積和斷裂活動控制，湖盆處于欠補償狀態(tài)，主要發(fā)育中深湖相沉積環(huán)境，底層水體處于缺氧還原環(huán)境。流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖最可能為最優(yōu)質(zhì)烴源巖層段。

3)潿西南凹陷流沙港組二段富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育主要受古氣候、古構(gòu)造和古湖盆環(huán)境的綜合控制，其發(fā)育模式可概括為溫暖濕潤氣候、盆地快速沉降、表層水體高生產(chǎn)力和底層水體缺氧環(huán)境。