瓊東南盆地古近紀成煤沉積體系類型及特征

劉 瑩,劉海燕,楊海長,王東東,宋廣增,呂大煒,陳 瑩,李增學

[1. 山東科技大學 山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266590； 2. 中海油研究總院，北京 100029； 3. 濟南大學，山東 濟南 250022]

瓊東南盆地新生代經(jīng)歷了早期斷陷、中期拗陷和晚期新構造期3個發(fā)展階段，盆地具有多水系、多隆、多凹特征，并具有典型被動大陸邊緣的構造、沉積演化特征和良好的油氣成藏條件[1-3]。油-源和氣-源對比表明盆地內的崖城組煤系烴源巖是主力烴源巖之一。瓊東南盆地早漸新世崖城組形成于始新世陸相沉積向晚漸新世陵水組海相沉積過渡的時期。崖城組早期開始發(fā)生海侵，但仍以陸相沉積作用占主導。在崖城組中、晚期海侵作用逐漸增強，海相沉積作用逐漸取代陸相沉積作用[4-7]。因此崖城組含煤地層發(fā)育在盆地活動相對較弱的裂陷中期，其間各凹陷斷裂活動減弱，地勢變得相對平緩，氣候潮濕，植被大量生長發(fā)育，非常適合成煤[8]。

在古近系的沉積體系類型分析中，不同研究者認識上有一定差異性。蔡佳[9]識別出崖城組發(fā)育沖積扇體系、(扇)三角洲體系、海岸平原體系、濱海體系、淺海體系；沈懷磊[10]分析了海底扇體系、辮狀河-辮狀河三角洲-水下扇體系、潮坪-潟湖體系的特征；魏魁生等[11]通過陵水組沉積相展布特征研究，指出它們主要受斷坡帶控制，形成于裂陷晚期，發(fā)育淺海與濱海相為主的沉積環(huán)境，盆底扇和斜坡扇、扇三角洲在斷裂附近較為發(fā)育。張功成等[12]在研究崖北凹陷崖城組烴源巖分布時提到崖城組三段的煤主要在緩坡帶的辮狀河三角洲平原環(huán)境中發(fā)育，辮狀河道的砂巖與分流間灣的泥巖或煤層互層出現(xiàn)，地震反射特征為亂崗狀弱振幅。尚魯寧等[13]在研究崖南凹陷崖城組辮狀河三角洲沉積特征時指出，該凹陷崖城組沉積具有典型的辮狀河三角洲特征，成煤作用主要發(fā)生在辮狀河三角洲平原亞相的泥炭沼澤微相，凹陷中發(fā)育多層薄煤層，為良好的烴源巖。

多位學者對瓊東南盆地崖城組進行研究，從沉積環(huán)境、層序地層及煤系烴源巖潛力等不同的角度認識崖城組沉積。但對于瓊東南盆地古近系成煤沉積體系的發(fā)育演化及成煤特征關系方面研究較為薄弱，本文將從成煤沉積體系類型及演化特征兩方面，結合鉆井、測井和地震等數(shù)據(jù)進行研究，深入分析瓊東南盆地古近系不同沉積環(huán)境下的成煤物質聚集規(guī)律及相關特征。

瓊東南盆地天然氣勘探開發(fā)事實證明，煤系及煤層是最重要的生烴源巖。崖城組煤系烴源巖的主生氣期鏡質體反射率(Ro)值為0.96%～2.74%，生氣極限Ro值為4.38%[14-15]，因此瓊東南盆地崖城組煤的演化正處于大量生氣階段，對天然氣成藏具有重要作用和貢獻。

1 區(qū)域地質背景

瓊東南盆地位于海南島東南部海域，南海北部大陸邊緣西北部，是新生代形成的NE向伸展盆地，海域面積為6.0×104km2，盆地面積為4.5×104km2。北部與海南隆起區(qū)相接，南部為永樂隆起區(qū)，西側為鶯歌海盆地，東北為神狐隆起與珠三坳陷相鄰，走向近NE向，平行于南海海盆主要構造線[16]。東側通過西沙海槽與南海西北海盆溝通，西側與北西向的鶯歌海盆地交接。瓊東南盆地是南海北部大陸邊緣新生代的重要含油氣盆地。

瓊東南盆地由北部坳陷帶、北部隆起帶、中央坳陷帶及南部隆起帶等一級構造單元和20多個二級構造單元構成(表1；圖1)[17-22]。盆地自西向東有3個走向不同的裂谷段：西部裂谷段呈EW走向，主要構造單元為崖南、崖北和樂東3個凹陷以及崖城凸起、崖21低凸起。南部裂谷段面積大于4 620 km2，沉積厚度大于4 000 m，為張性地塹結構，內部地震反射主要為平行-似平行結構。北部裂谷段為北斷南超的崖北和崖南高角度半地塹，沉積地層主要為古近系，沉積厚度最大處超過3 500 m。東部裂谷段主要構造單元為松東、松西、松南、北礁和寶島等5個凹陷以及中央凸起、松濤凸起，NE走向。陵水區(qū)位于東、西裂谷段之間，主要發(fā)育兩組方向的斷層系統(tǒng)，一組是NW-NWW向，另一組是NEE-NE向，其中以NW-NWW向雁列式斷層為主，所控制的共軛斷陷為走滑地塹，使陵水區(qū)形成區(qū)域性構造鞍狀脊或洼。

表1 瓊東南盆地凹陷結構主要特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of the main characteristics of the depression unit in Qiongdongnan Basin

圖1 瓊東南盆地構造單元劃分(據(jù)參考文獻[17-19]修改)Fig.1 Division of tectonic units in Qiongdongnan Basin(modified from references [17-19])

瓊東南盆地鉆井顯示地層自下而上分別為古近系漸新統(tǒng)、新近系中新統(tǒng)、上新統(tǒng)及第四系。根據(jù)巖性、電性、古生物及沉積旋回，將地層劃分為八個巖性地層組，自下而上分別為始新統(tǒng)嶺頭組、漸新統(tǒng)崖城組、陵水組，中新統(tǒng)三亞組、梅山組、黃流組，上新統(tǒng)鶯歌海組和第四系樂東組(圖2)[22]。

樂東組：鉆厚377～2 511.5 m，主要發(fā)育淺海相，泥巖以灰色為主，夾薄層綠灰、淺灰色細砂、粉砂層，上部為礫狀層砂，富含生物碎屑，松散未成巖。

鶯歌海組：鉆厚463.5～2 434.8 m。主要發(fā)育泥巖，呈綠灰色、灰色厚層狀，泥質粉砂巖、細砂巖為淺灰色、灰白色，呈薄層狀夾在泥巖中，局部見礫狀砂巖、灰?guī)r及薄煤層，呈下細上粗的反粒序。

黃流組：崖北凹陷缺失該組，崖南凹陷鉆厚0～664 m，根據(jù)巖性和旋回性可分為兩段。一段主要由兩種巖性呈不等厚互層狀，分別為灰色砂質灰?guī)r、灰黃色生物灰?guī)r，以及灰色、深灰色泥巖、淺灰色粉、細砂巖；二段主要為碎屑巖，如深灰色泥巖、淺灰色、灰白色細砂巖，以及夾有薄層灰?guī)r的泥質粉砂巖。

圖2 瓊東南盆地地層綜合柱狀圖[22]Fig.2 Stratigraphic column of Qiongdongnan Basin[22]

梅山組：鉆厚29.5～1 323.5 m，分為兩段：一段為淺灰色泥質粉砂巖、細砂巖與灰色泥巖互層，局部見灰色砂巖、砂質灰?guī)r；二段為灰色、深灰色泥巖與淺灰色、灰白色粉砂巖、細砂巖不等厚互層，局部見灰質砂巖、灰?guī)r。崖北凹陷部分井見厚層砂巖、泥質灰?guī)r及泥質砂巖、泥巖。

2 沉積相與成煤沉積體系類型

2.1 典型沉積相類型

通過鉆井巖心特征觀察與測井資料分析，對研究區(qū)的沉積相類型進行識別，研究區(qū)漸新統(tǒng)崖城組地層可劃分出4類成煤沉積體系，分別為扇三角洲體系、辮狀河三角洲體系、潮坪-潟湖體系和障壁海岸-海沼沙嶺平原體系。沉積相類型有扇三角洲相、辮狀河三角洲相、潮坪相、潟湖相、濱海相和淺海相等，其中扇三角洲平原沼澤、辮狀河三角洲平原沼澤、海沼沙嶺平原沼澤、潮上坪和潮間坪上部沼澤、海岸平原沼澤均有利于發(fā)生成煤作用。

2.2 地震反射與典型沉積相對應關系

利用瓊東南盆地地震資料，結合鉆井巖心及測井資料分析結果，對古近系漸新統(tǒng)含煤沉積特征進行研究，詳細分析了地震相特征與沉積相的對應關系(圖3，圖4)。

斯里蘭卡藍寶石有各種各樣的顏色，如無色、淺灰黃色、淺藍色、藍色、綠色、紫色、藍紫色、橙色等等，藍色藍寶石的顏色較淺，常為淺藍色、灰藍色、天藍色、藍紫色等。藍色藍寶石中還擁有世界上價值最高的一種顏色，也就是著名的矢車菊藍，質量上僅次于克什米爾的藍寶石?？耸裁谞柕乃{寶石一般是天鵝絨藍，而斯里蘭卡藍寶石的顏色比較淺，并且以透明、絕好的清晰度和鮮艷的光澤而聞名。在全球頂級的寶石收藏中，許多藍寶石的精美樣品都來自斯里蘭卡。其最廣為人知的戴安娜王妃訂婚戒指，后來又成為了凱特王妃的婚戒——戒指上鑲嵌的橢圓形藍寶石，正是來自斯里蘭卡。

地震相剖面A位于樂東凹陷東部(圖3)，橫跨崖北凹陷、崖南凹陷、樂東凹陷與陵南低凸起等。凹陷結構地震特征顯示崖北凹陷與崖南凹陷均為北斷南超半地塹型，樂東凹陷為南斷北超半地塹型。該區(qū)識別出濱海、淺海、潟湖、潮坪和扇三角洲等5種沉積相類型。地震相特征各有差異，其中濱海相為盆緣雜亂-亞平行反射；淺海相為盆內連續(xù)平行反射；潟湖相為盆內變振幅平行反射；潮坪相顯示中強振幅亞平行反射；扇三角洲識別出3個朵體，變振幅前積楔形或疊瓦形反射，分別位于崖北凹陷崖城組與陵水組一段、崖南凹陷陵水組二段。

圖3 瓊東南盆地崖城組沉積相與地震相對應關系(剖面A)Fig.3 Correlation of sedimentary facies and seismic facies of Yacheng Formation in Qiongdongnan Basin(section A)a.地震-地質解釋剖面；b.地震相分析剖面；c.地震測線平面位置

圖4 瓊東南盆地崖城組沉積相與地震相對應關系(剖面B)Fig.4 Correlation of sedimentary facies and seismic facies of Yacheng Formation in Qiongdongnan Basin(section B)a.地震-地質解釋剖面；b.地震相分析剖面；c.地震測線平面位置

地震相剖面B橫跨松南凹陷、陵水凹陷北部、北礁凹陷與南部隆起區(qū)(圖4)。凹陷結構地震特征顯示松南凹陷為雙斷式地塹型，北礁凹陷為南斷北超式半地塹型。該區(qū)可識別出濱海、淺海、潮坪、潟湖、海沼沙嶺平原和扇三角洲等6種沉積相類型。地震特征差異明顯，其中濱海相顯示弱連續(xù)亞平行-雜亂反射，與淺海之間具有明顯的相分異邊界；淺海相顯示低頻中連續(xù)平行反射，與濱海之間具有明顯的相分異邊界；海沼沙嶺平原相為低頻弱振幅弱連續(xù)反射，發(fā)育于南部隆起區(qū)之上小型洼陷；潮坪相顯示弱連續(xù)亞平行反射，發(fā)育于北礁凹陷，與潟湖具有明顯相分異邊界；潟湖相為強連續(xù)平行反射，發(fā)育于北礁凹陷，與潮坪具有明顯相分異邊界；扇三角洲相可識別出5個朵體，分布于盆緣斷控陡坡帶，強振幅透鏡反射(橫剖面)，前積-雜亂楔形反射(縱剖面)；辮狀河三角洲相顯示強振幅楔形反射體，可見分流河道砂體相互疊置，扇體延伸規(guī)模較大，位于陵水凹陷陵水組一段(斷陷期末期)。

本文通過瓊東南盆地漸新統(tǒng)不同沉積體系地震相分析，建立了典型沉積相與地震反射波組對應關系(表2)。其中，劃分瓊東南盆地漸新統(tǒng)典型沉積相14種組合類型，分別是：①沖積扇-潮坪-潟湖組合;②沖積扇-潮坪-濱海組合;③沖積扇-海沼沙嶺平原-濱海組合;④扇三角洲-潮坪-潟湖組合;⑤扇三角洲-濱海-淺海組合;⑥扇三角洲-濱海組合;⑦扇三角洲-淺海組合;⑧辮狀河三角洲-潮坪-潟湖組合;⑨辮狀河三角洲-濱海-淺海組合;⑩辮狀河三角洲-淺海組合;海沼沙嶺平原-濱海-淺海組合;潮坪-濱海-淺海組合;潮坪-潟湖組合;濱海-淺海(濁積扇)組合。成煤沉積體系主要為扇三角洲體系、辮狀河三角洲體系和潮坪-潟湖體系和障壁海岸-海沼沙嶺平原體系。

表2 瓊東南盆地典型沉積相及對應地震相特征Table 2 Characteristics of typical sedimentary facies and of its corresponding seismic facies in Qiongdongnan Basin

圖5 瓊東南盆地YC-Ⅰ地區(qū)漸新統(tǒng)薄煤層(巖心盒每行為1 m)Fig.5 Thin coal seam of the Oligocene in YC-Ⅰ area of Yacheng Formation,Qiongdongnan Basin(core box for each row is 1m)a.埋深3 741.5～3 744.5 m,含3套薄煤層；b.埋深4 013～4 016 m,含1套薄煤層；c.埋深4 016～4 019 m,含1套薄煤層； d.埋深4 056.4～4 059.4 m,含2套薄煤層

3 成煤特征與成煤環(huán)境

瓊東南盆地漸新統(tǒng)主要的成煤沉積環(huán)境有三角洲平原沼澤、扇三角洲平原沼澤、潮坪的潮上帶和潮間帶、海沼沙嶺平原沼澤等環(huán)境，各種環(huán)境下煤層發(fā)育特征不盡相同。針對瓊東南盆地海域區(qū)煤系埋藏深度大、煤及共生烴源巖厚度不太大、地震資料解釋分辨率較低、測井解釋烴源巖層位精度不高等問題，本文研究利用多類測井數(shù)據(jù)，運用新的測井分析技術與方法，結合鉆井沉積相和地震相對比分析方法，精細識別含煤層段、煤層、炭質泥巖、深水暗色泥巖等烴源巖的層位、厚度等特征。

3.1 鉆井巖心揭露的煤的宏觀特征

瓊東南盆地僅有少數(shù)鉆井取心揭露了崖城組的煤層，從幾厘米到幾十厘米，最厚不超過40 cm。煤層的層數(shù)多，橫向不穩(wěn)定，鄰近鉆孔中揭露的煤層數(shù)和厚度變化較大，難以對煤層進行橫向對比。通過YC-Ⅰ井崖三段取心觀察(圖5)，共發(fā)育7層煤，其中最厚煤層厚約27 cm，最薄煤層僅7 cm。煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，與煤層為過渡接觸，泥巖中富含植物碎屑。煤層主要色調為深灰黑色、黑色，由于存放時間較長，大都呈暗淡光澤，宏觀煤巖類型以半亮-半暗型煤為主，煤中礦物含量較高，密度普遍較大，部分煤巖心處有油漬溢出，反映該煤層具有較強的親油性。樣品風化嚴重，煤巖呈疏松的粉末狀。

3.2 實驗測試煤的微觀特征

瓊東南盆地漸新統(tǒng)煤的有機顯微組分差異不大，但含量變化較大(表3)，鏡質組在58.4%～98%，以基質鏡質體為主，其次為結構鏡質體，結構保存差，多見被擠壓成線狀、閉合狀、破碎狀的胞腔，可見充填粘土；少數(shù)均質鏡質體、團塊鏡質體、碎屑鏡質體；惰質組在1.4%～3.5%，以碎屑惰質體、菌類體為主，少數(shù)絲質體碎片，少見微粒體；基本不含殼質組。漸新統(tǒng)烴源巖的有機質總量在61.7%～96.1%，變化較大，炭質泥巖有機質總量在38.5%～59.8%。

煤中的無機顯微組分主要為粘土類(3.5%～34.4%)；硫化物主要為黃鐵礦(0.4%～3.8%)；煤中氧化物主要為石英(0.4%～8.0%)，炭質泥巖中石英含量偏高(8%～17.6%)，炭質泥巖中含少量的碳酸鹽巖(1.9%～3.1%)。

3.3 瓊東南盆地漸新統(tǒng)成煤環(huán)境

觀察研究區(qū)取心段煤層多光澤暗淡，以半亮煤-半暗煤為主；成煤植物以高等植物(蕨類)為主，少量水生浮游植物；泥巖中含伊利石等中-弱堿性環(huán)境的產物；煤中硫分含量較高，黃鐵礦較多，反映了成煤過程受海水影響且沉積環(huán)境還原性較強；煤的微觀組分以基質鏡質體為主，少量絲質體，凝膠化指數(shù)(GI)較高(GI值在27～57.3，平均為41.3)，植物結構保存程度(TPI)較低；粘土礦物等含量較多；煤樣的粘結性較強。反映了植物的木質纖維組織經(jīng)過了較為徹底的凝膠化作用，為停滯較深水、還原環(huán)境的產物，代表著煤層形成于近海沼澤環(huán)境。分析崖城組煤樣中無機礦物質含量較高，無機礦物含量大于20%的煤，其惰質組主要為流水氧化所致，水體的流動帶來無機物，造成了無機物含量偏高，反映了沼澤中有流動水體的注入。

通過YC-B井煤層測井異常表現(xiàn)為高陣列感應電阻率、低巖性密度、高中子孔隙度、低無鈾伽馬值；煤層位于短期基準面下降半旋回的頂部，下一個短旋回水體加深終止成煤作用；中部和下部煤層均為高灰高硫，上部煤層為低灰高硫，說明中部和下部煤層沉積時期受海水影響導致高硫，且水動力較強，表現(xiàn)為高灰，到上部煤層沉積時，水體相對較為安靜，灰分含量相對較低。從顯微煤巖類型來看，上部和下部煤層均為微鏡煤為主的含微鏡惰煤組合，說明為淺覆水-半覆水的環(huán)境，具微異地煤特征。

綜合分析瓊東南盆地漸新統(tǒng)煤層發(fā)育的宏、微觀特征以及化學成分的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)瓊東南盆地漸新統(tǒng)煤層是在多種沉積環(huán)境中發(fā)育的，有近海的辮狀河三角洲平原泥炭沼澤環(huán)境、扇三角洲環(huán)境、潮坪-潟湖環(huán)境、障壁海岸-海沼沙嶺平原環(huán)境等，系統(tǒng)總結出各成煤體系下煤層發(fā)育的有利部位和煤層分布特點(表4)。

表3 瓊東南漸新統(tǒng)煤、炭質泥巖煤巖質分析Table 3 Analysis of coal and carbonaceous mudstone in the Oligocene of Qiongdongnan Basin

注:表格中“—”表示沒有數(shù)據(jù)。

表4 瓊東南盆地漸新統(tǒng)成煤沉積體系及煤層發(fā)育規(guī)律 Fig.4 Coal-forming deposition system and coal seam development patterns in the Oligocene of Qiongdongnan Basin

4 結論

1) 通過對瓊東南盆地漸新統(tǒng)不同沉積體系的地震相分析，建立了典型的沉積相與地震相對應關系。識別出瓊東南盆地漸新統(tǒng)典型沉積相組合有14種類型：沖積扇-潮坪-潟湖組合、沖積扇-潮坪-濱海組合、沖積扇-海沼沙嶺平原-濱海組合、扇三角洲-潮坪-潟湖組合、扇三角洲-濱海-淺海組合、扇三角洲-濱海組合、扇三角洲-淺海組合、辮狀河三角洲-潮坪-潟湖組合、辮狀河三角洲-濱海-淺海組合、辮狀河三角洲-淺海組合、海沼沙嶺平原-濱海-淺海組合、潮坪-濱海-淺海組合、潮坪-潟湖組合、濱海-淺海(濁積扇)組合。

2) 首次進行瓊東南盆地漸新統(tǒng)成煤沉積體系劃分，主要為扇三角洲體系、辮狀河三角洲體系、潮坪-潟湖體系、障壁海岸-海沼沙嶺平原體系。沉積相類型有扇三角洲相、辮狀河三角洲相、潮坪相、潟湖相、濱海相、淺海相等，其中扇三角洲平原沼澤、辮狀河三角洲平原沼澤、海沼沙嶺平原沼澤、潮上坪和潮間坪上部沼澤、海岸平原沼澤均有利于成煤作用。

3) 利用煤層的宏觀特點，有機質類型及化學成分的變化規(guī)律，分析了成煤環(huán)境變化，總結各成煤體系下煤層發(fā)育的有利部位和煤層分布特點。研究表明，辮狀河三角洲體系煤層發(fā)育薄且不穩(wěn)定；扇三角洲體系煤層厚度較薄，且易發(fā)生分叉；潮坪-潟湖體系中在多潮道地區(qū)，煤層層數(shù)多，但厚度較薄，煤層間距大；在缺潮道地區(qū)，含煤層數(shù)較少，但厚度較大，煤層間距較小，煤層結構復雜；障壁海岸-海沼沙嶺平原體系煤層的層數(shù)多、但單層厚度小且橫向變化較快等特點。