鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖形成環(huán)境及控制因素

裴健翔，郭瀟瀟，薛海濤，吳楊瑜，李珊珊，李文浩

［1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570312；2.中國石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580］

關(guān)于高有機質(zhì)豐度海相烴源巖形成的主要控制因素，早在20世紀(jì)80年代就存在“保存條件”和“生產(chǎn)力”兩方面的爭論［1-3］。目前，越來越多的人認(rèn)為海相烴源巖的形成是有機質(zhì)供給、有機質(zhì)保存及沉積速率等因素共同疊加的結(jié)果，其中最主要的影響因素為古生產(chǎn)力和氧化還原環(huán)境［4-5］。然而，陸源有機質(zhì)輸入是影響大陸邊緣盆地?zé)N源巖發(fā)育的重要因素［6-7］，烴源巖較發(fā)育的大西洋裂谷系盆地均位于大河口下方，大型河流或三角洲提供了豐富的陸源有機質(zhì)，為烴源巖的形成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)［8-12］。

盡管中新統(tǒng)海相烴源巖被認(rèn)為是鶯歌海盆地主力烴源巖，對研究區(qū)天然氣具有重要貢獻(xiàn)［13-15］，但目前針對中新統(tǒng)海相烴源巖的研究相對較少，主要原因在于探井多集中在盆地邊緣或斜坡帶，中央凹陷帶鉆遇中新統(tǒng)海相烴源巖的探井相對較少，其中東方區(qū)尚未鉆遇三亞組，嚴(yán)重影響了鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖系統(tǒng)研究與評價。業(yè)已認(rèn)識到，中新統(tǒng)海相烴源巖有機質(zhì)豐度整體偏低，其中梅山組烴源巖有機質(zhì)豐度整體好于三亞組，有機質(zhì)類型以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，烴源巖以低熟和成熟階段為主，烴源巖形成時期古海洋生產(chǎn)力偏低，陸源有機質(zhì)輸入量相對較大，烴源巖主要發(fā)育在偏氧化的沉積環(huán)境，烴源巖以海相陸源型為主，東方區(qū)和樂東區(qū)可能發(fā)育有機質(zhì)保存條件相對較好的內(nèi)源型（藻類生源為主）烴源巖［16-18］。

盡管目前已初步明確了鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖形成環(huán)境及生烴潛力，但是由于烴源巖縱、橫向上均具有明顯的非均質(zhì)性，中新統(tǒng)海相烴源巖形成環(huán)境及控制因素仍不明確，嚴(yán)重制約了對中新統(tǒng)海相烴源巖生烴潛力的認(rèn)識，導(dǎo)致目前中新統(tǒng)海相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成條件與分布規(guī)律的認(rèn)識尚不明晰。有鑒于此，本文系統(tǒng)剖析了鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖形成時期古海洋生產(chǎn)力、陸源有機質(zhì)輸入量與氧化還原環(huán)境，揭示了烴源巖發(fā)育主要控制因素，為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖分布預(yù)測提供了理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鶯歌海盆地位于中國海南島西側(cè)、越南以東，北西—南東向近似為菱形展布，為高溫高壓、快速埋藏、厚度大的新生代大陸邊緣盆地，構(gòu)造位置處于哀牢—紅河斷裂帶，為走滑-伸展盆地，經(jīng)歷了斷陷和拗陷兩階段的構(gòu)造演化，盆地可進一步劃分為臨高凸起、中央凹陷、鶯東斜坡帶和鶯西斜坡帶等次級構(gòu)造［19-21］。盆地地層自下而上為始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)崖城組和陵水組、中新統(tǒng)三亞組、梅山組和黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組和更新統(tǒng)樂東組（圖1）。前人研究表明，盆地發(fā)育有3套烴源巖：始新統(tǒng)湖相泥巖、漸新統(tǒng)崖城組和陵水組海-陸過渡相泥巖、中新統(tǒng)三亞組和梅山組海相泥巖［16-17］。其中盆地凹陷期半封閉淺海環(huán)境下沉積的三亞組和梅山組烴源巖為主力烴源巖［18，22］，同時與黃流組和鶯歌海組中發(fā)育的砂巖及泥巖構(gòu)成了良好的生-儲-蓋組合［13，20］。

圖1 鶯歌海盆地構(gòu)造區(qū)劃分（a）及地層柱狀圖（b）［18］Fig.1 Structural units （a） and stratigraphic column （b） of the Yinggehai Basin［18］

2 烴源巖形成環(huán)境及控制因素

2.1 古海洋生產(chǎn)力

海洋中的氮和磷的比值總體趨于穩(wěn)定，大約為（15～16）：1，前者消耗完可以從大氣中獲取，而磷元素則不能，因此磷元素為海洋生產(chǎn)力最終體現(xiàn)者［23］，為了消除陸源輸入對生產(chǎn)力的影響，通常采用P/Ti值研究海洋生產(chǎn)力。此外，Murray等人認(rèn)為Al/Ti值也可以用于研究海洋生產(chǎn)力，但該比值受陸源碎屑輸入影響較大［24-25］。鑒于Al/Ti值受陸源碎屑輸入影響較大，本文主要根據(jù)P/Ti值判識古生產(chǎn)力大小。鶯歌海盆地鶯北區(qū)、鶯東斜坡、東方區(qū)和樂東區(qū)中新統(tǒng)海相烴源巖的P/Ti值分別分布在0.10～0.15、0.10～0.24、0.13～0.14和0.09～0.37（圖2a—d），平均值分別為0.13、0.14、0.13和0.16，與澳大利亞后太古宙頁巖（PAAS）的P/Ti值0.12［26］較為接近，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于赤道太平洋高生產(chǎn)力地區(qū)的P/Ti值2～8［27］?？傮w來看，烴源巖發(fā)育時期海洋生產(chǎn)力相對偏低，樂東區(qū)古海洋生產(chǎn)力有增加的趨勢，烴源巖的總有機碳含量（TOC）與P/Ti值沒有明顯的相關(guān)性，表明古海洋生產(chǎn)力并非烴源巖發(fā)育的控制因素。然而，樂東區(qū)L30-1探井揭示中新統(tǒng)海相烴源巖的P/Ti值明顯增大，平均值可達(dá)0.27，且與TOC值具有明顯的正相關(guān)性（圖3），表明樂東區(qū)L30-1井區(qū)附近古海洋生產(chǎn)力相對較高，且其對烴源巖的發(fā)育具有一定的控制作用。

圖2 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與P/Ti含量比值關(guān)系Fig.2 The relationship between the TOC values and the P/Ti ratios of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basina. 鶯北區(qū)； b. 鶯東斜坡； c. 東方區(qū)； d. 樂東區(qū)

圖3 鶯歌海盆地樂東區(qū)L30-1井揭示中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與P/Ti含量比值關(guān)系Fig.3 The relationship between the TOC values and the P/Ti ratios of the Miocene marine source rocks from the Well L30-1 in the Ledong area of the Yinggehai Basin

2.2 陸源有機質(zhì)輸入量

鶯歌海盆地周圍發(fā)育多條河流，不同物源其陸源有機質(zhì)輸入存在一定差異，進而影響烴源巖發(fā)育。如越南紅河三角洲輸送來了更多的被子植物［28］，受雙物源影響的H29-1井（紅河影響較大，海南島物源影響相對較小）孢粉化石資料揭示陸源有機質(zhì)主要以被子植物為主，次為蕨類植物，裸子植物含量相對較低（圖4a）；而受海南島物源影響的L1-1井揭示，陸源有機質(zhì)以蕨類植物為主，次為被子植物（圖4b）。研究區(qū)中新統(tǒng)海相烴源巖中均檢測到不同含量的奧利烷（圖5），奧利烷為被子植物生源，是常用于指示源巖有機質(zhì)輸入和地質(zhì)年代的生物標(biāo)志化合物［29］。三亞組烴源巖奧利烷含量明顯高于梅山組烴源巖（圖5），表明三亞組沉積時期陸源有機質(zhì)輸入量相對較大。此外，正構(gòu)烷烴的分布特征也能反映上述規(guī)律，三亞組烴源巖正構(gòu)烷烴分布偏后峰型，而梅山組烴源巖正構(gòu)烷烴以前峰型分布特征為主（圖5）。研究區(qū)沉積相特征揭示三亞組沉積時期，受到多物源供給影響，陸源有機質(zhì)輸入量充足；而梅山組沉積時期，海南島物源明顯減少，但梅山組海底扇相對較發(fā)育，總體來看陸源有機質(zhì)輸入也相對較充足。中新統(tǒng)海相烴源巖TOC值與奧利烷指數(shù)（奧利烷/C30藿烷）之間具有明顯的正相關(guān)性（圖6），表明陸源有機質(zhì)輸入量（尤其是被子植物含量）對中新統(tǒng)海相烴源巖發(fā)育具有明顯的控制作用。鶯北區(qū)受紅河物源影響最大，尤其是H29-1井，被子植物來源的奧利烷含量較高，其中新統(tǒng)烴源巖TOC值也明顯高于其他地區(qū)（圖7）；盡管樂東地區(qū)被子植物含量相對較低，但由于其古生產(chǎn)力高于其他地區(qū)（尤其是LD30-1井區(qū)附近），該區(qū)亦可發(fā)育高有機質(zhì)豐度烴源巖（圖7）。

圖4 鶯歌海盆地中新統(tǒng)烴源巖中孢粉化石百分含量Fig.4 The percentage of pollen of the Miocene source rocks in the Yinggehai Basina. H29-1井； b. L1-1井

圖5 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖質(zhì)量色譜圖Fig.5 Mass chromatogram of the Miocene source rocks in the Yinggehai BasinPr.姥鮫烷；Ph.植烷；C21T. C21三環(huán)萜烷； C23T. C23三環(huán)萜烷； OL. 奧利烷； C30H. C30藿烷； G. 伽馬蠟烷； C27. C27規(guī)則甾烷； C28. C28規(guī)則甾烷；C29. C29規(guī)則甾烷； 4-MS. C30-4甲基甾烷

圖6 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與奧利烷指數(shù)關(guān)系Fig.6 The relationship between the TOC values and oleanane index of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basin

圖7 鶯歌海盆地不同地區(qū)中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與奧利烷指數(shù)分布特征Fig.7 Distribution of the TOC values and oleanane index of the Miocene marine source rocks in different areas of the Yinggehai BasinOl/C30H.奧利烷/C30藿烷

2.3 氧化還原環(huán)境

U/Th值和Ni/Co值通常用于判識烴源巖形成時期水體的氧化還原條件，通常認(rèn)為U/Th值大于1.25為厭氧環(huán)境，介于0.75～1.25為貧氧環(huán)境，小于0.75為富氧環(huán)境；Ni/Co值大于7.00為厭氧環(huán)境，介于5.00～7.00為貧氧環(huán)境，小于5.00為富氧環(huán)境［30］。本文采用Ni/Co值來探討鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖發(fā)育時期水體的氧化還原環(huán)境。鶯歌海盆地鶯北區(qū)、鶯東斜坡、東方區(qū)和樂東區(qū)中新統(tǒng)海相烴源巖的Ni/Co值分別分布在2.50～3.22、2.07～3.63、2.56～5.02和2.18～9.17（圖8a—d），平均值分別為2.89、2.95、3.21和3.80，中新統(tǒng)烴源巖發(fā)育時期，鶯歌海盆地各構(gòu)造帶沉積水體均以氧化環(huán)境為主?？傮w上來看，烴源巖的TOC值與Ni/Co值沒有明顯的相關(guān)性（圖8a—d），表明氧化還原條件并非烴源巖發(fā)育的主要控制因素。值得注意的是，樂東區(qū)L30-1探井揭示中新統(tǒng)海相烴源巖中Ni/Co值明顯增大，主要分布在2.37～5.71（圖9），平均值為4.14，表明L30-1附近有機質(zhì)保存條件有變好的趨勢，且Ni/Co值與TOC之間具有明顯的正相關(guān)性（圖9），表明樂東區(qū)L30-1井區(qū)附近水體的氧化還原條件對烴源巖的發(fā)育具有一定的控制作用。

圖8 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與Ni/Co含量比值關(guān)系Fig.8 The relationship between the TOC values and the Ni/Co ratios of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basina. 鶯北區(qū)； b. 鶯東斜坡； c. 東方區(qū)； d. 樂東區(qū)

圖9 鶯歌海盆地樂東區(qū)L30-1井揭示的中新統(tǒng)海相烴源巖TOC與Ni/Co含量比值關(guān)系Fig.9 The relationship between the TOC values and the Ni/Co ratios of the Miocene marine source rocks from the Well L30-1 in the Ledong area of the Yinggehai Basin

3 優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育模式

鶯北區(qū)至東方區(qū)，三亞組沉積時期， H29-1井區(qū)附近發(fā)育三角洲，受紅河和海南島北部雙物源影響，被子植物極為發(fā)育，陸源有機質(zhì)供給充足，水體為氧化環(huán)境，不利于藻類有機質(zhì)保存，但對陸源有機質(zhì)影響較小，可發(fā)育高有機質(zhì)豐度海相陸源型烴源巖（圖10a）；從鶯北區(qū)G35-2井區(qū)至東方區(qū)D13-2井區(qū)，水體逐漸變深，但仍以氧化環(huán)境為主，由于古生產(chǎn)力偏低，有機質(zhì)仍以陸源輸入為主，但其輸入量逐漸減少（圖7），不利于高有機質(zhì)豐度烴源巖的形成（圖10a）；D29-2井區(qū)靠近沉積中心，保存條件較好，可發(fā)育內(nèi)源型（藻類生源為主）優(yōu)質(zhì)烴源巖（圖10a）。梅山組沉積時期，整體陸源有機質(zhì)輸入量有降低的趨勢，H29-1井區(qū)附近發(fā)育海底扇，陸源有機質(zhì)供給仍較為充足，水體為氧化環(huán)境，可發(fā)育高有機質(zhì)豐度海相陸源型烴源巖（圖10b）；從G35-2井區(qū)至D13-2井區(qū)，發(fā)育淺海相沉積，為弱氧化環(huán)境，有機質(zhì)主要為陸源高等植物，不利于高有機質(zhì)豐度烴源巖的形成（圖10b）；D29-2井區(qū)附近水深加大，古海洋生產(chǎn)力和保存條件均較好，可發(fā)育內(nèi)源型優(yōu)質(zhì)烴源巖（圖10b）。此外，L30-1井資料揭示樂東區(qū)存在古生產(chǎn)力和有機質(zhì)保存條件較好的區(qū)域（前文已有詳述），為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育有利場所。三亞組和梅山組沉積時期，從L11-1至L22-7方向，古生產(chǎn)力和氧化還原條件均有變好的趨勢，可發(fā)育內(nèi)源型優(yōu)質(zhì)烴源巖（圖10c，d）。

圖10 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖發(fā)育模式Fig.10 The development model of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basina. 三亞組剖面1； b. 梅山組剖面1； c. 三亞組剖面2； d. 梅山組剖面2

4 結(jié)論

1） 鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖形成時期，古海洋生產(chǎn)力相對偏低、沉積水體以氧化環(huán)境為主，樂東區(qū)古海洋生產(chǎn)力和氧化還原環(huán)境均有變好的趨勢；古海洋生產(chǎn)力和氧化環(huán)境對鶯歌海盆地中新統(tǒng)海相烴源巖無明顯控制作用，僅對L30-1井區(qū)附近烴源巖具有一定控制作用；陸源有機質(zhì)輸入為烴源巖發(fā)育的主要控制因素。

2） 受到海南島和紅河雙物源的影響，鶯北區(qū)H29-1井區(qū)陸源有機質(zhì)供給充足，為三亞組和梅山組高有機質(zhì)豐度海相陸源型烴源巖發(fā)育的有利場所；D29-2井區(qū)L30-1井區(qū)附近古海洋生產(chǎn)力和保存條件均較好，可發(fā)育內(nèi)源型優(yōu)質(zhì)烴源巖。