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    断陷盆地海陆过渡相烃源岩发育模式:以西湖凹陷平湖组为例

    田杨 叶加仁 雷闯 吴克强 刘一茗

    田杨, 叶加仁, 雷闯, 吴克强, 刘一茗, 2019. 断陷盆地海陆过渡相烃源岩发育模式:以西湖凹陷平湖组为例. 地球科学, 44(3): 898-908. doi: 10.3799/dqkx.2018.940
    引用本文: 田杨, 叶加仁, 雷闯, 吴克强, 刘一茗, 2019. 断陷盆地海陆过渡相烃源岩发育模式:以西湖凹陷平湖组为例. 地球科学, 44(3): 898-908. doi: 10.3799/dqkx.2018.940
    Tian Yang, Ye Jiaren, Lei Chuang, Wu Keqiang, Liu Yiming, 2019. Development Model for Source Rock of Marine-Continental Transitional Face in Faulted Basins: A Case Study of Pinghu Formation in Xihu Sag. Earth Science, 44(3): 898-908. doi: 10.3799/dqkx.2018.940
    Citation: Tian Yang, Ye Jiaren, Lei Chuang, Wu Keqiang, Liu Yiming, 2019. Development Model for Source Rock of Marine-Continental Transitional Face in Faulted Basins: A Case Study of Pinghu Formation in Xihu Sag. Earth Science, 44(3): 898-908. doi: 10.3799/dqkx.2018.940

    断陷盆地海陆过渡相烃源岩发育模式:以西湖凹陷平湖组为例

    doi: 10.3799/dqkx.2018.940
    基金项目: 

    油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金 PLC20180503

    构造与油气资源"教育部重点实验室开放基金 TPR201614

    国家科技重大专项子课题 2016ZX05024-002-003

    国家科技重大专项子课题 201605027-001-005

    详细信息
      作者简介:

      田杨(1989-), 男, 讲师, 博士, 主要从事构造年代学、成藏动力学和成藏机理研究.

      通讯作者: 叶加仁
    • 中图分类号: P618.13

    Development Model for Source Rock of Marine-Continental Transitional Face in Faulted Basins: A Case Study of Pinghu Formation in Xihu Sag

    图(12)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-12-26
    • 刊出日期:  2019-03-01

    断陷盆地海陆过渡相烃源岩发育模式:以西湖凹陷平湖组为例

      通讯作者: 叶加仁, jrye@cug.edu.cn
      作者简介: 田杨(1989-), 男, 讲师, 博士, 主要从事构造年代学、成藏动力学和成藏机理研究.
    • 1. 长江大学非常规油气湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430100
    • 2. 中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074
    • 3. 华北理工大学矿业工程学院, 河北 唐山 063210
    • 4. 中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028
    基金项目:  油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金 PLC20180503构造与油气资源"教育部重点实验室开放基金 TPR201614国家科技重大专项子课题 2016ZX05024-002-003国家科技重大专项子课题 201605027-001-005

    摘要: 始新统平湖组是东海盆地西湖富生烃凹陷的主力烃源岩系,也是中国东部断陷盆地海陆过渡相烃源岩的典型代表.利用钻井、地震及烃源岩有机地球化学、古生物等资料,在烃源岩特征及其发育的构造-沉积与古气候背景分析的基础上,探讨了平湖组烃源岩发育的主控因素,并建立了相应的形成模式.平湖组暗色泥岩分布广、厚度大,夹多套薄煤层及碳质泥岩,总体烃源岩质量较高.平湖组烃源岩发育于半封闭的海湾环境和温暖-潮湿南亚热带型气候条件,以陆生有机质输入为主.平湖组烃源岩的发育主要受沉积-沉降速率、母质来源及有机质保存条件等因素控制,其形成模式可概括为"快速沉降;气候温暖-潮湿;陆生有机质输入为主;淡水-半咸水;氧化性较强的环境".

    English Abstract

    • 海陆过渡相烃源岩在全球众多盆地内广泛发育,中国东部断陷盆地中诸多含油气盆地的主力烃源岩也为海陆过渡相,如东海盆地西湖凹陷平湖组、南海盆地珠二坳陷恩平组、琼东南盆地崖南凹陷崖城组等,其总体上具有“海陆双源、平面分布稳定、生烃潜力大”等特征(张功成, 2005, 2010, 2012傅宁等, 2007, 2010邓运华,2009).40余年来,前人对东海陆架盆地西湖凹陷展开了卓有成效的油气地质综合研究和勘探工作,迄今已钻探井、评价井90余口,已发现20余个油气田和含油气构造,尤其是近年来西湖凹陷中部地区2个超千亿方油气田的发现,进一步证实西湖凹陷为富生烃凹陷.西湖凹陷内钻井较少且平面分布不均衡,钻井取心资料有限,缺乏较完整的烃源岩纵向上和平面上的分析资料;学者们主要围绕平湖组煤系烃源岩开展工作,已经认识了其有机质组成、生烃模式、生烃机理等特征(陶士振和邹才能,2005朱扬明等,2012).目前关于该套过渡相烃源岩的形成背景、主控因素、发育模式等的研究比较薄弱.本文利用钻井、地震及烃源岩有机地球化学与古生物学等资料,结合盆地构造演化和沉积充填背景,分析了平湖组烃源岩发育的主控因素,并总结了其形成模式,以期为中国东部断陷盆地的海陆过渡相烃源岩研究提供指导.

      • 西湖凹陷位于东海盆地浙东坳陷的中北部,其东邻钓鱼岛岩浆岩带,西接虎皮礁、海礁及渔山隆起,北端和南端通过一个高鞍部分别过渡到福江凹陷和基隆凹陷,为一总体呈NE-SW向展布的断陷盆地,面积约5.9×104 km2.根据沉积充填、构造演化、油气分布等特征,西湖凹陷由西向东可划分为西部斜坡带、中央洼陷反转带和东部陡坡断隆带3个次级构造单元(图 1),各次级构造单元又可进一步划分为若干个三级构造单元(张国华和张建培,2015段谟东等,2017李祥权等,2018).

        图  1  西湖凹陷的位置(a)及构造单元划分(b)

        Figure 1.  Location (a) and division of tectonic units (b) of Xihu Sag

        西湖凹陷地质演化过程复杂,自晚白垩世发生、发展以来经历了7次较为重要的构造运动.在纵向上,始新世末的玉泉运动和中新世末的龙井运动区域性作用明显,以此为界可以将西湖凹陷构造演化历史划分为断陷、拗陷和区域沉降3个阶段(张建培等,2014).由于太平洋板块在晚始新世俯冲角度改变,由之前的NNW向转变为NWW向,导致东海盆地西部地区整体抬升剥蚀,而东部的西湖凹陷开始伸展裂陷,沉积-沉降中心自西往东迁移,开始接受始新统平湖组沉积;始新世末受玉泉运动影响,裂陷作用减弱,逐渐表现出拗陷沉降特点,凹陷内广泛接受海侵沉积.总之,平湖组发育于断拗转换期,为一套典型的海陆过渡相沉积岩.

      • 钻井及地震资料揭示,平湖组总体沉积厚度大,分布广泛,平面上具有明显的分区性,岩性以灰色、深灰色泥岩为主夹多套薄煤层及碳质泥岩.西部斜坡带平湖组暗色泥岩厚度一般大于200 m,最厚可达860 m;中央洼陷反转构造带暗色泥岩厚度达1 800 m,且东部洼陷带厚度大于西部洼陷带.煤层及碳质泥岩多为潮坪沼泽沉积的产物,平湖组含煤系数平均为3.31%,平均厚度为28 m,主要分布于西部斜坡带中北部.

        西湖凹陷内29口单井共1 039个泥岩及57个碳质泥岩/煤样品的地化资料统计分析结果表明,平湖组有机质类型以Ⅱ2、Ⅲ型为主(图 2a);暗色泥岩TOC平均值为1.23%,生烃潜量平均值为3.65 mg/g,而碳质泥岩和煤的有机碳含量(TOC)最高可达72.95%,平均值为32.6%,生烃潜量(S1+S2)平均值为98.5 mg/g,总体属中等-好烃源岩(图 2b).由于平湖组烃源岩埋深相对较大,且凹陷整体地温梯度较高,现今均已进入成熟至高成熟阶段;油气源对比揭示,凹陷内大部分已发现的原油和天然气均来自平湖组高成熟烃源岩(Ye et al., 2007苏奥等,2013).另外,平湖组有机质来源以陆源高等植物为主(李友川,2015);A-1井地球化学综合柱状图揭示平湖组藻类含量较低且有机显微组分以镜质组和惰性组为主(图 3),与前人的观点相符.

        图  2  平湖组烃源岩有机质类型(a)和丰度(b)判别图

        Figure 2.  Organic matter type(a) and abundance(b)for source rock of Pinghu Formation

        图  3  A-1井沉积与地球化学综合分析图

        Figure 3.  Integrated sedimentary and geochemical section of Well A-1

      • 烃源岩发育与盆地构造演化息息相关,快速沉降阶段往往形成较好的烃源岩.同时,沉积环境和沉积相也是影响有机质富集的重要因素;前人研究认为,中国近海海陆过渡相烃源岩主要受控于河流-三角洲体系(李友川等,2014赵志刚等,2016).

        始新统平湖组发育于东海陆架盆地构造沉积史上重要的转折期——断拗转换期,受太平洋板块俯冲作用影响,西湖凹陷在东断西超箕状断陷结构层之上发育中间厚、两边薄的蝶形坳陷构造层.凹陷内19口单井及1口虚拟井的构造沉降史模拟结果表明,平湖组沉积时期,总体上具有较高的沉降速率(图 4),为烃源岩的发育提供了足够的可容纳空间.由于东海陆架盆地沉降中心由西向东迁移,海水不断后退,且钓鱼岛隆升加剧,西湖凹陷平湖组沉积早期为浅海环境,沉降速率相对较低,平均约为300 m/Ma;中期为局限海、泻湖环境,主要发育潮坪、河口湾与泻湖沉积体系,沉降速率较高,平均约为500 m/Ma;晚期为海退背景下的河流相沉积,主要发育淡化泻湖与潮控三角洲沉积体系,沉降速率相对减弱,平均约为400 m/Ma.

        图  4  西湖凹陷平湖组沉积时期基底沉降速率

        Figure 4.  Subsidence rate of basement during the sedimentary period of Pinghu Formation in Xihu Sag

      • 目前,古气候研究方法有孢粉相组合分析、微量元素分析和粘土矿物分析等(Pedersen and Calvert, 1990李天义等,2008).本次研究基于单井古生物资料,统计孢粉组合中喜热、喜温、湿生、中生4种生态类型,恢复了西湖凹陷平湖组沉积时期古气候特征.如A-8井孢粉古生物资料统计表明(图 5),在指示温度特征的孢粉中,平湖组以喜热类型的植物化石为主,含量占比在50%~83%之间;喜温类型植物化石次之,含量在17%~50%之间,喜热/喜温比值在1.9~4.8之间;未出现喜寒类型植物化石.在指示湿度特征的孢粉中,平湖组中以中生类型植物化石为主,含量占比在52%~100%之间;湿生类型植物化石次之,含量在0~48%之间,湿生/中生比值在0~1.2之间;几乎见不到旱生类型植物化石.根据赵秀兰等(1992)提出的孢粉气候带类型和干湿度类型划分模式可判断,平湖组沉积时期西湖凹陷整体处于温暖-潮湿南亚热带型气候,纵向上具有“温-热-温”交替变化的趋势.在该气候背景下,西湖凹陷在该时期降雨充沛、河流纵横、湿地广布,周缘地区植被异常发育,陆源有机质和营养物质经河流搬运作用进入盆地,同时使水生浮游植物得以繁荣,为平湖组海陆过渡相烃源岩的形成奠定了物质基础.

        图  5  A-8井平湖组孢粉组合特征

        Figure 5.  Characteristics of pollen assemblage in Pinghu Formation of Well A-8

      • 控制沉积盆地烃源岩发育的因素主要有两个方面,即控制有机质输入的因素和控制有机质保存的因素,前者包括古气候、古生产力、营养物质、水体环境、海洋上升洋流、水底热液活动和火山活动等,后者包括氧化-还原条件、水体分层、沉积-沉降速率、沉积矿物类型、沉积环境和水平面变化等(Ingall and Cappellen, 1990蔡雄飞,1994刘春莲等,2001李友川等,2012魏恒飞等,2013).根据前文对平湖组烃源岩地化特征及发育背景的分析,笔者总结出控制其发育的主要因素为沉积-沉降速率、母质来源以及有机质保存条件.

      • 西湖凹陷平湖组沉积时期接受断陷阶段海陆过渡相沉积,典型单井沉积-沉降史重建结果揭示(图 6),沉积-沉降速率总体较高,其中构造沉降速率分布在50~280 m/Ma之间,沉积速率分布在100~550 m/Ma之间.但是,平面上平湖组烃源岩分布格局明显受到差异构造沉降作用的控制,具体表现为:(1)早期强烈的断陷作用导致区域上差异沉降,凹陷边缘剥蚀作用相对较强,而凹陷中心继续接受沉积;中后期拗陷沉降阶段,由于西部斜坡带地势相对平坦,且短时间内海平面周期性变化,在泻湖、潮坪环境控制下的一些低洼区域往往形成泥炭沼泽沉积,这与较好级别烃源岩(暗色泥岩和煤层的交互式沉积)发育特征相吻合.(2)由西向东(西部斜坡带→西部洼陷带→中央反转构造带→东部洼陷带)沉积速率和沉降速率具有较为明显的差异.西部斜坡带沉降速率和沉积速率中等,是煤层发育的有利地带;中央洼陷-反转构造带沉降速率和沉积速率较大,为烃源岩的发育提供了较大可容纳空间,其暗色泥岩厚度最大.显然,区域上快速沉降为沉积物提供了充足的可容纳空间,而较高的沉积速率有利于有机质富集.

        图  6  西湖凹陷沉积-沉降速率分布

        Figure 6.  Spatial-temporal characteristics of subsidence rate of Xihu Sag

      • 西湖凹陷受海水影响的陆相至海陆过渡相沉积环境中水生有机质和陆生有机质并存,有机质来源的二元性非常明显.A-2井平湖组浮游藻类含量与有机质丰度对比分析表明(图 7),3 940~4 000 m层段浮游藻类含量高达25%,与之相对应的TOC达4.3%,HI为286 mg/g,S1+S2为13.04 mg/g,说明水生浮游藻类的生产力在一定程度上控制着有机质的富集.需要指出的是,平湖组内缺乏浮游藻类的层段同样可以发育优质烃源岩,这主要与陆生高等植物有机质输入有关(图 3).

        图  7  A-4井平湖组有机质丰度及孢藻含量随深度的变化

        Figure 7.  Variations of the TOC with the content of pollen and phytoplankton in Pinghu Formation of Well A-4

        三环、四环萜烷的热稳定性好,抗降解能力强,是反映有机质来源的重要参数之一.西湖凹陷大部分样品三环萜烷比值C19/C23、C20 /C23、C21 /C23、C19-22 /C23-26与TOC具有较为明显的正相关关系(图 8),说明陆生高等植物生产力也在一定程度上控制着有机质富集.需要指出的是,虽然个别样品三环萜烷比值不高,但同样具有较高的有机碳含量,这主要与水生浮游藻类有机质输入有关.

        图  8  平湖组烃源岩TOC与三环萜烷比值交会图

        Figure 8.  Intersection digram of the TOC and tricyclic terpane ratio in Pinghu Formation

        总之,陆生有机质高效输入与水生有机质有效补充的特征决定了平湖组烃源岩形成时期沉积物中有机质的富集程度.

      • 目前,分析氧化-还原条件的方法主要有古生物、微量元素、稀土元素和生物标志化合物等(Tyson and Pearson, 1991陈践发等,2006钱焕菊等,2009).本次研究主要利用微量元素及有机地球化学指标来判别平湖组沉积时期的水介质氧化-还原条件.

        52个样品微量元素测试结果统计表明(图 9a, 9b),平湖组烃源岩主要形成于弱氧化-弱还原或氧化性的沉积环境,其中钒铬比值(V/Cr)分布范围为0.39~1.66;钒镍比值(V/(V+Ni))分布范围为0.44~0.89;镍钴比值(Ni/Co)分布范围为0.61~14.0.具体来看,Ni/Co与V/Cr交汇图判别结果倾向于平湖组形成在氧化性沉积环境,而钒镍比值(V/(V+Ni))判别结果倾向于平湖组形成在弱氧化-弱还原沉积环境.由于在强还原环境或氧化环境下有机质的快速沉降均可以造成上述元素的富集(胡修棉和王成善,2001),因此平湖组沉积时期较高的沉积速率可能是导致上述判别结果存在差异的原因.另外,基于生物标志化合物参数判别的氧化-还原条件结果表明(图 9c),平湖组烃源岩除少数样品处于弱氧化-弱还原沉积环境外,大部分样品均表现为强氧化性的沉积特征,即较高的Pr/Ph值和较低的Gam/C30H.西湖凹陷平湖组有机质在氧化性较强的沉积环境中可以有效保存,主要是因为其主要母质来源陆生高等植物有机质性质较稳定、耐氧化和耐分解能力强以及较高的沉积速率背景,但是性质不稳定、耐氧化和耐分解能力弱的浮游藻类有机质能否在氧化沉积环境中和较高沉积速率背景下得到有效保存有待进一步研究.

        图  9  平湖组烃源岩氧化-还原环境判别图

        Figure 9.  Discrimination diagram of oxidation-reduction environment of Pinghu Formation

        浮游藻类含量代表了初始水生有机质的数量,无定形有机质含量代表了最终保存下来的水生有机质的数量,若有机质在沉积过程中得到了很好保存,两者将存在明显的线性关系.图 10显示,西湖凹陷8口单井中平湖组浮游藻类含量与无定性有机质含量之间的关系大致可以划分为A、B、C三种类型.其中,类型A为浮游藻类含量和无定形有机质含量存在明显的线性关系(图 10中A-10井),指示浮游藻类有机质得到了有效保存;类型B为浮游藻类含量远远高于无定形有机质含量(图 10中A-12井),指示浮游藻类有机质部分遭到降解,部分得以保存;类型C为见不到无定形有机质(图 10中A-7井),指示浮游藻类有机质全部遭到降解,未能保存下来.也就是说,在平湖组较高沉积速率背景下,一部分浮游藻类有机质得到保存,一部分浮游藻类有机质遭到降解,这主要与平湖组沉积过程中氧化-还原条件存在较强的波动性有关,同时也说明氧化-还原条件在一定程度上控制着平湖组水生有机质富集程度.

        图  10  平湖组藻类含量和无定形含量交会图

        Figure 10.  Intersection diagram of algae content with the amorphous content from Pinghu Formation

        另外,水体的含盐度影响着生物群落的发育,在一定程度上控制着有机质的富集.基于8口单井微量元素测试数据,笔者绘制微量元素关系图(图 11)发现,平湖组锶钡比值(Sr/Ba)分布范围在0.05~1.98之间,平均值为0.28,说明平湖组既有淡水沉积环境也有咸水沉积环境,但表现为以前者为主的沉积环境;硼镓比值(B/Ga)分布范围为2.11~9.02,平均值为3.37,同样说明平湖组沉积时期处于海陆过渡相环境.西湖凹陷淡水-半咸水的水介质条件为水生生物的发育创造了得天独厚的地质条件,淡水生物与半咸水、咸水生物在这里混合,如蓝藻、绿藻、硅藻等.

        图  11  西湖凹陷水介质条件判别图

        Figure 11.  Discrimination diagram of water medium conditions in Xihu Sag

      • 研究表明,中国东部断陷盆地中的过渡相烃源岩主要发育于东海陆架盆地明月峰组和平湖组、珠江口盆地恩平组、以及琼东南盆地和莺歌海盆地崖城组.过渡相烃源岩发育时期,盆地构造演化一般处于裂陷晚期阶段,沉降和沉积补偿关系为平衡补偿,可容纳空间与沉积物供给相平衡,气候类型以热带、亚热带潮湿温暖气候为主,植被成分以针叶类和草木类较常见,海湖平面频繁周期性升降变化,有机母质输入以高等植物为主,高等植物生产力高即陆源母质供应充足、沉积环境为氧化-弱还原条件,海陆过渡相烃源岩形成模式为有机质输入为主导的控制模式(戴金星等,2007朱伟林,2010张功成等,2014).

        综上所述,平湖组海陆过渡相烃源岩发育于西湖凹陷断拗转换期,与中国东部多数断陷盆地过渡相烃源岩发育时期类似,在温暖-潮湿南亚热带型气候影响下,其形成主要受控于沉积-沉降速率、母质来源以及有机质保存条件中的氧化还原条件,建立其发育模式为:快速沉降;气候温暖-潮湿;陆生有机质输入为主;淡水-半咸水,有机质保存在氧化性较强的环境(图 12).

        图  12  平湖组烃源岩发育模式

        Figure 12.  Development model for source rock of Pinghu Formation

      • (1) 平湖组形成于盆地构造断-拗转换期,沉积厚度大,平面分布广,沉积时处于半封闭的海湾环境和温暖-潮湿的南亚热带型气候,陆源有机质和营养物质经河流搬运作用进入盆地,同时使水生浮游植物得以繁荣,为平湖组过渡相烃源岩形成奠定了物质基础,

        (2) 平湖组海陆过渡相烃源岩的发育主要受沉积-沉降速率、母质来源及有机质保存条件等因素控制,其形成模式可概括为“快速沉降,温暖-潮湿气候,陆生有机质输入为主,淡水-半咸水,氧化性较强的环境”.

    参考文献 (62)

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