渤海萊州灣凹陷烴源巖特征及形成機理分析*

潘文靜 杜曉峰 田德瑞 郭龍龍 湯國民

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

生烴有機質(zhì)特征及形成環(huán)境是烴源巖研究的關鍵問題[1-4]。萊州灣凹陷是渤海海域南部的新生代邊緣凹陷，生烴潛力大，但構(gòu)造地質(zhì)背景復雜，斷裂活動期次多、火山多發(fā)、沉積體系演變快，導致優(yōu)質(zhì)烴源巖分布規(guī)律不明，這是制約該區(qū)油氣勘探取得突破的重要原因[5-7]。本文綜合運用地球化學、古生物學以及巖石學方法對萊州灣凹陷主力生烴層系烴源巖的地球化學特征、巖石學特征以及有機質(zhì)組成特征展開研究，在此基礎之上，結(jié)合區(qū)域湖盆演化規(guī)律及古環(huán)境變化規(guī)律，探討烴源巖形成過程與機制，系統(tǒng)建立有機與無機、宏觀與微觀之間的相互聯(lián)系，對于進一步完善湖相烴源巖成烴機制研究具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

萊州灣凹陷位于渤海海域南部，是中生界基底之上發(fā)育的新生代凹陷，分為東北洼、北洼和南洼等3個次洼(圖1)。早期受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖以及歐亞板塊與印度板塊碰撞影響，中國東部發(fā)生強烈裂陷，在郯廬斷裂帶東支及控盆斷裂萊北1號斷層的綜合作用下形成北斷南超、北陡南緩、洼隆相間的構(gòu)造格局。直到沙三段沉積時期，萊州灣凹陷持續(xù)差異沉降，東北洼逐漸形成，并受郯廬斷裂帶在沙一段、沙二段到東營組沉積時期強烈的走滑作用影響而迅速下沉擴大[9-10]。

圖1 萊州灣凹陷構(gòu)造分區(qū)圖(據(jù)文獻[8]修改)

萊州灣凹陷鉆遇的地層自下而上有古近系沙河街組(Es)、東營組(Ed)，新近系館陶組(Ng)和明化鎮(zhèn)組(Nm)，其中沙河街組自下而上劃分為4段，分別為沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)。南洼、北洼沙四段均為優(yōu)質(zhì)烴源巖，但是巖性差異大(圖2)，南洼以油頁巖、膏巖、泥質(zhì)白云巖互層沉積為主，北洼以厚層泥巖沉積為主，局部含玄武巖夾層；東北洼暫未鉆遇沙四段。沙三段是萊州灣凹陷分布最廣的一套優(yōu)質(zhì)烴源巖層系，均為厚層泥巖夾砂巖沉積。區(qū)域上沙二段、沙一段、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組均為頻繁的砂泥巖互層。目前萊州灣凹陷已發(fā)現(xiàn)墾利10-1、墾利11-1等2個大中型油氣田，油源對比顯示油氣主要來源于南、北洼沙三段與沙四段，展示了較大的生烴潛力和較好的勘探前景。

2 烴源巖特征

2.1 地球化學特征

實測數(shù)據(jù)分析顯示，萊州灣凹陷東北洼發(fā)育東三段、沙一段、沙三段等3套成熟烴源巖，東三段局部地區(qū)成熟度較低，沙一段和沙三段成熟度Ro均達到了生排烴階段(圖3a)；而北洼和南洼受埋深影響，僅有沙三段和沙四段烴源巖成熟度達到了0.5%(圖3b、c)。

熱解和干酪根顯微組分分析指示，萊州灣凹陷沙三段、沙四段以好—非常好烴源巖類型為主，僅東北洼發(fā)育東三段和沙一段烴源巖(表1)，其中東三段烴源巖受成熟度影響為中等烴源巖;沙一段烴源巖為好烴源巖，但受沉積厚度及展布面積影響其生烴量有限。綜合分析認為，沙三段、沙四段是萊州灣凹陷的主力生烴層系。

2.2 巖石學特征

為了進一步明確巖石礦物組成對沉積環(huán)境的指示作用以及對烴源巖品質(zhì)的影響，對萊州灣凹陷沙三段、沙四段開展了系統(tǒng)的巖石學研究。

北洼沙四段發(fā)育厚層灰色泥巖，指示穩(wěn)定湖相沉積環(huán)境。南洼沙四段沉積大套膏鹽夾頁巖、白云巖，薄片中可見油頁巖發(fā)育密集的有機質(zhì)與碳酸鹽巖紋理。沙四段沉積時期,受差異沉降影響，萊州灣凹陷沉積中心在北洼；而南洼水體相對較淺，受炎熱干旱氣候影響更強烈，湖盆水體強烈蒸發(fā)，形成鹽湖環(huán)境，沉積了大量石膏，使得該地區(qū)烴源巖呈膏鹽、頁巖和泥質(zhì)白云巖互層的沉積特征(圖4a—l)。

表1 萊州灣凹陷烴源巖綜合評價

a—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，紋層狀烴源巖中發(fā)育碳酸鹽巖流體，單偏光；b—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，有機質(zhì)團塊與碳酸鹽巖以及石膏緊密接觸，正交光；c—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，紋層狀烴源巖中碳酸鹽巖流體以含鐵方解石為主，局部發(fā)生蝕變，可見石膏晶體，單偏光；d—同(c)，正交光；e—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，石膏晶體主要分布在靠近有機質(zhì)沉積的一側(cè)，單偏光；f—同(e)，正交光；g—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，遠離碳酸鹽巖流體的紋層狀烴源巖中碳酸鹽巖以普通方解石為主，鐵方解石含量極低，單偏光；h—同(g)，正交光；i—KL11-2-A井，1 806 m，沙四段，膏鹽，單偏光；j—同(i)，正交光；k—KL11-2-A井，1 808 m，沙四段，有機質(zhì)泥巖中的石膏晶體，正交光；l—KL11-2-A井，1 808 m，沙四段，石膏，正交光；m—KL11-2-A井，1 683 m，沙三段，寬紋層狀烴源巖，單偏光；n—KL11-2-A井，1 683 m，沙三段，富有機質(zhì)泥巖，單偏光；o—KL11-1-A井，2 763.27 m，沙三段，富有機質(zhì)泥巖，單偏光；p—KL10-1-A井，3 000 m，沙三段，含方解石泥巖，正交光。注：OM—有機質(zhì)，Cal—方解石，Gp—石膏。

圖4 萊州灣凹陷烴源巖層系巖石學特征

Fig .4 Lithologic characteristics of the source rocks in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

沙三段沉積時期，萊州灣凹陷氣候逐漸轉(zhuǎn)濕潤，各次洼均以泥巖沉積為主(圖4m—p)，北洼沙三段沉積中后期受火山作用影響明顯，在泥巖中間夾有大套深灰色玄武巖；南洼沙三段沉積后期出現(xiàn)了指示氧化環(huán)境的紅色泥巖；東北洼發(fā)育厚層灰色泥巖，與沉積中心逐漸向東北部轉(zhuǎn)移的構(gòu)造格局相呼應。

2.3 孢粉相特征

系統(tǒng)的孢粉相研究發(fā)現(xiàn)，萊州灣凹陷沙四段烴源巖的有機質(zhì)組成平面差異明顯，北洼普通泥巖中有機質(zhì)以熒光強度較弱的陸源無定形為主，構(gòu)成陸源無定形的孢粉相組合(圖5a—h);南洼有機質(zhì)紋層泥巖中以熒光亮度強的水源無定形為主，浮游藻類具有較高含量，可以構(gòu)成水源無定形-孢質(zhì)組合(圖5i—p)。

萊州灣凹陷沙三段烴源巖有機質(zhì)組成整體為無定形組合，但是孢粉相分析顯示各次洼無定形類型與含量具有差異,北洼除了豐富的無定形以外，還含有豐富的浮游藻類化石和少量角質(zhì)(圖6a—d);南洼無定形以陸源無定形為主，生烴潛力低(圖6e—h),東北洼無定形含量明顯高于北洼和南洼，除了豐富的水源無定形以外，還有球形疑源類及浮游藻類等，顯示出較好的生烴前景(圖6i—p)。

a—KL10-1-A井，3 080 m，海綿狀陸源無定形，透射光下呈黃棕色；b—同(a)，藍光激發(fā)顯桔紅色—褐色熒光；c—KL10-1-A井，3 385 m，絮狀無定形，透射光下顯黃色—褐色；d—同(c)，藍光激發(fā)顯示桔色熒光，孢粉化石顯亮黃色熒光；e—KL10-1-A井，3 080 m，浮游藻類，透射光下呈黃色；f—同(e)，藍光激發(fā)顯亮黃色—棕黃色熒光；g—KL10-1-A井，3 225 m，團塊狀無定形，左側(cè)有機質(zhì)為過成熟狀態(tài)，透射光下呈棕色—黑色，右側(cè)有機質(zhì)為成熟階段，透射光顯示黃色；h—同(g)，左側(cè)過成熟狀態(tài)無定形藍光激發(fā)無熒光顯示，右側(cè)無定形藍光激發(fā)顯示黃色； i—KL11-2-A井，2 005 m，團塊狀無定形，透射光下呈黃褐色；j—同(i)，藍光激發(fā)呈亮桔色； k—KL11-2-A井，2 055 m，團塊狀無定形，透射光；l—同(k)，藍光激發(fā)顯示桔色熒光；m—KL11-2-A井，2 097 m，左側(cè)團塊狀無定形，右側(cè)為浮游藻類溝鞭藻化石副渤海藻屬，透射光下均為黃色；n—同(m)，藻類化石藍光激發(fā)顯亮黃色熒光，無定形呈淺黃棕色；o—KL11-2-A井，1 925 m，左側(cè)為孢粉化石，透射光下呈黃色，右側(cè)為團塊狀陸源無定形，透射光下呈褐色；p—同(o)，藍光激發(fā)孢粉顯黃色熒光，無定形顯黃棕色熒光。

圖5 萊州灣凹陷沙四段孢粉相特征

Fig .5 Palynofacies of Es4in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

a—KL10-1-A井，2 950 m，角質(zhì)體，透射光下呈黃色；b—同(a)，藍光激發(fā)顯桔紅色熒光；c—KL10-1-A井，2 950 m，絮狀團塊狀無定形大量發(fā)育，透射光下顯黃色—褐色；d—同(c)，藍光激發(fā)顯示桔色熒光；e—KL11-2-A井，1 740 m，團塊狀無定形，透射光下呈黃褐色；f—同(e)，藍光激發(fā)顯暗桔色熒光；g—KL11-2-A井，1 740 m，團塊狀絮狀無定形，透射光下呈黃色—棕色；h—同(g)，藍光激發(fā)呈暗桔色； i—KL6-4-B井，2 780 m，團塊狀陸源無定形大量發(fā)育，透射光下呈黃色；j—同(i)，藍光激發(fā)呈桔色，局部化石呈亮黃色熒光；k—KL6-4-B井，2 780 m，團塊狀水源無定形，透射光下呈黃色；l—同(k)，藍光激發(fā)顯亮黃色熒光；m—KL6-4-B井，2 700 m，球形疑源類化石，透射光下呈黃褐色；n—同(m)，化石藍光激發(fā)顯暗桔色熒光；o—KL6-4-B井，2 940 m，葡萄藻化石，透射光下呈黃色；p—同(o)，藍光激發(fā)顯亮黃色熒光。

圖6 萊州灣凹陷沙三段孢粉相特征

Fig .6 Palynofacies of Es3in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

3 烴源巖形成機理

3.1 沙四段烴源巖

沙四段沉積時期萊州灣凹陷處于裂陷早期，湖盆規(guī)模小，并且被中央構(gòu)造帶分隔成南、北2個獨立次洼，沉積中心在北洼，南洼水體較淺。沙四段沉積早期氣候異常干旱，引起湖盆水體強烈蒸發(fā)，南北洼湖盆水體鹽度均呈上升趨勢，尤其是南洼形成鹽湖，為極易降解的優(yōu)質(zhì)有機質(zhì)成分提供了良好的保存條件，但是受湖盆生產(chǎn)力影響而導致烴源巖TOC值均較低。隨著湖盆持續(xù)沉降，古湖盆面積不斷擴張，與此同時氣候逐漸轉(zhuǎn)濕，湖泊生態(tài)系統(tǒng)逐漸復雜，有機地化分析證實沙四段烴源巖TOC均呈現(xiàn)明顯的增高趨勢。孢粉相分析研究顯示沙四段沉積晚期生物類型和含量均出現(xiàn)大幅增長，但有機質(zhì)類型組成不同，烴源巖自下而上變好的驅(qū)動機制明顯不同。

孢粉相鑒定分析顯示北洼普通泥巖主要沉積了陸源無定形，南洼頁巖沉積了大量的浮游藻類以及水源無定形。區(qū)域構(gòu)造沉積研究顯示，沙四段沉積時期北洼是沉積中心，湖盆規(guī)模大，有機質(zhì)豐度高，但是沉積速率慢，導致有機質(zhì)類型以耐降解的陸源無定形為主；南洼水體鹽度高，為有機質(zhì)提供了良好的保存條件，使得極易降解的優(yōu)質(zhì)有機質(zhì)能夠較好保存，但是受湖盆規(guī)模制約使其有機質(zhì)含量略低于北洼。

此外，實驗證實烴源巖中90%的有機質(zhì)以進入黏土礦物層間的形式保存，并且礦物對有機質(zhì)具有選擇性保存的特點；細粒沉積物中的黏土礦物能有效保護水生生物抵御微生物和氧化環(huán)境降解，而相對粗粒的沉積物中有機質(zhì)主要以耐降解成分為主[11]，這可能是影響南北洼生烴物質(zhì)組成差異明顯的重要原因之一，極易降解的優(yōu)質(zhì)有機質(zhì)類型在南洼細粒頁巖中能夠有效保存，而北洼沉積的普通泥巖中主要以陸源無定形為主。

綜上所述，萊州灣凹陷南北次洼沙四段烴源巖特征差異明顯，形成機制不盡相同，是區(qū)域沉積環(huán)境差異和微觀無機礦物選擇性保存的結(jié)果。

3.2 沙三段烴源巖

沙三段沉積時期萊州灣地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)為溫暖潮濕氣候類型，伴隨著盆地迅速的差異沉降，北洼和東北洼的連通性增強，沉積中心逐漸向東北洼轉(zhuǎn)移，南洼規(guī)模逐漸收縮，形成新的古湖盆格局和古水體環(huán)境。

研究證實，古湖盆水體鹽度對成烴生物的生長和保存具有重要影響，直接影響烴源巖的形成過程；B/Ga值是應用最廣泛的一類古鹽度元素指標，元素B的溶解度和遷移能力顯著大于Ga，并且在較高鹽度條件下才能沉淀，在同一地區(qū)隨著水體鹽度增大B/Ga值升高[12-15]，王益友 等[16]研究認為B/Ga值為4.5～5對應海相沉積，B/Ga值為3～3.3為陸相沉積環(huán)境。鐘紅利 等[17]研究認為塔里木盆地古生代地層中B/Ga<2指示淡水—微咸水，B/Ga值為2～6指示半咸水，B/Ga>6指示咸水—超咸水環(huán)境。分別對萊州灣凹陷各次洼沙三段烴源巖開展地球化學元素分析，結(jié)果顯示北洼B/Ga值為2.08～2.44，平均值為2.19；南洼B/Ga值為4.83～6.63，平均值為5.46；東北洼B/Ga值為1.94～2.64，平均值為2.22，因此推斷東北洼和北洼大致為淡水—微咸水沉積環(huán)境，南洼為半咸水—咸水沉積環(huán)境(表2)。

表2 萊州灣凹陷沙三段部分元素值

分析認為，萊州灣凹陷沙三段沉積時期古湖盆水體鹽度的平面變化與湖盆構(gòu)造演化及區(qū)域地質(zhì)事件具有緊密聯(lián)系，并且與烴源巖孢粉相特征具有較好響應關系。受郯廬斷裂帶東支強烈走滑影響，東北洼沉降速度最快，使得極易遭受降解的浮游藻類、水源無定形等迅速埋藏保存下來。北洼緊鄰北部陡坡帶，巖性特征分析反映強烈的斷裂和火山活動使得局部物源十分發(fā)育，有機質(zhì)保存難度加大，導致北洼浮游藻類含量顯著降低，而耐降解的角質(zhì)體等仍維持一定含量。南洼在沙三段沉積時期湖盆規(guī)模急劇收縮，逐漸成為封閉古湖盆，水體鹽度增大，但是受湖盆淺、沉降速率慢的影響，主要保存了陸源生物降解后形成的無定形。

綜上所述，古地貌及區(qū)域地質(zhì)事件是形成萊州灣凹陷沙三段烴源巖平面差異的主要原因。

4 勘探意義

通過對萊州灣凹陷沙三段、沙四段烴源巖的孢粉相、巖石薄片、有機地化特征展開系統(tǒng)的研究，明確了這2套烴源巖均具有較大生烴潛力，并且結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景及古環(huán)境特征分析了2套烴源巖的形成機制及影響因素，闡述了不同層系烴源巖特征及差異，對深入分析萊州灣凹陷原油差異富集具有重要意義。目前探井揭示萊州灣凹陷的原油主要分布在南北斜坡帶、中央構(gòu)造帶和東部走滑帶，油源對比顯示南北斜坡帶和中央構(gòu)造帶原油主要來自于南北洼沙三段、沙四段這2套優(yōu)質(zhì)生烴層系，東部走滑帶原油主要來自東北洼沙三段烴源巖，與烴源巖研究認識保持一致。

傳統(tǒng)的烴源巖研究主要是通過地球化學的方法來開展，本次研究是在傳統(tǒng)研究方法的基礎之上對烴源巖的巖石學以及孢粉相進行對比研究，明確了南洼沙四段沉積時期古湖盆優(yōu)質(zhì)的保存條件不僅僅是強還原環(huán)境，還有無機礦物選擇性保存的貢獻,是沉積環(huán)境和無機礦物雙重作用的結(jié)果。此外,通過孢粉相的系統(tǒng)分析，明確了萊州灣凹陷烴源巖中有機質(zhì)類型、母質(zhì)來源、豐度、保存機制與湖盆演化具有較好響應關系，有效建立起烴源巖有機與無機、宏觀與微觀、地質(zhì)與環(huán)境之間的聯(lián)系，為明確該地區(qū)湖盆演化規(guī)律和開展烴源巖精細研究及預測提供了新思路。

5 結(jié)論

1) 通過對萊州灣凹陷主力生烴層系沙三段、沙四段烴源巖開展系統(tǒng)的有機地球化學、古生物學、巖石學研究，證實萊州灣凹陷沙三段、沙四段均為好—優(yōu)質(zhì)烴源巖層系。

2) 通過宏觀構(gòu)造和古湖盆沉積環(huán)境分析，結(jié)合烴源巖巖石學與孢粉相研究，證實萊州灣凹陷主力生烴層系烴源巖形成機制差異明顯，其中沙四段烴源巖平面差異是沉積環(huán)境和無機礦物選擇性保存的結(jié)果，而沙三段烴源巖平面分布特征主要受古地貌與局部地質(zhì)事件綜合影響。