北部灣盆地流二段油頁巖形成條件與分布控制因素*

（中海油研究總院有限責任公司 北京 100028）

北部灣盆地儲量發現主要集中在潿西南凹陷和烏石凹陷，隨著成熟區勘探程度的提高，儲量發現難度日益加大，增儲上產亟需勘探新區獲得突破，而新區勘探評價的核心內容是烴源巖研究。鉆井證實，已獲商業發現的潿西南凹陷和烏石凹陷均發育較大規模的油頁巖這一類優質烴源巖，而且油頁巖對油氣成藏具有重要貢獻[1-2]。因此，如果能夠準確預測勘探新區油頁巖的規模與分布，對于客觀評價新區勘探潛力與優選有利勘探方向將具有重要意義。鉆井證實，油頁巖在不同凹陷發育規模與分布模式存在明顯差異，潿西南凹陷主要分布在流二段下層序，而烏石凹陷流二段上層序和下層序油頁巖均較為發育，但油頁巖形成條件與分布控制因素尚不清楚，嚴重制約了北部灣盆地新區的油頁巖分布預測和勘探潛力評價。

本次研究在系統收集、梳理和分析已有錄井、測井和分析化驗資料的基礎上，有針對性地采集11口井的巖心樣品37個、巖屑樣品248個，并開展樣品熱解、TOC、有機顯微組分、常量與微量元素分析等測試項目共652樣次?；跇悠酚^察、采集與分析測試，開展了地質宏觀分析與元素微觀分析等多尺度的研究，提出了北部灣盆地油頁巖形成的地質條件，并對油頁巖在不同凹陷分布模式的差異性進行分析，從而明確了控制北部灣盆地流二段油頁巖分布的控制因素，為新區油頁巖預測提供參考依據，對推動北部灣盆地新區勘探評價具有重要理論和現實意義。類體，含少量結構藻類體，生烴潛量（S1+S2）分布范圍為7.7～73.0 mg/g，平均33.0 mg/g。與油頁巖相比，北部灣盆地流二段普通頁巖有機碳含量分布范圍為0.2%～11.7%，平均為2.3%，有機質類型大部分為Ⅱ1—Ⅱ2型，少數為Ⅰ型，顯微組分以腐泥組（平均含量60%）和鏡質組（平均含量30%）為主，腐泥組主要為無結構藻類體，鏡質組以無結構鏡質體為主，生烴潛量（S1+S2）分布范圍為0.1～45.1 mg/g，平均8.1 mg/g。北部灣盆地流二段泥巖有機碳含量分布范圍為0.1%～8.5%，平均2.4%，有機質類型大部分為Ⅱ1—Ⅱ2型，少數為Ⅰ型，顯微組分以腐泥組（平均含量57%）和鏡質組（平均含量38%）為主，腐泥組主要為無結構藻類體，鏡質組以無結構鏡質體為主，生烴潛量（S1+S2）分布范圍為0.1～45.2 mg/g，平均8.7 mg/g。北部灣盆地流二段烴源巖Ro分布范圍在0.24%～0.92%，平均值為0.56%。綜合對比認為，北部灣盆地流二段油頁巖有機質豐度高、類型好、生烴潛力大，是盆地內最優質的烴源巖（圖1）。

1 有機地球化學特征

油頁巖的概念最早源自巖礦行業，其定義為一種含油率大于3.5%的高灰分（40%～80%）可燃有機巖石[3-9]，然而油頁巖傳統定義中“含油率”和“灰分”兩個指標并不適合于石油地質專業的烴源巖研究。針對這個問題，本次研究通過文獻調研[3，10-15]、研究區油頁巖樣品觀察、錄井和測井等資料的綜合分析，建立了適合于研究區烴源巖研究的油頁巖界定標準（將油頁巖界定為TOC大于3.5%，有機質類型為Ⅰ—Ⅱ1型的富有機質頁巖），界定標準的明確為后續開展油頁巖的單井識別和形成條件分析奠定了前提條件。

地化分析表明，北部灣盆地流二段油頁巖有機碳含量分布范圍為3.72%～11.27%，平均為6.3%，有機質類型大部分為Ⅰ型，少數為Ⅱ1型，顯微組分以腐泥組為主（平均含量超過80%），主要為無定型藻

圖1 北部灣盆地烴源巖有機質類型與豐度對比Fig.1 Comparison of organic matter type and abundance of source rocks in Beibuwan basin

2 形成條件分析

本次研究利用沉積與地化多專業手段，開展了地質宏觀分析與元素微觀分析等多尺度多層次的研究，結果表明北部灣盆地流二段油頁巖形成需要4方面條件：①富營養化的湖盆；②溫暖濕潤的氣候；③還原性水體環境；④適中的地層沉積速率。其中，富營養化的湖盆和溫暖濕潤的氣候主要控制有機質的高效產生，還原性水體環境和適中的地層沉積速率主要控制有機質的高效保存。

2.1 富營養化的湖盆

前人對現代湖泊水體富營養化和藻類勃發等方面的研究成果表明，磷（P）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等元素作為藻類生長的所必需的營養物質，對藻類的生長勃發有重要促進作用[16]。值得說明的是，現代湖泊中由于工業排放原因導致的湖泊水體磷濃度過高，對湖泊中藻類的生長起到一定的限制作用，但在地質歷史時期，古湖泊水體中可長期穩定維持的磷元素濃度是很低的（約0.01 mg/L）[17]，達不到限制藻類生長的濃度（0.445 mg/L）[18]，因此地質歷史時期古湖盆中磷元素含量的增加對藻類的勃發是起促進作用，而不是起限制作用的。

油頁巖有機質豐度高，顯微組分以無定型藻類體為主，其形成對古湖盆藻類勃發程度和古生產力要求較高，因此富營養化湖盆是北部灣盆地流二段油頁巖形成的先決地質條件。湖盆富營養化程度高有利于促進藻類勃發，提升湖盆的古生產力，有利于有機質的大量生產和富集。北部灣盆地流二段不同類型烴源巖樣品元素分析結果表明，油頁巖段鉬（Mo）、磷（P）、鐵（Fe）等營養元素含量豐富，油頁巖發育段Mo、P、P/Al（磷鋁元素比值）均呈現相對高值（圖2、3），表明油頁巖沉積時期古湖盆的富營養化程度較高，能夠為油頁巖的形成提供必要條件。

圖2 北部灣盆地烴源巖TOC與Mo元素含量交會圖Fig.2 Correlation diagram of TOC and molybdenum content of source rocks in Beibuwan basin

圖3 北部灣盆地典型井流二段元素含量變化規律Fig.3 Change rule of element content in Liu 2 Member of typical wells，Beibuwan basin

前人研究表明，湖盆的富營養化程度主要受控于物源區母巖類型與物源輸入規模[19-20]。本次研究發現，北部灣盆地潿西南和烏石凹陷流二段沉積時期湖盆的富營養化主要與凸起區花崗巖物源攜帶的營養物質輸入有關。北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷流沙港組沉積時期主要有3個物源區，包括粵桂隆起、企西隆起和流沙凸起。鉆井揭示企西隆起和流沙凸起基巖巖性主要為中生界花崗巖（圖4），基巖之上覆被潿洲組覆蓋，花崗巖物源區在流二段沉積時期為風化剝蝕區，向潿西南凹陷和烏石凹陷提供物源，并在潿西南凹陷南部、烏石凹陷南部和北部流二段形成了多個（扇）三角洲沉積體[21-22]。潿西南凹陷和烏石凹陷流二段油頁巖發育段重礦物組合以鋯石、金紅石和褐鐵礦為主，代表巖漿巖類的重礦物組合（如鋯石、金紅石和褐鐵礦等）平均占比為57%～71%，且稀土元素含量表現出明顯的銪元素負異常現象，進一步證實了流二段沉積時期企西隆起和流沙凸起上的花崗巖區對上述2個凹陷流二段具有重要物源輸入貢獻。前人研究表明，巖漿巖中的花崗巖與沉積巖、變質巖以及其他的巖漿巖類型相比較，所含磷（P）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等營養元素是最豐富的[23]，這些元素主要賦存于花崗巖的黑云母、磷灰石等礦物中，在溫暖濕潤的氣候條件下，經風化溶解隨雨水、河流流入湖盆，為藻類勃發提供營養物質。

圖4 北部灣盆地基底巖性分布（據文獻[24]修改）Fig.4 Distribution of basement lithology in Beibuwan basin（adapted from reference[24]）

2.2 溫暖濕潤的氣候

微量元素及其比值能較好地反映環境信息[25-28]。Sr的高含量是干旱炎熱氣候條件下水體濃縮沉淀的結果，因此Sr元素的含量隨著降雨量的增加而減少，低值指示溫暖潮濕的氣候條件，高值則指示干旱炎熱的氣候條件。Sr/Cu值對古氣候的變化也很敏感，通常Sr/Cu值1～10指示溫暖濕潤的氣候，而Sr/Cu值＞10則指示炎熱干旱的氣候。沉積物中Fe/Mn高值對應溫濕氣候，低值是干熱氣候的響應。Sr/Ca低值則指示溫暖濕潤的氣候，高值指示炎熱干旱的氣候。Mg/Sr值升高，指示溫度升高，反之則指示溫度降低。

微量元素和孢粉分析表明，北部灣盆地流二段沉積時期整體為熱帶-亞熱帶溫濕氣候，能夠為油頁巖形成提供有利的生態條件。流二段Sr/Cu值介于1～10，流三段和流一段Sr/Cu比值基本大于10，說明北部灣盆地流二段沉積時期基本為溫暖濕潤氣候，流三段和流一段沉積時期氣候較流二段相對干旱。同時，流二段內部Sr/Cu及Sr/Ca值從下部—中部—上部呈現出小—大—小的變化趨勢，Fe/Mn和Mg/Sr比值為大—小—大的變化趨勢，反映出油頁巖發育層段比泥巖和頁巖段具有更低的Sr/Cu比和更高的Fe/Mn和Mg/Sr比，說明北部灣盆地流二段沉積盡管整體表現為溫濕氣候，但也呈現溫暖潮濕—稍溫涼干燥—溫暖潮濕的變化趨勢，油頁巖形成時期氣候更加溫暖濕潤，有利于藻類勃發和有機質的大量生成（圖5）。

圖5 北部灣盆地WXN-25井流沙港組微量元素含量變化規律Fig.5 Change rule of trace element content in Liushagang Formation of Well WXN-25 in Beibuwan basin

2.3 還原性水體環境

圖6 北部灣盆地烴源巖TOC與二價硫含量交匯圖Fig.6 Correlation diagram of TOC and divalent sulfur content of source rocks in Beibuwan basin

烴源巖中還原硫含量的高低可以較好地反映其沉積環境還原性的強弱，一般還原硫含量越高，沉積環境的還原性越強。分析表明，潿西南凹陷和烏石凹陷流二段油頁巖段S2-、Fe2+含量明顯高于流二段泥巖和頁巖發育段，表明油頁巖形成時期水體還原性更強，更加有利于有機質保存和富集（圖6）。微量元素比值也可用來判別沉積水體的氧化還原性[29]，如V/（V+Ni）比值大于0.46代表厭氧環境，比值0.46～0.6指示貧氧環境，比值小于0.46表示富氧環境；Ni/Co、U/Th等也被用于判斷氧化還原條件，一般比值越大，還原性越強。潿西南凹陷WXN-26井流二段下部油頁巖段V/（V+Ni）值為0.77～0.85，平均值0.81，指示厭氧還原環境；而該井流二段泥巖段V/（V+Ni）值為0.75～0.79，平均值0.77，反映流二段底部油頁巖段沉積時期較泥巖沉積時期具有更強的水體還原性。烏石凹陷WS-23井流二段油頁巖段V/（V+Ni）值為0.74～0.84，平均值0.80，指示厭氧還原環境，同樣表明流二段油頁巖沉積時期湖盆水體還原性較強，更加有利于有機質的保存。

2.4 適中的地層沉積速率

前人研究表明，沉積速率是影響有機質豐度的一個重要因素[30-31]。有機質豐度一開始隨著沉積速率的增加而增加，當沉積速率達到臨界值時，有機質豐度又隨沉積速率的增大而減小。過低的沉積速率無法提供足夠的有機質，同時會導致有機質被氧化破壞；而過高的沉積速率會導致有機質的稀釋。一般來講，沉積速率在0.03～0.15 mm/a（即30～150 m/Ma）之間（也有學者研究認為20～80 m/Ma），烴源巖的有機質豐度相對最高[30-31]，有利于形成高質量烴源巖。

本次研究，根據沉積物中MnO的含量，利用前人經驗公式[32]計算出北部灣盆地不同類型烴源巖段的沉積速率。分析結果表明，有機質豐度相對較高的烴源巖對應的地層沉積速率主要集中在20～130 m/Ma（圖7），油頁巖在沉積速率適中的條件下較發育，沉積速率過快有機質被稀釋、過慢有機質被氧化，都會導致TOC下降，不利于油頁巖形成。

3 分布差異性及其控制因素分析

北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷揭示油頁巖的鉆井較多，油頁巖總體上分布在流二段的上部和下部，中部不發育。油頁巖單井厚度與分布位置統計發現，潿西南凹陷和烏石凹陷油頁巖分布的模式存在較大差異，其形成機理與分布控制因素不清楚，嚴重制約著新區的油頁巖預測。本次研究通過地質宏觀分析與元素微觀分析相結合，明確了北部灣盆地不同凹陷油頁巖差異分布的控制因素，從而為新區油頁巖預測提供參考依據。

3.1 分布差異性

北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷流二段沉積時期是湖盆發育全盛時期，全區水體較深，但其內部存在一次短期的湖平面下降，形成了自下而上細—粗—細的沉積旋回，同時也形成了一個明顯的三級層序界面，據此可將流二段分為上、下2個三級層序。鉆井揭示，潿西南凹陷和烏石凹陷流二段上層序和下層序都有油頁巖發育，且主要發育在湖侵體系域、高位體系域底部的半深—深湖相。分析認為，湖侵體系域與高位體系域早期半深—深湖相范圍內水體深度大、還原性較強，且盆緣沉積體系以退積或加積為主，盆內地層沉積速率適中，有利于有機質富集和保存，是形成油頁巖的有利層序位置和沉積相帶（圖8）。

圖8 北部灣盆地WXN-11井流二段層序與沉積相劃分Fig.8 Sequence and sedimentary facies division in Liu 2 Member of Well WXN-11，Beibuwan basin

對比研究發現，盡管潿西南凹陷與烏石凹陷流二段上層序和下層序都發育較大規模的半深—深湖相，但2個凹陷油頁巖在不同層序發育規模卻表現出明顯的差異性。截至2018年底，潿西南凹陷有124口井鉆至流二段（其中鉆穿流二段的井82口），有30口井揭示流二段下層序油頁巖，厚度范圍13～231 m，平均厚度66.2 m；但是，僅有2口井揭示流二段上層序油頁巖，厚度14～23 m。烏石凹陷有55口井鉆至流二段（其中鉆穿流二段的井23口），有7口井揭示流二段上層序油頁巖，厚度范圍9～224.5 m，平均厚度73.2 m；有14口井揭示流二段下層序油頁巖，范圍厚度6.6～154.3 m，平均厚度77.5 m。總的來講，潿西南凹陷和烏石凹陷流二段下層序油頁巖發育程度較高，厚度基本相當，而潿西南凹陷流二段上層序油頁巖分布局限（主要分布在凹陷南部距離企西隆起較近的半深—深湖相帶），且厚度較薄，發育規模明顯較烏石凹陷流二段上層序要小。

3.2 控制因素

潿西南凹陷流二段油頁巖具有“上薄下厚”特點，而烏石凹陷流二段油頁巖具有“上厚下厚”特點，到底是什么因素造成潿西南凹陷和烏石凹陷流二段上部層序油頁巖發育規模出現較大差異呢？從氣候條件看，流二段上層序沉積時期，潿西南和烏石凹陷氣候條件相同，都是溫暖濕潤的氣候，均有利于藻類勃發，因此氣候條件不是造成上述差異的原因。從湖盆水體氧化還原條件看，潿西南凹陷流二段上層序沉積時期，湖平面整體處于逐漸上升的過程，且控凹斷層活動強度較流二段下層序沉積時期明顯增加（1號斷層的古落差平均值由68 m增加到112 m），造成流二段上層序半深—深湖相面積較流二段下層序明顯增加（由679 km2增加到966 km2），因此有機質保存條件與流二段下層序相比不會有明顯變差的情況；潿西南凹陷流二段上層序揭示油頁巖的井主要分布在凹陷南部潿洲11-7和潿洲12-11構造，這2個構造處于半深—深湖相邊緣，凹陷內半深—深湖相主體部位水體還原性應該更強，更加有利于有機質的保存。由此可見，湖盆水體氧化還原條件也不是造成潿西南凹陷上層序油頁巖發育規模明顯變小的主控因素。

對比分析認為，湖盆富營養化程度是造成潿西南凹陷和烏石凹陷流二段上層序油頁巖發育規模差異性的主要因素，即潿西南凹陷流二段上層序沉積時期湖盆富營養化程度降低造成油頁巖不發育。潿西南凹陷流二段上層序湖盆富營養化程度的變化主要受湖盆水體體積增加和營養物質輸入量減少兩方面因素控制。流二段上層序沉積時期，潿西南凹陷控凹斷層活動強度加大、半深—深湖相面積增加，造成湖盆水體體積增加。與流二段下層序相比，潿西南凹陷流二段上層序沉積時期，物源輸入規模明顯減小，凹陷邊緣（扇）三角洲面積由223 km2減小到75 km2，物源規模減小造成營養物質輸入量減少。鉆井重礦物組合分析表明，流二段下層序沉積時期潿西南凹陷和烏石凹陷物源區母巖類型均以巖漿巖（研究區主要為花崗巖）為主，代表巖漿巖類的重礦物組合Ⅰ1+Ⅰ2（其中，Ⅰ1：鋯石+金紅石+銳鈦礦+白鈦礦+獨居石，Ⅰ2：磁鐵礦+角閃石+輝石）平均值分別為71%和64%；流二段上層序沉積時期，潿西南凹陷母巖區變質巖的貢獻明顯增加，代表巖漿巖類的重礦物組合Ⅰ1+Ⅰ2平均值降到41%，花崗巖母巖區物源輸入量減少，除凹陷南部有一定規?；◢弾r物源輸入外，大部分地區變質巖物源輸入為主；而烏石凹陷流二段上層序代表巖漿巖類的重礦物組合Ⅰ1+Ⅰ2平均值為57%，物源區母巖類型仍然以花崗巖母巖為主（圖9）。那么，造成流二段上層序沉積時期潿西南凹陷花崗巖物源區輸入量發生較大變化的原因是什么呢？利用地震資料分析凸起區基巖地貌形態發現，企西隆起向北與潿西南凹陷主要以平緩的斜坡形式過渡，向南與烏石凹陷主要以較陡的斷坡形式過渡（6號斷層）；流二段沉積時期企西隆起之上存在分水嶺，分水嶺兩側均有較大面積剝蝕區，同時向潿西南凹陷和烏石凹陷提供物源輸入；隨著流二段不斷沉積，潿西南凹陷地層逐漸向企西隆起之上超覆，并將花崗巖基巖覆蓋，造成企西隆起區分水嶺以北的花崗巖物源區面積不斷減小，向潿西南凹陷供應的營養物質也隨之減少；受斷層陡坡控制（北部為6號斷層和南部為7號斷層），烏石凹陷不存在上述明顯變化，而且南部的流沙凸起花崗巖物源區也可以向烏石凹陷提供花崗巖物源輸入[22]，從而保障了烏石凹陷流二段沉積早、晚時期都有較為充足的花崗巖物源輸入和營養物質供應。

流二段上層序沉積時期，潿西南凹陷花崗巖母巖區營養物質輸入減少，營養元素Mo含量明顯降低，使得藻類發育程度降低，湖盆古生產力也隨之降低。盡管潿西南凹陷流二段上層序發育大規模深湖環境，但由于湖盆古生產力低，有機質豐度不夠，也不能形成規模性油頁巖，巖性則以大套泥巖、頁巖為主（圖3a）。

圖9 潿西南凹陷和烏石凹陷流二段重礦物組合特征對比Fig.9 Comparison of heavy mineral assemblages in Liu 2 Member of Weixinan sag and Wushi sag

4 結論

1）北部灣盆地流二段油頁巖有機質類型好、豐度高、生烴潛力大，是盆地內最優質的烴源巖，也是油氣成藏主力烴源巖，開展油頁巖形成條件與分布控制因素等方面研究，對指導新區油頁巖預測和勘探潛力評價具有重要意義。

2）北部灣盆地流二段油頁巖形成條件為富營養化的湖盆、溫暖濕潤的氣候、還原性水體環境、適中的地層沉積速率，其中富營養化的湖盆和溫暖濕潤的氣候主要控制有機質的高效產生，還原性水體環境和適中的地層沉積速率控制有機質的高效保存。

3）北部灣盆地油頁巖在潿西南、烏石凹陷分布存在差異性，潿西南凹陷油頁巖主要分布在流二段下層序，烏石凹陷流二段上、下層序油頁巖均較發育。不同時期花崗巖母巖區營養物質輸入量變化控制了湖盆富營養化程度和古生產力的變化，從而決定了不同凹陷油頁巖發育規模的差異性。