南海北部深水区盆地热历史及烃源岩热演化研究

吴景富，杨树春，张功成，单竟男，唐晓音，梁建设

1 中海油研究总院，北京 100027

2 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

1 引 言

随着世界对能源需求的增长以及陆地和浅水油气发现难度的增加，油气勘探家们的目光逐渐转向海洋的深水区，尤其是巴西Campos盆地大型油气田的发现，加速了各国对海洋深水区油气勘探力度.南海北部深水区是我国目前油气勘探重要战略选区，迄今已经发现荔湾3-1等油气田.虽然已经获得油气勘探的成功，但还有诸多问题尚需探讨，盆地的热演化及烃源岩的生烃状态就是其中之一.

盆地沉积充填物所经历的热历史对油气的生成、运移和聚集有着重要影响，因此盆地热史的研究越来越受到地质工作者，尤其是石油工作者的重视.自20世纪70年代迄今，国内外许多学者探讨过南海北部的地温场特征[1-9］，但大量的地热学方面的工作局限在大地热流测量方面，也有少数学者利用“构造-热演化”方法对深水区盆地热历史进行了研究[10-13］，但这些正演热史缺乏盆地现已获得的古温标数据的约束.

本文在现今地温场特征基础上，利用南海北部邻近深水区的钻井磷灰石（U-Th）／He、镜质体反射率（Ro）数据对南海北部深水区盆地前人正演得到的热历史进行了约束，并以南海北部深水区为主要烃源岩为研究对象，综合正、反演热史探讨了南海北部深水区烃源岩生烃状态以及热史对不同凹陷烃源岩热演化的影响.

2 地质背景与现今地温场

南海北部深水区指水深在300～3000m之间的陆缘盆地区，大地构造位置属于南海北部大陆边缘的一部分，主体处于陆坡区，地壳以洋-陆过渡壳为主.南海北部深水区包括琼东南盆地和珠江口盆地珠二坳陷，发育有白云凹陷、乐东—陵水、松南—宝岛凹陷等8个凹陷（图1）.

图1 南海北部构造单元图Fig.1 Tectonic regionalization of the northern South China Sea

南海北部深水区是经历了多幕裂谷期、区域热沉降期和新构造活动期3个演化阶段而形成的盆地[14-16］.在盆地新生代以来演化过程中，南海北部发生过三次区域性的构造运动[15］，即神狐运动、南海运动、东沙运动（表1）.这三次构造运动在南海北部造成了沉积充填的差异：神狐运动至南海运动期间地层组成，即珠江口盆地的神狐组、文昌组、恩平组和珠海组或琼东南盆地的古新统—始新统、崖城组和陵水组，相当于裂谷阶段的沉积地层，沉积环境以陆相为主；南海运动至东沙运动期间的地层组成，即珠江口盆地的珠江组和韩江组或琼东南盆地的三亚组和梅山组，相当于裂谷后（拗陷阶段）的沉积地层，沉积环境以海相为主；东沙运动后地层组成，即珠江口盆地的粤海组、万山组和第四系或琼东南盆地的黄流组、莺歌海组和乐东组，主要为滨、浅海相沉积环境.

表1 南海北部深水区地层与盆地演化对比表（据张功成等（2007）[16］）Table 1 The comparison table of stratigraphy and evolution in the deep water area，the northern South China Sea（modified after Zhang G C（2007）[16］）

在南海构造演化过程中，南海北部深水区盆地发育了多套烃源岩.琼东南盆地目前钻井揭示了下渐新统崖城组和上渐新统陵水组烃源岩[17-18］，崖城组和陵水组烃源岩有机质丰度较高，以Ⅲ型干酪根为主，未钻遇的始新统地层认为是湖相烃源岩[19］.珠江口盆地发育始新统文昌组、下渐新统恩平组和上渐新统珠海组烃源岩，文昌组烃源岩有机碳含量为0.5%～4.88%，平均1.22%，以Ⅱ1型干酪根为主.恩平组烃源岩有机碳含量也达1.0%～1.5%，以Ⅱ2为主[20-21］.

盆地现今地温场是盆地构造演化的最后一期，也是唯一能够直接测量的一期.因此盆地现今地温场特征是盆地构造热演化研究的重要环节，也是必要的约束条件之一.

南海北部现今地温场分析结果表明[5］：南海北部地区现今地温场具“热盆”属性，且深水区比浅水区更“热”，地温梯度为29.4～52.2℃／km，平均地温梯度为39.1℃／km.深水区地温梯度与华北（33～35℃／km）和松辽（38℃／km）等“热盆”的地温梯度相当[22］，与中国近海其它盆地相比，深水区地温梯度比中国东海（32.7℃／km）[23］和南黄海南部（28.6℃／km）[24］都高.南海北部陆缘浅水区大地热流比中国大陆地区大地热流平均值（平均63mW／m2）[25］稍高，与中国近海其它盆地相比，南海北部陆缘深水区大地热流比东海和南黄海都高，东海盆地台北坳陷的热流值59.5～81.3mW／m2，平均为70.4mW／m2，西湖坳陷的热流介于55.3～84.3mW／m2，平均值为71.7mW／m2[23］；南黄海盆地南部地区热流值介于60.1～76.8mW／m2之间，平均值为67.7mW／m2[24］.可见，南海北部陆缘珠江口盆地和琼东南盆地不仅具“热盆”特征，而且深水区比浅水区更“热”，深水区比东海、南黄海等边缘海盆地也更“热”.

3 热史恢复

目前国内外应用于盆地热史的研究方法主要有两种[26］：一是在岩石圈尺度上的 “构造-热演化法”，即“热史正演”，该方法基于盆地的构造演化模型，能得到盆地演化整个地质历史时期的热流变化，但缺乏有效的温标数据约束；二是在盆地尺度上“古温标法”，即“热史反演”，该方法基于盆地演化形成的热产物，热史能与现今温标数据最大程度拟合.但因为古温标记录的是地层受热最高程度，所以反演只能得到特定地质时刻的热状态.两种方法各有自身的优势和限制，目前热史恢复技术正逐步向二者结合的方向发展，从而使热史恢复技术更加系统、科学.

3.1 热史反演

盆地尺度上的盆地热史可以通过各种古温标数据（如镜质反射率、磷灰石（U-Th）／He、包裹体测温等）来恢复，盆地热史恢复的方法很多[27］.根据南海深水区盆地古温标状况和实际的地质条件，选用古地温梯度法进行热史恢复.对于每一个样品来说，其温标值都代表了一个它所经历的最高古地温，对于某一连续沉积的地层，即一个构造层来讲，一组样品达到最高古地温的时间是统一的.因此，根据不同深度上样品最高古地温即可得出该构造层达到最高古地温时的古地温梯度.如果各个构造层达到最高古地温的时间不一致，则可得出各相应时间范围内的古地温梯度或古地温梯度史和与之对应的地层受热史，这就是古地温梯度法[27］.本次主要根据深水区北部凸起区钻井镜质体反射率数据，利用古地温梯度法，结合（U-Th）／He技术恢复南海北部陆缘热史.

3.1.1 珠江口盆地热史反演

本次选取了珠江口盆地三口拥有较系统古温标数据（Ro）的钻井（见图1），即 PY33-1-1、PY28-2-1和HZ23-2-1进行热史恢复.从三口钻井的成熟度标志数据Ro状况来看：Ro数据分布在0.3%～1.6%间，与深度的相关性较强，整体上具有很好的分段性，以珠江组和珠海组间的不整合面为界，深部Ro随深度变化的梯度大于浅部，如PY33-1-1井（图2）.这种Ro随深度的变化规律存在明显差异的特征，记录了盆地不整合面形成前后地层所经历的不同热状态.

正是Ro数据随深度分布的这一特征，使古地温状态得以重建.利用古地温梯度法本文重建了三口钻井的古地温剖面.重建的PY33-1-1井古地温剖面（图3）显示：在珠海组及以前地层沉积时具有较高地温梯度，其相对应的古地温梯度为39.4℃／km，与现今地温梯度（35.6℃／km）相比表现为一个下降过程，其它两口钻井也具有相同的特征.

三口钻井的热史恢复结果表明：南海北部珠江口盆地目前所能恢复的最高古地温梯度出现在古近纪末，位于不同构造单元的三口钻井当时古地温梯度分别是：39.4 ℃／km（PY33-1-1）、35.8 ℃／km（PY28-2-1）和33℃／km（HZ23-2-1），与现今地温梯度（35.6℃／km、33.0℃／km、30.0℃／km）相比表现为一个下降过程，表明自渐新世末（23.3Ma）以来所经历的是一个持续的冷却过程（图4），反演热史反应南海北部在渐新世及以前经历拉张过程、其后经历热沉降的构造演化特征.

3.1.2 琼东南盆地（U-Th）／He热史反演

（U-Th）／He数据是一种有效厘定盆地（或者凹陷）经历最高古温度时间的温标数据.Zeitler等研究认为磷灰石He年龄可以解释为通过较低温度的冷却年龄[28］，因而该年龄可以提供岩石低温冷却历史的重要信息，并且指出了（U-Th）／He放射性测年具有作为低温温度计的潜力.磷灰石（U-Th）／He定年技术有效地记录了样品经历较低温度范围（40～75 ℃）[29］.

图2 珠江口盆地钻井Ro-深度图Fig.2 The plot of Rovs.depth from the boreholes in Pearl River Mouth Basin

当磷灰石经历超过75℃温度（即磷灰石封闭温度）时，He元素从磷灰石中完全扩散，而温度小于40℃时，几乎所有的He元素都被保持在磷灰石中，在这两个点之间的温度区间为部分保留区（HePRZ）.利用高温时He在磷灰石扩散丢失的特性，岩石样品经历75℃这一温度点的时间可以很好地记录下来，从而提供热史的重建[30-32］.本文在美国佛罗里达大学（U-Th）／He低温年代实验室测试了YA8-2-1井7个样品13个颗粒的磷灰石（U-Th）／He年龄（表2）.测试过程分4个步骤进行[33］：（1）在双目镜下从分选出来的重矿物中挑选磷灰石晶体；（2）对磷灰石晶体通过加热3min释气，测试He浓度；（3）测定 U、Th的含量；（4）He年龄计算和校正.

YA8-2-1井位于南海北部深水区琼东南盆乐东凹陷北部，采样层位覆盖不整合面上下地层.从测试的样品颗粒年龄来看，磷灰石（U-Th）／He年龄以小于2.48Ma为主，在磷灰石（U-Th）／He部分保留区，存在2个颗粒年龄大于地层实际年龄，说明样品尚未完全经历封闭温度，其年龄可能反应母岩的地质年龄.在封闭温度对应的深度面以下，磷灰石（U-Th）／He年龄均在2.48Ma内（图5），分布范围为0.38～2.26Ma，这些年龄数据说明在2.48Ma之后，样品（颗粒）经历了一次从高于封闭温度（75℃）到低于封闭温度的过程，样品在2.48Ma后处于最高温度状态.

3.2 正演热历史约束与验证

利用“有限拉张模型应变速率法”对南海北部深水区进行的热史正演结果揭示[13］：琼东南盆地始新世以来存在三次热流升高过程，自始新世时期（56～32Ma）盆热流缓慢升高，凹陷基底热流由54mW／m2升高到60mW／m2；渐新世时期（32～23.3Ma）热流升高比较快速，如乐东凹陷基底热流由60mW／m2升高到70mW／m2；中新世（23.3～5.4Ma）基底热流开始冷却，直至5.4Ma热流又开始急剧升高，2.48Ma达到最大值，现今（2.48Ma以来）为最高热流期.这一结果与利用（U-Th）／He数据记录的最高古地温时间一致.

珠江口盆地始新世以来存在两期热流升高的过程：第一期加热过程为56～32Ma；第二期加热过程为32～23.3Ma，珠江口盆地自23.3Ma以来基底热流一直缓慢降低.这一演化特征与来自Ro数据反演的热史变化吻合.

在白云凹陷边缘，正演得到23.3Ma时基底热流为60mW／m2左右[13］，对应地质时间，同一构造部位反演得到的最高古地温梯度为39.4℃／km（PY33-1-1），鉴于始新世以来，白云凹陷的沉积充填泥岩为主，泥岩热导率一般分布范围为1.5～2.3W／（m·K）[3，8，34］，相应的古地表热流为60～90mW／m2，去掉沉积层生热影响，反演得到的基底古热流为50～70mW／m2，此数据与正演得到的基底古热流吻合.

图5 琼东南盆地YA8-2-1磷灰石（U-Th）／He年龄与地层年龄关系Fig.5 The relationship between the apitite（U-Th）／He age and the stratigraphic age in the drill of YA8-2-1，Qiongdongnan Basin

表2 琼东南盆地YA8-2-1井磷灰石（U-Th）／He年龄记录Table 2 The apitite（U-Th）／He age of YA8-2-1in Qiongdongnan Basin

虽然反演热史能约束特定时间点正演热流值的大小，但整个地质时期的热历史还需实际钻井的验证，本文选取珠江口盆地白云凹陷北部的PY33-1-1井对前人正演热史进行了检验.

PY33-1-1井位于白云凹陷的北部边缘，实测获得了从万山组至恩平组各个层位的Ro数据，井段范围覆盖1000～5094m，用于Ro实测值与模拟之对比，具有代表性.模拟时热边界选用宋洋等[13］（2011）正演模拟得到的钻井附近热史（见图6内）.模拟Ro值与实测值结果表明：Ro模拟值与实测值具有良好的吻合度，二者随深度的变化趋势也非常一致（图6）.该结果说明正演热流史可以应用于烃源岩热演化研究.

通过与反演热历史对比以及钻井资料的验证，结果揭示：在南海北部深水盆地，反演热史很好地约束了正演热史，利用正演模型得到热流变化过程和古热流值合理，且与现今钻井吻合良好，可以应用于盆地烃源岩热演化研究.

4 烃源岩热演化

图6 珠江口盆地PY33-1-1 Ro模拟值和实测值对比图Fig.6 The comparison of the modelled and measured Roof PY33-1-1in Pearl River Mouth Basin

基于反演约束的正演热流史，结合单点地层埋藏史，利用Easy Ro动力学模型[35］，本文对南海北部深水区不同构造部位主要烃源岩的成熟度随时间的演化历程和平面特征进行了刻画.

4.1 烃源岩有机质成熟史

为了解不同构造部位的烃源岩热演化状态，本文选取了琼东南盆地乐东凹陷斜坡（A点）、凹陷深部的虚拟单井（B点）、珠江口盆地白云凹陷斜坡带的PY33-1-1井和白云凹陷深部的虚拟单井（C点）进行成熟度史研究（见图1），并按前人对烃源岩有机质成熟和生烃状态划分标准[36］对研究区烃源岩成熟度和生烃状态进行了探讨.

从不同构造部位单井（点）烃源岩现今成熟度来看（图7）：琼东南盆地烃源岩现今成熟度较高，以生气为主；珠江口盆地深水区烃源岩现今成熟度相对较低，油气共生.琼东南盆地凹陷斜坡带始新统、崖城组、陵水组烃源岩现今成熟度分别为1.6%、1.5%和1.3%，处于湿气阶段，在凹陷中心，三套烃源岩处于过熟阶段，Ro超过4%，为生气状态；珠江口盆地深水区白云凹陷斜坡带文昌组现今Ro为2.1%，文昌组烃源岩已经达到生气阶段、恩平组现今Ro为1.5% ，处于生油高峰或刚刚进入生气阶段，珠海组则更低，现今刚进入生油阶段.在凹陷的中心，三套烃源岩成熟度与琼东南盆地凹陷中心一样，均处于生气阶段.

南海北部深水区烃源岩热演化过程不尽相同，32～23.3Ma深水区烃源岩快速增熟，在5.4Ma后，琼东南盆地存在再次加速演化，而珠江口盆地深水区则不存在（图7）.琼东南盆地凹陷斜坡带三套烃源岩从28Ma开始不断增熟，并自5.4Ma后快速增熟；在凹陷深部，始新统烃源岩从32Ma开始快速增熟，至23.3Ma其Ro值已经超过4%；崖城组烃源岩自沉积开始就快速增熟，在崖城组沉积结束时，其底部Ro已经达0.9%，当其上覆地层陵水组沉积结束时，其Ro已达2.6%，现今Ro亦超过4%；陵水组底部烃源岩自沉积之后便快速增熟，并在晚期（5.4Ma）再次加速成熟，现今热演化程度也很高，Ro值超过4%.珠江口盆地深水区白云凹陷斜坡带烃源岩早期（32Ma之前）热演化程度很低，32～23.3Ma快速增熟并进入生油窗，之后维持较稳定的速率增熟；珠江口盆地白云凹陷最深处文昌组、恩平组和珠海组底部烃源岩热演化都具有明显的阶段性，32Ma之前热演化进程缓慢，32～23.3Ma是各烃源岩快速增熟过程，23.3Ma之后则处于相对缓慢的持续增熟过程.

4.2 烃源岩生烃状态的时空分布

图7 南海北部深水区烃源岩成熟度史Fig.7 The maturity history of source rocks in the deep water area，the northern of South China Sea

图8 南海北部深水区特定时刻烃源岩成熟度分布图Fig.8 The maturation distribution of source rocks at the special geological time in the northern of South China Sea

利用南海北部浅水区106口钻井资料，结合深水区地震剖面上的2951口虚拟钻井，本文勾画南海北部深水区盆地烃源岩生烃状态及其时空分布.鉴于23.3Ma在珠江口盆地是热历史的转折点，本文以始新统烃源岩为例，探讨其在32Ma、23.3Ma和现今三个特定地质时间的生烃状态及空间展布特征.

从所勾绘的烃源岩生烃状态时空分布图来看（图8），南海北部深水区盆地存在四大“烃灶”，即珠江口盆地的白云凹陷和琼东南盆地的乐东凹陷、陵水凹陷和松南凹陷，这四大“烃灶”均为长期的生烃中心，随着时间的推移，各凹陷内烃源岩有机质不断增熟生烃.

32Ma时刻，琼东南盆地始新统和珠江口盆地文昌组底部烃源岩在南海北部陆缘深水区绝大部分地区尚未成熟，Ro小于0.5%，仅在珠江口盆地白云凹陷深断陷部位达到生油阶段，但范围非常有限.23.3Ma时刻南海北部深水区烃源岩热演化较高.珠江口盆地白云凹陷大范围内文昌组烃源岩主体处于生油高峰期，Ro为0.7～1.3%，沉积中心部位处于生气高峰，Ro大于2%.在琼东南盆地的乐东凹陷、陵水凹陷和松南凹陷沉积中心部位，始新统烃源岩达到过成熟干气阶段（Ro＞2.0%）.由凹陷中心向外，有机质热演化程度逐渐降低，但基本上都达到成熟生油阶段，Ro为0.7～1.3%.现今珠江口盆地白云凹陷范围内Ro大于2%，主凹中心部位文昌组烃源岩Ro大于4%，向外热演化程度逐渐降低，至凹陷边缘Ro约为0.7%.在琼东南盆地始新统烃源岩在三大凹陷中心部位Ro也大于4%，与白云凹陷类似，凹陷大范围内Ro大于2%，由凹陷中心向边缘热演化程度逐渐降低.

从不同时刻烃源岩的成熟状态特征来看，32～23.3Ma为南海北部深水区始新统烃源岩热演化的重要时期.从32～23.3Ma，有机质成熟度迅速增加，烃源岩快速穿过“油窗”（0.7% ＜Ro＜1.3%），进入生气阶段.该时期盆地基底热流升高的加热事件造成了烃源岩这一热演化特征.23.3Ma至现今阶段，南海北部深水区始新统烃源岩热演化相对平稳，凹陷中心部位烃源岩成熟度均在过成熟阶段，但凹陷边缘烃源岩成熟度依然有所提高.

5 结 论

在认识到南海北部深水区现今地温场具“热盆”属性基础上，本文通过对南海北部正演热历史进行古温标反演约束和烃源岩热演化研究，得到了以下几点认识：

（1）南海北部深水区琼东南盆地现今（2.48Ma后）处于最高地温状态，珠江口盆地在23.3Ma之前处于升温加热状态，之后为冷却阶段.

（2）在南海北部深水盆地，正演热历史和古热流值反应了盆地的热演化过程，与反演热史吻合良好，可作为盆地烃源岩热演化研究基础.

（3）南海北部深水区存在四大生烃中心，琼东南盆地烃源岩以气为主，珠江口盆地则油气共存.

（4）南海北部深水区盆地热历史控制烃源岩热演化过程，32～23.3Ma时期为两个盆地烃源岩快速增熟期.5.4Ma后琼东南盆地烃源岩还存在一次快速成熟过程，而珠江口盆地烃源岩23.3Ma后则处于缓慢增熟状态.

致 谢 衷心感谢中海石油（中国）有限公司深圳分公司和湛江分公司提供了本次研究的古温标数据和测试样品.

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