墨西哥湾盆地中生界沉积特征分析

李智高 （中国石油大学 （华东）地球科学与技术学院，山东 青岛266580）

龚建明，王蛟，梁杰

操应长 （中国石油大学 （华东）地球科学与技术学院，山东 青岛266580）

1 研究区概况

墨西哥湾盆地位于美国、墨西哥和古巴环抱的海域 （图1），为近圆形的构造盆地，陆架宽阔，地形平坦，面积超200×104km2，是一个中新生代的大陆裂谷盆地，形成于南、北美板块之间，沿NE－SW 向的扩张中心 展 布[1，2]。盆地大体经历了晚三叠世－中侏罗世的大陆裂谷期、中侏罗世－晚侏罗世早期的扩张期以及晚侏罗世至今的区域沉降期3个构造演化阶段[3～6]。后期又经过晚白垩世的扰动和新生代拉腊米运动的强烈改造，形成了目前墨西哥湾盆地的构造格局。

在 “持续沉降”的构造背景控制下[6～8]，墨西哥湾盆地地层从晚三叠世、早侏罗世到第四纪发育齐全[9]，除少量为非海相红层外，其余均为海相地层，厚度可达20000m （图2）。从侏罗纪到古近纪发育4套主力烃源岩层[6]，晚侏罗世该区广泛分布的提塘阶海相黑色页岩是世界顶级的烃源岩层。目前，墨西哥湾盆地北部油气钻探的主要目的层为古近系，而中生界由于埋藏深、厚度大，未有勘探井钻遇。因此，开展墨西哥湾盆地中生界沉积特征的分析研究，对今后深部的油气勘探具有重要的指导作用。

图1 墨西哥湾盆地位置图 （据文献 [7]，有修改）

图2 墨西哥湾盆地地层柱状图 （据文献 [9]，有修改）

2 沉积特征分析

2.1 晚三叠世

北美－南美板块于晚三叠世开始分开，作为联合古陆分离的一个结果，演化出了墨西哥湾盆地的基本构造格局[2]。在该构造背景的控制下，墨西哥湾盆地和周围地区最古老的中生代地层沉积时代为晚三叠世，充填了一套裂陷初期的以河流、冲积相及淡水浅湖相为主的红色沉积——伊格米尔 （Eagle mill）组。其厚度从几米到2000多米，与上、下地层呈不整合接触，主要由红色、淡紫红色、淡绿－灰色或杂色页岩、泥岩和粉砂岩及少量的砂岩和砾岩组成。

2.2 侏罗纪

2.2.1 早－中侏罗世

早侏罗世，墨西哥湾盆地延续了晚三叠世的裂谷作用，在狭长的裂谷带内形成了一套非海相沉积（赫唐阶－巴通阶）（HET－BTH），并伴有半地堑内的火山活动。赫唐阶－巴通阶下部由较厚的火山岩组成，与下伏地层呈不整合接触；上部沉积了一套非海相的层系，充填了以河流、冲积相为主的红色沉积。在盆地的北部由于构造抬升而遭到较长时期的沉积间断，地层遭受剥蚀。

中侏罗世裂谷作用衰减，非海相的陆源沉积物不断地堆积在盆地外围的地堑中。盆地中心经历了强烈的拉张和下沉。在该背景下广泛发育了盐岩沉积，芦安盐层由中粗晶石盐和少量的硬石膏组成，硬石膏体积分数不超过10%。岩层的原始厚度受基底构造影响，因地而异，在低洼处原始厚度介于1000～4000m。芦安盐层对墨西哥湾的油气藏具有控制作用[9～12]。

2.2.2 晚侏罗世

晚侏罗世，太平洋的海水从西南方向经由墨西哥中部大规模侵入墨西哥湾盆地，在盆地内沉积了正常的海相沉积。陆源碎屑在早牛津阶期开始进入盆地，途经北美内陆和阿巴拉契亚山脉南部的水系从东北方向进入盆地，形成了牛津阶下部的诺尔弗莱特组 （Norphlet）。该套地层主要分布于墨西哥湾盆地的内陆带[2]，主要由砂岩和砾质砂岩等碎屑岩组成，其厚度小于25m。在内陆带的东北缘，该组的厚度增大，在密西西比州中部和阿拉巴马州的东南部其厚度可达250m。由于当时的气候比较干燥，经河流搬运而来的沉积物堆积，形成了冲积扇和三角洲复合体，又被当时占主导地位的，刮向为东、东南的风再次重新分配，形成了广泛分布的风成沙丘。在盆地方向，可能还有盐岩沉积。

晚牛津阶期，海水覆盖了现今墨西哥湾的大部地区，一个大规模的盐度正常，循环不受限制的内陆海 （古墨西哥湾）发育起来，沉积了斯马可夫组 （Smackover）。在垂向上，该组下部为低能环境下沉积的黑色灰质泥岩和致密的泥质灰岩，为优质烃源岩，上部为高能环境下沉积的鲕状灰岩和浅水泥粒灰岩。其中，上部发育良好的鲕粒灰岩层称之为Reynolds鲕粒岩，为优质储集层。从平面分布来看，在沿岸的澙湖及盐湖中沉积了蒸发岩，在向岸方向是由楔状砂岩、粉砂岩和泥岩组成，向盆地方向渐变为海相灰岩。该组厚度介于300～500m，与下伏的诺尔弗莱特组呈整合接触。在盆地的北部，牛津阶的粗碎屑岩仅分布于内陆带的密西西比中西部和相邻的路易斯安那及阿肯色州的部分地区。上述地理分布表明，在密西西比中西部存在一个流向墨西哥湾的河口，该河流可能就是早期的密西西比河。沉积下来的某些砂岩被解释为深水浊流或水下扇沉积 （图3）。

晚牛津阶期，盆地水体开始变浅，沿盆地北翼和西北翼开始发育线状颗粒岩滩坝相沉积，该趋势一直持续到早基末利期，因此基末利阶的下部地层所反映出的环境是海陆过渡或浅海环境。滩坝提供了屏障，屏障之后形成了不受波浪和洋流影响的高盐澙湖和撒布哈。在这些环境里沉积了蒸发岩、低能碳酸盐岩和一些细粒陆源碎屑岩，其上倾方向 （陆地一侧）沉积了河流和三角洲相的粗碎屑岩，为上侏罗统主要的储集层。屏障的海域一侧，基末利阶的页岩含量增多，表明了较深水的海洋环境。

图3 墨西哥湾盆地晚牛津阶期 （晚侏罗世早期）沉积相图（据文献 [5]，有修改）

晚侏罗世的海侵在提塘阶期达到了最大范围。海水淹没了墨西哥湾周缘的大部分岛屿，在盆地内沉积了一套暗色层系，其岩性在纵向上和横向上均变化较大。下部及向盆地方向由海相深灰－黑色、富含化石的页岩和钙质页岩组成，是上侏罗统重要的烃源岩层；上部及向岸方向由非海相和滨海相粗碎屑岩组成。该时期，美国大陆内地的区域隆升和气候的改变造成了盆地的北部沉积有大量的陆源粗碎屑，它们由流经阿巴拉契亚、沃希托山系及美国内陆的几条主要河流携带至盆地的内陆带。在密西西比州中西部和得克萨斯州东北部发育有重要的三角洲复合体 （图4），其南面是广泛的浅水陆架，陆架的边缘发育有澙湖、障壁海滩、滩坝和障壁岛屿。

图4 墨西哥湾盆地晚提塘阶期 （晚侏罗世末期）沉积相图（据文献 [5]，有修改）

2.3 早白垩世

提塘阶期沉积后，经过短暂的沉积间断又开始了广泛而长期的海侵，盆地持续沉降，沉积了下白垩统。该时期墨西哥湾盆地是一个将太平洋和大西洋连接起来的通道。下白垩统可细分为4个阶：凡兰吟阶、巴雷姆阶、阿普特阶、阿尔布阶。

早白垩世早期 （早凡兰吟阶期）盆地西北部的沉积环境与晚侏罗世晚期的沉积环境类似，来自北面的大量陆源粗碎屑岩向海域前积。随着时间的推移，物源的供给速率逐渐降低，该种趋势一直持续到早阿普特阶期。随着海水不断侵入海岸平原，在内陆带的北部发育冲积峡谷、三角洲和海岸平原环境。朝盆地方向发育广阔的陆架，陆架边缘为碳酸盐岩台地边缘，台地边缘的外侧为广海深水相沉积。

巴雷姆阶由砂岩、泥岩、碳酸盐岩、白云岩、蒸发岩组成。在台地为碳酸盐岩和蒸发岩互层，在盆地边缘为河流三角洲相沉积，向盆地方向为陆架边缘浅水碳酸盐岩相及深水盆地相，为早白垩世的主力烃源岩层。晚阿普特阶期，大量的细粒陆源碎屑进入了墨西哥湾盆地的西北部，导致生物礁沉积的结束。

上阿普特阶页岩沉积之后，水体在阿尔布阶期开始变清，墨西哥湾盆地内陆带西北部的广大陆架又开始了碳酸盐岩沉积 （图5）。沿陆架边缘发育了厚壳蛤类生物礁 （Stuart City生物礁）和生物滩坝，为优质的储集层；向海一侧的深水部分持续接受了深水泥状灰岩和灰岩的沉积，可作为良好的烃源岩层。在早阿尔布阶期，盆地北部的大部分地区还发育了分布广泛的薄层蒸发岩系，蒸发岩系的存在表明曾出现过短暂的局限陆架环境。陆源碎屑的供应在盆地的东北部最丰富，碎屑岩的沉积一般局限于该地区的上倾地区 （图5），在盆地内陆带的东北和西北部地区，某些粗粒碎屑岩向盆地方向延伸了很长的一段距离。

图5 墨西哥湾盆地阿尔布阶期 （早白垩世晚期）沉积相图（据文献 [5]，有修改）

2.4 晚白垩世

墨西哥湾盆地晚侏罗世和早白垩世的稳定构造背景在晚白垩世遭到破坏。晚白垩世早期，盆地内发生了一个或几个重要的事件，沉积环境发生了重大变化，其成因与全球海平面的下降有关。晚白垩世初期 （早赛诺曼阶期），源自盆地内陆带北部和西北部的细粒陆源碎屑进入了墨西哥湾盆地，导致盆地内陆带结束了碳酸盐岩的沉积，而且也终止了Stuart City生物礁的生长。沉积下来的细粒碎屑岩构成了一个分布广泛的薄层页岩层系。中赛诺曼阶期，海平面下降，其后在晚赛诺曼阶期和土仑阶期发生了广泛的海侵，海水侵入到内陆，直至沃希托和阿巴拉契亚山脉的山脚之下。在盆地的西北部，覆盖于中赛诺曼阶不整合面之上的底部地层由河流和三角洲相陆源碎屑岩 （砂岩、粉砂岩和页岩）组成。从物源区向海湾方向，碎屑颗粒变细。在盆地内陆带靠近沿海带的深水部分，发育有由粗碎屑岩组成的水下浊流扇。

土仑阶期、康尼亚克阶期、三冬阶期均为海侵期，海水沿着内陆带的密西西比坳槽一直侵入到伊利诺斯州南部。北部物源区，特别是来自沃希托山脉的沉积物供应减少了许多，因此沉积于近岸低能环境的康尼亚克－三冬阶碎屑岩仅局限于密西西比坳槽和盆地的东北部。向南到了墨西哥的东北部发育浅水开阔陆架相，进一步向南靠近沿海带变为陆架边缘相。

坎潘阶期，沉积于盆地北部陆架区的白垩岩和白垩质碳酸盐岩向东发生了位移，而沉积于密西西比坳槽的白垩岩和白垩质碳酸盐岩向北发生了位移。朝向北部和东北部的物源区，白垩质碳酸盐岩相变为内陆架碎屑岩，在路易斯安那州的南部和得克萨斯州的东北部、中部，白垩质碳酸盐岩相变为泥灰岩和黏土岩。早坎潘阶期，海岸线位于现今伯高斯和萨宾纳斯亚盆地以西，但在坎潘阶期间，海岸线向东发生了位移。南得克萨斯和墨西哥东北部的粗碎屑岩向盆地方向逐渐过渡为页岩含量逐渐增多的层系。在墨西哥湾盆地的中央深水处，沉积的依然是深海细碎屑岩，而在盆地西部，源自西面物源区的陆源碎屑增多。

拉腊米构造运动的影响在马斯特里赫特阶期逐渐增强。盆地的西北部，马斯特里赫特阶整合于坎潘阶之上，马斯特里赫特阶期的岩相古地理与坎潘阶期的基本没有区别，但西部物源区的陆源碎屑供应量进一步增大。在盆地的西北陆架上，马斯特里赫特阶主要由沉积于浅水、低能陆架环境的白垩岩和白垩质碳酸盐岩组成 （图6）。朝盆地北面的物源方向，岩相过渡为滨海相和三角洲相陆源碎屑岩；向盆地方向，页岩的含量增多。

图6 墨西哥湾盆地马斯特里赫特阶期 （晚白垩世晚期）沉积相图（据文献 [5]，有修改）

3 沉积模式与油气成藏模式

综上所述，墨西哥湾盆地中生代地层发育较齐全，从上三叠统－白垩系均有分布。晚三叠世，盆地处于裂陷初期，主要发育河流、冲积扇及浅水湖相；中侏罗世晚期－晚侏罗世早期，广泛发育了盐岩沉积，沉积了芦安盐岩层；晚侏罗世到白垩世期间，盆地上倾方向发育河流和三角洲相，盆地周缘发育广泛的滩坝及生物礁滩，下倾方向发育水下浊流扇以及正常的海相泥岩沉积。中生代主要时期沉积特征见表1。

表1 墨西哥湾盆地中生代沉积特征分布表

3.1 沉积演化模式

在沉积特征分析的基础上，结合盆地的构造演化背景，总结了墨西哥湾盆地中生代的沉积演化模式，如图7所示。晚三叠世，盆地处于裂陷初期，主要发育小型断陷盆地内的红色沉积；早侏罗世，墨西哥湾盆地延续了晚三叠世的裂谷作用，在狭长的裂谷带内形成了一套非海相沉积 （赫唐阶－巴通阶），并伴有半地堑内的火山活动；中侏罗世，裂谷作用减弱，盆地中心部分经历了强烈的拉张和下沉，广泛发育岩盐沉积。

随着裂谷作用的加剧，在南、北美板块之间洋壳开始出现，到了晚侏罗世，墨西哥湾盆地雏形初现。来自太平洋的海水在晚牛津阶期从西南方向经由墨西哥中部大规模侵入墨西哥湾盆地，整个晚侏罗世虽盆地经历了几次海侵－海退旋回，但整体上稳定下沉，持续接受沉积。物源由北部的阿巴拉契亚山脉提供，盆地由北向南、由陆及海依次发育河流、三角洲→高盐澙湖和撒布哈→滩坝→浅水碳酸盐岩台地→生物礁→海底扇→滑塌扇→深海相泥岩沉积。在海侵的最大规模时期 （晚侏罗世）沉积了世界顶级的提塘阶烃源岩层。

早白垩世，盆地持续稳定下沉接受沉积。该时期，墨西哥湾盆地是一个将太平洋和大西洋连接起来的通道，尤卡坦 （Yucatan）地块也处于水下部位接受碳酸盐岩沉积。该期沉积模式与晚侏罗世相似，最大的不同是生物礁发育。特别是在盆地西部的坦皮科湾地区的Stuart City生物环礁，其周围还伴有边缘碎屑相，是有利的油气储集层。

图7 墨西哥湾盆地中生代沉积演化模式

晚白垩世－新生代，盆地的沉积格局主要受拉腊米运动的控制。西部太平洋板块俯冲作用的加剧，导致现今墨西哥地区逐渐隆起，至坎潘阶期墨西哥造山带已经开始向盆地提供陆源碎屑物质。该时期盆地的物源来自西部和北部，沉积相从盆地的西、北边缘向盆地中心呈规律性变化，在盆地的西北边界外围地区主要发育河流、三角洲相以及澙湖、撒布哈，向盆地方向过渡为滩坝、浅水碳酸盐岩台地相；碎屑物质可沿着海底峡谷搬运到大陆坡麓处形成海底扇沉积，在其前缘可能还有滑塌扇。

值得指出的是，海底扇、滑塌扇等深水碎屑岩砂体，由于其被烃源岩所包围，是油气勘探的重要“甜点”区。在墨西哥湾盆地新生代地层中已发现多个该类型的油气藏，如德克萨斯州上海湾沿岸地区的阿克里斯港气田。由上述的沉积特征分析可知，墨西哥湾盆地中生代海底扇、滑塌扇也十分发育，且墨西哥湾盆地自中生代形成以来构造背景稳定，持续下沉，形成了多套优质的烃源岩层，油气源充足。此外，从烃源岩到岩性圈闭的运移路径短，又没有后期大规模构造运动破坏，具有良好的保存条件。因此中生代的海底扇、滑塌扇等深水隐蔽油气藏在墨西哥湾盆地中具有良好的勘探前景。

3.2 中生代油气成藏模式

晚侏罗世提塘阶沉积了墨西哥湾最好的烃源岩，其岩性主要为海相深灰色－黑色钙质页岩，主要分布在墨西哥东南部和中东部。而晚侏罗世牛津阶斯马可夫组钙质泥岩则是墨西哥湾盆地北部另一套重要的烃源岩，该套烃源岩沿盆地的北翼从东得克萨斯到阿肯色和佛罗里达州均有分布。

白垩系是墨西哥湾盆地中生界最重要的油气储层，油气资源高度富集于盆地的西南部。下白垩统碳酸盐岩储层分布于尤卡坦碳酸盐岩台地西侧的高能滩坝边缘层系内 （主要分布于瑞浮马和坎佩切地区）。岩性有浅滩或高能环境下沉积的鲕状灰岩、骨骼粒状灰岩、粗晶白云岩、白垩岩、生物礁等。

盖层为白垩系的非渗透性页岩和泥质灰岩、封闭性极好的硬石膏或古新统页岩。瑞浮马和坎佩切地区的下白垩统是世界顶级的油气富集层系，2个地区的圈闭类型主要为背斜或断背斜，这些背斜或断背斜的形成源于下伏盐层的运动。此外，墨西哥湾盆地中生界发育最典型的油气藏类型为礁相油气藏[9]。台地边缘 （主要指古陆外侧、古岛屿周围、古水下隆起边缘）水动力条件较强，是生物骨架灰岩和颗粒灰岩发育的有利地区，而且油源丰富，海水稍有进退即能形成盖层，因此，生、储、盖组合十分有利于大型油气田的形成。如坦皮科湾地区的黄金巷环礁油气田，是20世纪70年代墨西哥最著名的油气田，上侏罗统为烃源岩，下白垩统礁灰岩为储层，受环礁的影响其油气呈环状聚集。

综上所述，墨西哥湾盆地中生代的油气藏类型主要有礁相油气藏和断背斜推覆油气藏2类。最主要的油气藏类型为礁相油气藏，主要分布于墨西哥东南部和中东部 （图8）。受墨西哥湾盆地张裂的影响，在盆地的北部 （美国区域）受后期盐岩上拱的影响形成一系列背斜或断背斜油气藏 （图8（a））；在盆地的南部边缘形成了一系列推覆油气藏 （图8（b））。

图8 墨西哥湾盆地中生代油气成藏模式图

4 结论

1）墨西哥湾盆地中生代地层发育齐全。晚三叠世，盆地处于裂陷初期，主要发育河流、冲积扇及浅水湖相；中侏罗世晚期－晚侏罗世早期，广泛发育了盐岩沉积，沉积了重要的芦安盐岩层；晚侏罗世到白垩纪期间，盆地上倾方向发育河流和三角洲相，盆地周缘发育广泛的滩坝及生物礁滩，下倾方向发育水下浊流扇以及正常的海相泥岩沉积。

2）墨西哥湾盆地的雏形形成于晚侏罗世末期，太平洋的海水从西部侵入，在提塘阶期达到最大范围，沉积了世界顶级的烃源岩层。物源主要来自北部的阿拉巴契亚山脉和沃希托山脉，从物源区到盆地中心，沉积相呈规律性变化。早白垩世延续了晚侏罗世的稳定构造背景，盆地持续下沉接受沉积，在西缘广泛发育生物礁，对油气成藏具有重要的控制作用。晚白垩世－新生代受拉腊米运动影响，盆地西部的墨西哥造山带开始隆起并向盆地提供碎屑物质，并逐渐形成了现今的沉积格局。

3）礁相油气藏为墨西哥湾盆地中生代的最主要的油气藏类型，主要分布于墨西哥东南部和中东部；在盆地的南部边缘发育中生代推覆油气藏；在盆地的北部 （美国区域）发育中生代背斜或断背斜油气藏。

4）海底扇以及滑塌扇等深水碎屑砂体由于其被烃源岩包围，在墨西哥湾盆地应具有良好的勘探前景。

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