南海北部深水区古近系沉积体系的东西差异及对烃源岩分布的影响

陈 莹，韩银学，边立曾，曾清波，郭 帅，纪 沫，杨东升，王龙颖

(1.中海油研究总院，北京 100028； 2.泰和石油工程有限公司,陕西 咸阳 712000；3.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210093)

南海北部盆地是中国重要的油气生产基地，它的深水区(水深>300m)是海域油气勘探最重要的战略接替区之一。南海北部的琼东南盆地和珠江口盆地深水区持续勘探多年，相继发现荔湾3-1、陵水17-2和陵水22-1等多个大中型气田，但在勘探过程中发现这两个相邻的盆地深水区在油气成藏条件和油气性质上差异较大。琼东南盆地深水区已发现气田以轴向的峡谷水道砂岩为主要储层类型[1]，底辟及微裂隙垂向运移、连片砂体侧向输导是主要油气运移模式[2]，油气性质以产气为主，但在水道领域之外尚未获得重大突破，资源规模和储层是其重点关注问题；珠江口盆地深水区已发现油气田以深水扇为主要储层类型，晚期断裂/底辟带和构造脊控制油气优势汇聚是主要成藏模式[3]，油、气均有商业发现，有效的规模储层是该区域推进油气勘探持续发现的关键问题。

本文从盆地结构、物源体系和沉积充填等基础地质条件方面开展研究，分析两个盆地深水区的成盆、成烃条件，以期从机制上解释其油气勘探差别大的原因，重点聚焦于古近系主要烃源岩发育时期的沉积充填特征，并探索其烃源分布模式，为客观评价南海北部深水区资源潜力提供参考。

1 南海北部大陆边缘盆地演化背景和特征

珠江口盆地和琼东南盆地是位于南海北部大陆边缘的两个新生代盆地(图1a)，在盆地结构上都具有“下断上坳”的双层结构特征(图2)，即以破裂不整合面为界，其下的古近系具有明显的断陷结构特征，其上的新近系和第四系是受热沉降作用形成的典型坳陷盆地。

1.1 南海对南海北部盆地的影响

作为南海北部的陆缘盆地，珠江口盆地和琼东南盆地的演化进程必然受到了南海演化的影响。现今南海的形成是在中始新世—渐新世[5-6]，而现今南海对南海北部陆缘盆地的影响则始于早渐新世(34 Ma)[7-9]。南海从东向西逐步破裂和扩张，南海北部盆地的初始海侵时间在早渐新世由东北向西南逐步推进的同时，海相环境的范围也由南向北扩展。

始新世，南海北部陆缘盆地的主体是陆相湖泊环境，珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷在始新世文昌组钻遇50 m厚的深色页岩含湖相五边藻孢粉化石，珠一坳陷则普遍发育文昌组湖相烃源岩。而在盆地最南端，珠江口盆地深水区荔湾凹陷南部的IODP U1501站位根据古生物和岩性记录认为该地区在中-晚始新世沉积浅海环境的灰色粉砂岩夹有浊积砂岩[10]，与南海北部在中始新世及其之前主要受“古近纪中国海”[7]或古南海影响的推测相符合。

图1 南海北部盆地位置(a)及物源体系示意图(b)(修改自刘光鼎[4]，1993)Fig.1 Schematic diagram showing the locations and provenance systems of the basins in the northern South China Sea(modified from Liu Guangding[4],1993)

图2 南海北部盆地剖面结构Fig.2 Structural sections of the two basins in the northern South China Seaa.珠江口盆地剖面结构；b.琼东南盆地剖面结构；c.剖面位置示意图

直到早渐新世32 Ma左右，IODP U1501站位所在的地区才发生了明显的水体快速加深，同相邻的ODP1148资料联合指示沉积环境发生了由浅海到半深海的快速变化，推测与南海海底扩张的开始有关[10]。

1.2 南海北部深水区构造演化的不同步导致盆地结构差异和古地貌差异

珠江口盆地早渐新世地层分布广泛且凹陷坡度相对平缓，位于深水区的白云凹陷是珠江口盆地持续发育的最大的沉积和沉降中心，在珠二坳陷呈统一凹陷结构，荔湾凹陷是珠四坳陷最大的沉积和沉降中心，也呈统一凹陷结构，接受周缘隆起带以及远自华南古陆的碎屑沉积物的沉积充填。早渐新世琼东南盆地为断陷结构，北东向展布的控盆、控凹深大断裂使盆地具有北东向展布的地堑特征，中央坳陷形成中央低地，南北两侧的低凸起和断阶构成的一级阶地于中央坳陷两侧对称分布，在中央坳陷和阶地上的低凸起或水下隆起分隔出多个凹陷，凹陷群整体呈北东向成排分布，与北西向主物源方向垂直，凹陷之间分隔性较强，致使粗碎屑沉积物与陆源有机质多被截留在了阶地上的凹陷中(图2)。两个盆地深水区的结构差异导致了完全不同的盆地构造古地貌，从而影响到这个时期两个盆地深水区的沉积体系分布和烃源岩分布。

1.3 南海北部深水区古近系的物源供给体系

南海北部盆地始新世处于裂陷初期，盆地由一系列相互分隔的凹陷成群分布，凹陷规模小，物源供应比较弱，沉积充填方式以局部近源堆积为主。

早渐新世是南海北部深水区物源供应最为充足时期，此时期是南海北部遭受海侵的初始阶段，海平面最低，盆内物源供应活跃，在盆地各凹陷边缘堆积了一系列辫状河三角洲和扇三角洲;但是这两个盆地的盆外物源供给差异大(图1b)，对南海北部沉积体系的分布造成重要影响。珠江口盆地有盆外大河注入，源自华南古陆的古珠江体系从早渐新世就开始影响珠江口盆地珠二坳陷，根据砂岩碎屑锆石U-Pb定年分析数据[11]，恩平组沉积晚期白云凹陷与北部珠一坳陷开始连通，古珠江水系携带华南褶皱带的古生界-前寒武系变质岩母岩碎屑进入白云凹陷，古珠江水系流域面积大且搬运距离远，在白云凹陷沉积大型三角洲。琼东南盆地则主要是由海南岛南部水系和越南的秋盆河水系向盆地提供物源，海南岛向南注入琼东南盆地的主要有万泉河、凌水河和藤桥河等小型河流，秋盆河主要源自越南的昆嵩隆起。这些河流流域面积小，且都是通过陡坡窄陆架向琼东南盆地短距离提供物源。

2 南海北部深水区古近系沉积充填特征

南海北部盆地古近系以充填始新统和渐新统为主(图3)，残余古新统零星分布，井上揭示是一套河湖-三角洲沉积。古近系以砂泥岩沉积充填为主，早渐新世发育少量薄煤层和泥炭沉积，整体上珠江口盆地古近系砂岩发育较多、较厚、粒度稍粗，而琼东南盆地古近系砂岩则偏细粒砂岩为主。

2.1 始新统湖相局限分布于盆地中、北部

南海北部始新统残余地层分布局限，主要集中于珠江口盆地的珠一、珠三坳陷、白云、荔湾凹陷和琼东南盆地浅水区。沉积环境主体为一系列相互分隔的中小型湖泊，发育扇三角洲、三角洲、湖泊及河流等沉积体系，湖泊沉积体系包括滨浅湖和湖沼沉积，中-深湖相则主要分布于盆地北部珠一、珠三坳陷的断陷湖盆。根据井、震资料判断，珠江口盆地深水区的白云凹陷以滨、浅湖为主，中-深湖相分布非常有限，而琼东南盆地深水区除北礁凹陷外，主体为隆起区。整个南海北部主体是陆相湖泊环境，仅在南部临近南海的区域发育滨、浅海环境[10]。

图3 南海北部珠江口盆地和琼东南盆地早渐新世沉积相Fig.3 Sedimentary facies of the Pearl River Mouth and Qiongdongnan Basins in the northern South China Sea during the Early Oligocene

2.2 渐新世以三角洲-海湾体系为主

早渐新世受南海扩张影响，南海开始向其北部盆地由东南向西北方向海侵，在盆地南部的深水区率先形成两大海湾环境(图3)，发育海陆过渡相和海相沉积，早期发育少量扇三角洲和滩坝体等沉积，中晚期则发育滨浅海和辫状河三角洲等沉积体系。渐新世—新近纪，随着南海扩张南海北部海平面不断上升，物源区逐渐向北撤退，早渐新世成为南海北部深水区物源供应最充分时期。珠江口盆地恩平组和琼东南盆地崖城组在深水区都发育了数量较多但规模不等的三角洲沉积。

2.2.1 珠江口盆地早渐新世沉积特征

珠江口盆地深水区下渐新统恩平组以海相和海陆过渡相环境为主，恩平组中、下段没有井钻遇，但在白云凹陷和荔湾凹陷有多口井揭示了下渐新统恩平组上段的海相地层，多有连续分布的海相沟边藻或钙质超微化石记录(图4)。荔湾凹陷南部的IODP U1501站位的化石记录指示了渐新世早期发生的由滨浅海向深海环境的快速变化[10]；荔湾凹陷北部的W井钻遇恩平组中晚期地层，连续分布的钙质超微化石其总丰度和简单分异度向上变高，总丰度在10～1 000个/g，与其上覆海相珠海组早期的化石丰度相当；白云凹陷东部的H井和西部的B井在恩平组上段有高浓度的海相沟鞭藻连续分布，其浓度远大于河流相沟鞭藻，并且H井有显微照片显示丰富的底栖宏观藻类(尚需定性)和较多的海相具刺沟边藻，是典型海相较开放水域的特征；只有白云凹陷北坡P井在恩平组上段受大型三角洲注入的影响，相对海平面较低，发育三角洲平原亚相，沟鞭藻化石断续少量分布，至恩平组末期才有连续分布的浓度较高的沟鞭藻化石；同时，在P井恩平组化石稀少段以外的大多数样品中经常见到光面球藻和粒面球藻，并见到零星出现的环纹藻，反映了P井所在的白云凹陷北坡为受海水影响的陆相环境或海陆过渡相环境。

图4 珠江口盆地深水区恩平组钻井揭示的海相古生物记录Fig.4 Marine paleontological records revealed by wellbores into the Enping Formation in deep waters off the Pearl River Mouth Basin

恩平组整体是一个海湾背景下的三角洲-滨浅海沉积环境。通过地震相和古地貌分析，恩平组下部地层局限分布于白云主洼附近，以盆地周缘的近物源堆积为主，在凹陷边缘发育多个规模较小的辫状河三角洲、扇三角洲以及滩坝体。恩平组中部地层水体面积明显扩大，滨海沉积呈环带状分布，浅海相分布于主洼附近，物源供给有限，有少量的三角洲和沿岸沙坝、海流砂等发育。恩平组沉积晚期，珠江口盆地隆-凹地貌格局相对减弱，早期的“填平补齐”将白云凹陷北部番禺低隆起的物源通道完全打开，古珠江水系进入白云凹陷，沉积物源逐渐以来自华南褶皱带前寒武纪—古生代变质岩母岩物源的集中供给为主(图5)；水体继续加深，水域范围进一步扩大，白云凹陷北坡和西南断阶带以海陆过渡相为主发育大型辫状河三角洲，凹陷南部以及白云东洼为富泥的浅海相沉积。此时在南部更深水的荔湾、兴宁和靖海等凹陷都有一系列数量规模大小不等的三角洲发育在海相沉积边缘。

珠江口盆地在大物源影响下以发育大型三角洲为特征。恩平组沉积期在白云凹陷北坡、云开低凸起坡下以及荔湾凹陷北坡发育的一系列大型三角洲，前积结构清晰，面积可达数千平方公里。其中规模最大者为源自北部华南古陆的古珠江体系，穿越珠一坳陷，在白云凹陷北坡堆积卸载，由西北向东南方向连续推进，发育的大型辫状河三角洲(图5)；该三角洲处于恩平组中上段，位于最大海泛面之上，是一高位进积三角洲，可划分为3期。根据P井砂岩锆石U-Pb年龄测定，结合南海北部及华南大陆基底岩石的年龄和性质分析表明，该三角洲母岩区早期由盆内周缘的番禺低隆起(中生界花岗岩、沉积岩基底)和神狐隆起(古生界变质岩基底[12])到晚期的华南大陆(前寒武系、古生界花岗岩基底[13])逐渐过渡，且由下向上粒度变细、磨圆变好、砂地比变低，反映了三角洲进积形势下物源区由近及远的转变。该三角洲地震剖面上可以看到明显的斜交和S型前积反射特征，第三期的前三角洲已推进至白云凹陷中心处；3期三角洲前积角度由4°左右逐渐变为2°左右，经过角度计算和时-深转换揭示当时白云凹陷北坡水深在100～300 m；白云凹陷在恩平组晚期逐渐被填平补齐，晚期准平原化时期发育了曲流河三角洲特征的广阔平坦的三角洲平原区，发育不少薄煤层，为发育煤系烃源岩提供了物质基础。

2.2.2 琼东南盆地深水区早渐新世沉积特征

琼东南盆地的首次海侵始于早渐新世崖城组沉积早期。早渐新世以来，琼东南盆地是一个由海南隆起、永乐隆起区和神狐隆起夹持的一个东西向展布的狭长海湾，海湾在东部经由西沙海槽与南海相接。盆地北部浅水区有化石记录揭示崖城组沉积早期由淡水滨岸逐步演化为滨浅海环境[14]，深水区低凸起上多口井都有崖城组早期海相化石记录，更有显微照片揭示崖城组乃至陵水组海相泥岩中富含底栖宏观藻类(红藻)，化石种类单调，显示琼东南盆地深水区早渐新世是一个封闭-半封闭水域的海湾环境。琼东南海湾早期水体较浅，向上逐渐变深。

崖城组沉积期盆地具有地堑状的构造古地貌，盆地南、北隆起带之下的台阶上成排发育的凹陷群成为平行岸线分布的浅水盆地，与中央坳陷之间被低凸起分隔，因此南、北两侧的台阶上为障壁海岸沉积体系，中央坳陷为局限海环境。南、北台阶上的障壁海岸体系发育小型扇三角洲、辫状河三角洲、滨海相、潮坪相、潟湖相和浅海相，其中扇/辫状三角洲相主要发育在崖南凹陷、崖北凹陷、松西凹陷、松东凹陷和北礁凹陷等浅水凹陷控凹断裂活动剧烈的陡坡带，各浅水凹陷的中部为潟湖沉积，水动力条件弱，以泥质沉积为主；潮坪沉积则环带状分布于凹陷斜坡区，在崖城组中-晚期比较发育。对琼东南煤系地层的研究认为，崖城组沉积时期植物繁盛，浅水台阶区普遍发育薄煤层，潮坪环境的煤层厚度和稳定性均优于辫状河/扇三角洲环境的煤层；另有较广泛的海岸平原相带分布在盆地南部台阶上的陵南低凸起和松南低凸起的缓坡带，也是煤系地层可能发育的区域。

中央坳陷的广大区域被滨、浅海覆盖，海相泥岩分布范围广、厚度大，深水区钻遇海相泥岩最厚500 m，凹陷中心最厚可达3 000 m。中央坳陷内的各凹陷以周缘低凸起小型局部物源供应为主，在封闭-半封闭海湾环境里发育系列小型扇三角洲或辫状河三角洲为主要沉积特征，单个三角洲面积约在100～400 km2，三角洲面积小、分散分布的特点与源区分散、凹陷相互分隔、无法形成统一物源体系有关；多数三角洲结构不清晰，地震反射多为连续性较差的透镜体，是近源快速堆积的特征。

2.2.3 南海北部深水区晚渐新世沉积充填特征

晚渐新世，整个南海北部的沉积格局没有发生明显变化，只是由于海水加深滨岸沉积向陆后退，浅海、半深海水域范围不断扩大，以发育三角洲、陆架边缘三角洲、海底扇、以及滨浅海和半深海沉积为主。东部珠江口盆地古珠江水系更为强大，继承了恩平组沉积时期物源的特点，在恩平组三角洲将白云主洼填平淤浅的基础上，珠海组沉积时期继续向北西方向持续推进形成大型陆架边缘三角洲(图6)，沿北东向陆架坡折带贯穿整个白云凹陷，其前缘部分推进到珠四坳陷的鹤山凹陷一带，并在其前端发育海底扇；琼东南盆地陵水组除海岸平原相带后退几近消失外，则是很好地继承了崖城组三角洲-海湾体系的沉积格局。

3 讨论

南海北部深水区早渐新世虽然都是海湾环境，但两个盆地深水区的沉积体系构成差异大。由于沉积环境控制了生烃母质分布和烃源岩类型，因此作为主力烃源岩的恩平组/崖城组烃源岩分布特征在两个深水区中必然不同。南海北部深水区此时以三角洲-海湾沉积体系为主，主要烃源岩类型是海陆过渡相烃源岩和海相烃源岩。

3.1 三角洲在海湾烃源岩分布模式中的意义

河流-三角洲体系上原地或异地生长的陆生高等植物聚集构成的陆源有机质能够形成高丰度的过渡相煤系烃源岩，除此之外，搬运进海域的陆源有机质对海相烃源岩丰度也产生重要影响。根据现代珠江三角洲分散有机质分布的实测数据[15-16]以及马哈坎三角洲[17]和波河三角洲[18]的有机质分布模式，综合研究认为，河流-三角洲搬运来的陆源有机质影响海相烃源岩的范围主要分布在三角洲前缘和前三角洲所在的海域范围之内，且对其临近海域的海洋生产力有极大提高。因此三角洲在南海北部恩平组/崖城组烃源岩分布模式中有重要意义，但是三角洲的规模不同,对海湾烃源岩的影响也不同。

3.2 南海北部深水区烃源岩分布模式不同

珠江口盆地白云凹陷，远源河流携带大量陆源碎屑物质进入海湾堆积大型三角洲对烃源岩分布有重要影响。由于陆源输入强大，海湾泥岩范围相对小(图3)，海湾受输入的陆源有机质影响大，整个深水区烃源岩有机质丰度普遍较高、类型好。根据沉积相分布，白云凹陷有利的烃源岩分布在3个区域：1)三角洲平原区发育范围较广的煤系烃源岩，有机质丰度高，TOC(总有机碳)含量一般为0.40%～61.4%，平均为6.9%，干酪根以Ⅱ2-Ⅲ型偏Ⅱ2型为主，富含氢组分，以生气为主；2)白云主洼中部的前三角洲区和浅海泥岩发育区，类似于波拿巴盆地Plover组烃源沉积环境[19]，海相烃源岩应当富含陆源有机质，以Ⅱ2-Ⅲ型为主，在凹陷中部较高的热演化作用下，烃源岩以生气为主,莺歌海盆地海相烃源岩亦有类似特征[20]；3)三角洲未波及到的白云东洼，虽与三角洲相邻，但水体安静，显微薄片显示海相底栖宏观藻类繁盛，同时也富含海相沟鞭藻，有机组分中无定型和壳质组含量较高，TOC含量为1.25%～1.83%，平均1.49%，干酪根以Ⅱ2型为主，是一套即生油又生气的烃源岩。

图6 珠江口盆地白云凹陷珠海组和恩平组沉积充填结构Fig.6 Sedimentary and charging structures of Zhuhai and Enping Formations in the Baiyun Sag,Pearl River Mouth Basina.白云凹陷珠海组和恩平组典型地震剖面解释；b.白云凹陷珠海组和恩平组沉积充填结构；c.剖面位置示意图

对于琼东南海湾而言，一方面，崖城组三角洲发育区虽然是有利烃源发育区，但由于三角洲规模小，输入的陆源有机质影响范围有限；另一方面，发育范围广泛、厚度巨大的海相泥岩以及狭长海湾中的水体封闭性较强、有机质保存条件好，是琼东南盆地深水区烃源环境的主要特点。根据沉积相分布(图3)，琼东南盆地深水区有利的烃源岩分布在3个区域：1)崖城组过渡相煤系烃源岩主要围绕中央坳陷边缘和低凸起区的三角洲平原和海岸平原分布，分布范围有限，深水区仅钻遇少量煤系地层，含量低但丰度高，根据浅水区煤系地层的实验分析结果，煤系有机显微组分主要是镜质组，以生气为主；2)深水区受三角洲陆源有机质影响的泥质烃源岩分布于三角洲前缘和前三角洲范围内的滨、浅海相带，具有较高的有机质丰度；3)三角洲范围之外广阔的滨、浅海泥岩区，烃源岩非均质性强，钻遇的海相泥岩TOC值在0.5%～1.57%，Ⅱ2-Ⅲ型偏Ⅲ，大多数为中等丰度烃源岩；三角洲附近较封闭的安静水域以及盆地两侧的浅水区和中央坳陷沿岸地区发育众多的潮坪和潟湖等静水区域(具有平行连续地震相的区域)，钻遇有较高丰度的海相烃源岩，同时深水区井中崖城组烃源岩显微照片显示存在大量底栖宏观藻类，并以果孢子和盘状体为干酪根主体(这可能是国内外首次发现)，是封闭性水域的产物。琼东南盆地深水区以底栖红藻为主要生烃母质的海相烃源岩虽然丰度中等，但是规模大，分布范围靠近凹陷中部，热演化程度高，在高演化阶段也有可能是一种有潜力的气源岩[21]，在合适的成藏条件下仍有形成大型气田的可能，是一套不可忽视的烃源岩。近年来琼东南盆地深水区陵水17-2、陵水22-1和陵水18-1等一系列大中型气田的相继发现，即是在提示着海域深水区尚未揭开的资源潜力。

4 结论

1) 南海北部深水区早渐新世(主力烃源发育期)，盆地结构造成的古地貌差异大，物源背景也悬殊。珠江口盆地深水区为断-坳结构，白云凹陷和荔湾凹陷分别具有各自统一的沉积和沉降中心，接受周缘隆起带和盆外古珠江水系的大型物源注入；琼东南盆地深水区为断陷结构，在南北两侧台阶和中央低地发育多排具有一定分隔性的小凹陷群，沉积充填主要受海南岛南部水系和越南秋盆河水系控制。

2) 南海北部深水区早渐新世沉积充填以三角洲-海湾体系为主，受物源和构造古地貌的控制，珠江口盆地深水区在凹陷边缘发育多个大型三角洲，以白云凹陷北坡发育的三角洲规模最大；而琼东南盆地深水区则在封闭-半封闭海湾环境里发育障壁海岸体系和一系列小型三角洲。

3) 从沉积体系构成差异的角度探讨了两个盆地深水区烃源模式的特点，认为大型三角洲的注入使珠江口盆地深水区具有良好的有机质丰度和干酪根类型；水体封闭性较强、海相泥岩体量巨大、有机质丰度非均质性强是琼东南盆地深水区烃源岩的特点，虽有大、中型气田群的发现，但有利烃源岩的具体分布是目前琼东南盆地深水区烃源研究的挑战。

致谢：本文在系统总结过程中，与中海油研究总院张功成专家、傅宁专家和同济大学马瑞罡博士等进行了深入有益的探讨，获益匪浅，在此致以衷心感谢！