中国东部新生代沉积盆地热状态与油气成藏潜力——以苏北—南黄海盆地为例

徐 曦，胡瀚文，张加洪，肖梦楚，高顺莉

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；2.浙江大学 地球科学学院，杭州 310027；3．武汉大学 资源与环境科学学院，武汉 430070；4.中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030)

在构造上，大兴安岭—太行山—武陵山重力梯度带(NSGL)以东的中国东部地区，发育有渤海湾盆地、北黄海盆地、苏北—南黄海盆地等10多个新生代沉积盆地(图1)[1-14]。这一系列沉积盆地呈现了相似的形成演化过程：在中生代基底格局上，岩石圈伸展拉张，新生代裂陷盆地相继发育，主要由古近纪同裂陷沉降与新近纪热沉降2个基本的沉降—沉积过程构成[1]。这些盆地汇集了巨量沉积物，蕴含着丰富的油气资源。

在中国东部，古近纪裂陷—新近纪拗陷型陆相沉积盆地遍布于内陆与近海，在演化过程与阶段上具有同步性，在盆地结构、沉积特征与构造属性上具有较高的相似性；而差异性主要表现在盆地断裂走向、沉降结构与沉积格架[1]，尤其是在油气产储量和资源量方面[15]，这一差异的根本原因在于盆地发育的区域构造背景。一个值得关注的现象是中国东部新生代盆地裂后热沉降量规模与油气资源潜力和赋存贫富之间存在密切的相关性(图1)，热沉降量的大小和持续时间的长短是岩石圈深部热扰动强度与程度的一个重要指标[16]，深部地质过程及其演化差异是油气资源贫富悬殊的深层次原因，预示着沉积盆地的深部热状态与油气资源贫富和成藏响应之间可能存在着一定的关联，必定隐藏着目前油气勘探鲜有涉及，研究者和勘探家少有关注，但对油气资源生成却十分重要的主控因素或地质作用有待进一步揭晓。中国东部新生代盆地，无疑是探讨石油资源贫富分区及其主控因素的理想案例和天然实验室。本文以苏北—南黄海盆地为例证，探讨沉积盆地深部热状态与油气富集分布的相关性及其潜在的成因机制。

图1 中国东部新生代沉积盆地的空间展布与油气地质特征

1 沉积盆地热状态与油气潜力

1.1 大地热流与居里面深度

大地热流是地壳和岩石圈内部热地质作用最直接的地表显示，是表征沉积盆地热状态的重要物性参数，它记录了地壳和岩石圈热状态变化和能量平衡的地质信息。截至目前，中国陆域地区大地热流数据(第四版)已汇编热流数据1 230个[17]，南海北部等海域部分热流数据也均有报道[18-19]，部分文献与全球热流数据库也为中国热流数据汇编提供了重要补充[20-27]，为中国东部沉积盆地的深部热状态研究提供了重要的资料约束。

居里点深度(Zb)，又称居里面，作为岩石圈的温度界面，能较好地揭示地壳磁性层以及热状态。前人基于磁异常谱方法反演居里点深度，对区域热结构进行了大量研究。居里点深度反演方法有拐点法[28]和中心点法[29]两种。拐点法解算，易出现谱拐点不稳定与波数局限；而中心点法反演居里面深度具有显著的优势，仅需对磁源体的大小和磁化矢量作模型假设，即可计算磁性层的顶界和中心点深度。由于反演原理、磁测精度和覆盖范围等差异，中心点法只在中国局部地区与部分沉积盆地得以应用[30-31]，且多为居里面形态的定性或定量描述，鲜有中国东部深部热状态与油气地质效应的相关研究。

1.2 沉积盆地热结构研究

热结构是沉积盆地构造—热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的约束条件，对盆地动力学研究和油气资源评价具有重要的实践意义。传统的岩石圈热结构研究通常基于地表热流测量和一维稳态热传导方程反演递推[32]，以地表热流为约束，结合岩石圈结构模型与岩石热导率和生热率等物性参数，计算岩石圈内部各圈层温度和热流信息。然而，地表热流测量的覆盖范围有限，测点稀少且分布极不均匀，据中国陆域热流数据汇编(第四版)[17]，在海域地区，地表热流点极为局限[18-19]，因而只能根据地质与地球物理等资料，通过插值推测资料空白区的热流值分布[33-34]。同时，由于实测岩石样品的覆盖地域性、地震波速—生热率经验关系适用性、热导率和放射性生热率等物性参数的地区差异性和稳态热传导方程适用局限性等基础问题，岩石圈深部热状态特征与实际情况之间具有较大的偏差[35-36]。故而，单一的地表热流观测数据难以较好地反映地壳—岩石圈深部温度分布与结构特征。基于地震波速[37]、区域磁异常[29]等地球物理观测资料的联合约束反演，为构建岩石圈温度结构与热厚度研究提供了新的思路，近年来在国内外实际应用中取得了重要进展[31,38]。而由磁异常数据反演得到的居里面深度，在地表热流约束下，可为区域地壳—岩石圈温度结构等深部热状态研究提供重要的方法和路径补充[29,38-41]。此外，高覆盖、高精度的航空磁测数据，为中国东部新生代沉积盆地的深部热结构研究提供了非常重要的基础资料[42]。

1.3 沉积盆地热状态约束油气潜力

地幔热上涌，导致差异化的地壳—岩石圈伸展与物质交换，直接控制着沉积盆地沉降结构的空间变化，决定着盆地可容空间大小和油气生储盖要素的质量与规模。可容空间内烃源岩的规模和成熟演化程度是沉积盆地油气资源贫富差异化的物质与成藏基础，烃源岩演化与温度呈指数关系，而与时间只是线性关系，其成熟度主要受温度的控制[43]，盆地地温场控制着烃源岩的生烃演化。此外，深部地温场及大地热流还通过制约储层的成岩作用及成岩后生作用而影响储集物性。因此，盆地深部热状态，是沉积盆地油气事件的决定因素，是岩石圈构造—热演化过程的综合反映，是盆地油气响应的重要约束条件。其一方面通过沉降控制生烃门限或深部热场影响烃源岩的成熟度；另一方面通过沉降结构与空间变化，影响烃源岩、储层和盖层等生储盖要素的沉积充填规模，这对于揭示含油气盆地的成藏机制和油气资源评价具有重要的地质意义。

2 中国东部新生代沉积盆地、热状态与油气资源赋存

由于所处的构造位置不同，中国东部风格各异的新生代沉积盆地，表现出迥异的裂后热沉降特征和差异的油气资源赋存状态(图1，表1)。中国东部的新生代沉积盆地都经历了古近纪裂陷沉降与新近纪裂后热沉降，基本完成了一个完整的裂陷旋回[1]。位于陆内的江汉盆地[44]和苏北—南黄海盆地[45]，热沉降微弱或缺失。在南黄海盆地最大热沉降厚度仅有1 000 m，苏北盆地局部地区最大可达2 500 m，热沉降量明显小于靠近俯冲带或位于大陆边缘的热隆拱张型裂陷盆地；而位于块体边缘的渤海湾与莺歌海盆地[1,46]，则由于郯庐和红河大型走滑断裂的特殊位置与薄弱带性质，属于地幔强烈热上涌地区，盆地热沉降最大厚度可达4 000 m[47]。

作为岩石圈深部热扰动强度和程度的一个度量[3]，热沉降量的大小和持续时间的长短，指示了沉积盆地形成演化“主动”与“被动”机制的主控关系，即深部地幔热上涌地质作用在成盆过程中的参与程度，蕴含着沉积盆地油气规律与成藏机制等地质信息。中国东部新生代盆地油气资源潜力大小和赋存贫富与热沉降量的大小有着较好的对应性(图1)。渤海湾、东海与珠江口等热沉降量很大的沉积盆地，油气资源潜力巨大；而热沉降量较小的江汉盆地与苏北—南黄海盆地，则表现为有限的资源潜力。

石油的贫富受深部地质过程及其演化和深大断裂活动等区域构造—热体制约束，盆地“冷热”差异与石油资源贫富耦合，提示并说明二者之间有着重要的因果联系。渤海湾盆地[48]的热流值分布在44～106mW/m2，平均值为(66±8)mW/m2，高于中国陆域[17]的平均热流值60 mW/m2，说明渤海湾盆地存在深部热活动；盆地莫霍面埋深[49]介于28～37 km，地壳厚度自东部渤海湾海域的28 km，向西北部太行山逐渐增厚至36～37 km，其中莫霍面埋深最浅处位于渤中坳陷，约28 km，是地壳垂直变形中心；埋深12 km的居里面上隆中心，比周边地带浅4～6 km，对应于NNE向郯庐断裂带的构造位置[50]。苏北—南黄海盆地[9-10]地温梯度介于24～32 ℃/km，平均为29 ℃/km，热流值分布在66～90 mW/m2，平均值为(60±8) mW/m2，与中国陆域热参数特征相近。深达35 km的居里等温面[32]，莫霍面与盆地结构的非镜像关系[51]，居里等温面与盆地基底的同相性[32]，均指示其成盆机制不具备典型的地幔热隆升特征。东海盆地及其邻区地温梯度介于25～44 ℃/km，平均为32.7 ℃/km，呈北低南高的分布特征，热流值范围为35～400 mW/m2，热流呈东高西低的变化趋势，最高热流值出现在盆地南部[25,52]；居里面深度在14～29 km之间变化，盆地西部出现居里面深度低值区，北北东向的深度中心与东海盆地凹陷带呈较好的空间对应关系[53]；莫霍面深度由北西的34 km向南东降低至12 km，具有典型的大陆边缘伸展特征。琼东南盆地地温梯度介于25～60 ℃/km，高热流带的热流值可达85 mW/m2，珠江口陆坡区，地温梯度为45 ℃/km，热流值高达85 mW/m2，其热状态主要受岩石圈破裂而引起的深部物质热上涌影响；北部边缘具有异常高的地温梯度，中南部深水区地温梯度可达50～60 ℃/km[54]。莺歌海盆地是一个独特的超压高温盆地，高热流构造背景使其具有极高的地温梯度，最高平均地温梯度可达42.5℃/km，这与盆地深部的热流体受底劈活动影响相关[55]。

表1 中国东部新生代盆地热状态特征与油气资源潜力[6-10]Table 1 Thermal state and petroleum potential of Cenozoic basins in East China

3 沉积盆地热状态与油气潜力关系

热状态与油气潜力关系为沉积盆地热体制解析与油气资源评价提供了定量研究思路。居里面是岩石圈磁性层的底界面，地壳岩石圈中的铁磁性矿物因温度达到居里温度(580 ℃)而变为无磁性的顺磁性界面，因此，居里面可以较好地反映盆地深部热状态。研究居里界面深度，不仅可以了解地壳岩石圈热结构，还可以间接地认识地表热流与地温梯度，这对于研究沉积盆地烃源岩热演化与生烃成藏的关系具有重要的实践意义。

基于磁异常反演的580 ℃居里等温面，可以较好地提供区域地壳和岩石圈热结构一级约束，为揭示沉积盆地深部热状态提供了重要的参考方法。由沉积盆地的磁总场△T数据，根据中心点法可计算磁性层顶界埋深和中心点埋深[34]，计算居里面深度界面：

Zb=2Z0-Zt

(1)

式中：Zb为居里面深度界面、Zt为磁性层顶界埋深、Z0为磁性层中心点埋深，单位均为km。由一维稳态热传导方程，可推导出通过居里面深度(Zb)计算地表热流(Qs)的公式[41,56-57]：

式中：k为热导率，W/mK；Ts为上界面温度，K；Tb为居里面温度，K；Zs为上界面深度，km；H0为地表产热率，μW/m3；δ为产热率的特征衰减距离，km。

假设产热率与热导率无横向变化，热导率也无垂向变化，取上界面为地表，Zs=0 km，Ts=0 K，H0=0 μW/m3，式(2)可得：

(3)

同时，地表热流Qs为地温梯度与热导率之积，Z为深度，km，向下为正：

(4)

且由式(3)和式(4)积分可得式(5)：

(5)

再由表达油气生成的反应速度(如干酪根裂解成油反应)与温度之间关系的阿仑尼斯方程[58]：

(6)

式中：KARR是反应速度，1/Ma；A是频率因子，1/Ma；E是活化能，kJ/mol；R为气体常数8.314 J/(mol·K)；T是绝对温度，K。将式(5)代入式(6)得到：

(7)

式(7)简化取常量C(大于1)，稍作变形得：

(8)

随着Zb增大，KARR不断减小，反之亦然。

据此可知，表征沉积盆地深部热状态的居里等温面深度与表征油气潜力的有机质反应速率之间存在负相关性。

4 苏北—南黄海盆地热状态与油气

4.1 苏北—南黄海盆地新生代沉积盆地地质概况

下扬子苏北—南黄海盆地是一个由前白垩纪挤压冲断体系和晚白垩世—新近纪伸展断拗体系组成的改造型残留叠合盆地，其新生代沉积盆地可划分为陆域的沿江盆地群、苏北盆地及海域的南黄海盆地[9-10](图2)。

苏北—南黄海盆地地温梯度较低[9,17,55]，相比于相邻的渤海湾盆地和南侧的东海盆地等“热盆”，苏北—南黄海新生代断陷盆地则是一个“温盆”。因受控于侧向扩展机制的伸展盆地[9-10,45]，而非地幔热底劈机制的裂谷盆地，苏北—南黄海盆地在新近纪拗陷阶段，属被动热沉降，拗陷沉降量远小于主动热沉降的渤海湾盆地和东海盆地。苏北—南黄海新生代伸展盆地的拗陷期始于渐新世末期，止于中新世早期，盆地沉降规模小。与之形成显著对比的是渤海湾盆地，在该期快速沉降，特别是在渤中凹陷及其邻区，形成大面积的明化镇期超大型拗陷型浅湖相沉积[55]，构成了盆地重要的区域性盖层，这是裂谷盆地裂后热沉降的显著特点。深切莫霍面的郯庐断裂带右旋张扭的构造背景，诱发了渤海湾地区的地幔热隆升，深部热隆引起的张引作用为盆地沉积充填提供了足够的可容空间，且地幔热上涌也为烃源岩生烃热演化提供了足够的盆地热场。此外由于主动裂陷，渤海湾盆地持续沉降，沉积物持续充填与堆积，断陷期烃源岩最大埋深超过万米，埋藏深度进一步加大，烃源岩持续生烃成藏(表1)。

相比渤海湾盆地的成熟—高成熟阶段，苏北—南黄海盆地烃源岩成熟程度低，是典型的低成熟“温”盆，且南黄海盆地成熟度总体低于苏北盆地，这极大制约了苏北—南黄海盆地的生烃潜力。经多年勘探，苏北盆地至今仍未有亿吨规模的工业油气田发现，累计探明储量2.8×108t，年产原油185×104t；南黄海盆地虽见油气显示，但未获工业油流。在局部地区，如苏北盆地的金湖凹陷和高邮凹陷，深埋于6 000～7 000 m的烃源岩演化程度高，达到生烃门限，烃源岩处于成熟阶段，在古近系中形成中小型油田；在高邮、盐城凹陷，阜宁组烃源岩成熟度高，形成小气田[59-60]。

图2 下扬子区苏北—南黄海盆地构造

苏北—南黄海盆地上白垩统—古近系主要发育有3套生油层，自下而上为泰州组、阜宁组和戴南组。苏北盆地的3套烃源岩形成于盆地拗陷阶段，是3次区域湖侵的产物，含灰质高，腐泥有机质丰富，纵向呈连续建造，品质稳定，但优质的戴南组烃源岩仅局限于高邮深凹。南黄海盆地优质烃源岩可对应于苏北盆地的3套烃源岩，另外还发育三垛组烃源岩[60]。

贯穿于海陆相地层的“先逆后张”大型控盆断裂长期发育，错断层位多且连通深层油源，向上可延伸至新近系，向下则错断奥陶系—震旦系而达到基底岩层，是重要的输导系统。海相烃源岩晚期生烃成藏，油气勘探的有利区是海相地层保存完整、伸展变形程度大、沉降幅度大、中新生代断拗保存单元完整、新近纪区域抬升剥蚀弱、沿控盆或控凹大断层展布的地区。苏皖南部地区的沿江盆地群，因新近纪整体抬升剥蚀而不具备良好的油气保存单元，最大剥蚀厚度可达2 000 m。但在苏北—南黄海盆地，在古近纪伸展变形体制下，区域伸展强烈，沉降幅度大，白垩系—新近系构造层厚的地区则是海相油气勘探有利区，如苏北盆地的金湖—高邮凹陷，南黄海盆地的北部凹陷等[60-61]。

4.2 苏北—南黄海盆地深热状态与油气成藏

据第3小节可知，居里面深度与干酪根裂解的油气生成反应速率之间具有负相关性，即沉积盆地烃源岩有机质生烃与深部热状态之间具有显著的正相关性。关于苏北盆地油气潜力评价及沉积盆地热状态与油气资源关系，前人也做过大量的探索性研究，取得了阶段性的成果[6-7,52]，但由于地表热流观测数据的分布覆盖范围广，数据点稀少，测点分布极不均匀，通过热流或地温梯度插值得到的等值线图(图3)横向分布误差大，缺乏局部异常信息，因此通过单纯的地表热流观测“点”数据，难以较好地反映沉积盆地区域热流分布，沉积盆地热状态与油气潜力的相关性研究有待于进一步扩展。

地壳磁性层的底界面，不但是磁性岩石的底界面，也是一个580℃等温面[29]。在以往的含油气沉积盆地勘探过程中，航空磁测数据研究多用于“探底摸边划断裂”，较少关注沉积盆地磁信号反映的深部热状态。依托区域磁测的扫面优势(图4a)，反演580 ℃居里等温面(图4b，4c)，可以很好地从“面”上提供沉积盆地地壳热结构一级约束，为揭示盆地热状态提供了可供参考的定量研究方法。

图3 下扬子区大地热流分布图中圆点为地表热流值数据(HF)，来源同图2；热流值等值线数据(ISO)据参考文献[62]。Fig.3 Surface heat flow in Lower Yangtze region

图4 下扬子区居里面与油气田关系a.下扬子区总磁△T异常图；b.下扬子区居里面深度数字地形图；c.下扬子区居里面深度立体阴影图；d.下扬子区居里面等值线与油气田分布图。居里面深度数据来源于李春峰等[30]Fig.4 Correlation between Curie surface and oil-gas fields across the Lower Yangtze region

在下扬子地区，油气勘探发现主要集中在苏北盆地的高邮凹陷与金湖凹陷(图4d)，南黄海盆地是目前中国海域唯一一个没有实现油气工业突破的含油气盆地(图1a)。在构造上，下扬子区苏北盆地的高邮凹陷与金湖凹陷是一个居里面深度非常浅的局部异常区，对应着热流值与地温梯度的异常区。根据第3节推导的定量关系，沉积盆地的居里面深度低值区域，更有利于烃源岩有机质的热演化和干酪根生烃热解，进而有利于油气成藏。而南黄海盆地则是一个居里面深度高值区，呈现低热状态，不利于有机质的生烃热解与油气成藏。

苏北—南黄海新生代沉积盆地为该研究方法提供了实证支撑。以区域磁测数据为基础，结合地震勘探、盆地构造解析，建立沉积盆地尺度热场精细结构，将会是含油气沉积盆地热体制与油气成藏研究的一个重要拓展方向。

5 结论

(1)深部热状态是沉积盆地油气事件的决定因素，是地壳岩石圈构造—热演化过程的综合反映，是盆地油气响应的重要约束条件。以中国东部新生代沉积盆地的深部热状态为切入点，基于阿仑尼斯方程，探索居里面深度与干酪根生烃反应速率的负相关关系，探讨沉积盆地深部热状态与油气富集分布的相关性及其潜在的响应机制，为区域深部热状态与油气潜力研究提供有价值的案例参考和研究新视角。

(2)苏北盆地高邮凹陷与金湖凹陷是一个居里面深度非常浅的局部异常区，对应着高热流值与高地温梯度的异常区，更有利于烃源岩有机质热演化、生烃热解，有利于油气成藏。而南黄海盆地则是一个居里面深度高值区，深部热状态呈现低热状态，不利于有机质的生烃热解与油气成藏。

致谢:感谢审稿人提出的宝贵意见，感谢浙江大学海洋学院李春峰教授提供的CCOP磁数据与居里面计算结果。