莺歌海盆地中新统海相烃源岩形成环境及控制因素

2023-08-12裴健翔郭潇潇薛海涛吴杨瑜李珊珊李文浩

石油与天然气地质 2023年4期

裴健翔，郭潇潇，薛海涛，吴杨瑜，李珊珊，李文浩

［1.中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南海口 570312；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580］

关于高有机质丰度海相烃源岩形成的主要控制因素，早在20世纪80年代就存在“保存条件”和“生产力”两方面的争论［1-3］。目前，越来越多的人认为海相烃源岩的形成是有机质供给、有机质保存及沉积速率等因素共同叠加的结果，其中最主要的影响因素为古生产力和氧化还原环境［4-5］。然而，陆源有机质输入是影响大陆边缘盆地烃源岩发育的重要因素［6-7］，烃源岩较发育的大西洋裂谷系盆地均位于大河口下方，大型河流或三角洲提供了丰富的陆源有机质，为烃源岩的形成奠定了良好的物质基础［8-12］。

尽管中新统海相烃源岩被认为是莺歌海盆地主力烃源岩，对研究区天然气具有重要贡献［13-15］，但目前针对中新统海相烃源岩的研究相对较少，主要原因在于探井多集中在盆地边缘或斜坡带，中央凹陷带钻遇中新统海相烃源岩的探井相对较少，其中东方区尚未钻遇三亚组，严重影响了莺歌海盆地中新统海相烃源岩系统研究与评价。业已认识到，中新统海相烃源岩有机质丰度整体偏低，其中梅山组烃源岩有机质丰度整体好于三亚组，有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，烃源岩以低熟和成熟阶段为主，烃源岩形成时期古海洋生产力偏低，陆源有机质输入量相对较大，烃源岩主要发育在偏氧化的沉积环境，烃源岩以海相陆源型为主，东方区和乐东区可能发育有机质保存条件相对较好的内源型（藻类生源为主）烃源岩［16-18］。

尽管目前已初步明确了莺歌海盆地中新统海相烃源岩形成环境及生烃潜力，但是由于烃源岩纵、横向上均具有明显的非均质性，中新统海相烃源岩形成环境及控制因素仍不明确，严重制约了对中新统海相烃源岩生烃潜力的认识，导致目前中新统海相优质烃源岩形成条件与分布规律的认识尚不明晰。有鉴于此，本文系统剖析了莺歌海盆地中新统海相烃源岩形成时期古海洋生产力、陆源有机质输入量与氧化还原环境，揭示了烃源岩发育主要控制因素，为研究区优质烃源岩分布预测提供了理论依据。

1 区域地质概况

莺歌海盆地位于中国海南岛西侧、越南以东，北西—南东向近似为菱形展布，为高温高压、快速埋藏、厚度大的新生代大陆边缘盆地，构造位置处于哀牢—红河断裂带，为走滑-伸展盆地，经历了断陷和拗陷两阶段的构造演化，盆地可进一步划分为临高凸起、中央凹陷、莺东斜坡带和莺西斜坡带等次级构造［19-21］。盆地地层自下而上为始新统、渐新统崖城组和陵水组、中新统三亚组、梅山组和黄流组、上新统莺歌海组和更新统乐东组（图1）。前人研究表明，盆地发育有3套烃源岩：始新统湖相泥岩、渐新统崖城组和陵水组海-陆过渡相泥岩、中新统三亚组和梅山组海相泥岩［16-17］。其中盆地凹陷期半封闭浅海环境下沉积的三亚组和梅山组烃源岩为主力烃源岩［18，22］，同时与黄流组和莺歌海组中发育的砂岩及泥岩构成了良好的生-储-盖组合［13，20］。

图1 莺歌海盆地构造区划分（a）及地层柱状图（b）［18］Fig.1 Structural units （a） and stratigraphic column （b） of the Yinggehai Basin［18］

2 烃源岩形成环境及控制因素

2.1 古海洋生产力

海洋中的氮和磷的比值总体趋于稳定，大约为（15～16）：1，前者消耗完可以从大气中获取，而磷元素则不能，因此磷元素为海洋生产力最终体现者［23］，为了消除陆源输入对生产力的影响，通常采用P/Ti值研究海洋生产力。此外，Murray等人认为Al/Ti值也可以用于研究海洋生产力，但该比值受陆源碎屑输入影响较大［24-25］。鉴于Al/Ti值受陆源碎屑输入影响较大，本文主要根据P/Ti值判识古生产力大小。莺歌海盆地莺北区、莺东斜坡、东方区和乐东区中新统海相烃源岩的P/Ti值分别分布在0.10～0.15、0.10～0.24、0.13～0.14和0.09～0.37（图2a—d），平均值分别为0.13、0.14、0.13和0.16，与澳大利亚后太古宙页岩（PAAS）的P/Ti值0.12［26］较为接近，但远远小于赤道太平洋高生产力地区的P/Ti值2～8［27］。总体来看，烃源岩发育时期海洋生产力相对偏低，乐东区古海洋生产力有增加的趋势，烃源岩的总有机碳含量（TOC）与P/Ti值没有明显的相关性，表明古海洋生产力并非烃源岩发育的控制因素。然而，乐东区L30-1探井揭示中新统海相烃源岩的P/Ti值明显增大，平均值可达0.27，且与TOC值具有明显的正相关性（图3），表明乐东区L30-1井区附近古海洋生产力相对较高，且其对烃源岩的发育具有一定的控制作用。

图2 莺歌海盆地中新统海相烃源岩TOC与P/Ti含量比值关系Fig.2 The relationship between the TOC values and the P/Ti ratios of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basina. 莺北区； b. 莺东斜坡； c. 东方区； d. 乐东区

图3 莺歌海盆地乐东区L30-1井揭示中新统海相烃源岩TOC与P/Ti含量比值关系Fig.3 The relationship between the TOC values and the P/Ti ratios of the Miocene marine source rocks from the Well L30-1 in the Ledong area of the Yinggehai Basin

2.2 陆源有机质输入量

莺歌海盆地周围发育多条河流，不同物源其陆源有机质输入存在一定差异，进而影响烃源岩发育。如越南红河三角洲输送来了更多的被子植物［28］，受双物源影响的H29-1井（红河影响较大，海南岛物源影响相对较小）孢粉化石资料揭示陆源有机质主要以被子植物为主，次为蕨类植物，裸子植物含量相对较低（图4a）；而受海南岛物源影响的L1-1井揭示，陆源有机质以蕨类植物为主，次为被子植物（图4b）。研究区中新统海相烃源岩中均检测到不同含量的奥利烷（图5），奥利烷为被子植物生源，是常用于指示源岩有机质输入和地质年代的生物标志化合物［29］。三亚组烃源岩奥利烷含量明显高于梅山组烃源岩（图5），表明三亚组沉积时期陆源有机质输入量相对较大。此外，正构烷烃的分布特征也能反映上述规律，三亚组烃源岩正构烷烃分布偏后峰型，而梅山组烃源岩正构烷烃以前峰型分布特征为主（图5）。研究区沉积相特征揭示三亚组沉积时期，受到多物源供给影响，陆源有机质输入量充足；而梅山组沉积时期，海南岛物源明显减少，但梅山组海底扇相对较发育，总体来看陆源有机质输入也相对较充足。中新统海相烃源岩TOC值与奥利烷指数（奥利烷/C30藿烷）之间具有明显的正相关性（图6），表明陆源有机质输入量（尤其是被子植物含量）对中新统海相烃源岩发育具有明显的控制作用。莺北区受红河物源影响最大，尤其是H29-1井，被子植物来源的奥利烷含量较高，其中新统烃源岩TOC值也明显高于其他地区（图7）；尽管乐东地区被子植物含量相对较低，但由于其古生产力高于其他地区（尤其是LD30-1井区附近），该区亦可发育高有机质丰度烃源岩（图7）。

图4 莺歌海盆地中新统烃源岩中孢粉化石百分含量Fig.4 The percentage of pollen of the Miocene source rocks in the Yinggehai Basina. H29-1井； b. L1-1井

图5 莺歌海盆地中新统海相烃源岩质量色谱图Fig.5 Mass chromatogram of the Miocene source rocks in the Yinggehai BasinPr.姥鲛烷；Ph.植烷；C21T. C21三环萜烷； C23T. C23三环萜烷； OL. 奥利烷； C30H. C30藿烷； G. 伽马蜡烷； C27. C27规则甾烷； C28. C28规则甾烷；C29. C29规则甾烷； 4-MS. C30-4甲基甾烷

图6 莺歌海盆地中新统海相烃源岩TOC与奥利烷指数关系Fig.6 The relationship between the TOC values and oleanane index of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basin

图7 莺歌海盆地不同地区中新统海相烃源岩TOC与奥利烷指数分布特征Fig.7 Distribution of the TOC values and oleanane index of the Miocene marine source rocks in different areas of the Yinggehai BasinOl/C30H.奥利烷/C30藿烷

2.3 氧化还原环境

U/Th值和Ni/Co值通常用于判识烃源岩形成时期水体的氧化还原条件，通常认为U/Th值大于1.25为厌氧环境，介于0.75～1.25为贫氧环境，小于0.75为富氧环境；Ni/Co值大于7.00为厌氧环境，介于5.00～7.00为贫氧环境，小于5.00为富氧环境［30］。本文采用Ni/Co值来探讨莺歌海盆地中新统海相烃源岩发育时期水体的氧化还原环境。莺歌海盆地莺北区、莺东斜坡、东方区和乐东区中新统海相烃源岩的Ni/Co值分别分布在2.50～3.22、2.07～3.63、2.56～5.02和2.18～9.17（图8a—d），平均值分别为2.89、2.95、3.21和3.80，中新统烃源岩发育时期，莺歌海盆地各构造带沉积水体均以氧化环境为主。总体上来看，烃源岩的TOC值与Ni/Co值没有明显的相关性（图8a—d），表明氧化还原条件并非烃源岩发育的主要控制因素。值得注意的是，乐东区L30-1探井揭示中新统海相烃源岩中Ni/Co值明显增大，主要分布在2.37～5.71（图9），平均值为4.14，表明L30-1附近有机质保存条件有变好的趋势，且Ni/Co值与TOC之间具有明显的正相关性（图9），表明乐东区L30-1井区附近水体的氧化还原条件对烃源岩的发育具有一定的控制作用。

图8 莺歌海盆地中新统海相烃源岩TOC与Ni/Co含量比值关系Fig.8 The relationship between the TOC values and the Ni/Co ratios of the Miocene marine source rocks in the Yinggehai Basina. 莺北区； b. 莺东斜坡； c. 东方区； d. 乐东区

图9 莺歌海盆地乐东区L30-1井揭示的中新统海相烃源岩TOC与Ni/Co含量比值关系Fig.9 The relationship between the TOC values and the Ni/Co ratios of the Miocene marine source rocks from the Well L30-1 in the Ledong area of the Yinggehai Basin

3 优质烃源岩发育模式

莺北区至东方区，三亚组沉积时期， H29-1井区附近发育三角洲，受红河和海南岛北部双物源影响，被子植物极为发育，陆源有机质供给充足，水体为氧化环境，不利于藻类有机质保存，但对陆源有机质影响较小，可发育高有机质丰度海相陆源型烃源岩（图10a）；从莺北区G35-2井区至东方区D13-2井区，水体逐渐变深，但仍以氧化环境为主，由于古生产力偏低，有机质仍以陆源输入为主，但其输入量逐渐减少（图7），不利于高有机质丰度烃源岩的形成（图10a）；D29-2井区靠近沉积中心，保存条件较好，可发育内源型（藻类生源为主）优质烃源岩（图10a）。梅山组沉积时期，整体陆源有机质输入量有降低的趋势，H29-1井区附近发育海底扇，陆源有机质供给仍较为充足，水体为氧化环境，可发育高有机质丰度海相陆源型烃源岩（图10b）；从G35-2井区至D13-2井区，发育浅海相沉积，为弱氧化环境，有机质主要为陆源高等植物，不利于高有机质丰度烃源岩的形成（图10b）；D29-2井区附近水深加大，古海洋生产力和保存条件均较好，可发育内源型优质烃源岩（图10b）。此外，L30-1井资料揭示乐东区存在古生产力和有机质保存条件较好的区域（前文已有详述），为优质烃源岩发育有利场所。三亚组和梅山组沉积时期，从L11-1至L22-7方向，古生产力和氧化还原条件均有变好的趋势，可发育内源型优质烃源岩（图10c，d）。