断陷湖盆富有机质页岩形成环境及主控机制浅析*
——以涠西南凹陷流沙港组二段为例

严德天 陆 江 魏小松 何卫军 秦春雨 李 潼

(1.中国地质大学(武汉)构造与油气教育部重点实验室 湖北武汉 430074；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524034)

富有机质页岩研究是常规油气烃源岩评价和非常规油气地质评价的关键[1]，尤其是近年来页岩气的异军突起，使得对富有机质页岩的研究显得更加重要。20 世纪80 年代以来，就高有机质丰度沉积地层形成的主要控制因素，存在“生产力”与“保存条件”两方面的争论。前者认为主控因素是丰富的有机质来源，即高生产力；后者认为主控因素是良好的有机质保存条件，即水体环境为缺氧条件[2-3]。而这两大因素从根本上来说又取决于生物繁殖时和埋藏时的古气候、古构造和古湖泊环境等各种要素的良好匹配[4]。

北部湾盆地经过几十年的勘探，已经证实涠西南凹陷为富烃凹陷，其中古近系流沙港组半深湖—深湖相暗色泥岩是凹陷范围内的主力烃源岩系。该套地层发育广且厚度大(最厚可达2 500 m)，其中暗色泥岩占该组段的50%以上，尤以流二段为甚，最大含量达90%以上[5-6]。尽管前人对流沙港组烃源岩有机地化特征和生油潜力等做了较深入的研究[7-10]，但对这套湖相烃源岩发育的成因机制仍有争议。

笔者根据大量的地质、地球化学和古生物资料，探讨涠西南凹陷流沙港组富有机质页岩发育的古气候、古构造和古湖泊环境，分析富有机质页岩发育的控制因素，有助于明确其时空分布规律，发现新的烃源岩发育层系，为该地区勘探目标的优选提供指导。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于粤桂古生代褶皱带和海南褶皱带之间，是南海北部大陆架西部一个以新生代沉积为主的盆地[11-12]。印支运动以后，北部湾盆地整体一直处于长期的隆起、剥蚀状态，直至古近纪，由于南海扩张及边界断裂的活动，使本区张裂断陷，开始了盆地内各凹陷的演化过程[12]，其中盆地中部被NE-SW走向的企西凸起分隔成北部坳陷和南部坳陷。涠西南凹陷位于北部坳陷，北起涠西南大断层，南靠海中凹陷及企西凸起,东临涠洲岛(图1)，是北部湾盆地中勘探程度最高、见油气井及油气藏最多的凹陷[5,12]。

图1 北部湾盆地区域地质构造及地层柱状图Fig.1 Geological structure and stratigraphic column of the Beibuwan basin

北部湾盆地区域构造演化经历了古近纪古新世、始新世和中晚渐新世等3次张裂以及新近纪裂后热沉降[13-14]。与盆地构造演化过程相对应，涠西南凹陷古近纪经历了湖盆的初始扩张与2次湖盆扩张—鼎盛—萎缩过程，到渐新世晚期湖盆消亡并遭受不均衡抬升剥蚀，新近纪全区接受海侵形成了海相沉积旋回[6,14]。涠西南凹陷沉积地层由下至上依次可分为3个部分：第1部分为古近系陆相沉积，包括长流组、流沙港组、涠洲组；第2部分为新近系海相沉积，包括下洋组、角尾组、灯楼角组和望楼港组；第3部分为第四系灰黄色砂层及灰色粘土[8]。流沙港组是涠西南凹陷油气勘探的主要目的层，以湖相、三角洲相沉积为主，岩性主要为深灰色、褐灰色泥岩、页岩夹灰白色砂岩、粉砂岩。自下而上，流沙港组可进一步分为流三段、流二段和流一段，其中流二段是涠西南凹陷最重要的富有机质页岩层系。

2 富有机质页岩特征

2.1 富有机质页岩分布

流沙港组二段沉积时期，涠西南凹陷整体形态为典型的半地堑形态，北部陡坡带沉积地层厚度最大(约2 100 m)，至南部缓坡带地层厚度逐渐减薄(约100 m)，沉积地层分布特征与凹陷形态相吻合[15]。该时期地层发育主要受控于凹陷北部的1号断裂，而2号断裂对地层沉积的控制作用较小，或者其还未发育[16-17]。由于1号断裂活动和湖盆快速扩张，导致凹陷内沉积地层厚度巨大(图2a)。地震剖面上富有机质页岩表现为低频、连续、平行和强反射，是一套区域性标志层(图2b)。

图2 涠西南凹陷流沙港组二段残余地层厚度图(上段)及富有机质页岩地震反射特征Fig.2 The residual stratigraphic thickness map(upper section)and the seismic reflection characteristics of organic-rich shale in the 2nd Member of the Liushagang Formation,Weixinan sag

结合已有钻井、录井和地层厚度等资料分析，流沙港组二段沉积面积大于1 000 km2，富有机质页岩厚度主要在100～500 m，其中紧临1号断裂的A洼和B洼为凹陷沉积和沉降中心，富有机质页岩厚度最大，厚度约为800～1 000 m(图2a)。

2.2 有机质丰度与类型

有机地球化学分析表明，涠西南凹陷流沙港组二段富有机质页岩有机质丰度高，生烃潜力大[7-8]。根据该凹陷12口典型探井的有机质丰度统计，有机碳含量(TOC)分布于0.31%～10.35%，平均达到2.33%；氯仿沥青“A”为0.11%～1.18%,平均值0.32%；热解生烃潜量(S1+S2)为1.14～48.08 mg/g，平均达到11.2 mg/g；热解氢指数IH值一般大于300 mgHC/gTOC,最高达688 mgHC/gTOC；有机质类型为I—II1型，部分为II2型。这表明，该套富有机质页岩是优质烃源岩，具有良好的生烃能力。

3 富有机质页岩形成环境

3.1 流沙港组沉积环境

沉积环境对高有机质丰度泥页岩的发育具有非常重要的作用，决定了沉积物的类型及分布特点，特别是提供了生烃母质生物生命活动、繁衍、繁盛的环境和埋藏条件，进而决定了高有机质丰度烃源岩能否形成及其质量优越与否[10,18]。通过对10余口探井的岩心观察以及大量地震、测井等资料的详细分析(图3),涠西南凹陷流沙港组主要发育4种沉积体系:扇三角洲体系、辫状河三角洲体系、湖泊体系和重力流体系。流沙港组三段沉积早期，涠西南凹陷的湖泊面积小、水体浅，盆地周缘粗碎屑物供应充足，主要发育冲积扇、扇三角洲和滨浅湖等沉积体系；到了晚期，湖平面上升，湖盆面积扩大，在凹陷中央发育半深湖体系，凹陷东部发育辫状河三角洲沉积。流沙港组二段沉积时期，涠西南凹陷处于湖盆全盛阶段，湖盆水体快速上升，水体深、物源远，形成欠补偿沉积，发育巨厚的细粒沉积；除北部陡坡带小范围发育三角洲沉积外，绝大部分地区为中深湖相泥岩，形成涠西南凹陷的良好烃源岩；地震反射特征为连续性差、振幅很弱，近于空白反射(图2)。流沙港组一段沉积时期，湖盆水体逐渐变浅，滨浅湖发育面积扩大，从凹陷西部向盆地中心发育轴向大型辫状河三角洲。总体上，涠西南凹陷流沙港组沉积时期古湖泊演化经历弱—强—弱的旋回演化过程[6]，岩性由下而上表现为粗—细—粗的沉积特征。

图3 涠西南凹陷WZ-A井沉积相柱状图Fig.3 The sedimentary facies of Well WZ-A in the Weixinan sag

3.2 富有机质页岩发育环境

流沙港组二段中深湖相泥页岩主要由黑色碳质泥岩、灰黑色泥页岩、灰黑色钙质页岩及含粉砂、粉砂质页岩组成，偶夹纹层状粉砂岩透镜体，发育水平层理及断续的水平层理，可见条带状的黄铁矿颗粒，有机质丰度和有机碳含量普遍较高，表明沉积时水体平静，无底栖生物的扰动，沉积速率小，属于欠补偿的深水沉积[7,10]。沉积物中还原硫含量越高，指示沉积水体的还原性越强[19]。涠西南凹陷富有机质页岩中有机碳和硫比值分布在0.01～1.6，平均0.29，指示水介质条件处于较封闭状态，含盐度高，偏还原环境，有利于有机质的富集和保存。有机地球化学参数如姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)比值同样可以判断水体条件，盐湖相、咸水深湖相的Pr/Ph 值处于 0.2～0.8，具有明显的植烷优势；淡水—微咸水深湖相 Pr/Ph 值处于 0.8～2.8；淡水湖相氧化-弱还原环境Pr/Ph 值处于2.8～4.0[20]。涠西南凹陷流沙港组二段富有机质页岩的 Pr/Ph值较低，主要分布在0.5～2.5，反映其形成于强还原-还原的微咸水—淡水沉积环境中[10]。浮游藻类化石丰度是湖盆水体营养程度、生产力水平和浮游植物繁盛的重要标志。涠西南凹陷浮游藻类在流二段含量较高，而其他层位浮游藻类往往贫乏或含量很低，指示流沙港组二段富有机质页岩沉积时期湖盆具有较高的生物生产力水平，有利于有机质的高度富集[7]。总体来看，流沙港组二段富有机质泥页岩发育时期古湖泊的高生物生产力和缺氧条件为有机质生产、保存提供绝佳的条件，从而形成厚度较大的富有机质页岩沉积。

4 主控因素分析

富有机质页岩的发育程度取决于生烃母质生物的生存环境和有机质良好的保存条件。涠西南凹陷流沙港组二段沉积时期具有高生产力和缺氧水体的有利环境，这种环境受控于该时期古气候、古构造及古湖泊环境等各要素的综合作用。

4.1 古气候演化

古气候对断陷湖盆富有机质页岩的发育具有重要的控制作用。在地质历史上，温暖湿润气候一直是富有机质页岩发育的有利气候条件，比如志留纪至泥盆纪的特提斯域(位于冈瓦纳大陆和北部大陆间的海域)位于中低纬度，气候环境温暖湿润，烃源岩广泛发育，使得该区域油气资源十分丰富[21]。不同的气候环境对应不同的植物群落，而不同的植物群落可以通过不同的孢粉组合来反映。因此，孢粉组合是古气候信息分析的直接载体。据叶得泉等[22]研究，孢粉气温带可分为热带、亚热带、暖温带和寒温带等4个类型，其中热带、亚热带类型为喜热类型，暖温带、寒温带类型为喜温类型，而在热带和温带均有分布的类型为广温类型。

在涠西南凹陷，流沙港组三段以反映热—亚热带类型的栎粉-水龙骨单缝孢-紫萁孢-拟榛粉组合(Quercoidites-Polypodiaceaesporites haardti-Osmundacidites-Momipites triletipollenite)为主[23]，被子植物花粉主要是栎粉属(Quercoidites)，蕨类孢子主要是水龙骨单缝孢属(Polypodiaceaesporites haardti)，可见少量的拟榛粉属(Momipites triletipollenites)和紫萁孢属(Osmundacidites)[23]。流沙港组二段的孢粉组合以双束松粉-榆粉-栎粉组合(Pinuspollenites-U.undulosus-Quercoidites)为特色，反映热—亚热带类型的孢粉含量增多，被子植物花粉平均含量为43.87%，以榆粉属中的U.undulosus、枫香粉属(Liquidambarpollenites)和小享氏栎粉(Q.microhenrici)为主；裸子植物花粉次之，平均含量为28.57%，以双束松粉(Pinuspollenites)为主，含少量油衫粉属(Keteleeriaepollenites)和云衫粉属(Piceaepollenites)。流沙港组一段沉积时期，热—亚热带类型的孢粉含量明显降低，孢粉组合为粒面球藻-栎粉组合(Granodiscus granulatus-Quercoidites)；组合中粒面球藻属(Granodiscus granulatus)特别丰富，常见百色藻属 (Bosedinia granulata)、光面球藻属(Leiosphaeridia)、皱面球藻(Rugusphaera corrugis)、角凸藻中的Prominangularia corrugis、粒面角凸藻(Prominangularia granulata)、假科梅乌藻属(Pseudokomewuia)，裸子植物花粉缺乏。涠西南凹陷流沙港组孢粉组合在不同时期虽然存在一定差异(图3)，但总体上以亚热带孢粉为主，表明该时期整体为亚热带气候；从反映湿度的孢粉组合来看，旱生型孢粉均不发育，喜湿型孢粉含量较高，反映流沙港组沉积时期主要属于亚热带湿润气候，尤其是流沙港组二段沉积时期最为温暖湿润。在该气候背景下，涠西南地区降水量大，湖盆水体充盈，且植被繁茂，风化作用强烈，陆生有机质和营养物质经河流搬运作用进入盆地，使水生浮游植物得以繁荣，有机质生产力明显提高。因此，良好的气候条件为涠西南凹陷富有机质页岩发育提供了必要条件。

4.2 构造活动

涠西南凹陷先后经历古近纪3次张裂和新近纪裂后热沉降，盆地沉降是富有机质页岩发育的基本因素[14,16]。古新世，北部湾盆地进入初始裂陷阶段，在近NW-SE向拉张应力作用下发育控盆的一级断裂，即涠西南断裂，沉降中心位于该断层的下降盘，最大沉降速率80 m/Ma，最大构造沉降速率45 m/Ma，控制了长流组沉积(图4)。始新世第2次张裂期为快速沉降期，无论是总沉降速率，还是构造沉降速率，数值均相对较大，且构造沉降速率的占比较大，约占总沉降的3/5左右，沉降中心位于具有控凹作用的1号断层中段下降盘，其中流沙港组二段沉积时期的沉降速率高达520 m/Ma，是盆地沉降速率最大时期[6,24]。中晚渐新世第3次张裂期，沉降中心位于凹陷东部2号断层下降盘涠6-9构造附近(图2a)，构造沉降速率从320 m/Ma降至200 m/Ma以下(图4)。新近纪，凹陷进入裂后热沉降阶段，构造沉降速率平均小于30 m/Ma，整体缓慢下沉接受新近纪和第四纪海相沉积[6,14]。

在张裂环境下,涠西南凹陷经历了三期较明显的断裂活动。根据断裂与地层切割关系及运动学特征，可划分为早期伸展断裂、中期走滑伸展断裂、晚期伸展断裂和长期继承性活动断裂4种类型[16]。不同类型断裂的变形期次、序列及演化过程与区域构造应力场密切相关，并对凹陷沉积特征起到重要控制作用(图2b)。古新世，以涠西南大断裂为主要特征，控制了早期的长流组初始断陷盆地。始新世，1号断裂控制涠西南凹陷的沉积，其总体走向NEE，东端走向近EW，西端走向近NE[6]。其中，流沙港组三段沉积时期，断裂活动速率约为100 m/Ma，沉积中心位于1号断层中东部，最大沉积厚度约为800 m，此阶段湖泊范围较小，沉积相主要为河流相-扇三角洲相；随着1号断层活动进一步加强，活动速率最大为520 m/Ma，湖盆发育达到极盛时期，沉积沉降中心仍集中在1号断层中东段WZ5-7和WZ6-1井区附近(图2a)，最大沉积厚度超过1 600 m(图5)，此时期发育了流沙港组二段中深湖相富有机质页岩；流一段沉积时期，断裂活动速率减弱，平均为45 m/Ma左右，沉积中心沿走向向西迁移。总体上，始新世断裂活动速率基本与凹陷沉降速率一致，对该时期凹陷的沉降及充填起主要控制作用[14,16]，并且沉降速率最大的始新世流沙港组二段沉积时期是凹陷古湖泊中深湖发育的鼎盛期。

图4 涠西南凹陷WZ-B井沉降速率演化图Fig.4 The sedimentation rate of Well WZ-B in the Weixinan sag

图5 涠西南凹陷流沙港组沉积时期1号断层不同位置古落差值(测线位置见图2a)Fig.5 The drop value at different locations of the No.1 fault in the Liushagang Formation,Weixinan sag(see Fig.2a for location)

富有机质页岩的发育要有适宜的构造沉降条件和埋藏条件，如果没有足够的沉降量，沉积的有机质将被氧化分解。涠西南凹陷流沙港组二段时期构造沉积快，断层活动速率大，湖盆水体深，沉积环境以半深湖—深湖相为主，属深水广盆型湖盆，有利于有机质的保存和快速埋藏；同时，沉降过程中断层的剧烈活动可以将湖盆中生物繁盛所需的营养带入上层水体，促进湖盆生物的勃发，进而为富有机质页岩的发育提供了高生产力保障。再者，表层水体由于阳光照射，温度较高，直接刺激了藻类等生物的勃发及水体的固氮作用，对初级生产力具有显著贡献[25-26]，处于缺氧还原环境的底层水体和温暖气候条件下且具较高固氮作用的表层水体是富有机质页岩发育的有利条件。因此，涠西南凹陷流沙港组二段可能为最优质烃源岩发育层段。

5 发育模式

富有机质页岩的形成受控于古气候、古构造和古环境的综合影响[4]，这些因素对富有机质页岩发育的控制作用表现为不同水体环境的古生产力和氧化还原性。古气候因素可通过湖盆古生产力来影响富有机质页岩的发育和保存，而构造活动则为富有机质页岩堆积提供了有效的可容纳空间。流沙港组三段和一段沉积时期，涠西南凹陷构造沉降较缓，广泛发育以滨浅湖为主的沉积，属于缓慢沉降的浅水广盆沉积，冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲等沉积相较为发育(图6)；该时期藻类以球藻为主，含部分陆相沟鞭藻[7]，湖盆初级生产力一般，且底部水体以氧化-弱还原为主，因此只有厚度较小的富有机质页岩发育，且面积往往比较小。而流沙港组二段沉积时期，涠西南凹陷处于快速断陷期，地壳拉张加剧，凹陷迅速沉降；受温暖湿润气候控制，降雨量大，凹陷内水体深，属于快速沉降背景下的深水湖盆，以中深湖相泥页岩发育为主(图6)；该时期藻类以陆相沟鞭藻为主，球藻为辅，见少量淡水绿藻，整体上具有高的初级生产力[27]，同时底部缺氧还原的水体为有机质保存创造了优越的条件，从而广泛发育巨厚的富有机质页岩。

图6 涠西南凹陷流沙港组富有机质页岩沉积模式图Fig.6 The sedimentary model of the organic-rich shale in the Liushagang Formation,Weixinan sag

6 结论

1)涠西南凹陷流沙港组二段富有机质页岩分布紧临A洼和B洼，分布面积广，地层厚度大，高有机质丰度、良好生烃潜力及Ⅰ—Ⅱ1型有机质揭示这套富有机质页岩为优质烃源岩。

2)涠西南凹陷流沙港组二段沉积时期，受温暖湿润气候控制，湖盆表层水体生物生产力较高；受构造沉积和断裂活动控制，湖盆处于欠补偿状态，主要发育中深湖相沉积环境，底层水体处于缺氧还原环境。流沙港组二段富有机质页岩最可能为最优质烃源岩层段。

3)涠西南凹陷流沙港组二段富有机质页岩的发育主要受古气候、古构造和古湖盆环境的综合控制，其发育模式可概括为温暖湿润气候、盆地快速沉降、表层水体高生产力和底层水体缺氧环境。