渤中凹陷古近系优质烃源岩沉积古环境与发育模式

耿名扬， 陈少平， 刘丽芳， 黄胜兵， 吴 斌， 张 莹

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028 )

0 引言

湖相优质烃源岩一般厚度不大，但有机质丰度高，是控制大油气田分布的重要因素[1-3]。湖相优质烃源岩非均质性强，其形成受初级生产力、有机质保存条件及沉积速率的直接控制[4]，最终受古气候、湖盆类型、水体深度、水体盐度等因素影响。饶阳凹陷沙一下亚段优质烃源岩形成于干旱炎热向温暖潮湿气候过渡时期，水体深度小、盐度高[5]。东营凹陷沙四段上部优质烃源岩为浅湖—半深湖亚相咸水沉积，沙河街组三段(沙三段)下部优质烃源岩为深湖—半深湖亚相咸水—半咸水沉积[6]。松辽盆地长岭断陷优质烃源岩发育于原始生产力中等、气候潮湿、盐度低、沉积速率较低的高位域和湖侵域[7]。鄂尔多斯盆地长7段优质烃源岩，形成于温暖湿润的温带—亚热带气候、大面积深水湖盆及微咸水—淡水环境[8]。因此，沉积环境是控制优质烃源岩发育的根本因素。恢复优质烃源岩形成古环境、建立优质烃源岩发育模式,对明确优质烃源岩分布、精细评价凹陷资源潜力、寻找有利勘探区带具有重要意义。人们对鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地等进行烃源岩地质—地球化学综合分析，利用古生物、微量元素、同位素等参数耦合系统恢复湖盆古环境，避免单一种类数据造成的误差，准确性更高[5-10]。

渤中凹陷是渤海海域油气最富集的凹陷，人们研究渤中凹陷烃源岩，明确渤中凹陷优质烃源岩发育于沙三段中上段、沙河街组一段(沙一段)及东营组三段(东三段)中下段，并利用地球物理技术对优质烃源岩的分布进行刻画[11-14]。这些研究聚焦于优质烃源岩地球化学特征的表征、纵横向分布的地球物理预测，缺乏对优质烃源岩形成的古气候、古盐度、古水深等沉积环境因素的系统分析，忽略控制优质烃源岩分布的根本因素。笔者利用渤中凹陷Q-3-1、Q-2-1、B-4-1、B-2-1、B-1-3等井113个烃源岩样品，开展古生物、有机地球化学、微量元素等分析测试，恢复渤中凹陷沙三段、沙一段及东三段沉积时期古气候、湖盆类型、古水体性质，分析优质烃源岩的成因，为渤中凹陷下一步勘探目标的优选提供指导。

1 区域地质背景

渤中凹陷位于渤海海域中部，周缘发育石臼坨和沙垒田2个凸起、渤南和渤东2个低凸起(见图1)，面积约为9×103km2，新生界厚度超过10 km，具有面积广、厚度大的特点[15]。渤中凹陷古近系构造演化具有多幕裂陷、多旋回叠加的特征：孔店组—沙四段为裂陷Ⅰ幕，地层仅在北部发育，湖盆小且相互分隔，主要发育冲积扇、泛滥平原及滨浅湖沉积；沙三段为裂陷Ⅱ幕，凹陷分隔性较强，以盆内物源为主，半深湖—深湖较发育，具有“深水窄盆”的沉积特征；沙二段—沙一段为裂后热沉降期，湖盆范围扩大，滨浅湖广泛分布，局部发育碳酸盐岩钙质滩，具有“浅水广盆”的沉积特征；东营组为裂陷Ⅲ幕，湖盆范围进一步扩大，半深湖—深湖面积广泛发育，具有“深水广盆”的沉积特征。

图1 渤中凹陷构造位置及构造单元Fig.1 Locations and structure units of Bozhong Sag

独特的多幕构造演化和沉积充填作用使沙三段、沙一段和东三段形成3套优质烃源岩[11-12]。根据多口井样品分析，沙三段烃源岩有机碳质量分数(w(TOC))为0.29%～6.07%，好烃源岩样品(1.00%2.00%)占比约为57.4%，有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型；沙一段烃源岩w(TOC)为0.46%～6.15%，好烃源岩样品占比约为59.5%，优质烃源岩样品占比约为33.3%，有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型；东三段烃源岩w(TOC)为0.35%～3.13%，好烃源岩样品占比约为61.5%,优质烃源岩样品占比约为25.3%，有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型(见图2)。沙三段优质烃源岩主要分布于渤中凹陷东洼，沙一段优质烃源岩广泛分布于渤中凹陷，东洼及西南洼发育面积较大，东三段优质烃源岩主要分布于渤中凹陷东洼和西南洼[12]。

2 古气候

气候控制区域的降雨量、蒸发量，影响区域内植被生长、母岩风化和湖盆水体性质，进而影响烃源岩发育的古生产力、有机质保存条件和物源输入[10]。渤海湾盆地古近系在古气候带上处于温带到亚热带，气候总趋势是由暖变冷[10]；沙三段总体为亚热带温暖湿润气候，沙一段为温带至亚热带气候，东三段为温暖的温带气候[16]；渤中凹陷周缘的黄河口凹陷从沙三段到东三段表现为亚热带潮湿、热带—亚热带半湿润到温带半湿润的特征[17]。

古生物中的孢粉组合是敏感的古气候标志，古气候、古环境的变化引起古植被变化，进而引起地层记录中的孢粉组合变化[18]，孢粉分析技术是恢复古气候的重要方法。根据各孢粉代表的气候条件，将其分为喜热、喜温、喜湿、喜干4类，根据喜热和喜温孢粉占比建立热指数，根据喜湿和喜干孢粉占比建立干指数，统计各类孢粉占比、热指数和干指数的纵向变化，恢复各时期的气候干—湿、冷—热变化(见图3)。

图2 渤中凹陷古近系烃源岩地球化学特征Fig.2 The geochemical characteristics of Palaeogene source rocks in Bozhong Sag

图3 渤中凹陷Q-3-1井孢粉与古气候特征Fig.3 The sporopollen and paleoclimatic characteristics of well Q-3-1 in Bozhong Sag

根据孢粉占比统计结果，从沙三段至东三段，喜温、喜湿的孢粉占比总体增多，喜干、喜热的孢粉占比总体减少，表明气候总体变凉；沙一段喜干、喜热的孢粉占比最大，热指数、干指数达到最大，表明沙一段相对干热。因此，研究区沙三段为亚热带湿润气候，沙一段为亚热带干热—温凉气候，东三段为温带温凉气候，虽然存在波动，但整体气候表现为温暖湿润的特征。

3 湖盆类型

3.1 湖盆沉积充填类型

根据盆地可容空间增长速率和沉积物供给速率之间的关系，湖盆沉积充填类型可划分为过充填、平衡充填和欠充填3种，对应于河—湖相、波动深湖相和蒸发相3种沉积组合[19-20]。湖盆沉积充填类型对优质烃源岩具有明显的控制作用，平衡充填、欠充填的湖盆易形成优质烃源岩[20-21]。综合渤中凹陷构造沉积特征，沙三段、东三段沉积时期，湖盆为平衡充填型；沙一段沉积时期，湖盆为欠充填型。

沙三段沉积时期，断裂活动速率大，凹陷快速沉降，沉降速率为202～223 m/Ma[12]，形成较大的沉积可容空间。气候湿润，沉积物供给较充分。沉积类型受断层控制，凹陷陡坡主要发育近源的近岸水下扇、扇三角洲，缓坡发育具有斜交前积特征的辫状河三角洲，半深湖—深湖广泛发育(见图4)。因此，沙三段沉积时期，湖盆表现为受快速构造沉降控制而形成的平衡充填型。

图4 渤中凹陷沉积古近系沉积充填剖面(剖面位置见图1)Fig.4 The sedimentary filling section of Paleogene Bozhong Sag(location in sectionFig.1 )

沙一段沉积时期，断裂活动较弱，凹陷进入缓慢沉降期，沉降速率为30～70 m/Ma[12]。气候较为干旱，河流发育不足，陆源碎屑供给较少，三角洲发育规模较为局限，滨浅湖发育面积较大(见图4)。由于气候干旱，水体蒸发量大，在水下高地形成湖相碳酸盐岩[22]。岩性主要为深灰色泥岩夹油页岩、钙质泥岩、白云岩、生物灰岩，具有蒸发岩的组合特征。因此，沙一段沉积时期，湖盆为受缓慢构造沉降和物源供给不足控制而形成的欠充填型。

东三段沉积时期，断层活动速率再次增强，凹陷构造沉降速率再次增大，为330 m/Ma[8]。气候由较干旱再次变为较湿润，物源供给充分。凹陷陡坡主要发育近源扇体，缓坡发育退积型三角洲，半深湖—深湖面积较大(见图4)。因此，东三段沉积时期，湖盆表现为受快速沉降控制而形成的平衡充填型。

3.2 湖盆开放/封闭类型

开放型湖盆，水体流动更替较快，在湖盆中停留时间较短；封闭型湖盆，水体更替慢，在湖盆中滞留时间较长[23]。因此，在合适的深度条件下，封闭型湖盆容易形成水体分层和水底缺氧环境；同时，蒸发/降雨条件的变化容易引起湖盆水位及盐度的变化。根据碳氧同位素分析，沙一段沉积时期，渤中凹陷为封闭型湖盆；东三段、沙三段沉积时期，渤中凹陷为半封闭—开放型湖盆。

碳氧同位素是分析湖盆水体开放/封闭性的重要方法[23-24]。开放型湖盆中原生碳酸盐岩δ18O和δ13C为负值，在坐标轴上的投点落入第三象限，二者含量彼此独立，不具有相关关系。封闭型湖盆中δ13C基本为正值，δ18O正负值均有，在坐标轴上的投点大多数落入第一、二象限，二者含量具有良好的线性关系，且相关因数越大，湖盆封闭程度越高。对渤中凹陷Q-2-1、B-1-3井进行碳氧同位素分析(见图5)，沙三段、沙一段、东三段的δ18O主要为负值，δ13C主要为正值，数据在坐标轴上的投点主要落入第二象限。同时，δ18O和δ13C具有一定的线性关系，其中，沙一段相关因数最大，为0.95；沙三段相关因数为0.62；东三段相关因数相对较小，为0.36。

1.1 一般资料 连续收集2017年3月至2018年3月在我院急诊科就诊的急性胸痛患者396例，入选标准为：（1）年龄≥18周岁的男性或非妊娠期女性；（2）急诊科就诊；（3）主诉为急性胸痛，包括压榨性、紧缩性、针刺样、刀割样、烧灼感等所有性质的疼痛。排除标准：先天性心脏病、带状疱疹、合并严重肝、肾、肺疾病、风湿性疾病、恶性肿瘤等患者。进行30 d随访观察，剔除失访的患者。

图5 渤中凹陷古近系烃源岩δ13C与δ18O关系Fig.5 The relationship between δ13C and δ18O of Palaeogene source rocks in Bozhong Sag

4 古水体性质

4.1 古盐度

优质烃源岩的形成环境存在不同程度的咸化[25]。咸化湖盆在重力作用下形成分层水体，表层水盐度低，适合广盐类藻类生存，形成高生产力；底层水盐度大，不与表层水交换，形成缺氧环境，适合有机质保存。根据藻类、微量元素分析，沙一段为半咸水环境，沙三段为微咸水环境，东三段为淡水环境。

首先，渤海湾盆地部分藻类具有特定的生态环境，可指示一定的水体环境。多刺甲藻、渤海藻、副渤海藻等多生存于半咸水—微咸水环境，盘星藻、葡萄藻等主要生存于淡水环境[26]。根据Q-3-1井孢粉统计(见图3)，沙一段藻类含量占孢粉总量的26%，其中，多刺甲藻、渤海藻、副渤海藻等占孢粉总量的17%，因此，沙一段以指示咸水环境的藻类为主。沙三段发育较多的多刺甲藻、渤海藻、副渤海藻，但咸化藻类总量相对于沙一段有所降低，平均占比为10%。东三段主要发育生存于淡水中的藻类，如盘星藻、光面球藻、粒面球藻等。因此，沙一段为半咸水环境，沙三段、东三段为淡水—微咸水环境。

根据微量元素m(B)/m(Ga)、m(Mg)/m(Ca)可以判断古盐度。硼质量与盐度呈正相关关系，而镓在淡水中明显富集，m(B)/m(Ga)随盐度升高而增大[9]。碱性地层中Mg2+、Ca2+易发生沉淀，且Mg2+的活动性比Ca2+的差得多，因此，高盐度地层中m(Mg)/m(Ca)表现为低值或极低值[27]。根据B-2-1、Q-2-1、B-1-3等井统计(见图6)，沙三段烃源岩m(B)/m(Ga)为2.18～3.14，平均为2.59，m(Mg)/m(Ca)为0.19～1.00，平均为0.40；沙一段烃源岩m(B)/m(Ga)为1.84～5.59，平均为3.06，m(Mg)/m(Ca)为0.12～0.46，平均为0.23；东三段烃源岩m(B)/m(Ga)为1.48～2.36，平均为1.98，m(Mg)/m(Ca)为0.24～1.67，平均为0.98。因此，沙一段具有较高的m(B)/m(Ga)、较低的m(Mg)/m(Ca)，其盐度高于沙三段的，沙三段盐度高于东三段的，与藻类指示的水体性质一致。

4.2 古水深

古水深对有机质的保存有明显控制作用，在一定的湖盆类型中，水深越大，越有利于水体底部形成稳定的还原环境及有机质的保存[28]。苏新等[29]、杜庆祥等[30]综合利用微体古生物、岩性、构造等资料，恢复渤海湾盆地东营凹陷、南堡凹陷古水深。参考古生物对水体划分方法，按照“多门类叠合深度”和“加权综合确定”对多口井进行古水深恢复(见表1)。

图6 渤中凹陷古近系烃源岩B、Ga质量比与Mg、 Ca质量比关系Fig.6 The relationship between m(B)/m(Ga) and m(Mg)/m(Ca) of Palaeogene source rocks in Bozhong Sag

表1 渤中凹陷古近系烃源岩发育段古水深

以B-4-1井沙一段为例，主要发育滨浅湖亚相。岩性为灰色泥岩夹薄层粉砂岩，粉砂岩厚度占比约为19.7%，GR曲线测井响应为宽幅指状。该段沟鞭藻类渤海藻属占比为43%、副渤海藻属占比为6%，沟鞭藻类指示水深为10.0～20.0 m，由于为滨浅湖，因此取两种藻类代表水深为10.0 m。该井还含占比为18.0%的盘星藻，盘星藻指示水深为0～5.0 m。由于该井沙一段泥岩颜色较深，为灰色泥岩，因此取盘星藻代表水深为5.0 m。根据3种藻类的数量、代表的水深进行加权平均，平均水深为8.7 m。

沙三段沉积时期，凹陷以半深湖—深湖、滨浅湖为主，滨浅湖水深为10.0～12.8 m，平均为11.4 m，半深湖—深湖水深为16.4～30.0 m，平均为21.5 m；沙一段沉积时期，凹陷以滨浅湖为主，水深为5.0～10.5 m，平均为7.9 m；东三段沉积时期，凹陷以半深湖—深湖为主，水深为17.3～20.0 m，平均为18.7 m。因此，沙三段、东三段沉积时期，凹陷水深较大；沙一段沉积时期，凹陷水深较小。

5 优质烃源岩形成机理

综合藻类相对数量、元素分析，研究区沙三段、沙一段、东三段优质烃源岩形成时期，湖盆具有较高古生产力和还原水体保存条件，但具有不同的烃源岩发育模式。

5.1 古生产力

古生产力是生物在能量循环过程中固定能量的速率，即单位面积、单位时间内产生的有机质的量[31]。古生产力是优质烃源岩形成的物质基础，根据微体古生物、微量元素、稳定同位素等分析，研究区沙三段和东三段由淡水藻类形成高古生产力，沙一段由咸水藻类形成高古生产力。

在适宜的条件下，古近系渤海湾盆地湖盆浮游藻类勃发，形成高古生产力，是烃源岩有机质的主要来源[4]。因此，可用藻类相对数量表征生产力大小，一般浮游藻类相对数量越高，代表湖盆的古生产力越强。综合研究区多口井数据，沙三段、沙一段和东三段优质烃源岩形成时期藻类相对数量较高，表明烃源岩沉积时期湖盆具有较强的古生产力。以Q-3-1井为例(见图3)，沙三段藻类占比为20.8%～23.4%，平均为21.8%；沙一段藻类占比为11.0%～33.0%，平均为26.1%；东三段藻类占比为1.9%～34.2%，平均为12.6%。不同沉积时期产生湖盆古生产力的藻类种类不同，沙一段沉积时期，以指示咸水环境的咸水藻类为主；沙三段和东三段沉积时期，以指示淡水—微咸水环境的淡水藻类为主。

微量元素m(P)/m(Al)、碳同位素也可以反映湖盆的古生产力，m(P)/m(Al)越大、碳同位素越高，生产力越强[9]。B-2-1井东三段—沙一段(4 612.0～4 858.0 m)、B-1-3井沙三段(3 422.0～3 625.0 m)是优质烃源岩发育段(见图7-8)。B-2-1井(4 612.0～4 858.0 m)m(P)/m(Al)为0.015～0.026，高于东三段上部非优质烃源岩段的，碳同位素随深度从浅到深呈增大趋势。B-1-3井(3 422.0～3 625 .0 m)m(P)/m(Al)为0.042～0.063，平均为0.052，高于沙三段下部非优质烃源岩发育段的，碳同位素随深度从浅到深呈减小趋势。因此，优质烃源岩发育段具有较高的m(P)/m(Al)和碳同位素，生产力较高，与藻类指示的结果一致。

图7 渤中凹陷B-2-1井古生产力和保存条件Fig.7 The paleoproductivity and preservation conditions of well B-2-1 in Bozhong Sag

图8 渤中凹陷B-1-3井古生产力和保存条件Fig.8 The paleoproductivity and preservation conditions of well B-1-3 in Bozhong Sag

通常，湖相优质烃源岩高生产力主要形成于温暖湿润的气候条件，水体以微咸水—淡水为主，如珠江口盆地文昌组、北部湾盆地流沙港组等[4]。渤中凹陷沙三段和东三段优质烃源岩属于类似的气候和水体性质控制下形成的高生产力。根据渤海湾盆地饶阳凹陷的研究成果，沙一段沉积时期，气候从干旱炎热向温暖潮湿转化，湖盆水体咸化，也具有较高的初始生产力[5]。咸化湖盆形成高生产力的主要原因是湖水形成盐度分层，表层水盐度较小，适合嗜盐性藻类生存，藻类种类较单一，但数量很大[32-33]。沙一段沉积时期，渤中凹陷气候相对干热，水体盐度大，以咸水藻类为主，与饶阳凹陷沙一段具有类似的生产力形成模式。

5.2 有机质保存条件

有机质形成后必须在缺氧的环境中才能保存下来。水体由盐度、温度差异形成盐跃层或温跃层，形成有利于有机质保存的缺氧环境[4]。根据微量元素、无机矿物、同位素分析，研究区古近系优质烃源岩发育段表现为良好的还原环境，沙一段以盐度分层为主，沙三段和东三段以温度分层为主。

水体的保存环境可以通过微量元素V/(V+Ni)、Th/U、自生黄铁矿等判断。当V/(V+Ni)大于0.60时，为厌氧环境，当V/(V+Ni)为0.45～0.60时，为贫氧环境，当V/(V+Ni)小于0.45时，为富氧环境[5]；Th/U越小，还原性越强[34]；自生黄体矿与成岩早期水介质性质密切相关，反映水体强还原环境[35]。B-2-1井优质烃源岩段V/(V+Ni)为0.62～0.73，平均为0.68；Th/U为2.35～3.20，平均为2.83，明显低于东三段上部非优质烃源岩段的；自生黄铁矿在优质烃源岩段多个深度发育，质量分数为1.0%～2.0%，平均为1.5%。B-1-3井优质烃源岩发育段V/(V+Ni)为0.67～0.72，平均为0.70；Th/U为2.93～4.35，平均为3.67，低于沙三段下部非优质烃源岩段的；自生黄铁矿在沙三段普遍发育，质量分数为1.0%～4.0%，平均为2.6%。因此，优质烃源岩发育段V/(V+Ni)大于0.6、Th/U相对较低、自生黄铁矿普遍发育，具有良好的还原环境。

伽马蜡烷是指示烃源岩沉积时水体高盐度分层的重要标志[10]，渤中凹陷沙一段烃源岩具有明显的伽马蜡烷高值，沙三段和东三段伽马蜡烷值较低[11-12]。沙一段优质烃源岩形成时期，凹陷平均水深为7.9 m，水深较小，难以由温度形成分层；沙三段和东三段优质烃源岩形成时期，凹陷平均水深为11.4～21.5 m，大水深有利于温度分层。因此，沙一段沉积时期，凹陷水体较浅，由高盐度形成盐度分层；沙三段和东三段沉积时期，凹陷水深较大，由温度形成分层水体。

5.3 烃源岩发育模式

综合古气候、湖盆类型、古水体性质、烃源岩生产力和保存条件的关系，渤中凹陷沙三段和东三段优质烃源岩发育于湿润气候下的淡水深湖模式(见图9(a))，沙一段优质烃源岩发育于干热气候下的咸化浅湖模式(见图9(b))。

图9 渤中凹陷优质烃源岩发育模式Fig.9 The development model of high quality source rocks of Bozhong Sag

沙三段和东三段沉积时期，气候为亚热带湿润、温带温凉，整体气候温暖湿润。受凹陷快速沉降与温暖湿润的气候控制，渤中凹陷为平衡充填的半封闭—开放型湖盆，水体深度大、盐度小。温暖湿润的气候加上供给充分的水体营养元素，适宜微咸水—淡水藻类繁盛生长，形成较高的水体生产力。同时，半深湖—深湖广泛发育，水体深度大，有利于由温度分层形成水体底部缺氧的还原环境。

沙一段沉积时期，气候为亚热带干热—湿润，整体气候干热。渤中凹陷为欠充填封闭型湖盆，在干热气候作用下，蒸发作用较强，形成盐度较高的水体。同时，凹陷沉降缓慢，物源供给不充分，形成的水体较浅。高盐度的水体适合咸化藻类生长，且具有较高生产力。另外，高盐度也有利于水体由盐度差形成盐跃层，发育稳定的强还原环境，有利于有机质保存。

6 结论

(1)渤中凹陷古近系优质烃源岩形成时期具有不同的气候和湖盆类型。从沙三段、沙一段到东三段，气候分别为温暖湿润、干热—温凉到温凉，表现为整体温暖湿润、局部干热的特征；受构造和沉积物供给控制，沙三段和东三段形成平衡充填半封闭—开放型湖盆，沙一段形成欠充填封闭型湖盆。

(2)渤中凹陷古近系优质烃源岩形成时期水体性质发生较大变化。沙三段和东三段优质烃源岩沉积时期,水深较大，平均水深为11.4～21.5 m，以淡水为主；沙一段优质烃源岩沉积时期，水深较小，平均水深为7.9 m，水体盐度大。

(3)沙三段和东三段优质烃源岩发育于湿润气候下的淡水深湖模式：湿润气候适合淡水藻类生长，水体深度大，形成温度分层，有利于有机质保存。沙一段优质烃源岩发育于干旱气候下的咸化浅湖模式：干热气候下的封闭型湖盆形成高盐度水体，有利于咸化藻类生长，虽然水体浅，但由高盐度形成盐跃层，也可形成有利于有机质保存的还原环境。