2017, Vol. 39
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2. 中国石油天然气股份有限公司对外合作经理部, 北京 东城 100007;
3. 中国石油勘探开发研究院, 北京 海淀 100083
2. PetroChina Foreign Cooperation Administration Department, Dongcheng, Beijing 100007, China;
3. Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Haidian, Beijing 100083, China
烃源岩的有效性及其对大油气田的贡献越来越受到勘探界的重视[1]，特别是在海外油气勘探工作中，烃源岩的评价与预测是首要任务。烃源岩的发育受多种因素制约，而沉积环境是控制烃源岩有机质丰度、质量及分布特征的最重要因素[2-4]。与陆相盆地相比，海相含油气盆地沉积类型多变，烃源岩生源复杂，主要包括河流注入所带来的大量陆源有机质，洋流上涌引起的缺氧层、局限海、海湾、瀉湖等海洋自生有机质[3]，以及三角洲平原—滨海平原沼泽的陆相高等植物[2-5]，导致盆内形成多种类型烃源岩，进一步影响了油气成藏及其分布特征。北卡那封盆地作为澳大利亚的第一大含油气盆地，到2009年底已发现油/气田194个(油田121个，气田73个)，发现石油储量4 016 MMbbl(1 bbl=158.98 L)，天然气储量117 tcf(1 tcf=283.17×108 m3)，天然气储量占油气总储量的81%[6]。作为典型的被动大陆边缘盆地，北卡那封盆地中生代以河流—三角洲—海洋沉积为主，发育了多套不同类型烃源岩。
本文以北卡那封盆地为例，根据盆地内400余口钻井及分析化验资料，在深入了解盆地构造演化、地层充填等区域地质特征基础之上，首次开展了盆地中生代沉积相演化规律研究，并进一步探讨了不同沉积环境下烃源岩有机质丰度、类型及生烃潜力等特征的差异，为北卡那封盆地油气勘探提供了依据。
1 研究区地质概况北卡那封盆地位于澳大利亚西北大陆架的最南端，西澳大利亚海岸的中央地带，沿着西澳洲的西部和西北部海岸延伸1 000多千米(图 1)，盆地呈现为一个狭长的弧型盆地，是一个晚古生代—新生代持续沉降形成的巨型含油气盆地[6-7]，盆地面积33.20×104 km2，其中陆上面积2.42×104 km2。该盆地南起西北海角，北到阿尔戈深海平原，东北与柔布克盆地相邻，西邻盖斯克吟深海平原[6-7]。
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| 图1 北卡那封盆地构造分区图 Fig. 1 North Carnarvon Basin Tectonic zoning map |
北卡那封盆地是典型的被动大陆边缘盆地，在古生代—中生代冈瓦纳大陆破裂基础上形成地[8-9]，受早侏罗世的裂谷活动以及中侏罗世晚卡洛期和早白垩世早凡兰吟期发生的两次解体活动影响[6-7]，大致经历4个构造演化阶段，裂前拗陷阶段、裂谷阶段、大陆解体阶段和被动大陆边缘发育阶段，与之对应，发育了4套性质不同的沉积序列(图 2)。盆地内部基本构造样式受北东东向、北西西向两组断裂控制。在区域沉积作用和断裂活动差异的影响下，形成了多个次盆、隆拗相间的构造格局[7]，可进一步划分为10个构造单元：Exmouth高地、Investigator次盆、Rankin台地、Exmouth次盆、Barrow次盆、Dampier次盆、Beagle次盆、Enderby阶地、Peedamullah陆架和Lambert陆架(图 1)[9-10]。
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| 图2 北卡那封盆地地层柱状图 Fig. 2 North Carnarvon Basin stratigraphic column map |
北卡那封盆地内充填的中生界超覆于前寒武系古老克拉通基底之上，盆地发育了厚达17 000 m的沉积地层[7]，沉积演化过程中主要发育以下几种沉积相类型。
2.1.1 河流相河流相主要发育在晚三叠世和早—中侏罗世盆地东南部和东部地区，以砂质辫状河和曲流河为主。岩性为紫红色、灰绿色含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、碳质泥岩和少量煤(图 3a)。砂砾岩中充填物成分多样，常见泥质基质，分选较差，孔隙度较低，岩层中陆源植物碎片和孢子花粉占绝对优势，含量变化大。砂砾岩层发育大型交错层理，底部冲刷面明显(图 3a)，粉砂岩和泥岩层主要发育小型波状层理和水平层理。
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| 图3 沉积相剖面图及岩芯照片 Fig. 3 The sedimentary facies profile map and the core photos |
三角洲相在中生代各时期皆有发育。岩性为灰白色中细砂岩、泥岩与少量粉砂岩互层，局部地区夹有煤层和碳质泥岩(图 3b)。岩层中发育非常丰富的沉积构造，包括平行层理、板状交错层理、槽状交错层理和波状交错层理等(图 3b)，同时发育生物扰动构造与生物潜穴。北卡那封盆地中生代主要发育了Mungaroo三角洲(中—晚三叠世)、Legendre三角洲(晚三叠世—中侏罗世)和Barrow三角洲(早白垩世)3期三角洲沉积。其中以Mungaroo三角洲规模最大，沉积厚度达6 000 m，三角洲平原发育的煤层和碳质泥岩是盆地主力烃源岩。
2.1.3 潮坪相潮坪相在盆地内分布有限。主要为细砂岩、粉砂岩与泥岩互层(图 3c)，砂岩成分成熟度及结构成熟度总体较高。岩层发育脉状、波状、透镜状层理及潮流撕裂泥砾等，生物扰动、潜穴广泛发育(图 3c)，局部层位潮道砂体发育双向低角度交错层理，表现为典型的潮坪相特征。
2.1.4 海底扇相海底扇相主要分布在Exmouth高地，与早白垩世发育的Barrow三角洲有关，沉积规模较大。岩性为细砂岩、粉砂岩与泥岩薄层互层(图 3d)，粒度粗细混杂，成分和结构成熟度较低，黏土杂基含量较高。岩层重力流沉积构造特征明显，主要发育块状层理、递变层理、平行层理、变形层理及泥岩撕裂屑等(图 3d)，常见的层面构造有冲刷充填、重荷构造等。
2.1.5 开阔海相开阔海相是盆地广泛发育的一种沉积相类型，整个中生代皆发育。岩性为细砂岩、粉砂岩与泥岩互层，砂岩成分及结构成熟度较高，多为硅质胶结的的石英砂岩，镜下薄片可见大量的海绿石颗粒。受河流—三角洲的影响，岩层中含有大量的陆源植物碎片、孢子和花粉等，同时含有一定数量(＜40%)与种属(20个种属以下)的沟鞭藻，浮游生物和孢粉比值普遍较低。
2.1.6 局限海相局限海相主要发育在侏罗纪Dampier-Barrow次盆，形成于盆地裂谷阶段断陷扩张期和大陆裂解阶段深断期，隆拗相间的地形限制了盆内水体流动，是盆地倾油型烃源岩的重要发育场所。岩性主要为页岩、泥岩，夹有薄层粉砂岩，沉积构造主要为水平层理，局部区域发育有滑塌构造。钻井古生物资料揭示，局限海沟鞭藻含量高且种属丰富(20个种属以上)，其含量比陆源孢子、花粉等略高。
2.2 沉积演化规律盆地沉积演化过程中受构造活动的影响，发育了一套完整的被动大陆边缘沉积充填演化序列，体现了多幕裂陷特点[10]。
2.2.1 三叠纪沉积演化特征三叠纪，区内构造环境比较稳定，与缅甸、西藏、印度、澳大利亚及南极洲等板块连为一体，发育一巨型拗陷[8-9]。二叠纪末期岩石圈热流值降低，热衰减导致北卡那封盆地三叠纪稳定沉降，提供了充足的可容纳空间，三叠系遍及整个盆地。中三叠世晚期海平面开始下降，盆地南部边缘克拉通地块隆升侵蚀[11]，受环特提斯洋巨型季风的影响，晚三叠纪冬季季风盛行时，气候相对干旱，物源区的风化剥蚀速度增大，夏季季风时，降雨量增多，河流的运输能力增强，分选杂乱的粗碎屑沉积物通过河流被运输到盆地沉积下来。同时，构造沉降加剧导致了盆内可容纳空间的持续增长，这为大型三角洲的发育提供了基础，在盆内发育一套厚为4 000~6 000 m的三角洲沉积体。受温暖潮湿气候的影响，盆地季节性降雨量剧增，促进了多类型植物群落的繁盛[11-14]。在上述沉积背景下，发育了当时世界上规模屈指可数的大型复合三角洲(图 4a)，分别为来自于盆地南部陆地、发育于中西部的Mungaroo三角洲，和来自于柔布克盆地、发育在与北卡那封盆地结合部的Legendre三角洲。晚三叠世盆地内多以三角洲平原沉积为主(图 4a)，仅在东南部发育河流相沉积，平原沼泽环境成为煤系主要的发育区域。晚三叠世末期，盆地边界断层发生了走滑活动，海水从西北大陆架北部退去，盆地开始进入裂谷阶段。
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| 图4 北卡那封盆地中生代沉积相平面图 Fig. 4 North Carnarvon Basin sedimentary facies map in Mesozoic |
早侏罗世，盆地进入裂谷阶段初始断陷期，盆地受伸展和重力滑动构造的影响，Rankin台地开始隆升，Beagle-Dampier-Barrow-Exmouth次盆逐渐拉开，隆拗相间的格局初步形成[10]，双向物源特征明显。早侏罗世一改前期古地貌格局，Beagle次盆成为早侏罗世盆地的沉积中心，而Dampier-Barrow-Exmouth次盆受板块拉张幅度的影响，沉积规模有限，由东到西，4个次盆地层厚度呈现逐渐减薄的趋势。受其影响，Rankin台地南北隆升速度有明显差异，造成南侧比北侧沉积地层厚，因此Dampier次盆、Barrow次盆水体循环受限，而Exmouth次盆与外海沟通良好(图 4b)。Rankin台地隆起，同时提供物源，在隆起带的斜坡或断坡发育水下水道、小型三角洲或滩坝砂等碎屑沉积。早侏罗世，Mungaroo三角洲基本消亡，仅保留沿岸零星分布的小型三角洲(图 4b)；而Legendre三角洲仍持续发育，Beagle次盆中沉积了大量的陆源碎屑物，形成了该时期最大规模的三角洲沉积体[15]。
2.2.3 中侏罗世沉积演化特征中侏罗世盆地沉积格局与前期相似，Rankin台地进一步抬升，形成了一个重要的地垒构造带，隆拗格局更加明显，盆地进入断陷扩张期，并伴随有大规模火山活动，火山沿深大断裂喷发。盆地沉积中心仍在Beagle次盆，以Lengendre三角洲沉积为主，河流通过柔布克盆地后，沿着Beagle-Dampier次盆长轴方向的凹槽入海形成三角洲[15]。由于中侏罗世盆地裂陷作用加强，水体上升，Dampier-Barrow-Exmouth次盆两侧的小型三角洲进一步萎缩，对次盆内沉积物充填特征影响不大。受Rankin台地隆起的影响，Dampier-Barrow次盆内开始发育局限海沉积，Exmouth次盆仍以开阔海沉积为主(图 4c)。中侏罗世末期，地层经历构造抬升，顶部发育不整合面，地层形态、构造格局和物源均发生了相应变化，造成了晚侏罗世盆地沉积特征的改变。
2.2.4 晚侏罗世沉积演化特征晚侏罗世，盆地处于大陆解体阶段强烈断陷期，控洼断裂强烈活动[16, 17]，较前期陆地面积有所增加，主要体现在Rankin台地进一步隆升，沉积中心从东北向西南迁移。Beagle次盆沉积地层减薄，而Dampier-Barrow次盆进一步拉张，沉积地层增厚，Barrow次盆为该时期的沉积沉降中心。晚侏罗世的沉积格局与前期基本相似(图 4d)，以开阔海、局限海沉积为主，而Beagle次盆沉积面貌明显改变，Legendre三角洲基本消亡，仅保留次盆两侧零星分布的小型三角洲(图 4d)。Dampier-Barrow次盆缺乏外来径流的封闭水体环境有利于海相浮游藻类的繁盛和有机质的保存，因此在该区域沉积了一套倾油型烃源岩。
2.2.5 早白垩世沉积演化特征早白垩世，盆地进入大陆解体阶段断陷萎缩期，边界断裂活动减弱，一改前期隆拗相间的构造格局(图 4e)。早白垩世海平面上升，盆地内以海相沉积为主，下白垩统超覆在各隆起之上。盆地西南部发育了Barrow三角洲，在三角洲前端深海—半深海区域发育海底扇(图 4e)。
2.2.6 晚白垩世沉积演化特征大陆解体后，北卡那封盆地进入被动大陆边缘演化阶段。盆内发生海侵，沉积了一套覆盖全区的Murdrong组页岩，是盆地的区域性盖层。晚白垩世，由于陆源碎屑物供给不足，三角洲萎缩，规模渐小，盆内以开阔海、深海—半深海沉积为主(图 4f)。
3 沉积环境对烃源岩发育的控制北卡那封盆地中生代经历了裂前拗陷、裂谷、大陆解体和被动大陆边缘4个构造演化阶段，发育多种沉积相类型。受气候变化、构造活动、古地理环境转变等的共同影响，造成盆地中生界各层系有机质相对含量的变化和类型的差异，进而控制了各层系烃源岩有机质丰度、类型、生烃潜力及其空间展布特征等。北卡那封盆地中生代共发育5套烃源岩，分别为：上三叠统Mungaroo组、下—中侏罗统Legendre组、上侏罗统Dingo组、下白垩统Forestier组和Muderong组(图 5)。结合前期研究成果，对盆地5套烃源岩的9 914个样品地球化学参数进行了综合对比分析，认为盆地油气主要来自于Mungaroo组煤系倾气型烃源岩和Dingo组富泥倾油型烃源岩。其他层系烃源岩虽然局部层位有机质丰度较高，但规模有限，或者未进入成熟阶段，对盆地油气贡献意义不大。因此下文针对Mungaroo组煤系倾气型烃源岩和Dingo组富泥倾油型烃源岩有机质特征，及沉积环境对烃源岩的影响分别进行讨论。
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| 图5 北卡那封盆地中生代烃源岩特征表 Fig. 5 North Carnarvon Basin source rocks characteristics table in Mesozoic |
北卡那封盆地倾气型烃源岩多与陆生高等植物生长和河流携带的陆源物质输入有关，有机质主要来源于陆源的蕨类和种子蕨类[11]，主要发育在上三叠统Mungaroo期Mungaroo下三角洲平原沼泽环境。该套烃源岩有机质主要表现为煤和分散有机质两种形式，岩性一般为煤、碳质泥岩和暗色泥岩，平均有机碳含量为2.7%，暗色泥岩中有机碳含量可达26.8% (煤无样品分析)。干酪根类型Ⅲ~Ⅱ2型，HI大多数位于100~350 mg/g。烃源岩C27—C28—C29规则甾烷分布呈反“L型”，属于高等植物生源。干酪根显微组分以镜质组为主[18]，一般为40%~60%，惰质组次之，一般为30%~50%，壳质组含量较低，一般为20%~30%，腐泥组不发育，进一步说明有机质主要来自于陆源高等植物，且显微组分中镜质组、惰质组和壳质组的含量占优势，该层段具有很强的生气能力。Mungaroo组烃源岩生烃潜力较高，S1+S2主要集中在1~15 mg/g，有的甚至可达96 mg/g，累积生烃强度190.92×105 t/km2，有效供烃效率27.3×105 t/km2。且Mungaroo组埋深较深，基本都进入成熟—高熟阶段，甚至过熟阶段，成为盆地的主力倾气型烃源岩。
3.1.2 沉积环境对烃源岩有机质发育的影响晚三叠世，Mungaroo组发育于盆地裂前拗陷阶段，受盆地构造沉降的影响，可容空间加大，海平面缓慢下降，古地貌以宽缓的海岸为主，并处于中高纬度潮湿气候带[12, 14]。古植被繁盛，逐渐由草本沼泽发展成森林沼泽。该时期发育的大型三角洲以物源供给稳定、碎屑物输入量大、径流分布范围局限为特色[11, 19]，同时，三角洲平原河道间或分流间湾的低洼处发育泥炭沼泽，成为北卡那封盆地煤系烃源岩重要的发育场所。并且早—中三叠世海侵事件为植物生长提供了所需的含水层和平坦地形，另长期处于弱还原覆水环境，有利于泥炭的进一步成煤。受季节性降雨量变化以及盆地持续性构造沉降的影响，导致煤层发育具有平面上分布面积广，垂向上厚度大、连续性差和呈多层叠加的特征[11, 19-20]，因此Mungaroo组烃源岩在沉积规模上远超其他层系。
3.2 局限海环境倾油型烃源岩 3.2.1 烃源岩有机质特征北卡那封盆地倾油型烃源岩多为与海洋自生生物相关的富有机质泥岩、页岩和泥灰岩，主要形成于晚侏罗纪Dingo期局限海沉积环境。该类型烃源岩的分布主要受构造格局演化的影响，盆内TOC大于1.0%的区域主要集中在水体受限的次盆中心地带。其中Dampier-Barrow次盆存在两个高值区，为2.0%~3.0%。作为盆地唯一具有生烃潜力的倾油型烃源岩，Dingo组烃源岩干酪根类型Ⅱ2~Ⅲ型，在次盆中心地带可以达到Ⅱ1型，HI大多数位于150~450 mg/g，Dingo组原油/凝析油C27-C28-C29规则甾烷分布呈“V型”[21]，甾烷αααC27略高于αααC29或二者持平，生源类型为水生藻类生源和高等植物生源。高等植物生源的出现，可能由于次盆两侧小型水系的注入并携带了一定量的陆源有机质。Dingo组干酪根显微组分中腐泥组含量相对较高，一般为10%~30%，壳质组含量为20%~50%，镜质组和惰质组含量基本都在10%~25%，明显不同于三角洲环境下发育的烃源岩。这种混源型烃源岩生烃潜力中等，并且规模较小，仅发育在凹陷中心，S1+S2主要集中在1~13 mg/g，最高32 mg/g，累积生烃强度92.66×105 t/km2，有效供烃效率90.5×104 t/km2。虽然生烃潜力明显低于Mungaroo组，但盆地绝大部分的油样都来自于该层，油样C27-C28-C29常规甾烷分布与Dingo组泥岩最为接近，为盆地的主力倾油型烃源岩。白垩系Muderong组泥岩也属于这种类型烃源岩，相对而言，外来水系对其影响更小，以水生藻类生源为主。但由于Muderong组烃源岩成熟度过低，其生油贡献有限。
3.2.2 沉积环境对烃源岩有机质发育的影响晚侏罗世Dingo期，北卡那封盆地进入大陆解体强烈断陷期，控洼断裂强烈活动，整个盆地仍处于裂陷主体阶段，盆地中心水体较深、流动受限，古气候转变为干旱的亚热带气候[12]。除凹陷轴向上的三角洲物源外，局限海陡坡带发育阵发性水流，但晚侏罗世持续强烈裂陷产生了足够大且稳定的可容纳空间，即使在局部地区有扇三角洲等粗碎屑输入，对海盆水体底部的还原水体条件产生短暂的影响，在裂陷槽沉积沉降中心多为局限海封闭—半封闭的还原性水介质环境。在这种隆拗相间的古地貌格局、相对封闭的水体环境、外来径流作用弱的沉积环境有利于海相浮游藻类的繁盛。并且其内部的还原性水介质环境，导致底栖生物的净化和扰动等活动缺乏，沉积物中氧化剂的扩散有限，生物改造缓慢且较弱，有利于优质烃源岩的保存[3]。
4 结论(1) 北卡那封盆地属于典型的被动大陆边缘盆地，中生代主要经历了4个构造演化阶段：裂前拗陷阶段、裂谷阶段、大陆解体阶段和被动大陆边缘阶段，在不同构造演化阶段盆地沉积相类型及规模有明显差异。研究区主要发育河流、三角洲、海底扇、潮坪、开阔海、局限海和深海—半深海等沉积类型。
(2) 三叠纪，北卡那封盆地处于断前拗陷阶段，早—中三叠世以海相沉积为主，晚三叠世发育了Mungaroo和Legendre大型三角洲，形成了区域性分布的倾气型烃源岩。早—中侏罗世，盆地处于裂谷阶段断陷初始—扩张期，呈现隆拗相间的古地貌格局，以浅海沉积为主，在Beagle次盆，Legendre三角洲持续发育。晚侏罗世，盆地处于大陆解体阶段深断期，海槽进一步拉张，以局限海、开阔海沉积为主，次盆中心沉积了一套规模有限的倾油型烃源岩。早白垩世，盆地处于大陆解体阶段断陷萎缩期，一改前期的古地貌格局，以开阔海和半深海—深海沉积为主，在盆地西南部发育有Barrow三角洲和海底扇。晚白垩世，盆地处于被动大陆边缘阶段，以开阔海和半深海—深海沉积为主，三角洲规模萎缩，仅在南部边缘发育。
(3) 澳大利亚西北陆架中生代优质烃源岩主要发育在2种古地理环境：多雨潮湿、植被繁盛、土壤含水量较高的大型三角洲平原沼泽环境，发育富含陆相高等植物有机质的Mungaroo组倾气型煤系烃源岩；隆拗相间的地貌格局、封闭的水体环境、缺乏外来大型河流输入的局限海环境，海相藻类和陆相高等植物有机质皆发育的Dingo组倾油型烃源岩。其中Mungaroo组倾气型煤系烃源岩，以其分布范围广、厚度大、生烃潜力较好的特点，是盆地主要的供烃层系。
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