烃源岩是油气勘探的物质基础, 研究其形成环境对油气勘探与开发具有极其重要的意义。全球超过90%的可采油气储量产自6套地层的烃源岩, 其中白垩系以29%的比例居首(Klemme and Ulmishek, 1991), 研究白垩系烃源岩特征及形成环境对未来或潜在油气田的勘探与开发有着重要的指示意义。

前人围绕白垩系烃源岩形成背景, 包括古地理、古气候等开展了大量研究, 先后编制了全球尺度的烃源岩分布、类型、深度图及分布层位列表等(Clavert, 1987; Scotese, 1988, 1991; Bordenave, 1993; Golonka, et al., 1994; Wagner et al., 1994; Golonka and Ford, 2000; Chumakov and Zharkov, 2002; Van der Spuy, 2003; 张水昌和汪泽成, 2006; Finn, 2007; Golonka, 2007; Mann et al., 2007; Rudolph and Halbouty, 2008)。存在的主要问题包括:缺乏白垩纪古板块位置制约的烃源岩准确构造背景、烃源岩有机质类型与环境对应关系等, 白垩系古岩相(原型盆地类型)与烃源岩发育对应关系不明, 缺乏白垩纪古气候、古板块运动与烃源岩沉积环境的对应, 缺乏各沉积盆地地层柱状图的严格检验或支撑。

作者在古板块构造、盆地分析等理论框架下, 依据全球已发现的454个含油气盆地数据(来自IHS, 2009; AAPG, 2013数据库。前者为商业数据库, 后者为AAPG网页公开数据), 利用古板块再造、地理信息软件ArcGis及对所有白垩系烃源岩数据的统计和对比, 通过古地磁数据筛选恢复白垩纪古板块位置、烃源岩分布特征, 讨论烃源岩干酪根类型、形成环境及影响因素等。

早白垩世东冈瓦纳古陆大陆(包括大印度板块、马达加斯加板块、南极洲板块和澳大利亚板块)向南漂移, 与非洲板块分离(图 1), 印度— 马达加斯加板块顺时针旋转远离非洲(Scotese, 1991)。之后(约130 Ma), 印度板块、马达加斯加地块与南极洲板块分离, 并向北漂移。95 Ma印度板块从中南纬向北迅速漂移, 在澳大利亚和南极洲之间开始了缓慢的海底扩张。此时, 非洲、南美、澳大利亚、南极洲和印度— 马达加斯加为各自独立的大陆板块。白垩纪中期非洲板块发生旋转运动, 晚白垩世早期(90 Ma)发育狭窄的北大西洋和南大西洋。白垩纪末期(70 Ma)加勒比板块楔入北美与南美板块之间, 造成中大西洋张开跃迁到南美与非洲之间(Golonka, 2004)。

图1

Fig.1

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	图1 白垩纪全球古板块恢复图Fig.1 Global palaeoplate reconstruction of the Cretaceous

白垩纪泛大陆出现多个热点, 在南极大陆周围和南美南端出现热点, 南大西洋、印度洋等张裂, 并伴随热点(南美巴拉纳, 133~129 Ma; Rajmahal, 118 Ma; Morondava, 88 Ma; Somnath, 70 Ma), 导致大洋高原产生和洋壳扩张速率增加(Larson, 1991)。白垩纪期间热点活动强烈, 北大西洋张裂, 在格陵兰岛两侧出现东、西分支, 西支巴芬湾张开, 东支格陵兰海直到古近纪才完全张开。

通过白垩系烃源岩在白垩纪与现今板块上的对比可准确划分烃源岩形成的地理位置(图2), 有利于从形成环境(原型盆地)角度分类分析。

图2

Fig.2

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	图2 白垩系主要烃源岩白垩纪(a)与现今(b)分布Fig.2 Geographical distribution of the Cretaceous source rocks in the Cretaceous(a) and nowadays(b)

白垩系烃源岩在白垩纪主要沉积于进一步裂解的冈瓦纳北部及北美地区, 其次为欧洲、东亚地区(图2-a)。白垩系烃源岩现今主要分布于4大区域(图2-b):(1)阿拉伯地台; (2)南纬低纬度区域, 包括现今南美东部(东委内瑞拉、马拉开波及坎波斯、桑托斯)和非洲西部(尼日尔、加蓬、下刚果); (3)北纬低纬度区域, 包括现今南美北部和非洲西北部(锡尔特、苏伊士湾); (4)北美区域, 主要为现今墨西哥湾盆地及科迪勒拉山脉西侧的落基山盆地群, 如绿河盆地、怀俄明盆地等, 北部阿拉斯加北极斜坡等。其余烃源岩主要沉积于澳大利亚伊罗曼加盆地、奥特威盆地; 印度克里希那— 戈达瓦里盆地; 欧洲北海盆地、北喀尔巴阡盆地等; 亚洲西西伯利亚盆地北部、松辽盆地等。

白垩系烃源岩主要发育于下白垩统, 白垩纪中期为其主要沉积时段, 主要集中于阿普特阶— 土伦阶, 占白垩系烃源岩的52.63%, 其次为科尼亚克阶— 马特斯里赫特阶烃源岩, 占总量的21.23%(图3)。下白垩统烃源岩在现今许多大型油气田的白垩系油气系统中占有重要位置, 如阿拉伯地台、南大西洋两岸盆地、尼日尔三角洲、锡尔特、西西伯利亚盆地、克里希纳盆地, 欧洲西南部等。上白垩统烃源岩相对较少, 主要为现今阿尔伯塔盆地含煤层位和页岩。

图3

Fig.3

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	图3 白垩系各阶烃源岩分布及干酪根类型Fig.3 Stratigraphic distribution and kerogen types of the Cretaceous source rocks

受古板块运移和古气候条件影响, 白垩系烃源岩发育环境与现今所处盆地有较大差异, 恢复白垩纪沉积环境是研究烃源岩发育的基础, 利用白垩系重要烃源岩所在盆地地层柱状图, 将地理上相邻的白垩系作对比, 探讨烃源岩发育的地质背景与环境。

4.1 北非— 阿拉伯油气区

非洲板块白垩系烃源岩主要沉积于北部、东北部(图4), 从非洲北部佩拉杰盆地向东, 经锡尔特盆地、苏伊士湾到阿拉伯地台沿板块边界分布。佩拉杰盆地以碳酸盐沉积为主, 同一盆地西南出现间隔砂岩层, 东北为石灰岩夹泥岩, 说明其沉积环境为由陆向海的过渡带; 锡尔特盆地早白垩世处于前裂谷阶段(Abdulgader, 1991), 主要为泥岩、砂岩互层, 属于陆相河流、冲积扇沉积; 晚侏罗世苏伊士湾由陆相向海相过渡, 并逐渐发育为裂谷(Abu Khadrah et al., 1987), 以砂泥岩沉积过渡为灰岩沉积, 经历2次大海侵后进入长期海相灰岩沉积。现今阿拉伯板块北部、东部及东南部在白垩纪高海平面影响下处于海相环境, 其东南大片地区为浅海碳酸盐岩相(Jawad and Nasser, 1989; Alsharhan and Nairn, 1990), 如伊朗西南部、卡塔尔白垩系主要为浅海地台灰岩, 东部向陆内由深海向浅海过渡, 边缘狭长深海相碎屑沉积过渡为浅海碎屑岩相, 如伊拉克、科威特盆地白垩系出现海相砂岩, 再转变为靠近中部的三角洲相沉积, 如沙特阿拉伯以海相碎屑岩为主, 指示由陆向海沉积的沿海三角洲相。北部与东部沉积序列相似, 陆内与苏伊士湾相邻区域发育陆相冲积扇。

图4

Fig.4

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	图4 白垩纪全球岩相及烃源岩分布(岩相资料据Golonka 和 Ford, 2003; 烃源岩资料据AAPG, 2013)Fig.4 Global distribution of lithofacies and source rocks in the Cretaceous (lithofacies data from Golonka and Ford, 2003; source rock data from AAPG, 2013)

4.2 南大西洋油气区

南美与非洲于早白垩世开始裂解, 进入裂谷环境, 靠近裂解边界的坎波斯盆地、桑托斯盆地及下刚果盆地等早白垩世出现火成岩, 随后沉积河流相、冲积相泥岩、砂岩, 除坎波斯盆地发育碳酸盐岩外, 裂谷两侧盆地均为湖相、河流冲积相碎屑岩沉积, 白垩纪中期裂谷两岸盆地发育一套巨厚盐岩(Dias-Brito and Ferré , 2001; Contreras et al., 2010), 随着裂谷不断扩张, 海水由南部进入, 两岸盆地发生海侵, 白垩纪中期逐渐发育浅海相碳酸盐岩(Ali et al., 2012; Hartwig et al., 2012), 晚白垩世海平面不断升高, 南美、非洲继续裂解, 两岸盆地处于海侵环境, 发育深海相沉积, 如:坎波斯盆地、下刚果盆地及加蓬盆地上白垩统发育海底斜坡浊积岩体、海底扇(Bice et al., 1995; Van der Spuy, 2003; Pierre, 2005; Mbina and Guiraud, 2009)。南大西洋烃源岩主要沉积于裂谷两岸盆地下白垩统, 为前裂谷阶段河湖相、冲积相沉积。综合分析以上信息可知, 随着南大西洋的不断裂解, 其两岸盆地古沉积发育阶段为:从早白垩世陆相沉积到晚白垩世早期海陆混合沉积, 晚白垩世晚期南大西洋两岸稳定接受海相碎屑沉积, 并逐步进入深水盆地沉积发育阶段, 由于白垩纪中期盐岩的大量发育, 除尼日尔三角洲外, 各盆地都有较厚的盐岩沉积(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 南大西洋油气区地层对比图(据IHS, 2009数据库修改)Fig.5 Stratigraphic correlation diagram in South Atlantic petroleum region(modified from database of IHS, 2009)

4.3 中大西洋油气区

中大西洋为白垩系烃源岩的重要沉积位置, 随着中大西洋的不断扩张, 其两岸逐渐演化为被动大陆边缘, 以墨西哥湾、东委内瑞拉盆地及马拉开波盆地为代表, 主要发育白垩统中上部海相烃源岩, 以钙质泥灰岩、黏土质灰岩为主(Wagner et al., 1994)。

墨西哥湾盆地整个白垩纪都有盐岩发育, 早白垩世经历长期海侵, 后发育碳酸盐岩台地(William, 2008); 马拉开波盆地早白垩世与晚白垩世早期经历海侵— 海退旋回, 晚白垩世主要发育碳酸盐岩; 东委内瑞拉盆地黏土较发育, 其南部即有陆相黏土, 又有海相白云岩(Driscoll et al., 1995; Boardman et al., 1999), 为由陆到海的过渡带(图6)。该沉积演化说明, 中大西洋与白垩纪中后期的南大西洋沉积发育有相似处, 即主要为海相沉积, 以碳酸盐岩为主, 海相碎屑岩为次, 贯穿整个白垩纪的盐岩发育证明, 中大西洋在白垩纪始终处于高温地区, 并在干旱带范围内。

图6

Fig.6

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	图6 中大西洋油气区地层对比图(据IHS, 2009数据库修改; 图例见图5)Fig.6 Stratigraphic correlation diagram in Mid-Atlantic petroleum region (modified from database of IHS, 2009; legends are as Fig.5)

烃源岩发育环境对物源类型有重要控制作用。早白垩世, 烃源岩干酪根以Ⅰ 型为主, 到白垩纪中期, 烃源岩干酪根过渡为以Ⅱ 型为主, Ⅰ 型较少, 晚白垩世, Ⅲ 型干酪根烃源岩迅速增多(图 3)。

南美与非洲板块于白垩纪完全裂开, 其间烃源岩主要分布于两大板块北部、中部裂解带及东部阿拉伯地台, 南美北部主要沉积以Ⅱ 型干酪根为主的烃源岩, 裂解带北部以Ⅲ 型、Ⅱ /Ⅲ 型为主, 阿拉伯地台烃源岩类型较丰富, 说明其沉积物源来自不同方位并沉积于不同环境, 以上反映这些区域烃源岩在沉积时期主要处于海相环境, 结合当时板块位置可推测中大西洋两岸已进入被动陆缘盆地发育阶段; 南部坎波斯盆地、桑托斯盆地、加蓬盆地及下刚果盆地以Ⅰ /Ⅱ 型为主, 烃源岩类型反映其主要沉积于陆相环境, 如河流、半深湖— 深湖等, 区别于阿拉伯地台及中大西洋两岸, 南大西洋张裂初期, 即裂谷阶段为烃源岩沉积的主要时期, 北美北部(阿拉斯加)、中部烃源岩干酪根主要为Ⅲ 型和Ⅱ /Ⅲ 型的混合(Stoneley, 1987), 南部波斯湾则为Ⅱ 型与Ⅱ /Ⅲ 型混合, 说明北部、中部为相似物源, 而区别于波斯湾(图 7-a), 由此可知北美地区北部、中部主要为陆表海环境下的非典型被动陆缘环境, 而墨西哥湾为典型被动陆缘与三角洲的过渡带。

图7

Fig.7

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	图7 白垩纪全球主要烃源岩干酪根类型(a)及沉积环境(b)分布(干酪根资料据AAPG, 2013)Fig.7 Global distribution of kerogen types(a)and sedimentary environment types(b) in the Cretaceous (kerogen data from AAPG, 2013)

欧洲烃源岩干酪根以Ⅱ /Ⅲ 型为主, 东侧已拼贴至亚洲的基莫里陆块群上有部分Ⅱ 型干酪根烃源岩, 显示其主要为海相环境; 西西伯利亚主要为Ⅲ 型, 指示其物源应来自陆地; 印度、澳洲主要为Ⅰ /Ⅱ 型、Ⅱ /Ⅲ 型, 可推测印度板块边缘为裂谷或浅海相沉积, 澳洲板块内烃源岩为湖泊相或三角洲相沉积; 亚洲主要为陆内Ⅰ 型或Ⅰ /Ⅱ 型, 表明其发育在典型的陆内碎屑沉积环境(图7-b)。

白垩纪中期, 超大陆裂解伴随大量火山活动, 大量CO₂导致全球变暖, 将温暖气候带扩大到高纬度地区(Huber et al., 1995), 高温及大洋高原的形成使全球海平面上升(增高幅度可超过现在海平面的200 m), 大片陆地被海水淹没, 快速广泛沉积富黏土沉积物(Pedersen and Calvert, 1990)。白垩纪全球海洋是一个高温水体, 其浮游植物丰度、平均水温、海平面高度等都为显生宙之最(Forster et al., 2007)(图8)。因炎热气候和强烈蒸发作用, 赤道及低纬区出现大面积干旱区域(图 9), 导致海水表层盐度增大, 近陆地多形成与潟湖相似的环境。白垩纪中期, 南纬高纬度地区及温带北大西洋深水温度都在20 ℃以上, 塞诺曼期— 土仑期之交, 海水表层气温可达30~33 ℃(李祥辉等, 2004; 王成善, 2006), 高海平面及热盐循环变化导致洋面氧浓度增加和低氧带的扩大(李祥辉等, 2004)。高温、干旱的气候使陆表浅海区盐度较高, 其还原环境有利于烃源岩的保存, 而陆架及陆坡处因上下层密度差导致海水对流, 有利于烃源岩母质发育。海底低氧带缺氧环境是腐殖质保存的关键, 海底处于强还原(含H₂S)环境中, 其有助于黑色页岩或泥岩及有关沉积物的形成(Jenkyns, 1980; 黄勇建等, 2005; 陈践发等, 2006; 李天义等, 2008; 秦建中等, 2009)。白垩纪古海洋分别在阿普特期— 阿尔必期、塞诺曼期— 土仑期、科尼亚克期— 桑顿期期间发生多次大洋缺氧事件(黄勇建, 2008), 有的缺氧事件达到全球规模, 随着海水进退烃源岩母质发育区与保存区不断转移叠加, 从而形成巨厚烃源岩。

图8

Fig.8

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	图8 地质历史上各要素曲线综合表(据Takashima et al., 2006, 修改)Fig.8 Composite table of several factors in geological times (modified from Takashima et al., 2006)

图9

Fig.9

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	图9 白垩纪古地理— 气候— 洋流叠合图(洋流地质时代范围:晚侏罗世— 晚白垩世; 气候带年代范围:145~120 Ma; 据Scotese, 2002)Fig.9 Congruent map of paleogeograghy-climate-ocean current in the Cretaceous (ocean currents:the Late Jurasic-Late Cretaceous; climate zones:145~120 Ma; from Scotese, 2002)

1)现今许多大型油气田烃源岩多形成于早白垩世及晚白垩世早期, 主要集中于阿普特阶— 土伦阶, 占白垩系烃源岩的52.63%, 其次为科尼亚克阶— 马特斯里赫特阶烃源岩, 占总量的21.23%, 烃源岩的高产期对应阿普特期— 阿尔必期、塞诺曼期— 土仑期、科尼亚克期— 桑顿期的多次大洋缺氧事件。

2)古板块位置决定烃源岩的沉积环境, 控制着盆地所在纬度和发育阶段。白垩纪主要发育海相烃源岩, 除北美板块西部外, 陆内烃源岩多为河湖相、三角洲相沉积, 白垩系烃源岩的沉积构造单元并非典型被动大陆边缘, 不具备滨海相至深海相的演化序列, 浅海区烃源岩主要发育于被海水淹没的陆地, 如陆内凹陷、陆内地台等, 其物源来源广泛, 干酪根类型较多。

3)白垩系烃源岩主要发育于2种环境:(1)陆表海环境(非典型被动陆缘), 包括滨海相、潟湖、浅海相、内陆棚、大陆斜坡、水下陆内凹陷及地台和河流— 浅海过渡环境等; (2)裂谷环境, 包括河流相、冲积相、半湖— 深湖相和三角洲等。

4)受古洋流、古气候影响, 白垩系全球烃源岩以泥岩、页岩为主, 而赤道与北纬30° 之间的热带暖流域促使大量碳酸盐岩发育, 导致当时的阿拉伯、墨西哥湾等盆地沉积大量以钙质泥灰岩、黏土质白云岩为主的烃源岩。

致谢 感谢中国海洋石油总公司杨甲明先生、杜栩先生的帮助, 亦感谢审稿人对本文提出的建设性意见和建议!