0 引言
晚古生代石炭纪—二叠纪是地质历史时期最重要的成煤期之一。我国华北克拉通沉积期以广泛发育海陆过渡环境下的煤系地层为主，该煤系地层是已被实际勘探所证实的重要烃源岩层系。其中，西部的鄂尔多斯地区已发现了包含苏里格、乌审旗等在内的多个以上古生界煤系地层为源岩的千亿方大气田，探明储量可达万亿方规模［1-3］；东部的渤海湾地区，在黄骅坳陷、东濮凹陷等也相继探明了以上古生界烃源岩为母源的原生油气藏［4-5］，表明渤海湾盆地陆域上古生界具备良好的生烃能力和广阔的天然气勘探潜力。与陆域相比，渤海海域前新生界油气勘探程度较低，中生代以来，其长期处于华北克拉通破坏的中心区域［6］，经历了多期次构造叠加、隆升剥蚀和沉降深埋，演化过程复杂［7-8］。已有的研究表明，渤海海域在晚古生代与陆域具有类似构造环境与沉积格局［9-10］，上古生界是否存在和具备类似于陆域或华北西部地区的物质基础和生烃潜力，值得进一步探索。但至今，对该区上古生界研究总体薄弱，石炭纪—二叠纪地层的展布及构造格架等认识不清，在一定程度上制约了该区深层油气勘探的步伐。渤海海域上古生界残存特征，无论对科学研究、潜山油气勘探，还是对石炭系—二叠系本身资源潜力评价均具有重要意义。近年来，随着海域高精度三维地震的连片重建、相关钻井的部署勘探及潜山构造的研究，已积累了一定的资料，为本文研究奠定了基础。
本研究以渤海西南部上古生界石炭系—二叠系为主要研究对象，通过三维地震及相关钻井资料，井震结合，厘定了渤海西南部石炭系—二叠系残存特征；同时，基于区域构造演化和沉积特点，进一步分析其生烃物质基础，以期为渤海西南部深层油气勘探提供一定的依据。
1 研究区地质概况
区域上，渤海湾盆地位于华北克拉通东部，为华北克拉通东部地块的重要组成部分，具有统一的太古宙—中元古代结晶基底［11］。前人研究表明，华北克拉通从17亿年到2亿年左右为克拉通盆地演化阶段［12-13］，具有稳定的沉积—构造格局。在早古生代和晚古生代期间，整个华北克拉通盆地在相对稳定的大地构造背景之下，先后沉积了海相碳酸盐岩地层和海陆交互相煤系地层［14-15］，渤海湾盆地在该时期的沉积—构造演化特征具有明显的区域相似性［16］。中生代以来，随着我国南北大陆聚合拼接、东部太平洋板块的俯冲与交接转换，以及华北克拉通的破坏［17-18］，渤海湾盆地构造活动强烈［19］。目前，普遍认为渤海湾地区构造变形始于印支晚期［20-22］，先后经历了晚三叠世—早侏罗世近南北向的挤压逆冲与抬升剥蚀、晚侏罗世—早白垩世伸展裂陷及晚白垩世挤压隆升等多期次不同性质的叠加改造［23-24］；新生代以来渤海湾盆地整体表现出伸展背景，以断陷为主，广泛发育伸展和走滑构造，使渤海湾盆地发生叠合深埋，构造格局进一步复杂化［25-26］。
渤海西南部位于渤海湾盆地渤中坳陷西部，西接黄骅坳陷，南隔埕子口凸起与济阳坳陷相邻，处于渤海湾盆地的中部区域（图1）。区内断裂体系复杂，主要断裂呈北西西—南东东向、北东—南西向及近南北向展布，且相互切割交织。研究区由南向北依次发育埕子口凸起、埕北凹陷、埕北低凸起、沙南凹陷及沙垒田凸起等一系列二级构造单元，表现出“三凸两凹”相间分布，呈现近北西西向的展布格局（图1）。前人通过对渤海西南部潜山相关研究表明，渤海西南部前新生代地层发育相对较为完整，且具有不同岩性岩相沉积组合［27-28］。其中，太古界以深变质岩为主，下古生界寒武系—奥陶系主体是一套海相碳酸盐岩的沉积建造，上古生界石炭系—二叠系主要发育海陆过渡相的煤系地层。中生界岩性、岩相多变，发育冲积扇、河湖相碎屑岩和火山岩等多种类型建造。新生代以来，渤海海域是渤海湾盆地的沉积沉降中心，以河湖相碎屑岩沉积为主，最大沉积厚度逾万米［29-30］，沉积受断裂和隆起控制明显［31］。
2 渤海西南部石炭系—二叠系残存特征
针对渤海西南部上古生界研究较为薄弱的现状，本文在前人研究的基础上，重点分析了研究区相关钻井数据，开展了地震剖面的精细解释，依据点、线、面结合的思路与方法，对渤海西南部石炭系—二叠系残存特征进行了研究。
2.1 钻井揭示特征
目前，渤海西南部钻遇上古生界的探井共计4口，分布于歧口凹陷和埕北低凸起处，而钻穿石炭系—二叠系的仅2口（分别为BH2井和BH3井），均位于埕北低凸起（图1）。
根据研究区钻井资料（表1），显示渤海西南部目前揭示的上古生界埋深普遍较浅，一般小于2 424 m；揭露的上古生界厚度介于470.5~976 m之间，其中煤岩层数可达20层以上，累计厚度介于0~69 m之间，占比2.97%~13.68%；泥岩厚度在143~354.43 m之间，占比28.34%~75.33%。钻井样品镜质体反射率（R O）分析显示，在歧南断阶带R O值介于0.49%~0.57%之间，平均为0.51%，而埕北低凸起区R O值介于0.74%~1.18%之间，平均为0.94%，热演化程度总体较低。
表1 渤海西南部钻井揭示的上古生界厚度及热演化特征Table 1 Thickness and thermal evolution characteristics of the Upper Paleozoic revealed by drilling in southwestern Bohai Sea |
| 井号 | 钻井构造位置 | 井深/m | 上古生界 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 顶深/m | 地层厚度/m | 煤岩 | 泥岩 | R O/% | ||||||
| 厚度/m | 层数/层 | 占地比/% | 厚度/m | 占地比/% | ||||||
| BH1 | 歧南断阶带 | 2 833 | 2 363 | 470.5（未穿） | 0 | / | / | 354.43 | 75.33 | |
| BH2 | 埕北 低凸起 | 2 608 | 2 001 | 504.5 | 69.00 | 32 | 13.68 | 143.00 | 28.34 | |
| BH3 | 3 150 | 1 994 | 475.0 | 31.14 | 23 | 6.56 | 214.36 | 45.13 | ||
| BH4 | 3 400 | 2 424 | 976（未穿） | 29.00 | 22 | 2.97 | 277.50 | 28.43 | / | |
|
以埕北低凸起区钻穿上古生界的BH2井为例（图2），可以看到，研究区自上而下依次发育新生界、中生界侏罗系—白垩系、上古生界石炭系—二叠系及下古生界寒武系—奥陶系，缺失三叠系、志留系—泥盆系，表明上古生界与上、下地层均为不整合接触关系。下古生界以大套厚层的灰色白云岩和石灰岩为主，显示出陆表海台地相的沉积特征。上古生界下部以灰—深灰色砂泥岩、灰岩为主，含煤层；中部以灰色砂泥岩为主，煤层发育；上部以灰白、灰绿色砂岩、泥岩及杂色砂岩为主，总体显示出潮坪、沼泽及三角洲平原相沉积环境，煤层主要发育于中下部层段。中生界则以灰色凝灰质砂岩和灰绿色凝灰岩为主，局部可见黑色玄武岩夹层，以河流相、三角洲相及火山岩相为主。
从上述分析不难发现，渤海西南部上古生界发育，与华北其他地区具有类似的岩性组合和沉积环境，且普遍发育煤系地层。少量的钻井资料显示，上古生界残存地层厚度、煤岩厚度等存在一定差异，但这难以有效分析上古生界的展布特征，需进一步结合研究区高精度三维地震资料开展研究。
2.2 地震剖面揭示特征
不同岩性、岩相组合的沉积地层在地震反射上往往具有不同的特征［27］。利用研究区钻井揭示的地层层序，结合前人 ［7， 27］研究，开展了地震反射特征分析。综合认为渤海西南部前寒武系内部多呈现杂乱反射，具蠕虫状、成层性差、频率低的特点，易于辨认；下古生界寒武系能量较高，表现为连续平行强反射的特点，而奥陶系以碳酸盐岩为主，反射变弱，局部呈空白断续状；上古生界石炭系—二叠系煤系地层发育，在地震剖面上总体呈现一种连续性较好，较高频率和中—强振幅的反射特点，但在构造较复杂地区地震反射或呈低频断续强弱反射相，或呈低频杂乱弱反射相；中生界多具中—高频连续平行反射的特点，常见较强的振幅，而有火山岩发育层段一般表现为中—低频，具稀疏的反射相带特点，与前寒武系的反射特征类似。依据上述反射特点，外推至无钻井区域，对渤海西南部不同方向地震剖面进行了精细解释。
区域上，从渤海西南部过埕北凹陷至沙垒田凸起的南西—北东向地震剖面（图3），可见其不同构造单元主体受边界断裂控制，整体表现出北东断、南西超的箕状断陷结构构造特点，不同构造层系及界面反射特征明显，总体可代表研究区现今构造和地层展布格局。古生界主要残存分布于凹陷斜坡带和低凸起区，在沙垒田凸起全区缺失。其中，上古生界石炭系—二叠系由凸起向斜坡及深凹陷区逐渐减薄甚至缺失，表现出薄底或秃底的构造特征；下古生界寒武系—奥陶系总体表现出近似等厚特点，在上古生界缺失部位则出现减薄现象。中生界则由深凹陷向斜坡带及凸起变薄，且顶部具明显削截特征。
区域近北西—南东向地震剖面（图4）揭示研究区前新生界总体呈准连续分布特点。下古生界寒武系—奥陶系分布总体稳定，区域厚度变化不大，中生界厚度变化较大；上古生界石炭系—二叠系总体呈西厚东薄的特点，不同构造单元石炭系—二叠系残存特点存在一定差异。在西部歧南断阶带东侧，石炭系—二叠系发生相对轻微的挠曲变形，地层厚度不发生明显变化，整体呈大型宽缓背斜形态展布；在埕北凹陷分布较连续，但向两侧出现减薄；在埕北低凸起及东斜坡区，地层分布较为连续，断裂对残存地层控制较为明显。
图5 埕北低凸起东斜坡区地震地质解释剖面（剖面位置见图1）Fig. 5 Seismic and geological interpretation section of the east slope area of Chengbei Low Uplift （see Fig. 1 for section location） |
总体而言，上古生界石炭系—二叠系在渤海西南部地区有一定范围的残存分布，主要分布于歧南断阶带、埕北凹陷、埕北低凸起及东斜坡区，但受断层、凸起等构造影响局部缺失；其他地区如沙垒田凸起及沙南凹陷北部等整体缺失，中—新生界直接覆盖在了寒武系—奥陶系或太古界变质岩之上。
依据上述石炭系—二叠系残存特征，结合区域构造演化，构建了渤海西南部石炭系—二叠系发育及演化—改造模式（图7）。认为石炭系—二叠系整体原始地层不受沉积期构造控制，但地层残存特点及分布明显受中、新生代构造活动的影响。如三叠纪末期，受印支运动影响，渤海湾地区整体处于挤压逆冲环境，导致区域隆升，石炭系—二叠系遭受剥蚀；晚侏罗世以来，受太平洋板块俯冲作用影响，华北克拉通东部地幔对流系统失稳，岩石圈拆沉塌陷，导致华北东部广大地区由此进入大规模的破坏阶段，渤海湾地区更是处于此种破坏的中心区域，整体处于一种拉张裂陷的构造环境，并伴随有强烈的火山活动，同期受郯庐断裂左旋走滑影响，印支期发育的北西向逆冲断层发生构造反转，盆地此时受不同张性伸展断层的控制，次一级的凸起和凹陷相继生成，形成多个沉积沉降中心；晚白垩世盆地再次发生区域隆升剥蚀；直至新生界古近系沉积期发生区域拉张断陷，上古生界石炭系—二叠系再次得以深埋［18-19，27，32-34］。
2.3 平面展布特征
结果显示，渤海西南部石炭系—二叠系现今残存分布面积约为1 200 km2，主要残存分布于歧南断阶带、埕北凹陷、埕北低凸起及东斜坡区，呈北西—南东向展布。其中，埕北低凸起及东斜坡区残存面积分别约为238 km2和146 km2（图8）。从渤海西南部石炭系—二叠系残存地层厚度图可以看到，在歧南断阶带和埕北凹陷处存在2个厚度中心，最大厚度超过1 200 m，大部分区域厚度集中在200~800 m之间；在埕北低凸起及东斜坡区则残存厚度相当，主要介于200~600 m之间。总体而言，渤海西南部石炭系—二叠系残存地层呈现出南西厚北东薄的特点；受断裂作用影响研究区边部残存地层厚度存在突变现象。
研究区石炭系—二叠系顶面埋深总体呈南西浅北东深的埋深特点（图9），与渤海西南部现今构造格局较一致。埋深较大区域主要位于埕北凹陷及埕北低凸起东斜坡区，最大埋深大于5 500 m，而整体埋深普遍介于2 000~5 000 m之间。在歧南断阶带，从埕子口凸起至歧口凹陷处埋深多在1 500~4 250 m不等，埕北凹陷处向北东东方向埋深变化剧烈，最大处接近6 000 m，埕北低凸起处埋深介于2 000~4 500 m之间，埕北低凸起东斜坡区埋深大多在3 500~5 500 m之间，且呈现向东进一步加深的趋势。综合上述残存地层厚度等值线图（图8）分析，可以看到现今石炭系—二叠系残存地层厚度较大区域，如歧南断阶带、埕北凹陷西南部，埋深相对较浅，地层厚度较小区域如埕北低凸起东北部及东斜坡区，则埋深较大。
3 地层区域厚度对比及生烃物质基础
前已述及，在晚古生代，整个华北区域构造稳定，具有类似的沉积环境。渤海湾盆地已有的大量钻井揭示，石炭系—二叠系在冀中坳陷大3井一带残存厚度可达1 600 m，向其周边地区呈减薄趋势［35］；黄骅坳陷残存厚度普遍在600~800 m之间［35-36］，在乌马营潜山一带厚度最大可达1 000~1 200 m、沧东凹陷厚度在950 m左右［37］；济阳坳陷石炭系—二叠系分布连续性差、缺失严重，但各组厚度分布稳定，厚度可达500 m，一般在200~400 m之间［38］；东濮凹陷残存厚度变化范围介于200~826 m之间［35］；辽河坳陷最厚处可达800 m左右［35］；渤海海域前人研究认为石炭纪—二叠纪沉积中心在渤西和渤中西侧地区，残存地层厚度最大可达1 000~1 400 m［39］。总体而言，虽然渤海湾盆地石炭系—二叠系受后期构造改造，在不同地区残存特征存在一定差异，但整体具周边薄中间厚的残存特征，厚度普遍在200~800 m之间［36］。上述特征与本文研究所揭示的渤海西南部石炭系—二叠系残存地层比较（图8），无论在最大残存厚度还是在普遍残存厚度上均具有较好的一致性，一定程度上印证了本文研究结果的可靠性。残余地层展布特征的确定也为石炭系—二叠系生烃物质（煤系地层）的研究奠定了基础。
华北东部区域油气勘探实践表明，上古生界生烃物质主要为一套区域分布的煤系地层，具体包括煤岩、炭质泥岩和暗色泥岩，为主要气源岩［36-37，40］。前人对渤海湾地区石炭系—二叠系煤层分布规律研究结果表明，煤层较厚区主要分布在北部和西部，而东南部相对较薄，分布零散［41-43］。此外，对比公开发表的区域代表性剖面及钻井等［35-36，42，44］可以发现，从华北西部的鄂尔多斯地区，到华北东部渤海湾地区，上古生界煤系地层占地层比均比较稳定，普遍在35%左右，且源岩纵向分布规律总体一致，主要位于上古生界中下部。对于构造改造强烈的渤海西南部，仅从数口探井及地震反射特征等开展区域生烃物质展布特征研究存在一定难度。但依据上述华北区域石炭系—二叠系煤系地层的稳定发育特点，可以尝试对渤海西南部生烃物质进行初步推断。
上述钻井分析表明，渤海西南部上古生界煤岩占地层比在2.97%~13.68%之间，若以2口钻穿的井进行统计占比则为6.56%~13.68%（表1）。朱建辉等［45］曾依据济阳坳陷石炭系—二叠系发育较全的判参1井建立了地层厚度变化量与煤岩累计厚度量之间的拟合函数，揭示出济阳坳陷石炭系—二叠系煤岩占地层比介于5%~9%之间，并指出由于华北区域上古生界沉积稳定，源岩纵向分布特征相似，该结果具有区域代表性［45］。基于上述分析，本研究区煤岩可按占比5%计，煤系泥岩（炭质泥岩和暗色泥岩）则可大致按30%计。由此，结合本文获得的石炭系—二叠系地层厚度，计算研究区煤岩最大厚度大于60 m，普遍在10~40 m之间；煤系泥岩最厚超过360 m，普遍在60~240 m之间。与紧邻研究区且勘探程度较高的黄骅坳陷大港探区（区域煤岩厚为25~55 m，煤系泥岩厚为90~410 m）［37，46］、埕海地区（煤层厚度为35~40 m，煤系泥岩厚度为260~300 m）［37］具有较好的可比性。
此外，前人研究认为，渤海湾盆地不同生烃坳陷石炭系—二叠系煤系烃源岩在新生代发生二次生烃门限深度一般要在3 000 m以深［40，47］。依据渤海西南部石炭系—二叠系顶面埋深图（图9），研究区深度大于3 000 m的区域主要位于埕北凹陷及埕北低凸起东斜坡区。埕北低凸起区石炭系—二叠系煤系烃源岩现今R O值接近1.0%（表1），若按当前地温梯度和埋深（3.5 ℃/100 m和2 000 m）计算，则难以达到此热演化程度，推测在前新生代就已达到。由此，初步分析认为渤海海域西南部埕北地区二次生烃启动R O值约为1.0%，即埋深在4 000 m左右。需要指出的是，从上述石炭系—二叠系厚度及埋深的关系（图8，图9），可以看到渤海西南部石炭系—二叠系残存厚度较大区域（斜坡及凸起处）埋深较浅，一般小于3 500 m；而埋深大的区域（凹陷区）地层则相对较薄，两者匹配关系不佳，这对该区的生烃强度或将产生不利影响。
4 结论
（1）基于钻测井和高精度三维连片地震资料研究，认为渤海西南部上古生界石炭系—二叠系主要在埕北凹陷、埕北低凸起及东斜坡和歧南断阶带分布，残存厚度最大超过1 200 m，普遍集中于200~800 m之间，总体具南西厚北东薄的展布特点，且由凸起、斜坡带向凹陷内逐渐减薄甚至缺失，残存分布受中、新生代构造活动影响明显。
（2）综合对比渤海湾地区上古生界石炭系—二叠系厚度及煤系烃源岩发育特点，认为渤海西南部具备良好的生烃物质基础，煤岩最大厚度大于60 m，普遍在10~40 m之间；煤系泥岩最厚超过360 m，普遍在60~240 m之间，与勘探程度较高的黄骅坳陷大港探区具有较好的可比性。
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