天然气地球科学, 2023, 34(2): 296-311 doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.09.003

天然气地质学

珠江口盆地白云凹陷裂陷期沉积环境演化与控烃作用

谢世文,1,2, 柳保军,1,2, 庞雄1,2, 丁琳1,2, 吴宇翔1,2, 刘冬青1,2, 王宇辰1,2

1.中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067

2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067

Sedimentary environment evolution and hydrocarbon control in Baiyun Sag of Pearl River Mouth Basin during rifting period

XIE Shiwen,1,2, LIU Baojun,1,2, PANG Xiong1,2, DING Lin1,2, WU Yuxiang1,2, LIU Dongqing1,2, WANG Yucheng1,2

1.CNOOC Deepwater Development Limited，Shenzhen 518067，China

2.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd. ，Shenzhen 518067，China

通讯作者: 柳保军（1978-），男，湖北潜江人，硕士，高级工程师，主要从事珠江口盆地油气勘探研究.E-mail：liubj2@cnooc.com.cn.

收稿日期: 2022-02-21   修回日期: 2022-09-05   网络出版日期: 2022-09-23

基金资助: 国家科技重大专项.  2016ZX05026-003-003
中海油有限公司重大项目.  KJZH-2021-0003-003

Received: 2022-02-21   Revised: 2022-09-05   Online: 2022-09-23

作者简介 About authors

谢世文（1985-），男，福建三明人，硕士，高级工程师，主要从事沉积学与油气地质研究.E-mail：xieshw@cnooc.com.cn. , E-mail：xieshw@cnooc.com.cn

摘要

珠江口盆地白云凹陷裂陷期发育文昌组与恩平组2套烃源岩，湖盆沉积演化控制烃源岩的形成。通过三维地震资料及深部钻井分析，认为白云主洼裂陷期发育轴向辫状河三角洲体系、断控扇三角洲体系、北缘缓坡带辫状河三角洲体系以及盆内滨浅湖—中深湖体系。裂陷早期，发育多组NE向断阶且呈现多隆洼的地貌特征，物源主要从东西轴向进入凹陷内，形成多点供源水系，发育多洼成烃；裂陷中期，由于拆离断层的伸展作用，湖盆扩张，北部番禺低隆起被强烈抬升，形成缓坡大规模的三角洲体系及大型湖盆；裂陷晚期，湖盆以拗陷作用为主，受华南物源及由南往北的海侵影响，发育煤型及海侵烃源岩。通过沉积相、地球化学指标可将白云凹陷烃源岩划分为3种类型：文昌组中深湖相Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩、文昌组浅湖相Ⅱ2型烃源岩以及恩平组浅湖相Ⅱ2—Ⅲ型烃源岩，不同类型烃源岩生烃潜力有差异，以文昌组中深湖相最优。元素地球化学指标揭示湖盆成烃环境整体表现为淡水—微咸水、还原—强还原的水体环境，而古生物揭示湖盆生油母质为湖相浮游藻类及陆源植物，优质烃源岩有机质来源以浮游藻类为主。总之，白云凹陷拆离断裂活动及沉积体系控制了烃源岩的发育厚度和规模，优质的水体环境控制了优质烃源岩的形成。因此，白云凹陷烃源岩具有厚度大、分布范围广的地质条件，具有大的资源和勘探潜力。

关键词： 烃源岩 ; 拆离作用 ; 古环境恢复 ; 裂陷盆地 ; 白云凹陷

Abstract

Two sets of source rocks， Wenchang Formation and Enping Formation， were developed in Baiyun Sag of the Pearl River Mouth Basin during the rifting period. Through 3D seismic data and deep drilling analysis， it is believed that axial braided river delta system， fault controlled fan delta system， braided river delta system in the north gentle slope zone and shore shallow lake medium deep lake system in the basin are developed during the rifting period of Baiyun Main Depression. In the early stage of rifting， many groups of NE trending fault terraces are developed and the landform is characterized by many ups and depressions. The provenance mainly enters the depression from the east to the west， forming multi-point source water systems and developing multi depressions to generate hydrocarbons； In the middle of rifting， due to the extension of detachment faults， the lake basin expanded， and the Panyu low uplift in the north was strongly uplifted， forming a large delta system and a large lake basin with gentle slopes； In the late rifting period， the lake basin was dominated by depression， and coal type and transgressive source rocks were developed under the influence of South China provenance and transgression from south to north. According to sedimentary facies and geochemical indicators， the source rocks in Baiyun Sag can be divided into three types： Type I-II1 source rocks of middle-deep lacustrine facies in Wenchang Formation， Type II2 source rocks of shallow lacustrine facies in Wenchang Formation and Types II2-III source rocks of shallow lacustrine facies in Enping Formation. The hydrocarbon generation potential of different types of source rocks is different， and the middle-deep lacustrine facies source rocks in Wenchang Formation are the best. The element geochemical indicators reveal that the overall hydrocarbon generating environment of the lake basin belongs to freshwater to brackish water， reducing to strong reducing water environment， while the paleontology reveals that the oil generating parent material of the lake basin is Huxiang planktonic algae and terrestrial plants， and the organic matter of high-quality hydrocarbon source rocks mainly comes from planktonic algae. In a word， the detachment fault activity and sedimentary system of Baiyun Sag control the development thickness and scale of hydrocarbon source rock， and the high-quality water environment controls the formation of high-quality hydrocarbon source rock. Therefore， the source rocks in Baiyun Sag have geological conditions of large thickness and wide distribution， and have great resources and exploration potential.

Keywords： Source rock ; Dissociation ; Restoration for paleoenvironment ; Rift basin ; Baiyun Sag

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谢世文, 柳保军, 庞雄, 丁琳, 吴宇翔, 刘冬青, 王宇辰. 珠江口盆地白云凹陷裂陷期沉积环境演化与控烃作用. 天然气地球科学[J], 2023, 34(2): 296-311 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2022.09.003

XIE Shiwen, LIU Baojun, PANG Xiong, DING Lin, WU Yuxiang, LIU Dongqing, WANG Yucheng. Sedimentary environment evolution and hydrocarbon control in Baiyun Sag of Pearl River Mouth Basin during rifting period. Natural Gas Geoscience[J], 2023, 34(2): 296-311 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2022.09.003

0 引言

南海北部深水区是推进我国海洋石油快速发展的原油、天然气生产基地之一。众多学者［1-4］从大地构造背景、烃源岩、储集体等多方论证，并结合近30年的勘探成效证实南海北部深水区白云凹陷具备形成大中型油气田的基础石油地质条件。但是当前白云凹陷已发现的油气储量与预测资源量还存在较大差距，且钻遇主力烃源岩的井较少，业内对白云凹陷是否存在规模中深湖相烃源岩、恩平组是否存在海相烃源岩等存在较大争议［5-6］。因此，为建设海洋强国、加快深海油气资源勘探开发，白云凹陷油气勘探面临深化烃源岩研究，明确烃源岩条件及分布等问题。前人研究揭示珠江口盆地白云凹陷位于地壳强烈减薄带、洋陆转换带上，自始新世以来，发生了大陆岩石圈伸展、破裂、洋盆扩张的构造演化过程，导致沉积充填表现出与珠江口盆地浅水区典型断陷不一样的特征，为具有非常特殊的宽地堑结构和多组大型低角度断裂带控制的构造样式［7］，其沉积充填和沉积水体环境也表现出明显的特殊性，最终影响烃源岩发育条件。本文通过地震、钻井、古生物、地球化学等资料开展白云凹陷构造—沉积演化分析，从湖盆水体环境及烃源岩特征等方面探讨白云凹陷烃源岩条件，以期进一步阐明白云凹陷的油气资源潜力。

1 区域地质背景

南海北部大陆边缘属非火山型边缘［8-9］，发育完善的近端带至远端带的洋陆转换构造组合［10］，其地壳厚度向海方向逐渐减薄，Moho面逐渐抬升，珠江口盆地白云凹陷最薄处仅7 km［11-12］。并且，珠江口盆地南部处于中生代弧前盆地位置［13］，地壳具有高地温梯度、重力非均衡等特点。因此，白云凹陷具备发育拆离断层的先天条件，历经了拆离断裂活动以致地壳减薄、破裂的过程［14-16］。从盆地演化上来看，晚白垩世以来，南海北部陆缘岩石圈伸展、薄化到破裂的过程是渐变的，呈现幕式响应的特征。除了原始裂陷期的神狐运动外，具有区域意义的重要构造事件响应为3期幕式裂陷作用，分别是：始新世早期珠琼运动一幕（49.0~43.0 Ma）、始新世中期惠州运动（43.0~38.0 Ma）和始新世晚期珠琼运动二幕（38.0 ~33.9 Ma）［17-18］。通过对白云凹陷地震反射结构、凹陷充填特征对比，裂陷期文昌组—恩平组可识别出4个幕式裂陷过程的关键构造界面（T90/Tg、T83、T80及T70），地震剖面上表现为明显的不整合特征，为典型的二级层序界面，分别对应着珠琼一幕、惠州运动、珠琼二幕和南海运动（图1）。珠琼一幕运动使得珠江口盆地发生抬升、剥蚀，伴有断裂和岩浆活动，珠江口开始发育断陷湖盆。在地震反射剖面上，该运动表现为地区性的不整合界面T90，由于部分地区缺失神狐组，Tg和T90界面重合。之后文昌组裂陷期可识别出2期主要拆离构造作用：早始新世早期末和早始新世晚期末，其分别形成T83、T80削蚀不整合界面［19］。T83界面在地震剖面上表现为明显的角度不整合界面，T80界面为下削上超不整合的特征，界面之上为恩平组。T70为珠江口盆地区域性破裂不整合界面，代表盆地裂陷期的结束，之后是裂后热沉降期，由于白云凹陷位于南海北部陆缘，也对应着南海扩张的开始。据此，白云凹陷受控于主控断裂伸展活动的差异性，裂陷期发育3幕构造运动，分别为：均衡裂陷期（Tg—T83界面），主控断裂脆性伸展，早期发育箕状断陷层序，中、晚期开始发育复式断陷层序；拆离裂陷期（T83—T80界面），主控断裂韧性伸展，发育拆离断陷层序；以及断拗转换期（T80—T70界面），发育碟形断拗层序［图2（a）］。

图1

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图1   珠江口盆地白云凹陷构造、层序、沉积充填响应综合柱状图（据文献［18］修改）

Fig.1   Comprehensive histogram of tectonic evolution and sedimentary filling in Baiyun Sag， Pearl River Mouth Basin（modified from Ref.［18］）


图2

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图2   白云凹陷断裂系统及基底地貌格局（据文献［20］修改）

（a） 白云凹陷长地震剖面解释的拆离断裂—地层系统（壳幔拆离体系）；（b） Tg地貌特征及平面断裂分布

Fig.2   Fault system and basement geomorphic pattern in Baiyun Sag（modified from Ref.［20］）


构造活动控制沉积体系，由于拆离断层具有低角度滑动的特征，拆离盆地的构造演化、层序结构和沉积充填与传统的裂谷盆地存在较大差异。基于白云凹陷深部三维地震剖面解释表明，白云主洼韧性剪切带在Moho面附近，受一组断穿地壳至Moho面附近的大型低角度断层控制，表现为壳幔拆离体系，拆离断裂系统最大水平位移量约在40 km，最大垂直沉降量可达7~8 km，发育宽深断陷，形成相对宽阔的缓坡、相对狭窄的陡坡地貌；白云东洼受2组坡坪式主控断裂及岩浆底辟作用，韧性剪切面出现于上地壳—壳间位置，表现为壳上—壳间拆离体系，拆离断裂系统累计水平位移量超过20 km，垂向沉降量在1~3 km之间，形成多隆—洼相间地貌单元；而白云西洼拆离作用较弱，发育一组雁列式北倾近EW向的断阶带，且发育反向调节断层，形成复式地堑的构造样式，拆离断裂系统最大的累计水平位移量约为10 km，最大垂向沉降量约为6 km，韧性剪切面主要出现于壳间位置，主体表现为“壳间拆离体系”。据此，受控于洼陷结构，白云凹陷发育三大“源—汇”系统［20］，分别为番禺低隆起大型继承性缓坡物源体系、白云东岩浆底侵影响的多点物源体系以及白云西南部轴向转换带物源体系（图2）。

2 陆缘地壳差异拆离控制下的沉积环境演化

2.1　沉积体系类型

凹陷结构样式控制了沉积地貌特征，进而控制沉积体系类型。受控于拆离作用影响，白云凹陷各构造单元发育不同沉积体系类型。通过地震反射结构、岩性组合，测井相以及井—震响应关系标定，研究区井上揭示多种类型的三角洲、中深湖、浅湖相和滨浅湖煤系地层。其中，W2井代表了轴向辫状河三角洲体系，W5井代表了断控扇三角洲的充填沉积特点；W7井代表了北缘缓坡带大型三角洲沉积特点，W3井代表了凹陷内湖泛湖相泥岩发育特点。

2.1.1　轴向辫状河三角洲体系

轴向辫状河三角洲是发育在湖盆长轴方向的三角洲。白云凹陷西南缘至西缘断层数量多，断裂活动强，形成的盆缘坡度大，为断控陡坡和断阶背景，沉积物容易由长轴方向进入湖盆，尤其是裂陷早期。由于沉积地貌坡度相对较缓，东西向地震剖面显示轴向为斜坡背景，地层向西减薄、超覆尖灭，辫状河三角洲是该断裂活动带主要的沉积相类型。凹陷西缘云开低凸起和白云东低凸起在SN向剖面上发育较多的楔状杂乱前积反射，实质上是沉积物沿断裂沟槽轴向输送的结果。

并且，轴向物源供给还表现为在SN向剖面上少量丘状反射，部分跨越断层，指示来源于东、西部低凸起轴向物源的供给。在EW向剖面上，下部层序见大型楔状前积反射；向上前积体规模缩小，可见小型斜交或S型前积反射地震相。W2井揭示该套沉积体可分为3套岩性组合：下部为火山碎屑岩，发育凝灰岩及火山角砾岩，反映白云东地区裂陷早期具有强烈的火山活动；中部为中—薄层灰白色砂岩及中—薄层泥岩交互出现，测井曲线呈漏斗形—钟形组合，为辫状河三角洲及湖泛浅湖相；上部为厚层泥岩与中层灰色砂岩组合，测井曲线呈漏斗形，反映浅湖背景下辫状河三角洲进积特征（图3）。

图3

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图3   白云凹陷裂陷期轴向辫状河三角洲体系地震反射（剖面1）（a）及钻井岩性组合特征（b）

Fig.3   Seismic reflection（profile 1）（a） and lithology combination characteristics（b） of axial braided river delta system in Baiyun Sag during rifting period


2.1.2　断控扇三角洲体系

受断层影响，在断控陡坡背景下往往发育小规模的扇三角洲。如白云凹陷东南缘W5井地区，地震剖面上，可见下切谷反射形态。反射结构上，下部为楔状空白—杂乱反射，上部为低频连续反射或具楔状前积反射。以上反射结构体现了断控陡坡带近缘快速堆积的沉积特点，主要发育扇三角洲。岩性组合上，可分为3个特征层段：下部沉积物粒度总体较粗，由灰色粗砂岩、含砾粗砂岩、少量粉砂岩夹泥岩组成，测井曲线幅度相对低，测井相表现为漏斗形以及薄箱形，指示河口坝和水下分流河道微相发育；中部岩性组成变化不大，但测井曲线以高幅厚箱形为主，属扇三角洲平原辫状分流河道微相沉积；上部为中深湖相厚层泥岩，表现为湖扩期扇三角洲后撤，湖盆扩大，发育湖相沉积，同时古生物分析发现其中含丰富的湖相藻类化石和无定形有机质，证实为中深湖相沉积（图4）。

图4

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图4   白云凹陷裂陷期断控扇三角洲体系地震反射（剖面2）（a）及钻井岩性组合特征（b）

Fig.4   Seismic reflection（profile 2）（a） and lithology combination characteristics（b） of fault controlled fan delta system in Baiyun Sag during rifting period


2.1.3　北缘缓坡带辫状河三角洲体系

受控于文昌晚期北向拆离断裂活动影响，北缘上盘强烈掀斜旋转、凹陷中心沉降，在白云凹陷北缘缓坡带形成挠曲坡折，北缘地势高、坡度宽缓，是三角洲发育的有利场所，文昌—恩平期持续发育多个大小不同的三角洲朵体。在顺物源（SE向）和横切物源方向均见清晰的低位和高位2套前积反射，前积方向分别向南和向东，指示番禺低隆起物源供给和三角洲总体向SE方向推进。对应地震相为S型前积—斜交前积，对应较大型辫状河三角洲发育。除此以外，北缘EW向地震剖面上还发育较多的下切谷，其规模较小，呈“U”或“W”型，底面具侵蚀削截，内部少量双超充填或前积充填，局部表现为地震振幅增强，下切谷的发育也证实了北缘缓坡带具有主要物源供给。另外，一些小断层形成的断沟对沉积物的输送也具控制作用。恩平组晚期北缘缓坡带三角洲最远可到达白云主洼南缘，指示凹陷基底沉降弱、水体浅、处于过补偿状态。此时，北部发育广阔的三角洲平原，对沼泽相发育非常有利，是含煤岩系烃源岩发育的有利时期。W7井揭示恩平组该套沉积体可分为3套岩性组合，下部由厚层灰白色砂岩夹少量薄层深灰色泥岩组成，测井曲线呈厚箱形，以强物源供给的三角洲平原分流河道沉积为主；中部由中厚层灰白色砂岩夹薄层灰褐色泥岩组成，测井曲线呈薄箱形、漏斗形和钟形，以三角洲平原分流河道、前缘水下分流河道和河口坝为主；上部由灰白色薄层砂岩与薄层灰色泥岩频繁互层组成，发育大量煤层，主要为分流间湾、三角洲朵间和平原沼泽（图5）。

图5

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图5   白云凹陷恩平期北缘大型三角洲体系地震反射（剖面3）（a）及钻井岩性组合特征（b）

Fig.5   Seismic reflection（profile 3）（a） and lithology combination characteristics（b） of large delta system in the northern margin of Enping Period in Baiyun Sag


2.1.4　盆内滨浅湖—中深湖体系

湖相泥岩沉积主要分布在凹陷中心，地震放射特征表现为平行连续，并以低频特征区别于其他类型，反映静水、较稳定条件下的慢速细粒沉积［21］。由于湖盆中心文昌组—恩平组埋深大，缺乏钻井揭示。在该情况下，地震相是评估研究区深湖相烃源岩分布范围和规模的唯一手段。但是否低频连续强振幅连续反射地震相就是深湖相泥岩的地震响应？有学者指出厚层泥岩缺乏波阻抗差，为什么必须是强振幅？弱振幅是否也是深湖相？实际上，近年来关于优质烃源岩的研究表明，同样是泥岩，但还包含有机质含量、薄层砂岩等引起的密度差异，因此厚层泥岩的振幅可强可弱。连续性越好，则代表地层是在相对低能的稳定环境沉积的产物。频率一般与岩性组合有关，低频反映岩性较为稳定。白云凹陷深陷区地震相以低频连续强反射为特征，指示厚度大、分布广的泥岩，推测发育优质烃源岩而形成富烃区。凹陷周缘也发育湖盆扩展期的泥岩，地震表现为1~2条低频中—强反射，反映沉积环境较不稳定，为浅湖泥岩。W3井揭示了湖扩期的这套泥岩，其岩性组合表现为厚层泥岩夹薄层细—粉砂岩，测井曲线呈线形—指形，浅湖相泥岩沉积（图6）。

图6

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图6   白云凹陷裂陷期盆内浅湖体系地震反射（剖面4）（a）及钻井岩性组合特征（b）

Fig.6   Seismic reflection（profile 4）（a） and lithology combination characteristics（b） of lake system in Baiyun Sag during rifting period


2.2　沉积体系演化

主控断裂构造样式的东西差异，导致裂陷期沉积地貌东西各区有所不同。白云凹陷西侧拆离作用相对较弱，断层数量多，断裂活动强，形成的盆缘坡度大，为断控陡坡和断阶背景，呈现出多阶铲式半地堑层序组合，地貌整体上表现为轴向斜坡［图2（b）］，因而形成“汇聚型”源—汇系统；东侧发育多个次级洼陷，受岩浆侵位影响，掀斜作用导致半地堑缓坡带削截现象较常见，表现为迁移型“坡—坪”断陷层序组合，具有多隆洼的地貌特征，因而形成“发散型”源—汇系统。白云主洼拆离作用明显、规模增大，沉降中心远离盆缘，北部缓坡受拆离断层的影响，发生强烈翘倾旋转，缓坡辫状河三角洲物源规模随拆离作用增强而逐渐增大。构造控制沉积的演化过程大致可分为3个阶段：

（1）均衡裂陷期［图7（a）—图7（b）］，主洼周缘陆地均可向边缘断陷提供陆缘碎屑沉积物，在西北及东部轴向部位发育受断阶影响的辫状河三角洲；在西缘、南部、东部的边界断层下降盘可发育扇三角洲沉积体。由于沉积物主要充填于边缘断陷，湖盆区范围大、几乎没有砂体，有利于发育优质烃源岩。

图7

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图7   白云凹陷裂陷期沉积体系及地层厚度展布

（a）下文昌组地层厚度；（b）下文昌组沉积体系；（c）上文昌组地层厚度；（d）上文昌组沉积体系；（e）恩平组地层厚度；（f）恩平组沉积体系

Fig.7   Distribution of sedimentary system and stratum thickness during rifting in Baiyun Sag


（2）拆离裂陷期［图7（c）—图7（d）］，受强烈拆离作用影响，凹陷下沉幅度加大，多个沉积湖盆连成一个大湖。拆离作用导致北部缓坡翘倾，地势高程大，物源增强，粗颗粒沉积物向凹陷中心推进。而凹陷东西向物源变小，局部发育小型三角洲及扇三角洲。主洼中心由于深陷，发育欠补偿沉积。

（3）断拗期［图7（e）—图7（f）］，拆离韧性伸展导致凹陷整体沉降，控制了凹陷的沉积充填，白云凹陷以拗陷为主，湖盆变浅，北部缓坡物源加入了西北部华南物源的补充，呈现出NW向物源优势，地震剖面反射出现的大型复合S型前积，揭示北部物源最远可推进至凹陷的南部边缘。另外，该时期东南位置发生海侵，以海相沟鞭藻的出现及湖盆咸化为依据。其中W1井恩平组古生物中海相沟鞭藻占40.1%，河湖藻平均含量仅为3.6%，同时出现了代表海侵的三芳甲藻甾烷［22］。有学者［23］认为是海相沉积，原因是恩平组海相沟鞭藻多包括Cleistosphaeridium等陆架浅海类型和Spnifenrites之类的广布类型。但整体分析来看，恩平组揭示的孢粉藻类组分以孢粉为主（64%~96%），其次为河湖藻（2%~28%），海相沟鞭藻含量最低（2%~16%）。因此，本文认为恩平组以陆相为主，局部受海侵影响，海相记录以海相沟鞭藻多见［24］，且海侵分布层位由荔湾凹陷到白云凹陷时代越来越早，海侵方向为由南向北逐渐扩大。

通常，具有高角度边界断层的半地堑，沉积作用以盆地轴向的径向物源占优势，不均衡沉降导致沉积中心沿活动性盆地边界陡崖分布。因此裂陷早期，断阶地貌容易产生轴向物源［25］。控凹断裂由裂陷早期的高角度演变为拆离期的低角度时，拆离裂陷期的沉积充填则发生显著变化，强烈的拆离薄化作用致使拆离断裂下降盘同时也发生了不均衡的旋转，断控作用降低而沉降作用变强，使得主控断层垂向断距和横向位移量显著增大，断陷湖盆的面积在拆离期末达到最大，并相互连通，形成大型宽断陷湖盆。强烈的拆离旋转作用，使得位于上盘的番禺低隆起被强烈抬升，成为文昌组上段、恩平组沉积的主要物源区，形成大规模的三角洲并由北向南一直推进至白云凹陷南坡，轴向物源则逐渐萎缩（图8）。白云凹陷的南部受拆离断层和中下地壳减薄的影响而旋转、沉陷，发育中深湖沉积环境，中下地壳的强烈伸展，使得凹陷的宽度显著增大。

图8

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图8   白云凹陷裂陷早期到晚期拆离断裂体系控制下的沉积演化模式

Fig.8   Sedimentary evolution model controlled by detachment fault system from early to late stage in Baiyun Sag


3 烃源岩特征与成烃环境恢复

3.1　钻井揭示的烃源岩特征

白云凹陷钻井已揭示文昌组、恩平组2套主力烃源岩。文昌组沉积时期以半深湖—深湖、滨浅湖、三角洲沉积为主，地层厚度最大可达6 000 m。恩平组沉积时期，沉积物主要以滨浅湖、半深湖—深湖和河流三角洲沉积为主，北部缓坡带发育大型三角洲沉积，白云凹陷东南方向局部发育受海侵影响的湖相沉积，恩平组地层厚度最大为1 500 m。根据8口钻井揭示的烃源岩资料（22个样本点），通过沉积相、地球化学指标可将白云凹陷裂陷期烃源岩划分为3种类型：①文昌组中深湖相Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩： IH均值为236 mg/g，TOC均值为1.3%，属于中等—好烃源岩；②文昌组浅湖相Ⅱ2型烃源岩，IH均值为154 mg/g，TOC均值为1.1%，属于中等丰度烃源岩。③恩平组浅湖相Ⅱ2—Ⅲ型烃源岩：录井显示发育大量薄煤层（通常<2 m），存在煤型烃源岩，且已有样本显示IH值整体低于100 mg/g，TOC均值为0.9%，属于差—中等烃源岩，其中受海侵的烃源岩主要为Ⅱ2型，IH值为154~249 mg/g，TOC值为1.1%~2.0%，属于中等—好烃源岩。

3.2　成烃环境恢复

烃源岩质量与初级生产力及保存条件密切相关［26］。通常，湖泊的初级生产力主要取决于水生游生物的产率。根据8口井的古生物资料显示，文昌组中深湖相烃源岩发育高—中等含量的河湖藻类（图9），主要为盘星藻和球藻，其中淡水盘星藻占39.4%~51.0%，粒面球藻占15%~29%。W5井中深湖相泥岩，有机质显微组分中藻类体及无定形有机质含量较高，反映有机质来源以湖藻类生源为主，为高生产力的中深湖环境。文昌组浅湖相中，中粒面球藻占绝对优势，含量达总藻类的99.6%，有机质显微组分中类脂组含量较高，表明有机质为湖藻和陆源的混合生源［27］。恩平组浅湖相泥岩中被子植物花粉占93%，有机质显微组分中孢子体含量较高，有机质来源以陆源植物为主。恩平组受海侵影响，湖相沉积发育海相沟鞭藻，占40.1%，河湖藻平均含量为3.6%，有机质显微组分中藻质、无定型体含量中等，表明有机质为陆源和海相生烃母质的双源输入，具有一定的古生产力。

图9

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图9   白云凹陷W5井中深湖相泥岩古生物特征

(a) 孢粉藻类图式；(b) 镜下盘星藻；(c) 镜下球藻； (d)镜下无定形有机质

Fig.9   Paleontological characteristics of deep lacustrine mudstone in Well W5 in Baiyun Sag


孢粉相可以通过A—P—E三元图式来表达有机质物源性质或控制有机质沉积作用的因素，从而讨论沉积地层形成时期的烃源条件［28］。A、P、E这3个端点分别代表沉积有机质物源性质与沉积地点的距离，以及有机质的条件。白云凹陷孢粉相样品主要来自凹陷周缘浅湖相钻井，且样品较少。从烃源岩A—P—E模式图（图10）看，文昌期大多数点在A—P—E中沿P—E分布，且靠近P端，也有部分点往A端偏移；恩平期样本分布与文昌期相似，少量点沿P—A分布。因此，烃源岩孢粉相整体反映裂陷期浅湖相有机质物源是由陆生近源到湖生和陆水混源型，有机质保存条件从氧化到还原并存。中深湖相烃源岩无样本点，在此不做讨论。

图10

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图10   白云凹陷裂陷期烃源岩孢粉相特征（沉积有机屑A—P—E图）

Fig.10   Characteristics of sporopollen facies of source rocks in Baiyun Sag during rifting (A-P-E diagram of organic debris)


湖盆藻类的勃发（即初级生产力）受控于盆地的光照率和富营养元素的供应，同一个纬度带的湖泊光照率差别不大，这时生产力的高低关键在于营养物的输入。而营养物质主要受控于地质条件（湖盆大小、水深等）和风化类型。如果气候暖湿，化学风化作用强烈，而且供源岩石多为富含营养元素的花岗岩或流纹岩之类，就会向湖泊提供更多的营养物质，湖泊初级生产力可能升高；如果沉积物中全是碎屑物和陆源植物有机质，则湖盆藻类可能欠发育，初级生产力将大大降低。另外，湖盆水体始终处于大气降水（含河流注入）和蒸发作用的平衡体系中，如富营养元素供给充足，且蒸发大于淡水注入，则导致水体浓缩而咸化，已有研究认为优质烃源岩的形成与湖盆咸化作用有关［29］。因此，湖盆初级生产率可以表征的参数为古盐度及古水深。

然而，湖泊表层初级生产力和湖底沉积中的有机质含量之间，并不存在严格的线性关系。主要原因是浮游生物在水体中沉降和在水底埋葬的过程，都可以随时被自由氧化而分解，这就与其保存条件有关。因此，湖盆水体的氧化还原性（即古氧相）可以表征烃源岩的保存条件［30］。

前人已从古生物种属方面1认为珠江口盆地（含白云凹陷）文昌期气候温暖略干，恩平期温暖潮湿。而对于古盐度、古水深、古氧相研究较少，且反映成烃环境（古环境）的参数类型较多，测试仪器、方法的不同，各参数还可能出现截然相反的结果。因此，本文研究对古盐度、古水深、古氧相选用2组不同的参数（表1，图11）进行恢复，以此相互对比、验证来表征白云凹陷古湖盆的成烃环境。①古盐度：一般认为，当Sr/Ba>1时，反映为咸水海相环境；Sr/Ba<1时反映淡水陆相环境［31］。Rb/K值盐度越大值越大，Rb/K值在0.004~0.006之间时为微咸水［32］。根据古盐度判别箱线图［图11（a），图11（b）］可得，白云凹陷文昌期、恩平期为淡水—微咸水的陆相湖盆，且恩平期湖盆盐度变高，这可能与局部海侵咸化有关。②古水深：由于样本点洼陷周边的隆起，因此古水深恢复不能代表古湖盆的最大深度，但可以反映古湖盆的相对水深。通常，m值（MgO/Al2O3×100）随水深增加而变小，而Mn/Fe值是随着水深的增加而增加［33］。根据古水深判别箱线图［图11（c），图11（d）］可得，文昌期水深大于恩平期。③古氧相：Cu/Zn值随介质氧逸度的升降而变化［34］。Cu/Zn<0.21，代表强还原环境；Cu/Zn值在0.21~0.38之间，代表还原环境；Cu/Zn值在0.38~0.63之间，代表弱还原到氧化环境，Cu/Zn>0.63，代表氧化环境。Th/U值也可以指示氧化还原环境，Th/U值越小反映还原条件越强［35-36］。根据古氧相判别箱线图［图11（e），图11（f）］可得，白云凹陷古湖盆为还原条件，文昌组还原性略高于恩平组。

表1   白云凹陷湖盆水体环境指标及其指示意义（据文献[32-36]）

Table 1  Water environment index in Baiyun Sag and its indicative significance（according to Refs.[31-36]）

判别指标指示意义
古盐度Sr/Ba<0.6陆相，>1为海相
Rb/K<0.004（淡水）0.004~0.006（微—半咸水）>0.006（咸水）
古水深m值随水深增加而变小
Mn/Fe随水深增加而增加
古氧相Cu/Zn>0.63（氧化环境）0.21~0.63（弱氧化—弱还原）<0.21（强还原环境）
Th/U>30（氧化环境）4~30（弱氧化—还原环境）<4（强还原环境）

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图11

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图11   白云凹陷裂陷期文昌组—恩平组湖盆水体古环境恢复无机元素判别图版

(a)、(b)古盐度恢复参数，Rb/K中位数恩平组为0.005 4、文昌组为0.004 1，Sr/Ba中位数恩平组为0.124、文昌组为0.064；(c)、(d)古水深恢复参数，Mn/Fe中位数恩平组为0.013 5、文昌组为0.014 9，m值中位数恩平组为9.261、文昌组为8.022；(e)、(f)古氧相恢复参数，Cu/Zn中位数恩平组为0.237、文昌组为0.227，Th/U中位数恩平组为5.115、文昌组为4.904；(g)、(h)古气候恢复参数，Rb/Sr中位数恩平组为0.509、文昌组为2.047，Sr/Cu中位数恩平组为9.787、文昌组为3.167

Fig.11   Chart of paleoenvironment restoration for Wenchang and Enping formations during rifting period in Baiyun Sag


4 沉积环境对烃源岩的控制作用

国内外含油气盆地研究及实践表明，规模有效烃源岩的形成需具备3方面的基本条件：一是沉积盆地长期处于欠补偿环境，有持久稳定的沉积可容纳空间；二是高的古生产力，能向沉积物提供大量有机质；三是缺氧的底层水体，易于富烃有机质的保存与堆积。白云凹陷烃源岩的生油母质为湖相浮游藻类及陆源植物，优质烃源岩以浮游藻类为主。烃源条件受欠补偿空间大小、藻类富集程度以及有机质保存环境控制［30］。湖盆裂陷期，受多层次拆离断裂体系的影响，白云凹陷基底沉降幅度大，伸展速率大，形成了巨型宽深断陷，是规模有效烃源岩的必要条件。前已述及，均衡裂陷期白云凹陷各次洼分割性强，变现为多隆洼的特征，沉积体系发育点物源，多为小型三角洲沉积体系，湖盆整体表现为欠补偿盆地，沉积物碎屑锆石年龄谱系呈100~115 Ma的单峰，反映该时期白云凹陷以周缘中生代近源隆起区物源为主，且Nd同位素显示εNd值在-4~-5之间，Eu为轻度负异常，显示物源是酸性岩浆岩与基性岩浆岩的混合，表明周边的中生代近源隆起存在酸性岩浆岩与基性岩浆岩。酸性岩浆岩风化后，周缘三角洲的地表径流从酸性岩浆岩源区带来大量富营养物质（如Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Ni等），有利于浮游藻类的生长与勃发［28，30］，因此W5井揭示的烃源岩具有富藻类特征。另外，由于白云凹陷裂陷期沉降幅度大，易于形成深的缺氧湖盆，其水深最大可达4 000 m。均衡裂陷期（文昌组沉积期）发育多个洼陷带，每个洼陷相对独立，之间被低凸起相隔，凹陷内水体循环弱，有利于湖底保存稳定的还原环境，最终形成腐泥型或偏腐泥型（Ⅰ—Ⅱ1型）的有机质类型，已钻井揭示为研究区烃源岩主要发育期；拆离裂陷期（上文昌组沉积期），随着拆离作用的增强，湖盆沉降减弱，以横向伸展为主，湖盆显著扩展，形成统一的大湖盆，物源继承了中生代近源隆起岩浆岩，发育转换带三角洲水系，湖盆整体表现为补偿—欠补偿盆地，中深湖面积可达到3 200 km2，发育Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩；断拗期（恩平组沉积期），以沉降为主的碟形盆地，北部物源持续发育，形成大型缓坡物源，湖盆整体表现为补偿—过补偿盆地，仅南部靠近控洼断层附件存在局部欠补偿。沉积物碎屑锆石年龄谱系呈加里东期、燕山期以及新生代多峰，反映物源类型则较为复杂，发育大型河流三角洲，为湖盆提供的营养物质有限，烃源岩主要表现为陆源植物，发育煤型烃源岩，且凹陷南部受由南向北的海侵影响明显，湖盆水体咸化，发育海相沟鞭藻，具一定规模的海侵烃源岩，Ⅰ—Ⅱ1型烃源仍然发育，但以Ⅱ2型和Ⅲ型烃源为主［图12（a）］。

图12

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图12   白云凹陷构造沉积演化过程中的烃源岩演变剖面及有机相平面展布

(a)烃源岩演变剖面;(b)文昌组烃源岩有机相平面分布;(c)恩平组烃源岩有机相平面分布

Fig.12   Evolution profile of hydrocarbon source rocks and plane distribution of organic facies in the tectonic and sedimentary evolution of Baiyun Sag


综上所述，白云凹陷以裂陷期文昌组和恩平组湖相烃源岩为主，不同阶段烃源岩分布存在较大差异。文昌组优质中深湖主要分布在主控断裂下降盘，主控断裂一侧形成规模中深湖分布，发育Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩，周缘洼陷发育小型规模中深湖［图12（b）］；恩平期北侧及北西侧发育大型物源，白云主凹中心形成中深湖，局部发育Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩，周缘则发育浅湖相烃源岩及陆源植物为母质的烃源岩，以Ⅱ2—Ⅲ型烃源岩为主［图12（c）］。有机质丰度评价的指标主要有总有机碳含量（TOC）和生烃潜量（S1+S2），已钻井揭示文昌组烃源岩有机碳含量介于1.1%~1.6%之间，平均值为1.3%，生烃潜力介于2.38~6.25 mg/g岩之间，平均值为5.0 mg/g，为中等—好的烃源岩，恩平组海相/海侵型烃源岩有机碳含量介于1%~2%之间，生烃潜力介于3.3~6.5 mg/g之间，平均为4.9 mg/g，烃源岩达到了中等—好烃源岩的范畴。受控于高变地温场、埋深，白云凹陷烃源岩整体已进入生烃门限，其中文昌组凹陷中心整体处于高成熟—过成熟阶段。

5 结论

（1）珠江口盆地白云凹陷各构造单元发育不同沉积体系类型。根据地貌背景及井震响应特征，白云凹陷裂陷期可识别出4种沉积类型，包括轴向辫状河三角洲体系、断控扇三角洲体系、北缘缓坡带三角洲体系以及盆内滨浅湖—中深湖体系。

（2）白云凹陷主控断裂构造样式的东西差异，导致裂陷期沉积地貌东西各区有所不同。西侧地貌整体上表现为轴向斜坡，发育“汇聚型”源—汇系统，东侧多隆洼的地貌特征，发育“发散型”源—汇系统。白云主洼北部缓坡受拆离断层的影响，发生强烈翘倾旋转，发育大型缓坡辫状河三角洲。裂陷早期，断阶地貌凹陷物源以轴向为主，中晚期由于低角度拆离作用，使得位于上盘的番禺低隆起被强烈抬升，形成大规模的三角洲由北向南推进，轴向物源则逐渐萎缩。湖盆表现为淡水—微咸水、还原—强还原的水体环境，文昌期水深大于恩平期，恩平期受海侵影响，有咸化趋势。

（3）白云凹陷裂陷期发育文昌组与恩平组2套烃源岩，依据沉积相及有机质可分为3种类型：文昌组中深湖相Ⅰ—Ⅱ1型烃源岩、文昌组浅湖相Ⅱ2型烃源岩以及恩平组浅湖相Ⅱ2—Ⅲ型烃源岩。烃源岩的生油母质为湖相浮游藻类及陆源植物，优质烃源岩以浮游藻类为主，有机质保存条件从氧化到还原并存。拆离断裂活动控制了中深湖相的发育厚度和规模，源区酸性岩浆岩可为湖盆带来大量富营养物质，使得藻类勃发，沉积中心有机质保存条件好，最终形成为优质烃源岩。白云凹陷烃源岩具有厚度大、分布范围广的地质条件，具有大的资源潜力。

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