白垩系全球油气富集的多圈层驱动机制

Multi-spheric interactions driven global enrichment of Cretaceous hydrocarbons

摘要

本文从地球多圈层相互作用视角,系统研究了影响白垩系全球巨量油气形成与富集的深部动力、板块构造、气候-海洋环境、微生物等作用与耦合。结果表明,白垩纪活跃的板块俯冲和地幔柱上涌将地球深部物质和能量输送至表层,是白垩系巨量油气富集的主要驱动力。地幔上升流的增强促进了大火成岩省喷发,通过关键营养元素(如磷)输入促进初级生产力升高和烃源岩发育。阿普特期(Aptian)—圣通期(Santonian)的地幔对流达到极盛,出现了显著的洋壳增厚与陆壳减薄,热带富营养陆缘海面积显著扩大,诱导发生6次大洋缺氧事件(OAEs),形成的油气资源最为丰富。潘基亚大陆的持续裂解不断改变着古地理和古气候格局,最终调控了白垩纪全球油气分布。相对平坦的白垩纪大陆使得大气环流和行星风系主导了全球热量和降水量的纬向分带,使得油气主要在15°N~15°S之间的热带辐合区(ITCZ)和南、北纬40°~60°之间的费雷尔环流区富集。区域尺度上,南大西洋打开、特提斯洋关闭和关键海道启闭是油气富集的重要因素。陆块漂移、盆地构造演化、大洋环流和海平面升降等多因素叠加,造就了白垩系全球油气超常富集。微生物在白垩系油气的生物母源和碳酸盐岩储层建造过程中扮演着核心角色。微型浮游藻类的爆发性增长提供了初级生产力,并导致水体耗氧,触发OAEs;细菌和古菌等原核生物繁盛不仅提供了多源有机质,还通过“选择性保存”机制富集类脂物,提升了沉积有机质的生油潜力;钙质微生物主导了富含孔隙的碳酸盐岩建造,为优质油气储层形成奠定了基础。白垩系油气形成与富集的多圈层驱动机制为油气勘探开发新疆域优选提供了理论依据,有助于深入理解地球系统演化与油气资源形成之间的内在联系,实现地球科学理论与资源勘探双重突破。

Abstract

From the perspective of multi-sphere interactions within the Earth system, this study systematically investigates the roles and couplings of deep-Earth dynamics, plate tectonics, climatic-ocean environments, and microbial activities influencing the formation and accumulation of global Cretaceous giant hydrocarbons. The results indicate that plate subduction and mantle plume upwelling during the Cretaceous transported deep-Earth materials and energy to the surface, serving as the primary driving force for exceptional hydrocarbon enrichment. Enhanced mantle upwelling facilitated large igneous province (LIP) eruptions, which supplied key nutrients (e.g., phosphorus) to surface, thereby promoting primary productivity elevation and source rocks development. During the Aptian-Santonian, mantle convection reached its peak, leading to significant oceanic crust thickening and continental crust thinning. This period experienced a marked expansion of nutrient-rich tropical epicontinental seas, triggering six Oceanic Anoxic Events (OAEs) and generating the most abundant hydrocarbon resources. The continuous breakup of the Pangaea supercontinent persistently reshaped the paleogeographic and paleoclimatic patterns, ultimately controlling the global distribution characteristics of Cretaceous hydrocarbons. The relatively flat Cretaceous continents allowed atmospheric circulation and planetary wind systems to dominate the latitudinal zonation of global heat and precipitation, concentrating hydrocarbon mainly within the Intertropical Convergence Zone (ITCZ, between 15°N and 15°S) and the Ferrel cell zones (40°-60°N and 40°-60° S). At the regional scale, key factors such as the opening of the South Atlantic Ocean, the closure of the Tethys Ocean, and the opening/closing of critical seaways played significant roles in hydrocarbon enrichment. The interplay of continental drift, basin tectonic evolution, oceanic circulation, and sea-level fluctuations collectively contributed to the extraordinary global enrichment of Cretaceous hydrocarbons. Microorganisms played a central role in both the biological origins of hydrocarbons and the construction of carbonate reservoirs during the Cretaceous. Explosive proliferation of microplankton provided high primary productivity and led to oxygen depletion in water bodies, triggering OAEs. The flourishing of prokaryotes such as bacteria and archaea not only supplied diverse organic matter but also enriched lipid compounds via a “selective preservation” mechanism, enhancing the oil-generating potential of sedimentary organic matter. Calcifying microorganisms were fundamental in building porous carbonate rocks, laying the foundation for high-quality hydrocarbon reservoirs. The multi-sphere driving mechanism of Cretaceous hydrocarbon formation and enrichment provide a theoretical basis for selecting new frontiers in hydrocarbon exploration. This study contributes to a deeper understanding of the intrinsic links between Earth system evolution and hydrocarbon resource formation, aiming to achieve dual breakthroughs in both Earth science theory and resource exploration.

Graphical abstract

关键词

白垩纪 / 多圈层作用 / 地幔对流 / 大气/大洋环流 / 大洋缺氧事件 / 微生物 / 石油与天然气

Key words

Cretaceous / multi-spheric interactions / mantle convection / atmospheric/oceanic circulation / oceanic anoxic events (OAEs) / microorganism / oil and natural gas

0 引言

多圈层相互作用与油气富集是当前地球系统科学与石油地质学交叉科学研究前沿^[1]。一百多年的现代油气勘探与开发历史显示,白垩系是全球油气最为富集的层系,所生油气占全球已探明常规油气储量近30%^[1],所储油气占全球技术可采油气总量近40%^[2];2000—2020年期间,白垩系所产油气占全球总产量的33%。白垩系油气具有明显的全球性富集特征,形成了波斯湾、墨西哥湾、北美西部内陆、加勒比海南部、南大西洋两岸、北非、中西非裂谷及中国松辽等众多超级含油气盆地和地区^[2]。

白垩纪地球系统的构造、地理、气候和生物与现今截然不同^[3],自地核到大气圈,各圈层发生了众多重大地质事件,如外核流体运动异常和超静磁带(Cretaceous normal superchron, CNS)出现^[4]、地幔温度升高^[5]、超大陆裂解和洋壳快速增生^[6-7]、大火山岩省频发^[8-9]、全球性温室效应和海平面升高^[3,10]、被子植物的出现和辐射^[11-12]、频繁的大洋缺氧事件(oceanic anoxic events,OAEs)与全球广泛发育的黑色页岩^[13-14]和油气超常富集^[1-2]等。前人基于对地球深部动力过程、表层生态系统特征、区域性沉积岩相分析等,发现上述地质事件之间具有很强的关联性^[3,15-17],尤其是海平面上升、OAEs频发与黑色页岩发育、大油气田形成具有密切关系^[18]。此外,在高火山脱气速率和广泛的陆缘海环境下,白垩系广泛发育微生物碳酸盐岩^[19],储集了白垩系以及更古老地层生成的油气,是白垩系所储油气(全球占比近40%)超过所生油气(全球占比近30%)的重要原因。另外,白垩纪还在南大西洋两侧^[20]、中非裂谷^[21]和中国松辽盆地^[22]等地区形成了巨量的陆相油气,意味着生产力勃发和缺氧事件在白垩纪陆相湖泊中同样广泛存在。

近年来,基于对波斯湾盆地^[23]、东南亚多岛海^[24]、欧洲北海盆地^[25]、中国塔里木和四川盆地^[26]等富油气区的研究,笔者提出了“多圈层驱动油气形成与富集”理论体系,核心思想在于立足地球系统科学和圈层相互作用思维,探究地球系统物质-能量循环和动力过程对油气形成与富集的控制机理^[1]。白垩系油气虽然最为丰富,但有关多圈层驱动机制的研究仍相对较少。为此,本文基于多圈层驱动的油气形成与富集新思路,从地球深部动力过程、大陆裂解和气候演变、微生物作用等多个视角,阐述白垩系油气富集的多圈层驱动机制,旨在不断完善发展多圈层驱动油气形成与富集理论体系,拓展全球油气勘探新疆域。

1 地球深部动力过程控制白垩纪全球油气富集程度

地球表层除来自太阳辐射的能量外,最重要的能量来源是内部。相比于侏罗纪和新生代,白垩纪地球从地核、地幔到岩石圈、水圈、大气圈都有其特殊性(图1a-h^{[3,5-6,16,27-35]})。地球深部动力过程导致的大量物质能量释放可能是驱动表层各圈层重大地质与生态事件及全球油气富集(图1i^[1])的关键原因。

1.1 地幔对流和板块俯冲驱动白垩纪岩石圈发生重大变革

地幔对流是地球内部物质运动和能量释放的重要途径^[36],放射性成因热和地球45.7亿年以来的缓慢冷却是驱动地球内部对流的主要动力^[37-38]。根据地震波传播速度差异,可以识别出地球内部的大型低剪切波速省(Large Low Shear Velocity Provinces,LLSVPs);超级地幔柱形成于核幔边界的LLSVPs,上升至地表,形成大火成岩省,释放深部物质和热量^[1]。自晚侏罗世提塘期(Tithonian)早期(约149 Ma)至早白垩世欧特里夫期(Hauterivian)早期(约130 Ma),地幔温度出现一次小幅上升(图1a),与俯冲带的大陆弧长降低和洋壳产率的持续升高一致(图1b),表明该时期地幔对流的上升流在增强,下降流在减弱,由此导致更多的深部物质和能量从地球内部释放至地表。欧特里夫期—巴雷姆期(Barremian,132.6~121.4 Ma)具有200 Ma以来最大的洋壳产率(图1b)和强烈的大火成岩省事件(图1d),意味着地幔上升流可能达到高峰,对应着南美洲-非洲之间的帕拉纳-埃滕德卡岩浆省(Paraná-Etendeka Magmatic Province,约135~131 Ma)^[39]喷发和南大西洋打开^[40]。南大西洋从南向北的发展形成一条全新的洋中脊(图2^[3,41]),进一步增强了源自地球内部物质和能量的释放。最新的年龄证据将古太平洋之上的翁通-爪哇海底高原(Ontong Java Plateau)的喷发时间限定为约116~110 Ma^[42]。两个大火成岩省分别位于非洲和太平洋之下的Tuzo和Jason超级地幔柱位置的顶端^[43](图2),而且火山岩的同位素(如铅、钕、锶)和微量元素组成不同于附近的洋中脊玄武岩(Mid-Ocean Ridge Basalt,MORB)^[44-45],表明它们更有可能是源于核幔边界处的LLSVPs^[44]。

白垩纪自核幔边界到地表的物质和能量释放明显影响了岩石圈的动力学和热力学状态(图1b),出现了强烈的洋壳增厚和陆壳减薄(图1c),使得地幔物质和能量可以更容易到达陆表,推动地表形态、物质成分和能量平衡的改变。阿普特期(Aptian)—圣通期(Santonian,121.4~83.6 Ma)的地幔温度达到了侏罗纪以来的最高值(图1a),与洋壳增厚和陆壳减薄时期相一致(图1c),指示地幔升温可能是地幔对流达到极盛、深部物质和能量释放进一步增强的重要原因。此外,大洋板块俯冲形成的大陆弧长度在阿普特期—圣通期达到了200 Ma以来的峰值(图1b)。大洋板块俯冲将大量水和含碳、含硫物质带到地球深部,之后的脱水、脱碳、脱硫过程和挥发分物质释放,增加了地幔流体通量,降低了地幔岩石的固相线,起到了明显的促熔作用,进而引发深源地震、上覆地幔楔部分熔融和弧岩浆作用^[46-48]。比较典型的是古西太平洋(伊邪那崎,Izanagi)板块俯冲造成的华北克拉通破坏、陆壳减薄和大量裂谷盆地发育^[49-50]。值得注意的是,阿普特期—圣通期还对应着CNS出现^[4],表现为地磁场倒转频率在长达38 Ma的时间内接近于0(图1a)。CNS形成机制仍不清楚,通常被认为是地幔对流对地球外核热力效应或核幔边界热通量变化的结果,可能与强烈的超级地幔柱活动和/或俯冲作用有关,通过改变核幔边界的热结构稳定了地核对流^[51]。

相比于阿普特期—圣通期,坎潘期(Campanian)—马斯特里赫特期(Maastrichtian,83.6~66 Ma)的地幔温度、洋壳产率和大洋俯冲强度、洋壳增厚和陆壳减薄强度等都出现了明显降低(图1a-c),大火成岩省喷发明显减少(图1d)。一系列地质证据都指示当时的地幔对流强度明显减弱,地磁场倒转频率也开始升高(图1a),表明地球内部动力学机制发生了变化。

1.2 白垩纪地球深部物质和能量释放增强导致缺氧事件形成与油气富集

白垩纪地球深部物质和能量释放增强为油气形成与富集带来了多方面的积极影响,主要体现在:(1)在南大西洋两侧^[52]、中非^[21]、中国东北和华北^[49]等地区形成一系列陆内裂谷盆地,成为物质和能量的汇聚单元;(2)向地表提供大量新鲜且易风化的火山岩物质,形成全球性磷输入脉冲事件^[16];(3)二氧化碳和甲烷等温室气体释放量增加^[53-54],促进了地表温度上升和海平面升高,形成大面积陆缘海环境;(4)岩浆和热液释放壳幔来源的硫进入大气和海洋^[55],增强了圈层间的硫循环。上述因素的叠加有利于在相对封闭的盆地形成缺氧硫化事件、烃源岩发育与油气富集。

早白垩世的地球深部物质和能量释放在非洲和南美洲最为典型,主要源于西冈瓦纳大陆自侏罗纪开始的内部裂解,其动力机制可能与Tuzo的早期活动有关^[56](图2)。下白垩统贝里阿斯阶(Berriasian)—巴雷姆阶烃源岩主要分布在南大西洋两侧^[20]和中非的一系列陆内裂谷盆地^[57](图2a-b),特里斯坦达库尼亚(Tristan da Cunha)地幔柱喷发的帕拉纳-埃滕德卡等岩浆省和里奥格兰德海隆-沃尔维斯海岭(Rio Grande Rise-Walvis Ridge)可能为桑托斯(Santos)等裂谷盆地的烃源岩发育提供了必要的营养物。白垩纪磷输入通量和频率的峰值期是在阿普特期—圣通期(图1e),与大洋型大火成岩省喷发增强、洋壳增厚和陆壳减薄相一致(图1c-d)。阿普特期—圣通期的大量磷输入促进了全球生产力勃发,在大火成岩省导致的大量幔源硫输入(表现为海洋硫酸盐硫同位素δ³⁴S负漂移,图1h)和强烈细菌硫酸盐还原作用下,不断诱发OAEs^[13](图1h),成为生油岩最为发育的地质时期之一(图1i)。

波斯湾^[23]、南大西洋两侧^[20]、古加勒比海^[58]和墨西哥湾^[59-60]、北美西部内陆海道(Western Interior Seaway)^[61]、跨撒哈拉海道(Trans-Sahara Seaway)^[62]等上升洋流活跃或古地理相对封闭的海盆成为阿普特期—圣通期烃源岩发育与油气富集的主要场所(图2b-c)。受伊邪那岐板块俯冲影响,松辽盆地在阿普特期断陷环境下发育浅湖-沼泽相烃源岩,在土伦期(Turonian)—圣通期坳陷环境下发育深湖相烃源岩,形成超级陆相含油气盆地^[22]。虽然在松辽盆地坳陷期可能还发生了海侵,但海水的入侵规模和影响范围仍不确定,对有机质富集的影响也存在争议,整体上并未改变湖相烃源岩发育的本质^[63]。

坎潘期—马斯特里赫特期的地球内部物质和热量输送通量明显减少,使得全球平均地表温度和海平面开始降低(图1f),陆缘海面积大幅减小(图1g)。这一系列来自地球内部因素的叠加最终导致磷等营养物输送显著降低,大洋缺氧事件缺失,所形成的油气量只占全球已探明油气储量的2.1%(图1h)。坎潘期—马斯特里赫特期形成的油气主要来自于北非和西非的陆内裂谷盆地^[57,64]。这些裂谷盆地虽然在早白垩世已经打开,但在晚白垩世—始新世才发育北东-南西向伸展裂陷,可能与新特提斯洋板块和印度陆块在坎潘期—始新世加速俯冲增强了非洲大陆内部拉张力有关^[65-66]。

2 板块位置与行星风系影响的纬向油气分布特征

地表不同纬度的气候变化主要受控于太阳辐射通量差异,但受板块运动约束的大洋环流也不断调整着热量和降水分布,进而影响区域性沉积相变化与油气富集程度^[67]。白垩纪板块构造主要表现为潘基亚超大陆的持续性裂解,造山运动几乎都发生在太平洋和新特提斯洋的俯冲边缘(图2),且范围和幅度均较小,使得当时的大陆相对平坦,平均海拔高度只有约400 m,不到现在的2/3^[3]。基于地球系统模型(Community Earth System Model,CESM)的模拟结果,白垩纪盛行行星风系,热量和降水量的纬向分布特征明显(图3a-f^[31,68]),不同于现今受行星风系和季风共同影响的全球温度和降水分布(图3g-h^[31,68])。

2.1 哈德里环流影响的低纬度区油气富集

哈德里环流在白垩纪地球的南北纬15°之间形成温度高、降雨量高的热带辐合区(Intertropical Convergence Zone,ITCZ),有利于烃源岩和碳酸盐岩发育;在15°~40°之间的大陆地区则形成两个温度高、降雨量低的干旱带(图3a-f),更容易在所在区域盆地内发育膏盐岩,形成油气盖层。波斯湾盆地在白垩纪长期位于ITCZ,发育优质的烃源岩和碳酸盐岩储层,新生代进入干旱带,发育始新统—中新统的盐盖层,这是其成为全球超级富油气区的关键地质条件之一^[23]。与之类似,中非剪切带裂谷盆地群^[21]、加勒比海南部的马拉开波(Maracaibo)和东委内瑞拉(Eastern Venezuela)盆地^[58]、跨撒哈拉海道和北非裂谷盆地群^[57,64]等,在其主力烃源岩发育期均位于ITCZ(图3e-f)。虽然墨西哥湾盆地在白垩纪以来的古纬度变化不大,但受北大西洋逐渐打开的影响,北半球干旱带出现明显的收缩和南移,使得盆地沉积环境由晚侏罗世—早白垩世的干旱转变为晚白垩世以来的高温多雨环境(图3),沉积物也出现了上侏罗统盐岩、下白垩统富砂碎屑岩、上白垩统泥页岩和碳酸盐岩的显著旋回变化^[69]。

哈德里环流形成的北半球干旱带长期控制了现今中亚和东亚地区的白垩纪沉积环境(图3),使得上述地区在北纬40°以南的降雨量偏低,陆相沉积以氧化环境的红层为主,近海的泰国呵叻(Khorat)盆地和中国兰坪-思茅盆地甚至形成了厚层白垩系钾盐沉积^[70](图4^[70-72])。直至41 Ma之后,在青藏高原隆升、副特提斯洋退却和全球变冷的协同驱动下,东南季风与西南季风显著增强,中国华北东部和华南地区的降雨量增加^[73],渤海湾至北部湾的一系列盆地发育了始新统和中新统烃源岩(图4),奠定了中国东部和南部的油气物质基础。

2.2 费雷尔环流影响的中纬度油气富集

费雷尔环流是位于中纬度区(约40°~60°),受哈德里环流和极地环流驱动而成的间接环流,主要依赖于斜压涡旋活动的动能输送,而非简单的热力驱动^[74]。在近地面层,受地转偏向力影响,北半球盛行西南风,南半球盛行西北风,共同构成了中纬度盛行的西风带(图4)。西风是驱动中纬度区大洋表层环流的主要动力,在美洲大陆东侧形成南北分支的暖流和寒流(图2),将富营养海水带到大陆架区域,激发海洋初级生产力,为烃源岩发育提供物质基础。然而,美洲大陆西侧属于巨型的东太平洋俯冲带(图2),对油气保存具有明显的俯冲破坏作用,这可能是至今未在中纬度区的加拿大西部海域和秘鲁南部海域发现白垩系油气的重要原因。

西风可以将来自海洋的水汽长距离传送至陆地,导致中纬度极端降水多发生在费雷尔环流的气旋锋面和西风输送带上,进而控制了陆地温带湿润区的分布和有机碳富集^[25,75],有利于中纬度区的陆相油气形成。如中国的松辽、海拉尔、二连盆地(图2和4)和阿根廷的圣乔治(San Jorge)盆地^[76]的油气均是来自于白垩系陆相烃源岩。位于北纬40°以北的中国北票、建昌、滦平、阜新、秀水、蛟河和柳河等华北和东北地区的众多山间小盆地也广泛发育白垩系陆相黑色页岩。在白垩纪极热气候和高海平面环境背景下,中纬度区的大型陆相盆地可能因海平面上升转为海相沉积,但仍受强烈陆源输入影响,主要发育碎屑岩型的油气储层。如南大西洋的阿根廷内乌肯(Neuquén)^[77]和奥斯特拉尔-麦哲伦(Austral-Magallanes)^[78]盆地,以及北美大陆西部海道的加拿大阿尔伯塔(Alberta)盆地^[79]的白垩系烃源岩发育均与海侵作用有关,且油气均主要富集在海相和海陆过渡相砂岩中。

3 大洋-海道系统演化影响的区域性油气分布特征

白垩纪冈瓦纳大陆的持续裂解和南大西洋、印度洋的打开,在南大西洋两侧和新特提斯域形成了大量裂谷盆地和被动陆缘盆地,但盆地间油气富集的程度、层位和类型存在明显差异,可能与所处大洋-海道系统的演化进程有关。一方面,关键海道的启闭和海平面升降可以通过调控区域性乃至全球性古气候,影响烃源岩、储层和盖层的发育。另一方面,大洋或海道启闭过程中的板块运动(如俯冲、碰撞)会导致沉积盆地发生构造反转,进而影响油气的生成运移、圈闭的形成和保持等,最终形成油气富集的区域性差异。

3.1 南大西洋打开和新特提斯洋关闭过程中的油气形成与富集机制

南大西洋打开和新特提斯洋关闭是白垩纪最重要的板块构造运动,体现了拉张和挤压两种截然不同的动力学背景,但都形成了世界级的油气富集区,比较典型的是南大西洋西侧的桑托斯盆地和波斯湾地区的扎格罗斯盆地,二者之间的对比分析可以诠释地球多圈层相互作用如何通过控制盆地演化、沉积环境、热演化史和圈闭形成,最终主导了油气的形成与富集(图5^{[31,68,80-82]})。

(1)盆地动力学背景。两个盆地都位于大型陆块边缘,但构造演化分别受控于大洋的关闭和打开过程(图5a)。在特提斯洋演化过程中,扎格罗斯盆地先后经历了裂谷(古生代)、被动大陆边缘(中生代)和前陆盆地(新生代)的多期演化,沉积层系多(图5b)^[83]。白垩纪处于被动大陆边缘的扎格罗斯盆地构造环境稳定,沉积范围广。桑托斯盆地是一个相对年轻但演化速度较快的盆地,快速经历了从陆内裂谷到被动大陆边缘的演变,盆地内发育的大量北东-南西走向的地堑和半地堑(图5b),是优质湖相烃源岩发育与油气富集的关键^[84]。

(2)气候环境背景。两个盆地的气候环境都受哈德里环流控制,发育了优质的烃源岩、碳酸盐岩和盐岩。扎格罗斯盆地在白垩纪位于ITCZ(图5c),主要沉积海相富有机质泥灰岩和碳酸盐岩,烃源岩层系多(图5d),受全球气候变化和缺氧事件的影响更为明显^[83]。浅海相沉积的碳酸盐岩孔隙度大,但连通性差,优质储层形成主要得益于后续的碰撞造山产生的密集裂缝系统(图5b)^[85]。扎格罗斯盆地在新近纪进入干旱带环境(图5c),发育中新统下法尔斯(Lower Fars)组及同期沉积的盐岩,是最为重要的油气盖层(图5d)。上白垩统-始新统页岩和致密泥灰岩也对白垩系生成的油气提供了多级封盖(图5d),整体保存条件良好^[86]。桑托斯盆地自白垩纪打开以来长期位于干旱带环境(图5c),经历了陆相向海相的沉积变化,发育了裂谷期的湖相富有机质页岩和碳酸盐岩、过渡期的盐岩和被动陆缘期的海相灰岩、页岩和砂岩等(图5d)^[84]。其中,巨厚的下白垩统阿里里(Ariri)组盐岩(图5b),是盆地内陆相和海相两套含油气系统的关键分隔层,不仅是盐下油气的最重要盖层,也通过塑性流动和盐构造形成油气圈闭^[80]。大型河流对桑托斯盆地的烃源岩和储层发育具有重要意义,如湖相烃源岩发育得益于源自ITCZ的奥斯特里斯(Australis)河的贡献^[3],海相砂岩储层发育则受南帕拉伊巴(Rio Paraiba do Sul)河的陆源碎屑输入影响^[84]。另外,深部热液对桑托斯盆地湖相灰岩进行了强烈的溶蚀改造,是盐下优质储层形成的关键,但也导致储层的非均质性较强^[87]。桑托斯盆地海相油气系统具有近岸至深水的碎屑岩、深水碳酸盐岩、泥页岩的带状分布特征,但在OAE2时期受全球气候变化影响,全盆地广泛发育伊塔雅伊-阿苏(Itajaí-Açu)组烃源岩(图5d)^[84]。

(3)油气生成与运移。两个盆地的油气生成与运移成藏期都主要发生在晚白垩世和新生代,但分别受控于挤压深埋和盐岩封闭效应。在白垩纪末期以来的挤压构造背景下,扎格罗斯盆地的白垩系烃源岩持续深埋加热,经历了多期生烃和排烃过程。油气通过挤压形成的密集裂缝和逆冲断层多向运移,在构造圈闭(如大型背斜、断层相关褶皱等)中富集成藏,具有高度一致的北西-南东向走向特征^[85]。桑托斯盆地的陆相烃源岩在盐岩沉积后快速成熟和生烃,盐岩的隔热效应进一步加速了烃源岩生烃^[88]。油气主要依靠盐下碳酸盐岩储层的自身孔隙和裂缝进行侧向和垂向运移,在盐下构造高部位富集成藏,以构造-地层型复合圈闭为主;盐岩破裂提供了少量的垂向运移通道,使得盐下油气也可以在盐上储层中富集成藏^[80]。桑托斯盆地的海相烃源岩由于埋深较浅,绝大部分地区的成熟度偏低,对盆地内已发现油气的贡献较低^[88]。

(4)油气远景。根据两个盆地的油气形成与富集机制,可以推测非洲西海岸白垩系油气资源潜力巨大。一方面,西非的加蓬海岸(Gabon Coastal)、下刚果(Lower Congo)、宽扎(Kwanza)盆地与巴西海岸的桑托斯、坎波斯(Campos)盆地共轭,同属一个早白垩世含盐盆地(图6a),有着相同的由陆相向海相变化的沉积环境(图6b)^[89]。另一方面,南美洲和非洲之间转换边缘在早白垩世的走滑断裂和南大西洋赤道段的打开,使得西北非海岸与南美北部海岸逐渐分离,在晚白垩世分别处于中大西洋和古加勒比海的被动陆缘环境^[90-91](图6)。目前,南美洲北部的马拉开波、东委内瑞拉、圭亚那(Guyana)盆地和西北非海岸的塞内加尔(Senegal)盆地均已发现世界级油气田,且主力烃源岩均形成于OAE2时期^[90-92];摩洛哥-西撒哈拉的被动陆缘盆地虽发育含塞诺曼阶-土伦阶在内的多套优质烃源岩,但已发现的可采油气储量仅3 920万吨油当量^[93],指示该区仍有发现大油气田的潜力。需要注意的是,南美洲在新生代以来逐渐远离Tuzo地幔柱,沿岸盆地的地温梯度相对较低,石油更为丰富;非洲大陆长期位于Tuzo地幔柱之上,西海岸盆地群的地温梯度较高,天然气占比更高(图6b)。根据目前的勘探发现,东委内瑞拉、马拉开波、桑托斯和坎波斯盆地的油气可采储量中的石油占比分别高达90%、83%、73%和72%^[94];圭亚那盆地的油气探明储量已超25亿吨油当量,其中石油占74%^[91]。相比而言,塞内加尔盆地的油气探明储量约14.6亿吨油当量,其中88%是天然气,石油和凝析油的储量只有1.1亿吨和0.7亿吨^[95];宽扎盆地超6亿吨油当量的已探明油气主要来自盐下陆相油气系统,天然气占比高达60%,凝析油和石油占比分别为25%和15%^[96];下刚果和加蓬海岸盆地的已探明油气储量中的石油占比虽达到75%以上,但油气主要来自盐上海相油气系统,推测盐下油气系统因热演化成熟度更高,天然气占比应该更高。近年来,大西洋两岸盐下陆相油气资源的持续发现,也进一步提升了陆相油气资源在未来油气勘探中的重要性。

3.2 关键海道开启与关闭影响的区域性油气富集

连通两个大洋的关键海道(如现今的塔斯马尼亚海峡、德雷克海峡、白令海峡和已闭合的巴拿马海峡等)的启闭可以通过改变洋流路径、全球热量输送和碳储存能力,深刻影响全球气候系统^[97]。除南大西洋和新特提斯洋外,白垩纪多个关键海道的启闭也深刻影响了欧洲北海、加勒比海、北美和非洲大陆上的含油气系统发育与油气富集程度。

3.2.1 维京海道打开终止北海盆地的烃源岩发育并促进碳酸盐岩发育

维京(Viking)海道是指白垩纪期间位于挪威与格陵兰之间的一个相对狭窄的浅海通道,连接了北部的北冰洋和南部的北海盆地,之后逐渐拓宽成为现今的北大西洋(图3)。维京海道在三叠纪、侏罗纪就曾多次打开^[25],但在早白垩世贝里阿斯期—巴雷姆期,受北大西洋裂解早期引起的地壳抬升影响,维京海道很浅甚至部分暴露于海平面之上,阻碍了北冰洋与北海盆地的水体交换^[3]。当时的北海盆地处于费雷尔环流带(图3a-b),发育了贝里阿斯阶德若普内(Draupne)组烃源岩^[25]。随着北大西洋持续裂解和全球海平面上升,维京海道在阿普特期—塞诺曼期再次打开,形成贯通北冰洋和北海盆地的宽阔水域^[3](图3c-d)。在全球海平面上升到白垩纪最高峰时(95 Ma),维京海道成为一个开放、水深较大的通道(图3e-f),使得北冰洋水团可以自北向南进入北海盆地^[98]。北冰洋水团冷且富氧,下沉进入北海盆地深部,终结了缺氧环境和烃源岩发育。维京海道打开和氧化环境扩张也使得盆地内的颗石藻等钙质微生物超级繁盛,形成富含孔隙的厚层碳酸盐岩,成为优质的油气储层^[25]。

3.2.2 古加勒比海关闭促进加勒比海南侧盆地的烃源岩成熟演化

古加勒比海是曾经位于南、北美洲之间的开阔海域,是低纬度地区连通太平洋、中大西洋和特提斯洋的关键通道^[99](图3a-f)。南美大陆北部在白垩纪长期处于强降雨的ITCZ(图3),古奥里诺科(Orinoco)等河流将大量陆源风化营养物和碎屑物带入古加勒比海^[100]。在科里奥利力和大气环流的共同作用下,古加勒比海表面形成顺时针的气旋式洋流,并受东北信风驱动的离岸流影响,形成强劲的上升洋流,将大洋深部营养物带至表层海水^[101],有利于近海的生产力勃发和烃源岩发育。尤其是在塞诺曼期—土伦期的OAE2最大海侵期,南美大陆北缘的马拉开波、东委内瑞拉和圭亚那等盆地处于被动陆缘环境,广泛发育优质烃源岩,成为现今加勒比海地区已发现油气的最重要烃源层^[92]。自晚白垩世到中新世,法拉隆(Farallon)板块俯冲作用推动加勒比板块持续东向移动,自西向东楔入南、北美洲之间,古加勒比海逐渐俯冲消亡,形成古加勒比弧^[100]。加勒比板块继续向南美板块斜向俯冲碰撞,古加勒比弧则向北东向移动,最终与巴哈马台地碰撞,导致马拉开波、东委内瑞拉和圭亚那等盆地逐渐由被动陆缘盆地向前陆盆地演变^[102]。这也使得前期沉积的烃源岩被压入盆地深部,在俯冲引起的高地热流作用下,有机质快速成熟生成大量油气资源^[92]。

3.2.3 北美西部内陆海道和跨撒哈拉海道形成导致陆内出现海相油气富集

北美西部内陆海道和跨撒哈拉海道都是构造活动和白垩纪中期全球海平面上升共同作用的结果(图3e-f),它们的形成导致了北美和非洲大陆内部出现白垩系海相油气富集。不同的是,北美西部内陆海道的海侵面积、水体深度和持续时间均超过跨撒哈拉海道,使得前者的白垩系油气更为富集。

晚侏罗世至白垩纪,法拉隆板块向北美大陆俯冲形成南北延伸超过2 000 km的大型褶皱与逆断层带^[103]。巨大的山脉负载导致北美大陆岩石圈发生挠曲沉降,在山脉东侧形成了巨大宽阔的坳陷带,即西部内陆前陆盆地^[103]。随着白垩纪全球海平面不断升高,海水从北冰洋和墨西哥湾双向涌入地势低平的前陆盆地,形成了长度超3 000 km的北美西部内陆海道^[104]。海道内的最大水深可能从未超过300 m^[105],来自西部山脉的大量碎屑物使得海道西侧的沉积速率普遍较高,有机质可以得到快速掩埋,而海道东侧整体缺乏陆源碎屑沉积物供给,以碳酸盐岩沉积为主^[104]。自阿尔布期(Albian)至马斯特里赫特期,北美内陆海道经历了5次二级层序尺度上的海侵-海退旋回,发育了莫里(Mowry)页岩(约120 Ma,OAE1a)、格林霍恩(Greenhorn)组(约94 Ma,OAE2)、奈厄布拉勒(Niobrara)组(约85 Ma,OAE3)等多套烃源岩^[104]。海进-海退旋回也形成了海相砂岩、碳酸盐岩、三角洲砂岩等多种类型的优质储层,在广泛沉积的海相页岩封盖下,形成了白垩系油气富集。

非洲大陆由多个稳定的陆块在泛非运动中拼合而成,陆块拼接位置作为先存构造,在白垩纪冈瓦纳大陆裂解动力影响下,沿中非和西非巨型走滑剪切带形成了中西非裂谷盆地群^[21]。全球海平面上升使得南大西洋和新特提斯洋的海水分别从中非裂谷区和北非沉降区进入非洲大陆,形成长达2 500~3 000 km的跨撒哈拉海道^[106]。自塞诺曼期至始新世,跨撒哈拉海道经历了3次二级层序尺度上的海侵-海退旋回^[106],但最大水深可能不超过50 m,表现为浅海生态系统^[107]。由于跨撒哈拉海道处于ITCZ(图3e-f),浅海浮游藻类、近岸红树林和陆地热带雨林发育^[107],为浅海氧化水体的黑色页岩和煤层沉积提供了重要的海生和陆源有机质^[62,108-110],与东南亚多岛海构造体系域的新生代海侵三角洲相煤系烃源岩^[24]具有类似之处。这也导致跨撒哈拉海道的泰尔米特(Termit)盆地的上白垩统丹加(Donga)组和尤古(Yogou)组烃源岩虽然以II₂-III型干酪根为主,但有着较强的生油气能力^[110]。

4 微生物主导白垩系油气富集的证据和特征

传统观点将中生界,尤其是白垩系油气的全球性富集归因于微型真核浮游藻类(如硅藻、颗石藻、沟鞭藻)的超级繁盛^[111]。在极热气候环境和大火成岩省提供丰富营养物的情况下,这些真核浮游藻类通过有机和无机两种截然不同的生命策略,以前所未有的效率和规模固定地球表层的CO₂,将其以有机碳和碳酸盐的形式大规模封存在岩石圈中,不仅深刻影响了全球碳循环和气候演化^[3],对白垩系烃源岩和碳酸盐岩储层发育也有着决定性贡献。近年来的研究发现,除微型真核浮游藻类外,微型原生动物(如纤毛虫)、原核细胞型微生物(包括古菌和细菌)、非细胞型的病毒等微生物可以通过一系列复杂的生物地球化学过程,也深刻影响海洋有机碳循环和有机质埋藏^[112],对油气形成和富集有着至关重要的作用。因此,微生物应该是白垩系全球油气富集的主导者。

4.1 微生物是重要的有机质母源

微生物可以利用光、热等能量来源,构成一个多级高效的生产系统,为沉积有机质提供多样化的母质来源(图7^[113-114])。有氧和厌氧光合作用微生物对沉积有机质的贡献已被广泛认可^[113]。其中,有氧光合作用微生物(如微型浮游藻类和蓝细菌)是初级生产力的最重要贡献者,所制造的颗粒有机质(particular organic carbon,POC)以及微型原生动物产生的粪球粒通过化学和微生物作用,不断消耗表层水体中的溶解氧、水合铁氧化物、硫酸盐等氧化剂,在形成缺氧环境的过程中,绝大部分被转化成溶解有机质(dissolved organic carbon,DOC)和CO₂,仅有极少部分(<1%)进入沉积物并保存下来^[115]。绿色细菌、紫硫细菌等厌氧光合作用微生物是透光缺氧水体的最重要生产力来源,所制造有机质因缺少氧化剂降解,保存比例显著高于需氧光合作用生物(图7)。另外,化能自养/异养的古菌可以在极端环境生成有机质,并进入沉积物^[113]。甲烷营养菌的3β-甲基藿烷和产甲烷菌的甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)等特殊化合物在白垩系富有机质页岩中的检出,以及有机质δ¹³C_org值明显偏重(>-22‰)或偏轻(<-40‰),表明化能自养/异养生物的贡献也不容忽视,甚至可以成为沉积有机质的重要生物母源^[116-117]。

更为重要的是,异养微生物(如产甲烷菌)对初级生产有机质的降解和改造可以对易生油气的类脂化合物进行选择性保存^[118],使得微生物改造有机质(如层状藻类体、无定形体、沥青质体)的氢碳比(H/C)显著高于初始有机质(如结构藻类体)^[119],在有机质热演化过程中更容易裂解生成石油和天然气。参与有机降解过程的微生物(如硫酸盐还原菌、产甲烷菌)其自身死亡后也会贡献大量新的、富含类脂物的有机质^[119],成为沉积有机质的二次生产力。因此,微生物繁盛可能是白垩系油气富集的关键,甚至是石油的重要母质来源。

4.2 钙质微生物繁盛形成碳酸盐岩建造

白垩纪极热气候和高的大气CO₂浓度为钙质微生物种群(如有孔虫、颗石藻、沟鞭藻、蓝细菌等)的繁盛和演化提供了有利的环境条件,进而奠定了微生物碳酸盐岩建造的物质基础^[120]。这些钙质微生物通常表现出特殊的环境适应性,如耐盐性和耐碱性。这些环境适应性使它们能够在各种水体环境中繁盛,进而占据生态优势,尤其是在寡营养状态下^[121]。例如,欧洲北海盆地的白垩发育鼎盛期与海水表面温度最高记录、以及陆缘海中有利于微生物钙化的高碱度和寡营养环境相吻合^[122]。微生物碳酸盐岩的建造方式包括粘结捕获、诱导矿化和生物矿化等多种^[123]。其中,粘结捕获是最经典、最古老的微生物造岩方式,主要依靠微生物(如蓝细菌)的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)为碳酸盐矿物提供了良好的成核位点,直接粘结和捕获水体中的矿物颗粒。这种建岩方式的典型产物是叠层石,其纹层结构记录了微生物席的周期性生长、捕获和粘结碳酸盐岩矿物的过程。诱导矿化是最重要、最普遍的微生物造岩方式,是指微生物(如蓝细菌、异化铁还原菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等)通过其新陈代谢活动间接改变周围微环境的物理化学条件,导致碳酸盐过饱和,随后在微生物的胞外聚合物上结晶沉淀。生物矿化在白垩纪最为典型^[124-125],是指生物体(如有孔虫、颗石藻)在细胞内或特定有机模板上形成碳酸盐岩矿物骨骼,在生物死亡后大量堆积成岩。

微生物碳酸盐岩普遍具有强烈的矿物学和结构非均质性,且先天发育大量孔缝系统。在风化淋滤和后期成岩过程中,很容易通过差异化溶蚀形成大量溶孔、溶洞和溶缝,极大地改善岩石的孔隙度和渗透性。由此导致微生物碳酸盐岩成为白垩系油气最重要的油气储层类型,在波斯湾、墨西哥湾、欧洲北海和南大西洋两侧等地区形成大量碳酸盐岩油气田^[2]。

5 结论与展望

本文基于多圈层驱动油气形成与富集的学术思想,以全球巨量油气富集的白垩系为例,提出全球性油气富集并非单一地质因素作用的结果,而是地球深部系统、板块构造、气候-海洋系统和微生物协同作用的产物。白垩纪独特的地幔对流体系是驱动上述一系列地质事件的主要动力,地球深部动力引发大火成岩省喷发、洋壳产率增加、洋壳增厚、陆壳减薄、温室效应和海平面上升,为全球规模的烃源岩发育创造了优越的古地理、古气候和古环境条件。潘基亚大陆的持续裂解控制了行星风系驱动的气候纬向分带和大洋、海道的启闭,进而决定了含油气系统烃源岩、储层和盖层的时空分布。微生物作为连接有机碳埋藏和无机环境的关键纽带,是白垩系油气富集重要的物质基础。

本研究突破了传统石油地质学侧重于盆地与油藏研究的范式,将油气形成与富集置于地球系统演化的框架中,提出地球多圈层驱动白垩系油气形成与富集机制,未来还需重点关注下列方向的研究,以期进一步完善新的理论体系。

(1)深部过程与浅表响应耦合的定量模型。目前针对地球系统深部动力学过程与地表响应的关系多为定性描述,未来需借助各种观测数据与数值模拟,定量重建地幔柱上升和大火成岩省喷发的规模、时长与碳排放量,并将其与古地理和古气候模型进行全球尺度的耦合,定量描述深部物质和能量释放对全球温度和海平面变化、大陆化学风化和营养物输入的影响程度,从而更精确地评估深部动力对油气生成潜力的影响。

(2)多圈层相互作用的关键因素与阈值识别。地球系统在不同时空尺度上存在多个关键因素和阈值,如海道打开与闭合的时间、OAEs启动时间和持续时长、大气环流影响的纬度范围等。未来应综合利用地质、地球物理和地球化学等多学科知识体系,精确厘定关键转折期重大地质事件发生的时序、空间位置和驱动机制,从地球多圈层作用的视角预测不同动力背景下的油气分布规律。

(3)微生物地球化学过程的精细刻画。微生物在油气形成与富集中的作用日益得到关注与重视,但研究程度因沉积岩中的微生物辨识难度大,进展缓慢。未来应结合分子地球生物学和高精度生物标志化合物分析,不仅要精确识别有机质的生物来源,更需要重建古微生物群落的生态结构、代谢途径及其对古环境变化的响应机制,量化不同微生物类群对油气形成与富集的贡献。

(4)人工智能驱动的全球预测。人工智能+科学时代的来临,驱动全球地质、地球物理、地球化学等多学科数据的整合,未来需要利用人工智能挖掘地球系统深部动力学特征、古地理格局、古气候指标与油气丰度之间的复杂非线性关系,建立油气智能预测模型,为新区、新层系、新类型的油气勘探提供科学依据和靶区优选。

(5)全球陆相油气潜力有待深入发掘。近年来,南大西洋西侧桑托斯和东侧非洲西南海岸等盆地盐下陆相超大型油气田的发现,进一步提升了陆相油气资源在未来油气勘探中的重要性,这也极大提升了中国致密/页岩油气勘探开发的信心。比如松辽盆地古龙页岩油资源量巨大,但资源禀赋特征与海相页岩油差异巨大,未来亟待多学科合力攻关,创新高黏土含量陆相页岩压裂理论与技术,为效益开发提供科技支撑。在全球油气资源勘探开发转向技术驱动和本土化战略的大背景下,不断引领适合中国油气资源禀赋的理论与技术创新。

总之,白垩系油气形成与富集的多圈层驱动机制研究,不仅有助于拓展油气勘探新疆域;也为我们理解地球系统如何运作、各圈层如何耦合提供了新的研究切入点。未来需要多学科更深入、更全面的交叉融合,从“定性描述”走向“定量模拟”,从“机制理解”走向“智能预测”,最终实现地球科学理论与资源勘探双重突破。

感谢两位审稿人的修改与建议,感谢中国石油大学(华东)钟建华教授和中国科学院地质与地球物理研究所刘牧副研究员、吕亦然博士、邱若原博士生在论文写作和图件绘制过程中提供的帮助和建议。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42288201)

国家自然科学基金项目(92255303)

国家自然科学基金项目(42202162)

国家自然科学基金项目(42372162)