古生代板块漂移速率与烃源岩发育之间的关系研究

The relationship between Paleozoic plate drift velocities and hydrocarbon source rock development

摘要

着眼全球板块漂移,针对其漂移速率是否影响烃源岩发育这一未知科学问题,本文以古生代为例,在对古生代全球板块古地理位置重建成果和全球主要板块烃源岩数据统计分析的基础上,进行了板块漂移速率计算、板块漂移速率与烃源岩发育水平之间的关系分析。研究结果表明,古生代全球板块平均漂移速率可分为低速(0.10~4.00 cm/a)、中速(4.00~8.00 cm/a)、高速(8.00~25.76 cm/a)3个级次。其中,低速漂移最有利于烃源岩的发育,中速漂移较有利于烃源岩的发育,高速漂移则不利于烃源岩的发育。而当板块低速漂移在低纬位置时更有利于烃源岩的发育,无论在烃源岩发育数量还是在高丰度烃源岩发育方面均具有极其明显的优势。显然,这一发现为全球油气资源的新发现和油气地质的理论研究提供了新的视角和依据。

Abstract

Focusing on global plate drift, this study addresses the open question of whether plate drift velocity influences the development of hydrocarbon source rocks. Taking the Paleozoic as an example, we reconstructed global plate paleogeography and statistically analyzed source rock data from major plates worldwide. On this basis, we calculated plate drift velocities and examined their relationship with source rock development. Our results show that the average drift velocities of global plates during the Paleozoic can be categorized into three levels: low (0.10-4.00 cm/a), medium (4.00-8.00 cm/a), and high (8.00-25.76 cm/a). Among these, low drift velocities were the most favorable for source rock development, followed by medium velocities, while high velocities were unfavorable. Furthermore, when low drift velocities occurred at low latitudes, they significantly promoted source rock development, showing distinct advantages in both the quantity of source rocks and the occurrence of high-TOC source rocks. These findings provide a new perspective and theoretical basis for global hydrocarbon exploration and for advancing petroleum geology research.

Graphical abstract

关键词

板块漂移速率 / 烃源岩 / 总有机碳(TOC)含量 / 耦合关系 / 古生代

Key words

plate drift velocity / hydrocarbon source rock / total organic carbon (TOC) content / coupling relationship / Paleozoic

0 引言

在地球历史演变过程中,板块漂移作为控制地球表层洋盆开合^[1-2]、超大陆聚散^[3-5]、气候环境演变^[6-7]、盆地产生^[8-10]、资源形成^[11]等的重要驱动力,其是否同样作为重要驱动力控制着烃源岩的发育?若是,它与烃源岩发育水平之间的控制和耦合关系是怎样的?对于上述问题我们还知之甚少,相关研究也未见报道。

古生代是地质历史上板块漂移速率变化明显和烃源岩大规模发育的重要时期。在这一时期,全球板块不仅经历了冈瓦纳大陆和劳亚大陆聚合成为潘吉亚超大陆的重大过程^[3-5,12-13],还发育了全球占比约50%的优质烃源岩(图1^[14])、占比约25%的已探明油气资源以及478个大型/特大型油气田等。因此,古生代是研究板块漂移速率与烃源岩发育关系的最理想场所。

本论文以古生代全球板块古地理位置最新重建结果为基础^[13],通过对古生代全球板块漂移速率的计算、同期全球烃源岩发育数据的收集与统计等,开展板块漂移速率与烃源岩发育水平之间的关系研究,以期揭示板块漂移速率控制烃源岩发育的规律,为全球油气资源的新发现提供崭新视角和科学理论依据。

1 古生代全球板块漂移速率计算

自板块构造学说产生以来,板块间相互运动速率的测量和研究便成为了地球科学领域的重要任务。基于板块古地理位置重建,进行地质历史时期古板块间运动速率的计算,无疑是当前人们普遍采用和最有效的方法。

1.1 古生代全球板块重建及漂移特征

1.1.1 古生代全球板块重建

过去几十年里,前人针对古生代全球板块重建做了许多研究工作^[5,15-18]。一些大板块(如劳伦板块、西伯利亚板块等)在全球格局中的位置已基本得到确认,但对于一些小陆块,特别是中国的华北、华南、塔里木古陆块,在全球超大陆中的位置,仍存在不同的观点和争议^[5,12,15,19]。

针对上述问题,本文作者及其团队,基于国际最新的板块位置重建研究方法和思路,在对中国三大陆块盆地(鄂尔多斯、四川、塔里木盆地)古生界钻井岩心开展古地磁实测研究的基础上,系统收集并筛选了全球古生代古地磁数据,结合对全球古生代古地磁数据的收集与有效性筛选处理、全球主要地质事件约束等多参数的综合融合,采用最新的GPlates板块重建技术方法,对全球28个主要古板块/古陆块进行了古地理位置的定位和重建^[13](图2)。显然,这项最新的重建研究成果为本次板块漂移速率的计算奠定了坚实基础。

1.1.2 古生代全球板块分布及漂移特征

重建结果^[13]揭示,在寒武纪(539~486 Ma),全球板块整体呈现“东聚西散”的分布和漂移特征。“东聚”板块主要包括澳大利亚、南极洲、阿拉伯、刚果等,在该时期,它们分别由0°和70°S向中间漂移,使冈瓦纳大陆内部板块更紧密地聚合在一起;“西散”板块主要包括波罗的、西伯利亚、劳伦板块等,它们则呈分散状,在20°N和60°S之间呈逆时针旋转漂移(图2a)。

在奥陶纪—中泥盆世(486~382 Ma),全球板块整体呈现“东西相聚”的分布及漂移特征。东部板块的冈瓦纳大陆在该时期主要经历了“北向—顺时针旋转”的复合漂移过程,整体位于20°N至70°S;西部的板块则主要经历了“北向—北东向”的漂移过程,并在过程中聚合形成了劳亚大陆,整体位于50°N至40°S之间漂移。游离的华北、华南和塔里木陆块位于中部,在25°N和20°S之间向北漂移(图2b)。

在晚泥盆世—中二叠世(382~260 Ma),冈瓦纳大陆和劳亚大陆进一步“会聚拼合”形成潘吉亚超大陆后,作为整体顺时针在70°N和70°S、6°E和160°W之间旋转漂移(图2c)。

1.2 古生代全球板块漂移速率计算

1.2.1 计算方法

GPlates作为当前全球最先进的可视化板块重建软件(https://www.gplates.org/docs/),不但可以实现包括古地磁、古生物、地球化学等多学科、多数据在内的综合性板块重建,而且还提供了板块运动速度场的模拟功能,利用它可以准确计算板块漂移速度的大小和方向^[20-21]。

1.2.2 计算结果分析

利用GPlates软件中的“Calculated Velocity Fields Layer”功能模块,我们对古生代28个重建板块按照每1 Ma的时间间隔进行了板块漂移速率的计算。结果显示,古生代全球板块的漂移速率变化范围为0.10~25.76 cm/a,平均板块漂移速率则介于2.74~13.91 cm/a。根据速率的数值分布特征,可将板块平均漂移速率划分为低速(0.10~4.00 cm/a)、中速(4.00~8.00 cm/a)和高速(8.00~25.76 cm/a)3个级次的变化区间(图3)。

低速(0.10~4.00 cm/a)区间主要发生在早中寒武世的533~503 Ma和泥盆纪—石炭纪的395~299 Ma两个时段。其中,在533~503 Ma时段,全球共有23个板块处于低速漂移状态,包括劳伦、塔里木、印支、阿拉伯、澳大利亚板块等;在395~299 Ma时段,全球共有9个板块处于低速漂移状态,包括刚果、西非、印度、撒哈拉、塔里木、中天山、印支、波罗的和劳伦板块。

中速(4.00~8.00 cm/a)区间主要发生在中晚寒武世的502~491 Ma、奥陶纪—早泥盆世的479~396 Ma 和早中二叠世的298~262 Ma 3个时段。其中,在502~491 Ma时段,全球共有20个板块处于中速漂移状态,包括波罗的、滇缅马苏、南秦岭和澳大利亚板块等;在479~396 Ma和298~262 Ma时段,全球28个重建板块均处于中速漂移过程中。

高速(8.00~25.76 cm/a)区间发生在晚寒武世—早奥陶世的490~480 Ma时段,期间全球共有23个板块处于高速漂移状态。其中,拉萨、南秦岭和澳大利亚板块的漂移速率尤为显著,达到19.57 cm/a以上。

2 古生界全球板块烃源岩发育特征

2.1 数据来源

本次研究使用的烃源岩数据主要来源于英国C&C Reservoirs数据库(2025)^[14]、美国S&P Global EDIN数据库(2025)^[22]以及前人发表文献中的数据。

其中,C&C Reservoirs数据库(2025)和S&P Global EDIN数据库(2025)^[14,22]作为国际主流的商业数据库,涵盖了全球250多个国家油气勘探与开发全过程中的关键数据内容,已广泛应用于全球勘探开发研究、油气资源评价、地质分析、工程设计和战略决策等多个专业领域。其数据成果可以满足本次研究的需求。

2.2 古生界全球板块烃源岩发育特征

对全球烃源岩发育信息(包括数量、地层分布、总有机碳含量等)的调研和统计分析发现,全球28个重建板块中共有13个板块内发育有205套烃源岩(图1^[14]),分布于55个沉积盆地中,并且这些烃源岩主要集中发育在劳伦、波罗的、塔里木和阿拉伯板块的盆地内,其烃源岩套数(144套)和盆地数量(35个)分别占全球总数量的70%和64%。

在层系上,虽然盆地内各层系均有烃源岩发育,但主要集中发育在奥陶系(34套)、上泥盆统-下石炭统(58套)和上石炭统-中下二叠统(48套)中,它们分别占总套数(205套)的17%、28%和23%。其中上泥盆统-下石炭统和上石炭统-中下二叠统烃源岩所贡献的油气储量约占全球油气总储量的25%,被认为是古生界的主力烃源岩^[17-18]。

在岩石类型上,205套烃源岩基本可分为黏土岩、碳酸盐岩、互层混合和煤系四大类。其中,黏土岩类烃源岩共142套,碳酸盐岩类38套,互层混合类18套,煤系类7套,它们分别占烃源岩总套数(205套)的69%、19%、9%和3%。

在总有机碳(TOC)含量上,不同类型的烃源岩表现出明显差异。其中,黏土岩类烃源岩的TOC含量介于0~43.00%,平均TOC含量为0.25%~15.00%;碳酸盐类烃源岩的TOC含量介于0~14.00%,平均TOC含量为0.06%~5.00%;互层混合类烃源岩的TOC含量介于0~27.00%,平均TOC含量为0.61%~5.40%;煤系烃源岩的TOC含量介于0.52%~85.00%,平均TOC含量为0.80%~28.00%。进一步地,按照黏土岩类平均TOC含量≥2%、碳酸盐类平均TOC含量≥0.5%、互层混合类≥1%以及煤系类≥5%的高丰度烃源岩划分标准,可确认出古生界高丰度烃源岩分别有黏土岩类97套、碳酸盐类29套和互层混合类15套,它们的平均TOC含量分别为4.58%、1.63%和3.02%,而煤系类中未有高丰度烃源岩发育。

总之,黏土岩类烃源岩无论在烃源岩数量、TOC含量及高丰度的发育方面都具有较高优势,其次是碳酸盐岩类烃源岩,再次为互层混合类烃源岩,最差为煤系类。鉴于黏土岩类和碳酸盐岩类烃源岩占据了古生界烃源岩发育的主要部分,下面主要针对黏土岩类和碳酸盐岩类烃源岩进行分析。

3 板块漂移速率与烃源岩发育水平之间的关系分析

3.1 全球平均板块漂移速率与烃源岩发育的时代关系

全球平均板块漂移速率与烃源岩发育时期之间的关系揭示出(图3):低速(0.10~4.00 cm/a)漂移时的烃源岩主要发育在早中寒武世(533~503 Ma)、泥盆纪—石炭纪(395~299 Ma)两个时期;中速(4.00~8.00 cm/a)漂移时主要发育在中晚寒武世(502~491 Ma)、奥陶纪—早泥盆世(479~396 Ma)、早中二叠世(298~262 Ma)3个时期;高速(8.00~25.76 cm/a)漂移时主要发育在早奥陶世(490~480 Ma)1个时期。

3.2 均方根板块漂移速率与烃源岩数量及修剪平均TOC含量值之间的关系

为了将板块漂移速率在每百万年尺度上发生的动态变化转化为直观等效的数值、以及减弱异常值对整体平均值的影响,提高结果的准确性和稳定性,本研究采用均方根(Root Mean Square, v_rms)速度计算法^[20]和修剪均值法(Trimmed Mean)^[23-25]分别对板块漂移速率和烃源岩的平均TOC含量进行了处理。

均方根板块漂移速率处理结果表明,其可明显划分出均方根低速(0.97~4.00 cm/a)、中速(4.00~8.00 cm/a)和高速(8.00~12.76 cm/a)3个区间范围,与烃源岩发育水平之间的对应关系表现出,低速板块无论在烃源岩数量还是TOC含量方面均具有较好优势,其次是中速板块漂移,最差为高速板块漂移时。这与本团队初期烃源岩较少时的研究认识相一致^[26]。具体有以下3个特征(图4):(1)在均方根低速(0.97~4.00 cm/a)区间,共发育烃源岩125套。其中,黏土岩类101套,碳酸盐岩类24套,分别占黏土岩类总数量(142套)的71%和碳酸盐岩类总数量(38套)的63%,二者合计占总数量(180套)的69%。在修剪平均TOC值方面,黏土岩类为3.46%,碳酸盐岩类为1.30%(图4),均显著远超高丰度烃源岩的划分标准(黏土岩类平均TOC含量≥2%、碳酸盐类平均TOC含量≥0.5%)^[27-28]。(2)在均方根中速(4.00~8.00 cm/a)区间,共发育烃源岩48套。其中,黏土岩类36套,碳酸盐岩类12套,它们分别占黏土岩类总数量(142套)的25%和碳酸盐岩类总数量(38套)的33%,二者合计占总数量(180套)的27%。在修剪平均TOC含量值方面,黏土岩类为2.59%,碳酸盐岩类为1.06%(图4),基本达到高丰度烃源岩的划分标准。(3)在均方根高速(8.00~12.76 cm/a)区间,仅发育烃源岩7套。其中,黏土岩类5套,碳酸盐岩类2套,分别占黏土岩类总数量的4%和占碳酸盐岩类总数量的6%,二者合计占总数量(180套)的4%。在修剪平均TOC含量值方面,黏土岩类为0.61%,碳酸盐岩类为0.51%,未达到或基本达到高丰度烃源岩划分标准(图4)。

3.3 均方根漂移速率与不同纬度烃源岩发育关系

基于重建结果(图2),对古生界全球板块烃源岩发育时的古纬度位置进行定位后的统计分析结果表明,低速控制下的低纬度区间,在烃源岩发育数量和有机碳含量方面均占据绝对优势,其次是低速中纬、中速低纬区间,最差为高速高纬区间,烃源岩发育极为有限。具体有以下3个特征(图5):(1)在均方根低速(0.97~4.00 cm/a)与低纬(5°~30°N/S)区间,共发育烃源岩100套,其中,黏土岩类81套,碳酸盐岩类19套,二者合计占古生界总烃源岩数量(180套)的56%;在修剪平均TOC值方面,黏土岩类为3.70%,碳酸盐岩类为1.42%,均显著高于高丰度烃源岩的划分标准^[27-28]。(2)在低速中纬(30°~60°N/S)、中速(4.00~8.00 cm/a)低纬(5°~30°N/S)和中速中纬(30°~60°N/S)区间,共发育烃源岩61套,共占烃源岩总数量(180套)的34%。其中在以上3个区间内,分别发育烃源岩15套、34套和12套,占烃源岩总数量(180套)的8%、19%和7%。在修剪平均TOC含量值方面,三者均基本达到高丰度烃源岩的划分标准。(3)在低速高纬(60°~90°N/S)、中速高纬以及高速(8.00~12.76 cm/a)的任何纬度区内,仅零星或未见烃源岩发育,且皆未达到高丰度烃源岩划分标准。

另外,值得说明的是,在低纬度(0°~5°N/S)热带辐合带(ITCZ)^[29]的任何速度区内,虽然总体上烃源岩均发育相对较差,但在其低速区内,烃源岩的发育数量及质量还是要好于中速和高速区。例如:在其低速区内,共发育烃源岩10套,而在其中速和高速区中,合计仅发育4套烃源岩;在修剪平均TOC含量值方面,其碳酸盐岩类烃源岩的TOC含量(1.32%)还达到了高丰度烃源岩的划分标准(图5),显示出低速漂移对烃源岩发育的控制作用。

4 启示意义

纵观世界油气勘探和地质研究的历史,前人主要从古纬度/古气候/古环境^[30-31]、古盆地/古沉积环境^[8,32]、古地质事件^[7,29,33]等角度探讨了烃源岩形成和发育的机制,并指出了长期处于低纬度热带辐合带的克拉通周缘易于形成优质生-储-盖组合、全球重大事件对烃源岩发育和页岩油气富集起重要控制作用等烃源岩发育和分布的规律^[8,29],显然这些研究对现今的油气勘探成果起到了重大的指导作用。然而,本文的研究,又进一步揭示出板块漂移速率与烃源岩发育之间存在的良好对应关系。显然,这为我们理解盆地中烃源岩的形成与发育开启了一个全新的视角,也为全球油气资源的新发现和油气地质理论的深化研究提供了新的启示。

需要指出的是,鉴于篇幅所限,低漂移速率控制烃源岩发育的具体机制将在后续的文章中进行专门系统讨论与论述。

5 结论

(1)基于古生代全球板块古地理位置最新重建结果进行的板块漂移速率计算,揭示出古生代全球板块的漂移速率可分为低速(0.10~4.00 cm/a)、中速(4.00~8.00 cm/a)、高速(8.00~25.76 cm/a)3个级次。

(2)全球板块漂移速率与烃源岩发育数量、TOC含量之间的对比分析结果表明,无论在烃源岩的发育数量还是质量方面,低速漂移最有利于烃源岩的发育,其次是中速漂移,最差为高速漂移。3类速率在全球烃源岩发育数量上的占比分别为69%、27%和4%;在修剪平均TOC含量值方面,其黏土岩类烃源岩分别为3.46%、2.59%和0.61%,碳酸盐岩类分别为1.30%,1.06%和0.51%。

(3)当板块低速(0.10~4.00 cm/a)漂移在低纬(5°~30°N/S)位置时,更有利于烃源岩的发育,在烃源岩发育数量和高丰度烃源岩发育方面均具有极其明显的优势。

参考文献

[1] WANG P, ZHAO G, LIU Q, et al. Evolution of the Paleo-Tethys Ocean in eastern Kunlun, North Tibetan Plateau: from continental rift-drift to final closure[J]. Lithos, 2022, 422/423: 106717.

[2] JAFARI A, GHASEMI H. Geologic history of the Sabzevar oceanic Basin, NE Iran: an overview from continental rifting to obduction in the NeoTethys oceanic system[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2023, 245: 105559.

[3] MERDITH A S, WILLIAMS S E, MÜLLER R D, et al. Kinematic constraints on the Rodinia to Gondwana transition[J]. Precambrian Research, 2017, 299: 132-150.

[4] MERDITH A S, WILLIAMS S E, COLLINS A S, et al. Extending full-plate tectonic models into deep time: linking the Neoproterozoic and the Phanerozoic[J]. Earth-Science Reviews, 2021, 214: 103477.

[5] ZHAO G, WANG Y, HUANG B, et al. Geological reconstructions of the East Asian blocks: from the breakup of Rodinia to the assembly of Pangea[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 186: 262-286.

[6] BOUCOT A J, XU C, SCOTESE C R, et al. Phanerozoic paleoclimate: an atlas of lithologic indicators of climate[M]. Tulsa, Oklahoma, U.S.A.: SEPM (Society for Sedimentary Geology), 2013.

[7] 李江海, 姜洪福. 全球古板块再造、岩相古地理及古环境图集[M]. 北京: 地质出版社, 2013.

[8] 张渝昌. 动态的盆地和石油: 从盆地原型系统组合例解油气的形成和分布[M]. 北京: 石油工业出版社, 2010.

[9] SAUTTER B, PUBELLIER M. Structural control of Mesozoic orogens on SE Asia Basin opening[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2022, 230: 105207.

[10] SYAHPUTRA R, Ž Á K J, NANCE R D. Cambrian sedimentary basins of northern Gondwana as geodynamic markers of incipient opening of the Rheic Ocean[J]. Gondwana Research, 2022, 105: 492-513.

[11] 朱日祥, 张水昌, 万博, 等. 新特提斯域演化对波斯湾超级含油气盆地形成的影响[J]. 石油勘探与开发, 2023, 50(1): 1-11.

[12] 李江海, 王洪浩, 李维波, 等. 显生宙全球古板块再造及构造演化[J]. 石油学报, 2014, 35(2): 207-218.

[13] 杨风丽, 徐铭辰, 庄圆, 等. 古生代中国中西部三大陆块古地理位置重建与演变[J]. 地学前缘, 2022, 29(6): 265-276.

[14] C&C Reservoirs数据库[DB/OL]. [2025-07-27]. https://daks.ccreservoirs.com/.

[15] DOMEIER M, TORSVIK T H. Plate tectonics in the late Paleozoic[J]. Geoscience Frontiers, 2014, 5(3): 303-350.

[16] 朱日祥, 杨振宇, 马醒华, 等. 中国主要地块显生宙古地磁视极移曲线与地块运动[J]. 中国科学(D辑:地球科学), 1998(增刊1): 1-16.

[17] SCOTESE C. Paleozoic base maps[J]. The Journal of Geology, 1979, 87(3): 217-277.

[18] 万天丰, 朱鸿. 古生代与三叠纪中国各陆块在全球古大陆再造中的位置与运动学特征[J]. 现代地质, 2007(1): 1-13.

[19] 黄宝春, 周烑秀, 朱日祥. 从古地磁研究看中国大陆形成与演化过程[J]. 地学前缘, 2008, 15(3): 348-359.

[20] ZAHIROVIC S, MÜLLER R D, SETON M, et al. Tectonic speed limits from plate kinematic reconstructions[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 418: 40-52.

[21] MÜLLER R D, CANNON J, QIN X, et al. GPlates: building a virtual earth through deep time[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2018, 19(7): 2243-2261.

[22] S&P Global EDIN 数据库[DB/OL]. [2025-07-27]. https://energyportal.ci.spglobal.com/.

[23] OOSTERHOFF J. Trimmed mean or sample median?[J]. Statistics & Probability Letters, 1994, 20(5): 401-409.

[24] BALAKRISHNAN N, DAVID H A. A note on the variance of a lightly trimmed mean when multiple outliers are present in the sample[J]. Statistics & Probability Letters, 2001, 55(4): 339-343.

[25] SINOVA B. On depth-based fuzzy trimmed means and a notion of depth specifically defined for fuzzy numbers[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2022, 443: 87-105.

[26] ZHUANG Y, YANG F, XU M, et al. Plate drift velocity controls on the levels of hydrocarbon source rock development taking the palaeozoic as an example[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 17146.

[27] 陈建平, 黄第藩, 陈建军, 等. 酒东盆地油气生成和运移[M]. 北京: 石油工业出版社, 1996.

[28] 陈建平, 赵长毅, 何忠华. 煤系有机质生烃潜力评价标准探讨[J]. 石油勘探与开发, 1997, 24(1): 5.

[29] 窦立荣, 温志新, 王兆明, 等. 全球古老油气成藏组合资源潜力、重大发现及启示[J]. 石油学报, 2024, 45(8): 1163-1173.

[30] CANE M A, MOLNAR P. Closing of the Indonesian seaway as a precursor to east African aridification around 3-4 million years ago[J]. Nature, 2001, 411(6834): 157-162.

[31] 张静, 张宝民, 单秀琴. 古气候与古海洋对碳酸盐岩储集层发育的控制[J]. 石油勘探与开发, 2014, 41(1): 121-128.

[32] 张光亚, 温志新, 刘小兵, 等. 全球原型盆地演化与油气分布[J]. 石油学报, 2020, 41(12): 1538-1554.

[33] 窦立荣, 李大伟, 温志新, 等. 全球油气资源评价历程及展望[J]. 石油学报, 2022, 43(8): 1035-1048.

基金资助

国家自然科学基金重大研究计划重点项目“西太平洋地球系统多圈层相互作用(92158207)”

中央高校基本科研业务费专项资金