渤海湾盆地渤中凹陷深部-浅部圈层相互作用对富烃凹陷形成的控制机制

Controls of deep-shallow geosphere interactions on hydrocarbon-rich sag formation, Bozhong Depression, Bohai Bay Basin

摘要

渤中凹陷作为渤海湾盆地油气富集的核心区域,其形成演化与油气富集机制受太平洋板块俯冲引发的深部圈层动力过程控制。本文基于地震地质解释、地球化学及矿物学分析,系统研究了深部-浅部圈层相互作用对凹陷结构演化及有机质富集的控制机制。研究结果表明:(1)渤中凹陷经历了早期(孔店组—沙三段沉积期)深部圈层地幔热隆升形成中央隆起和晚期(沙一二段—东营组沉积期)地幔走滑拆沉导致中央隆起反转坍塌的演化;(2)这一过程控制了浅部圈层多期烃源岩“从古始新世周缘富烃到渐新世中央富烃”的展布序列;(3)地球化学指标揭示多期次深部圈层热液沿深大断裂活动,热液活动通过输入营养元素显著提高浅部圈层古生产力,并通过注入盐离子与还原性气体共同促进水体分层与缺氧保存环境,最终驱动优质烃源岩发育。本研究建立了“深部动力-热液活动-有机质富集”耦合模式,揭示了圈层互馈作用下烃源岩的形成与分布机制,并进一步指出东营组烃源岩是渤中凹陷中部下一步勘探的“最重要烃源层系”。

Abstract

The Bozhong Sag is a major hydrocarbon enrichment zone in the Bohai Bay Basin. Its tectonic evolution and hydrocarbon accumulation were primarily controlled by deep geodynamic processes linked to the subduction of the Pacific Plate. Based on integrated seismic interpretation, geochemical analyses, and mineralogical data, this study systematically investigates the controls of interactions between deep-seated processes and shallow structural evolution on the sag’s development and organic matter enrichment. Results show that the Bozhong Sag experienced a two-phase tectonic evolution: an early stage (deposition of the Kongdian-Sha 3 members) dominated by deep mantle thermal uplift, which formed a central paleo-high, and a late stage (deposition of the Sha 1-2 to Dongying members) characterized by strike-slip-induced mantle delamination, leading to the structural inversion and collapse of this paleo-high. This two-phase evolution controlled the spatiotemporal distribution of source rocks, showing a distinct shift from predominant peripheral enrichment during the Paleocene-Eocene to central enrichment during the Oligocene. Geochemical evidence indicates that deep hydrothermal fluids migrated along deep-seated faults. These fluids supplied nutrients that enhanced paleoproductivity, while the injection of saline ions and reducing gases promoted water column stratification and anoxic conditions. These mechanisms were key factors driving the development of high-quality source rocks. This study establishes a coupled model of “deep dynamics-hydrothermal activity-organic matter enrichment”, revealing the formation and distribution mechanisms of source rocks under deep-shallow interactions. Therefore, the Dongying Formation source rocks are proposed as the most critical target sequence for future exploration in the central Bozhong Sag.

Graphical abstract

关键词

深部圈层 / 动力过程 / 深部热液 / 古生产力 / 有机质富集 / 渤海湾

Key words

deep geosphere / dynamic processes / deep hydrothermal fluids / paleoproductivity / organic matter enrichment / Bohai Bay

0 引言

多圈层相互作用对固体地球深部与浅部耦合及表层资源环境发挥了重要影响,其如何控制油气形成与分布已成为拓展油气勘探领域研究的热点问题^[1]。其中,渤中凹陷作为渤海湾盆地油气勘探的核心区域,其新生代沉积厚度超过万米,蕴含着丰富的油气资源。该凹陷的形成演化受太平洋板块俯冲及其深部动力作用的控制,并因此形成了复杂的构造格局和沉积体系^[1-7]。近年来,随着渤中19-6等大型凝析气田的发现,渤中凹陷浅层圈层富烃凹陷的形成与深部圈层大地构造之间的关系日益受到关注^[8-9]。

在盆地深部圈层大地构造与动力学研究方面,前人侧重于太平洋板块俯冲背景下的区域构造框架和动力分析。例如朱伟林等^[10]通过板块重建与地球物理数据分析,揭示了太平洋板块自中生代以来俯冲方向由NNW至NWW向的转变,并指出其控制了渤海湾盆地的裂陷过程与构造迁移规律;李三忠等进一步强调,太平洋板块的俯冲后撤与板片窗效应导致深部圈层地幔上涌,引发华北克拉通东部岩石圈的伸展减薄^[6-7,11];任建业提出渤中凹陷的形成始于古新世—始新世裂陷作用,始新世晚期太平洋板块俯冲方向转为NWW向,诱发郯庐断裂右行走滑^[12-15];刘琼颖等^[16]通过构造-热演化模拟证实,渤中凹陷新生代早期岩石圈厚度达105 km,新生代期间经历两次减薄。然而,前述研究尚未对深部圈层软流圈动力活动如何控制浅部圈层隆凹格局演化、沉降中心迁移及不同期次烃源岩空间展布的过程展开更为系统的阐释。

在深部圈层流体活动与浅部圈层(水圈、大气圈和生物圈)有机质富集效应研究方面,前人认识到火山-热液作用对有机质富集具有重要影响。如牛成民等在黄河口凹陷和莱州湾凹陷发现,火山机构与热液通道为深部流体提供了迁移路径^[17-18];刘佳宜等^[19]指出热液活动可通过输入营养元素提升古生产力,并通过还原性气体促进缺氧环境形成;黄兴等^[20]尝试利用地球化学指标识别热液活动。尽管如此,前述研究尚未针对深部流体的来源与活动期次建立有效的地球化学约束;同时,深部圈层热液活动对浅部圈层环境、有机质及优质烃源岩富集之间的协同控制关系,目前仍有待进一步厘清。

针对上述问题,本研究在前人研究基础上,综合运用地震地质解释、构造解析、烃源岩评价、钻测井资料分析、岩石矿物学观察以及地球化学测试等多种手段,旨在系统剖析太平洋板块俯冲背景下渤中凹陷深部圈层动力作用驱动浅部圈层构造活动及其成烃演化的动态过程,明确深部热液活动的关键证据与主控因素,最终建立深部动力-热液活动-有机质富集耦合模式,以深化对渤中凹陷优质烃源岩富集规律的认识,为指导该区下一步油气勘探提供科学依据。

1 区域地质概况

渤海湾盆地位于华北克拉通东部,四周受燕山山脉、太行山脉、鲁西隆起和胶辽隆起围限,是一个中—新生代裂谷盆地,其形成与演化深受太平洋板块俯冲作用的影响^[5-7,11]。裂陷Ⅰ幕发生于晚白垩世至新生代早期,该时期伊泽奈崎板块沿 NNW 向俯冲并发生板片后撤^[1],至始新世早期发生伊泽奈崎—太平洋洋脊俯冲^[2],这一系列深部过程引发中国东部近海地区NW-SE 向伸展断陷,控制孔店组与沙四段沉积,从而奠定了盆地早期构造格局^[10]。裂陷Ⅱ幕出现在中—晚始新世,伴随太平洋板块加速俯冲,区域伸展方向转为近 NS 向,断层活动增强,盆地持续沉降,形成巨厚的沙河街组沉积。渐新世裂陷 Ⅲ 幕期间,太平洋板块运动方向由NNW 转为NWW^[3],这不仅激活了NNE向先存断裂的右行走滑,也导致了东营组广泛沉积并发生局部构造反转^[12-15]。新近纪以来,随着太平洋板块俯冲速率降低,渤海湾盆地进入热沉降阶段,然而自10 Ma起俯冲速率再度显著增大^[21],致使渤海地区断裂重新活化,发生新构造运动,进一步塑造了盆地现今构造面貌。

渤中凹陷位于渤海湾盆地中东部(图1),被秦南、岐口、黄河口、莱州湾、庙西和渤东等凹陷所包围,面积超过 9 000 km²。该凹陷发育于太古宇、古生界和中生界基底之上,属中—新生代陆内裂陷盆地,也是华北克拉通伸展减薄最为显著的地区,现今岩石圈厚度为65~80 km,地壳厚度为30~32 km,整体呈现 “中间薄、周缘厚” 的空间变化特征^[6-7]。在伸展-走滑构造背景下,渤中凹陷内部形成多个不整合面以及 NE、NW 和近 EW 向断裂系统^[10-15]。这些断裂控制多个构造脊的发育,将凹陷进一步分割为渤中北洼、渤中西洼、渤中西南洼、渤中南洼、渤中主洼和渤中东洼等一系列次级洼陷。新生界最大沉积厚度超过11 km,自下而上发育古近系孔店组、沙河街组、东营组,以及新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组。

2 深部-浅部圈层相互作用对烃源岩发育的控制机制

2.1 深部圈层构造动力控制盆地结构与沉降-隆升格局

2.1.1 地幔上涌与热隆张裂:早期中央隆起及周缘断陷的形成

在新一轮构造解释中,于渤中凹陷中部识别出一个穹隆状隆起区,笔者称之为“中央隆起”。该隆起四周被渤中主洼、南洼、东洼和北洼所环绕,构造轴向近南北向。其南端与渤南低凸起中段相接,向北延伸并最终倾没于凹陷中部,其东西宽约30 km,南北长约60 km,总面积约1 800 km²,整体呈近南北向展布(图2,3)。中央隆起保留了完整的前新生代地层序列,但大面积缺失孔店组/沙四段至沙三段地层,属于中—新生代晚期形成的隆起构造。

地震资料显示(图2,3):渤中凹陷围绕该中央隆起区发育了两个环带状断陷带:内环带紧邻隆起区,包括渤中西南洼、渤中主洼、渤中南洼和渤中东洼,仅沉积沙三段地层,缺失孔店组—沙四段沉积;外环带包括渤中北洼、渤中西洼、岐口、黄河口和庙西等凹陷,在持续引张背景下,地层发育较为完整,沉积了孔店组—沙四段—沙三段地层。

结合区域大地构造背景,综合分析认为(图4):古新世裂陷Ⅰ幕,太平洋板块急剧向华北板块俯冲诱发深部圈层地幔上涌^[22-23],软流圈地幔垂向上涌,导致渤中凹陷中部发生热隆升,形成中央隆起;在软流圈地幔于上涌后,向渤中凹陷周缘外环带侧向拆离,致使外环带洼陷强烈引张,沉积了沙四段和孔店组地层。始新世裂陷Ⅱ幕,随着地幔上涌规模、强度的减小和中部板块的拆离减薄,拆离中心逐渐由外环带转向内环带,由外向内沉积沙三段地层。总体上,在孔店组/沙四段和沙三段沉积期间,沉降中心呈现出由外环带向内环带逐渐迁移的趋势。

2.1.2 走滑拆沉与构造反转:晚期沉降中心迁移

沙一二段沉积时期,伴随渤中凹陷深部圈层地幔热隆升作用持续减弱,渤海海域进入广泛的热沉降阶段,形成了大范围浅水湖盆沉积环境^[22-23](图3,4)。

地震资料显示(图2,3):东营组地层分布与沙河街组/孔店组截然不同,内外环带沉降发生反转。先前作为沉降中心的外环带仅沉积了300~800 m厚的东营组地层,而早期的中央隆起区及内环带洼陷则快速沉降,沉积了巨厚(1 000~3 000 m)的东营组地层,沉降中心彻底由外环带收缩至内环带。

结合区域大地构造背景^[12-15],综合分析认为(图4):渐新世裂陷Ⅲ幕,受太平洋板块俯冲方向由NW转向NWW的影响,该区发生右行走滑变形,重新激活了NE向郯庐断裂带,并引发NWW及近EW向基底断裂的强烈复活,渤中凹陷因而发生剧烈走滑拉分,同时,随着岩石圈地幔被持续拆沉,渤中凹陷中部急剧沉降,早期的中央隆起区发生反转,由凸起反转为新的沉降中心。

2.1.3 渤中凹陷地层迁移与烃源岩分布特征

结合渤中凹陷古近系烃源岩的分布与演化研究表明:渤中凹陷古近纪“隆-凹”结构的反转演化,同时决定了浅部圈层地层分布与烃源岩的发育和分布。

古始新世孔店组—沙三段沉积期,热隆升及周缘断陷作用使烃源岩主要分布于外环带渤中北洼、渤中西洼、岐口、黄河口和庙西等凹陷。该阶段自外环带向内环带依次发育沙四段—孔店组和沙三段等多套烃源岩。由于裂谷盆地早期垒洼相间的格局,渤海湾盆地周缘大物源水系难以注入到渤中凹陷区,物源主要以局部垒块上的小物源供给为主,为欠补偿沉积,因此发育了TOC含量>2%的优质Ⅰ型和Ⅱ型烃源岩(图5,6)。

渐新世沙一二段沉积期,盆地进入热沉降期,形成了大范围浅水湖盆,水域面积进一步扩大,物源供给向盆缘后撤变弱,因而生成了优质的TOC含量>2%Ⅰ型和Ⅱ₁型烃源岩(图5,6)。

渐新世东营组沉积时期,随着岩石圈地幔拆沉和走滑-伸展作用加剧,渤中凹陷中央隆起区发生沉降反转,同时外环带垒堑地貌逐渐被填平,使得外源水系开始直接注入到渤中凹陷,沉积-沉降中心迁移至渤中凹陷中部,形成了以内环带为核心的新的烃源岩发育中心,沉积了巨厚的TOC含量为1%~3%的中等-良好的Ⅱ₁和Ⅱ₂型东营组烃源岩(图5、6)。

2.2 深大断裂系统对热液活动的控制作用

2.2.1 渤中凹陷热液流体特征

沉积岩的稀土元素(REE)组成与配分模式是判别热液活动的重要地球化学指标。正常沉积岩的REE主要源自陆源碎屑,配分模式受物源和沉积环境控制,通常无显著Eu异常。而热液活动往往导致明显的Eu正异常,这是由于高温热液条件下Eu²⁺与其他三价稀土元素发生分异所致^[24-25]。渤中凹陷烃源岩样品普遍显示较高的Eu值,表明其沉积过程可能持续受到来自深部圈层的热液活动的影响(图7)。

2.2.2 深大断裂系统与深部圈层热液上涌通道

前人在黄河口凹陷和莱州湾凹陷的研究已发现了岩浆活动对古近系储层及油气成藏的影响^[17-18]。笔者基于火山岩在沉积围岩中常具高阻抗的特征^[26],发现古近系多期火山岩主要沿郯庐断裂渤海段西支走滑断裂带密集发育,鉴于郯庐断裂是一个中新生代以来长期活动的深切地幔的大型走滑断裂带^[27-28],表明深切地幔的深大断裂是深部流体和岩浆上升的通道,从而控制了深部圈层热液在浅部圈层的侵入位置(图8)。

宏观上,在伸展和走滑双动力源的驱动下,渤海湾盆地新生代经历多幕裂陷,在先存燕山期北东-南西向和印支期北西-南东向深大断裂的约束下,形成了郯庐断裂带和张蓬断裂带^[10-15],渤中凹陷正好处于这两个断裂带共轭交汇的区域(图1),新生代以来火山活动强烈^[27-28],这指示其热液活动活跃,从而造成Eu异常(图7)。

2.2.3 热液活动期次与断裂活动性的耦合关系

Eu、(Fe+Mn)/Ti 、W、Pb、As 等是沉积学和矿床学中非常重要的热液活动指示参数^{[24-25,29-30]}。地球化学分析显示,深部圈层热液流体的地球化学响应与深大断层活动性耦合良好。渤中凹陷北次洼QHD35-A-1井中Eu、(Fe+Mn)/Ti及As等热液指示参数与深大断层活动速率变化一致(图9),由此可知,深大断裂及其活动性在很大程度上控制了深部圈层热液流体向浅部圈层的注入强度。

2.3 深部圈层热液活动对浅部圈层古环境与有机质富集的影响

2.3.1 来自深部圈层营养元素输入与水圈古生产力提升机制

热液活动是调控沉积盆地中有机质富集的关键因素之一。其通过释放P、N、Fe、Mo等营养元素促进浅部圈层初级生产力的提高^[31-32]。磷(P)在生物代谢和沉积中至关重要,常用P/Al比值来排除陆源输入(以Al、Ti为代表)的影响,以更准确指示浅部圈层古生产力^[33-35];来自深部圈层热液强度则通常采用(Fe+Mn)/Ti比值表征^[29,30,36]。本研究以P/Al和(Fe+Mn)/Ti分别代表浅部圈层古生产力和深部圈层热液强度,结果显示三个次洼不同层段二者均呈显著正相关(图10)。东三段、沙一二段和沙三段的(Fe+Mn)/Ti平均值分别为12.11、11.71和11.31,表明上述层段沉积期受到较强热液影响。

2.3.2 来自深部圈层热液流体对浅部圈层水体分层与缺氧环境的构建作用

来自深部圈层热液在调控古生产力的同时,还可通过输入大量盐类离子提高古湖泊水圈盐度,进而增强水体分层,抑制表层富氧水体向深部的垂向交换^[31-35]。研究区内三个次洼各层段盐度与热液活动强度呈明显正相关,其中东三段、沙一二段和沙三段的Sr/Ba平均值分别为0.09、0.12和0.10,表明深部圈层热液活动对浅部圈层湖盆盐度具有重要影响(图11)。

来自深部圈层热液活动释放的H₂S、SO₂等还原性气体参与水体生物地球化学循环,有助于形成缺氧环境,促进有机质保存^[37]。钒富集系数(V_EF)可指示浅部圈层古水体还原程度。V_EF与热液参数的相关分析表明,沙一二段和沙三段热液活动与还原环境呈明显正相关(图12),这反映热液输入的还原性气体与盐离子共同增强了浅部圈层水体还原性,优化了有机质保存条件。

2.3.3 深部圈层热液对浅部圈层烃源岩质量控制作用

深部圈层热液活动通过“增产”与“保藏”双重机制,共同促进浅部圈层优质烃源岩的形成^{[19-20,30-32]}。一方面,热液输入营养元素显著提高了古湖泊初级生产力,为富有机质泥岩提供大量物质来源;另一方面,热液活动通过构建水体分层和缺氧环境,极大提高了有机质埋藏与保存效率。研究区内三个次洼浅部圈层不同层段的TOC与深部圈层热液活动强度呈明显正相关,其中东三段、沙一二段和沙三段TOC含量平均值分别为2.18%、1.79%和2.216%,表明深部圈层热液活动最终影响了烃源岩的品质(图13)。

通过以上研究可以发现,受深大断裂及其沟通的深部圈层热液活动的影响,除了浅部圈层的沙三段与沙一二段烃源岩,东三段烃源岩亦表现出较高热液活动指数(Fe+Mn)/Ti、高古生产力指数P/Al和较好还原环境V_EF的特征,因此具有形成优质烃源岩的环境。

3 深部圈层-浅部圈层响应下的有机质富集模式与勘探意义

3.1 渤中凹陷“深部动力-热液-有机质”耦合模式

综合以上证据,本次研究提出了渤海湾盆地渤中凹陷深部圈层热液作用对浅部圈层有机质富集的“深部动力-热液活动-有机质富集”模式。

3.1.1 圈层互馈机制与烃源岩发育时空序列

渤海湾盆地烃源岩的发育受深部动力过程控制,并始终依托于盆地本身的形成与演化。渤中凹陷古始新世,受深部圈层地幔热隆升和侧向引张的控制,形成浅部圈层环中央隆起的由内到外的沙三段、沙四段和孔店组烃源岩环带;渐新世,因岩石圈地幔拆沉和走滑拉分作用,导致渤中凹陷发生构造反转,致使浅部圈层烃源岩发育中心由外环带收缩至内环带,呈现出“从古始新世周缘富烃到渐新世中央富烃”的优质烃源岩发育的时空展布序列(图4,5)。

3.1.2 深部圈层大断裂系统控制热液活动期次与展布

岩浆喷发位置与深大断裂匹配良好,这些断裂为深部圈层岩浆与热液流体上升注入到浅部圈层提供了重要的通道。古近纪以来,郯庐断裂带、张家口—蓬莱断裂带等深大断裂控制了火山-热液活动的期次和展布(图8,9)。

3.1.3 深层圈层热液活动促进浅部圈层优质烃源岩形成

来自深部圈层热液是提升湖泊生产力和构建有机质保存环境的关键地质过程。作为“营养源”,深部圈层热液在向上运移过程中萃取围岩及岩浆中的C、N、P、Fe、SO₄及多种微量元素,并将其输送至浅部圈层水圈和生物圈。这些元素注入透光带后,作为关键营养盐显著促进了浮游生物和光合细菌的勃发,形成高初级生产力,为富有机质泥岩提供大量物质来源。同时,热液也是“环境构建者”。其携带的Fe²⁺、H₂S、CH₄等还原性物质持续消耗水体氧气,与微生物代谢协同导致水体化学分层:上部为富氧层,生产力高;下部变为缺氧/厌氧层。该分层结构有效阻止了有机质在沉降过程中被好氧生物降解,极大提高了埋藏与保存效率。综上所述,深部热液活动通过“增产”与“保藏”双重机制,共同促进浅部圈层优质烃源岩的形成(图14)。

3.2 油气勘探意义

该模式揭示了深部圈层动力过程通过控制盆地演化和沉降中心迁移,奠定了浅部圈层优质烃源岩的宏观分布格局。深大断裂系统作为热液活动的主要通道,其输送的关键营养物质显著提升了古湖盆的初级生产力,成为浅部圈层高有机质丰度烃源岩形成的重要机制。该模型为在未来油气勘探中通过深大断裂预测优质烃源岩分布、评价生烃潜力及优选钻探目标提供了关键理论依据和可行路径。

基于该模式,笔者认为:受古新世—始新世裂谷盆地深部圈层地幔热隆升的影响,渤中凹陷中央隆起周缘浅部圈层大面积缺失孔店组、沙四段和沙三段烃源岩;至渐新世构造反转阶段,该区浅部圈层沉积了厚度达1 000~3 000 m的东营组烃源岩。需要指出的是,渤中凹陷东营组沉积期郯庐断裂发生强烈走滑,深大断裂发育广泛,为深部圈层热液所携带的营养物质的向上输导到浅部水圈和生物圈创造了良好条件,从而大大提高了该区浅部圈层东营组烃源质量。

当前,随着渤中8-3南和龙口7-1等油气田的发现,渤中凹陷中部勘探逐步展开。与周缘以沙河街组为主要油源的油气藏不同,东营组烃源岩可能成为渤中凹陷中部下一步勘探“最重要的烃源层系”。

4 结论

(1)渤中凹陷受太平洋板块俯冲引发的深部动力作用影响,经历了深部圈层古始新世地幔热隆升到渐新世地幔走滑拆沉的动态变迁,导致渤中凹陷“从古始新世周缘富烃到渐新世中央富烃”的优质烃源岩发育的时空展布序列,揭示了深部地幔活动与浅部沉积响应和烃源岩展布的耦合机制。

(2)深大断裂体系对于研究区的火山-热液活动具有决定性控制作用。它们不仅是深部物质向上运移的首要通道,更直接决定了自古近纪以来各期次活动的分布特征,其中郯庐断裂带和张家口—蓬莱断裂带的影响尤为显著。

(3)深部流体通过双重机制促进有机质富集:一方面通过输入磷等营养元素(P/Al比值指示)显著提高了古湖泊初级生产力;另一方面通过注入盐离子(Sr/Ba比值指示)和还原性气体(V_EF指标指示)增强了水体分层和还原程度,为有机质保存创造了有利条件。二者协同作用控制了优质烃源岩(TOC含量>2%)的形成与分布。

(4)基于上述研究,建立了“深部动力-热液活动-有机质富集”耦合模式,该模式不仅揭示了渤中凹陷油气富集规律,也为渤海湾盆地类似地区的油气勘探提供了新的理论依据,据此推测东营组烃源岩可能成为该凹陷中部下一步勘探最重要的烃源层系。

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基金资助

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