天文轨道周期驱动下的南海渐新世海相烃源岩发育控制因素^*

Astronomical orbital cycle-driven controls on the Oligocene marine hydrocarbon source rock development in the South China Sea

摘要

重点探讨了南海北部渐新世天文轨道强迫气候变化对海平面和沉积速率的控制,进而影响有机质的生成与保存。利用研究区L9、C6、Y9等钻井自然伽马测井、孢粉、有孔虫和有机质数据,运用旋回地层学分析方法,以揭示天文轨道周期对烃源岩发育的控制机制。在南海北部地区识别出2.4Ma超长偏心率及1.2Ma长斜率周期。认为偏心率和斜率高值时期,气候温暖湿润,海平面处于高位,生物生产力提高,沉积环境还原性增强,有利于有机质堆积保存,有机质丰度介于1.5%~4%之间,其中无定形有机质含量增加14.2%;在偏心率和斜率低值时期,气候寒冷干燥,海平面处于低位,生物生产力降低,沉积环境氧化性增强,有机质丰度介于0.3%~1.5%之间,其中煤质有机质组分占比为66.4%~95.1%;且研究发现沉积速率小于9cm/ka时,有机质丰度达3.5%,沉积速率大于12cm/ka时,有机质丰度为0.3%~0.7%;在以上研究基础上,总结出天文周期控制下渐新世南海北部海相烃源岩的发育模式,有助于预测优质烃源岩的时空分布规律,为深时深地油气勘探提供科学依据。

Abstract

This study focuses on the control of astronomical orbital forcing climate change on sea level and sedimentation rate during the Oligocene in the northern South China Sea,which in turn affects the generation and preservation of organic matter. Using natural gamma logging data from drilling Wells L9,C6,and Y9 in the study area,together with Palynology,foraminiferal,and organic matter data,cyclostratigraphic analyses are applied to reveal the control mechanism of astronomical orbital cycles on hydrocarbon source rock development. The 2.4Ma ultra-long eccentricity and 1.2Ma long obliquity cycles were identified in the northern part of the South China Sea. During high-eccentricity and high-obliquity phases,the climate was warm and humid,sea level was relatively high,biological productivity increased,and the depositional environment became more reducing,all of which favored the accumulation and preservation of organic matter. Under these conditions,the abundance of organic matter ranged from 1.5% to 4%,with amorphous organic matter content increasing by 14.2%. In contrast,during low-eccentricity and low-obliquity phases,the climate was cold and arid,sea level was low,biological productivity decreased,and the depositional environment became more oxidizing. In this case,the organic matter abundance ranged from 0.3% to 1.5%,with vitrinite-rich(coaly)components accounting for 66.4% to 95.1%. Furthermore,it was found that when the sedimentation rate was less than 9cm/ka,the organic matter abundance could reach~3.5%,whereas at rates greater than 12cm/ka,the abundance decreased to 0.3%~0.7%. On this basis,a depositional model for Oligocene marine hydrocarbon source rocks in the northern South China Sea under astronomical forcing was established,providing insights into the spatial and temporal distribution of high-quality source rocks and offering a scientific reference for future deep-time and deep-Earth hydrocarbon exploration.

Graphical abstract

关键词

南海北部 / 渐新世 / 天文轨道驱动 / 烃源岩 / 古气候

Key words

northern South China Sea / astronomical orbit drive / Oligocene / hydrocarbon source rocks / palaeoclimate

0 引言

烃源岩是油气生成的物质基础,其中海相烃源岩因其广泛分布和高效的成烃潜力,成为全球油气资源的重要来源(米立军等,2022),海相环境中丰富的生物生产力、有机质的高效保存条件,使得海相烃源岩在全球油气勘探中占据重要地位,其发育分布决定了盆地油气资源的分布和规模(何登发等,2019),因此,研究和理解烃源岩的发育模式对于海洋石油勘探和资源评价具有重要意义。前人关于烃源岩发育特点已经进行了大量的研究,提出了包括地质构造活动(Beglinger et al., 2012;刘池洋等,2014;Xu et al., 2024a)、火山活动驱动(Zeng et al., 2024)、热液活动(Wen et al., 2010;吴景富等,2013)、古生产力(Zhu et al., 2023;Xu et al., 2024b)、沉积环境(黎茂稳等,2022;Wu et al., 2024)、古气候环境(Bralower and Thierstein,1984;李友川等,2011;Bechtel et al., 2012)、海平面活动(Gonçalves,2002;Bechtel et al., 2012;Chen et al., 2024)等控制下的烃源岩发育机制。然而地球作为太阳系的行星之一,其本身的运动以及其他行星与恒星的运动对其内部(如沉积、构造、环境)的影响不容忽视。自米兰科维奇旋回理论提出以来(Milankovitch,1941),天文强迫机制对气候变化的影响得到了广泛关注(赵韶华等,2022;李猛等,2024),但关于气候变化如何通过海平面变化及沉积过程影响烃源岩发育分布的具体机制,尚需进一步探讨。

全球碳循环在千年尺度上通过生物圈的反馈机制维持自我平衡,更长尺度的地质事件主要依赖于地球接收的太阳辐射变化(Falkowski et al., 2008;Liu et al., 2024),而地球接收的太阳辐射受到地球轨道参数(偏心率、斜率、岁差)的周期性变化影响,从而引起地球气候的周期性变化(Milankovitch,1941)。这种气候的变化往往控制着不同类型有机质的形成和保存,如温暖湿润的气候伴随着良好的植被发育生长及较高的生产力,高海平面和低的氧化分解作用为有机质提供了良好的保存条件(程锦翔等,2022);在相对干旱寒冷的气候背景下,植被的减少以及氧化作用的增强,导致有机质的生成和保存条件都会显著变差(Lanci et al., 2010)。对于这种天文轨道驱动下的气候变化引起的有机碳埋藏,目前已经得到了许多关注(Huang et al., 2021;肖强等,2021;Xu et al., 2024b)。

中国南海北部琼东南盆地和珠江口盆地在新生代形成了多套生烃潜力巨大的烃源岩,使其成为新生代重要的含油气盆地,其中盆地的渐新世沉积保存了丰富的古气候变化信息(张尚锋等,2024),蕴含着揭示区域地质演化和气候变化的重要意义,其海相地层具有优质的生烃条件(曾清波等,2015;赵飞等,2017;昌建波,2020;高阳东等,2024)。本研究基于南海北部地区钻井的自然伽马测井数据、微体古植物、有孔虫数据以及有机质数据,通过旋回地层学方法构建高分辨率天文年代标尺,阐述了天文轨道参数变化如何驱动该区域的气候演化,进一步驱动盆地内沉积速率变化和海平面变化,以及这些变化如何影响有机质埋藏和保存,从而揭示了天文轨道变化与烃源岩形成的关系,建立了天文轨道周期驱动下的渐新世海相烃源岩的发育模式。

1 概况

南海北部地处被动大陆边缘构造单元之上,受到了太平洋板块、印度—澳大利亚板块以及欧亚板块的相互作用等全球板块构造演化及区域构造运动的共同控制(程世秀等,2012),反映了南海从晚中生代到新生代的大规模扩张与演化历史(何家雄等,2007;郑洪波等,2008;曾智伟,2020)。自新生代以来,随着南海的打开,北部陆架经历了一系列拉张作用,自西向东的构造格局和演化历程呈现出差异化特点,从西部裂陷盆地向东部过渡为被动大陆边缘盆地,而且伴随伸展断陷及南海扩张,盆地依次经历断陷、断拗及被动陆缘等构造演化过程,且盆地的形成与火山活动密切相关(邱宁等,2014;赵明辉等,2023)。

南海北部沉积受构造背景、气候变化以及沉积供应等多重因素控制影响,形成了不同的区域沉积充填地层组合序列。新生代盆地充填以海相沉积为主(张青林等,2022;吴克强等,2023)。古近纪,从早期主要以陆相河湖及三角洲砂泥岩互层沉积为主,逐渐过渡为晚期的海陆过渡—海相泥岩夹砂岩沉积(图1),该时期内琼东南盆地陵水组地层结构呈现出北厚南薄的特征,属于断陷晚期的侵蚀产物,地层下部以海陆过渡相沉积为主,中上部发育海相沉积,整体反映了滨海碎屑沉积体系和半封闭浅海沉积体系的发育特征。主要由中—粗砂岩及灰色泥岩组成,呈互层状分布,厚度不等(周杰等,2019;郭书生等,2021;徐长贵和尤丽,2022)。珠江口盆地珠海组厚度通常为350~2000m,受南海运动的影响,珠海组与恩平组之间局部发育不整合面,为裂拗转换的分界面。以大型三角洲沉积为主,坡折带以下发育深水扇,岩性以砂岩—泥岩互层为主(张功成,2023;王家豪等,2024)。新近纪,随着南海的海底扩张和沉降,区域沉积环境总体上为海相泥岩夹砂岩及近岸三角洲砂泥岩互层沉积,特别是在中新世至上新世阶段,深海盆地的海相泥质沉积物广泛发育,并且发育海相灰岩沉积。

2 方法和数据

2.1 数据选取

自然伽马射线测井(GR)用于测量地层中自然存在的放射性核元素衰变过程中放出的伽马射线的强度,该强度与铀、钍和钾的含量有关,温暖湿润的气候往往促进化学风化作用,导致含铀、钍、钾的黏土矿物(如伊利石、蒙脱石等)增加,而干冷气候下风化作用较弱,导致放射性元素含量的降低,GR数据强度的变化可以反映气候冷暖湿干的变化(朱春霞等,2022),大量的研究表明自然伽马测井数据可以用于古气候的重建及旋回地层学的研究(Fischer and Wefer,1999;汪品先,2006;Peng et al., 2024)。

旋回地层学研究一般选取连续沉积、无长时间沉积缺失或侵蚀事件的地层作为研究对象(田世峰等,2012),且后期未遭受构造、岩浆、热液等活动破坏以保存原始的沉积旋回信号。本次研究的晚始新世到渐新世南海北部总体构造以沉降为主,未遭受长时间剥蚀作用,地层较为连续,在钻井岩心中未发现有明显的沉积间断或者岩性突变,也未发现岩浆侵入或热液活动事件,且对于研究的钻井还有生物地层年代进行约束,同时前人在此区域也开展过磁性地层、生物地层以及层序地层学工作(刘晓锋等,2018),这是开展本次旋回地层学研究的基础。采用自然伽马测井序列作为古气候替代指标,选择近于凹陷中心沉积地层较为连续、且沉积环境较为稳定的钻井,其岩性以泥岩夹砂岩或泥岩为主,其中砂岩沉积不是事件性沉积,砂岩和泥岩互层能够很好地反应天文轨道周期对于海平面变化的控制,不影响周期信号的识别,采样间隔均为0.125m,能够很好地反映这2个盆地在渐新世的古环境和古气候演变。

选取有孔虫数据和孢粉数据进行生物年代学和古气候分析,其浮游有孔虫分带和定年依据Berggren等(1995)和Speije等(2020)提出的方案和最新的地质时间标准GTS2020,以及南海地区的有孔虫分带方案(刘晓锋等,2018)。采用Tilia软件进行孢粉组合特征数据统计、绘图,通过分析孢粉组合的变化特征,进行古气候重建。在以上分析的基础上,确定有机质组分及丰度以便了解南海北部渐新世海相烃源岩的特征,详实反映南海北部海相烃源岩发育的控制因素。

2.2 时间序列分析方法

采用Acycle2.8软件对自然伽马测井序列进行处理(Li et al., 2019)。对自然伽马测井序列运用LOESS函数拟合去除长期趋势(彭军等,2022),对去趋势的GR序列进行2π-MTM多窗口频谱分析(Thomson,1982),并在99%、95%、90%的置信水平下,使用稳健的一阶自回归“AR(1)”红噪声模型对信号进行测试(Mann and Lees,1996)。应用快速傅里叶变换(FFT)以及滑动窗口对数据进行演化频谱分析,以确定深度域中频率的变化和主控周期(宋翠玉和吕大炜,2022)。利用统计学方法对功率谱识别的峰值进行评估,同时应用相关系数法COCO/eCOCO(Li et al., 2018;Li et al., 2019)对GR数据序列进行最优沉积速率估算。COCO方法基于一系列可能的沉积速率,将深度域GR数据序列转换为时间序列,然后计算该时间序列的频谱与天文解决方案之间的相关系数; 并记录对相关系数有贡献的天文参数的数量; 同时使用蒙特卡洛模拟评估无天文驱动信号的零假设。最优沉积速率由高相关系数、多旋回信号及低零假设水平共同决定。eCOCO还采用滑动窗口技术,能够追踪替代指标深度域上的沉积速率变化。随后采用高斯带通滤波器分离GR数据中的各天文周期,再对获得的405ka长偏心率周期进行调谐建立年龄模型,实现深度域数据向时间域数据的转化(田军等,2022)。

海平面变化重建在旋回地层学研究中是至关重要的一部分,尤其是在研究气候变化对全球海平面波动的影响时,天文轨道强迫被证明是调节地球气候系统的重要机制(李红佼等,2023)。在基于沉积噪声模型(Sedimentary noise model)的海平面变化重建过程中,利用轨道调谐后的动态噪声模型(DYNOT)工具,能够准确地识别和分析海平面变化趋势(Li et al., 2018)。

3 结果

3.1 深度域分析结果

南海北部大陆边缘东部珠江口盆地L9井(3156~3626m)GR序列去趋势后的2π-MTM频谱分析显示,该段存在~84.8m、~44.8m、~15.1m、~3.5m和~1.5m 这5个优势谱峰(图3-c),谱峰置信度均大于95%,根据Laskar等(2011)的计算,渐新世(34.5-22Ma)理论天文轨道参数超长偏心率、长斜率、长偏心率、短偏心率、斜率分别为2.4Ma、1.2Ma、405ka、~100ka、40.4ka(图2)。L9井深度域的沉积旋回之比约为24︰12︰4︰1︰0.40。其比值与最新的理论天文轨道周期解决方案中米兰科维奇旋回周期比值一致(Laskar et al., 2011),因此初步认为~84.8m对应于~2.4Ma超长偏心率周期,~44.8m对应~1.2Ma长斜率周期,~15.1m对应405ka的长偏心率周期,~3.5m对应100ka的短偏心率周期,~1.5m对应39ka的斜率周期。据此估算出该井平均沉积速率约为3.6cm/ka。采用COCO/eCOCO方法对L9井测试范围内1~10cm/ka进行了5000次蒙特卡洛模拟,结果显示存在2.5cm/ka、3.2cm/ka以及7.9~8.5cm/ka这3个沉积速率峰值(图4-a),且三者均小于1‰的H₀显著性水平,通过天文轨道匹配数及最高相关系数确定最佳沉积速率,eCOCO分析显示,其估算的演化沉积速率与COCO方法确定的最佳沉积速率3.2cm/ka一致,并在最佳沉积速率附近表现出最高的相关系数,7.9~8.5cm/ka沉积速率相关系数较低且不稳定,故不能作为最佳沉积速率,而2.5cm/ka仅对应5个天文轨道参数,匹配数较低,认为也不可作为最佳沉积速率。

南海北部大陆边缘西部琼东南盆地Y9关键井GR序列去趋势后的演化能谱显示,在约3500m处能量最强的低频信号发生了明显位移(图3-f),表明了去趋势深度域GR序列归因于405ka长偏心率周期的旋回厚度并不一致,沉积速率差异过大,这是由于海平面变化造成沉积环境改变导致。因而对该井的去趋势GR序列分段进行的2π-MTM频谱分析(图3-g)。在陵一段(3322~3495m),其2π-MTM功率谱显示出~76.9m、~18.7m、~8.2m、~4.0m的优势谱峰,其比值约为4︰1︰0.40︰0.22,与该时期Laskar等(2011)的天文轨道周期解决方案中米氏旋回周期比率一致。因此认为深度域中~76.9m为长偏心率周期,~18.7m为短偏心率周期,~8.2m为斜率周期,~4.0m为岁差周期,陵一段平均沉积速率约为20.2cm/ka。在陵二段、陵三段(3495~4027m),其2π-MTM功率谱显示出~45.3m、~12.2m、~4.8m、~2.3m的优势谱峰,其比值约为4︰1︰0.40︰0.20,与该时期Laskar等(2011)的天文轨道周期解决方案中米氏旋回周期比率一致。因此认为深度域中~45.3m为长偏心率周期,~12.2m为短偏心率周期,~4.8m为斜率周期,~2.3m为岁差周期,陵二段、陵三段平均沉积速率约为11.6cm/ka。COCO/eCOCO分析表明存在11.5cm/ka和21.3cm/ka的最优沉积速率(图4-c),这说明该井依据旋回厚度比值的天文周期成立,而且分段讨论具有合理性。

3.2 天文年代学分析结果

依据以上深度域分析结果,通过天文调谐将关键井归因于405ka长偏心率的旋回厚度调谐至理论轨道长偏心率(~405ka),珠江口盆地L9井渐新世浮动天文年代标尺持续时间约为12.5Ma。405ka调谐GR序列的2π-MTM频谱分析显示出了~2.4Ma、~1.2Ma、405ka(E)、95ka(e)、52ka和39ka(o)的优势谱峰(图5-i)。在南海北部大陆边缘东部珠江口盆地根据生物地层学、层序地层学研究和该地区锆石 ²⁰⁶Pb/²³⁸U定年结果的研究以及国际地质年代表GTS2020(Ogg,2020;曾智伟,2020;玄昌姬等,2024),L9井3202m处的渐新统顶界面的绝对年龄为23.03Ma,将此年龄作为锚点,建立了L9井晚始新世至早中新世~34.6~21.7Ma的绝对天文年代标尺(图5-b,5-c,5-d,5-e)。根据Laskar等(2011)的天文轨道周期解决方案在渐新世期间,2.4Ma超长偏心率周期、1.2Ma长斜率周期和405ka的长偏心率周期是主要天文旋回周期。并且基于调谐的GR数据的天文年代模型具有与未调谐的GR序列模型基本一致的演化模式,即在34.6~21.7Ma之间主要受到的2.4Ma超长偏心率、1.2Ma长斜率和405ka的长偏心率控制。这说明L9井中突出的天文轨道周期信号是稳定的,天文调谐并没有明显改变数据的真实天文特征(Zhang et al., 2022)。

琼东南盆地Y9井晚渐新世浮动天文年龄为5.55±0.2Ma。405ka调谐GR分段序列的2π-MTM频谱分析均显示出了偏心率、斜率、岁差周期(图5-h),琼东南盆地陵水组其顶界面根据生物年代学及前人研究(Ding et al., 2021)认为是渐新统顶界面(23.03Ma),故以23.03Ma作为年龄锚点,建立了琼东南盆地28.55~23.03Ma绝对天文年代标尺(图5-f,5-g)。

3.3 有孔虫定量分析

通过对南海北部大陆边缘地区22~34.5Ma的80个样品分析,发现该时期有孔虫样品中含有中等的浮游有孔虫(图6)。共发现有孔虫化石40属56种,其中浮游类6属22种,有孔钙质底栖类26属26种,砂质壳5属5种,瓷质壳3属3种,主要包含典型的渐新世浮游有孔虫种类包括Paragloborotalia opima, Paragloborotalia nana, Tenuitella spp., Globigerinita spp., Globorotaloides suteri, Globoquadrina venezuelana 和Globigerina ciperoensis, Turborotalia ampliapertura 和Turborotalia euapertura以及零星Chiloguembelina cubensis(Li et al., 2004)。根据浮游有孔虫定年种的末现面(LO),南海北部渐新世地层可以划分为以下化石带: P18-P19带(33.90~30.28Ma),其顶部标志为LO Turborotalia ampliapertura;P20-P21a带(30.28~28.09Ma),其顶部标志为LO Chiloguembelina cubensis;P21b(28.09-26.93Ma),顶界以LO Paragloborotalia opima与Globorotalia opima opima为标志; P22带(26.93~23.03Ma),在样品中见有N4底界P22顶界的标志化石LO Globigerina ciperoensis,此外,白垩化现象也可以作为渐新世与中新世分界的标志(李前裕和汪品先,2007;Cramer et al., 2009)。

在约34Ma时开始出现少量浮游有孔虫,并且往上连续增多,表明从浅海环境发展到外陆架或更深水沉积环境(Li et al., 2004)。在29~26Ma期间浮游有孔虫含量稀少,说明可能转变为浅水陆架至滨海相沉积。而后,23Ma浮游有孔虫含量有明显增加,有白垩化现象,反应了这一时期前后的高海面事件(Cramer et al., 2009)。从晚渐新世到中新世,如大量浮游有孔虫所示,几乎都处于较为稳定的陆坡环境。不过,中新世样品含碎壳高,说明中新世处于外陆坡、比渐新世更深水的沉积环境。

3.4 孢粉学分析

对南海北部大陆边缘分析鉴定孢粉样品65个,取样间隔平均5~30m,经鉴定有较丰富的孢粉,且主要孢粉组合具有相似性(图7)。共鉴定得孢粉种类67个,其中蕨类孢子种类11个,裸子植物花粉种类7个,被子植物花粉种类49个,见有浮游藻类,含量为1.0%~38.6%。共鉴定出浮游藻类种类20个,其中河湖相藻类种类4个,海相沟鞭藻类16个。

根据孢粉组合及数量变化,称为Q. minutus-Pinuspollenites-Polypodiaceaesporites组合。本组合中被子植物较多(48%~68%),裸子植物(15%~18%)和蕨类植物(14%~16%)次之,藻类较少(3%~9%),被子植物主要为Q. minutus、Q. microhenrici、Quercoidites、Cupuliferoipollenites、Retitricolpites spp.;裸子植物主要为Pinuspollenites spp.和Taxodiaceaepollenites hiatus少见Abietineaepollenites spp.;蕨类植物主要为Polypodiaceaesporites和Polypodiisporites,少见Pinuspollenites、Extrapunctatosporites和Toroisporis;藻类主要为咸水Operculodinium spp.和少量淡水Pediastrum。

从孢粉类型来看,蕨类孢粉(Polypodiaceaesporites spp.、Polypodiisporites spp.、Toroisporis sp.、Extrapunctatosporites spp.)均为热带—亚热带、湿生孢粉。裸子类植物孢粉中,占比最大的Pinuspollenites spp. 为广温性植物孢粉,即在热带到温带气候中均可生长。而在被子类植物孢粉中占比较大的Q. minutus、Q. microhenrici和Quercoidite在热带—温带气候中均有分布,且均为湿生植物。

在孢粉组合中,渐新世孢粉中热带—亚热带孢粉植物比例小于60%,亚热带—温带孢粉植物比例大于30%,旱生植物孢粉比例小于20%,参照最新气候带划分原则(Bruch et al., 2011;McCoy et al., 2024),亚热带—温带孢粉植物比例超过30%表明该区域属于亚热带—温带气候带,而旱生植物孢粉比例低于20%则指示湿润气候,说明渐新世时期整体处于亚热带—温带温暖湿润气候环境。在藻类孢粉中,各段出现占比最大的均为半咸水的海相沟鞭藻,其代表渐新世研究区可能处于滨海或浅海的沉积环境中(Wu et al., 2003;Mao et al., 2007)。

4 讨论

4.1 烃源岩控制因素

天文轨道参数(包括偏心率、斜率和岁差)的周期性变化驱动了全球气候的波动,斜率控制高低纬度间太阳辐射量的空间分配影响气候,而偏心率则是通过对岁差的调幅影响气候系统(Ao et al., 2021;田军等,2022)。基于多种古气候替代指标分析,在南海渐新世期间,整体呈现出亚热带—温带温凉湿润的气候特征,并保持着较低的温度,且在晚渐新世出现了气候变暖的现象,1.2Ma长斜率周期和2.4Ma超长偏心率周期高值时期对应米兰科维奇周期驱动的气候暖期(图8),而低值时对应冷期,多口井古气候替代指标变化与全球碳氧同位素记录的对比进一步支持了这一结论(Westerhold et al., 2020),暖期与冷期交替导致海平面和沉积速率的变化(Ruhl et al., 2010),从而控制有机质的生成环境、保存条件以及有机质的组成结构,决定了烃源岩的分布和质量(Ma et al., 2016)

4.1.1 海平面波动

全球海平面变化与气候变化密切相关,而天文轨道强迫已被证明可以调节地球的气候系统(Hochmuth et al., 2022;De lira Mota et al., 2023;李红佼等,2023),对南海北部地区DYNOT的中值以及全球海平面变化曲线进行了约2.4Ma和1.2Ma周期的滤波分析(图8),结果显示长周期轨道变化与百万年尺度的海平面变化之间存在因果关系(Zhang et al., 2024),2.4Ma超长偏心率周期与1.2Ma长斜率周期低值时海平面下降。海平面变化对烃源岩的影响主要通过改变沉积环境和有机质保存条件来实现(肖强等,2021),海平面的升降直接影响了沉积环境的氧化还原状态、水体深度、营养物质供应以及有机质的生成和保存。

在海平面上升和下降的过程中,沉积环境和气候条件的变化导致了有机质组分的变化。在低海平面时期,沼泽、潟湖面积扩大,导致煤质屑占比高达73%~95%(Bechtel et al., 2012;丁修建等,2023),而随着海平面的逐步上升,木质、草质及无定形有机质含量增加,尤其是无定形有机质含量从0增加至14.2%,反映出更多海洋生产力的贡献(Niu et al., 2021)。有机质丰度的变化也随着海平面变化波动,在低海平面时期,陆源有机质碎屑输入量减少,沉积环境氧化性强,不利于有机质的保存(程锦翔等,2022),有机质丰度0.3%~1.5%,在海平面上升至最大海泛面时,有机质丰度大大增加1.5%~4%,最大海泛面时期,海平面达到最高点,此时的沉积环境最为还原,水体深度较大,氧气匮乏,极大地减少了有机质的氧化分解。这一时期往往是有机质富集的高峰期,尤其是在富营养的深水区,浮游植物和藻类的生长加速,为沉积物提供了丰富的有机质(Herbert et al., 1986)。此时形成的沉积物富含无定形有机质,并且保存条件最为优越,极为有利于烃源岩的发育,最大海泛面时期是烃源岩生成的关键期(彭晓东等,2022)。

整体来看,海平面变化对烃源岩的发育产生了显著影响,在低海平面时期,陆源有机质碎屑输入量低,氧化条件较强,不利于有机质的保存,而随着海平面上升,沉积环境变得更加还原,有利于有机质的保存和富集,尤其在最大海泛面时期,形成了良好的烃源岩保存环境。

4.1.2 沉积速率调控

天文轨道周期驱动的气候变化通过影响沉积速率的变化从而控制有机质的形成,气候变化直接影响风化作用(Ogi et al., 2008)、侵蚀与沉积物搬运过程(Lisiecki and Stern,2016;张瑞等,2023),并通过调控海平面波动、沉积物供应和碳循环影响沉积速率(Maher and Chamberlain,2014)。这些变化在高分辨率的沉积记录中清晰可见,为深入理解沉积速率对烃源岩发育的影响提供了重要线索。

沉积速率对有机质丰度具有重要影响,南海北部Y9井陵一段的平均沉积速率约为20cm/ka,有机质丰度0.3%~0.4%,陵二段、陵三段的平均沉积速率为12cm/ka,有机质丰度0.4%~0.7%,随着沉积速率的增加,有机质丰度呈现出下降的趋势,C6井的平均沉积速率为9cm/ka(Yang et al., 2024),有机质丰度平均为3.5%,而Y9井的平均有机质丰度仅为0.6%。这表明沉积速率越低越有利于有机质的保存,由于沉积物过快堆积,特别是在以粗颗粒沉积物为主导的情况下,有机质可能因被稀释而减少,从而导致有机质丰度降低(Ma et al., 2016)。

从有机质组分来看,当沉积速率15~20cm/ka时,有机质组分以煤质屑为主,占比75%~85%,而当沉积速率降低至12cm/ka时,煤质屑含量降低至25%~50%,无定形有机质含量从0增加至10%(图8)。沉积速率在控制有机质丰度与组分方面起到重要作用,低沉积速率有利于优质烃源岩的发育。

4.2 烃源岩发育模式

烃源岩的发育和分布与天文旋回变化存在明显的周期性关联,1.2Ma长斜率周期与2.4Ma超长偏心率周期共同控制了渐新世的气候变化,这些周期性变化通过影响海平面和沉积速率,进而控制了烃源岩的时空分布(图9)。

在米兰科维奇旋回暖期,2.4Ma超长偏心率周期、1.2Ma长斜率周期均处于高值(Ruhl et al., 2010),烃源岩表现出较高的有机质丰度1.5%~4%,在天文轨道强迫下的气候温暖湿润时期往往伴随着较高的生物生产力和较强的植被生长,特别是在湿润的气候条件下,植物生长旺盛,产生大量的有机质,海平面上升,氧化还原环境较为稳定,有机质的降解速度较慢(程锦翔等,2022),这一气候条件有利于有机质富集(图9-a)。在米兰科维奇旋回冷期,2.4Ma超长偏心率周期和1.2Ma长斜率周期处于低值,导致气候相对寒冷干旱,植被减少,植物的生长受到抑制,海平面降低,氧化作用增强,有机质的保存条件恶化,陆源有机质碎屑供给减少,导致有机质丰度较低,为0.3%~1.5%(Lanci et al., 2010;肖强等,2021),这种气候条件下的烃源岩中,有机质的积累较少,从而影响了烃源岩的生烃潜力(图9-b)。

对有机质组分研究发现,气候变化对不同类型的有机质影响显著。在渐新世早期吕珀尔期,气候相对寒冷,煤质屑含量占比66.4%~95.1%,由于森林植被在寒冷气候下的保存环境较为优越,沼泽和潟湖面积增大,形成煤质有机质(丁修建等,2023),煤质屑通常具有较高的生气潜力,在高成熟度地质条件下可转化为天然气(Herbert et al., 1986;Niu et al., 2021),这一时期烃源岩的发育有利于天然气的形成。而在渐新世晚期夏特期,气候相对温暖湿润,木质和草质有机质含量较高,平均占比约53%,草质有机质的增加则反映了温暖气候时期草本植物在温暖气候中的相对优势,无定形有机质则主要来自浮游生物和藻类,其含量的变化受水体生产力的影响较大,在温暖气候下,水体富营养化程度较高,浮游生物繁殖旺盛,因此在吕珀尔期期间占比为0,而在夏特期无定形有机质的含量相应增加,最大达到14.2%,无定形有机质是优质烃源岩的主要组成部分,尤其是在富有机质的海洋或湖泊沉积环境中,脂类物质是石油生成的主要来源,因此无定形有机质对烃源岩的生成,特别是石油生成,起到了至关重要的作用(Katz,1995;Bechtel et al., 2012)。

5 结论

本次研究在南海渐新世识别出2.4Ma超长偏心率和1.2Ma长斜率周期,通过与该地区多种古气候替代指标以及全球碳氧同位素综合对比,认为天文轨道周期通过调控太阳辐射分布,影响高纬度冰盖动态变化与低纬度气候系统,控制了该时期海平面和沉积速率的变化。

在米兰科维奇暖期海平面处于高位,温暖气候促进了生物生产力的提升,有机质沉积环境还原性增强,有利于形成较高品质的烃源岩(TOC含量1.5%~4.0%)。而在米兰科维奇冷期海平面处于低位,寒冷气候导致生物生产力降低,有机质暴露于氧化环境中,保存条件恶化,导致烃源岩的质量与潜力降低(TOC含量0.3%~1.5%)。此外,夏特期的温暖湿润气候有利于无定形有机质的生成(占有机碳的14.2%);而在吕珀尔期的冷干气候中,由于海平面较低,沼泽和潟湖面积扩大,导致煤质屑组分比例增加(66.4%~95.1%)。

沉积速率也是烃源岩发育的重要调控因素。低沉积速率(<9cm/ka)有利于有机质保存(TOC含量3.5%)和无定型有机质的增加(14.2%)。而沉积速率过高(>12cm/ka)易导致有机质稀释,丰度下降(0.3%~0.7%),煤质屑组分增加(50%~85%)。

本研究揭示了天文轨道强迫下的气候变化,通过控制海平面变化与沉积速率,从而影响南海北部渐新世海相烃源岩的发育模式及时空分布,为未来烃源岩分布预测及评价提供了重要参考。

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基金资助

*国家自然科学基金(41472098)