中國東部新生代沉積盆地熱狀態與油氣成藏潛力
——以蘇北—南黃海盆地為例

徐 曦，胡瀚文，張加洪，肖夢楚，高順莉

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.浙江大學 地球科學學院，杭州 310027；3．武漢大學 資源與環境科學學院，武漢 430070；4.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030)

在構造上，大興安嶺—太行山—武陵山重力梯度帶(NSGL)以東的中國東部地區，發育有渤海灣盆地、北黃海盆地、蘇北—南黃海盆地等10多個新生代沉積盆地(圖1)[1-14]。這一系列沉積盆地呈現了相似的形成演化過程：在中生代基底格局上，巖石圈伸展拉張，新生代裂陷盆地相繼發育，主要由古近紀同裂陷沉降與新近紀熱沉降2個基本的沉降—沉積過程構成[1]。這些盆地匯集了巨量沉積物，蘊含著豐富的油氣資源。

在中國東部，古近紀裂陷—新近紀拗陷型陸相沉積盆地遍布于內陸與近海，在演化過程與階段上具有同步性，在盆地結構、沉積特征與構造屬性上具有較高的相似性；而差異性主要表現在盆地斷裂走向、沉降結構與沉積格架[1]，尤其是在油氣產儲量和資源量方面[15]，這一差異的根本原因在于盆地發育的區域構造背景。一個值得關注的現象是中國東部新生代盆地裂后熱沉降量規模與油氣資源潛力和賦存貧富之間存在密切的相關性(圖1)，熱沉降量的大小和持續時間的長短是巖石圈深部熱擾動強度與程度的一個重要指標[16]，深部地質過程及其演化差異是油氣資源貧富懸殊的深層次原因，預示著沉積盆地的深部熱狀態與油氣資源貧富和成藏響應之間可能存在著一定的關聯，必定隱藏著目前油氣勘探鮮有涉及，研究者和勘探家少有關注，但對油氣資源生成卻十分重要的主控因素或地質作用有待進一步揭曉。中國東部新生代盆地，無疑是探討石油資源貧富分區及其主控因素的理想案例和天然實驗室。本文以蘇北—南黃海盆地為例證，探討沉積盆地深部熱狀態與油氣富集分布的相關性及其潛在的成因機制。

圖1 中國東部新生代沉積盆地的空間展布與油氣地質特征

1 沉積盆地熱狀態與油氣潛力

1.1 大地熱流與居里面深度

大地熱流是地殼和巖石圈內部熱地質作用最直接的地表顯示，是表征沉積盆地熱狀態的重要物性參數，它記錄了地殼和巖石圈熱狀態變化和能量平衡的地質信息。截至目前，中國陸域地區大地熱流數據(第四版)已匯編熱流數據1 230個[17]，南海北部等海域部分熱流數據也均有報道[18-19]，部分文獻與全球熱流數據庫也為中國熱流數據匯編提供了重要補充[20-27]，為中國東部沉積盆地的深部熱狀態研究提供了重要的資料約束。

居里點深度(Zb)，又稱居里面，作為巖石圈的溫度界面，能較好地揭示地殼磁性層以及熱狀態。前人基于磁異常譜方法反演居里點深度，對區域熱結構進行了大量研究。居里點深度反演方法有拐點法[28]和中心點法[29]兩種。拐點法解算，易出現譜拐點不穩定與波數局限；而中心點法反演居里面深度具有顯著的優勢，僅需對磁源體的大小和磁化矢量作模型假設，即可計算磁性層的頂界和中心點深度。由于反演原理、磁測精度和覆蓋范圍等差異，中心點法只在中國局部地區與部分沉積盆地得以應用[30-31]，且多為居里面形態的定性或定量描述，鮮有中國東部深部熱狀態與油氣地質效應的相關研究。

1.2 沉積盆地熱結構研究

熱結構是沉積盆地構造—熱演化過程的綜合反映和盆地熱史恢復的約束條件，對盆地動力學研究和油氣資源評價具有重要的實踐意義。傳統的巖石圈熱結構研究通?；诘乇頍崃鳒y量和一維穩態熱傳導方程反演遞推[32]，以地表熱流為約束，結合巖石圈結構模型與巖石熱導率和生熱率等物性參數，計算巖石圈內部各圈層溫度和熱流信息。然而，地表熱流測量的覆蓋范圍有限，測點稀少且分布極不均勻，據中國陸域熱流數據匯編(第四版)[17]，在海域地區，地表熱流點極為局限[18-19]，因而只能根據地質與地球物理等資料，通過插值推測資料空白區的熱流值分布[33-34]。同時，由于實測巖石樣品的覆蓋地域性、地震波速—生熱率經驗關系適用性、熱導率和放射性生熱率等物性參數的地區差異性和穩態熱傳導方程適用局限性等基礎問題，巖石圈深部熱狀態特征與實際情況之間具有較大的偏差[35-36]。故而，單一的地表熱流觀測數據難以較好地反映地殼—巖石圈深部溫度分布與結構特征?；诘卣鸩ㄋ賉37]、區域磁異常[29]等地球物理觀測資料的聯合約束反演，為構建巖石圈溫度結構與熱厚度研究提供了新的思路，近年來在國內外實際應用中取得了重要進展[31,38]。而由磁異常數據反演得到的居里面深度，在地表熱流約束下，可為區域地殼—巖石圈溫度結構等深部熱狀態研究提供重要的方法和路徑補充[29,38-41]。此外，高覆蓋、高精度的航空磁測數據，為中國東部新生代沉積盆地的深部熱結構研究提供了非常重要的基礎資料[42]。

1.3 沉積盆地熱狀態約束油氣潛力

地幔熱上涌，導致差異化的地殼—巖石圈伸展與物質交換，直接控制著沉積盆地沉降結構的空間變化，決定著盆地可容空間大小和油氣生儲蓋要素的質量與規模?？扇菘臻g內烴源巖的規模和成熟演化程度是沉積盆地油氣資源貧富差異化的物質與成藏基礎，烴源巖演化與溫度呈指數關系，而與時間只是線性關系，其成熟度主要受溫度的控制[43]，盆地地溫場控制著烴源巖的生烴演化。此外，深部地溫場及大地熱流還通過制約儲層的成巖作用及成巖后生作用而影響儲集物性。因此，盆地深部熱狀態，是沉積盆地油氣事件的決定因素，是巖石圈構造—熱演化過程的綜合反映，是盆地油氣響應的重要約束條件。其一方面通過沉降控制生烴門限或深部熱場影響烴源巖的成熟度；另一方面通過沉降結構與空間變化，影響烴源巖、儲層和蓋層等生儲蓋要素的沉積充填規模，這對于揭示含油氣盆地的成藏機制和油氣資源評價具有重要的地質意義。

2 中國東部新生代沉積盆地、熱狀態與油氣資源賦存

由于所處的構造位置不同，中國東部風格各異的新生代沉積盆地，表現出迥異的裂后熱沉降特征和差異的油氣資源賦存狀態(圖1，表1)。中國東部的新生代沉積盆地都經歷了古近紀裂陷沉降與新近紀裂后熱沉降，基本完成了一個完整的裂陷旋回[1]。位于陸內的江漢盆地[44]和蘇北—南黃海盆地[45]，熱沉降微弱或缺失。在南黃海盆地最大熱沉降厚度僅有1 000 m，蘇北盆地局部地區最大可達2 500 m，熱沉降量明顯小于靠近俯沖帶或位于大陸邊緣的熱隆拱張型裂陷盆地；而位于塊體邊緣的渤海灣與鶯歌海盆地[1,46]，則由于郯廬和紅河大型走滑斷裂的特殊位置與薄弱帶性質，屬于地幔強烈熱上涌地區，盆地熱沉降最大厚度可達4 000 m[47]。

作為巖石圈深部熱擾動強度和程度的一個度量[3]，熱沉降量的大小和持續時間的長短，指示了沉積盆地形成演化“主動”與“被動”機制的主控關系，即深部地幔熱上涌地質作用在成盆過程中的參與程度，蘊含著沉積盆地油氣規律與成藏機制等地質信息。中國東部新生代盆地油氣資源潛力大小和賦存貧富與熱沉降量的大小有著較好的對應性(圖1)。渤海灣、東海與珠江口等熱沉降量很大的沉積盆地，油氣資源潛力巨大；而熱沉降量較小的江漢盆地與蘇北—南黃海盆地，則表現為有限的資源潛力。

石油的貧富受深部地質過程及其演化和深大斷裂活動等區域構造—熱體制約束，盆地“冷熱”差異與石油資源貧富耦合，提示并說明二者之間有著重要的因果聯系。渤海灣盆地[48]的熱流值分布在44～106mW/m2，平均值為(66±8)mW/m2，高于中國陸域[17]的平均熱流值60 mW/m2，說明渤海灣盆地存在深部熱活動；盆地莫霍面埋深[49]介于28～37 km，地殼厚度自東部渤海灣海域的28 km，向西北部太行山逐漸增厚至36～37 km，其中莫霍面埋深最淺處位于渤中坳陷，約28 km，是地殼垂直變形中心；埋深12 km的居里面上隆中心，比周邊地帶淺4～6 km，對應于NNE向郯廬斷裂帶的構造位置[50]。蘇北—南黃海盆地[9-10]地溫梯度介于24～32 ℃/km，平均為29 ℃/km，熱流值分布在66～90 mW/m2，平均值為(60±8) mW/m2，與中國陸域熱參數特征相近。深達35 km的居里等溫面[32]，莫霍面與盆地結構的非鏡像關系[51]，居里等溫面與盆地基底的同相性[32]，均指示其成盆機制不具備典型的地幔熱隆升特征。東海盆地及其鄰區地溫梯度介于25～44 ℃/km，平均為32.7 ℃/km，呈北低南高的分布特征，熱流值范圍為35～400 mW/m2，熱流呈東高西低的變化趨勢，最高熱流值出現在盆地南部[25,52]；居里面深度在14～29 km之間變化，盆地西部出現居里面深度低值區，北北東向的深度中心與東海盆地凹陷帶呈較好的空間對應關系[53]；莫霍面深度由北西的34 km向南東降低至12 km，具有典型的大陸邊緣伸展特征。瓊東南盆地地溫梯度介于25～60 ℃/km，高熱流帶的熱流值可達85 mW/m2，珠江口陸坡區，地溫梯度為45 ℃/km，熱流值高達85 mW/m2，其熱狀態主要受巖石圈破裂而引起的深部物質熱上涌影響；北部邊緣具有異常高的地溫梯度，中南部深水區地溫梯度可達50～60 ℃/km[54]。鶯歌海盆地是一個獨特的超壓高溫盆地，高熱流構造背景使其具有極高的地溫梯度，最高平均地溫梯度可達42.5℃/km，這與盆地深部的熱流體受底劈活動影響相關[55]。

表1 中國東部新生代盆地熱狀態特征與油氣資源潛力[6-10]Table 1 Thermal state and petroleum potential of Cenozoic basins in East China

3 沉積盆地熱狀態與油氣潛力關系

熱狀態與油氣潛力關系為沉積盆地熱體制解析與油氣資源評價提供了定量研究思路。居里面是巖石圈磁性層的底界面，地殼巖石圈中的鐵磁性礦物因溫度達到居里溫度(580 ℃)而變為無磁性的順磁性界面，因此，居里面可以較好地反映盆地深部熱狀態。研究居里界面深度，不僅可以了解地殼巖石圈熱結構，還可以間接地認識地表熱流與地溫梯度，這對于研究沉積盆地烴源巖熱演化與生烴成藏的關系具有重要的實踐意義。

基于磁異常反演的580 ℃居里等溫面，可以較好地提供區域地殼和巖石圈熱結構一級約束，為揭示沉積盆地深部熱狀態提供了重要的參考方法。由沉積盆地的磁總場△T數據，根據中心點法可計算磁性層頂界埋深和中心點埋深[34]，計算居里面深度界面：

Zb=2Z0-Zt

(1)

式中：Zb為居里面深度界面、Zt為磁性層頂界埋深、Z0為磁性層中心點埋深，單位均為km。由一維穩態熱傳導方程，可推導出通過居里面深度(Zb)計算地表熱流(Qs)的公式[41,56-57]：

式中：k為熱導率，W/mK；Ts為上界面溫度，K；Tb為居里面溫度，K；Zs為上界面深度，km；H0為地表產熱率，μW/m3；δ為產熱率的特征衰減距離，km。

假設產熱率與熱導率無橫向變化，熱導率也無垂向變化，取上界面為地表，Zs=0 km，Ts=0 K，H0=0 μW/m3，式(2)可得：

(3)

同時，地表熱流Qs為地溫梯度與熱導率之積，Z為深度，km，向下為正：

(4)

且由式(3)和式(4)積分可得式(5)：

(5)

再由表達油氣生成的反應速度(如干酪根裂解成油反應)與溫度之間關系的阿侖尼斯方程[58]：

(6)

式中：KARR是反應速度，1/Ma；A是頻率因子，1/Ma；E是活化能，kJ/mol；R為氣體常數8.314 J/(mol·K)；T是絕對溫度，K。將式(5)代入式(6)得到：

(7)

式(7)簡化取常量C(大于1)，稍作變形得：

(8)

隨著Zb增大，KARR不斷減小，反之亦然。

據此可知，表征沉積盆地深部熱狀態的居里等溫面深度與表征油氣潛力的有機質反應速率之間存在負相關性。

4 蘇北—南黃海盆地熱狀態與油氣

4.1 蘇北—南黃海盆地新生代沉積盆地地質概況

下揚子蘇北—南黃海盆地是一個由前白堊紀擠壓沖斷體系和晚白堊世—新近紀伸展斷拗體系組成的改造型殘留疊合盆地，其新生代沉積盆地可劃分為陸域的沿江盆地群、蘇北盆地及海域的南黃海盆地[9-10](圖2)。

蘇北—南黃海盆地地溫梯度較低[9,17,55]，相比于相鄰的渤海灣盆地和南側的東海盆地等“熱盆”，蘇北—南黃海新生代斷陷盆地則是一個“溫盆”。因受控于側向擴展機制的伸展盆地[9-10,45]，而非地幔熱底劈機制的裂谷盆地，蘇北—南黃海盆地在新近紀拗陷階段，屬被動熱沉降，拗陷沉降量遠小于主動熱沉降的渤海灣盆地和東海盆地。蘇北—南黃海新生代伸展盆地的拗陷期始于漸新世末期，止于中新世早期，盆地沉降規模小。與之形成顯著對比的是渤海灣盆地，在該期快速沉降，特別是在渤中凹陷及其鄰區，形成大面積的明化鎮期超大型拗陷型淺湖相沉積[55]，構成了盆地重要的區域性蓋層，這是裂谷盆地裂后熱沉降的顯著特點。深切莫霍面的郯廬斷裂帶右旋張扭的構造背景，誘發了渤海灣地區的地幔熱隆升，深部熱隆引起的張引作用為盆地沉積充填提供了足夠的可容空間，且地幔熱上涌也為烴源巖生烴熱演化提供了足夠的盆地熱場。此外由于主動裂陷，渤海灣盆地持續沉降，沉積物持續充填與堆積，斷陷期烴源巖最大埋深超過萬米，埋藏深度進一步加大，烴源巖持續生烴成藏(表1)。

相比渤海灣盆地的成熟—高成熟階段，蘇北—南黃海盆地烴源巖成熟程度低，是典型的低成熟“溫”盆，且南黃海盆地成熟度總體低于蘇北盆地，這極大制約了蘇北—南黃海盆地的生烴潛力。經多年勘探，蘇北盆地至今仍未有億噸規模的工業油氣田發現，累計探明儲量2.8×108t，年產原油185×104t；南黃海盆地雖見油氣顯示，但未獲工業油流。在局部地區，如蘇北盆地的金湖凹陷和高郵凹陷，深埋于6 000～7 000 m的烴源巖演化程度高，達到生烴門限，烴源巖處于成熟階段，在古近系中形成中小型油田；在高郵、鹽城凹陷，阜寧組烴源巖成熟度高，形成小氣田[59-60]。

圖2 下揚子區蘇北—南黃海盆地構造

蘇北—南黃海盆地上白堊統—古近系主要發育有3套生油層，自下而上為泰州組、阜寧組和戴南組。蘇北盆地的3套烴源巖形成于盆地拗陷階段，是3次區域湖侵的產物，含灰質高，腐泥有機質豐富，縱向呈連續建造，品質穩定，但優質的戴南組烴源巖僅局限于高郵深凹。南黃海盆地優質烴源巖可對應于蘇北盆地的3套烴源巖，另外還發育三垛組烴源巖[60]。

貫穿于海陸相地層的“先逆后張”大型控盆斷裂長期發育，錯斷層位多且連通深層油源，向上可延伸至新近系，向下則錯斷奧陶系—震旦系而達到基底巖層，是重要的輸導系統。海相烴源巖晚期生烴成藏，油氣勘探的有利區是海相地層保存完整、伸展變形程度大、沉降幅度大、中新生代斷拗保存單元完整、新近紀區域抬升剝蝕弱、沿控盆或控凹大斷層展布的地區。蘇皖南部地區的沿江盆地群，因新近紀整體抬升剝蝕而不具備良好的油氣保存單元，最大剝蝕厚度可達2 000 m。但在蘇北—南黃海盆地，在古近紀伸展變形體制下，區域伸展強烈，沉降幅度大，白堊系—新近系構造層厚的地區則是海相油氣勘探有利區，如蘇北盆地的金湖—高郵凹陷，南黃海盆地的北部凹陷等[60-61]。

4.2 蘇北—南黃海盆地深熱狀態與油氣成藏

據第3小節可知，居里面深度與干酪根裂解的油氣生成反應速率之間具有負相關性，即沉積盆地烴源巖有機質生烴與深部熱狀態之間具有顯著的正相關性。關于蘇北盆地油氣潛力評價及沉積盆地熱狀態與油氣資源關系，前人也做過大量的探索性研究，取得了階段性的成果[6-7,52]，但由于地表熱流觀測數據的分布覆蓋范圍廣，數據點稀少，測點分布極不均勻，通過熱流或地溫梯度插值得到的等值線圖(圖3)橫向分布誤差大，缺乏局部異常信息，因此通過單純的地表熱流觀測“點”數據，難以較好地反映沉積盆地區域熱流分布，沉積盆地熱狀態與油氣潛力的相關性研究有待于進一步擴展。

地殼磁性層的底界面，不但是磁性巖石的底界面，也是一個580℃等溫面[29]。在以往的含油氣沉積盆地勘探過程中，航空磁測數據研究多用于“探底摸邊劃斷裂”，較少關注沉積盆地磁信號反映的深部熱狀態。依托區域磁測的掃面優勢(圖4a)，反演580 ℃居里等溫面(圖4b，4c)，可以很好地從“面”上提供沉積盆地地殼熱結構一級約束，為揭示盆地熱狀態提供了可供參考的定量研究方法。

圖3 下揚子區大地熱流分布圖中圓點為地表熱流值數據(HF)，來源同圖2；熱流值等值線數據(ISO)據參考文獻[62]。Fig.3 Surface heat flow in Lower Yangtze region

圖4 下揚子區居里面與油氣田關系a.下揚子區總磁△T異常圖；b.下揚子區居里面深度數字地形圖；c.下揚子區居里面深度立體陰影圖；d.下揚子區居里面等值線與油氣田分布圖。居里面深度數據來源于李春峰等[30]Fig.4 Correlation between Curie surface and oil-gas fields across the Lower Yangtze region

在下揚子地區，油氣勘探發現主要集中在蘇北盆地的高郵凹陷與金湖凹陷(圖4d)，南黃海盆地是目前中國海域唯一一個沒有實現油氣工業突破的含油氣盆地(圖1a)。在構造上，下揚子區蘇北盆地的高郵凹陷與金湖凹陷是一個居里面深度非常淺的局部異常區，對應著熱流值與地溫梯度的異常區。根據第3節推導的定量關系，沉積盆地的居里面深度低值區域，更有利于烴源巖有機質的熱演化和干酪根生烴熱解，進而有利于油氣成藏。而南黃海盆地則是一個居里面深度高值區，呈現低熱狀態，不利于有機質的生烴熱解與油氣成藏。

蘇北—南黃海新生代沉積盆地為該研究方法提供了實證支撐。以區域磁測數據為基礎，結合地震勘探、盆地構造解析，建立沉積盆地尺度熱場精細結構，將會是含油氣沉積盆地熱體制與油氣成藏研究的一個重要拓展方向。

5 結論

(1)深部熱狀態是沉積盆地油氣事件的決定因素，是地殼巖石圈構造—熱演化過程的綜合反映，是盆地油氣響應的重要約束條件。以中國東部新生代沉積盆地的深部熱狀態為切入點，基于阿侖尼斯方程，探索居里面深度與干酪根生烴反應速率的負相關關系，探討沉積盆地深部熱狀態與油氣富集分布的相關性及其潛在的響應機制，為區域深部熱狀態與油氣潛力研究提供有價值的案例參考和研究新視角。

(2)蘇北盆地高郵凹陷與金湖凹陷是一個居里面深度非常淺的局部異常區，對應著高熱流值與高地溫梯度的異常區，更有利于烴源巖有機質熱演化、生烴熱解，有利于油氣成藏。而南黃海盆地則是一個居里面深度高值區，深部熱狀態呈現低熱狀態，不利于有機質的生烴熱解與油氣成藏。

致謝:感謝審稿人提出的寶貴意見，感謝浙江大學海洋學院李春峰教授提供的CCOP磁數據與居里面計算結果。