南大西洋下刚果盆地烃源岩特征与成藏贡献

杨雄兵，王宏语，苏玉山，关 超

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中国石化勘探开发研究院，北京 100083；3.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引 言

下刚果盆地位于南大西洋西非海岸的中段，大部分位于安哥拉境内，部分位于刚果(布)、刚果(金)、卡宾达与加蓬境内，盆地面积16.9×104km2，其中90%以上位于海上[1](图1)。截至2011年，盆地已有245个油气田(藏)的发现，探明总油气当量2.03×109t(据Information Handling Services IHS，2011)。盆地内油气资源丰富，勘探潜力巨大，是重要的油气研究热点区域[2-5]。

图1 下刚果盆地区域位置与主要断裂分布(据IHS数据库)

国内外学者前期的研究多聚焦于下刚果盆地的构造-沉积与盐岩现象的研究，对于烃源岩的研究多是作为局部油藏评价时的子项目分析[6-11]。对于整体盆地烃源岩的有机质丰度、埋藏成熟史与成藏贡献还欠缺系统的研究，严重制约着该盆地的油气藏预测与目标评价。本文以前期研究成果为基础，利用地震、测井与地球化学资料进行烃源岩解释分析，判别各期烃源岩的沉积环境，明确其生烃能力；通过骨干剖面的热演化模拟，分析烃源岩发育演化与成藏的贡献与制约关系，为下刚果盆地成藏条件与目标优选提供地质依据。

1 盆地的构造-地层特征

下刚果盆地位于南大西洋东岸，是典型的盐构造发育的裂谷-被动大陆边缘叠合盆地[10，12-14]。盆地形成于古非洲板块裂解活动中，发育了大量近东西向的走滑断裂，同时由于非洲板块与南美板块的背向运动，盆地沿着海岸线发育了一系列向海的正断层[15-16](图1)。根据盆地各时期的构造特点，以阿普特盐岩层作为界线，下刚果盆地的演化可以大致分为盐发育前的裂谷阶段与坳陷阶段、盐发育中的过渡阶段及盐发育后的被动大陆边缘阶段[17-21](图2)。

图2 下刚果盆地综合地层柱状图[27-28]

1.1 盐发育前的裂谷阶段(侏罗纪晚期—巴雷姆早期，145～132 Ma)

下刚果盆地的裂谷作用始于晚侏罗世，以局部发育强烈火山活动为标志，在研究区内发育大量基底断层及地堑(图3(Ⅰ))。在早白垩世瓦兰今-巴雷姆期，非洲大陆和南美洲大陆发育陆内裂谷作用[22-23]。受北北西和北北东向基底断裂控制，研究区内形成一系列北西向的裂谷盆地，这些低凹处是湖泊、河流和其它陆相沉积物的沉积中心，沉积了富含有机质的湖相页岩，为重要的烃源岩[24-25]。

图3 下刚果盆地构造演化模式(剖面位置见图1的A-A’测线)

1.2 盐发育前的坳陷阶段(巴雷姆期—早阿普特期，132～125 Ma)

在这一时期，断裂与火山活动强度减弱，构造运动相对稳定，断裂活动减弱，盆地填充了广泛的细粒的泥砂岩(图2和图3(II))。晚巴雷姆期，地堑湖充填了一系列的硅质碎屑岩，其中包括一些储集砂岩。在巴雷姆末期，研究区的陆壳裂开，洋壳出现，海水开始涌入，在早期陆相砂泥岩的顶部发育了一套海相沉积物。坳陷阶段在阿普特早期结束，形成一个区域性的不整合面与上覆的过渡期盐岩隔开[10，26]。

1.3 盐发育中的过渡阶段(早白垩世阿普特中晚期，125～112 Ma)

古非洲陆内裂谷进入阿普特期后发生一系列海侵，海水向北突破沃尔维斯脊火山岩界限，进入宽扎盆地与下刚果盆地[10，29]。由于海水通道间歇性的阻塞，在下刚果盆地内形成潟湖等局限的沉积环境，发育一系列的蒸发岩，其中大部分为盐，局部发育薄层碳酸盐[30](图2和图3(Ⅲ))。阿普特盐层广泛发育于下刚果盆地，但阿尔布盐层仅在宽扎盆地和加蓬盆地中有记载。

1.4 盐发育后的被动陆缘阶段(早白垩世阿尔布期—现今)

随着洋壳持续拉开和大幅度的沉降，下刚果盆地于阿尔布时期开始进入被动大陆边缘发育阶段。在这一时期，盆地经历了热沉降和重力导致的盐运动，形成近岸的拉张区和远岸挤压区，形成一系列的正断层、生长断层及反转断层，并控制同沉积作用[18，26](图3(Ⅳ)和(Ⅴ))。

在阿尔布时期，研究区已全部转变为海相盆地，发育了Pinda组碳酸盐岩台地[25]；在晚白垩世，随着全球海平面上升，下刚果盆地在这一时期沉积了缺氧环境下的富含有机质的Iabe组泥页岩；在晚白垩末期，随着非洲板块拆离造成大陆隆起和河流入侵，沿西非海岸边发育了许多三角洲体系；在渐新世之后，整个下刚果台地向海倾斜表现出海退特征，在Malembo组中多见浊流沉与水道沉积[31-33]。

2 烃源岩的沉积环境与地球化学特征

下刚果盆地发育了三套主要烃源岩层：盐下的Bucomazi组湖相烃源岩，盐上的Iabe组与Landana组海相烃源岩[9，24，34-38]。其中Bucomazi与Iabe组烃源岩是盆地内最重要的两套烃源岩层系。

2.1 Bucomazi 组

下白垩统Bucomazi组烃源岩最早发育于纽康姆期，该时期盆地处于热带干旱气候，大量陆源有机质得以在近岸潟湖中保存(图4)。巴雷姆期与阿普特早期的Bucomazi组烃源岩层段主要沉积于淡水-半咸水缺氧环境下，岩性主要为深湖相泥页岩[39](图5)。

图4 非洲板块与南美洲板块分离过程中的气候特征[40]

图5 南大西洋中段区域各时期的沉积特征[41]

Bucomazi组的潜力泥页岩的总体厚度超过1000 m，其总有机碳(TOC)含量均值超3%，属于优质的烃源岩层段[29]。该组的底部泥页岩受控于陆相环境，通常是不连续的、相互独立的，但是厚度较大，超过700 m；中部页岩是该组最优质的源岩，虽然厚度只有200 m，但是平均TOC值大于4.1%，生烃潜力都在12以上，普遍超过33；上部的巴雷姆烃源岩发育于更为开放、水体相对较浅的坳陷环境之中，所以TOC值较低，但平均值仍在2%～3%之间，具有良好的生烃潜力(表1)。

表1 下刚果盆地有利烃源岩的地球化学特征统计[34]

2.2 Iabe 组

Iabe组烃源岩主要发育于晚白垩世赛诺曼期至坎潘期，此时研究区处于热带干旱气侯(图4)。由于陆缘供给粗碎屑相对较少，陆坡处以大套泥岩夹浊积砂岩为特征，其中泥岩厚度往往占据地层厚度的80%以上(图5)。全球海平面在这一时期处于高位阶段，海中大量的远洋表生及底栖生物增生，死亡后在此处聚集了大量利于生油的有机质(图2)。

Iabe组烃源岩内多发育II型干酪根，其中又以II1型干酪根为主，具有很好的生烃潜力(图6)。该组烃源岩的平均TOC含量在3.5%以上，部分地区可达10%以上，HI值处在350～550 mg/g之间，上部质量很好的层段有超过700 mg/g的HI值。岩石热解分析测得最大S2值为65 mg/g，其中大多数处在 10～35 mg/g之间(表1)。该套地层内烃源岩层段厚度平约500 m，底部的源岩质量较差，TOC含量普遍低于3%，但向上逐渐过渡到质量更好更加倾向生油的源岩层段，TOC含量超过5%。

图6 下刚果盆地烃源岩氢指数(HI)与热解峰值(Tmax)交会图[42]

2.3 Landana组烃源岩

从古近纪开始，由于海平面变化频繁，干燥、潮湿的气候变化也进一步加剧，并且古刚果河在该时期开始复活，导致大量碎屑沉积物被剥蚀搬运，沉积供给充足(图4)。因此，渐新世的盆地发育了大量以浊积水道为主的重力流沉积，同时也在水道前端发育了浊积岩朵叶体(图5)。除此之外，由于高海平面的影响，在重力流沉积与浊积岩相沉积的同时发育大量的半深海-深海泥岩沉积。

古近系Landana组的深海相泥岩层内发育了第三套主要的烃源岩层系，其中陆架外侧至斜坡处的质量最好。该组内烃源岩的干酪根类型以II型为主，存在少数Ⅰ型，TOC处于1%～3%之间，S2平均为20 mg/g(表1和图6)。

3 烃源岩的热演化史

3.1 烃源岩热演化模拟

在二维地震资料的基础上，结合部分关键井数据，本文对下刚果盆地的进行了热演化模拟，以揭示研究区烃源岩的热演化与成熟历程，其中的重点步骤为盆地的构造史恢复与地温场模拟。

3.1.1 构造史恢复

本文主要使用赛格软件对盆地构造史进行恢复，主要数据来源是地震层位与断层数据，同时也使用岩性、地质埋藏年代和岩石热导率数据，以及不整合面分布等数据。为了排除海水的影响，针对盆地陆域与深海区域采用不同的时深曲线进行时深转换，结合各区域的地震合成记录，将二维地震剖面恢复为各时期的构造-地层平衡剖面。为了确保模拟结果更加准确，盆地的构造史恢复上有以下考量：(1)断层与变形构造是可逆向复原的；(2)恢复过程中确保物质守恒；(3)断层位移距守恒，即对于同一条断层应当保持相同的位移量。

3.1.2 地温场恢复

盆地的地温场模拟是通过结合傅立叶热传导算法，导入研究区的地质模型与初始地热数据从而模拟全区地温环境与热流特征的过程。由于热演化模拟是建立在构造恢复后的二维平衡剖面的基础之上的，因此使用的地热模型算法如下：

(1)

其中：T为模型温度，c为介质的比热容，ρ为密度；t为时间，x、z为对应模型的横向与纵向的距离；Kx与Kz为对应横向与纵向的热导率。方程离散化后得到(2)式，

(2)

采用上述热传导模型，给定地表温度20 ℃(考虑始终处于热带地区)，海底温度给值5 ℃(500 m水深以下的常用给定值)，各套地层热导率，并根据目前实测的温度或温度梯度，初步计算大地热流，作为底部边界条件；给定模型初始温度，然后进行数值模拟，得到剖面进入稳态后的温度以及地温梯度。

热演化模型表明，下刚果盆地在陆域及浅海海域地温梯度在2～2.7 ℃/hm之间，在深海三维连片工区海域的地温梯度在3～4 ℃/hm之间；在盆地边缘的深海平原区，盆地沉积盖层厚度仅有4000 m左右，地温梯度极值达到5 ℃/hm(图7)。

图7 下刚果盆地陆域与海域深度-地温交汇图

随后将所计算的温度梯度与实际数据做对比，并重新调整基底热流，使它与实际数据吻合为止，模拟结束后输出地温剖面及热流剖面(图8和图9)。

图8 下刚果盆地北部热演化剖面(剖面位置见图1的B-B’ 测线)

图9 下刚果盆地南部热演化剖面(剖面位置见图1的C-C’测线)

3.2 模拟结果分析

在3.1小节的热演化模拟的基础之上，结合经典有机质成烃演化模式[43]，得到盆地烃源岩在中—新生代的热演化特征。盆地北部与南部的热演化大剖面表明，研究区的Bucomazi组烃源岩与Iabe组烃源岩在现今全部进入生油门限，但是Landana组烃源岩仅有少量进入成熟阶段(图8和图9)。

3.2.1 Bucomazi组烃源岩热演化史

盐下Bucomazi组烃源岩形成于下白垩统断陷层段，整体埋深大，在演化历程中地层温度较其他层位要高。在白垩世末期，该层段就有大部分地层温度超过120 ℃，达到生烃门限，在盆地南部地区部分盐下断陷层温度已经超过180 ℃，达到高成熟阶段，开始有少量气态烃产生(图8(Ⅰ)和图9(Ⅰ))。在渐新世末期，地层温度进一步升高，该套烃源岩几乎全部进入生油窗，同时生气范围进一步扩大(图8(Ⅱ)和图9(Ⅱ))。从中新世中期开始，该组深部地层温度超过240 ℃，烃源岩进入过成熟阶段(图8(Ⅲ)和图9(Ⅲ))；Bucomazi烃源岩演化至今，其海域地区的地层温度均达到160～180 ℃或以上，整体进入高熟与过熟阶段，其产物主要为湿气和热裂解干气(图8(Ⅳ)和图9(Ⅳ))。从海向陆，地层温度逐渐下降，可以推测该组有利烃源岩主要位于大陆坡带以下(图10)。

图10 下刚果盆地主力烃源岩在现今阶段的成熟度分布

3.2.2 Iabe组烃源岩热演化史

Iabe组烃源岩发育于晚白垩世，直到渐新世末期才达到足够的地层温度，在盆地南部埋深较大的局部地区进入生油门限，其他地区均尚未成熟(图8(Ⅱ)和图9(Ⅱ))；在中新世，盆地北部的Iabe组的地层温度大都低于120 ℃，未进入生油门限；而在南部地区，该组烃源岩几乎全部进入生油门限，在部分低洼区域，地层温度甚至超过150 ℃，进入大量生油阶段(图8(Ⅲ)和图9(Ⅲ))；在现今阶段，除了盆地北部的浅海地带及陆地区域，Iabe组烃源岩在大部分地区均已成熟，在盆地南部与北部发育两个主要的生烃灶，北部烃源岩的Ro大都处于0.6%～1.3%区间，未进入生气阶段，而南部烃源岩存在着多个高熟区带，其Ro值大于1.3%(图10)。

3.2.3 Landana组烃源岩热演化史

Landana组烃源岩发育于古近系，由于形成时期较晚，因此基本在中新世之后才开始成熟，至今Landana组烃源岩也只在部分地区成熟，分布较为局限(图8(Ⅲ)、(Ⅳ)和图9(Ⅲ)、(Ⅳ))。与Iabe组类似的是，Labdana组烃源岩也在盆地南、北部存在两个主要的生烃灶，但北部烃源岩的热演化程度较低，未进入高成熟阶段，以产液态烃为主；只有在南部较深区域的烃源岩进入高成熟阶段，可产部分的湿气(图10)。

综上分析，研究区三套主要烃源岩层系的热演化特征表明，盐下Bucomazi湖相烃源岩与Iabe组海相烃源岩的成熟度高、成熟面积大，几乎覆盖整个研究区，是盆地的主力供烃来源；而Landana组成熟区则相对局限，并且分布层位较浅，供烃能力与成藏能力稍弱。另外，三组烃源岩的成熟度分布特征表明，下刚果盆地烃源岩的热演化具有区域差异性，南部烃源岩成熟得更早，其成熟阶段也普遍高于北部地区。

4 烃源岩的成藏贡献

4.1 现今油藏的成藏特征

下刚果盆地已探明的或潜在的油气藏众多，油气储量十分丰富，这些油气藏平行于海岸线分布，具有明显的分带性[35]，按照分布层位与区域大致可以划分为[36-37]：(1)近陆区的盐下白垩系油气带，主要分布在盆地的东北部陆上及浅水区；(2)陆架区的盐上白垩系油气带，集中分布在陆架边缘附近；(3)深水区的古近系—新近系油气带，形成的油气田集中分布在盆地深水区的浊积扇沉积区域内。从油气藏的平面分布特征可以看出，由深部到浅部，下刚果盆地的油气藏分布有向西向南转移的趋势，这与盆地成熟烃源岩的分布存在着正向关联的联系(图11)。

图11 下刚果盆地油气藏平面分布特征[41]

4.1.1 盐下白垩系油气藏的源-藏配置特征

盐下油气藏解剖表明Bucomazi烃源岩是该类油气藏的主力供油层，油藏、油气藏与气藏均有发育。该组烃源岩的近岸部分与远洋部分的埋藏深度与成熟度的差异较大，现今探明的主要是近岸部分的油气藏(图12(a))。热演化模拟表明Bucomazi组烃源岩最早在晚白垩世早期进入生油阶段，此时最深部源岩开始生烃，沿着断裂向上输送至构造圈闭之中。在阿普特盐岩层形成后，大规模的盐岩作为盖层在研究区形成了大量的地层圈闭，在盐下形成了一系列的油气藏。随着埋深增加，大量的盐下Bucomazi组烃源岩在白垩纪后进入生气阶段，产生的气态烃进入新的油气圈闭或是改造原有的油藏，形成了气藏与油气混藏带；在现今阶段，海域部分的Bucomazi组烃源岩全部进入高熟与过熟阶段，这一时期的油气藏的发育主要依赖于陆坡与陆上源岩的油气供应(图8—10)。

4.1.2 盐上白垩系油气藏的源-藏配置特征

该成藏层系主要包括下白垩统Pinda层系以及上白垩统Iabe层系，常发育中-小型油田。研究区探明的Takula油田与Gardenia油田均属于该类油气藏，其油藏解剖结果表明，该类型油藏的油气物质主要来自盐下Bucomazi组以及盐上Iabe组[44-45](图12(b)—(d))。盐下Bucomazi组烃源岩在晚白垩世就已经进入生排烃阶段，油气以断层为主要的运移通道，沿着盐岩滑脱作用产生的盐窗通道向上运移至对应的圈闭成藏；而盐上Iabe组烃源岩成熟较晚，至中新世开始成熟并排烃，在Iabe组内的砂岩层段聚集成藏，上部的Landana组烃源岩虽然不提供油气物质，但是可以作为盖层形成圈闭。

4.1.3 古近系—新近系油藏的源-藏配置特征

该类型油气藏主要发育在Lannada组与上部的Malembo组之中，下刚果盆地现今的主力油气田大多发育该类型油气藏。对盆地Cabaca、Gardenia与Agogo等油田的浅层油气藏的解剖表明Iabe组烃源岩是该类油气藏的主力源岩，油气沿断裂输导至上部的浊积岩储层中成藏(图12(b)—(d))。由于该类油藏位置较浅，深部的Bucomazi组烃源岩产生的油气，大部分很难抵达油气圈闭，因此Bucomazi组烃源岩不应为该类油藏的源岩。Lananda组烃源岩参与了浅层油气藏的形成，上文研究表明Lannada源岩的成熟区域较局限，且烃源岩质量不及Iabe组，因此Lannada源岩对成藏的贡献有限，只能算次要烃源岩。

4.2 各套烃源岩的成藏贡献

除了少数的盐下白垩系断陷层油藏之外，下刚果盆地的油气藏大都存在不止一套供源体系，多级油气供应也是下刚果盆地油藏发育的重要原因。

Bucomazi组烃源岩最早成熟于晚白垩世，此时处于生油阶段，排出的烃类物质一部分沿层向上输送至近陆断裂带，被阿普特盐岩阻隔形成构造-地层油藏；另一部分沿着大断裂向上，经由盐窗输送至Pinda组碳酸盐岩储层与Iabe组砂岩储层，向上被盐岩或者Landana组页岩封堵形成岩性油气藏。该组烃源岩于白垩纪末期进入生气阶段，大部分气态烃沿着断裂向坡上的断陷/坳陷层圈闭和早期油藏运移，形成了一系列油气混藏，少部分天然气通过盐窗进入盐上储集层。大部分Bucomazi源岩在现今阶段的Ro值超过2.0%，无法形成工业级油气藏，仅仅在近岸的浅部地区存在着少量的成熟源岩，为同层系的陆上油气藏提供烃源供应(图13)。

图13 下刚果盆地油气成藏模式

Iabe组烃源岩成熟于中新世，是研究区最重要的生油源岩，其产生的油气成藏范围广泛：一部分就近运移至同组的Iabe组砂岩，一部分侧向运移至相邻的Pinda组碳酸盐岩储层，还有一部分向上沿断裂运移至Landana组与Melembo组浊积岩等主力储层中[46-47]。部分Iabe组烃源岩在中新世之后进入生气阶段，这些生气源岩多分布在较深的海域区域，产生的气态烃沿滑脱断裂向上运移进入圈闭形成气藏，或是与浅部的Landana组烃源岩共同发育油气混藏(图13)。Iabe组烃源岩供烃形成的油藏类型繁多，包括断裂油藏、岩性油气藏、盐岩封堵油气藏以及各种复合型油气藏。

Landana组烃源岩形成于古近纪，到中新世末期才进入生油阶段，直到现今，其生油区域依然较为局限，主要分布在研究区南部的深海区域。与Iabe组烃源岩类似，其产生的油气主要通过盐断裂向上运移，形成的油气藏主要为浅层的Melembo组岩性油气藏与盐岩封堵油气藏(图11和图13)。

5 结 论

下刚果盆地主要发育盐下Bucomazi组、盐上Iabe组与Landana组三套烃源岩层系。其中的盐下Bucomazi组烃源岩发育于偏还原沉积环境的湖盆之中，有机质丰度最高，以I型干酪根为主；盐上Iabe组与Landana组烃源岩以海相泥岩为主，有机质多为Ⅱ型干酪根。

盆地热演化模拟与油藏资料综合分析表明，盐下Bucomazi组湖相烃源岩与盐上Iabe组烃源岩是盆地的主力烃源岩，分别在晚白垩世末期与中新世末期进入生油阶段，而Landana组烃源岩直到现今，其成熟区依旧相对局限。

各层系的油气藏的分布主要受烃源岩成熟区的影响。烃源岩从深部到浅部，其成熟区域逐渐向深海方向迁移，使得浅部的古近系—新近系油气藏多分布在海域地区，而深部油气藏多分布在近陆的浅海地区。

成熟的Bucomazi组烃源岩主要分布在陆地与近岸地区，是盐下油藏的主要烃类来源；浅海区域的Iabe组烃源岩产生的成熟油与盐下Bucomazi组高/过熟的气态烃共同成为浅海区油气藏的烃类来源；深海区域的高熟Iabe组烃源岩形成的湿气，其与成熟的Landana组烃源岩形成的成熟油沿盐构造与断裂在远洋区域形成一系列油藏与油气藏。