A study on the hydrocarbon generation potential of the coal-bearing source rocks in the Pinghu Formation of Pingbei area, the Xihu depression
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摘要: 西湖凹陷平北地区平湖组发育海陆过渡相的煤系烃源岩，以生烃潜力为主要依据对煤岩以及暗色泥岩的有机质丰度进行了评价，并建立了相应的评价标准，评价结果显示其有机质丰度均为中等―好，煤岩表现为S1+S2＞90 mg/g，HI＞100 mg/g，氯仿沥青“A”＞1.0%；暗色泥岩表现为TOC＞1%, S1+S2＞2 mg/g，氯仿沥青“A”＞0.05%，总烃“HC”＞150×10-6。干酪根元素分析显示煤的干酪根类型主要为Ⅱ1-Ⅱ2型，富氢的显微组分含量较高，壳质组中的树脂体、孢子体及角质体含量达到10%～20%，且含有约20%的富氢镜质体，表明煤具有较高的生油潜力；暗色泥岩的富氢显微组分低于煤岩，有机质类型主要为Ⅱ2-Ⅲ型，以生气为主。根据镜质体反射率Ro以及S1+S2/TOC等指标共同确定了平北地区烃源岩的生烃门限（3 100 m）和排烃门限（3 500 m）。热模拟实验显示平湖组煤具有油气共生的特点，具有较高的产油率，可达130 mg/g TOC，产气率可达125 mg/g TOC；暗色泥岩以生气为主，产油率最高仅为50 mg/g TOC，产气率可达185 mg/g TOC，且生气周期长。基于平北地区较重的原油碳同位素和生物标志物特征对比，认为煤成油在研究区广泛存在。Abstract: The source rocks of the Pinghu Formation in the Pingbei area of the Xihu depression consist of a set of coal-bearing deposits of marine-continental transitional facies. Organic matter abundance of the coal and dark mudstone were evaluated mainly based on potential hydrocarbon generation amount according to the evaluation criteria established. Results show that both the coal rocks and dark mudstones have high hydrocarbon generation potential and medium to high abundance of organic matter. The coal rocks are featured by S1+S2＞90 mg/g, HI＞100 mg/g,“A”＞1.0%, while the mudstones characterized by TOC＞1%, S1+S2＞2 mg/g, “A”＞0.05%, “HC”＞150×10−6. It is identified that Kerogen of the coal rocks belongs to typeⅡ1-Ⅱ2 according to the elemental data, and the content of hydrogen-rich macerals is very high. The total content of resinite, sporophyte and cuticle in exinite is up to 10%～20%, and the content of hydrogen-rich vitrinite is as high as 20%, indicating a high oil-generating potential. The content of hydrogen-rich macerals in mudstone is lower than that in coal rocks. The kerogen belongs to typeⅡ2 with higher gas-generating potential. Threshold depth of oil generation and expulsion in the Pingbei area were determined by Ro values and (S1+S2)/TOC values, and they are 3 100 m and 3 500 m respectively. The results of thermal simulation show that the coal rocks are prone to generating both oil and gas, with higher proportion of oil. Oil generation rate can reach 130 mg/g TOC and Gas generation rate about 125 mg/g TOC. The mudstone is gas-prone for a long history of gas generation. Data suggests that the oil generation rate is 50 mg/g TOC only, while the gas generation rate can reach 185 mg/g TOC. Coal-derived oil is widely existed in the Xihu depression according to the heavier crude oil carbon isotope and correlation of biomarkers between oils and source rocks.
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地震相是沉积相在地震反射时间剖面上所表现出来的反射波面貌，是由沉积环境(如海相沉积)所形成的地震特征，反映了沉积物的岩性组合、层理和沉积特征[1]。地震相分析则是分析地震相单元的基本地震参数，包括(振幅、频率、连续性)、内部反射结构、外部几何形态、界面接触关系等，并利用地震相参数所代表的地质意义来解释地层沉积相的地震解释技术[1, 2]。
浅地层地震相解释是沿海陆架沉积地层结构研究的有效手段，已经广泛应用于海洋沉积环境演化研究[3-8]。长江河口及口外海域水下三角洲是中国东部海一种重要的沉积地质体，记录了末次冰消期以来东亚季风记录、海陆交互作用和长江、黄河泥沙传输方式[9-18]。前人对长江口水下三角洲浅地层研究做过许多工作，例如袁迎如等对层序地层的研究[19]，陈中原对沉积相的研究[20]，陈卫民对地层结构的研究[21]等。然而，这些研究基本上是基于一条或几条地球物理剖面及有限的钻孔数据，而浅地层在平面上的展布研究相对缺乏。并且，已有的研究主要位于前三角洲海域，对三角洲前缘水下部分近岸水域沉积结构研究相对薄弱。
上海市地质调查研究院近年来在该海域进行的大面积成系统的地球物理调查工作，在国内尚属首次。本文采用该院在长江口外海域采集的大量浅地层剖面调查数据，利用传统的地震相分析方法，一方面分析测线剖面的地球物理特征，研究总结区内各剖面上发育的浅地层典型地震相，另一方面从区域上圈定各地震相平面展布范围，并从地震相角度解释各沉积相分布。
1. 地球物理调查方法及范围
海洋浅地层剖面测量(简称浅剖)是一种重要的海洋地球物理调查手段。它基于声学原理，利用换能器激发并接收海底以下各个物性差异地层界面产生的反射波，从而直观的反映地层的结构形态。本次研究的浅剖资料是由上海市地质调查研究院利用荷兰GEO-SPARK2000电火花震源采集，普遍反映了长江水下三角洲50m以浅(大多为全新世，局部深入到晚更新世)的地层情况，工区覆盖范围东界限定于123°E附近，北界顺江苏省海岸带向正东延伸，大致在31°45′N，南界沿大洋山岛－瞿山岛中间呈近东西向延伸，大致沿30°32′N一线，向西参照上海海岸线，大概至10m水深线为界，测线位置及工区范围详见图 1。本文中地震剖面纵坐标为双程走时(ms)，横坐标为地震道号(CDP号，间距平均5m)，各剖面编号及位置见图 1，剖面中从左至右方向即为图 1中对应测线从西北(南)向东南(北)方向。
2. 区内典型地震相分析
2.1 近水平层理地震相
区内发现有多处相互平行的水平层理反射结构，即反射波组同相轴之间相互平行，且波组整体呈水平展布或依下伏地形微微起伏，为近水平层理地震相。此地震相波组内同相轴连续性好，可追踪性强。能量整体较强，反射振幅横向较均匀，纵向有强弱变化。整套反射波组与下伏地层反射呈不整合接触。由于浅海相沉积的地震相通常表现为相互平行的水平层理反射结构[20, 21]，因此，此类地震相通常为浅海相沉积的反映。图 2为长江三角洲靠近嵊泗海域的地震剖面，在海底面以下发育了一套典型的相互平行的水平层理浅海地震相。
区内浅海沉积相主要是全新世以来，全球气候变暖，海平面逐渐上升形成的海侵沉积相。相互平行的水平层理反射结构代表了均匀沉降的陆架三角洲台地或稳定的盆地平原背景上的匀速沉积作用。相对匀速的沉积作用形成了同一时期横向上连续性较好、振幅较均匀的反射波同相轴，纵向上反射波强弱的变化则反映了不同时期沉积物性的变化。整套地层与下伏地层的不整合接触表现为自海向陆的上超。
2.2 前积地震相
河流入海形成的完整三角洲沉积一般由顶积、前积和底积3部分组成。顶积层和底积层在地震剖面上一般表现为近水平层理反射结构。前积层在地震剖面上表现为倾斜平行层理反射结构，这种倾斜层理反射便是典型的三角洲前积地震相，是判断三角洲沉积相的主要标识[19-21]。
根据区内前积地震相内部形态上的差别，可以将区内前积地震相划分为S型、斜交型、S-斜交复合型、切线斜交型和迭瓦型5种。
(1) S型前积地震相：一般具有完整的顶积层、前积层和底积层，内部反射结构呈“S”形，见图 3(a)。S型前积反射结构连续性好，同相轴可追踪性强，反射波振幅较强，反射波周期在前积段较宽，向盆地方向则逐渐有收敛变窄趋势。相对于其他前积地震相，它代表一种水流能量相对较低的沉积环境。在长江三角洲海域东部常见此类地震相，且该反射结构往往被浅层气及海底淤泥层的杂乱反射干扰，造成视觉上的不连续；
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图 3 前积地震相剖面(a) S型(P2剖面); (b)斜交型(P3剖面); (c)切线斜交型(P4剖面); (d) S-斜交复合型(P5剖面); (e)迭瓦型(P6剖面)Figure 3. Seismic profile of deltaic front deposits(a)S-type(Line P2); (b) oblique crossing type(Line P3); (c)tangent oblique crossing type(Line P4); (d) S-mix type (Line P5); (e) tile type(Line P6)(2) 斜交型前积地震相：内部反射结构为相互平行的倾斜层理，相对于S型，它没有顶积层也没有底积层，只有倾斜的前积层，见图 3(b)。斜交型前积反射同相轴连续性一般，振幅能量普遍较强，沿倾向方向互有强弱变化。其上倾方向对上界面顶超或削蚀，下倾方向下超于下界面之上，即该类地震相的顶底面均为不整合接触。据前人研究[2, 5]，斜交型前积代表沉积物供应速度快，水流量大，改造作用较强的沉积环境，在长江三角洲海域北部常见此类地震相，局部地区甚至出现时间方向上的交互叠置；
(3) 切线斜交型前积地震相：切线斜交型是由斜交型派生出来的一种反射结构，其特点是无顶积层，有前积层，在前积层的下部倾角逐渐减小，过渡为倾斜平缓的底积层，呈切线型下超，见图 3(c)。切线斜交与斜交型相似，反射波组连续性一般，振幅能量较强，同样代表快速堆积高能量的沉积环境，所不同的是底部能量减弱。因此，能量小于斜交型。长江口东部及北部常见此种类型的三角洲前积地震相;
(4) S-斜交复合型前积地震相：S-斜交复合型前积地震相由S型与斜交型组合而成，即在地震剖面上S型与斜交型反射层交互出现，见图 3(d)。复合型地震相综合了S型和斜交型的地震特征，反射振幅能量较强，连续性好，交互界面同相轴比较清晰。这种地震相是在前积作用过程中伴随有过路冲蚀，并在二者的双重作用下形成了交互出现的地震相形态，由于冲刷部分顶积层，其代表的沉积环境能量高于S型但低于斜交型；
(5) 迭瓦型前积地震相：迭瓦型前积地震相是由一组一组微微倾斜的、互相平行的、不连续的反射层交错叠置形成的，每一组反射层既无顶积层也无底积层，只有前积层，一组前积层沉积完之后，相继沉积后一组前积层，因排列图形很像“迭瓦”而得名，见图 3(e)。该地震相反射振幅能量较强，连续性一般，代表了一种浅水环境下的短期强水流堆积，在长江口东北部局部地区可见此地震相。
2.3 不规则层理地震相
不同于水平层理结构的海相沉积地震相，在地震剖面中水平层理结构以下，大多为非水平层理结构，波组整体能量较强，形态依赖早期地形，为晚更新世河流相沉积所形成，与上部海相沉积的反射分界面也比较清晰，通常为一个不整合接触面或同期相变界面。根据区内的不规则层理地震相的形态特征，分为倾斜型、充填型、褶曲型、杂乱型。因探测深度有限，区内此类地震相底界面多不可见。
如图 4a-d所示。倾斜型地震相表现为相互平行的倾斜层理反射结构，同相轴连续性好，顶界面被海侵削蚀，底界面多不可见。褶曲型地震相表现为相互平行的褶曲状层理反射结构，同相轴连续性好，顶界面背斜多被海侵削蚀，底界面多不可见。充填型地震相表现为沿早期谷地由谷底向谷顶的相互平行的层理反射结构，同相轴由中间向两边逐渐收敛，顶界面被海侵削蚀，底界面与下伏地层呈不整合接触。杂乱型地震相表现为海侵面以下杂乱状反射结构，无明显层理反射。
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图 4 不规则层理地震相剖面(a)倾斜型(P7剖面); (b)褶曲型(P8剖面); (c)充填型(P9剖面); (d)杂乱型(P10剖面)Figure 4. Seismic profile with irregular bedding(a) tilting type(Line P7); (b) fold type(Line P8); (c) filling type(Line P9); (d) disorder type(Line P10)此外，部分区域在河流相顶界面和浅海相底界面之间发育一组充填型平行层理结构地震相，前积填充于晚更新世地层凹陷处，并对下伏地层有削蚀作用，为大型充填型埋藏古河道地震相特征，如图 5所示。
2.4 不规则屏蔽地震相
长江三角洲沉积地层中多富含有机质，这些有机质在经过化学作用后易形成气体覆存于浅地层当中。浅层气地层因含气，造成含气地层纵横波速度降低，波阻抗减小，在地震剖面上表现为独有的不规则屏蔽地震相。此类地震相一般具有不规则状强反射顶界面，两侧往往竖交于旁边地层，内部反射振幅较弱，无连续同相轴，整体上对下伏地层呈现屏蔽状态，见图 6。
2.5 无明显层理地震相
区内发现部分地区地震剖面无明显层理反射结构，此类地震相无法连续追踪同相轴，整体能量较弱，根据初步分析，分为浅砂型和淤泥型地震相。
在整个长江入海口东部地区，有大量河流携带的泥砂堆积，因其形成时间较晚，孔隙较为发育，对地震波能量吸收较强，形成了区内浅砂层地震相。浅砂层地震相基本上呈现整个剖面的屏蔽形态，即反射能量较弱，无明显连续的同相轴，海底面以下未见起伏明显的地层反射，见图 7(a)。
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图 7 无明显层理地震相剖面(a)浅砂型(P13剖面); (b)淤泥型(P14剖面)Figure 7. Seismic profile of sediments without bedding(a) sand type(Line P13); (b) mud type(Line P14)区内杭州湾北部区域，由于其特有的湾口形态，径流和潮流相互作用明显，造成湾内水质混浊度较高，底质受力作用较强，普遍为富含有机质的泥质底，且物理性质相对松软，从而形成了淤泥松散层地震相。该地震相类似于浅砂层地震相，对下伏地层有较强的屏蔽作用，但同相轴连续性较浅砂层地震相略好，剖面上地层反射的可识别度也略高，见图 7(b)。
3. 钻孔资料揭示
区内分布有HZK2、HZK3、HZK7、HZK8、HZK11、HZK12、HZK18等多个浅地层钻孔，位置分布见图 1。各钻孔柱状图揭示了全新世以来各钻孔的地层及沉积环境，见图 8。HZK2钻孔主要为细砂、粉砂岩性，砂层较厚，为三角洲沉积环境。HZK3、HZK7钻孔主要为粉砂、细砂岩性，为三角洲沉积环境，浅部表现为潮流砂脊。HZK8钻孔主要为粉砂岩性，为三角洲沉积环境，浅部表现为河口沙坝。HZK11、HZK12钻孔主要为砂质泥岩性，伴有植物碎屑，为淤泥质潮滩、浅海沉积环境。HZK18钻孔主要为粉砂质泥岩性，为浅海沉积环境。
4. 地震相解释及分布
根据区内发现的各地震相特征，圈定区内全新世以来各主要地震相的平面展布范围，见图 9。整体上识别了6大典型地震相，即淤泥地震相、浅砂地震相、浅海地震相、三角洲前积地震相、基底地震相(古河道相及晚更新世河流相)以及浅层气地震相。对各地震相特征进行归纳总结，见表 1。
表 1 区内浅地层各地震相特征Table 1. Seismic features of shallow strata编号 地震相 同相轴连续性 波组形态特征 顶界面 底界面 沉积相 1 近水平层理地震相(浅海相) 好 近水平互
平行层理海底 不整合接触，上超 浅海相、三角洲相 2 前积地震相 S型 好 S形互平行层理 不整合接触，顶超 不整合接触，底超 三角洲相 斜交型 较好 倾斜互平行层理 不整合接触，削蚀 不整合接触，底超 三角洲相 切线斜交型 好 倾斜弯曲互平行层理 不整合接触，削蚀 不整合接触，底超 三角洲相 S-斜交复合
型较好 S型、斜交型交替
出现不整合接触，削蚀 不整合接触，底超 三角洲相 迭瓦型 一般 交错叠置倾斜互
平行层理不整合接触，削蚀 不整合接触，底超 三角洲相 3 不规则层理地
震相大型古河道
型好 谷状充填型互平
行层理不整合接触，削蚀 不整合接触，底超 河流湖泊相 小型湖泊河
流型好 倾斜、褶曲、谷状
充填型互平行层
理，杂乱状反射不整合接触，削蚀 底超或不可见 河流湖泊相 4 不规则屏蔽地
震相(浅层气)差 屏蔽无
反射不规则 不可见 浅海相、三角洲相 5 无明显层理地
震相浅砂型 差 杂乱状反射 海底 不可见 浅海相、三角洲相 淤泥型 较差 杂乱、波状反射 海底 不可见 浅海相、潮滩相 结合图 1各钻孔位置及图 8钻孔柱状图来看，图 9中各地震相分布区域与钻孔揭示的沉积环境基本吻合。HZK2、HZK8孔揭示的浅部厚砂层，与此区域的浅砂层地震相吻合；HZK3、HZK7孔揭示的潮流砂脊，表明此区域水动力条件较强，与此区域的三角洲前积地震相吻合；HZK11、HZK12孔揭示的淤泥质潮滩、浅海沉积环境与此区域的淤泥型地震相吻合；HZK18钻孔揭示的浅海相沉积环境与此区域的浅海地震相吻合。
综上，淤泥地震相大部分分布在杭州湾北部区域，为湾内强径潮流作用结果，其向东水平层理反射结构逐渐明显，即过渡为浅海地震相。
浅砂地震相主要分部在整个长江口外，为现代长江来砂沉积结果，其向东南水平层理反射结构逐渐明显，过渡为浅海地震相，向东北前积反射结构逐渐出现，过渡为三角洲前积地震相。
浅海地震相主要分布在整个长江口外及区内东南部嵊泗列岛区域，尤其以嵊泗列岛附近最为明显。其中，长江口外东北部出现水平层理反射结构过渡到倾斜前积反射结构，即由浅海地震相过渡到三角洲前积地震相，此处的浅海地震相亦属于三角洲相；长江口外中部浅海地震相向东出现水平层理反射结构的歼灭及晚更新世基底的出露，即由浅海地震相过渡到基底地震相；长江口外南部及嵊泗列岛附近，长江水流作用减弱，为大面积的浅海地震相。
三角洲前积地震相主要分布在长江口外东北部区域，“S”型、斜交型、复合型均有发育，大体呈现由北向南的生长趋势。
基底地震相主要分布在长江口外东部区域，是由浅海地震相逐渐歼灭后古河道地震相和晚更新世河流地震相出露组成的区域，主要是由基底地形隆起引起。
古河道地震相在31°30′N、122°30′E开始可见，向东向南大体发育有两支，古河道主体沿东南走向向南发育至嵊泗列岛东部，在31°00′N、123°00′E附近可见一为后期潮流继续长期冲刷的大型古河谷，其宽度30~105km，约相当于现代长江口口门的宽度[2]。
浅层气地震相分布范围较广，长江口北部、东部，以及杭州湾北部均有发现，但发育深度较浅，大多发育在全新世砂层中，气体类型多为自生自储类型的第四系浅层生物气[22]。浅层气地震相均覆存于各地震相之中，对各地震相具有屏蔽作用。
此外，河流相沉积地震相主要形成于晚更新世中晚期。倾斜型及褶曲型地震相在舟山群岛东部广泛分布，为小型湖泊或小河流沉积相。杂乱型地震相全区均有发现，为早期地层地震相或强水动力条件沉积相。
5. 结论
(1) 区内可见近水平层理地震相、前积地震相、不规则层理地震相、不规则屏蔽地震相、无明显反射地震相，分别对应浅海相沉积、三角洲前积、河流相沉积、浅层气屏蔽、浅砂层及淤泥型沉积等沉积环境；
(2) 根据地震相特征，圈定了各典型地震相分布范围。区内东北部为典型的三角洲前积，其余大部为典型浅海沉积，且浅海地震相特征向口内逐渐变模糊，表现为浅砂或淤泥型地震相，向口外逐渐有晚更新世基底地震相出露，并发育古河道地震相，此外，浅层气地震相在区内多个地震相范围发育；
(3) 各地震相分析具有一定的研究及工程应用意义。例如，浅海地震相可为现代长江水下三角洲的边界研究提供参考，三角洲前积地震相可为三角洲前积及其生长方向研究提供依据，古河道地震相基本反映了区内长江古河道分布范围，浅砂及浅层气地震相可为后备海域资源开发、海底地质灾害研究服务。
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图 2 平湖组烃源岩有机质丰度评价
Figure 2. Assessment on organic matter abundance of Pinghu Formation
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图 4 平湖组某井煤岩壳质组有机显微组分
a.树脂体，油浸荧光，500×；b.孢子体，油浸荧光，500×；c. 层状藻类体，油浸荧光，500×；d. 角质体，油浸荧光，500×。
Figure 4. Organic micro-compositions of exinite of coal rocks in Pinghu Formation
a.resinite，immersion fluorescence，500×；b. sporophyte，immersion fluorescence，500×；c. lamellar algae，immersion fluorescence，500×；d. cutinite，immersion fluorescence，500×.
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图 5 平北地区平湖组烃源岩热演化剖面
Figure 5. Thermal evolution profile of source rock of Pinghu Formation in Pingbei area
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图 6 平湖组烃源岩热模拟试验产率与热演化剖面
Figure 6. Product yields and thermal evolution profile of the thermal simulation experiment in Pinghu Formation
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图 7 平湖组煤岩、暗色泥岩以及原油的碳同位素特征
Figure 7. Character of carbon isotope of coal rocks, mudstone and oils in Pinghu Formation
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图 8 B-4井烃源岩及原油生物标志物特征
Figure 8. Character of source rocks and oil biomarkers of B-4 Well
表 1 研究区煤岩有机质丰度评价标准
Table 1 Evaluation criteria of organic matter abundance of coal rocks in study area
评价标准 S1+S2/（mg/g） HI/（mg/g） A/% 好 ＞150 ＞300 ＞2.0 中 90～150 150～300 1.0～2.0 差 60～90 100～150 0.5～1.0 非 ＜60 ＜100 ＜0.5 
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表 2 研究区泥岩有机质丰度评价标准
Table 2 Evaluation critera of organic matter abundance of mudstone in study area.
评价标准 TOC/% S1+S2/（mg/g） A/% HC/10-6 好 ＞2.5 ＞6.0 ＞0.15 ＞400 中 1.0～2.5 2.0～6.0 0.05～0.15 150～400 差 0.6～1.0 0.6～2.0 0.02～0.05 50～150 非 ＜0.6 ＜0.6 ＜0.02 ＜50
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表 3 平湖组煤及泥岩热模拟试验样品地化参数
Table 3 Geochemical index of the thermal simulation experiment of coal rock and mudstone in Pinghu Formation
井号 岩性 Ro/% TOC/% HI/（mg/g） S1/（mg/g） S2/（mg/g） A-X井 煤 0.4 61 320 2.34 127.44 B-X井 泥岩 0.6 2.5 236 0.54 5.86
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