SEDIMENT GEOCHEMISTRY FROM 13°N EAST PACIFIC RISE HYDROTHERMAL FIELD
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摘要: 对东太平洋海隆(EPR)13°N西侧2个沉积物岩心进行了碳酸盐、常量和微量元素测定。沉积物中Fe和Mn的含量较高,其中,E271站位沉积物岩心中Fe含量8.5%~13.8%,Mn含量1.7%~3.17%;E272站Fe含量6%~13%,Mn含量0.12%~3.31%,显示在EPR 13°N热液活动区西侧25~45 km处热液柱对沉积作用的影响明显。E271和E272站位CaCO3含量分别为5.9%~27.57%和6.67%~38.20%。热液柱的沉积作用,使Cu、Pb和Zn在沉积物中富集,Cu/Fe、Pb/Fe和Zn/Fe比值低于热液喷口处的颗粒物中值,Pb表现出在海水中运移距离较短或者只有少量Pb随热液柱扩散运移。热液柱在E271和E272站位的沉积作用使得Li、Mo和Ni在沉积物中富集,此外,V因为铁氧化物颗粒吸从海水中吸附并沉降到沉积物中。沉积物中Ti和Al有非常好的相关性,其Ti/Al比值为0.05左右,与太平洋深海沉积相比具有更高的铁含量,而U在岩心中的含量与深海沉积相似。Abstract: Element analyses have been carried out on the sediment cores from East Pacific Rise 13°N. Sediments are rich in Fe and Mn, with Fe contents from 8.5% to 13.8% in E271 and 6% to 13% in E272, Mn contents from 1.7% to 3.17% and from 6% to 13% respectively, which indicates important sedimentation influences of hydrothermal plume at a distance of 25~45 km west of EPR 13°N hydrothermal field. Carbonates also occupy an important component, with E271 from 5.9% to 27.57% and E272 from 6.67% to 38.20%. A few foraminifer fossils were found in the sediment cores. These sediments are rich in Cu, Pb and Zn which are fallout from hydrothermal plume with iron oxides. Cu/Fe, Pb/Fe and Zn/Fe ratios are lower than those in vent particles. Pb performs short transport distance or only minor Pb transports with iron oxides particles. Sediments are rich in Li, Mo and Ni as well. Further, plume supplies V to underlying sediment by scavenging from seawater. Ti and Al have a good correlation, with Ti/Al ratio nearly at 0.05. U content of the cores is similar to that of the pelagic sediments.
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Keywords:
- hydrothermal plume /
- sediment /
- iron oxides /
- trace element /
- East Pacific Rise
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珠江口盆地珠一坳陷惠州凹陷惠州26洼文昌组沉积时期湖盆强烈断陷，湖盆面积广阔，沉积半深湖-深湖相泥岩，沉积厚度大，分布面积广，是惠州26洼主力烃源岩发育层系[1-2]。惠州26洼为已证实的富生烃洼陷，洼陷周缘发现规模油气藏，是南海东部地区勘探程度最高的地区之一。然而，以往的研究认为优质烃源岩主要集中在洼陷中心地区[3-5]，其边缘洼陷受湖盆深度、物源输入等不利因素的影响，难以发育优质的烃源岩，目前尚无对惠州26洼边缘洼陷烃源岩特征及形成条件的研究成果。
本文以惠州26洼东北次洼为研究区，根据最新的钻井、分析化验、地震资料，对研究区文四段烃源岩特征进行详细的分析和研究，全面评价该区烃源岩质量，并探讨边缘洼陷优质烃源的发育条件，一方面，弥补惠州26洼边缘洼陷烃源岩研究空白，扩大该洼陷烃源岩分布范围，为该洼陷未来勘探研究奠定生烃基础；另一方面，为珠一坳陷及其他地区边缘洼陷烃源岩预测与评价提供参考。
1. 区域地质概况
珠江口盆地位于华南大陆南缘，南海北部大陆边缘，是该区域最大的中、新生带裂陷沉积盆地。盆地由北向南划分为北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、中部坳陷带、南部隆起带及南部坳陷带6个构造单元[6-8]。珠一坳陷位于珠江口盆地北部坳陷，整体呈NE走向，是夹持在北部隆起带和中央隆起带之间的一个负向构造单元。
研究区惠州凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷中部（图1），为珠江口盆地东部已证实的最富烃凹陷之一[1,7,9-10]，由11个洼陷组成，地层发育完整，由老到新为中生带基底，新生代裂陷期神狐组(E1s)、文昌组（E2w）、恩平组（E2e），裂后期珠海组（E3z）、珠江组（N1z）、韩江组（N1h）、粤海组（N1y）、万山组（N2w）及第四系（Q）沉积地层。其中，惠州26洼位于惠州凹陷东南部，文昌组为其主要烃源岩发育层系，受构造抬升（惠州运动）影响，惠州26洼上文昌组地层（文一段、文二段、文三段）缺失，仅保留下文昌组文六段（WC6）、文五段（WC5）和文四段（WC4）地层，其中，文五段和文四段为最主要的烃源岩层发育段。
惠州26洼东北次洼位于惠州26洼东北部，西临惠州21潜山披覆构造带，东侧为东沙隆起（图2），文昌组沉积文五段和文四段地层，但文五段地层较薄，文四段地层厚度大，为其主力烃源岩发育层系。
2. 样品与分析
本次研究的样品来自惠州26洼东北次洼惠州27-A井。为系统分析惠州26洼东北次洼烃源岩、沉积环境，针对该井文昌组文四段，共采集15个泥岩岩屑样品和3颗井壁芯样品，进行岩石热解分析，对其中部分样品进行生物标志化合物、碳同位素等分析。另外，采集56个岩屑样品进行常量与微量元素分析。泥岩岩石热解实验采用法国万琪公司ROCK-EVAL6岩石热解仪，岩石抽提烃色谱-质谱实验采用安捷伦公司Agilent 7890 A气相色谱仪、6890 N 和 5973C色谱-质谱仪，元素分析采用荷兰帕纳科公司Axios MAX X 射线荧光光谱仪（偏差＜0.05%）和ELEMENT XR等离子体质谱仪（偏差＜0.1%）。样品分析测试工作均在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成。
3. 烃源岩地化特征
3.1 有机质丰度
有机质丰度是评价烃源岩生烃能力的重要参数之一。热解分析结果表明，总有机碳含量（TOC）为2.34%～8.14%，平均值4.39%；生烃潜量（S1+S2）为12.54～44.22 mg/g，平均为21.06 mg/g。根据烃源岩评价行业标准，对惠州26洼东北次洼文四段烃源岩进行评价（图3），结果表明，文四段烃源有机质丰度为“好—很好”，具有较好的生烃能力。
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图 3 惠州26洼东北次洼文昌组文四段烃源岩有机质丰度判别Figure 3. Discrimination of the organic matter abundance in WC4 source rocks of Huizhou 26 northeast subsag3.2 有机质类型
有机质类型是有机质重要的质量指标，对烃源岩生烃潜力评价起着重要作用。根据烃源岩热解参数、干酪根显微组分等分析结果，综合分析惠州26洼东北次洼烃源岩主要类型为Ⅰ和Ⅱ1型。
热解分析结果显示，烃源岩最高热解温度Tmax为444～455 ℃，氢指数HI为312～511 mg/g，平均值为393 mg/g。以最高热解温度Tmax为横坐标，氢指数为纵坐标，绘制有机质类型划分图（图4），结果显示，文昌组文四段烃源岩有机质类型包含Ⅰ和Ⅱ1，有机质类型较好，以生油为主。从干酪根显微组分可以发现（表1），文四段烃源岩腐泥组和壳质组含量最高，两者占比93%～99%，壳质组及惰质组含量低，表明母质类型为低等水生生物，同时有少量高等植物的贡献。通过计算有机质类型指数（TI）[11]，判断文四段烃源岩干酪根类型主要为Ⅰ和Ⅱ1型。
表 1 惠州26洼东北次洼文昌组文四段烃源岩干酪根显微组分和类型指数Table 1. Organic microscopic composition and kerogen types in WC4 source rocks of Huizhou 26 northeast subsag井名 深度/m 层位 岩性 腐泥组/% 壳质组/% 镜质组/% 惰性组/% 类型
指数类型 HZ27-A 3 815～3 819 文四段 泥岩 65 33 2 2 80 Ⅰ 3 860～3 868 41 54 5 5 64 Ⅱ1 3 880～3 890 29 64 7 7 56 Ⅱ1 ![]()
图 4 惠州26洼东北次洼文昌组文四段烃源岩Tmax与氢指数有机质类型划分Figure 4. The division of organic matter types by Tmax and HI in WC4 source rocks of Huizhou 26 northeast subsag3.3 生物标志化合物特征
前人研究认为，烃源岩生物标志化合物特征可反映沉积环境、母质类型和有机质热演化程度等差异[12-13]。惠州26洼东北次洼HZ27-A井饱和烃色谱呈现前峰型特征，长侧链三环萜烷以C23三环萜烷为主峰呈正态分布，奥利烷和双杜松烷含量较低，甾烷系列中C30 4-甲基甾烷含量丰富，整体反应该类型烃源岩生源以低等水生藻类为主，但存在少量高等植物贡献；烃源岩姥植比为2.27；Ts、重排藿烷、C29新藿烷含量较高，反应该类型烃源岩沉积时期水体为弱氧化—弱还原的环境。该类型烃源岩与周边HZ21-A井同层段滨浅湖相烃源特征存在明显差异（图5），代表研究区广泛揭示的文昌组中深湖相烃源岩特征。
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图 5 HZ27-A井和HZ21-A典型砂岩及烃源岩生物标志化合物特征C27. 20R-5α(H)，14α(H),17α(H) -胆甾烷；C28. 20R-24-甲基-5α(H),14α(H),17α(H)-胆甾烷；C29. 20R-24-乙基-5α( H) ,14α(H),17α(H) -胆甾烷；Ts.18α(H) -22,29,30-三降藿烷；Tm.17α(H) -22,29,30-三降藿烷； C30Dia-H.C30-重排藿烷；OL.奥利烷；C30H.17α(H),21β(H)-藿烷；T.树脂化合物T。Figure 5. Biomarker characteristics of sandstone and source rocks of HZ27-A and HZ21-AC27.20R-5α(H),14α(H),17α(H)-Cholestane; C28. 20R-24-Methyl-5α(H),14α(H),17α(H)-Cholestane; C29. 20R-24-Ethyl-5α(H), 14α(H),17α(H)-Cholestane; Ts.18α(H)-22,29,30-Trisnorhopane; Tm.17α(H)-22,29,30-Trisnorhopane; C30Dia-H.C30-Rearrangement hopane; OL.Oleanane; C30H.17α(H),21β(H)- Hopance; T. Resin compound T.4. 断陷盆地边缘洼陷优质烃源岩成因探讨
4.1 文昌期强烈断陷形成“洼缘深盆”沉积环境
控洼断层活动性是控制湖盆发育主要因素之一。惠州26洼为“南断北超”的半地堑结构，洼陷形成主要受控于其南部的控洼边界F1断层（图2、图6a），该断层与惠州26洼东北次洼主控F2断层活动时间存在一定差异，通过对断层活动性的分析发现，F1断层在文昌组沉积时期持续强烈活动，而F2断层文五段沉积时期开始微弱活动，文四时期到达活动顶峰，至恩平期断层活动性先减弱后又逐步增强。
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图 6 惠州26洼控洼边界断层活动性分析及惠州26洼东北次洼构造演化a. 断层活动性分析，b. 惠州26洼东北次洼构造演化。Figure 6. Boundary faults activity analysis of Huizhou 26 sag and Tectonic evolution of Huizhou 26 northeast subsaga. Fault activity analysis, b. tectonic evolution of northeast sub-depression of Huizhou 26.运用2D Move软件对洼陷边缘典型地震剖面进行平衡剖面（图2）恢复，建立惠州26洼东北次洼湖盆演化过程（图6b）。在断陷、凹陷的共同作用下，惠州26洼东北次洼文五段沉积时期开始缓慢发育，文四段沉积时期湖盆快速裂陷，形成“洼缘深盆”沉积环境，沉积厚层的文四段地层，最大厚度达约800 m，为优质烃源岩的发育奠定了沉积环境和物质基础。
4.2 源区碎屑物质输入少
位于惠州26洼东北次洼东、西两侧的东沙隆起与惠州21洼火山岩潜山，是该次洼的主要物源区（图7），但两者向洼陷碎屑物质供给均较少。
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图 7 惠州26洼东北次洼周边地区基底地貌及源汇体系Figure 7. Basement geomorphology map and source-sink system of the Huizou 26 northeast subsag surrounding area东沙隆起主要为中生界白垩统酸性侵入岩，侵入时间约为116 Ma[14]，岩性为花岗岩，侵位后持续遭受剥蚀并逐步暴露地表，至渐新统珠海组晚期才被沉积物覆盖，可持续向洼陷供源。“源-汇”体系研究发现，惠州26洼东北次洼临近的东沙隆起区供源面积较小，仅约20 km2，且剥蚀形成的碎屑物质主要向地势更低的东部残洼搬运，同时沟谷体系不明显，仅发育浅小的沟谷，碎屑物质向惠州26洼东北次洼方向输运能力非常有限。惠州21洼为古新统神狐组火山岩潜山，喷发时间约为56～60 Ma，岩性主要为中性安山岩和粗安岩，均为隐晶、微晶质结构，抗风化能力弱，且文四段沉积时期潜山大部分区域已被文五段富泥地层覆盖，火山岩物源区面积较小，仅约为11 km2，且在文四段沉积早期即被水体淹没，风化剥蚀时间短，因此，向惠州26洼东北次洼供应碎屑物质量极少。
该洼陷惠州27-A井位于洼陷东部，临近东沙隆起，钻遇文昌组地层厚度约为281 m，整体表现为厚层泥岩夹薄层砂岩的特征，泥地比约为67.9%，表明文四段沉积时期碎屑物质输入量少，为烃源发育保留足够的可容纳空间。
4.3 火山喷发活动
前人研究认为，有机质高产出是优质烃源岩形成的物质基础[15]，而且优质烃源岩发育过程中普遍伴有岩浆活动[16-21]，火山喷发作用形成的物质可阶段性改变湖盆生化环境，促进有机质的生产和保存。
惠州26洼东北次洼文四段沉积时期伴有多期火山活动，HZ27-A井壁碎屑岩薄片分析显示，陆源碎屑颗粒间火山碎屑物质充填特征显著，主要为火山灰和晶屑，并可见塑形浆屑（图8），整体火山碎屑含量约15%～20%，表明文四段沉积时期伴有火山活动。
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图 8 惠州26洼东北次洼HZ27-A井井壁芯薄片鉴定结果a. 主要由陆源碎屑颗粒、火山碎屑组成，粒间主要充填火山灰和晶屑（A）；b. 主要由陆源碎屑颗粒、火山碎屑组成，粒间主要充填自生高岭石、火山灰（A）；c. 主要由碎屑颗粒、火山碎屑组成，粒间主要充填火山灰和少量晶屑（A）；d. 主要由陆源碎屑颗粒、火山碎屑组成，粒间主要充填火山灰（A），见塑形浆屑（B）。Figure 8. Thin section authentication results of HZ27-A sidewall cores, HZ26 northeast subsaga. Consisting mainly of terrigenous clastic particles and pyroclastic particles, with intergranular filling of volcanic ash and crystal chips (A); b. Consisting mainly of terrigenous clastic particles and pyroclastic particles, with intergranular filling of authigenic kaolinite and volcanic ash (A); c. Consisting mainly of terrigenous clastic particles and pyroclastic particles, with intergranular filling of volcanic ash and a small amount of crystal chips (A); d. Consisting mainly of terrigenous clastic particles and pyroclastic particles, with intergranular filling of volcanic ash (A) and plastic magma fragment visible (B).火山喷发形成的火山物质降落或随水流进入湖盆，有利于有机质的快速形成。火山物质含有丰富的生物生长所需要的元素[22]，由于性质不稳定，容易发生水解，无机营养元素如磷、硫、铁、钙和常微量元素如铁、辛、锰、镍等进入水体后，水体逐步富营养，形成“咸水”环境，促进藻类等生物的勃发和初级生产力的提高[15,23-25]，有机质的形成速度大幅提高。常量和微量元素分析结果显示，文四段沉积时期的钙、磷、硫、铁、锰、镍等营养元素阶段性正异常特征显著，特别是烃源岩主要发育层段Ⅱ，表明该时期水体营养元素供应充足，并随火山活动强弱波动变化。同时古盐度指标Sr/Ba值为1.1～2.95，平均值1.91（图9），一般认为当Sr/Ba＞l为咸水环境[26]，说明该时期惠州26洼东北次洼水体为咸水环境。前人研究认为，以陆源高等植物为主的烃源岩氯仿沥青“A”碳同位素与以水生藻类为主的一般营养性湖泊相比会偏重，但若湖泊藻类勃发，藻类与湖水碳交换导致碳同位素倒转偏重。目前，珠一坳陷已钻遇以陆源高等植物贡献为主的浅湖相烃源岩、水生藻类正常发育的中深湖相烃源岩和藻类勃发的中深湖相3类烃源岩。惠州26东北次洼烃源岩藻类含量高，与浅湖相以及一般营养性中深湖相湖泊相比，碳同位素发生明显倒转，整体偏重，表明本地区湖泊水体富营养，导致藻类异常勃发（图10）。此外，火山活动也释有害物质，如铜、氯化氢等，导致生物快速规模死亡，甚至灭绝[27]，有机质短期堆积富集。另外，受幕式构造活动的影响，火山喷发通常具有间歇性特征，受此影响，生物勃发与短期规模死亡交替出现，为烃源岩的形成提供了充足的有机质基础。
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图 9 HZ27-A井综合柱状图及沉积环境分析替代指标Figure 9. Comprehensive histogram of well HZ27-A and substitution index of sedimentary environment analysis![]()
图 10 碳同位素-四甲基甾烷丰度散点图Figure 10. Scatter plot of carbon isotope vs. tetramethylsterane abundance良好的保存条件是优质烃源岩形成的重要条件，还原环境有利于有机质保存。火山爆发释放还原性气体，如H2S、SO2等，消耗水中的氧气，并导致水体发生重力分异，在深层形成还原环境[28]。微量元素 V/（V+Ni）值可用以指示水体的氧化还原环境，V/（V+Ni）＜0.6，为氧化环境，0.6＜ V/（V+Ni）＜0.84，为氧化还原环境，V/（V+Ni）＞0.84，为还原环境[29]，HZ27-A井文四段V/（V+Ni）值为0.43～0.91，均值为0.73（图9），表明水体环境为氧化还原-还原环境，有利于烃源岩的保存。
5. 结论
（1）已钻井证实，惠州26洼东北次洼发育文昌期文四段烃源岩，有机质丰度高，可以达到“好-很好”的烃源岩标准，有机质类型为Ⅰ—Ⅱ1型，为油型烃源岩。
（2）强烈断陷在洼陷边缘形成深水环境，构成烃源岩发育的有利沉积环境，物源区碎屑物质输入少，火山活动提供丰富的营养物质促进浮游生物的勃发，并形成有利保存的还原环境，从而在边缘洼陷形成“深湖盆、富营养”沉积环境，发育优质烃源岩。
（3）洼陷边缘优质烃源岩的发现表明，文昌组沉积时期，边缘洼陷同样具有发育优质中深湖相烃源岩的条件，有效烃源的发现为研究区周边地区勘探提供充足的烃源基础，东沙隆起临洼区可作为勘探重点区域。
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[1] Elderfiel H,Schultz A.Mid-ocean ridge hydrothermal fluxes and the chemical composition of ocean[J].Annual Review of Earth and Planetary Sciences,1996,24:191-224.
[2] Lupton J E,Delaney J R, et al.Entrainment and vertical transport of deep ocean water by buoyant hydrothermal plumes[J].Nature,1985,316:621-623.
[3] Mottl M J,McConachy T F.Chemical processes in buoyant hydrothermal plumes on the East Pacific Rise near 21°N[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1990,54:1911-1927.
[4] Bostrom K,Arquharson B F, et al.Submarine hot springs as a source of active ridge sediments[J].Chemical Geology,1972,10:189-203.
[5] Hekinian R,Francheteau J, et al.Intense hydrothermal activity at the rise axis of the East Pacific Rise near13°N:submersible witnesses the growth of sulfide chimney[J].Marine Geophysical Research,1983,6(1):1-14.
[6] Klitgord K D, Mammerickx J.Northern East Pacific Rise:magnetic anomaly and bathymetric framework[J].Journal of Geophysical Research,1982,87:6725-6750.
[7] Michard G,Michard A, et al.Chemistry of solutions from the 13°N East Pacific Rise hydrothermal site[J].Earth and Planetary Science Letters,1984,67:297-307.
[8] Khripounoff A,Alberic P.Settling of particles in a hydrothermal vent field (East Pacific Rise 13°N) measured with sediment traps[J].Deep-Sea Research I,1991,38:729-744.
[9] German C R,Colley S, et al.Hydrothermal plume-particle fluxes at 13°N on the East Pacific Rise[J].Deep-Sea Research I,2002,49:1921-1940.
[10] 王小如.电感耦合等离子之谱应用实例[M],北京:化学工业出版社,2005.196-203.[WANG Xiao-ru.Application of Induction Coupled Plasma Emission Spectrometry[M].Beijing:Chemica(Industry Press,2005:196 -203.]
[11] Goldberg E D and Arrhenius G O S.Chemistry of Pacific pelagic sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1958,13:153-212.
[12] Kyte F T,Leinen M, et al.Cenozoic sedimentation history of the central North Pacific:Inference from the elemental geochemistry of core LL44-GPC3[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1993,57:1719-1740.
[13] Bostrom K,Peterson M N A, et al.Aluminum-poor ferromanganoan sediments on active oceanic ridges[J].Journal of Geophysical Research,1969,74:3261-3270.
[14] Feely R A,Lewison M.Composition and dissolution of black smoker particulates from active vents on the Juan de Fuca Ridge[J].Journal of Geophysical Research,1987,92:11347-11363.
[15] Humphris S E, Thompson G.Trace element mobility during hydrothermal alteration of oceanic basalts[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1978,42:127-136.
[16] Krauskopf K B.Factors controlling the concentrations of thirteen rare metals in sea-water[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1956,9:1-32.
[17] Trefry J H, Metz S.Role of hydrothermal precipitates in the geochemical cycling of vanadium[J].Nature,1989,342:531-533.
[18] Thompson G,Humphris S E, et al.Active vents and massive sulfides at 26°N (TAG) and 23°N (Snakepit) on the Mid Atlantic Ridge[J].Canadian Mineral,1988,26:697-711.
[19] 牟保磊.元素地球化学[M].北京:北京大学出版社,1999:156-162.[MU Bao-lei.Element Geochemistry[M].Beijing:Peking University Press,1999:156 -162.]
[20] Seyfried W E, Bischoff J L.Experimental seawater-basalt interaction at 300,500bar; chemical exchange,secondary mineral formation and implications for the transport of heavy metals[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1981,45:135-147.
[21] Moorby S A.The geochemistry of transitional sediments recovered from the Galapagos Hydrothermal Mounds Field during DSDP Leg70-implication for mounds formation[J].Earth and Planetary Science Letters,1983,62:367-376.
[22] Dymond J, Veeh H H.Metal accumulation rates in the Southeast Pacific and the origin of metalliferous sediments[J].Earth and Planetary Science Letters,1975,28:13-22.
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期刊类型引用(2)
1. 胡德胜，满晓，高铭恒，李文龙，余敏. 北部湾盆地乌石凹陷西洼烃源岩特征与勘探前景. 中国海上油气. 2025(01): 13-25 . 
百度学术
2. 党昭卿，陈莹，吕成福，白志钊，肖月也，周钱山. 利用三角洲前积层的厚度恢复湖泊最大古水深：以渤海湾盆地秦南凹陷和珠江口盆地惠州凹陷为例. 高校地质学报. 2024(06): 726-736 . 百度学术
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