下刚果盆地位于南大西洋非洲西海岸，北部以马永巴高原与加蓬盆地相邻，南部以安布里什高原与宽扎盆地相邻，东部以前寒武系基底露头和变质沉积物为界，西部边界以洋壳的出现为标志。盆地总面积为68 698 km²，其中海上面积为43 528 km²，陆上面积为25 171 km²，是西非被动大陆边缘系列含盐盆地之一^[20]。晚侏罗世，随着冈瓦纳大陆的裂解，非洲和南美洲大陆开始分离。受南大西洋裂谷作用和持续漂移的控制，盆地经历了晚侏罗世—早白垩世Aptian期裂谷阶段、早白垩世Aptian期过渡阶段和早白垩世Aptian期以后的漂移拗陷阶段3个阶段。裂谷阶段主要发育湖相沉积，漂移拗陷阶段主要发育海相沉积。Aptian期，受持续的海侵及干旱气候的影响，形成了广泛分布的盐岩层，该盐岩层分隔了盐下湖相含油气系统和盐上海相含油气系统。受漂移拗陷阶段南大西洋不断扩张的影响，Madingo组沉积时期，下刚果盆地过渡到半封闭的海洋环境，在陆架背景发育高有机质丰度的海相烃源岩^{[21, 22]}(图 1)。

图  1  下刚果盆地地理位置及地层柱状图

Figure 1.  Location of the study area and stratigraphic column

本次研究所需样品采自下刚果盆地M区块A井Madingo组，共50个烃源岩岩屑样品。将50个样品全部制作成薄片，进行显微岩石构造、矿物组成及古生物分析，并对其中15个典型样品进行氩离子剖光处理并通过背散射及能谱等技术方法进行分析。31个样品进行了全岩和黏土矿物X-衍射分析，其中全岩矿物X射线衍射分析执行《沉积岩中黏土矿物总量和常见非黏土矿物X射线衍射定量分析方法》(SY/T 6210-1996^[23])标准，黏土矿物相对含量X射线衍射分析执行《沉积岩黏土矿物相对含量X射线衍射分析方法》(SY/T 5163-1995^[24])标准，采用荷兰X’pert MPD ProX射线衍射仪，测试温度20 ℃，测试湿度65%，由中国地质大学(武汉)地质过程和矿产资源国家重点实验室完成。14个样品进行主量元素分析，首先将样品在烘箱中105 ℃下烘干2h，再以45Li₂B₄O₇+10LiBO₂+5LiF为混合熔剂、NH₄NO₃和LiBr为分析纯试剂，将烘干的样品在高频熔融炉1 000 ℃下熔融制片，最后采用XRF-1800波长扫描X射线荧光光谱仪进行样品测定，测试功率2 500 W，仪器恒温35 ℃，由中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成。7个样品进行了TOC含量分析，采用Leco CS-230碳硫测定仪进行样品测试，执行标准为《GB/T 19145-2003沉积岩中总有机碳的测定》^[25]，由中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。

Madingo组烃源岩矿物成分以黏土矿物和石英为主，方解石和长石次之(图 2)，含有少量的黄铁矿、白云石等(表 1)。黏土矿物含量介于20%~75%之间，平均含量为41.0%；石英含量介于12%~34%之间，平均含量为23.7%；方解石平均含量为15.8%，长石平均含量为10.6%。黏土矿物以伊利石和绿泥石为主，高岭石相对含量变化较大，介于0~40%之间。

图  2  Madingo组烃源岩矿物组成

Figure 2.  Mineral composition distribution of source rock in Madingo Formation

Madingo组烃源岩微古生物发育，包括有孔虫和放射虫等。有孔虫壳体呈球形、椭球形、花生状等多种形态，大小不一，直径介于50~150 μm，能谱分析可知其主要成分为钙质(图 3a-b)。有孔虫按其生活习性又可分为浮游有孔虫和底栖有孔虫两种类型^[26]。放射虫壳体形态较为单一，以球形为主，大小不一，直径介于20~50 μm，能谱分析可知其主要成分为硅质(图 3c)。

图  3  Madingo组烃源岩古生物及磷酸盐特征

Figure 3.  Paleontology and phosphate deposits of the source rock in Madingo Formation

Madingo组烃源岩中可见大量分布的磷酸盐颗粒，多为不规则形状，直径介于100~200 μm，能谱分析可知其主要成分为磷和钙(图 3d)。

岩相是沉积环境和水动力条件分析的基础。对于细粒岩岩相的划分，不同学者有着不同的划分依据和分类方案，主要包括以下几种：(1)根据细粒岩矿物成分及含量进行划分^{[4, 27]}；(2)注重细粒岩结构构造，并结合矿物组成进行划分^{[5, 28, 29]}；(3)综合细粒岩有机质含量、矿物组成和沉积构造进行划分^{[1, 3]}；(4)根据细粒岩有机质成分及分布形式进行划分，如含有孔虫和钙质超微化石泥岩、含植物碎屑泥岩^[30]。

参考前人研究成果，并结合研究区地质背景，本文根据典型矿物组成、古生物特征及显微岩石构造进行细粒岩岩相划分。首先将富含有孔虫、放射虫或磷酸盐颗粒的细粒岩细分为富有孔虫细粒岩、富放射虫细粒岩和磷质细粒岩。对于不含有孔虫、放射虫或磷酸盐颗粒的细粒岩则根据矿物组成和显微岩石构造进行细分，若长英质矿物占主导，镜下可见较多碎屑颗粒，则为长英质细粒岩；若黏土矿物占主导，长英质矿物含量较低，镜下碎屑颗粒罕见，则为黏土质细粒岩；若碳酸盐矿物占主导，镜下可见大量泥晶方解石，则为灰质细粒岩。

富有孔虫细粒岩主要发育在Madingo组中上部，以富含有孔虫化石为主要特征。黏土矿物平均含量为46.3%，长英质平均含量为36%，碳酸盐平均含量为13.8%(表 1)。镜下可见大量的有孔虫密集分布，个体大小不一，内部被方解石(茜素红染色)充填(图 4a)，另有少量石英颗粒零星分布。

图  4  Madingo组烃源岩岩相类型及特征

Figure 4.  Lithofacies and characteristics of source rock in Madingo Formation

富放射虫细粒岩主要发育在Madingo组中下部，以富含放射虫化石为主要特征。黏土矿物平均含量为38.2%，长英质平均含量为35.8%，碳酸盐平均含量为20.5%(表 1)。镜下可见放射虫大量存在，大小混杂，均匀分布(图 4b)。推测富放射虫细粒岩的硅质主要为生物成因，并且生物硅来自于放射虫^[27]。

磷质细粒岩主要发育在Madingo组顶部，以富含磷酸盐颗粒为主要特征。黏土矿物平均含量为45.8%，长英质平均含量为29%，碳酸盐平均含量为13.8%(表 1)。背散射下可见磷酸盐颗粒，形状不规则(图 4c)。推测磷酸盐颗粒的形成与上升流有关^[31]。

黏土质细粒岩主要分布在Madingo组中下部。黏土矿物占主导，平均含量为49.2%，黏土矿物类型以伊利石和绿泥石为主，平均含量分别为44%和30%，伊蒙混层含量较少，平均含量为23%，高岭石含量最低，平均含量仅为3%。长英质含量较低，平均含量为34.8%，碳酸盐含量很低，平均含量仅为11.8%(表 1)。镜下可见黏土广泛存在，未见生物化石和磷酸盐颗粒，碎屑石英、碎屑长石颗粒零星分布，颗粒粒径以黏土级或粉砂级为主(图 4d)。黏土质细粒岩矿物成分较纯，以黏土矿物为主，缺乏大的碎屑颗粒和生物扰动构造，沉积作用方式以静水条件下悬浮沉降为主^[28]。

长英质细粒岩在Madingo组中部和底部均有发育，但厚度较小。长英质矿物占主导，平均含量为41.4%，主要为陆源石英、长石粉砂。碳酸盐平均含量为12.8%，黏土矿物平均含量为39.8%(表 1)。镜下可见大量的粉砂级的石英、长石颗粒均匀分布，呈漂浮状产出，分选中等，磨圆次棱角-次圆状(图 4e)，为陆源碎屑成因。长英质细粒岩碎屑石英、长石颗粒含量较高，表明其形成于相对高能的环境。

灰质细粒岩主要发育在Madingo组中上部和底部。碳酸盐矿物占主导，主要为方解石，平均含量为34%，白云石含量相对较少，平均含量仅为1.8%。长英质含量为29.8%，黏土矿物含量为27.4%(表 1)。镜下可见广泛发育的泥晶方解石(茜素红染色)，另夹杂有少量的黏土级或粉砂级的石英颗粒(图 4f)。与黏土质细粒岩和长英质细粒岩相比，灰质细粒岩碳酸盐含量相对较高，表明其形成于相对浅水环境^[29]。

国外学者基于GR曲线特征和岩相叠加样式进行细粒沉积岩层序划分和地层对比，识别出3种岩相叠加样式，由于其特定的GR曲线响应特征而定义为GRP(gamma-ray patterns)，即向上减小型GRP、向上增大型GRP和相对稳定型GRP^{[6, 7]}。向上减小型GRP对应颗粒粒径增大，黏土矿物含量减少，碳酸盐含量增加(图 5a)，岩相由黏土质细粒岩向长英质细粒岩和灰质细粒岩转化；向上增大型GRP对应颗粒粒径减小，黏土矿物含量增加，碳酸盐含量减少(图 5b)，岩相由长英质细粒岩和灰质细粒岩向黏土质细粒岩转化；相对稳定型GRP对应矿物含量相对稳定，岩相变化较小(图 5c)。垂向岩相叠加样式解释为两种连续的海平面升降过程，即海侵(浅水高能、高碳酸盐含量岩相被深水低能、高黏土矿物岩相代替)和海退(深水低能、高黏土矿物岩相被浅水高能、高碳酸盐含量岩相代替)。

图  5  Madingo组3种GR曲线类型及矿物含量变化

Figure 5.  Three types of GR curves and variation in mineral composition in Madingo Formation

根据A井GR曲线特征和岩相叠加样式以及B、C、D和E井(该4口井没有进行矿物含量测试，岩性剖面来自录井资料。)GR曲线特征，将Madingo组划分为3期海平面升降旋回，并且该划分结果能够与同期全球海平面变化较好对应^[32](图 6)。

图  6  Madingo组连井剖面GR旋回特征及全球海平面变化

Figure 6.  GR cycle characteristics of connecting-well profile in Madingo Formation and global sea-level changes

第一期海平面升降：海侵阶段，底部受陆源供给影响较大，主要发育长英质细粒岩和薄层的黏土质细粒岩，向上过渡为厚层的灰质细粒岩。再向上由于海平面迅速上升，发育富放射虫细粒岩。海退阶段，由厚层的富放射虫细粒岩、黏土质细粒岩夹薄层灰质细粒岩过渡为长英质细粒岩。

第二期海平面升降：海侵阶段，岩相主要为厚层黏土质细粒岩，代表相对稳定的深水沉积环境。向上GR曲线快速增大，由富有孔虫细粒岩组成密集段。海退阶段岩相过渡为灰质细粒岩，对应向上减小型GRP。

第三期海平面升降：海侵阶段，对应向上增大型GRP，底部岩相为灰质细粒岩与磷质细粒岩互层，向上过渡为厚层的磷质细粒岩。海退阶段，对应向上减小型GRP，发育厚层的磷质细粒岩(图 6)。

岩相和烃源岩的发育与海平面升降密切相关，低海平面时期，水体较浅而水动力条件较强，发育灰质细粒岩、长英质细粒岩，水体含氧而不利于有机质保存；高海平面时期，在相对深水低能环境下岩相以黏土质细粒岩为主，水体分层广泛存在，底层水缺氧而有利于有机质的保存。从图 7可以看出，高海平面时期发育的深水岩相有机质含量较高，烃源岩的质量较好，而低海平面时期发育的浅水灰质细粒岩、长英质细粒岩有机质含量相对较低。但A井Madingo烃源岩海侵/海退旋回和有机质丰度对比表明，磷质细粒岩有机质丰度普遍较高，与海平面变化和水体深浅无明显相关性(图 8)，可见海平面升降不是烃源岩有机质富集的唯一控制因素。

图  7  Madingo组烃源岩TOC与Na/Al、Na/K比值交汇图

Figure 7.  Intersection of the TOC and Na/Al、Na/K radio of source rock in Madingo Formation

图  8  A井Madingo组烃源岩GR旋回、矿物组成与主量元素分布特征

Figure 8.  Distribution characteristics of GR cycle, mineral composition and major element of source rock in Madingo Formation of Well A

研究区上升流沉积的岩性与古生物标志包括：(1)典型的碳-硅细粒岩组合^[15](富放射虫细粒岩，富有机碳，放射虫为硅质生物)；(2)碳-磷细粒岩组合^[15](磷质细粒岩，富有机碳和磷酸盐颗粒)；(3)底栖生物和浮游生物混生^[15](富有孔虫细粒岩中底栖有孔虫和浮游有孔虫混生)。在A井Madingo烃源岩可识别出2期上升流沉积：第一期为Madingo组中下部富有机质富放射虫细粒岩沉积(图 8)，镜下可观察到大量的放射虫(硅质生物)存在，为典型的碳-硅细粒岩组合。富放射虫细粒岩厚度较小，推测该期上升流活动时间较短，规模较小；第二期为Madingo组顶部富有机质磷质细粒岩和富有孔虫细粒岩沉积，以高有机质含量和磷酸盐含量为典型特征(图 8)，为典型的碳-磷细粒岩组合，富有孔虫细粒岩中底栖有孔虫和浮游有孔虫混生。磷质细粒岩和富有孔虫细粒岩厚度较大，推测该期上升流活动时间较长，规模较大。因此，富放射虫细粒岩、富有孔虫细粒岩和磷质细粒岩均为上升流沉积产物。

上升流对烃源岩的发育具有重要的影响，现已证实多个地区海相烃源岩的发育与上升流有关^{[31, 33, 34]}。从图 7可以看出，上升流活动形成的烃源岩有机质丰度明显高于非上升流活动形成的烃源岩。高有机质生产力是上升流活动区的典型特征，上升流将海底富营养盐水体带至表层，从而促进了表层水体生物的大量发育，提高了原始海洋生产力。高海平面时期，水体分层广泛存在，表层水中发育的生物降落至缺氧的底层水中得以保存；低海平面时期，没有水体分层，但由于生物过量发育而消耗掉水中大量的氧气，缺氧的环境有利于有机质的保存而形成优质的烃源岩^{[14, 16]}。因此，受上升流活动的影响，低海平面时期形成的磷质细粒岩有机质丰度较高。

板块构造重建表明，晚白垩世研究区位于一个喇叭型海湾的东侧陆架上^[35-37]。Albian期由于洋中脊扩张与洋壳生成，海湾两侧陆架受到挤压抬升，Aptian期盐层发生不均匀底辟作用，在陆架内部形成大小不等的洼陷，相对封闭的水体环境为细粒沉积物的堆积与有机质的保存创造了良好的条件。中东地区中生界优质烃源岩，以及新生界高有机质含量的富放射虫细粒岩都发育在陆架内部的洼陷或受台地分割的浅海环境中^{[38, 39]}。

Na/Al、Na/K等值经常被作为判别古气候和化学风化强弱的指标，在化学风化过程中，钠元素由于化学活动性较强而容易发生迁移、淋失，钾、铝等元素由于化学活动性较弱则多聚集在风化形成的黏土中。湿润气候条件下化学风化强，Na/Al、Na/K比值低；干旱气候条件下化学风化弱，Na/Al、Na/K比值高^[40]。主量元素分析可知，A井Madingo组底部Na/Al、Na/K比值较高，其中，Na/Al平均值为0.32，Na/K平均值为1.0，该沉积时期气候条件为干旱气候；中下部Na/Al、Na/K比值变化较快，其中Na/Al介于0.17~0.3，平均值为0.23，Na/K介于0.58~0.99，平均值为0.77，气候条件从干旱气候向相对湿润气候转变；中上部Na/Al、Na/K比值较低，其中Na/Al平均值为0.19，Na/K平均值为0.6，该沉积时期气候条件为湿润气候(图 8)。

古气候对烃源岩有机质富集的影响体现在原始有机质生产力和生源构成2个方面，通过影响陆源高等植物输入在一定程度上影响海相烃源岩的有机质丰度和有机质类型。干旱气候时期，降雨较少，流域内高等植物不发育，海洋中陆源有机质供给较少，因此，原始有机质生产力较低，生物构成以海洋水生生物为主；湿润气候时期，降雨充沛，流域内高等植物发育，有较多的陆源有机质输入到海洋中，因此，原始有机质生产力较高，生物构成包含海洋水生生物和陆源高等植物2种^[17]。但古气候对上升流形成的烃源岩和非上升流形成的烃源岩的影响存在差异。

上升流活动时期，海洋水生生物大量发育，原始有机质生产力整体较高，不同古气候条件下陆源有机质输入对生产力差异影响不明显，如图 7所示，上升流沉积有机质丰度较高，而且TOC含量与Na/Al、Na/K比值(古气候条件)没有明显关系。同时，生源构成以海洋水生生物为主，随着古气候条件由干旱逐渐变为湿润，陆源高等植物输入逐渐增多，烃源岩有机质类型由Ⅰ型向Ⅱ₁型过渡。曹军等^[18]在研究下刚果盆地海相烃源岩地球化学特征时表明，Madingo组海相烃源岩有机质类型以Ⅱ₁和Ⅱ₂型为主，Ⅰ型烃源岩较少(图 9)。

图  9  Madingo组烃源岩有机质类型

Figure 9.  Organic matter type of source tock in Madingo Formation

非上升流活动时期，不同古气候条件下陆源有机质输入对生产力差异影响较为明显，如图 7所示，非上升流沉积有机质丰度虽然较低，但随着Na/Al、Na/K比值降低，即古气候条件由干旱变为湿润，TOC含量增加。同时，由于海洋水生生物不发育，陆源高等植物在生源构成上占有更大比例，随着海洋中陆源高等植物输入逐渐增多，烃源岩有机质类型由Ⅰ型向Ⅱ₁型和Ⅱ₂型过渡。

(1) 研究区Madingo组烃源岩矿物组成复杂，以黏土矿物和石英为主，方解石和白云石次之，另有少量的长石和黄铁矿，有孔虫和放射虫等微古生物发育，局部可见大量存在的磷酸盐颗粒。根据烃源岩矿物组成、古生物特征和磷酸盐含量，并结合显微岩石构造，共识别出富有孔虫细粒岩、富放射虫细粒岩、磷质细粒岩、黏土质细粒岩、长英质细粒岩和灰质细粒岩6种岩相。

(2) 研究区Madingo组烃源岩发育受海平面升降、上升流和古气候控制。Madingo组共划分为3期海平面升降旋回，高海平面时期发育的深水岩相有机质含量较高，而低海平面时期发育的浅水岩相有机质含量相对较低。但磷质细粒岩有机质含量普遍较高，与海平面升降无明显相关性，因此，海平面升降不是烃源岩有机质富集的唯一控制因素。

(3) Madingo组发育的富放射虫细粒岩、磷质细粒岩和富有孔虫细粒岩推测为2期不同规模的上升流沉积。上升流提高了表层水体有机质生产力，高海平面时期，水体分层广泛存在，表层生物降落至缺氧的底层水中得以保存；低海平面时期，没有水体分层，但由于生物过量发育而形成的缺氧环境有利于有机质的保存。因此，上升流活动是引起浅水磷质细粒岩高有机质丰度的原因。

(4) Madingo组沉积时期，由于盐底辟作用在大陆架内部形成一系列洼陷，其相对封闭的水体环境有利于有机质的保存。快速的海平面上升与浮游生物勃发也有利于海底形成缺氧环境。古气候经历了干旱气候、相对湿润气候和湿润气候3个阶段，通过控制海洋中陆源有机质输入在一定程度上影响烃源岩有机质丰度和有机质类型。