塔拉纳基盆地的热演化过程及碳氢化合物的生成与排逃时序：基于一维PetroMod模型的研究洞察

《Journal of African Earth Sciences》：Thermal Evolution and Hydrocarbon Generation and Expulsion Timing in Taranaki Basin: Insights from 1D PetroMod Modeling

　　摘要
理解埋藏演化的空间变异性、热成熟度以及烃类生成和排出的时间对于深入了解深水前沿盆地中的石油系统演化至关重要。本研究使用1D PetroMod?软件对深水塔拉纳基盆地的热历史和生成历史进行了重建，该模型通过测量的镜质体反射率数据、地层厚度趋势和热流约束进行了校准。模型结果突出了与盆地结构位置相关的三种不同的热状态。深沉积中心区域自侏罗纪以来经历了长期沉降，并在早中新世期间热流升高，导致源岩过度成熟和以干气生成为主。中间结构区域在古近纪进入了石油生成窗口，烃类生成在古近纪至早中新世达到峰值，随后在更深的区域发生了二次气生成。相比之下，盆地边缘区域的埋藏过程较为温和且延迟，因此在晚渐新世至中新世期间主要以石油生成为主。模拟的生成和排出历史强调了埋藏历史和热演化在控制整个盆地烃类生成时间和相行为方面的重要性。这些结果为评估烃类生成和排出的时间提供了一个可迁移的框架，从而有助于识别具有不同源岩成熟度和烃类生成潜力的区域。

引言
由于井控有限、复杂的构造地层演化以及热状态和沉积负荷的空间变异性显著，深水前沿盆地仍然是最具挑战性的勘探区域（Peters等人，2017；Allen & Allen，2013）。这些因素强烈影响了热成熟度模式、烃类生成时间以及最终的石油系统效率。塔拉纳基盆地的深水区域位于新西兰北岛西部的活跃澳大利亚-太平洋板块边界上，是这些复杂性的典型例子（King & Thrasher，1996；Higgs等人，2019）。
塔拉纳基盆地有着悠久的石油勘探和生产历史，使其成为了解石油系统演化的重要自然实验室。烃类勘探最早可追溯到1865年，在纽普利茅斯海岸钻探的Alpha-1井，这是南半球最早的石油井之一。海上勘探始于1969年，随着Moa-1b井的钻探，发现了巨大的Maui气凝析田，该油田至今仍是新西兰石油生产的基石（Skinner，2008）。随着深水钻井技术的进步，勘探兴趣扩展到了更远的海域和更深的结构区域。这一阶段得到了大量地震反射数据的获取以及关键勘探井的钻探支持，包括1998年的Waka Nui-1井和2015年的Romney-1井，这些数据为深水环境中的地层、热成熟度和石油系统行为提供了关键约束（Milne & Quick，1999；Rad，2015）。
从地质上看，该盆地自侏罗纪以来经历了长期的沉降过程，早中新世期间由于区域构造-岩浆活动导致沉降加速和热流升高（Stern等人，2006；Strogen等人，2017）。这些地质动力学过程在相对较短的距离内产生了埋藏历史、热成熟度和烃类生成路径的强烈 lateral heterogeneity（Uruski & Wood，1998；Higgs等人，2012）。盆地里识别出多个有效的源岩层段，包括侏罗纪含煤层和白垩纪-古近纪的海相至边缘海相页岩（Killops等人，1994；Sykes等人，2012）。然而，深水区域的石油系统性能差异显著。地球化学和流体包裹体研究表明，在深埋沉积中心区域烃类早期排出，在盆地边缘区域充注延迟，在结构复杂或过度成熟的区域烃类保留量有限（Bennett等人，2002；Volk等人，2005）。相邻的南方Aotea盆地及其边缘现在覆盖了约28,000公里的高质量二维地震反射数据，并有五口石油井穿透，显著改善了区域地下成像（Skinner，2019）。尽管数据覆盖范围广且勘探历史悠久，但深水区域仍存在未充分勘探的情况，与埋藏历史、热演化和烃类生成时间相关的风险仍然是主要的不确定性来源。晚白垩世的Rakopi和Taniwha煤层及碳质页岩是有效的、易于生成石油的源岩，在塔拉纳基盆地已进入早期至中期石油生成阶段（Lathbl等人，2024）。
为了解决这些挑战，本研究应用1D PetroMod?正向盆地建模原理（Hantschel & Kauerauf，2009）来重建深水塔拉纳基盆地代表性结构区域的埋藏历史、温度演化和热成熟度（图1）。通过整合地层厚度趋势、测量的镜质体反射率数据、区域热流约束和地质输入，本研究评估了埋藏强度和热状态的空间变化如何控制烃类生成时间和排出行为。Waka Nui-1、Romney-1和Tane-1井的位置以及地震数据集的分布显示在图2A、B和C中。
研究结果为了解盆地内埋藏和热演化对烃类生成的控制提供了新的见解，并建立了一个可迁移的盆地建模框架，用于评估结构分段深水前沿盆地的成熟度演化、烃类生成和排出时间。
塔拉纳基盆地是一个位于新西兰北岛西部的广阔伸展沉积盆地，面积约为330,000平方公里（图1）。它是该地区最重要的石油产区之一，其形成于晚白垩世至早古近纪期间的塔斯曼海东缘裂陷作用，伸展作用主要影响西部区域，而从晚古近纪开始压缩作用在东部地区逐渐增强，并在新近纪达到主导地位（King & Thrasher，1992；Baur，2012）。本研究重点关注深水塔拉纳基盆地的东南部区域（DTB），中心位于南纬38°00′45.22″、东经172°38′09.29″，该区域以显著沉降、厚沉积物堆积和复杂的热演化为特征（Li等人，2017）。
塔拉纳基盆地周围有几个主要的地貌和构造要素对其演化产生了影响。北部是西诺福克海岭（WNR）和北地盆地，西北部则是新喀里多尼亚海槽（NCT）。西南部由洛德豪 Rise和挑战者高原（CP）界定边界，南部边缘则由陆上-海上塔拉纳基盆地严格定义。东部是一系列较小的盆地，包括King Country盆地和Wanganui盆地，记录了新近纪板块边界变形的影响（King & Thrasher，1996；Uruski等人，2002；Giba等人，2010）。
在早白垩世及更早时期（约1.2亿年前），古太平洋板块俯冲到冈瓦纳超级大陆的东缘下方，形成了广泛的火山弧系统和相关的后弧盆地。在此期间，塔拉纳基盆地处于早期后弧裂陷环境，以岩石圈伸展和同期裂陷沉积为特征（King & Thrasher，1992；Baillie & Uruski，2004；Baur，2012）。从晚早白垩世到晚白垩世，新西兰西北部的持续伸展导致地壳变薄，最终在盆地中心形成了海洋地壳。大约8300万年前塔斯曼海的开裂标志着Zealandia与冈瓦纳边缘的最终分离，随后整个塔拉纳基盆地受到区域热沉降的影响（Norvick等人，2001；Sutherland等人，2001）。
裂陷作用停止后，盆地在中新世至始新世期间演变为被动大陆边缘。这一阶段以沉降和海侵为主，促进了浅水和深水环境中的细粒海洋沉积物广泛沉积（King & Thrasher，1992）。在此期间，盆地西部的变形很小，表明相对构造平静。然而，从中新世开始，逐渐发展的澳大利亚-太平洋板块边界开始影响盆地。北部盆地的压缩作用和南部的伸展作用表明，在现代板块边界配置确立之前就已经开始了板块内变形（Collot等人，2008；Giba等人，2010）。
从始新世到渐新世，盆地经历了复杂的俯冲、挤压和构造反转过程。在此期间，新喀里多尼亚北部的俯冲系统发展起来，Zealandia微大陆的逆时针旋转对东北部深水塔拉纳基盆地施加了强烈的压缩应力，特别是在西诺福克海岭沿线（Lagabrielle & Chauvet，2008；Yu，2018）。同时，洛德豪 Rise发生了抬升，而中部盆地经历了加剧的沉降，为沉积物积累提供了大规模的空间。从晚渐新世至今，盆地逐渐从被动大陆边缘转变为活动大陆边缘，这是由于太平洋板块再次俯冲到澳大利亚板块下方（King & Thrasher，1996；Kroeger等人，2019）。最显著的沉降发生在渐新世至早中新世期间，与现代板块边界俯冲的开始同时发生。这一时期也是西北部盆地区域最大 flooding 和快速深水沉积的时期。
后上新世的构造活动进一步改变了盆地地貌，大规模的搬运沉积物（MTDs）广泛发育，反映了与活动边缘变形和快速沉积负荷相关的斜坡不稳定性（Uruski，2008）。从白垩纪到第四纪，塔拉纳基盆地积累了约11公里的沉积物，涵盖了陆相、浅海相和深海相沉积环境（Uruski等人，2002；Strogen等人，2017）。该地层记录了冈瓦纳的裂陷、被动边缘沉降以及随后的新生代板块重组相关的活动边缘变形（Nicol等人，2005；Giba等人，2010；Reilly等人，2015）。钻探所穿透的最古老岩石为晚白垩世，其下是地震数据推断出的厚层同期裂陷序列（Rad，2015）。
对于深水塔拉纳基盆地，已经提出了多种地层分类方案。Uruski等人（2002）定义了四个主要的巨型地层序列，对应于早期海进、早期回退、二次海进和二次回退阶段。1D PetroMod模型中使用的气层框架总结在图2B中。最近，Li等人（2019a）将深水地层进一步划分为四个构造-沉积序列：（1）早期裂陷（后弧裂陷和快速海进）、（2）晚期裂陷（后弧回退三角洲系统）、（3）与热沉降和盆地加深相关的海进阶段、（4）与现代澳大利亚-太平洋板块边界建立相关的回退阶段。

部分摘录
利用1D PetroMod软件可以精确建模埋藏和热历史，揭示了Waka Nui-1、Romney-1和Tane-1三口勘探井中的石油成熟度发展阶段——这三口井被选为从区域地震解释中识别的盆地边缘、盆地中部和深沉积中心区域的代表性结构类比。图2A和B被选用于1D PetroMod盆地建模。
1D PetroMod模型显示，深水塔拉纳基盆地内的埋藏量和沉降时间的空间变化非常明显，反映了强烈的结构分段。沉积中心区域记录了最大的累计埋藏深度，超过5公里，这是由长期的白垩纪-新生代沉积物积累和早中新世的快速沉降驱动的。这种埋藏演化与盆地边缘区域的最大埋藏深度（通常不超过3-3.5公里）形成鲜明对比，说明沉降和热演化对成熟度分布的控制作用显著。

结论
研究表明，深水塔拉纳基盆地内的埋藏历史、热演化和烃类生成时间存在系统性差异。1D PetroMod模型表明，深沉积中心区域经历了最高的埋藏和热成熟度，导致石油向气体的转化过程较为充分，而盆地边缘区域则相对不成熟，以石油生成为主。本手稿中引用了公开可获取的数据。专有的地震和井数据集受第三方许可限制，无法公开发布。如有合理请求，相应的作者可提供额外的方法学信息和模型输出结果。

**利益冲突**
作者声明不存在利益冲突。

**数据和代码的可用性**
所有支持研究结果的数据均包含在手稿和补充材料中（可根据要求提供）。用于绘图/插值的数据分析工作流程也可根据要求共享。

**伦理考虑**
本研究不涉及人类参与者或动物，因此无需征求知情同意。

**作者声明**
作者声明不存在利益冲突。

**伦理标准**
本研究不涉及人类参与者或动物。

**资金来源**
作者声明本研究未接受任何外部资金支持。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
我们感谢马来西亚商业、创新和就业部（MBIE）及合作伙伴提供的地球化学数据集，并感谢PETRONAS理工大学的同事们提供的建设性反馈。

作者：Mahdi Ali Lathbl, AKM Eahsanul Haque, Amr Hamid
所属机构：PETRONAS理工大学地球科学系，马来西亚