珠江口盆地位于南海北部边缘，是一个新生代大陆边缘伸展盆地，经过30多年的勘探，已经成为一个年产原油超过千万立方米的油气生产基地，盆地北部珠一坳陷勘探成熟度相对较高，先后发现了西江、惠州、恩平、番禺以及陆丰等富生烃凹陷^[1-2]，但在油气勘探后期，随着大量背斜构造圈闭逐渐被发现，有利聚集区越来越少，如何在富生烃凹陷周边找到更多的有利油气聚集区已成为难题。为了满足生产需求，亟待理论技术创新，而非常规油气勘探手段是帮助寻找油气藏的重要技术方法。放射性元素的应用作为非常规油气勘探手段之一，近年来逐渐受到关注。放射性方法应用于油气勘探的试验研究始于20世纪20年代，1926年苏联油气勘探工作者在迈科普油气区对地表放射性方法进行试验研究，揭开了应用放射性技术寻找油气的序幕。多年来，各国学者一直致力于探索放射性元素与油气藏之间的关系，提出了多种理论与应用方法，如地表放射性油气勘探技术^[3]、放射性元素的运移机制^[4]、多能源矿藏共生机理^[5-6]等，使得目前的勘探技术更加多元化。放射性元素在地层层序划分、有效圈闭识别、矿物类型和沉积环境判断以及油气成藏分析等方面的应用也进一步促进了放射性技术找油理论的发展^[7-9]。

珠江口盆地多口井钻遇古近系高自然伽马(GR) 砂岩，一般来说，GR值异常与放射性异常有关，研究该特殊现象有助于认清该区地质情况以及寻找油气藏。王亮等^[10]通过实验研究认为，四川盆地磨溪构造储层高自然伽马砂岩的形成主要是由黏土矿物中铀(U)、钍(Th)、钾(K)等3种元素含量偏高导致；张小莉等^[11]、孙佩等^[12]认为，鄂尔多斯盆地延长组高自然伽马砂岩储层具有高长石含量、高Th含量的特征，成因可能与凝灰岩有关；于振锋等^[13]认为，海拉尔盆地乌南凹陷南一段高自然伽马砂岩具有高Th或高U含量的特征，其中凝灰质导致Th富集，高黏土含量导致U富集。这些研究成果大多仅揭示了元素的来源，未说明高自然伽马砂岩的成因机制以及如何将其应用于预测油气勘探有利区带。笔者采用珠一坳陷内9口井的放射性元素数据分析、井震特征分析、岩性分析、轻重矿物成分分析与对比等技术手段，详细剖析砂岩GR值异常的主要原因及成因机制，以期为预测研究区油气成藏有利区带提供依据。

珠江口盆地位于欧亚、印度洋和太平洋三大板块交界的南海北部，是在加里东、海西、燕山期褶皱基底上形成的中、新生代含油气盆地，其形成受印度板块、欧亚板块的接触、碰撞以及太平洋板块对欧亚板块俯冲的影响，有着独特的构造格局和复杂的发育史。受构造运动影响，珠江口盆地发生了一系列抬升与剥蚀，并伴有断裂和岩浆活动，使盆地形成了彼此分割的南、北断陷带及中央隆起带，研究区珠一坳陷位于北部断陷带，主要包括惠州、西江、恩平、番禺等凹陷(图 1)。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 珠江口盆地构造单元划分 Fig. 1 Division of structural units of Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地基底为前古近系的花岗岩、闪长岩、玢岩等侵入岩体，古近系自下而上可划分为古新统神狐组，始新统文昌组、恩平组及渐新统珠海组。神狐组仅在局部地区可见，为互层的砂砾岩、火成岩或砂泥岩；文昌组为湖相灰黑色泥岩夹砂岩，局部发育火成岩，为研究区的优质烃源岩；恩平组为河流—沼泽、湖相砂泥岩互层，夹较多煤线或煤层，为局部地区烃源岩；珠海组为海陆过渡相砂泥岩沉积；珠海组沉积之后，发生大规模海侵，开始充填新近系海相地层(图 2)。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 珠江口盆地地层综合柱状图 Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of Pearl River Mouth Basin

在海水大规模入侵之前，古近系文昌组及恩平组沉积期发育了许多大小不等、深浅不一的湖盆，沉积了一系列陆相地层，凹陷内深湖泥岩可形成良好的烃源岩，湖盆边缘地带沉积的砂岩可形成有利储集层，海侵之后所形成的大套泥岩又可形成区域稳定分布的盖层，良好的生储盖条件有利于油气聚集成藏^[14]。

自然伽马测井是通过测量井内岩层中自然存在的放射性核衰变过程中放射出来的伽马射线的强度，来研究地质问题的一种放射性测井方法。岩石的自然放射性取决于岩石所含放射性核素的种类和数量，而这些自然放射性核素主要是由铀、钍、锕(Ac)、钾的同位素等提供，其中地质意义较大的是U，Th，K等3种元素，它们的半衰期长，可与地球年龄相比，目前可以通过仪器检测到的天然放射性元素也主要是这3种，它们在自然界中广泛分布，约占天然放射性元素的99%^[15]。一般来说，火成岩放射性最强，其次是变质岩，最弱的是沉积岩，沉积岩中具有较强吸附能力且富含有机质的泥岩放射性较强，纯砂岩则属于低放射性岩石^[16-17]。

由于不同地区地质条件存在差异，对于砂泥岩GR值的划分标准不同，目前对于高自然伽马砂岩尚无准确定义。通过测井曲线综合分析认为，GR值大于100 API的砂岩应划归高自然伽马砂岩。珠江口盆地内正常砂岩的GR值仅为60~100 API，泥岩的GR值也仅为100~200 API，而具有高GR值的砂岩，其GR值为100~300 API，远远高于该地区泥岩的GR值。

珠江口盆地珠一坳陷目前钻遇高自然伽马砂岩的井共有35口，其中资料齐全的井9口(参见图 1)。在珠一坳陷的惠州、西江、番禺和恩平等凹陷均钻遇了高自然伽马砂岩，高自然伽马砂岩层段主要分布于古近系文昌组及恩平组。恩平凹陷主要是由K含量偏高导致恩平组砂岩GR值偏高，GR值异常井(EPA井、EPB井、EPC井)位于隆起边缘；西江凹陷主要是由U含量偏高导致文昌组砂岩GR值偏高，GR值异常井(XJA井、XJB井)位于凹陷中央；番禺凹陷主要是由K含量和Th含量偏高导致文昌组砂岩GR值偏高，GR值异常井(PYA井、PYB井)位于隆起边缘；惠州凹陷主要是由U含量偏高导致恩平组砂岩GR值偏高，GR值异常井(HZA井、HZB井)位于隆起边缘(参见图 1)。

天然放射性元素U，Th和K常以离子和矿物2种形式存在于自然界中，不同形式的放射性元素其转移和聚集方式各有不同。在三大天然放射性元素中，U化学性质最为活泼，极易被溶解和迁移，能够以离子或矿物2种形式存在于自然界中；K化学性质较Th活泼，但其离子半径(138 pm)比U(73 pm) 和Th(94 pm)大，不易通过微小晶间孔；Th化学性质不活泼，只有单一的化合价，不存在自然元素状态，多以矿物形式存在于自然界中，且大部分较稳定，难溶于水。放射性元素的离子主要通过热液流动转移、活化转移或是大气淡水淋滤作用转移，后期易通过氧化-还原、吸附作用等聚集，而放射性元素形成的稳定矿物，如重矿物(锆石、独居石等)，一般被各类流体搬运转移，后期则通过流体动能减弱乃至消失并沉积汇聚^[18-21]。

珠江口盆地构造位置较为特殊，处于太平洋、欧亚、菲律宾三大板块交界处。晚侏罗世至早白垩世，太平洋板块向华南大陆俯冲，形成了延伸数千米的欧亚大陆东南边缘的俯冲增生带，华南板块边缘表现出强烈的岩浆和断裂活动，大量中酸性侵入岩和喷发岩形成了华南花岗岩和火山岩带，提供了珠江口盆地古近系放射性元素聚集的先天条件。珠江口盆地古近纪共有5次大的构造运动：神狐运动、珠琼运动一幕、珠琼运动二幕、南海运动以及白云运动^[22]。5次构造运动均伴有断裂及岩浆活动，为放射性元素活化及聚集提供了通道和驱动力。在早期的勘探研究中，珠江口盆地钻遇古近系的基岩有变质岩、岩浆岩和火山碎屑岩，这3种岩性放射性均较高，其中酸性岩浆岩占89%，为放射性元素的主要来源，盆地基底以花岗岩为主^[23]。珠江口盆地具有热盆特征，地温梯度高^[24]，对于地层中放射性元素的活化能起到积极的作用。珠江口盆地古近系高自然伽马砂岩的形成机制主要有2种：地下流体搬运放射性元素的离子和地表流体搬运含放射性元素的矿物。

在高GR值的异常砂岩层段中，U，Th，K等3种元素的含量均会出现异常情况，但异常幅度不一，在本次研究中采用相关趋势线的分析方法^[25-27]确定高自然伽马砂岩的主控因素。

珠一坳陷的西江及惠州地区均出现地下流体搬运放射性元素离子导致砂岩呈高GR值的现象，且均为U含量增高导致的砂岩GR值偏高。

以西江凹陷XJA井为例，在该井文昌组异常砂岩层段的U，Th，K含量与其GR值的相关趋势线图(图 3)上，K含量与GR值的变化趋势几乎无相关性，Th含量与GR值的相关性非常弱，只有U含量与GR值的变化呈现正相关性，且相关性较强。显然，砂岩GR值增高主要是由U含量增高直接引起的。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 珠江口盆地西江凹陷XJA井文昌组GR值与3种放射性元素含量的关系 Fig. 3 Relationship between GR value and contents of three radioactive elements of Wenchang Formation in well XJA in Xijiang Sag, Pearl River Mouth Basin

XJA井钻遇基底古隆起上披覆背斜构造文昌组大套高自然伽马砂岩，测井解释为水层，其岩性以浅灰色或红褐色砂砾岩、浅灰色粗砂岩为主，不含钙、泥质胶结，块状层理较为发育，测井曲线形态多呈漏斗形，含砂率高，地层泥质含量较上覆恩平组低，黏土矿物含量分析显示文昌组砂岩中的黏土矿物含量也较恩平组低(图 4)，说明泥质含量对文昌组的U含量增高无贡献；该井虽然于4 680.5~ 4 685.0 m处钻遇花岗岩层段(图 5)，但上下地层均以砂砾岩或粗砂岩为主，且高U值区并不处于花岗岩层段，砂岩整体所含的花岗岩岩屑含量较低，体积分数最高只达到15.5 %，花岗岩岩屑含量最高值处也不位于高U值区，说明花岗岩中所含的放射性元素并非导致文昌组U含量增高的直接原因；同理，变质岩岩屑含量与火成岩岩屑含量在文昌组的高U值区也无明显增高，因此，变质岩与其他火成岩也非引起文昌组U含量增高的原因；文昌组重矿物以重晶石和黄铁矿为主，而上覆恩平组的重矿物却以锆石、白钛矿等为主，含放射性元素U的重矿物锆石自恩平组向文昌组有着减少的趋势，说明砂岩中所含的重矿物也不是导致文昌组U含量增高的原因。因此，U不是由隆起于地表的火成岩、变质岩等或是近源的重矿物供源所带来的，而沉积岩中放射性较强的黏土矿物在文昌组砂岩中含量也不高，该段地层岩石的矿物组分中总体上无U含量增高的现象。从井位分布特征来看，西江凹陷位于大断裂周边的井古近系文昌组出现了不同程度U值和砂岩GR值均增高的现象，如XJA和XJB井，而远离大断裂的井古近系文昌组地层砂岩并未出现高GR值现象，如XJC井(图 6)。因此，推测该地区文昌组的U是后期以离子状态通过地层水搬运而来。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 珠江口盆地西江凹陷XJA井单井综合柱状图 Fig. 4 Single well comprehensive column of well XJA in Xijiang Sag, Pearl River Mouth Basin

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 珠江口盆地西江凹陷XJA井文昌组一段井壁心照片 （a）浅灰色含细砾粗砂岩，4 613.0 m；（b）浅灰色含泥砂砾岩，4 633.5 m；（c）浅红褐色花岗岩，4 685.0 m；（d）红褐色砂砾岩，4 690.0 m Fig. 5 Borehole core photos of the first member of Wenchang Formation in well XJA in Xijiang Sag, Pearl River Mouth Basin

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 珠江口盆地西江凹陷井震对比剖面 Fig. 6 Well-seismic correlation section of Xijiang Sag in Pearl River Mouth Basin

XJA井位于一条深大断裂旁边，该断裂沟通了花岗岩基底，U在地下的高温高压环境中易从基底的花岗岩中活化出来，后期通过地下流体沿断层带入文昌组的砂岩储集层中，但U⁴⁺在还原环境下不易溶于水，不易在水中聚集，且该处地层泥质含量低，不易吸附大量U⁴⁺，而西江凹陷是一个富烃凹陷，钻遇的文昌组经测井解释为水层，U⁴⁺又有易从水层向油水接触面移动并在油水接触面附近聚集的特性^[28-31]。综合上述分析，该地区文昌组U富集的地层指示了油水接触面的存在：周边地层有油气聚集或是曾经的油气构造被后期构造运动破坏^[32]，油气散失，压力减小，地层水上涌，带来了基底的U⁴⁺并在油水接触面附近聚集。XJA井流体包裹体数据分析也证实了这一点，在文昌组4 598.5 m处(T80界面附近)检测到了大量发蓝色荧光油浸染现象(图 7)，为油气遗留痕迹，说明从生烃凹陷至该圈闭的运移途径是有效的，周边地带会成为有利的油气聚集区^[33]。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 珠江口盆地西江凹陷过XJA井三维地震剖面 Fig. 7 Three-dimensional seismic section of well XJA in Xijiang Sag, Pearl River Mouth Basin

珠一坳陷的恩平及番禺地区均出现地表流体搬运含放射性元素的矿物聚集导致砂岩呈高GR值的现象，这2个地区主要是K，Th含量增高导致砂岩GR值偏高。

以恩平凹陷EPA井为例，在该井恩平组异常砂岩层段的U，Th，K含量与其GR值的相关趋势线图(图 8)上，K含量与GR值的变化呈现正相关性，且相关性非常强，Th含量与GR值的变化也呈现一定的正相关性，相关性较强，而U含量与GR值的趋势线近似水平，相关性弱。对研究区而言，砂岩GR值增高主要是由K含量增高直接引起的。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 珠江口盆地西江凹陷EPA井文昌组GR值与3种放射性元素含量的关系 Fig. 8 Relationship between GR value and contents of three radioactive elements of Wenchang Formation in well EPA in Xijiang Sag, Pearl River Mouth Basin

EPA井位于恩平凹陷南部隆起断裂构造带上，于恩平组二段—三段3 063.0~3 262.0 m钻遇高自然伽马砂岩，其岩性以浅灰色中细砂岩为主，含砂率较低，砂地比为0.27，泥质含量虽较上下地层高，但砂岩中黏土矿物含量对比显示该组砂岩中的黏土矿物含量并无明显增加趋势，黏土矿物中的伊利石为富K矿物，其相对含量反而低于下伏恩平组四段(图 9)，说明黏土矿物对于该异常层段K的增加并无贡献，通过对全岩X射线衍射数据的分析发现，仅钾长石含量有明显的增高趋势，因此，认为高钾长石含量是该层段砂岩K含量增高的主要原因，高K含量导致了砂岩GR值偏高。该层段的火成岩岩屑含量与钾长石含量变化趋势相同(图 9)，说明钾长石并非自生形成，而主要是由火成岩提供，后期被地表流体搬运而来，且在井壁心及岩石薄片上也可见到大量的深色火成岩岩屑(图 10)，证实了恩平凹陷恩平组发育的陆相地层是以辫状河三角洲为主的富煤近岸沉积，为三角洲平原河道—天然堤—决口扇沉积。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 珠江口盆地恩平凹陷EPA井恩平组单井综合柱状图 Fig. 9 Single well comprehensive column of Enping Formation in well EPA in Enping Sag, Pearl River Mouth Basin

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 珠江口盆地恩平凹陷EPA井恩平组三段井壁心照片及岩石薄片 (a)红褐色含细砾中砂岩，可见深色火成岩岩屑、变质岩岩屑和长石溶蚀后形成的高岭石，3 261.0 m；(b)红褐色含细砾中砂岩，可见深色火成岩岩屑、变质岩岩屑和长石溶蚀后形成的高岭石，3 249.0 m；(c)红褐色细—中砂岩，可见长石溶蚀后形成的高岭石，见大量黑色煤线和煤团块，3 168.8 m；(d)火成岩以酸性喷出岩为主，3 186.5 m，左、右侧照片分别为单偏光和正交偏光；(e)火成岩以酸性喷出岩为主，3 157.5 m，左、右侧照片分别为单偏光和正交偏光 Fig. 10 Borehole core photos and rock flakes of the third member of Enping Formation in well EPA in Enping Sag, Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地珠一坳陷西江、番禺、恩平及惠州等4个凹陷均发现存在高自然伽马砂岩，均位于古近系陆相地层的恩平组及文昌组，大量放射性元素的聚集与地层所处的位置、母岩类型、构造活动以及元素特性有关。由于古近系发育以湖泊为主的陆相地层，形成断裂盆地的地堑、半地堑群，堑垒相间，多为近源供给，母岩中的放射性元素由于搬运距离近、易保存，有利于聚集，而放射性元素中的K与Th化学性质均不如U活泼，相对来说更加稳定，自然界中多以矿物形式存在，如钾长石、独居石等，可被地表流体搬运聚集，如恩平和番禺地区均在近隆起处发现高自然伽马砂岩(参见图 1、表 1)，但恩平地区高自然伽马砂岩主要形成原因为K含量高，番禺地区高自然伽马砂岩主要形成原因为K与Th含量高，表明2个凹陷由不同的母岩供源。在多次构造运动中，沟通基底的深大断裂形成^[34]，基底花岗岩中大量存在的U化学性质最为活泼，自然界中可以矿物或离子2种形式存在，极易在高温、高压条件下被地下热液活化为离子搬运，西江凹陷于近湖盆中央处发现偏高的U含量(参见图 1、表 1)，不近物源(隆起区)，且该地区为断层活动带，其活动一直持续到新近系的万山组(T32—T20)，为U⁴⁺的搬运、聚集提供了基础条件，高温、高压条件下地下流体带着被活化出来的放射性元素离子向上覆地层流动，于氧化-还原面(油水接触面)处吸附、聚集，而惠州地区的高自然伽马砂岩位置虽邻近隆起区，但其主要成因、成因机制与西江凹陷相同，为地下流体搬运U⁴⁺所致，表明西江、惠州凹陷较之恩平、番禺凹陷同时期构造活动更为剧烈。

表 1(Table 1)

表 1 珠江口盆地珠一坳陷各凹陷高自然伽马砂岩特征对比 Table 1 Characteristic comparison of sandstones with high natural gamma value in Zhuyi Depression, Pearl River Mouth Basin 凹陷 井名 层位 主要成因 成因机制 分布位置 w(U)/% w(Th)/% w(K)/% 恩平 EPA, EPB, EPC 恩平组 K含量高 地表流体搬运 近隆起处 0~0.000 3 0.000 5~0.001 3 3~5 西江 XJA, XJB 文昌组 U含量高 地下流体搬运 近凹陷中央 0.000 6~0.001 5 0.002 5~0.004 1 5~8 番禺 PYA, PYB 文昌组 K, Th含量高 地表流体搬运 近隆起处 0~0.000 6 0.000 5~0.001 1 3~5 惠州 HZA, HZB 恩平组 U含量高 地下流体搬运 近隆起处 0.000 2~0.001 4 0.000 9~0.002 8 2~7

下载CSV 表 1 珠江口盆地珠一坳陷各凹陷高自然伽马砂岩特征对比 Table 1 Characteristic comparison of sandstones with high natural gamma value in Zhuyi Depression, Pearl River Mouth Basin

上覆的海相地层中没有高自然伽马砂岩的发现，这一规律可能与海相地层为远源供给或泥岩层较厚有关。大规模海侵开始之后，由北至南形成大型三角洲沉积，物源较远，母岩搬运距离较长，在此过程中会造成大量放射性元素的散失，而海侵所形成的泥岩厚度大且分布范围广，是下伏陆相储集层的良好盖层，阻断了地下流体携带放射性元素离子上移(高自然伽马砂岩位于海侵泥岩之下)。

在2类形成机制中，地下流体的搬运更有助于预测油气聚集的有利区带，易聚集带(氧化-还原面) 是有利区带的预测指标，被破坏的油气藏所残余的油气与地层水之间易形成氧化-还原面，吸附大量的放射性元素，虽然油气藏后期被破坏(受新近系持续性的断层活动影响)，但大量放射性元素的聚集一方面可说明油气运移通道的有效性，散失的油气会在周边聚集成藏，另一方面也可证明凹陷的生烃能力较强。

(1) 珠江口盆地珠一坳陷的惠州、西江、番禺和恩平等凹陷古近系陆相地层恩平组及文昌组多口井钻遇高自然伽马砂岩。不同凹陷所处的位置、母岩类型、构造活动强度均不同，导致高自然伽马砂岩主要成因有所差异。

(2) 高自然伽马砂岩主要由放射性元素U，Th，K含量增高导致，成因机制主要分为2种，即地表流体搬运和地下流体搬运。地表流体搬运带来含高放射性元素矿物富集，指示母岩的类型及近源供给的特征；地下流体搬运带来含高放射性元素离子富集，氧化-还原面(油水接触面)的存在证实了油气运移通道的有效性及凹陷具备生烃能力，可作为油气聚集有利区带的预测指标。

(3) 珠江口盆地高自然伽马砂岩发育于古近系陆相地层中，新近系海相地层未见发育。古近系陆相地层易沟通火成岩基底，且多为近源供给，放射性元素易保存，有利于高自然伽马砂岩发育；新近系海相地层多为远源供给，长距离搬运不利于放射性元素保存，且海侵时沉积的大套泥岩层阻断了深部地层中放射性元素离子的上移，因此，无高自然伽马砂岩层发育。