地球多圈层相互作用如何控制油气形成与富集，已成为地球科学拓展新疆域的热点问题之一。位于欧洲西北部的北海盆地是世界著名的石油和天然气产区(图1)，素有“欧洲油气库”之称，创造了欧洲油气能源发展的辉煌成就，使欧洲度过了20世纪70年代的“第一次石油危机”。自1959年发现格罗宁根(Groningen)大气田以来，北海盆地始终是油气地质研究的热点和新理论策源地。北海盆地的石油天然气分布呈现明显的北部富油、南部富气特征(图1)，油气资源占欧洲油气总储量的69.8%。经过60多年的勘探开发，在北海盆地已开采油气136亿余吨油当量，但至少还有15~30亿吨油当量的资源待开发。从地球多圈层作用的新视角，重新研究北海盆地油气形成与富集机制，不仅有益于精准预测和高效勘探北海盆地的剩余油气资源，还有助于探索老油田废弃资源(如枯竭油气藏、油气井)综合再利用的新途径。更重要的是，通过分析北海盆地油气形成与富集规律，研究地球多圈层作用油气形成与富集新理论，为推动我国石油工业再创辉煌提供科技支撑，助力解决国家未来能源战略需求。
中国科学院地质与地球物理研究所朱日祥院士等从地球多圈层相互作用的视角，重建了北海盆地构造演化和沉积充填过程，系统论证了深部动力过程和海侵-气候演变对油气系统形成、演化的控制作用，讨论了中高纬度区油气勘探前景，取得了如下重要认识：
(1) 在深部热-动力过程驱动下，陆块碰撞造山、地幔柱隆升和陆内变形控制了北海盆地的构造演化和沉积过程。加里东造山后地壳伸展、华力西造山挤压运动、地幔柱隆升以及随后的热沉降等一系列构造过程导致北海盆地依次经历了泥盆纪裂谷盆地、石炭纪前陆盆地和自二叠纪末期以来多阶段裂谷盆地的演化历史，造成不同沉积体系的时空转换和叠加（图2）。
(a) 北海盆地在泥盆纪以陆相老红砂岩沉积为主; (b) 晚石炭世形成华力西山脉和造山带前缘的前陆盆地，北海盆地内部以陆相和海陆过渡相沉积为主; (c) 华力西造山运动和早-中二叠世地幔柱活动导致北海盆地整体隆升，盆地中央发育局限湖相沉积; (d) 维京盆地在二叠纪开始形成，并在二叠纪末期发生自北向南的蔡希斯坦海侵，古特提斯洋扩张导致冈瓦纳古陆远离北海盆地周缘陆块，同时古特提斯洋向北海盆地南部低角度俯冲，岩石圈开始减薄; (e) 三叠纪维京海道逐渐开启，瑞替期海侵导致古北冰洋和古特提斯洋连为一体; (f)中侏罗世地幔柱活动使北海盆地中部发生隆升剥蚀; (g) 地幔柱隆升后的热沉降在晚侏罗世形成三叉裂谷式地堑和广覆式海相沉积，阿尔卑斯微陆块于晚白垩世在北海盆地南部碰撞增生形成阿尔卑斯造山带，终止了北海盆地与地中海的连通性; (h) 中新世以来的冰岛地幔柱隆升导致英伦三岛和挪威隆升成陆，基本塑造了现今的北海盆地构造格局
(2) 多圈层相互作用控制了北海盆地油气系统的发育、演化和“北部富油、南部富气”的油气分布格局。北海盆地向北漂移的过程中，在经过低纬度哈德里环流的ITCZ和中纬度费雷尔环流带时，分别发育了上石炭统煤和含煤页岩(主要气源岩)以及上侏罗统钦莫利组海相页岩(主要油源岩)。构造、海侵-海退、海洋环流、气候演变共同控制了北海盆地不同地区主要烃源岩的层位和性质、储集层和盖层的类型、层位和分布，在盆地南部形成了海陆过渡相煤系烃源岩-沙漠湖相风尘砂岩储层-蒸发岩相膏盐盖层的石炭系-下三叠统富气系统，在盆地北部则形成了海相地堑型烃源岩-三角洲相砂岩和海相灰岩储层-海相致密泥灰岩和泥页岩盖层的上三叠统-古近系富油系统（图3）。
图3 多圈层相互作用与北海盆地油气系统发育
(3) 对比研究发现，鄂霍茨克海盆(图4)与同处于中纬度的北海盆地在构造发展和油气演化方面具有诸多类似之处，如具有相似的山-盆-海构造体系、都受气候环流带的影响、含多个沉积坳陷和多套烃源层、发育有利的生-储-盖叠置组合。因此，从全球能源战略考量，鄂霍茨克海盆是未来油气资源发现最值得期待的地区之一，应高度关注鄂霍茨克海域的油气资源勘探开发。对比研究结果也进一步指示，中纬度费雷尔环流带是地质历史上有利于油气富集的另一个重要纬度带。
图4 鄂霍茨克盆地及邻区构造单元分布图
未来亟待从地球多圈层作用的视角，重新认识大型成熟探区(如北海等超级油气盆地)和低勘探程度区(如鄂霍茨克海域、北极地区)的油气形成富集机制，为全球油气资源增储提供新的理论支撑。石油工业人工智能的发展应关注北海盆地积累的海量勘探与地质数据，通过数字地质创新，实现油气和伴生资源(如氦、氢等)的“碳中和”式综合利用，为全球油气勘探开发提供新范例。
中文版: 朱日祥, 张水昌, 王华建, 王晓梅, 柳宇柯, 张旺, 郝芳, 金之钧. 2024. 多圈层作用驱动北海盆地油气形成与富集. 中国科学: 地球科学, 54(11): 3433–3457
