É uma mistura heterogênea.

Explicação:

A estrutura química do petróleo é, basicamente, hidrocarbonetos. Uma das características dos hidrocarbonetos é serem apolares, enquanto a água é polar. Polar só dissolve polar, apolar só dissolve apolar.

Portanto, petróleo (apolar) e água (polar) não se misturam, ficando, assim, duas fases quando o petróleo cai no mar. Uma mistura de duas fases é uma mistura heterogênea.