盆地沉积相关动力学分析

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论文摘要

  0引言

  沉积盆地是地球上赋存石油、天然气和放射性沉积矿产等能源资源的宝库,也是巨大的水资源储存地.人类社会发展对能源的巨大需求始终是这一学科及相关技术发展的巨大驱动力.早期的沉积盆地分析是对盆地做整体性的沉积学研究,因此被视为沉积学的一个重要分支学科.近20余年的发展,特别是从动力学的角度研究盆地的形成和演化,推动了这一领域的多学科结合.板块学说的形成和发展曾对盆地成因研究给予了巨大的推动和崭新的思路.

  Kingston等[1]以板块构造部位和动力学特征为基础,提出了沉积盆地的板块构造分类并被广泛应用,近年来Ingersoll等[2]基于对盆地板块构造背景复杂性的认识对板块体系中的盆地类型做了进一步细化和术语的订正.

  Dickinson是盆地动力学研究最早的倡导者,早在1993年 他 在Basin Research刊 物 上 以 "BasinGeodynamics"为题的一篇短文提出了盆地研究应聚焦的方向[3],并对学界过多地热衷于提出盆地分类方案表示质疑.美国地球动力学委员会USGC后来成立了以Dickinson为首席科学家的盆地动力学分组(Panel on the Geodynamics of SedimentaryBasin),来自大学和石油企业的专家们提出了研究方 案[4]---The Dynamics of Sedimentary Basin(1997).中国学者们也及时在国内以专着[5]和《地学前缘》专辑(2000,7(3))[6]等形式对这一研究方向为中国广大读者作了介绍.

  近十余年来在世界和中国范围盆地动力学研究已取得了广泛的和深入的进展.这不仅由于本学科相关研究队伍的努力,更基于国家在油气勘探和科学研究方面的巨大投入和地球科学相关学科和深部探测技术的发展.如地球物理领域的多种新技术提供了盆地深部乃至地球深部的精确影像,使板块相互作用和地幔动力学研究有了重要基础,并为盆地演化的深部过程研究提供了重要依据.

  近年来国际上出版了一系列介绍盆地动力学研究新进展的着作,如Roure和Cloetingh等的总结性论文《盆地动力学的进展与挑战》[7],在总结近20年成就的基础上,重点阐述了具有挑战性的研究领域和应发展的多种新的探测和实验方法以及模拟技术.英国学者P.A.Allen和J.R.Allen合着的盆地分析专着新版[8]基于地球动力学研究角度对各种类型盆地形成的物理模型进行了系统的探讨,提出了系列数学计算方程,并从板块构造和地幔深部过程论述了盆地的形成演化,是同类专着中理论性较强的着作.遗憾的是其中罕有中国的盆地实例.有关盆地分析和盆地动力学的系统着作还有多种,如G.Einsele[9]、Miall[10]、Busby和Azor[2]等的专着.

  大量的典型盆地动力学研究则刊于Basin Research,AAPG Bulletin等国内外知名刊物.中国的盆地动力学研究在近十余年来发展迅速,成果丰硕.首先是国家对油气勘探和科学研究的巨大投入,大型国企对勘查资料和科研合作的开放以及地球科学领域多学科的研究在盆地和油气领域中的聚焦.大量合作发表的着作提供了盆地与油气地质的系统资料,可供盆地动力学领域的进一步研究.

  基于国际和国内研究的进展和经验,盆地动力学的主要研究内容可归纳为下列4个方面:(1)盆地沉积充填动力学分析;(2)盆地构造动力学分析;(3)盆地形成演化的地球动力学背景分析;(4)盆地中油气系统演化的动力学分析.各部分的研究细目如下表所示(表1).

论文摘要

  1盆地沉积充填动力学分析

  建立盆地充填序列研究首先需从宏观入手,即进行构造地层分析.构造地层分析概念由来已久,然而其方法体系已有重要发展.近十余年中国地质家们在西部大型叠合盆地研究中在此领域取得了重要的进展和创新.塔里木盆地是中国最大的,也是最复杂的含油气叠合盆地,勘察早期国际合作完成了覆盖全盆地的地震测网,完成后即发现十余个不整合,其中8个大型不整合面最为重要.经生物地层研究成果与地震地层研究成果的精细对比,确定了不整合面的年代和地层缺失量[11],证明主要的不整合皆具有古构造运动面性质,可作为构造地层序列的高级别单元的界面,其中有些是划分盆地原型的界面.

  十余年来地球科学的基础研究在中国西部有巨大的投入,对环绕塔里木盆地的巨型造山带包括昆仑、天山及阿尔金等进行了系统研究,对于重要构造事件,包括洋壳时代、汇聚-造山事件和变质年龄等都得到了系统的定年数据(主要由中国地质科学院大陆动力学研究室提供),盆地内也进行了碎屑岩层锆石定年的系统研究.研究成果表明,造山带与盆地演化中的构造事件和阶段性可以很好地对比,从而解释了盆地多次发生构造变革的原因[12-14].盆地古构造、古环境序列图的编制展示了上述大陆动力学背景变化对于盆地古地理、古构造格局的重大影响[15-16].

  进一步进行的重点区高分辨等时地层格架的建立和沉 积体系 研究已有 成熟的 方 法 和 大 量 的 文献[9-10,17-18].各种沉积体系的识别是盆地分析中最为细致的系统工作,需要大量的露头、岩心观测和测井分析,是生储盖层预测的基础.

  地震沉积学的方法提高了深埋地下的沉积体系预测的能力[19],在碳酸盐沉积体系方面露头研究与地震影像相结合在礁滩带储层和古喀斯特岩溶储层预测中获得了很大的成功,为四川、塔里木等盆地的海相大油气田的发现和探明起了重要作用[20].高精度三维地震是此项研究的重要基础,中国东部渤海湾盆地的一些富生烃拗陷如渤海湾盆地济阳拗陷等已经实现了三维地震全覆盖,对发现地层岩性圈闭做出了重要贡献.

  盆地沉积充填研究的另一重要动向是沉积过程的源-汇系统研究---Routing System,即把研究区域从沉积区扩大到剥蚀物源区,并研究物源区古地貌演化,岩石风化、搬运到沉积的完整动力系统[8].此种思路在中国的放射性沉积矿床研究中已受到高度重视,因为沉积铀矿的物源在受长期剥蚀的造山带区域,必须整体性的研究源-汇系统,含矿物质的来源和沉积路径才可能正确地预测和评价[21].由此可建立沉积铀矿床成矿构造域的概念系统,这一系统即包括了广大的物源区地球化学特征和风化条件、搬运路径和富集条件,现今已经用于区域性成矿预测和勘探部署.

  盆地沉积序列中的古气候和古环境记录在十余年前即被列为盆地动力学研究的一个重点.当今全球环境变化已成为涉及人类生存条件的重大问题.

  在地球历史上气候变化不仅影响煤和油气等能源资源,还涉及其他多种沉积矿产.近年来放射性沉积矿床成矿与古气候的重要联系也已引起地质家们的注意.地质历史上的气候周期变化问题已成为旋回地层学和沉积学研究的一个重点领域.

  2盆地构造动力学分析

  多年的研究表明,不同类型的盆地有其特定的构造组合、构造样式及构造力学性质.这些特征可在地震探测中得到并由此初步判断其构造物理学类型:伸展类、拗曲类、走滑类以及复合类型.在叠合盆地演化中盆地构造特征往往会受到多期变形的影响,须加以筛选和区别,这在中国的叠合盆地研究中尤为重要.

  Allen等[8]在其沉积盆地分析新着中将盆地的各种板块构造类型与各种成因因素做了综合分析,认为许多类型盆地都受到多重因素的影响,重要的是区分了主要因素和次要因素,并用图示表现了不同类型盆地演化过程中各种因素的主次关系(图1).
论文摘要

  在盆地中识别和划分基本构造单元,包括隆起、凹陷和主要的断裂系统是含油气盆地构造分析中最基本的工作.在叠合盆地中则需要按详细划分的盆地原型并分别研究和编图.此项工作是进一步研究油气分布规律的重要基础,特别是凹陷的生烃潜力评价和富生烃凹陷的识别.古隆起及其斜坡区则有利于形成大型圈闭和区带.《中国多旋回叠合盆地构造学》专着[22]基于中国油气勘探数十年的宝贵经验,对叠合盆地构造研究理论和方法做了系统的阐述.李德生先生数十年潜心渤海湾大型裂谷盆地研究,领导编制了全盆地构造与油气分布图,包括了数十个隆起、凹陷与油田分布,展现了环生烃凹陷形成的一系列油气系统,并坚持多年不断根据新资料补充修改,其作品成为此类图件的典范.

  塔里木盆地古生界构造格局与油气分布的关系是大型叠合盆地最为典型的实例,数十年勘探经历证实满加尔坳陷是全盆地最为重要的大型富生烃拗陷,已发现的大油气田多分布于环此坳陷的古隆起和斜坡带部位,如塔北和塔中隆起,前者已经勘探证实为海相大油田连续分布的区带.

  3盆地形成演化的地球动力学背景分析

  板块相互作用和地幔动力过程是盆地形成演化的最重要的控制作用,这已经是盆地研究这多年来的共识.在中国的东部及其汇聚型大陆边缘有更为明显影响.天然地震层析清楚地显示了太平洋板块向大陆板块深部的俯冲及其引起的地幔异常变化,地幔软流上涌[23].晚中生代以来中国东部大规模岩浆带的形成,随后以晚侏罗世-白垩纪为主的大面积跨国境分布的断陷盆地群、裂谷型的松辽大型盆地的形成及其裂后阶段多幕挤压反转构造,都清楚地表明大洋板块向大陆俯冲与地幔动力过程的控制作用[24-26].

  在此领域地球物理学家和岩浆岩石-地球化学家的大量研究成果[27-32]对盆地形成演化的动力学解释起到重要作用,有些成果是岩石学家和地球物理学家合作完成的[33].中国东北部晚中生代的断陷盆地系、新生代渤海湾为代表的大型裂谷盆地、中国近海的东海陆架盆地都是在这一过程中形成和发展的.

  为进一步阐明大洋及大陆板块相互作用与盆地形成机理,通过跨国合作进行了中国东部及海域洋-陆构造事件的系统对比,及其与盆地形成关系的研究[34].近期在南中国海也进行了此种研究,提出了南海北部与南部盆地特征差异原因的区域大地构造背景解释[35-36].这些成果都揭示了板块相互作用的复杂多样性和多期性.

  盆地动力学研究推动了更为密切的多学科合作和国际合作.近十余年来我国很多与盆地动力学和油气成藏相关的大型研究项目都是多学科的专家组织在一起完成的.另一应引起重视的新领域是岩石圈尺度的变形.欧洲学者[37]发现和提出了岩石圈变形的重要事实和模式(图2).此种过程发现于被强大挤压的盆地.塔里木也被作为一个实例引用,然而当时尚缺少岩石圈变形的深层剖面作为证据.天然地震噪声研究则显示了有启示的岩石圈褶皱变形的影像[38].

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  数十年来以松辽盆地和渤海湾盆地为主的东部盆地在提供油气资源上已经为国民经济做出了重大贡献,油气勘探的重点已经由东部向西部和中部战略转移,并聚焦于塔里木、四川、鄂尔多斯和准格尔等大型叠合盆地.前三者均形成于大陆内部较稳定的地台基底并被造山带等活动带所环绕,此种大地构造背景既决定了盆地构造上的相对稳定性,又决定了源于环绕地台的活动构造带对盆地的强大挤压应力.这些地区远离西太平洋俯冲带,地球动力学背景与东部全然不同.因此大陆构造及大陆动力学研究及其与盆地演化的关系亟需加深[39].王鸿祯于1982年即提出了中国大地构造域的划分,即从活动论的观点认为陆间区是由两个变形复杂的大陆边缘构成,每个地台与环绕的卷入造山带的古大陆边缘为一个构造域.前述大型叠合盆地,都发育在构造域中部的地台区[40-41].与东部的中朝地台不同,这些盆地基底未受到大的破坏.然而,在其演化中受到侧向构造压力的重要影响发生岩石圈级别的变形.因此对盆地和造山带重大构造事件的对比研究成为动力学分析的关键.造山带大量的定年数据保证了对比的精度.塔里木、四川等多个大型叠合盆地动力学研究项目中实现了大陆动力学,沉积学和油气地质勘探家的密切结合.以塔里木盆地为例此项研究超越了以往盆地-山脉耦合研究的范畴,把眼界放宽到大陆动力系统,从而对每个演化阶段盆地的古构造-古环境格局做出合理的解释并有助于油气预测[13-15,39,42].然而对于古生代的多期重大构造事件的复杂性,大地构造和古地理格局的重建尚需漫长的研究和认识过程.也有的学者尝试探索用构造物理基本理论进行古生代的古构造分析[43].

  关于峨眉地幔柱对四川和塔里木盆地的影响是盆地研究者们关注的另一热点问题,岩石地球化学家关于地幔柱性质的大量证据已被广泛认可.与地幔柱相关的玄武岩在盆地中和盆地之间大面积分布[44-45].在塔里木盆地充填序列中这一事件成为海相地层序列转为以陆相地层为主的序列之间的界限,并对古地温场有一定影响.在四川盆地构造古地理的重建研究,揭示了二叠纪-三叠纪碳酸盐岩台地与其间向西开口的槽地间列的格局.对其构造成因有多种见解.多数研究者[46]认为与前期的裂陷作用有关,罗志立等[47]推断了上述二叠纪的裂陷作用成因,并认为与地幔柱活动相关.

  4盆地中油气系统演化的动力学研究

  油气系统的概念和方法体系是近代石油地质学的一项重要发展并为勘探家们广泛应用[48].其研究内容包括油气成藏基本要素、动态过程和地质背景(图3).应用过程中 也曾出 现过简 单化 问题.AAPG年会曾用 "Holistic Analysis of PetroleumSystem"作为专题会议标题,即提倡用系统论的思维研究油气系统.事实上研究的主要难度在于生排烃、运移和聚集的动态过程,涉及很多流体动力学问题[49].运移路径,即输导系统的追踪有很大难度,也应列入成藏基本要素,石油地质家用有机地球化学参数与构造结合作了有效的追踪[50].地球化学家发现更多有效的示踪有机标记化合物的努力正取得重要新进展.上述要素和动态过程都受控于盆地演化的动力背景,又是盆地研究的主要目标,因此应列为盆地动力学研究的重要成部分[51].近十余年我国许多与油气相关的大型研究项目,如科学技术部"973"和国家油气专项等都是将盆地演化与油气成藏动力过程作为一体进行研究并取得了丰硕成果[52-53].可喜的是,中国许多大型石油企业为首与大学和研究机构合作的出版物中,除了对油气地质有详细和丰富的第一性资料和描述外,对盆地成因演化和油气聚集的动力学也都进行了一定的研讨和阐述,如松辽盆地[54]、渤海[55-56]和南海及其深水领域[57-58]的大型着作和一批从动力过程研究油气系统的论文[59-62],这里仅选了一些代表.在油气系统的概念提出之后,美国的煤地质家也提出了和发表了有关煤系统分析的专着[63].

  5沉积盆地动力学研究正面临良好的发展机遇和更高难度的挑战

  人类社会对能源资源的巨大需求是沉积盆地研究的最重要推动力.中国油气勘探的巨大投入和巨量资料对合作研究者的高度开放,使研究者可能得到系统,完整的盆地与油气的第一性资料和样品,成为研究工作的基础.这包括投入巨大的超深探井以及系统的覆盖大区域的地震探测成果.多学科合作聚焦已成为创新型研究的基本经验和共识,投入巨大的地球科学基础研究---深部探测计划的实施也将为盆地动力学研究提供宝贵的信息.

论文摘要

  本期《地学前缘》所包括的十余篇论文作者,都曾长期从事沉积盆地与能源资源研究,很多成果都是在完成国家大型科研项目如科学技术部"973"项目、国家油气专项和自然科学基金重点项目过程中取得的.上述项目的组织都具有多学科密切合作的背景.因此许多论文在盆地动力学领域有条件提出创新点和前缘性探索方向.在此也对《地学前缘》编辑部支持并组织出版"盆地动力学"专辑表示由衷的感谢.

  然而我们也面临诸多方面的挑战.研究难度进一步加大,如盆地中深埋储层中的油气、大面积的非常规油气资源和更深的陆坡海域勘探等具有挑战性领域.控制盆地演化的深部背景研究方面也还存在许多不确定性的推断和争议,这首先需要一系列现代探测技术、实验技术和计算机模拟技术的进一步发展,并在理论上不断有创新性探索和总结.挑战性的研究将给予致力于盆地动力学多学科合作的科技工作者们更大的推动力.

  参考文献

  [1]Kingston D R,Dishroon C P,Willimas P A.Global basinclassification[J].AAPG Bulletin,1983,67:2175-2193.

  [2]Ingersol R V.Tectonics of sedimentary basins[M]∥BusbyC,Azor A.Tectonics of Sedimentary Basins:Recent Ad-vances.2nd ed.Oxford:Wiley-Blackwell,2012:1-647.

  [3]Dickinson W R. Basin geodynamics[J]. Basin Research,1993,5:195-196.

  [4]Dickinson W R,Anderson R N,Kevin T B,et al.The Dy-namics of Sedimentary Basins[M].Washington D C:Nation-al Academy Press,1997:1-43.

  [5] 李思田,王华,陆凤香.盆地动力学:基本思路与若干研究方法[M].武汉:中国地质大学出版社,1999:1-200.

  [6] 地学前缘专辑,2000,7(3).

  [7]Roure F,Cloetingh S,Scheck-Wenderoth M,et al.Achieve-ments and challenges in sedimentary basin dynamics:A re-view[J].New Frontiers in Integrated Solid Earth Science,2010:145-233.

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