盆地沉積相關動力學分析

1、盆地沉積相關動力學分析0引言沉積盆地是地球上賦存石油、天然氣和放射性沉積礦產等能源資源的寶庫,也是巨大的水資源儲存地.人類社會發(fā)展對能源的巨大需求始終是這一學科及相關技術發(fā)展的巨大驅動力.早期的沉積盆地分析是對盆地做整體性的沉積學研究,因此被視為沉積學的一個重要分支學科.近20余年的發(fā)展,特別是從動力學的角度研究盆地的形成和演化,推動了這一領域的多學科結合.板塊學說的形成和發(fā)展曾對盆地成因研究給予了巨大的推動和嶄新的思路.Kingston等1以板塊構造部位和動力學特征為基礎,提出了沉積盆地的板塊構造分類并被廣泛應用,近年來Ingersoll等2基于對盆地板塊構造背景復雜性的認識對板塊體系中的盆

2、地類型做了進一步細化和術語的訂正.Dickinson是盆地動力學研究最早的倡導者,早在1993年 他 在Basin Research刊 物 上 以 BasinGeodynamics為題的一篇短文提出了盆地研究應聚焦的方向3,并對學界過多地熱衷于提出盆地分類方案表示質疑.美國地球動力學委員會USGC后來成立了以Dickinson為首席科學家的盆地動力學分組(Panel on the Geodynamics of SedimentaryBasin),來自大學和石油企業(yè)的專家們提出了研究方 案4-The Dynamics of Sedimentary Basin(1997).中國學者們也及時在國內以

3、專著5和地學前緣專輯(2000,7(3)6等形式對這一研究方向為中國廣大讀者作了介紹.近十余年來在世界和中國范圍盆地動力學研究已取得了廣泛的和深入的進展.這不僅由于本學科相關研究隊伍的努力,更基于國家在油氣勘探和科學研究方面的巨大投入和地球科學相關學科和深部探測技術的發(fā)展.如地球物理領域的多種新技術提供了盆地深部乃至地球深部的精確影像,使板塊相互作用和地幔動力學研究有了重要基礎,并為盆地演化的深部過程研究提供了重要依據(jù).近年來國際上出版了一系列介紹盆地動力學研究新進展的著作,如Roure和Cloetingh等的總結性論文盆地動力學的進展與挑戰(zhàn)7,在總結近20年成就的基礎上,重點闡述了具有挑戰(zhàn)性

4、的研究領域和應發(fā)展的多種新的探測和實驗方法以及模擬技術.英國學者P.A.Allen和J.R.Allen合著的盆地分析專著新版8基于地球動力學研究角度對各種類型盆地形成的物理模型進行了系統(tǒng)的探討,提出了系列數(shù)學計算方程,并從板塊構造和地幔深部過程論述了盆地的形成演化,是同類專著中理論性較強的著作.遺憾的是其中罕有中國的盆地實例.有關盆地分析和盆地動力學的系統(tǒng)著作還有多種,如G.Einsele9、Miall10、Busby和Azor2等的專著.大量的典型盆地動力學研究則刊于Basin Research,AAPG Bulletin等國內外知名刊物.中國的盆地動力學研究在近十余年來發(fā)展迅速,成果豐碩.

5、首先是國家對油氣勘探和科學研究的巨大投入,大型國企對勘查資料和科研合作的開放以及地球科學領域多學科的研究在盆地和油氣領域中的聚焦.大量合作發(fā)表的著作提供了盆地與油氣地質的系統(tǒng)資料,可供盆地動力學領域的進一步研究.基于國際和國內研究的進展和經驗,盆地動力學的主要研究內容可歸納為下列4個方面:(1)盆地沉積充填動力學分析;(2)盆地構造動力學分析;(3)盆地形成演化的地球動力學背景分析;(4)盆地中油氣系統(tǒng)演化的動力學分析.各部分的研究細目如下表所示(表1).1盆地沉積充填動力學分析建立盆地充填序列研究首先需從宏觀入手,即進行構造地層分析.構造地層分析概念由來已久,然而其方法體系已有重要發(fā)展.近十

6、余年中國地質家們在西部大型疊合盆地研究中在此領域取得了重要的進展和創(chuàng)新.塔里木盆地是中國最大的,也是最復雜的含油氣疊合盆地,勘察早期國際合作完成了覆蓋全盆地的地震測網(wǎng),完成后即發(fā)現(xiàn)十余個不整合,其中8個大型不整合面最為重要.經生物地層研究成果與地震地層研究成果的精細對比,確定了不整合面的年代和地層缺失量11,證明主要的不整合皆具有古構造運動面性質,可作為構造地層序列的高級別單元的界面,其中有些是劃分盆地原型的界面.十余年來地球科學的基礎研究在中國西部有巨大的投入,對環(huán)繞塔里木盆地的巨型造山帶包括昆侖、天山及阿爾金等進行了系統(tǒng)研究,對于重要構造事件,包括洋殼時代、匯聚-造山事件和變質年齡等都得到

7、了系統(tǒng)的定年數(shù)據(jù)(主要由中國地質科學院大陸動力學研究室提供),盆地內也進行了碎屑巖層鋯石定年的系統(tǒng)研究.研究成果表明,造山帶與盆地演化中的構造事件和階段性可以很好地對比,從而解釋了盆地多次發(fā)生構造變革的原因12-14.盆地古構造、古環(huán)境序列圖的編制展示了上述大陸動力學背景變化對于盆地古地理、古構造格局的重大影響15-16.進一步進行的重點區(qū)高分辨等時地層格架的建立和沉 積體系 研究已有 成熟的 方 法 和 大 量 的 文獻9-10,17-18.各種沉積體系的識別是盆地分析中最為細致的系統(tǒng)工作,需要大量的露頭、巖心觀測和測井分析,是生儲蓋層預測的基礎.地震沉積學的方法提高了深埋地下的沉積體系預測

8、的能力19,在碳酸鹽沉積體系方面露頭研究與地震影像相結合在礁灘帶儲層和古喀斯特巖溶儲層預測中獲得了很大的成功,為四川、塔里木等盆地的海相大油氣田的發(fā)現(xiàn)和探明起了重要作用20.高精度三維地震是此項研究的重要基礎,中國東部渤海灣盆地的一些富生烴拗陷如渤海灣盆地濟陽拗陷等已經實現(xiàn)了三維地震全覆蓋,對發(fā)現(xiàn)地層巖性圈閉做出了重要貢獻.盆地沉積充填研究的另一重要動向是沉積過程的源-匯系統(tǒng)研究-Routing System,即把研究區(qū)域從沉積區(qū)擴大到剝蝕物源區(qū),并研究物源區(qū)古地貌演化,巖石風化、搬運到沉積的完整動力系統(tǒng)8.此種思路在中國的放射性沉積礦床研究中已受到高度重視,因為沉積鈾礦的物源在受長期剝蝕的造

9、山帶區(qū)域,必須整體性的研究源-匯系統(tǒng),含礦物質的來源和沉積路徑才可能正確地預測和評價21.由此可建立沉積鈾礦床成礦構造域的概念系統(tǒng),這一系統(tǒng)即包括了廣大的物源區(qū)地球化學特征和風化條件、搬運路徑和富集條件,現(xiàn)今已經用于區(qū)域性成礦預測和勘探部署.盆地沉積序列中的古氣候和古環(huán)境記錄在十余年前即被列為盆地動力學研究的一個重點.當今全球環(huán)境變化已成為涉及人類生存條件的重大問題.在地球歷史上氣候變化不僅影響煤和油氣等能源資源,還涉及其他多種沉積礦產.近年來放射性沉積礦床成礦與古氣候的重要聯(lián)系也已引起地質家們的注意.地質歷史上的氣候周期變化問題已成為旋回地層學和沉積學研究的一個重點領域.2盆地構造動力學分析

10、多年的研究表明,不同類型的盆地有其特定的構造組合、構造樣式及構造力學性質.這些特征可在地震探測中得到并由此初步判斷其構造物理學類型:伸展類、拗曲類、走滑類以及復合類型.在疊合盆地演化中盆地構造特征往往會受到多期變形的影響,須加以篩選和區(qū)別,這在中國的疊合盆地研究中尤為重要.Allen等8在其沉積盆地分析新著中將盆地的各種板塊構造類型與各種成因因素做了綜合分析,認為許多類型盆地都受到多重因素的影響,重要的是區(qū)分了主要因素和次要因素,并用圖示表現(xiàn)了不同類型盆地演化過程中各種因素的主次關系(圖1).在盆地中識別和劃分基本構造單元,包括隆起、凹陷和主要的斷裂系統(tǒng)是含油氣盆地構造分析中最基本的工作.在疊

11、合盆地中則需要按詳細劃分的盆地原型并分別研究和編圖.此項工作是進一步研究油氣分布規(guī)律的重要基礎,特別是凹陷的生烴潛力評價和富生烴凹陷的識別.古隆起及其斜坡區(qū)則有利于形成大型圈閉和區(qū)帶.中國多旋回疊合盆地構造學專著22基于中國油氣勘探數(shù)十年的寶貴經驗,對疊合盆地構造研究理論和方法做了系統(tǒng)的闡述.李德生先生數(shù)十年潛心渤海灣大型裂谷盆地研究,領導編制了全盆地構造與油氣分布圖,包括了數(shù)十個隆起、凹陷與油田分布,展現(xiàn)了環(huán)生烴凹陷形成的一系列油氣系統(tǒng),并堅持多年不斷根據(jù)新資料補充修改,其作品成為此類圖件的典范.塔里木盆地古生界構造格局與油氣分布的關系是大型疊合盆地最為典型的實例,數(shù)十年勘探經歷證實滿加爾坳

12、陷是全盆地最為重要的大型富生烴拗陷,已發(fā)現(xiàn)的大油氣田多分布于環(huán)此坳陷的古隆起和斜坡帶部位,如塔北和塔中隆起,前者已經勘探證實為海相大油田連續(xù)分布的區(qū)帶.3盆地形成演化的地球動力學背景分析板塊相互作用和地幔動力過程是盆地形成演化的最重要的控制作用,這已經是盆地研究這多年來的共識.在中國的東部及其匯聚型大陸邊緣有更為明顯影響.天然地震層析清楚地顯示了太平洋板塊向大陸板塊深部的俯沖及其引起的地幔異常變化,地幔軟流上涌23.晚中生代以來中國東部大規(guī)模巖漿帶的形成,隨后以晚侏羅世-白堊紀為主的大面積跨國境分布的斷陷盆地群、裂谷型的松遼大型盆地的形成及其裂后階段多幕擠壓反轉構造,都清楚地表明大洋板塊向大陸

13、俯沖與地幔動力過程的控制作用24-26.在此領域地球物理學家和巖漿巖石-地球化學家的大量研究成果27-32對盆地形成演化的動力學解釋起到重要作用,有些成果是巖石學家和地球物理學家合作完成的33.中國東北部晚中生代的斷陷盆地系、新生代渤海灣為代表的大型裂谷盆地、中國近海的東海陸架盆地都是在這一過程中形成和發(fā)展的.為進一步闡明大洋及大陸板塊相互作用與盆地形成機理,通過跨國合作進行了中國東部及海域洋-陸構造事件的系統(tǒng)對比,及其與盆地形成關系的研究34.近期在南中國海也進行了此種研究,提出了南海北部與南部盆地特征差異原因的區(qū)域大地構造背景解釋35-36.這些成果都揭示了板塊相互作用的復雜多樣性和多期性

14、.盆地動力學研究推動了更為密切的多學科合作和國際合作.近十余年來我國很多與盆地動力學和油氣成藏相關的大型研究項目都是多學科的專家組織在一起完成的.另一應引起重視的新領域是巖石圈尺度的變形.歐洲學者37發(fā)現(xiàn)和提出了巖石圈變形的重要事實和模式(圖2).此種過程發(fā)現(xiàn)于被強大擠壓的盆地.塔里木也被作為一個實例引用,然而當時尚缺少巖石圈變形的深層剖面作為證據(jù).天然地震噪聲研究則顯示了有啟示的巖石圈褶皺變形的影像38.數(shù)十年來以松遼盆地和渤海灣盆地為主的東部盆地在提供油氣資源上已經為國民經濟做出了重大貢獻,油氣勘探的重點已經由東部向西部和中部戰(zhàn)略轉移,并聚焦于塔里木、四川、鄂爾多斯和準格爾等大型疊合盆地.

15、前三者均形成于大陸內部較穩(wěn)定的地臺基底并被造山帶等活動帶所環(huán)繞,此種大地構造背景既決定了盆地構造上的相對穩(wěn)定性,又決定了源于環(huán)繞地臺的活動構造帶對盆地的強大擠壓應力.這些地區(qū)遠離西太平洋俯沖帶,地球動力學背景與東部全然不同.因此大陸構造及大陸動力學研究及其與盆地演化的關系亟需加深39.王鴻禎于1982年即提出了中國大地構造域的劃分,即從活動論的觀點認為陸間區(qū)是由兩個變形復雜的大陸邊緣構成,每個地臺與環(huán)繞的卷入造山帶的古大陸邊緣為一個構造域.前述大型疊合盆地,都發(fā)育在構造域中部的地臺區(qū)40-41.與東部的中朝地臺不同,這些盆地基底未受到大的破壞.然而,在其演化中受到側向構造壓力的重要影響發(fā)生巖石

16、圈級別的變形.因此對盆地和造山帶重大構造事件的對比研究成為動力學分析的關鍵.造山帶大量的定年數(shù)據(jù)保證了對比的精度.塔里木、四川等多個大型疊合盆地動力學研究項目中實現(xiàn)了大陸動力學,沉積學和油氣地質勘探家的密切結合.以塔里木盆地為例此項研究超越了以往盆地-山脈耦合研究的范疇,把眼界放寬到大陸動力系統(tǒng),從而對每個演化階段盆地的古構造-古環(huán)境格局做出合理的解釋并有助于油氣預測13-15,39,42.然而對于古生代的多期重大構造事件的復雜性,大地構造和古地理格局的重建尚需漫長的研究和認識過程.也有的學者嘗試探索用構造物理基本理論進行古生代的古構造分析43.關于峨眉地幔柱對四川和塔里木盆地的影響是盆地研究

17、者們關注的另一熱點問題,巖石地球化學家關于地幔柱性質的大量證據(jù)已被廣泛認可.與地幔柱相關的玄武巖在盆地中和盆地之間大面積分布44-45.在塔里木盆地充填序列中這一事件成為海相地層序列轉為以陸相地層為主的序列之間的界限,并對古地溫場有一定影響.在四川盆地構造古地理的重建研究,揭示了二疊紀-三疊紀碳酸鹽巖臺地與其間向西開口的槽地間列的格局.對其構造成因有多種見解.多數(shù)研究者46認為與前期的裂陷作用有關,羅志立等47推斷了上述二疊紀的裂陷作用成因,并認為與地幔柱活動相關.4盆地中油氣系統(tǒng)演化的動力學研究油氣系統(tǒng)的概念和方法體系是近代石油地質學的一項重要發(fā)展并為勘探家們廣泛應用48.其研究內容包括油氣

18、成藏基本要素、動態(tài)過程和地質背景(圖3).應用過程中 也曾出 現(xiàn)過簡 單化 問題.AAPG年會曾用 Holistic Analysis of PetroleumSystem作為專題會議標題,即提倡用系統(tǒng)論的思維研究油氣系統(tǒng).事實上研究的主要難度在于生排烴、運移和聚集的動態(tài)過程,涉及很多流體動力學問題49.運移路徑,即輸導系統(tǒng)的追蹤有很大難度,也應列入成藏基本要素,石油地質家用有機地球化學參數(shù)與構造結合作了有效的追蹤50.地球化學家發(fā)現(xiàn)更多有效的示蹤有機標記化合物的努力正取得重要新進展.上述要素和動態(tài)過程都受控于盆地演化的動力背景,又是盆地研究的主要目標,因此應列為盆地動力學研究的重要成部分51

19、.近十余年我國許多與油氣相關的大型研究項目,如科學技術部973和國家油氣專項等都是將盆地演化與油氣成藏動力過程作為一體進行研究并取得了豐碩成果52-53.可喜的是,中國許多大型石油企業(yè)為首與大學和研究機構合作的出版物中,除了對油氣地質有詳細和豐富的第一性資料和描述外,對盆地成因演化和油氣聚集的動力學也都進行了一定的研討和闡述,如松遼盆地54、渤海55-56和南海及其深水領域57-58的大型著作和一批從動力過程研究油氣系統(tǒng)的論文59-62,這里僅選了一些代表.在油氣系統(tǒng)的概念提出之后,美國的煤地質家也提出了和發(fā)表了有關煤系統(tǒng)分析的專著63.5沉積盆地動力學研究正面臨良好的發(fā)展機遇和更高難度的挑戰(zhàn)

20、人類社會對能源資源的巨大需求是沉積盆地研究的最重要推動力.中國油氣勘探的巨大投入和巨量資料對合作研究者的高度開放,使研究者可能得到系統(tǒng),完整的盆地與油氣的第一性資料和樣品,成為研究工作的基礎.這包括投入巨大的超深探井以及系統(tǒng)的覆蓋大區(qū)域的地震探測成果.多學科合作聚焦已成為創(chuàng)新型研究的基本經驗和共識,投入巨大的地球科學基礎研究-深部探測計劃的實施也將為盆地動力學研究提供寶貴的信息.本期地學前緣所包括的十余篇論文作者,都曾長期從事沉積盆地與能源資源研究,很多成果都是在完成國家大型科研項目如科學技術部973項目、國家油氣專項和自然科學基金重點項目過程中取得的.上述項目的組織都具有多學科密切合作的背景.因此許多論文在盆地動力學領域有條件提出創(chuàng)新點和前緣性探索方向.在此也對地學前緣編輯部支持并組織出版盆地動力學專輯表示由衷的感謝.然而我們也面臨諸多方面的挑戰(zhàn).研究難度進一步加大,如盆地中深埋儲層中的油氣、大面積的非常規(guī)油氣資源和更深的陸坡海域勘探等具有挑戰(zhàn)性領域.控制盆地演化的深部背景研究方面也還存在許多不確定性的推斷和爭議,這首先需要一系列現(xiàn)代探測技術、實驗技術和計算機模擬技術的進一步發(fā)展,并在理論上不斷有創(chuàng)新性探索和總結.挑戰(zhàn)性的研究將給予致力于盆地動力學多學科合作的科技工作者們更大的推動力.參考文獻1Ki