沉積盆地古地溫的基礎(chǔ)知識(shí)

1、沉積盆地是地球表面的負(fù)向地貌單元，包括湖泊、海洋及陸地上山間或山前的凹陷區(qū)這些盆地在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)下沉并接受堆積物一一沉積巖。沉積盆地中聚集了許多礦 產(chǎn)，其中重要的有石油、天然氣、煤、磷、鋁等。促使這些礦產(chǎn)得以形成和聚集的重要因素 之一是古地溫。例如，石油是在60150C的古地溫條件下形成的。應(yīng)用地質(zhì)“溫度計(jì)”可以恢復(fù)沉積盆地的古地溫沉積盆地在地質(zhì)歷史中經(jīng)歷的地溫一般低于200C。地質(zhì)科學(xué)中現(xiàn)在用以標(biāo)定高溫(高 于200C )的溫度計(jì)較多，它們對(duì)研究與尋找火成及變質(zhì)礦產(chǎn)起了很大作用。用以標(biāo)定低溫 的溫度計(jì)還很少。由于沉積礦產(chǎn)的形成受溫度變化的幅度不大，對(duì)低溫地質(zhì)溫度計(jì)的要求較 苛刻，要求它們準(zhǔn)

2、確而又十分靈敏，以反映溫度的細(xì)微變化。因此，建立有效的低溫地質(zhì)溫 度計(jì)的難度較大，仍然是國內(nèi)外正在研究的重大課題之一。到目前為止，已在幾個(gè)方面取得 了肯定的結(jié)果。利用有機(jī)質(zhì)成熟度推算古地溫有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)是指有機(jī)質(zhì)熱演化成熟作用程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是以有機(jī)質(zhì)各組分在熱 降解作用過程中其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)所發(fā)生的變化為基礎(chǔ)建立的。各成熟度指標(biāo)均 以特定的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和溫度相聯(lián)系；不僅與生油層經(jīng)歷的最高溫度有關(guān)，也與生油層的 整個(gè)受熱歷史有關(guān)。鏡質(zhì)體反射率最早是用來標(biāo)定煤的熱演化階段一一煤階的指標(biāo)，70年代初廣泛用于生 油層生油階段的劃分，此后成為應(yīng)用最廣泛、也被認(rèn)為是最可靠的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)

3、。在一 些海相地層和碳酸鹽巖地層中，特別是在前志留紀(jì)地層(維管束植物出現(xiàn)以前沉積的地層) 中鏡質(zhì)體稀少或不含鏡質(zhì)體，這時(shí)可采用固體瀝青反射率來代替鏡質(zhì)體反射率評(píng)價(jià)生油層的 成熟度。其它以各種有機(jī)組分光學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的成熟度指標(biāo)還有：抱粉顏色指數(shù)(PIC)和 熱變指數(shù)(TAI)，生物碎屑反射率及干酪根無定形組分反射率等。以化學(xué)組成為基礎(chǔ)的指 標(biāo)有：熱解分析的最高熱解峰溫(Tmax)和生物標(biāo)志化合物指標(biāo)。用有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，尤以鏡質(zhì)體反射率恢復(fù)古地溫，進(jìn)而推算石油生成過程，已在國 內(nèi)外普遍開展。國外的主要石油勘探公司均有專人從事這項(xiàng)工作。在實(shí)際應(yīng)用中，仍在不斷 改進(jìn)這種方法，提高其精度和應(yīng)用范圍。沉

4、積自生礦物的成巖作用分帶與古地溫粘土礦物在沉積圈中分布非常廣泛，是泥巖的主要組成礦物。研究粘土礦物的成巖變化 對(duì)沉積巖學(xué)和石油地質(zhì)學(xué)具有十分重要的意義。在60年代，美國學(xué)者Weaver( I960)、Powers (1967)、Burst (1969)、Perry和Hower (1972)等發(fā)現(xiàn)蒙脫石脫水轉(zhuǎn)變成伊利石具有一定 的埋藏范圍，提出了蒙脫石一伊利石系列礦物可用作標(biāo)定沉積巖成巖作用程度和古地溫的指 標(biāo)。日本學(xué)者青柳宏一(Aoyagi) (1979)、風(fēng)間利榮(Kazama) (1980)和佐佐木詔雄(Sasaki) (1982)等通過對(duì)日本新生代盆地粘土礦物和沸石類礦物成巖分帶的研究，

5、標(biāo)定了自生礦物 分帶的溫度，并據(jù)此推測(cè)盆地的古地溫和地層剝蝕厚度。Wu Lia Huang （1993）,用人工熱模擬實(shí)驗(yàn)及幾個(gè)沉積盆地泥巖中混合層粘土礦物結(jié)構(gòu) 的實(shí)際觀測(cè)，已查明蒙脫石與伊利石混合層中伊利石所占百分含量的增長與古地溫的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。這項(xiàng)最新的研究把沉積自生礦物這一低溫地質(zhì)溫度計(jì)更為精確化。用流體包裹體測(cè)定古地溫流體包裹體是礦物結(jié)晶生長時(shí)，被包裹在礦物晶格的缺陷或窩穴內(nèi)的那部分成礦流體。 它至今尚保存在礦物中，并與主礦物（含有包裹體的礦物稱為主礦物）有相界限。流體包裹 體形成后，由于沒有外來物質(zhì)的加入和自身物質(zhì)的流出，因而可作為原始的成礦流體進(jìn)行研 究。包裹體保留了成礦流體的成分

6、、性質(zhì)，可反映成礦時(shí)的物理化學(xué)條件，加之包裹體在礦 物中普遍存在（不論是天然或是人工合成礦物均或多或少地含有包裹體），因而通過包裹體 研究，可獲得成礦時(shí)溫度和壓力等數(shù)據(jù)。流體包裹體由氣、液兩相組成，當(dāng)人工加溫使氣相消失成為均一的液相的那一溫度，就 是這個(gè)包裹體形成的古地溫。測(cè)定碳酸鹽巖或砂巖膠結(jié)物中包裹體的均一化溫度可以確定成 巖古地溫及古地溫梯度，重建盆地的成巖作用及礦產(chǎn)形成的熱歷史。在沉積盆地的石油與天 然氣評(píng)價(jià)工作中，這一方法可以確定生油巖的古地溫及油氣演化程度，推斷油氣運(yùn)移的時(shí)間、 方向，指導(dǎo)油氣的勘探。裂變徑跡測(cè)定古地溫一個(gè)重元素的原子核分裂為兩個(gè)相似的碎片，同時(shí)放出大量能量。分裂出

7、的碎片通過一 種絕緣材料時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)放射性損傷的狹窄痕跡，這種痕跡就是裂變徑跡。磷灰石、鋯石等 礦物中普遍含有鈾，鈾的衰變可產(chǎn)生大量裂變徑跡。在沉積巖中，裂變徑跡的穩(wěn)定性主要受 控于地溫。所有礦物中的裂變徑跡均隨溫度增加而逐漸消失，隨地溫增加而消失的地溫區(qū)間 稱之為退火帶。一般情況下，磷灰石裂變徑跡的退火帶是70125C，從70C開始減少，至 125 r完全消失。磷灰石裂變徑跡的退火帶與石油形成的地溫區(qū)間近似，應(yīng)用它可以確定生 油層的古地溫。近年來，國內(nèi)外已積累了許多用磷灰石裂變徑跡研究含油氣盆地古地溫的資料。磷灰石 裂變徑跡退火帶地溫區(qū)間的寬窄還受到沉積速率及受熱時(shí)間的影響，只有綜合研究沉積

8、盆地 的其它地質(zhì)條件后，才可獲得較為準(zhǔn)確的古地溫?cái)?shù)據(jù)。應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)反演裂變徑跡的熱歷 史，可以獲得更詳細(xì)的古地溫變化的信息。牙形石色變指數(shù)測(cè)定古地溫牙形石是一種形體還不清楚的海相動(dòng)物的硬質(zhì)微體化石，廣泛分布于寒武紀(jì)至二疊紀(jì)海 相地層中，在海相碳酸鹽巖里尤為豐富。牙形石具有演化快、分布廣等特點(diǎn)，它的顏色可作 為有機(jī)質(zhì)成熟度和烴類相態(tài)的熱力學(xué)指標(biāo)，通過該指標(biāo)可推算古地溫。牙形石色變指數(shù)CAI （Color Ateration Index）是由美國地質(zhì)學(xué)家Epstein等（1977）最 先研究和提出的。他們通過對(duì)阿巴拉契亞盆地奧陶系一石炭系牙形石顏色的研究認(rèn)為，牙形 石的顏色變化直接與其埋深和持續(xù)

9、的有效埋藏時(shí)間有關(guān)，并可與其它有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)對(duì) 應(yīng)。牙形石的加熱實(shí)驗(yàn)表明：在受熱的情況下牙形石顏色發(fā)生不可逆變化的內(nèi)因在于，它的 微細(xì)孔隙中所含的有機(jī)質(zhì)發(fā)生碳化作用，導(dǎo)致其顏色隨受熱溫度和時(shí)間的增加而相應(yīng)地由原 色（淡黃或淺琥珀色）變成褐色，以至黑色；在高溫條件下，牙形石會(huì)褪色成乳白色及透明 無色，其原因可能是固定碳揮發(fā)，結(jié)晶水析出和礦物重結(jié)晶。因此，牙形石的顏色變化反映 了所經(jīng)歷的地溫高低。受方法本身及地質(zhì)條件、樣品條件的限制，每一個(gè)方法都不可能是萬能的，在實(shí)際應(yīng)用 中都會(huì)有其局限性。各種方法相互對(duì)比，相互驗(yàn)證與相互補(bǔ)充是完善沉積盆地古地溫研究的 必經(jīng)之路。對(duì)一些地質(zhì)歷史比較復(fù)雜的盆地，用不同方法確定的古地溫可能有一定的差距。 因此，明確每一種方法測(cè)定古地溫的含義顯得很重要。如何解釋每一種古地溫?cái)?shù)據(jù)？彼此之 間的差距又說明了什么？又如何統(tǒng)一起來