不整合面地層抬高與剝蝕厚度估算

不整合面地層抬高與剝蝕厚度估算

其他影響因素dow（1977）提出了利用顯微鏡反射率（ro）計算非整合層剝削厚度的方法，在石油和地質(zhì)領域得到了廣泛應用。該方法將不整合面上、下構造層中Ro隨深度的“跳躍”完全歸結(jié)為不整合面地層剝蝕的影響,這顯然是不全面的。事實上,Ro值隨深度的不連續(xù)分布還可能是由于地史時期古地熱梯度變化的影響。更值得注意的是,按Dow的方法估算出來的厚度并非不整合面地層剝蝕厚度,其物理意義只是相當于正斷層錯動造成的地層缺失厚度。本文介紹利用Ro數(shù)據(jù)計算古地熱梯度和不整合面地層剝蝕量的方法,并通過對Dow(1977)鉆井數(shù)據(jù)的再評估,演示了這一方法的實際操作過程,并闡釋了Dow的方法的物理意義。為了使操作簡便易行,文中還提供了利用根據(jù)地層埋藏年齡和實測Ro數(shù)據(jù)讀取最高古地溫的Ro-T-t類型曲線圖解。roi地層古地溫Ro本身與地層剝蝕厚度并無直接關聯(lián),控制Ro值大小的是地層中有機質(zhì)的埋藏溫度和時間以及有機質(zhì)的類型。由于溫度在其中起著決定性作用,所以Ro與剝蝕厚度或地層埋深的聯(lián)系是通過溫度來關聯(lián)的。當Ro數(shù)據(jù)隨深度的分布存在不連續(xù)的跳躍時,只有在這種不連續(xù)(增加)并非斷層錯動引起,而確因不整合面地層剝蝕所引起的情況下,這種不連續(xù)分布才意味著不整合面下伏構造層較上覆構造層經(jīng)歷了更高的古地溫,這是利用Ro值恢復古地熱梯度和估算剝蝕厚度所必須滿足的條件。利用Ro值估算剝蝕厚度時,首先應將Ro值轉(zhuǎn)換成最高古地溫值,然后求取古地熱梯度,這樣一方面考慮了埋藏時間對Ro值的效應,另一方面體現(xiàn)了地史時期古地熱梯度隨時間的變化。將Ro數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成最高古地溫的動力學模型或經(jīng)驗關系頗多(如Hood,1975),但目前國際上廣為接受的是Burham和Sweeney(1989年)提出的平行化學反應模型。在一條含有不整合面并因此而存在一個或多個構造層的鉆井或地表地層剖面中,每一個構造層內(nèi)所有地層達到最高古地溫的時間是統(tǒng)一的,但不同構造層之間的地層達到最高古地溫的時間可能相同,也可能不相同。當受古地熱梯度變化和(或)不整合面地層剝蝕厚度的影響,不同構造層達到最高古地溫的時間不一致時,即可利用Ro數(shù)據(jù)恢復古地熱梯度和估算剝蝕厚度。古地溫恢復和剝蝕厚度估算的原理方法歸納為圖1。圖1b代表了一條包含有2個不整合面,亦即3個構造層的鉆井剖面。圖1a為2個不整合面剝蝕厚度分別為E1和E2時的地層埋藏史。在圖1c中,3個構造層中的Ro數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了最高古地溫值,分別將這3個古地溫數(shù)據(jù)進行線性回歸后可得到3個構造層各自達到最高古地溫時的古地熱梯度(dT/dZ)1、(dT/dZ)2、(dT/dZ)3和相應的古地表溫度T1s、T2s、T3s。與今地熱梯度(dT/dZ)0比較(圖中虛線),第一個構造層中Ro數(shù)據(jù)所記錄的古地熱梯度與現(xiàn)今地熱梯度平行且溫度剖面重合,表明該構造層現(xiàn)今處于最高古地溫;第二個構造層中的Ro數(shù)據(jù)所記錄的最高古地溫與上覆構造層在不整合面處呈不連續(xù)分布,且地溫剖面與上覆構造層的溫度剖面斜交,說明第二個構造層達到最高古地溫時(t1)的古地熱梯度較高。由于第二個構造層中古地溫剖面頂界處的古地溫(T2i)大于該構造層達到最高古地溫時的古地表溫度(T2s),表明該構造層頂部第一個不整合面存在剝蝕,相應的剝蝕厚度為E2=(T2i?T2s)/(dT/dZ)2E2=(Τ2i-Τ2s)/(dΤ/dΖ)2第三個構造層與第二個構造層的關系和第二個構造層與第一個構造層的關系相似,計算第二個不整合面上剝蝕厚度的方法亦相同。假如第三個構造層中的古地溫剖面與第二個構造層中的古地溫剖面不是斜交而是平行,則表明這兩個構造層達到最高古地溫時(分別為t1和t2)的古地熱梯度是相同的,導致Ro值不連續(xù)分布的原因只是由于第二個不整合面上交點的剝蝕厚度。Dow井下數(shù)據(jù)的再評估Dow(1977)根據(jù)Ro數(shù)據(jù)在不整合面上、下構造層中的不連續(xù)分布,將下伏構造層中的Ro值與深度關系的回歸直線上延至與上覆構造層底界處的Ro值重合,從而估算出他文中實例鉆井剖面中位于3.6km深度處的不整合面的剝蝕厚度為500m(見圖2a)。表1列出了Dow(1977)的Ro數(shù)據(jù)及根據(jù)Burham和Sweeney(1989)的Ro動力學模型計算的對應于Ro值的最高古地溫值。將上、下兩個構造層中的古地溫數(shù)據(jù)分別進行線性回歸,得到上部構造層達到最高古地溫時的古地熱梯度為27℃/km、地表溫度為10℃,深部構造層達到最高古地溫時的古地熱梯度為46.3℃/km、地表溫度為10℃(見圖2c)。根據(jù)Dow(1977)文中的井底溫度(BHT)校正結(jié)果計算出的現(xiàn)今地熱梯度為27℃/km。由于上部構造層達到最高古地溫時的古地熱梯度與現(xiàn)今地熱梯度相同,且溫度剖面幾近重合,顯然,上部構造層現(xiàn)今處于它的最高古地溫狀態(tài);深部構造層中的最高古地溫剖面在不整合面處與上覆構造層的古地溫剖面錯開并斜交,表明該構造層達到最高古地溫時的地熱梯度較上覆構造層大,達到的古地溫亦較高?；貧w出的古地熱梯度為46.3℃/km,達到最高古地溫時的地表溫度為10℃,而其古地溫剖面于不整合面處的古地溫為148℃,顯著大于達到最高古地溫時的古地表溫度(恒溫帶溫度),因此該構造層頂部在達到最高古地溫時應存在一定的埋藏深度,亦即該構造層頂部的不整合面有過地層剝蝕。介于上第三系和白堊系地層間的不整合面上的剝蝕厚度E=(148-10)/46.3=2980m。注意不整合面上、下兩個構造層達到最高古地溫時的古地熱梯度存在顯著的變化。該結(jié)果明顯大于Dow(1977)方法得出的500m剝蝕厚度。只要注意到以下事實就能理解為何Dow的實例井中,3.6km深度處不整合面上的剝蝕厚度應該是2.98km,而非500m。首先,該井深部構造層頂界處的Ro值約為0.95%,該值對應的最高古地溫為149℃。由于第二個構造層達到最高古地溫的時間與第一個構造層不同(并非現(xiàn)今),盡管當時的古地熱梯度較大(46.3℃/km),其頂界500m的埋深所能達到的古地溫亦只是10℃+(46.3℃/km)×500m/1000m=33.15℃,對應的Ro值不超過0.3%,遠小于下伏構造層頂界上的Ro值(0.95%);其次,如果不整合面上、下構造層中的Ro數(shù)據(jù)呈不連續(xù)分布(分段線性),且下伏構造層中的Ro值偏高,如果這種“跳躍”并非斷層錯動或者水熱活動等其它因素所造成,則表明下伏構造層早于上覆構造層達到了最高古地溫,并且其所經(jīng)歷的古地溫高于上覆構造層底界處經(jīng)歷的最高古地溫,那么下伏構造層中有機質(zhì)的高成熟度只取決于它達到最高古地溫時所處的最高古溫度,而不再受上覆構造層沉積時所經(jīng)歷的較低溫度的影響。后者正是Dow(1977)方法低估了剝蝕厚度的原因所在。因為他將中生代構造層中有機質(zhì)的成熟度與晚第三紀構造層中的成熟度相關聯(lián),認為如果不存在剝蝕,二者應該是隨深度呈連續(xù)分布,這構成了Dow(1977)方法的理論基礎,但事實上,下伏構造層中Ro值的大小與上覆構造層完全無關。下面分析Dow(1977)估算出的500m地層厚度所代表的物理意義所在。圖2b說明了Dow估算出的500m厚度所代表的物理意義之一,即代表著正斷層錯動造成的地層缺失厚度。換一個角度看,如果斷層上、下盤地層所對應的地史時期古地熱梯度變化不大,那么利用斷層面上、下Ro數(shù)據(jù)的跳躍確定斷層造成的斷層缺失厚度倒是一種可行的方法。Dow(1977)利用Ro數(shù)據(jù)估算出的500m厚度的另一個物理意義是它代表等效剝蝕厚度的“不足”部分。即3.6km深度處不整合面的剝蝕厚度等于不整合面現(xiàn)今埋深(或上覆構造層底界深度)加上根據(jù)Dow方法估算出的“剝蝕厚度”。于是可得剝蝕厚度為:3600m+500m=4100m。該值略大于本文方法,原因在于這種估算隱含了一個重要假定:古地熱梯度保持恒定。但該假定條件并不為Dow(1977)所給出的實例所滿足,因為前面已計算出上、下構造層中Ro數(shù)據(jù)所記錄的古地熱梯度存在明顯變化,這一點也可從上、下構造層中Ro值隨深度變化的梯度看出,Ro值隨深度增加的梯度越大,相應的古地熱梯度也越大。因此,如果上、下構造層中Ro值隨深度分布剖面近于平行,完全可以直接利用Ro數(shù)據(jù)根據(jù)Dow(1977)方法計算出不足厚度后,加上不整合面埋深即得到不整合面剝蝕厚度,而無須進行Ro-Tmax轉(zhuǎn)換。成鏡質(zhì)體反射率類型曲線圖的轉(zhuǎn)換如果不整合面上、下構造層中的Ro數(shù)據(jù)剖面不平行,或者不整合面的時間跨度比較大,以致時間對Ro的效應不容忽視,那么最好還是先將Ro值轉(zhuǎn)換為最高古地溫,確定古地熱梯度后再估算剝蝕厚度。為方便起見,現(xiàn)根據(jù)Burham和Sweeney(1989)提出的Ro動力學模型,制成鏡質(zhì)體反射率(Ro)-最高古地溫(T)-埋藏時間(t)類型曲線圖,讀者可利用該圖進行Ro-T的轉(zhuǎn)換。圖3假定地層開始沉積時的初始Ro值為0.2%(地表溫度為15℃)。時間t的確定有兩種方式,一是從采樣地層沉積開始,至地層達到最高古地溫后開始降溫為止的時間,即不整合面上剝蝕地層剝蝕開始的時間,如果剝蝕地層沉積結(jié)束的時間不易確定,可取不整合面時間跨度的中間值;二是取采樣層達到最高古地溫后保持該溫度的時間,即有效加熱時間,但該時間更難確定。本文建議取前一種方式。需要說明的是,制作圖3時假定地層從沉積開始至達到最高古地溫的過程是線性增溫過程,這與地層實際的埋藏路徑及相應的增溫率是有所差異的,但其影響相當有限(小于1℃)。應該指出,Ro-T-t類型曲線圖雖然提供了一個較為簡便的確定最高古地溫的途徑,但存在一定的簡化,如果有條件,還是應該通過計算機軟件的開發(fā)來更精確地計算(筆者已開發(fā)了相應的軟件)。不同層次的ro數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與“剝蝕厚度”的計算以上分析表明,Dow(1977)提出的直接利用Ro數(shù)據(jù)估算不整合面地層抬升與剝蝕量的方法缺乏理論基礎,該方法給出的計算結(jié)果并非不整合面地層剝蝕厚度,其物理意義之一相當于正斷層錯動造成的地層缺失厚度。由于該方法曾得以廣泛應用,應引起研究和生產(chǎn)單位的足夠重視。如果在不整合面上、下構造層Ro數(shù)據(jù)隨深度的變化存在跳躍或間斷,且該跳躍并非斷層錯動等其它因素的影響所致,那么Ro數(shù)據(jù)明確地指示了不整合面代表的沉積間斷時間剝蝕的存在,但數(shù)據(jù)跳躍的幅度并不決定剝蝕厚度的大小,下伏構造層頂界上的Ro絕對值才決定了剝蝕厚度的大小。這種情況下,Ro數(shù)據(jù)近于連續(xù)分布也不能說明不存在剝蝕。Ro數(shù)據(jù)仍然可用于不整合面剝蝕厚度的估算,但由于通常情況下,古地熱梯度是變化的,因此應先將Ro值轉(zhuǎn)換為最高古地溫,求取古地熱梯度后,再估算剝蝕厚度,除非上、下構造層中Ro數(shù)據(jù)剖面呈平行關系。當不整合面上、下構造層中的Ro數(shù)據(jù)剖面呈平行關系時,可直接利用Ro數(shù)據(jù)確定不整合面剝蝕厚度。但剝蝕量應等于不整合面上覆全部地層厚度與用Dow(1977)方法計算出的“剝蝕厚度”之和。利用Ro-T轉(zhuǎn)換后取得的古地熱梯度代表了對應于構造層中地層平均熱導率的平均地熱梯度,忽略了地層熱導率的垂向變化。由于地層埋藏壓實過程中熱導率是變化的,古地熱梯度的變化可能包容了熱導率的變化,如當?shù)貙咏?jīng)歷較大埋深后遭受抬升剝蝕,此時與地層的較大壓實及淺層較低熱導率層的剝蝕而使得平均熱導率偏高,地熱梯度將相應地較小,因此地熱梯度的變化未必反映了盆地熱狀態(tài)的變更。應該指出的是,由于熱流值包容了地熱梯度和巖石熱導率兩個變量,是一個綜合物理參數(shù),它更能體現(xiàn)盆地的熱狀態(tài)。由于剝蝕厚度計算時是將現(xiàn)今殘留地層中Ro數(shù)據(jù)所反映的古地熱梯度替代剝蝕地層的地熱梯度