利用ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的最高古地溫法

利用ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的最高古地溫法

地層侵蝕是沉積盆地形成過(guò)程中常見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象。剝蝕厚度的大小可以對(duì)盆地內(nèi)的油氣運(yùn)移、聚集和保存產(chǎn)生重要影響。例如,東海盆地西湖凹陷古近系至新近系,中央帶南部地層剝蝕厚度不大,適度的反轉(zhuǎn)剝蝕不僅形成了有利于油氣聚集的構(gòu)造圈閉,而且還有利于油氣的運(yùn)移和聚集,目前已在這一帶發(fā)現(xiàn)了一系列含油氣圈閉;而北部地層剝蝕強(qiáng)烈,破壞了油氣的蓋、儲(chǔ)條件甚至烴源巖,造成大量的油氣泄漏和逸散,所以含油性相對(duì)不好(劉景彥等,1999)。剝蝕厚度的大小主要受控于地形高差、遭受剝蝕的地層巖性特征及氣候等因素。但當(dāng)具體到某一特定地區(qū)特定層位時(shí),剝蝕厚度的大小則可能主要受控于某一具體的地質(zhì)因素。例如,江漢盆地古近系和新近系之間的不整合面在形成過(guò)程中,盆地范圍內(nèi)各地區(qū)的氣候和遭受剝蝕的地層巖性特征差異并不大。因此,可以用該不整合面處地層剝蝕厚度的橫向變化來(lái)反映該盆地剝蝕前的地形特征。這為進(jìn)一步開(kāi)展古構(gòu)造重建和沉積發(fā)育史等研究提供了重要的前提(盧明國(guó)和童小蘭,2004;劉學(xué)鋒等,1999)。另外,在Vail一類(lèi)沉積層序低位期廣泛曝露的陸架區(qū),較大剝蝕厚度的分布區(qū)可能與河流下切谷的位置相一致,這不僅對(duì)沉積發(fā)育史的研究有重要貢獻(xiàn),而且還有重要的石油地質(zhì)意義。因?yàn)槿绻虑泄葏^(qū)充填物富砂,則是儲(chǔ)層發(fā)育區(qū);若富泥,則可能為局部構(gòu)造提供側(cè)向封堵條件。綜上,地層剝蝕厚度的恢復(fù)在多個(gè)地質(zhì)分支學(xué)科中都有著重要意義。結(jié)合前人對(duì)古地理學(xué)的定義(馮增昭,1999,2003),可以概括地說(shuō),地層剝蝕厚度的恢復(fù)是古地理學(xué)研究中的一項(xiàng)十分重要的工作。目前恢復(fù)地層剝蝕厚度的方法很多,較常用的方法有鏡質(zhì)體反射率(Ro)法、泥巖聲波時(shí)差測(cè)井法、地震剖面解釋法、趨勢(shì)面分析法、鄰層厚度比值法、沉積速率分析法、磷灰石裂變徑跡法、波動(dòng)分析法等。其中利用鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)剝蝕厚度是最常見(jiàn)的方法之一,但在利用Ro數(shù)據(jù)的具體方法或步驟上仍存在差異。利用Ro恢復(fù)剝蝕厚度的傳統(tǒng)方法主要有:①Ro差值法(Dow,1977);②最高古地溫法(胡圣標(biāo)等,1999);③Ro-TTI法(陳增智等,1999)。其中方法①由Dow于1977年提出,是最早利用Ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的方法。方法②和③由國(guó)內(nèi)學(xué)者提出,是在已經(jīng)注意到Dow方法的不合理性后所提出的改進(jìn)方法。從目前國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,方法①和②有一定代表性,因?yàn)榉椒á僭趪?guó)內(nèi)至今仍在被廣泛地應(yīng)用(張一偉等,2000;李榮西等,2001;盧鴻等,2001),而方法②由于原理簡(jiǎn)單合理、通俗易懂而易于被人接受。本文在前人傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種利用Ro數(shù)據(jù)恢復(fù)剝蝕厚度的新方法,并通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例論證了新方法的可行性和簡(jiǎn)易性。從多個(gè)方面討論了Dow(1977)傳統(tǒng)方法的不合理性,最后得出了重要結(jié)論。1與一地層深度ro的關(guān)系一般來(lái)講,對(duì)于一套連續(xù)沉積的地層,埋藏深度(H)的不斷增大會(huì)引起地層溫度逐漸升高進(jìn)而導(dǎo)致地層中有機(jī)質(zhì)熱演化程度的不斷增加。而鏡質(zhì)體這種在沉積巖中最常見(jiàn)的固態(tài)有機(jī)質(zhì),其反射率(Ro)又隨有機(jī)質(zhì)的熱演化程度增加而增大,但不會(huì)因熱演化程度減弱而減小,即具有不可逆性。因此,Ro值能夠記載地層中有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中所達(dá)到的最高程度的信息,進(jìn)而能夠用來(lái)反映地層最大埋深時(shí)的地溫信息(最高古地溫Tpeak)。眾所周知,物質(zhì)反應(yīng)速率與溫度成指數(shù)增加關(guān)系,而與時(shí)間成線性增加關(guān)系。那么,對(duì)沉積盆地一套連續(xù)沉積地層中的鏡質(zhì)體來(lái)說(shuō),其反射率(Ro)與地層溫度(T)應(yīng)成指數(shù)增加關(guān)系,而又由于埋藏深度(H)與地層溫度(T)之間通常存在正線性相關(guān)關(guān)系,所以鏡質(zhì)體反射率(Ro)與埋藏深度(H)之間也應(yīng)該存在指數(shù)增加關(guān)系。大量的事實(shí)也表明,這兩者之間一般確實(shí)存在指數(shù)回歸關(guān)系式:式中Ro為在深度H處的鏡質(zhì)體反射率,a、b為常數(shù)。將(1)式進(jìn)行對(duì)數(shù)變換,可得到下式:再令a1=lna,b1=lnb,則有:式中a1和b1為常數(shù),(3)式表明鏡質(zhì)體反射率(Ro)的對(duì)數(shù)與埋藏深度(H)之間為一直線方程關(guān)系。20多年的實(shí)踐證明,用Ro值求取地層最高古地溫(地史上地層所經(jīng)歷的最大溫度Tpeak)確實(shí)是盆地?zé)嵫莼芯恐幸环N行之有效的手段。將Ro值換算為T(mén)peak的動(dòng)力學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很多(如Hoodetal.,1975),但目前被國(guó)際上廣為接受的是BurhamandSweeney(1989)提出的平行化學(xué)反應(yīng)模型。如前所述,對(duì)沉積盆地一套連續(xù)沉積地層,埋藏深度(H)與地層溫度(T)之間通常存在正線性相關(guān)關(guān)系。隨后,假設(shè)地層整體抬升遭受剝蝕,由于埋藏深度變淺,地層溫度降低,致使兩者(H和T)以前的相關(guān)關(guān)系遭到破壞。但由于Ro值已記載下了剝蝕前該套地層所達(dá)到的最高溫度的信息,并且是不可逆的,所以用Ro值換算得到的Tpeak是該套地層剝蝕前的溫度狀況。由此可知,Tpeak與H之間仍應(yīng)存在正線性相關(guān)關(guān)系:式中a2和b2為常數(shù),其中b2(斜率)即為該構(gòu)造層的古地溫梯度。顯然,該公式的主要用途是用來(lái)確定某一構(gòu)造層的古地溫梯度。值得一提,即使由于地層抬升造成了與Tpeak值對(duì)應(yīng)的H值整體減小,但用兩者回歸出的線段Tpeak-H的斜率(b2)與剝蝕前的斜率應(yīng)該是一致的,即同樣反映了剝蝕前的地溫梯度(古地溫梯度)。引申一步,即使剝蝕后的地層(構(gòu)造層)重新埋藏又接受了超過(guò)剝蝕厚度的沉積,但該構(gòu)造層仍沒(méi)有達(dá)到剝蝕之前的溫度水平,這時(shí)依然可用Tpeak-H線段的斜率(b2)反映剝蝕前的地溫梯度,只是此時(shí)與Tpeak值對(duì)應(yīng)的H整體增大。這種情況發(fā)生在剝蝕前地層的地溫梯度大于剝蝕后重新沉積地層的地溫梯度時(shí)。同樣,這樣的整體升降也不會(huì)影響到式(3)中的斜率(b1)。簡(jiǎn)言之,只要某一構(gòu)造層的Ro值沒(méi)有被后期沉積所補(bǔ)償,那么就能用其來(lái)恢復(fù)該構(gòu)造層剝蝕前的地溫情況(最高古地溫)和地溫梯度。(3)式和(4)式正是一些傳統(tǒng)的利用Ro值恢復(fù)地層剝蝕厚度的理論基礎(chǔ)。2用ro值恢復(fù)剝離厚度的傳統(tǒng)方法下面僅對(duì)Ro差值法和最高古地溫法這兩種有代表性的方法作一簡(jiǎn)要介紹。2.1dow方法的原理如圖1所示,Dow首先將Ro值隨深度的“突變”(或“跳躍”)完全歸結(jié)為不整合面地層剝蝕的影響,然后利用上、下構(gòu)造層(以不整合分界)鏡質(zhì)體反射率(Ro)差值來(lái)估算不整合面處地層剝蝕厚度(Dow,1977)。前已述及,在一套連續(xù)沉積的地層內(nèi)部(即在一構(gòu)造層內(nèi)部),鏡質(zhì)體反射率(Ro)的對(duì)數(shù)與深度H之間為一直線方程關(guān)系,見(jiàn)式(3)。Dow正是利用這種關(guān)系,先在各個(gè)構(gòu)造層內(nèi)分別作線性回歸,然后將下伏構(gòu)造層(中生界)的Ro值與深度的線性回歸關(guān)系上延至與上覆構(gòu)造層(古近系)底界處的Ro值重合處,從而估算出文中實(shí)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。很顯然,Dow方法的原理應(yīng)該是這樣的,即假設(shè)下構(gòu)造層沒(méi)有被剝蝕,上下兩套地層是連續(xù)沉積時(shí),這時(shí)Ro值應(yīng)該是連續(xù)的,是不應(yīng)該有“突變”的。將下構(gòu)造層的回歸線段上延到與上構(gòu)造層底界處的Ro值相等的地方,即上延到能夠彌補(bǔ)上、下構(gòu)造層Ro的差值處,這樣就能找到下構(gòu)造層未被剝蝕前的地表的位置(古地表),古地表與不整合面的距離即為剝蝕厚度。2.2ro與剝蝕厚度及地層埋深的關(guān)聯(lián)胡圣標(biāo)等(1999)提出了一種利用Ro值恢復(fù)剝蝕厚度的新方法,因?yàn)樵摲椒ㄊ抢糜蒖o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到的地層在地史上所經(jīng)歷的最大溫度Tpeak來(lái)恢復(fù)地層剝蝕厚度的,所以這里暫且稱其為“最高古地溫法”。該方法認(rèn)為,Ro本身與地層剝蝕厚度并無(wú)直接關(guān)聯(lián),控制Ro值大小的是地層中有機(jī)質(zhì)的埋藏溫度和時(shí)間以及有機(jī)質(zhì)的類(lèi)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(guò)溫度來(lái)關(guān)聯(lián)的。當(dāng)Ro數(shù)據(jù)隨深度的增加存在不連續(xù)的跳躍,而這種不連續(xù)(增加)確實(shí)由于不整合面地層剝蝕所引起時(shí),這種不連續(xù)才意味著不整合面下伏構(gòu)造層較上覆構(gòu)造層經(jīng)歷了更高的古地溫(即下伏構(gòu)造層未被上覆構(gòu)造層補(bǔ)償而仍保留著古地溫的信息),這是利用Ro值恢復(fù)古地溫梯度和估算剝蝕厚度所必須滿足的條件。使用該方法時(shí)首先是利用平行化學(xué)反應(yīng)模型(BurhamandSweeney,1989),將Ro值轉(zhuǎn)換成最高古地溫值,然后以構(gòu)造層為單位線性回歸這些古地溫值與深度的關(guān)系,進(jìn)而求得各個(gè)構(gòu)造層的古地溫梯度(回歸線段的斜率)(胡圣標(biāo)等,1998)和相應(yīng)的古地表溫度,最后利用如下公式求得剝蝕厚度:式中He為剝蝕厚度,Tpeak為構(gòu)造層在不整合面處的最大古地溫,Ts為該構(gòu)造層的古地表溫度,(dT/dH)為古地溫梯度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)某一尚未被上覆層溫度補(bǔ)償?shù)臉?gòu)造層作剝蝕厚度恢復(fù)時(shí),只需使用本層的Ro數(shù)據(jù),而不再需要其上覆層的Ro數(shù)據(jù)。3用ro值恢復(fù)剝離厚度的新方法3.1溫度域的線性關(guān)系該方法是對(duì)最高古地溫法的改進(jìn),其不僅繼承了最高古地溫法的合理思想,而且簡(jiǎn)化了具體操作過(guò)程。由(3)式和(4)式可以看出,鏡質(zhì)體反射率Ro的對(duì)數(shù)與深度H存在線性關(guān)系,而最高古地溫Tpeak與深度H也存在線性關(guān)系。聯(lián)立(3)式和(4)式,可知ln(Ro)與Tpeak之間也必然存在線性關(guān)系:式中a1、b1、a2和b2均為常數(shù),意義同(3)式和(4)式。(6)式不僅說(shuō)明了溫度對(duì)Ro值的大小起著決定性作用,而且同時(shí)說(shuō)明,對(duì)于一套時(shí)間跨度不是很長(zhǎng)的地層來(lái)講,其ln(Ro)-Tpeak的線性關(guān)系是可以被確定的。實(shí)際上,只要知道了構(gòu)造層內(nèi)的ln(Ro)與Tpeak之間存在著某種線性關(guān)系就足夠了,而無(wú)須同時(shí)知道它們之間的確切表達(dá)式。因?yàn)閺膸缀我饬x上來(lái)講,無(wú)論該線性關(guān)系如何,在深度域上最終用最高古地溫Tpeak回歸的線段Tpeak-H總是應(yīng)該相當(dāng)于直接用ln(Ro)回歸得到的線段ln(Ro)-H在平面內(nèi)作一旋轉(zhuǎn)和平移。所以本文提出,直接將ln(Ro)-H線段外推至ln(0.2)處即可得到古地表的位置(因?yàn)楣诺乇磉吔鐥l件可近似地取定值Ro=0.2%),然后就可用古地表位置和剝蝕面位置的差值求得剝蝕厚度。該改進(jìn)方法可免去將Ro轉(zhuǎn)化為T(mén)peak的繁瑣過(guò)程。但從本質(zhì)上講該改進(jìn)方法卻同最高古地溫法具有相同的意義,只不過(guò)在邊界條件上近似地取了定值Ro等于0.2%,而最高古地溫法本質(zhì)上也是將Tpeak-H線段外推至其邊界條件(古地表溫度Ts)。兩種方法應(yīng)用的前提條件是相同的(如前所述)。3.2下構(gòu)造層的剝蝕厚度由前可看出,只需使用下構(gòu)造層的Ro數(shù)據(jù)即可恢復(fù)本層的剝蝕厚度,而無(wú)須同時(shí)知道上構(gòu)造層的數(shù)據(jù)并與之相關(guān)聯(lián)(如Dow的方法)。但上構(gòu)造層的Ro數(shù)據(jù)通常還是有用的,主要用來(lái)判斷下構(gòu)造層的Ro是否已經(jīng)被上覆地層所補(bǔ)償(即判斷下構(gòu)造層再沉降以后是否又達(dá)到或超過(guò)了剝蝕前的溫度)?，F(xiàn)在假設(shè)要恢復(fù)下構(gòu)造層的剝蝕厚度,簡(jiǎn)要?dú)w納一下新方法的一般操作步驟。第一,同時(shí)作上、下構(gòu)造層的ln(Ro)和H的散點(diǎn)圖,觀察在深度剖面上ln(Ro)值是否存在“突變”(增加)。若不存在,可能說(shuō)明地層沒(méi)有剝蝕或已經(jīng)被上覆層所補(bǔ)償,因而不能用Ro數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)剝蝕厚度;若存在,則繼續(xù)第二步。第二,確認(rèn)Ro值在深度剖面上的“突變”(增加)確實(shí)是由地層剝蝕所造成而不是由于其它原因(如正斷層斷缺等)所引起。第三,線性回歸下構(gòu)造層的ln(Ro)-H線段,將其外推至ln(0.2)處而得到該構(gòu)造層古地表的位置。第四,古地表的位置與不整合面位置的距離即為該構(gòu)造層的剝蝕厚度。以上歸納的只是兩個(gè)構(gòu)造層的簡(jiǎn)單情況,單個(gè)和多個(gè)構(gòu)造層時(shí)原理相同,以此類(lèi)推。4應(yīng)用剝蝕厚度計(jì)算的原則及結(jié)果該實(shí)例是對(duì)Dow(1977)實(shí)例數(shù)據(jù)的再計(jì)算,該數(shù)據(jù)來(lái)自于印度尼西亞的一口井,3.6km處為中生界和古近系之間的不整合面,Dow通過(guò)作圖法估算出該不整合面有500m的剝蝕厚度(圖1)。假設(shè)3.6km深度處Ro突變完全起因于地層剝蝕,同時(shí)很顯然下構(gòu)造層的Ro值還沒(méi)有被上構(gòu)造層所補(bǔ)償,滿足利用Ro值恢復(fù)古地溫梯度和估算剝蝕厚度所必須的條件。下面分別用最高古地溫法和新方法對(duì)Dow的數(shù)據(jù)作重新計(jì)算。表1列出了Dow(1977)的Ro數(shù)據(jù)及根據(jù)BurhamandSweeney(1989)的Ro動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出的對(duì)應(yīng)于Ro值的最高古地溫值Tpeak(胡圣標(biāo)等,1999)。將上、下兩個(gè)構(gòu)造層中的最高古地溫?cái)?shù)據(jù)分別進(jìn)行線性回歸,得到上部構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地溫梯度為28.1℃/km(與現(xiàn)今溫度剖面重合,說(shuō)明該層正處于最高古地溫時(shí)期),下部構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地溫梯度為45.7℃/km(見(jiàn)圖2中兩線性回歸式的斜率)。以此為依據(jù)可進(jìn)一步推知下構(gòu)造層在3.6km不整合面處的最高古地溫約為147℃,若假定古地表溫度為22℃,則根據(jù)公式(5)可得到下構(gòu)造層的剝蝕厚度為2735m。順便提及,古地表溫度(Ts)一般難以準(zhǔn)確獲得(劉斌,2002)。因?yàn)榈乇頊囟仁芸赜跉夂驐l件及太陽(yáng)熱輻射的周期性變化,一年四季中地表溫度變化很大,所以常用年平均氣溫代表地表溫度(郭秋麟等,1998)。但古氣候研究證明,在地史時(shí)期中存在以下兩種氣候類(lèi)型:一是正常的溫暖氣候,它在地史中占主導(dǎo)地位,這時(shí)的全球平均溫度約為22℃;另一種是短期的寒冷型氣候,又分為冰期和較暖的間冰期,前者年平均溫度為2℃,后者為7℃(KappelmeyerandHaenel,1974)。所以本文在前面將古地表溫度取為22℃。現(xiàn)再用簡(jiǎn)化改進(jìn)的新方法計(jì)算剝蝕厚度。如前所述,由于已知下構(gòu)造層沒(méi)有被補(bǔ)償,計(jì)算該構(gòu)造層剝蝕厚度時(shí)只需使用本層的Ro數(shù)據(jù)點(diǎn)即可,所以只回歸出下構(gòu)造層ln(Ro)與H的線性關(guān)系(圖3)。將該線段外推至ln(0.2)處,就得到了該構(gòu)造層沒(méi)有剝蝕前古地表應(yīng)該在的位置。將ln(0.2)代入圖3中的公式,得到古地表應(yīng)處在1063m的深度,再結(jié)合剝蝕面的位置(3.6km處)最后得到剝蝕厚度為2537m。綜上,通過(guò)對(duì)Dow(1977)原始數(shù)據(jù)的重新計(jì)算,兩種方法得到的結(jié)果分別為2735m和2537m,兩者計(jì)算結(jié)果相差不大。這說(shuō)明本文簡(jiǎn)化改進(jìn)的新方法具有實(shí)際可行性,同時(shí)相比之下,操作起來(lái)比較簡(jiǎn)便。但兩種方法得到的結(jié)果明顯大于Dow(1977)方法得出的500m剝蝕厚度,下面從幾個(gè)方面來(lái)討論Dow方法的不合理性以輔證以上兩種方法的正確性。5真柄欽次基于泥巖壓實(shí)情況的ro差值-深度相關(guān)性研究第一,實(shí)例井下伏構(gòu)造層的頂面在不整合面處的Ro值約為0.95%,最高古地溫約為147℃。盡管下伏構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)(未剝蝕之前)的古地溫梯度較大(45.7℃/km),但該層未剝蝕前500m埋深處所能達(dá)到的古地溫亦只不過(guò)是22℃+(45.7℃/km)×500m/1000m=44.85℃(假設(shè)古地表溫度為22℃),對(duì)應(yīng)的Ro值最高僅為0.3%左右,遠(yuǎn)小于下伏構(gòu)造層不整合面處實(shí)際的Ro值(0.95%)和曾達(dá)到的最大溫度(147℃)。這說(shuō)明了Dow的500m剝蝕厚度是不合理的。第二,由前可知上覆構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地溫梯度為28.1℃/km,下伏構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地溫梯度為45.7℃/km,后者雖大但仍不足前者的二倍。但據(jù)Dow(1977)的結(jié)果卻可以推導(dǎo)出這樣的結(jié)論,即古地溫梯度為45.7℃/km的地層被剝蝕了500m,而后其上雖然又沉積了3.6km厚(相當(dāng)于剝蝕厚度七倍多)古地溫梯度為28.1℃/km的地層,卻仍未將下伏構(gòu)造層的Ro補(bǔ)償。這顯然是不合理的。第三,如前所述,Dow(1977)的方法首先因?qū)o值隨深度的“突變”完全歸因于不整合面地層剝蝕而暴露出了該方法的片面性。該方法還假設(shè)在無(wú)地層剝蝕的情況下,Ro值隨深度的變化是連續(xù)、漸變的,進(jìn)而用將下伏構(gòu)造層中有機(jī)質(zhì)的成熟度與上覆構(gòu)造層中的成熟度相關(guān)聯(lián)的辦法來(lái)尋找古地表的位置。但就該實(shí)例的具體情況來(lái)講,下伏構(gòu)造層中Ro值的大小與上覆構(gòu)造層中的Ro值完全無(wú)關(guān)。毋庸置疑,Dow(1977)的這種假設(shè)是合理的,但將相互無(wú)關(guān)的上、下構(gòu)造層的Ro值相關(guān)聯(lián),求取未遭剝蝕的完整地層(即尋找古地表)的方法卻存在一定的不合理性。假設(shè)Dow(1977)的實(shí)例剖面繼續(xù)沉降接受沉積,在下伏構(gòu)造層被補(bǔ)償之前,上覆構(gòu)造層底面處的Ro會(huì)繼續(xù)增大,而整個(gè)下伏構(gòu)造層內(nèi)部的Ro都不會(huì)改變,所以下伏構(gòu)造層的ln(Ro)-H線段的斜率是不會(huì)改變的。那么就會(huì)發(fā)生這樣的情形,即隨著時(shí)間的推移,不整合面處上、下構(gòu)造層Ro的差值會(huì)越來(lái)越小,所以用Dow(1977)方法