沉積盆地動力學(xué)進(jìn)展及在油氣勘探中的應(yīng)用

張 淵，高 硒

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069)

近十年來，日益嚴(yán)峻的全球資源與環(huán)境問題助推了國際地質(zhì)學(xué)的學(xué)科發(fā)展，而作為“宏觀”地質(zhì)學(xué)重要組成部分的沉積盆地動力學(xué)學(xué)術(shù)交流日益活躍，研究熱點令人關(guān)注。

與此同時，由于我國基礎(chǔ)研究投入的加大，以及國家對化石能源和有關(guān)沉積礦產(chǎn)資源需求的進(jìn)一步增加，國內(nèi)盆地動力學(xué)在地質(zhì)-地球化學(xué)觀測、地球物理探測、模擬和綜合研究方面均有不同程度的發(fā)展。

油氣勘探與沉積盆地動力學(xué)密切相關(guān)，目前中國除青藏高原之外，幾乎所有盆地都進(jìn)行過系統(tǒng)的油氣勘探，且油氣勘探難度和風(fēng)險性越來越高;油氣勘探趨勢已由地殼淺部簡單構(gòu)造油氣藏轉(zhuǎn)向地殼深部復(fù)雜隱蔽油氣臧，由單一靜態(tài)描述性轉(zhuǎn)向整體、全面、綜合、動態(tài)分析的系統(tǒng)性研究。油氣勘探與沉積盆地動力學(xué)研究相輔相成。目前油氣勘探已為沉積盆地動力學(xué)研究積累了豐富的素材，而沉積盆地動力學(xué)的研究，也將沖破過去的思維定勢，為油氣勘探帶來更為有效的方法。

1 沉積盆地動力學(xué)

狹義的沉積盆地動力學(xué)是研究盆地充填物形成演化以及盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的地學(xué)分支;而廣義的盆地動力學(xué)包括沉積盆地地質(zhì)學(xué)與地球物理學(xué)，其研究對象主要是沉積盆地和更大尺度的盆山系統(tǒng)、盆地深淺部作用系統(tǒng)，也是沉積學(xué)研究的重要組成部分和熱點發(fā)展領(lǐng)域。

1990年，Allen等推出《沉積盆地分析——原理與應(yīng)用》一書，一改過去從沉積學(xué)和地層學(xué)角度觀察問題的方式，而從巖石圈構(gòu)造作用角度觀察問題，且將沉積盆地作為一種地球動力學(xué)實體進(jìn)行綜合研究。

Dickinson與20世紀(jì)90年代對沉積盆地動力學(xué)的主體思想進(jìn)行了闡述，指出當(dāng)今盆地研究應(yīng)更多地轉(zhuǎn)向動態(tài)過程分析;盆地演化是多種地質(zhì)過程的聯(lián)合作用，隨著演化不同階段，其動力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

2008年，劉池陽(2008)為沉積盆地動力學(xué)給出了明確定義，即:直接控制和明顯影響盆地沉降和沉積充填的地球內(nèi)、外動力地質(zhì)作用有機(jī)耦合的統(tǒng)一動力學(xué)系統(tǒng)和演化過程;屬地球動力學(xué)大系統(tǒng)的重要組成部分。

2 沉積盆地動力學(xué)研究進(jìn)展

為了總結(jié)21世紀(jì)開端十年中國盆地動力學(xué)的發(fā)展，選擇若干熱點領(lǐng)域，包括盆地深部結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、盆地動力學(xué)成因、盆地充填與物源體系分析及充填模擬、盆地流體動力學(xué)及成巖-成藏、造山帶沉積記錄與沉積盆地構(gòu)造和構(gòu)造沉積學(xué)與盆地綜合古地理等，概述其在國內(nèi)近十年的主要觀測積累、核心科學(xué)研究進(jìn)展，對比討論相關(guān)研究的可能導(dǎo)向及存在的前沿問題。

2.1 盆地深部結(jié)構(gòu)及構(gòu)造分析

近十年來，在新的地球物理探測和數(shù)據(jù)處理技術(shù)支撐下對一系列盆地深部和精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，并展開綜合構(gòu)造分析，為認(rèn)識盆地形成演化奠定了重要基礎(chǔ)。深反射地震和天然地震技術(shù)的應(yīng)用是這一時期的熱點，其在松遼、華北及渤海灣、塔里木、準(zhǔn)噶爾、青藏地域內(nèi)等重要盆地及鄰區(qū)均有相當(dāng)?shù)墓ぷ魍度?。除了盆地深部和精?xì)結(jié)構(gòu)的探測外，這一時期的主要研究進(jìn)展集中在對盆山關(guān)系、殼幔過程與盆地形成機(jī)理的探討方面。

盆山關(guān)系方面，國內(nèi)在天山南北兩側(cè)、青藏高原北部及東部、以及秦嶺兩側(cè)等中西部盆山體系的研究中有明顯進(jìn)展，如在油氣領(lǐng)域973項目資助下通過深反射地震剖析了天山南北盆山結(jié)構(gòu)的差異性和分段性特征;有關(guān)構(gòu)造和沉積記錄的分析不僅初步證實了新生代相應(yīng)模式的客觀存在，而且將這種分段性記錄和動力學(xué)解釋推向了中生代。

另一方面，殼幔過程與盆地形成機(jī)理研究成果主要體現(xiàn)在中國東部以及陸架海域盆地區(qū)，在華北地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)的非均一性研究，尤其在地球化學(xué)“深部探 針”和地球物理觀測結(jié)果結(jié)合研究方面。

2.2 盆地充填與物源體系分析

盆地充填物歷來是盆地動力學(xué)分析最關(guān)注的研究對象，其核心問題則是盆地沉降速率、物源供給和沉積物聚集樣式及其背后隱藏的相互關(guān)聯(lián)的控制機(jī)理。因此，近年來圍繞:(1)等時地層格架、沉積速率和埋深定年;(2)古溫度計和剝露速率;(3)源-匯過程控制;(4)古高程(校正)等領(lǐng)域，在高分辨率沉積旋回天文調(diào)諧定年、流體包體PVT模擬與古溫度計算、配套低溫溫標(biāo)計量、高精度碎屑礦物示蹤與物源體系重建、基于植物組合和氫氧同位素的古高程校正等方面，國際上開展了卓有成效的工作。

在這一科學(xué)背景下，國內(nèi)學(xué)者在盆地充填分析及動力學(xué)模擬領(lǐng)域的工作研究進(jìn)展主要表現(xiàn)在如下三方面:

1)基于三維地震和密井網(wǎng)資料開展等時地層格架與盆地充填模擬分析，如對中新生代庫車坳陷、晚三疊世龍門山前陸盆地的研究，解析了層序的構(gòu)成特征及其對“前陸”構(gòu)造作用的響應(yīng)研究，并利用(粘)彈性撓曲模擬對盆山構(gòu)造逆沖事件與盆地沉積響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定、解釋和預(yù)測;在渤海灣等陸相盆地、南海北部大陸邊緣精細(xì)層序界面和等時地層格架的有關(guān)研究，進(jìn)一步解析或揭示了中國東部及陸緣新生代盆地形成演化動力學(xué)事件的細(xì)節(jié)過程。

2)構(gòu)造-層序地層結(jié)合與盆地充填動力學(xué)分析，主要體現(xiàn)在對南堡凹陷火山活動與裂陷旋回、撫順盆地構(gòu)造演化動力學(xué)，以及龍門山前陸盆地動力學(xué)、塔里木盆地構(gòu)造 -沉積波動過程、塔里木盆地寒武-奧陶紀(jì)沉積作用與區(qū)域地球動力學(xué)轉(zhuǎn)換的解釋上。

3)物源體系分析及陸內(nèi)盆地充填演化。我國學(xué)者在針對中國中西部以及東部的諸多盆地(盆山)系統(tǒng)的源 -匯控制中取得了令人關(guān)注的第一手觀測資料。如通過系統(tǒng)的碎屑礦物、結(jié)晶巖礫石的巖石學(xué)分析，結(jié)合碎屑沉積巖特別是泥頁巖微量、稀土元素和同位素(模式年齡)分析，示蹤盆山系統(tǒng)的源-匯過程。開展高分辨率重礦物分析(HRHMA)，即通過穩(wěn)定碎屑重礦物的標(biāo)型特征、年代學(xué)(U-Pb、Hf)和微區(qū)地球化學(xué)分析及其詳細(xì)的物源示蹤，厘定較為精確的造山帶塊體組成和(隆凹)構(gòu)造演化細(xì)節(jié)。

2.3 盆地流體動力學(xué)及成巖 -成藏

近十年來國內(nèi)對盆地流體活動也開展了不懈探索，主要集中在對盆地?zé)崃?巖石作用、超壓流體與油氣成藏，以及成礦效應(yīng)的分析方面，對盆地流體來源、物理性質(zhì)、對流型式以及流體-巖石反應(yīng)也有部分開展，為進(jìn)一步深入研究作了大量鋪墊和積累。

當(dāng)然，國內(nèi)部分研究也涉及或考慮到盆地(盆山)尺度的流體動態(tài)耦合及動力學(xué)過程，也為探索宏觀流體-巖石作用和成巖分帶以及成藏-成礦規(guī)律提供了一種可能性，但目前大多認(rèn)識還處在概念模型的建立和推測方面，基礎(chǔ)性實驗和建模研究相對還比較缺乏，對驅(qū)動因素的分析仍然處在初期階段，對盆地整體或宏觀尺度的實證分析需要加強(qiáng)。

2.4 盆地動力學(xué)成因分析

盆地是地殼上部獨立的和主要的沉積構(gòu)造單元，而要認(rèn)識盆地動力學(xué)過程(盆地系統(tǒng)演化)，其研究對象就必須在深度和廣度上跨越盆地充填單元。近年來，在殼?；驇r石圈尺度深入推進(jìn)盆地(地球物理)觀測精度、數(shù)值模擬、多變量和多因素定量考察盆地動力學(xué)成因，在全球尺度上開展盆地系統(tǒng)實例對比和盆地動力學(xué)模式建立方面的研究已經(jīng)是大勢所趨，特別是基于洋盆擴(kuò)張-消減過程觀測開展的不同類型大陸邊緣盆地的動力學(xué)成因研究，如針對大西洋兩岸及內(nèi)陸地區(qū)不同屬性盆地，在盆地演化時間定量、盆地系統(tǒng)空間刻畫、深部驅(qū)動機(jī)制動態(tài)相關(guān)性再現(xiàn)等方面的認(rèn)識進(jìn)展令人鼓舞。

遺憾的是，我國在此方面的研究相當(dāng)欠缺，主要表現(xiàn)在深部地球物理觀測與淺層次盆地充填研究脫節(jié)、深部地球物理精細(xì)結(jié)構(gòu)解析與數(shù)值模擬研究脫節(jié)、數(shù)值模擬缺乏原創(chuàng)性研究。事實上，特別是近十年來我國在深部觀測、盆地充填精細(xì)研究等單一方面的研究已經(jīng)有很多積累，但在此基礎(chǔ)上的國內(nèi)少數(shù)盆地動力學(xué)成因研究基本上是針對具體個例的，甚至是針對盆地充填層次的研究，或者是商業(yè)軟件的簡單應(yīng)用，這是亟待解決的問題。

2.5 造山帶沉積記錄與沉積盆地構(gòu)造

在華南、青藏、昆侖山、秦嶺、大別山、燕山、龍門山、祁連山以及天山造山帶及鄰近盆地，我國及國外學(xué)者分別開展了造山帶沉積記錄研究，特別是在

近十余年間獲得了一些新的成果。主要體現(xiàn)在:(1)沉積地層序列的建立;(2)碎屑沉積或高分辨率碎屑重礦物沉積記錄分析;(3)特殊環(huán)境的沉積記錄分析。

2.6 構(gòu)造沉積學(xué)與盆地綜合古地理

在活動論構(gòu)造古地理研究方法和實踐方面，近十余年來我國學(xué)者有諸多討論和建樹。結(jié)合中國地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化的特殊性，王鴻禎先生等提出并重視:大陸增生、超大陸的拼合與裂解過程(周期)、古大陸及其邊緣的整體研究和大地構(gòu)造域認(rèn)識、構(gòu)造古地理和生物古地理結(jié)合等研究思路在古地理重建中的重要性，對刻畫和認(rèn)識中國及其鄰區(qū)構(gòu)造-古地理演化具有指南意義。結(jié)合地質(zhì)大調(diào)查以及部分石油企業(yè)的勘探工作，我國學(xué)者對青藏、揚子、塔里木及鄰區(qū)、華北-東北等相繼開展了或正在開展新一輪的古地理研究與編圖工作。從已經(jīng)發(fā)表的成果看，研究重點一方面是復(fù)原古洋盆的構(gòu)造古地理格局，并注意解析古大洋與大陸構(gòu)造的連接、轉(zhuǎn)換及其對后期構(gòu)造的制約關(guān)系，特別是對“多島洋”體系的復(fù)原研究有較大進(jìn)展;另一方面，針對陸內(nèi)構(gòu)造古地理問題，研究進(jìn)一步探索了盆山耦合、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)換對古地理演化的制約等核心內(nèi)容，促進(jìn)了古地理學(xué)與盆地動力學(xué)的融合及認(rèn)知。

3 沉積盆地動力學(xué)在油氣勘探中的應(yīng)用

沉積盆地動力學(xué)與油氣勘探息息相關(guān)。從盆地的形成、沉積體系的發(fā)育到含油氣系統(tǒng)的各種靜態(tài)要素、動態(tài)過程，無不與沉積盆地動力學(xué)有著直接或間接的內(nèi)在聯(lián)系。

3.1 盆地動力學(xué)在油氣勘探中的應(yīng)用實例

劉樹根、徐國勝等人于2003年研究了龍門山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)的成山成盆成藏動力學(xué)。研究得出龍門山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)是從東向西的深部多級俯沖潛滑而引起的淺部由西向東的多層次推覆而形成的，并且其物質(zhì)流和能量流的循環(huán)均有兩個傳遞系統(tǒng)。而其高異常古壓正是上三疊統(tǒng)天然氣運移的動力，是控制天然氣運移聚集與區(qū)域分布的重要因素，并且古壓的演化直接控制了局部構(gòu)造的成藏。川西前陸盆地侏羅系天然氣藏是上三疊統(tǒng)與侏羅系之間流體的跨層流動形成的。龍門山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)形成和演化產(chǎn)生的擠壓環(huán)境和川西前陸盆地的被動沉降作用控制了天然氣初次運移和聚集的成藏作用。60Ma以來，龍門山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)的整體抬升和剝蝕作用決定了裂縫系統(tǒng)的發(fā)育和上三疊統(tǒng)氣藏的調(diào)整及侏羅系氣藏的形成。

李偉在其博士畢業(yè)論文中詳細(xì)闡述了柴達(dá)木盆地沉積體系發(fā)育的動力學(xué)機(jī)制和成藏效應(yīng)。研究得出柴達(dá)木盆地不同充填動力組合條件下的沉積體系造就了不同特征與不同類型的烴源巖;沉積體系發(fā)育上的不同導(dǎo)致有效儲蓋組合發(fā)育的差異;且柴西南地區(qū)沉積中心的遷移造成有效儲蓋組合的遷移。

張義楷的研究結(jié)合沉積盆地動力學(xué)表明，鄂爾多斯西緣中新生代構(gòu)造活動的動力學(xué)背景以繼承性的擠壓作用為主，這一特征成為影響該區(qū)油氣最終聚集與成藏的關(guān)鍵因素。

鄧賓在“四川盆地中-新生代盆-山結(jié)構(gòu)與油氣分布”一文中，基于不同盆 -山結(jié)構(gòu)變形作用、差異抬升剝蝕過程等與流體活動特性研究，揭示了四川盆地盆 -山結(jié)構(gòu)通過褶皺沖斷變形和穩(wěn)態(tài)抬升剝蝕作用的復(fù)合-聯(lián)合作用過程控制著流體活動特性及其保存條件，從而控制和制約著盆地現(xiàn)今油氣分布。

可以看出造山帶動力學(xué)和沉積盆地動力學(xué)性質(zhì)決定了油氣藏動力學(xué)的作用機(jī)制。

3.2 盆地動力學(xué)對油氣勘探影響

盆地深部地球動力學(xué)研究表明，幔源對成油的影響主要表現(xiàn)為:(1)提供了幔源性氫、烴、CO2等油氣生成的物質(zhì)組分;(2)為干酪根降解、烴源巖成熟度演化提供了能量來源;(3)還起著干酪根降解化學(xué)反應(yīng)的催化作用。

朱炳泉等的研究成果表明在克拉通邊界常存在近垂直的超殼斷裂，為幔源流體活動提供了有利條件，有利于金屬礦床、油氣田的形成，且前者主要發(fā)育于構(gòu)造顯性帶，如造山帶、島弧等地段;而后者大多發(fā)育于構(gòu)造隱性帶，如克拉通邊緣前陸盆地。

盆地動力學(xué)對油氣勘探的影響不僅表現(xiàn)在對生油的影響，還表現(xiàn)在對油氣運移富集的控制作用。

首先通過沉積盆地動力學(xué)研究建立不同時期的構(gòu)造應(yīng)力場。生烴前區(qū)域應(yīng)力場形成的大型坳陷控制生油區(qū);生烴期區(qū)域應(yīng)力場決定油氣聚集帶;生烴后區(qū)域應(yīng)力場影響油氣再運移、再聚集。其次通過沉積盆地動力學(xué)研究建立區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場和局部構(gòu)造應(yīng)力場。區(qū)域應(yīng)力場控制含油氣區(qū)，主要控制了生油拗陷、油氣聚集帶、沉降中心及生油巖系;局部應(yīng)力場控制了含油氣構(gòu)造和油氣田分布。最后，構(gòu)造應(yīng)力場產(chǎn)生的裂隙系統(tǒng)可改變儲層的孔隙度——滲透率，進(jìn)而影響油氣的運移、聚集。羅志立教授(1999)從盆地動力學(xué)角度出發(fā)，把中國大陸含油氣盆地分為緯向、經(jīng)向兩大油氣富集帶，二者共擁有中國石油產(chǎn)量的94%，總儲量的99%。其中經(jīng)向富集帶受太平洋板塊向歐亞大陸俯沖的動力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的應(yīng)力場控制;而緯向富集帶受塔里木 -華北板塊與西伯利亞板塊碰撞的動力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的應(yīng)力場制約。

除此之外，盆地深部熱流體對油氣藏也有很大影響。Price統(tǒng)計了世界上盛產(chǎn)油氣的盆地，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其沉積厚度一般大于7 000 m，且盆地中發(fā)育深大斷裂，得出深部流體是油氣的主要來源。中國地質(zhì)大學(xué)李思田教授等(1996)在鶯歌海瓊東南盆地研究中發(fā)現(xiàn)活動熱流體對有機(jī)質(zhì)演化和油氣生成具有重要的強(qiáng)化作用，使得單一傳導(dǎo)背景下不可能成熟的地層進(jìn)入生烴門限，擴(kuò)大了有效烴源巖的層位及體積。20世紀(jì)90年代初美國自然科學(xué)基金會和11家石油公司投資3000萬美元，在墨西哥灣盆地設(shè)立實驗場，研究活動熱流體的運動規(guī)律和油氣運移，獲得了許多重大成果。業(yè)已證實該盆地中富烴熱流體對許多大型、超大型金屬層控礦床的成礦起著主要作用。

4 結(jié)語

近十年，新的地球物理、地球化學(xué)觀測技術(shù)助推了盆地動力學(xué)及構(gòu)造學(xué)研究的大發(fā)展，國內(nèi)外進(jìn)展尤其表現(xiàn)在盆地(盆山)結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、盆地動力學(xué)成因、盆地充填與物源體系分析及模擬、盆地流體動力學(xué)及成巖 -成藏(礦)、造山帶沉積記錄與沉積盆地構(gòu)造、構(gòu)造沉積學(xué)與盆山綜合古地理等方面。我國的沉積盆地動力學(xué)研究有很大發(fā)展，但也有許多不足之處，如盆地動力學(xué)成因分析，現(xiàn)今國外，特別是歐美一系列盆地深淺部結(jié)合研究的計劃、典型實例和經(jīng)驗可為我們借鑒，提供寶貴的資料。而沉積盆地動力學(xué)仍然是當(dāng)今地質(zhì)學(xué)研究的前緣和熱點話題，有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。

不僅如此，沉積盆地動力學(xué)在油氣勘探方面具有不可或缺的應(yīng)用價值。沉積盆地動力學(xué)性質(zhì)決定了油氣藏動力學(xué)的作用機(jī)制。具體表現(xiàn)在幔源物質(zhì)對成油的影響;動力學(xué)機(jī)制對油氣運移及富集的控制作用，以及深部熱流體對油氣藏的影響。

現(xiàn)今，國際地學(xué)界有關(guān)沉積盆地研究動向，已由傳統(tǒng)構(gòu)造沉積分析，轉(zhuǎn)向地球動力學(xué)、熱烈學(xué)研究。對于含油氣盆地的研究不能只注重當(dāng)時的沉積環(huán)境、有機(jī)演化，還應(yīng)將研究領(lǐng)域向地殼深部延伸，探討深部作用對于含油氣盆地的影響，對含油氣盆地進(jìn)行整體、全面、綜合、動態(tài)的系統(tǒng)分析。

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