沉積盆地熱史研究綜述

袁 魏，方 石，孫求實，王 凱，姜文超，孔偉思

（1. 吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130021； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034）

沉積盆地熱史研究綜述

袁 魏1，方 石1，孫求實2，王 凱1，姜文超1，孔偉思1

（1. 吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130021； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034）

盆地熱歷史的恢復和重建，根據(jù)不同尺度，其研究方法分為構(gòu)造熱演化法和古溫標法。其中構(gòu)造熱演化法是在巖石圈尺度上，對其構(gòu)造演化下的熱流變化進行模擬，結(jié)合盆地沉降與埋藏，恢復盆地熱歷史。由不同地球動力學背景差異形成的盆地類型應用不同熱演化模型，拉張盆地、走滑盆地多用拉張模型來描述，前陸盆地等以擠壓模型來描述。而古溫標法則是利用盆內(nèi)可記錄古地溫的有機質(zhì)、礦物等進行盆地熱史的重建。鏡質(zhì)體反射率、粘土礦物和流體包裹體等記錄的是其經(jīng)歷的古溫度峰值，利用磷灰石裂變徑跡則可反演其所經(jīng)歷的熱史路徑，不同盆地條件應用不同的古溫標法。

構(gòu)造熱演化；古溫標；熱史；沉積盆地

在沉積盆地的形成、演化過程中，熱是非常重要的影響因素。從形成到消亡各個階段，沉積盆地的熱流狀態(tài)在不斷變化。盆地熱狀態(tài)研究的主要內(nèi)容是恢復和重建熱歷史，而熱歷史的恢復與重建則可以在盆地和巖石圈的不同尺度規(guī)模上進行。盆地熱歷史是了解盆地成因、盆地埋藏史、油氣形成條件的重要依據(jù)，盆地熱史的恢復對盆地構(gòu)造演化的研究以及油氣田勘探和開發(fā)等有著關(guān)鍵性的意義[1]。

1 熱史研究發(fā)展歷程

盆地熱史研究在上個世紀五六十年代才開始起步，當時就有學者通過鏡質(zhì)體反射率與溫度關(guān)系變化曲線推算古地溫，之后隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)更多的可以恢復盆地熱歷史的方法。把盆地熱史研究大致劃分為三個階段：起步階段、發(fā)展階段以及成熟階段。

1.1 起步階段

1978年，Mckenzie 在研究了被動裂谷或機械拉張模型后，提出拉張盆地瞬時均勻拉張模型。瞬時均勻拉張模型雖是一維的簡單盆地模型，但卻對后續(xù)許多構(gòu)造演化模型的出現(xiàn)有著重大意義，至今仍是應用最廣泛的盆地構(gòu)造熱演化模型。

1.2 發(fā)展階段

1981年澳大利亞學者提出利用裂變徑跡的退火模型研究古地溫信息、分析油氣資源評價的方法。構(gòu)造熱演化模型則從一維向二維盆地模擬發(fā)展, 盆地模型從瞬時拉張模型向有限拉張速率、從均勻拉張向非均勻拉張方向發(fā)展。統(tǒng)一混合模型的提出，解決了擠壓盆地模型應用問題。在這一階段，Royden等又提出了構(gòu)造熱演化與古溫標結(jié)合的模型。

1.3 成熟階段

21世紀初，熱史正反演技術(shù)逐步開始完善以及相應計算機程序也在不斷的開發(fā)。古溫標的類型也得到進一步的豐富。

Wernicke的簡單剪切模型、Gudish的低角度逆沖模型解決了構(gòu)造熱演化模型過度簡化等問題，后來國內(nèi)勻速拉張模型和勻減速拉張模型（邱楠生等，2004）等相繼出現(xiàn)，盆地模型更加復雜化和多樣化，并向二維、三維盆地模型發(fā)展，古溫標法與構(gòu)造熱演化法相結(jié)合成為一個新的發(fā)展方向。

1.4 中國熱史研究發(fā)展狀況

自古生代以來中國板塊的多次構(gòu)造運動，形成了各種復合盆地類型，給盆地的分類帶來許多不確定性，更給盆地的構(gòu)造熱演化模擬帶來了困難。目前國內(nèi)的構(gòu)造熱演化模擬一般集中于東部裂谷盆地。

2 概念體系

在研究盆地熱狀態(tài)的過程中，普遍認為沉積盆地是在某段時間內(nèi)具有穩(wěn)定地溫場的構(gòu)造單元。描述這類構(gòu)造單元的熱傳導過程需要使用：大地熱流、地溫場、巖石熱導率、地溫梯度及傳導模型等概念。

單位時間內(nèi)流經(jīng)地表單位面積的熱流量稱為大地熱流。大地熱流根本熱源主要來自地球形成之初的物質(zhì)碰撞、差異聚集以及地球內(nèi)部放射性同位素蛻變產(chǎn)生的熱量，局部的熱源有巖漿侵入帶、斷裂活動帶、放射性元素富集區(qū)等。根據(jù)熱力學第二定律，地球內(nèi)部產(chǎn)生的熱能通過巖石和流體等介質(zhì)傳遞至地表。沉積盆地中熱量傳遞方式以熱傳導為主，地熱的傳遞作用形成了地溫場，通常把盆地一段時期內(nèi)的地溫場作為穩(wěn)定地溫場加以研究。這樣，就可以采用物理和數(shù)學模型對其進行定量的描述和計算。

大地熱流數(shù)值等于巖層熱導率與地溫梯度的乘積。其中巖石熱導率指沿熱傳導方向在單位厚度巖石兩側(cè)的溫度差為1 ℃時單位時間內(nèi)所通過的比熱流量，地溫梯度是指地層每增加一定深度段（或單位深度）時溫度升高的幅度。大地熱流是一個綜合性參數(shù)，它能比較確切地反映一個地區(qū)地熱特征。

3 研究方法

在盆地巖石圈尺度上利用盆地模型，通過對盆地構(gòu)造沉降量的擬合，重建盆地熱歷史的方法，稱為構(gòu)造熱演化法。在盆地尺度利用盆地內(nèi)古溫標反演地層的熱歷史和盆地底部熱流的方法，稱為古溫標法[2]。

3.1 構(gòu)造熱演化法

構(gòu)造熱演化法是根據(jù)已知或假定的條件，通過對盆地形成和發(fā)展過程中巖石圈熱流演化史的模擬，確定盆地底部熱流史，結(jié)合盆地的埋藏史，恢復盆地內(nèi)地層的熱演化歷史。不同類型的盆地由于其形成的地球動力學背景和成因機制的差異而導致演化過程的不同，因而描述其構(gòu)造熱演化過程所用的熱效應模型也是不同的[3]。不少學者在論著中對巖石圈拉張盆地、擠壓盆地及與走滑有關(guān)的盆地的熱史模型都作過詳細地論述。

拉張盆地目前研究較廣泛且研究程度較高的盆地類型，Mckenzie一維瞬時均勻拉張模型在預測盆地主要特征方面取得了重大成功。

由于不同構(gòu)造單元不同類型的沉積盆地其地溫場的演化史一般是不同的。利用構(gòu)造熱演化法來恢復沉積盆地的熱演化歷史是目前常用的方法，其優(yōu)點是能夠把握區(qū)域大地熱流演化的總趨勢和預測地區(qū)地層的熱史。但由這種方法往往比較粗糙，將盆地模型用于局部地區(qū)時預測的精度較低。

3.2 古溫標法

古溫標法是指通過測定盆地中記錄溫度信息的有機質(zhì)、礦物、地化資料等反映的年齡資料，對盆地熱歷史進行反演恢復?？裳芯抗艤貥朔N類繁多，常見的如鏡質(zhì)體反射率、裂變徑跡、(U-Th)/He、粘土礦物、流體包裹體、K/Ar同位素以及孢粉透明度、等。

古溫標法的基本原理：在已知盆地內(nèi)某一深度地層中古溫標年齡資料，并已知盆地埋藏史和巖石地層熱導率的前提下，盆地熱流變化成為控制古溫標年齡的唯一因素。因此，利用實測已知古溫標數(shù)據(jù)并依據(jù)古熱流模型、古地溫模型和古溫標模型等一系列理論模型，反演即可求取盆地大地熱流的變化；根據(jù)盆地熱流的變化，結(jié)合地層埋藏史和沉積物熱導率等正演即可獲得盆地熱史[4]。

3.2.1 鏡質(zhì)體反射率

鏡質(zhì)體反射率即鏡質(zhì)體表面反射光與入射光的比率，通常用油浸物鏡下測得的反射率值，用 Ro表示。利用鏡質(zhì)體反射率進行古地溫恢復，是目前最為廣泛而實用的方法。Karweil（1955）通過對煤的模擬實驗得出有機質(zhì)成熟度、溫度和受熱時間之間的關(guān)系。有關(guān)鏡質(zhì)體熱分析方法中, 最常用的有TTI 法和以 EASY%模型為代表的化學動力模型兩大類[5]。

一般情況下，鏡質(zhì)體反射率隨熱演化程度或埋藏深度的增大而增大，是個不可逆過程，雖然受溫度和時間的雙重控制，但最終測得的鏡質(zhì)體反射率值僅與所經(jīng)歷的最高溫度有關(guān)。

最新的研究表明，鏡質(zhì)體發(fā)射率的變化除了受到溫度、時間的影響外，還與壓力（超壓）有關(guān)（肖麗華等，2005），壓力可以抑制鏡質(zhì)體反射率的變化。

鏡質(zhì)體反射率利用的局限性在一定條件下并不能準確地反映沉積盆地熱演化的詳細歷史。而它的分辨率會隨著煤化程度的增加而逐漸變小，地層中缺乏有機質(zhì)時，都會造成鏡質(zhì)體反射率法在應用上受到一定的限制。測得的鏡質(zhì)體反射率值易受光性各向異性、再沉積的鏡質(zhì)體、巖性、氧化還原因素、母質(zhì)類型和樣品處理的影響等。

3.2.2 裂變徑跡和(U-Th)/He

低溫熱年代學定年體系是利用巖石礦物中的放射性元素的衰變或裂變產(chǎn)物在礦物內(nèi)的產(chǎn)出和累積來標定樣本地質(zhì)年齡的，其定年的尺度量級在0.1～100 Ma 之間。低溫熱年代學方法包括裂變徑跡測年和（U-Th）/He測年等。

磷灰石和鋯石等礦物中常含有一定量的同位素238U，238U能以恒定的速度自發(fā)地發(fā)生裂變，在晶體中擾動造成輻射損傷區(qū)，稱為潛徑跡。這些損傷區(qū)經(jīng)化學試劑蝕刻即可被擴大成光學顯微鏡下可見的微米級寬的裂變徑跡。

裂變徑跡隨溫度的升高和受熱時間增長，徑跡密度減少、長度變短直至完全消失的特性稱為退火。裂變徑跡退火程度取決于礦物經(jīng)歷最高古地溫和持續(xù)時間，其中溫度是主要因素。磷灰石裂變徑跡退火帶的溫度范圍是 70～120 ℃左右，與生油窗基本一致（Gleadow，1983） ，并且作為主要造巖礦物在巖石樣本中普遍存在，應用最為廣泛。

磷灰石裂變徑跡可以提供古地溫隨時間變化的重要信息，熱歷史演化的路徑不同使得磷灰石徑跡長度分布完全不同。利用磷灰石裂變徑跡古溫標可以確定碎屑顆粒物源抬升剝露和演化歷史、確定盆地熱史、造山帶海拔高度和抬升速率以及被動陸緣演變模式[6]。

(U-Th)/He定年方法也早在一百年前就被提出來了。但是由于測試儀器的限制以及測得的年齡偏低等原因，一直沒有得到廣泛的應用。直到 1987年，Zeitler等在對磷灰石(U-Th)/He定年重新研究，使得(U-Th)/He定年方法在近年來發(fā)展十分迅速。

(U-Th)/He定年是在假定前提條件下，通過測量礦物樣品中放射性子體同位素4He、母體同位素238U、235U和232Th的含量，就可以獲得(U-Th)/He的年齡。He可以保留在磷灰石、鋯石等礦物中中，所以這些礦物或巖石都可能成為(U-Th)/He定年體系的測定對象。磷灰石(U-Th)/He封閉溫度75℃左右，是目前已知定年體系中溫度最低的[7]。

磷灰石(U-Th)/He定年體系是一個封閉體系。破壞(U-Th)/He定年封閉體系分外因和內(nèi)因其中內(nèi)因有α粒子的運移距離、粒徑、He的擴散行為、礦物包體以及輻射損傷等（蔣毅等，2012）。

一般來說，磷灰石裂變徑跡和(U-Th)/He可以較好地反映沉積盆地熱歷史。在研究沉積盆地古地溫方面具有別的方法所不具備的優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。但裂變徑跡法不足之處在于碎屑巖地區(qū)應用對樣品要求較高，若樣品所處深度太深時，磷灰石裂變徑跡已完全退火，可導致徑跡無法測量。而磷灰石(U-Th)/He測年技術(shù)還存在如磷灰石樣品標準、He擴散機理問題、小包體的影響等問題[6]。

3.2.3 流體包裹體

流體包裹體是指在成巖成礦流體在礦物結(jié)晶生長過程中，被包裹在晶格缺陷或穴窩中封存并與主礦物有著相界限的物質(zhì)。一般認為，流體包裹體的溫度峰值應與沉積盆地內(nèi)部重要的構(gòu)造事件相對應，并且地層中的最高溫度分布峰值代表盆地內(nèi)部埋藏最大時期，這是我們通過流體包裹體研究整個盆地熱史的一個基本格架。

流體包裹體作為古地溫計可以較好判斷包裹體礦物生長或溶解時的溫度。據(jù)此，通過將流體包裹體的溫度峰值與包裹體的形成期次對應起來，就可恢復地層地溫演化特征。在研究恢復埋藏史、確定構(gòu)造形成的時期和序次及研究石油地質(zhì)演化運移條件等方面有著廣泛應用[8]。

流體包裹體應用最早開始于Sorby提出的包裹體均一測溫實驗，均一法測溫的基本原理是通過室內(nèi)人工加溫、升壓恢復均勻體系，達到礦物生長產(chǎn)生缺陷而捕獲均勻流體形成包裹體時的溫度，此時的溫度就是流體包裹體的均一溫度。流體包裹體研究還經(jīng)常用到的方法有爆裂法和淬火法等，其中爆裂法基本原理是加熱流體包裹體致內(nèi)壓逐漸升高到大于主礦物強度及外壓，爆裂而發(fā)出聲響，此時的溫度即為爆裂溫度。

實驗室流體包裹體測溫的壓力條件與包裹體在地質(zhì)歷史時期中形成時的壓力條件有較大差別，因此所測得的均一溫度并不是真實的捕獲溫度或形成溫度，均一法所得到的溫度為形成溫度的下限，而爆裂法所得到的溫度為形成溫度的上限。

相對其它的古溫標法而言，流體包裹體具有其自身的優(yōu)點，目前使用的古溫標法或多或少對樣品有著不同方面的限制條件，而包裹體在礦物中普遍存在，流體包裹體對樣品的限制條件相對而言最少，且操作相對簡單。但并不是樣品中的所有的流體包裹體都能夠用于測溫，特別是對個體較小的包裹體，測試精度還有待提高；其次，包裹體測溫壓力的校正往往較為困難；再次，依據(jù)流體包裹體所建立是一個靜態(tài)的熱信息，與實際熱史發(fā)展不完全吻合。

3.2.4 其他方法

沉積巖中的自生礦物受周圍環(huán)境影響會發(fā)生不同的變化。碳酸鹽類及硫酸鹽類礦物易受化學因素的作用，而沸石、石英（Waulderhaug，2000）、粘土礦物（Richard J M，2005）三種礦物系列的演變則同溫度、壓力及反應時間等物理因素密切相關(guān)，不可逆轉(zhuǎn)。因此，可以應用自生礦物系列轉(zhuǎn)化受溫度的控制且不可逆轉(zhuǎn)的原則，來判斷巖樣所經(jīng)歷的最高古地溫。

在碳酸鹽巖所含牙形石的埋藏過程中，經(jīng)受地熱溫度與時間的作用，也會產(chǎn)生顏色的不可逆變化，因此，采用牙形石色變指數(shù)也可探求古地溫（周希云等，1987年），并可與其他有機質(zhì)成熟度相對應。

4 結(jié) 論

對我國許多盆地的形成演化過程來說，一般都與多種機制的聯(lián)合作用有關(guān)，盆地的構(gòu)造熱演化歷史會受到多種因素的復合影響。將構(gòu)造熱演化正演模型與反演模型相結(jié)合模擬盆地構(gòu)造熱演化歷史，建立適用于我國海相沉積盆地的構(gòu)造熱演化模式，將是一項具有戰(zhàn)略意義并極具開拓性的工作。

對于我國西北部沉積盆地下古生界碳酸鹽巖和南方廣大地區(qū)碳酸鹽巖沉積地區(qū)，探索新的方法并建立相應的熱動力學模型來恢復盆地的熱歷史就顯得特別迫切。新的古地溫恢復方法應該不僅對古生界碳酸鹽巖地區(qū)的古地溫研究和油氣資源評價有現(xiàn)實意義，也應該能適用于碎屑巖地區(qū)古地溫的恢復。

在目前研究中，多種熱史分析方法在盆地研究中的應用日益深入，裂變徑跡和鏡質(zhì)體反射率已經(jīng)成為而且將繼續(xù)成為盆地熱史研究方法中主流方法。同時，利用盆地構(gòu)造熱演化模型與有機質(zhì)成熟度擬合計算結(jié)合起來研究古地溫的新方法-盆地熱模擬法也在逐漸發(fā)展，只有綜合對比各種盆地熱歷史研究方法，全面考慮熱歷史影響因素，才能準確恢復盆地熱演化歷史。

［1］任戰(zhàn)利.沉積盆地熱演化史研究新進展[J]. 地球科學進展,1992，(7)3: 43-48.

［2］胡圣標,汪集旸 .沉積盆地熱體制研究的基本原理和進展[J]. 地學前緣（北京:中國地質(zhì)大學）,1995，2(3-4):171-178.

［3］何麗娟.沉積盆地構(gòu)造熱演化模擬研究進展[J]. 地球科學進展, 2000，15(6): 661-665.

［4］陳剛，趙重遠. Ro反演的盆地熱史恢復方法與相關(guān)問題:石油與天然氣地質(zhì),裂變徑跡分析在石油勘探中的初步應用[J]. 華東石油學院學報,1986，2: 1-11.

［5］蔣毅，常宏..磷灰石(U-Th)/He定年方法綜述[J]. 巖石礦物學雜志,2012，31(5):757-766.

［6］郭隨平，王良書.應用磷灰石裂變徑跡研究沉積盆地的熱史[J]. 南京大學學報,1995，31(3): 469-474.

［7］劉進.流體包裹體在盆地熱史研究中的應用與問題討論[J]. 河南石油,2006，20(4):13-17.

鎮(zhèn)海百萬噸乙烯首次停工檢修

沒有異味噪音，沒有高架火炬排放，5月18日，鎮(zhèn)海煉化乙烯裂解裝置切斷進料，按計劃進入停工檢修階段，百萬噸乙烯裝置首個生產(chǎn)周期畫上圓滿句號。在1440天的運行時間里，該裝置生產(chǎn)乙烯426.61萬噸、丙烯210萬噸，實現(xiàn)利潤總額116.63億元，經(jīng)濟技術(shù)指標創(chuàng)造了多項世界紀錄。

2010年4月建成投產(chǎn)的鎮(zhèn)海百萬噸乙烯工程是浙江省首套乙烯裝置。2011年，乙烯工程第一個運行整年全面達標，乙烯產(chǎn)量占全國的7%，創(chuàng)效超過50億元。乙烯裂解裝置的乙烯產(chǎn)量連續(xù)3年突破110萬噸大關(guān)，首個生產(chǎn)周期更是創(chuàng)造了國內(nèi)大乙烯裝置運行時間和產(chǎn)量的新紀錄。因為有了乙烯，鎮(zhèn)海煉化盈利能力連續(xù) 3年高居中國石化煉化板塊榜首，2013年更是以71.30億元的當年盈利創(chuàng)下中石化歷史新紀錄。

Research on Thermal History of Sedimentary Basins

YUAN Wei1，F(xiàn)ANG Shi1，SUN Qiu-shi2，WANG Kai1，JIANG Wen-chao1，KONG Wei-si1

（1. College of Earth Science,Jilin University, Jilin Changchun 130021，China；2. Shenyang Center of China Geological Survey, Liaoning Shenyang 110034，China）

According to the different scales, research methods of rehabilitation and reconstruction of basin thermal history are divided into tectonic thermal evolution and. The tectonic thermal evolution method is to simulate the change of heat flow to restore the basin thermal history through combining with the basin subsidence and burial based on the lithosphere scale under the tectonic evolution. Different type of basins formed by different geodynamic background should use different thermal evolution model, extensional basin and strike-slip basin should use multi-purpose tension model to describe, foreland basin should use the squeezing model to describe. The ancient scale method is to use organic matter and minerals in the basin for the reconstruction of the basin thermal history. Vitrinite reflectance, clay mineral and fluid inclusions record are the experience of the ancient peak temperature.

Tectonic thermal evolution；Ancient scale method；Thermal history；Sedimentary basins

TE 122

A

1671-0460（2014）05-0728-04

國家自然科學基金項目(40902057，40702027)；國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201311111)；吉林大學創(chuàng)新團隊建設(shè)項目(201004001)；國家地震局地質(zhì)研究所開放實驗室基金(LED0609)；吉林大學基本科研業(yè)務費平臺基地建設(shè)項目。

2013-12-23

袁魏（1989-），男，湖南岳陽人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于吉林大學地球科學學院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)；研究方向：油氣綜合評價。E-mail：353793402@qq.com。

方石（1974-），男，副教授，博士后, 研究方向：油氣勘探、沉積學、構(gòu)造熱年代學。E-mail：fs812625@vip.sina.com。