沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

蘇　秦，韓天恒

(西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

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沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

蘇秦，韓天恒

(西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]沉積盆地在演化過程中，其沉積充填記錄了海陸變遷，構(gòu)造格局演變及與周圍環(huán)境的相互作用的具體歷史。從盆地沉積充填，盆地形成演化，盆地流體三個(gè)方面討論總結(jié)了前人有關(guān)的盆地動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)論述了沉積盆地動(dòng)力學(xué)對(duì)成盆、生烴、油氣富集的影響及造山帶與盆地間的耦合關(guān)系。盆地動(dòng)力學(xué)應(yīng)從定性到定量動(dòng)力學(xué)模擬研究，使用計(jì)算機(jī)新技術(shù)及多學(xué)科聯(lián)合研究，必將能更好指導(dǎo)能源和礦產(chǎn)資源勘探。

[關(guān)鍵詞]沉積盆地；動(dòng)力學(xué)；板塊；熱流體

沉積盆地蘊(yùn)藏著豐富的化石能源、沉積礦產(chǎn)以及水資源。人類社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源的大量需求推動(dòng)著盆地分析領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得地質(zhì)學(xué)家在多年研究沉積盆地及相關(guān)資源過程中形成了盆地分析理論和方法體系。沉積盆地分析不僅可以揭示不同類型化石能源、沉積型層控礦產(chǎn)、砂巖型鈾礦等資源的分布規(guī)律，為礦產(chǎn)勘探提供直接依據(jù)，而且能為大地構(gòu)造演化過程、重大構(gòu)造事件、全球環(huán)境變遷及氣候演變研究提供豐富資料和詳細(xì)證據(jù)。因此，沉積盆地分析為地球動(dòng)力學(xué)研究提供了獨(dú)特的研究方法，沉積盆地動(dòng)力學(xué)已成為當(dāng)代地學(xué)研究的前沿領(lǐng)域[1-3]。

1沉積盆地動(dòng)力學(xué)

含油氣盆地研究經(jīng)歷了構(gòu)造學(xué)研究(19世紀(jì)中—20世紀(jì)初)，沉積學(xué)研究(20世紀(jì)早中期)，沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究的螺旋發(fā)展過程。沉積盆地動(dòng)力學(xué)是目前地學(xué)研究的熱點(diǎn)與前緣。

最初1990年Allen等出版了《沉積盆地分析—原理與應(yīng)用》一書，將過去的從沉積學(xué)和地層學(xué)角度觀察問題變?yōu)閺膸r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(dòng)力學(xué)實(shí)體進(jìn)行綜合研究。

Dickinson是應(yīng)用板塊構(gòu)造學(xué)說于沉積盆地研究的先驅(qū)，他在20世紀(jì)90年代前期對(duì)盆地動(dòng)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(dòng)態(tài)過程分析；盆地演化常是多種地質(zhì)過程的聯(lián)合作用，隨著演化不同階段，其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

簡(jiǎn)單的盆地分類已無法滿足研究者的需要，以往的盆地分類多屬地貌——構(gòu)造分類，即僅依據(jù)構(gòu)造部位靜態(tài)的確定而不考慮地球動(dòng)力學(xué)參數(shù)，盆地研究的重點(diǎn)應(yīng)從盆地類型轉(zhuǎn)向盆地的動(dòng)態(tài)演化過程。

2008年，劉池陽( 2008 )為沉積盆地動(dòng)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(dòng)力地質(zhì)作用有機(jī)耦合的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和演化過程；屬地球動(dòng)力學(xué)大系統(tǒng)的重要組成部分[4]。

2盆地動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容

從沉積盆地分析歷程可以看出，盆地分析不斷從單一沉積學(xué)分析拓展到綜合分析，從靜態(tài)要素分析拓展到過程和動(dòng)力機(jī)制分析。因此，盆地動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括以沉積學(xué)分析為主的盆地充填動(dòng)力學(xué)、以構(gòu)造地質(zhì)學(xué)分析為主的盆地形成演化動(dòng)力學(xué)和多學(xué)科交叉的盆地流體動(dòng)力學(xué)研究。

2.1盆地沉積充填動(dòng)力學(xué)

盆地沉積充填分析就是研究盆地內(nèi)充填物的內(nèi)部構(gòu)成、空間展布及其演變規(guī)律。一般而言，盆地充填物分析包括2個(gè)內(nèi)容：一是充填物的成因及其沉積作用過程分析，也就是沉積體系分析的主要內(nèi)容；一是充填物的地層屬性分析，強(qiáng)調(diào)充填物序列、地層格架及沉積體的空間配置，也就是層序地層分析的主要內(nèi)容。近年來，層序地層學(xué)及精確定年技術(shù)提出了建立等時(shí)地層格架、確定盆地中沉積體系三維配置的理論與方法，大大推動(dòng)了沉積充填動(dòng)力學(xué)的研究。構(gòu)造—地層學(xué)、事件地層學(xué)、層序地層學(xué)和地震沉積學(xué)等相關(guān)分支學(xué)科的密切結(jié)合，揭示了各類構(gòu)造背景下發(fā)育的盆地構(gòu)造格架和層序地層格架，更好地揭示了構(gòu)造、海平面變化和沉積物補(bǔ)給等各種動(dòng)力學(xué)因素的影響，也為資源勘查及有利儲(chǔ)層及礦層預(yù)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2盆地形成演化動(dòng)力學(xué)

沉積盆地形成演化分析就是研究沉積盆地形成演化同期及其后期變形、反轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其演變過程，包括盆地與板塊構(gòu)造格架和地幔深部過程的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，盆地發(fā)展演化各個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)背景、控制因素及其對(duì)盆地沉積沉降、能量場(chǎng)等多個(gè)方面的影響，盆地后期變形與反轉(zhuǎn)的構(gòu)造樣式及其表現(xiàn)形式。許多沉積盆地的形成演化都是多重機(jī)制的聯(lián)合，在盆地的不同演化階段其主要控制作用各異，不同的區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)背景及復(fù)雜的板塊活動(dòng)重組事件往往形成復(fù)雜的盆地構(gòu)造樣式。

2.3盆地流體動(dòng)力學(xué)

盆地流體是指盆地內(nèi)任何占據(jù)沉積物孔隙、裂隙和在其中流動(dòng)的流體。沉積盆地作為一個(gè)動(dòng)力學(xué)演化的整體，隨著盆地的形成而不斷演化，地層流體形成并隨之發(fā)生相應(yīng)的流動(dòng)，從而構(gòu)成盆地演化過程中重要的組成部分。盆地流體分析就是試圖揭示盆地流體活動(dòng)以及相關(guān)的物理化學(xué)作用過程。盆地流體動(dòng)力學(xué)研究可以理解為在沉積盆地范圍內(nèi)，通過對(duì)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)等各種物理化學(xué)場(chǎng)的綜合研究，在流體輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的格架下，再現(xiàn)盆地內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)過程及其活動(dòng)規(guī)多學(xué)科綜合的研究領(lǐng)域[3]。地質(zhì)歷史時(shí)期沉積盆地的形成和演化經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，同樣地盆地內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)也經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的過程。盆地流體活動(dòng)是控制盆地中物質(zhì)演變和能量再分配的主導(dǎo)因素，對(duì)各類礦藏的形成、聚集具有關(guān)鍵的控制作用。大型層控型金屬礦床形成過程中金屬元素的活化、遷移和富集與盆地及深部的流體作用有關(guān)，油氣生成、運(yùn)移和成藏過程與盆地流體作用等有密切關(guān)系，因此，盆地流體分析成為油氣勘探和某些層控型金屬礦床勘探研究的重要手段之一。

3沉積盆地動(dòng)力學(xué)在油氣勘探中的應(yīng)用

沉積盆地動(dòng)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(dòng)態(tài)過程，無不與沉積盆地動(dòng)力學(xué)有著直接或間接的內(nèi)在聯(lián)系、成生關(guān)系。

3.1在盆地演化方面

對(duì)油氣勘探來說，地球科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)命題是：中國(guó)多旋回改造型盆地演化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及沉降充填機(jī)制。在中國(guó)特定的地質(zhì)背景下(中國(guó)大陸古板塊規(guī)模小、活動(dòng)性極大，演化的多旋回性及其復(fù)雜性)，中國(guó)海相、陸相盆地大都經(jīng)歷了多旋回演化，經(jīng)歷了拼合、疊合和變形改造階段；因此不能從靜態(tài)觀來研究盆地，而應(yīng)從盆地動(dòng)力學(xué)角度，恢復(fù)盆地原型，重塑盆地演化史，探討盆地形成機(jī)制，揭示盆地古地理、古氣候、古洋流及古緯度的變遷和作用。根據(jù)近年來對(duì)沉積盆地的研究，在前人工作的基礎(chǔ)上，通過分析深部地球物理資料，深部地球動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)演化機(jī)制對(duì)沉積盆地的形成、分布和演化起著控制作用。具體表現(xiàn)為軟流圈不對(duì)稱上涌，導(dǎo)致巖石圈底界向軟流圈拆離、地殼沿Moho面向上地幔拆離以及沿地殼內(nèi)部不同軟弱面發(fā)生多層次多期次拆離，致使巖石圈減薄，地?zé)釄?chǎng)增高，造成上部地殼屈服，繼而發(fā)生斷陷、撓曲作用而形成構(gòu)造盆地。中國(guó)眾多盆地為多旋回、多成因盆地，每個(gè)旋回早期受伸展體制制約，而晚期受撓曲機(jī)制影響[5]。

3.2對(duì)油氣生成的影響

油氣成因一直是油氣地質(zhì)學(xué)家長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問題，在有機(jī)成因說占統(tǒng)治地位的今天，即使最有權(quán)威的有機(jī)地球化學(xué)家也承認(rèn)，干酪根熱解生烴致命的弱點(diǎn)是干酪根組成中嚴(yán)重缺氫；正如Dow(1987)所說：“從極度嚴(yán)重缺氫的干酪根生成氫含量豐富的烴，這顯然是一種奇論?！苯陙硗ㄟ^沉積盆地動(dòng)力學(xué)的研究，已有愈來愈多的證據(jù)(幔源富氫及其合化物，富CO2以及Pb，Sr，Nd同位素證據(jù))支持油氣二元論，而且無機(jī)成因油氣領(lǐng)域可能比有機(jī)成因油氣領(lǐng)域有大得多的油氣潛量。已在世界深部結(jié)晶基巖內(nèi)發(fā)現(xiàn)了22個(gè)無機(jī)成因油氣田；在中國(guó)渤海灣盆地、克拉瑪依油田等也發(fā)現(xiàn)了不同程度的無機(jī)成因油氣[6]。盆地深部地球動(dòng)力學(xué)研究表明，幔源對(duì)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。無機(jī)成因油氣的成藏條件是要有深切巖石圈級(jí)的深大斷裂作為通道以及無機(jī)烴類運(yùn)移至地表而不被氧化；其有利遠(yuǎn)景區(qū)是在有巖石圈深大斷裂發(fā)育的地方，選出中新生代裂谷、裂隙盆地以及與裂谷、裂隙盆地伴生的隆起帶。

3.3動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)油氣富集的控制作用

首先通過沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究建立不同時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。生烴前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)形成的大型坳陷控制生油區(qū)；生烴期區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)決定油氣聚集帶；生烴后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響油氣再運(yùn)移、再聚集。其次通過沉積盆地動(dòng)力學(xué)研究建立區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)控制了含油氣構(gòu)造和油氣田分布。最后，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的裂隙系統(tǒng)可改變儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率，進(jìn)而影響油氣的運(yùn)移、聚集。羅志立教授(1999)從盆地動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，把中國(guó)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(guó)石油產(chǎn)量的94%，總儲(chǔ)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(dòng)力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)制約[7]。

3.4油氣盆地深部結(jié)構(gòu)特征

大量證據(jù)表明盆地含油氣性受地殼深部結(jié)構(gòu)制約。盆地富油氣區(qū)莫霍面局部上隆，無論盆地基底形狀是凹陷狀(正鏡像關(guān)系)還是隆起狀(同步關(guān)系)，盆地內(nèi)都可能有油氣資源，但前者對(duì)油氣富集更有利；凡是Moho面分布平緩，呈斜坡狀或下凹狀的盆地，油氣儲(chǔ)量都很少或沒有。張愷(1993)在研究渤海灣盆地深部殼-幔結(jié)構(gòu)與油氣關(guān)系過程中，發(fā)現(xiàn)油氣田一般發(fā)育于巖石圈局部隆起區(qū)(≤60 km)，且大地?zé)崃髦荡笥?.8 HFμ。究其原因，可能是由于軟流圈不對(duì)稱上涌對(duì)流，導(dǎo)致巖石圈底界向軟流圈發(fā)生拆離，而不是拆沉作用，致使Moho面上隆，巖石圈減薄，地溫場(chǎng)增高，催化有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成；另一方面原因是地幔隆起區(qū)，巖石圈斷裂、地殼斷裂系統(tǒng)發(fā)育，促使無機(jī)油氣形成。這種機(jī)制較好地解釋了為什么中國(guó)東部侏羅系不生油氣，而在中國(guó)西北卻發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性油氣藏；為什么中國(guó)東部第三系發(fā)現(xiàn)了眾多油氣田，而在中國(guó)西北第三系發(fā)現(xiàn)油氣藏較少。由于中國(guó)東部與西部自身構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，且二者互補(bǔ)，互為消減、耦合，即中生代中國(guó)西部地幔隆起，地溫場(chǎng)高；而中國(guó)東部地幔卻凹陷，地溫場(chǎng)低。在新生代卻相反[5]。

3.5深部熱流體對(duì)油氣藏的影響

熱流體是盆地動(dòng)力學(xué)研究中最重要的方面之一，是無機(jī)、有機(jī)作用聯(lián)系的紐帶，是熱液金屬礦床與油氣交叉研究的生長(zhǎng)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外不少著名學(xué)者已對(duì)此進(jìn)行了研究，其中頗具代表性的有：

(1)Price統(tǒng)計(jì)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。

(2)中國(guó)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(dòng)熱流體對(duì)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。

(3)20世紀(jì)90年代初美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)和11家石油公司投資3 000萬美元，在墨西哥灣盆地設(shè)立實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，研究活動(dòng)熱流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和油氣運(yùn)移，獲得了許多重大成果。業(yè)已證實(shí)該盆地中富烴熱流體對(duì)許多大型、超大型金屬層控礦床的成礦起著主要作用。

沉積盆地是一種巨大的低溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器，且是一種開放的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由大氣降水、深部熱流體、粘土礦物壓實(shí)水、干酪根生烴及其與圍巖間的相互反應(yīng)的產(chǎn)物等組成了沉積盆地的熱流體系統(tǒng)，盆地油氣的演化及層控金屬礦床的形成受控于沉積盆地?zé)崃黧w系統(tǒng)的演化。

3.6造山帶與盆地之間的耦合關(guān)系

造山帶與盆地的成因歷來是國(guó)際地學(xué)界研究的熱點(diǎn)，是解決大陸構(gòu)造的突破口。過去一般認(rèn)為造山帶與盆地形成于不同的地球動(dòng)力學(xué)背景，即前者形成于擠壓構(gòu)造背景、后者形成于伸展構(gòu)造背景。其實(shí)造山帶動(dòng)力學(xué),如巖漿作用、沉積作用、變質(zhì)作用、變形作用等的時(shí)空演化可以剖析造山作用的一系列地球動(dòng)力學(xué)過程,而這種動(dòng)力學(xué)過程無時(shí)不在對(duì)盆地施加影響。造山帶研究程度的提高從另一側(cè)面推進(jìn)了盆地動(dòng)力學(xué)研究。

4結(jié)語

沉積盆地動(dòng)力學(xué)是當(dāng)今沉積盆地研究領(lǐng)域的主要趨向，其目的在于認(rèn)識(shí)盆地成因，揭示其全部演化歷史中的動(dòng)力學(xué)過程。已取得的成就源于資源勘查的驅(qū)動(dòng)，源于多學(xué)科聯(lián)合研究和新技術(shù)的使用，同時(shí)，應(yīng)用新理論和新技術(shù)重新觀察和審視沉積盆地的內(nèi)部構(gòu)成將帶來資源勘查的更大發(fā)展。有關(guān)沉積盆地研究動(dòng)向，已由傳統(tǒng)的構(gòu)造沉積分析，逐步轉(zhuǎn)向地球動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)研究。對(duì)含油氣盆地的研究只注重當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)演化是不夠的，還必須把研究領(lǐng)域向地殼深部延伸，探討深部作用對(duì)含油氣盆地的影響以及造山帶與盆地之間的耦合關(guān)系，對(duì)含油氣盆地進(jìn)行整體、全面、綜合、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)分析。

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[收稿日期]2015-09-02

[作者簡(jiǎn)介]蘇秦(1991-)，男，陜西延安人，在讀碩士研究生，主攻方向：地球物理測(cè)井。

[中圖分類號(hào)]P588.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0198-03