古地貌恢復(fù)方法及研究進(jìn)展

徐 彬

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

古地貌是控制一個(gè)含油氣盆地后期沉積相發(fā)育與分布的一個(gè)主要因素，同時(shí)在一定程度上控制著后期油藏的儲(chǔ)蓋組合以及油藏分布，對于古地貌研究及恢復(fù)古地貌是油氣勘探中必不可少的因素。如同現(xiàn)今地貌，古地貌形態(tài)受控于所處區(qū)域的構(gòu)造位置、氣候、基準(zhǔn)面變化及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素綜合作用的影響[1]。國際上古地貌研究始于20世紀(jì)50年代，我國古地貌研究始于20世紀(jì)70年代，并應(yīng)用于油氣勘探中，取得較為豐碩成果，如鄂爾多斯盆地侏羅系油藏的發(fā)現(xiàn)[2]、濟(jì)陽坳陷沾化地區(qū)加里東期古地貌及古巖溶的研究、塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏古地貌及古巖溶的研究、遼東帶中南部古近紀(jì)古地貌的研究、鄂爾多斯盆地高橋區(qū)氣藏的發(fā)現(xiàn)與古地貌研究等。古地貌在一定程度上控制著沉積體系的類型及展布、層序的形成及發(fā)育、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布等。對古地貌進(jìn)行研究并精確恢復(fù)能夠還原沉積前的古構(gòu)造格局幫助認(rèn)識構(gòu)造演化，重塑古物源系統(tǒng)，明確物源區(qū)、搬運(yùn)通道、沉積區(qū)的相對位置。正確劃分古地貌單元及恢復(fù)古地貌形態(tài)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一，基于目前行業(yè)中大量學(xué)者對古地貌恢復(fù)所做的研究，以及古地貌恢復(fù)對于油氣勘探的重要指導(dǎo)意義，筆者通過大量調(diào)研前人的研究成果，明確古地貌恢復(fù)原理，總結(jié)出應(yīng)用較新且廣泛的古地貌恢復(fù)方法。

1 古地貌恢復(fù)方法發(fā)展歷程

古地貌研究及恢復(fù)對于盆地分析至關(guān)重要。業(yè)內(nèi)學(xué)者對古地貌恢復(fù)做了大量工作，隨著科技的發(fā)展不斷涌現(xiàn)出新的方法、技術(shù)，目前古地貌恢復(fù)的研究方法及理論已較為豐富，其一般包括構(gòu)造恢復(fù)和地層厚度恢復(fù)。

1.1 構(gòu)造恢復(fù)發(fā)展歷程

沉積盆地的古構(gòu)造格局對于盆地內(nèi)潛在的油氣生烴、運(yùn)移、聚集、成藏各要素均起到一定的控制作用，恢復(fù)盆地內(nèi)的古構(gòu)造可以為盆地模擬、分析提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)。所以對盆地內(nèi)古構(gòu)造研究及恢復(fù)是盆地分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容，我國的含油氣沉積盆地大多經(jīng)歷了多旋回、多期次的演化及復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行精細(xì)古構(gòu)造恢復(fù)能夠有效指導(dǎo)油氣勘探。

早在上世紀(jì)四五十年代，卡拉瓦什基娜等首次提出了“寶塔圖”法進(jìn)行古構(gòu)造恢復(fù)。Dahlstrom等于1969年提出了平衡剖面的概念；Suppe J等人對平衡剖面古構(gòu)造恢復(fù)的思想做了進(jìn)一步研究，定量研究了古構(gòu)造的變形過程，對古構(gòu)造圈閉演化過程中局部變形帶的空間分布特點(diǎn)進(jìn)行了探討[3]。我國學(xué)者對沉積盆地古構(gòu)造研究也做了大量了工作，如王玉新恢復(fù)了鄂爾多斯早古生代碳酸鹽巖臺地不同演化階段的古構(gòu)造格局；張銀德等利用標(biāo)志層—厚度法研究了赤水及鄰區(qū)燕山期古構(gòu)造特征；林暢松等利用地震古地貌恢復(fù)技術(shù)對塔里木盆地古生代中央隆起帶古構(gòu)造地貌進(jìn)行了研究；郭倩等對塔里木盆地巴麥—塔中地區(qū)晚古生代古構(gòu)造格局及演化進(jìn)行了研究。

1.2 地層厚度恢復(fù)方法

除了構(gòu)造恢復(fù)外，地層厚度恢復(fù)更是古地貌恢復(fù)的重中之中，剝蝕厚度恢復(fù)對于研究盆地的埋藏史、構(gòu)造演化史、熱史及生排烴史具有十分重要的意義，下面就地層厚度的恢復(fù)方法進(jìn)行簡述。

1.2.1 砂巖孔隙度法

地層中砂巖的孔隙度受到成巖作用的直接控制，而成巖作用又受控于物理、化學(xué)、構(gòu)造等多種變化是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。通過國內(nèi)外大量油氣勘探實(shí)踐證實(shí)，砂巖原生孔隙度具有隨著埋深增加而呈指數(shù)減少的趨勢，即該趨勢與深度存在著線性關(guān)系[4]。若儲(chǔ)層砂巖未經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)遭受抬升剝蝕，則將其反推到地表的孔隙度應(yīng)與其沉積時(shí)的孔隙度相當(dāng)，若經(jīng)歷了抬升剝蝕則反推到地表的孔隙度應(yīng)小于其沉積時(shí)的孔隙度。利用此規(guī)律，將現(xiàn)在地表的孔隙度值反推到沉積時(shí)的孔隙度值，其二者垂向的差值即可以大致認(rèn)為是地層的剝蝕量。需要注意的是，在使用該方法時(shí)應(yīng)注意排除次生孔隙的影響，減小誤差。

1.2.2 泥巖聲波時(shí)差法

該方法最早由Magara于1976年提出，Henry、劉景彥等學(xué)者對該方法進(jìn)行了討論并優(yōu)化改進(jìn)。其原理是基于不同巖性的聲波時(shí)差隨著埋深變化的指數(shù)關(guān)系并不會(huì)因?yàn)閹r層遭受抬升剝蝕而改變。測量研究區(qū)地表未固結(jié)泥巖的聲波時(shí)差，并結(jié)合現(xiàn)有的聲波時(shí)差測井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)泥巖聲波時(shí)差(Δt)與埋藏深度(H)之間的關(guān)系式：Δt=Δtoe-CH，若被剝蝕的地層厚度大于不整合面之上的沉積物厚度，那么將不整合面之下的泥巖壓實(shí)曲線向上延伸至古地表(Δt=Δto)，古地表與不整合界面之間的垂直距離即為剝蝕厚度[5]。

1.2.3 古地溫梯度法

流體包裹體法、古地溫梯度法、磷灰石裂變徑跡法等都屬于該方法的范疇，其原理都是利用古溫標(biāo)來計(jì)算不整合面上的地層的剝蝕厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剝蝕厚度恢復(fù)。應(yīng)用時(shí)，首先要依據(jù)磷灰石裂變徑跡年齡、徑跡長度、長度分布等各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)選取合適的退火模型，得到最高古地溫及其地溫梯度進(jìn)而計(jì)算剝蝕量[6]。

1.2.4 鏡質(zhì)體反射率法

該方法最早由Dow于1977年提出利用鏡質(zhì)體反射率與其對應(yīng)深度的線性回歸關(guān)系線來恢復(fù)地層不整合面剝蝕厚度。其原理是：當(dāng)鏡質(zhì)體反射率剖面穿過剝蝕面時(shí)，在剝蝕面間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差值，即界面上下的Ro存在一個(gè)明顯的差值。將剝蝕面之下的剖面線穿過剝蝕面并反向延長至界面以上相同的Ro數(shù)值點(diǎn)，該點(diǎn)與剝蝕面的深度差即可視為剝蝕量[7]。

該方法雖然簡單便于應(yīng)用，但仍存在一些問題。如引起Ro突變的因素不只有地層剝蝕一種，斷層、局部熱流等也會(huì)引起Ro值突變，在應(yīng)用該方法時(shí)要盡量避免其它因素的影響。

1.2.5 沉積速率法

該方法由Van Hinte于1978年首次提出，對于平行不整合，可根據(jù)不整合面上、下地層的沉積速率、剝蝕速率及地層絕對地質(zhì)年齡恢復(fù)剝蝕厚度[8]。應(yīng)用時(shí)首先要明確不整合面所代表的是一個(gè)時(shí)間段，即該層沉積時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間以及該層沉積后遭受剝蝕所經(jīng)歷的時(shí)間。通過測定不整合面上下巖層的絕對地質(zhì)年齡，并知道其對應(yīng)的沉積速率，即可用此方法求取被剝蝕的地層厚度。

除上述方法外還有天然氣平衡濃度法、地質(zhì)年齡差比值與殘留厚度乘積法、物質(zhì)平衡法、最優(yōu)化方法、沉積波動(dòng)過程分析、宇宙成因核素分析等方法。需要注意每一種方法都有一定的適用條件，需在滿足條件的情況下才能較為準(zhǔn)確的反映地層的剝蝕厚度。應(yīng)用單一方法往往存在著種種限制，綜合多種方法，互為補(bǔ)充，才能取得較為準(zhǔn)確的地層剝蝕厚度數(shù)據(jù)。

2 古地貌恢復(fù)技術(shù)方法探討

過去傳統(tǒng)的古地貌恢復(fù)方法主要包括殘留厚度和補(bǔ)償厚度印模法、回剝和填平補(bǔ)齊法。這些方法曾較廣的應(yīng)用于早期油氣勘探，但由于其精度低、誤差大，已不能適應(yīng)現(xiàn)在的古地貌恢復(fù)要求。目前許多方法還只停留在定性階段，定量化恢復(fù)手段、方法仍需深入研究開發(fā)[9]。隨著科技進(jìn)步及研究的深入，近年來逐漸引入了新的研究方法如：沉積學(xué)法、層拉平法、高分辨率層序地層學(xué)法、井震聯(lián)合法及“雙界面法”進(jìn)行古地貌恢復(fù)。

2.1 沉積學(xué)古地貌恢復(fù)法

研究古地貌實(shí)際上是與沉積環(huán)境分不開的，沉積學(xué)研究可以說是各類古地貌恢復(fù)方法的基礎(chǔ)，應(yīng)用各類方法進(jìn)行古地貌恢復(fù)首先要開展沉積研究工作。利用沉積學(xué)方法進(jìn)行古地貌恢復(fù)，就是要結(jié)合各類基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，并結(jié)合相標(biāo)志、沉積相分析、物源區(qū)及沉積區(qū)分析、古構(gòu)造特征分析、古水深分析、古流向分析等進(jìn)行綜合研究從而對沉積前古地貌有一定的認(rèn)識[1]。在應(yīng)用該方法時(shí)還要注意不同巖性壓實(shí)率不同及差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等影響。

應(yīng)用該方法主要通過各類古地質(zhì)圖在區(qū)域范圍內(nèi)了解研究區(qū)古地形特征。通過分析確定構(gòu)造抬升區(qū)塊和沉降區(qū)塊的位置；相標(biāo)志是古地貌恢復(fù)的重要標(biāo)志，應(yīng)用相序遞變法則判別多解的沉積環(huán)境時(shí)，還需考慮其周圍的相的性質(zhì)，反之，利用沉積相特征也可以反推沉積時(shí)古地貌特征；通過對槽模、流水波痕、礫石疊瓦狀排列等指向標(biāo)志的測量統(tǒng)計(jì)、物源區(qū)分析、沉積物粒度變化等研究古流向特征，進(jìn)而判別相對地形的高低；通過各類基礎(chǔ)地質(zhì)圖件明確地層發(fā)育特點(diǎn)、沉積體系發(fā)育類型、沉積體系時(shí)空配置特征、水動(dòng)力條件以及古地形變化趨勢。

2.2 高分辨率層序地層學(xué)古地貌恢復(fù)法

自高分辨率層序地層學(xué)引入國內(nèi)以來，引起了地質(zhì)工作者的高度重視，力圖應(yīng)用其理論研究油氣勘探的各個(gè)方面。該理論基于基準(zhǔn)面旋回變化與可容納空間的變化,據(jù)此反映基準(zhǔn)面旋回、沉積動(dòng)力學(xué)、地層響應(yīng)過程三者之間的關(guān)系[10]。應(yīng)用該方法進(jìn)行地層對比，其等時(shí)性強(qiáng)、精度高、能夠更好地反映沉積前古地貌特征。該方法以基準(zhǔn)面作為地層對比參照面，在實(shí)際操作中最大海泛面更具操作性，將二者相結(jié)合恢復(fù)沉積前古地貌是該技術(shù)的關(guān)鍵所在。但要注意該方法是建立在對沉積學(xué)分析研究的基礎(chǔ)上，即首先要對沉積相進(jìn)行深入研究，沉積相研究是該方法在小范圍內(nèi)較高精度恢復(fù)古地貌的基礎(chǔ)。

應(yīng)用時(shí)在正確建立層序地層格架的基礎(chǔ)上，按照研究區(qū)實(shí)際情況正確劃分基準(zhǔn)面旋回期次，之后再進(jìn)行地層對比。在應(yīng)用時(shí)需考慮壓實(shí)作用及沉積厚度校正以提高恢復(fù)精度。在具體研究不同對象時(shí)，依據(jù)基準(zhǔn)面變化幅度及沉積體系類型，可以劃分為基準(zhǔn)面變化幅度不大的單一沉積體系、基準(zhǔn)面變化幅度較大的單一沉積體系、多種沉積體系組合的古地貌恢復(fù)等。

2.3 井震聯(lián)合古地貌恢復(fù)法

鉆、測井資料具有縱向識別精度高的特點(diǎn)，地震資料具有橫向分辨能力強(qiáng)的特點(diǎn)。對于某些研究區(qū)鉆井資料相對較少，而地震資料豐富、且分辨率高的情況，將井、震資料相結(jié)合，可以更好的恢復(fù)古地貌。在應(yīng)用該方法時(shí)首先通過地震資料識別各地層的界面，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)今各地層厚度，對于有剝蝕界面的地層，應(yīng)當(dāng)按照其剝蝕類型采用對應(yīng)的恢復(fù)方法。剝蝕類型一般可以分為5類，即平行不整合、地層頂部強(qiáng)烈剝蝕、凹陷邊緣超覆帶剝蝕、旋轉(zhuǎn)斷塊剝蝕、凸起帶地層強(qiáng)烈剝蝕。注意識別斷層并逐層恢復(fù)研究區(qū)內(nèi)地層剝蝕厚度，對于有鉆、測井資料的地區(qū)采用泥巖聲波時(shí)差法恢復(fù)地層剝蝕厚度，具體方法上文已經(jīng)介紹；對于沒有鉆、測井資料的采用未剝蝕厚度趨勢延伸法進(jìn)行恢復(fù)，對所求厚度(包括現(xiàn)今地層厚度和剝蝕厚度)進(jìn)行數(shù)學(xué)累加，根據(jù)沉積補(bǔ)償原理，在不考慮地殼均衡及沉積速率等因素的情況下，可以近似認(rèn)為原始地層厚度與古地貌是負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]。即地層越厚代表古地形越低，地層越薄代表古地形越高，據(jù)此可以反映當(dāng)時(shí)的古地貌。

2.4 “雙界面法”古地貌恢復(fù)法

“雙界面”法結(jié)合了高分辨率層序地層學(xué)法等方法各自的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮古構(gòu)造、古環(huán)境、古地形對巖溶古地貌恢復(fù)的影響，對較小區(qū)塊的工區(qū)能夠直觀、快速、準(zhǔn)確地反映原始古地貌特征[12]。該方法雖然結(jié)合了各種方法的優(yōu)點(diǎn)，但前提是基于大量的鉆井、巖心、錄井資料及盆地構(gòu)造發(fā)育、區(qū)域沉積背景等相關(guān)知識，且要求工區(qū)范圍較小，在較大的工區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

應(yīng)用時(shí)首先要確定上覆地層標(biāo)志面和下伏地層基準(zhǔn)面，即“雙界面”。選取上覆地層標(biāo)志面要依據(jù)高分辨率層序地層學(xué)理論，選擇基準(zhǔn)面旋回的轉(zhuǎn)換層(層序邊界或最大洪泛面)作為上覆標(biāo)志層[12]。將該上覆標(biāo)志層進(jìn)行層拉平即得到上覆地層標(biāo)志面，具有較高的等時(shí)性。拉平后的上覆沉積地層的底面可以較好的反映沉積前的原始古地貌特征。要選取下伏地層基準(zhǔn)面，首先要確定風(fēng)化殼不整合面下第一個(gè)完整發(fā)育的小層，然后求取上覆標(biāo)志面到該小層底部的最大厚度值H3(常數(shù))，上覆地層標(biāo)志面自上向下平移該深度值所對應(yīng)的水平面即為下伏地層基準(zhǔn)面[12]。其古地貌值(圖1)為：H=H3-H1，式中，H為古地貌值，H1為上覆地層沉積厚度，H2為下伏地層殘留厚度。

3 結(jié) 語

每一種古地貌恢復(fù)方法有其對應(yīng)的應(yīng)用條件。應(yīng)用沉積學(xué)法主要利用各類基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，結(jié)合沉積相、物源區(qū)、古構(gòu)造、古流向、古水深等綜合恢復(fù)沉積前相對古地貌。應(yīng)用高分辨率層序地層學(xué)法的技術(shù)關(guān)鍵在于將基準(zhǔn)面與最大海泛面相結(jié)合，進(jìn)行基準(zhǔn)面旋回對比來恢復(fù)沉積前相對古地貌。井震聯(lián)合恢復(fù)古地貌一般適用于少井多地震資料的地區(qū)，結(jié)合井、震資料各自的優(yōu)點(diǎn)并依據(jù)沉積補(bǔ)償原理進(jìn)行古地貌恢復(fù)?！半p界面”法需確定上覆地層標(biāo)志面與下伏地層基準(zhǔn)面。該方法適用于較小的工區(qū)，對于較大工區(qū)應(yīng)用時(shí)則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

圖1 “雙界面法”古地貌劃分原理

目前對于古地貌恢復(fù)的研究工作還停留在定性、定性—半定量階段，主要恢復(fù)沉積前相對古地貌，定量化恢復(fù)手段仍需深入研究開發(fā)。在古地貌恢復(fù)工作中，各類基礎(chǔ)地質(zhì)資料越豐富，綜合多種方法，應(yīng)用一定的定量化手段可以進(jìn)一步提高古地貌恢復(fù)的精度。

[1] 趙俊興, 陳洪德, 時(shí)志強(qiáng). 古地貌恢復(fù)技術(shù)方法及其研究意

義——以鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)沉積前古地貌研究為例[J]. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 28(3): 260-266.

[2] 吳麗艷, 陳春強(qiáng), 江春明, 等. 淺談我國油氣勘探中的古地貌恢復(fù)技術(shù)[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2005, 27(3): 559-560.

[3] 久凱, 丁文龍, 李春燕, 等. 含油氣盆地古構(gòu)造恢復(fù)方法研究及進(jìn)展[J]. 巖性油氣藏, 2012, 24(1): 13-19.

[4] 馬立祥, 萬靜萍. 利用砂巖孔隙度演化趨勢估計(jì)古地層剝蝕量的簡易方法[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì), 1991, 13(1): 53-56.

[5] Magara K. Thickness of removed sediments, paleopore pressure, and paleotemperature, southwestern part of Western Canada Basin[J]. AAPG Bull., 1976(60): 554-565.

[6] 袁玉松, 鄭和榮, 涂偉. 沉積盆地剝蝕量恢復(fù)方法[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì), 2008, 30(6): 636-642.

[7] Dow W G. Kerogen studies and geological interpretations[J]. Journal of Geochemical Exploration, 1977(7): 7999.

[8] 曹強(qiáng), 葉佳仁, 王巍. 沉積盆地地層剝蝕厚度恢復(fù)方法及進(jìn)展[J]. 勘探技術(shù), 2007(6): 41-46.

[9] 龐軍剛, 楊友運(yùn), 李文厚, 等. 陸相含油氣盆地古地貌恢復(fù)研究進(jìn)展[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(4): 424-430.

[10] 趙俊興, 陳洪德, 向芳. 高分辨率層序地層學(xué)方法在沉積前古地貌恢復(fù)中的應(yīng)用[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 30(1): 76-81.

[11] 加?xùn)|輝, 徐長貴, 楊波, 等. 遼東灣遼東帶中南部古近紀(jì)古地貌恢復(fù)和演化及其對沉積體系的控制[J]. 古地理學(xué)報(bào), 2007(2): 155-166.

[12] 閆海軍, 何東博, 許文壯, 等. 古地貌恢復(fù)及對流體分布的控制作用——以鄂爾多斯盆地高橋區(qū)氣藏評價(jià)階段為例[J]. 石油學(xué)報(bào), 2016, 37(12): 1483-1494.