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1、含油气盆地热史恢复方法体系含油气盆地热史恢复方法体系一一. . 前言前言经查找文献所得，简要的阐述一下常规热史恢复的基本原理和方法以及 近些年古温标研究和构造一热演化模型方面的进展情况, 然后针对海相残留盆 地多期复杂热史恢复这一特殊问题,提出了盆地与岩石圈尺度并举、不同封闭温 度的多种古温标和盆地模型结合的海相残留盆地热史恢复体系的初步思路以及 工作的方法。以及结合沉积盆地热演化史研究方法，较详细的介绍一下含油气 盆地热史恢复方法体系。二二. . 正文正文海相盆地热史恢复方法体系海相盆地热史恢复方法体系中国大陆地区海相盆地形成时代早(古生代或更早),经多期次构造叠加与改 造,海相沉积盆地的原
2、形已不复存在,因此刘光鼎先生称之为“残留盆地” 。海相 残留盆地长期和复杂的构造一热演化过程决定了其热史的多期性和复杂性。鉴 于盆地热史的恢复过程是从现今追索到过去,因此海相盆地上覆陆相盆地或陆相 地质时期热史的恢复乃海相残留盆地热史研究所不可逾越的工作。海相残留盆 地的地质特点以及它与陆相盆地热史的密切关联决定了海相盆地较陆相盆地更 为复杂川,它所要求的热史恢复技术和方法更为苛刻,远非某种单一的热史恢复方 法就可以解决,它需要一个更为复杂和多样化、且彼此补充的热史恢复方法体系。1 多期复杂热史的记录与恢复多期复杂热史的记录与恢复在讨论海相盆地热史恢复方法体系之前,有必要阐明一下盆地多期复杂热
3、史 是如何被记录和恢复的。盆地演化过程中其热状态是变化的,这种变化直接影响 盆地内油气生、运和储等动力学过程。盆地热史(包括盆地热流史和地层温度史) 的恢复不仅对烃源层生烃期次、有机质成熟度史的确定和初次运移量及区带评 价乃至圈闭评价等油气成藏描述具有不可或缺的意义,同时它也是研究盆地构造 一热演化过程的一个重要方面。热史的恢复可以在岩石圈尺度和/或盆地尺度上 进行。1.1 岩石圈尺度的构造一热演化模拟岩石圈尺度的构造一热演化模拟在岩石圈尺度上,盆地热史可根据盆地成因,通过盆地构造一热演化或地球 物理模拟来恢复。如,拉张盆地构造热演化模拟是在岩石圈尺度通过求解瞬态 热传导方程来研究盆地在形成演
4、化过程中的热历史及沉降史。它是建立在拉张 盆地的地质、地球物理模型基础之上的。McKenzie(1978)最早提出了一维瞬时 均匀拉张模型,并模拟计算了拉张盆地的热历史。此后,随着对拉张盆地研究的 深人,地质、地球物理资料的积累和丰富,及计算机和有限元模拟技术的发展,有 关拉张盆地的模型及热模拟迅速发展,从瞬时拉张模型、有限时拉张模型川,到 多期拉张模型,模型的每一步进展都为热史研究带来了重要发展。 在盆地尺度上,热史则是利用各种古温标如 R。(镜质体反射率)、裂变径迹、 （U-Th）/He、自由基浓度等来重建。古温标的种类繁多,但利用古温标在盆 地尺度内进行热史恢复的基本方法不外乎以下 3
5、种:随机反演法;古地温梯 度法;古热流法。热史恢复的关键是恢复不同地质时期的古地表热流,而恢复 盆地古热流的关键在于是否存在使古温标所记录的早期热史信息得以保存的构 造一热演化条件。在盆地尺度和岩石圈尺度上进行热史恢复的方法是不同的, 盆地尺度依赖于古温标,岩石圈尺度则强调盆地的成因模型。1.2 盆地尺度的古温标热史反演盆地尺度的古温标热史反演就盆地尺度上多期复杂热史的记录和恢复过程,我们以济阳凹陷义和庄凸 起上的义 135 井来予以说明。义 135 井有新生界、中生界和古生界 3 个构造层 组成。钻井的 R。数据以分割 3 个构造层的不整合面为边界呈现跳跃变化(图 1a)。根据 RO 值与温
6、度和时间关系的动力学模型,即可计算出该构造层各样品 对应的古温度值,从而得到当时的古地温剖面,并恢复出样品所在构造层达到最 高古地温时的古地温剖面。所得古地温剖面表现为以构造层为单位的分段线性 分布,且下伏层段古地温高于上覆层段(图 1b),表明下伏层段经历了更高的古地 温,且该井 3 个构造层分别于不同地质时期达到了最高古地温。如果某一构造 层在早期所经历的最高古地温高于后期所经历的最高古地温,即未发生后期的 热叠加和覆盖,那么处于最高古地温时的古温度会被作为最高古地温计的 R。值 所记录并得以保存。如果某一构造层在过去达到最高古地温,根据各构造层古 地温剖面上古地温与深度的关系即可计算出该
7、构造层达到最高古地温时的古地 温梯度(C=dT/dZ),再由古地温梯度和剥蚀面处的古温度(Ti)与古地表温度(Ts)的 差值可计算出相应不整合面上的剥蚀量(E):E=( Ti- Ts)/(dT/dZ)i(图 1e,d)。根据 所获得的剥蚀量,即可进行埋藏史恢复并得到不同层位达到最高古地温时的古 孔隙度,由古孔隙度和现今岩石样品热导率及相应时刻的古地温梯度即可计算 出当时的古热流值(q)(图 1e)。根据埋藏史和热流即可计算出各地层或样品所在 位置的地温史,而根据地温史即可正演出样品的理论古温标值,从而与实测值进 行拟合(图 1f)。这就是利用古温标进行钻井热史恢复的原理。图 1 (a) 图 1
8、(b) 图 1(c)图 1(d) 图 1(f)图 1(e)1.3 盆地与岩石圈尺度热演化研究中值得注意的问题盆地与岩石圈尺度热演化研究中值得注意的问题 利用古温标进行海相盆地多期复杂热史恢复需要牢记以下两条基本定律: 热史的可恢复定律,只有地层早期古地温高于晚期古地温时热史才得以恢复;热 史的可记录定律,老地层可以记录后期热史,但新地层不可能记录更老地质时期的 热史。具体到一个研究区,盆地热史恢复如何人手、如何推进,可将整个过程分为 以下 3 个阶段。阶段一:综合分析区域地质和钻井情况,部署采样计划。具体内容 如下:区域地质,即构造-热事件、构造活动期次与抬升剥蚀、古地理环境-古隆 起及其变迁
9、;钻井地质,即钻井层位、埋藏史、不整合面及其性质;盆地热演 化,即剖面(古隆起)和钻井确保各构造旋回均有剖面或钻井控制。阶段二:样品 采集、碎样分选、实验室测试。阶段三:数据综合解释与热史恢复。具体内容包 括:温标数据的定性解释;方法选取与软件开发;定量模拟到终极的盆地热 史。盆地地尺度的热史恢复需要有效处理好野外一室内(实验室)、定性一定量、 单井一盆地的关系。其中,采样部署枚关整个热史恢复的成败,需要予以足够重视。2.海相残留盆地热史恢复方法体系的基本架构与特点海相残留盆地热史恢复方法体系的基本架构与特点海相盆地热史恢复和陆相盆地热史恢复并无本质上的区别,所不同的是海相 残留盆地通常具有更
10、为复杂的热史以及海相盆地热史恢复需基于上覆陆相盆地 或陆相地质时期热史恢复的基础之上来进行。海相残留盆地多期构造改造与叠 加的地质特点以及它与陆相盆地热史的密切关联决定了海相残留盆地较陆相盆 地更为复杂,它所要求的热史恢复技术和方法更为复杂,远非某种单一的热史恢复 方法就足以解决,它需要一个更为复杂和多样化、且彼此补充的热史恢复方法体 系。所谓海相盆地热史恢复方法体系是指针对海相盆地特殊的地热、地质特点, 从不同研究尺度,有机结合不同的方法,达到有效恢复海盆地多期复杂热史的综合 集成。 从研究对象或者尺度而言,以盆地为核心,但不拘泥于盆地尺度,对于特定地 质时期(拉张减薄、逆冲推覆、前陆岩石圈
11、挠曲等演化阶段)从岩石圈尺度开展研 究;在研究的方式上,盆地尺度采用钻井或地表露头剖面的“单井”热史古温标反 演,岩石圈尺度采用特定成因类型盆地的构造一热演化模拟;就地质过程而言,盆 地内的沉积埋藏与抬升剥蚀,盆地下伏岩石圈的拉张减薄、挤压增厚、逆冲推覆 及其相应的热效应均会得到重视。无论是盆地的动力学模型还是不同温标的动 力学模型,均会根据实际地质条件和样品采集层特点予以考虑。特别需要指出的 是,相对于陆相盆地相对短期和简单的热史恢复,海相残留盆地钻井热史的恢复将 需要在温标的选取和综合上下功夫,既要考虑温标的多样性和互补性,以提高热史 反演的精度,又要兼顾样品的可获得性(灰岩中不存在磷灰石
12、和错石等重矿物)和 温标的封闭温度及温度区间的覆盖性。最终无论从盆地尺度还是岩石圈尺度上 的热史恢复结果,均需彼此呼应且与实际地质资料(构造沉降量、地层有机质成熟 度以及古温标值)相一致(拟合)。关于海相盆地热史恢复体系的初步方案示于图 2,有待于工作过程中予以补充和完善。图图 2. 2.海相盆地热史恢复体系的基本架构与原理海相盆地热史恢复体系的基本架构与原理沉积盆地热演化史研究方法沉积盆地热演化史研究方法盆地构造热演化史恢复是盆地动力学、盆地分析及石油地质领域研究的前 沿及难点问题之一。盆地热演化史控制了油气、煤等多种能源矿产的形成、演 化及成藏（矿） 。中国沉积盆地大多数是由不同时代盆地叠
13、合而成，不同类型盆 地的叠加及改造使叠合盆地热演化史非常复杂。叠合盆地热演化史的详细恢复 不仅对盆地动力学及其演化有重要理论意义，而且对盆地油气、煤等多种矿产 资源的形成、演化及成藏（矿）研究有重要现实意义。构造热演化史主要研究 不同成因机制盆地深部热结构、盆地热体制、地温场特征、盆地热史模拟和构 造热事件等方面。热演化史分析可以提供盆地和造山带地质演化过程的隆升、 构造热事件、构造运动、断裂带及热流体活动等发生的时间，进而详细恢复造 山带、盆地的热演化史。1 低温热年代学方法研究新进展低温热年代学方法研究新进展理论上讲，构造热年代学研究可以提供 65650范围内的热历史信息， 但在山体隆升研
14、究中主要利用低温的锆石和磷灰石裂变径迹定年方法，近几年 更低温的（UTh）/He 定年方法在山体隆升剥蚀和盆地热演化史研究方面也取 得丰硕成果。在盆地油气地质领域，以磷灰石、锆石裂变径迹和（UTh）/He热定年为代表的中低温热年代学新技术在地质体定年、盆地隆升及热演化史 研究方面取得了一系列新的成果。1.1（U U-Th-Th）/He/He 定年方法进展定年方法进展（U-Th）/He 定年方法的原理是根据磷灰石等矿物颗粒中、Th 衰变产生 He 发展而来的。通过测量样品中放射性 He、和 Th 的含量，就可以获得（U-Th）/He 的年龄。目前应用较多的是磷灰石、锆石榍石（U-Th）/He 定
15、年。磷灰石（U-Th）/He 的封闭温度是已有定年体系中较低的，因此，它能反 映低温阶段的热历史信息。依据自然样品和热模拟试验，不同矿物（U-Th） /He 体系的封闭温度差别较大，磷灰石 He 扩散的封闭温度较低（75） ，锆石 He 的封闭温度范围为 170190，榍石范围则为 191218。磷灰石 （U-Th）/He 定年方法的应用已日趋成熟。在利用该方法定年时，磷灰石（U- Th）/He 年龄会受多种因素影响： 粒子射出效应、复杂热历史、矿物内元素 的不均匀分布以及晶体的辐射损伤。目前，多数应用研究中都采用磷灰（U- Th）/He 与磷灰石裂变径迹或锆石（U-Th）/He 等定年方法相
16、结合的方式来详 细研究地质体在低温阶段的演化过程。目前，国际上的研究实例均采用将（U- Th）/He 定年与镜质体反射率、裂变径迹以及 KAr、ArAr 等方法结合起来 进行，以便利用不同矿物封闭温度的差异，对复杂热历史轨迹进行恢复。 （U- Th）/He 定年方法被广泛应用在沉积盆地物源和造山带地质体构造热演化、构 造运动时间、剥蚀量恢复、造山带古地形演化历史、断裂带及热流体活动、盆 地古地温演化及烃源岩成熟、生排烃等研究中。1.2 裂变径迹定年方法裂变径迹定年方法裂变径迹是约束盆地热演化的一种有效手段，裂变径迹测年是建立在矿物 238U 自发裂变并对载体矿物辐射损伤的基础上，通过分析矿物中自发径迹密度 与 238U 含量发展而来的同位素测年。裂变径迹定年方法在造山带隆升、构造抬 升演化及沉积盆地热演化史和油气勘探等方面被广泛应用。磷灰石、锆石和榍石裂变径迹的封闭温度各不相同。磷灰石裂
