5盆地沉降與充填史

1、盆地沉降與充填史分析盆地分析基礎(chǔ)： 第三講：五史分析講課老師：何金有2012.121沉降史充填史沉降與充填史分析2盆地的沉降與沉積物的埋藏 沉積物埋藏（盆地的大小，幾何形態(tài)，構(gòu)造特征）基底的沉降盆地的形成沉積物的充填進一步沉降沒有沉降就沒有盆地，沒有盆地就沒有石油。沉降與充填的石油地質(zhì)意義盆地的沉降與充填是貫穿于沉積盆地演化過程中的一對矛盾。沉降速率充填速率：欠補償，水進層序，正旋回；快速埋藏， 還原環(huán)境，有利成烴。沉降速率充填速率：超補償，水退層序，反旋回；粗碎屑， 氧化環(huán)境，不利成烴。沉降速率充填速率：正常補償，水體平穩(wěn)，相帶穩(wěn)定，生物 發(fā)達(dá)，沉積物分選良好；長期沉降浪基面 以下（還原環(huán)境

2、）形成巨厚源巖沉積。盆地演化一般要經(jīng)過多旋回的沉降抬升交替變化，從而導(dǎo)致多期生儲蓋組合！盆地的沉降機制地球動力學(xué)成因熱力、重力、應(yīng)力，一種為主，內(nèi)外動力地質(zhì)綜合作用 其中，由應(yīng)力、熱力作用產(chǎn)生的構(gòu)造沉降是基本的沉降，而重荷作用使構(gòu)造沉降繼續(xù)發(fā)展。沉降史1、構(gòu)造因素，巖石圈伸展減??；2、熱力作用因素，巖石圈冷卻收縮；3、沉積物負(fù)荷引起的均衡補償作用；4、地殼深部的變質(zhì)作用；5、板內(nèi)應(yīng)力作用。沉降史的形成機制盆地沉降的機制 伸展作用、剝蝕、或巖漿侵位導(dǎo)致的地殼薄 化作用；（拆沉作用） 下地殼和上地幔的冷卻作用； 地殼和巖石圈的沉積和火山的負(fù)載作用； 地殼和巖石圈的構(gòu)造負(fù)載作用； 巖石圈的板底墊托作

3、用導(dǎo)致下地殼負(fù)載作用； 下降巖石圈穿入軟流圈的動力流； 高壓相變導(dǎo)致的地殼密度增大。 7 伸展作用、剝蝕、或巖漿侵位導(dǎo)致的地殼薄化作用；（拆沉作用） 下地殼和上地幔的冷卻作用； 地殼和巖石圈的沉積和火山的負(fù)載作用； 地殼和巖石圈的構(gòu)造負(fù)載作用； 巖石圈的板底墊托作用導(dǎo)致下地殼負(fù)載作用； 下降巖石圈穿入軟流圈的動力流； 高壓相變導(dǎo)致的地殼密度增大。 8裂陷盆地：拉張應(yīng)力，地幔熱膨脹，地殼減薄， 重荷作用。（主動裂谷，被動裂谷）壓陷盆地：擠壓應(yīng)力，熱收縮，巖石圈撓曲， 重荷作用。（板塊俯沖、碰撞）走滑盆地：剪切應(yīng)力，熱收縮，重荷作用克拉通盆地：板內(nèi)應(yīng)力，殼幔相變，熱收縮等盆地的沉降類型1、沉降史的

4、模型Mckenzie純剪切模型均衡原理：Airy均衡模式撓曲均衡(Flexure)Sub-continental lithosphere:stretching Thinning Hotter Asthenosphere Cooling Denser均勻擴張模型（McKenzie 1978）Ta 等溫線溫度a 巖石圈原始厚度13（1）Mckenzie純剪切模型 拉張盆地?zé)釄鲛D(zhuǎn)化初始沉降(Si)：巖石圈減薄引起的沉降熱沉降(Sh)：巖石圈冷卻引起的沉降構(gòu)造沉降 = 初始沉降 + 熱沉降沉降史的模型小小大 原始地質(zhì)單元被瞬時拉張，寬度變大，厚度變薄。 由于均衡補償軟流圈抬升，故1333的高溫?zé)嵩刺?/p>

5、，致使從地表至軟流圈的地溫梯度變大。 隨著熱流傳至地表散失，軟流圈向下縮回，熱擾動逐漸衰減，原變熱的物質(zhì)逐漸冷卻，導(dǎo)致巖石圈底部下沉，恢復(fù)到拉張前的溫度場。均勻擴張模型（McKenzie 1978）熱流方程為： T為地溫，Cz為以巖石圈底界為原點至地表的垂直坐標(biāo)，cmt為以拉張發(fā)生時間為零算起直至今天的時間坐標(biāo)，sx為巖石圈的熱擴散率，cm2/s,可取為0.008。 h為地表至巖石圈底界的深度，cm，可取125*105T1為軟流圈的溫度，C，可取為1333。為巖石圈在水平方向的拉伸系數(shù) 邊界條件：初始條件：熱衰減過程中的巖石圈溫度分布與熱流 熱流公式：巖石圈拉張后的溫度分布公式：巖石圈拉張后的

6、溫度分布公式： 巖石圈拉張變薄及軟流圈上隆時，盆地的熱流值亦相應(yīng)增加，其大小可以由拉張系數(shù)和時間來定量確定。 在最初的50Ma地表熱流值與拉張系數(shù)很有關(guān)系，拉張系數(shù)越大，地表熱流值的初始值越大。 在50ma以后，不管拉張系數(shù)有多大，地表熱流值都將趨于穩(wěn)定值，即拉張前的地表平均熱流值。拉伸作用之后熱流衰減的曲線 ： 描述了巖石圈對拉伸作用的基本響應(yīng)，把拉伸盆地的沉降分解為同裂陷期和裂后期沉降，提出了拉伸指數(shù)的概念。 該模型為瞬時拉張模型，數(shù)學(xué)方程以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，僅適用于拉張型盆地。 初始沉降：巖石圈減薄引起的沉降 冷卻沉降：巖石圈冷卻引起的沉降Mckenzie 模型小結(jié)： 在缺少深部地質(zhì)資料的情

7、況下難以確定出與實際情況一致的理論模型。在模型實際應(yīng)用時未考慮巖石圈的放射性元素的生熱效應(yīng)。優(yōu)點： 模型簡單，可以利用獲得的古熱流變化模型預(yù)測無鉆井地區(qū)地層的熱史，并且能夠得到與大地構(gòu)造發(fā)育、沉積盆地演變等地質(zhì)條件吻合的結(jié)論。局限性：均勻拉張模式的評價（McKenzie）脆性上地殼以斷裂變形；塑性下地殼以純剪彈性流變形；塑性地幔巖石圈以純剪變形。兩種典型的伸展模式Hantschel 等（2009）提出了高級McKenzie 模式（advanced McKenzie approach）：先基于Airy 均衡原理和回剝方程，綜合現(xiàn)今盆地幾何形態(tài)、地層年齡及剝蝕厚度等恢復(fù)載水盆地的“理論構(gòu)造沉降”；

8、然后在充分考慮地殼與上地幔巖石圈不同的巖石學(xué)流變特性及放射性生熱的情況下，推導(dǎo)盆地的“計算構(gòu)造沉降”，并與“理論構(gòu)造沉降”進行擬合，得出伸展因子可能的取值范圍，進而恢復(fù)一維盆地?zé)崾?。盆地基底對?fù)荷的響應(yīng)可分為兩種模式:點補償模式，又叫局部模式或Airy模式面板補償，即撓曲（flexure）模式（2）Airy均衡模式 點補償沉降史的模型地幔軟流圈之上的巖石圈是由一系列的上浮柱體所構(gòu)成,根據(jù)浮力原理，各柱體表面力在地幔某深度界面上達(dá)到靜水平衡。（2）Airy均衡模式 點補償Iw+C c+ M m =Hs+C c+ (M - DL)mDL負(fù)荷沉降沉降史的模型s沉積層密度m地幔的密度w水的密度c巖石圈

9、的密度假定巖石圈沒有彈性厚度DL負(fù)荷沉降DL = * H m - ws - w構(gòu)造沉降DT= 總沉降 - 負(fù)荷沉降DL DT構(gòu)造沉降DT = * H m - wm - s沉降史的模型s沉積層密度m地幔的密度w水的密度c巖石圈的密度Watts（1982）認(rèn)為由于巖石圈具有一定的剛度，在加載后出現(xiàn)的地殼變形響應(yīng)實際上是撓曲均衡。撓曲均衡模式認(rèn)為：基底對負(fù)荷的響應(yīng)是受力彎曲的彈性板，其均衡補償不僅發(fā)生在負(fù)荷點上，而且分布在一個比較大的范圍內(nèi)。該模式認(rèn)為上覆載荷一部分由地幔浮力承載，另一部分則由巖石圈來承載。由于負(fù)荷是由一個面而非一個點來承載，故該模式得出的負(fù)荷沉降要小于Airy模式得出的沉降，而且各

10、類的沉降幅度與其到負(fù)荷點的距離有關(guān)。（3）撓曲均衡(Flexure)面板補償沉降史的模型（3）撓曲均衡(Flexure)面板補償沉降史的模型局部均衡區(qū)域均衡撓曲剛度：D=ETe3/12(1-v2)E-楊氏模量V-泊松比Te-梁的彈性厚度 （3）撓曲均衡(Flexure)面板補償沉降史的模型考慮海平面變化的撓曲均衡：DT構(gòu)造沉降， _撓曲響應(yīng)系數(shù)；Wd 古水深； SL 海平面變化。 代表基底對負(fù)載的響應(yīng)，當(dāng)巖石圈彈性系數(shù)很小時， 1，即為艾利模式。DT = ( * H - * SL ) + ( Wd - SL )m - sm - wm - ww沉降史的模型總沉降 =構(gòu)造沉降 +負(fù)荷沉降 =沉積物

11、厚度+古水深沉降史的模型沉降模擬模型撓曲回剝是用現(xiàn)今的橫剖面逐漸移去最上部的地層單元來恢復(fù)盆地張裂后的結(jié)構(gòu)和地層幾何特征。這種模擬技術(shù)整合了撓曲均衡和反演的熱沉降模型，還包括沉積物去負(fù)載，脫壓實作用。 彈性梁模型完善了張裂盆地正演模型中同張裂和裂后的結(jié)構(gòu)和地層特征。模型整合了撓曲均衡、壓實、沉積負(fù)載、侵蝕和巖石圈的熱擾動 沉降模擬模型Flex Decompaction采用改進的二維撓曲回剝，通過已知地震剖面地層的導(dǎo)入來重建張裂后盆地的熱沉降歷史；避免了一維回剝中只依賴于單井資料的局限性；還應(yīng)用了撓曲均衡，反演熱模擬等新技術(shù)，不僅能更好恢復(fù)地層原有形態(tài)，還可以對盆地相關(guān)控制參數(shù)有更好的理解和認(rèn)識

12、 Stretch應(yīng)用了彈性梁理論并加入了撓曲均衡原理，通過輸入橫向變化的拉張量來進行模擬，能很好的表現(xiàn)盆地形態(tài)受斷裂作用的控制。還可以正演模擬盆地從基底形成到張裂，以至張裂后熱沉降的一系列過程模 擬 過 程設(shè) 定 參 數(shù)建 立 模 式模 擬結(jié) 果修改參數(shù)沉降模擬模型所需參數(shù)構(gòu)造:張裂歷史、水動型模式地殼:厚度、有效彈性厚度、脆性層厚度、最大彎曲力矩巖石圈:地幔密度、地殼密度、水的密度、軟流圈溫度、熱膨脹系數(shù)沉積物:孔隙度、壓實率、基質(zhì)密度、被侵蝕物質(zhì)的密度斷 層：幾何形態(tài)、位置、屬性沉降模擬模型 STRETCHFlex: Present section and beta profilesFle

13、x Decomp: Layers 1 and 2 removed正演敏感性測試Te3 km合適沉降史充填史沉降與充填史分析充填史的影響因素不同類型盆地的充填史二、充填史分析Accommodation【公式】accommodation = eustasy + subsidence + compaction相對海平面變化可容空間減小可容空間增大盆地沉降 海平面升降 沉積供給量accommodationRelative sealevel change同步變化可容空間就是可供沉積物堆積的潛在空間(J erveyM. T. , 1988) , 包括老空間(早期未被充填而遺留的空間) 和新增可容空間(沉積

14、過程中形成的空間) , 是盆地沉降或隆升、湖平面變化等因素綜合作用的結(jié)果, 是控制沉積盆地充填的主要因素之一。How they control the basin filling ?構(gòu)造非構(gòu)造巖石圈板塊間的相互作用熱作用相轉(zhuǎn)換 沉積負(fù)荷古水深海平面升降 控制了盆地沉積作用控制了沉積物的分布 進一步促使盆地下沉 沉降作用1 Factors controlling basin filling How they control the basin filling ?全球海平面變化 沉積物對洋盆的充填造山運動時期地殼的收縮大洋擴張脊體積的變化小型洋盆的蒸干大陸冰源的生長和消亡地球形體和水圈體積的變化大

15、洋溫度和大氣圈濕度變化垂直構(gòu)造運動短期的海平面變化：影響沉積作用的范圍較小，可造成較高沉積速率的沉積作用 長期海平面變化：對造山作用、沉積作用及沉積物壓實、火山活動等產(chǎn)生重要影響 1 Factors controlling basin filling How they control the basin filling ?沉積供給量氣候構(gòu)造活動基巖地質(zhì)特征盆地水化學(xué)特征控制沉積物分布控制沉積環(huán)境和水深 1 Factors controlling basin filling Geometric model results2. 不同類型盆地的充填史Extensional BasinForeland

16、 BasinPull-apart Basin2 Rift margin modelBaltimore Canyon MarginCross section and seismic lines of typical half grabenSedimentary response to active faultingIdealized rift stratigraphyIdealized rift seismic model主物源方向掀斜構(gòu)造對沉積物源的影響隨著斷塊掀斜與滾動變形活動的加強，下盤掀斜與滾動變形使得下盤斷塊地表坡向有背向上盤盆地區(qū)的趨勢，因此，下盤斷塊不能向上盤盆地區(qū)提供大量的物質(zhì)；

17、而上盤斷塊的掀斜與滾動變形使得地表坡向有指向上盤盆地區(qū)的趨勢，因此，上盤斷塊的掀斜抬升區(qū)域就成為盆地的主要物源區(qū)，即箕狀斷陷盆地的向造山帶一側(cè)的構(gòu)造斜坡是盆地的主要物源區(qū) 邊界斷層的活動、斜坡一側(cè)物源的多少以及和演化階段等箕狀斷陷構(gòu)造沉積充填模式與含油氣系統(tǒng)特征 2. 不同類型盆地的充填史Extensional BasinForeland BasinPull-apart BasinForeland Basin弧后前陸盆地Two Phase model by Heller et al.(1988)Synorogenic phasetectonic subsidencegravel bodies

18、occur adjacent to the thrust beltfine-grained sediments deposited in distal regionsPostorogenic phase erosion and reboundgravels redeposited in distal regions前陸盆地演化的兩個階段Flysch Vs Molasse復(fù)理石 Vs. 磨拉石 Beaumont, 1981Meng et al., 2005J1b, 白田壩組2. 不同類型盆地的充填史Extensional BasinForeland BasinPull-apart BasinPull apart basin modelRidge basin of California, strike slip basinReferencesSequence stratigraphy web :STRATA:Peter Fleming, Penn. State Univ.R. L. Gawtho