盆地沉降與充填史市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

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：何金有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）.12盆地沉降與充填史第1頁(yè)2/40沉降史充填史沉降與充填史分析盆地沉降與充填史第2頁(yè)盆地沉降與沉積物埋藏沉積物埋藏（盆地大小，幾何形態(tài)，結(jié)構(gòu)特征）基底沉降盆地形成沉積物充填深入沉降沒(méi)有沉降就沒(méi)有盆地，沒(méi)有盆地就沒(méi)有石油。盆地沉降與充填史第3頁(yè)沉降與充填石油地質(zhì)意義盆地沉降與充填是貫通于沉積盆地演化過(guò)程中一對(duì)矛盾。沉降速率>充填速率：欠賠償，水進(jìn)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：超賠償，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：正常賠償，水體平穩(wěn)，相帶穩(wěn)定，生物發(fā)達(dá)，沉積物分選良好；長(zhǎng)久沉降浪基面以下（還原環(huán)境）形成巨厚源巖沉積。盆地演化普通要經(jīng)過(guò)多旋回沉降－抬升交替改變，從而造成多期生儲(chǔ)蓋組合！盆地沉降與充填史第4頁(yè)盆地沉降機(jī)制——地球動(dòng)力學(xué)成因熱力、重力、應(yīng)力，一個(gè)為主，內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)綜合作用其中，由應(yīng)力、熱力作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沉降是基本沉降，而重荷作用使結(jié)構(gòu)沉降繼續(xù)發(fā)展。盆地沉降與充填史第5頁(yè)沉降史1、結(jié)構(gòu)原因，巖石圈伸展減?。?、熱力作用原因，巖石圈冷卻收縮；3、沉積物負(fù)荷引發(fā)均衡賠償作用；4、地殼深部變質(zhì)作用；5、板內(nèi)應(yīng)力作用。沉降史形成機(jī)制盆地沉降與充填史第6頁(yè)7盆地沉降機(jī)制①伸展作用、剝蝕、或巖漿侵位造成地殼薄化作用；（拆沉作用）②下地殼和上地幔冷卻作用；③地殼和巖石圈沉積和火山負(fù)載作用；④地殼和巖石圈結(jié)構(gòu)負(fù)載作用；⑤巖石圈板底墊托作用造成下地殼負(fù)載作用；⑥下降巖石圈穿入軟流圈動(dòng)力流；⑦高壓相變?cè)斐傻貧っ芏仍龃蟆Ｅ璧爻两蹬c充填史第7頁(yè)8①伸展作用、剝蝕、或巖漿侵位造成地殼薄化作用；（拆沉作用）②下地殼和上地幔冷卻作用；③地殼和巖石圈沉積和火山負(fù)載作用；④地殼和巖石圈結(jié)構(gòu)負(fù)載作用；⑤巖石圈板底墊托作用造成下地殼負(fù)載作用；⑥下降巖石圈穿入軟流圈動(dòng)力流；⑦高壓相變?cè)斐傻貧っ芏仍龃蟆?/p>

盆地沉降與充填史第8頁(yè)裂陷盆地：拉張應(yīng)力，地幔熱膨脹，地殼減薄，重荷作用。（主動(dòng)裂谷，被動(dòng)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，熱收縮等盆地沉降類型盆地沉降與充填史第9頁(yè)1、沉降史模型Mckenzie純剪切模型均衡原理：Airy均衡模式撓曲均衡(Flexure)盆地沉降與充填史第10頁(yè)Sub-continentallithosphere: stretchingThinningHotterAsthenosphereCoolingDenser盆地沉降與充填史第11頁(yè)均勻擴(kuò)張模型（McKenzie1978）盆地沉降與充填史第12頁(yè)13Ta等溫線溫度a巖石圈原始厚度盆地沉降與充填史第13頁(yè)（1）Mckenzie純剪切模型

——拉張盆地?zé)釄?chǎng)轉(zhuǎn)化初始沉降(Si)：巖石圈減薄引發(fā)沉降熱沉降(Sh)：巖石圈冷卻引發(fā)沉降結(jié)構(gòu)沉降=初始沉降+熱沉降沉降史模型小小大盆地沉降與充填史第14頁(yè)

原始地質(zhì)單元被瞬時(shí)拉張，寬度變大，厚度變薄。

因?yàn)榫赓r償．軟流圈抬升，故1333℃高溫?zé)嵩刺率箯牡乇碇淋浟魅Φ販靥荻茸兇蟆?/p>

伴隨熱流傳至地表散失，軟流圈向下縮回，熱擾動(dòng)逐步衰減，原變熱物質(zhì)逐步冷卻，造成巖石圈底部下沉，恢復(fù)到拉張前溫度場(chǎng)。均勻擴(kuò)張模型（McKenzie1978）盆地沉降與充填史第15頁(yè)熱流方程為：T為地溫，oCz為以巖石圈底界為原點(diǎn)至地表垂直坐標(biāo)，cmt為以拉張發(fā)生時(shí)間為零算起直至今天時(shí)間坐標(biāo)，sx為巖石圈熱擴(kuò)散率，cm2/s,可取為0.008。

h為地表至巖石圈底界深度，cm，可取125*105T1為軟流圈溫度，oC，可取為1333。β為巖石圈在水平方向拉伸系數(shù)邊界條件：初始條件：熱衰減過(guò)程中巖石圈溫度分布與熱流盆地沉降與充填史第16頁(yè)熱流公式：巖石圈拉張后溫度分布公式：巖石圈拉張后溫度分布公式：盆地沉降與充填史第17頁(yè)

巖石圈拉張變薄及軟流圈上隆時(shí)，盆地?zé)崃髦狄鄬?duì)應(yīng)增加，其大小能夠由拉張系數(shù)和時(shí)間來(lái)定量確定。

在最初50Ma地表熱流值與拉張系數(shù)β很相關(guān)系，拉張系數(shù)β越大，地表熱流值初始值越大。

在50ma以后，不論拉張系數(shù)β有多大，地表熱流值都將趨于穩(wěn)定值，即拉張前地表平均熱流值。拉伸作用之后熱流衰減曲線：盆地沉降與充填史第18頁(yè)描述了巖石圈對(duì)拉伸作用基本響應(yīng)，把拉伸盆地沉降分解為同裂陷期和裂后期沉降，提出了拉伸指數(shù)概念。

該模型為瞬時(shí)拉張模型，數(shù)學(xué)方程以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，僅適合用于拉張型盆地。初始沉降：巖石圈減薄引發(fā)沉降

冷卻沉降：巖石圈冷卻引發(fā)沉降Mckenzie模型小結(jié)：盆地沉降與充填史第19頁(yè)在缺乏深部地質(zhì)資料情況下難以確定出與實(shí)際情況一致理論模型。在模型實(shí)際應(yīng)用時(shí)未考慮巖石圈放射性元素生熱效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：模型簡(jiǎn)單，能夠利用取得古熱流改變模型預(yù)測(cè)無(wú)鉆井地域地層熱史，而且能夠得到與大地結(jié)構(gòu)發(fā)育、沉積盆地演變等地質(zhì)條件吻合結(jié)論。不足：均勻拉張模式評(píng)價(jià)（McKenzie）盆地沉降與充填史第20頁(yè)盆地沉降與充填史第21頁(yè)盆地沉降與充填史第22頁(yè)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。盆地沉降與充填史第23頁(yè)兩種經(jīng)典伸展模式盆地沉降與充填史第24頁(yè)Hantschel等（）提出了高級(jí)McKenzie模式（advancedMcKenzieapproach）：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)、地層年紀(jì)及剝蝕厚度等恢復(fù)載水盆地“理論結(jié)構(gòu)沉降”；然后在充分考慮地殼與上地幔巖石圈不一樣巖石學(xué)流變特征及放射性生熱情況下，推導(dǎo)盆地“計(jì)算結(jié)構(gòu)沉降”，并與“理論結(jié)構(gòu)沉降”進(jìn)行擬合，得出伸展因子可能取值范圍，進(jìn)而恢復(fù)一維盆地?zé)崾?。盆地沉降與充填史第25頁(yè)盆地基底對(duì)負(fù)荷響應(yīng)可分為兩種模式:點(diǎn)賠償模式，又叫局部模式或Airy模式面板賠償，即撓曲（flexure）模式盆地沉降與充填史第26頁(yè)（2）Airy均衡模式

——點(diǎn)賠償沉降史模型地幔軟流圈之上巖石圈是由一系列上浮柱體所組成,依據(jù)浮力原理，各柱體表面力在地幔某深度界面上到達(dá)靜水平衡。盆地沉降與充填史第27頁(yè)（2）Airy均衡模式

——點(diǎn)賠償Iw+Cc+Mm

=Hs+Cc+(M-DL)mDL——負(fù)荷沉降沉降史模型ρs—沉積層密度ρm—地幔密度ρw—水密度ρc—巖石圈密度假定巖石圈沒(méi)有彈性厚度盆地沉降與充填史第28頁(yè)DL——負(fù)荷沉降DL=————*H

m-ws-w結(jié)構(gòu)沉降DT=總沉降-負(fù)荷沉降DL

DT——結(jié)構(gòu)沉降DT=————*H

m-wm-s沉降史模型ρs—沉積層密度ρm—地幔密度ρw—水密度ρc—巖石圈密度盆地沉降與充填史第29頁(yè)Watts（1982）認(rèn)為因?yàn)閹r石圈含有一定剛度，在加載后出現(xiàn)地殼變形響應(yīng)實(shí)際上是撓曲均衡。撓曲均衡模式認(rèn)為：基底對(duì)負(fù)荷響應(yīng)是受力彎曲彈性板，其均衡賠償不但發(fā)生在負(fù)荷點(diǎn)上，而且分布在一個(gè)比較大范圍內(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(lái)承載。因?yàn)樨?fù)荷是由一個(gè)面而非一個(gè)點(diǎn)來(lái)承載，故該模式得出負(fù)荷沉降要小于Airy模式得出沉降，而且各類沉降幅度與其到負(fù)荷點(diǎn)距離相關(guān)。（3）撓曲均衡(Flexure)—面板賠償沉降史模型盆地沉降與充填史第30頁(yè)（3）撓曲均衡(Flexure)—面板賠償沉降史模型局部均衡區(qū)域均衡盆地沉降與充填史第31頁(yè)撓曲剛度：D=ETe3/12(1-v2)E-楊氏模量V-泊松比Te-梁彈性厚度盆地沉降與充填史第32頁(yè)（3）撓曲均衡(Flexure)——面板賠償沉降史模型盆地沉降與充填史第33頁(yè)考慮海平面改變撓曲均衡：DT——結(jié)構(gòu)沉降，__撓曲響應(yīng)系數(shù)；Wd—古水深；△

SL—海平面改變。代表基底對(duì)負(fù)載響應(yīng)，當(dāng)巖石圈彈性系數(shù)很小時(shí)，≈1，即為艾利模式。DT=

(————*H-————*△SL)+(Wd-△

SL)m-sm-wm-ww沉降史模型盆地沉降與充填史第34頁(yè)總沉降=結(jié)構(gòu)沉降+負(fù)荷沉降=沉積物厚度+古水深沉降史模型盆地沉降與充填史第35頁(yè)沉降模擬模型撓曲回剝是用現(xiàn)今橫剖面逐步移去最上部地層單元來(lái)恢復(fù)盆地張裂后結(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熱沉降模型，還包含沉積物去負(fù)載，脫壓實(shí)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結(jié)構(gòu)和地層特征。模型整合了撓曲均衡、壓實(shí)、沉積負(fù)載、侵蝕和巖石圈熱擾動(dòng)盆地沉降與充填史第36頁(yè)沉降模擬模型FlexDecompaction采取改進(jìn)二維撓曲回剝，經(jīng)過(guò)已知地震剖面地層導(dǎo)入來(lái)重建張裂后盆地?zé)岢两禋v史；防止了一維回剝中只依賴于單井資料不足；還應(yīng)用了撓曲均衡，反演熱模擬等新技術(shù)，不但能更加好恢復(fù)地層原有形態(tài)，還能夠?qū)ε璧叵嚓P(guān)控制參數(shù)有更加好了解和認(rèn)識(shí)Stretch應(yīng)用了彈性梁理論并加入了撓曲均衡原理，經(jīng)過(guò)輸入橫向改變拉張量來(lái)進(jìn)行模擬，能很好表現(xiàn)盆地形態(tài)受斷裂作用控制。還能夠正演模擬盆地從基底形成到張裂，以至張裂后熱沉降一系列過(guò)程盆地沉降與充填史第37頁(yè)模擬過(guò)程設(shè)定參數(shù)建立模式模擬結(jié)果修改參數(shù)沉降模擬模型盆地沉降與充填史第38頁(yè)所需參數(shù)結(jié)構(gòu):張裂歷史、水動(dòng)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、水密度、軟流圈溫度、熱膨脹系數(shù)沉積物:孔隙度、壓實(shí)率、基質(zhì)密度、被侵蝕物質(zhì)密度斷層：幾何形態(tài)、位置、屬性沉降模擬模型盆地沉降與充填史第39頁(yè)

STRETCH盆地沉降與充填史第40頁(yè)Flex:Presentsectionandbetaprofiles盆地沉降與充填史第41頁(yè)FlexDecomp:Layers1and2removed盆地沉降與充填史第42頁(yè)正演盆地沉降與充填史第43頁(yè)敏感性測(cè)試Te＝3km適當(dāng)盆地沉降與充填史第44頁(yè)沉降史充填史沉降與充填史分析盆地沉降與充填史第45頁(yè)充填史影響原因不一樣類型盆地充填史二、充填史分析盆地沉降與充填史第46頁(yè)盆地沉降與充填史第47頁(yè)盆地沉降與充填史第48頁(yè)Accommodation盆地沉降與充填史第49頁(yè)【公式】Δaccommodation=Δeustasy+Δsubsidence+Δcompaction相對(duì)海平面改變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

ΔaccommodationRelativesealevelchange同時(shí)改變可容空間就是可供沉積物堆積潛在空間(JerveyM.T.,1988),包含老空間(早期未被充填而遺留空間)和新增可容空間(沉積過(guò)程中形成空間),是盆地沉降或隆升、湖平面改變等原因綜合作用結(jié)果,是控制沉積盆地充填主要原因之一。盆地沉降與充填史第50頁(yè)盆地沉降與充填史第51頁(yè)Howtheycontrolthebasinfilling?結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)巖石圈板塊間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分布深入促使盆地下沉沉降作用1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降與充填史第52頁(yè)Howtheycontrolthebasinfilling?全球海平面改變

沉積物對(duì)洋盆充填造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期地殼收縮大洋擴(kuò)張脊體積改變小型洋盆蒸干大陸冰源生長(zhǎng)和消亡地球形體和水圈體積改變大洋溫度和大氣圈濕度改變垂直結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)……短期海平面改變：影響沉積作用范圍較小，可造成較高沉積速率沉積作用長(zhǎng)久海平面改變：對(duì)造山作用、沉積作用及沉積物壓實(shí)、火山活動(dòng)等產(chǎn)生主要影響1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降與充填史第53頁(yè)Howtheycontrolthebasinfilling?沉積供給量氣候結(jié)構(gòu)活動(dòng)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1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降與充填史第54頁(yè)Geometricmodelresults盆地沉降與充填史第55頁(yè)2.不一樣類型盆地充填史ExtensionalBasinForelandBasinPull-apartBasin盆地沉降與充填史第56頁(yè)2Riftmarginmodel盆地沉降與充填史第57頁(yè)盆地沉降與充填史第58頁(yè)盆地沉降與充填史第59頁(yè)BaltimoreCanyonMargin盆地沉降與充填史第60頁(yè)盆地沉降與充填史第61頁(yè)盆地沉降與充填史第62頁(yè)盆地沉降與充填史第63頁(yè)盆地沉降與充填史第64頁(yè)盆地沉降與充填史第65頁(yè)盆地沉降與充填史第66頁(yè)盆地沉降與充填史第67頁(yè)盆地沉降與充填史第68頁(yè)盆地沉降與充填史第69頁(yè)盆地沉降與充填史第70頁(yè)盆地沉降與充填史第71頁(yè)盆地沉降與充填史第72頁(yè)盆地沉降與充填史第73頁(yè)Crosssectionandseismiclinesoftypicalhalfgraben盆地沉降與充填史第74頁(yè)Sedimentaryresponsetoactivefaulting盆地沉降與充填史第75頁(yè)Idealizedriftstratigraphy盆地沉降與充填史第76頁(yè)Idealizedriftseismicmodel盆地沉降與充填史第77頁(yè)主物源方向掀斜結(jié)構(gòu)對(duì)沉積物源影響伴隨斷塊掀斜與滾動(dòng)變形活動(dòng)加強(qiáng)，下盤掀斜與滾動(dòng)變形使得下盤斷塊地表坡向有背向上盤盆地域趨勢(shì)，所以，下盤斷塊不能向上盤盆地域提供大量物質(zhì)；而上盤斷塊掀斜與滾動(dòng)變形使得地表坡向有指向上盤盆地域趨勢(shì)，所以，上盤斷塊掀斜抬升區(qū)域就成為盆地主要物源區(qū)，即箕狀斷陷盆地向造山帶一側(cè)結(jié)構(gòu)斜坡是盆地主要物源區(qū)

邊界斷層活動(dòng)、斜坡一側(cè)物源多少以及和演化階段等箕狀斷陷結(jié)構(gòu)—沉積充填模式與含油氣系統(tǒng)特征

盆地沉降與充填史第78頁(yè)盆地沉降與充填史第79頁(yè)2.不一樣類型盆地充填史ExtensionalBasinForelandBasinPull-apartBasin盆地沉降與充填史第80頁(yè)ForelandBasin盆地沉降與充填史第81頁(yè)盆地沉降與充填史第82頁(yè)盆地沉降與充填史第83頁(yè)弧后前陸盆地盆地沉降與充填史第84頁(yè)TwoPhasemodelbyHelleretal.(1988)Synorogenicphasetectonicsubsidencegravelbodiesoccuradjacenttothethrustbeltfine-grainedsedimentsdepositedindistalregionsPostorogenicphaseerosionandreboundgravelsredepositedindistalregions前陸盆地演化兩個(gè)階段盆地沉降與充填史第85頁(yè)FlyschVsMolasse復(fù)理石Vs.磨拉石盆地沉降與充填史第86頁(yè)盆地沉降與充填史第87頁(yè)盆地沉降與