四川盆地埋藏沉降史模擬研究

四川盆地埋藏沉降史模擬研究

1上龍門山內(nèi)過(guò)邊緣海區(qū)的斷褶構(gòu)造四川盆地是上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)通過(guò)北東向和北西向的深斷裂活動(dòng)形成的扇形構(gòu)造沉積盆地。印支盆地形成于西藏的上揚(yáng)子階段，在喜馬拉雅時(shí)代經(jīng)歷了強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)褶皺活動(dòng)，形成了現(xiàn)代盆地的構(gòu)造特征。盆地明顯呈菱形邊緣，反映了上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上方圓曲斷裂的深斷裂的發(fā)展，控制了盆地的形成和褶皺構(gòu)造的發(fā)展。盆地北東長(zhǎng)，東北西短，東北和東南邊境組織得很好。東北和西南兩側(cè)的邊界呈鋸齒狀。地史模型的模擬包括盆地沉降史和沉積史的模擬，對(duì)四川盆地，特別是川西南部的構(gòu)造發(fā)育有重要影響。這是研究上揚(yáng)子臺(tái)區(qū)構(gòu)造發(fā)育的窗口。根據(jù)沉積學(xué)和構(gòu)造學(xué)原理，本研究將地震剖面與鉆頭數(shù)據(jù)相結(jié)合，根據(jù)開(kāi)挖厚度、時(shí)間、巖性、密度、開(kāi)口高度等信息，對(duì)剖面上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行解體分析，并使用平衡原則來(lái)預(yù)測(cè)沉降曲線，提供沉積和構(gòu)造史的故事。2層厚度h的求解沉積盆地的埋藏史是指盆地中的某一沉積單元自沉積開(kāi)始至今盆地的沉積過(guò)程,即是經(jīng)過(guò)堆積、壓實(shí)、抬升及剝蝕的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程.在初期沉積時(shí),孔隙度一般為60%,隨著上覆沉積物的不斷增加,有大量的水從沉積物逸出,其孔隙度下降10%.孔隙度下降,滲透率變小,導(dǎo)致流體的排出不斷減緩并形成超壓狀態(tài).此外,沉積物必須由下伏基巖支撐,基巖具有一定的剛度產(chǎn)生撓曲均衡,進(jìn)一步引起構(gòu)造沉降、擠壓和扭動(dòng).盆地沉降史是指盆地基底在盆地發(fā)育時(shí)期上下運(yùn)動(dòng)的歷史.某一盆地總沉降是沉積壓實(shí)、負(fù)載均衡沉降、構(gòu)造沉降的綜合結(jié)果.地史模擬的基礎(chǔ)是壓實(shí)模型.本文用壓實(shí)模型恢復(fù)地史所用方法為疊加法和回剝法.疊加法按時(shí)間順序由古至今模擬地史的沉積、沉降過(guò)程,用沉積壓實(shí)原理恢復(fù)地層的原始厚度,最后恢復(fù)盆地的演化過(guò)程.回剝法是從已知盆地的現(xiàn)狀出發(fā),反推各地層在不同地史階段的原始沉積厚度,從而恢復(fù)地層原貌.在正常壓實(shí)情況下,地層孔隙度與深度關(guān)系可表述為φ=φ0e?cz,(1)φ=φ0e-cz,(1)其中φ為孔隙度,z為深度,φ0是沉積物表層(z=0)的孔隙度,c為巖石的壓實(shí)系數(shù).公式(1)中φ與深度z是非線性關(guān)系,地層厚度又是φ的函數(shù),所以地層厚度的減小也是非線性的.沉積層在埋藏壓實(shí)過(guò)程中骨架厚度不變,只有孔隙部分(水和空氣)的體積發(fā)生變化.地層骨架厚度H可用下式算出H=∫z2z1[1?φ(z)]dz,(2)Η=∫z1z2[1-φ(z)]dz,(2)z1和z2分別為某一地層的頂面和底面深度.假設(shè)沉積顆粒在壓實(shí)過(guò)程中體積保持不變,由(1)和(2)式可導(dǎo)出回剝方程z′2?z′1=z2?z1?φ0c{exp(?cz1)?exp(?cz2)}+φ0c{exp(?cz1)?exp(?cz2)},(3)z′2-z′1=z2-z1-φ0c{exp(-cz1)-exp(-cz2)}+φ0c{exp(-cz1)-exp(-cz2)},(3)其中z′1和z′2為同一地層的回剝后的頂面和底面深度.(3)式是一個(gè)超越方程,其求解較為困難.本文應(yīng)用雙曲插值法求解.將(3)式的已知量代入后可歸納為一般超越方程z=c1?c2e?c3z,(4)z=c1-c2e-c3z,(4)如果c1>c2,(4)式有一個(gè)根;如果c1<c2,(4)式有2個(gè)根.令函數(shù)f(z)=z?c1+c2e?c3z,(5)f(z)=z-c1+c2e-c3z,(5)其非線性方程為f(z)=0.(6)f(z)=0.(6)(6)式解3個(gè)近似值為:z1,z2,z3;設(shè)相應(yīng)的f(z)的函數(shù)值是f1,f2,f3.通過(guò)這3個(gè)近似值點(diǎn)(z1,f1),(z2,f2),(z3,f3)可構(gòu)造線性分式函數(shù)w(z)=z?abz+d,(7)w(z)=z-abz+d,(7)(7)式在實(shí)數(shù)域代表雙曲線.其中系數(shù)a,b,d滿足下列線性方程組?????a+f1z1b+f1d=z1,a+f2z2b+f2d=z2,a+f3z3b+f3d=z3,(8){a+f1z1b+f1d=z1,a+f2z2b+f2d=z2,a+f3z3b+f3d=z3,(8)在此近似值附近,就以此線性分式函數(shù)w(z)來(lái)近似非線性函數(shù)f(z),且以此線性分式的零點(diǎn)z4=z3+(z3?z2)(z3?z1)f3(f2?f1)(z3?z2)(f1?f3)f2+(z3?z1)(f3?f2)f1z4=z3+(z3-z2)(z3-z1)f3(f2-f1)(z3-z2)(f1-f3)f2+(z3-z1)(f3-f2)f1(9)作為非線性方程的一個(gè)新的近似值.然后以z2,z3,z4代替z1,z2,z3;重復(fù)上述過(guò)程得到z5.以此迭代下去直至得到滿意結(jié)果.若(3)式的地層厚度與e指數(shù)衰減因子之積接近于零,(3)式也可通過(guò)變換形式用e指數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)求得近似解.去掉壓實(shí)后得到的地層深度即為地層總沉降,它由兩部分組成:構(gòu)造引起的沉降和沉積載荷作用引起的沉降.對(duì)于陸殼和大陸架沉積盆地,沉積物巨厚,因此我們直接觀察到的是沉積物的現(xiàn)在地層深度,而并非構(gòu)造沉降.為了得到構(gòu)造沉降,必須除去沉積物載荷的影響,這要通過(guò)Ariy模型或撓曲模型的均衡補(bǔ)償原理來(lái)完成.根據(jù)孔隙度-深度關(guān)系式(1),得到在新的深度沉積層的平均孔隙度為φ=φ0exp(?cz1)?exp(?cz2)c(z′2?z′1),(10)φ=φ0exp(-cz1)-exp(-cz2)c(z′2-z′1),(10)此時(shí)沉積層的平均密度為[HS1*2]ρs=φρw+(1?φ)ρsg,(11)[ΗS1*2]ρs=φρw+(1-φ)ρsg,(11)其中ρsg為沉積物顆粒密度,ρw為水密度.整個(gè)沉積柱的平均密度為ρsˉˉˉ=∑i(φiˉˉˉρw+(1?φiˉˉˉ)ρsgi)ziS,(12)ρsˉ=∑i(φiˉρw+(1-φiˉ)ρsgi)ziS,(12)其中φiˉˉˉφiˉ為第i層的平均孔隙度,ρsgi為該層的沉積物顆粒密度,zi是第i層厚度,S是壓實(shí)校正后的地層柱總厚度.若將載荷影響考慮為一個(gè)Ariy均衡平衡的問(wèn)題,則構(gòu)造沉降Y(x)為Y(x)=aS(z)(ρm?ρs)(ρm?ρw),(13)Y(x)=aS(z)(ρm-ρs)(ρm-ρw),(13)其中Y是經(jīng)沉積載荷校正后的基底深度,即構(gòu)造沉降,S(z)是由(9)式計(jì)算出的總校正量,ρm是地幔密度,ρs是沉積層平均密度,a為均衡比值.3地層密度和孔隙度利用原地質(zhì)礦產(chǎn)部西南石油局提供的四川盆地的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了構(gòu)造沉降史的分析.選擇了分布在四川盆地中西部的川合100井,川豐131井和川孝93井的計(jì)算結(jié)果.各井地層分層數(shù)據(jù),各層段孔隙度數(shù)據(jù)以及各層段巖石密度數(shù)據(jù)由西南石油局根據(jù)巖芯錄井以及聲波測(cè)井和密度測(cè)井資料提供.本文根據(jù)所得到的鉆井?dāng)?shù)據(jù),按照公式φ=φ0e-cz,求得壓實(shí)系數(shù)c和地表孔隙度φ0.各組地層的地質(zhì)年代是根據(jù)同位素年齡和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等資料確定的.三疊系下統(tǒng),中統(tǒng)和上統(tǒng)分別為225Ma,219Ma和205Ma.侏羅系中下統(tǒng)的年齡為195Ma,中統(tǒng)為175Ma,上統(tǒng)的年齡為152Ma.白堊系為140Ma,第三系為80Ma,第四系為3Ma.所選地層在3口井的地質(zhì)年代跨度從225Ma到152Ma,分別對(duì)應(yīng)三疊系下統(tǒng)和侏羅系上統(tǒng).3口井的計(jì)算結(jié)果如下.3.1盆地構(gòu)造與總沉降表1是川合100井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù).圖1a是根據(jù)本文所述埋藏史計(jì)算方法計(jì)算出的川合100井的三疊系下統(tǒng)、中統(tǒng)和上統(tǒng),侏羅系下統(tǒng)、中統(tǒng)和上統(tǒng),白堊系等8個(gè)地層底界面的埋藏史.川合100井埋藏史第一段斜率大,曲線陡直,順家河組,小塘子組和馬鞍塘組更接近基底深度,反映了基底在一個(gè)不長(zhǎng)的時(shí)期快速沉降.各地層從65Ma到現(xiàn)在的埋深曲線幾乎成直線,說(shuō)明65Ma以后,盆地屬于穩(wěn)定沉積階段.圖1(b~e)為小塘子組、自流井組、沙溪廟組和遂寧組4個(gè)地層的構(gòu)造沉降與總沉降曲線.根據(jù)這4張圖的構(gòu)造沉降曲線與總沉降曲線可以看出,構(gòu)造沉降與總沉降之差隨地層地質(zhì)年齡的減少而減少,說(shuō)明地層越新壓實(shí)量越小.其中斜率代表了沉降速率,從圖中可以看到,不同時(shí)期的沉降速率有所不同,從225~212Ma有一個(gè)延續(xù)時(shí)間為13Ma的快速沉降期,從212~173Ma轉(zhuǎn)變?yōu)槌两灯骄徠?然后到150Ma又出現(xiàn)較急速沉降,150Ma以后沉降速率不大,反映了一段穩(wěn)定期.3.2盆地沉降特征表2是川豐131井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù).圖2a是計(jì)算出的川豐131井的侏羅系下統(tǒng)、中統(tǒng)和上統(tǒng),白堊系等6個(gè)地層底界面的埋藏史.川豐131井埋藏史的自流井組、千佛崖組、沙溪廟組地層埋藏史形態(tài)相近,說(shuō)明有較為相同的構(gòu)造沉積環(huán)境.自流井組直到160Ma有一段近50Ma的平緩沉降期.自160Ma以后,自流井組、千佛崖組、沙溪廟組沉降速率加大,但時(shí)間不長(zhǎng),為15Ma,以后在100Ma期間沉降速率趨緩,在52Ma沉降速率有一個(gè)突變點(diǎn),曲線斜率進(jìn)一步減小直到現(xiàn)今.遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組由于地層較淺,看不到曲線陡直的下降時(shí)期.各地層從52Ma到現(xiàn)在的埋深曲線幾乎成直線,說(shuō)明52Ma以后,盆地屬于穩(wěn)定沉積階段.圖2(b~f)分別是自流井組、千佛崖組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組5個(gè)地層的構(gòu)造沉降與總沉降曲線.從這5幅圖可以看出,構(gòu)造沉降與總沉降之差隨地層地質(zhì)年齡的減少而減少,說(shuō)明地層越新壓實(shí)量越小.從圖中還可以看到,不同時(shí)期的沉降速率有所不同,自流井組在沉積活動(dòng)開(kāi)始時(shí)有一段長(zhǎng)達(dá)25Ma的沉降平緩期,然后發(fā)生快速沉降.千佛崖組、沙溪廟組、遂寧組開(kāi)始就發(fā)生快速沉降,然后沉降速率趨緩,時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100Ma,反映了沉積活動(dòng)有一段穩(wěn)定期.3.3不同層系的構(gòu)造沉降特征表3是川孝93井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù).圖3a是計(jì)算出的川孝93井的三疊系上統(tǒng)順家河組,侏羅系下統(tǒng)、中統(tǒng)和上統(tǒng),白堊系等6個(gè)地層底界面的埋藏史.川孝93井埋藏史的順家河組、千佛崖組、沙溪廟組地層埋藏史可以分成3個(gè)沉降階段.從213~163Ma沉降速率最快,顯示當(dāng)時(shí)沉積物來(lái)源充足,從163~60Ma沉降速率居中,60Ma之后沉降速率最小,說(shuō)明沉積活動(dòng)逐漸減弱.圖3(b~e)分別是順家河組、千佛崖組、沙溪廟組、遂寧組4個(gè)地層的構(gòu)造沉降與總沉降曲線,同樣可以看出構(gòu)造沉降與總沉降之差隨地層地質(zhì)年齡的減少而減少,說(shuō)明地層越新壓實(shí)量越小.與川合100井、川豐131井不同,順家河組、千佛崖組、沙溪廟組和遂寧組的沉降速率都表現(xiàn)出較連續(xù)的變化,總趨勢(shì)為早期沉降速率大,隨著時(shí)間的推移,沉降速率逐漸減小.4沉降特征及沉降期a四川盆地川合100井構(gòu)造沉降與總沉降之差隨地層地質(zhì)年齡的減少而減少,說(shuō)明地層越新壓實(shí)量越小.不同時(shí)期的沉降速率有所不同,從225~212Ma有一個(gè)延續(xù)時(shí)間為13Ma的快速沉降期,從212~173Ma轉(zhuǎn)變?yōu)槌两灯骄徠?之后到150Ma又出現(xiàn)較急速沉降,150Ma以后沉降速率不大,反映了一段穩(wěn)定期.川豐131井自流井組在沉積活