盆地动力学研究

1、盆地动力学说研究综述赵炜学号1501210270E-mail：zhaowei_geophysics摘要：本文先阐述盆地分析概论，之后介绍了盆地动力学的研究历程，内容，介绍及沉积盆地形成的力学机制、类型板块构造、深部过程与盆地属性及关系不整合面与构造-底层层序分析最后探讨了盆地结构与盆地构造分析典型盆地构造解析方法、思路与进展。关键词：沉积盆地、盆地动力学、力学机制、板块构造1、盆地分析概论沉积盆地-地质信息库：记录了地球表面所经历的所有沉积过程，盆地的几何形态、构造演化和地层史是揭示岩石圈变形与演化的重要线索；沉积盆地是人类最重要的资源宝库，蕴藏着丰富的化石能源、沉积矿产以及水资源。正是基于人

2、类社会对矿产资源的大量需求推动了盆地分析领域的快速发展，使得地质学家在多年研究沉积盆地及相关资源过程中形成了盆地分析理论和方法体系。沉积盆地分析不仅可以揭示不同类型化石能源、沉积型层控矿产、砂岩型铀矿等资源的分布规律，为矿产勘探提供直接依据，而且能为大地构造演化过程、重大构造事件、全球环境变迁及气候演变研究提供丰富资料和详细证据。因此，沉积盆地分析为地球动力学研究提供了独特的研究方法，沉积盆地动力学已成为当代地学研究的前沿领域。沉积盆地分析和盆地动力学概念被广泛使用，然而人们对其概念内涵的理解还有差异。在盆地分析中有的强调沉积作用，有的突出构造作用。沉积盆地不是一个简单的构造形迹或几何外形，而

3、是一个被沉积物所充填的地质实体，因此，沉积盆地动力学可以理解为盆地内充填物（包括沉积充填和地层流体）形成过程、演化机制及其控制因素分析，既包括盆地沉积充填、地层流体形成演化及其控制机制分析，也包括直接控制和影响盆地沉积充填和地层流体的地球内、外动力地质作用及其动力学机制分析，是地球动力学的重要组成部分。大气过程地表过程地壳过程深部过程地质学发展早期2、盆地动力学研究历程沉积盆地主要侧重于：沉积充填特征，盆地不同演化阶段的古地理重建。20世纪60-70年代，板块学说提出，从岩石圈板块的相互作用，重新认识沉积盆地的成因和演化。1974年，Dickinson W.R.从板块构造背景认识沉积盆地的成因

4、，并提出了新的分类。80年代以后，探讨盆地形成的板块构造背景、并着眼于盆地演化对油气聚集的控制作用，出版了大量关于沉积盆地分析的系统专著：MiallA.D.盆地分析原理；Einsele G.沉积盆地：演化、相和沉积输入；Busbyand Ingerssol构造和沉积盆地；提出主要盆地类型：离散/被动大陆边缘盆地、克拉通内盆地、活动大陆边缘盆地、前陆盆地和褶皱带、陆内裂谷盆地等；20世纪90年代，提出沉积盆地动力学思想，强调认为准静态的盆地分类学应该走向更具动力学意义，盆地研究应从盆地分类转向盆地形成过程的动力学分析（Dickinson,1993）；1990年，P.A .Allenand J.R

5、.Allen按盆地的动力学模型为核心的专著沉积盆地分析：原理与应用“沉积盆地动力学”纲要（Dickinsonetal.,1994为美国地球动力学委员会USGC编写）：a) 板块构造和地幔对流格架中盆地的形成；b) 盆地演化过程中烃类的生成&运移；c) 现今和古流体的活动及其运移的化学动力学；d) 与构造环境有关的盆地充填和热演化；e) 地下岩石孔渗性的时空变换；存在于盆地中的构造、古气候和海平面变化的记录。沉积盆地分析（sedimentarybasinanalysis）作为地质学中的重要领域，是地质学家以沉积盆地为对象，在多年研究沉积盆地及相关资源过程中所形成的理论和方法体系。从概念的

6、开始提出到原理和方法系统化，已有数年的历史。追根溯源，沉积盆地分析经历了个阶段。2沉积盆地分析早期阶段早在世纪年代初，Potter等发表了古水流与盆地分析专著，率先提出了盆地分析的整体思想，并强调古水流体系在盆地分析中的重要性。随后Conybeare在沉积盆地岩性地层分析中详细论述了沉积盆地岩性地层分析及其系统编图方法。沉积盆地分析的早期发展主要属于沉积学范畴，地质家着重于研究盆地的沉积充填特征和盆地不同演化阶段的古地理重建。2沉积盆地分析综合研究阶段随着板块学说的出现，给沉积盆地研究带来了深刻的影响。人们从岩石圈板块的相互作用中重新认识了沉积盆地的成因和演化，使沉积盆地分析这一学科从概念体系

7、到研究内容都发生了巨大的飞跃。一些学者从板块构造与沉积的相互作用角度提出了新的盆地分类合。自世纪年代以来，有关的国际会议不断召开，同时一系列新的著作相继问世，如Maill主编的沉积盆地分析原理、Einsele主编的沉积盆地：演化、相和沉积输入、Kleinspehn等主编的盆地分析新进展、Allen等主编的盆地分析原理和应用，Lerche主编的盆地分析中的定量方法。另外，也组织编著了各类型盆地，包括离散被动大陆边缘盆地、克拉通盆地、活动大陆边缘盆地、前陆盆地和褶皱带、陆内裂谷盆地等系列专著。我国学者早在世纪年代末开始了断陷盆地分析，并形成了独具特色的研究思路和方法体系，断陷盆地分析与煤聚积规律是

8、当时这一领域的代表作。许多中国学者在陆相盆地和大型叠合盆地领域也出版了大量有特色的著作。2沉积盆地分析蓬勃发展阶段盆地动力学研究阶段世纪年代沉积盆地动力学学术思想的提出，使盆地研究进一步深化。Dickinson提出准静态的（quasi static）盆地分类应该走向更具动力学意义和更具适应性的分类，盆地研究也应从盆地分类转向盆地形成过程的动力学分析，并指出盆地演化常常是多重作用的联合控制，是多种作用的复杂函数。美国地球动力学委员会聘请以Dickinson为首席科学家的专家组编写的沉积盆地动力学提出了具有前瞻性的沉积盆地研究纲要，突出了盆地分析的重大课题应与全球气候变化、流体流动和地球动力学密切

9、结合。该纲要既强调了板块构造和地幔对流系统对盆地形成演化的控制作用，也强调了盆地流体以及盆地中古气候古环境记录的研究。显然，盆地动力学成为地球动力学研究的重要组成部分，更强调盆地形成演化中不同演化过程与动力学机制的理解。不难看出，从盆地分析到盆地动力学研究显示了研究重点从盆地基本要素及静态盆地分析转向盆地的过程、动力机制分析。近多年来，许多国际机构开展了多个多学科的综合性研究项目，年月，以美国地球科学家为首提出了年为期的具有科学导向的“大陆动力学”研究计划，其中大型沉积盆地的成因和演化是重要的科学问题之一。由IUGS和将沉积盆地成因作为主要研究内容开展了持续多年的研究，从年开始几乎每年召开次工

10、作会议。从年开始，国际岩石圈计划以沉积盆地为主要研究任务开展了全球范围内的研究，来自各国大学及研究机构的学者针对大西洋、中东、非洲、环太平洋以及南半球的沉积盆地开展了一系列研讨，如环极地沉积盆地，非洲盆地及其大陆边缘沉降与隆升，墨西哥湾及拉丁美洲与环太平洋盆地动力学，中东、亚洲澳大利亚沉积盆地动力学。近年来国际岩石圈计划资助的计划开展的地球深部与地表过程研究也涉及到大量盆地动力学研究内容。此外，欧洲研究基金会还资助了大量与盆地动力学相关的研究课题，如等。近年来，我国实施了“华北克拉通破坏”和“南海深海过程演变”个重大研究计划，其中盆地动力学分析是这些重大研究计划中的主要内容，相继涌现出一批新的

11、研究成果。3盆地动力学研究内容从沉积盆地分析历程可以看出，盆地分析不断从单一沉积学分析拓展到综合分析，从静态要素分析拓展到过程和动力机制分析。因此，盆地动力学研究内容应包括以沉积学分析为主的盆地充填动力学、以构造地质学分析为主的盆地形成演化动力学和多学科交叉的盆地流体动力学研究。3盆地沉积充填动力学盆地沉积充填分析就是研究盆地内充填物的内部构成、空间展布及其演变规律。一般而言，盆地充填物分析包括个内容：一是充填物的成因及其沉积作用过程分析，也就是沉积体系分析的主要内容；一是充填物的地层属性分析，强调充填物序列、地层格架及沉积体的空间配置，也就是层序地层分析的主要内容。近年来，层序地层学及精确定

12、年技术提出了建立等时地层格架、确定盆地中沉积体系三维配置的理论与方法，大大推动了沉积充填动力学的研究。构造地层学、事件地层学、层序地层学和地震沉积学等相关分支学科的密切结合，揭示了各类构造背景下发育的盆地构造格架和层序地层格架，更好地揭示了构造、海平面变化和沉积物补给等各种动力学因素的影响，也为资源勘查及有利储层及矿层预测提供了坚实的基础。3盆地形成演化动力学沉积盆地形成演化分析就是研究沉积盆地形成演化同期及其后期变形、反转的动力学机制及其演变过程，包括盆地与板块构造格架和地幔深部过程的动力学关系，盆地发展演化各个阶段的动力学背景、控制因素及其对盆地沉积沉降联合，在盆地的不同演化阶段其主要控制

13、作用各异，不同的区域地球动力学背景及复杂的板块活动重组事件往往形成复杂的盆地构造样式。3.3盆地流体动力学盆地流体是指盆地内任何占据沉积物孔隙、裂隙和在其中流动的流体。沉积盆地作为一个动力学演化的整体，随着盆地的形成而不断演化，地层流体形成并随之发生相应的流动，从而构成盆地演化过程中重要的组成部分。盆地流体分析就是试图揭示盆地流体活动以及相关的物理化学作用过程。盆地流体动力学研究可以理解为在沉积盆地范围内，通过对温度场、压力场和化学场等各种物理化学场的综合研究，在流体输导网络的格架下，再现盆地内流体运动过程及其活动规律的多学科综合的研究领域。地质历史时期沉积盆地的形成和演化经历了一个相当复杂的

14、过程，同样地盆地内流体运动也经历了一个复杂的过程。盆地流体活动是控制盆地中物质演变和能量再分配的主导因素，对各类矿藏的形成、聚集具有关键的控制作用。大型层控型金属矿床形成过程中金属元素的活化、迁移和富集与盆地及深部的流体作用有关，油气生成、运移和成藏过程与盆地流体作用等有密切关系。4.1盆地-构造改造在地质历史时期，盆地形成期的完整结构在后期演化中受到构造变形影响和剥蚀破坏，会不同程度地改变原有面貌。Selley(2001)提出Sy depositional basin and Post depositional basin：同沉积盆地：沉积充填阶段盆地的原来面貌；后沉积盆地：改造了的盆地；当

15、改造作用强烈，原沉积盆地大面积被剥蚀后保存下来的盆地为残留盆地。盆地原型和叠合盆地。盆地原型Proto-type或原型盆地：许多盆地是由不同地质时代、不同成因类型的盆地叠合而成的，其形态和边界常由后期相对年轻盆地的构造边界所决定，这些不同时期形成的盆地单元为“盆地原型”。（朱夏，李思田）；何登发等(2004)的盆地原型概念为：“相应于盆地发展的某一个阶段（相当于一个构造层的形成时间），有相对稳定的大地构造环境（如构造背景与深部热体制），有某种占主导地位的沉降机制，有一套沉积充填组合，有一个确定的盆地边界（虽然此边界常常难以恢复）。叠合盆地：由两种或两种以上类型的原型盆地叠加或复合在一起的盆地（

16、王清晨，金之均，2004）；特点：多期盆地、多期改造、多套烃原岩、多次排烃、多次运聚散。叠合盆地：由于各原型盆地形成机制的差异，在构造样式和沉积充填样式上都有显著的区别，其间都有区域性古间断面，此种间断面大多是不整合形式；如四川盆地为典型的叠合盆地4.2盆地沉积与盆地构造à沉积体系域（depositional system stract）是由一系列具有内在成因联系的、同时代的沉积体系所组成的地层单元，其形成受控于全球海平面变化、构造沉降和沉积物供给三者速率之间的相互关系。沉积体系（depositional system）是指在某一时间地层单元内,据物源性质、搬运过程、沉积作用和发育演

17、变等,具内在联系的各个沉积相组成的一个连续体系,并与相邻的体系区分开.沉积相：具有一定岩性、结构、构造特征和古生物标志的沉积物组合。表征了当时的沉积环境沉积盆地内部结构复杂，盆地分析的首要任务之一：识别盆地内的各结构要素，并阐明其配置关系，其中最为主要的是：沉积地层和构造。a) 盆地的等时地层格架和建造单元（沉积地层）b) 盆地的构造格架和构造单元（构造）c) 盆地充填序列及其所记录的沉降历史d) 盆地的基底与深部结构e) 盆地的流体系统f) 盆地演化过程中的能量Figure Error! Main Document Only. 岩性单元的几何形态及其配置关系盆地划分和建立地层序列是盆地分析最

18、为基础的工作，该项工作以标准露头剖面或基准钻井研究为基础，地层格架Stratigraphic framework:是指盆地中地层和岩性单元的几何形态及其配置关系，是一种三维概念。地球物理勘探技术的进步和层序地层学方法的出现，使得盆地研究中能快速地识别不整合间断面及其相应的整合面，划分对比不同级别的层序地层单元，并建立等时地层格架5沉积盆地分析研究对深部结构的关注基底：系指盖层之下古老岩石单元，其性质对盆地成因、演化关系密切，控制盖层沉积结构影响盆山接触关系深部地壳结构与油气生成演化有直接关系FigureError! Main Document Only.盆地记录的大地构造演化信息早期的“沉积盆

19、地分析”：侧重于盆地充填的沉积学研究，并被归为沉积地质学范畴。现代“沉积盆地分析”：汲取了大地构造、构造地质学、地球物理、地球化学和计算机技术等多学科的成就，用以研究沉积盆地的成因、演化、和其中资源的聚集规律。汲取了大地构造、构造地质学、地球物理、地球化学和计算机技术等多学科的成就，用以研究沉积盆地的成因、演化、和其中资源的聚集规律。盆地类型克拉通盆地断陷盆地前陆盆地地质时代古生代中生代早期中新生代中新生代构造作用简单、平缓较复杂、断裂控盆复杂、逆冲断裂发育地应力拉张应力拉张应力挤压应力岩浆活动较微弱较活跃较活跃沉积广泛、未定、相变小较广泛、相变快带状、相变快、坡面呈箕状面积大较大较小形态碟状

20、块状条带状分布分布广泛、各大地块均有分布较广泛、各地块内部及大陆边缘分布不广、主要在造山带前缘油气资源量油气资源潜力巨大油气资源潜力大油气资源潜力较大6.盆地动力分析的新进展盆山结合区三维地震数据，新技术方法：盆山结合区三维地震数据，造山过程与盆地演化响应。可以研究盆地发育与演化的构造背景；盆地沉积物源供给；盆地演化的深部动力过程。7.盆地动力学研究展望沉积盆地动力学是当今沉积盆地研究领域的主要趋向，其目的在于认识盆地成因，揭示其全部演化历史中的动力学过程。已取得的成就源于资源勘查的驱动，源于多学科联合研究和新技术的使用，同时，应用新理论和新技术重新观察和审视沉积盆地的内部构成将带来资源勘查的

21、更大发展。（）地球动力学的快速发展将大大推动盆地动力学发展。盆地动力学将从定性到定量动力学模拟发展。针对盆地有关参数的定量动力学模拟也取得了巨大的进展，早期的一维模拟针对沉降史、热历史、有机质成熟的排烃研究已在石油界成功地普及，目前的三维模拟系统则重点解决流体的运动和油气运移，由于其难度高尚处于探索过程。（）高精度地球物理技术和方法不断更新。高精度的三维成像技术、地震层析成像技术等一系列研究地球内部的地球物理技术不断创新，使得整个地球的内部结构影像分析精确度正日益提高。近年利用天然地震和地球环境噪声进行表面波成像技术为从地表到地幔岩石圈的速度结构以及深部动力学参数反演提供了可能。遥感、等研究地球表层的技术也不断应用于地表形变分析。在盆地和油气领域，许多高精度的地球物理技术提供了盆地整体结构的细节，成为研究盆地地层格架和构造格架最必要的基础。（）国民经济