地热史恢复系统

1、含油气盆地热史恢复方法体系、儿、4一.刖百经查找文献所得，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。正文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

2、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

3、热流史和地层温度史）的恢复不仅对烂源层生烂期次、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

4、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。（镜质体反射率卜裂变径迹、（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

5、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

6、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

7、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(b)图1(c)(a图；工305J)图1(f)图1(d)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

8、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）和钻井一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（实验室卜定性一定量、单井一盆地的关系。其中，采样部署枚关整个

9、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又t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

10、，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

11、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。也合参数占温城取长补短用得益彰异曲同工两条屈走路脚既两只船图2.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

12、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理论上讲，构造热

13、年彳t学研究可以提供65C650c范围内的热历史信息，但在山体隆升研究中主要利用低温的结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、结石裂变径迹和（U-Th）/He热定年为代表的中一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-Th）/He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U、Th衰变产生He发展而来的。通过测量样品中放射性He、U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、结石楣

14、石（U-Th）/He定年。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（75C）,结石He的封闭温度范围为170c190C,楣石范围则为191c218C。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：a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结石（U-Th）/He等定年方法相结合的

15、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K/Ar、Ar/Ar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、盆地古地温演化及烂源岩成熟、生排姓:等研究中。1.2 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

16、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、结石和楣石裂变径迹的封闭温度各不相同。磷灰石裂变径迹的封闭温度范围为110c125C,结石的封闭温度范围为210C240C,楣石的封闭温度范围为265c310C。裂变径迹退火除受控于温度和时间外，还受磷灰石成分、磷灰石蚀刻特征等的影响。近年来，国内外对磷灰石裂变径迹的基础研究日趋深入，其应用领域和范围也在不断扩展。特别是最近10年多来，裂变径迹的基础研究工作在裂变径迹退动力学、退火行为的主要影响和控制因素、多元退火模型、二维及三维热演化史反演等方面取得了较大突破。多元动力学退火模型按照退火动力

17、学参数的不同，将磷灰石分成多个具有不同动力学性质的系列，然后对这些不同的系列分别进行模拟。应用多元动力学退火模型进行模拟分析，恢复的古地温更加准确。2古温标法研究新进展2.1 镜质体反射率方法应用镜质体反射率研究盆地热演化史的方法很多。由于对活化能及时间、温度的作用认识不同，不同方法计算的古地温有一定差异。现今应用的模型主要有6种：Price等仅将镜质体反射率作为温度的函数模型；Hood等将时间与镜质体反射率结合作为经验性的方法模型；Antia等将镜质体反射率作为单一活化能的阿仑尼斯一级化学反应模型；Waples等将镜质体反射率作为阿仑尼斯一级化学反应模型，其具有单一活化能，但活化能是温度的函

18、数；Larter将镜质体反射率作为平行的阿仑尼斯一级化学反应模型，具活化能具高斯分布；Sweeney等提出Easy%Ro模型，将镜质体反射率作为一系列平行的阿仑尼斯一级化学反应，用活化能的一个分布模拟镜质体的所有反应，包括脱水、CO2、CH4及更大分子量姓:类的裂解。Easy%Ro模型可应用于Ro为0.3%4.5%的条件下，加热速率从实验室环境（每星期升高1C）、岩浆侵入环境（每天升高1C）到各种地质环境（每百年升高10c至每百万年升高1C）都可应用该模型。2.2 黏土矿物转变估算古地温近年的研究表明伊蒙问层矿物、高岭石的结构有序性、伊利石和绿泥石的结晶度及绿泥石的化学成分在地热体系中与温度之

19、间均成一定的线性关系，可用来获取沉积岩所经历的成岩作用和热事件的信息。常用的黏土矿物地质温度计有伊蒙问层矿物、伊利石结晶度、绿泥石化学成分等。通过对自生黏土矿物及其转化特征进行系统研究，可获得有关不同地温梯度下镜质体反射率与深度的关系地层的成岩温度、相关古地温梯度资料及其盆地演化信息。对于伊利石结晶度与其形成温度的关系，前人已进行了大量研究。Ji等计算了自生伊利石的形成温度（T）,自生伊利石结晶度（Iic）与其形成温度的关系式为T=3841.98e0.621911c（2）根据伊利石结晶度可以计算样品经历的最高古地温。利用蒙脱石向伊利石转化的热动力学模型可以模拟计算盆地的古地温。MaChi等根据

20、Harvey等的原始数据，建立了计算简便的伊蒙问层中伊利石体积分数与其形成温度的线性表达式Y=0.342+2.737X10-3T（3）式中：Y为伊蒙间层中伊利石体积分数。伊利石结晶度的影响因素包括其生长环境的温度、压力、岩性、钾含量（即水岩组成和岩石孔渗性）以及生长时间，其中温度最为重要。利用伊蒙混层矿物特征来探讨古地温，获取古地温梯度，并恢复剥蚀厚度是一个比较有效的方法。2.3 流体包裹体方法流体包裹体是成岩矿物结晶时所捕获的部分成矿流体，可应用于测定古温度和恢复盆地热历史。流体包裹体按成分可分为原生包裹体、次生包裹体、假次生包裹体和变生包裹体4种。应用包裹体进行研究的3个假设条件为：均一体

21、系，即包裹体形成时，被捕获包裹体内的物质为均匀相；封闭体系，即包裹体形成后，没有物质进入或溢出；等容体系，即包裹体形成后，包裹体的体积没有发生变化。一般认，只有符合这3个基本前提的包裹体测定结果才是有效的和可靠的。流体包裹体应用于确定古地温需要3个方面的资料：详细的岩石学分析建立包裹体形成的相对时间；详细分析含有包裹体岩石的埋藏史和构造史；分析单个包裹体的相态和化学成分，定义捕获流体的压力-体积-温度特性。在对包裹体进行显微镜详细鉴定的基础上，确定待测的包裹体，应用均一法测量其均一温度。均一温度是捕获流体的最低形成温度。目前，均一温度数据是在常压条件下获得的，而包裹体却是在成岩成矿时的温度、压

22、力以及成分等一定的条件下被捕获的，因此，对目前所测均一温度应进行压力的校正，以便接近当时被捕获的物理化学条件，获得包裹体形成时的温度。包裹体内的流体成分控制着流体的基本物理性质一一压力-体积-温度关系，流体成分现在除可以通过冷冻法、压碎法对流体成分和盐度进行估计外，还可以用气相色谱法、离子色谱法、电子探针和激光拉曼光谱法等进行分析。包裹体测温最关键的问题是要确定包裹体形成期次及形成时代；流体活动时间可以从流体包裹体与成岩矿物世代及其共生系列关系及应用流体包裹体中的40Ar39Ar或RbSr测年确定。在确定了包裹体形成期次后，对不同期的包裹体分别进行均一温度测定；包裹体均一温度经过一定的压力校正，即可获得矿物形成或油气运聚时的古地温，从而可获得所在岩层的最大古地温，继而用于确定古地温梯度、埋藏深度、剥蚀厚度，恢复盆地热演化史。三.结语(1)近年来，以磷灰石、结石裂变径迹和(U-Th)/He定年为代表的中一低温热年代学新技术在盆地隆升及热演化研究方面取得了新进展，(U-Th)/He定年方法已成为低温热年代学领域研究的一种重要手段。激光剥蚀-ICPMS法是一种直接进行磷灰石裂变径迹表观年龄测试分析的新方法。(2)目前，各种古温标法对于沉积盆地热演化