5盆地沉降与充填史

1、盆地沉降与充填史分析盆地分析基础： 第三讲：五史分析讲课老师：何金有2012.121沉降史充填史沉降与充填史分析2盆地的沉降与沉积物的埋藏 沉积物埋藏（盆地的大小，几何形态，构造特征）基底的沉降盆地的形成沉积物的充填进一步沉降没有沉降就没有盆地，没有盆地就没有石油。沉降与充填的石油地质意义盆地的沉降与充填是贯穿于沉积盆地演化过程中的一对矛盾。沉降速率充填速率：欠补偿，水进层序，正旋回；快速埋藏， 还原环境，有利成烃。沉降速率充填速率：超补偿，水退层序，反旋回；粗碎屑， 氧化环境，不利成烃。沉降速率充填速率：正常补偿，水体平稳，相带稳定，生物 发达，沉积物分选良好；长期沉降浪基面 以下（还原环境

2、）形成巨厚源岩沉积。盆地演化一般要经过多旋回的沉降抬升交替变化，从而导致多期生储盖组合！盆地的沉降机制地球动力学成因热力、重力、应力，一种为主，内外动力地质综合作用 其中，由应力、热力作用产生的构造沉降是基本的沉降，而重荷作用使构造沉降继续发展。沉降史1、构造因素，岩石圈伸展减薄；2、热力作用因素，岩石圈冷却收缩；3、沉积物负荷引起的均衡补偿作用；4、地壳深部的变质作用；5、板内应力作用。沉降史的形成机制盆地沉降的机制 伸展作用、剥蚀、或岩浆侵位导致的地壳薄 化作用；（拆沉作用） 下地壳和上地幔的冷却作用； 地壳和岩石圈的沉积和火山的负载作用； 地壳和岩石圈的构造负载作用； 岩石圈的板底垫托作

3、用导致下地壳负载作用； 下降岩石圈穿入软流圈的动力流； 高压相变导致的地壳密度增大。 7 伸展作用、剥蚀、或岩浆侵位导致的地壳薄化作用；（拆沉作用） 下地壳和上地幔的冷却作用； 地壳和岩石圈的沉积和火山的负载作用； 地壳和岩石圈的构造负载作用； 岩石圈的板底垫托作用导致下地壳负载作用； 下降岩石圈穿入软流圈的动力流； 高压相变导致的地壳密度增大。 8裂陷盆地：拉张应力，地幔热膨胀，地壳减薄， 重荷作用。（主动裂谷，被动裂谷）压陷盆地：挤压应力，热收缩，岩石圈挠曲， 重荷作用。（板块俯冲、碰撞）走滑盆地：剪切应力，热收缩，重荷作用克拉通盆地：板内应力，壳幔相变，热收缩等盆地的沉降类型1、沉降史的

4、模型Mckenzie纯剪切模型均衡原理：Airy均衡模式挠曲均衡(Flexure)Sub-continental lithosphere:stretching Thinning Hotter Asthenosphere Cooling Denser均匀扩张模型（McKenzie 1978）Ta 等温线温度a 岩石圈原始厚度13（1）Mckenzie纯剪切模型 拉张盆地热场转化初始沉降(Si)：岩石圈减薄引起的沉降热沉降(Sh)：岩石圈冷却引起的沉降构造沉降 = 初始沉降 + 热沉降沉降史的模型小小大 原始地质单元被瞬时拉张，宽度变大，厚度变薄。 由于均衡补偿软流圈抬升，故1333的高温热源抬升

5、，致使从地表至软流圈的地温梯度变大。 随着热流传至地表散失，软流圈向下缩回，热扰动逐渐衰减，原变热的物质逐渐冷却，导致岩石圈底部下沉，恢复到拉张前的温度场。均匀扩张模型（McKenzie 1978）热流方程为： T为地温，Cz为以岩石圈底界为原点至地表的垂直坐标，cmt为以拉张发生时间为零算起直至今天的时间坐标，sx为岩石圈的热扩散率，cm2/s,可取为0.008。 h为地表至岩石圈底界的深度，cm，可取125*105T1为软流圈的温度，C，可取为1333。为岩石圈在水平方向的拉伸系数 边界条件：初始条件：热衰减过程中的岩石圈温度分布与热流 热流公式：岩石圈拉张后的温度分布公式：岩石圈拉张后的

6、温度分布公式： 岩石圈拉张变薄及软流圈上隆时，盆地的热流值亦相应增加，其大小可以由拉张系数和时间来定量确定。 在最初的50Ma地表热流值与拉张系数很有关系，拉张系数越大，地表热流值的初始值越大。 在50ma以后，不管拉张系数有多大，地表热流值都将趋于稳定值，即拉张前的地表平均热流值。拉伸作用之后热流衰减的曲线 ： 描述了岩石圈对拉伸作用的基本响应，把拉伸盆地的沉降分解为同裂陷期和裂后期沉降，提出了拉伸指数的概念。 该模型为瞬时拉张模型，数学方程以热传导为基础，仅适用于拉张型盆地。 初始沉降：岩石圈减薄引起的沉降 冷却沉降：岩石圈冷却引起的沉降Mckenzie 模型小结： 在缺少深部地质资料的情

7、况下难以确定出与实际情况一致的理论模型。在模型实际应用时未考虑岩石圈的放射性元素的生热效应。优点： 模型简单，可以利用获得的古热流变化模型预测无钻井地区地层的热史，并且能够得到与大地构造发育、沉积盆地演变等地质条件吻合的结论。局限性：均匀拉张模式的评价（McKenzie）脆性上地壳以断裂变形；塑性下地壳以纯剪弹性流变形；塑性地幔岩石圈以纯剪变形。两种典型的伸展模式Hantschel 等（2009）提出了高级McKenzie 模式（advanced McKenzie approach）：先基于Airy 均衡原理和回剥方程，综合现今盆地几何形态、地层年龄及剥蚀厚度等恢复载水盆地的“理论构造沉降”；

8、然后在充分考虑地壳与上地幔岩石圈不同的岩石学流变特性及放射性生热的情况下，推导盆地的“计算构造沉降”，并与“理论构造沉降”进行拟合，得出伸展因子可能的取值范围，进而恢复一维盆地热史。盆地基底对负荷的响应可分为两种模式:点补偿模式，又叫局部模式或Airy模式面板补偿，即挠曲（flexure）模式（2）Airy均衡模式 点补偿沉降史的模型地幔软流圈之上的岩石圈是由一系列的上浮柱体所构成,根据浮力原理，各柱体表面力在地幔某深度界面上达到静水平衡。（2）Airy均衡模式 点补偿Iw+C c+ M m =Hs+C c+ (M - DL)mDL负荷沉降沉降史的模型s沉积层密度m地幔的密度w水的密度c岩石圈

9、的密度假定岩石圈没有弹性厚度DL负荷沉降DL = * H m - ws - w构造沉降DT= 总沉降 - 负荷沉降DL DT构造沉降DT = * H m - wm - s沉降史的模型s沉积层密度m地幔的密度w水的密度c岩石圈的密度Watts（1982）认为由于岩石圈具有一定的刚度，在加载后出现的地壳变形响应实际上是挠曲均衡。挠曲均衡模式认为：基底对负荷的响应是受力弯曲的弹性板，其均衡补偿不仅发生在负荷点上，而且分布在一个比较大的范围内。该模式认为上覆载荷一部分由地幔浮力承载，另一部分则由岩石圈来承载。由于负荷是由一个面而非一个点来承载，故该模式得出的负荷沉降要小于Airy模式得出的沉降，而且各

10、类的沉降幅度与其到负荷点的距离有关。（3）挠曲均衡(Flexure)面板补偿沉降史的模型（3）挠曲均衡(Flexure)面板补偿沉降史的模型局部均衡区域均衡挠曲刚度：D=ETe3/12(1-v2)E-杨氏模量V-泊松比Te-梁的弹性厚度 （3）挠曲均衡(Flexure)面板补偿沉降史的模型考虑海平面变化的挠曲均衡：DT构造沉降， _挠曲响应系数；Wd 古水深； SL 海平面变化。 代表基底对负载的响应，当岩石圈弹性系数很小时， 1，即为艾利模式。DT = ( * H - * SL ) + ( Wd - SL )m - sm - wm - ww沉降史的模型总沉降 =构造沉降 +负荷沉降 =沉积物

11、厚度+古水深沉降史的模型沉降模拟模型挠曲回剥是用现今的横剖面逐渐移去最上部的地层单元来恢复盆地张裂后的结构和地层几何特征。这种模拟技术整合了挠曲均衡和反演的热沉降模型，还包括沉积物去负载，脱压实作用。 弹性梁模型完善了张裂盆地正演模型中同张裂和裂后的结构和地层特征。模型整合了挠曲均衡、压实、沉积负载、侵蚀和岩石圈的热扰动 沉降模拟模型Flex Decompaction采用改进的二维挠曲回剥，通过已知地震剖面地层的导入来重建张裂后盆地的热沉降历史；避免了一维回剥中只依赖于单井资料的局限性；还应用了挠曲均衡，反演热模拟等新技术，不仅能更好恢复地层原有形态，还可以对盆地相关控制参数有更好的理解和认识

12、 Stretch应用了弹性梁理论并加入了挠曲均衡原理，通过输入横向变化的拉张量来进行模拟，能很好的表现盆地形态受断裂作用的控制。还可以正演模拟盆地从基底形成到张裂，以至张裂后热沉降的一系列过程模 拟 过 程设 定 参 数建 立 模 式模 拟结 果修改参数沉降模拟模型所需参数构造:张裂历史、水动型模式地壳:厚度、有效弹性厚度、脆性层厚度、最大弯曲力矩岩石圈:地幔密度、地壳密度、水的密度、软流圈温度、热膨胀系数沉积物:孔隙度、压实率、基质密度、被侵蚀物质的密度断 层：几何形态、位置、属性沉降模拟模型 STRETCHFlex: Present section and beta profilesFle

13、x Decomp: Layers 1 and 2 removed正演敏感性测试Te3 km合适沉降史充填史沉降与充填史分析充填史的影响因素不同类型盆地的充填史二、充填史分析Accommodation【公式】accommodation = eustasy + subsidence + compaction相对海平面变化可容空间减小可容空间增大盆地沉降 海平面升降 沉积供给量accommodationRelative sealevel change同步变化可容空间就是可供沉积物堆积的潜在空间(J erveyM. T. , 1988) , 包括老空间(早期未被充填而遗留的空间) 和新增可容空间(沉积

14、过程中形成的空间) , 是盆地沉降或隆升、湖平面变化等因素综合作用的结果, 是控制沉积盆地充填的主要因素之一。How they control the basin filling ?构造非构造岩石圈板块间的相互作用热作用相转换 沉积负荷古水深海平面升降 控制了盆地沉积作用控制了沉积物的分布 进一步促使盆地下沉 沉降作用1 Factors controlling basin filling How they control the basin filling ?全球海平面变化 沉积物对洋盆的充填造山运动时期地壳的收缩大洋扩张脊体积的变化小型洋盆的蒸干大陆冰源的生长和消亡地球形体和水圈体积的变化大

15、洋温度和大气圈湿度变化垂直构造运动短期的海平面变化：影响沉积作用的范围较小，可造成较高沉积速率的沉积作用 长期海平面变化：对造山作用、沉积作用及沉积物压实、火山活动等产生重要影响 1 Factors controlling basin filling How they control the basin filling ?沉积供给量气候构造活动基岩地质特征盆地水化学特征控制沉积物分布控制沉积环境和水深 1 Factors controlling basin filling Geometric model results2. 不同类型盆地的充填史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主物源方向掀斜构造对沉积物源的影响随着断块掀斜与滚动变形活动的加强，下盘掀斜与滚动变形使得下盘断块地表坡向有背向上盘盆地区的趋势，因此，下盘断块不能向上盘盆地区提供大量的物质；

17、而上盘断块的掀斜与滚动变形使得地表坡向有指向上盘盆地区的趋势，因此，上盘断块的掀斜抬升区域就成为盆地的主要物源区，即箕状断陷盆地的向造山带一侧的构造斜坡是盆地的主要物源区 边界断层的活动、斜坡一侧物源的多少以及和演化阶段等箕状断陷构造沉积充填模式与含油气系统特征 2. 不同类型盆地的充填史Extensional BasinForeland BasinPull-apart BasinForeland Basin弧后前陆盆地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前陆盆地演化的两个阶段Flysch Vs Molasse复理石 Vs. 磨拉石 Beaumont, 1981Meng et al., 2005J1b, 白田坝组2. 不同类型盆地的充填史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