盆地沉降与充填史市公开课一等奖省赛课获奖课件

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：何金有中国地质大学（北京）.12盆地沉降与充填史第1页2/40沉降史充填史沉降与充填史分析盆地沉降与充填史第2页盆地沉降与沉积物埋藏沉积物埋藏（盆地大小，几何形态，结构特征）基底沉降盆地形成沉积物充填深入沉降没有沉降就没有盆地，没有盆地就没有石油。盆地沉降与充填史第3页沉降与充填石油地质意义盆地沉降与充填是贯通于沉积盆地演化过程中一对矛盾。沉降速率>充填速率：欠赔偿，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：超赔偿，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：正常赔偿，水体平稳，相带稳定，生物发达，沉积物分选良好；长久沉降浪基面以下（还原环境）形成巨厚源岩沉积。盆地演化普通要经过多旋回沉降－抬升交替改变，从而造成多期生储盖组合！盆地沉降与充填史第4页盆地沉降机制——地球动力学成因热力、重力、应力，一个为主，内外动力地质综合作用其中，由应力、热力作用产生结构沉降是基本沉降，而重荷作用使结构沉降继续发展。盆地沉降与充填史第5页沉降史1、结构原因，岩石圈伸展减薄；2、热力作用原因，岩石圈冷却收缩；3、沉积物负荷引发均衡赔偿作用；4、地壳深部变质作用；5、板内应力作用。沉降史形成机制盆地沉降与充填史第6页7盆地沉降机制①伸展作用、剥蚀、或岩浆侵位造成地壳薄化作用；（拆沉作用）②下地壳和上地幔冷却作用；③地壳和岩石圈沉积和火山负载作用；④地壳和岩石圈结构负载作用；⑤岩石圈板底垫托作用造成下地壳负载作用；⑥下降岩石圈穿入软流圈动力流；⑦高压相变造成地壳密度增大。盆地沉降与充填史第7页8①伸展作用、剥蚀、或岩浆侵位造成地壳薄化作用；（拆沉作用）②下地壳和上地幔冷却作用；③地壳和岩石圈沉积和火山负载作用；④地壳和岩石圈结构负载作用；⑤岩石圈板底垫托作用造成下地壳负载作用；⑥下降岩石圈穿入软流圈动力流；⑦高压相变造成地壳密度增大。

盆地沉降与充填史第8页裂陷盆地：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，热收缩等盆地沉降类型盆地沉降与充填史第9页1、沉降史模型Mckenzie纯剪切模型均衡原理：Airy均衡模式挠曲均衡(Flexure)盆地沉降与充填史第10页Sub-continentallithosphere: stretchingThinningHotterAsthenosphereCoolingDenser盆地沉降与充填史第11页均匀扩张模型（McKenzie1978）盆地沉降与充填史第12页13Ta等温线温度a岩石圈原始厚度盆地沉降与充填史第13页（1）Mckenzie纯剪切模型

——拉张盆地热场转化初始沉降(Si)：岩石圈减薄引发沉降热沉降(Sh)：岩石圈冷却引发沉降结构沉降=初始沉降+热沉降沉降史模型小小大盆地沉降与充填史第14页

原始地质单元被瞬时拉张，宽度变大，厚度变薄。

因为均衡赔偿．软流圈抬升，故1333℃高温热源抬升，致使从地表至软流圈地温梯度变大。

伴随热流传至地表散失，软流圈向下缩回，热扰动逐步衰减，原变热物质逐步冷却，造成岩石圈底部下沉，恢复到拉张前温度场。均匀扩张模型（McKenzie1978）盆地沉降与充填史第15页热流方程为：T为地温，ºCz为以岩石圈底界为原点至地表垂直坐标，cmt为以拉张发生时间为零算起直至今天时间坐标，sx为岩石圈热扩散率，cm2/s,可取为0.008。

h为地表至岩石圈底界深度，cm，可取125*105T1为软流圈温度，ºC，可取为1333。β为岩石圈在水平方向拉伸系数边界条件：初始条件：热衰减过程中岩石圈温度分布与热流盆地沉降与充填史第16页热流公式：岩石圈拉张后温度分布公式：岩石圈拉张后温度分布公式：盆地沉降与充填史第17页

岩石圈拉张变薄及软流圈上隆时，盆地热流值亦对应增加，其大小能够由拉张系数和时间来定量确定。

在最初50Ma地表热流值与拉张系数β很相关系，拉张系数β越大，地表热流值初始值越大。

在50ma以后，不论拉张系数β有多大，地表热流值都将趋于稳定值，即拉张前地表平均热流值。拉伸作用之后热流衰减曲线：盆地沉降与充填史第18页描述了岩石圈对拉伸作用基本响应，把拉伸盆地沉降分解为同裂陷期和裂后期沉降，提出了拉伸指数概念。

该模型为瞬时拉张模型，数学方程以热传导为基础，仅适合用于拉张型盆地。初始沉降：岩石圈减薄引发沉降

冷却沉降：岩石圈冷却引发沉降Mckenzie模型小结：盆地沉降与充填史第19页在缺乏深部地质资料情况下难以确定出与实际情况一致理论模型。在模型实际应用时未考虑岩石圈放射性元素生热效应。优点：模型简单，能够利用取得古热流改变模型预测无钻井地域地层热史，而且能够得到与大地结构发育、沉积盆地演变等地质条件吻合结论。不足：均匀拉张模式评价（McKenzie）盆地沉降与充填史第20页盆地沉降与充填史第21页盆地沉降与充填史第22页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。盆地沉降与充填史第23页两种经典伸展模式盆地沉降与充填史第24页Hantschel等（）提出了高级McKenzie模式（advancedMcKenzieapproach）：先基于Airy均衡原理和回剥方程，综合现今盆地几何形态、地层年纪及剥蚀厚度等恢复载水盆地“理论结构沉降”；然后在充分考虑地壳与上地幔岩石圈不一样岩石学流变特征及放射性生热情况下，推导盆地“计算结构沉降”，并与“理论结构沉降”进行拟合，得出伸展因子可能取值范围，进而恢复一维盆地热史。盆地沉降与充填史第25页盆地基底对负荷响应可分为两种模式:点赔偿模式，又叫局部模式或Airy模式面板赔偿，即挠曲（flexure）模式盆地沉降与充填史第26页（2）Airy均衡模式

——点赔偿沉降史模型地幔软流圈之上岩石圈是由一系列上浮柱体所组成,依据浮力原理，各柱体表面力在地幔某深度界面上到达静水平衡。盆地沉降与充填史第27页（2）Airy均衡模式

——点赔偿Iw+Cc+Mm

=Hs+Cc+(M-DL)mDL——负荷沉降沉降史模型ρs—沉积层密度ρm—地幔密度ρw—水密度ρc—岩石圈密度假定岩石圈没有弹性厚度盆地沉降与充填史第28页DL——负荷沉降DL=————*H

m-ws-w结构沉降DT=总沉降-负荷沉降DL

DT——结构沉降DT=————*H

m-wm-s沉降史模型ρs—沉积层密度ρm—地幔密度ρw—水密度ρc—岩石圈密度盆地沉降与充填史第29页Watts（1982）认为因为岩石圈含有一定刚度，在加载后出现地壳变形响应实际上是挠曲均衡。挠曲均衡模式认为：基底对负荷响应是受力弯曲弹性板，其均衡赔偿不但发生在负荷点上，而且分布在一个比较大范围内。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。因为负荷是由一个面而非一个点来承载，故该模式得出负荷沉降要小于Airy模式得出沉降，而且各类沉降幅度与其到负荷点距离相关。（3）挠曲均衡(Flexure)—面板赔偿沉降史模型盆地沉降与充填史第30页（3）挠曲均衡(Flexure)—面板赔偿沉降史模型局部均衡区域均衡盆地沉降与充填史第31页挠曲刚度：D=ETe3/12(1-v2)E-杨氏模量V-泊松比Te-梁弹性厚度盆地沉降与充填史第32页（3）挠曲均衡(Flexure)——面板赔偿沉降史模型盆地沉降与充填史第33页考虑海平面改变挠曲均衡：DT——结构沉降，__挠曲响应系数；Wd—古水深；△

SL—海平面改变。代表基底对负载响应，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沉降史模型盆地沉降与充填史第34页总沉降=结构沉降+负荷沉降=沉积物厚度+古水深沉降史模型盆地沉降与充填史第35页沉降模拟模型挠曲回剥是用现今横剖面逐步移去最上部地层单元来恢复盆地张裂后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热沉降模型，还包含沉积物去负载，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、侵蚀和岩石圈热扰动盆地沉降与充填史第36页沉降模拟模型FlexDecompaction采取改进二维挠曲回剥，经过已知地震剖面地层导入来重建张裂后盆地热沉降历史；防止了一维回剥中只依赖于单井资料不足；还应用了挠曲均衡，反演热模拟等新技术，不但能更加好恢复地层原有形态，还能够对盆地相关控制参数有更加好了解和认识Stretch应用了弹性梁理论并加入了挠曲均衡原理，经过输入横向改变拉张量来进行模拟，能很好表现盆地形态受断裂作用控制。还能够正演模拟盆地从基底形成到张裂，以至张裂后热沉降一系列过程盆地沉降与充填史第37页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盆地沉降与充填史第38页所需参数结构: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、被侵蚀物质密度断层：几何形态、位置、属性沉降模拟模型盆地沉降与充填史第39页

STRETCH盆地沉降与充填史第40页Flex:Presentsectionandbetaprofiles盆地沉降与充填史第41页FlexDecomp:Layers1and2removed盆地沉降与充填史第42页正演盆地沉降与充填史第43页敏感性测试Te＝3km适当盆地沉降与充填史第44页沉降史充填史沉降与充填史分析盆地沉降与充填史第45页充填史影响原因不一样类型盆地充填史二、充填史分析盆地沉降与充填史第46页盆地沉降与充填史第47页盆地沉降与充填史第48页Accommodation盆地沉降与充填史第49页【公式】Δaccommodation=Δeustasy+Δsubsidence+Δcompaction相对海平面改变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

ΔaccommodationRelativesealevelchange同时改变可容空间就是可供沉积物堆积潜在空间(JerveyM.T.,1988),包含老空间(早期未被充填而遗留空间)和新增可容空间(沉积过程中形成空间),是盆地沉降或隆升、湖平面改变等原因综合作用结果,是控制沉积盆地充填主要原因之一。盆地沉降与充填史第50页盆地沉降与充填史第51页Howtheycontrolthebasinfilling?结构非结构岩石圈板块间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分布深入促使盆地下沉沉降作用1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降与充填史第52页Howtheycontrolthebasinfilling?全球海平面改变

沉积物对洋盆充填造山运动时期地壳收缩大洋扩张脊体积改变小型洋盆蒸干大陆冰源生长和消亡地球形体和水圈体积改变大洋温度和大气圈湿度改变垂直结构运动……短期海平面改变：影响沉积作用范围较小，可造成较高沉积速率沉积作用长久海平面改变：对造山作用、沉积作用及沉积物压实、火山活动等产生主要影响1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降与充填史第53页Howtheycontrolthebasinfilling?沉积供给量气候结构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1Factorscontrollingbasinfilling

盆地沉降与充填史第54页Geometricmodelresults盆地沉降与充填史第55页2.不一样类型盆地充填史ExtensionalBasinForelandBasinPull-apartBasin盆地沉降与充填史第56页2Riftmarginmodel盆地沉降与充填史第57页盆地沉降与充填史第58页盆地沉降与充填史第59页BaltimoreCanyonMargin盆地沉降与充填史第60页盆地沉降与充填史第61页盆地沉降与充填史第62页盆地沉降与充填史第63页盆地沉降与充填史第64页盆地沉降与充填史第65页盆地沉降与充填史第66页盆地沉降与充填史第67页盆地沉降与充填史第68页盆地沉降与充填史第69页盆地沉降与充填史第70页盆地沉降与充填史第71页盆地沉降与充填史第72页盆地沉降与充填史第73页Crosssectionandseismiclinesoftypicalhalfgraben盆地沉降与充填史第74页Sedimentaryresponsetoactivefaulting盆地沉降与充填史第75页Idealizedriftstratigraphy盆地沉降与充填史第76页Idealizedriftseismicmodel盆地沉降与充填史第77页主物源方向掀斜结构对沉积物源影响伴随断块掀斜与滚动变形活动加强，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域趋势，所以，下盘断块不能向上盘盆地域提供大量物质；而上盘断块掀斜与滚动变形使得地表坡向有指向上盘盆地域趋势，所以，上盘断块掀斜抬升区域就成为盆地主要物源区，即箕状断陷盆地向造山带一侧结构斜坡是盆地主要物源区

边界断层活动、斜坡一侧物源多少以及和演化阶段等箕状断陷结构—沉积充填模式与含油气系统特征

盆地沉降与充填史第78页盆地沉降与充填史第79页2.不一样类型盆地充填史ExtensionalBasinForelandBasinPull-apartBasin盆地沉降与充填史第80页ForelandBasin盆地沉降与充填史第81页盆地沉降与充填史第82页盆地沉降与充填史第83页弧后前陆盆地盆地沉降与充填史第84页TwoPhasemodelbyHelleretal.(1988)Synorogenicphasetectonicsubsidencegravelbodiesoccuradjacenttothethrustbeltfine-grainedsedimentsdepositedindistalregionsPostorogenicphaseerosionandreboundgravelsredepositedindistalregions前陆盆地演化两个阶段盆地沉降与充填史第85页FlyschVsMolasse复理石Vs.磨拉石盆地沉降与充填史第86页盆地沉降与充填史第87页盆地沉降与