不整合面地层抬高与剥蚀厚度估算

不整合面地层抬高与剥蚀厚度估算

其他影响因素dow（1977）提出了利用显微镜反射率（ro）计算非整合层剥削厚度的方法，在石油和地质领域得到了广泛应用。该方法将不整合面上、下构造层中Ro随深度的“跳跃”完全归结为不整合面地层剥蚀的影响,这显然是不全面的。事实上,Ro值随深度的不连续分布还可能是由于地史时期古地热梯度变化的影响。更值得注意的是,按Dow的方法估算出来的厚度并非不整合面地层剥蚀厚度,其物理意义只是相当于正断层错动造成的地层缺失厚度。本文介绍利用Ro数据计算古地热梯度和不整合面地层剥蚀量的方法,并通过对Dow(1977)钻井数据的再评估,演示了这一方法的实际操作过程,并阐释了Dow的方法的物理意义。为了使操作简便易行,文中还提供了利用根据地层埋藏年龄和实测Ro数据读取最高古地温的Ro-T-t类型曲线图解。roi地层古地温Ro本身与地层剥蚀厚度并无直接关联,控制Ro值大小的是地层中有机质的埋藏温度和时间以及有机质的类型。由于温度在其中起着决定性作用,所以Ro与剥蚀厚度或地层埋深的联系是通过温度来关联的。当Ro数据随深度的分布存在不连续的跳跃时,只有在这种不连续(增加)并非断层错动引起,而确因不整合面地层剥蚀所引起的情况下,这种不连续分布才意味着不整合面下伏构造层较上覆构造层经历了更高的古地温,这是利用Ro值恢复古地热梯度和估算剥蚀厚度所必须满足的条件。利用Ro值估算剥蚀厚度时,首先应将Ro值转换成最高古地温值,然后求取古地热梯度,这样一方面考虑了埋藏时间对Ro值的效应,另一方面体现了地史时期古地热梯度随时间的变化。将Ro数据转换成最高古地温的动力学模型或经验关系颇多(如Hood,1975),但目前国际上广为接受的是Burham和Sweeney(1989年)提出的平行化学反应模型。在一条含有不整合面并因此而存在一个或多个构造层的钻井或地表地层剖面中,每一个构造层内所有地层达到最高古地温的时间是统一的,但不同构造层之间的地层达到最高古地温的时间可能相同,也可能不相同。当受古地热梯度变化和(或)不整合面地层剥蚀厚度的影响,不同构造层达到最高古地温的时间不一致时,即可利用Ro数据恢复古地热梯度和估算剥蚀厚度。古地温恢复和剥蚀厚度估算的原理方法归纳为图1。图1b代表了一条包含有2个不整合面,亦即3个构造层的钻井剖面。图1a为2个不整合面剥蚀厚度分别为E1和E2时的地层埋藏史。在图1c中,3个构造层中的Ro数据已经转换成了最高古地温值,分别将这3个古地温数据进行线性回归后可得到3个构造层各自达到最高古地温时的古地热梯度(dT/dZ)1、(dT/dZ)2、(dT/dZ)3和相应的古地表温度T1s、T2s、T3s。与今地热梯度(dT/dZ)0比较(图中虚线),第一个构造层中Ro数据所记录的古地热梯度与现今地热梯度平行且温度剖面重合,表明该构造层现今处于最高古地温;第二个构造层中的Ro数据所记录的最高古地温与上覆构造层在不整合面处呈不连续分布,且地温剖面与上覆构造层的温度剖面斜交,说明第二个构造层达到最高古地温时(t1)的古地热梯度较高。由于第二个构造层中古地温剖面顶界处的古地温(T2i)大于该构造层达到最高古地温时的古地表温度(T2s),表明该构造层顶部第一个不整合面存在剥蚀,相应的剥蚀厚度为E2=(T2i−T2s)/(dT/dZ)2E2=(Τ2i-Τ2s)/(dΤ/dΖ)2第三个构造层与第二个构造层的关系和第二个构造层与第一个构造层的关系相似,计算第二个不整合面上剥蚀厚度的方法亦相同。假如第三个构造层中的古地温剖面与第二个构造层中的古地温剖面不是斜交而是平行,则表明这两个构造层达到最高古地温时(分别为t1和t2)的古地热梯度是相同的,导致Ro值不连续分布的原因只是由于第二个不整合面上交点的剥蚀厚度。Dow井下数据的再评估Dow(1977)根据Ro数据在不整合面上、下构造层中的不连续分布,将下伏构造层中的Ro值与深度关系的回归直线上延至与上覆构造层底界处的Ro值重合,从而估算出他文中实例钻井剖面中位于3.6km深度处的不整合面的剥蚀厚度为500m(见图2a)。表1列出了Dow(1977)的Ro数据及根据Burham和Sweeney(1989)的Ro动力学模型计算的对应于Ro值的最高古地温值。将上、下两个构造层中的古地温数据分别进行线性回归,得到上部构造层达到最高古地温时的古地热梯度为27℃/km、地表温度为10℃,深部构造层达到最高古地温时的古地热梯度为46.3℃/km、地表温度为10℃(见图2c)。根据Dow(1977)文中的井底温度(BHT)校正结果计算出的现今地热梯度为27℃/km。由于上部构造层达到最高古地温时的古地热梯度与现今地热梯度相同,且温度剖面几近重合,显然,上部构造层现今处于它的最高古地温状态;深部构造层中的最高古地温剖面在不整合面处与上覆构造层的古地温剖面错开并斜交,表明该构造层达到最高古地温时的地热梯度较上覆构造层大,达到的古地温亦较高。回归出的古地热梯度为46.3℃/km,达到最高古地温时的地表温度为10℃,而其古地温剖面于不整合面处的古地温为148℃,显著大于达到最高古地温时的古地表温度(恒温带温度),因此该构造层顶部在达到最高古地温时应存在一定的埋藏深度,亦即该构造层顶部的不整合面有过地层剥蚀。介于上第三系和白垩系地层间的不整合面上的剥蚀厚度E=(148-10)/46.3=2980m。注意不整合面上、下两个构造层达到最高古地温时的古地热梯度存在显著的变化。该结果明显大于Dow(1977)方法得出的500m剥蚀厚度。只要注意到以下事实就能理解为何Dow的实例井中,3.6km深度处不整合面上的剥蚀厚度应该是2.98km,而非500m。首先,该井深部构造层顶界处的Ro值约为0.95%,该值对应的最高古地温为149℃。由于第二个构造层达到最高古地温的时间与第一个构造层不同(并非现今),尽管当时的古地热梯度较大(46.3℃/km),其顶界500m的埋深所能达到的古地温亦只是10℃+(46.3℃/km)×500m/1000m=33.15℃,对应的Ro值不超过0.3%,远小于下伏构造层顶界上的Ro值(0.95%);其次,如果不整合面上、下构造层中的Ro数据呈不连续分布(分段线性),且下伏构造层中的Ro值偏高,如果这种“跳跃”并非断层错动或者水热活动等其它因素所造成,则表明下伏构造层早于上覆构造层达到了最高古地温,并且其所经历的古地温高于上覆构造层底界处经历的最高古地温,那么下伏构造层中有机质的高成熟度只取决于它达到最高古地温时所处的最高古温度,而不再受上覆构造层沉积时所经历的较低温度的影响。后者正是Dow(1977)方法低估了剥蚀厚度的原因所在。因为他将中生代构造层中有机质的成熟度与晚第三纪构造层中的成熟度相关联,认为如果不存在剥蚀,二者应该是随深度呈连续分布,这构成了Dow(1977)方法的理论基础,但事实上,下伏构造层中Ro值的大小与上覆构造层完全无关。下面分析Dow(1977)估算出的500m地层厚度所代表的物理意义所在。图2b说明了Dow估算出的500m厚度所代表的物理意义之一,即代表着正断层错动造成的地层缺失厚度。换一个角度看,如果断层上、下盘地层所对应的地史时期古地热梯度变化不大,那么利用断层面上、下Ro数据的跳跃确定断层造成的断层缺失厚度倒是一种可行的方法。Dow(1977)利用Ro数据估算出的500m厚度的另一个物理意义是它代表等效剥蚀厚度的“不足”部分。即3.6km深度处不整合面的剥蚀厚度等于不整合面现今埋深(或上覆构造层底界深度)加上根据Dow方法估算出的“剥蚀厚度”。于是可得剥蚀厚度为:3600m+500m=4100m。该值略大于本文方法,原因在于这种估算隐含了一个重要假定:古地热梯度保持恒定。但该假定条件并不为Dow(1977)所给出的实例所满足,因为前面已计算出上、下构造层中Ro数据所记录的古地热梯度存在明显变化,这一点也可从上、下构造层中Ro值随深度变化的梯度看出,Ro值随深度增加的梯度越大,相应的古地热梯度也越大。因此,如果上、下构造层中Ro值随深度分布剖面近于平行,完全可以直接利用Ro数据根据Dow(1977)方法计算出不足厚度后,加上不整合面埋深即得到不整合面剥蚀厚度,而无须进行Ro-Tmax转换。成镜质体反射率类型曲线图的转换如果不整合面上、下构造层中的Ro数据剖面不平行,或者不整合面的时间跨度比较大,以致时间对Ro的效应不容忽视,那么最好还是先将Ro值转换为最高古地温,确定古地热梯度后再估算剥蚀厚度。为方便起见,现根据Burham和Sweeney(1989)提出的Ro动力学模型,制成镜质体反射率(Ro)-最高古地温(T)-埋藏时间(t)类型曲线图,读者可利用该图进行Ro-T的转换。图3假定地层开始沉积时的初始Ro值为0.2%(地表温度为15℃)。时间t的确定有两种方式,一是从采样地层沉积开始,至地层达到最高古地温后开始降温为止的时间,即不整合面上剥蚀地层剥蚀开始的时间,如果剥蚀地层沉积结束的时间不易确定,可取不整合面时间跨度的中间值;二是取采样层达到最高古地温后保持该温度的时间,即有效加热时间,但该时间更难确定。本文建议取前一种方式。需要说明的是,制作图3时假定地层从沉积开始至达到最高古地温的过程是线性增温过程,这与地层实际的埋藏路径及相应的增温率是有所差异的,但其影响相当有限(小于1℃)。应该指出,Ro-T-t类型曲线图虽然提供了一个较为简便的确定最高古地温的途径,但存在一定的简化,如果有条件,还是应该通过计算机软件的开发来更精确地计算(笔者已开发了相应的软件)。不同层次的ro数据转换与“剥蚀厚度”的计算以上分析表明,Dow(1977)提出的直接利用Ro数据估算不整合面地层抬升与剥蚀量的方法缺乏理论基础,该方法给出的计算结果并非不整合面地层剥蚀厚度,其物理意义之一相当于正断层错动造成的地层缺失厚度。由于该方法曾得以广泛应用,应引起研究和生产单位的足够重视。如果在不整合面上、下构造层Ro数据随深度的变化存在跳跃或间断,且该跳跃并非断层错动等其它因素的影响所致,那么Ro数据明确地指示了不整合面代表的沉积间断时间剥蚀的存在,但数据跳跃的幅度并不决定剥蚀厚度的大小,下伏构造层顶界上的Ro绝对值才决定了剥蚀厚度的大小。这种情况下,Ro数据近于连续分布也不能说明不存在剥蚀。Ro数据仍然可用于不整合面剥蚀厚度的估算,但由于通常情况下,古地热梯度是变化的,因此应先将Ro值转换为最高古地温,求取古地热梯度后,再估算剥蚀厚度,除非上、下构造层中Ro数据剖面呈平行关系。当不整合面上、下构造层中的Ro数据剖面呈平行关系时,可直接利用Ro数据确定不整合面剥蚀厚度。但剥蚀量应等于不整合面上覆全部地层厚度与用Dow(1977)方法计算出的“剥蚀厚度”之和。利用Ro-T转换后取得的古地热梯度代表了对应于构造层中地层平均热导率的平均地热梯度,忽略了地层热导率的垂向变化。由于地层埋藏压实过程中热导率是变化的,古地热梯度的变化可能包容了热导率的变化,如当地层经历较大埋深后遭受抬升剥蚀,此时与地层的较大压实及浅层较低热导率层的剥蚀而使得平均热导率偏高,地热梯度将相应地较小,因此地热梯度的变化未必反映了盆地热状态的变更。应该指出的是,由于热流值包容了地热梯度和岩石热导率两个变量,是一个综合物理参数,它更能体现盆地的热状态。由于剥蚀厚度计算时是将现今残留地层中Ro数据所反映的古地热梯度替代剥蚀地层的地热梯度