利用ro数据恢复剥蚀厚度的最高古地温法

利用ro数据恢复剥蚀厚度的最高古地温法

地层侵蚀是沉积盆地形成过程中常见的地质现象。剥蚀厚度的大小可以对盆地内的油气运移、聚集和保存产生重要影响。例如,东海盆地西湖凹陷古近系至新近系,中央带南部地层剥蚀厚度不大,适度的反转剥蚀不仅形成了有利于油气聚集的构造圈闭,而且还有利于油气的运移和聚集,目前已在这一带发现了一系列含油气圈闭;而北部地层剥蚀强烈,破坏了油气的盖、储条件甚至烃源岩,造成大量的油气泄漏和逸散,所以含油性相对不好(刘景彦等,1999)。剥蚀厚度的大小主要受控于地形高差、遭受剥蚀的地层岩性特征及气候等因素。但当具体到某一特定地区特定层位时,剥蚀厚度的大小则可能主要受控于某一具体的地质因素。例如,江汉盆地古近系和新近系之间的不整合面在形成过程中,盆地范围内各地区的气候和遭受剥蚀的地层岩性特征差异并不大。因此,可以用该不整合面处地层剥蚀厚度的横向变化来反映该盆地剥蚀前的地形特征。这为进一步开展古构造重建和沉积发育史等研究提供了重要的前提(卢明国和童小兰,2004;刘学锋等,1999)。另外,在Vail一类沉积层序低位期广泛曝露的陆架区,较大剥蚀厚度的分布区可能与河流下切谷的位置相一致,这不仅对沉积发育史的研究有重要贡献,而且还有重要的石油地质意义。因为如果下切谷区充填物富砂,则是储层发育区;若富泥,则可能为局部构造提供侧向封堵条件。综上,地层剥蚀厚度的恢复在多个地质分支学科中都有着重要意义。结合前人对古地理学的定义(冯增昭,1999,2003),可以概括地说,地层剥蚀厚度的恢复是古地理学研究中的一项十分重要的工作。目前恢复地层剥蚀厚度的方法很多,较常用的方法有镜质体反射率(Ro)法、泥岩声波时差测井法、地震剖面解释法、趋势面分析法、邻层厚度比值法、沉积速率分析法、磷灰石裂变径迹法、波动分析法等。其中利用镜质体反射率(Ro)数据来恢复剥蚀厚度是最常见的方法之一,但在利用Ro数据的具体方法或步骤上仍存在差异。利用Ro恢复剥蚀厚度的传统方法主要有:①Ro差值法(Dow,1977);②最高古地温法(胡圣标等,1999);③Ro-TTI法(陈增智等,1999)。其中方法①由Dow于1977年提出,是最早利用Ro数据恢复剥蚀厚度的方法。方法②和③由国内学者提出,是在已经注意到Dow方法的不合理性后所提出的改进方法。从目前国内的应用现状来看,方法①和②有一定代表性,因为方法①在国内至今仍在被广泛地应用(张一伟等,2000;李荣西等,2001;卢鸿等,2001),而方法②由于原理简单合理、通俗易懂而易于被人接受。本文在前人传统方法的基础上,提出了一种利用Ro数据恢复剥蚀厚度的新方法,并通过一个应用实例论证了新方法的可行性和简易性。从多个方面讨论了Dow(1977)传统方法的不合理性,最后得出了重要结论。1与一地层深度ro的关系一般来讲,对于一套连续沉积的地层,埋藏深度(H)的不断增大会引起地层温度逐渐升高进而导致地层中有机质热演化程度的不断增加。而镜质体这种在沉积岩中最常见的固态有机质,其反射率(Ro)又随有机质的热演化程度增加而增大,但不会因热演化程度减弱而减小,即具有不可逆性。因此,Ro值能够记载地层中有机质演化过程中所达到的最高程度的信息,进而能够用来反映地层最大埋深时的地温信息(最高古地温Tpeak)。众所周知,物质反应速率与温度成指数增加关系,而与时间成线性增加关系。那么,对沉积盆地一套连续沉积地层中的镜质体来说,其反射率(Ro)与地层温度(T)应成指数增加关系,而又由于埋藏深度(H)与地层温度(T)之间通常存在正线性相关关系,所以镜质体反射率(Ro)与埋藏深度(H)之间也应该存在指数增加关系。大量的事实也表明,这两者之间一般确实存在指数回归关系式:式中Ro为在深度H处的镜质体反射率,a、b为常数。将(1)式进行对数变换,可得到下式:再令a1=lna,b1=lnb,则有:式中a1和b1为常数,(3)式表明镜质体反射率(Ro)的对数与埋藏深度(H)之间为一直线方程关系。20多年的实践证明,用Ro值求取地层最高古地温(地史上地层所经历的最大温度Tpeak)确实是盆地热演化研究中一种行之有效的手段。将Ro值换算为Tpeak的动力学模型或经验关系很多(如Hoodetal.,1975),但目前被国际上广为接受的是BurhamandSweeney(1989)提出的平行化学反应模型。如前所述,对沉积盆地一套连续沉积地层,埋藏深度(H)与地层温度(T)之间通常存在正线性相关关系。随后,假设地层整体抬升遭受剥蚀,由于埋藏深度变浅,地层温度降低,致使两者(H和T)以前的相关关系遭到破坏。但由于Ro值已记载下了剥蚀前该套地层所达到的最高温度的信息,并且是不可逆的,所以用Ro值换算得到的Tpeak是该套地层剥蚀前的温度状况。由此可知,Tpeak与H之间仍应存在正线性相关关系:式中a2和b2为常数,其中b2(斜率)即为该构造层的古地温梯度。显然,该公式的主要用途是用来确定某一构造层的古地温梯度。值得一提,即使由于地层抬升造成了与Tpeak值对应的H值整体减小,但用两者回归出的线段Tpeak-H的斜率(b2)与剥蚀前的斜率应该是一致的,即同样反映了剥蚀前的地温梯度(古地温梯度)。引申一步,即使剥蚀后的地层(构造层)重新埋藏又接受了超过剥蚀厚度的沉积,但该构造层仍没有达到剥蚀之前的温度水平,这时依然可用Tpeak-H线段的斜率(b2)反映剥蚀前的地温梯度,只是此时与Tpeak值对应的H整体增大。这种情况发生在剥蚀前地层的地温梯度大于剥蚀后重新沉积地层的地温梯度时。同样,这样的整体升降也不会影响到式(3)中的斜率(b1)。简言之,只要某一构造层的Ro值没有被后期沉积所补偿,那么就能用其来恢复该构造层剥蚀前的地温情况(最高古地温)和地温梯度。(3)式和(4)式正是一些传统的利用Ro值恢复地层剥蚀厚度的理论基础。2用ro值恢复剥离厚度的传统方法下面仅对Ro差值法和最高古地温法这两种有代表性的方法作一简要介绍。2.1dow方法的原理如图1所示,Dow首先将Ro值随深度的“突变”(或“跳跃”)完全归结为不整合面地层剥蚀的影响,然后利用上、下构造层(以不整合分界)镜质体反射率(Ro)差值来估算不整合面处地层剥蚀厚度(Dow,1977)。前已述及,在一套连续沉积的地层内部(即在一构造层内部),镜质体反射率(Ro)的对数与深度H之间为一直线方程关系,见式(3)。Dow正是利用这种关系,先在各个构造层内分别作线性回归,然后将下伏构造层(中生界)的Ro值与深度的线性回归关系上延至与上覆构造层(古近系)底界处的Ro值重合处,从而估算出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。很显然,Dow方法的原理应该是这样的,即假设下构造层没有被剥蚀,上下两套地层是连续沉积时,这时Ro值应该是连续的,是不应该有“突变”的。将下构造层的回归线段上延到与上构造层底界处的Ro值相等的地方,即上延到能够弥补上、下构造层Ro的差值处,这样就能找到下构造层未被剥蚀前的地表的位置(古地表),古地表与不整合面的距离即为剥蚀厚度。2.2ro与剥蚀厚度及地层埋深的关联胡圣标等(1999)提出了一种利用Ro值恢复剥蚀厚度的新方法,因为该方法是利用由Ro数据转化得到的地层在地史上所经历的最大温度Tpeak来恢复地层剥蚀厚度的,所以这里暂且称其为“最高古地温法”。该方法认为,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数据随深度的增加存在不连续的跳跃,而这种不连续(增加)确实由于不整合面地层剥蚀所引起时,这种不连续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(即下伏构造层未被上覆构造层补偿而仍保留着古地温的信息),这是利用Ro值恢复古地温梯度和估算剥蚀厚度所必须满足的条件。使用该方法时首先是利用平行化学反应模型(BurhamandSweeney,1989),将Ro值转换成最高古地温值,然后以构造层为单位线性回归这些古地温值与深度的关系,进而求得各个构造层的古地温梯度(回归线段的斜率)(胡圣标等,1998)和相应的古地表温度,最后利用如下公式求得剥蚀厚度:式中He为剥蚀厚度,Tpeak为构造层在不整合面处的最大古地温,Ts为该构造层的古地表温度,(dT/dH)为古地温梯度。该方法的优点在于对某一尚未被上覆层温度补偿的构造层作剥蚀厚度恢复时,只需使用本层的Ro数据,而不再需要其上覆层的Ro数据。3用ro值恢复剥离厚度的新方法3.1温度域的线性关系该方法是对最高古地温法的改进,其不仅继承了最高古地温法的合理思想,而且简化了具体操作过程。由(3)式和(4)式可以看出,镜质体反射率Ro的对数与深度H存在线性关系,而最高古地温Tpeak与深度H也存在线性关系。联立(3)式和(4)式,可知ln(Ro)与Tpeak之间也必然存在线性关系:式中a1、b1、a2和b2均为常数,意义同(3)式和(4)式。(6)式不仅说明了温度对Ro值的大小起着决定性作用,而且同时说明,对于一套时间跨度不是很长的地层来讲,其ln(Ro)-Tpeak的线性关系是可以被确定的。实际上,只要知道了构造层内的ln(Ro)与Tpeak之间存在着某种线性关系就足够了,而无须同时知道它们之间的确切表达式。因为从几何意义上来讲,无论该线性关系如何,在深度域上最终用最高古地温Tpeak回归的线段Tpeak-H总是应该相当于直接用ln(Ro)回归得到的线段ln(Ro)-H在平面内作一旋转和平移。所以本文提出,直接将ln(Ro)-H线段外推至ln(0.2)处即可得到古地表的位置(因为古地表边界条件可近似地取定值Ro=0.2%),然后就可用古地表位置和剥蚀面位置的差值求得剥蚀厚度。该改进方法可免去将Ro转化为Tpeak的繁琐过程。但从本质上讲该改进方法却同最高古地温法具有相同的意义,只不过在边界条件上近似地取了定值Ro等于0.2%,而最高古地温法本质上也是将Tpeak-H线段外推至其边界条件(古地表温度Ts)。两种方法应用的前提条件是相同的(如前所述)。3.2下构造层的剥蚀厚度由前可看出,只需使用下构造层的Ro数据即可恢复本层的剥蚀厚度,而无须同时知道上构造层的数据并与之相关联(如Dow的方法)。但上构造层的Ro数据通常还是有用的,主要用来判断下构造层的Ro是否已经被上覆地层所补偿(即判断下构造层再沉降以后是否又达到或超过了剥蚀前的温度)。现在假设要恢复下构造层的剥蚀厚度,简要归纳一下新方法的一般操作步骤。第一,同时作上、下构造层的ln(Ro)和H的散点图,观察在深度剖面上ln(Ro)值是否存在“突变”(增加)。若不存在,可能说明地层没有剥蚀或已经被上覆层所补偿,因而不能用Ro数据来恢复剥蚀厚度;若存在,则继续第二步。第二,确认Ro值在深度剖面上的“突变”(增加)确实是由地层剥蚀所造成而不是由于其它原因(如正断层断缺等)所引起。第三,线性回归下构造层的ln(Ro)-H线段,将其外推至ln(0.2)处而得到该构造层古地表的位置。第四,古地表的位置与不整合面位置的距离即为该构造层的剥蚀厚度。以上归纳的只是两个构造层的简单情况,单个和多个构造层时原理相同,以此类推。4应用剥蚀厚度计算的原则及结果该实例是对Dow(1977)实例数据的再计算,该数据来自于印度尼西亚的一口井,3.6km处为中生界和古近系之间的不整合面,Dow通过作图法估算出该不整合面有500m的剥蚀厚度(图1)。假设3.6km深度处Ro突变完全起因于地层剥蚀,同时很显然下构造层的Ro值还没有被上构造层所补偿,满足利用Ro值恢复古地温梯度和估算剥蚀厚度所必须的条件。下面分别用最高古地温法和新方法对Dow的数据作重新计算。表1列出了Dow(1977)的Ro数据及根据BurhamandSweeney(1989)的Ro动力学模型计算出的对应于Ro值的最高古地温值Tpeak(胡圣标等,1999)。将上、下两个构造层中的最高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温梯度为28.1℃/km(与现今温度剖面重合,说明该层正处于最高古地温时期),下部构造层达到最高古地温时的古地温梯度为45.7℃/km(见图2中两线性回归式的斜率)。以此为依据可进一步推知下构造层在3.6km不整合面处的最高古地温约为147℃,若假定古地表温度为22℃,则根据公式(5)可得到下构造层的剥蚀厚度为2735m。顺便提及,古地表温度(Ts)一般难以准确获得(刘斌,2002)。因为地表温度受控于气候条件及太阳热辐射的周期性变化,一年四季中地表温度变化很大,所以常用年平均气温代表地表温度(郭秋麟等,1998)。但古气候研究证明,在地史时期中存在以下两种气候类型:一是正常的温暖气候,它在地史中占主导地位,这时的全球平均温度约为22℃;另一种是短期的寒冷型气候,又分为冰期和较暖的间冰期,前者年平均温度为2℃,后者为7℃(KappelmeyerandHaenel,1974)。所以本文在前面将古地表温度取为22℃。现再用简化改进的新方法计算剥蚀厚度。如前所述,由于已知下构造层没有被补偿,计算该构造层剥蚀厚度时只需使用本层的Ro数据点即可,所以只回归出下构造层ln(Ro)与H的线性关系(图3)。将该线段外推至ln(0.2)处,就得到了该构造层没有剥蚀前古地表应该在的位置。将ln(0.2)代入图3中的公式,得到古地表应处在1063m的深度,再结合剥蚀面的位置(3.6km处)最后得到剥蚀厚度为2537m。综上,通过对Dow(1977)原始数据的重新计算,两种方法得到的结果分别为2735m和2537m,两者计算结果相差不大。这说明本文简化改进的新方法具有实际可行性,同时相比之下,操作起来比较简便。但两种方法得到的结果明显大于Dow(1977)方法得出的500m剥蚀厚度,下面从几个方面来讨论Dow方法的不合理性以辅证以上两种方法的正确性。5真柄钦次基于泥岩压实情况的ro差值-深度相关性研究第一,实例井下伏构造层的顶面在不整合面处的Ro值约为0.95%,最高古地温约为147℃。尽管下伏构造层达到最高古地温时(未剥蚀之前)的古地温梯度较大(45.7℃/km),但该层未剥蚀前500m埋深处所能达到的古地温亦只不过是22℃+(45.7℃/km)×500m/1000m=44.85℃(假设古地表温度为22℃),对应的Ro值最高仅为0.3%左右,远小于下伏构造层不整合面处实际的Ro值(0.95%)和曾达到的最大温度(147℃)。这说明了Dow的500m剥蚀厚度是不合理的。第二,由前可知上覆构造层达到最高古地温时的古地温梯度为28.1℃/km,下伏构造层达到最高古地温时的古地温梯度为45.7℃/km,后者虽大但仍不足前者的二倍。但据Dow(1977)的结果却可以推导出这样的结论,即古地温梯度为45.7℃/km的地层被剥蚀了500m,而后其上虽然又沉积了3.6km厚(相当于剥蚀厚度七倍多)古地温梯度为28.1℃/km的地层,却仍未将下伏构造层的Ro补偿。这显然是不合理的。第三,如前所述,Dow(1977)的方法首先因将Ro值随深度的“突变”完全归因于不整合面地层剥蚀而暴露出了该方法的片面性。该方法还假设在无地层剥蚀的情况下,Ro值随深度的变化是连续、渐变的,进而用将下伏构造层中有机质的成熟度与上覆构造层中的成熟度相关联的办法来寻找古地表的位置。但就该实例的具体情况来讲,下伏构造层中Ro值的大小与上覆构造层中的Ro值完全无关。毋庸置疑,Dow(1977)的这种假设是合理的,但将相互无关的上、下构造层的Ro值相关联,求取未遭剥蚀的完整地层(即寻找古地表)的方法却存在一定的不合理性。假设Dow(1977)的实例剖面继续沉降接受沉积,在下伏构造层被补偿之前,上覆构造层底面处的Ro会继续增大,而整个下伏构造层内部的Ro都不会改变,所以下伏构造层的ln(Ro)-H线段的斜率是不会改变的。那么就会发生这样的情形,即随着时间的推移,不整合面处上、下构造层Ro的差值会越来越小,所以用Dow(1977)方法