沉积盆地动力学研究进展

苏　秦，韩天恒

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西 西安 710069)



沉积盆地动力学研究进展

苏秦，韩天恒

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西 西安 710069)

[摘要]沉积盆地在演化过程中，其沉积充填记录了海陆变迁，构造格局演变及与周围环境的相互作用的具体历史。从盆地沉积充填，盆地形成演化，盆地流体三个方面讨论总结了前人有关的盆地动力学研究内容，重点论述了沉积盆地动力学对成盆、生烃、油气富集的影响及造山带与盆地间的耦合关系。盆地动力学应从定性到定量动力学模拟研究，使用计算机新技术及多学科联合研究，必将能更好指导能源和矿产资源勘探。

[关键词]沉积盆地；动力学；板块；热流体

沉积盆地蕴藏着丰富的化石能源、沉积矿产以及水资源。人类社会对矿产资源的大量需求推动着盆地分析领域的快速发展，使得地质学家在多年研究沉积盆地及相关资源过程中形成了盆地分析理论和方法体系。沉积盆地分析不仅可以揭示不同类型化石能源、沉积型层控矿产、砂岩型铀矿等资源的分布规律，为矿产勘探提供直接依据，而且能为大地构造演化过程、重大构造事件、全球环境变迁及气候演变研究提供丰富资料和详细证据。因此，沉积盆地分析为地球动力学研究提供了独特的研究方法，沉积盆地动力学已成为当代地学研究的前沿领域[1-3]。

1沉积盆地动力学

含油气盆地研究经历了构造学研究(19世纪中—20世纪初)，沉积学研究(20世纪早中期)，沉积盆地动力学研究的螺旋发展过程。沉积盆地动力学是目前地学研究的热点与前缘。

最初1990年Allen等出版了《沉积盆地分析—原理与应用》一书，将过去的从沉积学和地层学角度观察问题变为从岩石圈构造作用角度观察问题，且将沉积盆地作为一种地球动力学实体进行综合研究。

Dickinson是应用板块构造学说于沉积盆地研究的先驱，他在20世纪90年代前期对盆地动力学的主体思想进行了阐述，指出当今盆地研究应更多地转向动态过程分析；盆地演化常是多种地质过程的联合作用，随着演化不同阶段，其动力学性质发生改变。

简单的盆地分类已无法满足研究者的需要，以往的盆地分类多属地貌——构造分类，即仅依据构造部位静态的确定而不考虑地球动力学参数，盆地研究的重点应从盆地类型转向盆地的动态演化过程。

2008年，刘池阳( 2008 )为沉积盆地动力学给出了明确定义，即：直接控制和明显影响盆地沉降和沉积充填的地球内、外动力地质作用有机耦合的统一动力学系统和演化过程；属地球动力学大系统的重要组成部分[4]。

2盆地动力学研究内容

从沉积盆地分析历程可以看出，盆地分析不断从单一沉积学分析拓展到综合分析，从静态要素分析拓展到过程和动力机制分析。因此，盆地动力学研究内容应包括以沉积学分析为主的盆地充填动力学、以构造地质学分析为主的盆地形成演化动力学和多学科交叉的盆地流体动力学研究。

2.1盆地沉积充填动力学

盆地沉积充填分析就是研究盆地内充填物的内部构成、空间展布及其演变规律。一般而言，盆地充填物分析包括2个内容：一是充填物的成因及其沉积作用过程分析，也就是沉积体系分析的主要内容；一是充填物的地层属性分析，强调充填物序列、地层格架及沉积体的空间配置，也就是层序地层分析的主要内容。近年来，层序地层学及精确定年技术提出了建立等时地层格架、确定盆地中沉积体系三维配置的理论与方法，大大推动了沉积充填动力学的研究。构造—地层学、事件地层学、层序地层学和地震沉积学等相关分支学科的密切结合，揭示了各类构造背景下发育的盆地构造格架和层序地层格架，更好地揭示了构造、海平面变化和沉积物补给等各种动力学因素的影响，也为资源勘查及有利储层及矿层预测提供了坚实的基础。

2.2盆地形成演化动力学

沉积盆地形成演化分析就是研究沉积盆地形成演化同期及其后期变形、反转的动力学机制及其演变过程，包括盆地与板块构造格架和地幔深部过程的动力学关系，盆地发展演化各个阶段的动力学背景、控制因素及其对盆地沉积沉降、能量场等多个方面的影响，盆地后期变形与反转的构造样式及其表现形式。许多沉积盆地的形成演化都是多重机制的联合，在盆地的不同演化阶段其主要控制作用各异，不同的区域地球动力学背景及复杂的板块活动重组事件往往形成复杂的盆地构造样式。

2.3盆地流体动力学

盆地流体是指盆地内任何占据沉积物孔隙、裂隙和在其中流动的流体。沉积盆地作为一个动力学演化的整体，随着盆地的形成而不断演化，地层流体形成并随之发生相应的流动，从而构成盆地演化过程中重要的组成部分。盆地流体分析就是试图揭示盆地流体活动以及相关的物理化学作用过程。盆地流体动力学研究可以理解为在沉积盆地范围内，通过对温度场、压力场和化学场等各种物理化学场的综合研究，在流体输导网络的格架下，再现盆地内流体运动过程及其活动规多学科综合的研究领域[3]。地质历史时期沉积盆地的形成和演化经历了一个相当复杂的过程，同样地盆地内流体运动也经历了一个复杂的过程。盆地流体活动是控制盆地中物质演变和能量再分配的主导因素，对各类矿藏的形成、聚集具有关键的控制作用。大型层控型金属矿床形成过程中金属元素的活化、迁移和富集与盆地及深部的流体作用有关，油气生成、运移和成藏过程与盆地流体作用等有密切关系，因此，盆地流体分析成为油气勘探和某些层控型金属矿床勘探研究的重要手段之一。

3沉积盆地动力学在油气勘探中的应用

沉积盆地动力学与油气勘探息息相关。从盆地的形成、沉积体系的发育，到含油气系统的各种静态要素、动态过程，无不与沉积盆地动力学有着直接或间接的内在联系、成生关系。

3.1在盆地演化方面

对油气勘探来说，地球科学领域的重大科学命题是：中国多旋回改造型盆地演化的动力学机制及沉降充填机制。在中国特定的地质背景下(中国大陆古板块规模小、活动性极大，演化的多旋回性及其复杂性)，中国海相、陆相盆地大都经历了多旋回演化，经历了拼合、叠合和变形改造阶段；因此不能从静态观来研究盆地，而应从盆地动力学角度，恢复盆地原型，重塑盆地演化史，探讨盆地形成机制，揭示盆地古地理、古气候、古洋流及古纬度的变迁和作用。根据近年来对沉积盆地的研究，在前人工作的基础上，通过分析深部地球物理资料，深部地球动力学、热力学演化机制对沉积盆地的形成、分布和演化起着控制作用。具体表现为软流圈不对称上涌，导致岩石圈底界向软流圈拆离、地壳沿Moho面向上地幔拆离以及沿地壳内部不同软弱面发生多层次多期次拆离，致使岩石圈减薄，地热场增高，造成上部地壳屈服，继而发生断陷、挠曲作用而形成构造盆地。中国众多盆地为多旋回、多成因盆地，每个旋回早期受伸展体制制约，而晚期受挠曲机制影响[5]。

3.2对油气生成的影响

油气成因一直是油气地质学家长期争论的问题，在有机成因说占统治地位的今天，即使最有权威的有机地球化学家也承认，干酪根热解生烃致命的弱点是干酪根组成中严重缺氢；正如Dow(1987)所说：“从极度严重缺氢的干酪根生成氢含量丰富的烃，这显然是一种奇论。”近年来通过沉积盆地动力学的研究，已有愈来愈多的证据(幔源富氢及其合化物，富CO2以及Pb，Sr，Nd同位素证据)支持油气二元论，而且无机成因油气领域可能比有机成因油气领域有大得多的油气潜量。已在世界深部结晶基岩内发现了22个无机成因油气田；在中国渤海湾盆地、克拉玛依油田等也发现了不同程度的无机成因油气[6]。盆地深部地球动力学研究表明，幔源对成油的影响主要表现为：(1)提供了幔源性氢、烃、CO2等油气生成的物质组分；(2)为干酪根降解、烃源岩成熟度演化提供了能量来源；(3)还起着干酪根降解化学反应的催化作用。无机成因油气的成藏条件是要有深切岩石圈级的深大断裂作为通道以及无机烃类运移至地表而不被氧化；其有利远景区是在有岩石圈深大断裂发育的地方，选出中新生代裂谷、裂隙盆地以及与裂谷、裂隙盆地伴生的隆起带。

3.3动力学机制对油气富集的控制作用

首先通过沉积盆地动力学研究建立不同时期的构造应力场。生烃前区域应力场形成的大型坳陷控制生油区；生烃期区域应力场决定油气聚集带；生烃后区域应力场影响油气再运移、再聚集。其次通过沉积盆地动力学研究建立区域构造应力场和局部构造应力场。区域应力场控制含油气区，主要控制了生油拗陷、油气聚集带、沉降中心及生油岩系；局部应力场控制了含油气构造和油气田分布。最后，构造应力场产生的裂隙系统可改变储层的孔隙度、渗透率，进而影响油气的运移、聚集。罗志立教授(1999)从盆地动力学角度出发，把中国大陆含油气盆地分为纬向、经向两大油气富集带，二者共拥有中国石油产量的94%，总储量的99%。其中经向富集带受太平洋板块向欧亚大陆俯冲的动力学机制产生的应力场控制；而纬向富集带受塔里木——华北板块与西伯利亚板块碰撞的动力学机制产生的应力场制约[7]。

3.4油气盆地深部结构特征

大量证据表明盆地含油气性受地壳深部结构制约。盆地富油气区莫霍面局部上隆，无论盆地基底形状是凹陷状(正镜像关系)还是隆起状(同步关系)，盆地内都可能有油气资源，但前者对油气富集更有利；凡是Moho面分布平缓，呈斜坡状或下凹状的盆地，油气储量都很少或没有。张恺(1993)在研究渤海湾盆地深部壳-幔结构与油气关系过程中，发现油气田一般发育于岩石圈局部隆起区(≤60 km)，且大地热流值大于1.8 HFμ。究其原因，可能是由于软流圈不对称上涌对流，导致岩石圈底界向软流圈发生拆离，而不是拆沉作用，致使Moho面上隆，岩石圈减薄，地温场增高，催化有机质热演化和油气生成；另一方面原因是地幔隆起区，岩石圈断裂、地壳断裂系统发育，促使无机油气形成。这种机制较好地解释了为什么中国东部侏罗系不生油气，而在中国西北却发现了工业性油气藏；为什么中国东部第三系发现了众多油气田，而在中国西北第三系发现油气藏较少。由于中国东部与西部自身构成一个动力学、热力学循环系统，且二者互补，互为消减、耦合，即中生代中国西部地幔隆起，地温场高；而中国东部地幔却凹陷，地温场低。在新生代却相反[5]。

3.5深部热流体对油气藏的影响

热流体是盆地动力学研究中最重要的方面之一，是无机、有机作用联系的纽带，是热液金属矿床与油气交叉研究的生长点。国内外不少著名学者已对此进行了研究，其中颇具代表性的有：

(1)Price统计了世界上盛产油气的盆地，结果发现其沉积厚度一般大于7 000 m，且盆地中发育深大断裂，得出深部流体是油气的主要来源。

(2)中国地质大学李思田教授等(1996)在莺歌海琼东南盆地研究中发现活动热流体对有机质演化和油气生成具有重要的强化作用，使得单一传导背景下不可能成熟的地层进入生烃门限，扩大了有效烃源岩的层位及体积。

(3)20世纪90年代初美国自然科学基金会和11家石油公司投资3 000万美元，在墨西哥湾盆地设立实验场，研究活动热流体的运动规律和油气运移，获得了许多重大成果。业已证实该盆地中富烃热流体对许多大型、超大型金属层控矿床的成矿起着主要作用。

沉积盆地是一种巨大的低温热化学反应器，且是一种开放的复杂的动态系统，由大气降水、深部热流体、粘土矿物压实水、干酪根生烃及其与围岩间的相互反应的产物等组成了沉积盆地的热流体系统，盆地油气的演化及层控金属矿床的形成受控于沉积盆地热流体系统的演化。

3.6造山带与盆地之间的耦合关系

造山带与盆地的成因历来是国际地学界研究的热点，是解决大陆构造的突破口。过去一般认为造山带与盆地形成于不同的地球动力学背景，即前者形成于挤压构造背景、后者形成于伸展构造背景。其实造山带动力学,如岩浆作用、沉积作用、变质作用、变形作用等的时空演化可以剖析造山作用的一系列地球动力学过程,而这种动力学过程无时不在对盆地施加影响。造山带研究程度的提高从另一侧面推进了盆地动力学研究。

4结语

沉积盆地动力学是当今沉积盆地研究领域的主要趋向，其目的在于认识盆地成因，揭示其全部演化历史中的动力学过程。已取得的成就源于资源勘查的驱动，源于多学科联合研究和新技术的使用，同时，应用新理论和新技术重新观察和审视沉积盆地的内部构成将带来资源勘查的更大发展。有关沉积盆地研究动向，已由传统的构造沉积分析，逐步转向地球动力学、热力学研究。对含油气盆地的研究只注重当时的沉积环境、有机质演化是不够的，还必须把研究领域向地壳深部延伸，探讨深部作用对含油气盆地的影响以及造山带与盆地之间的耦合关系，对含油气盆地进行整体、全面、综合、动态的系统分析。

参考文献

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[收稿日期]2015-09-02

[作者简介]苏秦(1991-)，男，陕西延安人，在读硕士研究生，主攻方向：地球物理测井。

[中图分类号]P588.2

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0198-03