盆地分析与油气成藏研究进展(投稿)

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盆地分析与油气成藏研究进展


沉积盆地(Sedimentary Basin)是地球表面发生构造沉降、形成了沉积充填的地区。通常盆地的沉降和沉积充填都能持续较长的地质时期，并达到相当的厚度。沉积盆地与造山带是大陆及其边缘最重要的构成单元。从地貌角度来讲，沉积盆地是负向单元并被其周围的高地或山脉所围限，其平面几何形态多种多样并主要受构造格架控制。
在地质历史上盆地形成期的完整结构在后期演化中受构造变形影响和剥蚀破坏，会不同程度地改变了原有面貌。因此Selley提出了同沉积盆地(Syndepositional Basin)和后沉积盆地(Postdepositional Basin)的概念，后者即被改造了的盆地。当改造作用强烈，原沉积盆地大面积被剥蚀后保存下来的盆地也被称为残余盆地。现今地球表面形成时代较早的盆地都经历了多期构造形变和剥蚀，有的只相当原沉积盆地的一小部份，年代较轻的盆地，如新生代盆地多数未发生强烈改造，保存了原来面貌。
沉积盆地是大自然提供给人类能源和矿产资源的最重要宝库。石油地质家早就认识到石油、天然气形成并赋存于沉积盆地之中。“No Basin，No Oil”法国石油地质学家A.Perroden（1983）的这一简单名言说明了盆地对能源的重要性。同时盆地又是人类所需淡水资源的最重要储库。随着社会经济的高速发展，对各种资源、能源需求的不断增长，人们对盆地的研究也越来越深入。
近年来,盆地构造分析在理论和实践方面均取得了重大进展。盆地分析已开始从盆地分类学转向对盆地动力过程的研究,强调盆地整体动力作用和盆地形成过程,注重盆地各演化阶段原型的分析。盆地整体动态的研究,就是分析盆地在时间和空间上的演化过程和地球动力学背景,分析盆地在内外地质作用下其性质发生改变的过程、盆地内部的形变特征及其形成的周围构造环境,包括盆地与造山带的相关关系。

一. 盆地演化的动力学机制研究
沉积盆地动力学，即盆地成因机制，是地质学家长期以来最感兴趣的问题之一。沉积盆地作为地球上最基本的构造单元，在它的演化过程中，其沉积充填记录了海陆变迁、构造格局演变及与周围环境相互作用的具体历史，因此，盆地动力学研究也是地球动力学研究的重要组成部分。
沉积盆地的形成是内外动力地质作用的综合结果。在这些地质营力中，最基本的是重力、热力与应力。不同的研究者常据其一提出相应的盆地动力学模型。由于盆地形成不但受控于周围构造环境与岩石圈深部构造背景，而且也受控于周围边界条件与岩石圈性质等的变化，因此成盆作用体现了盆地环境的时空演化，盆地动力学研究具有层次性、广泛性与时间性含义。
沉积盆地动力学作为目前地学研究的热点与前缘。对其贡献最大的,首推Allen,Dickinson以及美国地球动力学委员会。1990年Allen等推出《沉积盆地分析——原理与应用》一书,一改过去从沉积学和地层学角度观察问题,而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,20世纪90年代前期他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。简单的盆地分类已不能适应需要,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进行地球动力学参数厘定;盆地研究的重点应从盆地类型转向盆地的动态演化过程。
1997年美国地球动力学委员会设立专家组编写了具研究纲要性质的《盆地动力学》,突出强调盆地形成与板块构造、地幔对流的关系,盆地流体系统、烃类、化学物质的运移及保存在盆地中的构造、气候和海平面变化的记录。在战略上强调把先进的动力学理论、精确的观测与计算机模拟相结合,用计算机技术精细模拟盆地演化的动力学过程,包括沉降史、构造史、热史、压力系统演化,以及烃类生成、运移、聚集等。
总之,沉积盆地动力学正在成为盆地研究领域的热点、前沿,成为大陆动力学研究的契机、窗口,旨在厘定盆地成因、揭示其全部演化历史的动力学过程,并探求来自地球系统的内在驱动力。

1．盆地类型与动力学的关系
目前广泛采用的盆地分类方案主要有两种:即以现今盆地的基本特征和与板块构造背景的密切关系为依据,将盆地分为克拉通盆地,陆内、陆间裂谷盆地,被动大陆边缘盆地,弧前、弧后盆地,前陆盆地和走滑盆地等;和以盆地形成的地球动力学特征为依据,将盆地分为与张性(伸展)、压性(缩短挠曲)和与走滑作用有关的(扭性)盆地。很显然,前者反映的是盆地的地貌构造类型,而较少考虑地球动力学背景,后者反映的则是盆地形成过程的应力状态。
沉积盆地作为基本的构造单元,受盆地周围构造环境、边界条件和深部地质作用等因素的控制,其演化和形成过程是复杂的,在不同的阶段是变化的,任何一种理想化的静态的盆地动力学模型往往很难概括盆地形成的具体过程与特性。盆地分析从盆地分类学转向对盆地动力过程的研究,强调盆地整体动力作用和盆地形成过程,注重盆地各演化阶段原型的分析。盆地分类趋向于由繁向简,向更具实用性的方向发展。朱夏根据中、新生代和古生代盆地两种截然不同的地球动力学背景将中国的沉积盆地分为两大范畴,并提出活动论和阶段论的观点,强调以历史观和活动论作为盆地分析的基本指导思想。陈发景则认为中国的中、新生代盆地主要是板内盆地,应在确定盆地动力学背景的前提下,对盆地的基本原型作进一步细分。正如Dickinson所指出,静态的盆地分类学应该走向更具动力学和适应性的分类,盆地研究的重点应从盆地类型转向盆地的基本形成过程。由此可以认为,分析不同演化阶段原型盆地的动力学背景,对盆地的动力学做更精确的历史过程分析,往往比确定某些理想化的盆地类型更为重要。

2．盆地与造山带的耦合关系
有关盆地与造山带的耦合关系,以前陆盆地类型的研究较为深入。前陆盆地是在造山过程中构造负荷、沉积负荷和水平挤压应力的共同作用下,导致地壳挠曲沉降和缩短形成的。前陆盆地一般分为两种基本类型,即周缘前陆盆地和弧后前陆盆地,前者与板块间的陆陆碰撞有关,后者与板块边缘的陆弧碰撞有关。
近年来,对大陆内造山活动和大陆内地质过程的深入研究,改变了人们以往关于造山带主要表现为以挤压构造发育为特点和关于挤压造山作用的一些传统认识。提出了晚(后)造山阶段的伸展构造,以及大陆内伸展造山作用的新认识,开始注意到造山带型盆地沉降与造山隆起(挤压造山和伸展造山)的密切关系及陆内造山活动的多期性和阶段性。如我国西部南天山造山带与库车凹陷带,中部贺兰山隆起与两侧的巴音浩特盆地、银川地堑和鄂尔多斯西缘坳陷带,中生代以来为陆内造山,且挤压造山和伸展造山活动分阶段交替进行。这类盆地构造样式与前陆盆地类似,Graham归纳为碰撞后继盆地,刘和甫根据其动力学特点称为再生前陆盆地和分割前陆盆地。
孙家振曾对周口坳陷的形成与大别造山隆起带的耦合关系、动力学特点进行分析,确定在伸展造山作用下盆地沉降与造山隆起是同步的,且强度保持一致;盆内火山岩岩石化学特征与典型的造山带特征基本相同,分属两个系列,为向富碱方向演化的钙碱系列和碱性系列。地壳和岩石圈结构发生明显变化,岩石圈厚度由厚减薄,岩浆活动由深变浅。盆地沉降中心随造山带范围扩大逐渐向前陆转移。
迄今为止,国内外关于晚造山阶段盆地类型与形成机理的研究尚不多见,存在较大的争议和不确定性。一般用伸展塌陷作用来进行解释,即当碰撞板块边界应力消失后,造山带就开始在其重力作用下发生伸展垮塌,形成伸展构造和裂陷。但是这种伸展作用大多数不具有区域上的意义,没有显著的应变,而且相对发生的时间较短。因此,系统研究晚造山阶段盆地类型、盆地形成与造山带的耦合关系,对于深化大陆构造地质学和盆地动力学的研究,重新评价造山带盆地具有其理论和实际意义。

3．  盆地内部变形与构造背景的关系
沉积盆地的构造变形主要受应力、重力的控制,构造形变特征是盆地演化历史过程中地球动力作用的综合反映。系统分析盆地内各种类型的构造特征与样式、形成机制以及空间展布规律,有助于恢复盆地演化阶段的动力学特点。
JD.Lowell对各种类型的构造样式、发育的板块构造背景、形成的机制进行了系统的总结。实践证明,盆地性质不同其构造样式、组合特征和分布规律也不同。如伸展盆地受拉张应力作用,发育正断裂系统和块断构造,裂谷系和被动大陆边缘盆地则往往发育具同生性质的铲形正断裂体系和滚动背斜;压性盆地受挤压应力作用,发育逆冲断裂体系和各种规模不等的挤压褶皱、滑脱褶皱;与走滑作用有关的盆地受张扭或压扭应力的作用,其典型构造为各种花状构造、斜列式的雁行构造。
盆地在演化过程中受多种因素控制,盆地整体或局部发生性质转换而使盆地内构造变形复杂化。近年来,反转构造的提出即是对盆地性质和构造变形发生改变的认识的深化。对于与走滑作用有关的盆地,受盆地边界条件限制和块体差异活动强度的影响,张扭或压扭应力交替作用,盆地内构造样式及其组合特征较为复杂。如位于郯庐断裂北段的伊通地堑和红河断裂带南端的莺歌海盆地的形成均具有走滑伸展双重性质,盆地内构造样式表现为张性和压性构造共存的特点。

二．盆地动力学过程对油气成藏的控制意义
人类社会发展对能源和矿产资源尤其是石油、天然气的需求，使得沉积盆地研究长期处于地学热点。含油气盆地研究同样经历了构造学研究----沉积学研究----沉积盆地动力学研究的螺旋发展过程。
油气藏形成是一个复杂的过程,盆地形成过程对油气的生成、运移、聚集和保存具有重要的控制作用,不同类型的盆地其构造活动的历史和动力学机制不同,对油气的控制作用也不尽相同,形成风格各异的含油体系。
由于石油和天然气都是流体,盆地的演化过程对油气的控制作用，主要体现在对油气的生成、运移、聚集、保存或逸散的控制作用。而对油气的生成最有影响的是地幔热流，该因素也同样与盆地演化的动力学过程息息相关；那么，盆地动力学过程对油气的主要控制作用，可归结为沉积盆地对盆地内流体活动(包括热流体的活动，油气的运移、聚集)的控制作用。
再根据控制流体活动的主要因素之一—流体活动通道,可将沉积盆地内流体活动的控制类型分为岩性型控制、不整合型控制、断裂型控制和复合型控制四大类：

1．  岩性对流体的控制作用
流体活动范围主要受岩性控制,砂岩含量高的层段流体活动强烈,由于砂岩的孔隙连通性与渗透性好,流体主要运移在砂含量较高的地层,岩性分界面也是各项衡量流体活动指标的突变面。

2．  不整合对流体的控制作用
流体主要沿不整合面活动,如莺歌海—琼东南盆地内的热流体活动,温度较高的流体沿不整合面运移使不整合面附近的地温明显增高,有机质热演化异常最明显,引起有机质演化程度发生倒置,为强烈对流带;而不整合面之上和之下的一定深度范围内为对流影响带,有机质演化程度有一定程度的增强。热流体沿不整合面的大规模长距离快速运移为油气聚集创造了有利的条件。

3．断裂对流体的控制作用
断裂为热流体活动的主要通道。众所周知,断裂是油气运移的主要通道之一,不言而喻,沿断裂运移也是热流体活动的重要类型之一,垂向上的流体运移主要依靠断层作为输导通道。Hooper认为通常流体沿断裂运移是个周期流动过程,与断裂活动期次与性质密切相关,且流动速度较快,释放出的流体赋存于断裂上部的储层之中。

4．复合型
流体活动通常不是受单一因素所控制,而是受岩性、不整合和断裂等多种组合因素综合影响,据此复合型又可划分出岩性—不整合复合型、岩性—断裂复合型、不整合—断裂复合型和岩性—不整合—断裂复合型等亚类。大部分盆地或凹陷的流体活动可能多属复合型,岩性界面和不整合面是流体活动的主要横向通道,而断裂则是流体活动的主要垂向通道,岩性界面、不整合和断裂在空间上的复合构成了流体活动的复合通道。

三．我国盆地的主要特点以及动力学研究的重要性
活动性强、深部作用活跃,是中国沉积盆地,特别是中、新生代盆地的两个重要特点。这由中国大陆本身的结构、动力学演化特征和所处的特殊大地构造位置所决定。如：
1.组成中国大陆的诸多前晚元古代陆块面积小,稳定性差;
2.围绕诸陆块的边缘活动带规模大,活动性强;
3.中国大陆在显生宙先后受不同动力学体系的作用和影响,动力学环境多变,演化历史复杂;
4.现今周邻被活动强度和特点明显不同、发展演化历史极为复杂的太平洋-菲律宾板块、印度板块和西伯利亚等板块所围限,多个方向朝中国大陆汇聚等。
以上重要特点,通过发生在诸多盆地及邻区的一系列地学现象不同程度地反映出来：(1)陆内变形强烈而普遍,动力学条件因地而异;(2)构造运动期次多,各期次特征有别;(3)充填速率一般较快,沉积中心多有迁移;(4)后期改造强烈,改造形式多样;(5)岩浆活动频繁,分布广泛;(6)地热场空间不均一,演化高度非线性;(7)岩石圈结构严重不均一,低速、低阻夹层(异常体)发育;(8)新构造运动强烈,今地貌出现尚晚;(9)油气常含有或伴生有多种可能来自深部的气态或液态物质等。
这些重要特点,直接决定着中国沉积盆地的基本性质、总体面貌、演化过程及后期改造特点,从正、反两方面深刻影响和制约着中国中、新生代陆相和古生代海相两大类盆地的油气赋存环境、成藏特点、分布规律和资源规模,从而形成了中国陆相盆地油气丰富、海相盆地特征复杂这些与世界总特征截然相反的、显著的中国特色。同时造就了中国沉积盆地的另一个重要特点:后期改造强烈而普遍。总起来说，强调盆地动力学过程分析而避免简单地分类是近年来盆地机制研究的一个新动向；同时，对我国进行新一轮，更进一步的油气勘探也具有重大而深远的现实意义。