地质过程中的定量方法与计算技术_地温场与热史恢复.

地温场与热史恢复石油有机成油论干酪根有机成油论有机质未成熟60-180摄氏度油裂解为气小于60摄氏度大于180摄氏度生成石油地温场与热史恢复地温场的一般知识不同盆地类型地温场及演化特征热史重建构造热演化法古温标法结合法地温场的一般知识1.热源A地幔热源（60%），变化性B放射性元素生热(40%),稳定性(10Km厚结晶岩表层)C其他热源，随机性（火山作用，构造作用，化学热）2.热源的传输持续时间据Lachenbruch的估算：对于100km的岩石圈，一般热传输持续时间为50-100Ma，因此，岩石圈具有相对较高的热惯性，背景热状态持续的时间可与含油气系统的寿命期相当，所以，确定现今热状态作为起点，反推解释油气形成时的可能热状态通常是合理的。t=r2/4a，a=32大陆地壳软流圈大洋岩石圈中间层相界低速带莫霍面100500厚度（km)地球的主要分层及其流变学分界(Allen,1990)地温场的一般知识3.地温场的形成机制A热传导型地温场（控制区域地温场）B热对流型地温场（增温型，冷却型），造成局部异常C热辐射对地温场的影响：只影响地表温度依靠物体中的微观粒子的热运动传递能量的过程叫热传递由于流体从空间某一区域移动到另一温度不同的区域时，发生的能量转移的过程由电磁波来传递能量的方式叫热辐射地温场稳态地温场非稳态地温场如果地温场中各点的温度不随时间而变化，则称其为稳态地温场如果地温场中各点的温度随时间而变化，则称其为非稳态地温场仅用简单的数理模型即可进行定量描述和计算数理模型复杂，不一定有解析解，只有数值解地幔增温带（内热带）恒温带（中性带）变温带（外热带）地表主要受太阳辐射的影响而发生的日变化、月变化、年变化等地球内热和太阳辐射热的平衡地带，一般很薄，可视为一个面主要受地球内热的影响。一般而言，越向深处，温度越高地表浅层的温度场结构地温场的一般知识4.地温场的描述参数a.地温（T）和地温梯度（GradT）b.岩石热导率（岩石的导热能力）实测或估算，估算用以下公式：k(z)=(kf)(ks)1-式中，kf—孔隙流体的热导率ks—岩石骨架的热导率C.热流（热导率与地温梯度的乘积）地温梯度：G：为地温梯度；T：为深度为H出的温度；To：为地表平均温度（或恒温层）；H：为深度。100HTTGo大地热流：dHdTKqK：为热导率；dT/dH：为地温梯度；单位为毫瓦/平方米（mw/m2），这是目前国际通行的单位，它与以前的热流单位HFU(HeatFlowUnite)的关系是1HFU=41.86（mw/m2）,1HFU=1微卡/平方厘米秒;式中“-”号表示热流方向与地温梯度方向相反HoHTTHKdHqTTHKdHqdTKdHqdTo00)()(或采用离散形式的值。及按最小二乘法可求得若有一组观察值qTniKHTKHqTToiiiiio),,....,,)(,,(321qnkHnTTTnTTkHnTkHqiiioiiiiiiii2211)(布拉德法（适用于稳定地温场）由热流公式，有参数的最小二乘法估计niinktjiniyyxyQXYXYQj1212112]ˆ[][)()(亦即考虑既有关系：的最小二乘法估计量。为这时参数的点估计。作为达到最小值的寻求使得iikkQˆ...,,ˆ,...ˆ,ˆ2121值。可由一正规方程组求出由jjnktjinktjiQxyxyjkjˆ,}][{min]ˆ[)...,(,,012112121最小二乘法原理热传导方程.1热传导方程的导出考察空间某物体G的热传导问题，以函数u(x,y,z,t)表示物体G在位置(x,y,z)处及时刻t的温度。据Fourier定律，物体在无穷小时段dt内流过无穷小面积ds的热量dQ与物体温度沿曲面法线方向的方向导数成正比，即nudsdtnutzyxkdQ),,,(在G内任取一闭曲面，所围成的面积记为，则从t1~t2流进此曲面的全部热量为dtdsnuzyxkQtt21}),,({曲面的外法向导数另外，由于流入的热量使物体内部发生变化，在时间间隔t=t1-t2内（假定t2t1),物体内点（x,y,z）处的温度，由吸收热量为内则有在为比热为密度；假定：温度差为升为121221tttctzyxutzyxutzyxutzyxu),,,(),,,(),,,(),,,(dxdydztzyxutzyxucdsdtnukdxdydztzyxutzyxuzyxzyxcQtt)],,,(),,,([)],,,(),,,()[,,(),,(121221从而有dxdydzdttucdtdxdydzzukzyukyxukxdsdtnuktttttt)()]()()([212121假设u关于变量x,y,z具有二阶连续偏导数，关于t具有一阶连续偏导数，利用奥-高公式，有改变积分次序，可得到021dtdxdydzzukzyukyxukxnuctt)]}()()([{)()()(zukzyukyxukxnuc的任意性，可有和由于21tt,上式称为非均匀的各项同性体的热传导方程。)),22222222222222zuyuxuazuyuxucknuackck（（，有为常数，记及如果物体是均匀的，即如果内部有附加热源，设单位时间内单位体积中所产生的热量为F(x,y,z,t),则有ctzyxFtzyxftzyxfzuyuxuatzyxFzuyuxuanu),,,(),,,(),,,()),,,()其中，（（22222222222222齐次非齐次前述原理与方法仅实用于较简单的一维稳定地温场。对于非稳定地温场，则需要用更复杂的方程来描述。以三维非稳定地温场为例，可用斯托曼方程（Stallman,1963）描述：tTcTvzTvyTvxcqzTyTxTkrrzyxwwo)]()()([)(222222热导率水的密度和比热容附加热源或汇岩石的密度和比热容上式包含3方面：传导+附加+对流tTcqzTyTxTkrro)(222222若不存在热对流，有kqzTyTxTo222222若为稳定地温场，则为Poisson方程（椭圆方程）若附加热源为零，则有0222222zTyTxTLaplace方程（调和方程）0222222zTyTxTT即用哈密顿算符，有02T岩石的热导率定义：单位时间内流过单位面积的热量与温度梯度负值之比。)(dZdTAdtdQK热导率的因次为:（能量）·（时间）-1·（距离）-1·（温度）-1。在地学研究中通常使用两种单位：法定计量单位和TCU单位。两种单位因次和换算关系如下：法定单位(w/m·k)；常用计量单位(TCU)(cal/cm·s·oc)or(mcal/cm·s·oc)1TCU=0.4186w/m·k,1TCU=1mcal/cm·s·oc1w/m·k=2.388TCU地温场的一般知识5.我国沉积盆地地温场特征1）地温梯度特征a.东部及西南部盆地地温梯度明显高于西北部盆地b.东部盆地的地温梯多在3-40C/100m，最高可达60C/100m；东南沿海区盆地的地温梯度为2.5-3.50C/100m；西部盆地为“南高北低”：西藏及云南西部盆地为2.5-30C/100m，最高可达5-70C/100m；柴达木及河西走廊地区为2.5-30C/100m；塔里木盆地、准噶尔盆地多在1.5-2.50C/100m。c.一般沿盆地构造呈闭合型分布，盆地构造中部高部位常有相对高温区。由于热的非稳态效应。d.沉积年代较早的盆地，一般地温梯度较低。地温场的一般知识5.我国沉积盆地地温场特征2）大地热流特征a.大陆地区热流平均值63-68mw/m2，总体具有“东高西低、南高北低”的特征。b.东部盆地的热流值普遍明显高于中西部盆地，热流值为60-70mw/m2。c.中西部盆地具有中等或低热流的特点，包括陕甘宁、四川、塔里木、柴达木等，平均值为50-55mw/m2。d.西藏、云南地区的一些盆地有明显的高热流，如楚雄盆地、伦坡拉盆地等，最高可达140mw/m2。地温场的一般知识5.我国沉积盆地地温场特征3）地温场特征与地壳厚度对应关系不同盆地类型的地温场及演化特征1.大陆裂谷和被动大陆边缘盆地1）形成机制：由于地幔热物质上涌造成地壳的伸展减薄、在地壳均衡机制作用下造成的沉降、沉积。2）沉积特征：分为早期的快速沉降裂陷期和后期的整体缓慢沉降坳陷期。3）热流特征：热成因型盆地，整体具有高热流，且随着时间的推移，由于地幔热物质的逐渐泠却而减小。4）实例：东部拉张盆地。不同盆地类型的地温场及演化特征2.克拉通盆地1）形成机制：假说较多，但通常认为是由于壳内花岗岩侵入或者地壳深部变质作用引起。2）沉积特征：拥有大范围、大规模的的倾斜平缓沉积岩，记录上100Ma的连续沉降和沉积过程。3）热流特征：热流场稳定，热流值较低，一般在30-50mw/m2之间。4）实例：塔里木盆地古生界。不同盆地类型的地温场及演化特征3.前陆盆地1）形成机制：由于碰撞造山作用引起造山带核部之下岩层的均衡沉降和邻近的前陆地层的向下弯曲，形成一个迅速沉积的来自临近山脉物源的前渊。2）沉积特征：近物源、快速堆积，后期长时间的抬升剥蚀。3）热流特征：盆地形成与地壳深部热源无关，基底热流变化较小，几乎为常数。4）实例：柴达木盆地，塔里木盆地中生界不同盆地类型的地温场及演化特征4.拉分（走滑）盆地1）形成机制：沿平移断层侧向拉开而形成的沉积空间，通常沿主控断层呈长带状分布。2）沉积特征：和裂谷盆地类似。3）热流特征：盆地形成与地壳深部热源有一定关系，但相对裂谷盆地来说，热流值一般较低。4）实例：美国的LosAngeles盆地。热史重建1.构造热演化法1）原理：对于热成因型盆地（裂谷盆地），热演化特征直接决定了盆地的形成发育过程。因而在岩石圈尺度下，通过正演盆地的发育过程（构造格架）而获得热演化史。2）特点：大尺度，反映盆地总体规律，一般精度较低。3）缺陷：没有考虑沉积物中的古温标，不能反映局部热状况。4）模型：如Mckenzie的均匀伸展模型。AALCCLllAALCt=0lt/β8βltC--CrustL--LithosphereA--AsthenosphereT(0C)T(0C)T(0C)13330C13330C13330C莫霍面以上古滕堡面以上l一维热流方程22ZTDtTT：古地温；Z：以岩石圈底界为原点，直至地表的垂直坐标；t：以拉张发生时间为零，至今的时间；D：岩石圈的热扩散系数0lZtZT),(mZTtT00),(边界条件初始条件mtTtZT0),()(),(lZTtZTmt10111lZ)()(110lZ解热流(热传导)方程，可得岩石圈的温度分布)exp(sin)sin()()(),(tnlZnnnnTlZTtZTnnmm211121）热流：表（立叶定理很快可求得地为热松弛时间。根据傅其中lZDl22)}exp(sin{)(1221nmtnnnlkTtq思考题：怎样由T(Z,t)求得q(t)？当扩张开始t=0,当t趋于无穷时，地表由于岩石圈冷却收缩沉降到最终的深度，其间，地表相对于这个深度的高度为：]})(exp[))(sin))(({)(02201212121240nwmtnnnnT