盆地分析(3)沉降史分析

第三讲盆地沉降－埋藏史分析一、盆地沉降史（地史）分析概述地壳的沉降作用是形成盆地的直接原因，没有沉降就没有盆地。分析盆地的沉降史是研究盆地形成、演化的重要内容。随着盆地的数值模拟和计算机技术的使用，使盆地沉降分析逐渐地从定性向定量或半定量化方向发展。盆地沉降史是盆地构造运动学特征的一个重要方面，可以作为定量或半定量地划分盆地构造演化阶段或期次的参数之一。盆地中，沉积物厚度变化与增长记录了盆地沉降的过程，沉降史分析就是绘制一条随时间变化的沉降速率和沉积速率的曲线。一、盆地沉降史（地史）分析概述1．沉降与隆升地壳垂直运动包括两个方向：沉降和隆升。盆地的沉降和隆升都是相对于参照面和时间而言的。该参照面可以是大地水准面或某个地质界面（如沉积基准面）等。沉降是指一个地质界面相对于参照面的高程随着时间的推移而相对降低；反之则是隆升。虽然沉降和隆升是地壳垂直运动的表现，但也可以是地壳水平运动派生出来的。例如，地壳水平伸展可以使地壳减薄并产生正断层，伸展后的地壳则在重力作用及重力均衡作用下发生区域性的沉降或隆升。水平挤压可以使地壳发生褶皱－冲断变形，褶皱－冲断加厚的地壳也会在重力作用及重力均衡作用下发生区域性的沉降或隆升。沉降区接受沉积便成为盆地，而隆升区成为隆起遭受剥蚀。一、盆地沉降史（地史）分析概述2．沉降作用与沉积作用沉降作用是指地壳的一种垂直运动过程，含有运动学意义。而沉积作用是指地壳的物质在表层地质营力的驱使下，充填、堆积的地质过程，含有物质的意义。沉降作用形成沉陷区，为沉积作用提供场所（空间）；而充填在沉降区中的沉积物的负荷作用也可能进一步引起沉降作用。不同的盆地沉降过程形成不同的沉积学特征；反过来，盆地中的沉积层序记录了盆地形成与发展过程中的沉降运动学特征。因此，沉积层序分析，是分析盆地沉降作用的重要方法。2．沉降作用与沉积作用沉积盆地中的沉降速率与沉积速率可以随盆地的演化而发生变化。当沉降速率大于沉积速率时，盆地的水体深度加大，表现为海侵或湖侵，形成上超的沉积层序，这时的沉积盆地也称为“欠补偿盆地”。当沉降速率与沉积速率处于均衡状态时，盆地水体的深度基本保持不变，盆地中的沉降－沉积中心相对稳定，成为“补偿盆地”。如果沉积盆地的沉降和沉积较长期处于补偿状态，地层剖面上看到的同一相带的沉积岩层的厚度相对较厚。当沉降速率小于沉积速率时，盆地水体逐渐变浅以致完全被沉积物充填，表现为海退或湖退，成为“过补偿盆地”。一、盆地沉降史（地史）分析概述3．构造沉降与非构造沉降引起盆地发生沉降的原因可以分为构造原因和非构造原因。由构造原因引起的盆地沉降称为“构造沉降”（tectonicsubsidence），包括岩石圈板块的变形（伸展或加厚）、板块间的相互作用、板块内部的热作用和相转换等原因引起的沉降。由非构造原因引起的盆地沉降称为“非构造沉降”，主要包括沉积负荷引起的盆地沉降和全球海平面相对变化引起的盆地参照面的相对下降。无论构造原因还是非构造原因，盆地沉降最终主要是靠重力均衡实现的。构造作用和地表发生的剥蚀、沉积等原因打破了地壳或岩石圈的重力平衡，地球的重力作用驱使岩石圈达到新的重力均衡状态，因而使地表发生沉降或隆升。一、盆地沉降史（地史）分析概述4．沉降量与沉降速率盆地的沉降，通常可选择盆地中的某个构造面，考察它相对于某一基准面的下降量。一般可用沉降量和沉降速率两个参数。沉降量（或沉降幅度）表示某地质时期一个地区的累计的沉降幅度的大小。沉降速率是盆地某一构造面在单位地质时期内相对于某一基准参照面（海平面或湖平面）下降的幅度。4．沉降量与沉降速率通常可用图示方法直观地反映观测点的沉降量和沉降速率。以地质时间为横坐标，以某地质界面的某观察点相对于其参考面（通常是大地水难面）的高程值为纵坐标，编绘出用来反映该观测点的沉降过程的沉降曲线。曲线的纵坐标值就是沉降量，曲线的斜率则是反映观测点的沉降速率。4．沉降量与沉降速率编绘沉降曲线是从观测点的地层埋深状态分析入手的，根据观测点的地层的现今埋深状态，并按照地层的地质时代及岩性特征，采用“回剥法”计算出地质时期的地层埋深，就可以编绘出该观测点的地层埋藏史曲线（图9－la）。盆地基底的埋藏史曲线就是反应盆地沉降过程的沉降曲线（图9－1b）。进一步还可以将盆地沉积物负荷引起的沉降以及古水深、海平面变化引起的相对沉降从盆地基底沉降中扣除掉，而剩余部分则是构造因素引起的沉降，即构造沉降。总结：盆地沉降史分析，就是从分析盆地地层层序特征和埋藏状态人手，通过编绘反映盆地沉降特征的地层埋藏史曲线、盆地基底沉降曲线以及盆地构造沉降曲线等途径来表述（图9－l）。二、盆地沉降量的求解从现今地层柱回推求盆地沉降量和沉降－埋藏史曲线－－回剥法、回剥技术。需要对现今地层厚度进行三种校正：（1）去压实作用；（2）古水深校正；（3）绝对海平面升降校正。二、盆地沉降量的求解1．“地层骨架厚度不变”压实模型如图9－2所示，假设地层A沉积后继续下降并沉积了地层B，然后进一步沉积了地层C．地层A在地层B和地层C沉积过程中被埋藏起来，并受上覆岩层的负荷作用而被压实。如果压实只是导致地层的孔隙度减小而并没有使地层柱的截面积加大，则可以将这种压实模型称为“地层骨架厚度不变”压实模型（实心厚度不变）。1．“地层骨架厚度不变”压实模型一般情况下，地层骨架厚度不变压实模型适用于所有岩层，但是对于某些易流动的岩层，由于差异压实可能导致地层在压实过程中出现流动变形，地层骨架厚度不变压实模型显然不合适。使用地层骨架厚度不变压实模型复原地层的埋藏史，实质上是恢复地层中的孔隙度的演化过程。因此，可以借助于孔隙度－深度的关系来恢复同一地层在不同地质时期的古厚度。二、盆地沉降量的求解2．岩层孔隙度的变化孔隙度是单位体积岩层中的孔隙所占的体积大小，常用百分数或小数表示。假设深埋地下的砂岩就是地表附近松散的沙层经过压实和成岩作用形成的。一般认为岩层在压实过程中孔隙度主要是随着上覆岩层的厚度的增加而减小的，而受上覆地层的负荷时间的影响较小。因此，可以根据不同深度上的同种岩石的孔隙度编制一条孔隙度－深度曲线来代表这种岩层在压实过程中的孔隙度变化。2．岩层孔隙度的变化在同一地区，同种类型的碎屑岩的孔隙度通常是随着深度的增加而减小。有两种情况必须认真考虑：其一是岩层曾埋深到一定深度后又上升使上覆部分地层剥蚀，这时地层中的孔隙度仍然保持它在达到最大理深时的孔隙度；此时，必须通过分析地层层序确定上覆岩层在何时遭到何种程度的剥蚀。其二是岩层埋深到一定深度后可能被压裂或发生矿物变化等使孔隙度发生变化，这不仅影响到岩层的孔隙度而且还影响岩层柱中的骨架厚度（新生沉积矿物使岩层骨架厚度增加，部分矿物溶蚀（或溶解））使骨架厚度减小，矿物转化也可能使其体积发生变化而影响到岩层骨架厚度）。此时，必须通过岩层的成岩作用研究来确定它们对孔隙度的影响程度。碳酸盐岩和各种类型的化学沉积岩的孔隙度在压实过程中，一般认为，成岩作用可以发生在较浅的埋深条件下，而一旦成岩后，其孔隙度变化极小。二、盆地沉降量的求解3．回剥法（回剥技术）在计算盆地沉降量时，一般采用回剥法，即采用反演方法来恢复沉积盆地地层埋的藏史、沉降史。采用回剥法分析盆地沉降史，必须了解地层的埋藏现状，包括地层层序是否连续、各地层界面的理深及其地质时代，以及各地层单位的岩性、孔隙度、密度等资料。在此基础上，根据地层骨架厚度不变压实模型通过数学计算复原出地质时期的地层埋藏状态。二、盆地沉降量的求解4．正常压实情况下的孔隙度一深度关系沉积物的压实作用研究，自20世纪初便开始了。最初，前苏联学者注意到沉积岩的孔隙度与其地质时代呈反比关系。Athy（1930）也对美国宾夕法尼亚和俄克拉荷马南部二叠系页岩进行过研究，得出在一定深度范围内，地层的孔隙度随深度呈指数减小、密度随深度呈指数增大的关系曲线。一个地区，可以通过实测不同深度的同一种碎屑岩的孔隙度值，建立孔隙度－深度关系。亦可以根据探井的声波测井、密度测井等资料，通过计算来建立孔隙度－深度关系。在正常压实沉积层中，碎屑岩岩层的孔隙度随着深度增加而呈指数减小，即满足式（9－1）的关系：φ(h)=φ0e-ch（9－1）φ(h)=φ0e-ch式中φ(h)是深度h处的岩石孔隙度；φ0为深度h＝0时的孔隙度；C为压实常数。从式中可看出，孔隙度为(1/e)φ0时，其深度为(1/C)km。4．正常压实情况下的孔隙度一深度关系φ0和C值对不同的岩性和地区是不同的,可根据不同深度的钻井孔隙度值用最小二乘法按指数函数拟合求得。可以使用岩样孔隙度实测资料,也可以应用地球物理测井资料，常用的有声波测井和密度测井资料。也可应用类比的方法,选用邻区或与研究区地质条件类似的地区的压实方程。(1)使用岩样孔隙度实测资料或已有孔隙度资料；(2)使用声波测井资料；(3)使用密度测井资料；(4)使用地质条件类似的地区的压实方程。4．正常压实情况下的孔隙度－－深度关系使用声波测井资料：在探井声波测井中，岩石密度是控制地层声波输出的重要因素，而岩石密度又与岩石孔隙度相关。因此，声波速度能较好地反映地层孔隙度。使用声波测井资料：实际经验表明，在固结而压实的地层中，粒间孔隙均匀分布，则孔隙度(φ)和声波时差(△T)存在线性关系：△T＝△Tma（1－φ）＋△Tf*φ△T－△Tma即：φ＝───────△Tf－△Tma式中:△T──声波测井曲线上读取的时差(单位：微秒/米)；△Tma──岩石骨架的声波时差;一般，砂岩的△Tma为15.6－15.9微秒/米，灰岩的△Tma为13.25－14.50微秒/米；△Tf──孔隙中流体的声波时差。常取水(泥浆溶液)的声波时差(655微秒/米)。使用声波测井资料：每个△T值都有相应的深度值与之对应,因而,可以求得同一地区同一岩性不同深度的孔隙度值。应用求取的不同深度的孔隙度资料，经回归分析的数理统计方法，求得该地区不同岩性的压实方程。4．正常压实情况下的孔隙度一深度关系使用密度测井资料：地层密度测井是利用各种岩石对γ射线的吸收特性，研究地质剖面各种岩性的变化，确定地层密度及孔隙度。根据密度测井计算地层密度的公式为：ρb＝ρma（1－φ）＋ρf*φρma－ρb即：φ＝───────ρma－ρf式中:ρb──密度测井曲线上读取的平均密度(g/cm3);ρma──岩石骨架的平均密度,一般，砂岩的骨架密度为2.65g/cm3，灰岩为2.71g/cm3；ρf──孔隙中流体的平均密度，它与温度、压力、含盐浓度有关。4．正常压实情况下的孔隙度-深度关系回归分析求孔隙－深度方程：根据不同深度得到的一组孔隙度资料（hn-φn),用回归法（最小二乘法）求取压实方程，主要是求负指数曲线中的参数C值和φ0值。对方程取对数φ(h)=φ0e-ch得lnφ=lnφ0-chc=(1/h)lnφ0-(1/h)lnφ为线性方程0ln0012111lnln)()ln)(ln(ln1ln1ehchhhhcnhnhniiiininiinii回归分析求孔隙与深度方程二、盆地沉降量的求解5．欠压实情况下的孔隙度---深度关系沉积层的孔隙中一般含有流体（地层水或油气），在压实过程中随着孔隙度的减小而被排挤出来。但是有些情况下，地层孔隙中的流体不能自由地排泄出来，随着理深的加大，地层孔降度并不是按照式（9－1）形式的减小，而出现欠压实沉积层（overpressuredsediments）(或称超压）。5．欠压实情况下的孔隙度一深度关系这种情况下，应该建立其他形式的孔隙度一深度关系，或对式（9－l）进行修改。如由粘土矿物组成的含饱和水的岩层，其颗粒孔隙之间有流体压力存在，增强了颗粒之间的支撑力。有效压应力为垂向压应力减去流体压力，或垂向压应力为有效应力与流体压力之和，即：pH=σ+p中σ为有效应力；pH为垂向压应力（沉积物负荷压力）；p为流体压力。5．欠压实情况下的孔隙度一深度关系而垂向压应力是由上覆含饱和水的沉积物的质量来决定的，它与沉积物及深度的关系可表示为：pH=ρbgh式中ρb为含饱和水的沉