利用岩石圈瞬态热流模型重建渤海湾盆地新生代热历史
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(1.De partment of Earth Sciences , N an jing University , N an jing 210093, China; 2.Sinopec Petroleum E x p loration and Production Research I nstitute , Beij ing 100083, China)
第 29 卷 第 5 期 2008 年 9 月
文章编号 :0253-2697(2008)05-0650-07
石油学报
AC T A PET ROLEI SINICA
V o l.29 Sept .
N o .5 2 00 8
利用岩石圈瞬态热流模型重建渤海湾盆地新生代热历史
丁增勇1 ,2 王良书1 胡文瑄1 张 鹏1 刘绍文1 米 宁1
Reconstruction of Cenozoic thermal history of Bohai Bay Basin with a transient heat flow model
DIN G Zengy ong1 , 2 WA NG Li ang shu1 H U Wenx uan1 Z H A NG Peng1 LI U Shao wen1 M I N ing1
Abstract :A model o f o ne-dimensional tr ansient hea t flow w as e stablished by using the BasinM od so ftwa re .Calibra ted by the por osity , thermal conductiv ity , temper ature o f bo reho le and v itr inite reflectance , the thermal histo ry of the Ceno zoic sediments of nine deep wells in Bohai Bay Basin w as reco nstr ucted with the transient heat flow mo del , which co nsidered the co mpaction of sediments , hetero geneous conductivity structure , r adio active hea t pro duction in the upper crust a nd sediments, and thermal effects of sedime ntar y filling s and ero sion .T he simula tion results of the heat flow history predicted by two-laye r rift mo del and the consta nt current hea t flow indica te that the present subsurface temperature of the Cenozo ic sediments is the hig hest tem pera tur e attributed to deep burial , e xcept lo cal area s w he re the e roded thickne ss of Dong ying F o rmatio n is la rge .Ho weve r , the present heat f low value is not the highest ev er ex pe rienced .T he highest heat flo w is 9 %～ 23% hig her than the cur rent value and occur red at the end of e rosio n o f Dong ying Fo rmatio n befo re present 16 ～ 20 M a .T he radioactiv e hea t g ene ratio n is neg lected in the rift heat flow model, which canno t reflect the ther mal histo ry by recor ded temper ature at the paleothermo me try and pre sent bot to m hole.T he transient hea t flo w model contains mo re g eolo gica l info rmatio n and influential facto rs than the rif t heat flow model.T he thermal histo ry predicted by the transient heat f low model is likely the actual thermal evolution process ex perienced by the litho sphere and sediments in Bohai Bay Basin during the Cenozoic perio d. Key words:Bohai Bay Basin;lithosphere ;sediment ;transient heat flow model;basin thermal modeling ;Ceno zoic ;therma l histo ry
(1.南京大学地球科学系 江苏南京 210093 ; 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院 北京 100083)
摘要 :以孔隙度 、热导率 、地层温度及镜质体反射率数据作为校 准 , 利用 BasinM od 软件建立了一维 岩石圈瞬态 热流模型 , 挑选渤 海 湾盆地内资料相对齐全且靠近沉积 — 沉降中心的 9 口深钻孔 , 对新生界地 层热历 史进行 了重建 。 模 型中考 虑了沉 积压实 、非均 一 热导率结构 、沉积层和地壳的放射性生热以及 沉积充填和剥蚀作用的热 效应 。 作为检 验和对 比 , 模 拟了双 层伸展 裂谷模 型热流 和 不变的现今热流两种情形 , 结果表明 :除了东营末期剥蚀地层厚度较大的局部地区以外 , 渤海湾盆地大部分 地区新生 界沉积层的 现 今地层温度皆因深埋作用而处于其所经历的最高温度 , 但现今热流却不是 其经历的 最大热流 ;最大 热流出 现在东 营组地 层遭受 剥 蚀的末期 , 距今约 16～ 20 M a, 最高地表热 流值高于现今 9%～ 23%。 简单裂谷热流模型不能 反映由古温标 和井底温 度所记录的 热 流史 , 而瞬态模型包含了更多的地质信息 , 考虑了更多的影响因素 , 由此所预测的热历史可能与渤海湾盆地 岩石圈和 沉积层在新 生 代期间所经历的实际热演化史更加吻合 。 关键词 :渤海湾盆地 ;岩石圈 ;沉积层 ;瞬态热流模型 ;盆地热模 拟 ;新生代 ;热历史 中图分类号 :T E111 文献标识码 :A
渤海湾盆地构造及研究井位置fig1tectonicsketchbohaibaybasinstudiedwells2岩石圈瞬态热流模型的建立21裂谷盆地的简化模型要对包括岩石圈地幔地壳和沉积层的整个岩石圈柱图2求解热传输方程2引首先必须确定整个岩图2裂谷盆地岩石圈柱演化模式fig2evolutionpatternsiithosphericcolumnriftbasins万方数据652石油学报2008年第29卷石圈柱各层的初始条件和厚度变化这就需要由岩石圈尺度的构造演化定量模型来提供
第 5 期
丁增勇等 :利用岩石圈瞬态热流模型重建渤海湾盆 地新生代热历史
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40 %～ 60 %[ 8] 。 渤海湾盆地由岩石圈放射性元素衰减 所产生的热流值平 均达到 28 mW/ m2[ 9] 。 Waples 最 近研究认为[ 10-11] , 如果考虑岩石圈生热和在裂谷过程 中地壳被均匀地拉张减薄 , 盆地沉积层内热流的变化 规律将明显不同于 M cKenzie 模型 。
基金项目 :国家自然科学基金项目(N o.40634021)资助 。 作者简介 :丁增勇 , 男 , 1967 年 10 月生 , 2007 年获南京大学地球科学系构造地质专业博士学位 , 现为中国石化石油勘探开发研究 院在站博士后 , 主 要
从事含油气盆地分析和石油地质方面的研究工作 。 E-mail :dingzy @pepris .com
法 , 是在岩石圈尺度利用 M cKenzie 最早提出的裂谷 作用模型[ 6-7] 或其改进模型来重建盆地动态热体制的 一种方法 , 但建立这些模型的假设前提是热流全部来 自软流圈地幔 , 这与客观情况不符合 。 越来越多的研 究表明 , 岩石圈所含放射性物质衰减生热对大地热流 的贡献亦是不容忽视的 , 在大陆地区约占地表热流的
来盆地开始进入裂谷后期的热沉降阶段 。这一阶段盆 地的沉降机制主要归于岩石圈冷却和收缩所导致的地 表下沉 。 渐新世末期至中新世中期 , 由于菲律宾板块 开始向欧亚大陆俯冲以及太平洋板块 俯冲方式的改 变 , 导致产生 NW-S E 向挤压应力作用 , 整个盆地反转 抬升 , 沉降 —沉积中心均露出地表 , 且遭受到不同程度 的风化剥蚀[ 19 , 24] 。 中新世后期 , 边界挤压应 力消失 , 盆地整体又恢复热沉降过程 。 热沉降阶段整个盆地接 受了以河流相和滨浅湖相为主的沉积 , 由下至上依次 为东营组 、馆陶组 、明化镇组和平原组 4 套地层 。
1 地质背景
渤海湾新生代盆地属于大陆裂谷盆地(图 1)。 南 北长约有 1 000 km , 东 西宽约 500 km , 总 面积 20 × 104 km2 。 其轮廓大体上呈“N”形 。 渤中坳陷现今为海 水覆盖 , 其他地区则为地势较低的陆上平原 。渤海湾 裂陷盆地整体处于华北克拉通内部 。华北克拉通东部 的岩石圈根在中生代受到来自深部地幔的各种侵蚀作 用(包括机械侵蚀 、热侵蚀 、化学侵蚀等[ 22] ), 从而发生 了巨厚减薄事件 , 但这一巨量减薄事件在时空上是不 均一的 。 进入新生代之后 , 在东部太平洋板块向欧亚 板块斜向俯冲以及印度板块与欧亚板块碰撞所产生的 右旋拉张应力场的联合作用下[ 23] , 渤海湾地区引发了 以软流圈强烈上涌以及岩石圈进一步伸展减薄为特征 的大规模大陆裂谷作用 。 一般认为 , 裂谷阶段为古新 世中晚期至渐新世早期 。 地表出现大规模差异沉降并 接受快速的沉积充填 , 以深湖 、半深湖和浅湖相为主 , 沉积了孔店组和沙河街组两套地层 。渐新世中晚期以
盆地热模拟是将上述两种方法结合的一种更具 优势的热史重建方法 。 近年来 , 汪集旸和何丽娟利用 该方法开发了有限单元算法程序 , 在渤海湾盆地开展 了一系列构 造 —热演化研 究 , 取得 了重要进 展[ 12-14] 。 但其采用的构造模型或者忽略了沉积层 , 或者忽略了 放射性生热 , 故而也未能对沉积和剥蚀作用的瞬态热 效应加以考虑 。 近年来国际上一些研究[ 15-17] 表明 , 沉 积层与其下岩石圈是相互作用的 , 盆地热演化其实是 一个复杂的非稳态热传输过程 。渤海湾盆地属于比较 年轻的大陆裂谷盆地 , 进入热沉降阶段仅有约 30 M a 的时间 , 显然尚未恢复热平衡状态 , 岩石圈(包括新生 代沉积层)内的热传导必然是随时间变化的非稳态过 程 。 为了真实再现渤海湾盆地热历史 , 选用了 BasinM od-1D 盆模软件 , 建立了 依据裂谷演化过程中岩石 圈的厚度变化来计算地表热流的瞬态导热模型 , 考虑 了岩石圈放射性元素生热 、沉积物隔热与生热以及抬 升剥蚀作用的热效应 。 同以往类似研究相比 , 此次研 究提供了更为符合实际的盆地热演化过程 。 另外 , 由 于渤海湾盆地各组段沉积层绝对年龄界限长期以来没 有统一的划分方案 , 且不同方案之间差别很大[ 18-21] , 此 次研究采用了最新米兰科维奇旋回法重新标定地层绝 对年龄界限 , 从而在一定程度提高了年龄的可靠性 。
在对渤海湾盆地热史的相关研究中 , 大多采用的 热史恢复方法是限于盆地尺度的古温标法[ 1-2] , 其中存
在的问题是 局限性 , 比如磷灰石
裂变径迹在环境温度范围超过 110 ℃～ 120 ℃以后将 完全退火[ 5] 。另外一种热史恢复方法称为构造热演化
第 29 卷 第 5 期 2008 年 9 月
文章编号 :0253-2697(2008)05-0650-07
石油学报
AC T A PET ROLEI SINICA
V o l.29 Sept .
N o .5 2 00 8
利用岩石圈瞬态热流模型重建渤海湾盆地新生代热历史
丁增勇1 ,2 王良书1 胡文瑄1 张 鹏1 刘绍文1 米 宁1
Reconstruction of Cenozoic thermal history of Bohai Bay Basin with a transient heat flow model
DIN G Zengy ong1 , 2 WA NG Li ang shu1 H U Wenx uan1 Z H A NG Peng1 LI U Shao wen1 M I N ing1
Abstract :A model o f o ne-dimensional tr ansient hea t flow w as e stablished by using the BasinM od so ftwa re .Calibra ted by the por osity , thermal conductiv ity , temper ature o f bo reho le and v itr inite reflectance , the thermal histo ry of the Ceno zoic sediments of nine deep wells in Bohai Bay Basin w as reco nstr ucted with the transient heat flow mo del , which co nsidered the co mpaction of sediments , hetero geneous conductivity structure , r adio active hea t pro duction in the upper crust a nd sediments, and thermal effects of sedime ntar y filling s and ero sion .T he simula tion results of the heat flow history predicted by two-laye r rift mo del and the consta nt current hea t flow indica te that the present subsurface temperature of the Cenozo ic sediments is the hig hest tem pera tur e attributed to deep burial , e xcept lo cal area s w he re the e roded thickne ss of Dong ying F o rmatio n is la rge .Ho weve r , the present heat f low value is not the highest ev er ex pe rienced .T he highest heat flo w is 9 %～ 23% hig her than the cur rent value and occur red at the end of e rosio n o f Dong ying Fo rmatio n befo re present 16 ～ 20 M a .T he radioactiv e hea t g ene ratio n is neg lected in the rift heat flow model, which canno t reflect the ther mal histo ry by recor ded temper ature at the paleothermo me try and pre sent bot to m hole.T he transient hea t flo w model contains mo re g eolo gica l info rmatio n and influential facto rs than the rif t heat flow model.T he thermal histo ry predicted by the transient heat f low model is likely the actual thermal evolution process ex perienced by the litho sphere and sediments in Bohai Bay Basin during the Cenozoic perio d. Key words:Bohai Bay Basin;lithosphere ;sediment ;transient heat flow model;basin thermal modeling ;Ceno zoic ;therma l histo ry
(1.南京大学地球科学系 江苏南京 210093 ; 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院 北京 100083)
摘要 :以孔隙度 、热导率 、地层温度及镜质体反射率数据作为校 准 , 利用 BasinM od 软件建立了一维 岩石圈瞬态 热流模型 , 挑选渤 海 湾盆地内资料相对齐全且靠近沉积 — 沉降中心的 9 口深钻孔 , 对新生界地 层热历 史进行 了重建 。 模 型中考 虑了沉 积压实 、非均 一 热导率结构 、沉积层和地壳的放射性生热以及 沉积充填和剥蚀作用的热 效应 。 作为检 验和对 比 , 模 拟了双 层伸展 裂谷模 型热流 和 不变的现今热流两种情形 , 结果表明 :除了东营末期剥蚀地层厚度较大的局部地区以外 , 渤海湾盆地大部分 地区新生 界沉积层的 现 今地层温度皆因深埋作用而处于其所经历的最高温度 , 但现今热流却不是 其经历的 最大热流 ;最大 热流出 现在东 营组地 层遭受 剥 蚀的末期 , 距今约 16～ 20 M a, 最高地表热 流值高于现今 9%～ 23%。 简单裂谷热流模型不能 反映由古温标 和井底温 度所记录的 热 流史 , 而瞬态模型包含了更多的地质信息 , 考虑了更多的影响因素 , 由此所预测的热历史可能与渤海湾盆地 岩石圈和 沉积层在新 生 代期间所经历的实际热演化史更加吻合 。 关键词 :渤海湾盆地 ;岩石圈 ;沉积层 ;瞬态热流模型 ;盆地热模 拟 ;新生代 ;热历史 中图分类号 :T E111 文献标识码 :A
渤海湾盆地构造及研究井位置fig1tectonicsketchbohaibaybasinstudiedwells2岩石圈瞬态热流模型的建立21裂谷盆地的简化模型要对包括岩石圈地幔地壳和沉积层的整个岩石圈柱图2求解热传输方程2引首先必须确定整个岩图2裂谷盆地岩石圈柱演化模式fig2evolutionpatternsiithosphericcolumnriftbasins万方数据652石油学报2008年第29卷石圈柱各层的初始条件和厚度变化这就需要由岩石圈尺度的构造演化定量模型来提供
第 5 期
丁增勇等 :利用岩石圈瞬态热流模型重建渤海湾盆 地新生代热历史
65 1
40 %～ 60 %[ 8] 。 渤海湾盆地由岩石圈放射性元素衰减 所产生的热流值平 均达到 28 mW/ m2[ 9] 。 Waples 最 近研究认为[ 10-11] , 如果考虑岩石圈生热和在裂谷过程 中地壳被均匀地拉张减薄 , 盆地沉积层内热流的变化 规律将明显不同于 M cKenzie 模型 。
基金项目 :国家自然科学基金项目(N o.40634021)资助 。 作者简介 :丁增勇 , 男 , 1967 年 10 月生 , 2007 年获南京大学地球科学系构造地质专业博士学位 , 现为中国石化石油勘探开发研究 院在站博士后 , 主 要
从事含油气盆地分析和石油地质方面的研究工作 。 E-mail :dingzy @pepris .com
法 , 是在岩石圈尺度利用 M cKenzie 最早提出的裂谷 作用模型[ 6-7] 或其改进模型来重建盆地动态热体制的 一种方法 , 但建立这些模型的假设前提是热流全部来 自软流圈地幔 , 这与客观情况不符合 。 越来越多的研 究表明 , 岩石圈所含放射性物质衰减生热对大地热流 的贡献亦是不容忽视的 , 在大陆地区约占地表热流的
来盆地开始进入裂谷后期的热沉降阶段 。这一阶段盆 地的沉降机制主要归于岩石圈冷却和收缩所导致的地 表下沉 。 渐新世末期至中新世中期 , 由于菲律宾板块 开始向欧亚大陆俯冲以及太平洋板块 俯冲方式的改 变 , 导致产生 NW-S E 向挤压应力作用 , 整个盆地反转 抬升 , 沉降 —沉积中心均露出地表 , 且遭受到不同程度 的风化剥蚀[ 19 , 24] 。 中新世后期 , 边界挤压应 力消失 , 盆地整体又恢复热沉降过程 。 热沉降阶段整个盆地接 受了以河流相和滨浅湖相为主的沉积 , 由下至上依次 为东营组 、馆陶组 、明化镇组和平原组 4 套地层 。
1 地质背景
渤海湾新生代盆地属于大陆裂谷盆地(图 1)。 南 北长约有 1 000 km , 东 西宽约 500 km , 总 面积 20 × 104 km2 。 其轮廓大体上呈“N”形 。 渤中坳陷现今为海 水覆盖 , 其他地区则为地势较低的陆上平原 。渤海湾 裂陷盆地整体处于华北克拉通内部 。华北克拉通东部 的岩石圈根在中生代受到来自深部地幔的各种侵蚀作 用(包括机械侵蚀 、热侵蚀 、化学侵蚀等[ 22] ), 从而发生 了巨厚减薄事件 , 但这一巨量减薄事件在时空上是不 均一的 。 进入新生代之后 , 在东部太平洋板块向欧亚 板块斜向俯冲以及印度板块与欧亚板块碰撞所产生的 右旋拉张应力场的联合作用下[ 23] , 渤海湾地区引发了 以软流圈强烈上涌以及岩石圈进一步伸展减薄为特征 的大规模大陆裂谷作用 。 一般认为 , 裂谷阶段为古新 世中晚期至渐新世早期 。 地表出现大规模差异沉降并 接受快速的沉积充填 , 以深湖 、半深湖和浅湖相为主 , 沉积了孔店组和沙河街组两套地层 。渐新世中晚期以
盆地热模拟是将上述两种方法结合的一种更具 优势的热史重建方法 。 近年来 , 汪集旸和何丽娟利用 该方法开发了有限单元算法程序 , 在渤海湾盆地开展 了一系列构 造 —热演化研 究 , 取得 了重要进 展[ 12-14] 。 但其采用的构造模型或者忽略了沉积层 , 或者忽略了 放射性生热 , 故而也未能对沉积和剥蚀作用的瞬态热 效应加以考虑 。 近年来国际上一些研究[ 15-17] 表明 , 沉 积层与其下岩石圈是相互作用的 , 盆地热演化其实是 一个复杂的非稳态热传输过程 。渤海湾盆地属于比较 年轻的大陆裂谷盆地 , 进入热沉降阶段仅有约 30 M a 的时间 , 显然尚未恢复热平衡状态 , 岩石圈(包括新生 代沉积层)内的热传导必然是随时间变化的非稳态过 程 。 为了真实再现渤海湾盆地热历史 , 选用了 BasinM od-1D 盆模软件 , 建立了 依据裂谷演化过程中岩石 圈的厚度变化来计算地表热流的瞬态导热模型 , 考虑 了岩石圈放射性元素生热 、沉积物隔热与生热以及抬 升剥蚀作用的热效应 。 同以往类似研究相比 , 此次研 究提供了更为符合实际的盆地热演化过程 。 另外 , 由 于渤海湾盆地各组段沉积层绝对年龄界限长期以来没 有统一的划分方案 , 且不同方案之间差别很大[ 18-21] , 此 次研究采用了最新米兰科维奇旋回法重新标定地层绝 对年龄界限 , 从而在一定程度提高了年龄的可靠性 。
在对渤海湾盆地热史的相关研究中 , 大多采用的 热史恢复方法是限于盆地尺度的古温标法[ 1-2] , 其中存
在的问题是 局限性 , 比如磷灰石
裂变径迹在环境温度范围超过 110 ℃～ 120 ℃以后将 完全退火[ 5] 。另外一种热史恢复方法称为构造热演化