5-盆地沉降与充填史

⑥ 下降岩石圈穿入软流圈的动力流；
⑦ 高压相变导致的地壳密度增大。
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① 伸展作用、剥蚀、 或岩浆侵位导致 的地壳薄化作用； （拆沉作用）
② 下地壳和上地幔 的冷却作用； ③ 地壳和岩石圈的 沉积和火山的负 载作用； ④ 地壳和岩石圈的 构造负载作用； ⑤ 岩石圈的板底垫 托作用导致下地 壳负载作用； ⑥ 下降岩石圈穿入 软流圈的动力流； ⑦ 高压相变导致的 地壳密度增大。
沉降史的模型
考虑海平面变化的挠曲均衡：
m - s w DT = (———— * H - ———— * △SL ) m - w m - w
+ ( W d - △ SL )
DT——构造沉降， __挠曲响应系数； Wd —古水深； △ SL —海平面变化。
代表基底对负载的响应，当岩石圈弹性系数很小时， ≈1，即为艾利模式。
可容空间就是可供沉积物堆积的潜在空间(J erveyM. T. , 1988) , 包括老空间(早期未被充填而遗留 的空间) 和新增可容空间(沉积过程中形成的空间) , 是盆地沉降或隆升、湖平面变化等因素综合作 用的结果, 是控制沉积盆地充填的主要因素之一。
1 Factors controlling basin filling
Accommodation
【公式】
Δaccommodation = Δeustasy + Δsubsidence + Δcompaction
相对海平面变化
Δaccommodation
可 容 空 间 减 小
同步变化
Relative sealevel change
可 容 空 间 增 大
盆地沉降 海平面升降 沉积供给量
——点补偿
Iw+C c+ M m Hs+C c+ (M - DL)m DL——负荷沉降
ρs—沉积层密度 ρm—地幔的密度 ρw—水的密度 ρc—岩石圈的密度
=
假定岩石圈没有弹性厚度
沉降史的模型
DL——负荷沉降
s - w DL = ———— * H m - w
构造沉降DT= 总沉降 - 负荷沉降DL
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盆地的沉降类型
裂陷盆地：拉张应力，地幔热膨胀，地壳减薄， 重荷作用。（主动裂谷，被动裂谷） 压陷盆地：挤压应力，热收缩，岩石圈挠曲， 重荷作用。（板块俯冲、碰撞）
走滑盆地：剪切应力，热收缩，重荷作用
克拉通盆地：板内应力，壳－幔相变，热收缩等
1、沉降史的模型
Mckenzie纯剪切模型 均衡原理：
以下（还原环境）形成巨厚源岩沉积。
盆地演化一般要经过多旋回的沉降－抬升 交替变化，从而导致多期生储盖组合！
盆地的沉降机制——地球动力学成因 热力、重力、应力， 一种为主，内外动力地质综合作用
其中，由应力、热力作用产生的构造沉降 是基本的沉降，而重荷作用使构造沉降继续 发展。
沉降史
沉降史的形成机制
Airy均衡模式 挠曲均衡(Flexure)
Sub-continental lithosphere: stretching Thinning Hotter Asthenosphere Cooling Denser
均匀扩张模型（McKenzie 1978）
Ta 等温线温度 a 岩石圈原始厚度
1、构造因素，岩石圈伸展减薄；
2、热力作用因素，岩石圈冷却收缩；
3、沉积物负荷引起的均衡补偿作用；
4、地壳深部的变质作用；
5、板内应力作用。
盆地沉降的机制
① 伸展作用、剥蚀、或岩浆侵位导致的地壳薄
化作用；（拆沉作用）
② 下地壳和上地幔的冷却作用； ③ 地壳和岩石圈的沉积和火山的负载作用； ④ 地壳和岩石圈的构造负载作用； ⑤ 岩石圈的板底垫托作用导致下地壳负载作用；
How they control the basin filling ?
岩石圈板块间的相互作用 热作用 相转换 沉积负荷 古水深 海平面升降
构 造 沉 降 作 用
控制了盆地沉积作用
控制了沉积物的分布
进一步促使盆地下沉
非 构 造
1 Factors controlling basin filling
How they control the basin filling ?
DT——构造沉降
ρs—沉积层密度 ρm—地幔的密度 ρw—水的密度 ρc—岩石圈的密度
m - s DT = ———— * H m - w
沉降史的模型
（3）挠曲均衡(Flexure)—面板补偿
Watts（1982）认为由于岩石圈具有一定的刚度，在加载后出现的地 壳变形响应实际上是挠曲均衡。 挠曲均衡模式认为：基底对负荷的响应是受力弯曲的弹性板，其均 衡补偿不仅发生在负荷点上，而且分布在一个比较大的范围内。该 模式认为上覆载荷一部分由地幔浮力承载，另一部分则由岩石圈来 承载。由于负荷是由一个面而非一个点来承载，故该模式得出的负 荷沉降要小于Airy模式得出的沉降，而且各类的沉降幅度与其到负 荷点的距离有关。
优点：
模型简单，可以利用获得的古热流变化模型预测无钻 井地区地层的热史，并且能够得到与大地构造发育、沉 积盆地演变等地质条件吻合的结论。
在缺少深部地质资料的情况下难以确定出与实际情况 局限性： 一致的理论模型。在模型实际应用时未考虑岩石圈的放 射性元素的生热效应。
脆性上地壳以断裂 变形； 塑性下地壳以纯剪 弹性流变形； 塑性地幔岩石圈以 纯剪变形。
热流公式：
KT1 Q t h
n 2 t n sin 1 2 exp n n 1
拉伸作用之后热流衰减的曲线 ：
岩石圈拉张变薄及软流圈 上隆时，盆地的热流值亦相 应增加，其大小可以由拉张 系数和时间来定量确定。 在最初的50Ma地表热流值 与拉张系数β很有关系，拉张 系数β越大，地表热流值的 初始值越大。 在50ma以后，不管拉张系 数β有多大，地表热流值都将 趋于稳定值，即拉张前的地 表平均热流值。
两种典型的伸展模式
Hantschel 等（2009）提出了高级McKenzie 模式（advanced McKenzie approach）： 先基于Airy 均衡原理和回剥方程，综合现今盆地几何形态、 地层年龄及剥蚀厚度等恢复载水盆地的“理论构造沉降”； 然后在充分考虑地壳与上地幔岩石圈不同的岩石学流变特性 及放射性生热的情况下，推导盆地的“计算构造沉降”，并 与“理论构造沉降”进行拟合，得出伸展因子可能的取值范 围，进而恢复一维盆地热史。
Mckenzie 模型小结：
描述了岩石圈对拉伸作用的基本响应，把拉伸盆地 的沉降分解为同裂陷期和裂后期沉降，提出了拉伸指数 的概念。 该模型为瞬时拉张模型，数学方程以热传导为基础， 仅适用于拉张型盆地。 初始沉降：岩石圈减薄引起的沉降 冷却沉降：岩石圈冷却引起的沉降
均匀拉张模式的评价（McKenzie）
所 需 参 数
STRETCH
Flex: Present section and beta profiles
Flex Decomp: Layers 1 and 2 removed
正演
敏感性测试
Te＝3 km合适
沉降与充填史分析
一．沉降史 二．充填史
二、充填史分析 1. 充填史的影响因素
2. 不同类型盆地的充填史
盆地基底对负荷的响应可分为两种模式:
点补偿模式，又叫局部模式或Airy模式
面板补偿，即挠曲（flexure）模式
沉降史的模型
（2）Airy均衡模式
——点补偿
地幔软流圈之上的 岩石圈是由一系列 的上浮柱体所构成, 根据浮力原理，各 柱体表面力在地幔 某深度界面上达到 静水平衡。
沉降史的模型
（2）Airy均衡模式
热衰减过程中的岩石圈温度分布与热流 热流方程为： 边界条件：
T 0 当z h T T1 当z 0
T为地温，º C
T z , t 2T z , t t z 2 初始条件：
hz 1 T T1 当0 1 h T T 1 h z 当1 1 h z 1 1 h h
后的结构和地层特征。模型整合了挠曲均衡、压实、
沉积负载、侵蚀和岩石圈的热扰动
沉降模拟模型
Flex Decompaction 采用改进的二维挠曲回剥，通过已知地震剖面地层的导入来重建张裂 后盆地的热沉降历史； 避免了一维回剥中只依赖于单井资料的局限性； 还应用了挠曲均衡，反演热模拟等新技术，不仅能更好恢复地层原有 形态，还可以对盆地相关控制参数有更好的理解和认识 Stretch 应用了弹性梁理论并加入了挠曲均衡原理，通过输入横向变化的拉张 量来进行模拟，能很好的表现盆地形态受断裂作用的控制。 还可以正演模拟盆地从基底形成到张裂，以至张裂后热沉降的一系列 过程
沉降模拟模型
模拟过程
建 立 模 式
设定参数
模拟 结果
修 改 参 数
沉降模拟模型 构造:张裂历史、水动型模式 地壳:厚度、有效弹性厚度、脆性 层厚度、最大弯曲力矩 岩石圈:地幔密度、地壳密度、水 的密度、软流圈温度、热膨胀系 数 沉积物:孔隙度、压实率、基质密 度、被侵蚀物质的密度 断 层：几何形态、位置、属性
沉降与充填的石油地质意义
盆地的沉降与充填是贯穿于沉积盆地演化过程中的一对矛盾。
沉降速率>充填速率：欠补偿，水进层序，正旋回；快速埋藏，
还原环境，有利成烃。
沉降速率<充填速率：超补偿，水退层序，反旋回；粗碎屑，
氧化环境，不利成烃。
沉降速率≈充填速率：正常补偿，水体平稳，相带稳定，生物
发达，沉积物分选良好；长期沉降浪基面
z为以岩石圈底界为原点至地表的垂直坐标，cm
t为以拉张发生时间为零算起直至今天的时间坐标，s x为岩石圈的热扩散率，cm2/s,可取为0.008。 h为地表至岩石圈底界的深度，cm，可取125*105 T1为软流圈的温度，º C，可取为1333。 β为岩石圈在水平方向的拉伸系数
岩石圈拉张后的温度分布公式：
盆地分析基础： 第三讲：五史分析
盆地沉降与充填史分析
讲课老师：何金有
中国地质大学（北京）
2012.12
1
沉降与充填史分析
一．沉降史 二．充填史
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盆地的沉降与沉积物的埋藏
基底的沉降 进一步沉降 盆地的形成 沉积物的充填 沉积物埋藏
（盆地的大小，几何形 态，构造特征）
没有沉降就没有盆地，没有盆地就没有石油。
沉降史的模型
（3）挠曲均衡 (Flexure)—面板 补偿
局部 均衡
区域 均衡
挠曲刚度：D=ETe3/12(1-v2) E-杨氏模量 V-泊松比 Te-梁的弹性厚度
沉降史的模型
（3）挠曲均衡(Flexure)——面板补偿
4W D ( m c ) gW L( x) 4 x
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沉降史的模型
（1）Mckenzie纯剪切模型
——拉张盆地热场转化
小
初始沉降(Si)：
热沉降(Sh)：
岩Байду номын сангаас圈减薄引起的沉降
大
岩石圈冷却引起的沉降
小
构造沉降 = 初始沉降 + 热沉降
均匀扩张模型（McKenzie 1978）
原始地质单元被瞬时拉张， 宽度变大，厚度变薄。
由于均衡补偿．软流圈抬升， 故1333℃的高温热源抬升， 致使从地表至软流圈的地温 梯度变大。 随着热流传至地表散失， 软流圈向下缩回，热扰动逐 渐衰减，原变热的物质逐渐 冷却，导致岩石圈底部下沉， 恢复到拉张前的温度场。
岩石圈拉张后的温度分布公式：
T z, t h z 2 1 1 T1 h n 1 n
n 1
n 2 t n h z n sin exp sin n h
沉降史的模型
总沉降 =构造沉降 +负荷沉降 =沉积物厚度+古水深
沉降模拟模型 挠曲回剥是用现今的横剖面逐渐移去最上部的地层 单元来恢复盆地张裂后的结构和地层几何特征。这 种模拟技术整合了挠曲均衡和反演的热沉降模型， 还包括沉积物去负载，脱压实作用。
弹性梁模型完善了张裂盆地正演模型中同张裂和裂