地层剥蚀量恢复方法浅述

地层剥蚀是多期沉积盆地中普遍存在的现象[1-2],它对沉积盆地中油气的生成、运移和聚集等产生重要的影响。

恢复地层剥蚀厚度是进行地质构造演化史研究的一项很重要的内容,也是进行油气资源定量评价的重要基础工作[2]。

很多地质工作者进行了深入的研究,先后出现了近20种地层剥蚀厚度恢复的方法,比较常用的方法归纳起来有以下5类(图1)。

1 以Wyllie公式为模型计算的方法
1.1 测井曲线法基本原理是,正常压实下碎屑岩孔隙度随深度的变化是连续的。

如果我们利用场波测井、密度测井资料或综合解释出的孔隙度曲线观察其变化趋势即可做出有无剥蚀的判断。

目前,人们最常用的是声波时差测井曲线(Magara,1976),一般用于测井曲线质量较高、剥蚀量较大且埋藏较浅时。

在正常压实情况下,页岩压实与
上覆的负荷或埋深有关,孔隙度是页岩压实程度的度量,而声波测井资料直接反映了页岩压实程度的大小。

因此,根据正常的压实趋势,应用声波测井资料推算沉积层的压实程度,就可以估算被剥蚀地层的厚度。

它的应用依赖于正确确定地下沉积层的孔隙度-深度和声波传播时间-深度关系。

该方法的缺点是,当剥蚀面再度下沉至大于剥蚀厚度的深度以下时,因压实趋势改变,则无法计算出剥蚀量的大小。

2 地层对比的方法
2.1 地层对比法地层对比法是比较传统的恢复剥蚀厚度的方法,即将要恢复剥蚀厚度的地层与邻区未被剥蚀的相同地层进行对比,求出其沉积厚度,除去该地层的残余厚度即可得到地层剥蚀量。

运用地层对比法求剥蚀厚度的原理如图2所示,图中Ⅰ,Ⅱ分别代表地层的深凹处(假设没有剥蚀的地层)和斜坡处(假设有剥蚀的地层)的钻井位,以C组地层为参考地层,即假设C地层在斜坡处没有剥蚀,则深凹处的地层厚度比为:λA=HA/HC其中,HA,HC分别为A地层和C地层在深凹处的厚度。

由地层对比法的原理可以计算斜坡处A地层在斜坡处的剥蚀厚度ΔHA:ΔHA=λA×HC’-HA’其中,HA’、HC’分别为A地层和C地层在斜坡处的厚度。

在同一构造层内,地层的沉积具有继承性和持续性,根据这一特点,可依据保存完整的相邻层厚度比值及下伏层厚度估算上覆层沉积厚度。

若估算值大于上覆残余层厚度,则超出部分为剥蚀厚度,否则,则上覆层未被剥蚀。

3 与古温标有关的方法
3.1镜质体反射率(R0)法由Dow,(1977)提出,基本原理是:正常情
况下,R0随深度的变化是连续的、渐变的,但有时却发生突变。

出现这种异常情况的原因有多种,地层缺失即是原因之一。

所以,要应用这种方法必须排除断层、岩浆作用等造成R0突变、重复或缺失。

在确定了R0突变是地层剥蚀造成以后,即可根据剥蚀面上、下R0值的差计算被剥蚀的厚度,计算时可采用作图法或解联立方程的办法。

在应用此方法时,还须有足够的R0实测数据,这往往是难以达到的,所以,此法只能应用在研究程度很高的地区,这也就限制了它的广泛应用。

3 . 2 磷灰石裂变径迹分析法磷灰石裂变径迹分析法是近十几年发展起来的恢复沉积盆地热史的一种新方法[1]。

该方法主要建立在磷灰石所含的U238自发裂变产生的径迹,在地质历史时间内受温度作用而发生退火行为这一化学动力学原理基础之上。

在实际应用中,重点是对模型的选择,国内外最常用的模型是澳大利亚的扇形模型[4]。

Ln(ta)=A(r)+B(r)/Tl式中:Ln-地史时期内某时刻的径迹长度,μm;ta-退火时间,s;r=Ln/L0,为退火率,%;L0-原始径迹长度,值约为16.5μm;A(r)-阿伦尼乌斯截距,常量,取值-28.12;B(r)=E(r)/K,E(r)为与r有关的活化能,K为玻尔兹曼常数;Tl-退火温度,K。

依据上述模型计算出恒温状态的退火率和裂变径迹的长度分布,应用最优化方法来求得剥蚀量和剥蚀时间等参数[1](图3)。

注:K-岩石热导率;A-岩石放射性生热率;He-地层剥蚀量;q-热流值;SS-理论值(F)和实际值(P)之间的方差 ;
3 . 3 流体包裹体法流体包裹体记载了它们所经历的整个受热地质历史中不同时期沉积物所处的温度、压力等热力学条件的信息。

因
此,在连续沉积过程中,捕获的包裹体温度(或压力)与埋藏深度一般呈良好的线性关系;然而,在侵蚀不整合面上下两边的地层中,曲线表现为明显的温度跃变现象(图4a)。

利用此法进行地层剥蚀厚度计算时,需要地表温度这个参数。

根据许多学者的研究,认为第三纪以来可用现今地表温度(Tn)代替[5],一般取20℃。

因此,在温度-深度坐标图上,只要把剥蚀面以下的深度、温度(或压力)对应数值的点用回归方法联结成直线,向上延伸至20℃的温度坐标处,即为古地表温度(To)。

对应于这一温度坐标的标高面也就是古地表面,由地层底面至古地表面的距离即为原始沉积物厚度,而由剥蚀面至古地表面的距离即为地层剥蚀厚度,具体关系见图4。

使用此法进行地层剥蚀量恢复计算时,必须选择同一个阶段形成的包裹体,这样才能得到这个阶段的古地温梯度。

3 .
4 宇宙成因核素分析法宇宙成因核素是指来自外层宇宙空间的高能量宇宙射线粒子(包括原生粒子和次生粒子)通过轰击地表及其附近岩石中的矿物的原子核,使其发生核反应而产生的放射性核素[6]。

当宇宙射线穿过地表进入岩石内部时,能量由于核反应和电离损耗而递减,导致核素产生率随深度增加呈指数衰减[7],表达式如下:Px=P(0)exp(-ρx／∧)或Px=P(0)exp(-μx)式中,Px是深度为x 处的宇宙核素生成速率,原子／(g.a);P(O)为岩石表面的宇宙核素生成速率,原子／(g.a);ρ为目标岩石的平均密度,g.cm-3;∧为宇宙射线在岩石中的平均吸收自由程,g.cm-2;μ=ρ/∧为目标岩石的吸收系数,cm-1。

岩石暴露后,剥蚀速率E与其岩石表面稳态宇宙成因核素
的浓度N(原子个数／g)成反比关系[1]:E=P(O)∧／N此式求得的E为现今岩石露头表面在由图 3 裂变径迹模拟地层剥蚀量方法框图图 4 包裹体形成温度-埋藏深度图原来地表之下以处暴露到地表的过程中的平均剥蚀速率。

求得剥蚀速率E值后,与剥蚀时间相乘,就可以计算出地层的剥蚀量。

4 沉积速率法
4 . 1 沉积速率分析法简单地说,该方法需要两个参数,一是沉积剥蚀时限,二是沉积速率,然后将这两个参数相乘就可以得到剥蚀量。

然而,在获得沉积剥蚀时限这个参数时,还需要知道在这个时限内哪一层段的沉积被剥蚀了。

在计算时,须做出关于剥蚀速率的判别,即剥蚀速率是等于不整合以下岩层的沉积速率,还是等于不整合以上岩层的沉积速率。

因此,合理、准确地求得剥蚀速率就是此法剥蚀量恢复结果准确的关键。

4 . 2 沉积波动过程分析法沉积波动过程分析法(张一伟等,2000)建立在地壳波状运动理论基础之上[8]。

波动过程是指地应力、质点运动、质点状态在地质空间中有规律地转移、扩散的过程。

由于地质体是极不均一的,因此,我们常常接触到的为非线性波动过程。

此法的
难点是建立起合适的波动方程,即在详细整理地质资料的基础上,将地层剖面转化成沉积速率剖面,并通过使用频谱分析和周期波叠加理论分解出一系列的周期波,确定出它们的周期、振幅及零相位,并建立它们的波动方程F(t)(图5),现在地层可观测原始厚度为:∫t0tF(t)dtt0为盆地开始生成的时间,t为盆地结束的时问,Ma。

沉积间断地层的剥蚀厚度为:∫t1t2F(t)dtt1为沉积间断开始时间,t2为沉积间断结束时间,Ma。

波动方程F(t),即曲线x(图5),打斜线的直方图代表在剖面上所测得的某些组段的沉积速率。

因为时间对速率积分为沉积厚度(图中直方图之面积),所以曲线x所含的整个面积等于沉积地层的厚度。

在时间1、2沉积了比现在观测要多的沉积岩,部分沉积岩在时间3～4时被剥蚀了。

在时间5时沉积了新的岩层,在时间6时又全部被剥蚀了。

在时间7内沉积的岩层在时间8中剥蚀了剩余的下部岩层(图中用圆点表示的部分)。

它的优点是除了能给出总剥蚀量外,还能详细刻画剥蚀过程的起止时间、剥蚀速率和剥蚀过程[1]。

5 趋势分析法该方法又称地质外推法。

使用该方法的前提是假设剥蚀前岩层的厚度均一或厚度变化均匀。

根据厚度的变化推算剥蚀量。

地层厚度在横向上常有一定的变化规律,根据未剥蚀地层厚度及沉积边界(厚度为零)内插或者根据未被剥蚀的两点地层厚度外插可估算被剥蚀地层厚度(图6)。

该方法有较强的适用性。

6 结论尽管恢复方法多样,却有各自的适用性。

目前,应用较为成熟的地层剥蚀量恢复方法主要有地层对比法、沉积速率法、测井曲线
法、镜质体反射率(Ro)法等,它们都具有各自的局限性。

所以,应根据研究区的具体地质特征来选择合适的恢复方法。

同时,对同一研究区,可考虑综合使用多种恢复方法进行相互验证,以期恢复结果更加准
确。

参考文献
[1] 王毅,金之钩.沉积盆地中恢复地层剥蚀量的新方法[J].地球科学展,1999,14(5):482-486.
[2] 李伟.恢复地层剥蚀厚度方法综述[J].中国海上油气(地质),1996,lO(3):167-171.
[3] 牟中海,陆廷清,谢桂生等.塔西南地区二叠系剥蚀厚度恢复.天然气工业,21(2):41-43.
[4] Lastett G M,Green P F,Duddy I R,etal.Thermal annealing
of fission tracksin apatite:a quantitative analysis[J].Chemical Geology,1987,65(1):1-3
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[6] 陈文寄,计凤桔,王非.年轻地质体系的年代测定(续)[M].北京:地质出版社,1999.
[7] 李储华,纪友亮,张世奇等.应用宇宙成因核素10Be和26Al 估算剥蚀面的暴露时间及剥蚀速率和剥蚀厚度[J].石油大学学报(自然科学版),2004,28(1):1-4.
[8] 刘国臣,金之钧,李京昌.沉积盆地沉积剥蚀过程定量研究的一种新方法[J].沉积学报,1995,13(3):23-32.。