沉积盆地分析

沉积盆地分析

沉积盆地是由各种沉积及构造要素有机地组合在一起的包括格架和各级构成单位的整体系统, 其演化过程中各项参数的变化显示了有序性, 如充填序列和构造序列, 并受控于多重地质因素相互作用的地球动力系统。沉积盆地分析的理论和方法正由于地质学领域多学科的最新进展而成为一种较为完整的认识系统和方法体系。

一、盆地分析主要内容

盆地研究领域的下列重要进展正在推动着较完整的盆地分析科学系统的形成：（1）层序地层学以及与之密切相关的沉积体系分析、旋回和事件地层分析等为盆地充填研究带来了新的概念体系与方法；（2）构造一地层分析使盆地的构造演化与沉积充填的关系更为密切地结合起来；（3）盆地的形成机制与主要类型盆地的动力学模型, 深部地球物理研究则提供了重要支柱;（4）盆地热历史研究的理论与新技术；（5）盆地模拟技术；（6）盆地演化与地球深部背景和板块相互作用的关系；（7）盆地演化过程中油气的形成、运移与聚集以及成矿作用的关系。沉积盆地的基本思想就是把盆地作为一个基本研究单元，进行整体解剖和综合分析。这种旨在阐明沉积环境和气候环境，了解各地层单元形成时的沉积条件和它们之间的古地理关系，探讨构造作用对盆地成因、盆地形成期的构造格架和现今构造轮廓所施加的影响。这种方法正符合系统中具体分析结构怎样决定系统功能的原则。油气的形成、演化与现今存在的形式，是整个盆地演化过程中各结构要素间相互作用达到动态平衡的产物，故整体性研究对含油气盆地分析具有更重要的现实意义。通过地质、地球物理等基础观测资料, 可对盆地进行以下五个方面的分析：沉积分析、层序地层分析、构造分析、能量场与流体系统分析、背景分析。

（一）沉积分析

通过能源盆地分析的多年实践可将主要参数概括为四类：(1)沉积参数包括盆地充填的岩性特征、充填序列、沉积体系的配置等；(2)构造参数包括盆地构造架、地层厚度和分布、古构造运动面、低级别同生构造的类型和配置、充填期后形变特征等；(3)热过程参数包括同期和准同期岩浆活动，反映热历史的各项指标，如镜质体反射率，粘土矿物的变化和矿物包体测温等；(4)成矿作用参数包括矿体的质量和数量参数，以煤盆地分析为例，主要煤体分带性和煤质分带性。在上述各项参数中沉积参数常常是最基本的研究内容，因为沉积充填乃是盆地的实体, 沉积环境是各种矿产形成的最直接控制因素。

地震勘探技术的进步和层序地层学方法的出现，使得在盆地研究中能快速地识别不整合间断面及其相应的整合面,并追踪层序界面,划分各级层序地层单元,并建立等时地层格架。在此基础上可以进一步研究沉积体系域及沉积体系的类型和分布,并重建各个时期盆地的古地理环境和沉积体系的分布。

对于中国东部北、中新生代断陷型含煤和含油气盆地分析中,发现盆地的演化阶段具有明显的共性,一般存在个阶段,作者按演化阶段划分成因地层单元,并通过追索和编图,重建了沉积体系域。这阶段是初始充填阶段,以冲积扇和辫状河沉积占优势,明显分化阶段,盆地中心形成浅水湖,周缘形成浅水三角洲和扇三角洲最大水进阶段,或称大湖阶段,湖面扩大,并逐渐转化为深水湖, 冲积沉积体系缩小, 湖相沉积中水下重力流广泛发育, 最好的生油岩形成于此阶段快速充填阶段, 由于构造背景的变化, 源区的上升,三角洲和扇三角洲快速进积, 深水湖泊不再存在全面淤浅阶段, 在盆地中形成平坦的洪泛平原或洼地, 有的地区发育网结河道, 本阶段为最好的聚煤时期, 许多数十亿吨和百亿吨级煤盆地的主煤层皆形成于此阶段, 如胜利、霍林河、伊敏等盆地, 结束充填阶段, 处于区域总体上升背景，冲积沉积体系再次回春, 但发育时期短暂。盆地构造背景的研究表明, 上述沉积充填演化取决于构造体制的变化, 即古构造应力场由右旋张扭向左旋压扭的转化, 前一体制下形成了总体水进程阶段一, 而后几依制下造成了总体水退过程, 直到结束充填。上述个演化阶段沉积体系域的恢复为找煤和油气曾起了重要作用, 多次成功地进行了预测。

（二）层序地层分析

盆地的地层格架是盆地分析最基本、最重要的参数之一, 它是指沉积盆地的外部和内部几何形态以及组成盆地的层的堆积性质。概括地说, 地层格架不仅指盆地的固体几何形态和盆地所包含的地层单元或单元序列的固体几何形态, 而且涉及到单个地层单元的性质, 最终体现了沉积环境。

美国科罗拉多州和犹地州盆地二叠系的地层格架是一典型实例（图1）。该盆地平面上为不规则半圆状, 剖面上显示出不对称形态。盆地内部几何形态采用岩性地层单元来反映。盆地北东部Cutler群被看作一个单元, 由厚达5000m以上的砾岩、长石砂岩和红色页岩组成, 代表沿Uncompahgre隆起带边缘一线的冲积扇和河流沉积。盆地西南部四个组分别构成四个单元, 厚均1000m,最老的Halgaito组为红色粉砂岩、砂岩和页岩, 组Ceder Mesa组为砂岩,Organ Rock组为红色粉砂岩和页岩, 顶部的Dechelly组为风成砂岩, 总体上代表了Cutler冲积扇、河流向外侧的古地理扩展和当时的冰水沉积相。当然, 如果描绘整个paradox 盆地的地层格架时, 则二叠系的五个岩性地层单元均可看成一个时间地层单元。

在研究盆地的地层格架的同时, 很有必要了解其控制因素。一般说来, 其控制因素不外乎三种：（1)沉积物的沉积速率；(2)盆地的沉降速率；(3) 海平面的变化速率。这些因素及其相互关系决定了盆地的地层格架。

Curtis 在假定海平面不变的前提下例举了盆地三角洲复合体充填过程中沉积速率（Rd）和沉降速率(Rs)之间的关系( 图2)。这种关系对地层格架的形成起到了控制作用。当沉积速率大于沉降速率时，地层格架表现出前积型；当沉积速率小于沉降速率时, 地层格架表现为退积型；当沉积速率等于沉降速率时，地层格架趋于稳定。

图2 三角洲复合体中沉积速率（Rd）与沉降速率（Rs）之间相互关系层的堆积性质是指地层单元的性质, 最终涉及到沉积环境。区域和地方性层的式样的圈定能提供许多有关沉积过程和沉积环境的信息。按盆地分析流程, 在详细研究地层格架前期必须做大量地层对比、沉积相分析和沉积体系研究工作, 这样才能正确地选择和划分出地层单元的界线, 确定地层单元的性质。尤其在这种基础上的岩性地层单元或岩性单元的划分无疑更能有效地反映层的堆积性质, 最终体现出沉积环境。例如，前陆盆地在剖面上具明显的不对称性, 靠近褶皱山系一侧为陡坡地形, 靠近地台一侧为缓坡( 图3)。由于这种地形上的不对称性, 致使前陆盆地中沉积相的平面分布出现不对称性。盆地发育早期, 靠近褶皱山系一侧以深海浊积扇沉积为主, 靠近地台一侧为浅水台地相沉积。盆地发育中期, 褶皱山系一侧为大陆斜坡相沉积, 中间为过渡型沉积, 地台一侧为三角洲河流相沉积; 盆地发育晚期, 褶皱山系一侧为扇三角洲, 地台一侧为河流、冲积扇、沼泽等, 中间为湖泊、三角洲沉积, 其中以扇三角洲、冲积扇、河流相沉积为主。从整个发展阶段看, 前陆盆地沉积序列早期以深海沉积和台地沉积为主, 到了中晚期则以陆相沉积为主, 沉积最厚。