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。

图3 阿巴拉契亚前陆盆地沉积相域几何结构图
从垂向序列上看, 前陆盆地的沉积具反粒序特点, 其形成、发展和消亡的演化历程为一逐渐水退的过程。

早期为非补偿型沉积, 中期为近补偿型沉积, 晚期则为超补偿型沉积,反映了前陆盆地发生、发展及消亡的过程。

（三）构造分析
在油气勘探活动中, 盆地构造分析是石油地质学家十分重视的课题之一。

盆地整体动态的研究, 就是分析盆地在时间和空间上的演化过程和地球动力学背景, 分析盆地在内外地质作用下其性质发生改变的过程、盆地内部的形变特征及其形成的周围构造环境, 包括盆地与造山带的相关关系。

构造分析主要包括了基底构造特性, 古构造运动面及构造演化阶段, 各演化阶段基本构造单元划分, 构造样式及其配置, 盆地整体构造格架。

其中古构造运动面的识别是划分盆地演化阶段确定高级别层序地层单元边界的重要基础, 识别和划分盆地中隆起和坳陷的次级单元及其配置关系是盆地整体构造格架分析的最重要的内容。

近年来, 随着盆地研究的逐步深入, 盆地构造分析在理论和实践方面均取得了重大进展。

盆地分析已开始从盆地分类学转向对盆地动力过程的研究, 强调盆地整体动力作用和盆地形成过程,注重盆地各演化阶段原型的分析。

1、盆地类型与地球动力学的关系
从盆地形成的动力学系统来看, 主要有3种地壳应力环境：（1）裂陷盆地其最大主压应力轴是垂直的；（2）压陷盆地其最大主压应力轴是水平的；（3）走滑盆地其最大主压应力轴与最小主压应力轴都是水平的（图4）。

这种分类与板块边界的种基本类型和盆地边界的控盆断层是一致的，这一分类图解已为Miall 所引用。

图4 沉积盆地形成与3个主应力系方位
多年来, 有关盆地分类学和动力学模型的研究已做了大量工作。

目前广泛采用的盆地分类方案主要有两种: 即以现今盆地的基本特征和与板块构造背景的密切关系为依据, 将盆地分为克拉通盆地, 陆内、陆
间裂谷盆地, 被动大陆边缘盆地, 弧前、弧后盆地, 前陆盆地和走滑盆地等; 和以盆地形成的地球动力学特征为依据, 将盆地分为与张性(伸展) 、压性(缩短挠曲) 和与走滑作用有关的(扭性) 盆地。

很显然, 前者反映的是盆地的地貌构造类型, 而较少考虑地球动力学背景, 后者反映的则是盆地形成过程的应力状态。

沉积盆地作为基本的构造单元, 受盆地周围构造环境、边界条件和深部地质作用等因素的控制, 其演化和形成过程是复杂的, 在不同的阶段是变化的, 任何一种理想化的静态的盆地动力学模型往往很难概括盆地形成的具体过程与特性。

如我国西部塔里木盆地, 经历了由古生代被动大陆边缘盆地和中生代前陆盆地很长的历史演化过程, 各阶段盆地动力学特点不同。

即使是中、新生代盆地不同的阶段其动力学特点也不同, 如位于华北地块南缘褶皱基底上的周口坳陷为一个具挤压和伸展双重性质的复合性盆地, 中生代(J3—K1) 为与大别造山带造山和造山后伸展作用相关的缩短挠曲或前陆盆地; 新生代为发育在刚性岩石圈内的拉张断陷, 其形成机制与华北裂谷盆地在岩石圈深部地质作用和热活动等方面存在很大的差异。

因此, 近年来盆地分类趋向于由繁向简,向更具实用性的方向发展。

如1992 年Perrodon 将含油气盆地分为大陆裂谷型、地台型和造山带型3 种基本类型; 李德生将中国的含油气盆地分为拉张型、克拉通内坳陷型和造山带型挤压盆地。

朱夏根据中、新生代和古生代盆地两种截然不同的地球动力学背景将中国的沉积盆地分为两大范畴, 并提出活动论和阶段论的观点, 强调以历史观和活动论作为盆地分析的基本指导思想。

陈发景则认为中国的中、新生代盆地主要是板内盆地, 应在确定盆地动力学背景的前提下, 对盆地的基本原型作进一步细分。

正如Dickinson所指出, 静态的盆地分类学应该走向更具动力学和适应性的分类, 盆地研究的重点应从盆地类型转向盆地的基本形成过程。

由此可以认为, 分析不同演化阶段原型盆地的动力学背景, 对盆地的动力学做更精确的历史过程分析, 往往比确定某些理想化的盆地类型更为重要。

2、盆地与造山带的耦合关系
有关盆地与造山带的耦合关系, 以前陆盆地类型的研究较为深入。

前陆盆地是在造山过程中构造负荷、沉积负荷和水平挤压应力的共同作用下, 导致地壳挠曲沉降和缩短形成的。

前陆盆地一般分为两种基本类型, 即周缘前陆盆地和弧后前陆盆地, 前者与板块间的陆陆碰撞有关, 后者与板块边缘的陆弧碰撞有关。

近年来, 对大陆内造山活动和大陆内地质过程的深入研究, 改变了人们以往关于造山带主要表现为以挤压构造发育为特点和关于挤压造山作用的一些传统认识。

提出了晚(后)造山阶段的伸展构造, 以及大陆内伸展造山作用的新认识, 开始注意到造山带型盆地沉降与造山隆起(挤压造山和伸展造山) 的密切关系及陆
内造山活动的多期性和阶段性。

如我国西部南天山造山带与库车凹陷带, 中部贺兰山隆起与两侧的巴音浩特盆地、银川地堑和鄂尔多斯西缘坳陷带, 中生代以来为陆内造山, 且挤压造山和伸展造山活动分阶段交替进行。

这类盆地构造样式与前陆盆地类似, Graham归纳为碰撞后继盆地, 刘和甫根据其动力学特点称为再生前陆盆地和分割前陆盆地。

笔者曾对周口坳陷的形成与大别造山隆起带的耦合关系、动力学特点进行分析, 确定在伸展造山作用下盆地沉降与造山隆起是同步的, 且强度保持一致; 盆内火山岩岩石化学特征与典型的造山带特征基本相同, 分属两个系列, 为向富碱方向演化的钙碱系列和碱性系列。

地壳和岩石圈结构发生明显变化, 岩石圈厚度由厚减薄, 岩浆活动由深变浅。

盆地沉降中心随造山带范围扩大逐渐向前陆转移。

迄今为止, 国内外关于晚造山阶段盆地类型与形成机理的研究尚不多见, 存在较大的争议和不确定性。

一般用伸展塌陷作用来进行解释, 即当碰撞板块边界应力消失后, 造山带就开始在其重力作用下发生伸展垮塌, 形成伸展构造和裂陷。

但是这种伸展作用大多数不具有区域上的意义, 没有显著的应变, 而且相对发生的时间较短。

因此, 系统研究晚造山阶段盆地类型、盆地形成与造山带的耦合关系, 对于深化大陆构造地质学和盆地动力学的研究, 重新评价造山带盆地具有其理论和实际意义。

3、盆地内构造变形与动力背景关系
沉积盆地的构造变形主要受应力、重力的控制, 构造形变特征是盆地演化历史过程中地球动力作用的综合反映。

系统分析盆地内各种类型的构造特征与样式、形成机制以及空间展布规律, 有助于恢复盆地演化阶段的动力学特点。

第4 期孙家振:含油气盆地构造分析的认识与实践537J1D1Lowell对各种类型的构造样式、发育的板块构造背景、形成的机制进行了系统的总结。

实践证明, 盆地性质不同其构造样式、组合特征和分布规律也不同。

如伸展盆地受拉张应力作用, 发育正断裂系统和块断构造, 裂谷系和被动大陆边缘盆地则往往发育具同生性质的铲形正断裂体系和滚动背斜; 压性盆地受挤压应力作用, 发育逆冲断裂体
系和各种规模不等的挤压褶皱、滑脱褶皱; 与走滑作用有关的盆地受张扭或压扭应力的作用, 其典型构造为各种花状构造、斜列式的雁行构造。

盆地在演化过程中受多种因素控制, 盆地整体或局部发生性质转换而使盆地内构造变形复杂化。

近年来, 反转构造的提出即是对盆地性质和构造变形发生改变的认识的深化。

如我国伸展盆地内一般缺乏典型的在重力作用下的滚动背斜构造, 构造隆起规模和幅度往往比较大, 可能与盆地性质后期发生转换叠加的挤压应力作用有关。

对于与走滑作用有关的盆地, 受盆地边界条件限制和块体差异活动强度的影响, 张扭或压扭应力交替作用, 盆地内构造样式及其组合特征较为复杂。

如位于郯庐断裂北段的伊通地堑和红河断裂带南端的莺歌海盆地的形成均具有走滑伸展双重性质, 盆地内构造样式表现为张性和压性构造共存的特点。

4、盆地内构造活动与油气分布的关系
近年来, 有关油气藏的形成与分布, 从背斜控油理论发展到源控论和石油系统论, 取得了一系列重大的进展。

如复式油气聚集(区) 带的成矿理论和断裂活动对油气的控制作用的认识, 以及流体动力学的研究与超压流体幕式突破概念的提出等。

研究表明, 油气藏形成过程是复杂的, 盆地形成过程对油气的生成、运移、聚集和保存具有重要的控制作用, 不同类型的盆地其构造活动的历史和动力学机制不同, 对油气的控制作用也不尽相同, 形成风格各异的含油体系。

如莺歌海盆地形成了以快速沉降、快速堆积、高温高压为特点, 岩性均一, 泥质含量大, 易于形成超压流体囊, 在走滑伸展扭张应力作用下, 盆地内流体包括油气以幕式突破方式的垂向运移为主, 盆地内发育大规模的底辟构造就是这种超压流体向上突破的具体反应。

油气主要位于底辟构造侧翼和上覆地层中, 底辟构造活动主体为压力释放带和流体通道。

对于东部的一些陆相断陷盆地如泌阳凹陷、济阳坳陷、江汉盆地, 在相同的快速沉降和高温条件下, 受岩性非均质性的影响, 发育异常高压层但不能形成大规模超压流体囊和幕式突破。

在重力作用下盆地内发育塑性流动构造, 但未刺穿或微弱刺穿, 油气以侧向运移为主。

油气的分布受多期断裂活动和断块升降运动的控制, 主要位于与断裂、不整合等运移通道相关联的各类复合性圈闭中, 形成复式油气聚集带。

（四）能量场与流体系统分析
能量场与流体系统分析主要从地温场, 流体压力场与异常压力体, 古构造应力场, 流体疏导系统,盆
地流体流动样式的系统这些方面作分析。

在揭示盆地的结构特征基础上, 进一步研究流体系统对油气成藏、成矿和水资源是至关重要的。

（五）背景分析
背景分析内包含了盆地形成演化与板块构造的关系, 盆地演化与地幔对流系统的关系, Moho 面与软流层界面起伏关系, 成藏成矿系统及相关过程的背景分析。

盆地深部背景是最终认识盆地成因和演化的关键, 软流层的流动起到决定性作用。

现今盆地分析很少局限于基础研究, 大多与油、气、煤、核原料等能源资源的预测和勘探紧密结合进行的。

通过这些资料可以进行盆地演化过程的定量动力学模拟, 其中包括盆地的沉降史, 盆地的热历史,压力系统的演化, 烃类的生成和排出, 流体成分变化和运移, 构造变形史, 成岩过程及孔隙演化史。

根据所得出的成果可应用于烃类成藏及金属、非金属矿床成矿, 地下水资源, 地球科学基础等研究。

二、含油气盆地分析的工作流程
为了使初涉含油气盆地分析工作者全面了解和掌握这一方法,有些学者设计了包括基础资料和方法手段、盆地要素、盆地模式、油气预测等内容的工作流程图。

此流程中, 除了油气资源预测一项中次级构造单元划分、圈闭类型和圈闭群子项细分为不同类型外, 其余各项与子项的细分均为某项研究内容的不同方面。

图中粗实线表示研究步骤的大致先后, 细实线箭头表示各项或子项的关系。

由图5可知, 含油气盆地分析是一项复杂的系统工作, 这是由于油气生成、演化、聚集是一复杂过程所决定的, 正是在这一点上, 它有别于以固体沉积矿床为目的的沉积盆地分析。

对于不同类型的盆地, 油气勘探不同阶段和研究程度的差异, 方法上应该有所侧重和取舍流程中各项或子项内容。

该流程充分考虑了盆地各要素间的相互联系，如沉积体系的研究, 首先要据地层分析的各种资料确定地层单元, 进而利用露头、钻井所建立的沉积相剖面各种标志包括沉积地球化学和地震、测井相分析资料, 进行三维空间的沉积体系研究, 还应通过盆地充填序列的认识,充分考虑盆地构造格架和同沉积构造活动对沉积条件的控制和
影响, 而这一分析正是为研究整个盆地的油气赋存条件服务的。

此外，本流程图未包含数学模拟方法, 但强调了盆地各要素间相互关联、无法分割的内在联系, 也就是多参数的综合分析, 这就为数学模拟打下了地质基础。

图5 含油气分析流程图。