1-2盆地构造分析(概述及发展概况)4.ppt

,,盆地构造分析（概述及学科发展概况）,王锋,长安大学资源学院029-82339081Wangfeng,盆地构造分析授课计划,总学时40（30学时讲课10学时综合练习）授课内容基本理论典型实例分析主要参考书目王成善等，沉积盆地分析原理与方法，高等教育出版社，2003任文忠等，煤盆地分析原理与方法，煤炭工业出版社，1993何明喜等，盆地走滑变形研究与古构造分析，西北大学出版社张一伟等，勘探早期盆地分析与油气评价，地质出版社，1998龙胜祥等，含油气盆地分析与资源评价，地质出版社，1999,绪论一概述,沉积岩覆盖着大部分地球表面，约占75％；体积只占整个岩石圈的5％。沉积岩仅仅作为一个薄的地壳覆盖着地球。覆盖是不均匀的，沉积物堆积在局部地区，不严格地称它为沉积盆地。大部分陆地没有厚的沉积物覆盖，并出现前寒武系火成岩和变质岩。这些稳定的陆地称之为克拉通Craton。沉积盆地不仅是地球演化的档案库，还与人类生活密切相关。人类大多数都集中生活在现今沉积盆地地区如世界著名的三角洲大都是大城市所在地，它直接构建了人类生活环境。沉积盆地还蕴藏着大量种类繁多的资源，例如煤、石油、多种金属和非金属矿产以及对人类极需的水资源。“没有盆地，就没有石油”Peerodon，1980。,绪论二盆地的概念,严格地说“盆地”与“沉积盆地”是有差别的，在盆地分析中常将“沉积”省略沉积盆地sedimentarybasin是地球表面相对长时期沉降的区域是基底表面相对于海平面长期洼陷或坳陷depression并接受充填的地区沉积盆地既可以接受物源区搬运来的沉积物，也可充填相对近源的火山喷出物质，也接受原地化学、生物及机械作用形成的盆内沉积物。沉积盆地既可是大洋深海、大陆架，也可以是海岸、山前、山间地带。从构造意义上说，沉积盆地是地表的“负性区”。地表除沉积盆地以外的其它区域都是遭受侵蚀的剥蚀区，即沉积物的物源区，这种剥蚀区是构造上相对隆起的“正性区”。隆起的正性区遭受侵蚀剥蚀，使其剥蚀下来的物质向负性的沉积盆地迁移，并在盆地中堆积下来，这是一种均衡调整或称补偿作用。,绪论三、相关概念,盆地分析就是将沉积盆地视作一个整体对其地球动力学进行综合研究我们使用盆地术语时，不一定是指沉积盆地。实际上盆地有三类地貌的、构造的和沉积的。地貌盆地是被高地天然环绕的地表低地区，地貌盆地有陆上的，也有水下的。陆上地貌盆地从封闭洼地山间平原到流贯大陆的冲积河谷，前者如现今我国的四川盆地，后者如亚马孙Amazon盆地。这些坳陷可以是被沉积物或火山喷出物质充满，形成充填盆地stuffedbasin，也可能是未被充填满的或者是大部分被水和空气充填的，形成所谓的饥饿盆地starvedbasin。从均衡观来看，后者属欠补偿盆地。水下地貌盆地从冰缘、冰核近湖泊到洋盆都有。地貌盆地的存在，对于沉积盆地的形成是必需的。把构造盆地或沉积盆地与地貌盆地区别开来是一个很重要的问题。前者是沉积盆地后期变形和构造破坏的结果。如我国的四川盆地，现今时期属于地貌盆地；当我们研究古代沉积物时也把它称之为四川盆地，就属于构造盆地的范畴。对于古老的沉积盆地，保存下来的大都呈构造盆地，甚至有些在板块运动中已消减到岩石圈再循环。所以，盆地研究者提出了盆地保存潜力的概念美国国家研究理事会，1997。,绪论四学科发展历史回顾第一阶段,沉积盆地分析是建立在大地构造与沉积作用上的，所以沉积盆地分析的起源可以追溯到19世纪中叶的地槽理沦。1859年，一位美国古生物学家HallCR在进行地层对比时发现阿巴拉契亚山整个古生代地层厚度比山外面要厚得多。所以他称其为大向斜，即地槽geosyncline。这是最早利用盆地中沉积物厚度来研究大地构造的例子。随后，众多研究者通过不断的研究和探讨，逐渐形成了统率当时整个地学界的理论地槽学说，并一直持续到20世纪中叶。1951年，Kay所著的北美地槽一文，已经将地槽分成20多种类型，差不多每一种盆地都代表一种地槽，每种地槽都是一个不同的地质构造。但它们的成因一个也没有解决，比如复理石盆地flyschbasin、磨拉石盆地molassebasin等。,绪论四学科发展历史回顾第二阶段,20世纪对于地球科学来讲，最令人振奋的莫过于板块构造理论的形成。它使整个地质学发生了彻底的革命，这也使沉积盆地分析进入了第二个阶段。这个阶段实际上也是盆地分析研究系统化的阶段，也是现代沉积学形成和发展的阶段。毫不奇怪，对于盆地分析而言就是板块构造对它的控制，它使得整个盆地分析研究进入一个理性阶段。在这方面典型的代表人物为DickinsonWR和许靖华HsuKJ等。典型实例为加利福尼亚大峡谷中生代盆地的研究和解释。从这张图上我们可以明显看出，从20世纪60到70年代在地槽和板块构造理论框架下，对同一个盆地的解释发生了多么重要的变化。不仅如此，板块构造也为盆地分析提供了一个与全球构造学紧密联系的可预测的模式图0-1,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展（一）初步的沉积成分与构造背景分析,随着在板块构造理论框架下沉积盆地分析的迅速发展，一个主要进展就是通过确定充填在沉积盆地中的硅质碎屑成分来研究沉积盆地形成时的构造背景。这种研究方法在某种程度上构建了碎屑岩物源区与板块构造的关系。有关这方面研究尽管进行了许多年，但在地槽学说阶段，重心是放在岩石学和重矿物研究上。,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展二沉积充填物分析方法,随着Dickinson和Suczek1979发表有关这方面第一篇研究文集和对盆地形成的构造背景的重视物源区分析provenanceanalysis成为盆地分析中发展最快的一个分支；砂岩的矿物学组成石英、长石和岩屑成为物源区研究中最重要的方法；砂岩成分三角图解已成为盆地分析者非常熟悉的图解并成为重要的分析方法之一。,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展（三）沉积体系与构造研究,在这个期间盆地分析的第三个进展就是沉积环境的解释。尽管从20世纪50～80年代被称之为现代沉积学形成阶段，并在石油工业刺激下进行了大量古代与现代沉积环境的研究。但是在盆地分析框架下进行沉积体系和沉积环境的典型研究首推Crowell1974对加利福尼亚盆岭地区渐新世盆地的研究，他通过分析沉积体系与盆地构造背景，进行了一次成功的盆地分析研究图0-2。里奇盆地Ridgebasin是随圣安德列斯转换断层系Transfaults演化过程中形成的一个小型拉分盆地pull-apartbasin。依据他这种分析思路，盆地分析的研究者可以将相模式用于一种特定构造背景的盆地分析研究中。,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展四沉积埋藏史与沉降模拟技术,盆地分析的第四个进展就是描述盆地埋藏历史以及盆地沉降模拟相关的研究，它从一个单纯裂谷盆地的热分析到沉积速率、水深史和压实史结合在一起所进行的地史分析ge。historyanalysis，这就是被后人所称之为的VanHinte1978图解。这个图解的重要性在于可以解决盆地分析中遇到的两个问题一是随着时间变化沉积物堆积量化计算问题；二是可以帮助人们了解盆地形成时的构造背景，尤其是在受热沉降机制控制的盆地，它显得更加有用。由于这种方法是在油气勘探中形成的，因此在露头研究中使用并不广泛。,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展五地震地层学的引入,盆地分析的第五个进展就是地球物理学家和地质学家在地震反射资料基础上所发展起来的地震地层学seismicstrati-graphy，它使得我们更加清楚和科学地解释埋藏于地下的大陆边缘盆地。这方面发展一个令人兴奋的进展就是Exxon公司研究组提出的海平面变化曲线以及层序地层学sequencestratigraphy。由于层序地层学创造性地将沉积作用、海平面变化、构造作用等因素有机地结合在一起，并在油气勘探中取得了明显的效果，所以至今它仍然是盆地分析研究中的重要领域之一。,,绪论三沉积盆地分析发展历史第二阶段取得的进展六盆地模拟技术,随着计算机技术在20世纪80～90年代走向成熟，盆地分析领域取得了又一个重要进展，盆地模拟basinsimulation技术。这项技术可以看作是当代计算机技术与新的地学理论和思维相结合的产物。盆地模拟是在系统论的思想指导下，在时空范畴内，从盆地基本地质问题的物理化学机理出发，由计算机模拟盆地的形成和演化。由于盆地模拟技术主要是在含油气盆地研究中形成的，因此它也包括烃类的生成、运移和聚集的模拟过程。盆地模拟技术无论从盆地基础理论意义上，还是从油气勘探生产实践的角度，都是一个重大进展。它把石油地质学原本静态、单因素的定性描述提升到动态的、整体化的定量模拟。它能近似直观地三维定量再现盆地形成和演化的动力学过程以及伴随的成烃、排烃和运聚过程，并模拟这些过程之间的四维时间配置关系。该技术不但为含油气盆地早期评价提供了有效工具，从技术上也使得整体和动态地进行盆地分析成为可能。,学科发展现状一中国盆地分析概况,受多种因素的影响，中国地质工作者对板块理论的形成贡献不甚突出。但是，进入改革开放时期，为了满足国家建设对油气、煤、水等资源的需求和科学的发展，我国沉积盆地分析研究者迅速弥补了这一不足，这主要表现为一是在学习和借鉴国外沉积盆地分析理论和方法基础上，有所创新，并满足了生产实践对我国盆地分析提出的任务和要求，尤其是在油气勘探方面形成了具有中国特色的含油气盆地分析理论和方法；二是依据各自传统的研究优势和地域特点，形成了若干有特色的研究群体和基地，比如在含油气盆地和含煤盆地、改造型盆地、盆地动力学、板块构造与盆地形成关系和盆山耦合作用等领域。尤为可喜的是，我国一批中青年学者活跃在盆地分析研究方面，从而保证了我国盆地分析研究水平能与国际上基本保持同步；三是随着研究的不断深入、水平的不断提高、人才的不断成长，围绕盆地分析的学术交流也日趋活跃，一大批高水平论著也在国内外有关刊物和出版社发表与出版。据不完全统计，国内近十年来围绕盆地分析的各种类型学术讨论会有30余次，发表论文1000余篇，专著几十部。,,学科发展概况二理论方法技术,现代沉积盆地分析的理论是建立在板块构造框架基础上；研究内容主要强调将盆地视作一个整体进行研究；研究方法和手段强调通过多学科和多种手段进行综合分析；从盆地演化史分析而言，特别强调盆地形成时的背景分析如大地构造、古气候、海平面等，注重时空之间相互配置的关系以及盆地后期改造的恢复，即动态研究。,,学科发展概况三学科发展趋势,盆地分析的目的不仅在于了解盆地为什么形成，在哪里形成，以及为什么在那个时间发生沉降并形成盆地，还在于评价盆地充填物及其所含流体的过程及其相关分布。可以预测未来沉积盆地分析的发展将主要围绕以下三个方面开展盆地动力学沉积盆地与全球气候变化沉积盆地流体成矿与成藏作用,,盆地分析的发展趋势一盆地动力学,沉积盆地构造的研究已经能够说明盆地形成的一般原理、盆地的几何特征、构造驱动力和物质性质，但是将其进一步深入运用又存在很多限制，如在沉积记录中很难确定由于地壳的垂向运动造陆运动还是由于地球表面水体变化海平面变化引起海平面的相对变化。在造陆运动中，垂向运动有可能是由几种运动共同驱使。例如与前陆盆地有关的造山带，基底的岩石和地壳负载共同影响盆地沉降，但这些作用相对贡献力与强度又很难确定。同样，热沉降和表面应力共同影响被动大陆边缘和克拉通盆地内部的沉降。沉积盆地的形成直接受地形控制，地形决定接受沉积物的地表凹陷范围，高地则向沉积盆地提供物源。这一地质过程被称为外动力地质作用，似乎与深部因素关系不大。但是最近研究表明，盆地沉降机制除明显受岩石圈控制外，地形也完全受下伏地壳岩石的厚度和密度状态变化以及全球规模的地幔对流的控制。所以沉积盆地被称之为壳幔体系应力和应变的显示器。我国学者利用震析成像技术在对南海盆地的研究中已经明确得到这一认识o。Gurnis通过对64Ma以来全球隆升和沉降分布模型的计算，揭示出北美的相对隆升和印度尼西亚的相对沉降也是由于地幔对流引起的地形变化。长期以来形成的静态盆地分类应该转向分析盆地的基本形成过程，动力学分析应该是过程分析。盆地演化常常是多重作用和过程，而盆地类型正是这种多重作用的复杂函数。因此，研究盆地演化的动力学过程要优于确定理想化的盆地类型；正如Dickinson1997所指出的那样，现有盆地分类主要是地貌构造类型，如弧前弧后、前陆和克拉通等，这使得人们往往根据构造部位确定盆地类型而不是进行地球动力学参数研究。,,盆地分析发展趋势二沉积与全球气候变化与海洋,当盆地沉降时，保存了正在演化的沉积环境中的地球化学、矿物学、沉积学和古生物学记录。因此，从这些记录中可以获取生物圈、水圈和大气圈的短期特征。沉积记录不仅提供过去地球表面的气候信息，还反映沉降速率和幅度变化。由于现今气候体系仅能提供地质历史中一个极其短暂的片段，所以这些是相当重要的。人类的工业化革命改变了全球气候体系，C02以及其他温室气体的快速增加产生了许多重要影响。但是气候变化的幅度以及对关键气候因素时间和空间上的实际变化是很难精确地预测的Sundguist和Broecker，1985。在地表或近地表条件下，元素再循环和反应的最大速率与富含O＼C＼H＼N＼S等主要元素的生物圈有关。其中，碳循环与沉积关系最密切图0-3，因为它不仅涉及沉积岩物中的有机部分，而且涉及海水和石灰岩内的CaC030所以，通过沉积记录了解过去地质时期的气候变化对预测未来气候变化的许多模式的形成、标定和评价提供了重要的理解手段。,,盆地分析的发展趋势二沉积与全球气候变化与海洋,进行古海洋学和古气候研究时，古代海洋组成中最直接的记录保存在许多沉积盆地的层状蒸发矿物中主要为岩盐和石膏，对于更老地质年代的化学记录仅可在直接采集岩盐的沉积盆地中得到。蒸发岩标本可以提供直接信息，这些信息是通过保存在岩盐中流体的元素分析＼岩盐和石膏晶体生长圈层的元素和同位素分析获得，再与同时代碳酸盐岩中信息进行比较，可以获得随时间变化的海洋化学综合特征。在构造作用、沉积旋回与大气圈、海洋组成之间基本联合的研究将随全球规模生物地球化学建模的进行而发展Berner等，1983；Berner，1994。由于从鉴别矿物、造山阶段和流体特征到极其细微程度的痕量元素和同位素分析工具的发展，综合模式的可靠性不断提高。如为单个碎屑颗粒确定U／Pb和R／Sr比值已成为常规手段。精确数据库的需求将容许生物地球化学模式的发展，从沉积盆地分析中可以更好地理解调整地球气候和生物圈的作用，并能够加强对过去地质作用的解释和预测地壳表面环境变化的能力。在过去几千年，海湾、河口湾和海底大陆架沉积了海岸沉积物。这种沉积物中保存了大陆和海洋生态系统相互作用的一整套物理和化学记录，反映了构造活动、气候变化、海洋历史和人类影响。部分沉积物中还记录了大陆风化产物的流动和沉积、海岸地区生物总量变化以及海洋大气圈岩石圈随时间变化的相互作用的信息。这些信息对于建立生物地球化学旋回的定量估测是很必要的，也可以估计人类历史以来在海岸中对人类文明的影响。盆地中的沉积记录是古气候和古地理主要的信息，在运用于烃和其他资源时，这些记录对预测未来状况也具有价值。“与其说现在是过去的关键，不如说过去是未来的关健”Hay等，997。,,盆地分析的发展趋势三盆地流体与成藏和成矿作用,盆地流体的运动与循环样式直接影响涉及油气与成矿物质运移的方向，因此揭示或重建这一循环体系是研究盆地流体的重要目标。这项研究首先涉及流体的驱动机制包括重力和地形驱动＼压实及超压体系驱动＼热驱动＼构造应力驱动＼地震驱动等多种因素。这些因素在不同类型盆地中有不同的组合样式，如构造应力驱动最常见于前陆逆冲带，超压体系驱动则多见于裂谷等快速沉降盆地。因此盆地流体的研究需要从更为宏观的尺度，即综合考虑造山带盆地系统。在流体的驱动因素研究中应特别注意异常高压体系。据统计，世界上180个具超压体系的盆地中有160个是重要的油气藏，烃类在此体系中形成，并由于同生断裂＼水力压裂过程发生流体的幕式突破和运移，这已成为油气界的热点研究领域。流体系统是一个物理化学系统，揭示其化学动力学过程具有重要的理论与实际意义，R．N．Anderson等人将盆地视为巨大的天然热-化学反应器，这一反应器中最活跃的是热流体与岩石中有机物质和金属化合物的相互作用，已明确提出研究金属烃类水岩石的相互作用，即MHWRmetal-hydrocarbon-water-rock系统。近10余年来已有不少学者认识到金属成矿与油气密切关系，含烃类的流体在金属的活化、迁移与沉淀中起着十分重要的作用，这方面已成为重要的多学科研究的交叉点。,,,通过矿物岩石地球化学方法追踪古流体的技术有很大发展，应用最广泛的是流体包裹体和同位素，对流体活动史与成藏成矿年龄的确定有很大帮助。粘土矿物转化与其他成岩标识在追踪热流体影响上也被普遍应用。在含油气盆地中反射地震技术是识别流体的有效手段，通过地震波反演识别空隙流体的异常压力系统在年轻的盆地中也有很好的效果。对于盆地演化过程中的古流体压力系统的演化过程则需要计算机定量动力学模拟技术。盆地中的流体主要在较高孔渗的输导层、古间断面和断裂及裂隙系统中运动，因此研究流体的动力学实际上是研究其在输导系统中渗流的过程和行为。流体运动与断裂活动均为相互作用的动态过程，同生断裂可以引起高压流体从压力囊中大规模突破，而高压的流体又可造成水力破裂hydrofracturing，形成由断裂和裂隙组成的运移通道。目前流行的“含油气系统”petroleumsystem是一个重要的概念及方法体系，它试图将油气生成到成藏的各种静态要素和动态要素联系为一个整体系统进行研究。其核心问题是含烃流体的生成、排出、运移和聚集过程。这一领域也是油气地质研究中难度最大的部分。沉积盆地研究始终保持着地学热点领域的地位，因为沉积盆地不但提供了再造地球动力学历史独一无二的有力工具，也满足人类对矿产和能源要求。,盆地分析的发展趋势三盆地流体与成藏和成矿作用,