沉积盆地动力学进展及在油气勘探中的应用

张 渊，高 硒

(西北大学 地质学系，陕西 西安710069)

近十年来，日益严峻的全球资源与环境问题助推了国际地质学的学科发展，而作为“宏观”地质学重要组成部分的沉积盆地动力学学术交流日益活跃，研究热点令人关注。

与此同时，由于我国基础研究投入的加大，以及国家对化石能源和有关沉积矿产资源需求的进一步增加，国内盆地动力学在地质-地球化学观测、地球物理探测、模拟和综合研究方面均有不同程度的发展。

油气勘探与沉积盆地动力学密切相关，目前中国除青藏高原之外，几乎所有盆地都进行过系统的油气勘探，且油气勘探难度和风险性越来越高;油气勘探趋势已由地壳浅部简单构造油气藏转向地壳深部复杂隐蔽油气臧，由单一静态描述性转向整体、全面、综合、动态分析的系统性研究。油气勘探与沉积盆地动力学研究相辅相成。目前油气勘探已为沉积盆地动力学研究积累了丰富的素材，而沉积盆地动力学的研究，也将冲破过去的思维定势，为油气勘探带来更为有效的方法。

1 沉积盆地动力学

狭义的沉积盆地动力学是研究盆地充填物形成演化以及盆地结构、构造的地学分支;而广义的盆地动力学包括沉积盆地地质学与地球物理学，其研究对象主要是沉积盆地和更大尺度的盆山系统、盆地深浅部作用系统，也是沉积学研究的重要组成部分和热点发展领域。

1990年，Allen等推出《沉积盆地分析——原理与应用》一书，一改过去从沉积学和地层学角度观察问题的方式，而从岩石圈构造作用角度观察问题，且将沉积盆地作为一种地球动力学实体进行综合研究。

Dickinson与20世纪90年代对沉积盆地动力学的主体思想进行了阐述，指出当今盆地研究应更多地转向动态过程分析;盆地演化是多种地质过程的联合作用，随着演化不同阶段，其动力学性质发生改变。

2008年，刘池阳(2008)为沉积盆地动力学给出了明确定义，即:直接控制和明显影响盆地沉降和沉积充填的地球内、外动力地质作用有机耦合的统一动力学系统和演化过程;属地球动力学大系统的重要组成部分。

2 沉积盆地动力学研究进展

为了总结21世纪开端十年中国盆地动力学的发展，选择若干热点领域，包括盆地深部结构及构造、盆地动力学成因、盆地充填与物源体系分析及充填模拟、盆地流体动力学及成岩-成藏、造山带沉积记录与沉积盆地构造和构造沉积学与盆地综合古地理等，概述其在国内近十年的主要观测积累、核心科学研究进展，对比讨论相关研究的可能导向及存在的前沿问题。

2.1 盆地深部结构及构造分析

近十年来，在新的地球物理探测和数据处理技术支撑下对一系列盆地深部和精细结构进行了剖析，并展开综合构造分析，为认识盆地形成演化奠定了重要基础。深反射地震和天然地震技术的应用是这一时期的热点，其在松辽、华北及渤海湾、塔里木、准噶尔、青藏地域内等重要盆地及邻区均有相当的工作投入。除了盆地深部和精细结构的探测外，这一时期的主要研究进展集中在对盆山关系、壳幔过程与盆地形成机理的探讨方面。

盆山关系方面，国内在天山南北两侧、青藏高原北部及东部、以及秦岭两侧等中西部盆山体系的研究中有明显进展，如在油气领域973项目资助下通过深反射地震剖析了天山南北盆山结构的差异性和分段性特征;有关构造和沉积记录的分析不仅初步证实了新生代相应模式的客观存在，而且将这种分段性记录和动力学解释推向了中生代。

另一方面，壳幔过程与盆地形成机理研究成果主要体现在中国东部以及陆架海域盆地区，在华北地区岩石圈结构的非均一性研究，尤其在地球化学“深部探 针”和地球物理观测结果结合研究方面。

2.2 盆地充填与物源体系分析

盆地充填物历来是盆地动力学分析最关注的研究对象，其核心问题则是盆地沉降速率、物源供给和沉积物聚集样式及其背后隐藏的相互关联的控制机理。因此，近年来围绕:(1)等时地层格架、沉积速率和埋深定年;(2)古温度计和剥露速率;(3)源-汇过程控制;(4)古高程(校正)等领域，在高分辨率沉积旋回天文调谐定年、流体包体PVT模拟与古温度计算、配套低温温标计量、高精度碎屑矿物示踪与物源体系重建、基于植物组合和氢氧同位素的古高程校正等方面，国际上开展了卓有成效的工作。

在这一科学背景下，国内学者在盆地充填分析及动力学模拟领域的工作研究进展主要表现在如下三方面:

1)基于三维地震和密井网资料开展等时地层格架与盆地充填模拟分析，如对中新生代库车坳陷、晚三叠世龙门山前陆盆地的研究，解析了层序的构成特征及其对“前陆”构造作用的响应研究，并利用(粘)弹性挠曲模拟对盆山构造逆冲事件与盆地沉积响应进行标定、解释和预测;在渤海湾等陆相盆地、南海北部大陆边缘精细层序界面和等时地层格架的有关研究，进一步解析或揭示了中国东部及陆缘新生代盆地形成演化动力学事件的细节过程。

2)构造-层序地层结合与盆地充填动力学分析，主要体现在对南堡凹陷火山活动与裂陷旋回、抚顺盆地构造演化动力学，以及龙门山前陆盆地动力学、塔里木盆地构造 -沉积波动过程、塔里木盆地寒武-奥陶纪沉积作用与区域地球动力学转换的解释上。

3)物源体系分析及陆内盆地充填演化。我国学者在针对中国中西部以及东部的诸多盆地(盆山)系统的源 -汇控制中取得了令人关注的第一手观测资料。如通过系统的碎屑矿物、结晶岩砾石的岩石学分析，结合碎屑沉积岩特别是泥页岩微量、稀土元素和同位素(模式年龄)分析，示踪盆山系统的源-汇过程。开展高分辨率重矿物分析(HRHMA)，即通过稳定碎屑重矿物的标型特征、年代学(U-Pb、Hf)和微区地球化学分析及其详细的物源示踪，厘定较为精确的造山带块体组成和(隆凹)构造演化细节。

2.3 盆地流体动力学及成岩 -成藏

近十年来国内对盆地流体活动也开展了不懈探索，主要集中在对盆地热流-岩石作用、超压流体与油气成藏，以及成矿效应的分析方面，对盆地流体来源、物理性质、对流型式以及流体-岩石反应也有部分开展，为进一步深入研究作了大量铺垫和积累。

当然，国内部分研究也涉及或考虑到盆地(盆山)尺度的流体动态耦合及动力学过程，也为探索宏观流体-岩石作用和成岩分带以及成藏-成矿规律提供了一种可能性，但目前大多认识还处在概念模型的建立和推测方面，基础性实验和建模研究相对还比较缺乏，对驱动因素的分析仍然处在初期阶段，对盆地整体或宏观尺度的实证分析需要加强。

2.4 盆地动力学成因分析

盆地是地壳上部独立的和主要的沉积构造单元，而要认识盆地动力学过程(盆地系统演化)，其研究对象就必须在深度和广度上跨越盆地充填单元。近年来，在壳幔或岩石圈尺度深入推进盆地(地球物理)观测精度、数值模拟、多变量和多因素定量考察盆地动力学成因，在全球尺度上开展盆地系统实例对比和盆地动力学模式建立方面的研究已经是大势所趋，特别是基于洋盆扩张-消减过程观测开展的不同类型大陆边缘盆地的动力学成因研究，如针对大西洋两岸及内陆地区不同属性盆地，在盆地演化时间定量、盆地系统空间刻画、深部驱动机制动态相关性再现等方面的认识进展令人鼓舞。

遗憾的是，我国在此方面的研究相当欠缺，主要表现在深部地球物理观测与浅层次盆地充填研究脱节、深部地球物理精细结构解析与数值模拟研究脱节、数值模拟缺乏原创性研究。事实上，特别是近十年来我国在深部观测、盆地充填精细研究等单一方面的研究已经有很多积累，但在此基础上的国内少数盆地动力学成因研究基本上是针对具体个例的，甚至是针对盆地充填层次的研究，或者是商业软件的简单应用，这是亟待解决的问题。

2.5 造山带沉积记录与沉积盆地构造

在华南、青藏、昆仑山、秦岭、大别山、燕山、龙门山、祁连山以及天山造山带及邻近盆地，我国及国外学者分别开展了造山带沉积记录研究，特别是在

近十余年间获得了一些新的成果。主要体现在:(1)沉积地层序列的建立;(2)碎屑沉积或高分辨率碎屑重矿物沉积记录分析;(3)特殊环境的沉积记录分析。

2.6 构造沉积学与盆地综合古地理

在活动论构造古地理研究方法和实践方面，近十余年来我国学者有诸多讨论和建树。结合中国地质结构和演化的特殊性，王鸿祯先生等提出并重视:大陆增生、超大陆的拼合与裂解过程(周期)、古大陆及其边缘的整体研究和大地构造域认识、构造古地理和生物古地理结合等研究思路在古地理重建中的重要性，对刻画和认识中国及其邻区构造-古地理演化具有指南意义。结合地质大调查以及部分石油企业的勘探工作，我国学者对青藏、扬子、塔里木及邻区、华北-东北等相继开展了或正在开展新一轮的古地理研究与编图工作。从已经发表的成果看，研究重点一方面是复原古洋盆的构造古地理格局，并注意解析古大洋与大陆构造的连接、转换及其对后期构造的制约关系，特别是对“多岛洋”体系的复原研究有较大进展;另一方面，针对陆内构造古地理问题，研究进一步探索了盆山耦合、区域构造应力场转换对古地理演化的制约等核心内容，促进了古地理学与盆地动力学的融合及认知。

3 沉积盆地动力学在油气勘探中的应用

沉积盆地动力学与油气勘探息息相关。从盆地的形成、沉积体系的发育到含油气系统的各种静态要素、动态过程，无不与沉积盆地动力学有着直接或间接的内在联系。

3.1 盆地动力学在油气勘探中的应用实例

刘树根、徐国胜等人于2003年研究了龙门山造山带-川西前陆盆地系统的成山成盆成藏动力学。研究得出龙门山造山带-川西前陆盆地系统是从东向西的深部多级俯冲潜滑而引起的浅部由西向东的多层次推覆而形成的，并且其物质流和能量流的循环均有两个传递系统。而其高异常古压正是上三叠统天然气运移的动力，是控制天然气运移聚集与区域分布的重要因素，并且古压的演化直接控制了局部构造的成藏。川西前陆盆地侏罗系天然气藏是上三叠统与侏罗系之间流体的跨层流动形成的。龙门山造山带-川西前陆盆地系统形成和演化产生的挤压环境和川西前陆盆地的被动沉降作用控制了天然气初次运移和聚集的成藏作用。60Ma以来，龙门山造山带-川西前陆盆地系统的整体抬升和剥蚀作用决定了裂缝系统的发育和上三叠统气藏的调整及侏罗系气藏的形成。

李伟在其博士毕业论文中详细阐述了柴达木盆地沉积体系发育的动力学机制和成藏效应。研究得出柴达木盆地不同充填动力组合条件下的沉积体系造就了不同特征与不同类型的烃源岩;沉积体系发育上的不同导致有效储盖组合发育的差异;且柴西南地区沉积中心的迁移造成有效储盖组合的迁移。

张义楷的研究结合沉积盆地动力学表明，鄂尔多斯西缘中新生代构造活动的动力学背景以继承性的挤压作用为主，这一特征成为影响该区油气最终聚集与成藏的关键因素。

邓宾在“四川盆地中-新生代盆-山结构与油气分布”一文中，基于不同盆 -山结构变形作用、差异抬升剥蚀过程等与流体活动特性研究，揭示了四川盆地盆 -山结构通过褶皱冲断变形和稳态抬升剥蚀作用的复合-联合作用过程控制着流体活动特性及其保存条件，从而控制和制约着盆地现今油气分布。

可以看出造山带动力学和沉积盆地动力学性质决定了油气藏动力学的作用机制。

3.2 盆地动力学对油气勘探影响

盆地深部地球动力学研究表明，幔源对成油的影响主要表现为:(1)提供了幔源性氢、烃、CO2等油气生成的物质组分;(2)为干酪根降解、烃源岩成熟度演化提供了能量来源;(3)还起着干酪根降解化学反应的催化作用。

朱炳泉等的研究成果表明在克拉通边界常存在近垂直的超壳断裂，为幔源流体活动提供了有利条件，有利于金属矿床、油气田的形成，且前者主要发育于构造显性带，如造山带、岛弧等地段;而后者大多发育于构造隐性带，如克拉通边缘前陆盆地。

盆地动力学对油气勘探的影响不仅表现在对生油的影响，还表现在对油气运移富集的控制作用。

首先通过沉积盆地动力学研究建立不同时期的构造应力场。生烃前区域应力场形成的大型坳陷控制生油区;生烃期区域应力场决定油气聚集带;生烃后区域应力场影响油气再运移、再聚集。其次通过沉积盆地动力学研究建立区域构造应力场和局部构造应力场。区域应力场控制含油气区，主要控制了生油拗陷、油气聚集带、沉降中心及生油岩系;局部应力场控制了含油气构造和油气田分布。最后，构造应力场产生的裂隙系统可改变储层的孔隙度——渗透率，进而影响油气的运移、聚集。罗志立教授(1999)从盆地动力学角度出发，把中国大陆含油气盆地分为纬向、经向两大油气富集带，二者共拥有中国石油产量的94%，总储量的99%。其中经向富集带受太平洋板块向欧亚大陆俯冲的动力学机制产生的应力场控制;而纬向富集带受塔里木 -华北板块与西伯利亚板块碰撞的动力学机制产生的应力场制约。

除此之外，盆地深部热流体对油气藏也有很大影响。Price统计了世界上盛产油气的盆地，结果发现其沉积厚度一般大于7 000 m，且盆地中发育深大断裂，得出深部流体是油气的主要来源。中国地质大学李思田教授等(1996)在莺歌海琼东南盆地研究中发现活动热流体对有机质演化和油气生成具有重要的强化作用，使得单一传导背景下不可能成熟的地层进入生烃门限，扩大了有效烃源岩的层位及体积。20世纪90年代初美国自然科学基金会和11家石油公司投资3000万美元，在墨西哥湾盆地设立实验场，研究活动热流体的运动规律和油气运移，获得了许多重大成果。业已证实该盆地中富烃热流体对许多大型、超大型金属层控矿床的成矿起着主要作用。

4 结语

近十年，新的地球物理、地球化学观测技术助推了盆地动力学及构造学研究的大发展，国内外进展尤其表现在盆地(盆山)结构及构造、盆地动力学成因、盆地充填与物源体系分析及模拟、盆地流体动力学及成岩 -成藏(矿)、造山带沉积记录与沉积盆地构造、构造沉积学与盆山综合古地理等方面。我国的沉积盆地动力学研究有很大发展，但也有许多不足之处，如盆地动力学成因分析，现今国外，特别是欧美一系列盆地深浅部结合研究的计划、典型实例和经验可为我们借鉴，提供宝贵的资料。而沉积盆地动力学仍然是当今地质学研究的前缘和热点话题，有着广阔的发展前景和应用前景。

不仅如此，沉积盆地动力学在油气勘探方面具有不可或缺的应用价值。沉积盆地动力学性质决定了油气藏动力学的作用机制。具体表现在幔源物质对成油的影响;动力学机制对油气运移及富集的控制作用，以及深部热流体对油气藏的影响。

现今，国际地学界有关沉积盆地研究动向，已由传统构造沉积分析，转向地球动力学、热烈学研究。对于含油气盆地的研究不能只注重当时的沉积环境、有机演化，还应将研究领域向地壳深部延伸，探讨深部作用对于含油气盆地的影响，对含油气盆地进行整体、全面、综合、动态的系统分析。

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