前陆盆地构造-热演化:以龙门山前陆盆地为例

前陆盆地油气资源丰富但构造变形十分复杂,使得前陆盆地构造-热演化模拟面临挑战。前陆盆地演化过程中构造与热的耦合体现在多个层面:岩石圈热演化对岩石圈强度时空分布及其挠曲的影响;逆冲推覆作用的浅部温度效应;快速沉积作用对盆地温度场的影响等。首先,前陆盆地形成时的岩石圈热背景及其造成的岩石圈强度空间变化对盆地后期的演化具有重要影响。同时早期热事件的热扰动也会叠加在前陆盆地的构造-热演化过程中,并不断衰减,影响岩石圈的流变结构,从而带来一系列的影响。热与构造演化相耦合在前陆盆地定量模拟中非常重要。其次,还需特别关注岩石圈深部过程与近地表构造过程的耦合。造山带逆冲推覆、抬升和剥蚀是与前陆盆地形成相关的重要构造活动,这种运动引起的热对流对造山带的热结构、前陆逆冲带以及前渊地区的温度场的分布有着重要影响。最后,前陆盆地形成演化过程中的快速沉积作用对盆地温度场和地表热流产生强烈的压制作用,对前陆盆地浅部热演化的影响不容忽视。因此,在浅部热演化(包括造山带逆冲推覆、快速沉积压实等)与盆地下伏岩石圈挠曲、深部热演化的联合作用下,使得前陆盆地构造-热演化颇为复杂,二者的耦合使得前陆盆地构造-热演化模拟颇具挑战。     

中国前陆盆地构造地质特征综述与油气勘探

中国特定环境下发育的前陆盆地和冲断带在地质构造上具有许多的特殊性。在综述前人认识的基础上,笔者通过对中国前陆盆地的构造演化历程、沉积充填特征、构造成因及其空间分布规律、构造变形特征等的研究,提出了中国前陆盆地构造地质发育的5个主要特征:(1)两种不同性质的原型盆地发生正反转的叠合性,即挤压构造下作为“本体”的前陆层序与拉张构造下作为“基础”的裂谷、断陷盆地之间的叠置;(2)显生宙以来中国大陆先后发生了4期前陆冲断构造演化的多期性,它们分别是加里东晚期、海西晚期、印支期和喜马拉雅晚期;(3)基于小克拉通基底拼贴后在造山带前缘复活再生的继承性,即统一拼合大陆内部的构造变形导致古造山带的复活,在古造山带边缘发育新生代前陆盆地或前陆冲断带;(4)在空间分布上受环青藏高原巨型盆山体系控制发生陆内变形的系统性,在环青藏高原巨型盆山体系内构造变形强度、盆地沉降幅度、盆山耦合程度等从内环向外环依次降低,从古造山带向克拉通方向构造变形强度依次降低,构造变形样式逐渐简单、构造变形时间依次变新;(5)前陆冲断带的构造样式由于受边界力学条件和沉积地层介质作用而具有多变性,存在沉积盖层内脆性变形的断层相关褶皱、造山带前缘韧性变形的基底卷入构造、与走滑构造相伴生的基底卷入的断层相关褶皱、盆地内部塑性变形的盐构造。正是因为上述地质构造的特殊性,决定了油气聚集与分布特征的规律性和复杂性,由此提出了相应的一些构造地质研究与油气勘探工作的建议。     

中国前陆盆地构造地质基本特征及其控制下的油气分布

在综述前人认识的基础上,通过对中国前陆盆地的沉积充填特征、演化历程、构造成因及其空间分布规律、构造变形特征等的宏观研究和重点解剖,总结出中国前陆盆地构造地质的主要特征:(1)垂向上,前陆盆地表现出两种不同性质的原型盆地在正反转构造背景下的盆地构造层序相叠置;(2)平面上,分布在中国大陆内的前陆盆地或冲断带受统一的印度—欧亚两个大陆板块间的碰撞作用,形成构造变形的时空分布规律有序的环青藏高原巨型盆山体系;(3)时间上,不仅存在新近纪以来的喜马拉雅运动控制的再生前陆盆地,而且显生宙以来中国大陆共发生了4期前陆盆地或冲断构造的演化过程;(4)成因上,受青藏高原向北、向东的隆升挤压,基于小克拉通拼贴后的不均一陆内基底结构,古造山带继承性复活,在其前缘发育再生前陆盆地或前陆冲断带;(5)变形样式上,由于受边界力学条件和沉积地层介质的共同控制作用,可以将前陆冲断带的构造变形样式分为4类。正是因为上述地质构造的特殊性,决定了油气聚集与分布的规律性和勘探的复杂性。油气分布的规律性主要体现在:(1)油气相态分布的有序性;(2)成藏条件配置的有效性;(3)含油气目的层分布的空间有序性;(4)多期成烃、晚期成藏的普遍性。油气勘探的复杂性表现在:(1)4期前陆盆地和冲断带含油气地质特征的差异;(2)含油气层系与油气藏的改造与破坏;(3)陆相盆地的不均一导致储层相变大;(4)前陆冲断构造变形的复杂增加了圈闭落实的难度。     

前陆盆地的形成机制和充填演化

前陆盆地发育于前陆褶皱冲断带之上。它是在褶皱冲断带负载的作用下,岩石圈通过区域性均衡调整及流变挠曲而形成的。本文从流变学角度讨论了在前陆地区褶皱逆冲作用下,岩石圈流变、盆地形成及沉积充填三者间的内在成因联系,并着重介绍了前陆盆地形成过程中的两种岩石圈流变挠曲模型及前陆盆地充填演化的模拟反演。     

塔里木库车陆内前陆盆地及其勘探意义

前陆盆地按大地构造位置、发育时间及成因类型等可以划分为周缘前陆盆地、弧后前陆盆地和陆内前陆盆地,新生代库车前陆盆地即属于陆内前陆盆地.库车前陆盆地油气资源丰富,成藏条件优越,是塔里木盆地油气资源极其重要的组成部分.分析库车陆内前陆盆地构造特征及其控油作用对揭示我国中-西部地区中-新生代前陆盆地的油气成藏及分布具有重要意义.     

环青藏高原巨型盆山体系构造与塔里木盆地油气分布规律

中国中西部受控于喜山期青藏高原的隆升和向北、向东的推挤,在其外围形成一个巨型的盆山构造体系,环青藏高原巨型盆山体系主要由复活后的古造山带、前陆冲断带和小型克拉通盆地三个基本的构造单元组成,其中古生界小型克拉通与中新生界前陆冲断带是重要的含油气单元,它决定了中国中西部油气分布主要受古生界克拉通古隆起和中新生界前陆冲断带的控制。塔里木盆地在纵向上由发育齐全的下古生代碳酸盐岩、上古生代海相-海陆交互相碎屑岩沉积和中新生代陆相碎屑岩等构造层序叠置而成,在平面上以较稳定的小型克拉通为核心,边缘环绕库车、喀什、塔西南、塔东南等褶皱或冲断变形的前陆冲断带。塔里木盆地古生界小型克拉通盆地与中新生界前陆逆冲带叠合-复合的构造特征,以及演化的多阶段性,决定了这类盆地具有"多套烃源岩、多储盖组合、多含油气系统"的叠合-复合含油气系统的特点;油气分布受小型克拉通盆地中的古隆起控制,形成大面积岩性地层油气藏,前陆盆地中的冲断带构造控制形成背斜油气藏,具有多期成藏并存与晚期成藏为主的特点。     

龙门山造山带崛起和川西陆前盆地沉降

本文从沉积环境、地层古生物来研究龙门山造山带晚三叠世早期以前的组成及地史发展,从同位素地球化学来研究印支期—燕山期的地质热事件,从遥感地质和构造地质来研究变形特征,从重磁电各种物探资料综合解释来研究深部地壳结构,最后得出龙门山造山带岩石圈演化的动力学模式——多层次、多阶段、深层控制浅层变形的陆内俯冲模式,它不同于国内外许多学者对龙门山造山带演化模式的认识,是具有中国特色的C-型(中国型)俯冲造山模式。这个模式的建立不仅具有发展中国陆内构造的理论意义,并将对龙门山造山带寻找金属矿产和扩大川西陆前盆地油气资源有实际指导意义,还将为研究龙门山区南北地震带和青藏高原东部隆起的成因机制提供新的认识。     

中国中西部小型克拉通盆地群的叠合复合性质及其含油气系统

中国中西部盆地油气资源潜力巨大,是晚古生代一早中生代一新生代大型造山带环绕的小型克拉通盆地,盆地核心为构造相对稳定的小型克拉通,边缘环绕构造活跃的前陆冲断带。与北美、欧洲等大型含油气盆地相比,中国含油气盆地规模小、构造活动性强。盆地普遍经历：（1）寒武—志留纪,各自漂离于大洋中的小型克拉通盆地;（2）泥盆—二叠纪,亚欧板块南缘地体增生;（3）三叠—古近纪,特提斯洋关闭,陆相断（坳）陷盆地;（4）新近纪以来,再生前陆盆地等四个构造演化阶段。从下而上叠合了早古生代海相克拉通盆地、晚古生代海陆交互相克拉通盆地、早中生代陆相断（坳）陷盆地和新生代再生前陆盆地四个构造层序。古生界克拉通盆地构造相对稳定,古生代发育多期不整合界面和大型古隆起;中新生代前陆盆地叠置复合在其边缘,发育成排成带的构造。中国含油气盆地的叠合-复合性质决定了其叠合-复合含油气系统的特征：具有多油气系统、多源多阶段生烃、多期成藏、多层系含油气。中国中西部盆地的油气勘探主要包括古生界小型克拉通层序和中新生代前陆层序两大领域,其中早古生代克拉通层序以古隆起及其斜坡、晚古生代克拉通层序以大面积岩性储集体、中新生代前陆盆地以大型冲断带控制着油气的成藏与富集。     

塔里木盆地岩石圈热-流变学结构和新生代热体制

塔里木盆地是我国特大型沉积盆地,也是“西气东输”工程的重要战略基地。利用盆地区大量的地温及岩石热物性参数并结合地热学知识分析了塔里木盆地的现代地温场、热演化和岩石圈热-流变学结构,并进一步讨论了地热场和岩石圈性质对成盆、成烃和成藏的意义。研究结果表明塔里木盆地现今平均大地热流为45mW/m2,平均地温梯度为18~20℃/km;整体上具有低温冷盆的特征。地温场的展布具有明显的横向差异,不同构造单元的地温场特征相差较大:坳陷部位具有较低的地温,隆起区具有较高的地热特征。热演化模拟表明盆地自成盆以来经历了从震旦纪—奥陶纪高热流(“热”盆)、志留纪—晚古生代热衰减(“热”盆向“冷”盆过渡)、中生代稳定的热演化(低热流“冷”盆阶段)、新生代岩石圈挠曲热演化等阶段。“热”岩石圈厚度为205~230km,有效弹性厚度(Te)达66±7km,脆-韧性转换深度为25~28km,岩石圈总强度为1.6×1013~7.8×1013N/m。盆地区的岩石圈表现为地温低、强度高的刚性块体,具有整体变形特征。受印度-欧亚大陆碰撞的远程效应影响,塔里木盆地作为刚性块体进行应力传递,盆地周边产生强烈变形,表现山脉的急剧隆升和盆地边缘的快速挠曲沉降。这一动力学过程造成地层内部流体趋于流向山前隆起带,并对油气成藏和分布具有重要的控制作用。     

中国中西部类前陆盆地与典型前陆盆地类比及其油气勘探前景

中国中西部广泛发育中新生代类前陆盆地，其地质结构和石油地质条件等方面与典型前陆盆地既有类似之处也存在明显差异，主要表现在演化历史复杂；石炭纪以前均为构造性质各异的海相盆地，二叠纪为海相盆地向陆向盆地的转换过渡时期，三叠纪以后基本为陆相盆地（仅塔里木西南盆地晚白垩世-早第三纪有短暂海侵），侏罗纪-白垩纪为断陷-坳陷盆地西部），第三纪以后，逐渐转变为类前陆盆地（西部），在生烃条件方面不仅发育海相烃源岩，且普遍存在煤系烃源岩，进一步增加了其生烃潜力，同样，在储集条件方面，中国类前陆盆地除发育海相储集层外，还广泛分布陆相储集层，因此，中国类前陆盆地基本石油地质条件与国外富油气前陆盆地相比，除海相烃源岩的质量不及后者外，其它方面并无明显不足，且具有发育陆相烃源岩和储集岩的优势，因此，中国中西部类前陆盆地具有较好的勘探前景，特别是陆相层序具有更为现实的勘探价值。     

南海岩石圈结构与油气资源分布

南海是中国唯一发育有洋壳的边缘海,是世界四大海洋油气聚集中心之一。油气勘探表明,南海的油气田分布在北部、西部和南部陆缘沉积盆地内,而大中型油气田集中分布在西部海域盆地中,自北而南有莺歌海—琼东南盆地、万安盆地、湄公盆地、曾母盆地和文莱—沙巴盆地,且以含气为主,含油次之。此外,这一区域深水区还存在多个潜在的大型含油气盆地。研究发现,南海的油气分布与深部岩石圈结构有密切关系。在构造上,南海的含油气盆地位于岩石圈块体边缘或之上,受控于大型岩石圈断裂的发育与演化。在油气富集的盆地中,莫霍面显著凸起,与盆地基底形成镜像,地壳厚度最薄处仅数千米厚,热流值明显较周围地区高,热岩石圈厚度大大减薄。地震层析成像结果反映,这些盆地深部发育一条规模宏大的北西向上地幔隆起带,自红河口向东南穿越南海西部海盆,一直延伸到婆罗州东北部地区,在宏观上控制了南海的油气分布与富集。     

Mechanical aspects of sedimentary basin formation: development of integrated models for lithospheric and surface processes

Different assumptions for the thermo-mechanical properties of the lithosphere strongly affect predictions inferred from quantitative sedimentary basin modeling. Examples from various basins, selected as natural laboratories, illustrate the importance of incorporating a finite strength of the extending lithosphere in forward stratigraphic modeling of large-scale basin stratigraphy. Current models can effectively couple erosion at uplifted rift shoulders of extensional basins with the basin fill architecture of the subsiding basin compartments. Modeling of the synrift strata integrates spatial scales characteristic for subbasins, such as the Oseberg field in the North Sea, with large-scale lithospheric properties characterizing the bulk strength of extending lithosphere. Modeling of compressional basins in foreland fold-and-thrust-belt settings can effectively link lithospheric flexure with surface processes. Scales pertinent to short-term spatial and temporal variations in basin fill and basin deformation can now be addressed, allowing the quantitative investigation of consequences of different modes of thrusting for basin fill geometry and facies characteristics.     

新生代柴达木盆地与周缘造山带的构造耦合

新生代以来,中国西部的一系列古老造山带和盆地在印-亚板块汇聚作用下重新复活,在青藏高原外围形成了现今全球最大的陆内挤压构造域,被称为环青藏高原盆山体系,其形成过程与机制对深入认识陆-陆碰撞如何影响大陆内部变形有重要意义。柴达木盆地是中国西部重要的新生代沉积盆地,四周均被巨型造山带所围限,共同构成了环青藏高原盆山体系北东段的主体。本文利用最新的石油地震勘探数据、地表地质和已发表的深反射地震数据,将上地壳变形与岩石圈深部变形有机结合,系统刻画了柴达木盆地与周缘三大造山带之间岩石圈尺度的构造耦合关系,在此基础上探讨环青藏高原盆山体系北东段的盆山汇聚过程与机制。柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间在上地壳尺度发育一系列倾向造山带的基底卷入高角度逆断裂体系,自新生代早期就开始活动,以垂直的基底抬升为主,水平缩短量有限;在下地壳和岩石圈地幔深度则发育倾向盆地一侧的深大断裂,使得柴达木盆地与周缘造山带之间发生截然的莫霍面错断。这些变形特征揭示柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间发育岩石圈尺度的构造楔,即盆地的岩石圈楔入至增厚的造山带下地壳,其发育主要受盆地与造山带...     

Structure of the Lithosphere and Mesozoic Sedimentary Basins in Western Liaoning,Northern Liaoning,and Songliao,Northeast China

The western Liaoning, northern Liaoning, and Songliao areas represent three different tectonic units with different lithospheric thermal-mechanical properties in terms of composition, thickness of the thermal lithosphere, effective elastic thickness, depth of the detachment surface, and strength of the lithosphere. Western Liaoning is characterized by a thick lithosphere with high rigidity and strength, whereas Songliao and northern Liaoning are characterized by relatively thin lithosphere with low rigidity and strength. These differences controlled the development of distinct types of basins under an extensional regime during the Early Cretaceous. The basins in western Liaoning are controlled by faulting rather than by thermal subsidence. The Songliao basin is controlled both by faulting and by thermal subsidence, and thus both syn- and post-rift sequences developed with the same thickness in the center of the basin. In contrast, in northern Liaoning, the basins are mainly controlled by faulting, and to a lesser extent by subsequent thermal subsidence. As a part of east China, where more than 93% of the proven oil reserves of China are distributed, the western Liaoning-northern Liaoning-Songliao area also has attracted considerable attention for its hydrocarbon potential. The Songliao basin is proven to be the largest non-marine petroliferous basin and one of the most important oil- and gas-producing basins in China. In addition, the Tieling-Changtu basin and the Zhezhong depression in northern Liaoning show some petroleum potential. In contrast, basins in western Liaoning represent a limited prospect for oil and gas.     

中国前陆盆地油气富集规律

天然气的富集是中国前陆盆地的特点，煤系烃源岩发育是天然气富集的主要原因；中西部前陆盆地具有多期成藏的特征，构造多期叠合、古构造发育、多套烃源岩多期演化是油气多期成藏的主控因素；前陆盆地发育三套储盖组合和原源、它源两大套成藏体系，控制着油气纵向分布；前陆盆地不同构造带地质特征控制着油气区域分布规律，逆冲带、前缘隆起带油气藏主要分布于下部成藏体系，坳陷带油气藏主要分布于上部成藏体系；在逆冲山前带油藏被破坏形成油苗、沥青或残余油藏，在坳陷内的逆冲带和坳陷带主要聚集了成熟度相对较高的天然气，在斜坡带和前缘隆起带既聚集了早期形成的油（气）藏，又聚集了晚期成熟度相对较高的天然气。     

岩石圈流变性与沉积盆地以辽西-辽北-松辽盆地区为例

岩石圈流变性取决于岩石圈的地热状态、物质组成和结构,并量化为岩石圈总强度。沉积盆地的沉降和抬升是地球最上层流变带形变的响应,岩石圈板块对构造应力的响应在很大程度上取决于岩石圈流变性在横向和纵向上的不均一性。辽西、辽北、松辽盆地区岩石圈流变性存在明显差异,因而岩石圈总强度明显不同,在晚中生代伸展过程中,变形方式、变形幅度不同,分别形成了断陷盆地、多断少坳型盆地和断坳型盆地。     

岩石圈地幔结构及其对中国大型盆地的演化意义

P_n波是通过莫霍面下方的上地幔顶部的地震波.由于P_n波的速度随温度和物质成分而变化, 以及P_n波各向异性可以反映地幔形变的历史.因此P_n波的速度以及各向异性成为探索岩石圈结构的重要工具.中国岩石圈地幔的P_n速度的特征是很高速的异常区和很低速的异常区呈镶嵌状出现, 反映了地质结构的不均匀性.西部大型盆地(塔里木、准噶尔、吐哈、柴达木和四川盆地) 具有较高的P_n速度和较弱的各向异性, 反映出这些盆地的岩石圈是冷的和坚硬的, 其变形较小.大面积的华北地区, 在太古代的基底下具有明显的P_n波低速度.研究结果表明与这些地区裂谷、岩石圈减薄和地幔上涌区相一致.P_n波各向异性与在最新(和目前正在进行) 的大规模变形期间, 岩石圈地幔沿NNE向右旋简单剪切相一致.华北的金矿藏以及华北和松辽盆地的石油储藏的位置明显地与该区的低P_n波速度区相吻合, 表明该区金属成矿和油储的形成与中、新生代以来在岩石圈地幔中的热活动, 以及壳幔之间的相互作用过程密切相关.      

沉积盆地动力学研究的进展、发展趋向与面临的挑战

近20年来沉积盆地动力学研究已经取得巨大进展。盆地研究最为重要的推动力源于人类社会发展对能源资源的巨大需求。国家和私人企业对油气勘探和开发的巨大投入获得了关于沉积盆地结构和演化的庞大系统资料,特别是大量的深度大于7 000 m的钻井和高分辨率反射地震成果,能够提供给中国的多学科合作研究团队使用。创新性的研究思路和方法系统已出现在盆地动力学研究的多个方面,包括盆地沉积充填的动力过程、盆地构造动力学机理、盆地形成演化的地球动力学背景以及油气系统演化的动力过程。文中在建议的研究纲要中汲取了部分重要内容,如从源区到汇区的路径系统研究和基于大陆动力学思维的构造地层分析。对于盆地演化研究至关重要的深部过程研究始终是难度最大的挑战。应用天然地震成像和岩浆岩岩石地球化学方法对中国东部及海域中新生代板块俯冲、地幔流上涌、岩石圈减薄及破裂过程的研究成功地解释了晚中生代-新生代断陷盆地群、大火山岩省和大型裂谷盆地的成因和演化。然而以塔里木和四川盆地为代表的中国西部大型多旋回叠合盆地形成演化的动力背景则全然不同于中国东部,这些盆地发育于古老的地台基底之上,被造山带所环绕,造山期的强大挤压应力在盆地中形成了隆起和凹陷系列,并控制了油气生成及聚集的地区。多学科合作完成了造山事件和过程的精细定年和盆地中不整合面与构造地层单元的对比研究,其成果对大型叠合盆地演化的动力过程得出了合理的解释,并可用于油气资源预测。     

库车前陆盆地早白垩世岩石圈粘弹性变形的地层记录

基于前陆盆地岩石圈弹性与粘弹性挠曲变形的不同特点,提出应用前隆斜坡带地层结构获取岩石圈力学性质及变形过程信息的思路。对库车前陆盆地的实例分析表明,研究区早白垩世历经了两个逆冲期至宁静期的构造演化,卡普沙良群、巴什基奇克组分别为逆冲期和宁静期的地层记录。在单个逆冲期,随着逆冲加载和岩石圈挠曲变形,岩石圈性质从弹性转化为粘弹性,盆地由向克拉通方向扩展变宽转变为向逆冲带变窄加深。相应地,前隆斜坡带的地层记录为:逆冲早期,地层向克拉通方向渐进超覆和退积;逆冲晚期,地层向逆冲带收缩和前积,形成底面上超/削截和顶面削截—顶超两个重大不整合面。宁静期盆地宽浅,地层平行连续,临近冲断带因岩石圈回弹产生少量削截不整合。