张裂陆缘地壳结构特征与张裂模式

张裂陆缘作为威尔逊旋回中关键的一环,是研究地球板块构造及其演化过程的重要构造单元.本文阐述了3种类型张裂陆缘(富岩浆型、贫岩浆型和中间型)的地壳结构特征,总结了它们的演化过程与机制,分析表明构造作用、岩浆活动程度、先存结构等是形成不同类型张裂陆缘的主要控制因素.针对南海北部陆缘复杂的构造属性与演化机制问题,提出了今后重点研究方向:南海北部陆缘是否同时具有贫岩浆型与富岩浆型的部分特征;南海北部陆缘丰富的岩浆活动与蛇纹石化地幔剥露能否共存.在南海北部陆缘同时开展三维深地震探测、物理模拟和数值模拟几种手段联合研究,相互约束,共同验证,是建立科学可信的张裂-破裂机制地质模型的必要途径.      

Progress of Deep Geological Survey Project under the China Geological Survey

Serving as a way to understand the material composition, structure, and dynamic process of the Earth’s interior, deep earth exploration is driven by not only mankind’s pursuit of natural mysteries but also mankind’s basic need to obtain resources and guarantee economic and social development. The first phase of deep earth exploration of China (SinoProbe) was carried out from 2008 to 2016 and tremendous results were achieved. In 2016, the China Geological Survey launched a Deep Geological Survey Project (also referred to as the Project) to continuously explore the deep Earth. Focusing on the national energy resources strategy, the Belt and Road Initiative, and major basic issues of the geological survey, the Project was carried out in Songliao Basin (an important energy base in China) and major geological boundaries and tectonic units including Qilian Mountains-Tianshan Mountains and Qinzhou-Hangzhou juncture belt. The purpose of it is to reveal the process, structure, and forming patterns of the deep ore deposits and petroleum reservoirs, clarify the evolutionary pattem and controlling factors of Mesozoic environmental climate, and discover deep fine structures of key orogens, basins, and mountains by comprehensive geophysical exploration and scientific drilling. Great achievements have been obtained after more than three years of efforts, including a cumulative 1552 km of deep seismic reflection profiles and magnetotelluric profiles, an ultra-deep continental scientific drilling well, a scientific drilling pilot hole, and a magnetotelluric array and a portable broadband seismic array, both of which cover South China. Moreover, significant progress has been made in ultra-deep drilling technology, deep oil and gas discovery in Songliao Basin, and basic geological issues of Qilian Orogen and Qinzhou-Hangzhou juncture belt in South China, greatly accelerating the deep earth exploration in China and further consolidating China’s position as a power in deep earth exploration.     

中国含油气盆地深层勘探的主要进展与科学问题

中国沉积盆地深层的油气勘探实践不断取得进步,提出了与之密切相关的油气地质基础科学问题,凝练与分析这些问题将为深化我国沉积盆地深层地质研究与油气勘探提供引领。近年来,我国在深层海相碳酸盐岩、砂砾岩、火山岩、变质岩与页岩气等勘探领域中发现了一系列大型油气田,油气勘探发现深度推进到7 000～8 500m,勘探前景良好。但由于沉积盆地深层经历了长期构造演化,温、压场与应力场变化大,地质结构多变,油气成藏过程复杂,深层油气勘探面临着一系列关键地质问题,主要包括:中国大陆的形成演化及其构造-古地理,中国小克拉通地块之上海相盆地的原型及演化,中国沉积盆地的多期改造过程与叠加地质结构,沉积盆地的成因机制与动力学演化,深层烃源岩发育、成烃机制及其演化,深层储集体的形成机制与分布,深层油气成藏机制,多期叠加、改造背景下油气聚集与分布规律,深层页岩气赋存机制与分布规律,过程导向的沉积盆地4D动态模拟。我国沉积盆地深层的油气地质基础研究与实际应用需求相比有较大差距,需要立足于中国大陆实际,在盆地的形成演化过程与油气成藏动力学等方面进行深入探索,期望在活动论构造-古地理、三维构造复原、流体-岩石相互作用与四维动态模拟方面取得实质性进展。     

南海北部深水区油气勘探的关键地质问题

南海北部深水区已经获得了重大的天然气发现,正逐渐成为全球深水勘探的热点区之一。通过与相邻陆架区以及世界上典型深水盆地的类比发现,南海北部深水区具有独特的石油地质特征。南海北部大陆边缘经历了从燕山期主动陆缘向新生代边缘海被动陆缘的转变,其演化过程和成盆机制复杂;陆坡深水区具“热盆”特征,凹陷普遍发育超压,其生烃机制不明;深水区距离物源区较远,缺乏世界级大河系的注入,具远源沉积特征,未发现盐层及其相关构造,其油气成藏条件具有特殊性。此外,南海北部深水区海底地形崎岖、多火山,还面临着地震采集、处理等地球物理难题。因此,南海北部深水油气勘探需要在借鉴相邻陆架区和世界其他深水区成功经验的基础上,一方面深入研究其独特的油气地质特征,另一方面研发适应于我国深水环境的地球物理新技术,切实推动深水勘探的进程。     

深地震反射剖面揭露大陆岩石圈精细结构

深地震反射技术已被国际地学界公认为是探测岩石圈精细结构、解决深部地质问题的有效技术手段。自上世纪70年代中期以来,以美国为首的等西方国家和中国相继开展了深地震反射探测技术实验,使用该技术揭露盆地、造山带岩石圈的形成和演化、地球动力学过程,并应用于油气资源远景评价、矿产资源勘察等领域,取得了丰硕的成果。本文扼要介绍深地震反射剖面技术的发展及其部分应用实例。     

地球深部物质和能量交换的动力过程与矿产资源的形成

地球深部物质与能量的交换和深层动力过程这一科学问题的提出,乃是近年来地球科学发展与逐步向量化“进军”的必然,它是探索一系列地学前沿课题的基础。地球表面所见到的一系列地球物理场异常,地质构造格局,地球化学组分变异,无一不受到地球内部物质与能量的交换和深层动力过程的制约。如地球圈层的形成与演化,大陆伸展与裂谷,资源与能源等,均为深部物质运移和物理学、化学效应及地质构造耦合的产物。本文讨论了金属矿产资源与地壳、地幔结构及深部物质运移的动力学响应。通过几个典型矿床和其形成要素分析了成矿作用的深层动力过程。文中主要讨论了五个方面的问题:第一,金属矿产资源成矿和分布与地壳、地幔结构及深部物质运移和成矿带。第二,金的形成与深层过程。第三,金属矿床的形成、演化和分布与深部物质及能量的交换。第四,地幔热柱与成矿作用。第五,地球内部深层动力过程与流体运移和必须深化研究的几个问题。     

北方新区新层系油气地质调查与勘探进展及成果

“天山—兴蒙构造带油气基础地质调查工程”全力支撑北方新区新层系油气调查科技攻坚战,按北方石炭系—二叠系、大型盆地深层和山前构造带3个层次开展工作部署。主攻北方石炭系—二叠系,查明西北地区石炭系—二叠系沉积充填序列,恢复岩相古地理,建立油气成藏模式,优选战略突破目标,支撑并实现银额盆地居延海坳陷、准噶尔盆地南部博格达山前和柴达木盆地东部3个重要油气突破;重点评价塔里木盆地深层震旦系—下奥陶统成藏条件,通过开展塔里木盆地深部调查,查明了震旦系—下奥陶统盆地结构和展布,落实了生、储、盖的平面分布特征,预测了深部油气成藏模式;积极准备在山前构造带开展工作,初步查明塔里木盆地西北缘构造格架和寒武系盐下成藏条件,在塔里木盆地温宿凸起实现了新区新层系油气重大突破,初步评价了柯坪断隆的油气资源潜力。工程取得的研究成果为推动自然资源部(原国土资源部)在新疆开展油气矿权管理体质改革起到了强有力的支撑作用。     

北方新区新层系油气地质调查与勘探进展及成果

“天山—兴蒙构造带油气基础地质调查工程”全力支撑北方新区新层系油气调查科技攻坚战,按北方石炭系—二叠系、大型盆地深层和山前构造带3个层次开展工作部署。主攻北方石炭系—二叠系,查明西北地区石炭系—二叠系沉积充填序列,恢复岩相古地理,建立油气成藏模式,优选战略突破目标,支撑并实现银额盆地居延海坳陷、准噶尔盆地南部博格达山前和柴达木盆地东部3个重要油气突破; 重点评价塔里木盆地深层震旦系—下奥陶统成藏条件,通过开展塔里木盆地深部调查,查明了震旦系—下奥陶统盆地结构和展布,落实了生、储、盖的平面分布特征,预测了深部油气成藏模式; 积极准备在山前构造带开展工作,初步查明塔里木盆地西北缘构造格架和寒武系盐下成藏条件,在塔里木盆地温宿凸起实现了新区新层系油气重大突破,初步评价了柯坪断隆的油气资源潜力。工程取得的研究成果为推动自然资源部(原国土资源部)在新疆开展油气矿权管理体质改革起到了强有力的支撑作用。     

南海北部深水区油气勘探关键地质问题

南海北部深水区已经获得了重大的天然气发现,正逐渐成为全球深水油气勘探的热点区之一。通过与相邻陆架区以及世界上典型深水盆地的类比发现,南海北部深水区具有独特的石油地质特征。南海北部大陆边缘经历了从燕山期主动陆缘向新生代边缘海被动陆缘的转变,其演化过程和成盆机制复杂;陆坡深水区具"热盆"特征,凹陷发育超压,其生烃机制不明;深水区距离物源区较远,缺乏世界级大河系的注入,具远源沉积特征,未发现盐层及其相关构造,其油气成藏条件具有特殊性。此外,南海北部深水区海底地形崎岖、多火山,还面临着地震采集、处理等地球物理难题。因此,南海北部深水油气勘探需要在借鉴相邻陆架区和世界其他深水区成功经验的基础上,一方面深入研究其独特的油气地质特征,另一方面研发适应于我国深水环境的地球物理勘探新技术,切实推动深水油气勘探的进程。     

松辽盆地大陆深部科学钻探地球科学研究进展

松辽盆地大陆深部科学钻探工程"两井四孔"之一的松科二井东孔(简称松科二井),位于黑龙江省安达市境内,于2018年5月26日正式完井。松科二井的科学目标涵盖古气候研究、资源能源探索、基础地质研究和发展深部探测技术四个方面。自2014年正式开钻以来,松科二井科学钻探工程组织实施了钻井取芯、原位测井、岩芯元素化学分析以及井周边深部结构探测等工作,目前已取得初步科研进展:获取长4134.81 m原位岩芯资料,完成了对白垩纪最完整最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画,初步建立起陆相地层标准剖面;发现了松辽盆地深部非常规天然气资源与盆地型干热岩良好的勘探开发前景;首次重建了白垩纪陆相百万年至十万年尺度气候演化历史,并发现白垩纪气候波动重大事件;揭示了古大洋板块俯冲、聚合的深部证据,为松辽盆地成因再认识及深层油气勘探提供了理论依据。松辽盆地大陆深部科学钻探工程的实施,对探索地球奥秘、解决深部能源环境等重大问题,具有重要意义,是"向地球深部进军"道路上迈出的坚实一步。     

南海大陆边缘盆地构造演化差异性及其与南海扩张耦合关系

南海大陆边缘盆地由于边界条件的差异,不仅形成了不同类型的陆缘盆地,如离散型、走滑伸展型和伸展挠曲复合型,而且这些盆地构造演化存在明显的非同步性。这些陆缘破裂过程与南海扩张作用过程呈现明显不一致性。研究表明,南海扩张时期南海南、北大陆边缘均形成了一系列裂陷盆地,然而,南海南部、北部大陆边缘盆地裂陷作用结束时间不同,北部大陆边缘盆地裂陷作用结束于23 Ma或21 Ma,而南部大陆边缘盆地裂陷作用结束于15.5 Ma,显然北部大陆边缘盆地裂陷结束时间明显早于南部大陆边缘盆地。南海扩张停止后,南海南、北部陆缘仍表现出明显差异,北部陆缘仍以伸展作用为主,晚中新世以来出现快速沉降幕,而南海南部陆缘则以挤压作用为主,且其挤压时间及强度呈现南早北晚的特点,即南部曾母盆地明显早于南薇西盆地和北康盆地。南海南、北大陆边缘盆地形成演化的差异性,特别是构造转型差异变化,为新生代南海扩张的迁移性提供了有力的佐证,可以推断南海不同期次海盆扩张可能存在向南的突然跃迁。因此,本次研究梳理出的南海不同陆缘盆地张裂伸展的非同步性可为南海洋盆扩张演化过程解释提供新的证据。     

南海大陆边缘动力学:从陆缘破裂到海底扩张

边缘海如何形成是地球科学的基本问题.本研究通过对南海区域深反射地震数据及钻井数据的综合解释,聚焦地壳深部结构和三维全变形机制,在南海陆缘张裂-海盆扩张的构造动力学研究中取得重要进展:(1)“大陆破裂非均一”:拉张过程垂向上分层非均一,受拆离断层系统控制;裂离过程横向上高度变化,中-东侧受岩浆作用主导,西侧受构造作用主导.(2)“海盆扩张非对称”:受周期性地幔对流活动主导,扩张表现为两次洋脊南向跃迁,方向也发生多次转变,导致南海扩张的不连续-非对称性.据此提出西太俯冲背景下周缘受限型海盆高度变化-非均衡扩张模式的新认识,丰富大陆边缘动力学理论.      

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。     

南海成因及其演化模式探讨

尽管南海已进行深入的调查与研究,提出多种成因模型,包括挤出模型、弧后扩张模型、古南海俯冲拖曳模型等,但因其所处构造位置特殊,周边构造环境经历了复杂的改造,所有成因模式均未能得到广泛的认可。本文从三大板块相互作用入手,结合南海实测数据,提出南海形成的弧后扩张—左旋剪切模型。认为南海是古南海往北俯冲的弧后盆地,菲律宾海板块往北漂移形成的大规模左旋走滑是南海扩张的触发因素。印度—欧亚碰撞产生中南半岛挤出主要影响西南海盆扩张方向,使得扩张轴从近东西向转为北东向。南海及邻区晚中生代以来的演化可以分为以下阶段：1）早白垩世开始澳大利亚板块往北漂移,新特提斯洋往北俯冲消亡,导致弧后扩张,形成古南海;2）晚白垩世末—始新世,古南海往北俯冲,导致弧后拉张形成陆缘裂谷;3）早渐新世,受菲律宾海板块西缘大型左旋走滑影响,在原有裂谷的基础上从东往西海底扩张,形成南海;4）渐新世末,受俯冲后撤的影响,扩张中心往南跃迁,同时受西缘断裂左旋活动的影响,扩张轴从近东西西逐步转为北东向;5）早中新世晚期,南沙地块—北巴拉望地块与卡加延脊碰撞,南海扩张停止。     

深部煤炭资源勘查模式及其构造控制

中国煤盆地构造演化的时空差异性和煤田构造格局的复杂性．是决定煤炭资源勘查难易程度,以及勘查手段的选择和勘查工程布置的首要地质因素。在分析中国东部煤炭资源特点以及深部煤炭地质勘查所面临的困难和挑战的基础上,讨论了勘查区类型和勘查模式的概念。划分出深部煤炭资源勘查区的4种基本类型：①老矿区深部或外围勘查区;②深部新区勘查区;③复杂地质条件勘查区;④生产矿井深部煤层勘查区。总结了不同勘查区类型的地质构造特征,建立了与之相适应的勘查模式。     

松辽盆地外围通化地区高精度重磁电特征及其构造格架

通化地区是松辽盆地东部外围的油气调查新区,油气勘探程度极低,关键问题是沉积地层展布形态、盆地深部结构等关键基础地质问题未知。笔者通过高精度重力、磁力和大地电磁等地球物理方法,获取了通化地区岩石地球物理和重磁异常变化特征,揭示了通化地区深部地球物理结构形态;认为通化地区存在4条Ⅰ级断裂和46条次级断裂,主要断裂控制着研究区的基本构造格架;首次圈定出红庙子、桓仁、沙尖子、拐磨子和木齐盆地5个断陷盆地,查明了盆地规模、中生界底面最大埋深和中侏罗统侯家屯组地层的展布形态等深部结构特征;并进一步对桓仁盆地和拐磨子盆地进行构造单元的划分。该研究成果为下一步油气勘探提供重要基础地质信息,亦对松辽盆地东部外围新区的油气勘探部署提供重要的指导意义。     

反射地震技术在成矿地质背景与深部矿产勘查中的应用：现状与前景

矿床是地球演化过程中特定阶段、特定地质环境下形成的,深部结构、构造和动力过程是控制成矿作用的关键因素。成矿带或矿集区现今的地壳结构、构造保留着其演化动力学过程留下的痕迹,通过对不同深度地壳结构的探测,不仅可以提供成矿系统(成矿物质来源、迁移路径和存储空间)形成时期的构造背景和成矿地质环境信息,还可以直接追踪控矿构造的延深,甚至直接发现深部矿体。反射地震是深部探测的核心技术,应用于大陆地壳结构探测和油气勘探已经有近百年的历史,但应用于成矿学的研究和深部金属矿勘查只有二十几年。本文回顾了近年反射地震技术在区域成矿背景、矿集区深部3D结构和深部找矿勘查中取得的重要进展,讨论了该技术在应用中存在问题和下一步技术发展方向,为我国"地壳探测工程(SinaProbe)"在重点成矿带和矿集区开展立体探测提供一些借鉴。     

南海西南次海盆深部结构研究进展与展望

西南次海盆位于南海渐进式扩张的西南端,共轭陆缘结构和残留扩张脊保留完整,是研究南海深部结构和动力学机制的关键区域。前期研究发现,西南次海盆洋陆过渡带较窄、同扩张断层发育、地震反射莫霍面不清晰、具有慢速扩张等特征。然而,由于不同探测方法获取的地壳结构具有多解性,使得西南次海盆洋陆转换过程、慢速扩张洋壳结构与增生模式以及龙门海山岩石性质与地幔成因机制等基础科学问题尚存争议。为此我们建议在西南次海盆开展地质取样获取海山岩石样品,确定其年龄与性质,分析扩张后海山形成的深部动力过程;并对关键构造部署高精度的地震反射/折射联合探测,结合岩石物理分析,对西南次海盆进行构造成像和物质组成参数正反演,以实现壳幔尺度的地震学透视,为探索西南次海盆洋陆转换过程和洋壳增生模式提供重要的地球物理证据,以丰富和完善南海的动力学演化模式。     

新—甘地震测深剖面的地壳速度结构及大地构造单元划分

根据新—甘地震测深结果,以纵波为主,建立了剖面内地壳速度结构模型,结合横波资料对地壳结构进行了研究。确定出超壳断裂14条;划分出一级构造单元4个;二级构造单元8个。从而,对大地构造和地壳演化提出新的认识,为深入研究区内基础地质具有重要意义。     

下地壳流变学性质对南大西洋两岸盆地结构不对称性的控制

南大西洋两岸被动陆缘盆地蕴藏大量的油气资源,是近年来油气勘探的热点区域。南大西洋两侧共轭盆地的结构存在明显的不对称性,南美侧的桑托斯盆地垂直走向方向的宽度(约850 km)是位于非洲侧的南宽扎盆地(约200 km)的4倍。盆地结构的不对称性导致南大西洋两岸被动陆缘盆地油气分布与成藏规律具有明显的差异,但是盆地结构不对称性的动力学成因目前还存在较大争议。为此开展2D热力学耦合的地球动力学数值模拟实验,数值模拟中采用有限元方法求解黏-弹-塑性连续介质的本构方程。实验结果证明了下地壳流变学性质差异是控制盆地结构的关键因素。当下地壳流变学性质不对称时,在克拉通上发育的盆地往往为狭窄盆地,而在造山带上发育的盆地为宽广盆地。克拉通深厚地壳通过改变软流圈的流动影响地壳破裂和盆地结构。与前人数值模拟结果相比,本文的模型不仅能正演不对称盆地的形成过程,也能预测共轭盆地不对称极性,与南大西洋地质情况能够更好吻合。