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。