地质科学  2016, Vol. 51 Issue (2): 309-328   PDF    
沉积盆地动力学的研究现状、问题与展望

何登发     
中国地质大学(北京) 北京 100083
基金项目: 国家自然科学基金项目(编号: 41430316, 40739906, 41272237)资助
何登发,男,1967年12月生,博士,教授,构造地质学专业.E-mail:hedengfa282@263.net
2016-01-10 收稿, 2016-02-24 改回.
摘要: 沉积盆地动力学研究沉积盆地在地质历史时期的地质结构特征、成因机制及其对成矿、成藏的控制作用, 是地球动力学研究的重要组成部分.30多年来, 沉积盆地动力学经历了沉积盆地的板块构造分类与构造环境解释、盆地动力学的兴起, 盆地综合建模与盆地系统动力学3个发展阶段; 在沉积盆地的深部构造背景、盆—山关系、沉降机制、充填模式及其对能源、矿产的控制方面取得重要进展.目前, 在对不同层次、不同尺度、不同机制的盆地动力学综合分析, 全3-D和4-D盆地动力学模型的构建与检验, 及学术界与工业界的充分结合等方面面临重要挑战.需解决一系列关键科学问题: 沉积盆地的深部结构、过程与盆地形成; 沉积盆地的构造—气候古地理; 多旋回沉积盆地叠合动力学过程与原型盆地演化; 叠合盆地复合成矿(藏)系统流体运聚及其资源、能源效应等.基于大数据综合集成、多学科交叉渗透、观测技术与分析方法的不断进步与完善, 盆地动力学将在其结构构造、形成演化及其控矿(藏)的4-D综合模型方面取得突破, 并为人类社会、经济发展做出贡献.
关键词: 沉积盆地动力学    板块构造    大陆流变学    4-D综合盆地模型    流体动力学    成矿(藏)效应    

中图分类号: P618.13    doi: 10.12017/dzkx.2016.001

沉积盆地是地球系统的浅层组成部分,是壳—幔、岩石圈—软流圈两级圈层相互作用的浅部表现形式。它是地球显生宙历史的档案馆,也是油气、煤、水及其他矿产资源的赋存场所,也与气候引起的海平面波动、地质灾害等密切相关(何登发等,1995Roure et al.,2010李思田,2015)。因此,探讨沉积盆地的现今结构,理解控制其长期演化的地质作用是地球科学界的主要任务。

沉积盆地动力学研究沉积盆地在地质历史时期的地质结构特征、成因机制及其对成矿、成藏的控制作用。深入认识形成沉积盆地的作用,它们如何被/未被沉积物充填,在实际的成盆作用停止之后盆地的力学行为,及与流体运移、热传递如何发生等的相互作用,将为探讨制约盆地形成与演化的地球内、外动力地质作用及其动力学机制奠立重要基础(Turcotte and Schubert,2002Roure et al.,2010),也为剖析地层流体运动及成矿、成藏提供了关键条件。

1 发展历史

Dickinson(1993)率先强调了盆地动力学研究,指出盆地研究的重点应由盆地分类向盆地形成演化的动力学过程转变。盆地演化常常受多重作用的联合控制,这种机制又随着演化阶段而发生转变。这一思想在Ingersoll(19882012)、Ingersoll and Busby(1995)提出的盆地分类方案中得到体现,不仅强调盆地赋存的板块构造位置,更多地强调了盆地沉降机制及多因素耦合的成盆概念。

1989年3月,以美国地球科学家为首提出了1990~2020年为期30年具有科学导向的“大陆动力学”研究计划,其中大型沉积盆地的成因和演化是重要的科学问题之一。1997年美国自然科学基金委的《沉积盆地动力学纲要》(Dickinson,1997)强调盆地分析应与全球气候变化、流体流动和地球动力学密切结合。该纲要既强调了板块构造和地幔对流系统对盆地形成演化的控制作用,也强调了盆地流体以及盆地中古气候、古环境记录的研究。盆地动力学成为地球动力学研究的重要组成部分,更强调盆地形成演化中不同演化过程与动力学机制的理解。现今,美国的“大陆动力学”计划更改为“综合地球系统”计划,盆地动力学是其核心研究内容之一。

欧洲地学界在国际岩石圈计划(ILP)中的沉积盆地工作组设立了欧洲的“沉积盆地成因”研究计划,自1990年在法国Rueil-Malmaison召开的首次工作会议以来,连续20多年持续研讨欧洲的大地构造、岩石圈结构与盆地的形成机制与演化过程。2005年以来,逐渐强调深部与浅表作用的综合,并将其活动在世界范围内推广,探讨非洲、中东、亚洲、澳洲、墨西哥、拉美、环太平洋的与环极地(北极与南极)的沉积盆地的形成与演化,取得重要进展。

近年来,国际岩石圈计划资助的TOPO-EUROPE计划开展的地球深部与地表过程研究涉及到大量盆地动力学的研究内容;欧洲研究基金会也资助了大量与盆地动力学相关的研究课题,如ESF-Integrated Basin Studies、Europrobe GeoRift、ESF-EUROMARGINS等,对裂谷、被动大陆边缘与前陆褶皱冲断带等开展了深入的实例解剖。

最近20年来,我国对化石能源和有关沉积矿产资源的需求日益增加,国内沉积盆地动力学在地质—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。近年实施了“华北克拉通破坏”和“南海深海过程演变”重大研究计划(汪品先,2012朱日祥等,2012),为揭示渤海湾盆地与南海盆地的动力学机制提供了重要的研究基础。2008年至今,中国实施的深部探测国家专项(SinoProbe),完成了全国4°×4°、华北和青藏高原1°×1°的大地电磁阵列观测,完成了青藏高原、华南—中央造山带、华北和东北等多条超长深地震反射与折射剖面联合探测、宽频带地震与大地电磁剖面观测,其中深地震反射剖面约上万千米,对于揭示松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、塔里木、准噶尔等盆地的地壳精细结构,环青藏高原巨型盆—山体系的深部背景,中生代以来中国大陆的构造演化(如华南陆内变形、华北克拉通减薄与破坏、东西部地貌系统与物质的大转换等)提供了直接约束(陈凌等,2010高锐等,2011董树文等,2013)。

2 研究进展

盆地动力学主要研究的核心内容有3项: 1)控制盆地形成和演化的地球动力学(构造动力学),2)控制沉积过程的水动力学(沉积充填动力学),3)控制油气、煤、金属等形成与分布的成矿(藏)动力学(热动力、流体动力学等)。自20世纪80年代以来,从盆地深部构造与盆地类型、高精度盆地地层界面与格架分析等,逐渐向综合应用地质学、地球化学(如岩浆岩探针)、地球物理学方法(如深反射、天然地震)和3-D/4-D盆地数值模拟技术研究盆地与造山作用、深部过程、盆地与精细古环境记录、盆地流体等的盆地系统动力学方向发展(王清晨等,2003王良书等,2004李忠,2013Cloetingh et al.,2015李思田,2015)。

盆地动力学的研究进展主要包括: 1)沉积盆地结构的深部控制: 盆地(盆、山)深部结构及构造;2)岩石圈流变学和盆地分段与地形的构造控制;3)盆地的动力学成因;4)源—汇系统与物源—沉积过程: 气候、隆升与剥蚀、沉降与沉积之间的耦合、源区剥蚀过程及其深部响应;5)盆地充填与物源体系分析及模拟;6)高精度层序地层学;7)造山带沉积记录与盆、山构造演化;8)大陆边缘盆地动力学、深水沉积学;9)构造沉积学与盆—山综合古地理;10)盆地流体动力学及成岩—成藏(矿);11)综合盆地模拟研究与验证的新趋势。

2.1 沉积盆地结构的深部控制

对壳、幔结构的深入了解可以模拟现今仍在活动的内部过程,以及曾经活动而现今停止的作用,这些过程记录保存在沉积层序、地壳与岩石圈地幔的现今几何构型之中。对重力场与地球内部结构进行控制,以及结合对现今过程(如地震活动、地表变形)的监测,对模拟壳—幔系统过去与现今的地球动力学状态与内在过程提供了重要约束。关于壳—幔系统详细历史的信息则提供了与沉积记录演化相关的古地貌重建和对现今地形的控制予以解释的重要基础。

借助先进的地球物理方法与岩石圈探针技术(岩浆岩地球化学分析)对于深层构造背景的多样性与复杂环境有了深入的了解。高精度地震成像对盆地充填与地壳结构提供了关键约束。自1986年在北美苏必利尔湖区获得中陆裂谷盆地的深反射地震剖面以来,全球获得了超过10×104 km的深反射地震剖面,得到了盆地及其地壳、岩石圈的速度结构、密度与岩石组成的大量资料,广泛获得了西欧、北美、南美、西伯利亚、华北、四川、塔里木—准噶尔、青藏等地区的地壳、岩石圈的精细结构(Cloetingh et al.,2010董树文等,20132014),对于盆地的基底构造与深部结构有了更精细的约束。同时,借助于深部钻井取得的岩心,从微区分析角度了解到深部地质过程的演化细节,如对全球地幔柱、热点、大火山岩省的研究,我国对华北克拉通岩石圈的减薄、峨眉地幔柱、塔里木大火山岩省,天山、准噶尔石炭纪火山岩的研究都体现出这一重要趋势。

对地壳尺度反射与折射地震资料的解释,不但可以了解现今盆地的结构,还可以剖析其下伏早期构造活动形迹,例如穿过巴黎盆地的深反射地震剖面(ECORS),揭示了中新生代克拉通盆地之下根植于下地壳的向南缓倾的华力西期冲断系统(Biju-Duval et al.,1987)。利用工业反射地震与有利的势场资料可以分辨前陆冲断带的地质结构、储集体及盐层的分布。

地震层析成像技术的全球应用及其精度的大幅度提高(分辨率达到50 km)可以给出岩石圈厚度、地幔非均一性及对动态壳—幔过程的控制(Bijwaard et al.,1998Bijwaard and Spakman,2000Roure et al.,2010)。基于对体波与面波的观测,层析成像提供了地幔结构的3D图像,例如对下地幔结构的聚焦获得了欧洲下地幔的上涌证据,它可能主导了西欧与中欧新生代岩浆的长期活动(Goes et al.,1999Ziegler and Dèzes,2007)。层析成像也揭示了全球板块构造作用,如过去与现今的俯冲岩石圈板块(Fukao et al.,2001),例如,西太平洋板块的俯冲已进入地幔过渡带,其前锋已到达太行山一带(朱日祥等,20122015)。

2.2 岩石圈流变学分层对沉积盆地形成的控制

沉积盆地之下的岩石圈具有流变学分层结构,它们控制挤压、伸展、压扭等盆地的形成与演化(Cloetingh and Ziegler,2007李廷栋,2010Cloetingh et al.,2015)。迄今已基本建立了大陆、大洋岩石圈的流变学模型(Ziegler et al.,19952001Watts and Burov,2003Cloetingh and Van Wees,2005Ziegler and Dèzes,2007Cloetingh et al.,2013)。地壳深部与地幔岩石的化学组成、温压状态、含水性,局部弱化(早期变形阶段构造形迹的已有不连续性)是影响其强度的主要因素;岩石组成(能干性、非能干性地层)是控制沉积层序构造变形的主要因素,滑脱层的岩性与分布控制了沉积盆地的分层变形;流体压力尤其是超压流体是影响地壳强度的一个主要因素(Suppe,2014),厚层沉积岩发育区异常高压的孕育可以引起盆地深层强度的大幅度降低。岩石圈流变学分层影响上地壳、下地壳、岩石圈地幔的变形样式(如滑脱层发育部位)与褶皱波长(影响沉积盆地的规模)。

沉积盆地的演化受岩石圈力学性质的控制。大陆岩石圈的强度也与热—构造年龄、先存构造形迹、断层的弱化效应等有关,欧洲岩石圈力学性质研究揭示了热—构造年龄与总体强度之间的直接相关性(Cloetingh and Burov,1996;Cloetingh et al.,2005Pérez-Gussinyé and Watts,2005)。岩石圈有效弹性厚度是控制沉积盆地发育的一个关键参数,受热、应力、组成及先存构造形迹影响,具有强烈的非均一性,这是沉积盆地差异发育的一个重要原因。

2.3 沉积盆地发育的板块构造环境及盆—山关系

关于沉积盆地发育的岩石圈板块构造环境的研究已非常深入(Dickinsin,1974;Bally and Snelson,1980Ingersoll,198819952012Miall,2000)。近年的主要进展体现在对板内或陆内变形作用机制及其对沉积盆地形成的控制研究方面(Thatcher,2009Gorczyk and Vogt,2015),如华南大陆长期处于板块构造围限下的分散式陆内变形体制(张国伟等,2013),塔里木、准噶尔等盆地在新生代受印—藏碰撞的远距离效应的影响,处于环青藏高原巨型盆—山体系内(贾承造等,2013)。

前述地学断面计划(如COCORP)、深反射地震剖面计划、大陆钻探计划(如Earthscope、中国大陆科钻)等揭示了沉积盆地与周缘隆起或造山带之间的耦合或拆耦关系。造山带是深部地幔活动、岩石圈(地壳)变形与地表过程相互作用的产物,洋—陆俯冲造山与碰撞造山过程中,造山带隆升与前陆盆地沉降耦合,造山带风化、剥蚀与盆地沉积物源耦合,造山带多幕构造事件与盆地充填序列耦合,造山带增生过程与气候、地表过程耦合,关于前陆盆地的大量研究实例充分体现了逆冲作用与盆地沉降、沉积充填之间的有机联系。而对伸展盆地,伸展断坡—断坪体系则影响地貌表现(Roure et al.,2010),气候、构造与地表过程的相互作用也是制约盆地发育的重要因素(Allen et al.,2013Cloetingh et al.,2015)。

2.4 沉积盆地的动力学成因模式

Ingersoll(19882012)鉴别出使盆地沉降的7种机制(即地壳减薄、岩石圈加厚、沉积与火山负载、构造负载、壳下负载、地幔流动、地壳密度增大),任一盆地的沉降是某几种机制的联合;Allen and Allen(2013)进一步认为地壳与岩石圈厚度变化导致的均衡效应、地表与地下及面内应力的远场效应引起的负载作用、软流圈流动与地幔对流及地幔柱的动态效应(为地幔温度变化引起的浮力效应所导致的沉降或隆升)是沉积盆地沉降、隆升的3种基本机制,据此Allen and Allen(199020052013)将沉积盆地划分为伸展的、挠曲的、走滑的、地幔动力引起的等成因类型,成功地实现了Dickinson(1993)提出的“要改变现行的盆地分类学”、按照地球动力学建立“成盆基本地质作用”的谱系的理念(表 1)。

表 1 主要类型沉积盆地的典型特征 (据Cloetingh et al.,2013) Table 1 Typical characteristics of main types of sedimentary basins(modified after Cloetingh et al.,2013)

目前,已建立了主要盆地类型的成因模式,如伸展盆地(McKenzie,1978Klemme,1980Ziegler and Cloetingh,2004Van Wees et al.,2009)、前陆盆地(Beaumont,1981Beaumont et al.,1999Naylor and Sinclair,2008Garcia-Castellanos and Cloetingh,2012)、拉分盆地、克拉通内盆地(Klein,1987Leighton et al.,1990Ziegler et al.,1995Allen and Allen,2013)等。Cloetingh et al.(2013)基于大陆动力学过程的研究,识别出一种新的成盆机制——岩石圈的褶皱作用(Burov and Molnar,1998Thomas et al.,1999Cloetingh and Ziegler,2007Cloetingh and Burov,2011Smith et al.,2012),岩石圈的流变学分层、构造应力与地表过程影响岩石圈的褶皱作用,岩石圈褶皱型盆地的发育时限为1~10 Ma,如中亚阿姆河、塔里木盆地等(邵学钟等,1997Smit et al.,2013)。

2.5 沉积盆地的多阶段构造演化

沉积盆地的构造演化是岩石圈应力、岩石圈流变学和岩石圈—地幔系统热扰动之间相互作用的内在结果(Cloetingh et al.,2015)。无论伸展还是挤压,岩石圈的热力学结构在成盆机制的响应方面起重要控制作用。构造复活对大多数沉积盆地的结构与充填都有重要影响。岩石圈长期保持的流变学“记忆”可能对盆地复活有比迄今认为的更加重要的作用。大陆强度随时间的演化以及大陆边缘、裂谷、造山带的应力和强度的空间变化制约着盆地的时、空发育机制。

地质历史中不同阶段的盆地,成因并不一致,随时间演化,出现叠加特征,形成具有叠加地质结构的盆地—叠合盆地(贾承造等,1992童晓光,1992何登发等,2005a)或多旋回盆地(李德生,1982Kingston et al.,1983)、多期盆地(Cloetingh et al.,2013),例如岩石圈褶皱型盆地可以发育在伸展、前陆等盆地基础之上。Kingston et al.(1983)曾倡导用盆地表达式描述多旋回(multi-cycle)或多期(multi-phase)历史的盆地,前述盆地分类即是划分某一地质历史时期的盆地原型,盆地的整体结构就是不同原型盆地的复合与叠合。

多期变形是众多沉积盆地系统的普遍特点。伸展盆地在裂后期的挤压复活见于众多板内裂谷和被动大陆边缘,反映出板内应力体制方位和大小的时、空变化。同样,前陆盆地通常具有前造山期伸展的特点。这些“多期系统”的实际沉降型式一般较之根据端元模型预测的要更为复杂,端元模型仅只考虑盆地的形成机制。

被动大陆边缘盆地是最近沉积盆地研究的亮点。它经历早期断陷(可以是多幕断陷)、裂后坳陷过程,最终演化成为被动大陆边缘,可以是火山型的、也可以是无火山活动的,可以是沉积过补偿型的、也可以是欠补偿的。相对稳定/刚性岩石圈之上的被动边缘,“被动”是相对的,常发育大量重力构造(连锁的伸展—挤压/重力构造),如纳米比亚型、尼日尔三角洲型、墨西哥脊型、宽扎型(盐)、墨西哥湾北部型(盐+泥)。被动边缘另一个特征是其沿走向的分段性,这种边缘的演化受控于先期构造。

2.6 沉积盆地构造变形的定量解析

首先是精细的构造年代学方法的进步与应用,对于确定盆地内部构造变形时间有了重要依据,例如应用磁性地层学方法研究生长地层,从而确定同构造变形的时间。其次,大陆岩石圈垂向分层的流变学结构决定了构造变形由深及浅,由韧性、脆—韧性向韧—脆性、脆性过渡(Ramsay,1980Sibson,1983)。构造地质学近30年来的两个主要进展是研究韧性域流变机制的韧性剪切带理论与定量研究脆性域变形的断层相关褶皱理论(Suppe,1983何登发等,2005b),分别揭示了不同层次的构造变形特点。沉积盆地及其下岩石圈的构造变形将从深部的韧性剪切与拆离滑脱向沉积盖层中的脆性变形、多层滑脱变形逐渐过渡(Sibson,1983Leclère et al.,2014),因此,沉积盆地的构造解析可以综合应用这两种理论(何登发等,2015a),解析沉积盆地的多层次、多成因、多阶段、多类型滑脱变形的现象,将深部结构与浅层变形统一起来建立定量的构造模型。

2.7 沉积盆地的源—汇系统与深部作用与地表过程的研究

这是最近沉积盆地分析的热点之一(Allen and Densmore,2000Allen and Armitage,2012Allen et al.,2013)。在源—汇系统中保存下来的地质信息,是从山到盆的整个地球表层动力学过程的记录,也是深部岩石圈动力学过程与地球表面物理、化学与生物及气候条件等相互作用的产物。只有把物源的形成、搬运到沉积作为一个整体的过程来研究,才能完整地认识地球表层的动力学过程及其演化(刘树根等,2003李思田,2015)。

板内环境岩石圈的整体强度受它的热—构造年龄与继承性构造的重要影响,岩石圈的力学拆耦/分层特点对地球深部与地表过程之间的相互作用有明显控制。岩石圈的流变学分层制约着古克拉通块体的保存,地幔柱—地幔岩石圈相互作用的地表显示以及对“动态地貌”的总体影响;大陆流变学结构和板内应力在控制地幔柱之上的动态地貌、地幔—岩石圈相互作用和大陆裂解过程方面有重要作用(Burov and Gerya,2014),Burov and Gerya(2014)在考虑岩石圈流变学的基础上成功建立了高分辨率的全三维数字模型,揭示了动态地貌的演变过程,可以产生两类地貌演变方式: 1)对常见的流变学分层岩石圈(热—构造年龄为50~500 Ma),地貌表现为短波长(λ<50 km,100 km,350 km),较地幔流动波长(λ=1 000 km)小很多。在很弱的已有远场应力作用下,地貌也因断层与裂谷的形成而强烈不对称;2)在年轻而弱的(年龄<50 Ma),或老而强的(700 Ma以前的,地盾)板块条件下,动态地貌表现出“经典”特点,即与大规模地幔流动有关。

前述的岩石圈的褶皱作用,涉及正向的与负向的凹曲,可能较迄今意识到的板内环境的大规模变形要重要得多。例如欧洲大陆的板内区,受新生代上地幔柱活动的热扰动影响,盆地的沉降和宽阔穹窿区的隆升揭示出岩石圈的褶皱作用对垂直运动的方式有重要作用和强烈影响。

对于陆内俯冲形成的双指向前陆盆地(Naylor and Sinclair,2008),目前对陆内俯冲的成因还存在争议(张国伟等,2013Burov and Gerya,2014Gorczyk and Vogt,2015)。但大陆岩石圈俯冲的启动(连接造山变形与板内变形的纽带),也可能受到地幔柱—岩石圈相互作用的促进。Burov and Gerya(2014)已建立了相应的热—力学模型,可以模拟其成因,以及构造—地貌系统的变化;Gorczyk and Vogt(2015)建立了陆内大陆俯冲环境下构造作用、熔体生成及地表演化的多种动态模型。

由上所述,成盆期及其后盆地变形期间起作用的构造过程能在盆地系统中产生大量的差异地貌。考虑到凸起区的地貌剥蚀与沉降区的沉积之间的密切联系,需要对隆升及同期的沉降予以约束,从而去验证沉积盆地演化的“基于过程的定量模型”。构造物理模拟与数值模拟相结合提供了评价深部地幔、岩石圈与地表过程之间反馈机制的新方法。

2.8 沉积盆地构造—沉积古地理与原型盆地恢复

借助于高精度的古地磁学分析和构造学、沉积学方法,对于沉积盆地的构造—古地理与原型盆地开展了卓有成效的恢复工作(Ziegler et al.,2001Seton et al.,2012)。

应用活动论构造—古地理方法,对沉积盆地从古地磁和板块重建的角度进行“复位”。目前,国际上主要采用地球动力学模型进行深部地幔、地壳与地表的4-D地球动力学过程研究,该模型包括古地理系统模型(GPlates)和基于物理特性的地幔和岩石圈有限元模型(CitcomS)两部分(Gurnis et al.,19982012)。GPlates模型具有板块重建软件的传统和非传统特征,它可以输入各种古地理模型参数,从而进行交互式板块重建;这些输入的参数包括描述地球表面板块运动和板块形状的参数以及大洋岩石圈年龄。GPlates可以将原始的板块模型数据进行插值,从而得到在时间与空间上连续变化的板块运动模型。据此确定不同地质历史时期沉积盆地的“位置”(纬度与相对方位)。

从沉积充填、构造变形恢复、古地理古气候古生态、周缘构造环境等入手进行沉积盆地“复原”(Ziegler et al.,2001何登发等,2005a2015a),开展沉积盆地的原型恢复。例如对塔里木、四川、鄂尔多斯等沉积盆地构造—沉积环境的重建(何登发等,2005b20112015a)。

2.9 沉积盆地流体动力学及其成矿、成藏作用

以盆地构造—地层格架和形成演化动力学为基础,盆地流体动力学研究在最近20年来取得突飞猛进的发展。首先,将盆地流体作为贯穿成盆—成岩—成储—成矿、成藏全过程中最为活跃的要素来系统考虑,在盆地模式、流—岩反应、流—流反应、孔隙演化、温压环境、成藏(矿)模式中建立并完善了考虑流体作用的系列动力学模型,这些动态的数字模型将沉积盆地中的地质事件与作用过程研究提高到定量的、系统分析的高度(Bjørlykke,1993刘建明,2000罗晓容,2008),并据此可以开展定量预测埋藏史、热史、异常压力史、孔隙演化史、流体运—聚期与量,探讨矿产(包括油气)的分布规律。其次,地质流体作为地球动力学系统中质量—能量传输最为活跃的因素,是一种把地球内部各系统联系在一起的媒介,藉此以地球动力学过程中“物质和能量传输循环、分配/再分配”这一核心环节,将地球内部各子系统中的各种作用过程联系起来,从整体上进行统一研究,提升对盆地及岩石圈动力学的认识(李思田,20042015)。第三,盆地流体参与油气、水、煤、岩盐、金属等成矿、成藏的全过程,有机—无机相互作用,使盆地成为多种能源、矿产共生、共聚的复合系统,将油气、有色金属、非金属、铀矿等不同工业界与学术机构“团结”在盆地动力学的“纽带”上(刘建明,2000李明诚等,2001薛春纪等,2008顾雪祥等,2010Frazer et al.,2014),建立共同的流体动力学模型,实现协调、共同发展。

2.10 沉积盆地矿(藏)分布规律研究

沉积盆地中石油、天然气、煤等能源资源和种类丰富的金属、非金属矿物资源的赋存、分布规律是地球科学研究的主要目的。从盆地动力学的角度,有可能从整体上和本质上去认识盆地及其周缘共生、共存的复杂因素和作用过程的耦合关系,以及有关矿床的形成机理和产出规律。在这些领域,关于层控矿床、油气分布规律的研究较为超前。

Klemme and Ulmishek(1991)曾将全球划分为4个油气聚集域。其中,劳亚域: 古生界为主,稳定,油气储量占23%;特提斯域: 古生界、中生界—新生界继承发育,储量占68%;冈瓦纳域: 古生界少、中生界多,活动强,储量占4%;太平洋域: 中生界—新生界为主,储量占5%。近年南大西洋两侧被动大陆边缘油气发现显著增长,冈瓦纳域的油气储量占比增大。何登发等(2015b)基于全球的大油气田分布特征,指出了全球发育古亚洲、特提斯、环太平洋、北美、南大西洋、大洋洲、北极和北大西洋—北海等8个含油气域,并从含油气域的角度开展了油气分布规律的系统研究。

从盆地发育对油气成藏要素的控制,构造演化对油气成藏作用(圈闭形成、生—运—聚、保存)的制约出发,研究构造发育历史中油气地质条件的时、空匹配以及油气聚集与分布规律的方法逐渐成熟(何登发等,2005aMann and Escalona,2011);含油气系统的概念也从单套烃源岩控制的简单含油气系统发展为多源、多灶、多期生—运—聚的复合含油气系统(Zhao et al.,2008)。

3 面临的问题与挑战 3.1 面临的问题

1)沉积盆地及深部基底3-D精细结构研究不足。主要表现在对一些“盆”下“盆”,如叠合盆地的构造—地层结构、盆地基底深达地幔的岩石圈结构,大陆岩石圈—地幔非均一性的精细地震层析成像等方面的研究有待进一步加强。对与盆地形成和盆地变形相关的3-D细结构的更好理解,是将岩石圈应力作用和上地幔动力学与地壳隆升和剥蚀动力学及沉积系统动力学之间相连接的重要基础。

2)沉积盆地区地幔、地壳和地表过程的动力耦合研究不足。包括洋壳板块俯冲、大陆板块碰撞等重大地质事件的深部地幔活动与浅表地质响应关系的研究不足。例如中国东部中新生代盆地发育及其与古太平洋板块俯冲(和蒙古—鄂霍茨克洋的俯冲关闭)的动力成因关系、深部地幔流动与地表动力地形的成因关系,深部地幔活动、岩石圈(或地壳)构造变形与东部高原发育和气候变化的动力耦合关系;青藏中、新特提斯构造演化,大洋和大陆俯冲与碰撞过程及其深部地幔活动与盆地发育和地表过程,青藏隆升机制与地壳物质的再分配过程,地表过程与气候演变的相互作用。

3)盆地形成的动力学过程研究不足。仍需加强沉积盆地形成的动力学机制研究,盆地沉积过程与盆地构造变形样式研究,“源—汇”过程中的气候、隆升与剥蚀、沉降与沉积间的耦合机制研究,活动的构造—气候古地理研究。评估气候、剥蚀和构造对地表与盆地演化所起的作用,对定量分析连接深部地球与地表过程的反馈机制将提供关键约束;监测水平和垂直地表运动与进行地下制图,应用现代地球物理、大地测量、遥感与地质技术方法,来约束现今变形型式与相关的地形变化,可以提供研究过去的新的指导。随着在时、空上分辨率的日益提高,关于地形演化对大陆及沿其边缘沉积盆地的沉降的控制因素将得到更好的理解。

4)流体作用及其资源、能源效应研究不足。包括盆地中流体的性质、演化及流体—岩石、流体—流体相互作用的机制与产物;流体的温、压、应力场的耦合特点及演化,尤其是异常压力孕育与释放过程,异常压力对生烃、排烃与烃类聚集的贡献;流体流动的输导层、样式、机制、分层及成矿(藏)效应;生物、生物化学作用及有机组分参与盆地流体有关的金属成矿作用。

5)定量、4-D和全球板块构造框架下的、思路先进的盆地研究手段与方法不足。国际上北美与西欧的研究较为超前(Gurnis et al.,1998;Burov,2013;Cloetingh et al.,20132015)。国内的研究多集中在点上,已有横穿沉积盆地岩石圈的地球物理大剖面,但和高精度的石油工业反射剖面结合不够,还难以形成地幔、地壳与地表相协调的统一变形剖面;在不同尺度上的平衡恢复也开展不够。深—浅、盆—山、时间—空间的相互结合、多种资料、多学科方法的相互融合需要大力加强。系统的、整体的、动态的、层次的盆地动力学综合研究方法与综合沉积盆地模拟技术需要大幅度提高。

3.2 面临的挑战

1)不同层次、不同尺度、不同机制的盆地动力学综合分析。一是岩石圈深部与浅表变形之间的关系,要解释清楚岩石圈内部过程和外部作用力对控制剥蚀与沉积速率所起的作用;二是对沉积盆地、固体地球和表面过程开展分析时需要在不同时间与空间尺度上进行整合,评估气候、剥蚀和构造对地表与盆地演化所起的作用,对定量分析连接深部地球与地表过程的反馈机制提供了关键约束;三是跨越内动力地质与外动力地质之间的传统鸿沟。在沉积盆地分析中,构造、海平面变化与沉积物供给常作为独立的参数,现今需要由全3-D、定量的沉降与隆升史约束的综合方法。

2)全3-D和4-D盆地动力学模型的构建与检验。综合沉积盆地研究的主要的、更具创新的目标是将岩石圈与地表过程相联系,以及促进对已有的和新获取的地貌、地质、地球物理、大地测量、遥感与地质技术数据包开展综合解释的4-D方法。需要构建新一代的3-D和4-D构造上实际的模型,来理解构造与地表过程之间的动态反馈,提供关于构造上活动体系和相关的地表地形的演化的新认识,模型将包括地貌上和构造上连续的碰撞和剥露模型、4-D盆地模拟、综合地层模型、气候—耦合的模拟等。

3)学术界与工业界的充分结合。油气工业界拥有高分辨率的地震资料、大量钻井资料等,学术界具有深部探测成像结果及先进的研究理念,两者结合将实现资料共享、观点融合,搭建盆地动力学研究的大数据平台。国际岩石圈计划工作组关于沉积盆地的目的即是促进搭建涉及盆地研究的不同团体(如地质学家与地球物理学家,学术机构与工业界)之间的交流平台,保证综合工作模式与新的模拟概念在世界范围内广泛推广(Roure et al.,2010)。

4)新的需求要求更高分辨率的盆地动力学模型。当今面临如气候变化、CO2封存、核废料保存、滑坡、海岸沉降、洪灾等可能的地质灾害预测等新的社会挑战。因此,盆地模式必需修改以适应新的时空尺度,从满足油气资源评价所需的长期分辨率(百万年)到非常高分辨率的时间、空间尺度(10~100年、5~10 km)。例如在盆地与油藏模型地质力学中,需要考虑反应搬运与流体—岩石作用,来处理因油、气、水产出、注水等引起的加速沉降和水力压裂,以及与CO2注入相关的溶蚀或孔隙与裂缝胶结导致的油藏孔隙度与渗透率的急剧变化。

4 关键科学问题与重点研究方向 4.1 关键科学问题

1)沉积盆地的深部结构、过程与盆地形成。沉积盆地深层及其下伏地壳、地幔的精细结构,岩石圈、地幔的过程及其地表系统的影响,内外动力系统作用下盆地的形成过程(图 1),盆地基底沉降、沉积充填与构造变形的动力系统的耦合关系。

图 1 盆地动力系统耦合关系示意图 Fig. 1 Illustration of coupling relationship between basin dynamic systems

2)沉积盆地的构造—气候古地理。地质历史时期沉积盆地的构造—古地理、气候—古地理,构造—气候—沉积—生态古地理环境的耦合作用及其控制因素,岩石圈及其下伏地幔的深部过程在地表的响应过程(图 2),它们在构造、热及流体运动体制下的作用机制。

图 2 深部与浅表动力系统响应关系示意图 Fig. 2 Illustration of responding of shallow crust to deep earth processes

3)多旋回沉积盆地叠合动力学过程与原型盆地演化。由于运动体制变化沉积盆地的板块构造环境与深部地质背景发生变革,沉积盆地多旋回发育的机制及其叠加过程;不同旋回原型盆地叠合的动力学演化与复合、叠加地质结构。

4)叠合盆地复合含油气系统流体运聚及其资源、能源效应。深—浅、盆—山多阶段、多机制作用下产生多源、多灶、多期、多层的油气生—运—聚过程,复合含油气系统的时、空发育及成藏要素匹配、成藏作用耦合的动力环境,油气、水、煤、铝土矿、岩盐、铀矿等的赋存规律。

4.2 重点研究方向

1)沉积盆地内、外动力地质综合作用及其成盆效应。沉积盆地的形成是在岩石圈、地幔尺度不同过程在浅表的综合响应,是沉降与充填过程的最终体现(图 1)。岩石圈板内应力场对沉积层序及沉积盆地中相对海平面变化的记录有内在控制(Guillocheau et al.,2000De Bruijne and Andriessen,2002Hendriks and Andriessen,2002Robin et al.,2003);岩石圈的力学性质取决于它的温度体制与组成(Ranalli and Murphy,1987Ranalli,1995),因此全面综合热年代学与物质性质分析资料可以根据沉积盆地记录来重建岩石圈的演化过程及成盆机制。造山带与板内区沉积盆地的地质、地球物理记录以及相关的地形发育已表现出岩石圈中继承性力学软弱带对其后构造演化也有明显控制。

2)沉积盆地构造变形的时间、空间、机制的演化约束。如精细的构造变形年代学,构造变形的解析、筛分与定量约束。应用现代石油工业数字二维与三维反射地震技术对于盆地的地质结构能够“透视”,像工业CT一样能够较高分辨率地揭示深层的构造格局、隆—坳结构、断裂带、岩相变化带(如台地边缘礁滩带)等;借助地球物理勘探大数据,构建全3-D构造模型,应用岩石力学参数可以建立高分辨率的力学模型。古隆起是盆地深层的常见构造现象,对于古隆起的形态、产状、内部构成等予以细致刻画(何登发等,2005b2012He et al.,2009),据此进一步剖析其构造演化及控制因素。

3)沉积盆地的构造—地层结构、层序地层格架、充填模式及其动力学控制机制。不整合面与断裂系统解析是盆地分析的重要基础,对其开展定量分析与模拟可以了解盆地的构造—地层结构;立足于井、震、露头结合的高分辨率层序地层学分析则提供了盆地充填演化的精细时空格架,在剖析地貌—物源—流域—充填的内在机制基础上,据此建立有深部过程控制、浅表高精度约束的盆地充填与发育的动力学模型。

4)沉积盆地构造—气候古地理与原型盆地演化恢复。在活动论构造历史观指导下的构造—古地理与气候—古地理重建,应用盆地大数据与古地磁资料,复原不同时间尺度、不同空间尺度的古地理面貌,为精细的构造—沉积格局重建与原型盆地恢复奠立基础。借助不同地质时期的原型盆地复原结果,建立叠合盆地演化的地球动力学模式。

5)沉积盆地的温度场、压力场、应力场及其耦合过程及机制。盆地深层常处于高温、高压环境,这一环境随着深部地质作用的幕式过程也可能出现旋回或世代特点,尤其是压力场出现“增压—泄压”的多个循环阶段。这在克拉通盆地、裂陷盆地、前陆盆地等多类盆地中都有出现。且当构造应力较大时,温度场、压力场、应力场的耦合影响着深层构造的发育与流体的运移、聚集。新构造运动严重影响沉积盆地的流体流动,流体流动则对地热体制有主要影响,从而影响对剥露及剥蚀量的计算(Rowan et al.,2002Schneider et al.,2002Gonçalvès et al.,2003)。

6)盆地4-D综合模拟系统。可以据实际断层协调处理均一与非均一变形,建立“过程导向的”沉积盆地演化的定量模型。沉积地质家与盆地模拟人员正在构建与深部地球研究之间的联系纽带。制约沉积盆地演化的岩石圈及其下地幔的各种作用,将在当今石油工业使用的数字模型中予以体现;这对于研究裂谷盆地与被动边缘的热流与热演化非常重要,对前陆盆地及其相邻褶皱带的地表的垂直运动历史也非常关键。现今,对全球过程的模拟及对沉积地层(包括储集岩)的变形预测,正经历从运动学模拟向热—力学和动力学模拟的重要转变。隆升量、沉降量、流体流动和其他型式的变形(可据对地质标志的4-D地震监测、GPS,钻孔和地震的应力得到)可以相互关联并进行定量解释;对沉积盆地的总体质量传递,包括除沉积物之外像水、烃类与CO2之类流体,在不同空间、时间尺度上在孔隙性、渗透介质中(储集层)的循环可以动态模拟。4-D模拟可以确定地表变形的现今状态,包括其时空梯度(这是地质预测的先决条件);可用来评估大范围的可能的地质灾害、CO2存储以及水、油气资源开发。

5 展望与条件 5.1 展 望

1)超越板块构造、(全)地幔动力学、岩石圈深—浅耦合的观念与模拟、检验将对盆地动力学研究产生深远影响。关于大陆岩石圈的演化及其与下伏地幔的相互作用是目前地学深入探究的问题。控制大陆岩石圈的生长、厚度及与下伏地幔的动力学耦合的过程,控制大陆变形的机制及其对垂直运动、动力地形、沉积盆地演化与破坏的效应,都需要多学科综合研究(Artemieva et al.,2006Roure et al.,2010),尤其是关于大陆分裂时裂谷峰期、洋盆开启及洋盆俯冲、造山带形成与陆—陆碰撞的动力学及其对大陆台地的效应。从大尺度的地幔与岩石圈结构与过程出发,逐渐到较小尺度的地壳结构,需要分析这些过程来了解沉积盆地动力学及其充填与地形发育。

2)岩石圈流变学及其对沉积盆地形成与演化的约束,将为建立沉积盆地分层变形模型提供重要基础。表面负载与去载的地形反应取决于岩石圈的力学强度以及地壳与岩石圈地幔之间的强度分区,因此,在对剥蚀和/或沉积速率有较好约束的地区,检验不同的流变学剖面有助于约束岩石圈的长期流变学(Burov and Watts,2006)特点。关于壳—幔和岩石圈—软流圈边界以及上地幔两个主要相转换面(约410 km与660 km)上的耦合(拆耦)的可靠信息对模拟表面地形至关重要。将动态深度与表面关系予以定量化是一个主要挑战,需要创新方法向4-D模拟方向发展(Roure et al.,2010Cloetingh et al.,2015)。

3)沉积盆地深层的地质结构、构造—沉积演化及其油气资源潜力研究将取得重要突破。沉积盆地的油气探测已经拓展至深部(约10 000 m)、古老地层(早古生代、中-新元古代),深部钻探及高精度地球物理探测将为研究沉积盆地早期历史提供重要资料,从而揭示沉积盆地发育的完整链条及其动力学背景(如Rodinia大陆演化的沉积记录)。

5.2 条 件

1)多种资料、不同尺度观察资料的融合与应用,提供了盆地研究的大数据平台。全球沉积盆地数据库的建立与应用,众多学术机构或公司参与了这一过程(Bally et al.,2012),如PetroConsults、IHS、Tellus、USGS等建立了完善的数据库(Mann et al.,2003),可以方便地查询不同地区、不同类型盆地的构造、沉积与油气地质特征,藉此可以开展全球性盆地类比或模式研究。同时,全球主要含油气盆地浩如烟海的钻井、测井、录井与地球物理、地球化学资料,提供了深入研究的基础。

2)多学科交叉渗透使研究视野大为拓宽。地球结构与运动学和地质过程重建等次级学科近年来的进展为盆地动力学的深入发展提供了重要基础。利用3-D地震速度模型研究地球内部动力学过程的方法日益成熟;关于现今水平与垂直运动的信息及对过去运动、温度或其他过程特征的重建,可用来构建与检验有关动力学过程的假设;通过对过程动力学的强调,在空间与时间尺度上的耦合效果将逐渐显现。过程模拟结果反过来也可推动与指导观察研究。

3)观测技术的明显进步。深反射地震剖面、超万米钻机为代表的深部探测技术使“透视”岩石圈成为可能,下一步需要拓展探测的分辨率;盆地深层的高精度三维地震的采集与处理技术仍有较大潜力可挖;超算计算机群可以处理细分上亿的岩石圈构造单元;多种高精度测年技术的进步;高分辨率的显微镜,观察尺度已达到介观(nm级)。

4)分析方法的逐渐完善。结合岩石圈结构及其流变学、地幔动力学参数的4-D盆地模拟系统的建立与完善,数值模拟与构造物理模拟实验的观测结果相融合,将使盆地动力学取得快速发展。

致谢 本文在写作过程中得到西北大学张国伟院士、中国地质大学(北京)王成善院士、中国科学院地质与地球物理所王清晨研究员、北京大学张进江教授的帮助,谨致谢忱!

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Present state, scientific key points, and prospection of study on sedimentary basin geodynamics

He Dengfa     
China University of Geosciences, Beijing 100083
Abstract: Sedimentary Basin dynamics study the characteristics of geological structures, genetic mechanism and its controls upon mineralization and oil-and-gas pool-formation of the basin in the geological history. It is an important composition of earth geodynamics. Since the last 30 years, it has passed three stages such as basin plate-tectonic classification and tectonic setting interpretation, development of concept of basin dynamics and integrated basin modeling, and basin system dynamics. It made important advances in basin deep tectonic setting, coupling between basin and orogenic belt, subsidence mechanism, filling models and controls on energy, resources and mineral deposits. It at present meets great challenges at integrated and comprehensive analysis on different-sequential,-scale, and-mechanisms, establishment and test on full 3-D and 4-D basin dynamic models, as well as the full combination between research communities and industrial groups. The key scientific questions on sedimentary basin includes, the deep structure, process, and formation, the tectonic-climate paleo-geography, dynamic processes of superimposition of multi-cycle sedimentary basins and the proto-type basin evolution, and fluid migration and accumulation in the composite mineralization system or petroleum system in the superimposed basins and its impact upon resources and energy. Based upon integration and analyses of big data, multi-subjects interaction, and progresses in surveying techniques and analyzing methods, sedimentary basin dynamics is to make critical breakthroughs on 4-D integrated basin models on the basin structures and tectonics, formation and evolution, and its controlling effect on mineralization and hydrocarbon pool-formation, and give its contribution for advances in human society and economic development.
Key words: Sedimentary basin dynamics    Plate tectonics    Continental rheology    4-D integrated basin model    Fluid dynamics    Effect of mineralization and pool-formation