[科普中國]-原型盆地

簡(jiǎn)介

世界上許多大盆地是由不同地質(zhì)時(shí)代、不同成因類型的盆地疊合而成的，其形態(tài)和邊界常由后期相對(duì)年輕的盆地的構(gòu)造邊界所決定。朱夏稱這些不同時(shí)期形成的盆地單元為“原型盆地”。不同時(shí)代、不同成因的盆地疊合后需要識(shí)別出每種原型分別進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上還需要將一系列相互疊置的原型作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。這不僅僅是由于不同時(shí)期盆地構(gòu)造的演化體現(xiàn)出繼承、改造和變格等具成因聯(lián)系的關(guān)系，更重要的是油氣沿輸導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)聚過程貫穿了不同世代的盆地原型，因而有必要將其作為整體進(jìn)行研究。世界上許多大型含油氣盆地形成的巨型油氣系統(tǒng)常與盆地的疊合有關(guān)，特別是早期在拉伸條件下形成裂谷，晚期再經(jīng)歷擠壓環(huán)境形成的撓曲類盆地。前者有利于烴類的大規(guī)模生成，后者則有利于形成大型構(gòu)造圈閉。在疊合盆地研究中由于各種原型形成機(jī)制的差異，在構(gòu)造樣式和沉積充填樣式上都有明顯區(qū)別，其間都有區(qū)域性古間斷面，此種間斷大多是不整合型式。塔里木和四川盆地都是疊合盆地的典型實(shí)例（右圖），從圖中剖面可見晚三疊世以來中新生代前陸式盆地疊合在古生代海相盆地之上。

理論提出與發(fā)展盆地分析研究始于20世紀(jì)60年代初，是石油地質(zhì)學(xué)家為了解盆地的沉積演化和古地理格局而進(jìn)行的工作。近來，隨著地學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科的發(fā)展及地球觀的轉(zhuǎn)變，沉積盆地分析進(jìn)入了新的發(fā)展階段，研究?jī)?nèi)容涉及地球動(dòng)力學(xué)演化、盆—山耦合的制約關(guān)系及原型盆地恢復(fù)研究等諸多領(lǐng)域。原型盆地恢復(fù)研究業(yè)已成為現(xiàn)今含油氣盆地分析的熱點(diǎn)。

盆地原型的概念，首先是由Klemme(1980)提出的。雖然他提出的原型(prototype)在概念上并不完全與盆地形成的地球動(dòng)力學(xué)相關(guān)，尤其是他用構(gòu)造形式(structure form)來區(qū)分盆地時(shí)更帶有形態(tài)分類的色彩(Klemme，1991)。但當(dāng)時(shí)其提出的基本原型所包含的時(shí)代觀念，和現(xiàn)今盆地原型的出發(fā)點(diǎn)是一致的。在此基礎(chǔ)上，盆地原型的理論不斷完善和發(fā)展。朱夏（1981）指出，一個(gè)盆地，尤其是大型盆地，總是包含著若干個(gè)由不同的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的不同結(jié)構(gòu)部分，并稱之為“原型”(Proto-type)，單式的盆地即是這樣一個(gè)構(gòu)造沉積體或原型的概念，大而復(fù)雜的盆地則包括幾個(gè)不同的原型。劉和甫（1993）認(rèn)為原型盆地是盆地沉積時(shí)的構(gòu)造屬性類型，即在單一地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)下或單旋回構(gòu)造階段所產(chǎn)生的盆地，又稱單旋回盆地，如果把伸展運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)單旋回，則形成系列的裂陷盆地。杜旭東（1999）提出，原型盆地是指在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)形成、后未經(jīng)改造或改造甚微、基本保持了原來盆地的性質(zhì)和分布范圍的原始沉積盆地，與之相對(duì)應(yīng)的是殘留盆地。何登發(fā)（2004）提出，相應(yīng)于盆地發(fā)展的某一個(gè)階段（相當(dāng)于一個(gè)構(gòu)造層的形成時(shí)間），有相對(duì)穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境（如構(gòu)造背景與深部熱體制），有某種占主導(dǎo)地位的沉降機(jī)制，有一套沉積充填組合，有一個(gè)確定的盆地邊界（雖然此邊界常常難以恢復(fù)），這樣的盆地實(shí)體可以稱作該階段的“盆地原型”(prototype)或“原型盆地”。

綜上可見，原型盆地意指在相對(duì)單一的地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)或單旋回構(gòu)造演化階段所形成的具有特定沉積實(shí)體的盆地。或者說在整個(gè)地質(zhì)歷史演化過程中，不同演化階段所形成的一個(gè)構(gòu)造層，且對(duì)應(yīng)每一特定構(gòu)造層所處的演化階段，有相對(duì)穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境及占主導(dǎo)地位的沉降機(jī)制和沉積充填組合，以及確定的盆地邊界，這樣的沉積盆地實(shí)體我們稱為原型盆地。然而，由于地質(zhì)演化的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，早期的原型盆地多被后期盆地疊加與改造，所以通過對(duì)殘留盆地充填物及構(gòu)造背景的分析和研究，恢復(fù)盆地原型和分析后期改造作用，對(duì)認(rèn)識(shí)疊合盆地油氣藏分布規(guī)律具有重要意義。陳發(fā)景、汪新文（2000）認(rèn)為，盆地的原型恢復(fù)具有重要的石油地質(zhì)意義，并且在恢復(fù)古今應(yīng)力場(chǎng)、古地溫梯度和推測(cè)有機(jī)質(zhì)成熟度等方面都需要了解盆地的原型。1

研究思路原型盆地是相對(duì)殘留盆地而言的，是指一定歷史時(shí)期形成的盆地，其形成后未經(jīng)改造或改造甚微，但還能保持原盆地性質(zhì)及其分布范圍。但是，“早期的盆地原型”形成后，在隨后的地質(zhì)歷史演化過程中，往往被后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所改造，甚至破壞，而只能保留原盆面貌的一部分，從而形成多期“原型盆地”的疊加演化，原型盆地恢復(fù)便是要重塑每一期的“盆地原型”。

原型盆地恢復(fù)的思路是綜合分析，即把盆地視為一個(gè)整體，從時(shí)空方面、物質(zhì)方面來闡述盆地的形成、發(fā)展和滅亡。研究?jī)?nèi)容包括改造前原始沉積地層的分布范圍、厚度大小、盆地邊界、相帶展布、盆地類型、盆地構(gòu)造、控盆因素等方面。但由于盆地中無露頭資料和受勘探程度的限制以及人類對(duì)盆地認(rèn)識(shí)的局限性，人們?cè)诂F(xiàn)有的技術(shù)和資料條件下，只能對(duì)盆地的一方面或幾方面進(jìn)行恢復(fù)。研究方法主要有盆內(nèi)地層學(xué)研究，盆內(nèi)沉積學(xué)研究，尤其是相帶類型和分布的研究，盆內(nèi)外構(gòu)造學(xué)的研究，地質(zhì)歷史學(xué)研究以及它們彼此之間的相互結(jié)合和滲透等。

盆地地層分布范圍的確定是原型盆地分析的基礎(chǔ)。分析殘留盆地中的相帶關(guān)系，相帶的連續(xù)與缺失，是否成體系分布是確定其是否為統(tǒng)一盆地的關(guān)鍵，其中盆地邊緣相的確認(rèn)是確定盆地邊界的主要方面和主要手段。趙俊青、夏斌、紀(jì)友亮等（2005）對(duì)臨清坳陷原型盆地恢復(fù)時(shí)，提出了地質(zhì)外推法、沃爾索相律估算法、反序構(gòu)造分析法確定原始盆地邊界，取得了較好的效果。

受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，殘留盆地的地層厚度大多受到了不同程度的剝蝕和改造。對(duì)于埋深較大，而資料又較少且后期改造強(qiáng)烈的構(gòu)造層進(jìn)行原型盆地恢復(fù)時(shí)，通過地層剝蝕厚度和原始厚度的恢復(fù)，使得我們有能力對(duì)其進(jìn)行原型盆地恢復(fù)。此外，剝蝕厚度恢復(fù)也是恢復(fù)盆地演化史的基礎(chǔ)工作，可幫助我們確定烴源巖生油期、生氣期，進(jìn)而評(píng)價(jià)油氣資源潛力，優(yōu)選勘探目標(biāo)。

盆地類型劃分亦是原型盆地恢復(fù)的重要內(nèi)容，除前陸盆地比較特殊外，陸相盆地類型一般為坳陷型和斷陷型，理論上二者比較容易區(qū)別。盆地類型的研究主要建立在盆地分類方案之上。現(xiàn)今的沉積盆地分類主要以板塊構(gòu)造學(xué)說為基礎(chǔ)，如Dickinson(1974)、Ba11y(1975)、Kingston(1983)和Ingersoll(1995)等。有的學(xué)者也提出了以工業(yè)應(yīng)用為主導(dǎo)的盆地分類方案，如K1emme（1980），但究其基礎(chǔ)，都是以沉積盆地所在的板塊構(gòu)造位置、地殼類型和盆地形成的地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境為劃分依據(jù)的。具體到原型盆地類型劃分時(shí)，國內(nèi)許多學(xué)者作了深入的討論。靳久強(qiáng)、趙文智、薛良清（1999）指出，劃分盆地需考慮如下主要因素：盆地的力學(xué)性質(zhì)；盆地幾何形態(tài)；盆地所處的大地構(gòu)造位置；盆地的基底性質(zhì)；地層層序和沉積建造特征。

盆地沉積體系恢復(fù)則幫助我們?cè)僭煸团璧氐某练e格局。盆地原始沉積體系的恢復(fù)是以盆地殘留沉積體系恢復(fù)為基礎(chǔ)的。盆地殘留沉積體系恢復(fù)是指根據(jù)區(qū)域構(gòu)造研究，結(jié)合沉積特點(diǎn)分析，對(duì)盆地殘留地層進(jìn)行古地理環(huán)境和沉積特征恢復(fù)。盆地原始沉積體系恢復(fù)則需查明盆地物源區(qū)與古水流、盆地邊緣相、盆地原始沉積中心，以及現(xiàn)今起分割盆地作用的構(gòu)造隆起帶，在原型盆地形成期的發(fā)育特征。

可見，原型盆地理論正處于發(fā)展階段，很多細(xì)節(jié)尚需完善，但作為含油氣盆地分析的新理論，它突出了盆地在地層、構(gòu)造及沉積特征等方面的“原始屬性”，以及控制這一屬性的構(gòu)造因素—地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制。所以，在進(jìn)行原型盆地恢復(fù)與含油氣性研究時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“整體、動(dòng)態(tài)和綜合”的原則，進(jìn)行盆地分析與含油氣性研究工作。1

侏羅系原沉積體系恢復(fù)的四種方法原沉積體系的恢復(fù)是盆地原型恢復(fù)的重中之重，也是盆地原型恢復(fù)的關(guān)鍵所在。一方面解釋的盆地原型的沉積特征，另一方面也可以在一定程度上接受盆地的構(gòu)造演化特征，以下以中國西北部侏羅紀(jì)原型盆地為例，列舉了四種原盆地沉積體系的恢復(fù)方法，分別是：邊緣相分析；地層接觸關(guān)系分析；物源區(qū)與古水流分析；構(gòu)造格架分析。

邊緣相分析為了確定侏羅系的沉積范圍，必須識(shí)別出盆地沉積時(shí)的邊緣相。沖積扇沉積代表陸上沉積體系中最粗、分選最差的沉積單元，通常在下傾方向上變成細(xì)粒、坡度較小的河流體系，然后過渡到三角洲或湖泊沉積體系。因此沖積扇是最可靠的邊緣相沉積。沖積扇在西北地區(qū)侏羅系沉積中很是發(fā)育。早侏羅世沉積時(shí)，沖積扇沉積體系分布于托云盆地、塔里木盆地的洛甫、若羌、輪臺(tái)、昭蘇盆地東北緣、庫米什盆地、柴達(dá)木盆地、銀根-額濟(jì)納河盆地、潮水-雅布賴盆地等。中晚侏羅世沉積時(shí)，沖積扇成為主要沉積類型之一。如在塔西南、塔東南、庫車凹陷、伊犁盆地、尤爾都斯、吐哈盆地、三塘湖盆地等，均可見到廣泛分布的沖積扇沉積。這些沖積扇沉積的分布，為我們推測(cè)沉積邊界提供了重要依據(jù)。沖積扇體系向源區(qū)一側(cè)，大致為原始沉積邊界?？紤]到可能已經(jīng)受后期侵蝕，有些地方可以進(jìn)行合理的外推，但是外推的范圍應(yīng)是很有限的，因?yàn)闆_積扇本身就是近源區(qū)的沉積。

地層接觸關(guān)系分析殘留侏羅紀(jì)地層與下伏和上覆地層的接觸關(guān)系，可以反應(yīng)侏羅系的沉積背景與后期所經(jīng)受的改造程度。

殘留侏羅紀(jì)地層下部接觸情況，可以反映古地貌和早期構(gòu)造的特點(diǎn)。在沉積盆地內(nèi)部，地層通常為整合接觸，反映連續(xù)沉積，地勢(shì)低洼，構(gòu)造以垂直升降作用為主。如塔里木盆地三疊系與侏羅系之間的界線就很難區(qū)分。準(zhǔn)格爾盆地內(nèi)三疊系與侏羅系假整合，也反映以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主。而原型盆地著重點(diǎn)是放在盆地邊緣地層間的接觸關(guān)系上。以中下侏羅統(tǒng)沉積為例，整個(gè)西北地區(qū)經(jīng)歷了早侏羅世早期到中侏羅世早期的由分割性盆地到廣盆的發(fā)育過程。因此，在許多盆地的邊部存在著J1-2/T間的上超接觸關(guān)系，尤其是湖盆最大洪泛期形成的相當(dāng)于三工河與西山窯期與下伏地層的接觸關(guān)系，也就代表了原始的沉積邊界（如經(jīng)后期剝蝕，應(yīng)進(jìn)行恢復(fù)）。這種上超關(guān)系，已在塔西的北緣，準(zhǔn)格爾盆地的西緣和北緣、和什托洛蓋盆地等處發(fā)現(xiàn)，為恢復(fù)原始沉積范圍提供了依據(jù)。

殘留侏羅紀(jì)地層上部接觸情況，可以反映后期所接受的改造程度。地層上部的接觸類型有整合、不整合兩種類型。整合接觸反映了地層的連續(xù)沉積及沒有任何缺失。不整合接觸有剝蝕和間斷兩種情況、間斷表示沒有沉積、裸露地表、一般特征是紅色粗碎屑、古土壤或根巖，反應(yīng)過路沉積或抬升的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)情況。剝蝕表示地層中的各種沉積相都有可能出露地表與上覆地層接觸，反映一種沉積后的后期改造作用，因而剝蝕區(qū)也是恢復(fù)原始沉積體系的重點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)侏羅系與白堊系地層接觸關(guān)系判斷，一般盆地內(nèi)部呈連續(xù)沉積或沉積間斷，而周邊地區(qū)大都經(jīng)歷了剝蝕。如塔西南的南緣，準(zhǔn)格爾盆地的東南緣等，僅有殘留的細(xì)粒湖泊相沉積，缺乏粗粒的邊緣相沉積，反映其經(jīng)受了后期的剝蝕過程。另外通過重建殘留體系分布，也可根據(jù)保留的地層邊界與沉積相帶的關(guān)系來推測(cè)原始沉積邊界的位置。一種是同一相帶保存不全，甚至成為“飛來窗”，所保存的地層邊界很不規(guī)則，這樣可以根據(jù)殘余的露頭來恢復(fù)原始沉積范圍。另一種是保存邊界與

相當(dāng)多的沉積相帶相交，體現(xiàn)在殘余地層厚度圖上是等厚線不閉合。這兩種情況都反映了剝蝕作用。如果地層保存邊界呈大致平行的環(huán)帶狀沉積相帶分布，而邊緣沉積微沖積扇或河流體系的話，這就可以推測(cè)僅經(jīng)受了輕微的剝蝕作用或沒有發(fā)生剝蝕作用。1

物源區(qū)與古水流系統(tǒng)分析古水流分析研究的對(duì)象是存在于沉積巖中能夠推斷古水流方向的各種特征。這些特征是從巖石露頭、地下鉆井、地震以及實(shí)驗(yàn)獲得的。由于后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)盆地的改造，使得盆地現(xiàn)今面貌不能反映當(dāng)時(shí)盆地面貌。古水流分析可以解決現(xiàn)今被改造過的盆地之間的關(guān)系。根據(jù)古水流和沉積物分散體系，可以判別各個(gè)盆地是否具有共同的物源區(qū)。根據(jù)古水流分布，也可以推測(cè)盆地的邊界和形態(tài)，從而了解盆地歷史演化中的關(guān)系。所以古水流分析是盆地恢復(fù)是一種有力手段。

對(duì)西北侏羅系古水流分析所用的指向特征為地層露頭中的交錯(cuò)層、波痕、溝模、槽模、剝離線理等。并結(jié)合巖石中碎屑成分以及盆地周緣造山帶中各個(gè)時(shí)期巖性特征，來判斷侏羅紀(jì)各盆地的古水流方向和物源區(qū)。在野外工作中，可以測(cè)得古水流數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)需要在實(shí)驗(yàn)室中矯正。2

構(gòu)造格架分析構(gòu)造格架對(duì)沉積有著直接或者間接的影響，有時(shí)甚至是控制沉積體系的主要因素。西北地區(qū)侏羅系的沉積明顯受到構(gòu)造格架的控制，從研究較細(xì)的盆地和地區(qū)的資料來推測(cè)相同或相似構(gòu)造背景下的資料較少地區(qū)的沉積特點(diǎn)，為恢復(fù)原沉積體系提供基礎(chǔ)。如在下侏羅統(tǒng)沉積時(shí)，柴達(dá)木-祁連地區(qū)有3個(gè)南東-北西向的沉降帶（右圖1），其中柴北緣-共和沉降帶資料較為豐富，研究較細(xì)，盆地形態(tài)呈南東-北西向的狹長(zhǎng)狀，長(zhǎng)軸方向的沉積相帶寬緩，短軸相帶的沉積相帶狹窄。因此，基于對(duì)柴北緣-共和沉降帶的認(rèn)識(shí)，初步恢復(fù)了資料較少的相鄰的疏勒-西寧-定西沉降帶的沉積體系展布。另外，在中上侏羅統(tǒng)沉積時(shí)，西北地區(qū)的構(gòu)造特點(diǎn)表現(xiàn)為撓曲沉降與抬升塌陷兩種類型。撓曲沉降區(qū)（如北疆、南疆）顯示為連片分布，沉積相帶寬緩齊全，原盆地規(guī)模較大的特點(diǎn)（右圖2）；而抬升的塌陷區(qū)表現(xiàn)出分割性強(qiáng)，成帶性差與原盆地小的特點(diǎn)。這種構(gòu)造與沉積的關(guān)系為我們恢復(fù)原始沉積范圍與沉積體系提供了有價(jià)值的線索（圖2）。1

原型盆地的疊合中國及世界許多大型盆地研究的結(jié)果表明，盆地在漫長(zhǎng)的演化過程中隨地史發(fā)展呈階段性演化，不同的歷史演化階段構(gòu)造性質(zhì)不同?，F(xiàn)今的盆地大地構(gòu)造單元實(shí)際上是由不同運(yùn)動(dòng)體制下形成的具有不同沉降結(jié)構(gòu)的盆地原型所組成的疊合盆地。

疊合盆地的演化遵循板塊構(gòu)造的一般原理，大洋沿裂谷帶張開并通過新生洋殼的增生形成深海洋盆。當(dāng)洋殼的俯沖速率超過了擴(kuò)張速率的時(shí)候，洋盆開始閉合，并最終導(dǎo)致了陸 -陸碰撞，這一洋盆的演化過程即所謂的“Wilson旋回”。Wilson旋回的延續(xù)時(shí)間可以達(dá)到幾億年的時(shí)間，而某一個(gè)地區(qū)的演化有可能經(jīng)歷一個(gè)或幾個(gè) Wilson旋回，由此導(dǎo)致了盆地演化經(jīng)歷多個(gè)盆地原型的轉(zhuǎn)換和疊加。例如，由裂谷盆地向大陸邊緣盆地的轉(zhuǎn)化，或者是由發(fā)育復(fù)理石的殘余海盆地向發(fā)育磨拉石的周緣前陸盆地的轉(zhuǎn)化。

朱夏(1986)特別強(qiáng)調(diào)盆地原型的劃分和疊合關(guān)系與世代的研究，曾劃分了中國大陸部分晚三疊—早白堊，晚白堊—老第三紀(jì)和新第三紀(jì)三個(gè)時(shí)期的構(gòu)造變革盆地，指出我國大陸變格盆地與古生代盆地是兩大階段運(yùn)動(dòng)體制的產(chǎn)物。我國東部變革原型盆地的疊加最普遍的形式是由斷陷轉(zhuǎn)化為坳陷，即斷—坳轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為不同世代的斷陷與陸內(nèi)或陸緣坳陷的疊合關(guān)系。典型的如松遼盆地早白堊世晚期到晚白堊世坳陷疊合在晚侏羅世—早白堊世斷陷之上;在華北和蘇北盆地，新第三紀(jì)坳陷疊合在老第三紀(jì)斷陷之上。華北和蘇北盆地的老第三紀(jì)盆地原型與中生代盆地原型的疊合反映的是另一種類型的盆地原型的疊合關(guān)系，這兩個(gè)時(shí)期的盆地原型都是斷陷盆地或走滑斷陷盆地。四川盆地和鄂爾多斯盆地發(fā)育在我國的中部，古生代為臺(tái)地坳陷被中生代的前淵坳陷所疊合。我國西部的塔里木盆地，其北部由天山海西早期弧后洋盆關(guān)閉造山所保存的早古生代裂谷邊緣坳陷和弧后邊緣沉積被晚古生代和中生代長(zhǎng)期發(fā)育的前陸盆地所疊合。1

意義原型盆地的疊合對(duì)油氣分布有重要的意義，許多世界上超大型含油氣盆地一般都具有疊合結(jié)構(gòu)。Klemme(1991)通過大量資料歸納總結(jié)出全球重要的已知油氣產(chǎn)地都?xì)w屬于北方域和特提斯域，在特提斯域內(nèi)的阿拉伯 －伊朗盆地經(jīng)歷了地臺(tái)—裂谷—坳陷—前陸四個(gè)盆地原型的疊合，為形成超大型含油氣系統(tǒng)提供了極為理想的構(gòu)造條件。3