李向東（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069；長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

陳 剛（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069）

李玖勇（中石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 江油621709）

何幼斌（長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

張銘記（中石油東方地球物理公司東部勘探事業(yè)部長(zhǎng)慶經(jīng)理部，陜西 西安710021）

沉降史分析方法及研究現(xiàn)狀

李向東（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069；長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

陳 剛（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069）

李玖勇（中石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 江油621709）

何幼斌（長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

張銘記（中石油東方地球物理公司東部勘探事業(yè)部長(zhǎng)慶經(jīng)理部，陜西 西安710021）

對(duì)沉積盆地沉降史分析的一般方法及目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。詳細(xì)歸納了沉降史回剝反演與模型正演的原理、方法、流程及發(fā)展歷程，明確了標(biāo)準(zhǔn)回剝技術(shù)的概念、拉伸盆地正演模型的建模步驟和撓曲盆地正演的研究思路，指出沉降史分析有待進(jìn)一步精確化的研究趨勢(shì)。認(rèn)為沉降史分析精度的主要因素是去壓實(shí)校正、均衡模型和正演模型，而在這三者之中，去壓實(shí)校正有望成為提高沉降史分析精度的突破口。

沉降史分析；回剝法；沉積盆地；去壓實(shí)校正

沉降史分析（包括埋藏史）是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與沉積學(xué)在沉積盆地研究中的結(jié)合點(diǎn)和生長(zhǎng)點(diǎn)［1］，是含油氣盆地模擬的重要組成部分，是熱史、生烴史和盆地充填模擬的基礎(chǔ)。沉降史分析起源于維巴布洛夫（1954）提出的沉降史曲線，隨著去壓實(shí)校正方法的引入而形成了完善的回剝反演法［2，3］；隨著沉積盆地理論模型的引入而形成了正演模擬法［4～9］。這兩種方法可以單獨(dú)使用，進(jìn)行沉積速率、沉降速率、沉降特征和盆地性質(zhì)等方面的研究；也可以相互配合，進(jìn)行古水深、古海平面和拉伸系數(shù)等參數(shù)的抽提，進(jìn)而更廣泛地應(yīng)用于大地構(gòu)造、古地理和盆地動(dòng)力學(xué)的研究之中。

1 沉降史回剝反演方法

回剝法的定義目前尚有爭(zhēng)議，一般稱地層單元逐層被剝離的過程為回剝，而Watts等人卻一直認(rèn)為從總沉降量中剝離出構(gòu)造沉降量的過程為回剝。筆者認(rèn)為，回剝法作為一種研究思想或思路，是在多種因素綜合作用的結(jié)果中剝離出某單一因素的作用效應(yīng)。而作為一種沉降史反演的方法體系，建議使用標(biāo)準(zhǔn)回剝技術(shù)的概念（The Standard Backstripping Technique），應(yīng)包括3個(gè)方面：① 利用現(xiàn)今沉積物厚度，將地層逐層恢復(fù)到地表，從而獲得各層的原始厚度［10］；② 從盆地總沉降量中區(qū)分出構(gòu)造沉降量［2］；③ 去壓實(shí)、古水深和海平面變化的校正技術(shù)［1］。

標(biāo)準(zhǔn)回剝技術(shù)所用的數(shù)學(xué)模型主要有兩個(gè)，去壓實(shí)校正模型和地球均衡模型。前者的理論依據(jù)是孔隙度與深度的指數(shù)關(guān)系［10］：

式中，φ0、φ分別為地表和深度Z處的孔隙度，%；C為壓實(shí)系數(shù)，m－1；Z為深度，m。

目前常用的是多種巖性的地層底界公式［11］：式中，Z1、Z2分別為巖層頂?shù)捉缟疃?，m；hs為沉積巖層的骨架厚度，m；φ0i為第i種巖性的地表孔隙度，%；Ci為第i種巖性的壓實(shí)系數(shù)，m－1；Pi為地層中第i種巖性的含量，%。

地球均衡模型一般用艾利模型并進(jìn)行撓曲校正，所用計(jì)算公式為：

式中，DT為構(gòu)造沉降量，m；ψ為彎曲響應(yīng)系數(shù)；ρm、ρw、ρs分別為地幔、水、沉積物（平均）的密度，kg/m3；H為沉積物充填深度，m；Wd為古水深，m；ΔSL為古海平面相對(duì)于現(xiàn)代海平面的升降，m。

去壓實(shí)校正是標(biāo)準(zhǔn)回剝技術(shù)中最大的未知數(shù)［12］，眾多學(xué)者對(duì)去壓實(shí)校正進(jìn)行了探索與研究，主要集中在兩個(gè)方面：① 提出新的孔隙度和深度關(guān)系［13］，或?qū)紫抖群蜕疃鹊闹笖?shù)關(guān)系進(jìn)行校正［14，15］，并對(duì)孔隙度深度曲線在去壓實(shí)校正中的使用方式進(jìn)行研究［16，17］，這方面的研究目前基本能成功地應(yīng)用于沉降史反演；② 對(duì)有效應(yīng)力和孔隙度關(guān)系進(jìn)行研究［18］，并結(jié)合流體排出過程進(jìn)行去壓實(shí)校正，這方面目前也有少量的應(yīng)用［19，20］。

筆者用上述的標(biāo)準(zhǔn)回剝技術(shù)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地北緣6口井的中新生代沉降史進(jìn)行了恢復(fù)［21］，取得了較好的應(yīng)用效果。得出了該地區(qū)侏羅紀(jì)快－慢－快的沉降特征，并根據(jù)各井的井位和沉降曲線特征對(duì)二疊紀(jì)以來的盆地性質(zhì)進(jìn)行了探討。其中烏倫古坳陷沉降史曲線與前人的［20］相比（未進(jìn)行剝蝕厚度恢復(fù)），總的沉降趨勢(shì)一致，但細(xì)部特征則豐富得多，特別是侏羅紀(jì)快－慢－快的沉降特征（見圖1）。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷倫參1井沉降史曲線

2 沉降史模型正演方法

沉降史正演是從盆地形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制出發(fā)，利用盆地動(dòng)力學(xué)模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，直接計(jì)算各地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造沉降量。目前所建立的數(shù)學(xué)模型主要有用于模擬巖石圈減薄的拉伸模型和用于模擬遠(yuǎn)程負(fù)載及板內(nèi)應(yīng)力的撓曲模型。

2.1 拉伸盆地沉降史正演

拉伸盆地沉降史正演研究程度較高，目前常用的模型有：純剪切模型［4］、簡(jiǎn)單剪切模型［5］和懸臂梁模型［6］。

純剪切模型雖然是最早提出的應(yīng)用于沉降史正演的數(shù)學(xué)模型，但是現(xiàn)在仍然被廣泛應(yīng)用著，并不斷進(jìn)行著局部的修正［22，23］，其建模方法也在以后的許多模型建立中得到應(yīng)用［24～26］。該模型的建立方法可概括為4步：①由快速拉張的作用效果給出變形前后巖石圈的幾何圖解，即巖石圈變形的幾何模型，利用模型中的幾何關(guān)系，結(jié)合巖石圈均衡模型（一般用艾利模型）計(jì)算出初始沉降量；② 利用溫度與深度的線性假定（地溫梯度）和密度與溫度的線性假定將①中計(jì)算出的初始沉降用地幔和地殼的視密度（0℃時(shí)的密度）表示；③利用撓曲方程計(jì)算撓曲反彈量（撓曲剛度為0的艾利模型無此項(xiàng)）；④利用傳熱方程（目前的模型只考慮熱傳導(dǎo)，而且以一維熱傳導(dǎo)為主）計(jì)算地史時(shí)期的溫度頒分布，由溫度分布根據(jù)熱膨脹原理結(jié)合地殼均衡計(jì)算熱沉降。該模型中所需參數(shù)如表1所示，計(jì)算公式如下。

初始沉降量：

熱沉降量：

總沉降量為：

式中，y（0）為裂谷活動(dòng)結(jié)束時(shí)巖石圈頂界的高度，m；y（t）為t時(shí)刻時(shí)巖石圈頂界的高度，m；兩者均以巖石圈最終下降的位置為基準(zhǔn)，其中：

需要說明的是，熱沉降公式中的n與解的精度無關(guān)，它只是方程通解的一種表達(dá)方式，一般情況下，如果β＜4，在溫度公式中取n＝1的特解即可，此時(shí)有：

相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 拉伸模型主要參數(shù)（據(jù)文獻(xiàn)［11，27，28］）

目前對(duì)于拉伸盆地?cái)?shù)學(xué)模型的研究仍然以純剪切模型［4］為基礎(chǔ)，主要研究集中在不同幾何模型的建立（上述第①步），不同拉伸系數(shù)的研究及分段，以及撓曲方程和地層擴(kuò)散方程在負(fù)載計(jì)算中的應(yīng)用［24～26］。此外，也有用地幔和地殼的礦物組成計(jì)算巖石圈地幔和地殼密度以代替密度線性假定，從而進(jìn)行較為精確的沉降史正演［22］。而溫度參數(shù)和熱力學(xué)計(jì)算方面則鮮有論及。

2.2 撓曲盆地沉降史正演

目前應(yīng)用于撓曲盆地正演模擬的物理理論是，具有小撓度（中和面不變形）的長(zhǎng)矩形簡(jiǎn)支薄板柱形面彎曲（橫截面只發(fā)生旋轉(zhuǎn)）理論。在沿板長(zhǎng)受橫向載荷的情況下，取中和面為XY面，短邊為X軸，長(zhǎng)邊為Y軸，Z軸豎直向下，則長(zhǎng)矩形板柱形面彎曲的撓度曲線方程為：

式中，ω為撓度（中和面位移）；q（x）為橫向載荷強(qiáng)度；D為撓曲剛度；P為水平力。

根據(jù)巖石圈力學(xué)性質(zhì)的差異，撓曲盆地（前陸盆地）正演模擬的理論模型可分為兩大類：①粘彈性撓曲模型，認(rèn)為地殼對(duì)負(fù)荷的初始響應(yīng)為彈性，但是當(dāng)負(fù)荷不變時(shí)，巖石圈發(fā)生應(yīng)力松弛，并且繼續(xù)發(fā)生粘彈性變形，最終達(dá)到Airy均衡狀［7，29］；② 彈性撓曲模型，認(rèn)為地殼可以看作是漂浮在軟流圈之上的彈性薄板，主要討論負(fù)荷的加載方式，其次討論水平應(yīng)力的作用效果［8，9］。

3 關(guān)于沉降史分析研究現(xiàn)狀的思考

3.1 沉降史回剝反演

用回剝法反演研究沉降史，總的歸納起來應(yīng)該是沿襲方法和拓展領(lǐng)域［30～32］。所謂沿襲方法，則主要是指以下3個(gè)方面：① 在去壓實(shí)校正的方法思路上，沿襲了孔隙度指標(biāo)，沒有展開對(duì)其它參數(shù)的研究，如古地磁、鏡質(zhì)體反射率等；② 在孔隙度指標(biāo)的適用范圍上，沿襲了其在砂泥巖中的應(yīng)用，僅做了分層處理［21］和砂泥含量百分比加權(quán)處理，既沒有對(duì)成巖作用與地層厚度的關(guān)系展開研究，也沒有對(duì)不同巖性和沉積相的壓實(shí)特征展開研究；③ 在對(duì)剝離負(fù)載沉降的模型選取上，沿襲了艾利模型和撓曲模型，沒有展開將均衡和地殼結(jié)構(gòu)等方面的最新研究成果應(yīng)用于沉降史的研究。

所謂拓展領(lǐng)域是指：① 從最初的點(diǎn)沉降史分析（包括由有限地區(qū)地質(zhì)剖面抽象而成的點(diǎn)和實(shí)際的鉆井點(diǎn)），到地震剖面沉降史分析，再到三維沉降史分析；②由單一的地質(zhì)剖面或井筒資料到井筒、地震和露頭等各項(xiàng)資料綜合運(yùn)用；③ 由單一的巖石地層分層到等時(shí)地層格架的建立；④ 在沉降史曲線應(yīng)用方面，則由定性的判斷盆地性質(zhì)到不同位置的沉降幅度與沉降速率的研究，進(jìn)而展開盆地范圍內(nèi)的差異沉降、構(gòu)造演化和可容性空間研究。

3.2 拉伸盆地正反演結(jié)合研究

正反演結(jié)合的方法是指，采用回剝法從地層記錄中反演盆地的沉降史，定量得出盆地構(gòu)造沉降量，再應(yīng)用合適的正演模型擬合沉降量，估算盆地拉伸系數(shù)β，從而重塑盆地形成的動(dòng)力學(xué)過程，定量分析盆地的深部結(jié)構(gòu)和熱演化史等［33］。近年來該方法逐步和重力資料相結(jié)合，在布格重力異常的約束下，正演布格重力異常和當(dāng)今莫霍面深度；同時(shí)，也被用來反求古水深或海平面變化［34，35］，圖2是用來求取古水深的原理圖。

筆者認(rèn)為，在這方面Stewart［34］的方法具有代表性，它的步驟是：① 用標(biāo)準(zhǔn)回剝法（艾利模型）做單井沉降史，確定拉伸時(shí)限；② 用地震資料回剝求取現(xiàn)今構(gòu)造沉降量，作出構(gòu)造沉降等值線圖；③ 用現(xiàn)今構(gòu)造沉降量和正演模型求取拉伸系數(shù)β，作出拉伸系數(shù)等值線圖；④ 用正反演求取的沉降量計(jì)算古水深，作出古地形圖；⑤ 作出布格重力異常正演圖，并與實(shí)測(cè)資料反演的布格重力異常圖對(duì)比，修正理論模型。

圖2 估計(jì)古水深原理圖［34］

4 結(jié) 語

綜上所述，影響沉降史分析精度的主要因素是去壓實(shí)校正、均衡模型和正演模型（拉伸或撓曲）。由于后兩者均依賴于地球動(dòng)力學(xué)和盆地動(dòng)力學(xué)的研究成果，可是在這兩個(gè)領(lǐng)域中：對(duì)地球均衡作用的過程和其對(duì)非均衡現(xiàn)象（如盆地沉降、山脈隆升等）響應(yīng)或調(diào)整的時(shí)序及時(shí)間等關(guān)系，目前均不清楚；對(duì)盆地沉降和演化有重要影響的深部均衡響應(yīng)和調(diào)整卻鮮有討論，在部分論及的論著中，或淺嘗輒止，或?qū)⑸畈烤庾饔门c表淺層重力負(fù)荷產(chǎn)生的效應(yīng)混為一體。因此，均衡模型和正演模型的研究必然受到制約。相比之下，去壓實(shí)校正經(jīng)過幾十年的研究，無論在壓實(shí)機(jī)制、壓實(shí)過程、壓實(shí)的時(shí)間效應(yīng)、有效應(yīng)力與孔隙度關(guān)系、流體排出等各方面均取得了重要的進(jìn)展。因此，去壓實(shí)校正有望成為提高沉降史分析精度的突破口，而將去壓實(shí)校正與沉積學(xué)相結(jié)合，研究沉積巖與沉積相的壓實(shí)特性則更具有直接的現(xiàn)實(shí)意義。

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TE121.3

A

1000－9752（2010）05－0199－05

2010－04－26

李向東（1973－），男，1995年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事沉積盆地分析與深水沉積研究工作。

［編輯］ 宋換新