[科普中国]-压力驱动

简介

盆地流体流动的关键问题是动力和通道。一般而言，孔隙水在沉积盆地中的流动是由两种因素所致，一是压力驱动，形成压力流；二是热驱动，形成热对流。盆地流体的流动受控于盆地形成和演化，即受构造、沉积、地层压力和热演化等多方面因素的控制。

盆地流体流动的基本原则是降低其能量，流体总是从高势区向低势区流动。盆地内孔隙水在压力驱动下形成压力流。压力驱动是指发生在高压与低压之间即沿压力梯度的流体流动。最重要的驱动力包括：沉积压实、浮力、重力和构造应力及地震。流动被看成是水力梯度的反映。1

压力驱动类型1.沉积压实

随着沉积物不断埋深，由于受上覆沉积物的重力作用而发生压实作用，沉积物孔隙空间减少，孔隙空间的流体被挤出，进而导致盆地内流体的流动。在细粒沉积物中，由于沉积物快速沉积使得孔隙空间中的水不能有效排出，逐渐形成超压带。反之，超压带的形成暗示了流体流动障碍的存在。Bethke等 (1991)对Illinois盆地模拟研究指出：沉积速率为 30m/Ma时，压实驱动的流动速率小于2km/Ma。根据体积和速率判断，即使在快速沉降的盆地中压实作用驱动流体流动也是微弱的。

2.浮力

沉积盆地中浮力主要由受温度和盐度控制的流体密度梯度产生，而温度和盐度常常随深 度而增加。流体 密度随温 度的增加而减少，England等 (1997，1993)认为非对流性浮力驱动流动是埋深 3km以内的烃类的二次运移的重要机理。

3.重力

由于重力和地形差产生的流动受控于降雨量、下渗水的百分含量、水压头及含水层的渗透性和连续性。进入盆地流体的流动在很大程度上受盆地地貌(也是成因)的控制，如低地势的克拉通盆地与具活跃的边缘抬升和含水层出露的前陆盆地之间有明显的差别。由重力和地形可导致盆地内流体沿盆地含水层进行较长范围内的流动，比如在前陆盆地可达数百公里的流动(Bethke，1989；De-ming等，1992)。

4.构造应力和地震

构造挤压应力对盆地流体流动的影响主要表现在两方面：一方面是通过骨架岩石的变形改变水文地质单元和流体输导网络的分布以及各输导体的输导能力；另一方面会改变地层压力系统，比如导致超压系统的形成或泄漏。地震活动常常产生新的或使先存断裂再活动，从而导致流体的快速流动。Cox(1994)提出的“断裂阀模型”较好地解释了地震活动与断裂带中应力积累和释放的过程。地震活动不仅影响断裂发生、发展、封闭和断裂强度，而且影响到断裂带流体活动及附近矿床的形成。断裂带活动为流体循环、水岩相互作用提供了必要条件，流体的再分配是断裂带中应力积累和释放的响应。流体压力和剪切压力的耦合变化影响断裂带摩擦作用中剪切强度的变化，进而控制断裂的发生和停止。因此断裂带流体活动的幕式变化指示了断裂活动事件或地震活动旋回(解习农等，1996)。1

驱动样式盆地流体循环样式绝不是这样简单的样式。盆地流体系统可能是一个复杂的流体系统，包括多个互相关联而又各具特色的流体循环系统。盆地流体循环样式决定了盆地内流体区域流动的指向和趋势。它受盆地地球动力学背景、盆地构造、沉积充填、热史及水文体制的控制。在沉积盆地演化过程中，最常见的流体循环样式有压实和超压驱动型、重力和地形驱动型以及构造应力驱动型。大量研究成果表明，在不同盆地的不同演化阶段具有不同的盆地流体循环样式。

压实和超压体系驱动样式压实驱动流是指在上覆沉积物的作用下，由压实作用挤出流体。一般而言，盆地压实流是从盆地中心向盆地边缘或从深部向浅部的流动。Magara(1978)提出的压实盆地水流模型是盆地流体主要通过更好渗透层从盆地中心向边缘或从深部向浅层流动。在正在沉降盆地中，压实驱动的盆地流体流动系统大致可划分为三个亚系统(Verweij，1993)：浅部亚系统流体以垂向穿层流动为主；中部亚系统流体在高渗层中以侧向流动为主，而在细粒岩石中流体被向上或向下挤出，一般没有穿过细粒岩石的穿层流体流动；深部亚系统流体流动受到很大程度的局限，流体流动十分缓慢，以连续式或幕式方式流动，特别是在超压系统内只有当封闭层出现断裂或裂隙时才能导致流体的快速幕式排出。在盐底辟背景条件下，伴随盐底辟流体活动不仅导致地层压力再分配，同时也导致地层水化学成分的变化。

重力和地形驱动样式在构造稳定和无压实的成熟盆地，天水的下渗透重力驱动的流体循环样式控制了区域地下水流系统(Toth，1962，1970)。这种样式主要受控于盆地及其周缘地形的变化，从而构成区域或局部流体循环系统。

重力和地形驱动流是由地形高差引起的流体在重力作用下从高势区向低势区的流动，也就是从补给区向排泄区流动。在伴随区域流体流动过程中，流体压力、温度、矿化度的分布也发生明显的变化。比如从补给区到排泄区沿流线流体压力、温度和矿化度均明显增大，在排泄区会出现明显的温度和热流正异常。这些异常现象在世界上许多盆地见到，如加拿大西部沉积盆地(Garven，1989)、伊利诺伊盆地(Bethke，1986)、密执安盆地(Vugrinovich，1989)。1