[科普中国]-盆地流体驱动因素

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。1

压力驱动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。压力流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（如图）。流动被看成是水力梯度的反映。

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

热驱动热对流是指由于温差所产生的热力而导致流体的流动。由于温度和含盐度的变化产生密度梯度而引起孔隙水的瑞利(Rayleigh)和非瑞利对流驱动。热对流一直被认为是穿过地下 岩层溶质运移的机理 之一(Wood和 Hewett，1982，1984;Davis等，1985)。当流体流动方向与等温线相交时，侧向流体运动将导致热重新分布。热流体活动导致岩石成熟度异常和物质的迁移，根据这些热异常和成岩反应，反过来追踪热流体活动的流径和判断热流体的活动范围。

1.瑞利对流

瑞利对流需要非常厚的、均匀、多孔砂岩(109～300m)的存在，其中不能存在任何低渗层的夹层，如黏土层(Bjorlykke等，1988)。瑞利对流的数学模型已表明，砂岩层序中的相对薄层页岩(0.1m)或胶结层段，将会有效地把可能大的对流团分割成较小的对流圈，以致太小而不能超过临界瑞利值。因瑞利对流而引起的孔隙水流动非常之快，足以在 10Ma内溶解和沉淀 10%的石英(Palm，1990)。这表明，相对于成岩过程而言，如果发生瑞利对流，将对成岩产生积极、快速的影响，但这种情况可能相对罕见。

2.非瑞利对流

在具有非水平等温线的倾斜地层中，流体总是不稳定的，这时非瑞利对流将会产生(Gouze等，1994)。非瑞利对流的速度与等温线的倾斜度以及对流圈高度成正比关系。若对流只局限在几米厚、有页岩分隔的砂岩层里，就成岩时期物质运移而言，热对流所产生的层内流体流动速度将会很小(Bjorlykke，1988)。1