[科普中国]-盆地热历史

影响因素

现代油气成因理论和油气勘探实践证明，地温是控制油气生成、运移和聚集的重要因素之一。沉积盆地的热历史控制着盆地内烃源岩的热演化以及油气生成过程、赋存状态和分布规律。

近20年来，盆地热史的研究越来越受到地质学家特别是石油地质学家的重视，盆地热史研究的理论和方法也得到了迅速的发展。

沉积盆地的热历史主要取决于两个方面，一是盆地基底热流密度的变化，二是盆地内部沉积物的性质及其理藏历史。次要的因素还包括盆地内发生的吸热放热过程、地下水的运动以及岩浆活动等，但它们对盆地热史的影响在时间和空间上都是有限的。1

盆地热历史研究方法盆地热历史研究是一个复杂的地质问题，由于沉积盆地中有机物质的受热史、自生成岩矿物的变化和矿物的核裂变与其所在盆地的构造发育史及地层的埋藏史密切相关，因此，盆地的热历史分析应建立在盆地演化分析的基础上。目前盆地热历史的研究主要采用古温标、模拟计算以及古温标和模拟计算相结合的方法。

一、古温标法

地史中的古温标可分为两类，即直接古温标和间接古温标。在地史中能够保存的直接古温标是比较少的，目前比较常用和测试方法比较完善的直接古温标为矿物流体包裹体。而间接古温标较多，并可分为两类，即有机古温标和无机古温标。比较常用的有机古温标主要为镜质体反射率(Ro)、孢粉体的颜色和荧光性变化、有机地球化学参数，以及牙形石色变指数;而比较常用的无机古温标主要为自生成岩矿物和磷灰石裂变径迹。

二、模拟计算法

盆地基底热流密度的变化受下伏岩石圈构造热演化的控制，如岩石的拉伸减薄、挠曲作用、软流圈上隆、岩浆活动、深部变质作用、与热膨胀和冷却收缩以及沉积负载有关的地壳均衡调整等。

根据盆地形成的地球动力学机制和热传导理论可以建立盆地构造热演化的地球动力学模型，利用这种模型对盆地的构造沉降和热传导过程进行数学模拟，可以获得盆地的基底热流史。

由于不同类型盆地形成的地球动力学背景和形成机制不同，描述不同类型沉积盆地构造热演化的地球动力学模型也不相同。

裂谷盆地是目前研究得最多的一类盆地，已建立了适用于这种盆地的多种地球动力学模型，如McKenzie（1978）的岩石圈瞬时均匀拉张模型、Hellinger等（1983）提出的双层拉张模型以及为描述裂谷盆地玄武岩岩墙的发育对盆地热状态的影响而提出的岩墙侵人模型（Roeden等，1980）等等。

前陆盆地的形成与前陆区岩石圈的挠曲有关，岩石圈的挠曲刚度是描述挠曲变形的重要参数，它是随深度变化的。在上地壳，岩石呈脆性变形，在下地壳岩石是脆韧性变形，在岩石圈深部则是塑性变形。具体的地球动力学模型有热弹性流变模型（Karner等，1983）和粘弹性流变模型（Willet等，1985）。

拉分盆地的形成主要与走滑作用有关，可用拉张盆地的模型（Royden，1985）。

由于不同类型盆地的形成机制不同，它所经历的构造热演化过程也不相同。在研究盆地热史时，应建立或使用不同的地球动力学模型。

然而，盆地的演化过程是极其复杂的，即使是同一类型的盆地，其演化特征也往往有明显差别。

目前的地球动力学模型都经过了大量的简化，同时参数的不确定性又给模拟结果带来了很大的不确定性（Lerche等，1984）。1

应用磷灰石裂变径迹法分析地热史由于矿物中含有微量的天然放射性元素，它们进行自发裂变，释放的能量破坏矿物的晶体结构，在矿物中形成潜径迹，潜径迹再经刻蚀即成裂变径迹。

自然界的铀主要由两种同位素U235和U238组成。U238的自发裂变半衰期大约为1×1016年，而U235的自发裂变半衰期约为U238的20倍。因此，U235的自发裂变径迹在裂变径迹年龄测定中可忽略不计。

U238自发裂变释放的能量，产生的两个碎片(带正电荷的轻原子核)射入周围的物质中，扰乱了矿物晶格上的原子中电子云的分布,引起了带正电荷离子的相互排斥,使其偏离正常的晶格位置,形成比较稳定的辐射损伤区，即潜伏径迹。这种潜伏径迹容易被一定的化学试剂优先溶解，即能用一定的化学试剂对矿物进行刻蚀，让径迹显露出来。在磷灰石中，这种径迹一般长10～20μm,可用普通光学显微镜进行观察。

矿物在热作用下，为受到辐射损伤的晶格提供了能量，促使被移位的原子返回到它原来的位置，从而修复辐射损伤。宏观上表征为矿物中裂变径迹长度缩短和裂变径迹面积密度减小。这种由于加热作用而使裂变径迹逐渐衰减乃至消失的现象叫退火作用。裂变径迹退火后的径迹长度（密度）与退火前的径迹长度（密度）的比率称为退火率。裂变径迹是随加热温度和时间的增加而消退的。

由于磷灰石普遍存在于地壳的各种岩石中，而磷灰石矿物中含有微量的铀，在地质历史中，裂变径迹不断产生，又在地质热事件中受热而发生不同程度的退火，这样裂变径迹便记录下了岩石所经历的地质热事件。

因此，对磷灰石裂变径迹的分析，不仅能提供岩石的有关年龄数据，而且能有效地揭示样品所在地层在地史演化中经历的热历史信息。这就是裂变径迹分析应用于地质热历史分析的依据所在。

自C.W．Naeser在1976年第一次提出可以用裂变径迹分析来研究沉积盆地的地热史以后，许多学者用该方法研究了众多盆地，如加利福尼亚的SanJoaquin盆地、GreenRiver盆地、Powder盆地和澳大利亚的Otway盆地，都取得了良好的效果。

锆石和榍石也是地壳岩石中常见的碎屑成分，也可用作裂变径迹分析，它们的裂变径迹退火温度比磷灰石高，其径迹全部消失（完全退火）所要求的温度约为200～300℃。一般认为在加热时间超过1Ma时，锆石退火温度为160～250℃。

磷灰石裂变径迹分析主要有裂变径迹的表观年龄、单颗粒年龄分布、封闭径迹平均长度、封闭径迹长度分布、裂变径迹面积密度等特征参数法。1