[科普中国]-原型盆地

简介

世界上许多大盆地是由不同地质时代、不同成因类型的盆地叠合而成的，其形态和边界常由后期相对年轻的盆地的构造边界所决定。朱夏称这些不同时期形成的盆地单元为“原型盆地”。不同时代、不同成因的盆地叠合后需要识别出每种原型分别进行研究，在此基础上还需要将一系列相互叠置的原型作为一个整体进行研究。这不仅仅是由于不同时期盆地构造的演化体现出继承、改造和变格等具成因联系的关系，更重要的是油气沿输导系统的运聚过程贯穿了不同世代的盆地原型，因而有必要将其作为整体进行研究。世界上许多大型含油气盆地形成的巨型油气系统常与盆地的叠合有关，特别是早期在拉伸条件下形成裂谷，晚期再经历挤压环境形成的挠曲类盆地。前者有利于烃类的大规模生成，后者则有利于形成大型构造圈闭。在叠合盆地研究中由于各种原型形成机制的差异，在构造样式和沉积充填样式上都有明显区别，其间都有区域性古间断面，此种间断大多是不整合型式。塔里木和四川盆地都是叠合盆地的典型实例（右图），从图中剖面可见晚三叠世以来中新生代前陆式盆地叠合在古生代海相盆地之上。

理论提出与发展盆地分析研究始于20世纪60年代初，是石油地质学家为了解盆地的沉积演化和古地理格局而进行的工作。近来，随着地学领域各学科的发展及地球观的转变，沉积盆地分析进入了新的发展阶段，研究内容涉及地球动力学演化、盆—山耦合的制约关系及原型盆地恢复研究等诸多领域。原型盆地恢复研究业已成为现今含油气盆地分析的热点。

盆地原型的概念，首先是由Klemme(1980)提出的。虽然他提出的原型(prototype)在概念上并不完全与盆地形成的地球动力学相关，尤其是他用构造形式(structure form)来区分盆地时更带有形态分类的色彩(Klemme，1991)。但当时其提出的基本原型所包含的时代观念，和现今盆地原型的出发点是一致的。在此基础上，盆地原型的理论不断完善和发展。朱夏（1981）指出，一个盆地，尤其是大型盆地，总是包含着若干个由不同的地球动力学机制产生的不同结构部分，并称之为“原型”(Proto-type)，单式的盆地即是这样一个构造沉积体或原型的概念，大而复杂的盆地则包括几个不同的原型。刘和甫（1993）认为原型盆地是盆地沉积时的构造属性类型，即在单一地球动力学系统下或单旋回构造阶段所产生的盆地，又称单旋回盆地，如果把伸展运动作为一个单旋回，则形成系列的裂陷盆地。杜旭东（1999）提出，原型盆地是指在一定的地质历史时期内形成、后未经改造或改造甚微、基本保持了原来盆地的性质和分布范围的原始沉积盆地，与之相对应的是残留盆地。何登发（2004）提出，相应于盆地发展的某一个阶段（相当于一个构造层的形成时间），有相对稳定的大地构造环境（如构造背景与深部热体制），有某种占主导地位的沉降机制，有一套沉积充填组合，有一个确定的盆地边界（虽然此边界常常难以恢复），这样的盆地实体可以称作该阶段的“盆地原型”(prototype)或“原型盆地”。

综上可见，原型盆地意指在相对单一的地球动力学系统或单旋回构造演化阶段所形成的具有特定沉积实体的盆地。或者说在整个地质历史演化过程中，不同演化阶段所形成的一个构造层，且对应每一特定构造层所处的演化阶段，有相对稳定的大地构造环境及占主导地位的沉降机制和沉积充填组合，以及确定的盆地边界，这样的沉积盆地实体我们称为原型盆地。然而，由于地质演化的长期性和复杂性，早期的原型盆地多被后期盆地叠加与改造，所以通过对残留盆地充填物及构造背景的分析和研究，恢复盆地原型和分析后期改造作用，对认识叠合盆地油气藏分布规律具有重要意义。陈发景、汪新文（2000）认为，盆地的原型恢复具有重要的石油地质意义，并且在恢复古今应力场、古地温梯度和推测有机质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对残留盆地而言的，是指一定历史时期形成的盆地，其形成后未经改造或改造甚微，但还能保持原盆地性质及其分布范围。但是，“早期的盆地原型”形成后，在随后的地质历史演化过程中，往往被后期构造运动所改造，甚至破坏，而只能保留原盆面貌的一部分，从而形成多期“原型盆地”的叠加演化，原型盆地恢复便是要重塑每一期的“盆地原型”。

原型盆地恢复的思路是综合分析，即把盆地视为一个整体，从时空方面、物质方面来阐述盆地的形成、发展和灭亡。研究内容包括改造前原始沉积地层的分布范围、厚度大小、盆地边界、相带展布、盆地类型、盆地构造、控盆因素等方面。但由于盆地中无露头资料和受勘探程度的限制以及人类对盆地认识的局限性，人们在现有的技术和资料条件下，只能对盆地的一方面或几方面进行恢复。研究方法主要有盆内地层学研究，盆内沉积学研究，尤其是相带类型和分布的研究，盆内外构造学的研究，地质历史学研究以及它们彼此之间的相互结合和渗透等。

盆地地层分布范围的确定是原型盆地分析的基础。分析残留盆地中的相带关系，相带的连续与缺失，是否成体系分布是确定其是否为统一盆地的关键，其中盆地边缘相的确认是确定盆地边界的主要方面和主要手段。赵俊青、夏斌、纪友亮等（2005）对临清坳陷原型盆地恢复时，提出了地质外推法、沃尔索相律估算法、反序构造分析法确定原始盆地边界，取得了较好的效果。

受多期构造运动影响，残留盆地的地层厚度大多受到了不同程度的剥蚀和改造。对于埋深较大，而资料又较少且后期改造强烈的构造层进行原型盆地恢复时，通过地层剥蚀厚度和原始厚度的恢复，使得我们有能力对其进行原型盆地恢复。此外，剥蚀厚度恢复也是恢复盆地演化史的基础工作，可帮助我们确定烃源岩生油期、生气期，进而评价油气资源潜力，优选勘探目标。

盆地类型划分亦是原型盆地恢复的重要内容，除前陆盆地比较特殊外，陆相盆地类型一般为坳陷型和断陷型，理论上二者比较容易区别。盆地类型的研究主要建立在盆地分类方案之上。现今的沉积盆地分类主要以板块构造学说为基础，如Dickinson(1974)、Ba11y(1975)、Kingston(1983)和Ingersoll(1995)等。有的学者也提出了以工业应用为主导的盆地分类方案，如K1emme（1980），但究其基础，都是以沉积盆地所在的板块构造位置、地壳类型和盆地形成的地球动力学环境为划分依据的。具体到原型盆地类型划分时，国内许多学者作了深入的讨论。靳久强、赵文智、薛良清（1999）指出，划分盆地需考虑如下主要因素：盆地的力学性质；盆地几何形态；盆地所处的大地构造位置；盆地的基底性质；地层层序和沉积建造特征。

盆地沉积体系恢复则帮助我们再造原型盆地的沉积格局。盆地原始沉积体系的恢复是以盆地残留沉积体系恢复为基础的。盆地残留沉积体系恢复是指根据区域构造研究，结合沉积特点分析，对盆地残留地层进行古地理环境和沉积特征恢复。盆地原始沉积体系恢复则需查明盆地物源区与古水流、盆地边缘相、盆地原始沉积中心，以及现今起分割盆地作用的构造隆起带，在原型盆地形成期的发育特征。

可见，原型盆地理论正处于发展阶段，很多细节尚需完善，但作为含油气盆地分析的新理论，它突出了盆地在地层、构造及沉积特征等方面的“原始属性”，以及控制这一属性的构造因素—地球动力学机制。所以，在进行原型盆地恢复与含油气性研究时，应坚持“整体、动态和综合”的原则，进行盆地分析与含油气性研究工作。1

侏罗系原沉积体系恢复的四种方法原沉积体系的恢复是盆地原型恢复的重中之重，也是盆地原型恢复的关键所在。一方面解释的盆地原型的沉积特征，另一方面也可以在一定程度上接受盆地的构造演化特征，以下以中国西北部侏罗纪原型盆地为例，列举了四种原盆地沉积体系的恢复方法，分别是：边缘相分析；地层接触关系分析；物源区与古水流分析；构造格架分析。

边缘相分析为了确定侏罗系的沉积范围，必须识别出盆地沉积时的边缘相。冲积扇沉积代表陆上沉积体系中最粗、分选最差的沉积单元，通常在下倾方向上变成细粒、坡度较小的河流体系，然后过渡到三角洲或湖泊沉积体系。因此冲积扇是最可靠的边缘相沉积。冲积扇在西北地区侏罗系沉积中很是发育。早侏罗世沉积时，冲积扇沉积体系分布于托云盆地、塔里木盆地的洛甫、若羌、轮台、昭苏盆地东北缘、库米什盆地、柴达木盆地、银根-额济纳河盆地、潮水-雅布赖盆地等。中晚侏罗世沉积时，冲积扇成为主要沉积类型之一。如在塔西南、塔东南、库车凹陷、伊犁盆地、尤尔都斯、吐哈盆地、三塘湖盆地等，均可见到广泛分布的冲积扇沉积。这些冲积扇沉积的分布，为我们推测沉积边界提供了重要依据。冲积扇体系向源区一侧，大致为原始沉积边界。考虑到可能已经受后期侵蚀，有些地方可以进行合理的外推，但是外推的范围应是很有限的，因为冲积扇本身就是近源区的沉积。

地层接触关系分析残留侏罗纪地层与下伏和上覆地层的接触关系，可以反应侏罗系的沉积背景与后期所经受的改造程度。

残留侏罗纪地层下部接触情况，可以反映古地貌和早期构造的特点。在沉积盆地内部，地层通常为整合接触，反映连续沉积，地势低洼，构造以垂直升降作用为主。如塔里木盆地三叠系与侏罗系之间的界线就很难区分。准格尔盆地内三叠系与侏罗系假整合，也反映以垂直升降运动为主。而原型盆地着重点是放在盆地边缘地层间的接触关系上。以中下侏罗统沉积为例，整个西北地区经历了早侏罗世早期到中侏罗世早期的由分割性盆地到广盆的发育过程。因此，在许多盆地的边部存在着J1-2/T间的上超接触关系，尤其是湖盆最大洪泛期形成的相当于三工河与西山窑期与下伏地层的接触关系，也就代表了原始的沉积边界（如经后期剥蚀，应进行恢复）。这种上超关系，已在塔西的北缘，准格尔盆地的西缘和北缘、和什托洛盖盆地等处发现，为恢复原始沉积范围提供了依据。

残留侏罗纪地层上部接触情况，可以反映后期所接受的改造程度。地层上部的接触类型有整合、不整合两种类型。整合接触反映了地层的连续沉积及没有任何缺失。不整合接触有剥蚀和间断两种情况、间断表示没有沉积、裸露地表、一般特征是红色粗碎屑、古土壤或根岩，反应过路沉积或抬升的构造动力学情况。剥蚀表示地层中的各种沉积相都有可能出露地表与上覆地层接触，反映一种沉积后的后期改造作用，因而剥蚀区也是恢复原始沉积体系的重点区域。根据侏罗系与白垩系地层接触关系判断，一般盆地内部呈连续沉积或沉积间断，而周边地区大都经历了剥蚀。如塔西南的南缘，准格尔盆地的东南缘等，仅有残留的细粒湖泊相沉积，缺乏粗粒的边缘相沉积，反映其经受了后期的剥蚀过程。另外通过重建残留体系分布，也可根据保留的地层边界与沉积相带的关系来推测原始沉积边界的位置。一种是同一相带保存不全，甚至成为“飞来窗”，所保存的地层边界很不规则，这样可以根据残余的露头来恢复原始沉积范围。另一种是保存边界与

相当多的沉积相带相交，体现在残余地层厚度图上是等厚线不闭合。这两种情况都反映了剥蚀作用。如果地层保存边界呈大致平行的环带状沉积相带分布，而边缘沉积微冲积扇或河流体系的话，这就可以推测仅经受了轻微的剥蚀作用或没有发生剥蚀作用。1

物源区与古水流系统分析古水流分析研究的对象是存在于沉积岩中能够推断古水流方向的各种特征。这些特征是从岩石露头、地下钻井、地震以及实验获得的。由于后期构造运动对盆地的改造，使得盆地现今面貌不能反映当时盆地面貌。古水流分析可以解决现今被改造过的盆地之间的关系。根据古水流和沉积物分散体系，可以判别各个盆地是否具有共同的物源区。根据古水流分布，也可以推测盆地的边界和形态，从而了解盆地历史演化中的关系。所以古水流分析是盆地恢复是一种有力手段。

对西北侏罗系古水流分析所用的指向特征为地层露头中的交错层、波痕、沟模、槽模、剥离线理等。并结合岩石中碎屑成分以及盆地周缘造山带中各个时期岩性特征，来判断侏罗纪各盆地的古水流方向和物源区。在野外工作中，可以测得古水流数据，但是数据需要在实验室中矫正。2

构造格架分析构造格架对沉积有着直接或者间接的影响，有时甚至是控制沉积体系的主要因素。西北地区侏罗系的沉积明显受到构造格架的控制，从研究较细的盆地和地区的资料来推测相同或相似构造背景下的资料较少地区的沉积特点，为恢复原沉积体系提供基础。如在下侏罗统沉积时，柴达木-祁连地区有3个南东-北西向的沉降带（右图1），其中柴北缘-共和沉降带资料较为丰富，研究较细，盆地形态呈南东-北西向的狭长状，长轴方向的沉积相带宽缓，短轴相带的沉积相带狭窄。因此，基于对柴北缘-共和沉降带的认识，初步恢复了资料较少的相邻的疏勒-西宁-定西沉降带的沉积体系展布。另外，在中上侏罗统沉积时，西北地区的构造特点表现为挠曲沉降与抬升塌陷两种类型。挠曲沉降区（如北疆、南疆）显示为连片分布，沉积相带宽缓齐全，原盆地规模较大的特点（右图2）；而抬升的塌陷区表现出分割性强，成带性差与原盆地小的特点。这种构造与沉积的关系为我们恢复原始沉积范围与沉积体系提供了有价值的线索（图2）。1

原型盆地的叠合中国及世界许多大型盆地研究的结果表明，盆地在漫长的演化过程中随地史发展呈阶段性演化，不同的历史演化阶段构造性质不同。现今的盆地大地构造单元实际上是由不同运动体制下形成的具有不同沉降结构的盆地原型所组成的叠合盆地。

叠合盆地的演化遵循板块构造的一般原理，大洋沿裂谷带张开并通过新生洋壳的增生形成深海洋盆。当洋壳的俯冲速率超过了扩张速率的时候，洋盆开始闭合，并最终导致了陆 -陆碰撞，这一洋盆的演化过程即所谓的“Wilson旋回”。Wilson旋回的延续时间可以达到几亿年的时间，而某一个地区的演化有可能经历一个或几个 Wilson旋回，由此导致了盆地演化经历多个盆地原型的转换和叠加。例如，由裂谷盆地向大陆边缘盆地的转化，或者是由发育复理石的残余海盆地向发育磨拉石的周缘前陆盆地的转化。

朱夏(1986)特别强调盆地原型的划分和叠合关系与世代的研究，曾划分了中国大陆部分晚三叠—早白垩，晚白垩—老第三纪和新第三纪三个时期的构造变革盆地，指出我国大陆变格盆地与古生代盆地是两大阶段运动体制的产物。我国东部变革原型盆地的叠加最普遍的形式是由断陷转化为坳陷，即断—坳转化，表现为不同世代的断陷与陆内或陆缘坳陷的叠合关系。典型的如松辽盆地早白垩世晚期到晚白垩世坳陷叠合在晚侏罗世—早白垩世断陷之上;在华北和苏北盆地，新第三纪坳陷叠合在老第三纪断陷之上。华北和苏北盆地的老第三纪盆地原型与中生代盆地原型的叠合反映的是另一种类型的盆地原型的叠合关系，这两个时期的盆地原型都是断陷盆地或走滑断陷盆地。四川盆地和鄂尔多斯盆地发育在我国的中部，古生代为台地坳陷被中生代的前渊坳陷所叠合。我国西部的塔里木盆地，其北部由天山海西早期弧后洋盆关闭造山所保存的早古生代裂谷边缘坳陷和弧后边缘沉积被晚古生代和中生代长期发育的前陆盆地所叠合。1

意义原型盆地的叠合对油气分布有重要的意义，许多世界上超大型含油气盆地一般都具有叠合结构。Klemme(1991)通过大量资料归纳总结出全球重要的已知油气产地都归属于北方域和特提斯域，在特提斯域内的阿拉伯 －伊朗盆地经历了地台—裂谷—坳陷—前陆四个盆地原型的叠合，为形成超大型含油气系统提供了极为理想的构造条件。3