不整合面地層抬高與剝蝕厚度估算

不整合面地層抬高與剝蝕厚度估算

其他影響因素dow（1977）提出了利用顯微鏡反射率（ro）計(jì)算非整合層剝削厚度的方法，在石油和地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該方法將不整合面上、下構(gòu)造層中Ro隨深度的“跳躍”完全歸結(jié)為不整合面地層剝蝕的影響,這顯然是不全面的。事實(shí)上,Ro值隨深度的不連續(xù)分布還可能是由于地史時(shí)期古地?zé)崽荻茸兓挠绊?。更值得注意的?按Dow的方法估算出來(lái)的厚度并非不整合面地層剝蝕厚度,其物理意義只是相當(dāng)于正斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地層缺失厚度。本文介紹利用Ro數(shù)據(jù)計(jì)算古地?zé)崽荻群筒徽厦娴貙觿兾g量的方法,并通過(guò)對(duì)Dow(1977)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的再評(píng)估,演示了這一方法的實(shí)際操作過(guò)程,并闡釋了Dow的方法的物理意義。為了使操作簡(jiǎn)便易行,文中還提供了利用根據(jù)地層埋藏年齡和實(shí)測(cè)Ro數(shù)據(jù)讀取最高古地溫的Ro-T-t類(lèi)型曲線圖解。roi地層古地溫Ro本身與地層剝蝕厚度并無(wú)直接關(guān)聯(lián),控制Ro值大小的是地層中有機(jī)質(zhì)的埋藏溫度和時(shí)間以及有機(jī)質(zhì)的類(lèi)型。由于溫度在其中起著決定性作用,所以Ro與剝蝕厚度或地層埋深的聯(lián)系是通過(guò)溫度來(lái)關(guān)聯(lián)的。當(dāng)Ro數(shù)據(jù)隨深度的分布存在不連續(xù)的跳躍時(shí),只有在這種不連續(xù)(增加)并非斷層錯(cuò)動(dòng)引起,而確因不整合面地層剝蝕所引起的情況下,這種不連續(xù)分布才意味著不整合面下伏構(gòu)造層較上覆構(gòu)造層經(jīng)歷了更高的古地溫,這是利用Ro值恢復(fù)古地?zé)崽荻群凸浪銊兾g厚度所必須滿足的條件。利用Ro值估算剝蝕厚度時(shí),首先應(yīng)將Ro值轉(zhuǎn)換成最高古地溫值,然后求取古地?zé)崽荻?這樣一方面考慮了埋藏時(shí)間對(duì)Ro值的效應(yīng),另一方面體現(xiàn)了地史時(shí)期古地?zé)崽荻入S時(shí)間的變化。將Ro數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成最高古地溫的動(dòng)力學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系頗多(如Hood,1975),但目前國(guó)際上廣為接受的是Burham和Sweeney(1989年)提出的平行化學(xué)反應(yīng)模型。在一條含有不整合面并因此而存在一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造層的鉆井或地表地層剖面中,每一個(gè)構(gòu)造層內(nèi)所有地層達(dá)到最高古地溫的時(shí)間是統(tǒng)一的,但不同構(gòu)造層之間的地層達(dá)到最高古地溫的時(shí)間可能相同,也可能不相同。當(dāng)受古地?zé)崽荻茸兓?或)不整合面地層剝蝕厚度的影響,不同構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫的時(shí)間不一致時(shí),即可利用Ro數(shù)據(jù)恢復(fù)古地?zé)崽荻群凸浪銊兾g厚度。古地溫恢復(fù)和剝蝕厚度估算的原理方法歸納為圖1。圖1b代表了一條包含有2個(gè)不整合面,亦即3個(gè)構(gòu)造層的鉆井剖面。圖1a為2個(gè)不整合面剝蝕厚度分別為E1和E2時(shí)的地層埋藏史。在圖1c中,3個(gè)構(gòu)造層中的Ro數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了最高古地溫值,分別將這3個(gè)古地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸后可得到3個(gè)構(gòu)造層各自達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地?zé)崽荻?dT/dZ)1、(dT/dZ)2、(dT/dZ)3和相應(yīng)的古地表溫度T1s、T2s、T3s。與今地?zé)崽荻?dT/dZ)0比較(圖中虛線),第一個(gè)構(gòu)造層中Ro數(shù)據(jù)所記錄的古地?zé)崽荻扰c現(xiàn)今地?zé)崽荻绕叫星覝囟绕拭嬷睾?表明該構(gòu)造層現(xiàn)今處于最高古地溫;第二個(gè)構(gòu)造層中的Ro數(shù)據(jù)所記錄的最高古地溫與上覆構(gòu)造層在不整合面處呈不連續(xù)分布,且地溫剖面與上覆構(gòu)造層的溫度剖面斜交,說(shuō)明第二個(gè)構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)(t1)的古地?zé)崽荻容^高。由于第二個(gè)構(gòu)造層中古地溫剖面頂界處的古地溫(T2i)大于該構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地表溫度(T2s),表明該構(gòu)造層頂部第一個(gè)不整合面存在剝蝕,相應(yīng)的剝蝕厚度為E2=(T2i?T2s)/(dT/dZ)2E2=(Τ2i-Τ2s)/(dΤ/dΖ)2第三個(gè)構(gòu)造層與第二個(gè)構(gòu)造層的關(guān)系和第二個(gè)構(gòu)造層與第一個(gè)構(gòu)造層的關(guān)系相似,計(jì)算第二個(gè)不整合面上剝蝕厚度的方法亦相同。假如第三個(gè)構(gòu)造層中的古地溫剖面與第二個(gè)構(gòu)造層中的古地溫剖面不是斜交而是平行,則表明這兩個(gè)構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)(分別為t1和t2)的古地?zé)崽荻仁窍嗤?導(dǎo)致Ro值不連續(xù)分布的原因只是由于第二個(gè)不整合面上交點(diǎn)的剝蝕厚度。Dow井下數(shù)據(jù)的再評(píng)估Dow(1977)根據(jù)Ro數(shù)據(jù)在不整合面上、下構(gòu)造層中的不連續(xù)分布,將下伏構(gòu)造層中的Ro值與深度關(guān)系的回歸直線上延至與上覆構(gòu)造層底界處的Ro值重合,從而估算出他文中實(shí)例鉆井剖面中位于3.6km深度處的不整合面的剝蝕厚度為500m(見(jiàn)圖2a)。表1列出了Dow(1977)的Ro數(shù)據(jù)及根據(jù)Burham和Sweeney(1989)的Ro動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的對(duì)應(yīng)于Ro值的最高古地溫值。將上、下兩個(gè)構(gòu)造層中的古地溫?cái)?shù)據(jù)分別進(jìn)行線性回歸,得到上部構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地?zé)崽荻葹?7℃/km、地表溫度為10℃,深部構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地?zé)崽荻葹?6.3℃/km、地表溫度為10℃(見(jiàn)圖2c)。根據(jù)Dow(1977)文中的井底溫度(BHT)校正結(jié)果計(jì)算出的現(xiàn)今地?zé)崽荻葹?7℃/km。由于上部構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地?zé)崽荻扰c現(xiàn)今地?zé)崽荻认嗤?且溫度剖面幾近重合,顯然,上部構(gòu)造層現(xiàn)今處于它的最高古地溫狀態(tài);深部構(gòu)造層中的最高古地溫剖面在不整合面處與上覆構(gòu)造層的古地溫剖面錯(cuò)開(kāi)并斜交,表明該構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的地?zé)崽荻容^上覆構(gòu)造層大,達(dá)到的古地溫亦較高。回歸出的古地?zé)崽荻葹?6.3℃/km,達(dá)到最高古地溫時(shí)的地表溫度為10℃,而其古地溫剖面于不整合面處的古地溫為148℃,顯著大于達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地表溫度(恒溫帶溫度),因此該構(gòu)造層頂部在達(dá)到最高古地溫時(shí)應(yīng)存在一定的埋藏深度,亦即該構(gòu)造層頂部的不整合面有過(guò)地層剝蝕。介于上第三系和白堊系地層間的不整合面上的剝蝕厚度E=(148-10)/46.3=2980m。注意不整合面上、下兩個(gè)構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫時(shí)的古地?zé)崽荻却嬖陲@著的變化。該結(jié)果明顯大于Dow(1977)方法得出的500m剝蝕厚度。只要注意到以下事實(shí)就能理解為何Dow的實(shí)例井中,3.6km深度處不整合面上的剝蝕厚度應(yīng)該是2.98km,而非500m。首先,該井深部構(gòu)造層頂界處的Ro值約為0.95%,該值對(duì)應(yīng)的最高古地溫為149℃。由于第二個(gè)構(gòu)造層達(dá)到最高古地溫的時(shí)間與第一個(gè)構(gòu)造層不同(并非現(xiàn)今),盡管當(dāng)時(shí)的古地?zé)崽荻容^大(46.3℃/km),其頂界500m的埋深所能達(dá)到的古地溫亦只是10℃+(46.3℃/km)×500m/1000m=33.15℃,對(duì)應(yīng)的Ro值不超過(guò)0.3%,遠(yuǎn)小于下伏構(gòu)造層頂界上的Ro值(0.95%);其次,如果不整合面上、下構(gòu)造層中的Ro數(shù)據(jù)呈不連續(xù)分布(分段線性),且下伏構(gòu)造層中的Ro值偏高,如果這種“跳躍”并非斷層錯(cuò)動(dòng)或者水熱活動(dòng)等其它因素所造成,則表明下伏構(gòu)造層早于上覆構(gòu)造層達(dá)到了最高古地溫,并且其所經(jīng)歷的古地溫高于上覆構(gòu)造層底界處經(jīng)歷的最高古地溫,那么下伏構(gòu)造層中有機(jī)質(zhì)的高成熟度只取決于它達(dá)到最高古地溫時(shí)所處的最高古溫度,而不再受上覆構(gòu)造層沉積時(shí)所經(jīng)歷的較低溫度的影響。后者正是Dow(1977)方法低估了剝蝕厚度的原因所在。因?yàn)樗麑⒅猩鷺?gòu)造層中有機(jī)質(zhì)的成熟度與晚第三紀(jì)構(gòu)造層中的成熟度相關(guān)聯(lián),認(rèn)為如果不存在剝蝕,二者應(yīng)該是隨深度呈連續(xù)分布,這構(gòu)成了Dow(1977)方法的理論基礎(chǔ),但事實(shí)上,下伏構(gòu)造層中Ro值的大小與上覆構(gòu)造層完全無(wú)關(guān)。下面分析Dow(1977)估算出的500m地層厚度所代表的物理意義所在。圖2b說(shuō)明了Dow估算出的500m厚度所代表的物理意義之一,即代表著正斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地層缺失厚度。換一個(gè)角度看,如果斷層上、下盤(pán)地層所對(duì)應(yīng)的地史時(shí)期古地?zé)崽荻茸兓淮?那么利用斷層面上、下Ro數(shù)據(jù)的跳躍確定斷層造成的斷層缺失厚度倒是一種可行的方法。Dow(1977)利用Ro數(shù)據(jù)估算出的500m厚度的另一個(gè)物理意義是它代表等效剝蝕厚度的“不足”部分。即3.6km深度處不整合面的剝蝕厚度等于不整合面現(xiàn)今埋深(或上覆構(gòu)造層底界深度)加上根據(jù)Dow方法估算出的“剝蝕厚度”。于是可得剝蝕厚度為:3600m+500m=4100m。該值略大于本文方法,原因在于這種估算隱含了一個(gè)重要假定:古地?zé)崽荻缺３趾愣?。但該假定條件并不為Dow(1977)所給出的實(shí)例所滿足,因?yàn)榍懊嬉延?jì)算出上、下構(gòu)造層中Ro數(shù)據(jù)所記錄的古地?zé)崽荻却嬖诿黠@變化,這一點(diǎn)也可從上、下構(gòu)造層中Ro值隨深度變化的梯度看出,Ro值隨深度增加的梯度越大,相應(yīng)的古地?zé)崽荻纫苍酱?。因?如果上、下構(gòu)造層中Ro值隨深度分布剖面近于平行,完全可以直接利用Ro數(shù)據(jù)根據(jù)Dow(1977)方法計(jì)算出不足厚度后,加上不整合面埋深即得到不整合面剝蝕厚度,而無(wú)須進(jìn)行Ro-Tmax轉(zhuǎn)換。成鏡質(zhì)體反射率類(lèi)型曲線圖的轉(zhuǎn)換如果不整合面上、下構(gòu)造層中的Ro數(shù)據(jù)剖面不平行,或者不整合面的時(shí)間跨度比較大,以致時(shí)間對(duì)Ro的效應(yīng)不容忽視,那么最好還是先將Ro值轉(zhuǎn)換為最高古地溫,確定古地?zé)崽荻群笤俟浪銊兾g厚度。為方便起見(jiàn),現(xiàn)根據(jù)Burham和Sweeney(1989)提出的Ro動(dòng)力學(xué)模型,制成鏡質(zhì)體反射率(Ro)-最高古地溫(T)-埋藏時(shí)間(t)類(lèi)型曲線圖,讀者可利用該圖進(jìn)行Ro-T的轉(zhuǎn)換。圖3假定地層開(kāi)始沉積時(shí)的初始Ro值為0.2%(地表溫度為15℃)。時(shí)間t的確定有兩種方式,一是從采樣地層沉積開(kāi)始,至地層達(dá)到最高古地溫后開(kāi)始降溫為止的時(shí)間,即不整合面上剝蝕地層剝蝕開(kāi)始的時(shí)間,如果剝蝕地層沉積結(jié)束的時(shí)間不易確定,可取不整合面時(shí)間跨度的中間值;二是取采樣層達(dá)到最高古地溫后保持該溫度的時(shí)間,即有效加熱時(shí)間,但該時(shí)間更難確定。本文建議取前一種方式。需要說(shuō)明的是,制作圖3時(shí)假定地層從沉積開(kāi)始至達(dá)到最高古地溫的過(guò)程是線性增溫過(guò)程,這與地層實(shí)際的埋藏路徑及相應(yīng)的增溫率是有所差異的,但其影響相當(dāng)有限(小于1℃)。應(yīng)該指出,Ro-T-t類(lèi)型曲線圖雖然提供了一個(gè)較為簡(jiǎn)便的確定最高古地溫的途徑,但存在一定的簡(jiǎn)化,如果有條件,還是應(yīng)該通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)來(lái)更精確地計(jì)算(筆者已開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件)。不同層次的ro數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與“剝蝕厚度”的計(jì)算以上分析表明,Dow(1977)提出的直接利用Ro數(shù)據(jù)估算不整合面地層抬升與剝蝕量的方法缺乏理論基礎(chǔ),該方法給出的計(jì)算結(jié)果并非不整合面地層剝蝕厚度,其物理意義之一相當(dāng)于正斷層錯(cuò)動(dòng)造成的地層缺失厚度。由于該方法曾得以廣泛應(yīng)用,應(yīng)引起研究和生產(chǎn)單位的足夠重視。如果在不整合面上、下構(gòu)造層Ro數(shù)據(jù)隨深度的變化存在跳躍或間斷,且該跳躍并非斷層錯(cuò)動(dòng)等其它因素的影響所致,那么Ro數(shù)據(jù)明確地指示了不整合面代表的沉積間斷時(shí)間剝蝕的存在,但數(shù)據(jù)跳躍的幅度并不決定剝蝕厚度的大小,下伏構(gòu)造層頂界上的Ro絕對(duì)值才決定了剝蝕厚度的大小。這種情況下,Ro數(shù)據(jù)近于連續(xù)分布也不能說(shuō)明不存在剝蝕。Ro數(shù)據(jù)仍然可用于不整合面剝蝕厚度的估算,但由于通常情況下,古地?zé)崽荻仁亲兓?因此應(yīng)先將Ro值轉(zhuǎn)換為最高古地溫,求取古地?zé)崽荻群?再估算剝蝕厚度,除非上、下構(gòu)造層中Ro數(shù)據(jù)剖面呈平行關(guān)系。當(dāng)不整合面上、下構(gòu)造層中的Ro數(shù)據(jù)剖面呈平行關(guān)系時(shí),可直接利用Ro數(shù)據(jù)確定不整合面剝蝕厚度。但剝蝕量應(yīng)等于不整合面上覆全部地層厚度與用Dow(1977)方法計(jì)算出的“剝蝕厚度”之和。利用Ro-T轉(zhuǎn)換后取得的古地?zé)崽荻却砹藢?duì)應(yīng)于構(gòu)造層中地層平均熱導(dǎo)率的平均地?zé)崽荻?忽略了地層熱導(dǎo)率的垂向變化。由于地層埋藏壓實(shí)過(guò)程中熱導(dǎo)率是變化的,古地?zé)崽荻鹊淖兓赡馨萘藷釋?dǎo)率的變化,如當(dāng)?shù)貙咏?jīng)歷較大埋深后遭受抬升剝蝕,此時(shí)與地層的較大壓實(shí)及淺層較低熱導(dǎo)率層的剝蝕而使得平均熱導(dǎo)率偏高,地?zé)崽荻葘⑾鄳?yīng)地較小,因此地?zé)崽荻鹊淖兓幢胤从沉伺璧責(zé)釥顟B(tài)的變更。應(yīng)該指出的是,由于熱流值包容了地?zé)崽荻群蛶r石熱導(dǎo)率兩個(gè)變量,是一個(gè)綜合物理參數(shù),它更能體現(xiàn)盆地的熱狀態(tài)。由于剝蝕厚度計(jì)算時(shí)是將現(xiàn)今殘留地層中Ro數(shù)據(jù)所反映的古地?zé)崽荻忍娲鷦兾g地層的地?zé)崽荻?/p>