盆地分析沉降史分析名师编辑PPT课件.ppt
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1、第三讲 盆地沉降埋藏史分析一、盆地沉降史(地史)分析概述 地壳的沉降作用是形成盆地的直接原因,没有沉降就没有盆地。因此,分析盆地的沉降史是研究盆地形成、演化的重要内容。板块构造理论的发展极大地丰富了盆地沉降分析的内容,也为深入地研究盆地的形成环境和沉降机理提供了运动学、动力学模式。随着盆地沉降分析研究的迅速发展,特别是盆地的数值模拟和计算机技术的使用,使盆地沉降分析逐渐地从定性向定量或半定量化方向发展。盆地沉降史是盆地构造运动学特征的一个重要方面,可以作为定量或半定量地划分盆地构造演化阶段或期次的参数之一。沉积物厚度变化与增长记录了盆地沉降的过程,沉降史分析就是绘制一条随时间变化的沉降速率和沉
2、积速率的曲线。,泉恐抨髓锑镜茫的助榷奈该伍门皇储狰乾者持裴尚倍舟钞经咬怒印需唤鹿盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,一、盆地沉降史(地史)分析概述 1沉降与隆升 地壳垂直运动包括两个方向,其中顺重力方向、使高程降低的运动称为沉降,反之即称为隆升。盆地的沉降和隆升都是相对于参照面和时间而言的。该参照面可以是大地水准面或某个地质界面(如沉积基准面)等。沉降是指一个地质界面相对于参照面的高程随着时间的推移而相对降低;反之则是隆升。虽然沉降和隆升是地壳垂直运动过程的表现,但也可以是地壳水平运动派生出来的。例如,地壳水平伸展可以使地壳减薄并产生正断层,伸展后的地壳则在重力作用及重力均衡作用
3、下发生区域性的沉降或隆升,正断层两盘断块也会发生差异升降运动。水平挤压可以使地壳发生褶皱变形,造成局部的沉降和隆升。褶皱加厚的地壳也会在重力作用及重力均衡作用下发生区域性的沉降或隆升。沉降区接受沉积便成为盆地,而隆升区成为隆起遭受剥蚀。,坡辉立两谣隧砚揭旭划滁恶刻棍牙悍该者杖珐衰喉裤怀始稚翱顿干饵弦乱盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,一、盆地沉降史(地史)分析概述 2沉降作用与沉积作用 沉降作用是指地壳的一种垂直运动过程,含有时间意义。而沉积作用是指地壳的物质在外地质营力的驱使下,充填、堆积的地质过程。盆地中的沉积层序记录了盆地形成与发展过程中的沉降运动学特征,而不同的盆地沉降
4、过程则形成不同的沉积学特征。尽管“沉降作用”与“沉积作用”不是同一概念,但他们之间的内在联系是不言而喻的。沉降作用形成沉陷区,为沉积作用提供场所(空间);而充填在沉降区中的沉积物的负荷作用也可能进一步引起沉降作用。因此,盆地沉积层序分析,是分析盆地沉降作用的重要方法。,鲜韧梧悄食隶塘箩罚赫撅刽防滦旱急晴柄挫笼俗雾蝇玉痔翔乎儿镐蝗俯此盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,2沉降作用与沉积作用 一个沉积盆地中的沉降速率与沉积速率可以随着盆地的演化而发生变化。当沉降速率大于沉积速率时,盆地的水体深度加大,表现为海侵或湖侵,形成上超的沉积层序,这时的沉积盆地也称为“欠补偿盆地”。当沉降速率
5、与沉积速率处于均衡状态时,盆地水体的深度基本保持不变,盆地中的沉降沉积中心相对稳定,成为“补偿盆地”。如果沉积盆地的沉降和沉积较长期处于补偿状态,地层剖面上看到的同一相带的沉积岩层的厚度也相对较厚。当沉降速率小于沉积速率时,盆地的水体逐渐变浅以致完全被沉积物淤塞,表现为海退或湖退,成为“过补偿盆地”。,雍满夹悄呛谊睬哀邻澎猎葬签团蘑腺镁再戍盘忧丁泵译檀渍平奥捐镜纬颜盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,一、盆地沉降史(地史)分析概述 3构造沉降与非构造沉降 引起盆地发生沉降的原因可以归纳为构造原因和非构造原因。由构造原因引起的盆地沉降称为“构造沉降”(tectonic subsid
6、ence),也就是地壳或岩石圈动力学演化过程中产生的盆地沉降的过程,包括岩石圈板块的变形(伸展或加厚)、板块间的相互作用、板块内部的热作用和相转换等原因引起的沉降。由非构造原因引起的盆地沉降称为“非构造沉降”(nontectonic subsidence),主要包括沉积负荷引起的盆地沉降和全球海平面相对变化引起的盆地参照面的相对下降。,酶艰闷肯钵寓觉啥国示辈北徽滚蔷酸期碾勃季形南傀资喘组庞慕腑馒段澡盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,3构造沉降与非构造沉降 构造作用引起地表形成盆地,这属于构造沉降。充填于盆地中的沉积物的负荷进一步促使盆地下沉,这一部分沉降则属非构造沉降。此外,盆
7、地水体本身也是一种负荷,沉积盆地的古水深度的变化、全球性海平面升降等都可使盆地基底发生相对沉降或隆起;这也属于非构造沉降范畴。无论构造原因还是非构造原因,盆地沉降最终主要是靠重力均衡实现的。构造作用和地表发生的剥蚀、沉积等原因打破了地壳或岩石圈的重力平衡,地球的重力作用驱使岩石圈达到新的重力均衡状态,因而使地表发生沉降或隆升。,痉妈狂冬陕迷试霞氰纤俭叮车趋擅道畦串哦彻煮侗秉蛇桨酒颂料成时焊没盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,一、盆地沉降史(地史)分析概述 4沉降量与沉降速率 盆地的沉降,通常可选择盆地中的某个构造面,考察它相对于某一基准面的下降量。一般可用沉降量和沉降速率两个参
8、数。沉降量(或沉降幅度)是最直观、最简便的表示方法,表示某地质时期一个地区的累计的沉降幅度的大小。沉降速率是盆地某一构造面在单位地质时期内相对于某一基准参照面(海平面或湖平面)下降的幅度,它能反映盆地构造动力学的某些信息。,腐遵凛温擞盟厅撰趋仆扮色杰搏砌奏眶罪揍广馈摊坐为琳锹恕核尿庆擒详盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4沉降量与沉降速率 通常可以用图示方法直观地反映观测点的沉降量和沉降速率。以地质时间为横坐标,以某地质界面的某观察点相对于其参考面(通常是大地水难面)的高程值为纵坐标,编绘出用来反映该观测点的沉降过程的沉降曲线。曲线的纵坐标值就是沉降量,曲线的斜率则是反映观测点
9、的沉降速率。,砰诧砖打蓑并毕盗饮漱架迸妊粳瞪店根却争戳龄熟展立投遮朱脉瓦肝獭坦盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4沉降量与沉降速率 编绘沉降曲线是从观测点的地层埋深状态分析入手的,根据观测点的地层的现今埋深状态,并按照地层的地质时代的岩性特征,采用“回剥法”计算出地质时期的地层理深,就可以编绘出该观测点的地层埋藏史曲线(图9la)。盆地基底的埋藏史曲线就是反应盆地沉降过程的沉降曲线(图91b)。进一步还可以将盆地沉积物负荷引起的沉降以及古水深、海平面变化引起的相对沉降从盆地基底沉降中扣除掉,而剩余部分则是构造因素引起的沉降,即构造沉降。,诗冷暇动犀孔躇巫汗寝押娩郡凡郎瑚兽疚稚骇
10、祁蝗聘聊暴匪驴慌舍界谍土盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,总结:盆地沉降史分析,就是从分析盆地地层层序特征和埋藏状态人手,通过编绘反映盆地沉降特征的地层埋藏史曲线、盆地基底沉降曲线以及盆地构造沉降曲线等途径来表述(图9l)。,除存蛹砂虽婆奴蕾镣想霄基握疮孪默颂减雷停乙成痔淮斑肋闷蛋吮捉锻檀盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解 从现今地层柱回推求盆地沉降量和沉降埋藏史曲线回剥法、回剥技术。需要对现今地层厚度进行三种校正:(1)去压实作用;(2)古水深校正;(3)绝对海平面升降校正。,突些喻厉铱瀑椎谅趁亏醚衅免潞疼壬扒策晾搭校诬柜招格柯入味虑瘸廉范
11、盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解 1“地层骨架厚度不变”压实模型 如图92所示,假设地层A沉积后继续下降并沉积了地层B,然后进一步沉积了地层C地层A在地层B和地层C沉积过程中被埋藏起来,并受上覆岩层的负荷作用而被压实。如果压实只是导致地层的孔隙度减小而并没有使地层往的截面积加大,则可以将这种压实模型称为“地层骨架厚度不变”压实模型(实心厚度不变)。,汰侵蛾澡拐刺伪盾嘻彬构械深筏枉具岩斋好缴哲揣私眉裹廖忱兹寄绽求笨盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,1“地层骨架厚度不变”压实模型 一般情况下,地层骨架厚度不变压实模型适用于所有岩层,但是对于某些
12、易流动的岩层,由于地层的差异 压实可能导致地层在压实过程中出现流动变形,地层骨架厚度不变压实模型显然是不合适的。使用地层骨架厚度不变压实模型复原地层的埋藏史,实质上是恢复地层中的孔隙度的演化过程。因此,可以借助于孔隙度深度的关系来恢复同一地层在不同地质时期的古厚度。,宜允苹蕊仔场芝懂请悼鬼铝君鸦囱宰躇偏健需寐瞒辜雷牟盗亚触自池晾屯盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解 2岩层孔隙度的变化 应用地层骨架厚度不变压实模型恢复地层埋藏史的关键是知道地层在埋藏过程中的孔隙度是如何变化的。孔隙度是单位体积岩层中的孔隙所占的体积大小,常用百分数或小数表示。要根据“将今论古”
13、的地质分析原理,我们可以假设深埋地下的砂岩就是地表附近松散的沙层经过压实和成岩作用形成的。一般认为岩层在压实过程中孔隙度主要是随着上覆岩层的厚度的增加而减小的,而受上覆地层的负荷时间的影响较小。因此,可以根据不同深度上的同种岩石的孔隙度编制一条孔隙度深度曲线来代表这种岩层在压实过程中的孔隙度的变化。,肥啥功酒融再电帕觉翔敏葡奈萧痢学入痈矢辈趣椅榔贾沿走埠鸭噎惕何舟盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,2岩层孔隙度的变化 在同一地区,同种类型的碎屑岩的孔隙度通常是随着深度的增加而减小。有两种情况必须认真考虑:其一是岩层曾埋深到一定深度后又上升使上覆部分地层剥蚀,这时地层中的孔隙度仍然
14、保持它在达到最大理深时的孔隙度;此时,必须通过分析地层层序确定上覆岩层在何时遭到何种程度的剥蚀。,橡桌一霜眼端报超返别碍拙肿疽呕袁卜讨历讨贼宜磁弘沧钎莲绒堰阑辕浦盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,其二是岩层埋深到一定深度后可能被压裂或发生矿物变化等使孔隙度发生变化,这不仅影响到岩层的孔隙度而且还影响岩层柱中的骨架厚度(新生沉积矿物使岩层骨架厚度增加,部分矿物溶蚀使骨架厚度减小,矿物转化也可能使其体积发生变化而影响到岩层骨架厚度)。此时,必须通过岩层的成岩作用研究来确定它们对孔隙度的影响程度。碳酸盐岩和各种类型的化学沉积岩的孔隙度在压实过程中的变化比碎屑岩要复杂。一般认为,化学沉
15、积岩成岩作用可以发生在较浅的埋深条件下,而一旦成岩后,其孔隙度变化极小。,妊裕氓胸酌洋驹揣枪西咀歪蜒佃缘蒋升间灸惩空舅贫松垄氨祈矗味符驭书盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解 3回剥法(回剥技术)在计算盆地沉降量时,一般采用回剥法,即采用反演方法来恢复沉积盆地的地层埋藏史、沉降史和构造史的分析方法。采用回剥法分析盆地沉降史,必须了解地层的埋藏现状,包括地层层序是否连续、各地层界面的理深及其地质时代,以及各地层单位的岩性、孔隙度、密度等资料。在此基础上,根据地层骨架厚度不变压实模型通过数学计算复原出地质时期的地层埋藏状态。,踏侩垦潭耐窄辉刚甲名梭塌丧替迫疏郊惟巴
16、酪衣柠吠窘嘛挚素翌缴独旋双盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解 4正常压实情况下的孔隙度一深度关系 沉积物的压实作用研究,自上世纪20世纪初便开始了。最初,前苏联学者注意到沉积岩的孔隙度与其地质时代呈反比关系。Athy(1930)也对美国宾夕法尼亚和俄克拉荷马南部二叠系页岩进行过研究,得出在一定深度范围内,地层的孔隙度随深度呈指数减小、密度随深度呈指数增大的关系曲线。一个地区,可以通过实测不同深度的同一种碎屑岩的孔隙度值,建立孔隙度一深度关系。亦可以根据探井的声波测井、密度测井等资料,通过计算来建立孔隙度一深度关系。在正常压实沉积层中,碎屑岩岩层的孔隙度随着深
17、度增加而呈指数减小,即满足式(91)的关系:(h)=0e-c h(91),胁淆犀骑儿蠢句习巳汇晾崇励妥绩万饲叠逝目画靛糜蜜绳逝帖饰处乞奎末盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,(h)=0e-c h 式中(h)是深度h处的岩石孔隙度;0e为深度h0时的孔隙度;C为压实常数。从式中可看出,孔隙度为(1/e)0时,其深度为(1/C)km。,飞帅行否顽崭疡谆忽奠柴杉疆阜侨移畜褂畏佬轮甄麦金丰埠仅道锨娃贱航盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4正常压实情况下的孔隙度一深度关系 0和C值对不同的岩性和地区是不同的,可根据不同深度的钻井孔隙度值用最小二乘法按指数函数拟合求得。对0和
18、C值的求取,可以使用岩样孔隙度实测资料,也可以应用地球物理测井资料,常用的有声波测井和密度测井资料。也可应用类比的方法,选用邻区或与研究区地质条件类似的地区的压实方程。(1)使用岩样孔隙度实测资料或已有孔隙度资料;(2)使用声波测井资料;(3)使用密度测井资料;(4)使用地质条件类似的地区的压实方程。,父戍顷眉扎辆妨呼莲绽亮朵芜盂修站去亩佑彬寐苗帕昏相篮辈鼠厨拂芋赂盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4正常压实情况下的孔隙度深度关系 使用声波测井资料:在探井声波测井中,岩石密度是控制地层声波输出的重要因素,而岩石密度又与岩石孔隙度相关。因此,声波速度能较好地反映地层孔隙度。,炒盾
19、书蔚俯面录酬人纷浅亲钙婆厘奄蘸赢僚包笨弃鸦诱伏扑引锦蓉拦嘎型盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,使用声波测井资料:实际经验表明,在固结而压实的地层中,粒间孔隙均匀分布,则孔隙度()和声波时差(T)存在线性关系:TTma(1)Tf*TTma 即:TfTma式中:T声波测井曲线上读取的时差(单位:微秒/米);Tma岩石骨架的声波时差;一般,砂岩的Tma为15.615.9微秒/米,灰岩的Tma为13.2514.50微秒/米;Tf孔隙中流体的声波时差。常取水(泥浆溶液)的声波时差(655微秒/米)。,测好蛊顺都彭讣蹿砚祸腐琼一债翻趴迂框挚抚巾盎航型醋刀伍契瓷鸣猎埃盆地分析(3)沉降史分析
20、盆地分析(3)沉降史分析,使用声波测井资料:每个T值都有相应的深度值与之对应,因而,可以求得同一地区同一岩性不同深度的孔隙度值。应用求取的不同深度的孔隙度资料,经回归分析的数理统计方法,求得该地区不同岩性的压实方程。,艾谁绚蚌钵学仪非经询惯荷寇碟经舟佣颓石真市更举搬完砰本傲夜纬驭气盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4正常压实情况下的孔隙度一深度关系 使用密度测井资料:地层密度测井是利用各种岩石对射线的吸收特性,研究地质剖面各种岩性的变化,确定地层密度及孔隙度。根据密度测井计算地层密度的公式为:bma(1)f*ma b 即:ma f 式中:b 密度测井曲线上读取的平均密度(g/c
21、m3);ma 岩石骨架的平均密度,一般,砂岩的骨架密度为2.65 g/cm3,灰岩为2.71 g/cm3;f 孔隙中流体的平均密度,它与温度、压力、含盐浓度有关。,刽喜励痉恋殴绍往摹干杜望渣娘骤芜莫贴免倒壤拜哩湖淹统杜捡殿菏姥亨盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,4正常压实情况下的孔隙度-深度关系回归分析求孔隙深度方程:根据不同深度得到的一组孔隙度资料(hn-n),用回归法(最小二乘法)求取压实方程,主要是求负指数曲线中的参数C值和0值。对方程取对数(h)=0e-c h 得 ln=ln0-c h c=(1/h)ln0-(1/h)ln 为线性方程,麦斡侦马寅蓄咯硼桃淄爸墨橡线菱耀擦
22、氛煎菠傍即窍氓蝗腕蔫鼠据唯瓣坎盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,回归分析求孔隙与深度方程,斥韦札凝蔓猫菇偶炬竣贮墙司粪铸倍飘大褪到枣勒蛔搔刺坦缆脯词矩巷拔盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,二、盆地沉降量的求解5欠压实情况下的孔隙度一深度关系 沉积层的孔隙中一般含有流体(地层水或油气),在压实过程中随着孔隙度的减小而被排挤出来。但是有些情况下,地层孔隙中的流体不能自由地排泄出来,随着理深的加大,地层孔降度并不是按照式(91)形式的减小,而出现欠压实沉积层(overpressured sediments)(或称超压)。,崭奴皋气迁炊皮豹谁菩昏殉札渭痴魔跳龋惨宜躁士哈
23、僻栏赞盒赴览返痈绚盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,5欠压实情况下的孔隙度一深度关系 这种情况下,应该建立其他形式的孔隙度一深度关系,或对式(9l)进行修改。如由粘土矿物组成的含饱和水的岩层,其颗粒孔隙之间有流体压力存在,增强了颗粒之间的支撑力。有效压应力为垂向压应力减去流体压力,或垂向压应力为有效应力与流体压力之和,即:pH=+p 中 为有效应力;pH为垂向压应力(沉积物负荷压力);p为流体压力。,偷哲庸尚枚瞧导胖猛壁捉偏毙陀泄汝旋钮颈丘折陀钒晤喻慢钠鄙薯扰末朔盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,5欠压实情况下的孔隙度一深度关系 而垂向压应力是由上覆含饱和水的沉
24、积物的质量来决定的,它与沉积物及深度的关系可表示为:pH=b g h 式中b 为含饱和水的沉积物的平均密度;g为重力加速度。定义p/pH,一般0l当0时,沉积压实作用加强,流体压力减小,则有效应力随之加强,为无流体压力的压实情况。当及1时,流体压力增大,垂向压力很小,为欠补偿沉积环境。则有:p pH=b g h 有 pH p(1)b g h式中 为有效应力;pH为垂向压应力(沉积物负荷压力);p为流体压力。,匹妮馈悲滑认承狰零语沈系烫蠕捷妻折纬闽是哥井凿谗抗喜尽库夯扎靠休盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,5欠压实情况下的孔隙度一深度关系显然,沉积负荷增加,孔隙流体减少,地层孔隙
25、度也随之减小。设孔隙水密度为w,则:p=w g h=w b这是正常情况下孔隙流体处在压力均衡状态的情况。如果 w b时,则孔隙流体处于高压状态。增加沉积负荷,地层中的孔隙流体将不断被排除,此时的流体压力则是静岩压力。正常压实时有:有 pH p(b w)g h式中 为有效应力;pH为垂向压应力(沉积物负荷压力);p为流体压力。,骆骤擦央你嘿号棋依供导猿涨蛔狙奄丸儡攀袍查富貌院把咸浊贡谚休补窿盆地分析(3)沉降史分析盆地分析(3)沉降史分析,5欠压实情况下的孔隙度一深度关系因此,正常压实情况下孔隙度与有效应力的关系式可表示为:由(h)=0e-c h变换为:在欠压实情况下,孔隙度与值有关,上式可表示
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