盆地构造热体制与盆地模拟.ppt

盆地构造热体制与盆地模拟 何登发中国地质大学 北京 2010 11 含油气盆地分析讲义 前言 地热学是一门研究地球内热的科学 具有强大的生命力地热学可划分为理论地热学与应用地热学两大部分理论地热学主要研究全球热场分布 岩石圈热结构 地壳上地幔热状态 地幔对流 地幔热柱 地球各圈层之间的热交换和热相互作用 以至地球热历史 热演化等诸多基础理论问题应用地热学主要研究地热资源的分布 形成机理以及开发利用问题 研究油 气 区地温 古地温及盆地热历史热演化 研究矿区地温分布及深部地温预测 矿山地温类型划分及矿井热害防治的地质 工程措施 研究根据钻孔地温测量数据反演过去几个世纪以来的古气温变化 从而为全球气候变化提供地热学证据 汪集旸 2010 主要内容 构造 热体制盆地动态模拟 能源地热学 矿山地热学 油田地热学 气候变化地热学 理论地热学 应用地热学 根深 叶茂 深部背景 目前国际上地学界的热点研究问题 地幔热柱就是这方面很好的例证 徐义刚和他的研究组多年来从事这方面的研究并取得重大成果 峨眉山玄武岩已被确认为一个地幔热柱 我们近年来的工作表明 峨眉山玄武岩的喷发对四川盆地二叠纪的热体制有很大影响 而后者又直接制约着四川盆地海相烃源岩的热演化和油气生成 华北克拉通破坏这一重大基础项目中的一系列与 热 有关的课题 如中生代盆地热体制的转型 新生代盆地热历史 热演化与油气形成等 全球热场分布 北半球 冷 q 74 1 8mW m2 南半球 热 q 99 3 2 1mW m2 地球热场分布不均匀 陆半球 冷 79 3 2 0mW m2 海半球 热 94 1 1 9mW m2 地球热场分布不均匀 中国大陆及邻区热流测点分布 截止2000年 中国大陆地区大地热流图 东高西低南高北低 中国大陆及邻近海域沉积盆地热体制 盆地热体制 ThermalRegime 东热西冷南热北冷 岩石圈热结构 qs qc qm qs 2 5 1020cal 年相当火山 地震 水热活动所释放能量的100倍 qs 地表热流qc 地壳热流qm 地幔热流 中国大陆地区岩石圈热结构特征 ThermalstructureofthecontinentalChinaandgeotherms 澳大利亚板块 2500m 1000m Elevation Lithosphericdeformation 5000m 地壳热流与地幔热流比值 地表热流 qc qm qs 东部 冷壳热幔 西北部 冷壳冷幔 西南部 热壳冷幔 地壳 上地幔热状态 64 7 56 2 48 1 42 4 38 7 27 7 10 3 7 2 2 6 1 03 0 86 全球热点 HotSpot 分布 夏威夷热点 T Wilson 1903 1993 Hotspot Morgan splumeconcept 1972 16examples Griffith Campbell 1990 Zhao 2001 EPSL GlobaldistributionofLargeIgneousProvinces LIPs Coffin Eldholm 1992 Emeishanbasalts Goldensummit Chung Jahn 1995 Geology 23 889 892 Minimumuplift 1000mDurationofuplift 3Ma 峨眉山玄武岩分布图 据Yi GangXu etal 2008修改 峨眉山玄武岩出露面积5 0 105km2 徐义刚等 2007 将峨眉山玄武岩分成内带 中带 外带三个岩区 岩层西厚东薄的总体趋势早已为地质学家所注意 如在云南宾川上仓 中带 玄武岩层厚达5000m 而往东至贵州境内 玄武岩的厚度仅为几十至几百米 玄武岩喷发模型 峨眉山玄武岩对盆地热状态影响的地热学记录 中国大陆科学钻探 CCSD 地热测量 CCSD热导率 生热率 热流 Q0 75mW m2 只有全面考察大陆和大洋岩石圈在板块运动中相互约束的表现 才能正确认识地幔热对流的旋回变化和板块运动的全过程 地幔热对流造就的大陆和大洋岩石圈板块运动 既推动了大陆和大洋岩石圈相互作用又改变着地幔自身热对流的过程 热对流对立统一的运动形式表征为板块大地构造离散 会聚环境和位置变化及其引起的盆地沉降 反映出洋陆岩石圈组成与地幔对流相互作用形成盆地的构造 热体制 大陆边缘和大陆内不同演化可区分为两大沉积盆地序列 陆缘离散拗陷 前陆盆地 弧后盆地 地幔物质向洋迁移 热冷却沉降 洋壳阻滞向洋迁移 地幔物质热上涌扩张 洋壳拆沉 陆壳边缘碰撞融合 地温场向正常岩石圈过渡 大陆边缘和大陆内不同的演化可区分为两大沉积盆地序列 陆内挤榨前渊 拉张断陷 走滑盆地 陆内拗陷 因此 了解大陆形变及其与深部物质运动方式 有助于建立大陆成盆序列的构造 热体制 正确把握沉积盆地油气形成分布的系统边界条件预测油气成藏规律 盆地沉降体制变化的深部根源 陆缘热对流效应 陆内薄弱带上涌 陆壳升温减薄 引张断陷 热地幔侧向迁移 陆壳冷缩增厚 挠曲拗陷 洋中脊地幔散热 缘壳变冷增厚 挠曲下拗 弧后陆蠕散受阻 缘壳变热减薄 扩张沉降 陆陆碰蠕动融合 造山构造载荷 挠曲沉降 洋壳滋生消亡陆壳裂解碰撞 据原型构造 热体制分类 陆缘以板块边界特征反映地幔热对流的陆缘原型序列 陆内以大陆形变反映热覆盖地幔蠕流的陆内原型序列 陆内缩合热下潜 挤榨构造负荷 挠曲沉降 大陆排斥热抽动 块体走滑拉分 断陷下拗 盆地沉降体制变化的深部根源 大陆热覆盖效应 陆壳挤榨排斥地幔物质蠕动 陆内补偿热迁移 沉积载荷 下挠沉降 热胀 拉伸特征热物质上涌岩石圈减薄上壳脆性张裂分布离散陆内会聚陆缘弧后缩合陆内油气源岩层厚近主断埋藏转化快垂向运移块断圈闭 热缩 挠曲特征热冷缩迁移岩石圈增厚上壳弹性挠曲分布离散陆内或陆缘油气源岩层薄范围广埋藏转化慢侧向运移继承隆起 热潜 冲挤特征热蠕动侧向下潜岩石层调整上壳构造载荷挠曲分布造山带前沿挤榨冲断带前沿油气源岩迁移发育侧向运移油气析离冲断圈闭 热扰 扭动特征热平流抽动先后张挤上壳平移错位分布陆缘转换边界陆内块体扭动边界油气下生上储花式断层反转构造基底滑脱 根椐面力和体力作用关系盆地原型的构造 热边界可以归纳为基本的 根椐面力和体力作用关系盆地原型的构造 热边界可以归纳为基本的 热缩 挠曲特征热冷缩迁移岩石圈增厚上壳弹性挠曲分布离散陆内或陆缘油气源岩层薄范围广埋藏转化慢侧向运移继承隆起 热胀 拉伸特征热物质上涌岩石圈减薄上地壳脆性张裂分布离散陆内会聚陆缘弧后缩合陆内油气源岩层厚近主断埋藏转化快垂向运移块断圈闭 热缩 挠曲特征热冷缩迁移岩石圈增厚上壳弹性挠曲分布离散陆内或陆缘油气源岩层薄范围广埋藏转化慢侧向运移继承隆起 小结 大陆形变是板块会聚环境中断热对流后地幔物质在陆内岩石圈热覆盖自身蠕动的表现 在陆缘会聚环境变化影响下地幔蠕动的大陆形变表现为多期挤榨排斥运动形式 产生变格盆地 盆地序列的变格结构反映了壳幔运动不同构造热体制的变化 成为盆地系统油气动态成藏的边界条件 通过盆地变格结构了解构造热体制的变化对成盆地质作用的影响和表现 是石油勘探地质必要的基础研究 它要求多学科系统整合 通过盆地系统整合 建立系统体积 温度 压力变化的定量数值模拟分析 是满足油气勘探预测评价和决策的重要方法 主要内容 构造 热体制盆地动态模拟 二 盆地动态模拟 TSM盆地模拟资源评价观念TSM盆地模拟基本方法TSM盆地模拟资源评价实例应用问题探讨 TectonicsettingTimeThermalregime B NiA 4M GT 盆地系统工作流程 3T 4S 盆地是各种原型沉降 沉积实体并列迭加的组合 建立大地构造与油气聚集的系统联系 TSM 然后根据实地盆地原型并列迭加的分析模式 TectonicsettingTimeThermalregime B NiA 构造处境时代热体制 盆地 全球体制阶段 原型 环境 GT 盆地系统工作流程 3T TSM 开展盆地地质作用 S 油气响应 M 关系之间的模拟实验 目的从整体到局部盆地 区带 圈闭分级预测未知 合理估算油气资源量 评估投资风险 正确预测油气位置 回报经济效益 油气响应 Response Material Maturity Migration Maintenance 地 质 作 用 S 油 气 响 应 M 关 系 地 质 作 用 S 油 气 响 应 M 关 系 大量物理实验和化学测试对油气物质形成油气的过程已经有了基本的知识 但从系统论出发油气物质要素必须装到一个有边界的容器 V 内才构成系统 SubsidenceSedimentation Material Process 地质作用 油气响应 Response V H t速率频率 m迳流密度 Maturity MigrationMaintenance 地质作用S 油气响应M关系 Style 程度 规模 Stress m矢量模量 C 丰度组成 SubsidenceSedimentation Process 地质作用 V H t速率频率 m迳流密度 Stress Style m力场模量 程度 规模 T C 丰度组成 mw m2热流热导 地质作用S 油气响应M关系 Ro 熟度烃量 SubsidenceSedimentation Process 地质作用 V H t速率频率 m迳流密度 Stress Style m力场模量 程度 规模 T Material 油气响应 Response Maturity C 丰度组成 mw m2热流热导 MigrationMaintenance P 地质作用S 油气响应M关系 Ro 熟度烃量 K 孔渗排量聚量 目前排烃模式还处在先验状况 但都认为与异常压力有关 倾向于低孔渗泥质岩润湿烃达到临界饱和度通过裂缝网络压力排烃 TSM盆地模拟从原型结构建模 多方案多模块匹配组合不同风格模拟沉降机制条件的变化 能适应不同油气物质空间的运动分析 SubsidenceSedimentation Process 地质作用 V H t速率频率 m迳流密度 Stress Style m矢量模量 程度 规模 T TSM盆地模拟可以通过原型热体制正反演模拟热流变化制约油气地球化学热动力响应 并与热实测数据拟合检验 揭示生烃演化过程 SubsidenceSedimentation Process 地质作用 V H t速率频率 m迳流密度 Stress Style m力场模量 程度 规模 T mw m2热流热导 P TSM盆地模拟可以结合物理实验 采取多方案数学模拟与实际检验 动态揭示 黑箱 优化排烃过程 根据原型结构变化满足场流体势及其油气运移路径模拟 拟合已知预测未知 从油气源岩到圈闭建立油气成藏的观念 必须纳入到盆地系统中 明确盆地地质作用与油气响应之间的关系 确立系统边界条件压力 体积 温度 P V T 的影响 油气盆地动态成藏系统通过原型及其风格的数学模拟的整合 可以提供组合盆地的分析比较 进而预测指导油气的潜力勘探 从盆地是不同原型组合的观念出发 不同历史阶段成盆构造 热体制将使盆地成藏系统边界历史的 动态的变化 引起盆地油气形成和分布的差别 从盆地是不同原型组合的观念出发 不同历史阶段成盆构造 热体制将使盆地成藏系统边界历史的 动态的变化 引起盆地油气形成和分布的差别 从油气源岩到圈闭建立油气成藏的观念 必须纳入到盆地系统中 明确盆地地质作用与油气响应之间的关系 确立系统边界条件压力 体积 温度 P V T 的影响 二 盆地动态模拟 TSM盆地模拟资源评价观念TSM盆地模拟基本方法TSM盆地模拟资源评价实例应用问题探讨 Modelling 模拟先要数学模型 来自观察想像历史的地质模式 随之用观察的数据输入模式网格化的计算单元 Model ing 然后按模型计算机语言化的运算程序操作 显示模拟结果 最后经实证参数的拟合 达到检验模式 揭示过程 预测未知的目的 TSM盆地模拟是设定在原型约束下进行的确定性数学模拟 也就是石油实验地质的一种数学实验方法 工作方法和步骤 理论建模实例校验盆地模拟 TSM盆地数值模拟实验流程 盆地分析构造 热体制 3T 世代大地构造位置热体制作用 4S 沉降沉积应力样式反响 4M 物质组成成熟度运移聚集油气保存 地质勘查 地质 物探 化探 钻井 测井 测试 综合采集 参数选取结构的 埋深厚度分布形变温度规模程度时间的 化石同位素组成的 层序岩性压实成岩烃类孔渗饱和 TSM概念模型 数学模型系统 模型配套理论基础边界条件模型改善模型扩充 原型并列迭加控油模式 模拟检验 四史量化埋藏过程地温变化油气演变运移分布 实践检验 资源评价区域资源量模拟储量优选区带勘探目标 用户 概念模型 的重要性 A较好的 概念模型 得到较为与真实系统相近的数学模型 B较差的 概念模型 得到的数学模型与真实系统相距远 说明正确的概念模型和准确扎实的表达模型的数据 参数是盆地模拟的根本工作成功的必要条件 地质作用模拟模型 犁式断陷二维运动学模型犁式主断面模型挤压褶皱二维几何学模型拗陷模型剥蚀模型 Guidish Margra 构造趋势法 沉积充填模型压实模型 时间 现今地层形态 孔 深关系 岩性 埋藏史模型库 热模型 热流方程 裂变径迹 磷灰石和锆石 检验参数计算模型 地质温度计 镜质体反射率 Ro 包体测温测温同位素 岩石热物性 大地热流 地表温度 热史模型库 具体地质作用模拟要视研究区的具体情况 取决于地质概念模式 压实排烃关系模型临界饱和度排烃模型自然剖面法排烃模型油汇模型油势模型裂缝模型运移路径模型 密度 压缩系数 水深 流体物性 密度 渗透率粘滞系数等 运聚史模型库 TTI法模型镜质体反射率模型烃产率模型化学反应热动力学模型 活化能 火成岩异常增温生烃模型 有机碳分布 干酪根类型 镜煤反射率 生烃史模型库 油气响应模拟模型 资源量圈闭位置 运聚史 热史 生烃史 埋藏史模拟 排烃 运聚史模拟 热史模拟 生烃史模拟 时间 现今地层形态 孔 深关系 岩性 密度 压缩系数 水深 流体物性 密度 渗透率粘滞系数等 岩石热物性 大地热流 地表温度 有机碳分布 干酪根类型 镜煤反射率 TSM盆地动态模拟评价系统模型 埋藏史 二维计算网格示意图a 采用等间距计算网格的情况 b 采用二维计算网格的效果 c b的局部放大 盆地模拟基本工作流程 物探 野外地质 测井 实验室测试等数据 原始数据库 参数库 模拟方法软件库 结果数据库 数据文件 显示与绘图软件库 预处理 物探等处理方法 野外采集子系统 数据库子系统 模拟计算子系统 显示与绘图子系统 模拟数据库 方法库框架示意图 TSM软件模块库 埋藏史 TSM软件模块库 热史 TSM软件模块库 生烃史 TSM软件模块库 运聚史 模拟模型库 系统集成平台 VC OpenGL 工作站 PC 系统集成A 模拟数据库 模拟结果 辅助模块库 系统集成X 针对断陷 拗陷原型迭加的系统集成 针对走滑盆地的系统集成 二 盆地动态模拟 TSM盆地模拟资源评价观念TSM盆地模拟基本方法TSM盆地模拟资源评价实例应用问题探讨 例举 苏北盆地溱潼凹陷 原型分析 模拟模块 二维主断面犁式拉张 时间 充填 压实 剥蚀1 热导 生烃 排烃 路径 第三纪断 断 拗模式 据江兴歌 2004 苏北盆地 溱潼凹陷分带示意图 地层参数 拗陷模型升降模型压实模型 剥后下伏形态参数 是否剥蚀面 剥前下伏形态参数 下盘有无沉积 运动学正演拟合 拉张量 等角线倾角 断陷模型 反演 计算位移场内部断层校正多主断裂校正 有无剥蚀 反演理顺 岩性 时间参数 孔 深曲线 时间 沉积速率 剥蚀量 剥蚀时间 剥蚀模型 校正计算下盘同生沉积 断层参数 单剪角