邱楠生，何麗娟，常 健，朱傳慶

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京 100029；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 研究現(xiàn)狀

沉積盆地?zé)釟v史(簡稱熱史)是指在地質(zhì)歷史某一時(shí)期曾經(jīng)出現(xiàn)過的熱狀況，它包括了盆地地溫演化歷史和熱流演化歷史。沉積盆地的熱體制和熱歷史不僅是盆地動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容，更是油氣勘探研究中不可缺少的內(nèi)容，是當(dāng)代地質(zhì)學(xué)研究的前緣課題之一。沉積盆地的熱歷史與盆地內(nèi)油氣的生成、運(yùn)移和聚集有密切的關(guān)系。盆地的熱動(dòng)力學(xué)及熱史研究不僅被認(rèn)為是含油氣盆地地質(zhì)學(xué)研究中的系統(tǒng)工程之一，在大陸動(dòng)力學(xué)研究中也占有重要的地位，盆地的動(dòng)態(tài)演化研究、油氣成藏的動(dòng)力學(xué)研究都離不開古地溫的研究。目前，隨著油氣勘探難度的加大，勘探重心逐漸轉(zhuǎn)向海洋及盆地深部，古地溫在油氣勘探應(yīng)用方面的研究得到迅速的發(fā)展。盆地古地溫研究在國外起步較早，也取得了許多成果。在國內(nèi)，沉積盆地古地溫的研究則開展較晚，但油氣勘探部門非常重視這方面的工作。油氣田區(qū)古地溫研究已被列為國家“八五”、“九五”和“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的內(nèi)容，自“十一五”以來被列入國家油氣重大專項(xiàng)的研究內(nèi)容。在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目中，沉積盆地的熱體制和熱歷史研究也被列為重要的研究內(nèi)容。油氣領(lǐng)域的第一個(gè)“973計(jì)劃”項(xiàng)目“中國典型疊合盆地油氣形成富集與分布預(yù)測(cè)”設(shè)置了“中國典型疊合盆地深部熱體制轉(zhuǎn)換與熱史反演”研究的課題，反映了盆地的熱體制和熱歷史在盆地的動(dòng)力學(xué)和油氣勘探中的重要地位。此后多個(gè)油氣領(lǐng)域的“973計(jì)劃”項(xiàng)目都設(shè)置了“沉積盆地?zé)狍w制研究”的課題或?qū)ｎ}，如頁巖氣“973計(jì)劃”項(xiàng)目“中國南方古生界頁巖氣賦存富集機(jī)理和資源潛力評(píng)價(jià)”設(shè)置了“構(gòu)造熱演化與頁巖氣的改造和保存研究”課題。此外，國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目也設(shè)置了相應(yīng)的研究任務(wù)。國家自然基金委每年均批準(zhǔn)有項(xiàng)目開展沉積盆地?zé)釟v史研究。國內(nèi)眾多油公司更是從不同角度立項(xiàng)開展盆地?zé)釟v史與油氣成藏關(guān)系的研究，特別是中石化設(shè)立的海相前瞻性項(xiàng)目“中國陸域海相沉積盆地?zé)狍w制與油氣資源”(2007—2011年)進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)沉積盆地?zé)釟v史的系統(tǒng)研究。

我國沉積盆地系統(tǒng)的地?zé)嵫芯渴加?0世紀(jì)80年代初。汪集暘院士早在《李四光教授倡導(dǎo)的中國地?zé)嵫芯俊芬晃闹衃1]，就指出我國的地?zé)嵫芯堪舜蟮責(zé)崃餮芯?、深部地?zé)嵫芯?、區(qū)域地溫場(chǎng)研究、地?zé)釘?shù)值模擬、地?zé)釋?shí)驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)、地?zé)豳Y源研究、礦山地?zé)嵫芯亢陀吞锏責(zé)嵫芯康?個(gè)部分的內(nèi)容。國內(nèi)大量學(xué)者利用古溫標(biāo)方法或地球動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)我國的含油氣盆地?zé)釟v史開展了大量的研究工作并取得了一系列的成果。目前，已逐步形成多種古溫標(biāo)耦合反演熱歷史與盆地構(gòu)造—熱演化模擬相結(jié)合的重建沉積盆地?zé)釟v史的方法體系。但總的來說，油氣田區(qū)古地溫的研究在我國仍是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，無論是古地溫研究方法本身還是應(yīng)用于盆地的研究，都需作進(jìn)一步的研究工作。本文主要結(jié)合筆者近年來在沉積盆地?zé)崾分亟ǚ矫娴难芯抗ぷ?，歸納總結(jié)熱史研究方法的相關(guān)進(jìn)展和實(shí)例，在此基礎(chǔ)上分析沉積盆地?zé)崾分亟媾R的挑戰(zhàn)，指出沉積盆地?zé)釟v史研究今后的方向。

2 沉積盆地?zé)崾分亟ǚ椒ㄟM(jìn)展

目前，國際上關(guān)于盆地?zé)釟v史恢復(fù)的方法總體上包括古溫標(biāo)法(如鏡質(zhì)體反射率、磷灰石裂變徑跡等)和地球動(dòng)力學(xué)方法(如拉張模型、擠壓模型等)2大類。前者主要是從盆地的尺度來進(jìn)行研究，后者則是從巖石圈的尺度來研究盆地的熱歷史。古溫標(biāo)是在地質(zhì)歷史時(shí)期以某些物理、化學(xué)性質(zhì)的變化記錄了熱史信息，并可用于恢復(fù)某一區(qū)域熱歷史的有機(jī)分子、固體有機(jī)質(zhì)和礦物等。由于古溫標(biāo)方法可以通過古溫標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，因而被認(rèn)為是研究精度較高且切實(shí)可行的方法。

2.1 古溫標(biāo)方法熱史重建

目前常用的古溫標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)古溫標(biāo)(如鏡質(zhì)體反射率、瀝青反射率等)和礦物古溫標(biāo)(如磷灰石和鋯石裂變徑跡、磷灰石和鋯石(U-Th)/He等)兩類，后者也叫低溫?zé)崮甏鷮W(xué)古溫標(biāo)。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)古溫標(biāo)不僅能給出相應(yīng)的溫度，而且能給出達(dá)到該溫度的時(shí)間，成為近年來用于沉積盆地?zé)釟v史定量重建和地層剝蝕量恢復(fù)的重要方法。除了常用的鏡質(zhì)體反射率和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)古溫標(biāo)外，針對(duì)海相碳酸鹽巖層系的熱史恢復(fù)，國內(nèi)外學(xué)者還探索了一些適用的古溫標(biāo)，如有機(jī)質(zhì)的熒光性、激光拉曼光譜、有機(jī)質(zhì)自由基濃度、團(tuán)簇同位素方法等。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)古溫標(biāo)方法

利用有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)來研究盆地的古地溫是最早的也是最常用的方法，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)成熟度與古地溫有密切的關(guān)系。有機(jī)組分在熱降解作用過程中其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)均發(fā)生了變化，各成熟度指標(biāo)均以特定的化學(xué)動(dòng)力學(xué)和溫度相聯(lián)系。由于鏡質(zhì)體反射率是有機(jī)質(zhì)成熟度的最可靠指標(biāo)，因而也是盆地古地溫研究中最常用的指標(biāo)或“溫度計(jì)”。此外，利用瀝青質(zhì)或似鏡質(zhì)體反射率、筆石反射率換算成等效鏡質(zhì)體反射率也可研究古地溫。

(1)鏡質(zhì)體反射率(Ro)。鏡質(zhì)體是由高等植

物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)腐殖凝膠化作用，形成以腐殖酸和瀝青質(zhì)為主要成分的凝膠化物質(zhì)，再經(jīng)煤化作用而成的一種顯微組分。鏡質(zhì)體反射率是目前最常用且最有效的研究盆地古地溫的方法之一。鏡質(zhì)體反射率值取決于有機(jī)質(zhì)受熱溫度和受熱時(shí)間，且以溫度為主。

早期僅僅是利用鏡質(zhì)體反射率與埋深剖面圖來推算古地溫，并建立了許多推算古地溫的經(jīng)驗(yàn)公式。但是，這些方法都不同程度地存在著缺陷，一方面它們未考慮地層的壓實(shí)作用和抬升剝蝕作用；另一方面，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的熱演化過程是一個(gè)不可逆的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程，有機(jī)質(zhì)的熱演化程度與特定的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和地溫及時(shí)間相聯(lián)系，有機(jī)質(zhì)的受熱史很難用一個(gè)公式直接計(jì)算，更難用一個(gè)圖表直接“量”出古地溫。目前，主要采用擬合計(jì)算的模擬方法來模擬計(jì)算古地溫，其步驟為：①重建地層沉積埋藏史，詳細(xì)的沉積埋藏史是研究盆地古地溫的基礎(chǔ)；②假設(shè)一個(gè)古地溫梯度或熱流模型，結(jié)合埋藏史算得研究層經(jīng)歷的古地溫；③由古地溫計(jì)算研究層的成熟度；④比較實(shí)測(cè)成熟度和計(jì)算成熟度，通過反復(fù)修改假設(shè)的古地溫梯度或熱流模式及反復(fù)計(jì)算對(duì)比成熟度，使計(jì)算和實(shí)測(cè)的成熟度吻合得最好。最后選定的古地溫模式及據(jù)此算得的熱史可代表盆地的古地溫梯度及研究層經(jīng)歷的熱史。最常用的擬合計(jì)算方法包括Lopatin-Waples的TTI擬合計(jì)算法[2]、Lerche擬合計(jì)算法[3-4]和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法[5-6]。而其中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型——Easy%Ro模型[7]，自其建立以來一直被廣泛應(yīng)用來恢復(fù)熱史。最近，該模型的建立者又提出了兩種修正的模型(即Basin%Ro和Easy%RoDL模型)來研究熱歷史[8]。但有學(xué)者認(rèn)為Easy%Ro模型在Ro處于0.5%～1.7%之間會(huì)過高估算鏡質(zhì)體反射率值約0.35%[9]，因而他們認(rèn)為Easy%Ro模型的精度不如Basin%Ro和 Easy%RoDL模型, 尤其是在鏡質(zhì)體反射率—深度剖面存在錯(cuò)斷的情況下更是如此[8]。

(2)等效鏡質(zhì)體反射率(Requ)。下古生界層系和海相層系由于缺乏鏡質(zhì)體，無法利用最常用的鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo)進(jìn)行熱演化研究。瀝青和其他有機(jī)質(zhì)組分(如鏡狀體、筆石等)的反射率在一定程度上也是反映成熟度的有效指標(biāo)。依據(jù)瀝青、鏡狀體和筆石反射率等與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系換算而成的反射率值稱之為“等效鏡質(zhì)體反射率”。已有眾多文獻(xiàn)介紹了瀝青反射率[10-14]、鏡狀體反射率[15-21]、筆石反射率[22-27]與鏡質(zhì)體反射率的換算關(guān)系，在此不一一介紹。但在利用等效鏡質(zhì)體反射率研究熱歷史的時(shí)候，特別要關(guān)注不同學(xué)者提出的換算關(guān)系差別較大(圖1)，由此引起的熱史結(jié)果也會(huì)存在較大的差異。

圖1 由瀝青(a)和筆石(b)反射率依據(jù)不同換算關(guān)系得到的等效鏡質(zhì)體反射率Fig.1 Equivalent vitrinite reflectance obtained from bitumen(a) and grapholite(b) reflectances according to different conversion relations

2.1.2 低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法

低溫?zé)崮甏鷮W(xué)定年體系是根據(jù)巖石礦物中放射性元素的衰變或裂變產(chǎn)物(如子體同位素或輻射損傷)在礦物晶體內(nèi)的產(chǎn)出和累積來標(biāo)定巖石樣品的熱年齡，即定量揭示山體或沉積盆地經(jīng)歷的構(gòu)造—熱演化史。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法主要包括裂變徑跡和(U-Th)/He兩種。裂變徑跡技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)熱定年和熱歷史重建。目前常用的磷灰石、鋯石和榍石裂變徑跡的退火溫度各不相同：磷灰石裂變徑跡退火溫度在110～125 ℃之間[32-33]，鋯石為210～240 ℃[33-35]，榍石在265～310 ℃之間[36]。目前，磷灰石裂變徑跡退火已具有成熟的動(dòng)力學(xué)模型[37-40]而被廣泛應(yīng)用；而鋯石和榍石的裂變徑跡退火動(dòng)力學(xué)模型則還沒有完全建立起來[35,41]，應(yīng)用鋯石和榍石裂變徑跡熱定年技術(shù)研究熱史仍處于定性和半定量階段。最近，筆者利用盆地中超深鉆孔的系列樣品研究了鋯石裂變徑跡退火行為，得到鋯石裂變徑跡完全退火溫度可達(dá)300 ℃[42]。由于鋯石與磷灰石裂變徑跡技術(shù)無論從方法還是原理上都具有相似性，在實(shí)際應(yīng)用中往往將磷灰石與鋯石裂變徑跡技術(shù)結(jié)合在一起來解決地質(zhì)問題。

近年來，(U-Th)/He熱定年技術(shù)作為一種新的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法在地質(zhì)體定年、熱演化、地形地貌演化與沉積物源研究等方面得到了廣泛應(yīng)用，為盆地?zé)釟v史和構(gòu)造抬升剝蝕量恢復(fù)又提供了新的途徑。國外有學(xué)者將低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)的熱史路徑模擬和平衡剖面恢復(fù)相結(jié)合，恢復(fù)構(gòu)造演化史和構(gòu)造剝蝕量及變形速率[43-44]。目前，用于(U-Th)/He熱定年測(cè)試的礦物主要也是磷灰石、鋯石和榍石。依據(jù)自然樣品和熱模擬實(shí)驗(yàn)，不同礦物其(U-Th)/He體系的封閉溫度差別較大。磷灰石的He封閉溫度較低為75 ℃[45]，而筆者通過深鉆孔自然演化樣品得到的磷灰石的He封閉溫度可達(dá)85～90 ℃[46]；鋯石的(U-Th)/He封閉溫度在170～190 ℃之間[47]，而我們利用超深鉆孔系列樣品得到的鋯石He封閉溫度為200 ℃[42]；榍石的(U-Th)/He封閉溫度為191～218 ℃[48]。最近，有些學(xué)者注意到了裂變輻射損傷對(duì)He年齡的影響[49]，并對(duì)破碎的磷灰石顆粒的He擴(kuò)散行為進(jìn)行了分析[50-51]，以使該方法更好地用于熱事件定年研究。磷灰石裂變徑跡和(U-Th)/He熱定年技術(shù)的結(jié)合可以揭示45～110 ℃溫度范圍的精細(xì)熱歷史，但對(duì)于經(jīng)歷了較高溫度的地層來說，利用磷灰石低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)來恢復(fù)熱歷史已失去意義，必須探索較高封閉溫度的鋯石和榍石(U-Th)/He熱定年技術(shù)。由于不同的古溫標(biāo)所適用的溫度范圍不同，通過多種古溫標(biāo)的聯(lián)合反演模擬熱歷史，可以揭示出40～250 ℃溫度范圍的精細(xì)熱歷史，從而解決盆地復(fù)雜熱歷史的重建問題。

低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)在國際上已被廣泛應(yīng)用于沉積盆地?zé)釟v史的研究，每年都有海量的文獻(xiàn)發(fā)表。在國內(nèi)，低溫?zé)崮甏鷮W(xué)定年技術(shù)已被應(yīng)用于幾乎所有的含油氣盆地?zé)崾费芯?。在?shí)際熱史模擬中，往往結(jié)合多種低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)和等效鏡質(zhì)體反射率進(jìn)行多參數(shù)的耦合模擬，可以相互約束和驗(yàn)證。圖2是塔里木盆地志留系鉆孔樣品熱史路徑模擬結(jié)果，該樣品測(cè)試了磷灰石裂變徑跡年齡和長度、鋯石(U-Th)/He年齡和等效鏡質(zhì)體反射率等多種參數(shù)，通過耦合模擬得到了該樣品復(fù)雜的熱史路徑。因此，這種多種古溫標(biāo)耦合反演熱歷史的方法也為重建復(fù)雜構(gòu)造演化的熱歷史提供了有效的途徑。

圖2 塔里木盆地志留系典型樣品(KQ1井,2 593.8 m,S1t)熱史路徑模擬結(jié)果[46]利用蒙特卡洛隨機(jī)反演方法模擬了1 000條熱史路徑，其中60條是可接受的路徑(細(xì)線)， 10條是好的路徑(較粗的線)，最粗的線代表了最佳溫度路徑。a.鋯石He擴(kuò)散剖面, GOF代表擬合度；b.模擬的磷灰石裂變徑跡長度分布；c.測(cè)試AFT年齡；d.實(shí)測(cè)AFT長度Fig.2 Thermal history path simulation results of typical samples of the Silurian in Tarim Basin (well KQ1, 2 593.8 m, S1t)

2.1.3 其他古溫標(biāo)方法

前述古溫標(biāo)方法在沉積盆地中已被普遍應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題。目前，對(duì)于早古生代碳酸鹽巖地區(qū)所經(jīng)受的熱歷史研究還缺乏有效的古溫標(biāo)，因?yàn)樵谶@些地層中沒有鏡質(zhì)體，也沒有磷灰石和鋯石礦物。因此，前述的常規(guī)古溫標(biāo)都不適用于早古生代碳酸鹽巖地層。對(duì)于我國中西部沉積盆地下古生界碳酸鹽巖和南方廣大地區(qū)碳酸鹽巖烴源巖成熟度的準(zhǔn)確標(biāo)定，一直是困擾這些地區(qū)油氣資源評(píng)價(jià)的問題。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)下古生界和海相地層中有機(jī)質(zhì)成熟度古溫標(biāo)進(jìn)行了大量的探索，包括有機(jī)質(zhì)的熒光性和激光拉曼光譜[52-56]、有機(jī)質(zhì)紅外光譜[21,57]、有機(jī)質(zhì)固態(tài)核磁共振[58-59]、孢粉顏色和牙形石色變指數(shù)[60]、有機(jī)質(zhì)自由基濃度[61-65]、巖石熱聲發(fā)射方法[66-69]等等。上述古溫標(biāo)中，有機(jī)質(zhì)的熒光性和激光拉曼光譜、有機(jī)質(zhì)紅外光譜、有機(jī)質(zhì)固態(tài)核磁共振等都與鏡質(zhì)體反射率掛鉤，建立二者之間的函數(shù)關(guān)系之后，采用鏡質(zhì)體反射率的方法進(jìn)行熱史重建，這里不再一一敘述。

近年來，碳酸鹽巖團(tuán)簇同位素被引用到沉積盆地的熱歷史研究中。碳酸鹽巖團(tuán)簇同位素溫度計(jì)是基于13C和18O重同位素之間的交換反應(yīng)，該反應(yīng)主要依賴于溫度，隨著溫度的降低，礦物中會(huì)聚集更多的13C—18O，通過測(cè)量13C—18O的豐度偏離隨機(jī)分布的程度(Δ47)，利用Δ47與溫度間的經(jīng)驗(yàn)公式就可以獲得團(tuán)簇同位素溫度(TΔ47)[70-71]。該溫度可記錄礦物經(jīng)歷的溫度信息而不依賴于礦物生長的流體環(huán)境。隨著碳酸鹽礦物經(jīng)歷溫度增高，13C—18O鍵開始發(fā)生固態(tài)重排，驅(qū)使團(tuán)簇同位素溫度(TΔ47)與環(huán)境溫度達(dá)到平衡[72-74]。前人通過對(duì)碳酸鹽礦物進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，在不同的熱演化情景下改變團(tuán)簇同位素的13C—18O的豐度，進(jìn)而提出了不同動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測(cè)固態(tài)重排過程[72,74]。通過團(tuán)簇同位素測(cè)溫和現(xiàn)有的固態(tài)重排動(dòng)力學(xué)模型，前人已經(jīng)對(duì)沉積盆地的熱歷史進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究[75-77]，這也為我們利用團(tuán)簇同位素和重排動(dòng)力學(xué)模型來模擬沉積盆地的熱歷史提供了一種極具前途的方法。

2.2 地球動(dòng)力學(xué)方法熱史重建

利用地球動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行構(gòu)造熱演化模擬是研究沉積盆地的重要手段，也是恢復(fù)盆地?zé)釟v史的有效方法之一。與古溫標(biāo)方法不同的是，構(gòu)造熱演化模型依賴于盆地成因類型。沉積盆地構(gòu)造熱演化模擬必須建立在盆地成因機(jī)制分析并與之相應(yīng)的地質(zhì)—地球物理模型基礎(chǔ)之上，構(gòu)造沉降史與熱流演化史構(gòu)成其2大核心研究內(nèi)容。在理論基礎(chǔ)上，構(gòu)造熱演化模擬的地球動(dòng)力學(xué)方法依據(jù)的是基于盆地成因分析的地質(zhì)地球物理模型；在方法手段上，采用的是數(shù)值方法，如有限差分或有限元法；在研究尺度范圍上，它著眼于盆地形成的巖石圈尺度，因而研究的是盆地演化過程中的區(qū)域熱背景。該方法又包含運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。

McKenzie均勻拉張模型[78]作為裂谷盆地運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的代表,在預(yù)測(cè)盆地主要觀測(cè)特征方面取得了重大成功,從而帶動(dòng)了沉積盆地運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的發(fā)展。拉張盆地的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型比較強(qiáng)調(diào)對(duì)熱流史的研究。從瞬時(shí)均勻拉張模型[78]、非均勻拉張模型[79-84]、有限時(shí)拉張模型[85-86]、應(yīng)變速率模型[87-90]到多期拉張模型[91-96]等，模型的每一步進(jìn)展, 都為熱史研究帶來了發(fā)展。盡管運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在預(yù)測(cè)盆地?zé)崃餮莼矫嫒〉昧顺晒? 但由于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用的是局部均衡模式，在預(yù)測(cè)構(gòu)造沉降、解釋盆地邊緣上隆等幾何形態(tài)方面存在一定的缺陷。而在拉張模型的另一類模型——?jiǎng)恿W(xué)模型中，巖石圈流變性則是通過本構(gòu)方程明確體現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱學(xué)與流變學(xué)的耦合，深入理解盆地動(dòng)力學(xué)的基本過程[97-99]。然而，模型初始擾動(dòng)的給定、巖石圈流變學(xué)參數(shù)的不確定性等都在一定程度上阻礙了動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展。另外，大尺度的動(dòng)力學(xué)模型在與實(shí)際剖面觀測(cè)結(jié)果的擬合及熱流預(yù)測(cè)方面也不如運(yùn)動(dòng)學(xué)模型靈活、方便。

前陸盆地油氣資源豐富但構(gòu)造變形十分復(fù)雜，使得前陸盆地構(gòu)造—熱演化模擬面臨挑戰(zhàn)。描述前陸盆地沉降的定量模型很多，其中主要關(guān)鍵要素包括沉積/構(gòu)造負(fù)荷和巖石圈撓曲。眾所周知，巖石圈的撓曲受其流變學(xué)特征控制，而巖石圈的流變結(jié)構(gòu)又與溫度場(chǎng)密切相關(guān)。然而，相對(duì)裂谷盆地而言，前陸盆地定量模型更多關(guān)注的是構(gòu)造沉降，在構(gòu)造與熱的結(jié)合方面尚不夠完善[100]。前陸盆地構(gòu)造—熱演化歷史受不同空間尺度的多種因素影響：由地殼或巖石圈厚度變化及地幔上涌引起的熱效應(yīng)是長波長的；其他過程如逆沖推覆、剝蝕、快速沉積/壓實(shí)、局部巖漿侵入及流體活動(dòng)等則引起地溫場(chǎng)的短波長擾動(dòng)。DEMETRESCU等[101]在模擬研究東喀爾巴阡山前陸盆地?zé)狍w制時(shí)指出，在考慮區(qū)域熱傳導(dǎo)機(jī)制的同時(shí)，還應(yīng)考慮沉積帶來的熱效應(yīng)、地表溫度隨古氣候變化的變化及流體流動(dòng)對(duì)垂直溫度分布特征的影響。VOORDE等[102]也曾提出將區(qū)域及局部尺度的熱過程相結(jié)合，指出要將巖石圈尺度及地殼尺度相耦合進(jìn)行熱過程分析。前陸盆地演化過程中構(gòu)造與熱的耦合體現(xiàn)在多個(gè)層面: 巖石圈熱演化對(duì)巖石圈強(qiáng)度時(shí)空分布及其撓

曲的影響；逆沖推覆作用的淺部溫度效應(yīng)；快速沉積作用對(duì)盆地溫度場(chǎng)的影響等[103-104]。

地球動(dòng)力學(xué)的熱史恢復(fù)方法與古溫標(biāo)方法可以互補(bǔ)，能有效補(bǔ)充古地溫方法在盆地應(yīng)用的局限性。如補(bǔ)充盆地達(dá)到最大古地溫之前的熱歷史，填補(bǔ)盆地早期熱歷史研究的空白，如四川盆地[105]。尤其在研究逐步升溫盆地，或者今地溫即是最大古地溫的盆地，古溫標(biāo)方法可能會(huì)無能為力，而地球動(dòng)力學(xué)方法則可發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)(圖3)。

圖3 鶯歌海盆地基底熱流新生代隨時(shí)間的演化[92]Fig.3 Evolution of basement heat flow in Yinggehai Basin during the Cenozoic

3 沉積盆地?zé)崾分亟媾R的挑戰(zhàn)

沉積盆地一般都經(jīng)歷過沉降沉積(增溫)和抬升剝蝕(降溫)等復(fù)雜的溫度變化過程，對(duì)其熱歷史進(jìn)行恢復(fù)的難度較大。目前，關(guān)于沉積盆地?zé)釟v史重建仍然存在一系列問題，尤其是海相盆地和前陸盆地的熱歷史恢復(fù)仍存在挑戰(zhàn)。隨著我國海相沉積盆地油氣勘探的不斷突破，也帶動(dòng)了海相盆地?zé)崾分亟ǚ椒ǖ难芯?。我國海相盆地主要以古生代碳酸鹽巖層系為主，經(jīng)歷過多期構(gòu)造演化的歷史，其烴源巖大都已達(dá)到高—過成熟階段?，F(xiàn)有的常規(guī)古溫標(biāo)在海相碳酸鹽巖層系中缺乏，導(dǎo)致了海相盆地?zé)崾分亟y度極大。針對(duì)我國盆地的具體地質(zhì)問題，除了引進(jìn)國際上現(xiàn)有的方法外，國內(nèi)學(xué)者還積極探索一些新的方法。如建立和完善利用瀝青反射率和鏡狀體反射率等有機(jī)質(zhì)光學(xué)性質(zhì)參數(shù)和有機(jī)質(zhì)自由基濃度等古溫標(biāo)解決我國海相盆地的熱歷史恢復(fù)問題，發(fā)展了(U-Th)/He等低溫?zé)崮甏鷮W(xué)指標(biāo)恢復(fù)復(fù)雜構(gòu)造演化盆地的熱歷史問題，建立多期拉張地球動(dòng)力學(xué)模型解決裂谷盆地多期拉張的熱歷史恢復(fù)問題?？傮w上，重建沉積盆地?zé)釟v史正朝著綜合運(yùn)用多種不同溫度適用范圍的古溫標(biāo)耦合反演方法及古溫標(biāo)與盆地動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合的方向發(fā)展。多種古溫標(biāo)耦合反演不僅克服了單一古溫標(biāo)的缺陷，并可進(jìn)行相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，同時(shí)也提高了研究結(jié)果的精度和可信度，從而使得定量恢復(fù)古老盆地復(fù)雜熱歷史得以實(shí)現(xiàn)。

3.1 有效古溫標(biāo)和深層—超深層熱史重建

理論上，任何一個(gè)樣品都能測(cè)試得到一個(gè)古溫標(biāo)值，但該古溫標(biāo)并不都是能被用于反演熱歷史的，更不是測(cè)得一個(gè)古溫標(biāo)值就能“換算”成一個(gè)古溫度值。從古溫標(biāo)到古溫度，必須利用古溫標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型與溫度的關(guān)系，結(jié)合樣品的沉積埋藏史，才能模擬計(jì)算得到古溫度值(盡管該古溫度值并不一定就是“對(duì)”的)。這就涉及到古溫標(biāo)的有效性問題。有效性是利用古溫標(biāo)來重建熱歷史的基礎(chǔ)，有效古溫標(biāo)是指古溫標(biāo)所“記錄”的熱信息能被保留至今(圖4)。在盆地凹陷持續(xù)沉降區(qū)，現(xiàn)今的溫度即為地層經(jīng)歷的最高溫度。在此情況下，古溫標(biāo)記錄的早期熱信息被后期巨大埋深的高溫所“重置”，無法用來恢復(fù)早期的熱歷史。反之，若地層后期遭受抬升剝蝕導(dǎo)致現(xiàn)今的溫度低于早期經(jīng)歷的最高溫度，則古溫標(biāo)記錄的早期熱信息能被保留至今而被用于熱歷史的反演模擬。由此可見，只有在特定地?zé)岬刭|(zhì)條件下的熱狀態(tài)才可以被古溫標(biāo)記錄。鑒于此，在盆地?zé)釟v史恢復(fù)時(shí)采集古溫標(biāo)的樣品必須要注意采集“有效”的樣品。一般來說，可以考慮在盆地的隆起區(qū)或盆地邊緣及露頭區(qū)采集相應(yīng)的樣品進(jìn)行古溫標(biāo)測(cè)試，但前提是采樣區(qū)與研究區(qū)的構(gòu)造演化是一致的?；诠艤貥?biāo)的有效性問題，對(duì)于深層—超深層系的熱歷史研究，所面臨的難題就是難以采集到合適的有效古溫標(biāo)樣品。尤其像塔里木盆地，大部分地區(qū)在中—新生代都沉積了巨厚的地層，導(dǎo)致了古生界的古溫標(biāo)樣品所記錄的早期熱信息大都被后期重置了。此時(shí)，采用地球動(dòng)力學(xué)方法來重建深層—超深層的熱歷史是一種比較有效的方法。

圖4 熱史重建的有效古溫標(biāo)示意Fig.4 Effective ancient thermal indicators for thermal history reconstruction

3.2 海相層系和古老層系熱史恢復(fù)

前文已述及，碳酸鹽巖層系的熱史重建仍存在許多問題。而這里所說的古老層系是指前寒武系為主的地層，大部分也是碳酸鹽巖層系。我國的海相層系和古老層系都經(jīng)歷了多期地殼運(yùn)動(dòng)破壞，具有增溫—降溫—增溫的多旋回演化過程。眾所周知，有效古溫標(biāo)記錄的是地質(zhì)演化過程中的熱信息。地層時(shí)代越老，經(jīng)歷的構(gòu)造演化過程越長，對(duì)于早期的“熱信息”就越難以保存下來；即使能保存早期的熱信息，在反演熱史的時(shí)候影響的因素也越多，模擬獲得的熱歷史不確定性也越大(圖5)。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法由于可以準(zhǔn)確地研究溫度演化過程而被認(rèn)為是可以解決復(fù)雜熱歷史的有效方法。但對(duì)于海相層系來說，關(guān)鍵是獲得低溫?zé)崮甏鷮W(xué)測(cè)試的磷灰石和鋯石礦物顆粒。震旦系—下古生界海相地層中發(fā)育有碎屑巖層系(如四川盆地的志留系小河壩組、寒武系滄浪鋪組、震旦系，塔里木盆地的震旦系等)，可以獲取磷灰石和鋯石等礦物樣品，為低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)的測(cè)試提供保證；同時(shí)，眾多露頭樣品由于抬升較早，為避免受到后期高溫重置的影響，也可用來分析盆地的熱歷史。但是，需要注意的是在一些古老層系中(如震旦系)有時(shí)樣品中磷灰石顆粒的質(zhì)量(如數(shù)量和粒徑大小)將會(huì)影響低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)的測(cè)試。而對(duì)于碳酸鹽巖層系來說，前述介紹的團(tuán)簇同位素新型古溫標(biāo)是研究其熱史的最具有前途的方法。最近，我們課題組通過與美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)和加州理工大學(xué)的合作，嘗試?yán)锰妓猁}團(tuán)簇同位素古溫標(biāo)來研究古地溫。通過系列自然樣品的團(tuán)簇同位素分析，獲得了有效的古溫度值[106-107]。目前所用的固態(tài)重排動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于盆地復(fù)雜熱歷史研究時(shí)仍存在一些問題，如依據(jù)交換/擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型[74]和一階近似反應(yīng)模型[72]模擬得到的熱歷史有時(shí)存在較大的差異。因此對(duì)于碳酸鹽團(tuán)簇同位素古溫標(biāo)進(jìn)行熱史研究時(shí)，必須要利用合適的動(dòng)力學(xué)模型。

圖5 塔里木盆地巴楚隆起同1井新元古界火山碎屑巖樣品的熱史路徑模擬早期的熱史路徑的不確定性大，可信度低。Fig.5 Thermal history path simulation of Neoproterozoic pyroclastic rock samples from well Tong 1 in Bachu Uplift, Tarim Basin

3.3 構(gòu)造—熱演化與頁巖氣保存

四川盆地志留系龍馬溪組是頁巖氣的重要產(chǎn)層。龍馬溪組頁巖在燕山—喜馬拉雅期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造隆升過程，對(duì)頁巖氣的保存影響很大。通過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法準(zhǔn)確恢復(fù)中生代以來的構(gòu)造隆升過程和隆升幅度及由此引起的溫壓條件的變化是研究頁巖氣保存的關(guān)鍵。通過建立龍馬溪組頁巖的“埋藏—生烴—抬升”格架，并結(jié)合頁巖的埋藏史、熱史、生烴史及壓力演化史，可以分析頁巖含氣性隨構(gòu)造抬升的變化特征。圖6是采用俞凌杰等[108]建立的埋藏條件下頁巖氣賦存量計(jì)算方法，計(jì)算的川東地區(qū)典型井龍馬溪組頁巖在不同抬升階段的含氣量。結(jié)果表明川東地區(qū)龍馬溪組頁巖在早白堊世埋深達(dá)到最大，地層溫度和壓力達(dá)到峰值，頁巖含氣量達(dá)到最大。燕山期以來，受構(gòu)造隆升引起的溫壓變化導(dǎo)致了含氣性具有明顯變化。早白堊世—晚白堊世，龍馬溪組頁巖發(fā)生快速隆升，地層溫度和壓力分別由227 ℃、107 MPa快速降低為110 ℃、38 MPa，頁巖游離氣量從5.92 m3/t減少至3.42 m3/t，其中一部分轉(zhuǎn)化為吸附氣，吸附氣量從0.92 m3/t增加至1.15 m3/t，散失量為2.27 m3/t；晚白堊世—漸新世，龍馬溪頁巖緩慢隆升，地層溫度與壓力緩慢降為100 ℃、32 MPa，頁巖氣散失量為0.32 m3/t；漸新世以來，龍馬溪組頁巖再次快速隆升，地層溫度及壓力快速降低為60 ℃、16 MPa，頁巖氣散失量為1.10 m3/t?？梢钥闯?，燕山期是頁巖氣發(fā)生差異散失的主要時(shí)期。

圖6 川東地區(qū)典型單井龍馬溪組構(gòu)造—熱演化與頁巖氣含氣性變化Fig.6 Structural-thermal evolution and shale gas content in Longmaxi Formation of a typical single well in eastern Sichuan

由此可見，通過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法獲得頁巖精細(xì)的構(gòu)造抬升冷卻過程，可以為頁巖氣保存的動(dòng)態(tài)研究提供重要的基礎(chǔ)資料。

3.4 盆山構(gòu)造—熱演化耦合關(guān)系研究

結(jié)合磷灰石裂變徑跡和(U-Th)/He年齡可以精細(xì)地反映45～110 ℃的冷卻歷史。由此，可以通過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法研究盆地和造山帶(物源區(qū))的構(gòu)造—熱演化耦合關(guān)系。近年來許多學(xué)者已借助低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)對(duì)逆沖推覆帶熱歷史、構(gòu)造變形時(shí)間及地溫場(chǎng)等進(jìn)行了大量研究[109-114]。由于受斷層活動(dòng)、快速構(gòu)造隆升及熱液流體等因素的影響，逆沖推覆帶局部區(qū)域往往會(huì)發(fā)生熱對(duì)流擾動(dòng)，造成區(qū)域性地溫場(chǎng)變得異常復(fù)雜，并對(duì)熱定年參數(shù)造成影響。依托盆地模擬軟件、平衡剖面恢復(fù)及實(shí)測(cè)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡，一些學(xué)者通過建立二維熱動(dòng)力學(xué)模型探討了逆沖推覆帶變形過程中的熱演化對(duì)熱年代學(xué)參數(shù)的影響程度[43-44,115-116]。目前，國內(nèi)利用實(shí)測(cè)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡及單樣品正反演模擬方法對(duì)逆沖推覆帶進(jìn)行了一些研究，但關(guān)于二維熱動(dòng)力學(xué)模擬和變形過程中熱對(duì)流對(duì)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡影響的研究還很少。

同時(shí)，低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)還可以用于沉積物源分析及物源區(qū)構(gòu)造隆升史研究。磷灰石、鋯石等礦物被搬運(yùn)到沉積盆地后，如果沉積埋藏深度很淺，所處的地溫未超過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)體系的封閉溫度，那么礦物內(nèi)保留的仍是物源區(qū)熱信息，可有效地用于研究物源區(qū)隆升史和盆山耦合關(guān)系[117-123]。為了更準(zhǔn)確地揭示物源區(qū)，可以綜合鋯石裂變徑跡、鋯石U-Pb年齡、鋯石顆粒形態(tài)和顏色及沉積速率等進(jìn)行研究[124-127]。通過對(duì)未重置低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡重分組分析，可探討研究區(qū)存在幾個(gè)物源區(qū)及物源區(qū)主次關(guān)系，然后建立分組低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡峰值年齡、地層年齡及時(shí)滯三者模式圖，揭示造山楔逆沖樣式和山體隆升期次，并通過時(shí)滯與低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡的關(guān)系，計(jì)算山體不同冷卻階段的剝蝕速率。

4 結(jié)論

通過對(duì)沉積盆地?zé)釟v史研究方法的現(xiàn)狀和進(jìn)展的分析，總結(jié)出沉積盆地?zé)崾分亟ǚ椒ㄖ饕ü艤貥?biāo)方法和地球動(dòng)力學(xué)方法2大類。古溫標(biāo)方法主要包括有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)參數(shù)，多種古溫標(biāo)耦合反演熱歷史可以提高模擬結(jié)果的精度和可靠性，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。依賴盆地成因類型的地球動(dòng)力學(xué)方法重建熱史可以與古溫標(biāo)方法互補(bǔ)，能有效補(bǔ)充古地溫方法的局限性。針對(duì)多期構(gòu)造演化復(fù)雜盆地的熱史重建，可以結(jié)合多種古溫標(biāo)耦合反演和地球動(dòng)力學(xué)正演方法進(jìn)行相互補(bǔ)充和驗(yàn)證。盆地?zé)崾吩谘芯繕?gòu)造抬升作用下的頁巖氣保存、盆山構(gòu)造—熱演化耦合作用等方面提供了重要的方法技術(shù)。目前，針對(duì)深層—超深層、海相層系和古老層系的熱史重建，在古溫標(biāo)的有效性、古溫標(biāo)定量動(dòng)力學(xué)模型等方面仍有待于深入的研究。

致謝：感謝國家自然科學(xué)基金委、中國石油和中國石化在項(xiàng)目研究中的資助。