2010, Vol. 53
巴楚隆起位于塔里木盆地中央隆起区西部，面积为4.3万km2，是塔里木盆地重要的勘探地区之一.目前该区已发现的和田河气田是塔里木盆地在克拉通地区探明的最大气田，探明地质储量为616.94×108 m3，同时发现有储量可观的鸟山气田、亚松迪油气田等.巴楚地区经历过多期拉张、挤压应力场相互转换的改造作用，一方面具有多套生、储、盖组合，有利于烃的生成及聚集，另一方面，剧烈的构造运动，又可能造成油气藏的破坏，因此巴楚隆起的构造-热演化历史直接制约着油气的生成、运移及聚集史.本文从巴楚隆起的构造-热演化数值模拟角度出发，利用横跨巴楚隆起的3条南北向剖面和1条东西向剖面以及20余口钻井资料，研究了巴楚地区的热演化历史，为该区烃的生成、运移和聚集提供了依据.
2 研究背景综合前人的研究成果[1~7]，塔里木盆地的构造演化史可大致分为6个阶段.1）震旦纪-早奥陶世，塔里木盆地处于拉张期，南北缘分别出现了北昆仑洋和北天山洋；2）中奥陶世-中泥盆世，为南压北张的构造环境；3）晚泥盆世-石炭纪末，与之前相反，为北压南张的构造环境；4）二叠纪-三叠纪，整个盆地处于挤压期；5）侏罗纪-渐新世，盆地调整期；6）中新世-现今，受亚欧板块和印度板块碰撞影响，盆地进入持续挤压期.卫星重力、航磁、大地热流等地球物理资料分析表明，塔里木盆地的基底具有明显的不均一性，可划分出几个不同的基底分块构造区（图 1），不同区域基底构造对盆地盖层的发育和变形产生明显制约作用.
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图 1 塔里木盆地巴楚隆起区地质-地球物理图 Fig. 1 Geological-geophysical map of Bachu uplift in Tarim basin |
热演化史研究表明，塔里木盆地现今大地热流分布与新生代构造演化关系密切.根据王良书[8]、王钧[9]等对若干口井大地热流值的计算，塔里木盆地平均热流为44 mW/m2，是一个“冷盆”.李成、王良书等[10]通过对塔里木盆地11条地震解释剖面的热模拟，将塔里木盆地的热演化归结为4个演化阶段：震旦纪-奥陶纪高热流演化阶段、志留纪-晚古生代过渡（高热流向低热流转变）热演化阶段、中生代稳定热演化阶段、新生代岩石圈挠曲热演化阶段.邱楠生、李慧莉等[11, 12]模拟总结了沙雅隆起、满加尔拗陷、中央隆起、西南拗陷等几个构造单元的地温史.刘绍文等[13, 14]对塔里木盆地岩石圈热-流变学结构进行了研究，进一步阐明了塔里木盆地低温“冷盆”的特点.
受塔里木盆地大的构造背景影响，巴楚隆起断裂带从距今420 Ma开始活动，300 Ma~50 Ma为强烈活动期，在400 Ma~250 Ma之间经历了先张后压的过程.不同演化阶段，隆起区的构造性质和变形强度在时空上的差异与深部地球动力学背景、周边构造作用以及基底分块差异有关，并决定着其成藏组合和油气聚集的基本特征.
卫星重力异常图显示（图 1），巴楚隆起对应重力相对高的异常带.此高值带走向北西-南东向，长大于400 km，宽200 km.航磁异常图上，巴楚隆起区为高磁异常区.高磁性区在巴楚为北西走向，但延伸至塔中地区呈近东西向，且高异常点成串珠状展布.重力高和磁力高意味着强磁性和密度大的岩体发生垂向运动、在岩石圈有基性火成岩侵入体，或者莫霍面隆升、地壳内出现巨大隆起带.
巴楚隆起的沉积地层在地震剖面上的反射特点表现为“两断夹一隆”的构造样式.结合构造运动（不整合）与构造变形特征，可将巴楚隆起的地层划分为三个构造层：（1）下构造层（寒武系-奥陶系）；（2）中构造层（志留系-二叠系）；（3）上构造层（中生界-新生界）.钻井和露头剖面揭示，巴楚隆起自上而下发育的沉积地层为第四系、第三系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系、震旦系，缺失中生界地层.
依据上述地质-地球物理研究成果，本文开展巴楚隆起区构造-热演化历史的数值模拟研究.
3 计算方法与结果分析 3.1 计算方法模拟分为地史和热史模拟两个部分，每个部分又分为一维和二维两方面.数值模拟的具体流程如图 2所示.
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图 2 巴楚地区构造-热演化数值模拟流程图 Fig. 2 Flow-chart of the tectono-thermal evolution simulation of Bachu uplift |
首先，利用平衡剖面法模拟得出所要计算剖面在各地质历史时期的地质结构状况.Dahlstrom[15]（1969）曾系统提出过平衡剖面原理，并与Depaor[16]一起总结了两条原则，1）几何学上合理的横剖面在没有地层间断的情况下岩层长度应该一致；2）一个特定的地质环境只可能存在一套特定的构造.此后，陈伟等[17]（1993）又根据地壳的变形规律和物质守恒规律，推导出一系列平衡剖面恢复的几何法则，其中包括面积守恒和层长守恒这两个守恒规律，据此本文对研究区4条地震解释剖面进行了沉积埋藏史的恢复，得到各地质历史时期的剖面地质构造状况.
其次，确定盆地地表温度边界条件和盆地基底热流边界条件.对于上边界条件，我们采用温度边界条件，如图 2所述，在360 Ma到现今时间段，可以由Wygrala[18]（1989）全球地表平均温度研究成果直接得到，大于360 Ma的时间段，根据方大钧[19]（2006）塔里木板块显生宙运动模式，得到各时期塔里木板块古纬度位置，进而估算各地质历史时期塔里木盆地地表温度.对于下边界条件，本文采用盆地基底热流边界条件.在各地质历史时期，盆地基底（沉积层下边界）热流边界条件直接给出比较困难，我们利用盆地现今构造，通过“剥层法”模型[20, 21]，先计算莫霍面处的热流值，进而计算盆地基底热流值，计算公式如下：
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(1) |
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(2) |
式中qM为莫霍面处的热流值，q0为地表实测热流值，qb为盆地基底热流值，As、Hs分别为沉积层生热率和厚度，Ai、Hi分别为沉积层之下、莫霍面之上各层段的生热率和厚度.
对于剖面上各点处的边界条件，我们通过在剖面上选择一些有代表性的点，如选择有实际钻井处的点、没有钻井的地方、选择一些虚拟井，计算这些钻井或虚拟井的上下边界条件值，再通过插值，获得整条剖面的上下边界条件.上述计算中，求盆地各演化历史时期各井处基底沉降和莫霍面埋深是关键.
对于虚拟井基底沉降史，我们利用地层的沉积压实原理及回剥技术[22]进行计算，其中考虑剥蚀、沉积间断等因素.模拟所用主要参数为地层分层深度、剥蚀量、岩性、孔隙度-深度曲线等.实际孔隙度-深度资料比较少，考虑到IES PetroMod10盆地模拟软件提供了各种岩性的孔隙度-深度经验公式，因此在缺乏实际孔隙度-深度资料的井或井段全部用孔隙度-深度经验公式计算.
由于所采用的多数是虚拟井，因此不可能直接得到其岩性，我们通过巴楚地区20口钻井各沉积层岩性百分含量的统计，得到结果如表 1，继而将此结果应用在各虚拟井的计算中.另一个关键问题是剥蚀年代的确定，综合考虑塔里木盆地各期构造运动背景，假设沉积速率与剥蚀速率相等（少数情况例外），则若存在m个连续剥蚀的地层，可以用以下公式计算：
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表 1 塔里木盆地巴楚隆起区各沉积层岩性百分含量(%, 据20口钻井统计) Table 1 Lithological percent contents of Bachu uplift in Tarim basin (%, according to statistics of 20 drilling wells) |
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(3) |
其中
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它表示最开始遭受剥蚀的地层剥蚀开始年代（Ma），式中其他各参数意义分别为：tek（k=2，3，…，m）为其下各层开始遭受剥蚀的年代（Ma），hel为各层剥蚀厚度（m），he为总剥蚀厚度（m），hi为剥蚀地层的残余厚度（m），ti、ti+1分别为剥蚀地层顶底界的地质年龄（Ma）.
对于莫霍面在各地质历史时期的埋深，本文依据地壳均衡原理（图 3），假设以地下70 km深度为基准，其上承载的压力相等，那么在盆地不断接受沉积的过程中，沉积层不断取代上地壳下部或者中地壳一部分，它由上地幔取代下地壳一部分得到补偿，在盆地受到剥蚀时，过程与之前相反.基于此原理，我们按地壳不同层密度，将其划分为沉积层、上地壳与中地壳、下地壳3层（图 3），地壳各层及上地幔密度[23, 24]如图所示.则由各井基底沉降史，可以得到各地质历史时期莫霍面埋深.
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图 3 计算模型 Fig. 3 The model for isostatic analysis |
巴楚隆起地表实测以及估算的5个点的热流平均值为45.78 mW/m2，根据邵学钟、王良书等[25, 26]对该区地震转换波测深结果以及生热率与波速统计关系研究结果，可以得到巴楚隆起区地壳各层生热率的值（图 3）.则由（1）式可以求得巴楚地区莫霍面处的热流值为19.53 mW/m2.我们根据图 3提供的8层模型，假设上地壳2、3层，下地壳7、8层被取代，其中2、3层平均生热率为0.61 μW/m3，7、8层平均生热率为0.10 μW/m3.则由（2）式可以求得25口井的基底热流值.通过插值，确定了剖面上下边界条件后（图 2），即可以通过求解二维热传导偏微分方程获得热演化史.方程如下：
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(4) |
式中T为温度（K），K为热导率（W/（m·K）），x、z分别为水平和垂直空间坐标（m），ρ为地下空隙介质密度（kg/m3），C为地下空隙介质比热（J/（kg·K）），A为地层生热率（μW/m3），t为时间（s）.
3.2 计算结果与分析模拟研究地区地质剖面及井位分布如图 4所示.图中4条地震测线由南到北经过3个构造区，分别为麦盖提斜坡、巴楚隆起、阿瓦提坳陷，由西到东经过2个构造区，分别为巴楚隆起、塘古兹巴斯坳陷.4条测线上圆圈为虚拟井或钻井的位置及编号，其分层深度数据由钻井、测井以及地震资料获得.每条测线选择7口井，井位如图 4所示，其中2、9、16、25号井分别为康2井、山1井、玛参1井、塘参1井，但都位于巴楚边缘，巴楚隆起内部缺少与测线重合的钻井，我们只能选择虚拟井进行计算，由于测线相交，3口井重合，共25口井.
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图 4 模拟区地质剖面及井位分布 Fig. 4 The locations of the seismic profiles |
巴楚隆起地区4条地震解释剖面构造-热演化结果如图 5所示.剖面显示了各主要地质历史时期地质构造及古地温状况.震旦纪末，各剖面的地温梯度分布横向差异性并不明显，平均为31 ℃/km左右，此后始终保持在此范围缓慢演化，与整个地质历史时期相比，属于地温较高时期，到了晚寒武至早奥陶世，受构造活动影响，地温梯度由南向北逐渐减小，此后剖面进入缓慢的热衰减期.到石炭纪-二叠纪时，剖面又进入下一个热扰动-热衰减的过程，整个区域地温梯度开始增大，二叠纪时再次接近31 ℃/km，受前阶段热扰动的影响，三叠纪时，地温梯度最高达到32 ℃/km.新生代以来，剖面进入了显著的热衰减期，此时地温梯度具有明显的分区特征，剖面各部分差异明显，巴楚隆起地区地温梯度相对较大.
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图 5 巴楚隆起区各剖面构造-热演化史 (a) TLM-Z10;(b) TLM-Z15;(c) TLM-Z20;(d) TLM-L200. Fig. 5 The tectono-thermal evolution of four seismic profiles spanning Bachu uplift |
我们选择剖面上15口虚拟井计算现今热流，其平均值为46.4 mW/m2.由于中新世以来，受南北向强烈挤压作用，并且受色力布亚、吐木休克断裂带控制，巴楚隆起南北两侧邻区迅速沉降，从而引起地温梯度、地表热流下降较快，使得巴楚隆起的侧向热扩散作用较强烈，因此计算地表热流值略大于实测值.
TLM-L200地质剖面与TLM-Z10地质剖面、TLM-Z15地质剖面、TLM-Z20地质剖面相交的三口井，编号分别为5、11、17，其基底沉降、莫霍面埋深及基底热流史计算结果如图 6a、6b、6c所示.图 6d、6e、6f分别显示了巴楚地区15口井的基底沉降、莫霍面埋深、基底热流史计算结果.其中图 6f表明对于沉积盆地，随着密度较小沉积物（与盆地基底之下物质相比）不断沉积，盆地基底不断沉降，在整体稳定沉降的构造背景下，地壳随沉积沉降作用而增厚.但是，在漫长的沉积过程中，地壳受重力均衡调整，深部地幔物质上升，导致莫霍面相对隆起，符合Airy重力均衡的沉积盆地基底与莫霍面的镜像关系.计算表明，古生代期间，巴楚地区莫霍面的两次沉降反映了两次重要的剥蚀事件，剥蚀年代分别为中晚奥陶世（470 Ma~440 Ma）和中晚三叠世-早侏罗世（240 Ma~190 Ma），尤其后者表现更加明显.第二次剥蚀事件之后，该区在构造上基本呈稳定沉降.图 6e表明，总体上，巴楚隆起自古生代以来，随莫霍面抬升，盆地基底之下生热物质减少，基底处热流值相对减小.
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图 6 巴楚隆起各井(位置见图 2)基底沉降、莫霍面埋深及基底热流史 (a)5井; (b) ll井; (c)17井; (d)各井基底沉降; (e)各井莫霍面埋深; (f)各井基底热流. Fig. 6 Basement subsidence, Moho depth and basal heat flow history of three wells located in Bachu uplift (a) No.5 well; (b) No.ll well; (c) No.17 well; (d) Basement subsidence; (e) Moho depth; (f) Basal heat flow. |
由于所采用的回剥技术属反演方法，所得到的现今的分层深度与实测结果一致.而回剥所得到的过去分层深度建立在正确、可靠的原理之上，在资料可靠的前提下，回剥所得到的结果可以认为是正确的.
4 结论与讨论利用4条剖面上15口井各时期地温值计算所得巴楚地区平均地温梯度演化如图 7所示.我们将其与古温标反演结果（据邱楠生，2009）做对比，发现整体趋势比较接近，不同之处在于最大古地温梯度出现时间的差异.受海西运动影响，使巴楚隆起地区地温梯度普遍增高，而深部热扰动传播到地表并达到稳定状态需要一定的时间，因此我们认为巴楚隆起地区最高古地温出现在三叠纪.
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图 7 巴楚地区平均地温梯度演化 实线为18口井处拟合结果, 细虚线给出剖面交点处3口井地温梯度演化, 粗虚线为古温标反演结果(据邱楠生, 2009) Fig. 7 Average geothermal gradient evolution of Bachu uplift Solid line shows the fitting result of 18 wells, thin dotted lines show geothermal gradient evolution of 3 wells located at the point of intersection of seismic profiles, thick dotted lines show the resuk of geothermometers (based on Qiu Nan-sheng, 2009) |
综合我们的计算结果，本文认为，巴楚隆起构造-热演化可以分为以下7个阶段：震旦纪-早奥陶世、中奥陶世-晚奥陶世、志留纪-泥盆纪、石炭纪-二叠纪、三叠纪、侏罗纪-渐新世、中新世-全新世.其构造热演化特点分别讨论如下：
（1） 震旦纪-早奥陶世
塔里木盆地在震旦纪-早奥陶世阶段处于拉张期，岩石圈变薄，底部热物质上涌，因而盆地内地温梯度整体较高.巴楚隆起地区处在被动大陆边缘的浅海碳酸盐岩台地的斜坡部位，其地温梯度平均为31 ℃/km，地表热流高达71.3 mW/m2，受塔里木盆地东部强烈拉张的影响，该区在横向上表现出一定的差异，其中东部略高于西部地区.
（2） 中奥陶世-晚奥陶世
中、晚奥陶世，整个盆地处于挤压阶段，巴楚地区北东方向的满加尔地区，由于前期强烈拉张而导致的低洼地势得到充分沉积补偿.理论证明，当沉积速率小于100m/Ma时，盆地内热是平衡的，当大于此沉积速率时，地温梯度将受到沉积作用的影响，表现为浅层地温梯度降低，而此时北东向的沉积速率多介于300 m/Ma和400 m/Ma之间，明显大于100 m/Ma，因此表现出浅层地温梯度较明显的下降，受此边缘热演化的影响，巴楚地区地温梯度北东向低于南西向，平均地温梯度为29 ℃/km，地表热流值为66.7 mW/m2.
（3） 志留纪-泥盆纪
志留纪-泥盆纪随着塔里木盆地西南缘不断挤压，盆地岩石圈进入到冷却热衰减阶段，巴楚隆起地温梯度有所下降，志留纪末，平均为28 ℃/km，地表热流值为64.4 mW/m2.
（4） 石炭纪-二叠纪
石炭纪-二叠纪，巴楚地区隆起幅度加大，与塔西南坳陷之间开始呈现出斜坡，此时，深部构造热活动开始.早二叠世末，大部分地区隆升剥蚀，晚期由于挤压后效应，隆起的局部地区松弛伸展，张性断裂和基性岩浆活动强烈，在隆起的高部位火山岩沿断裂带发育和分布.受海西运动的强烈影响，巴楚隆起地温普遍增高，二叠纪晚期，其平均地温梯度再次达到31℃/km，相应的地表热流也达到71.3 mW/m2左右.
（5） 三叠纪
三叠纪，巴楚隆起地区长期暴露剥蚀，同时深部构造热活动也进一步加强.在此过程中，巴楚地区温度梯度达到最大，为32℃/km，地表热流高达73.6 mW/m2.
（6） 侏罗纪-渐新世
盆地再次进入缓慢热衰减期，白垩纪中期，巴楚隆起平均地温梯度已经下降到27 ℃/km，平均地表热流为62.1 mW/m2.
（7） 中新世-全新世
中新世-全新世，受亚欧板块和印度板块碰撞的影响，塔里木盆地周缘山系迅速隆起，盆地边缘也形成一系列次级前陆盆地，盆地基底岩石圈向下挠曲较为明显，并且上部堆积了巨厚的沉积物，对底部热流向地表传导产生一定的阻碍作用，使得盆缘地温梯度下降幅度较大.而作为邻区的巴楚地区，由于周缘山脉的负载作用，使得其底部岩石圈相对隆起，但这是一种被动隆起，深部构造热动力上升力不足，隆起的侧向热扩散作用加快了地表热流密度的衰减.巴楚隆起平均地温梯度为20 ℃/km，平均地表热流为46.4 mW/m2.
对于沉积盆地来说，沉积层的热导率一般小于基底岩石的热导率，而生热率则恰好相反，较小的热导率对热流到达地表形成阻碍作用，相反较大的生热率对地表热流有一定的贡献，因此影响地表热流的主要因素就是沉积物的热导率和生热率.在盆地演化历史的不同阶段，它们对盆地地表热流的贡献大小是不尽相同的.模拟结果表明，短期沉积的巨厚沉积物，阻碍作用会占主导，而对于沉积速率相对较小、放射物物质含量较高的沉积物，又能明显地增大地表热流密度.在盆地模拟中，必需尽可能掌握可靠的资料，并且充分考虑到这两种不同的影响.随着资料的不断完善、可靠程度不断的提高，将使结果更加逼近盆地地质历史时期真实状况.
致谢感谢汪集旸院士、胡圣标、何丽娟研究员等在研究过程中予以的指导，感谢邱楠生、刘绍文教授等提供塔里木地热研究相关资料，感谢中石化西北油田分公司在资料收集、样品采集方面提供的帮助.
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