松辽盆地中央坳陷区中-新生代岩石圈厚度演化.pdf

岩石圈厚度演化为揭示深部动力学过程提供依据和重要信息。本文通过恢复松辽盆地中央凹陷区典型单井的热历史，利用实测的热物性参数和前人所确定的地壳分层结构，基于地热学相关理论计算了松辽盆地中新生代主要地质时期的“热”岩石圈厚度。研究表明，松辽盆地中央凹陷区热流演化有两个阶段：1）晚白垩世逐渐升温阶段，此期间热流逐渐增加，最终在白垩纪末期达到最大热流值；2）新生代以来的热流衰退阶段，此阶段构造活动相对稳定，大地热流在此期间逐渐减少，现今热流平均为 78.2 mW/m2。松辽盆地岩石圈厚度在早白垩世为 42 km 左右，白垩世末期降低至 36 km 左右，现今岩石圈厚度增加至 55 km。这主要是由于在侏罗纪白垩纪时期，中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中，地壳和岩石圈伸展减薄，导致白垩纪末期岩石圈减薄，此后盆地整体处于拗陷构造发育期，岩石圈再次增厚至现今的 55 km。本文的研究成果初步揭示了松辽盆地中新生代岩石圈演化的过程，为松辽盆地深部动力学过程提供依据，并具有重要的科学意义。关键词岩石圈厚度热流热历史中新生代松辽盆地中图分类号：P314.2文献标识码：A文章编号：0563-5020（2023）03-798-12岩石圈厚度研究目的是获取深部热动力学特征与过程信息，这些信息对理解岩石圈地球动力学演化具有重要意义（徐岩等，2010；左银辉等，2015；邱楠生等，2017；Zhang et al.，2018）。前人已通过大量的深部地球物理资料，探讨过松辽盆地现今岩石圈厚度（张广成等，2013；李长波等，2014；李英康等，2014；Zhang et al.，2014；韩江涛等，2018；符伟，2019），总体认为松辽盆地岩石圈厚度为 4065 km，平均约为45 km，深度变化由中部向东西两侧变厚。由于松辽盆地岩石圈经历了伸展期、裂解期、拆沉期和增长期的动力学过程，岩石圈厚度比周边山岭岩石圈厚度薄近 100 km。*油气资源与探测国家重点实验室开放课题基金项目（编号：PRP/open2101）、中国博士后科学基金项目（编号：2022T150110）和黑龙江省博士后资助经费项目（编号：LBHZ20007）资助。付健，男，1989年生，博士，讲师，油田地质学专业。Email：刘雨晨，女，1991年生，博士，副教授，石油地质学专业。本文通讯作者。Email：2022-02-10收稿，2023-02-27改回。4付健3期付健等：松辽盆地中央坳陷区中新生代岩石圈厚度演化799根据地震探测资料和布格重力异常数据，前人对松辽盆地地壳的分层结构进行了研究，认为上地壳厚度为 1013 km，中地壳厚度为 1015 km，下地壳厚度为 7 km。符伟（2019）通过一条过井近南北向的深地震反射剖面，以及对地震剖面的分析，表明松辽盆地上地壳底界在 1518 km 之间，莫霍面埋深在 3234 km 之间。李英康等（2014）通过分析大兴安岭地区的二维速度结构，表明松辽盆地上地壳埋深在 11.314.2 km之间，中地壳的埋深在 19.024.2 km 之间，下地壳的埋深在 32.436.2 km 之间。前人大量研究集中探讨了现今岩石圈厚度，但松辽盆地中新生代主要地质时期的岩石圈厚度的研究相对较少，特别是从地热学角度研究岩石圈厚度演化几乎为空白。本文通过恢复松辽盆地中央凹陷区典型井的热历史，利用实测的热物性参数和前人所确定的地壳分层结构，基于地热学相关理论计算了松辽盆地中新生代主要地质时期的“热”岩石圈厚度，研究成果可以为松辽盆地地球动力学等基础研究提供依据。1区域地质概况松辽盆地位于中国东北部，为中新生代复合沉积盆地，盆地面积约 2.6105km2。根据基底形态、主要断裂、构造变形和沉积物分布特征，可划分为 6 个一级构造单元（分别为西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起带）、32个次级构造单元和 130个局部构造。沉积地层主要包括白垩系、古近系和新近系地层（图 1b）。松辽盆地以松花江、嫩江和拉林江为地理边界，可分为北部的大庆油图 1松辽盆地南部构造单元划分和研究井分布（a，b），松辽盆地地层综合柱状图（c）红色圆圈代表热历史模拟的研究井，黑色圆圈代表岩石圈厚度演化的研究井Fig.1Division of tectonic units and distribution of research wells in the south of Songliao Basin（a，b）and comprehensivestratigraphic histogram of the Songliao Basin（c）7994付健地质科学2023年800田探区和南部的吉林油田探区两部分。南部中央凹陷可进一步划分为红岗阶地、长岭凹陷、扶新隆起带和华子井阶地 4个次级构造单元。本次研究的取样井主要位于南部中央凹陷区（图 1a）。根据盆地的沉积历史、断块运动、火山活动和热演化特征，盆地的构造演化可分为热隆升的拉张裂谷期、沉降期和构造反转期（胡望水等，2005；葛荣峰等，2010）。火石岭组（K1h）登娄库组（K1d）为拉张构造阶段，该时期松辽盆地进入以裂陷作用为主导的构造运动时期，形成断陷盆地群（张学娟等，2012）；泉头组（K1q）嫩江组（K2n）为热沉降阶段，厚度为 1 0003 000 m，以河流、湖相砂岩、泥岩和页岩为主。青一段和嫩一段、二段发育优质泥岩和页岩，厚度约为 60400 m，是主要的烃源岩；四方台组（K2s）明水组（K2m）沉积期为构造反转阶段，盆地开始萎缩反转，反映了盆地裂谷后沉降过程中隆起和剥蚀。2盆地热历史模拟2.1埋藏史恢复沉积盆地埋藏史恢复是沉积盆地热历史恢复的关键。自晚白垩世以来，松辽盆地南部在嫩江组末期和明水组末期发生了两次主要构造侵蚀事件（郭巍等，2009；付晓飞等，2020），并相应发育了两条不整合面，即四方台组与下伏嫩江地层的不整合面和明水组与上覆大安组不整合面。前人依据声波时差法计算得到研究区不同构造单元典型单井剥蚀量。嫩江组和明水组末期侵蚀量分别为 100300 m 和 200500 m，侵蚀量自东向西逐渐减小，这主要是由于太平洋板块晚古生代时期向西俯冲作用的影响。在获得剥蚀量基础上，依据中石油吉林油田所提供的完井报告、地层厚度、地层顶底深度、岩性、物性等参数，应用 Basinmod 软件恢复了松辽盆地南部长岭凹陷典型单井埋藏史（图 2）。图 2中央坳陷区 H258井埋藏史和热史模拟结果Fig.2Burial and thermal model of the H258 well in the central depression of Songliao Basin8004付健3期付健等：松辽盆地中央坳陷区中新生代岩石圈厚度演化8012.2热历史恢复本次研究主要利用等效镜质体反射率为约束条件，采用古热流法进行热史恢复。利用古热流法重建热历史主要是对剥蚀量和古热流两个变量拟合，因此如果其中一个变量比较准确，另一个变量的反演结果就相对精确。主要步骤如下：首先依据调研明确各个时期的剥蚀量，依据中国石油吉林油田分公司提供的完井报告，确定地层厚度、地层顶底深度、岩性、物性等基础地质参数，并假设古地表温度为 20；然后在盆地构造地质背景的基础上，假定一个热流随时间变化的演化历史，采用平行化学反应模型（EASY%Ro）计算出 Ro 值；最后反复修改假定的热历史，以使构造层内实测 Ro 值与EASY%Ro理论模型计算值达到最佳拟合，则认为此时得到了能正确反映盆地构造热演化过程的热历史。本次研究测试了松辽盆地南部 14口井的 50个镜质体反射率（Ro）值。青一段镜质体反射率值范围为 0.99%1.36%（平均为 1.17%），典型井的热历史模拟结果如图 3所示，实测镜质反射率与模拟镜质体反射率达到最佳匹配，表明模拟结果是可靠的（Opera etal.，2013；Mohamed et al.，2016）。总的来说，松辽盆地中央坳陷区典型井的 tT 热路径（图 3）表明，所有样品在白垩纪晚期沉积后首先经历了整体升温阶段，随后是白垩纪晚 期 至 现 今 的 缓 慢 冷 却 阶 段。白 垩 纪 时 期，受 太 平 洋 板 块 间 歇 性 西 向 挤 压 作 用（Kuskyet al.，2016；Songet al.，2018；Wang et al.，2020），松辽盆地南部沉积地层发生小规模侵蚀事件。早白垩世至晚白垩世时期，研究区快速沉积，最大沉积速率约120 m/Ma，晚白垩世时期青一段最大埋深达到 2 400 m 左右，该阶段地温梯度约为 50/km，青一段最高温度达到140。因此，在白垩纪末期温度和大地热流达到最大（图 2），这一结果也与前人利用磷灰石裂变轨迹所得出的结论一致（Cheng et al.，2018；Song et al.，2018）。利用了同样的方法恢复了松辽盆地南部中央凹陷区 3口井晚白垩世以来的热历史。总体而言，松辽盆地南部的热流演化有两个阶段：1）晚白垩世逐渐升温阶段，此期间热流逐渐增加，最终在白垩纪末期达到最大热流值；2）新生代以来的热流衰退阶图 3松辽盆地南部典型单井热流演化史研究结果（据 Liu et al.，2021修改）Fig.3Heat flow history of the typical wells in the south part of Songliao Basin（modified after Liu et al.，2021）8014付健地质科学2023年802段，构造活动相对稳定，大地热流在此期间逐渐减少，现今大地热流为60.1100.7 mW/m2，平均为 78.2 mW/m2。3“热”岩石圈厚度演化3.1“热”岩石圈厚度计算原理与参数热岩石圈是指通过热传导传递热量的岩石圈层，下部为以热对流为主的软流圈（Morgan，1984）。热岩石圈厚度主要是利用一维稳态热传导方程得到岩石圈温度随深度变化的曲线，该地温线与两条地幔绝热线相交所对应的深度被定义为“热”岩石圈厚度的上下限（Artemieva and Mooney，2001；Zang et al.，2002）。在某一深度 Z，两条地幔绝热线的计算上限 T1公式（1）和下限 T2公式（2）如下：T1=1200+0.5()km Z()km（1）T2=1300+0.4()km Z()km（2）计算岩石圈的厚度和热结构需要一些热物性参数和地质参数。岩石的热物性参数包括热导率（K）和生热率（A）。地质参数包括地层数据、地壳厚度和岩性数据，下面分别对热物性参数和地质参数的选取进行分析。（1）岩石热物性参数松辽盆地岩石热物性参数通过实验测试和前人研究成果获得，并构建了不同构造单元岩石热物性参数模型（表 1）；其中沉积盖层的热物性参数为本次研究的实测值。本次研究选取了 30 口钻井的 150 块岩心样品，进行热导率和生热率的测试。取样井主要位于扶新隆起带、华字井阶地、红岗阶地以及长岭凹陷等地区；涉及层位包括泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组地层，岩性包括砾岩、含砾砂岩、粉砂岩、泥岩等。采样岩性及层位均较为齐全，并在区域空间上有较好的控制。松辽盆地岩石热导率范围集中于1.32.6 W/（m K），平均值为1.96 W/（m K），其中砾岩的热导率较高，为2.29 W/（m K）；砂岩与泥岩的热导率平均值相差不大，主要分布于 1.882.19 W/（m K）之间，角砾岩热导率最小，为 1.35 W/（mK）（图 4a）。此外，分别计算了不同构造单元沉积盖层的平均热导率，不同构造单元沉积盖层的热导率差别不大，主要分布于 1.92.2 W/（m K）之间（表1）。上地壳、中地壳、下地壳和地幔热导率，分别为2.3 W/（m K）、2.5 W/（m K）和 3.4 W/（mK），其中，上地壳的热导率由左银辉等（2013）和邱楠生等（2017）文献中数据所确定，深部热导率引自 Rudnick et al.（1998）所测得的数据。松辽盆地沉积盖层岩石生热率介于 0.421.35 W/m3之间。生热率主要取决于岩性，泥岩中放射性元素铀、钍、钾的含量较高，造成泥岩生热率最高，平均为1.2 W/m3；而砾岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩的热导率相对较低（图 4b）。不同构造单元沉积盖层的生热率主要分布于 1.151.30 W/m3（表 1）。针对深部地层的生热率，由于无法直接测得，可以利用地震波速与生热率之间的关系来确定，上、中、下地壳的平均生热率分别为 0.51 W/m3、0.48 W/m3，0.01 W/m3（黎广荣，2007）；岩石圈地幔生热率取常8024付健3期付健等：松辽盆地中央坳陷区中新生代岩石圈厚度演化803数，为 0.03 W/m3。（2）地壳分层结构地壳的分层结构主要通过地震波的波速确定。上地壳的波速较高，为 6.26.3 km/s；中地壳速度结构较为复杂，主要由上、下两部分组成，上为低速介质，下为高速介质，平均速度6.16.26 km/s；下地壳波速变化较大，由西向东逐渐降低，约为4.755.25 km/s。表 1地壳结构模型中使用的地质参数及热物性参数Table 1Geological parameters and thermophysical parameters used in the crustal structure model地区长岭凹陷红岗阶地华字井阶地扶新隆起带构造层沉积盖层上地壳中地壳下地壳上地幔沉积盖层上地壳中地壳下地壳上地幔沉积盖层上地壳中地壳下地壳上地幔沉积盖层上地壳中地壳下地壳上地幔厚度/km888823888720787718777716生热率/（W/m3）1.180.510.480.10.031.150.50.460.090.031.20.510.490.090.031.30.530.480.10.03热导率/（W/（mK）2.12.32.52.53.41.92.32.52.53.422.32.52.53.42.22.32.52.53.4当层的热/（mW/m）9.444.083.840.856.849.243.680.6358.498.44.083.430.6368.469.13.713.360.776.13上表面的热/（mW/m）7565.5661.4857.6456.847666.862.859.1258.498576.672.5269.0968.469383.980.1976.8376.13图 4松辽盆地不同岩性热导率与生热率分布直方图Fig.4The distribution histogram of thermal conductivity and heat generation rate of different lithologies in Songliao Basin彩页8034付健地质科学2023年804研究认为上地壳厚度为 1516 km，其中顶部盖层较厚，达 68 km，中地壳厚度约9 km，下地壳厚度变化较大，泰康与大庆间最厚，为 89 km，哈尔滨阿城间最薄，仅 5 km 左右（张广成等，2013；李长波等，2014；李英康等，2014）。因此，依据前人的地壳分层结构研究，建立了松南地区不同构造单元的地壳分层结构（表 1）。其中，长岭凹陷地壳厚度最大，约为 32 km，扶新隆起带地壳厚度最小，为 28 km。3.2现今热岩石圈厚度计算结果本文根据现今热流值、地壳分层数据以及岩石的生热率和热导率等参数，计算了松辽盆地南部热岩石圈厚度及岩石圈热结构。研究区的热岩石圈计算表明，研究区不同构造单元现今热岩石圈在4455 km之间，其中扶新隆起带热岩石圈平均厚度为44 km，华字井阶地热岩石圈厚度为 47 km，红岗阶地热岩石圈厚度为 51 km，长岭凹陷热岩石圈厚度为 55 km，可见热岩石圈厚度在中央坳陷区具有东薄西厚的特点（图 5），这与前人利用地震勘探资料所得到的岩石圈厚度是一致的（李孟奎等，2018）。长岭凹陷、红岗阶地、华字井阶地、扶新隆起带地壳放射性生热对地表热流的贡献分别为18.16 mW/m2、17.51 mW/m2、16.54 mW/m2、16.87 mW/m2，分别占地表热流的 24.2%、23.0%、19.5%、18.1%。从地表热流中减去地壳热流得到对应的地幔热流，分别为56.8 mW/m2、58.5 mW/m2、68.5 mW/m2、76.1 mW/m2（表 1），占地表热流的 75.8%、77.0%、80.5%、81.9%，说明地幔热流对地表热流的贡献更大，具有冷壳热幔的特征（图 5）。3.3中新生代岩石圈厚度演化依据前文所示的典型单井热流演化史研究结果，本文研究了中央凹陷区南部主要地质历史时期的岩石圈厚度演化特征（图 6）。其中，主要地质历史时期为早白垩世末期图 5松辽盆地中央坳陷区不同构造单元地壳温度分布曲线及地壳分层模型现今地壳分层参照前人研究成果，各截面的热流贡献（单位为 mW/m2）在旁边显示，沉积层顶部的地表热流为各区域的平均热流值Fig.5Crustal temperature distribution curves and crustal stratification models of differenttectonic units in the central depression of Songliao Basin彩页8044付健3期付健等：松辽盆地中央坳陷区中新生代岩石圈厚度演化805彩页（100 Ma）、晚白垩世末期（65 Ma）、新近纪末期（2.8 Ma）以及现今。结果显示，早白垩世末期（100 Ma），“热”岩石圈厚度为 42 km 左右；晚白垩世末期（65 Ma），“热”岩石圈厚度为 36 km 左右；现今“热”岩石圈厚度为 55 km。由于本次研究没有获得侏罗系和下白垩统层系的样品，因此不能恢复侏罗纪至早白垩世期间的热历史和岩石圈厚度演化。根据盆地所在的大地构造背景和深部动力学过程，松辽盆地在侏罗纪白垩纪时期，中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中，地壳和岩石圈伸展减薄，导致白垩纪末期岩石圈厚度仅为 36 km 左右，此后盆地整体处于拗陷构造发育期，岩石圈再一次增厚至现今的 55 km左右（图 6）。4讨论4.1不同热流值计算的岩石圈厚度的差异对于相同地区，利用不同热流值所计算的岩石圈厚度存在差异。松辽盆地现今大地热流在 38.9111.2 mW/m2之间，平均值为 78.9 mW/m2。盆地热流的区域变化展现出盆地中央地区热流高，边缘低的特点。中央坳陷区大地热流值较高，在76.4111.2 mW/m2之间，平均值为 84.0 mW/m2。其中，扶新隆起带热流值最高为 93 mW/m2，其次为华字井阶地、红岗阶地和长岭凹陷。根据热流值计算出扶新隆起带热岩石圈最薄，平均厚度为 44 km，长岭凹陷热岩石圈厚度最厚，为 55 km，热岩石圈厚度在中央坳陷区具有东薄西厚的特点，说明中央凹陷区东部构造活动强于西部。图 7为岩石圈厚度与地表热流的关系，结果表明岩石圈厚度与热流值近似呈负相关。岩石圈厚度与热流值间的线性拟合关系为 y=-0.59x+98.67。当地表热流从 93 mW/m2减小到 90 mW/m2时，岩石圈厚度从 44 km 增加至约 46 km。因此，地表热流值的准确性可以决定“热”岩石圈厚度计算的准确性。本研究岩石圈厚度计算选用的热流值为多井计算的平均热流值。计算的岩石圈厚度与前人研究成果高度一致（李孟奎等，2018），说明本研究计算的岩石圈厚度是准确的。4.2区域地质构造对岩石圈厚度的影响盆地所在的大地构造背景和深部动力学过程对岩石圈厚度演化产生重要影响。在侏罗纪时期，中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中，地壳和岩石圈伸展减薄（徐义刚，2004；徐岩等，2010；韩江涛等，2018），同时由于受到古太平洋板块向西高速俯图 6松辽盆地不同地质时期“热”岩石圈厚度图Fig.6Thermal lithospheric thicknesses ofSongliao Basin in different geologic periods8054付健地质科学2023年806冲作用（Song et al.，2018；Wang et al.，2020），引起大规模的软流圈热物质流被动上涌，进而诱发了一系列大规模中酸性岩浆构造活动（云金表等，2003；葛肖虹等，2007）。此外，由于构造运动导致盆地内发育丰富的基底断裂和地壳断裂，如盆地中央的孙吴双辽断裂带为松辽盆地内部大型基底断裂带，为地幔热物质上升至盆地内部提供了主要流体通道（刘晨璞等，2016；韩江涛等，2018）。因此，在侏罗纪白垩纪时期，松辽盆地经历了强烈的区域伸展作用和岩石圈减薄，并发育丰富的基底断裂和地壳断裂，造成深部地幔热物质沿着基底断裂运移至浅部，岩石圈底部发生明显热扰动，导致岩石圈减薄。此后，随着断陷构造的消亡，岩浆活动大为减弱，深部热源上涌程度下降，古热流逐渐衰退，盆地整体处于拗陷构造发育期，岩石圈增厚，地幔热流构成了地表热流的主要组成部分，松辽盆地现今具有“冷壳热幔”的热结构特征。5结论（1）松辽盆地中央凹陷区热流演化有两个阶段：晚白垩世逐渐升温阶段，此期间热流逐渐增加，最终在白垩纪末期达到最大热流值；新生代以来的热流衰退阶段，此阶段构造活动相对稳定，大地热流在此期间逐渐减少，现今热流平均为 78.2 mW/m2。（2）松辽盆地南部现今热岩石圈厚度在 4455 km 之间，并具有东薄西厚的特点。其中扶新隆起带热岩石圈最薄平均为 44 km，其次为华字井阶地和红岗阶地，热岩石圈厚度分别为 47 km和为 51 km，长岭凹陷热岩石圈厚度为 55 km。（3）松辽盆地岩石圈厚度在早白垩世为 42 km 左右，白垩世末期降低至 36 km 左右，现今岩石圈厚度增加至 55 km。这主要是由于在侏罗纪白垩纪时期，中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中，地壳和岩石圈伸展，导致白垩纪末期岩石圈减薄，此后盆地整体处于拗陷构造发育期，岩石圈再一次增厚至现今的 55 km。参考文献符伟.2019.深反射剖面揭示的松辽盆地北部深部结构、动力学背景与油气远景（博士学位论文）.长春：吉林大学.1111.Fu Wei.2019.Deep Structure，Dynamic Background and Hydrocarbon Prospect of Northern Songliao Basin：Revealed by图 7“热”岩石圈厚度与地表热流的关系Fig.7The relationship between the lithospheric thickness and the surface heat flow8064付健3期付健等：松辽盆地中央坳陷区中新生代岩石圈厚度演化807Deep Seismic Reflection Profile（PhD Thesis）.Changchun：Jilin University.1111.付晓飞，石海东，蒙启安等.2020.构造和沉积对页岩油富集的控制作用以松辽盆地中央坳陷区青一段为例.大庆石油地质与开发，39（3）：5671.Fu Xiaofei，Shi Haidong，Meng Qi an et al.2020.Controlling effects of the structure and deposition on the shale oilenrichment：Taking formation qn1in the central depression of Songliao Basin as an instance.Petroleum Geology&Oilfield Development in Daqing，39（3）：5671.葛荣峰，张庆龙，王良书等.2010.松辽盆地构造演化与中国东部构造体制转换.地质论评，56（2）：180195.Ge Rongfeng，Zhang Qinglong，Wang Liangshu et al.2010.Tectonic evolution of Songliao Basin and the prominenttectonic regime transition in eastern China.Geological Review，56（2）：180195.葛肖虹，马文璞.2007.东北亚南区中新生代大地构造轮廓.中国地质，34（2）：212228.Ge Xiaohong and Ma Wenpu.2007.MesozoicCenozoic tectonic framework of southern Northeast Asia.Geology in China，34（2）：212228.郭巍，于文祥，刘招君等.2009.松辽盆地南部埋藏史.吉林大学学报（地球科学版），39（3）：353360.Guo Wei，Yu Wenxiang，Liu Zhaojun et al.2009.The burial 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