辽河盆地新生代多期构造热演化模拟
何 丽 娟
摘 要
针对辽河盆地新生代拉张多期性的特点，提出一种适用于多期拉张盆地构造热演化模拟的纯剪切模型．
该模型考虑了多期拉张的继承性、横向不均匀性以及拉张速率的可变性．
通过几种拉张速率模式的对比，指出拉张速率模式的选择对模拟年轻盆地热演化过程具有重要意义．
最后，利用该模型模拟研究了辽河盆地新生代的构造热演化历史．
关键词
辽河盆地，多期拉张，构造热演化模拟，拉张速率．
MUTIPLE
TECTONO-THERMAL MODELING OF LIAOHEBASIN IN THE CENOZOIC
HE LI-JUAN
(Institute of
Geology, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100029)
In view that Liaohe basin was stretched multiply during the
Cenozoic, a pure shear model is put forward to suit for tectono-thermal modeling of
multiple stretching basins. This model has considered the inheritance of multiple
stretching, the stretching nonuniformity and the variety of stretching rate. By contrast
of several kinds of stretching rate, it shows that selection of stretching rate has
great significance in modeling the evolution process of young basins. In the end, the
model is applied to study the thermal history of Liaohe basin in the Cenozoic.
Key words
Liaohe Basin, Multiple stretch, Tectono-thermal modeling, Stretching rate.
1 引 言
辽河盆地在新生代经历了多期拉张，各期拉张间隔在2.5—27.5Ma之间．
由于拉张时间间隔短，远未达到岩石层热松弛时间（约60Ma），盆地后期热历史必然会受到前期未稳定温度场的影响．
现今热状态是在多期拉张的综合作用下造成的．
盆地热历史具有明显的阶段性、继承性和叠合性．
目前关于拉张盆地的地球物理模式很多，主要有纯剪切［1］、简单剪切［2］及二者的组合模式［3］．
但这些模式均属单期拉张模式，无法适应多期拉张盆地构造热演化历史的研究．
另外，要正确模拟年轻盆地在新生代的构造热演化历史，拉张速率模式的选择至关重要．
目前的两种拉张速率模式：瞬时模式［1］和有限匀速模式［4］，都不利于模拟盆地构造热演化的过程．
本文提出一种适用于复杂演化历史的多期拉张模型，
并应用于辽河盆地新生代构造热演化史的模拟研究．
2
辽河盆地地质、地热概况
辽河盆地为一狭窄的小型拉张盆地，在新生代期间共经历了四期拉张1）：（1）古新世（65Ma），相当于沙河街组四段（简称沙四）沉积时期，盆地第一期拉张；（2）始新世中晚期（37.5Ma），相当于沙三沉积时期，盆地经历第二次拉张．
此期拉张早期强烈，沉降幅度大，后期拉张微弱，沉降幅度小，局部地区遭受剥蚀；（3）渐新世早期（35Ma），相当于沙一、二沉积时期，盆地开始第三次拉张．
该期拉张程度较小，至沙一末期，盆地有所抬升，局部地区遭受不同程度的剥蚀；（4）渐新世中晚期（30Ma），相当于东营组沉积时期，盆地第四期拉张．
该期拉张程度很强，沉降幅度大，以东部凹陷、西部凹陷最明显，沉降幅度达2600m．
早第三纪（22.5Ma）拉张活动基本停止，随着岩石层冷却，盆地进入热沉降阶段．全区区域性下沉，接受了一套河流相沉积，上第三系覆盖在不同构造单元、不同时代岩层之上．
根据中国科学院地质研究所地热室对辽河盆地热流（量）密度（以下简称热流）的研究，盆地实测热流变化范围为43—83mW／m2，平均值为63mW／m2［5］，与中国东部边缘盆地的热背景（60—70mW／m2）1）相一致，属于有相对较高热流的地区．
其地表热流主要受基岩埋深制约．
在宏观上热流高低与区域基底凸起和凹陷相一致． 据文献［5］估计，地幔热流约占表面热流的62%，地壳热流约占38%．
现今热流状态是盆地新生代构造演化的结果．
辽河盆地大地热流表明，它既不同于古老的稳定地区（热流很低），也不同于年轻的活动地区（热流很高），而是具有独特的构造热演化特征．
本文将利用多期拉张模型对辽河盆地新生代构造热演化史进行模拟，从而揭示其热演化特征．
3 模 拟 方 法
3.1 多期拉张模型
这里采用的多期拉张模型（纯剪切）是在岩石层尺度上，采用正演的方法，通过求解二维热传导方程式（1）来模拟盆地在形成演化过程中，构造位移发生变化的同时，温度场和热流在时间、空间上的演化历史．
研究手段是利用有限元方法，在拉格朗日坐标系下，通过网格节点位移的变化来描述模型（岩石层、盆地）形态的演变；通过节点温度来描述模型温度的演变，从而动态地再现模型在拉张演化过程中的构造、热演化史．
(1)
其中，T为温度（℃），K为热导率（W／mK），为密度（kg／m3），c为比热容（J／（kg。K）），t为时间（s），Q为热源（W／m3）．
模型所采用的边界条件为：上边界温度T0＝0℃，深度z＝0km，下边界温度Tm＝1330℃，深度z＝125km，侧边界为绝热边界，即
T／
z＝0．
模型原始温度场（第一次拉张的初始温度场）为稳态场．
考虑到拉张的多期性和继承性，后期拉张的初始温度场取前期拉张结束时的温度场（一般为非稳态分布）．
模型假定与岩石层初始厚度相应的某一深度的温度是固定的［1］，网格划分时，在模型底界预留网格（初始状态时岩石层底界与模型底界重合）．
随着岩石层拉张、减薄，其底界上升，但模型底界保持不变．
在热演化过程中可根据地幔固相线近似确定热岩石层厚度．
拉张系数的计算采用与构造沉降量拟合的方法，即通过与剖面不同区块各演化阶段的总构造沉降量拟合来求取剖面不同区块各期的拉张系数［6］．
3.2 匀减速拉张模式
拉张速率的模式目前有两种：一是McKenzie［1］提出的瞬时模式，另一是Jarvis和McKenzie［4］提出的有限匀速拉张模式．
然而，岩石层的拉张既不可能是瞬时的，也不会是均匀的．
实际情况应介于二者之间．
岩石层由于某种原因在某一时刻突然拉张，初始拉张速率很大，然后随时间减速．
针对这种情况，本文提出第三种拉张速率模式：即假定岩石层初始拉张速度为V0，然后在有限时间内均匀减速为零（图1）．
图1 几种拉张速率模式示意图
Fig.1 Sketch map showing different models of extension rates Vins,Vv,Vc,t0,t1分别代表瞬时拉张的瞬时速率，匀减速拉张的初始速率，匀速拉张的拉张速率，拉张的寝时刻及拉张结束的时刻
图2（a，b）分别给出了3种不同拉张速率模式下地表热流与构造沉降随时间的演化曲线．
可以看出，对同一盆地，在拉张程度和拉张时间相同的情况下，由于所采用的拉张速率模式不同，其热演化过程及结果也大相径庭．
对于经过了相当长演化历史的古老盆地而言，其拉张时间相对于演化时间（包括拉张、拉张后沉降两阶段）很短，此时无论采用何种模式，对其演化过程或最终演化结果影响都不会很大；然而对于拉张时间及演化时间均不长的年轻盆地，其拉张时间虽短，却往往不能忽略，此时采用何种模式对其演化结果也许影响不大，但对真实再现原演化过程却存在一定差异．
因此，拉张速率模式的选择对再现年轻盆地的构造热演化过程十分重要．
图2 热流HF（a）和沉降S（b）随时间演化曲线
Fig.2 Evolution curves of heatflow(a) and subsidence (b)with time
3.3
横向不均匀拉张与剥蚀量的计算
一个沉积盆地往往由许多构造单元组成，这些构造单元的热历史不仅受其本身拉张过程的影响，还会受到邻区拉张过程的影响．
如果用一维模型来研究各单井的热演化过程，虽然也可以将盆地处理为非均匀状态，却忽略了它们之间的相互联系和制约，难免会产生误差或失之偏颇．
而二维多期拉张模型考虑了盆地拉张的横向不均匀性及其对构造热演化史的影响，也不回避，由于侧向热传导造成的盆地或构造边缘的抬升与剥蚀［7］．
图3（a）为一简单的盆地边缘，假定盆地在10Ma内匀减速拉张，由于横向热传导造成的边缘抬升见图3（b）．
既然有抬升，就会有地层剥蚀．
地层剥蚀量的计算对含油气盆地模拟研究具有重要意义．
这里采用的方法是在构造热演化模拟中计算剥蚀量． 模型假定：（1）有充足的沉积物来源，如有沉降，则沉降区立即被沉积物充填；（2）地层若抬升超出海平面则被剥蚀，超出量即为剥蚀量．
模型未考虑海平面的升降及其造成的剥蚀．
图3 盆地边缘随时间的抬升
Fig.3 Sketch map showing the rise of basin margin with time
(a)简单的盆地边缘示意图(b)A—F各点抬升量与时间的关系（A—J各点在拉张前位于同一平面（海平面）上，间距4km，A—J各点拉张系数分别为：βA=βB…=βF=1;βG=1.5;βH=βI=βJ=2;拉张后,A—F点抬升，G—J点沉降）
4 模 拟 结 果
利用上述二维多期构造热演化模型，对辽河盆地穿越东、西凹陷的AB剖面（图4）新生代热历史进行模拟，模型参数见表1．
图4 AB剖面地层
Fig.4 Strata of AB section
N—Q为上第三系及第四系地层：Ed为东营组地层；Es1为沙一地层；Es3为沙三地层；Es4为沙四地层；
N—Q are the strata of the later Tertiary and the Quaternary ;Ed is the stratum of
Dongying;Es1 is the stratum of Sha-yi;Es3 is the stratum of Sha-San;Es4 is the stratum of
Sha-si.
表1 参数表
Table 1 Table of parameters
等,辽河盆地构造-地热演化与油气形成,课题研究报告,中国科学院地质研究所,辽河石油勘探开发研究院,1995