沉积盆地构造热演化模拟的研究进展

沉积盆地构造热演化模拟的研究进展沉积盆地构造热演化模拟是盆地模拟的主要内容之一。构造沉降史与热流演化史构成其两大核心研究内容，在理论基础上，构造热演化模拟依据的是盆地成因的地质地球物理模型；在方法手段上，采用的是数值方法，如有限差分或有限元；在研究尺度范围上，它着眼于盆地形成的岩石圈背景。因而研究的是盆地演化过程中的区域热背景。本文简单阐明热在盆地演化中的作用，构造热演化模拟的研究现状、存在的问题，同时重点讨论未来发展趋势的展望。一、热在沉积盆地演化中的作用热是沉积盆地演化中的重要因素。岩石圈热结构不仅可以直接影响其应力应变状态、流变学性质，还可影响其有效弹性厚度从而影响岩石圈的均衡作用。热在沉积盆地演化中的作用因盆地类型的不同而不同。目前，根据沉降机理盆地可分为三类：一是单一热机理形成的盆地，如大洋岩石圈背离扩张中心运动的冷却与沉陷；二是地壳、岩石圈厚度的变化形成的盆地，如拉张盆地；三是岩石圈加载造成挠曲或弯曲变形而形成的盆地，如前陆盆地。在第一类盆地中，热的作用是直接的。它既是内因也是外因。在第二类盆地中，热的作用在不同阶段呈现不同特征。在拉张期，由于地壳、岩石圈拉伸减薄，在局部或区域均衡作用下，地表产生构造沉降。此阶段，热的作用是间接的，是通过均衡作用来体现的。而在张后期，由于热软流圈物质的上涌，地温梯度抬升，岩石圈原有的热平衡被打破，张后热沉降期也是岩石圈恢复热平衡的时期。此阶段热作用是直接的。因此，此类盆地热的作用是通过影响均衡作用和热作用本身共同体现的。对于第三类盆地，热的作用则是间接的，它主要通过影响挠曲均衡作用来体现，尽管热本身也可作为负载影响盆地的形成。二、构造热演化模拟研究现状沉积盆地构造热演化模拟建立在盆地成因的地质地球物理模型基础之上。目前关于沉积盆地成因演化的地质地球物理模式可分为三类：运动学模型、运动学--流变学模型和动力学模型。沉积盆地成因地球物理模式的研究现状及发展在一定程度上反映着同时也制约着盆地构造热演化模拟的研究现状与发展。三、发展趋势展望从长远来看，在探索盆地形成和演化的物理过程方面盆地动力学模型是必须的。而由于运动学模型和运动学--流变学模型在预测盆地观测特征方面的成功，在沉积盆地构造热演化模拟方面，运动学--流变学模型在一定时期将仍占主流。（1）正演模型的完善许多盆地形成演化都与多种机制的联合作用有关，盆地的构造热演化历史会受到多种因素的复合影响。综合考虑盆地周缘背景对盆地构造热演化历史的影响、盆地多重演化机制对盆地构造热演化历史的影响以及深、浅部因素的叠加对盆地构造热演化历史的影响，将是盆地构造热演化模拟正演模型未来重点发展的方向。盆地形成是板块构造、岩石圈运动在地壳浅部的一种表现形式，盆地的构造热演化历史不仅受盆地本身成因机制的影响，周缘岩石圈背景对盆地的构造热演化也会产生深刻的影响。如，发育在大陆边缘的拉张盆地，与发育在碰撞造山带的拉张盆地，其盆地成因一致，但周缘岩石圈背景却有着巨大差异。这种差异对盆地构造热演化历史也将带来不可避免的差异。研究周缘岩石圈背景，尤其盆山耦合作用对盆地构造热演化历史的影响，有利于突破针对盆而研究盆的传统观念，将为盆地构造热演化模拟方法的创新带来广阔的前景。盆地的演化往往经历多个相同或不同的成因的演化阶段，叠合盆地是我国盆地性质和演化的主要特色。如，中国东部新生代沉积盆地经历了多期拉张，而西部盆地经历了多期挤压甚至一些盆地同时经历了多期拉张与多期挤压。叠合盆地演化历史的复杂性，也给构造热演化模拟提出了更高的要求。另外，由于盆地构造热演化模拟建立在盆地成因的地质地球物理模型之上，其研究尺度为岩石圈尺度，提供的是盆地热演化的区域背景。如何将深部构造因素的影响与盆地浅部影响因素（如沉积、剥蚀、流体和断层等）相结合也是盆地构造热演化模拟未来的发展方向之一。（2）正、反演模型的匹配将构造热演化正演模型应用于实际盆地，模拟实际盆地构造热演化历史时，则需与计算构造沉降量的反演模型相结合。因而，二者在均衡模式的选择上存在是否匹配的问题。构造沉降量计算的经典方法是一维的回剥法，它建立在艾里均衡模式上，其方法简单且可以吻合盆地形态的任何细节。在沉积盆地运动学模型流行时，与回剥法匹配，二者结合完美。但将其与运动学--流变学或动力学模型结合，则在均衡模式上不协调。建立在挠曲均衡模式之上的二维挠曲回剥方法为解决这一矛盾提供了可行性，但它目前还存在两方面的问题：一是如果采用均匀弹性板模型，计算的区域挠曲构造沉降较光滑，在吻合盆地细节方面还存在一定问题：二是如果采用非均匀板模型，正演模型中板的横向非均匀性及其随时间的变化如何在反演模型中体现，使二者相互匹配。这都是未来盆地构造热演化模拟需要研究和发展的方向。四、结语沉积盆地构造热演化模拟的发展依赖于沉积盆地地质地球物理模型的发展。就目前地球科学的发展程度而言，关于纯粹运动学模型的研究已较完善其优势明确，缺点也难以克服，进一步发展的余地很小：运动学--流变学模型在未来相当长时期内将作为主流，在沉积盆地构造热演化模拟中发挥重要作用，另外，运动学--流变学模型还有许多地方有待进一步完善，可发展空间较大；而动力学模型由于其潜在的巨大优势仍将作为基础研究对象，它的发展与完善还有漫长的道路。