1、地温场与热史恢复石油有机成油论干酪根有机成油论有机质未成熟60-180摄氏度 油裂解为气小于60摄氏度 大于180摄氏度生成石油地温场与热史恢复地温场的一般知识不同盆地类型地温场及演化特征热史重建构造热演化法古温标法结合法地温场的一般知识地温场的一般知识1.热源热源A 地幔热源（地幔热源（60%），变化性，变化性B 放射性元素生热放射性元素生热(40%),稳定性稳定性(10Km厚结晶岩表层厚结晶岩表层)C 其他热源，随机性（其他热源，随机性（火山作用，构造作用，化学热火山作用，构造作用，化学热）2.热源的传输持续时间热源的传输持续时间据据 Lachenbruch 的估算：对于的估算：对于100
2、 km的岩石圈，一般热的岩石圈，一般热传输持续时间为传输持续时间为50-100 Ma，因此，岩石圈具有相对较高因此，岩石圈具有相对较高的热惯性，背景热状态持续的时间可与含油气系统的寿命的热惯性，背景热状态持续的时间可与含油气系统的寿命期相当，所以，确定现今热状态作为起点，反推解释油气期相当，所以，确定现今热状态作为起点，反推解释油气形成时的可能热状态通常是合理的。形成时的可能热状态通常是合理的。t=r2/4a，a=32大陆大陆地壳软流圈大洋大洋岩石圈中间层相界低速带莫霍面100500厚度（km)地地球球的的主主要要分分层层及及其其流流变变学学分分界界(Allen,1990)地温场的一般知识3.
3、地温场的形成机制A 热传导型地温场（控制区域地温场）B 热对流型地温场（增温型，冷却型），造成局部异常C 热辐射对地温场的影响：只影响地表温度依靠物体中的微观粒子的热运动传递能量的过程叫热传递由于流体从空间某一区域移动到另一温度不同的区域时，发生的能量转移的过程由电磁波来传递能量的方式叫热辐射地温场地温场稳态地温场非稳态地温场如果地温场中各点的如果地温场中各点的温度不随时间而变化，温度不随时间而变化，则称其为稳态地温场则称其为稳态地温场如果地温场中各点的如果地温场中各点的温度随时间而变化，温度随时间而变化，则称其为非稳态地温场则称其为非稳态地温场仅用简单的数理模型即仅用简单的数理模型即可进行定
4、量描述和计算可进行定量描述和计算数理模型复杂，不一定有数理模型复杂，不一定有解析解，只有数值解解析解，只有数值解地幔增温带（内热带）恒温带（中性带）变温带（外热带）地表主要受太阳辐射的影响而发生的主要受太阳辐射的影响而发生的日变化、月变化、年变化等日变化、月变化、年变化等地球内热和太阳辐射热的平衡地带，地球内热和太阳辐射热的平衡地带，一般很薄，可视为一个面一般很薄，可视为一个面主要受地球内热的影响。一般主要受地球内热的影响。一般而言，越向深处，温度越高而言，越向深处，温度越高地表浅层的温度场结构地表浅层的温度场结构地温梯度：G：为地温梯度；为地温梯度；T：为深度为为深度为H出的温度出的温度；T
5、o：为地表平均温度（或恒温层）；为地表平均温度（或恒温层）；H：为深度为深度。100HTTGo大地热流：dHdTKqK：为热导率；dT/dH：为地温梯度；单位为毫瓦/平方米（mw/m2），这是目前国际通行的单位，它与以前的热流单位HFU(Heat Flow Unite)的关系是1HFU=41.86（mw/m2）,1HFU=1微卡/平方厘米 秒;式中式中“-”号表号表示热流方向与地示热流方向与地温梯度方向相反温梯度方向相反HoHTTHKdHqTTHKdHqdTKdHqdTo00)()(或采用或采用离散形式离散形式的值。及按最小二乘法可求得若有一组观察值qTniKHTKHqTToiiiiio),.
6、,)(,(321qnkHnTTTnTTkHnTkHqiiioiiiiiiii2211)(布拉德法布拉德法（适用于稳定地温场）（适用于稳定地温场）由热流公式，有参数的最小二乘法估计niinktjiniyyxyQXYXYQj1212112)()(亦即考虑既有关系：的最小二乘法估计量。为这时参数的点估计。作为达到最小值的寻求使得iikkQ .,.,2121值。可由一正规方程组求出由jjnktjinktjiQxyxyjkj ,min).,(,012112121最最小小二二乘乘法法原原理理热传导方程热传导方程.1热传导方程的导出热传导方程的导出 考察空间某物体考察空间某物体G的热传导问题，以函数的热传导
7、问题，以函数u(x,y,z,t)表示物体表示物体G在位置在位置(x,y,z)处及时刻处及时刻t的温度。的温度。据据Fourier定律，物体在无穷小时段定律，物体在无穷小时段dt内流过无穷小内流过无穷小面积面积ds的热量的热量dQ与物体温度沿曲面法线方向的方向导数与物体温度沿曲面法线方向的方向导数 成正比，即成正比，即 nudsdtnutzyxkdQ),(在G内任取一闭曲面内任取一闭曲面 ，所围成的面积记为，所围成的面积记为 ，则从，则从t1t2流进流进此曲面的全部热量为此曲面的全部热量为dtdsnuzyxkQtt 21),(曲面的外法向导数另外，另外，由于流入的热量使物体内部发生变化，在时间间
8、隔由于流入的热量使物体内部发生变化，在时间间隔t=t1-t2内（假定内（假定t2t1),物体内点（物体内点（x,y,z）处的温度，由处的温度，由吸收热量为内则有在为比热为密度；假定：温度差为升为 121221tttctzyxutzyxutzyxutzyxu),(),(),(),(dxdydztzyxutzyxucdsdtnukdxdydztzyxutzyxuzyxzyxcQtt),(),(),(),(),(),(121221 从而有dxdydzdttucdtdxdydzzukzyukyxukxdsdtnuktttttt)()()()(212121 假设假设 u关于变量x,y,z具有二阶连续偏导
9、数，关于t具有一阶连续偏导数，利用奥-高公式，有改变积分次序，可得到021dtdxdydzzukzyukyxukxnuctt)()()()()()(zukzyukyxukxnuc 的任意性，可有和由于21tt,上式称为非均匀的各项同性体的热传导方程。上式称为非均匀的各项同性体的热传导方程。),22222222222222zuyuxuazuyuxucknuackck（，有为常数，记及如果物体是均匀的，即 如果内部有附加热源，设单位时间内单位体积中所产生的热量为F(x,y,z,t),则有 ctzyxFtzyxftzyxfzuyuxuatzyxFzuyuxuanu),(),(),(),()其中，（2
10、2222222222222齐次非齐次前述原理与方法仅实用于较简单的一维稳定地温场。对于非稳定地温场，则需要用更复杂的方程来描述。以三维非稳定地温场为例，可用斯托曼方程（Stallman,1963）描述：tTcTvzTvyTvxcqzTyTxTkrrzyxwwo )()()()(222222热导率水的密度和比热容附加热源或汇岩石的密度和比热容上式包含上式包含3 3方面：传导方面：传导+附加附加+对流对流tTcqzTyTxTkrro)(222222若不存在热对流，有若不存在热对流，有kqzTyTxTo222222若为稳定地温场，则为Poisson方程（椭圆方程）若附加热源为零，则有0222222z
11、TyTxTLaplace方程（调和方程）0222222zTyTxTT即用哈密顿算符，有02 T岩石的热导率岩石的热导率定义：单位时间内流过单位面积的热量与温度梯度负值之比。定义：单位时间内流过单位面积的热量与温度梯度负值之比。)(dZdTAdtdQK热导率的因次为:（能量）（时间）-1（距离）-1（温度）-1。在地学研究中通常使用两种单位：法定计量单位和TCU单位。两种单位因次和换算关系如下：法定单位(w/mk)；常用计量单位(TCU)(cal/cm cal/cm s s o oc c)or(mcal/cm/cm s s o oc c)1TCU=0.4186w/m k,1TCU=1mcal/c
12、m cm s s o oc c 1 w/mk=2.388TCU AALCCLllAALCt=0lt/8ltC-CrustL-LithosphereA-AsthenosphereT(0C)T(0C)T(0C)1333 0C1333 0C1333 0C莫霍面以上莫霍面以上古滕堡古滕堡面以上面以上l一维热流方程一维热流方程22ZTDtTT：古地温；Z：以岩石圈底界为原点，直至地表的垂直坐标；t：以拉张发生时间为零，至今的时间；D：岩石圈的热扩散系数0 lZtZT),(mZTtT 00),(边边界界条条件件初初始始条条件件mtTtZT 0),()(),(lZTtZTmt10 111lZ)()(110l
13、Z解热流解热流(热传导热传导)方程，可得岩石圈的温度分布方程，可得岩石圈的温度分布)exp(sin)sin()()(),(tnlZnnnnTlZTtZTnnmm211121）热流：表（立叶定理很快可求得地为热松弛时间。根据傅其中lZDl22 )exp(sin)(1221nmtnnnlkTtq 思考题：怎样由T(Z,t)T(Z,t)求得求得q(t)q(t)？当扩张开始当扩张开始t=0,当当t趋于无穷时，地表由于岩石圈冷却收缩趋于无穷时，地表由于岩石圈冷却收缩沉降到最终的深度，其间，地表相对于这个深度的高度为：沉降到最终的深度，其间，地表相对于这个深度的高度为：)(exp)(sin)()(0220
14、1212121240nwmtnnnnTlte )(te)(e)(0e因此，盆地的热沉降为：因此，盆地的热沉降为：)()(teeSt0ALCCLllLCt=0l(l-tc)/scsc8ltT(0C)T(0C)T(0C)1333 0C1333 0C1333 0Cll-tctctc/ccl/L LlrLC-CrustL-LithosphereA-Asthenosphere温度温度生生烃烃率率TmaxdtTTIttT0101052)(计算出计算出TTI值后，建立值后，建立TTI与与Ro 的对应关系。的对应关系。Welte 和和Yukler（1981）提出的通用模型为：提出的通用模型为：Ro=1.301
15、*lg（TTI）0.5282BASIMS系统采用利用实测结果进行分段线性回归的办法。系统采用利用实测结果进行分段线性回归的办法。)/()(exp1111201kkkkikikiikTTttIIfF式中，fi 第 i种反应的权系数，I=1，2，。，20；Iik 见下式；tk 某地层底界的第k个埋藏点的埋藏时间，Ma；Tk 某地层底界的第k个埋藏点的古温度，0C。式中，式中，A 频率因子频率因子，其值为其值为1*1013S-1 Ei 活化能，活化能，kcal/mol；R 气体常数，气体常数，1.986cal/（mol*K）；）；a1=2.334733，a2=0.250621，b1=3.330657
16、，b2=1.681534 2)/(1)/(2)/(1)/(1)/exp(22bRTEbRTEaRTEaRTERTEATIkikikikikikik109876543i fi Eii fi Ei111215161718190.0713140.0438400.04420.050.0544200.060.040.050.050.060.06540.030.020.020.016466687072565860620.060.040.0446485052120.030.033634 只能依据盆地构造性质、构造演化历史进行推测。盆地类型：拉分盆地构造演化：经历了两个断陷一坳陷构造旋回。0.0050.001
17、00.00Geological Age(Ma)2.503.502.003.004.00Gradient(c/100m)2.503.502.003.004.00 )ln(nItFDisD 11)ln(nItFDisD 11裂变径迹真实年龄、表观年龄的关系图（1）裂变径迹年龄真实年龄开始退火退火带将每个恒温段、t内新生成的径迹划为具有相同退火史的一组。求出各组今天的：平均长度la 长度分布y(l)rllTrbatTrbattaiieqiiieq01)()ln()()ln(等价时间)(exp.)(22214321Slllya式中 y(l)该组径迹中长度为 l 的径迹条数 S 该组径迹分布的标准偏差，
18、实验数据表明，S随 la的减小而增大，用最小二乘法拟合成双曲线为：S=1/（0.0986la-0.22）温度史 径迹退火轨迹 拟合效果对比 径迹年龄曲线热史计算技术热史计算技术基于地球热动力学法基于地球热动力学法属地球物理学模拟范畴属地球物理学模拟范畴缺点：缺点：模型不同得到的模型不同得到的计算结果不同计算结果不同实例：实例：北海盆地热北海盆地热流计算结果流计算结果Falvey:Q过去过去Q0说明：仅靠模型而脱离有效的独立检验，不可能利用计算结果的资料说明：仅靠模型而脱离有效的独立检验，不可能利用计算结果的资料镜质体反射率作为热指标镜质体反射率作为热指标反射率和折射率系数的物理定律表明，浸在折
19、射系数为n0的油中，折射系数为n的镜煤的反射界面正反射的单色光强度R由下式给出2020)()(nnnnR镜煤为固体，其固体折射率n由经典Lorents-Lorents公式给出12121)()(wngwNgn分子数密度分子结构因子，取决于频率，可取正或负1式2式由以上两式可知，当no一定时，R值的大小是由分子数密度的变化引起。当R随埋深增加而增加时，实际是由分子数密度增加所至。该关系可由一级动力学方程来描述：/)(exp)(TRTENkdtdNchem0T=T(z,t)/()(0TTRTETEM通常将E(T)写为下式式中：EM为常数，描述基本的分子键能能，T(T/T0)项描述温度每增加T0 度时
20、，反应速率的指数变化（本质上是由于光量子的激化随温度升高，减弱键强度的碰撞过程）3式4式假定所有的镜煤反射率样品开都具有相同的分子数密度No，则可利用制备的近似为零（0）的镜煤反射率测量值来确定参数Nog(w)。假定地表的镜煤反射率为R*，通过R*可以确定其折射系数n*，公式如下：)/()(212111RRnno6式获得n*后，通过Lorents-Lorents公式，将n*代入该式，即有)/()()(2122nnwgNo5式不妨假定分子数密度N在知道No的情况下，两者有关系),()(iottfNtNf是分数数密度,f满足微分方程fztRTEztTkdtdfM),(/),(exp07式8式)(,
21、(/)(,(expexp),(dttztRTETtztTkttfMottii0dttztRTETtztTttTTIMottii)(,(/)(,(exp),(定义),(exp),(iittTTIkttf0则有9式10式11式当 时，可近似计算如下：%5R)()()(),(2121202020012120RzRnnntTTIkii实际上，不可能测量出R*，因为在地表的R*值不可能被测量，R*在方程建立中的假定是理论需要。但是，我们可以测定相对浅埋深Zl处的镜煤反射率Rl，这个反射率Rl通过方程与R*相关：)()()(),(2121202020012120RzRnnntTTIkll13式12式用12
22、式减去13式，有)()()()(),(),(21212020200121200lilizRzRnnntTTItTTIk14式如果不知道反应速率常数，则取处的镜煤反射率（对单井而言为井底深度），可定义如下形式的VITTI)()()()(),(),(),(),()(maxmax212121210000llilliizRzRzRzRtTTItTTItTTItTTIzVITTI15式)()(),(),(),(),()(maxmax212121210000llilliiRzRRzRtTTItTTItTTItTTIzVITTI10102121VITTIzzVITTIRzRVITTIilimax)(，即有当
23、，即有当16式另外，对于12式，如果改写为)(),(21210RzRtTTIii niiniitTTIRzR1121210),()(对于一组数据量很大的井，可用下式来确定已有经验表明05020.R范围内。若已知R*上式为17式18式10002121112121RzRtTTItTTIRzRtTTIjjniiniij)(),(),()(),(19式由上式可推出niijniijRzRRzRtTTItTTI121212121100)()(),(),(*20式通常定义上式左端为niijjtTTItTTItINORM100),(),()(右端为niijjRzRRzRzVITTI121212121)()()
24、(*22式21式采用最小二乘法，通过下式可求得最佳热流值21njjjtINORMzVITTISS)()(23式上式可以用来推断热流地质时间。dttztRTETtztTttTTIMottii)(,(/)(,(exp),(由dtTTTTtTTIAottii)/exp(),(0有24式Toth等（1984）经过实验数据分析，对TA和T0给出了如下数据项。往可忽略，因而在实际计算中往，且有最大值。时，即在地表时，当，TTTTTTTTKTKTKTAAAA701063280400100704 dtTTtTTIottii)/exp(),(0zozKdztQTztT0)()(),(其中T由下式定义25式26式
25、问题：上式中的计算出后的合理性何在，怎样界定它的正确性？问题：上式中的计算出后的合理性何在，怎样界定它的正确性？途径：找到使之计算出的途径：找到使之计算出的INORM(tj)与实测的与实测的VITTI(zj)差值尽可能小差值尽可能小的热流函数的热流函数Q(t)。取取MSR(Mean Squared Residual)作为拟合好坏的度量作为拟合好坏的度量)(log210nnSSMSR解此高度非线性最小二乘问题的初始算法涉及5维参数的空间的最速下降法。Toth等（1984）曾给出过TA和T0的大概值。其在几口井获得了较好的热流函数Q(t)对镜煤的良好拟合。但对很多井没有找到。27式Q(t)=Q0+
26、Q1t+Q2t2+Q3t3Q(t)=Q0+Q1t+Q2t2Q(t)=Q0+Q1tQ(t)=Q0+Q2t2Q(t)=Q0(1+t)古热流函数的形式Q(t)=Q0Exp(t)Q(t)=Q0(1+t)是一非常理想化的线性形式，漫长是一非常理想化的线性形式，漫长的地质过程很难满足。它不能描述火成岩的侵入和不的地质过程很难满足。它不能描述火成岩的侵入和不整合面发生侵蚀等突发性热事件。整合面发生侵蚀等突发性热事件。缺点缺点不指望在较长时间内热流是均匀变化的，可以设不指望在较长时间内热流是均匀变化的，可以设想某一地质时间段内的热流可能是均匀的。将长时期变想某一地质时间段内的热流可能是均匀的。将长时期变为短时
27、期，将非均匀变为均匀来处理。为短时期，将非均匀变为均匀来处理。扩展扩展思想思想分段处理，各段中是线性函数不同，但是线性分段处理，各段中是线性函数不同，但是线性均匀的，各段边界上热流是连续的。均匀的，各段边界上热流是连续的。古热流函数的扩展形式QoQ(t)1Q(t)1Q(t)n+1Q(t)nQ(t)2t0tn+1t1tnt21 1 n+13 32 2nQ(t)3Q(t)2Q(t)n+1Q(t)n.利利用用分分段段线线性性计计算算古古热热流流第一层：第一层：第第n+1层：层：第二层：第二层：Q(t)2=Q0(t)1(1+2 2t)；t2 t t1Q(t)1=Q0(1+1 1t)；t1 t t0Q(t)n+1=Q0(t)n(1+n nt)；tn+1 t tn.Q(t)n+1=Q0(1+1 1 t)(1+2 2 t)(1+n n t)(1+n+1 n+1 t)；tn+1 t tn.t=t-t0开始数据输入Well i i，i=1,2,3结束=j j记录j jMSRmin否？所有井计算完否？i=i+1计算MSRNoNoYesYes拟拟合合计计算算古古热热流流概概略略框框图图dzzktQtTtzTzs0)(1)()(),(bktbbdttzTtbkI0200/)22),(exp()(0T(z,tb)22)(/)()(/)(2101121211121RRRRtbjItbkInjojonjok
