沉積盆地深層—超深層成巖動力學：若干研究進展與專屬問題

李忠

1.中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

0 引言

沉積成巖動力學，即有關盆地沉積物埋藏成巖（或流體—巖石作用）過程與驅動機制的分支學科，是盆地動力學的重要內容[1]，至今方興未艾。另一方面，化石能源及諸多礦產資源的形成分布與成巖過程密切相關，尤以油氣資源最為典型，相關研究吸引了大量成巖學家（diageneticist）的關注和投入，這不僅開拓了成巖作用研究的新領域，并由此促使分別始于20 世紀70 年代中期的“現代成巖作用”和20 世紀90年代的“流體—成巖動力學”研究的興起[2-3]。

近二十年來，盆地深層—超深層愈來愈多的發現展現出了極好的油氣及相關資源勘探潛力[4-8]，并已成為中國油氣勘探開發的重要戰場[9-12]。然而，深層—超深層涉及大量成巖動力學未知領域，理論認識滯后，勘探風險加劇。換言之，與成巖相關的成烴—成儲—成藏等油氣形成分布的理論認識問題已經成為進一步深層勘探的瓶頸[13]。為此，近年來相關研究持續投入，進展顯著，但任重道遠。在《沉積學報》創刊40 周年之際，就（油氣）盆地深層—超深層沉積成巖作用研究作一分析和評述，探討研究對策及發展趨向，這無疑具有學術和應用意義。應該指出，在深層—超深層沉積成巖領域，近年來的研究工作是多方面的，以下主要結合作者及合作者的工作，針對具有深層—超深層（具體界定參見文獻[13]和表1）特色的、與動力學研究和認識密切相關的領域進行梳理，并對前沿問題即深層—超深層專屬性問題提出我們的思考。

表1 深層—超深層盆地疊合樣式與構造—熱演化效應Table 1 Superimposed styles and tectonic-thermal evolution effects of deeply to ultra-deeply buried basins

1 深層—超深層油氣盆地類型及源—儲巖石特征認識進展

1.1 盆地類型及產出特征

統計表明（圖1），全球最具油氣勘探潛力的盆地，其對應充填厚度一般較大，主要為被動陸緣、前陸/撓曲、內克拉通（疊合）盆地，這也是目前認知深層—超深層油氣產出的主要盆地類型，而其他諸如裂谷/裂陷、走滑等盆地也有少量深層—超深層油氣產出。

圖1 全球各類盆地最大沉積厚度分布（灰圓圈）及其與我國主要盆地（紅五星）的對比最大沉積厚度分布據[14]；注意我國主要油氣盆地因其疊合屬性相關歸類僅供參考Fig.1 Distribution of maximum depositional thickness in various basin types (gray circle) and its comparison with major basins in China (red star)

總體上看，深層—超深層盆地類型和油氣產層時代具有如下特征：（1）新元古界等古老層系的深層—超深層儲層，主要產出于克拉通（疊合）盆地，極少見于前陸盆地、裂谷/裂陷盆地、走滑盆地、被動陸緣盆地；（2）古生界深層—超深層儲層，主要產出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，極少見于裂谷/裂陷盆地、走滑盆地、被動陸緣盆地；（3）中—新生代的深層—超深層儲層，主要產出于前陸沖斷帶、被動陸緣，以及裂谷/裂陷和走滑盆地；極少見于克拉通（疊合）盆地[15]。這說明，深層—超深層油氣與盆地世代和類型有關，究其本質就是有機—無機物對一定盆地溫度—壓力/應力—流體—時間演變耦合作用的成巖響應。

與全球不同類型盆地統計對比（圖1），我國相關盆地充填厚度總體偏大。究其原因，可能與地域構造特色有關，即多期疊合埋藏特征顯著，盆地存在明顯歸類問題，如塔里木盆地并非單一的內克拉通盆地。但也正是上述疊合及其相關延遲成烴—多期成儲—多期/晚期成藏特點，造就了我國部分盆地的深層—超深層存在巨大油氣勘探潛力。

1.2 油氣源—儲巖石組構特征

碳酸鹽巖、碎屑巖/砂巖、泥質巖是油氣源—儲巖石的主要端元類型（組成和物性演變分類），其總體組成分別對應物理（性質）穩定—化學（性質）不穩定、物理穩定—化學穩定、物理不穩定—化學不穩定特征，但實際組構或成因類型要復雜得多，并制約成巖物性演變。

對全球儲集空間類型的半定量統計表明，碳酸鹽巖孔、洞、縫等多介質儲集結構類型發育，而碎屑巖（砂巖為主）相對單一（圖2）。相比較中淺層，深層—超深層儲集空間結構類型存在特殊性?？傮w上，隨深度增大，大孔、洞明顯衰減，而與裂縫（含擴溶）有關的儲集結構類型增多，尤以巖溶型碳酸鹽巖最為典型（圖2a）。非巖溶型碳酸鹽巖儲層的儲集結構類型相對單一，其深埋演化與砂巖類似，只是在成因上次生溶蝕孔、裂縫及擴溶孔隙占比可能相對略高（圖2b），其壓溶—蠕變相關的成巖產物豐度較高。

圖2 巖溶型碳酸鹽巖（a）、砂巖（b）與泥質巖（c）孔隙類型和豐度的深埋演變示意圖以低地溫盆地為例；礫間粗孔與細孔（a）的孔徑分界線定為6 cm[16]Fig.2 Schematic diagrams showing deeply buried evolution of pore types and abundance in (a) karst carbonate;(b) sandstone;and (c) mudstone rocks

雖然大多數深層—超深層碎屑巖始終以粒間孔為主，但與裂縫（含擴溶）有關的儲集結構類型顯然不容小覷（圖2b），尤其在超深層，這類儲集結構類型對巖石滲透性的作用至關重要。需要說明的是，圖2給出的孔隙相對豐度是一個半定量的、綜合性的巖石大類評估，不針對特定地區的儲層巖石類型（亞類或種類）。

對于不同時代的盆地而言，深層—超深層儲層產出的巖石和儲集空間基本類型具有如下特征：（1）新元古代等古老層系的深層—超深層儲層，以碳酸鹽巖為主，孔、洞、縫多介質儲集類型組合發育，極少見碎屑巖類型；（2）古生代的深層—超深層儲層，碳酸鹽巖、碎屑巖（砂巖為主）兼有，前者多介質儲集類型組合發育；但碎屑巖主要產出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，孔隙型儲集類型發育；（3）中—新生代（特別是晚中生代—新生代）的深層—超深層儲層，碳酸鹽巖、碎屑巖（砂巖為主）兼有，前者多介質儲集類型組合發育，局部克拉通、伸展盆地中可發育孔隙型儲集類型；但前陸沖斷帶、裂谷/裂陷以及走滑盆地深層—超深層以碎屑巖儲層居多，縫孔型、孔隙型儲集類型發育[15]。

另一方面，作為源—儲一體的巖石類型，泥質巖/頁巖已經愈來愈受到學界關注。已有大量巖石學與巖相學研究表明，泥質巖/頁巖由多種源于盆外和盆內的組分構成，盆外來源的成分主要包括富含鉀的黏土礦物、碎屑石英、鈉長石、鉀長石、云母和巖屑碎片等，其中砂質到泥質大小的頁巖碎屑（頁巖巖屑）可以在數百至數千千米的推移質運輸中保存下來。而盆內組分主要包括生物硅質異化粒（海綿骨針和放射蟲）、凝集有孔蟲、磷酸鈣類球粒、富含黏土的球粒、有機礦物集合體、內殼和其他生物鈣質異化粒等。值得一提的是，還有一系列成因復雜的高含水量懸浮絮體、底質凝絮體、撕裂內碎屑、成土團聚體等。顯然，主要由泥質巖/頁巖構成的烴源巖具有復雜的沉積機理和組構類型，不僅如此，愈來愈多的研究指出，烴源巖除了其特色的有機成巖作用外，也存在與儲集巖類似的諸多無機成巖作用以及相關有機—無機成巖過程，前者是以往關注研究的焦點，后者大部分研究主要針對中淺層（多小于3 000 m）頁巖氣或頁巖油開展[17-20]，對深層—超深層則認知缺乏。

泥質巖/頁巖孔隙類型主要包括與原生礦物基質相關的粒間和粒內孔隙、與有機質相關的有機質孔隙、橫切基質和顆粒的裂縫孔隙，以及成巖改造和/或次生孔縫，其深埋演變顯然不能完全獨立于碳酸鹽巖和碎屑巖（砂巖為主），但也具有諸多特性：（1）與砂巖相比，更多盆內成因組分特別是（微）生物/有機組分介入成巖作用；與碳酸鹽巖相比，更多盆外成因碎屑組分介入成巖作用，相關物質來源、交換和反應機制特殊；（2）與砂巖相比，原生基質孔隙（含有機孔）、裂縫及擴溶孔一般更為發育，但因巖石中黏土礦物組分總體偏高，抗壓實性能弱，因而原生粒間孔隨深埋更快速地減少（圖2c）；（3）由于源—儲一體，相關尺度的有機—無機成巖作用類型豐富，層內溶蝕和膠結作用較強，穿層流體—巖石作用相對偏弱。此外，深層—超深層條件即多源—多相態流體介入、高溫高壓對有機質演變和生烴的影響是不可忽視的，加之體系組分和邊界條件的特殊性[21-22]，相關有機—無機成巖機制和效應研究遠未認識。

2 深層—超深層流體活動屬性和效應認識

深層—超深層流體（含烴流體）屬性？是否存在有效的流體活動？深層—超深層是否存在顯著的成巖和物性建設性改造？這是成巖動力學研究的基本問題。

2.1 流體活動屬性

盆地深埋演化中溫壓增大會導致地層骨架壓縮，滲透率顯著降低，從而影響地質介質的水力特性；另一方面，隨地層埋深增加，溫壓不斷上升，地質流體本身的物理屬性將發生變化。就水而言，在溫度和壓力不斷增大且共同影響的環境條件下，至少在盆地尺度將始終保持液態而無相態變化，但密度和水動力黏度顯著減小，因此在深部地層環境中流體運動所需克服的黏滯力大大降低（圖3）。

圖3 塔里木盆地中部奧陶系碳酸鹽巖孔隙流體物理性質隨埋深的變化（數據源自文獻[15]）（a）流體密度；（b）流體動力黏滯系數；（c）滲透率；（d）等效滲透系數；滲透率快速、慢速衰減公式分別參考文獻[23-24]的經驗公式Fig.3 Changes of pore fluid properties of Ordovician carbonate rocks with burial depth in the central Tarim Basin (data from reference[15])

結合流體屬性與介質特征分析不同埋藏階段的儲層流體滲流特性（圖3），發現滲透率快速衰減情況下[23]，等效滲透系數在淺埋階段急劇降低；埋深進一步增大后等效滲透系數緩慢增加，但由于地層介質本身的滲透性很低，因此深層—超深層中地下流體的流動性仍弱于淺部地層。而當滲透率慢速衰減情況下[24]，深層—超深層流體等效滲透系數將在相當空間范圍內出現增大趨勢，即流體滲流由于運動黏滯系數的減小而增強。

應該指出，大部分砂巖等效滲透系數隨埋深的變化與上述“慢速衰減”模式類似[15]，因此其深層—超深層也不乏較強的流體活動性。

2.2 流體化學類型及其活動效應

盆地流體類型可以按照來源、活動方式、化學組分以及溫壓/埋深環境進行分類[13]。就化學組分而言，深層—超深層酸性流體的產率問題一直是油氣盆地關注的熱點，因為它是制約成巖流體環境并導致原生孔隙（洞）深埋保持和次生孔隙生成的關鍵。

烴源巖中干酪根被認為是儲層油田水中有機酸的主要母源，干酪根受熱脫羧基是有機酸形成的主要方式。依據相關實驗模擬手段[15]，新的研究考慮了三類生烴有機質的分子結構差異，構建了分類有機酸生成模型（圖4a，b）。I 型和II 型有機質生成有機酸高峰在生油窗晚期、凝析氣—濕氣生成階段之前；III型有機質生成有機酸時間略早，遠早于生氣高峰。相對于Surdamet al.[25]和Mazzullo[26]提出的概念模型，這一研究實測數據更加真實可靠。

圖4 烴源巖和儲層內有機酸及無機酸生成的綜合模式（據文獻[15]修改）（a）烴類演化定量模式；（b）烴源層有機酸演化的定量模式；（c）碎屑巖儲層中有機酸及無機酸的生成演化序列；（d）碳酸鹽巖儲層中有機酸及無機酸的生成演化序列Fig.4 Integrated models of organic and inorganic acid generation in source rocks and reservoirs (modified from reference [15])

除了干酪根脫羧機制，有模擬實驗證實，在高溫條件下烴類與砂巖中含鐵氧化物的反應能將烴類氧化成小分子有機酸[27]；熱化學硫酸鹽還原反應（TSR）改造原油和天然氣，也可產生大量的H2S 和CO2。此外，深層儲層內還存在水解歧化反應，該反應利用水作為電子接受體，在高溫環境下緩慢氧化烴類產生有機酸，使得深層有機酸產量可以維持一定水平[28-29]。

研究指出，碳酸鹽巖和碎屑巖的組構特征差異顯著，其烴水巖反應生成有機酸存在不同序列（圖4c，d）。當儲層抬升暴露地表時，喜氧細菌是控制有機酸生成的主要因素，此時烴類被大量降解成有機酸。隨儲層埋深增加，厭氧細菌開始發揮作用，但整體而言厭氧細菌對烴類的改造效果較弱。這兩種方式在碳酸鹽巖和碎屑巖儲層理應沒有大的差異。在深層各類烴水巖反應包括礦物氧化、TSR和水解歧化作用主導了有機酸的生成。顯然，充注原油和巖石礦物的氧化還原反應主要發生在氧化性礦物豐富的砂巖中，熱化學硫酸鹽還原反應主要發生在靠近膏巖層位的碳酸鹽巖中。而水解歧化反應從模擬實驗的結果來看，反應速率受制于圍巖中含鐵礦物的組成和含量，其產生的有機酸及無機酸在砂巖中相對較高。

另一方面，對于碳酸鹽巖而言，流體—巖石作用對溫壓環境及封閉性條件極其敏感，因此深層—超深層流體活動效應與中淺層明顯不同。與壓力相比，溫度對化學反應的影響更加顯著（圖5a）。此外，溫度還直接影響碳酸鹽巖礦物或氣體等組分在地質流體中的溶解度，并驅動礦物溶蝕或沉淀直至新的平衡狀態。

圖5 （a）方解石溶解/沉淀反應平衡常數（K）隨溫度、壓力的變化關系（據文獻[30]修改）；（b）塔里木盆地鷹山組碳酸鹽巖孔隙流體在不同pH 條件下Ca2+平衡濃度與埋深的關系（數據源自文獻[15]）Fig.5 (a) Relationship between the equilibrium constant (K) of calcite dissolution/precipitation reaction with temperature and pressure (modified from reference [30]);(b) relationship between pore fluid Ca2+ equilibrium concentration and burial depth of the Yingshan Formation carbonate rocks,Tarim Basin,for different pH conditions (data from reference [15])

對于淺部來源的大氣降水、沉積流體，在流體向下運移過程中，升高的溫度使得Ca2+平衡濃度降低，從而導致碳酸鈣沉淀析出；但當該流體遠離飽和狀態時，即使溫度升高，流體仍具備對碳酸鈣的溶蝕能力，此時外來流體的注入會導致孔隙度的增加。而深部來源的流體溫度較地層相對較高，即使該流體為碳酸鈣飽和狀態，在流體上移過程中仍具備一定的侵蝕性。以大氣水對塔里木盆地鷹山組碳酸鹽巖影響為例（圖5b），鈣離子平衡濃度在1 000 m 內呈指數衰減，而從1 000 m 至6 000 m 范圍內的減小程度有限；一般在埋深不超過400 m 時，不同pH 條件鈣離子的平衡濃度差異較大，但隨著埋深增大，不同pH 的鈣離子平衡濃度差異較小。換句話說，大氣水巖溶的有效、規模發育深度（距地表或不整合面）一般不超過400 m，深層發育大氣水巖溶作用的可能性極??；但深層—超深層對淺層巖溶的保存則取決于前述深埋過程中的平衡狀態和反應速率，特別是外源流體的介入將使得這一過程復雜化，而這又恰恰是深層—超深層疊合盆地普遍發育的特征過程。

3 深層—超深層成巖動力體制認識

流體活動是盆地沉積成巖及其非均質演變的核心動力，而其動力體制的驅動要素包括熱場、應力場（含重力場）、化學場[13]，與盆地類型及其演化階段密切相關。

3.1 盆地（構造）應力—熱體制

（構造）應力—熱體制是決定盆地尺度深層—超深層成巖效應的基礎，前人對單旋回（單型）盆地的應力—熱體制已有較多論述[31-32]。研究認為，深層—超深層油氣藏發育的單旋回盆地主要為被動陸緣、前陸/撓曲成因，且基本為中新生代盆地[15]；單旋回的克拉通盆地沉積一般不可能形成深層—超深層埋藏，但古老的克拉通往往呈現多期、多類型疊加復合的特點。

對于多數前中生代古老的深層—超深層油氣藏而言，其盆地成因類型及應力—熱體制實際上很難簡單界定，因此一些諸如復合、疊合等含有復雜成因含義的術語被用來描述這類盆地，但這種描述對于深層—超深層成巖—成藏動力體制而言顯然是籠統的。有鑒于此，主要針對盆地中下構造層，依據盆地深埋路徑和熱流、構造應變過程、時間等變量的歸納分析，可將主要疊合盆地的深層構造—熱演化環境劃分為穩定、低、中、高熱流深埋等四種基本類型（表1）。一般而言（尤其砂巖），低熱流深埋型盆地最有利于深層—超深層油氣儲層規模發育，中熱流深埋型盆地次之，高熱流深埋型盆地罕見（圖6）。

圖6 不同地溫與世代背景下砂巖儲層孔隙度深埋演化路徑分異樣品選擇構造應變較弱的、不發育早期基底式膠結的中細粒長石石英砂巖或巖屑石英砂巖；孔隙度數據引自作者未刊和前人[15]資料；地溫梯度取晚中生代以來平均最高值；注意地溫梯度近似背景下孔隙度深埋演化分異與盆地世代的可能關系（時間效應）Fig.6 Variation of deep burial evolution path of sandstone reservoir porosity for different geothermal and time frameworks

埋藏中晚期構造—熱活動趨于活躍，這是我國三個主要克拉通單元（塔里木、揚子、華北）及相關克拉通疊合盆地的深層—超深層碳酸鹽巖儲層構造演化的共性，但其活動屬性、構造—流體作用過程又各具特色。這類盆地中晚期構造—熱活動雖有趨于活躍的因素，但大多以轉換構造呈現（尤其盆地中部），應變表現不明顯，加之資料分辨率等問題，制約了對深層—超深層構造疊加效應、主控過程及驅動機制的認識；此外，與深層—超深層溫壓環境有關，如異常流體壓力導致巖石應變強度的銳減[33]將顯著影響巖石破裂和構造變形樣式，而這方面的解析實例和認知也非常有限。

大量研究顯示，深層—超深層規模油氣藏既有層控成因特征，也與埋藏中晚期構造活動趨于活躍、斷裂改造/構造成巖發育密切相關。事實上，無論是盆地尺度還是局域尺度，構造應變與巖石非均質性的成因關系均普遍存在[34-38]。因此，構造應變與流體—巖石作用相互關系認識的缺乏，將難于完整揭示盆地流體—巖石作用的時空結構[39]。

3.2 盆地差異成巖效應

有機—無機成巖作用可以簡單地劃分為封閉、開放兩類端元體系，盡管自然界半封閉—半開放體系比比皆是?；诘刭|解析和地球化學實驗—數值模擬，以往對封閉或相對封閉體系的有機—無機成巖—成儲模型的認識相對成熟，但大多是針對中淺層的；而對于開放或相對開放體系，其復雜性和認識難度顯而易見，雖然也有諸多研究[40-42]，但總體上多數模型在系統性和實證性等方面仍有待完善，其爭議或論證焦點表現如下。

（1）盆地深層—超深層是否存在大規模流體活動和作用效應？坦率地說，目前多數的認識是否定的[43-44]，即多數研究認為深層—超深層規模儲層發育主要緣于“保持機制”，而非“次生改造”，其最主要的推論依據就是對深層存在大規模流體源、充足有機酸及其輸運效應的質疑。

（2）深層—超深層如果存在大規模流體活動，其活動方式和流體—巖石作用機制是什么？顯然，也有相當數量的研究成果提出了深層—超深層存在重要流體活動和有機—無機作用效應的證據[25,34,45-47]，其中斷裂構造活動、異常高壓囊（振蕩性）開啟等被認為是重要驅動力，但對其盆地動力學屬性、演變類型、構造—流體輸導作用的規模及相關質量平衡考量，目前仍然缺乏有效評估。

盡管爭議尚存，但基于前人及作者的研究，有兩點基本事實理應給予重視：其一，盆地深層儲層內有機酸含量可以維持一定水平；其二，深層—超深層高溫高壓條件下流體的動力黏度將發生顯著變化，不僅如此，深層可能發育超臨界流體，其活動性和溶解度的顯著增大已經得到部分實驗模擬證實[48-49]。因此，針對實際地質記錄重新解析和考量深層—超深層流體活動規模是必要的。

4 深層—超深層高分辨成巖記錄表征和判識技術進展

與中淺層相比，深層—超深層成巖研究面臨諸多技術瓶頸，如多期次疊加改造、多介質孔洞縫或孔縫強非均質體系發育、連續巖心極少、大樣品難以獲取、直接探測難以實施、常規處理效果失真等。因此，技術進步是推動深層—超深層成巖研究的必由路徑。

4.1 高分辨成巖記錄表征

針對深層—超深層多期次疊加成巖改造、樣品稀缺等問題，一系列無損、原位、高分辨成巖記錄檢測技術已經得到開發應用。

在常規光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測基礎上，多光譜連用技術和（整合式）光電關聯顯微技術進一步實現了高分辨成巖記錄表征。例如，將X 射線能量色散光譜與陰極射線發光成像對比檢測硅質、鈣質、鐵質等成巖礦物組構細節；激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）和掃描電子顯微鏡（SEM）相結合，檢測細粒巖石的納米至毫米級的微結構；采用微傅里葉變換紅外光譜（micro-FTIR）識別黏土和極細粒成巖組構[50]；在白光、藍光、二次電子（SE）和背散射電子（BSE）條件下使用熒光—電鏡關聯顯微技術（CLEM），改進極細?；|（含有機質）組構的高分辨光學和SEM圖像識別[51]。

多尺度數字巖心技術，特別是3D 微米X 射線顯微鏡（微米CT）、場發射掃描電鏡（FE-SEM）、自動礦物分析電鏡、聚焦離子束—掃描電鏡（FIB-SEM）雙束系統、聚焦離子束—氦（氖）離子顯微鏡（FIB-HIM）三束系統等，實現了巖石組構檢測的無損化，分辨率也實現了從1 mm到0.5 nm、從二維到三維的跨越，并有助于多尺度成巖組構表征。另一方面，發展基于人工智能的不同分辨率的CT圖像的組分識別，結合多尺度數字巖心組構表征[15]，將可能實現快速、升尺度的成巖非均質性建模。

4.2 古成巖環境原位檢測分析

原位同位素和微量元素示蹤、原位同位素年代學檢測技術，大大提高了深層—超深層古流體—成巖環境分析的精度，并使得成巖事件定量化分析水平顯著提高。如基于雙離子源多接收器二次離子質譜儀（SIMS）的原位硫同位素測試，有助于刻畫混合成因的黃鐵礦的流體環境和形成機制；基于SIMS 的原位微區碳氧同位素檢測，以及基于激光剝蝕等離子質譜儀的U-Pb 同位素和微量元素檢測，正在逐步實現碳酸鹽礦物成巖世代和古流體屬性的快速認知；而將原位U-Pb同位素年代學與團簇同位素熱年代學技術結合，還可以定量識別碳酸鹽礦物重結晶過程[52]。

此外，激光拉曼光譜為分子振動光譜，是物質分子成分及結構分析有效的非破壞性分析技術。顯微共聚焦激光拉曼光譜具有微觀、原位、分辨率高等特點，在油氣盆地成巖記錄中，拉曼光譜分析可以應用在原位流體包裹體成分分析、固體有機質熱演化程度、白云石有序度及其成巖溫度、壓力恢復等研究中[15]。

5 深層—超深層成巖動力學的研究前沿及展望

埋藏—熱演化、構造應變、介質物理化學屬性是決定盆地充填物演變流體動力環境的基本地質要素（圖7）。然而，深層—超深層沉積巖經歷了相對高溫高壓環境的洗禮，其專屬性基礎問題才是相關成巖動力學值得探究的前沿。

圖7 沉積盆地成巖動力學系統框架（關注構造—熱體制驅動的多源流體—巖石相互作用）Fig.7 A framework of diagenetic geodynamic systems in sedimentary basins (focussing on structurally and thermally driven multi-source fluid-rock interactions)

1）流體相態問題

盆地深層存在多種流體來源，有機—無機成因疊加，特別是含油氣盆地，在“油氣窗”深度范圍內的多組分、多相態或多介質流體問題，一直是學界熱議的話題。然而，由于其復雜性和流體復原技術的瓶頸，認識的局限性突出，爭議不斷。

目前的實驗研究跡象顯示，盆地深層多相流體化學親和力增大[53]、界面張力減小，均一相可能發育，這無疑將抵消或部分抵消物性變差對流體活動性的不利影響。換句話說，由于深層油—氣—水混溶、黏度降低，將可能改變深層油氣的運聚形式[13]。

顯然，流體作用貫穿于成烴—成儲—成藏全過程，盆地深層演化時期長，不同尺度的流體活動樣式復雜[54]，而我們對深部流體相態、屬性與作用類型知之甚少，極大地制約了對深層規模高效儲層改造機制與形成分布的認識。因此，相關前沿基礎研究值得重視。

2）巖石物理屬性演變問題

沉積巖在其成巖演變過程中大多是介于固體與液體之間的黏彈體，其巖石物理屬性（彈性、塑性、黏性等），特別是應力—應變或流變學行為顯然會受到溫壓流等環境因素的影響，并呈現復雜的非線性特征或線性—非線性轉換。但以往相當長的研究中，這種影響在盆地尺度并未獲得重視，或者說在此尺度上的環境因素效應（特別是溫—壓方面）多認為是可以忽略不計的。

然而，相關領域的一些認識仍然值得關注。Connollyet al.[55]結合實例對溫度相關的黏彈性壓實開展了數值模擬研究，認為大多數沉積盆地的近地表壓實狀態以靜水流體壓力為特征，因此完全由沉積物基質流變學決定。在這種情況下，壓實最初由黏彈性流變模型很好地描述。隨著深度的增加，沉淀—溶解過程則將導致熱激活的黏性變形的發育（圖8）；在潘諾尼亞（Pannonian）盆地的研究表明，頁巖和砂巖孔隙度分別低于10%和25%時，黏性壓實就可能起主導作用。

圖8 沉積巖孔隙度Φ（a）、有效壓力Pe（b）、局域Deborah 數De 和水力參數ω（c）、e 倍黏性長度ι（d）的深度剖面示意圖（據文獻[55]修改）pe是負載壓力與流體壓力之差；De是黏性和黏彈性機制對壓實相對影響的測度，當De約等于1時兩個分量相當，而De→0和De→∞分別指示黏性和黏彈性極限；ω＜＜1對應正常靜水壓力梯度；ι的有限正值增加了黏性剖面的曲率，ι＞0表示黏性壓實Fig.8 Depth profiles of sedimentary rock: (a) porosity Φ;(b) effective pressure Pe;(c) the local Deborah number De;and (d) local hydraulic parameter ω and viscous e-fold length ι (modified from reference [55])

在盆地尺度，流體超壓對巖石應力—應變行為的影響近年來已受到關注，這得益于Suppeet al.[33]的工作。研究表明，流體超壓可以大大降低巖石脆性破裂強度，并顯著延緩了巖石地層深埋過程中的脆—塑性轉變。換言之，從盆地中淺層到深層—超深層，由于溫—壓—流—時變化，特別是熱激活效應、超壓環境的出現，深層—超深層儲層巖石流變行為與物性演變存在明顯差異。但問題在于，這種熱激活效應與巖石非均質性、流體活動密切相關，其機制遠未認識；而超壓環境本身成因機制復雜，且活動多變，其形成分布更是受巖石非均質性制約，因此巖石應力—應變行為與埋藏深度之間并非簡單的對應關系。

3）流體—巖石作用專屬動力機制問題

除化學體系、封閉性等因素外，由于上述流體相態、巖石物理屬性的演變，同一流體—巖石體系的成巖行為，從中淺層到深層—超深層存在明顯分異（圖7）。

關于深層—超深層溫—壓—流態下的流體—巖石作用行為，即成巖反應類型、速率和效應等，坦率地說現有的認知是比較貧乏的。一些研究跡象顯示，快速膠結—溶蝕反應可能在深層—超深層比較發育[43,56-57]。但是，也有相反的觀點提出，其基本依據比較多地提及了深層—超深層致密層發育，它們對流體活動速度和效率具有嚴重阻礙作用。

模擬研究指出，孔縫結構對流體—巖石作用的影響顯著，大孔—裂縫（微米級）中溶蝕、膠結速率較大，小孔—縫反之，因此深層—超深層多數小孔—縫得以保持的概率較大；另一方面，無外源流體介入系統，裂縫溶質濃度高、表面張力小、易沉淀，因此外源含烴熱流體或酸性流體介入，是深層裂縫擴溶的必要條件，特別是深層—超深層埋藏期裂隙流體具有更為快速、高效的傳輸效應[15]。但目前的模擬總體缺乏前述流體相態和巖石物理屬性演變的研究基礎，因此有關流體—巖石作用類型與效應問題的認識還很初略，更不必談實踐應用了。

值得提及的是，地質時代或絕對時間對成巖效應的影響。在前述的數值計算、模擬以及地質推理中，時間對深層—超深層溫壓流環境和物性的制約都是一個繞不過去的問題（參見圖6）。根據熱蠕變效應的普適性，一般而言，低熱流、快速深埋過程有利于深層—超深層沉積巖孔隙的保持和規模發育，也有利于有機巖成熟度的深度下延。但是，目前對古老沉積成巖時間效應的理論認識和實證還非常有限。

綜上，深層—超深層沉積巖經歷了相對高溫高壓環境的洗禮，其流體、巖石/巖礦的演變行為存在特殊性，這是毋庸置疑的，但細節遠未認知。采用新技術，通過解析典型記錄，探究深層—超深層成巖演變的專屬性機制，這是現階段乃至未來相當長時期內盆地動力學研究的重要任務之一。

6 結論

（1）沉積成巖作用受控于沉積組構、盆地溫度—壓力/應力—流體—時間耦合演變兩方面。溫—壓—流—時與盆地世代和類型密切關聯，深層—超深層新元古界油氣主要產出于克拉通（疊合）盆地，古生界主要產出于克拉通（疊合）盆地及前陸盆地，中—新生界主要產出于前陸、沖斷帶、被動陸緣盆地。不同有機—無機沉積組構對其成巖路徑影響明顯，源—儲一體的頁巖/泥質巖不乏較強的層內膠結和溶蝕作用，但對其在深層—超深層的演變認識目前非常有限。

（2）模擬證實，除了干酪根脫羧機制，深層各類烴水巖反應包括礦物氧化、TSR和水解歧化作用主導了有機酸的生成。高溫壓環境流體運動黏滯系數減小，滲透系數增大，因此深層—超深層存在大規模流體活動與有效烴類—有機酸混合充注條件，具備可能的深層專屬性成巖和巖石物性改造/保持機制。

（3）壓力/應力—熱體制是決定盆地尺度深層—超深層構造成巖效應的基礎，為此可將疊合盆地劃分為穩定、低、中、高熱流深埋等四種基本類型；低、中熱流深埋型有利于自然界深層—超深層油氣規模形成，但其構造—流體—巖石作用效應因盆地世代和疊合方式而分異顯著，亟待深化。

（4）多光譜連用技術和（整合式）光電關聯顯微技術進一步實現了高分辨成巖記錄表征；原位同位素和微量元素示蹤、原位同位素年代學檢測技術，大大提高了深層—超深層古流體—成巖環境分析的精度，并有望結合人工智能實現完整、連續的成巖事件定量化分析水平的顯著提高。

（5）由于溫—壓—流—時變化，特別是熱激活效應、超壓環境的出現，深層—超深層巖石流變行為和物性演變與中淺層存在明顯差異，但并非簡單的對應關系。為此，深層—超深層沉積成巖環境的流體相態、巖石物理屬性演變及其控制的流體—巖石作用動力機制等專屬性基礎問題，應成為未來盆地成巖動力學研究前沿的重點；而基于地質模型認識和基礎物理化學實驗數據的數值模擬研究，將為相關問題（包括絕對時間影響）的解決提供可能的重要途徑。

【后記】《沉積學報》正式創刊于1983 年，筆者正值大學二年級，那時能及時閱讀到的原版專業刊物寥寥無幾，《沉積學報》無疑就成為了解書本之外沉積學研究的重要信息來源之一，因此當時對該刊物的印象不能說深刻（緣于對沉積學科研究膚淺而朦朧的理解），但也是難忘的。八年之后筆者進入《沉積學報》首屆和時任主編葉連俊院士的研究團隊開展博士后研究，并得以進一步接近學報?！冻练e學報》創刊20周年和30周年時出版的紀念特刊，筆者都有幸被邀約撰寫了相關論文[58-60]；如今學報已進“不惑”之年，而我也近“耳順”，對一路走來的曲折歷程，不免心生諸多感慨而難以詳表！在學報創刊40周年之際，謹以拙文祝愿《沉積學報》堅定初心，助力中國沉積學發展更上一層樓，也預祝其在不遠的將來成為國際沉積學界交流的重要媒介和平臺。

致謝 本文流體活動屬性和流體化學類型的研究分別得到中國科學院地質與地球物理研究所董艷輝副研究員、中國科學院廣州地球化學研究所陳健副研究員和彭平安院士等的鼎力支持，梁裳恣、周圓全、竇文超博士協助清繪部分圖件，在此一并感謝！