大地热流及其变化不仅是研究盆地动力学演化的必备参数，也是研究盆地中烃源岩成烃和成藏的基础^[1-3]。前人对哥伦比亚普图马约(Putumayo)次盆进行了大量勘探，并已发现258个油气田，探明了8 033.52百万桶的油气当量^[4-5]，但前人工作多侧重于该盆地油气地化和成藏规律方面的研究^[6-7]，对该次盆的热演化史，尤其是大地热流史方面研究较为薄弱。由于普图马约次盆地自形成以来，经历了多期复杂的构造演化，致使其大地热流史也相应经历了复杂多变的演化，对古今大地热流史认识的不清，严重制约了对该盆地热史、生烃史及成藏规律的认识。

本文试图从地质背景与古温标正演约束角度，探讨普图马约次盆古今大地热流史的演化，以期为该次盆热史及油气勘探规律的研究提供依据。

1.   大地热流研究思路与方法

大地热流是单位时间、单位面积内由地球内部传递到地面的热量^[2]，等于地幔热流(Q_m)与地壳放射性元素生热量(Q_c)之和。大地热流与大地构造背景之间密切相关，其分布受大地构造单元性质的控制，与盆地类型及其构造活动、岩浆活动密切相关。在地史发展过程中，大地构造背景的变化必然会引起莫霍面深度变化，进而影响大地热流的变化^[8]。

古大地热流研究方法有很多，总体上可以分为利用各种古温标数据反演计算法^{[2, 9]}和利用盆地演化的地球热动力学模型正演模拟法两类^[10-11]。在古大地热流正演研究过程中，前人常常忽略大量的构造细节以及假设过多的物理参数，以致难以获得精确的古大地热流值，建立的古大地热流函数中规定盆地的古大地热流值与今大地热流值呈线性变化，这明显与经历多期构造演化盆地的大地热流史不符^[12]。

将正演与反演结合，将正演结果的可信度用地质温度计(如R_o等)来检验，可使大地热流值具有较高的精度。然而，岩性、剥蚀厚度、物性参数等数据的可靠性以及正演地质模型本身的多解性，都使古温标在热史研究中的应用难度大大增加。同时，由于地质温度计具有不可逆性^[13-14]，仅能记录经历最高温度后的大地热流，而经历最高温度以前的大地热流则无法记录^[15-16]。

在地史发展过程中，大地构造背景的变化必然会引起大地热流的变化。只有在系统研究盆地构造演化史并精确建立正演地质模型的基础上，才能综合正反演方法，合理确定各时期的大地热流值，这样确定的大地热流值及其演化史才更符合地质实际。

2.   区域地质背景

普图马约次盆位于哥伦比亚西南部，安第斯山脉(也称东科迪勒拉山脉)东侧(图 1)，是一个具有多旋回沉积的弧后前陆盆地，先后经历了白垩纪弧后坳陷或热沉降阶段，古新世—中新世早期前陆盆地阶段，中新世晚期—今前陆盆地破裂等阶段。

图  1  普图马约次盆构造位置与构造特征

据文献[4, 6]修改。

Figure  1.  Tectonic framework and features of the Putumayo Sub-Basin

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在早白垩世弧后坳陷沉降阶段，普图马约次盆下白垩统Caballos组滨岸相砂岩、页岩发育；至晚白垩世，研究区彻底进入弧后热衰减沉降阶段，区域发生最大海侵，研究区Villeta组陆架滨岸相泥质灰岩和泥岩发育。晚白垩世末期，随着古太平洋西科迪勒拉洋壳块体的俯冲碰撞，哥伦比亚西部中科迪勒拉山脉强烈褶皱隆升，致使研究区内白垩系地层遭受强烈隆升剥蚀，造成次盆内白垩系残留厚度各处差异巨大。随后，伴随着安第斯早期造山运动持续增强，研究区基底开始挠曲坳陷，普图马约次盆进入弧后前陆盆地演化阶段，先后发育了古新统Rumiyaco组河流—湖泊相碎屑岩沉积、始新统Pepino组河流—洪积相粗碎屑岩沉积、渐新统Orteguaza组浅海相页岩和砂岩沉积、渐新统Orito-Ospina群和中新统Ospina组河流—湖相砂岩、页岩夹煤层沉积。

中新世末期，随着纳兹卡板块和科科斯板块快速向南美大陆西北部俯冲碰撞，安第斯晚期造山运动开始，研究区进入弧后前陆盆地破裂阶段(图 1)，研究区西侧东科迪勒拉山脉逆冲造山，研究区沉积了巨厚的陆相磨拉石沉积；至上新世—更新世，随着造山运动持续增强，研究区西侧东科迪勒拉山脉地区发育了大量的岩浆岩侵入体，并有大量的火山岩喷发^[17-18]，同时研究区内上新统及其下伏地层遭受强烈的隆升剥蚀和热烘烤，导致岩石热导率发生异常，进而给大地热流的研究带来不确定性^[19-20]。

3.   大地热流值确定

普图马约次盆上新世经历了最大埋深和岩浆侵入热事件。上新世是普图马约次盆经历最大古地温的时刻，即今测得的各地层镜质体反射率数据大多记录的是次盆上新世大地热流影响的结果。在大地热流值计算中，用地质背景和盆地类型约束法，对经历最高古地温前的古大地热流值进行计算；用古温标约束热史正演的方法，对经历最高古地温后的大地热流值进行计算，即在建立精细合理地质模型的基础上，采用古温标来约束热史正演路径，以获取合理的大地热流值。

3.1   最大古地温后大地热流值计算

针对上新世及其后大地热流值计算，研究将在合理获得剥蚀厚度、剥蚀时间、古水深、地层岩石组成等参数基础上，通过PetroMod软件模拟单井地层埋藏史和热历史，将大地热流值作为参数变量，当古温标的模拟值和实测值吻合最好时，就认为假定的大地热流值参数是正确的，并据此确定该次盆最大古地温及其后不同时期的古大地热流值。

3.1.1   大地热流正演模拟边界条件的确定

在盆地热史正演中，地史模型是热史研究的前提之一。

其中，岩石矿物组成、剥蚀厚度恢复、古水深、古今地表温度等盆地模拟参数与边界条件的正确选择是客观恢复盆地埋藏史、热史及大地热流值的关键。

为合理获得研究区各地层的岩石矿物组成数据，研究中分别根据Mirto-1井和Losada-1井测井曲线及地层岩性资料，计算了研究区各地层的砂泥岩百分比。混合岩性则通过PetroMod软件岩性混合器将多种标准岩性按不同的比例混合得到，而混合岩性的压实系数、初始孔隙度和热导率等数据则依据系统默认。

剥蚀量的估算是否合理直接影响到地层原始厚度的恢复是否准确，并进一步影响埋藏史及烃源岩热演化史的准确恢复^[21-22]。由图 1及区域地质背景可知，研究区存在白垩纪晚期、古新世末期、渐新世末期和上新世晚期4期隆升剥蚀，其中白垩纪晚期和上新世晚期剥蚀强烈。白垩纪，Uribe-1井和Mirto-1井位于弧后坳陷东缘，均属滨岸相沉积，相似的地质背景表明两井处白垩系厚度应该近乎相等。由Uribe-1井上白垩统坎潘阶—马斯特赫里特阶残留厚度33.53 m，Mirto-1井该阶残留厚度则为450.16 m。考虑到Mirto-1井区白垩纪末期沉降，基本未遭受剥蚀的特征，利用地层趋势法，预测Uribe-1井白垩系顶部剥蚀厚度约416.63 m。上新世，研究区上新统及其下伏地层遭受强烈剥蚀，

利用Losada-1井镜质体反射率与深度关系R_o=0.000 562h+0.201 134(h为深度，m)，设定古地表R_o为0.25%，由Losada-1井今地表上新统R_o为0.35%，计算获得上新统剥蚀厚度为293.798 m；由Uribe-1井今地表上新统R_o为1.0%，计算得该井上新统剥蚀厚度约1 335.45 m。

古水深参数是沉积盆地模拟中一个重要的边界条件参数。沉积环境对水深的估计具有约束作用，一般认为陆相环境水深为0~20 m，滨海0~50 m，浅海50~200 m，半深海200~2 000 m，深海>2 000 m^[23]。据此，结合区域地质背景分析，取各沉积环境古水深的平均值，由此设定研究区早白垩世滨岸环境古水深25 m，晚白垩世弧后坳陷环境古水深125 m，古近纪弧后前陆盆地环境古水深10 m。

地表温度与纬度和海拔高度密切相关。白垩纪，研究区处于低纬度、低海拔地区，设定古地表温度为25 ℃；古近纪，由于安第斯造山运动，次盆海拔升高，设定地表温度20 ℃；中新世至今，参考波哥大年平均温度14 ℃，将次盆该时期地表温度设为14 ℃。

3.1.2   大地热流值确定

① 今大地热流值求取

普图马约次盆今地温数据是次盆现今大地热流值影响的结果。在PetroMod软件单井地层埋藏史和热历史模拟基础上，由普图马约次盆今温度与深度数据(表 1)，经拟合验证得知大地热流值为55 mW/m²时，模拟的温度与深度曲线和实测的今温度与深度数据拟合最好(图 2)。据此，确定普图马约次盆今大地热流值为55 mW/m²。

表  1  普图马约次盆实测今温度与深度数据表

Table  1.  Measured temperature and depth data of Putumayo Sub-Basin

序号	深度/m	温度/℃
1	496.04	48.89
2	1 036.59	90.00
3	1 649.39	71.11
4	2 074.39	88.89
5	2 185.67	80.00
6	2 279.57	80.00
7	2 314.63	92.78
8	2 515.55	93.89
9	2 570.73	93.89
10	2 572.56	86.67
11	2 606.71	87.22
12	2 620.73	97.22
13	2 643.60	93.89
14	2 655.79	88.33
15	2 670.73	90.00
16	2 697.56	90.56

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图  2  普图马约次盆今温度—深度实测数据与模拟温度—深度数据曲线图

Figure  2.  Simulated and measured temperature and depth curves, Putumayo Sub-Basin

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② 上新世古大地热流值求取

普图马约次盆上新世经历了最大古地温，今测得的盆内各井镜质体反射率数据记录的主要是次盆上新世大地热流影响的结果。经拟合验证得知，上新世大地热流值为120 mW/m²时，Losada-1井模拟的有机质成熟度曲线与实测始新统镜质体反射率数据吻合最好(图 3a)；当上新世大地热流值为190 mW/m²时，Uribe-1井模拟结果与实测结果基本一致(图 3b)。上新世，次盆内大地热流值由东向西增加，结合次盆西缘造山带上新世岩浆岩体大量发育^[16-17]，可知该时期次盆西部大地热流受岩浆侵入热事件影响强烈^[24-25]。据此，确定次盆上新世大地热流值范围为120~190 mW/m²，平均155 mW/m²。

图  3  普图马约次盆Losada-1井(a)和Uribe-1井(b)大地热流值数据拟合验证

Figure  3.  Heat flow data and simulated curves of wells Losada-1 (a) and Uribe-1 (b), Putumayo Sub-Basin

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3.2   最大古地温前大地热流值计算

3.2.1   渐新世大地热流值

普图马约次盆渐新世处于前陆盆地演化阶段。前人统计，前陆盆地或造山带大地热流值处于38~95 mW/m²之间^[26]。由于次盆西缘南部自渐新世开始一直处于抬升掀斜的构造背景下，其卷入的最年轻地层为渐新统Orteguaza组^[27]。因此，位于该构造部位的Orito-3井和Unicornio-1井镜质体反射率记录的应是埋深最大时渐新世末期的热史特征。前人研究结果表明，在大地热流值为36~38 mW/m²时，Orito-3井和Unicornio-1井镜质体反射率实测结果与模拟结果一致^[6]。

据此，参考前人确定的前陆盆地大地热流值范围^[26](38~95 mW/m²)，在此以该类盆地大地热流的最小值，作为该次盆渐新世大地热流值，即普图马约次盆渐新世大地热流值为38 mW/m²。

3.2.2   白垩纪和古新世大地热流值

白垩系深度与有机质热成熟度指数(T_max)数据曲线的斜率，大于古新统深度与有机质热成熟度指数数据曲线的斜率，且白垩系热成熟度指数数据分散(图 4)，这表明白垩系沉积期间的古大地热流值较小，即古新世地温梯度或大地热流值应大于白垩纪地温梯度或大地热流值，并造成白垩系古温标(T_max)数据遭受改造、呈分散状态。统计结果表明，弧后热衰退裂谷或坳陷构造环境的大地热流值范围37.5~64 mW/m²，平均为50 mW/m²，碰撞造山带或弧后前陆盆地构造环境的大地热流值范围38~95 mW/m²，平均为70 mW/m^2[26]。这也说明白垩纪大地热流值小于古新世大地热流值是合理的。

图  4  普图马约次盆Uribe-1井白垩系与古新统T_max数据随深度分布图

Figure  4.  Relationship between T_max and depth from Cretaceous and Paleocene in well Uribe-1, Putumayo Sub-Basin

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今全球平均大地热流值87 mW/m²，北半球平均大地热流值为74 mW/m²，南半球平均大地热流值为99.3 mW/m^2[28]。南半球平均大地热流值高于北半球和全球平均大地热流值，高出全球平均大地热流值14%^[29]。这可能与中新生代非洲热地幔柱的影响有关^[30]。南美北部中生代受中大西洋超级地幔柱影响^[31]和古近纪受岩浆活动^[32]的影响，其大地热流值也应具有类似特征，即普图马约次盆晚中生代至新生代初期的大地热流值，应高出当时全球平均大地热流值。

由研究区白垩纪为弧后热衰减坳陷构造环境，古近纪为弧后前陆盆地构造环境，结合研究区位于南半球，南半球大地热流值大于全球平均大地热流值的特征，研究区古新世大地热流值取弧后热衰减坳陷大地热流值的最大值95 mW/m²，白垩纪大地热流值取弧后前陆盆地大地热流值的最大值64 mW/m²。

3.3   大地热流值及其演化

普图马约次盆大地构造背景及其盆地类型的演化，影响着大地热流的变化。在系统分析次盆地质背景及其演化的基础上，认为该次盆上新世经历的地温最高。在此针对最大古地温前后的大地热流，分别采用了地质背景与盆地类型约束法和古温标正演约束法，研究较合理地确定了普图马约次盆白垩纪以来各时期的大地热流值(图 5)，其中：今大地热流值为55 mW/m²；上新世平均大地热流值155mW/m²，受盆地西缘岩浆热液影响，次盆西部大地热流值大于次盆东部；渐新世末期大地热流值为37 mW/m²；古新世大地热流值为95 mW/m²；白垩纪大地热流值为64 mW/m²。

图  5  普图马约次盆晚中生代至今大地热流值曲线

Figure  5.  Heat-flow value curve in Putumayo Sub-Basin ever since the Mesozoic

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4.   结论

(1) 通过次盆构造演化与沉积充填史分析，确定了普图马约次盆不同时期的盆地类型和计算大地热流的边界条件。根据盆地单井古温标或温度与深度之间的关系，利用PetroMod软件计算出了上新世和今大地热流值，其中：今大地热流值为55 mW/m²；上新世大地热流值范围为120~190 mW/m²，平均为155 mW/m²。

(2) 利用地质背景与盆地类型约束法，结合前人确定的各类盆地类型大地热流值或前人弧后前陆盆地大地热流值的研究结果，综合确定了该次盆渐新世末期大地热流值为37 mW/m²，古新世大地热流值为95 mW/m²，白垩纪大地热流值为64 mW/m²。