盆地分析(5)平衡剖面原理

nullnull 第五讲 平衡地质剖面的基本原理 －－以挤压构造为例 一、导论--目的 平衡剖面源于19世纪50－60年代的石油工业。最早出版的一批平衡剖面是由研究加拿大落基山的Bally等（1966)编制的。 首先，应该如何来定义一条“平衡了的”剖面呢？ Dahlstrom（1969）提出了两个准则： “①对横剖面几何学合理性的一种简单检验方法就是测量岩层的长度……如果不存在间断，这些岩层的长度必定是一致的；②在一个特定的地质环境中，只可能存在一套特定的构造…”。 null 目 的 Elliott（1983）的定义显得稍微严格一些：“…剖面上所画的构造应是能在悬崖、公路截面和山的侧面等地能见到的构造,利用这些构造就能编制出一张可以接受的剖面；另外，复原剖面和变形剖面必须同时建立，如果一条剖面能够被复原至未变形的状态，那么它就是一条合理的剖面。按照定义，一条平衡了的剖面应当既是合理的又是可接受的…”。 如果我们真正理解了构造是如何形成的，那么就应该能够将构造复原。因此，当岩层长度或剖面面积在变形与未变形的两种状态下相等时，剖面就平衡了。如果它们不相等，而且对这种不一致性又无法解释（应变？），那么剖面就是不平衡的。如果仅提供了变形剖面而无复原的剖面，则无法确定它是否平衡，只有作者提供了复原剖面后才能证实它是平衡的。 如在建立横剖面时，遵循断弯褶皱作用（F·B·F）倾角谱 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的原则（Suppe，1983），则该剖面将能准确复原，因而也是能够退变形的（以后将会讲到）。null 目 的 由于在平衡一条剖面的过程中增加了这些额外的限制，在完成平衡过程之后就很可能获得更多的有益结论。 平衡剖面不一定是真实的；但与未平衡的剖面相比，它满足了大量合理的限制条件，因此更接近于正确。 由于平衡剖面提供了更准确的变形图象，因此有助于对勘探目标的评估。 利用剖面的平衡技术，还可以在逆冲构造带寻求可预测和可识别的型式。 利用计算机模拟可以对许多不同的构造样式进行快速研究。正向的构造模拟（即从未变形状态到所观察到的变形状态）比反向模拟（即变形状态的剖面由计算机进行复原）要常见得多。正向模拟可通过变换任一重要的输入参数产生多种合理的剖面。严格平衡的计算机模拟可能不完全与实际资料相符，但它们几乎总是能够对实际剖面中出现的平衡问题提供解答。null目 的 应当细心区分平衡剖面问题的两个方面，即：①岩石在自然界真正的行为是怎样的？②我们的几何学限制条件（假设条件）在平衡剖面中所起的作用是怎样的？ 对平衡剖面的几何学假设，必须考虑其与具体实际情况的接近程度。例如，几何学方法通常是以平行或圆柱状褶皱作用为基础的，但是自然界的许多褶皱并非如此。 要注意鉴别实际问题和平衡操作中可能出现的问题，如断截褶皱和违序逆冲断层可能属实际问题，而岩层长度问题则可能是绘图粗糙的结果。 剖面是对平面图资料立体化的常规解释方法，其质量取决于我们的原始资料。如：在侵蚀深度达到足以将可能存在的顶板断面侵蚀掉的情况下，要想确定叠瓦扇与双重逆冲构造之间的不同是很困难的。此外，对露头差的地区的解释取决于我们对区域背景及良好露头区的了解。null二、平衡剖面的发展――历史的回顾 平衡剖面概念的发展可归因于科学的探索与勘探需求的结合。 Dahlstrom（1969）首先较详细地讨论了平衡剖面的概念。然而 Bally等的剖面（1966）表明，其他加拿大勘探地质学家于 50年代中期就在使用平衡剖面。 虽然现在已经有了先进的处理及探测方法，但是地震资料仍然留出了很大的推测余地。 null历史的回顾 如在落基山，60年代的地震数据的质量一般比现在要差，但是与原地寒武系及下伏基底有关的反射事件通常是可以识别出来的（图1－2）。 寒武纪和下伏基底的地震反射面与地表地质条件清楚地限定了编制构造剖面的边界，严格制约了对落基山深部构造的推断（Bally,1996）。null历史的回顾 尽管有了上、下边界所给出的限制条件，仍然可有许多不同的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 来填补中间空白区。Dahlstrom（1969）提出了可以用来评价这些方案合理性的平衡技术，主要侧重于逆冲带构造的几何学研究，必须详细分析零散资料，并尽早地识别出潜在构造的性质、形态及方位。 null历史的回顾 “能合理地推断出来”这一用语是关键。在建立平衡剖面过程中全部的目的就是将未知限制到在地质上被认为是合理的地步。null历史的回顾： 平衡技术的概念孕育于20世纪初就已发展起来的构造分析技术中。平衡剖面的概念首先被Cham－berlain（1910，1919）用于计算滑脱面的深度。他假定在沿脱面之上的变形剖面中的面积是守恒的，以此为前提估算出了滑脱面的深度（图 3a）。null历史的回顾： Cham berlain估算滑脱面的深度的方法，在后来Bacher（1933)，Goguel(1962)，Laubscher（1962），Dahlstrom（1969）等都应用过这一技术（图3b）。 null历史的回顾： Hossack(1979）指出，如果滑脱面深度是已知的, Chambarlain的技术可反过来用于计算造山带的缩短作用。这种方法－结合面积平衡原理——已被Gwinn、Price和Mountjoy（1970）所应用（图 4）。null历史的回顾：Dennison和 Woodward(1963), Royse、Warner和Reese（1976)利用长度平衡方法计算了造山带的缩短作用（图 5）。null平衡剖面的发展――历史的回顾 利用平衡技术和造山缩短作用的估算在重建古地理的过程中可以了解相关系（Roeder和Witherspoon 1978，图6）。null 相关系的研究不仅具理论意义，而且可用来识别多孔储油岩的位置以及查明地层圈闭中生油层、储油层与盖层之间的关系（图7）。连续复原的剖面（Royse，Warner和 Reese 1975）可以表现逆冲带在其演化的不同阶段的构造图象，这对于评价碳氢化合物的形成、运移及储存的相对时间来说是很有必要的。 null平衡剖面的发展――历史的回顾 剖面的平衡技术正在日益完善。许多作者已经指出，在剖面平衡过程中有几种误差可能是难以避免的。构造压实作用（Hossack，1979）和压溶作用可以产生误差。Woodward等（1986）还在他们编制的南阿巴拉契亚的剖面中利用了应变资料。null三、基本原理 在开始建立一条平衡剖面时必然碰到的下列问题： 1．建立一条平衡剖面涉及到哪些假设？ 2．绘制一条平衡剖面需要哪些资料？ 3．这些资料的来源是什么？ 4．如何将这些资料用于我们的剖面？ 5．由地表资料能推测哪些地下情况？null基本原理 1．选择剖面线 剖面的平衡方法要求剖面线平行于逆冲运动的方向，因此第一步就是确定构造运移的方向。构造运移的方向通常是用区域构造线的平均走向来确定。 图8中所选剖面线垂直于： ①主要逆冲断层的走向； ②主体褶皱的走向。 null1．选择剖面线 小规模（即露头尺度）的褶皱（图9a、b）不宜用来确定运动方向。 解决方法是，将大量褶皱轴投影到赤平网上就可以确定出运移方向；运移方向位于褶皱轴组成的大圆平分线上（图gb）。null1．选择剖面线 在变质地区，稳定且一致定向的矿物拉伸线理指示运移方向。 例如在蓝岭区的祖父山（图10），通过矿物拉伸线理确定的运移方向（图10b）与通过区域性构造的走向确定的运移方向（图10a)是一致的。 null1．选择剖面线 Price（1981）指出，如果剖面线方位与构造运移方向的偏差在30°范围以内，缩短作用结果中不存在重大误差（15％）。图11表明，对于50km长的剖面来说，当偏角为30°时，岩层长度的改变小于15％，但是沿走向剖面的端点却偏离了30km。 null1．选择剖面线 在确定了运移方向后，需要为第一条横剖面选择一个特定的位置。第一条剖面应当是区域性的，最好是能够被“钉”在未变形的前陆上（图12）。1．选择剖面线 最初的剖面还应避开侧断坡和捩断层。侧断坡会严重地限制运移方向，与此有关的褶皱方位，相对于运动方向也是变化的。通过或靠近这些构造的剖面常常是不平衡的，也是无法复原的。null基本原理 2．汇集地层资料 如果我们的研究用的是不正确的地层厚度，则剖面或许仍是平衡的并且是可以复原的，但必是不可接受的（在其几何学的相对真实性方面）。当使用的地层厚度被低估时，就可能需要增加额外的断片来填充剖面的空间；如果地层被估计过厚时，我们将被迫降低基底或修改剖面来容纳多余的地层。在工业上可能会造成数百万美元的损失。null2．汇集地层资料 正确的地层资料可以来自地表测量、文献、钻井资料或地震资料。地层厚度也可由地质图及航空照片通过三点法计算出来（图13）。 null2．汇集地层资料 测井资料其可信度是很高的（图14）。地层界线在钻井剖面上比在多数地表剖面上稳定。null基本原理 3．识别构造群落 绘制在剖面上的构造特征应当是能够在地表、地震资料及钻井中见得到的。如果褶皱是正弦形同心状的，则尖棱及箱状褶皱就不应当出现在剖面上，反之亦然（图15，16）。null3．识别构造群落： 如果剖面上有被截切的褶皱，则在野外应能见到被截切的褶皱（图17）。 不同的构造岩性层在褶皱及逆冲断层的形态上会有不同的表现。不同的构造群落表明了不同的构造环境。 一个地质学家在试图建立一条剖面之前，并不一定总有机会进行野外调查。在这种情况下，主要构造的几何形态及变形样式常可由航空照片或地形地质图上查明。例如，尖棱褶皱与正弦形同心状褶皱可通过平面图及产状资料加以区别。null基本原理 4．计算基底深度 剖面的下部边界是在最下面的逆冲席之下的未变形的原地基底。在许多逆冲构造区，这一构造基底同地层的结晶基底一致。 基底的深度可用地球物理方法、钻井资料或逆冲席中地层柱的地表厚度计算出来（图1 8）。 null4．计算基底深度 地球物理方法包括航磁、重力、大地电磁及地震资料。前三种方法未必可靠，会导致深度计算的错误。 最可靠的（精确±10％）估算基底深度的是地震剖面。 即使一个钻孔不能穿透整个地层剖面，但仍会提供比其它方面更多的限制条件。 一个逆冲席上全部岩层厚度的总合（图18）就是基底的最小深度。null4．计算基底深度 地表地质常与基底深度有关。 在图19中，剖面东端的一个深钻给出寒武系——侏罗系的厚度为8500ft，向西约25mi的另一钻井资料表明相同地层的厚度为14000ft。因此剖面中不是简单的平板状地层，基底深度的计算必须考虑到增厚的沉积楔。null4．计算基底深度 Darby逆冲席的厚度为10000ft(图19），这意味着其下盘寒武系－侏罗系的厚度不会大于10000ft。 根据地表地质确定出褶皱轴面以后，可以定位Darby逆冲断层下盘的断坡，并因此可以定出在逆冲带前缘的基底的最小深度。注意，由于Darby逆冲席中卷入了寒武系，因此，根据Darby逆冲席内的地层资料就足以计算出基底的深度。null4．计算基底深度 如果没有其它资料，我们可以将基底以2°－3°的倾角向西延伸；2°－3°就是在大多数逆冲带内基底表面的平均倾角． 年青的逆冲带可能具有倾斜较陡的基底，倾斜度可达4．8°。null基本原理 5．沿倾伏投影法 理想情况下，剖面线上应具有连续的露头，完善的产状数据及地层界线，而且钻井应直接定位在剖面线上。 但实际上，露头情况不好及任意的钻井定位常使我们不得不将剖面以外的资料投影到剖面上来，这种方法称为沿倾伏投影法。图20中概括了沿倾伏投影的基本方法。 nullnull基本原理 6．定位下盘断坡 一般来说，逆冲席中倾向后陆的段落反映了下盘断坡的倾斜及位置（图18）。 null6．定位下盘断坡 犁式正断层通常在一个断坡部位向下并入逆冲断层（图21）。null定位下盘断坡：落基山逆冲带怀俄明一犹他区段的勘探揭示，较高层次的逆冲断层可以以一个位于上盘断坡褶皱内的软弱层作为其底板，因此并非严格地在断坡处并入逆冲断层（图22）。 在这种情况下，晚期的叠瓦状分支断层往往在断坡上发育，与地表主要背斜一起亦可给出与断坡位置有关的附加信息。null四、平行褶皱作用 岩层长度守恒原理，是以平行褶皱作用这一假定为前提的。 Dahlstrom（1969，1970）将同心褶皱作用作为普通褶皱样式，并在其“同心的”样式中包括了简单弯曲褶皱（图23）、尖棱褶皱及箱状褶皱。 null平行褶皱作用 同心褶皱是每一层均具相同曲率中心的平行褶皱，而且通常在它们的核部会出现重要的空间问题。 膝状尖棱褶皱及箱状褶皱（图24）是具小而紧闭的转折端及较长且平直的翼的平行褶皱。这两类褶皱（图25）均符合岩层厚度及长度守恒的条件，因此适用于平衡剖面。 nullnull平行褶皱作用 在局部非平行褶皱作用出现时，重要的是考查在体积上是否具有重要差异。在大多数无透入性应变的情况下，这种差异是不重要的，在平衡过程中可以忽略。 当转折端和翼部的岩层厚度发生重大变化时，通过与厚度不变岩层长度的比较，用面积平衡法即可处理空间问题。 如果在褶皱作用中劈理非常发育，就可能出现体积损失及不可复原性的问题。在这种情况下，对无劈理岩层的去褶皱法可用于关键层的平衡，并可用以估算其它地层可能发生的面积损失。null平行褶皱作用 褶皱复原的原理十分简明，只要为主要褶皱选择一条钉线（无层间滑动）并将地层拉直即可。这就是说，当地层被拉回到水平状态时，在未被钉住的部分必然存在简单剪切（图26）。通常操作者将轴面选为钉线，以此假定简单剪切发生在翼部。在相反的两翼上存在着反方向、等值的简单剪切。 简单地说，在任一褶皱中，钉线一经选定，就会存在与褶皱紧闭程度有关的对称的简单剪切。null平行褶皱作用 Suppe（1983）的最简单的膝折模式假定，背形断弯褶皱的中心及逆冲席的尾部都不发生层间滑动（图27），只有褶皱的前翼及后翼经历了这种简单剪切。 null五、实践技术与假设 经常阻碍绘制出接近实际的高质量平衡剖面的两个基本问题是：①许多剖面的控制条件严重不足，②标准的平衡技术在正确建立平衡剖面时，有时并非十分有用。 1．控制不足的剖面 在完全缺乏资料的这种极端情况下，要想绘制一条真实的剖面显然是不可能的！甚至在增加了大量资料后情况也未必会有根本的改善。例如，即使有丰富的地表资料和少量钻孔。null1．控制不足的剖面 如图28，我们也许还是不能通过已有的方法来绘制一条非常接近真实的剖面。这就是“空白区”（指剖面中缺乏直接资料控制的部分）问题。可以用外推法解决空白区，但如果空白区太大（经常如此），就有可能漏掉在地表或钻井中无明显显示的构造。这在构造变化非常复杂的推覆构造带是一种普遍情况。null实践技术与假设 2．平衡技术的弱点 多数标准的平衡技术都遵循守恒原理，例如岩层长度或面积的守恒。首先需要检查岩层的长度或面积是否守恒。 通常，剖面中岩层的长度或面积不能守恒，因此它是不平衡的，需要修改。修改剖面后，再一次进行检验。为了尽量取得一个满意的结果，必须对剖面不断地修改。 如果面临剖面控制条件不够和技术薄弱这类问题，我们就需要结合下列几个方面来提高工作能力：①增加关键部位的资料，②提出更多的假设，③使用更有效的技术。 null2．平衡技术的弱点 （l）增加更多的资料 在关键部位获得更多的资料显然是有益的。如较好的地表产状、地层厚度及地球物理资料等关键资料。在对一个地区进行勘探的早期阶段首先建立一个暂时性剖面，有助于进一步获取关键资料和进行修改。 应当说，即便是比较粗略的地震资料，在克服“空白区”问题方面也是极其有用的，因为地震资料虽然也不足以解决更复杂区段的问题，但还是可以解决具有较简单构造的大面积空白区的问题。如果只有小面积空白区存在，平衡技术就比较容易成功地应用了。null2．平衡技术的弱点 （2）提出假设 过多的假定可能会降低真实性。 但是在许多实际情况下，如果要想获得一种平衡的剖面，的确需要一些假设。因为假设总是可以代替某些空缺的资料。 问题的关键在于，所提出的假设必须基于已被实践充分证实了的同类构造以及对这些构造机制的正确了解。 已有的一些假设包括： （1）逆冲断层由滑脱面陡然上切，常不具有连续弯曲的犁形； （2）在一定地区，所有的逆冲断层均以近似一致的角度上切； （3）逆冲席内的顺层滑动是由岩层倾角的变化所引起。 应当强调的是，更强的平衡技术一般要求进一步的假设。null2．平衡技术的弱点 （3）更有效的技术 需要有一些能够直接得出平衡剖面的技术，而不是简单指出一条剖面是否平衡的技术。这些技术的大多数将有赖于对专门的变形机制及力学的理解。实际上，构造的形态反映了它们形成的机制。如果我们不了解基本的变形过程，就不可能编出高质量的平衡剖面。 处理断弯褶皱的技术方法可作为以了解变形过程为基础的、比较高效的平衡技术的例子(后面介绍)。null（3）更有效的技术 断弯褶皱是当逆冲席的上盘位移经过非平面状断层时发生弯曲形成的。如果对于低温、非变质的条件，提出合理的平衡假设（变形通过层间滑动，层厚与层长守恒），就可用断弯褶皱作用机制计算断层形态与褶皱形态之间的关系。 这种关系可以在实践过程中用来直接建立平衡剖面（SuPPe，1983）。例如，如果我们知道了褶皱形态，就可以计算出与其相符的断层形态。null（3）更有效的技术 对于断展褶皱作用也已经建立起断层与褶皱形态之间的类似关系（SuPPe， 1984；1985），并且正在被发展用于正断层上的反牵引或滚动褶皱。 这些关系在建立平衡剖面中具有重要的实际价值，特别是由于在非变质条件下，大多数填图尺度的褶皱显然主要是与断层有关。null谢谢！