单断湖盆可容空间转化枢纽及数学证明27.pdf

北京大学学报 自然科学版 第 4 2卷 第 2期 2 0 0 6年 3月 A c t a s c i e n t i a r u m N a t u r a l i u m U n i v e r s i t a t i s P e k i n e n s i s V o 1 4 2 N o 2 M a r 2 0 0 6 单断湖盆可容空间转化枢纽及数学证明 汪 涌 董永财 z 北京大学环境学院资源与环境地理系 北京 1 0 0 8 7 1 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 1 0 0 0 2 9 吴凤技术学院 嘉义 6 2 1 5 3 摘要单断断陷湖盐发育过程中 由主断层控制的幕式差异沉降活动将导致可容空间重新分配 水体发生重新 分配过程中 湖盆中各点的相对湖平面变化并不统一 由此产生的准层序组也不一致 本文提 出了断陷湖盆中可 容空间转 化枢纽 的概念 建立了可容空 间转化枢纽的数学计算模型 讨论 了可容 空间转化枢纽 的分布位置 以及对 其存在的各种影响因素 位于缓坡带可容空间转化枢纽下部 相对水体深度变深 形成退积型准层序组 反之 则 变浅 形成进积型准层序组 稳定期形成加积型准层序组 可容空间转化枢纽的提出 对于定量认识单断湖盆相对 湖平面不均一 变化 以及对于 隐蔽性油气藏 的勘探都有一定的参考意义 关键词单断湖盆 幕式活动 可容空间转化枢纽 准层序组 中 图分 类 号P 5 3 2 Ac c o mmo d a t i o n Tr a n s f o r m Hi n g e o f Ha l f Gr a b e n La c us t r i n e Ba s i n a n d Ve r i f i e d b y M a t he ma t i c s WA NG Y o n g DONG Y o n g c a i D e p a r t m e n t o fR e s o u r c e s E n v i r o n m e n t a n d G e o g r a p h y C o l l e g e of E n v i r o n men t a l S c ie n c e P e k i n g U n i v e r s i t y B e ij i n g 1 0 0 8 7 1 I n s t i t u t e ofG e o lo g y a M G e o p h y s C h i n e s e A c a d e m y o fS c ie nce s B e ll in g 1 0 0 0 2 9 W u F e n g I n s t i t u t e o ft e c h n o l o g y J i a fi 6 2 5 3 Abs t r a c t Du rin g t h e ha l f g r a b e n l a c u s t rin e b a s i n d e v e l o p e d t he e p i s o d i c d i ff e r e n t i a l s ub s i d e n c e c o n t r o l l e d b y t h e ma i n f a u l t i n s t e e p s l o p e z o n e o f t h e l a c u s t rin e b a s i n wi l l r e s u l t i n t h e a c c o mmo d a t i o n r e d i s t rib u t e d Wh i l e t h e wa t e r r e di s t rib u t i n g t h e c h a n g e o f t h e r e l a t i v e l a k e l e v e l i s n o t e v e n a t e a c h p o i n t i n l a c u s t ri ne ba s i n a n d t h e pa r a s e q u e n c e s e t s a re a l s o di f f e r e n t Th e c o n c e p t o f t h e a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o r m h i n g e o f h a l f g r a b e n l a c u s t rin e b a s i n i s p u t f o r wa r d Th e ma t h e ma t i c mo d e l o f t h e a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o ml h i n g e i s b u i l t the o r e t i c a l l y Th e di s t rib u t i n g p o s i t i o n o f t h e a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o rm h i n g e a n d t h e i n flu e n c e f a c t o r s a r e d i s c u s s e d I f i t i s l o c a t e d u n d e r t h e a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o r m h i n g e i n t h e g e n t l e s l o p e z o n e t h e d e p t h o f wa t e r b e c o me s d e e pe r a n d f o r ms 1 t r a n s g r e s s i v e s y s t e m t r a c t o n t h e c o n t r a r y t h e w a t e r b e c o me s s h a l l o w a n d f o r ms R S T r e g r e s s i v e s y s t e m t r a c t HS T h i g h s t a n d s y s t e m t r a c t w i l l b e f o rme d i n t h e t r a n q u i l i t y p e ri o d T h e c o n c e p t i o n c a n h e l p r e s e a r c h e r s s t u d y t h e u n e v e n c h a n g e o f t h e r e la t i v e l a k e l e v e l i n h a l f g r a b e n l a c u s t ri n e a n d i t i s a l s o h e l p f u l t o fi n d s u b t l e r e s e r v o i r s Ke y wo r d s h a l g r a be n l a c u s t ri n e b a s i n e p i s o d i c d i ffe r e n t i a l s u bs i d e n c e a c c o mmo da t i o n t r a n s f o r m h i n g e p a r a s e q u e n c e s e t 1 可容空间转化枢纽概念的提出 单断式断陷湖盆发育过程 中 主要受构造 因素 控制 一 湖 盆 边 界 主 断 层 的 幕 式 差 异 沉 降 活 动 导致湖盆 中的水体发生重新分配 其可容空 间也将发生重新分配 断层的快速幕式活动 导致 1 国家 自然科学基金重点项 目 4 0 3 3 5 0 4 6 资助 收稿 日期 2 0 0 5 0 7 1 6 修 回日期 2 0 0 5 1 2 3 1 湖盆基底的沉降所形成的新生可容空间要远远超过 同时期内的沉积物供给量和水体补给量 因此 为 了讨论方便 假设在断层 的幕式活动期 间的沉积物 供给量和水体补给量为零 同时湖盆中的水体总量 在变化前后保持不变 在缓坡带 必定存在一 O点 变化后 为 O 点 2l l 维普资讯 北 京 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 4 2卷 在变化前后水深保持不变 E O E 0 0 点外侧 为水体深度变小 0 点内侧为水深增大 此点即为 可容空问转化枢纽点 在陡坡带 A段是断层下 滑过程中新生基底 为新增可容空间 段上各点 水深减小 0点为湖盆缓坡带上水体深度发生转化的点 在断陷湖盆发育过程中 该点位置不断发生变化 对 于整个盆地在某一 时刻表现为一条线 整个层序 演 化过程中则表现为一 个带 因此称之为可容空间转 化枢纽 图 1 图 1 可窖空 间转化枢 纽示 意图 F i g 1 Th e s k e t c h ma p o f a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o r m h i n g e 2 计算模型 假定单断湖盆在发育过程中陡坡带坡度角不发 生变化 缓坡带一端沿着陡坡带底部发生刚性下滑 令此湖箍水体体积为 在湖箍发育过程 中水体的 体积始终保持不变 设 陡坡 带倾 角为 缓坡带倾 角为 a 当断点 A滑至 时滑距为 缓坡带倾角变 化量 a 设变化前湖盆最大深度为 h 变化后最大 深度为 h 湖盆深度变化为 A h 设垂直于剖 面方 向上的湖面宽度 为 f 某个时刻缓坡带转化枢纽 与 盆底距离在发生变化前为 Y 发生沉降后转化枢纽 距离盆底的距离为 Y 根根变化前后水体的体积不 变 可得 变化前湖盆 变化后 湖盆 h z 1 z 由上式可知 变化后最大深度为 f 1 1 i l I j f t T ri p j 湖盆水体的变化深度为 Ah h x s i n 一 h 把 h 代入上式可得 r 1 1 i 1 一I l j 1 由 0 点在湖盆变化前后水体深度不变可知 h Y s i n a h 一y s i n 口 A a 而 Y与Y 都表示 可容空间转化枢纽距 离盆底 的距 离 经过计算可得 Y Y 旦 一 c t s e c 口 一 1 1 r 将 h 代入上式 经整理后可得 熹 卜 邮 l 煮 tana tan fl一 Y 一 n 一 分析 1 2 两式 可 以知道 Y值与滑移距 没有关 系 它是 a 口 h a的函数 即是 由原来湖 盆的形状 a h 和后 来缓坡 角度 的变化值 A a 所决定 故可表示为 Y f n 盘 h A a 湖盆深度变化 A h与 a h A a 都有关 系 故可 表示为 Ah f 口 h 口 3 可容空间转化枢纽各控制因素讨论 对于方程式 Y 口 卢 h x a 口 h A a 我们可以对 Y和 A h中的参数分别作以 下情形的讨论 2l 2 n 2 1 设 5 5 h m 5 0 m 口 0 5 为常 数 a 1 5 3 5 o 为变量 来讨论 a与 Y A h之间的关 系 它们之间的关系曲线如图 2 图 3所示 湖盆缓 坡倾角 a与缓坡 带转化枢纽与盆底距 离 Y成反 比 缓坡倾角愈大 转化枢纽距离盆底距离愈近 湖盆缓 坡倾角 a绝对湖平 面下降值 Ah都成反 比 缓坡倾 角愈大 湖盆水体深度变化愈不明显 2 设 口 3 0 h 2 5 0 m 5 0 m 口 0 5 为 常数 8 5 5 一7 5 为变量 来讨论 与 Y A h之间的 关系 它们之间的关系曲线如图 4 图 5所示 湖 盆 陡坡倾角 与缓坡带转化枢纽与 盆底距离 Y成反 比 陡坡倾角愈大 转化枢纽距离盆底距离愈近 湖 盆陡坡倾角 与绝对湖平 面下降值 Ah成反 比 陡 维普资讯 第 2期 汪 涌等 单断湖盆可容空间转化枢纽及数学证明 坡倾角愈小 湖盆水体深度变化愈明显 图 2 缓坡倾角变化与可窖空间转化枢纽位置关系 F i g 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e v a r i e t y o f g e n t l e a n g l e a n d t h e l o c a t i o n o f a c c o mmo da t i o n t r a n s f o r m h i n g e 图 3 缓坡倾 角变化与湖盆深度变化关系 Fig 3 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e v a rie t y o f g e n t l e a n g l e a n d t h e v a rie t y o f la k e d e p t h 图 4 陡坡倾 角变化与可容空间转化枢纽位置关 系 Fig 4 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e v a rie t y o f s t e e p a n g l e a n d t h e l o c a t i o n o f a c c o mmod a t i o n t r a n s f o r m h i n g e 图 5 陡坡倾 角变化与湖盆深度变化关系 Fig 5 Th e r e l a t io n s hi p b e t we e n t h e v a rie t y o f s t e e p a n g l e a nd t h e v a rie ty o f l a k e d e p t h 3 设 a 2 5 p 5 5 5 0 m 口 0 5 为常 数 h 1 0 0 3 0 0 m 为变量 来讨论 h与Y A h之间 的关系 它们之间的关系曲线如 图 6 图 7所示 原 湖盆水体深度 h与缓坡带转化枢纽与盆底距离Y成 正比 原湖盆水体深度越深 转化枢纽距离盆底距离 愈远 原湖盆水体 深度 h与绝对湖平面下降值 Ah 成正比 原湖盆水体深度越深 湖盆水体深度变化愈 明显 4 设 口 2 5 口 5 5 o h 2 5 0 m 口 0 5 为 常数 1 0 5 0 m 为变量 来讨论 与 Y A h之 间 m 图 6 原湖盆水体深度与可容空间转化枢纽位置关系 F i g 6 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e p t h of o r i g i n a l l a k e a n d t h e l o c a t i o n o f a c c o mmo d a t i o n t r an s f o r m h i n g e 打 m 图 7 原湖盆水体深度与湖盆深度变化关系 F i g 7 Th e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e p t h o f o ri g i n a l l a k e and t h e v a rie t y o f l a k e de p t h 的关系 它们之问的关系曲线如图8 图9 所示 缓 坡带转化枢纽点与盆底距离 Y与滑移距 无关 即 无论断层活动强度如何对可容空间转化枢纽的位置 无影响 滑移距 与绝对湖平面下降值 Ah成反 比 断层活动越强烈水体深度变化越小 反之亦然 4 0 三2 0 0 5 0 1 0 0 m 田 8 滑移距与可容空间转化枢纽位置关系 Fi g 8 1 1 1 e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e d i s t a n c e o f d o wn s l i p a n d t h e l o c a t i o n o f a c c o mmo d a t i o n t r a n s f o r m h i n g e X m 图 9 滑移距与湖盆深度变化关系 F i g 9 Th e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d i s t a n c e o f d o wn s l i p a n d 1 t h e v a r i e t y o f l a k e d e p t h 5 设 口 2 5 9 5 5 h 2 5 0 m 5 0 m 为常 数 口 0 1 1 1 为变量 来讨论 口与 Y A h之 间的关系 它们之间的关系曲线如图 1 0 图 1 1 所示 缓坡坡角变化值 a与缓坡带转化枢纽点 与盆底距 离Y成反 比 缓坡倾角变化量变化愈大 转 化枢纽距 离盆底愈 近 缓坡坡 角变化值 a与绝对 湖平 面下 2l 3 维普资讯 北 京 大 学 学 报 自然 科 学 版 第 4 2卷 降值 Ah成正比 缓坡倾角变化量变化愈大 湖盆水 体深度变化愈明显 A a l 图 1 O 缓坡带倾角变化量 与可 容空间转 化枢 纽位置关 系 F i g 1 0 Th e r e l a t i o n s h i p be t we e n the v a r i a t i o n a l v a l u e o f g e n t l e a 咄a n d t h e l o c a t i o n o f a c c o m m o d a t i o n t r a n s f o r m h i n g e A a 图 1 1 缓坡 带倾角变化量与湖盆深度变化关 系 Fi g I l Th e r e l a ti o n s hi p b e t we e n t h e v a ria ti o n al v a l u e o f g e n t l e a n g l e a n d the v a r i e t y o f l a k e d e p t h 4 讨 论 1 可容空间转化枢纽的层序地层学意义 在断陷湖盆发育过 程中 在幕式 活动快速沉降 期 沉积物供给量和外界水体 的补给量小于可容空 间增加量 将导致湖盆 的绝对湖平 面下 降 对于盆 地内部的各点相对湖平 面在不同的构造位置变化存 在显著的差异 即存在一个可容空间转化枢纽 在转 化枢纽的外侧相对湖平 面下降或水深减小 而在转 化点内侧相对湖平面上升或水深增大 因此 断陷 湖盆发育过程 中 湖平面变化不存在统一性 在断陷湖盆开展层序地层研究 中 应慎重运用 绝对湖平面统一性变化原理进行区域性层序地层对 比 不能轻易地使用 水深或绝对湖平面变化作为层 序地层学研究的基础 而应 以相对湖平面变化作为 研究基础 J 特别 当构造沉降产生的可容空间量大 于沉积物供给和水体补充量时 在盆地的不同部位 相对湖平面变化具有不一致性 陡坡带 的地层上超 并非代表湖进或绝对湖平面上升 可容空间转化枢 纽模型的建立 有助于定量认识单断湖盆相对湖平 面 的不均 性 变化 2 可容空间转化枢纽的油气勘探意义 可容空间变化控制着层序演化和体系域分布 可容空间转化枢纽将是隐蔽圈闭有利分布区 缓坡 2 l 4 带 的可容空间转化枢纽外侧水体变 浅 是浅水砂体 的有利分布区 且是层序界面所对应的不整合面分 布区 内侧水体变深 为深水沉积区 主要发育深水 成因砂体 特别地 当在缓坡上发育断层时 当断层 发育的位置与转化枢纽存在一定 的匹配关系时 缓 坡带上的断层下降盘也将发育一系列深水砂体 当 然 砂体的发育情况与湖盆的规模 和水体大小有关 系 因此 可容空间转化枢纽概念的提出 对于勘探 隐蔽性油气藏具有一定的指导意义 5 结 论 1 断陷湖盆发 育过程 中 水体分配是不均一 的 存在着可容空 间转化枢纽 可 容空间转化枢纽 内侧 相对水体深度变深 形成退积型准层序组 反 之 则变浅 形成进积 型准层序组 宁静期形成加积 型准层序组 2 断陷湖盆发育过程 中 可容空间转化枢纽 距离湖盆底部的位置 只与原湖盆 的形状有关 同湖 盆缓坡倾角成反比 陡坡倾