断层生长指数探讨

第1 】 卷第 3期 l 9 8 g年 9月 石 油 实 验 地 EX PERI M EN TA L PETR 0LEU M 质 GEO LOG Y Vo1 11 ，No 3 断 层 生 长 指 数 探 讨 赵孟为 (西北 大学 ) 断屠生长指数不仅与断层活动速率有关 而且还 速率有关-而后者长期以来为们所忽视确 定沉积速率得先求出沉积 时间 然而巳知沉积时间可直接得卸断层活动速率韭定量地反应断层活动强度 因此 断层生长指教一词 巳无实用价值 自从 c E T h o r s e n 1 9 6 3 年提 出断层生 长 指 数 ( g r o wt h i n d e x ，缩 写 为GI )以 来 ，生长指 数 在 国内外 ，尤 其是在 我 国含 油气盆 地 同生 断层 的研 究 中得 到 了较为广 泛的 应 用，并 被 许多教 科书介 绍与 引用 O (R E Ch a p ma n，1 9 8 3 ，朱世新 等 ，1 9 8 7)，普 遍认为是研究 同生断层的有效手段。但是，长期以来，人们在用生长指数研究同生断层 时，忽视了一个十分重要的因素沉积速率。因而得出的结果就不正确，甚至完全错 误 一 、 断层生 长指 数简介 C E T h o r s e n 将断层生长指数定义为断层两侧 同一地层单元的下降盘厚度 上升 盘 厚度 。他 认为 ，在 生长 指数 图上 比较 不 同时代断层生 长指 数 的大 小 ，可 以了解 断 层 在 不 同时代 的活动 强度 (图1)。断层生 长 指数 图一 般可 以说 明： (1)断层 开始活 动 的时 上 升盘厚度 下 降盘厚 宦 O冯石 等 l 9 8 2 长 揩 垃 崮 r 1 图l 断层生 长 指 数 图 ( 据Th o r s e n，1 9 6 3 ，简 化 ) 构造地质学 ，石油地质勘探技术培训教材 石油工业邦勘探培讲中心 a b i f； J 维普资讯 第 3期 赵 盂 为 ； 断层生 长 指 数 探 讨 间，即下降盘地层出现厚度增长的最老时代 ( 图1 A ) ( 2)断层活动最强烈的时 期， 即下 降盘地 层增 长最大 的时代 (图1 B)； (3)断 层活动 的末期 ，即下 降盘地 层增 长 的 最 新 时代 (图1 C)。按 照Th o r s e n 的观点 ， 断层 生长指 数的 大小反 映断 层活动 的强 弱 ， 生长指数等于1 ，断层不活动；大于1 ，断层活动，生长指数越 大，断 层 活 动 性 越 强 (C E Th o r s e n ，1 9 6 9 ，R E C h a p ma n ，1 9 8 3 ，朱 世新等 ，1 9 8 7)。 然而 ， 对 断 层 生 长指数的地质意义稍作引伸和分析，就会发现，问题并不这么简单，因为生长指数不仅 与断层 活 动速 率有关 ，还与 沉积速率有 关。 二、生 长指数 与断层活 动速率 及沉 积速率的关系 下 降盘 与上升 盘 的厚度 不 同是 同生断层 的最 显著特征和 提 出断层生 长指 数的基 础 。 其原 因是 同生断层 在 沉积物 沉积过 程中的活 动造 成两盘 的沉积 速率不 同。为 了讨 论问题 方 便，假 定 同生 断层 活动的结 果表现 为 下降盘下 降 ，上升盘 相对于 下 降盘 静止 ，则对 于 上升盘 而 言，其沉 积速率应 当是 仅受盆地 沉降因 素控 制的沉积 速率 (Vs ，本 文 中未做 说 明 的沉积速率 都是 指这个 沉积速 率 ，它与 断层活 动无关 )而 对下 降盘而 言 ，其沉积 速 率应为受盆地沉降因素控制的沉积速率 ( V s ) 和 断层活动而使其下降的速率 ( V f ，即断 层活动速率 )的造加，即vs + v f 。设地层沉积时间为T 。根据断层生长指数的定 义，断 层 生长指数 ( GI)=下 降盘厚度 ( Hd) 上升 盘厚 度 (Hu)，显然应 当有下 式： G I =Hd Hu= ( Vs +Vf)T Vs T=1- F Vf Vs (1) 此 式的 地质 意义在 于，它表 明断层 生 长指 数是 断层活 动速率和 沉积 速率 的 二 元 函 数 ，而 绝不是 断层 活动速率 的一 元函数 ，它既包含 断层 活动 的信息 ，又包含 沉积作 用 的 信 息。断层 生长指 数与 断层 活 动速率成 正 比， 与沉积 速率成 反 比。 由 于Vs =Hu T，所 以生 长指 数 实际上 也是 断层 活 动 速 率 与 沉积 时问的二 元 函数 。 在上 述假定 下得 出 的 这个结 论具 有普遍 意 义，不 会 由于实 际 地 质 情况的 复杂而 影响结 论的正 确性 。 图 2反 映在不 同沉积 速率条 件下 断层 活 动速率 与生 长指数 的关 系 它是式 ( 1) 的直观 图示 。 图2 表 明，当沉积速率 ( Vs) 不 同时 ，生 长指数 ( GI) 相 同，断 层活动 速 率 (V f)可能 不 同而Vf 相 同，G I 又可 以不 同l 当GI 很大但 Vs 很 小 时，Vf 却 很 小 ，而 当GI 很 小但Vs很 大 时，Vf则 很 大 。所 以单靠生 长指数 而不考 虑 沉积 速 率 是 根本无 法 说明断层 活动强 度的。 以 图 1 为 例 ，按照Th o r s e n 的观 点 ， f 层GI =2 1 ， 圉2 不同沉积速率 ( Vs ) 条件下断层活 动 分速率 ( Vf ) 与生长指数( Gr ) 关系图 维普资讯 2 5 2 石 油 实 验 地 质 第1 1 卷 值最 大 ，断层 活动最 强烈 ，i 层GI =1 1 ，值 最小 ， 断层 活 动最弱。但 假如f 层 Vs ：0 2 5 厘 米 百年 ，i 层 V s =5 厘 米 百年 ，则 由围2可 以看 出 ，f层 V , f =0 2 7厘 米 百 年 (图 2 f )，i 层 Vf =0 5 厘 米 百年 (图2 i )。结 论是 i 层 断层 活动强 于f层 ，与 T h o r s e n得 出 的结 论 完全相 反 ，而后 者显然 是 错误 的。所 以，当各地层 单 元的 沉积速 率不 同时，其 生 长 指数 的大小并 不能 反映 断层 在各 时代活 动 的相 对强 弱，各 时代的生 长指 数之 间没有可 比性 ，困而 是 不能 用来相 互对 比的。 只 有在各地 层 单元沉 积速 率相 等的条 件下 ，才能直接 用生 长指数 判定 断层 在 不同时 代 的相 对 强弱 ， “ 生 长指数越 大 ，断层活 动性越 强” 的关系 才成 立，所 以，各 地层单 元 沉 积速 率相 等是 用生 长指数判 定 同生 断层活 动性 的前提条 件 。然而 这个条 件是 很难成 立的 ，因为盆 地 内各时代地层 单元 扰积速 率的大 小主要取 决于盆 地 的沉 降速 率和 沉 积物充 填 补偿盆 地 沉降的 程度 。而 后两个 因素 又主要 依 赖于盆 地的动力 学环境 和沉 积 环境。 因此 盆地 内不同时代 地层单 元的 沉积速 率一般 是 同时而 异的 ，表 1 和 表 2 能 够说 明这一 点 ，同时也是 因地而 异 ，因 表1 世 界 上显 生代 沉 积 速率 表 时 代 l 沉积 速率( 厘米 百年) 一ii T1 中 生代 I 新生 代 l 据 Ch a p 1 I R t 夸 料换 算 为 盆 地 内同一地层 单元的 厚度不 可能处处 相等 。所 以很难有 直接 用生长 指数研 究 同生 断 层 的条件。 由此看来 ，以往按照Th o r s e n 的生 长指数 概念 对 同生 断层进 行研 究所得 出的 结 果很可能是 错 误的 ，至少 是不 可靠 的。这 是 由于 人们单凭 想 当然 以为 生 长指 数 仅与断 层活 动有关 ，而 没有考 虑沉积作 用的 因素。 表 2 墨西哥湾沿岸最 大沉积速富表 时 代 时间问鬲 (百万年 ) 沉积原宦 (米 ) 沉积 速率 ( 厘米 百年 ) 现 代髓 更新 世 2 2 4 4 0 1 2 2 上薪世 1 0 1 8 3 O I 8 申 新世 1 5 1 2 2 0 O 8 I 懵 新世 1 0 4 8 8 0 4 9 古 一 始斯 世 3 5 7 3 2 0 2 0 白 垩纪 4 0 4 1 2 0 1 O 据 Ha r d i n 等 三、沉 积速率 与断层 活动速 率的确定 如上 所述 ，使 用生 长指数 必 须首先考 虑各地 层 单元 的沉积 速 率。而确定 沉 积速率 的 关键 是 求出 各地层单 元的沉 积时 间 ( T)。方 法有两种 ；一是 甩地层 单元 底部和 顶部 的 同位 素 年龄之 差j二是 用地 层沉 积时 所经历 的绝对 地质年 代， 即地质年 代 中的 时 间 间 隔。求 出 了沉积时 问 ，用 某地 层 单元 的上 升盘 厚度除 以 沉积 时阅 ，就得 到 该单 元的 沉积 速 率 当然，求 沉积时间 的方法 或经过 分析化 验，此 法费时费 钱 (第一种 方法 )I或至 维普资讯 第 3期 赵孟为：断层 生长指数探讨 2 5 3 多只能在 “ 统”这一级别的时间间隔内进行研究，此法影响研究精度 ( 第二种方法 ) ， 从 而使研 究工 作复 杂化 但 是绝 不能 因此而不 考虑 沉积时 间这个 因素就 直接 用生 长指数 研究同生 断层，尽管使用生长指数进行研究的确是简便 易行。 然 而 ，如 果 已知 沉积 时间，就可 以直 接求 出断层活 动速 率，定量地 反映 同生断 层活 动的 强弱 ，而无 须再 “ 绕 道” 生 长指数 。因 为 Vs =Hu ， r ， 将其代 入 式 (1)，则 有： GI =Hd Hu=1+Vf Vs =1 +w ( Hu T) 即有 l Hd Hu=1 +V f T Hu 整理 此方程 得 Vf= 【 HdHU) T=Hd THu T (2) 此式的 地质意 义显而 易 见， 即 断层 活 动速率 是单位 时 间内的某地 层单 元的 厚度 差， 实际 上也 就是 断层 两盘的 沉积速率 差 。 由上述 可知 ， 由于沉积速率 因 时固地 而异 ，使 得 生长指 数在 纵 向上无 法反 映不 同时 代 断层 活动 的强度 ，在横 向上也不 能 比较 同一时 代不 同部 位 上 同一 断层或不 同断层的 活 动强度 ，加之 已知 沉积 时 间就 可 以直接 得 到断层 活动速率 ，所 以，断 层生长指 数 在实践 中 已无 实 用价 值 。 笔者 曾用断层生长指数研究过河套盆地的断裂构造 ( 赵孟为， 1 9 8 8)， 根据本文的思 路，用式 ( 1) 和式 ( 2 )对原先得出的结果进行了比较和分析，发现原有结论 有 些 问 题。以河套盆地临河拗 陷中的杭后断层为例 (见表3) ，原来根据断层生长指数的 分 析 表3 河套 盆地临河拗陷抗后断层生长指数 与断层播动 速率对比寰 时代 Hd(米 ) Hu(米 ) GI T( 百万年) Vs ( 厘米 百年) Hd - Ht t ( 米) V f ( 厘米 百年) 一 Q l 1 7 9 l 1 7 9 1 0 2 5。 8 9 5 0 0 N 2 4 l 7 9 3 5 2 1 1 1 0 3 5 7 2 6 0 T 0 6 0 7 N l 2 4 4 9 2 3 l 0 1 0 B 1 3 1 7 T 1 3 9 0 1 0 T E 2 J 41 J 7 8 4 1 20 3 5 0 51 0 3 5T 0 1 02 K l 8 2 5 7 7 8 1 0 8 3 5 0 2 2 2 4 7 0 O l 3 基础 资科 来源 于长 废石 油勘 探局 *据幸 四光 ， 1 9 7 2天 文地 质古 生物 认 为 始一 渐新世 断层活 动最 强烈 (GI =1 2 0 ， 为最大值 )早 白垩世 与 中新 世 断层 活 动强度一 样 (GI =1 O 6)，断 层活 动的趋 势是 弱一 强一 弱一 强 (表3 GI)。然 而 比较 各 地层单元的沉积速率，发现它们呈递增的趋势，均不相等 ( 表3 Vs )。因 此，根 据 式 (1 )，认为各地层单元的生长指数是不可比的，因而原结论肯定有误。用 式 ( 2) 求 出 各 时代 的 断层活 动速率 ( 表3 Vf)，发 现原结 论都不 对 ：断层 强烈活 动的时 问实际上 在 上 新世 ，而 不 在始一 渐新 世 早 白垩世 和 中新世 断层活 动强度并 不一样 ，后者 太子 前 者 近1 0 倍 ，倒是 生长指 数差别 较大的 始一 渐新世和 中新世 断层 活 动强度相 近，断 层活 动 的 总趋 势是活 动性逐渐 增强 。 承蒙我校赵重远教授和王定一副教授审阅并提出修改意见，谨此谢意。 (收稿 日期l 1 9 8 8 年9 月1 6 目 ) 维普资讯 2 5 4 石 油 实 验 地 质 第l 1 巷 参考文献 1 1Th o r s e n ， C E ， l 9 6 3 A g e of gf j wt h f aI： 【 c j n 川f h s L ui s a a a Tr a n ， G u【 C o a s t ASS Ge o 1 S o e s V 1 3 ，P 1 0 3 1 1 0 C 2)Ch a pma n ， R E ， ， 9 3 3 ， P e t r o ： e m Ge o l o g y ， E J s e r i e r S c e n c e Pu b l i s Ma g Co mp a n c 3 )来世折等编1 9 8 7 油气田调盘勘探与资凉评价 ， 地质出版社 4)Ha r d l n - E R a n d Ha r d i n 1 r G C， 1 9 3 1 ，Co n t e mp r a a e o a s n o r mal f a a t s of Gu ll Co a s t a n d t h e i r r e 1 a t i o n t o l e xu r e s AA P G Bu l 1 V 4 5 ， No 2 5赵 盂 为 1 9 8 9 ，河 套盆 地 断 裂皤动 的特征 及其 与 油气的 关 系 西北 大学 学撮 ，第 1 8 卷， 第2期 DI S CUS SI ON ON TH E GROW TH I NDEX 0F FAULT Zh a o Me n g we (No r t hwe s t Un i ve r s i t y ) Abs t r a ct The gr ow t h i nd ex of a f a