平衡剖面技术在构造演化中的应用

平衡剖面技术在构造演化中的应用

20世纪50年代，daram系统提出了基于一定原则的平衡剖面。平衡剖面被认为是在一定的原则上恢复观察到的剖面的适当剖面，并在阿巴拉齐亚山脉的阿尔伯达油田得到成功应用，这在山地剖面形成和发展的研究中得到了逐步推广，尤其是在与计算机的结合下，平衡剖面的模拟得到了广泛应用。与未平衡剖面相比,能平衡的剖面满足了大量合理的限制条件,更接近于实际变形过程和真实的地质情况,因此,平衡剖面技术成为地震剖面构造解释的验证标准和盆地构造分析的基本手段。同时,通过剖面的平衡,能够真实再现地质运动时期不同构造应力场下的构造演化过程,深入分析构造变形演化历史,进而分析构造圈闭的形成演化阶段,为油气运移及聚集规律研究提供依据。近年来,随着一些新的反转构造、伸展构造和滑脱构造等物理模型和数学模型的建立,平衡剖面技术在反转构造和挤压区盐构造平衡、伸展断陷盆地亚分辨正断层的预测等方面取得重要进展。由二维剖面平衡与复原走向三维平衡与复原,同时与计算机技术紧密结合,成为平衡剖面技术完善和发展的趋势。1平衡截面的基本原理和生产1.1剖面恢复的可接受性平衡剖面技术是根据物质守恒定律而推出的,即岩石在变形前后体积保持不变,对于一条剖面而言,剖面的缩短与地层的加厚相一致。为了建立合理的地质横剖面,Dahlstrom提出了剖面平衡的2条原则:①横剖面上岩层的长度在没有地层间断的情况下,岩层长度一致;②在一个特定的地质环境下,只可能存在一套特定的构造。为了验证剖面的合理性,Elliott提出了2条验证准则:①合理性,即指能将变形剖面恢复到变形前的状态,同时保持变形前后体积、面积或层长的守恒;②可接受性,即指剖面应该符合实际的地质情况。根据地壳变形规律和物质守恒定律,可以推导出体积守恒、面积守恒和层长守恒等一系列平衡剖面恢复的几何法则。对不同的构造环境,上述各种几何法则均有一定的应用前提条件。体积守恒的前提是变形体在变形过程中的体积没有变化,发生变化的仅仅是构造形态。面积守恒的前提是变形主要发生在沿构造运动的方向上,而在构造走向上的岩层没有发生变形。层长守恒是在面积守恒的条件下,假定地层厚度不变的条件下的守恒,此时地层只是发生了断裂、褶皱,而没有发生层间的岩石流动。体积守恒适用于一切构造环境,但实践中难于操作;层长守恒仅适用于刚性岩层的压性构造中;面积守恒适用于沿构造走向岩石未发生变形的构造环境,因而应用最广。毛小平认为Dahlstrom的剖面恢复原则较适合恢复陆上规模较小和断裂系统单一的剖面,而对断裂系统复杂的剖面其适应性相对较差。在经典平衡剖面法基础上,根据物体变形机理和物质守恒原理,提出了以法线不变原则及变形匹配原则为基础的物理平衡剖面法,其更多地考虑了岩石变形的物理属性,适用于断块发育剖面的恢复及多层、变形叠加剖面的恢复,尤其能够适应大规模和多期次构造变形的剖面恢复。1.2剖面平衡方法与模型选择剖面选择为了正确反映构造变形量以及变形率,所选择的剖面要求垂直于区域构造的走向,与构造运动的方向近于一致。对于不具备与区域构造走向正交剖面的地区,可以选择与构造运动方向具有一定夹角的剖面,但在定量分析构造变形时,须消除由于剖面斜交而引起的误差,其夹角不应超过30°。还要求剖面的一端未发生构造变形,以利于平衡时确定钉线。资料收集通过对研究区岩层与构造情况的地表露头、钻井资料的收集与分析,将地表所见地层界线及产状、断层位置及产状和井下所见地下情况准确投影并标记在剖面线上,以确定滑脱面和断层面。压实与去压实岩石在有限应变过程中,体积发生减小,而且沿走向拉张也能产生垂直方向剖面面积的减少。为了准确反映构造变形量,在剖面平衡时,针对不同的平衡方法,须对岩层进行压实或去压实校正。钉线确定钉线是未受构造变动的线,须与层理面相垂直,应设置在具有最小层间剪切作用的地方,可分为区域钉线和局部钉线2种,区域钉线一般设置在推覆体的前缘和尾缘,局部钉线则设置在每一个次级逆冲岩片的尾缘上。在设置钉线时,尽量避开强褶皱或者有明显次级干扰因素的地段。模型选择根据研究区的构造应力环境和剖面所反映的构造样式,选取相应的平衡模型,如压性环境下的断层相关褶皱模型、张性环境下的“多米诺”骨牌和伸展断层转折褶皱模型等,即使在同一构造环境情况下,由于岩层变形机制的差异亦须选取不同的平衡机制。剖面平衡剖面平衡为一个反复调整的过程,根据几何学法则对剖面进行检验,使其平衡,这样可以提高地震剖面的解释质量。剖面复原固定区域钉线,将各岩层展平且移回到变形前的位置和水平状态上。变形剖面上的主要断层须标识在变形前的复原剖面中。2平衡区域技术的应用正在向前推进2.1平衡剖面的建立在重力和挤压作用下,具有流变性的盐层易发生塑性流动,通常核部盐层加厚,翼部减薄,且使得盐下、盐间和盐上的构造样式不尽相同,因而对含盐构造的塑性盐层和盐上及盐下的刚性岩层须采用不同的平衡方法。分层复原法根据岩层变形的差异选取不同的机制和不同的平衡原则,对各岩层单独逐层进行变形恢复,把误差限制在各地层单元内部,使之较为准确地反映剖面的构造变形,有效地解决了不同形变机制的变形岩层的平衡和恢复。张明山和汤良杰等对库车坳陷盐构造进行平衡剖面分析时,用弯滑机理的层长平衡法复原盐上层序和盐下层序,用面积平衡法复原盐层层序,然后进行合并,在保持面积平衡的基础上,使盐层层序长度与盐上层序和盐下层序的长度相等,由此构建了研究区典型盐推覆构造的平衡剖面,进而分析了盐推覆构造的活动时限,并估算了推覆距离。周建勋利用平衡剖面技术在柴达木盆地进行构造演化恢复时,对于浅部地层采用“弯滑机制”的算法,对于深部地层采用“垂直/斜滑机制”的算法,对于膏盐层则采用“塑性变形机制”算法,采用不同模型,逐层恢复。2.2量化层序s-h解剖随着地震勘探技术的发展,地震资料所能分辨出的地下构造愈加精细,但是对于垂直断距小于1/4地震波长的小尺度断层却难以直接在地震剖面上解释出来,这些在观测尺度下不能直接分辨出的断层称为亚分辨断层,尤其在伸展构造区可能广泛发育。部分亚分辨断层在油气藏中可起到隔离或连通作用,因而对油气成藏有较大的影响。根据面积平衡原理,伸展断陷盆地岩层的区域基准面至拆离断层面高度(h)与其损失面积(S)呈线性关系。由于拆离断层之上的盆地基底岩层的水平伸展量相同,因此,建立半地堑、地堑和生长地堑“S-h图解”,从而可以确定不同类型断陷盆地的拆离断层深度和岩层的总水平伸展量。由于盆地各岩层平行岩层面的应变有相当部分是由在观测尺度上不能直接解释出的亚分辨正断层的小尺度位移造成的,因此,根据伸展断陷盆地的构造样式和岩石力学性质选取不同的亚分辨正断层形成伸展应变模型,从而定量预测亚分辨正断层的发育密度和可能的部位。Richard将该方法应用于墨西哥湾Gilbertown地堑亚分辨正断层的预测,其预测结果与高精度地震所反映的情况几乎一致。2.3模型转换与拉张模型的结合反转构造是指构造变形作用发生反向变化所产生的与前期构造性质相反的一种叠加构造,其构造样式复杂,且在演化过程中,受伸展和挤压作用后既有沉降又有剥蚀作用,因而对于反转构造剖面仅根据单一的伸展模型或挤压模型都无法进行平衡,须将两者结合来完成剖面的平衡。薛爱民等提出一种拉张模型自动恢复加挤压模型人机联作的多模型转换平衡剖面恢复方法。在拉张与挤压模型结合的基础上,Mayte通过实验对弯滑、垂直滑动和斜向滑动3种恢复模型进行了比较,认为弯滑模型最适合反转伸展断层的恢复和平衡。根据反转构造的恢复和平衡模型,凯尔特海盆地、合肥盆地、东海盆地长江坳陷和龙门山前陆冲断带等地均通过平衡剖面技术再现了构造反转过程,为构造演化分析提供了定量依据。3平衡技术的问题3.1构造应力对早期构造的作用构造叠加是由于构造应力方向的改变,后期构造叠加于前期构造之上,且对其进行改造。在构造叠加的过程中,受构造应力的作用,早期构造中的物质会沿着晚期区域构造走向发生流动,因而对于早期构造而言,其剖面上的物质在三维方向上发生了改变,对于二维的面积不再守恒。因此,对于具有叠加构造的地区,早期的构造只是在三维空间上体积守恒,因而平衡剖面技术只能对晚期构造进行平衡和恢复。3.2物质流动与走滑方向的物质迁移压扭或张扭构造是指在挤压或拉张的过程中伴随有斜向滑移的构造,其不仅在挤压或拉张方向上发生物质流动,而且在走滑方向上亦发生物质迁移,即在2个方向上均发生物质的改变,因此,发生斜向滑移后,剖面的面积发生了改变。在斜向滑移构造中,岩层在三维空间变化,而对于沿着构造运动方向的二维空间面积和一维的层长均不守恒,因此,对于斜向滑移构造只能依据体积守恒进行三维平衡。3.3剖面的平衡和剥蚀量的恢复。据外部化在发生过多期构造变形,且变形强度差异较大,即含不均匀剥蚀的构造剖面上,在变形过程中,剖面面积发生改变,但是这种变化不同于区域剥蚀所引起的变化。在区域剥蚀过程中,整个剖面地层都发生剥蚀,其剥蚀量较为均匀,而不均匀剥蚀造成剖面横向上的差异剥蚀,其剥蚀量呈无规律变化,因此,在剖面的平衡过程中,含区域剥蚀构造的剖面可以通过剥蚀量恢复来进行剖面的平衡;而含不均匀剥蚀的多期构造剖面由于剥蚀历史难以恢复,面积变化规律不清楚,因而,对该类构造难以进行剖面平衡和恢复。4与原采后的三维平衡与原位的三维平衡在构造演化过程中,岩层通常在三维空间上发生变形,如不同方向的叠加构造、斜向滑动构造和塑性变形等,都进行了多个方向的物质迁移,因此,由二维剖面平衡与复原走向三维平衡与复原