平衡剖面技術(shù)在構(gòu)造分析中的應(yīng)用及意義

1、 平衡剖面技術(shù)在構(gòu)造分析中的應(yīng)用及意義 譚靜 張林光 庹秀松摘 要：平衡剖面技術(shù)是一種遵循幾何守恒原則而建立的地質(zhì)剖面正演與恢復(fù)方法。通過介紹了平衡剖面技術(shù)的原理和平衡剖面的制作方法，論述了平衡剖面技術(shù)在構(gòu)造分析中的應(yīng)用及取得的進(jìn)展。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完整的三維地質(zhì)可視化、平衡和恢復(fù)系統(tǒng)，是平衡剖面技術(shù)的發(fā)展趨勢。Key：平衡剖面技術(shù)，物質(zhì)守恒原理，構(gòu)造分析，構(gòu)造演化1 引言平衡剖面技術(shù)是一種通過分析區(qū)域構(gòu)造背景，對解釋剖面選用合適的變形機(jī)制，將剖面上的變形構(gòu)造通過幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)原理全部或部分復(fù)原成合理的未變形狀態(tài)的構(gòu)造分析技術(shù)。Chamberlin，Buche最早將平衡剖面技術(shù)用于確定同心

2、褶皺的拆離面深度。20世紀(jì)50-60年代，Dahlstrom系統(tǒng)提出平衡剖面技術(shù)，隨著Suppe、Verrall等人對平衡剖面理論的不斷完善，逐漸推廣至伸展構(gòu)造、擠壓構(gòu)造以及造山帶等形成演化研究。特別是與計(jì)算機(jī)結(jié)合后，平衡剖面技術(shù)在地震資料解釋也取得很好的應(yīng)用效果。近年來，隨著一些新的反轉(zhuǎn)構(gòu)造、伸展構(gòu)造、滑脫構(gòu)造等物理模型和數(shù)學(xué)模型的建立，平衡剖技術(shù)在反轉(zhuǎn)構(gòu)造、擠壓區(qū)鹽構(gòu)造平衡和伸展斷陷盆地亞分辨正斷層的預(yù)測等方面取得重要進(jìn)展。2 平衡剖面技術(shù)的基本原理平衡剖面技術(shù)的理論基礎(chǔ)是物質(zhì)守恒原理（Ramsay，1987）。即巖石在變形前后體積保持不變，且對于一條剖面而言，剖面的縮短與地層的加厚相一致

3、。根據(jù)地殼變形規(guī)律、物體變形機(jī)理和物質(zhì)守恒定律，平衡的剖面必須要滿足以下幾個限制條件：面積守恒、層長守恒、位移量守恒（張進(jìn)鐸，2007）。即如果變形前后物質(zhì)的體積不變，則在垂直構(gòu)造走向剖面上體現(xiàn)為“面積守恒”；如果變形前后巖層厚度保持不變，則表現(xiàn)為“層長守恒”。因此，平衡剖面可以理解遵循巖層層長或面積在幾何學(xué)上的守恒原則，考慮巖石變形的物理屬性和巖層的大規(guī)模、多期次構(gòu)造變形，將已變形的剖面恢復(fù)到未變形狀態(tài)，或從未變形地層剖面依據(jù)變形原理得到變形剖面的方法，成為研究構(gòu)造演化的有效工具。3 平衡剖面技術(shù)的構(gòu)造恢復(fù)方法平衡剖面技術(shù)主要有正演法、復(fù)原法和反演法三種方法。對于含油氣盆地復(fù)雜的構(gòu)造樣式，平

4、衡剖面提供了多種構(gòu)造恢復(fù)方法：對于擠壓褶皺可以選用線長去褶法、彎滑去褶法、復(fù)原法等；對于伸展作用產(chǎn)生的各種正斷層構(gòu)造，如多米諾牌式斷塊、鏟式斷層、地塹、半地塹等，可以選用斜向剪切法。斷層平行流法特別適用于模擬褶皺相關(guān)斷層、逆沖斷層帶、鹽構(gòu)造、構(gòu)造反轉(zhuǎn)等復(fù)雜的構(gòu)造樣式；三向剪切法可用于斷層相關(guān)的三角剪切帶的構(gòu)造恢復(fù)。以下結(jié)合 2DMove 工具介紹平衡剖面技術(shù)的幾種構(gòu)造恢復(fù)方法：（1）線長去褶法該算法適用于平行褶皺的構(gòu)造恢復(fù)。此時的構(gòu)造形變主要發(fā)生在兩地層界面之間，如擠壓作用引起的撓曲變形。線長去褶皺可能帶來地層厚度的變化。（2）彎滑去褶法該算法適用于同心褶皺、平行褶皺。即圍繞釘線旋轉(zhuǎn)褶皺的翼部

5、，所有與釘線相交的點(diǎn)，在去褶皺過程中不受剪切或去褶皺作用，將帶有厚度變化的褶皺構(gòu)造，參照標(biāo)準(zhǔn)層沿厚度變化平分為若干平行層，在拐點(diǎn)處將各分層二分形成彎滑系統(tǒng)，將彎滑系統(tǒng)參照標(biāo)準(zhǔn)層與被動地層間的厚度關(guān)系，通過彎滑去褶將褶皺的翼部校為水平基準(zhǔn)面或指定的基面，然后利用平行層剪切達(dá)到去褶皺的目的。（3）復(fù)原法該算法適用于區(qū)域傾斜構(gòu)造恢復(fù)。即將指定構(gòu)造形變校正到水平基準(zhǔn)面或者任意指定深度基準(zhǔn)面，利用垂向剪切和斜向剪切進(jìn)行去褶，且變形前后的面積不變，而線長在變形前后不守恒，尤其是傾斜角度比較大的部位，線長損失量更大。（4）斜向剪切法該算法適用于模擬沿著斷層發(fā)生穿透性的變形，如大型的拆離斷層、犁式斷層。通過設(shè)

6、置不同的參數(shù)（如斷距、剪切矢量），可以進(jìn)行拆離斷層的正演模擬和反演模擬。（5）斷層平行流法該算法適用于模擬受平行斷層剪切控制的斷層上盤的動力學(xué)特征，特別是模擬褶皺相關(guān)斷層、逆沖斷層帶、鹽構(gòu)造、構(gòu)造反轉(zhuǎn)等復(fù)雜的構(gòu)造樣式，也適用于伸展環(huán)境的構(gòu)造樣式。即將構(gòu)造變形后的構(gòu)造，沿?cái)鄬訉鄬用鎰澐譃槿舾尚〉亩螇K，在各段塊內(nèi)的各層拐點(diǎn)處進(jìn)行二分，構(gòu)成平流線，將各段塊沿?cái)鄬尤ヱ藁?，恢?fù)到發(fā)生形變前的狀態(tài)。（6）三向剪切法該算法適用于研究斷層相關(guān)的三角剪切帶。該方法可用于斷層相關(guān)褶皺（如三角剪切帶）的正演和反演。 此外，對于有伸展作用下，產(chǎn)生的簡單多米諾骨牌式的剛性斷塊，可以直接使用簡單的旋轉(zhuǎn)、平移進(jìn)行處理。

7、4 平衡剖面制作方法剖面的平衡過程是一個復(fù)雜、冗長的過程，需要對剖面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)節(jié)和變換，平衡剖面制作步驟包括平衡剖面制作、資料收集、壓實(shí)與去壓實(shí)、釘線確定模型選擇、剖面平衡和復(fù)原。（1）剖面選擇盡量選擇垂直于區(qū)域構(gòu)造的走向，與構(gòu)造運(yùn)動的方向近于一致剖面。對于不具備與區(qū)域構(gòu)造走向正交剖面的地區(qū)，選擇與構(gòu)造運(yùn)動方向具有一定夾角的剖面，夾角不應(yīng)超過30，剖面的一端未發(fā)生構(gòu)造變形。但在定量分析構(gòu)造變形時，須消除由于剖面斜交而引起的誤差；（2）資料收集收集與分析研究區(qū)巖層與構(gòu)造情況的地表露頭、鉆井資料，將地表所見地層界線及產(chǎn)狀、斷層位置及產(chǎn)狀和井下所見地下情況準(zhǔn)確投影并標(biāo)記在剖面線上，確定滑脫面和斷層

8、面；（3）壓實(shí)與去壓實(shí)巖石在有限應(yīng)變過程中體積發(fā)生減小，而且沿走向拉張也能產(chǎn)生垂直方向剖面面積的減少。為準(zhǔn)確反映構(gòu)造變形量，在剖面平衡時須對巖層進(jìn)行壓實(shí)或去壓實(shí)校正。（4）釘線確定釘線須與層理面相垂直，應(yīng)設(shè)置在具有最小層間剪切作用的地方，可分為區(qū)域釘線和局部釘線2種。在設(shè)置釘線時，盡量避開強(qiáng)褶皺或者有明顯次級干擾因素的地段。（5）模型選擇根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和剖面所反映的構(gòu)造樣式，選取相應(yīng)的平衡模型。即使在同一構(gòu)造環(huán)境情況下，由于巖層變形機(jī)制的差異亦須選取不同的平衡機(jī)制。（6）剖面平衡和復(fù)原剖面平衡為一個反復(fù)調(diào)整的過程，根據(jù)幾何學(xué)法則對剖面進(jìn)行檢驗(yàn)，使其平衡，這樣可以提高地震剖面的解釋質(zhì)量

9、；固定區(qū)域釘線，將各巖層展平且移回到變形前的位置和水平狀態(tài)上。5 平衡剖面技術(shù)的發(fā)展趨勢在構(gòu)造演化過程中，巖層通常在三維空間上發(fā)生變形，進(jìn)行了多個方向的物質(zhì)遷移。因此，由二維剖面平衡與復(fù)原走向三維平衡與復(fù)原是平衡剖面技術(shù)的必然發(fā)展趨勢。為了直觀反映構(gòu)造的變形過程，實(shí)現(xiàn)一個完整的三維地質(zhì)可視化、平衡和恢復(fù)系統(tǒng)，使之能方便地利用三維構(gòu)造恢復(fù)和正演模型對地震資料、鉆井資料和地表資料進(jìn)行分析和驗(yàn)證，從三維空間上直觀地顯示整個構(gòu)造的演化過程，獲取各構(gòu)造發(fā)展階段的應(yīng)變量和應(yīng)變速率等定量信息，以深入分析盆地構(gòu)造變形及演化歷史，進(jìn)而為圈閉發(fā)育及油氣聚集研究提供依據(jù)。Reference1Dahlstrom C D A. Balanced cross sections J. Canadian Journal of Earth Sciences，1969，6（4）：743 -757；2毛小平，吳沖龍，袁艷斌. 地質(zhì)構(gòu)造的物理平衡剖面法J.地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，23（2）：167-170；3梁慧社，張建珍，夏義平. 平衡剖面技術(shù)及其在油氣勘探中的應(yīng)用M.北京：地震出版社，2002；4張明山，陳發(fā)景. 平衡剖面技術(shù)應(yīng)用的條件及實(shí)例分析 J. 石油地球物理勘探，1998，33（4）：