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)用及取得的進展。結(jié)合計算機技術(shù)，實現(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。

關(guān)鍵詞：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制，將剖面上的變形構(gòu)造通過幾何學(xué)、運動學(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。特別是與計算機結(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。根據(jù)地殼變形規(guī)律、物體變形機理和物質(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，所有與釘線相交的點，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)置不同的參數(shù)（如斷距、剪切矢量），可以進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，沿斷層將斷層面劃分為若干小的段塊，在各段塊內(nèi)的各層拐點處進行二分，構(gòu)成平流線，將各段塊沿斷層去褶滑移，恢復(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)、平移進行處理。

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、壓實與去壓實、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，確定滑脫面和斷層面；

（3）壓實與去壓實

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行壓實或去壓實校正。

（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，由于巖層變形機制的差異亦須選取不同的平衡機制。

（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)法則對剖面進行檢驗，使其平衡，這樣可以提高地震剖面的解釋質(zhì)量；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行分析和驗證，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，進而為圈閉發(fā)育及油氣聚集研究提供依據(jù)。

參考文獻

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作者簡介

譚靜（1991-），在讀研究生，長江大學(xué)，石油構(gòu)造分析