平衡剖面技术及其在兰坪盆地的应用

刘礼洁, 郭福生, 姜勇彪, 朱志军

(东华理工大学,江西抚州 344000)

平衡剖面技术及其在兰坪盆地的应用

刘礼洁, 郭福生, 姜勇彪, 朱志军

(东华理工大学,江西抚州 344000)

平衡剖面技术是构造演化定量恢复的有效手段,但需根据实际地质条件采取相应的方法才能获得可靠的成果。盆地构造演化的平衡剖面恢复主要包括地质剖面的构建、平衡剖面计算、去压实校正、应变量与应变速率分析 4个步骤。平衡剖面技术可以对构造运动进行检验和定量分析,建立模型,对复杂现象做一个可能的解释。将平衡剖面技术应用于兰坪盆地,计算出不同时期地层的缩短量,为下一步研究提供参考,具有构造意义。

平衡剖面技术;构造演化;兰坪金顶地区

平衡剖面技术经历了近 40余年时间的发展,不断得到完善,并从对石油勘探领域的应用推广到对构造运动特征的分析。对于正确判断地下构造,合理进行盆地恢复及进行资源量计算有着重要的意义(施泽进等,1999;余一欣等,2008;刘栋梁等,2008;胡望水等,2010)。平衡剖面方法本身也在不断地得到发展和完善,应用范围不断扩大,同时经历了由手工制作剖面向计算机模拟,由二维模拟向三维模拟的重要发展 (梁慧社等,2002)。

1 技术的关键步骤

1.1 地质剖面的构建

平衡剖面技术是根据物质守恒定律推出的,自然界的任何事物都力求达到平衡的稳定状态。就地球构造而言,一个地区的拉张必然伴随着另外一个地区的压缩,否则就无法保持地球表面积的恒定。对于一条剖面而言,剖面的缩短与地层的加厚是一致的,否则就不能保持剖面面积的守恒,平衡剖面正是根据这一原理提出了一系列几何学法则,并以此制约在剖面解释中的随意性 (梁慧社等,2002)。

构造剖面分为不平衡剖面、不能复原剖面、可复原或可承认剖面、有价值平衡剖面四类。因此,不是任何一个地区任意一个剖面可成为只有唯一解的、有价值的平衡剖面。平衡的剖面是合理的,但不一定是真实的剖面,但不平衡的剖面一定是错误的 (Elliott,1983)。

平衡剖面的基本原理 (蒋录全等,1995):(1)体积守恒,即变形前后区域地层所占的体积不变;(2)面积守恒,即在平面内应变;(3)层长守恒,即各地层恢复后的原始长度在同一剖面中应当是一致的;(4)断距守恒,即同一条断层应当保持相同的位移量,如果断层发生分叉,位移分散到各小断层之上;出现同生断层,位移量被地层厚度差异弥补(图1)。

图1 平衡剖面原理图Fig.1 Profile diagram of balanced section

形成平衡剖面的首要前提是体积守恒,在变形与未变形过程中,物质未发生改变。就像地球,一段地区处于拉张状态,那么肯定在其他地区处于压缩状态,它是平衡的。在体积守恒过程中,有一点是必须首先说明的,要保证体积守恒,岩层与岩层之间必须是紧密接触,这包括岩层之间受到挤压力时,单个岩层体积不发生缺失,岩层之间也应该没有空隙,这种情况下,不管这个地区受到怎样的变形,它的体积都是守恒的,这一点在后面的具体画图中很重要。

在体积守恒的前提下,对这个地区,沿着任意一方向做剖面,所得到的面积不一定守恒,当遇到面积改变的情况,可以建立复杂构造的数学模型和三维物质平衡方法,即体平衡技术研究,简化了平衡时三维体积计算和对不平衡体积构造体的适应性(毛小平等,1999)。但是,当选择的剖面方向是垂直于构造线的方向或在 b轴方向上无应变或可以忽略不计时,面积是一定守恒的。

根据这一原理 (图 2)可以计算剖面的缩短量或滑脱面深度,其前提是先推算出两者之—。在滑脱面为已知的情况下,可以根据滑脱面的深度和剩余面积来计算构造变形量。

图 2 面积守恒原理示意图(Dahlstrom,1969)Fig.2 Area conservation diagram

缩短量 =剩余剖面/原始地层厚度(到滑脱面的深度)

在体积或面积守恒都成立的前提下,对于一个地区,当岩层厚度没有发生改变(各层面间没有不连续的滑脱断层或底板断层面)时,根据面积定理,岩层的长度是不会发生改变的。当岩层厚度发生改变,可利用岩石的压实曲线进行去压实校正,但只是针对岩性均匀的地层,对于岩性岩相横向变化大的陆相盆地则无法直接使用,需根据岩性的变化把剖面分割成岩性相对一致的区段分别进行去压实校正,再把校正后的各段重新拼接成完整剖面(周建勋,2005)。

因此,平衡剖面的方向多选择垂直于构造线的方向,或者与构造运动方向夹角不应该超过 30°,或在 b轴方向上无应变或可以忽略不计。另外,剖面的选择还应考虑其一端位于未变形的前陆,以便在后面作图过程中有个参考标准。

准确的地质剖面是构造演化分析的基础。盆地中地质剖面的构建主要依靠地震剖面,通过地震剖面时-深转换,并综合钻井资料、地表地质资料以及其他物探资料才能构建准确的地质剖面 (刁博等,2004)。其中有两种方法:一种是 GEOSEC软件包等计算机软件,另一种是手绘并结合Mapgis等地质上常用画图软件,后者相对较为局限。

1.2 平衡剖面图计算

平衡剖面图有反演、正演和恢复 (蒋录全等,1995),它们的原理和方法是相同的。下面以恢复为例进行说明。

地层的变形机制的分析可以根据剖面的构造形态、地层的岩性和埋深情况,并可辅以构造物理模拟实验加以推断。通常,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,对于泥岩与膏盐地层则采用“塑性变形机制”的算法(Bulnes et al.,1999)。一般采取面积不变原则,对强烈变形的强塑性地层还必须对地层面积的变化作出合理估计。这种方法无法用手工作业加以实现,只能依靠一些成熟的平衡剖面软件。

平衡剖面恢复有两种方式 (张荣强等,2008):去褶皱恢复和断距恢复。去褶皱恢复应用于褶皱的几何形状可以被忽略的地区,有 3种几何算法(图 3):线长去褶皱、简单剪切去褶皱和弯滑去褶皱 (丁博等,2004)。断层恢复可以应用在那些受断层几何形状影响的区域,有 3种算法 (图 4):斜剪切、断层平行流算法和三角剪切算法 (刁博等,2004)。

图3 非运动学恢复Fig.3 Non-kinematic recovery

平衡剖面方法的总体思想是将岩层一层一层的剥去,对岩层进行剥离时,以岩层的可参考程度为标准,不一定按岩层的顺序,也不是按照构造的先后顺序,所以,一副完整的平衡剖面恢复图,它能反映的只是地层形状的变化,而不能反映构造的变化,要反映构造的变化需要再次反推,才能得出正确的结论。

值得注意的是,在恢复过程中,需要不停的与实际资料进行对比,这样,才能画出比较正确的有价值的剖面。

1.3 缩短率与缩短速率分析

通过平衡剖面恢复可以得到各演化阶段剖面的构造形态和长度数据。根据剖面的长度数据可以计算各构造阶段的线应变,再根据地层时代得出应变速率数据。对于挤压构造的线应变和应变速率通常直观地称为缩短率和缩短速率 (周建勋,2005)。缩短率的计算一般以早期剖面长度作为初始参照,其中,缩短率等于缩短量除以总缩短量;缩短速率等于缩短量除以缩短所用的时间。通常以缩短率-时间曲线直观表达各构造演化阶段缩短率的变化,其中曲线斜率反映缩短速率大小。

缩短率及缩短速率大多只具有相对意义。它与剖面的长度以及所处的构造部位关系很大,不同剖面之间通常不具直接的可比性,只有初始长度基本相同、所处构造单元基本一致的剖面之间才具有可比性,这点在实际分析中必须引起注意 (周建勋,2005)。

2 应用价值

在地质和石油勘探领域,剖面的平衡与否已经成为检测其地质构造解释是否正确合理的标准方法,剖面解释是否正确直接影响到对区域构造的认识和油气勘探的效果;对剖面进行合理的选择并恢复,可以对构造变形进行数字化分析,为油气资源评价提供依据;对于一些非常复杂的剖面,当难以解释时,可以采取正演法制作平衡剖面图,由于正演法严格受到平衡剖面几何学法则限制,制作出的最相近的一个结果可以作为对复杂现象的一个可能解释。

3 兰坪盆地的应用

本文研究对象已建立了正确的地层柱状图模型,在一定的构造变形研究基础上,本次研究选取的剖面方向为北西西方向,与本区主构造运动方向夹角小于30°,途径兰坪老县城、金顶矿区一带,剖面全长约为 20.494 km并由此制作出综合剖面图(图 5)。

图4 运动学恢复Fig.4 Kinem atic recovery

图5 综合地质剖面图Fig.5 Generalized geologic profile

利用平衡剖面技术对云南兰坪金顶地区构造运动特征进行分析,得出兰坪金顶地区构造演化史剖面 (图 6),其中,剖面上 T1,T2,T3,T4分别是选择的各标志层面,T1至 T2是南新组,T2至 T3是景星组上段,T3至 T4是景星组下端,恢复后测得南新组、景新组上段、景星组下段缩短量分别是1.310 km,0.932 km,0.696 km。结果表明,景星组下段至南新组地层沉积期间,缩短量越来越多,并呈现出一个相对较快的缩短期,就是南新组,这将深化对云南兰坪金顶地区区域地质构造的认识,为油气资源评价提供依据。

图6 兰坪金顶地区构造演化史剖面Fig.6 Tectonic evolution secti on across the Lanping-J inding area

刁博,程顺有.2004.提高平衡剖面应用价值的有效方法.西北大学学报,2(3).

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Technology of Balanced Section and Its Application in Nanpi ng Basin,Yunnan Province

L IU Li-jie, GUO Fu-sheng, J I ANG Yong-biao, ZHU Zhi-jun
(East China Institute of Technology,Fuzhou,JX 344000,China)

The technology of balanced section isone of an effective means to reconstruct tectonic movement quantitatively.However,some correspondingmethods based on the region geological conditions are necessary for obtaining reliable results.Balanced section restore of basin tectonic development includes four steps:construction of geological section,calculation of balanced section,decompression correction,analysis of strain and strain rate.Thismethod shows some good performance in examining and quantitative analyzing of tectonic movement,modeling,and explaining some complex phenomenon.In this study,the technology of balanced section is used in basin ofNanping.The shortening length in different period is calculated.Thiswill provide some significant background for future study.

technology of balanced section;tectonic evolution;Nanping-Jinding;Yunnan province

P542

A

1674-3504(2011)02-101-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.02.001

2010-12-06

国家自然科学基金项目 (U0933605);中国地调局地质调查工作项目 (1212010818096);东华理工大学研究生创新资金资助项目(DYCA10005)。

刘礼洁 (1986—),女,硕士研究生,沉积盆地分析。E-mail:llj102510251025@yahoo.com.cn