平衡剖面控制下古构造的恢复

耿捷 ，冯阵东 ，程秀申 ，王霞田 ，张效恭 ，陈世泽 ，黄莉

（1.中油国际（乍得）有限责任公司，北京 100043；2.中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院，河南 濮阳 457001；3.中国石油新疆油田勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；4.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）基金项目：“十二五”国家科技重大专项课题“东濮凹陷油气富集规律与增储领域”（2011ZX05006-004）

0 引言

古构造形态控制了物源方向、沉积地层岩性及厚度，直接决定了沉积相的类型和砂体的展布［1-4］；所编制的古构造图的准确度直接影响着勘探的成功率［5-7］。以目前常用的工作方法恢复古构造存在3个方面的问题：1）用地层厚度来反映古深度不准确。假设S段地层可以划分为 S1，S2，S3等 3个亚段，S段沉积前与 S3亚段沉积前界面相同，且为同一时刻，2种条件下恢复的构造形态、古深度却有明显差异。古构造图作为反映盆地三维空间演化的图件，与平衡剖面得到的结果应该吻合；而实际工作中，“某段沉积前剖面”顶面近水平，不具备高低起伏，显然不具备“某段沉积前构造图”所反映的地貌形态，所包含的地质意义需要进一步的探讨。2）对影响地层垂向厚度恢复的主次因素不够明确。地层在沉积时和沉积后，发生过一系列地质作用，其垂向厚度的恢复难度较大；影响该数值的因素是多方面的，需要对其进行分析，确定这些因素的主次关系。3）忽略了断层的水平位移，与实际地质情况偏差较大。构造恢复所选择的控制点，在构造演化过程中不仅有垂向变化，还有水平向变化，且水平向的变化往往大于垂向变化，因此古构造的恢复需要考虑三维坐标的变化。

1 古构造图的时段概念

某一层段S的沉积演化过程可以拆分为3个阶段：1）S沉积之前，经受了长期的准平原化作用，不具备高低起伏形态（见图1a），对后期沉积厚度、粒度以及沉积相类型基本没有影响；2）因断裂活动基底差异沉降，造成了后期沉积厚度的不均匀（见图1b）；3）经历漫长的沉积过程，初期产生的断层两侧被厚度不均的S地层充填（见图1c），顶面再次恢复水平。由此可以看出，古构造图反映的是构造起伏产生以后、S地层沉积之前的地貌形态，命名为 “S段地层沉积前构造图”，其深度可用S层的厚度表示。

图1 S段地层沉积演化过程示意

如果地层 S段可以细分为 S1，S2，S3等 3个亚段（见图2），S段沉积前与S3亚段沉积前是同一时间界面，所对应的古构造图分别为S段沉积前构造图、S3亚段沉积前构造图。根据厚度不难测算，S段沉积前的剖面构造形态为一箕状凹陷；而S3亚段沉积时期，断层F1，F2并未产生，S3亚段沉积前不具备构造起伏。2种命名条件下，深度相差较大，所反映的构造形态也完全不同。进一步细化考虑，任何一期构造活动都是长期能量积聚的结果，其经历可以拆分成多次断裂、差异沉降—稳定沉积、能量积聚的旋回。如图2所示，S2亚段沉积期间，可能经历了多次活动，断层两侧同相轴之间的任意一次厚度变化都可能代表一次断裂—能量聚集的旋回，甚至可以进一步细分，而古构造恢复过程中很难考虑得如此细致。因此，古构造图具有时间段的概念，“S段、S3亚段沉积前构造图”命名虽为“沉积前”，反映的并非这一时刻的地表形态，而是整个沉积时期构造变形的累积结果。

图2 S段地层分段示意

总之，古构造等值线图反映的是某套地层沉积后其底界面的构造起伏；该套地层沉积过程中，可能经历了多次断裂—沉降—沉积的旋回，每次变形都会在地层的底界面留下记录。古构造图是可以反映地层沉积过程中三维构造变形累积结果的图件。

2 影响古构造形态的因素分析

编制古构造图时选择的控制点，具有三维空间坐标，任意方向的改变都会造成构造形态的变化［8-12］。古构造恢复的依据是沉积补偿原理，恢复的对象是断层两盘差异沉降造成的地表起伏形态。根据沉积补偿原理，高低起伏的地表形态经过长期的沉积、抬升剥蚀，顶面趋于水平，统计该套地层的残余厚度、剥蚀厚度便可以近似代替底界面的深度（垂向坐标）。在统计地层厚度过程中，受井斜、地层倾斜、地层压实、抬升剥蚀等因素的影响明显（见表1）。

表1 伸展盆地中影响古构造恢复的要素

井斜、地层倾斜致使地层统计厚度偏大。如真厚度1 000 m的地层，倾角30°时的视厚度为1 154 m，如有井斜存在，则可能远大于该数值。地层抬升剥蚀、沉积压实，都会造成厚度减小，由此换算出的古深度偏小。两者对地貌的影响程度视具体情况而定：地层整体抬升，剥蚀厚度均匀，此时恢复得到的古深度偏小，剥蚀校正前后的构造形态十分相似，而在差异抬升剥蚀的条件下，不同区域具有不同的剥蚀厚度，这对地层的原始厚度、地层底面的古深度影响是不可忽略的；沉积岩的压实系数受自身岩性影响，由于深度较大时沉积物以泥岩为主，压实系数较大，深度较小时沉积物粒度偏大，成岩过程中保留的孔隙较多，压实系数小于泥岩，经过压实校正后的古构造图往往是深处更深，差异幅度增大，而相对的高低起伏往往不变。

实际地质情况下，上下地层之间可能是连续沉积，下部地层沉积完成后，其顶面仍处于水下，盆地的不同部位具有不同水深环境，控制点地层厚度加上水深才是底面所处的深度。需要说明的是，中国东部的陆相断陷湖盆中，深部与浅部的古水深差值小于30 m［13-14］，相对于上千米的地层厚度，该数值对古构造等值线的影响几乎可以忽略。

由于构造图中任意一点都是由三维坐标构成的，控制点水平方向的位移甚至会大于地层垂向的厚度，由此造成的构造变形是不可忽略的。如图2所示，假设现今条件下W4，W5井间的距离为2 000 m，断层F2的水平断距为500 m；S3亚段沉积时，F2断层并未产生，2控制点之间的距离仅为1 500 m，当有多条断层存在时，所有断层的水平断距之和可达数千米。忽略断层水平位移得到的古构造图，显然无法反映该时期真实的构造形态。地层的倾斜不仅可以造成垂向厚度统计数值的偏差，而且对控制点之间的水平距离也有影响。现今地层多是倾斜的，通过现今坐标得到的控制点间距一般小于古间距。

由此可以看出，只有在考虑断层水平位移、地层倾斜、差异剥蚀量等因素时，才能得到反映构造起伏的古构造图。压实校正虽会改变构造的幅度，但对构造的形态影响不大；古水深与地层厚度往往不在一个数量级上，校正与否对古构造图的影响几乎可以忽略。

3 古构造恢复方法存在的不足

古构造恢复的方法较多，以沉积学理论为基础的层序地层学恢复法［13-14］、以GIS为平台的3D晕渲技术（可实现定性、半定量的三维模型输出）［15］，以获取层厚度为基础的印模法［8-9］、以现今地层构造图为基础的宝塔图法等，基本可实现三维模型的量化恢复。多数盆地模拟软件的古构造恢复以印模法、宝塔图法为基础［12，14］。

3.1 印模法

印模法以井点厚度计算为基础，也被称为厚度法。该方法通过井震结合、三维建模等技术，获取地层厚度在三维空间的分布，对地层厚度作镜像处理，从而获取层面的古深度。该方法的工作流程为：统计井点地层厚度；在厚度已知的井点控制下，编制工区地层等厚图，或与地震资料相结合，利用盆地模拟技术建立地层厚度分布的三维数据体；将地层等厚图作镜像处理，用地层的厚度作为该层沉积前界面的深度，从而将地层等厚图变化为古构造图。

图3为厚度镜像处理剖面示意。由图可以看出：井点W1，W2井处沉积前的垂向深度与该层的地层厚度完全相等；沉积厚度大的部位对应洼陷区，地层薄的部位则对应凸起区；各个控制点古深度得到较好的控制，可以近似地反映古构造形态。

图3 厚度镜像处理剖面示意

该方法在编制古构造图过程中也存在不足之处：1）在构造恢复过程中，井间距没有变化，盆地的面积也相对固定，而实际情况并非如此。如图2中，W4，W5的井间距在S3沉积前明显小于现今的距离，这一距离等于F2断层的水平断距。2）如果在井点厚度统计的基础上直接绘制地层厚度分布平面图，则会受到井斜、地层倾斜的影响，统计厚度明显增大。如图2中，S3亚段的沉积厚度完全相等，其沉积前的正确构造图中不应有起伏；而用该方法统计时，W4，W5井点处S3厚度相差不多。W3井在地层倾斜和井斜影响下，厚度远大于其他2口井，在此基础上得到的S3亚段沉积前构造图中W3井点处深度较大，显然与实际地质模型中3个井点处深度相等的事实不符。

3.2 宝塔图法

宝塔图法的基础资料为地层界面的构造图，通过逐层回剥，获取目的层界面的古深度。其工作流程为：在地震资料解释的基础上，将时间域变换为深度域，编制古构造图对应界面及其上部各层面的现今构造图；将所需恢复界面之上的地层逐层回剥，从而得到所需界面的古构造形态。

该方法的缺陷与印模法十分相似：控制点上、下深度的差值仍为视厚度，该数值受地层倾角的影响，倾角越大，所恢复的深度偏差越大；不考虑断层的水平位移，构造恢复前后的盆地面积相差不多，而东部的断陷盆地发育过程中，其面积是由小变大的。该方法所得到的图形与盆地构造实际变形过程不符。

在宝塔图法的基础上，漆家福等［16］使用平衡剖面对控制点的水平位移进行校正，取得较好的效果，但是操作难度相对较大；因此，本文对该方法加以改进，提出在平衡剖面控制下直接编制古构造等值线图的方法。

4 平衡剖面控制法

4.1 工作流程

以W-K地区沙三中亚段沉积前构造图编制为例（见图4、图5），介绍该方法的工作流程。

图4 W-K地区沙三中亚段沉积前构造

1）在三维地震工区中选取12条主干剖面（见图4），在已知井点的约束下，进行准确的层位标定，并将时间剖面转化为深度剖面。

2）以地质平衡观点为指导，编制构造演化剖面；选取每条测线沙三上亚段沉积前剖面（见图5），读取P点地层厚度；根据井点钻井结果对厚度进行校正，适当减去红色地层厚度；结果作为控制点的垂向坐标。

3）根据大地坐标，可以标出P点现今剖面的位置（见图4）；在构造相对稳定的区块选取每条测线参考点，使得变形前后测线参考点之间的平面位置相对不变，或者尽量保持不变。W-K地区是受断层F控制下形成的断陷盆地，断层下盘是相对稳定的隆起区，如选择每条测线的右侧端点为参考点B，各参考点在沙三中亚段沉积时期前后位置变化相对较小，恢复得到的地貌形态相对真实。

4）将每条测线的控制点（如图4点B），按照P与参考点B的距离L换算成相应的比例，投影到平面上（见图4），获取平面坐标。

5）在确定所有控制点三维坐标的条件下，绘制等高线图，从而恢复出地层沉积前的构造形态。适当加密测线，观察主要断层两侧沙三中亚段地层的厚度，确定古断层的端点。

图5 W-K地区AB测线沙三上亚段沉积前剖面

4.2优点

1）该方法是在井点层位标定的基础上，使用地震资料对井间层面进行控制，可确保地层界面在二维剖面上深度的准确性；主测线上所有点都可作为构造恢复的控制点，可控制古构造的形态，使其更接近地质模型。

2）读取地层厚度时，选择的是上部地层沉积前的剖面。编制沙三中亚段沉积前构造图，选择的是沙三上亚段沉积前剖面，平衡剖面编制过程中，相当于对沙三中亚段顶面进行层拉平处理，从而可以消除地层倾斜造成的厚度偏差。

3）由于读取到的是控制点处沙三中亚段的铅直方向深度差，因此不存在井斜造成的地层厚度偏大问题。在控制点的采集过程中，可以确定断点在每条测线上的平面坐标，测线间相连可以大致恢复古断层的形态。

4）平衡剖面的编制过程中，消除了后期断层水平位移的影响，在此过程中还可以考虑地层压实、剥蚀造成的影响。借助于该方法恢复出的古地貌，与实际地质情况更加吻合。

5 结论

1）古构造图具有时段概念，所得到的“古地貌”并不是某地质历史时刻真实的地面形态；命名为“某段沉积前”的构造图，反映的却是该套地层沉积后其底面的构造形态，是地层沉积过程中多期构造变形叠加后的响应，反映了整个地层沉积期间的盆地在三维空间的构造演化。

2）地层倾斜、井斜、抬升剥蚀、沉积压实、古水深等都可对控制点古深度值产生影响，但对古构造图的影响程度不同。断层水平位移、地层倾斜、井斜、差异剥蚀是影响古构造形态的主要因素，地层倾斜、断层水平位移还能改变变形前后的水平坐标；沉积压实多影响高低差异的幅度，相对的起伏形态改变不大；古水深与地层厚度不在一个数量级上，对古构造恢复的影响几乎可以忽略。

3）采用平衡剖面控制法编制的古构造图，是将地层拉平、水平位置恢复以后统计得到的厚度数据，在准确标出古断层位置的同时，还可考虑剥蚀、压实的影响，此方法得到的古构造形态更接近实际地质模型。

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