挤压型盆地断裂带的断裂活动与地层缩短研究现状

彭海波，张金功，赵卓琛

(1.西北大学地质学系/大陆动力学重点实验室，陕西西安710069;2.机械工业勘察设计院，陕西西安710043)

在研究挤压型盆地断裂带演化史及活动性的各种方法中，纵向上，众多学者研究较多的是断层生长指数，这种方法可以定量分析生长断层的相对活动强度和活动历史，而断层落差法应用较少;横向上研究较多的则为地层缩短量，地层缩短量可建立压性盆地平衡后的古地沂构造发育史剖面图、平面图，并可间接地研究盆地不同位置不同地质时期的构造运动强度。以上两种方法均为研究压性盆地断裂带演化史及活动性的有效手段，但在表现整条断裂在不同区域不同时期的演化规律的整体性与立体性方面略有不足。

1 断层活动研究方法

1.1 断层生长指数法

自从C.E.Throsen于1963年提出断层生长指数(growyh index，缩写为GI)以来，生长指数在国内外，尤其是在我国含油气盆地同生断层的研究中得到了较为广泛的应用，并被许多教科书介绍与引用(R.E.Chapman，1983，朱世新等，1987)，普遍认为是研究同生断层的有效手段。断裂上盘某地层的厚度与其下盘同层位地层厚度的比值，可用来表示该地层沉积期断裂活动的速率，即生长指数或增长指数。

设F是一条生长断层，其在时期i的生长指数为:Gi=Hi/hi

式中:Gi为第i时期生长断层的生长指数;Hi为第i时期下降盘厚度，m;hi为第i时期上升盘厚度，m。生长指数大小反映了断层的生长速度，也即断裂的活动强度，生长指数的比值越大，反映断层的活动强度越大。

(1)断层生长指数等于1时，即上、下盘相应地层厚度差消失的层位，说明断层两盘厚度相等，断裂活动停止。

(2)当断层生长指数大于1时，说明上盘厚度大于下盘厚度，发生同沉积正断作用，其值越大，正断速率越大;断裂活动最强烈时期，即下降盘地层增长最大的年代，生长指数表现为最大值，可达5～10，我国渤海湾油区断裂的主要发育期的生长指数大多为1.3 ～ 2.5。

(3)当断层生长指数小于1时，表示上盘厚度小于下盘厚度，断层活动，而且是逆断层或反转断层，发生同沉积逆断(挤压)作用，其值越小，逆断速率越大。正断层生长指数越大或逆断层(反转断层)生长指数越小，表示断层活动越强烈。

1.2 断层落差法

生长断层是在沉积过程中长期发育的断层，也称同沉积断层，其上部的年轻地层沉积时发生的断裂活动产生的落差必定累积叠加到下部较老地层上。因此，生长断层的落差随深度的增大而增大。通过对生长断层落差进行分析，可以定量分析生长断层的相对活动强度。

断层落差也称铅直断层滑距，指在垂直于断层走向的剖面上，断层两盘相当层之间的铅直距离。断层落差可以在地质剖面图和地震剖面上测量，也可以根据构造图计算，单位为m。即:

式中:Di为第i时期断层的落差，m;Hi为第i时期下降盘厚度，m;hi为第i时期上升盘厚度，m。

研究生长断层的活动历史需要计算各地质历史时期的落差。因此，赵勇等(2003)将某地质历史时期的铅直断层滑距定义为生长断层古落差，用同一地质历史时期两盘沉积地层的厚度差表示该时期生长断层的古落差(见图1)。

图1 生长断层古落差示意图

计算断层古落差应考虑压实作用、剥蚀作用、塑性流动、古水深等因素的影响。

2 地层缩短量

2.1 分形理论在剖面缩短量研究中的应用

施泽进等(1995)提出，运用分形方法可以快速、方便、准确地获得剖面缩短量及应变数值。

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分形理论作为描述复杂世界的几何，由于它能解决极端复杂、极不规则且用传统数学不能刻画的间题，近些年来已被广泛应用到自然科学的众多领域，发表了大量研究成果。将剖面上的地层界限当作二维平面中的一条复杂折线，由分形理论求取分维，可以对其进行定量描述。

自然界中的分形有两种基本类型:自相似分形和自仿射分形。自相似分形具有不随标度变化的自相似特征，当其局部被放大时，它表现为与整体统计相似。而自仿射分形，它的一个重要特征就是其自相似性质并不是单一的，它随尺度不同而变化。在二维欧几里德平面内，自相似分形可以作为自仿射分形的特例。这两种模型均是曲面粗糙度描述的有效手段，而曲面粗糙度描述技术应用到地壳缩短量的研究中，可获得比剖面平衡技术更为精确的结果。

令变形前后剖面长分别为l，l0，由自相似分形模型有:

式中F为常数。由不同尺度r可求得不同的l/l0值，在双对数坐标中进行回归分析，可获得分维D。

研究结果已经表明，跨接长度b处所对应的l/l0值，可用来计算剖面的缩短量及应变分布。可用公式分别表示为:

由此可见，求得跨接长度b后，由上述公式可以方便地获得缩短量和应变分布数值。

2.2 平衡剖面方法计算地层缩短

由地震资料分析认为，造成挤压型盆地地层缩短的原因主要有两方面(1)断裂作用;(2)褶皱作用。由断层作用造成的地层缩短量等于水平断距;由褶皱造成的地层缩短量等于褶皱弯曲部分的长度减去弯曲剖分的水平距离。应用地层缩短量可建立压性盆地平衡后的古地沂构造发育史剖面图、平面图，并可间接地研究盆地不同位置、不同地质时期的构造运动强度。

2.2.1 由断裂作用造成的地层缩短量的计算

盆地在演化过程中，褶皱、断裂作用几乎是同时存在，因而可将这一过程分解，然后分别计算由其造成的缩短量，最后累加即为总的地层缩短量。由断裂作用造成的地层缩短量的计算由断裂作用造成的地层缩短量实际上等于水平断距。现今各层的缩短量等于表层(第一层)的现今水平断距，某地质时期的缩短量等于该时期的古水平断距。这样，各层沉积期间的缩短量主要反映在由其底界所测量的水平断距上(见图2)。

图2 逆断层水平断距示意图

设有n层，由上到下各层的现今水平断距分别为LDX1，LDX2，LDX3。。。LDXn(本文中的计算单位均为m)。由于断裂过程中所断地层是作为一个整体移动，所以，第i层沉积时，由断裂作用造成的各层缩短量LDi为第i层沉积期间的古水平断距，即:

(1)对于同生逆断层而言，上盘靠近断层处的厚度一般小于下盘厚度，则各层现今水平断距LDXn＞LDXn－1＞… ＞LDX2＞LDX1。这时，可直接利用公式(1)计算各地质时期地层缩短量。

(2)对于由某一次构造运动而使各层几乎同时断裂的情况，其特点是同一层在断层两侧厚度近于相等。但水平断距的增大和构造变形将使厚度的差别增大，应注意识别这种情况。

①如果断层在剖面上为一直线，则各层现今水平断距LDXn=LDXn－1=LDX2=LDX1。同样可以用式(1)计算缩短量。但这时LD1=LDX1，而LD2= … =LDn－1=LDn=0。

②如果断层在剖面上为一凹形弧线(这种现象比较常见)，则各层现今水平断距LDXn＞LDXn－1＞… ＞LDX2＞LDX1。愈向下，水平断距增大的原因主要是由于下伏层的顺层滑动和上覆层的褶皱而造成的。在这种情况下，不能用式(1)计算。地层的缩短量应取第一层水平断距，而下伏各层增大的水平断距量可在计算上覆层褶皱段长度时得以补偿，故在绘制平衡剖面时可作一次性处理。

(3)在地震剖面上，还可以看到下伏层现今水平断距小于上覆层现今水平断距这种情况，这看起来确实有点反常，然而它只是一种假象。

据Peter B.Jones对怀俄明州的冲断带研究认为，造成这一假象的原因是由于在上覆层中可能存在一局部滑脱面或下伏层顶面部分与断面重合所致。由于分布的局限性以及地震分辨率的限制，故有时难以识别。在这种情况下，缩短量应为上覆层水平断距。

(4)对上断下不断这种情况，一般都存在一个大范围的滑脱面，这时，只计算上覆层缩短量即可。

2.2.2 由褶皱作用造成的地层缩短量的计算

由褶皱作用造成的地层缩短量可通过计算各层底界弯曲段长度来实现(见图3)。

图3 地层弯曲段长度的计算

设WW为地层弯曲段水平断距，过其两个端点的铅垂线应位于弯曲段两侧地层平缓处，并兼顾上、下层。Wi为第i层底界弯曲部分的现今长度，将W W分为等间隔的尸个区间，每个区间的宽度为WW/P，则:

上式中，Hi，j为第i层底界各取值点海拔高度，计算精度主要与P有关。P越大，精度越高，但计算量随之增大。这样，由褶皱作用造成的各层现今缩短量:LWXi=Wi—W W

对于同生褶皱，有LWXn＞LWXn－1＞ … ＞LWX2＞LWX1;而对于各层沉积后所形成的褶皱，有LWXn=LWXn－1=… =LWX2=LWX1。某层沉积时所发生的褶皱运动常常涉及下伏各层。所以，第i层沉积时，则褶皱作用造成的各层缩短量LWi等于第i层沉积期间的古缩短量:Lwi=LWXi— LWXi－1(i=1 ，2，… ，n;LWX。 =0)

3 结语

在研究挤压型盆地断裂的演化规律及活动性的研究方法中，纵向上主要以生长指数法与断层落差法为主，目的是推断断层演化的规律性、时代性与差异性;而横向上，研究较多的则为地层缩短量，通过对断裂带各条断层缩短性质的研究，推断盆地的构造变形过程。以上三种方法均为研究压性盆地断裂带演化史及活动性的有效手段，但在表现整条断裂在不同区域不同时期的演化规律的整体性与立体性方面略有不足，主要表现在以下几个方面:(1)生长指数法研究地层变化时，若上盘地层缺失，则公式不成立，无法用生长指数法研究地层变化;(2)用断层落差法仅是用来表示某时期垂直于断层走向的剖面上两盘相当层之间的铅直距离，控制点较少，难以整体全面地表现断层两端地层的厚度变化;(3)由于盆地在演化过程中，褶皱、断裂作用几乎是同时存在，在计算地层缩短量时存在许多假设及限制条件，计算结果往往存在着较大误差。

通过对生长指数、断层落差与地层缩短量的综合研究，对比它们之间的优缺点与相互关系，我们需要找出一类新的研究方法更为立体地研究盆地地层的演化史，进而研究断裂与油气藏的关系，对进一步研究挤压盆地的演化规律，以及油气的运移、聚集成藏保存等方面具有重大意义。

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