平衡剖面技术研究进展综述

卓鱼周

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

平衡剖面技术是现代地质学研究的一项重大进展。长期以来，人们对于地质构造演化仅限于定性分析，缺少定量分析的方法。平衡剖面技术填补了这一空白，它可对地质构造演化进行定量、半定量的分析解释[1]。它是研究构造地质学的一个重要工具。它提供了地表以下岩层的几何学模型、特定区域造山带的缩短量。这可以建立大尺度的地质模型，例如地球动力学模型或古地形图。

简要介绍了平衡剖面技术研究的现状，并从平衡剖面在盐构造中的应用、平衡剖面在海底斜坡构造恢复中的应用、平衡剖面在挤压区的应用等方面介绍平衡剖面研究的最新进展。从平衡观点与地震观点的不统一、平衡剖面的精度问题等方面论述了平衡剖面研究的不足。最后从三维剖面平衡问题、复杂地质模式问题、地质资料质量问题等方面探讨了平衡剖面应用中的一些问题。总之，平衡剖面技术在基础地质中的应用将会随着新技术的开发而日臻完善。

1 平衡剖面技术研究现状

Chamberlin(1910)首次从地表观察中预测基底拆离的形成过程及位置。他预测了位于宾夕法尼亚州中央阿巴拉契亚河谷及山脊褶皱冲断带之下的拆离深度，发现这里的拆离深度可能更大，并且几何形态与当前的解释有所不同。虽然他运用的不是定量的地质模型，但他的贡献在于仔细的测量了褶皱带的长度，这可以比较精确的预言浅层拆离的深度及几何特征[2－3]。Kley and Monaldi(1998)运用地表的缩短量估计了安第斯山地壳的加厚不仅仅是因为地壳缩短引起的，还与底侵作用及地壳的物质流动有关[4]。国内自20世纪80年代开始才有人将平衡剖面技术应用于含油气盆地研究当中。2000年以后平衡剖面技术已应用于油气勘探、盆地分析、构造演化模拟、地震解释等领域，并逐渐应用于复杂构造解释当中。

平衡剖面的基本原理为物质守恒原理，即岩层在构造变动前后其体积保持不变。平衡分为线性平衡和区域平衡[5]。线性平衡是区域平衡的一部分。相对于区域平衡而言，线性平衡建立在有限的缩短量上，因此地层的缩短量在变形的地层和未变形的地层不同。区域平衡仅仅是建立在剖面是现代的，且变形的推覆带和未变形的地层剖面相当这一基础上。这是相比于线性平衡更广义的概念。因为区域平衡提供了一个计算缩短量的方法，这一方法不需要地表以下几何学上的解释，该方法不提供几何学上的线性平衡[6]。然而，这一独立性是区域平衡的最大长处，该方法包括任何在二维动力学模型上满足所需区域及任何规模的变形。区域平衡的这一特殊性使它们能够确定缩短量的不确定性。区域平衡包括所有可能的线性平衡。因此，剖面的平衡主要是确定水平缩短量，区域平衡提供了一个解决该问题的方案。

2 平衡剖面技术研究进展

2.1 平衡剖面在盐构造恢复中的应用

平衡剖面的恢复通常方法为拉平层和区域的复原，但是对于盐构造来说一些限制条件往往是无用的，因为盐构造为三维流动，并有可能溶解。因此恢复盐构造变形时常常难度很大且具有不确定性。在盐构造缩短量计算的时候底辟作用常常被隐藏，超负载的地层也可以挤入盐构造，但外来的盐构造可以记录原来的盐构造。所以在恢复盐构造时应建立在小规模的基础之上，连续恢复，并且要充分分析该地区的三维资料[7]。

余一欣(2008)等针对塔里木盆地库车坳陷盐层展布特征和盐构造的发育状况，结合前人的研究成果，提出了一种编制盐构造平衡剖面的方法[8]。其基本原理就是先预测盐层初始沉积特征和盐构造强烈变形期次等地质条件，然后用这些地质条件对随后的复原过程进行约束。

2.2 平衡剖面在海底斜坡构造恢复中的应用

斜坡(slope)平衡剖面广泛应用于解释海底斜坡和浊流系统的侵蚀和沉积过程。非平衡的剖面通常为活跃的变形区域，该区域常常被海底构造改造而使水道改道。Aggeliki Georgiopoulou(2013)等在研究尼泊尔三角洲地区水道改造是否适用于平衡剖面理论时发现，在浊流系统中，当水流流过海底斜坡没有侵蚀或沉积发生而直接流向基准面时水道的改造可用平衡剖面理论来解释[9]。

2.3 平衡剖面在挤压区的应用

许多挤压系统，包括Moine挤压带，通常被简单的解释为碟瓦状构造，向深部延伸为拆离构造。Hannah Watkins等人用野外观测和填图资料来构建横剖面来检验这一解释。起初的横剖面通过假设一个低角度的拆离来构建，线性长度的不平衡，变形引起的挤压不匹配表明该剖面模型是无效的。他们认为存在于岩层单元之间水平长度的不同表明存在二次拆离，这被纳入剖面的变形，从而产生有效的构造模型。二次拆离的存在表明了复杂的几何露头的存在，这表明Achnashellach Culmination是由两个连续的拆离界面所形成的。这一新的构造模型被用于剖面的重建、剖面的平衡，便于野外观测，从而确保了模型在三维空间上的有效性[10]。

3 平衡剖面技术研究的不足

3.1 地震观点与平衡观点不统一

即使是一条质量较好的地震剖面，也必须由地质学家和勘探地球物理学家共同来解释。但是他们一般都会考虑该剖面是否为一条平衡的地质剖面。只有合理的解释了已观测到的地质资料才能科学地推断未知的构造要素和进行古构造复原[11]。构造解释上的不确定性主要分为四类:概念上的不确定性，数据的不确定性，推理的不确定性，野外观测的不确定性。在构造运动属于强烈挤压变形的地区，无论地震测线与构造走向是垂直、还是斜交，由于地层存在着物质流动，所以不能采用平衡剖面技术进行解释。从平衡剖面原理出发，应强调综合性研究。所以在研究手段上，应将区域地质资料与地震勘探资料相结合，利用计算机技术进行模拟。在研究区域上，应采用地震、钻探、测井与地表露头等资料，进行多种资料的综合分析，使之相互检验[12]。

综上所述，地震观点与平衡观点为相互依存，相互检验的关系。在地震资料解释过程中，离不开地质学基本原理，只有具备了符合客观实际的地质观点才能搞好地震解释工作。同样，平衡剖面的解释也离不开地震资料解释基本原理和方法，只有搞清了各种地质现象在地震剖面上的反射特征和偏移畸变现象，才能搞好平衡剖面的解释[13]。总之，当一条地震剖面的解释成果，既符合地震资料解释原理，又满足平衡理论的要求，就达到了比较好的结果。

3.2 桌子山地区剖面缩短量的精度问题及改进方法

邓军(2005)等运用平衡地质剖面方法，求得桌子山地区剖面的缩短量为7 km。但是在运用平衡地质剖面法时，他提出了很多的假设，同时由于受剖面的精度限制，所得出的结果存在着较大的误差[14]。杨圣彬(2006)等用分形几何学方法[15]，在考虑了几何体的复杂性和细节，小褶皱和断层引起的缩短量等问题的情况下测得该区的缩短量为8 km，两者误差为1 km。因后者考虑了桌子山地区地形的复杂性及小褶皱和断层的存在，因此，该方法比平衡剖面计算的结果更接近事实。两者的对比结果如表1所示。

表1 不同方法求得的桌子山地区剖面的缩短量

4 讨论

4.1 三维剖面平衡问题

任何地质体都是以三维模式呈现出来的，而现有的平衡剖面模拟软件及采用的实际资料(主要是二维地震剖面)都局限于二维空间之内，因而无法判别最终的结果是否真的平衡。随着三维地震勘探的展开，开发适用于三维勘探的三维平衡剖面软件将成为未来工作的重要内容。

4.2 复杂地质模式问题

斜向滑动和盐丘构造、反转构造、多期构造演化过程等复杂构造，由于地层流动性强、构造复杂、且存在多期构造变动，因此很难用平衡剖面技术对其地层进行复原。目前大多数软件对于塑性流动的盐丘构造无法直接恢复平衡。Mark G(2012)等近年来运用连续恢复的方法在盐丘构造恢复中得到了比较可信的结果[7]。

4.3 地质资料质量问题

平衡剖面的精确制作需要详实的露头及钻井资料，其中三维地震剖面是实现剖面平衡的最好素材。但是由于地震资料处理中自身存在的一些问题，如对于复杂构造区(逆冲、构造反转、盐下构造)时间偏移、叠后偏移在理论上都不能正确成像。所以在制作平衡剖面时应尽可能多的搜集野外露头资料及可靠的室内资料。

5 结语

从Chamberlin(1910)首次将平衡剖面技术应用于地质学当中已有百余年的历史，这其中已取得了一系列重要的研究成果，且其应用领域正在日益扩大。如已经从起初的单一的恢复地层缩短量的研究扩展到拆离构造、盐丘构造恢复、海底斜坡构造恢复、强烈挤压区构造恢复等方面。但随着研究的不断深入，暴露的问题也日益增多，如地震观点与平衡观点的统一性问题、平衡剖面的精度问题、三维平衡剖面问题等。相信随着平衡剖面技术的日益完善，其必将有更加广阔的应用前景。

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