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提高平衡剖面应用价值的有效方法 刁 博 ，程顺有（西北大学 地质学系，陕西 西安 710069）摘要：为提高平衡剖面计算机模拟技术的实际应用价值，探索将盆地构造发育史研究提高到定量研究水平的途径。通过区域地质与地球物理资料紧密结合，选择恰当的剖面方向，准确的时-深转换和多次地修改地震构造解释剖面，制作平衡剖面。结果表明，模拟的平衡剖面与实际钻井和区域地质资料十分吻合。通过运用有效的解释和制作技术，平衡剖面不仅可用于检验地震解释结果的正确性和进行构造演化分析，而且可以精确地确定目标层位深度和指导油气资源勘探。关键词：平衡剖面技术；正演与反演模拟；构造发育史；计算机技术；时-深转换中图分类号：P628+. 3 文献标识码：A 文章编号：1000-274X(2004)0058-08随着计算机技术的发展和与地质的结合，平衡剖面计算机模拟技术在油气和地质勘探中得到了广泛的应用，已经成为检测地质构造解释是否正确合理的标准方法。这种技术根据变形构造在几何学上守恒的原则建立地质演化剖面，利用数学计算的方法对盆地构造发育史进行正演和反演模拟1。利用它可以检验和修正地震解释的地质构造剖面，而计算得到的缩短量可对盆地的构造演化进行定量的分析，以便制定有效的勘探策略。近几年来，平衡剖面主要用于盆地构造发育史恢复，但一般精度不高。因此，如何运用有效的方法，利用二维平衡剖面计算机模拟技术对目标层位进行精确标定、井位的直接布置，以及高精度的构造变形研究等，具有更大的应用价值和实际意义。1 平衡剖面技术原理概述20世纪初，Chamber Lain（1910，1919）首次应用平衡剖面原理估算了北美阿巴拉契亚山脉及落基山脉的底部滑脱面深度。1969年，加拿大学者Dahlstrom第一次系统地提出了平衡剖面方法的概念，从几何学角度研究了剖面平衡原理的应用2。此后，平衡剖面技术不断发展和完善，目前主要用于检验地震解释结果的正确性、构造变形的定量研究和进行盆地构造演化分析。平衡剖面基本原理为：如果变形前后物质的体积不变，则在垂直构造走向的剖面上体现为“面积不变”；如果变形前后岩层厚度保持不变，则转化为“层长不变”。所以，平衡剖面技术可以理解为是一种遵循岩层层长或面积在几何学上的守恒原则，将已变形的剖面恢复到未变形状态或从未变形地层剖面依据变形原理得到变形剖面的方法。当剖面进行平衡计算时，岩层长度或剖面面积在变形与未变形的两种状态下相等时，剖面是平衡的。如果不相等，而且这种不相等又无法解释，那么剖面就是不平衡的。一条未作平衡检验的剖面是不可信的，不平衡剖面的地质构造解释则是错误的。平衡剖面也只是一种模式，不一定真实，只是满足了大量合理的限制条件，更接近实际。平衡剖面的计算方法主要有恢复法（由实际变形的剖面恢复到原始的、未经构造变形的剖面）和正演法（由原始的未变形的剖面演化至经构造变形的剖面）。它们都需要对变形过程进行定量的分析，并且可以由此得到缩短量等重要数据，正是这一点使地质构造的研究提高到了定量解析的水平。由于正演法实现起来复杂，涉及几何模型和变形模式的不确定性，所以目前广泛应用恢复法制作平衡剖面。恢复算法可分为非运动学和运动学恢复。非运动学恢复主要有：弯滑去褶皱（图1,a），即对由弯滑机制生成的褶皱进行恢复，去褶皱是围绕钉（线）面进行的，所有与（线）面相交的点在去褶皱过程中不受剪切或去褶皱作用；斜剪切（图1,b），通过垂直或斜剪切的方式去除形变而对每一层去褶皱。 (a) (b)图1 非运动学恢复Fig.1 Non-kinematic recoverya 弯滑去褶皱 b 斜剪切运动学恢复是在对断层进行恢复时，设下盘不动，上盘的形变是受断层形状及形变算法控制的，在断面上移动上盘，主要有：斜剪切（图2,a），通过保持剪切矢量棒的长度（剪切矢量方向上断面与上标志层之间的距离）不变，使形变前后上盘的体积不变；断层平行流（图2,b），通过断层平行的流线对形变机制的控制进行恢复，形变前后上盘的体积不变，适合于逆冲褶皱、盐丘构造、反转构造等。平衡剖面的原理表明，剖面的平衡应是三维的，而且地质体实际上多为三维变形。囿于我国实际资料和软件的限制，三维平衡剖面技术还未得到广泛的应用3，但基于SGI IRIX64 6.5I、SUN Solaris 2.6, 8 (64 bit)和Red Hat Linux 7.2, 7.3 3个平台，在三维构造分析和解释过程中建立三维模型的可视化软件GeoSec 3D，已经由GKC公司（The Geoscience Knowledge Company）推出。因此，三维平衡剖面将会很快在我国得到广泛应用。 (a) (b)图2 运动学恢复Fig.2 Kinematic recoverya 斜剪切 b 断层平行流2 平衡剖面的制作及提高其应用价值的有效方法2.1 平衡剖面的制作制作平衡剖面技术主要分为以下几个步骤。1) 建立该地区丰富的地质实际资料库4。这是非常重要和基础的工作，主要是通过实测资料和井资料及地震、重力、磁力等物探资料建立研究区的地层柱状图，以及了解研究区内的主要构造期次及构造样式，确立区域地质构造框架。2) 选择恰当的剖面方向，并对所选剖面的地震剖面作初步解释。根据平衡剖面的原理，最佳的剖面应该选择垂直于构造带走向的方向。平衡剖面的制作是在地震解释剖面基础上进行的，其形态和精度最终取决于地震剖面的质量和反射特征5。3) 应用软件进行剖面的平衡模拟6。例如GEOSEC（GEOLOGICAL SECTION）是由法国CSD公司开发的，在UNIX操作系统下运行的大型地质制图软件，制作平衡剖面是其中的一项功能。此软件是依据线长平衡或面积平衡原理编制的，不局限于特定的几何模型，既适用于挤压地区也适用于拉张地区。用其制作平衡剖面的主要步骤是：用数字化仪对地震剖面的初步解释进行数字化；在GEOSEC软件中，利用数字化的数据，建立基本解释剖面，如果数字化的剖面不是深度剖面，则需要进行时-深转换，得到反映真实地层和断层产状的深度剖面，才可用于平衡剖面计算；利用基本解释剖面制作平衡剖面，主要是对某地层进行断距消除和层拉平操作，并复制层拉平之后的模型，作为下部地层平衡的源地质模型，每一地层均完成上述操作，即可得到构造发育史的平衡剖面。4) 将平衡剖面模拟结果输入绘图软件，绘制构造发育史的平衡剖面。绘图软件通常使用AutoCAD，用其标注各种地质符号、深度数据、地层填充颜色等，最终形成构造发育史平衡剖面的正式图件。2.2 提高平衡剖面应用价值的有效方法平衡剖面技术有许多优点，但要想真正发挥优势，提高精度，需在以上制作过程中运用以下有效方法，使其在地质勘探中具有更高的实际应用价值。1) 平衡剖面技术是地质研究的一种方法，只有深入了解研究区的各种地质资料，才能通过平衡剖面得出正确的结论。如果一个区域的构造背景为走滑和塑性变形，例如压扭性盆地，则在理论上二维的剖面是难以平衡的；构造演化中不整合面的剥蚀恢复更是难以单靠平衡剖面技术解决；由于压实和压溶作用，以及沿造山带走向的伸长和剖面方向与运动方向的不一致，都会导致的体积不守恒，在计算过程中需要进行压实恢复和校正。在剖面的平衡过程中，需要与其他的地质资料结合，反复修改方案，达到平衡剖面与实际区域地质的统一，而平衡、合理但不符合实际的平衡剖面，对于地质勘探是毫无意义的。2) 如果研究区经历了不同方向、不同性质的多次构造叠加，剖面方向与浅部构造走向垂直，但不一定与深部构造正交。因此，为了研究整个区域的演化，对于二维平衡剖面可以适当选择垂直于多个构造走向的多条剖面，相互对比，相互检验，使平衡剖面的结果更为准确。3) 由于速度的非线性变化，利用计算机进行准确的时-深转换一直是难以解决的问题，GEOSEC软件提供的时-深转换是以剖面上选取的某一回声时间作为标准，分别向浅部和深部进行计算，导致界面深度在浅部和深部误差较大。为了准确地得到地层深度、厚度以及产状等重要信息，在实际工作中，我们通过人工时-深转换制作构造剖面图，然后进行平衡剖面模拟。实践表明，这样获得的平衡剖面不仅可以用来研究盆地构造发育史，还可以直接指导井位的布置，确定目标层位深度，以利于油气资源评价（见表1）。表1 Q3测线平衡剖面成果Tab. 1 The result of Balanced section along Q3 line层位实钻深度/ m平衡剖面/ m缩短距离/ m缩短率/ %EKJ2(上)J2(下)J1SO2+3合计1 6721 7641 8313 412.84 6001 6701 7581 835.83 410.639.720.021 391.82999.16672.651 565.82552.845 222.020.010.050.360.380.922.120.8011.074) 地震剖面的解释直接影响平衡剖面的结果，要注意遵循地震资料解释的基本原理和方法对构造解释方案进行多次的修正。一般，要根据实际地震剖面的特征，结合其他地质资料进行解释，不作模式化的解释；地层对比过程中应尽量避免串相位，特别应注意断层两侧地层的波组特征关系对比，地震剖面中的各种假象的排除，以及地震剖面上变形和断层效应、性质和空间配置与不同地质时期区域构造应力场的配套等。 5) 在GEOSEC软件中建立剖面时，由于软件所限，只能提供一个方向的准确比例（纵向或横向），横向上通常有大地坐标和测线标记等，易于准确控制位置，所以一般纵向(深度)坐标使用准确的比例。当然，平衡剖面技术还存在一定的不足之处，对于多期构造演化中的不均匀剥蚀区、斜向滑动、强烈挤压变形带中的塑性物质，都难以用目前平衡剖面技术解决。但是，随着计算机技术和三维平衡剖面理论的发展78以及三维平衡剖面软件的应用，平衡剖面技术一定会在地质勘探中发挥更重要的作用。3 平衡剖面制作实例及分析某研究区处于盆地边缘，是临近造山带长期发育的一个斜坡，为了研究其油气勘探方向和有利的圈闭条件及范围，采用恢复法对构造主体的多条主要测线进行研究。在实际工作中，平衡剖面的制作使用上述相应的技术，提高了剖面的精确度，取得了满意的研究成果。以Q3测线剖面为例（见图3）对该区域的构造演化进行了分析。图3 Q3测线平衡地质剖面 Fig.3 Balanced geological section along Q3 line1) 分析该地区的构造背景后，发现该区构造变形是由早古生代北东走向的构造和中、新生代北西走向构造的叠加。因此，在选取北东向的Q3测线进行平衡的同时，还选取了北西向的剖面。两个方向的平衡剖面相互对比，相互检验，使Q3测线的平衡剖面更加符合实际情况。2) 对地震剖面进行了人工时-深转换，得到了精确的深度剖面，因此保证了平衡剖面的精度。根据表1数据中平衡剖面的结果与K1井实钻的结果看，通过Q3测线的平衡剖面完全可以直接准确预测目标层位,为油气资源评价提供基础资料。3) 由构造发育史的平衡剖面和缩短距离与缩短率（见表1），定量给出了构造变形特征和主要的变形时期。平衡剖面呈现了北东高、南西低的斜坡构造特征的演化史，最为显著的发育时期是侏罗纪，特别是中侏罗世。盆地开始发育为一断陷盆地，中、上奥陶统之后由拉张转为挤压背景，主要断裂也在此时由正断层反转为逆断层，下部切入基底、上部断至中侏罗统（部分断裂断至白垩系，部分断裂终止于中侏罗世），由断距的变化、断层产状随深部的变化，以及在断背斜或断隆上侏罗-白垩系出现的明显减薄趋势表明，主要断层从古生代到中生代的白垩纪具有继承性发育特点，即同沉积性质。目前，勘探已发现的主要油气圈闭构造是在前侏罗纪所奠定的构造雏形基础上，于印支运动之后、晚燕山期之前完成而定型的，主导形成期是早-中侏罗世的燕山早-中期，与平衡剖面得出的结论一致。4 结论与讨论平衡剖面技术是地质构造研究与油气勘探工作的一项重要方法，在其制作过程中结合其他的实际地质资料，选择恰当的剖面方向，进行准确的时-深转换，以及使用正确的方法解释地震剖面，制作高精度的平衡地质剖面，提高其在地质勘探方面的应用价值，不仅可用于检验地震解释结果的正确性和盆地的构造演化史研究，为分析油气运移及聚集规律提供依据，还可以精确地标定目标层位，指导井位的布置和油气勘探方向。参考文献：1陈 伟，卢华复，施央申. 平衡剖面计算机模拟及其应用M. 北京:科学出版社，1993. 2DAHLSTROM C D A. Balanced cross sectionsJ. Canadian Journal of Earth Sciences，1969，6:743757.3CORREDOR F O. Three-dimensional geometry and kinematics of the western thrust front of the eastern CordilleraJ. Columbia AAPG SEPM， 1996，5:2930.4张明山，陈发景. 平衡剖面技术应用的条件及实例分析J. 石油地球物理勘探，1998，33(4): 532540.5梁顺军. 平衡观点与地震观点的解释效果分析与评价J. 石油物探，2002，41(3):377384.6王运所，刘亚洲，张孝义，等. 平衡剖面的制作流程及其地质意义J. 长安大学学报（地球科学版），2003，25(1):2832.7毛小平，吴冲龙，袁艳斌. 地质构造的物理平衡剖面法J. 地球科学中国地质大学学报，1998, 23(2): 167170.8毛小平，黄延枯，吴冲龙. 体元结构模型在三维地震模型正演模拟研究中的应用J. 地球物理学报，1998, 41(6):833840. （编辑 张银玲）Efficacious methods to improve the applied values of the balanced cross sections DIAO Bo ,CHENG Shun-you（Department of Geology，Northwest University，Xian 710069，China）Abstract: Effective approach to improve the applied values of the balanced cross section and to probe methods from the structural developing history of depositional basins up to quantitative stage is of avery important significance. Combined with other regional geological and geophysical information, choosing proper direction of the section, and making accuracy time-depth conversion and multi-modifying seismic structural interpret profiles, the result balanced section was produced. The result of balanced section by us is in accordance with information of