古地貌恢复方法介绍

1、古地貌恢复方法介绍古地貌恢复是盆地分析的一项重要内容。一般认为，古地貌是构造变形、沉积充填、差异压实、风化剥蚀等综合作用的结果，特别是构造运动，往往导致盆地面貌的整体变化，是其中最大的影响因素。前人对古地貌恢复进行了较为深入的研究，无论是思路上还是方法上，都有过大胆的尝试，业已形成了丰富的方法和理论，一般主张从构造恢复和地层厚度恢复两个方面着手。目前已有很多专业的软件投入使用，这给古地貌恢复带来了很大的便利。但是由于地质条件尤其是构造条件的复杂性和多变性，古地貌恢复仍有很长的路要走。§ 2.1 构造恢复构造恢复现状在盆地的演化过程中，正是由于基底沉降才使盆地得以形成和发展。自Slee

2、p研究得出大西洋被动大陆边缘的基底沉降随时间的变化符合指数函数规律后，基底沉降分析已成为大陆边缘和板内张性盆地成因研究的重要途径。实际上，基底沉降由构造沉降和负载沉降两部分构成。构造沉降由地球动力作用引起，负载沉降则是指当构造沉降发生之后形成的盆地空间被沉积物充填时，沉积物本身的重量又使基底进一步下沉而形成被动增加的沉降。因此，从基底沉降中剔除负载沉降即为构造沉降。据现有研究成果，引起沉积盆地沉降的主要机制有均衡(Airy,1855)、挠曲和热沉降6m网三种。其中均衡模式基于阿基米德(Archimedes)原理，认为岩石田没有任何弹性，各个沉积柱间相互独立运动，故又称为点补偿模式或局部均衡模式

3、。挠曲模式也基于阿基米德原理，但把基底对负载的响应看成材科力学中受力弯曲的弹性板，认为其均衡补偿不仅发生在负荷点，而且分布在一个比较宽的范围之内，又称为区域均衡模式。热沉降模式认为热效应导致岩石圈发生沉降，因为岩石圈增温快(如岩浆侵入)，冷却则慢得多，而冷却岩石的密度和浮力比炽热岩石的低。一般地，由热机制导出的沉降分初期快速沉降(由于岩石圈变薄)和后期快速沉降(由于岩石圈冷却收缩)2个阶段，McKenzie(1978)称早期为初始沉降，晚期为构造沉降。三种沉降模式各有优劣，应根据研究区的具体地质情况予以选用。一般认为，均衡模式适用于被大量高角度断层分割并且各断层块体间负载互不传递的地区(如我国

4、东部的断陷盆地)，且这种条件多出现于断陷盆地发展的初级阶段。挠曲模式适用于构造简单的大型盆地(如鄂尔多斯盆地)。热沉降模式则多适用于岩石圈受热与冷却阶段性明显的拉张型盆地。由于挠曲模式和热沉降模式涉及参数较多，问题复杂，且参数(尤其是一些地球物理参数)取值难度大并常随温度和时间变化，因此除特殊的理论研究外，多数都采用简便的均衡模式，这必然会导致一定的误差，但一般误差不大。以拉张型盆地和被动大陆边缘盆地为例，其后期的张裂后阶段或坳陷阶段由于断裂活动停止，更符合挠曲模式，如采用均衡模式计算则会产生一定的误差，不过这种误差对构造沉降量的影响一股只有10%20%,不会使整个沉降曲线的形状发生明显改变，

5、而且误差通常是从盆地边缘向中心逐渐减少的9。正是鉴于这种思路，早在2刖纪40M弋50M弋，前苏联石油地质学家奈曼、马什科维奇等人发展了“宝塔图”古构造分析方法，并以此方法对高加索、西西伯利亚等单旋回地台盆地进行了系统的古构造分析，取得了一定的成功。1969年Da-halstrom等提出了平衡剖面的概念；Roeder和Witherspoon(1978)利用平衡剖面技术重塑了田纳西州东部的岩相古地理，并探讨了利用复原的剖面研究褶皱和逆掩构造区生、储、盖组合原始分布空间的可行性；而SuppeJ(1983),ShawJ和SuppeJ(1994),RowanQ000)等进一步发展了平衡剖面古构造恢复的思

6、想，不仅定量研究了古构造的变形过程，还探讨了古构造圈闭演化过程中局部变形带的空间分布特点。Gibbs(1983)首次系统地将源于压缩构造区重建的平衡剖面技术用于拉张构造区的古构造重建，自此张性盆地古构造重建日益深入，主要表现在重建的变形机制(模式)不断增多。最早采用的变形机制是Verall(1981)的垂直简单剪切，即“恒水平位移”模式，又称CheVront奠式，Davison(1986)提出应用“岩层长度不变”模式，Whiteetal(1986)提出具更广泛意义的倾斜剪切模式，William和Vann(1987)提出“恒位移”模式和“滑移线”模式，wheeler(1987)对“恒位移”模式和

7、“滑移线”模式提出质疑，指出它们与其前提条件一“平面应变”有矛盾，遗憾的是此两模式至今仍有广泛的影响(陈伟等，1993),现只是略作变通(William,1991),但并未从根本上解决这一矛盾10。古构造恢复的最终目的有两个，其一是认识构造叠加变形的动态过程，其二是复原构造变形之前的古构造形态。而从研究出发点的不同来讲，古构造恢复又可分为两大分支。其一是大型古盆地的恢复研究，通过古盆地充填结构的再现、或者渐次回剥的方法探讨古盆地伸展、挤压收缩或者沉降迁移之前大致的盆地结构，并分析古盆地的构造类型。这类古构造恢复研究的对象是宏观的，对局部构造起伏变化的精度要求不高。另一类古构造恢复则主要强调针对

8、圈闭或局部构造单元的变形史和变形基础进行恢复。后者要求有较高的精度，然而沉积压实作用、断层活动和抬升剥蚀作用等都会对古构造恢复的精度产生影响。首先，不同沉积结构、不同粒度的沉积物经埋藏压实后，体积的缩小率存在很大的差别，致使现今构造剖面中的地层厚度往往难以代表地层沉积期间的原始厚度。由于沉积相变化是决定岩性分布的关键，因此，相分析对于古构造恢复有重要的指证作用。沉积相的复原应该视为古构造恢复的基础。其次，在沉积盆地发育的过程中，断层起着相当重要的作用。断层不仅对盆地沉积作用具有决定性影响，而且对成岩作用也具有影响。在连续沉积的盆地或凹陷区，伸展断层是盆地基底构造沉降变化的主控因素，由于其上下盘

9、均未遭受剥蚀作用，因此断层上、下盘地层厚度变化可视为基底古构造恢复的直接证据之一；但是在盆地边缘或外围隆起区，断层周围可能处于一种非沉积状态，活动的伸展断层仅仅导致上、下盘地层剥蚀厚度量的变化，在此情况下，晚期断层极有可能被错视为同沉积断层，这将使地质学家对盆地构造性质、演化产生错误的理解。同样的情况在挤压或走滑构造区也可能出现。再次，抬升阶段剥蚀夷平作用的不彻底也会影响古构造恢复的精度。“背斜谷”、“向斜山”等构造地貌的存在使残留厚度分析法、“宝塔图”古构造恢复方法等等的有效性受到一定的限制。在20世纪80年代，曾经有许多石油地质学家利用泥岩压实规律和镜质体反射率随埋深的变化规律进行定量古剥

10、蚀厚度的恢复。这种统计方法需要大量的数据资料，而量化的准确性与资料丰度和研究区勘探成熟度有直接的关系。因而在资料匮乏地区或者勘探新区的使用效果很差。同时地层岩性的变化对于上述曲线的获得影响很大，在细碎屑岩发育的地区拟合曲线的精确度较高，而在以粗碎屑沉积为主的沉积区，则误差太大，往往不能满足量化的要求。止匕外，由于盆地埋藏热演化、沉积层序的巨大差别，由一个地区资料所得出的压实曲线或者镜质体反射率曲线几乎难以推广到另一地区，这无疑更加限制了此类方法的应用范围。恢复古剥蚀厚度是古构造恢复的核心问题，相对准确的、定量的和在剖面上之间(甚至一定的平面范围内)可对比的古剥蚀量恢复是多旋回盆地古构造研究定量

11、化的关键。构造恢复发展方向目前较多采用的构造恢复方法是一维的埋深恢复、二维的层拉平法以及平衡地质剖面法。恢复古厚度的基本方法是回剥法，即剥去目的层以上地层使其拉平到地表并利用压实原理计算古厚度。回剥法是利用压实曲线恢复古厚度的最精确方法。一维的埋藏史恢复是在有钻井的地点，利用井资料恢复埋藏深度。它只考虑沿深度方向的压实作用和剥蚀作用，不能反映断层、褶皱作用。严格地讲，它称不上构造恢复。所以现在普遍使用的一维拟三维(假三维)的构造恢复不能正确反映构造演化。而层拉平法虽考虑了地层的横向变化，但其并不符合地质演化机理，在有大的断层、褶皱的条件下，会造成地层厚度及界面形态的错误计算。所以该方法仅用于构

12、造较平静的地区，用以大致评价构造演化。它的优点是实现简单、计算快。就恢复变形时序而言，较早期是按反演的方法，近年来出现正演(Waltbam,1989,1990)。因依复工作量巨大，均需借助计算机完成，因此，出现了各种平衡剖面技术的计算机软件。迄今，无论是应用何种变形机制进行正演或反演古构造，均基于同一前提条件，即平面应变或考虑压实影响的二维应变，换言之，盆地内各点变形过程中均沿同一个水平方向(即拉伸方向)运动，沿单轴水平拉伸。这一条件过于理想，只有在盆地内发育一组走向平行的断裂时才能真正满足。事实上，绝大多数张性盆地内的正断层分布是多组的，甚至交织成为网络，著名的构造力学家Mandl(1988

13、)将之归因为多轴水平拉张(Multi-axialhorizontalextension)。宏观上若把正断层面看作边缘介质中的一个面，正断层错动方向是剪应力方向(Etchecopareta1198l,Ange1ier,1991),即使在均匀应力作用下，由于剪切面(断层面)空间上产状不同，其剪应力方向与水平投影方向将是极不相同的，拉伸变形应是多轴。因此绝大多致盆地拉伸变形不是单轴水平拉伸的剖面上的二维变形，而是多轴水平拉伸的三维变形，如果按单独水平拉伸前提条件去重建多轴水平拉伸盆地古构造，其结果与实际情形有较大的偏离，甚至相去甚远。构造变形是质点运动的结果，恢复古构造乃恢复质点运动轨迹，二维古构造

14、恢复中将质点运动限制在剖面内，三维古构造恢复则要考虑质点空间运动轨迹，因为质点运动的空间矢量可以分解成两个平面(如剖面)内矢量。因此，要恢复三维古构造我们先在合适的剖面内恢复二维古构造，再将不同方向剖面二维古构造进行迭加，这便是三维古构造恢复的基本思想。绝大多数拉伸盆地有多组正断裂发育，构造变形一般属于多轴水平拉伸的三维变形。用现行的平衡剖面技术恢复古构造是不切实际的。三维拉伸变形的盆地古构造恢复可以视为不同方向二维变形某种迭加。二维变形方向视断裂分布情况而定。最近，国外已出现“三维古构造重建”的术语，并在国内用相应的软件进行了“三维”古构造恢复的演示(CSD,1994),但是该三维古构造恢复

15、是先在一系列平行于盆地的“统一拉伸方向”的剖面上，用平面应变原则进行二维恢复，然后再用“平剖图作三维古构造显示，其本质是二维恢复。简言之，是“二维的恢复，三维的显示”11。总之，自Mandl(1988)指出多数盆地用于多轴水平拉伸三维变形以来，除人们刚开始实验研究三维铲形断层上盘变形特征(Brauneta1,1994),国内外尚未报导多轴水平拉伸盆地的三维古构造重建。诚然，拉张盆地三维古构造重建是极为复杂的，但古构造恢复从二维走向三维是未来的必然趋势。§ 2.2 地层厚度恢复方法现今保留并被观察研究的地层，只能给地质学家提供关于地质演化历史的若干信息，而另一些信息已随地层的剥蚀而消失

16、。因此，剥蚀厚度恢复对于研究盆地的沉积史、构造史、油气演化史及其成矿演化史具有十分重要的意义，是油气勘探过程中必不可少的一项工作近年来，平衡地质剖面及盆地模拟的研究中都涉及地层剥蚀量恢复。目前比较流行的恢复方法有砂岩孔隙率法、泥岩声波时差法、古地温法（古地温梯度法）、沉积速率法、镜质体反射率（Ro-H、R-TTI）法以及未被剥蚀地层厚度趋势延伸法等，它们各有优缺点，下面分别做简要介绍120.砂岩孔隙率法沉积地层中砂岩的原生孔隙率在沉积期后的埋藏过程中随深度增加呈指数减小，其趋势在半对数坐标系中为斜线（马立样,1991）。据此规律，在一定埋深砂岩的孔隙率，外推到地面就是其原生孔隙率。因此，地层遭

17、受过抬升剥蚀，将曲线外推到地表，孔隙率值应小于原生孔隙率值，两者之差的垂直距离即为剥蚀量。这种方法适用于有足够不同埋深的测试分析数据，以及只有一个不整合面出露地表，且研究层段的次生孔隙率不发育的盆地。.泥岩声波时差法泥岩声波时差法的基本原理是Magara等在1976年提出的。Magara认为，泥岩声波时差（At）与埋深（H）的关系为：At=Atoe-CH式中：Ato为地表未固结泥岩的声波时差值，单位为us/miC值为代表正常压实曲线的斜率；At为任一埋深的泥岩声波时差，单位为us/mH为泥岩埋藏深度，单位为me为自然对数底。Ato的理论值为62品650us/m,某一地区的Ato值可根据该区多口

18、井正常压实曲线外推至地表的平均值求得。c拗潮物AtO古地表贝岩传播时间图2-1泥岩声波时差法恢复示意图（据Magara,1976)与砂岩孔隙率法相似，不整合面以下泥岩的压实曲线外延至At=At。处即为古地表，古地表与不整合面之间的距离即为剥蚀厚度（图2-1）。Magara等人认为，使用这种方法必须注意以下几点：不整合面以上的地层厚度小于剥蚀厚度；不整合面上、下岩石密度基本相当；不整合面的埋深、剥蚀地层厚度小于4000m压实规律明显。这表明泥岩声波时差法只适用于剥蚀后沉积的地层厚度必须小于剥蚀的地层厚度的情况下，否则原泥页岩孔隙度将被改造而失去定量计算地层剥蚀量的可能。然而，孔隙度并不是埋深的函

19、数，除了受埋深直接控制的压力因素外，沉积速率、沉积环境和构造背景等也对压实效应产生重要影响。因此判断能否运用压实曲线资料进行地层剥蚀量估算的标准不应该是依据剥蚀的地层厚度与剥蚀后沉积的地层厚度的大小比较，而应该是判断剥蚀前地层的压实效应是否被后来的沉积地层所改造。间断面之下压实效应未被改造的三种模式：（I）后来沉积的厚度远小于剥蚀的地层厚度；（R）上覆地层存在低渗透隔挡层，阻止上覆地层对下伏地层的改造；（田）（IV）间断面上下地层的沉积环境、沉积速率及构造背景存在明显差异，造成界面上下地层压实趋势线斜率不同，而新沉积的地层负荷不足以对剥蚀前沉积的地层进行改造。这三种模式剥蚀前的地层的压实效应都

20、没有被改造，因此都可以进行剥蚀厚度恢复（图2-2）图2-2泥岩声波时差与深度对应关系图3,古地温法（古地温梯度法）此方法包括古地温梯度法、包裹体测温法、磷灰石裂变径迹法等，是利用某些特殊矿物对温度的敏感性求出古地温，据此建立不同时期的古地温曲线，然后利用古地温梯度推算出剥蚀厚度，其数学模型为Zb=Zr+（Td-Tg）/（dt/dz）式中：Zb为剥蚀厚度；Zr为不整合面以上地层厚度；Td为现今地表温度；Tg为古地表温度；dt/dz为古地温梯度。该方法由于样品数量有限，成本高，误差大，难以大范围使用。.镜质体反射率Ro法镜质体反射率的大小不仅取决于埋藏深度（H）,而且还取决于地温梯度和作用时间。在某种条件下，尽管埋深没有增加，但随着时间的推移Ro将继续增大。而在剥蚀面上下地层的初始值Ro完全不同，因此随着埋深的增加，剥蚀面以上的镜质体反射率因初始值较小而增大较快，剥蚀面以下的镜质体反射率因为曾遭受过较高温度，Ro值增加缓慢。在R-H关系曲线上，剥蚀面上、下Ro值的变化趋势不同，将整合面以下Ro-H关系曲线外推到地表