擠壓型盆地?cái)嗔褞У臄嗔鸦顒优c地層縮短研究現(xiàn)狀

彭海波，張金功，趙卓琛

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，陜西西安710043)

在研究擠壓型盆地?cái)嗔褞а莼芳盎顒有缘母鞣N方法中，縱向上，眾多學(xué)者研究較多的是斷層生長指數(shù)，這種方法可以定量分析生長斷層的相對活動強(qiáng)度和活動歷史，而斷層落差法應(yīng)用較少;橫向上研究較多的則為地層縮短量，地層縮短量可建立壓性盆地平衡后的古地沂構(gòu)造發(fā)育史剖面圖、平面圖，并可間接地研究盆地不同位置不同地質(zhì)時期的構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)度。以上兩種方法均為研究壓性盆地?cái)嗔褞а莼芳盎顒有缘挠行侄?，但在表現(xiàn)整條斷裂在不同區(qū)域不同時期的演化規(guī)律的整體性與立體性方面略有不足。

1 斷層活動研究方法

1.1 斷層生長指數(shù)法

自從C.E.Throsen于1963年提出斷層生長指數(shù)(growyh index，縮寫為GI)以來，生長指數(shù)在國內(nèi)外，尤其是在我國含油氣盆地同生斷層的研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用，并被許多教科書介紹與引用(R.E.Chapman，1983，朱世新等，1987)，普遍認(rèn)為是研究同生斷層的有效手段。斷裂上盤某地層的厚度與其下盤同層位地層厚度的比值，可用來表示該地層沉積期斷裂活動的速率，即生長指數(shù)或增長指數(shù)。

設(shè)F是一條生長斷層，其在時期i的生長指數(shù)為:Gi=Hi/hi

式中:Gi為第i時期生長斷層的生長指數(shù);Hi為第i時期下降盤厚度，m;hi為第i時期上升盤厚度，m。生長指數(shù)大小反映了斷層的生長速度，也即斷裂的活動強(qiáng)度，生長指數(shù)的比值越大，反映斷層的活動強(qiáng)度越大。

(1)斷層生長指數(shù)等于1時，即上、下盤相應(yīng)地層厚度差消失的層位，說明斷層兩盤厚度相等，斷裂活動停止。

(2)當(dāng)斷層生長指數(shù)大于1時，說明上盤厚度大于下盤厚度，發(fā)生同沉積正斷作用，其值越大，正斷速率越大;斷裂活動最強(qiáng)烈時期，即下降盤地層增長最大的年代，生長指數(shù)表現(xiàn)為最大值，可達(dá)5～10，我國渤海灣油區(qū)斷裂的主要發(fā)育期的生長指數(shù)大多為1.3 ～ 2.5。

(3)當(dāng)斷層生長指數(shù)小于1時，表示上盤厚度小于下盤厚度，斷層活動，而且是逆斷層或反轉(zhuǎn)斷層，發(fā)生同沉積逆斷(擠壓)作用，其值越小，逆斷速率越大。正斷層生長指數(shù)越大或逆斷層(反轉(zhuǎn)斷層)生長指數(shù)越小，表示斷層活動越強(qiáng)烈。

1.2 斷層落差法

生長斷層是在沉積過程中長期發(fā)育的斷層，也稱同沉積斷層，其上部的年輕地層沉積時發(fā)生的斷裂活動產(chǎn)生的落差必定累積疊加到下部較老地層上。因此，生長斷層的落差隨深度的增大而增大。通過對生長斷層落差進(jìn)行分析，可以定量分析生長斷層的相對活動強(qiáng)度。

斷層落差也稱鉛直斷層滑距，指在垂直于斷層走向的剖面上，斷層兩盤相當(dāng)層之間的鉛直距離。斷層落差可以在地質(zhì)剖面圖和地震剖面上測量，也可以根據(jù)構(gòu)造圖計(jì)算，單位為m。即:

式中:Di為第i時期斷層的落差，m;Hi為第i時期下降盤厚度，m;hi為第i時期上升盤厚度，m。

研究生長斷層的活動歷史需要計(jì)算各地質(zhì)歷史時期的落差。因此，趙勇等(2003)將某地質(zhì)歷史時期的鉛直斷層滑距定義為生長斷層古落差，用同一地質(zhì)歷史時期兩盤沉積地層的厚度差表示該時期生長斷層的古落差(見圖1)。

圖1 生長斷層古落差示意圖

計(jì)算斷層古落差應(yīng)考慮壓實(shí)作用、剝蝕作用、塑性流動、古水深等因素的影響。

2 地層縮短量

2.1 分形理論在剖面縮短量研究中的應(yīng)用

施澤進(jìn)等(1995)提出，運(yùn)用分形方法可以快速、方便、準(zhǔn)確地獲得剖面縮短量及應(yīng)變數(shù)值。

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分形理論作為描述復(fù)雜世界的幾何，由于它能解決極端復(fù)雜、極不規(guī)則且用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)不能刻畫的間題，近些年來已被廣泛應(yīng)用到自然科學(xué)的眾多領(lǐng)域，發(fā)表了大量研究成果。將剖面上的地層界限當(dāng)作二維平面中的一條復(fù)雜折線，由分形理論求取分維，可以對其進(jìn)行定量描述。

自然界中的分形有兩種基本類型:自相似分形和自仿射分形。自相似分形具有不隨標(biāo)度變化的自相似特征，當(dāng)其局部被放大時，它表現(xiàn)為與整體統(tǒng)計(jì)相似。而自仿射分形，它的一個重要特征就是其自相似性質(zhì)并不是單一的，它隨尺度不同而變化。在二維歐幾里德平面內(nèi)，自相似分形可以作為自仿射分形的特例。這兩種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術(shù)應(yīng)用到地殼縮短量的研究中，可獲得比剖面平衡技術(shù)更為精確的結(jié)果。

令變形前后剖面長分別為l，l0，由自相似分形模型有:

式中F為常數(shù)。由不同尺度r可求得不同的l/l0值，在雙對數(shù)坐標(biāo)中進(jìn)行回歸分析，可獲得分維D。

研究結(jié)果已經(jīng)表明，跨接長度b處所對應(yīng)的l/l0值，可用來計(jì)算剖面的縮短量及應(yīng)變分布。可用公式分別表示為:

由此可見，求得跨接長度b后，由上述公式可以方便地獲得縮短量和應(yīng)變分布數(shù)值。

2.2 平衡剖面方法計(jì)算地層縮短

由地震資料分析認(rèn)為，造成擠壓型盆地地層縮短的原因主要有兩方面(1)斷裂作用;(2)褶皺作用。由斷層作用造成的地層縮短量等于水平斷距;由褶皺造成的地層縮短量等于褶皺彎曲部分的長度減去彎曲剖分的水平距離。應(yīng)用地層縮短量可建立壓性盆地平衡后的古地沂構(gòu)造發(fā)育史剖面圖、平面圖，并可間接地研究盆地不同位置、不同地質(zhì)時期的構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)度。

2.2.1 由斷裂作用造成的地層縮短量的計(jì)算

盆地在演化過程中，褶皺、斷裂作用幾乎是同時存在，因而可將這一過程分解，然后分別計(jì)算由其造成的縮短量，最后累加即為總的地層縮短量。由斷裂作用造成的地層縮短量的計(jì)算由斷裂作用造成的地層縮短量實(shí)際上等于水平斷距。現(xiàn)今各層的縮短量等于表層(第一層)的現(xiàn)今水平斷距，某地質(zhì)時期的縮短量等于該時期的古水平斷距。這樣，各層沉積期間的縮短量主要反映在由其底界所測量的水平斷距上(見圖2)。

圖2 逆斷層水平斷距示意圖

設(shè)有n層，由上到下各層的現(xiàn)今水平斷距分別為LDX1，LDX2，LDX3。。。LDXn(本文中的計(jì)算單位均為m)。由于斷裂過程中所斷地層是作為一個整體移動，所以，第i層沉積時，由斷裂作用造成的各層縮短量LDi為第i層沉積期間的古水平斷距，即:

(1)對于同生逆斷層而言，上盤靠近斷層處的厚度一般小于下盤厚度，則各層現(xiàn)今水平斷距LDXn＞LDXn－1＞… ＞LDX2＞LDX1。這時，可直接利用公式(1)計(jì)算各地質(zhì)時期地層縮短量。

(2)對于由某一次構(gòu)造運(yùn)動而使各層幾乎同時斷裂的情況，其特點(diǎn)是同一層在斷層兩側(cè)厚度近于相等。但水平斷距的增大和構(gòu)造變形將使厚度的差別增大，應(yīng)注意識別這種情況。

①如果斷層在剖面上為一直線，則各層現(xiàn)今水平斷距LDXn=LDXn－1=LDX2=LDX1。同樣可以用式(1)計(jì)算縮短量。但這時LD1=LDX1，而LD2= … =LDn－1=LDn=0。

②如果斷層在剖面上為一凹形弧線(這種現(xiàn)象比較常見)，則各層現(xiàn)今水平斷距LDXn＞LDXn－1＞… ＞LDX2＞LDX1。愈向下，水平斷距增大的原因主要是由于下伏層的順層滑動和上覆層的褶皺而造成的。在這種情況下，不能用式(1)計(jì)算。地層的縮短量應(yīng)取第一層水平斷距，而下伏各層增大的水平斷距量可在計(jì)算上覆層褶皺段長度時得以補(bǔ)償，故在繪制平衡剖面時可作一次性處理。

(3)在地震剖面上，還可以看到下伏層現(xiàn)今水平斷距小于上覆層現(xiàn)今水平斷距這種情況，這看起來確實(shí)有點(diǎn)反常，然而它只是一種假象。

據(jù)Peter B.Jones對懷俄明州的沖斷帶研究認(rèn)為，造成這一假象的原因是由于在上覆層中可能存在一局部滑脫面或下伏層頂面部分與斷面重合所致。由于分布的局限性以及地震分辨率的限制，故有時難以識別。在這種情況下，縮短量應(yīng)為上覆層水平斷距。

(4)對上斷下不斷這種情況，一般都存在一個大范圍的滑脫面，這時，只計(jì)算上覆層縮短量即可。

2.2.2 由褶皺作用造成的地層縮短量的計(jì)算

由褶皺作用造成的地層縮短量可通過計(jì)算各層底界彎曲段長度來實(shí)現(xiàn)(見圖3)。

圖3 地層彎曲段長度的計(jì)算

設(shè)WW為地層彎曲段水平斷距，過其兩個端點(diǎn)的鉛垂線應(yīng)位于彎曲段兩側(cè)地層平緩處，并兼顧上、下層。Wi為第i層底界彎曲部分的現(xiàn)今長度，將W W分為等間隔的尸個區(qū)間，每個區(qū)間的寬度為WW/P，則:

上式中，Hi，j為第i層底界各取值點(diǎn)海拔高度，計(jì)算精度主要與P有關(guān)。P越大，精度越高，但計(jì)算量隨之增大。這樣，由褶皺作用造成的各層現(xiàn)今縮短量:LWXi=Wi—W W

對于同生褶皺，有LWXn＞LWXn－1＞ … ＞LWX2＞LWX1;而對于各層沉積后所形成的褶皺，有LWXn=LWXn－1=… =LWX2=LWX1。某層沉積時所發(fā)生的褶皺運(yùn)動常常涉及下伏各層。所以，第i層沉積時，則褶皺作用造成的各層縮短量LWi等于第i層沉積期間的古縮短量:Lwi=LWXi— LWXi－1(i=1 ，2，… ，n;LWX。 =0)

3 結(jié)語

在研究擠壓型盆地?cái)嗔训难莼?guī)律及活動性的研究方法中，縱向上主要以生長指數(shù)法與斷層落差法為主，目的是推斷斷層演化的規(guī)律性、時代性與差異性;而橫向上，研究較多的則為地層縮短量，通過對斷裂帶各條斷層縮短性質(zhì)的研究，推斷盆地的構(gòu)造變形過程。以上三種方法均為研究壓性盆地?cái)嗔褞а莼芳盎顒有缘挠行侄危诒憩F(xiàn)整條斷裂在不同區(qū)域不同時期的演化規(guī)律的整體性與立體性方面略有不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)生長指數(shù)法研究地層變化時，若上盤地層缺失，則公式不成立，無法用生長指數(shù)法研究地層變化;(2)用斷層落差法僅是用來表示某時期垂直于斷層走向的剖面上兩盤相當(dāng)層之間的鉛直距離，控制點(diǎn)較少，難以整體全面地表現(xiàn)斷層兩端地層的厚度變化;(3)由于盆地在演化過程中，褶皺、斷裂作用幾乎是同時存在，在計(jì)算地層縮短量時存在許多假設(shè)及限制條件，計(jì)算結(jié)果往往存在著較大誤差。

通過對生長指數(shù)、斷層落差與地層縮短量的綜合研究，對比它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)與相互關(guān)系，我們需要找出一類新的研究方法更為立體地研究盆地地層的演化史，進(jìn)而研究斷裂與油氣藏的關(guān)系，對進(jìn)一步研究擠壓盆地的演化規(guī)律，以及油氣的運(yùn)移、聚集成藏保存等方面具有重大意義。

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