平衡剖面技術研究進展綜述

卓魚周

(西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

平衡剖面技術是現代地質學研究的一項重大進展。長期以來，人們對于地質構造演化僅限于定性分析，缺少定量分析的方法。平衡剖面技術填補了這一空白，它可對地質構造演化進行定量、半定量的分析解釋[1]。它是研究構造地質學的一個重要工具。它提供了地表以下巖層的幾何學模型、特定區(qū)域造山帶的縮短量。這可以建立大尺度的地質模型，例如地球動力學模型或古地形圖。

簡要介紹了平衡剖面技術研究的現狀，并從平衡剖面在鹽構造中的應用、平衡剖面在海底斜坡構造恢復中的應用、平衡剖面在擠壓區(qū)的應用等方面介紹平衡剖面研究的最新進展。從平衡觀點與地震觀點的不統一、平衡剖面的精度問題等方面論述了平衡剖面研究的不足。最后從三維剖面平衡問題、復雜地質模式問題、地質資料質量問題等方面探討了平衡剖面應用中的一些問題?？傊?，平衡剖面技術在基礎地質中的應用將會隨著新技術的開發(fā)而日臻完善。

1 平衡剖面技術研究現狀

Chamberlin(1910)首次從地表觀察中預測基底拆離的形成過程及位置。他預測了位于賓夕法尼亞州中央阿巴拉契亞河谷及山脊褶皺沖斷帶之下的拆離深度，發(fā)現這里的拆離深度可能更大，并且?guī)缀涡螒B(tài)與當前的解釋有所不同。雖然他運用的不是定量的地質模型，但他的貢獻在于仔細的測量了褶皺帶的長度，這可以比較精確的預言淺層拆離的深度及幾何特征[2－3]。Kley and Monaldi(1998)運用地表的縮短量估計了安第斯山地殼的加厚不僅僅是因為地殼縮短引起的，還與底侵作用及地殼的物質流動有關[4]。國內自20世紀80年代開始才有人將平衡剖面技術應用于含油氣盆地研究當中。2000年以后平衡剖面技術已應用于油氣勘探、盆地分析、構造演化模擬、地震解釋等領域，并逐漸應用于復雜構造解釋當中。

平衡剖面的基本原理為物質守恒原理，即巖層在構造變動前后其體積保持不變。平衡分為線性平衡和區(qū)域平衡[5]。線性平衡是區(qū)域平衡的一部分。相對于區(qū)域平衡而言，線性平衡建立在有限的縮短量上，因此地層的縮短量在變形的地層和未變形的地層不同。區(qū)域平衡僅僅是建立在剖面是現代的，且變形的推覆帶和未變形的地層剖面相當這一基礎上。這是相比于線性平衡更廣義的概念。因為區(qū)域平衡提供了一個計算縮短量的方法，這一方法不需要地表以下幾何學上的解釋，該方法不提供幾何學上的線性平衡[6]。然而，這一獨立性是區(qū)域平衡的最大長處，該方法包括任何在二維動力學模型上滿足所需區(qū)域及任何規(guī)模的變形。區(qū)域平衡的這一特殊性使它們能夠確定縮短量的不確定性。區(qū)域平衡包括所有可能的線性平衡。因此，剖面的平衡主要是確定水平縮短量，區(qū)域平衡提供了一個解決該問題的方案。

2 平衡剖面技術研究進展

2.1 平衡剖面在鹽構造恢復中的應用

平衡剖面的恢復通常方法為拉平層和區(qū)域的復原，但是對于鹽構造來說一些限制條件往往是無用的，因為鹽構造為三維流動，并有可能溶解。因此恢復鹽構造變形時常常難度很大且具有不確定性。在鹽構造縮短量計算的時候底辟作用常常被隱藏，超負載的地層也可以擠入鹽構造，但外來的鹽構造可以記錄原來的鹽構造。所以在恢復鹽構造時應建立在小規(guī)模的基礎之上，連續(xù)恢復，并且要充分分析該地區(qū)的三維資料[7]。

余一欣(2008)等針對塔里木盆地庫車坳陷鹽層展布特征和鹽構造的發(fā)育狀況，結合前人的研究成果，提出了一種編制鹽構造平衡剖面的方法[8]。其基本原理就是先預測鹽層初始沉積特征和鹽構造強烈變形期次等地質條件，然后用這些地質條件對隨后的復原過程進行約束。

2.2 平衡剖面在海底斜坡構造恢復中的應用

斜坡(slope)平衡剖面廣泛應用于解釋海底斜坡和濁流系統的侵蝕和沉積過程。非平衡的剖面通常為活躍的變形區(qū)域，該區(qū)域常常被海底構造改造而使水道改道。Aggeliki Georgiopoulou(2013)等在研究尼泊爾三角洲地區(qū)水道改造是否適用于平衡剖面理論時發(fā)現，在濁流系統中，當水流流過海底斜坡沒有侵蝕或沉積發(fā)生而直接流向基準面時水道的改造可用平衡剖面理論來解釋[9]。

2.3 平衡剖面在擠壓區(qū)的應用

許多擠壓系統，包括Moine擠壓帶，通常被簡單的解釋為碟瓦狀構造，向深部延伸為拆離構造。Hannah Watkins等人用野外觀測和填圖資料來構建橫剖面來檢驗這一解釋。起初的橫剖面通過假設一個低角度的拆離來構建，線性長度的不平衡，變形引起的擠壓不匹配表明該剖面模型是無效的。他們認為存在于巖層單元之間水平長度的不同表明存在二次拆離，這被納入剖面的變形，從而產生有效的構造模型。二次拆離的存在表明了復雜的幾何露頭的存在，這表明Achnashellach Culmination是由兩個連續(xù)的拆離界面所形成的。這一新的構造模型被用于剖面的重建、剖面的平衡，便于野外觀測，從而確保了模型在三維空間上的有效性[10]。

3 平衡剖面技術研究的不足

3.1 地震觀點與平衡觀點不統一

即使是一條質量較好的地震剖面，也必須由地質學家和勘探地球物理學家共同來解釋。但是他們一般都會考慮該剖面是否為一條平衡的地質剖面。只有合理的解釋了已觀測到的地質資料才能科學地推斷未知的構造要素和進行古構造復原[11]。構造解釋上的不確定性主要分為四類:概念上的不確定性，數據的不確定性，推理的不確定性，野外觀測的不確定性。在構造運動屬于強烈擠壓變形的地區(qū)，無論地震測線與構造走向是垂直、還是斜交，由于地層存在著物質流動，所以不能采用平衡剖面技術進行解釋。從平衡剖面原理出發(fā)，應強調綜合性研究。所以在研究手段上，應將區(qū)域地質資料與地震勘探資料相結合，利用計算機技術進行模擬。在研究區(qū)域上，應采用地震、鉆探、測井與地表露頭等資料，進行多種資料的綜合分析，使之相互檢驗[12]。

綜上所述，地震觀點與平衡觀點為相互依存，相互檢驗的關系。在地震資料解釋過程中，離不開地質學基本原理，只有具備了符合客觀實際的地質觀點才能搞好地震解釋工作。同樣，平衡剖面的解釋也離不開地震資料解釋基本原理和方法，只有搞清了各種地質現象在地震剖面上的反射特征和偏移畸變現象，才能搞好平衡剖面的解釋[13]?？傊斠粭l地震剖面的解釋成果，既符合地震資料解釋原理，又滿足平衡理論的要求，就達到了比較好的結果。

3.2 桌子山地區(qū)剖面縮短量的精度問題及改進方法

鄧軍(2005)等運用平衡地質剖面方法，求得桌子山地區(qū)剖面的縮短量為7 km。但是在運用平衡地質剖面法時，他提出了很多的假設，同時由于受剖面的精度限制，所得出的結果存在著較大的誤差[14]。楊圣彬(2006)等用分形幾何學方法[15]，在考慮了幾何體的復雜性和細節(jié)，小褶皺和斷層引起的縮短量等問題的情況下測得該區(qū)的縮短量為8 km，兩者誤差為1 km。因后者考慮了桌子山地區(qū)地形的復雜性及小褶皺和斷層的存在，因此，該方法比平衡剖面計算的結果更接近事實。兩者的對比結果如表1所示。

表1 不同方法求得的桌子山地區(qū)剖面的縮短量

4 討論

4.1 三維剖面平衡問題

任何地質體都是以三維模式呈現出來的，而現有的平衡剖面模擬軟件及采用的實際資料(主要是二維地震剖面)都局限于二維空間之內，因而無法判別最終的結果是否真的平衡。隨著三維地震勘探的展開，開發(fā)適用于三維勘探的三維平衡剖面軟件將成為未來工作的重要內容。

4.2 復雜地質模式問題

斜向滑動和鹽丘構造、反轉構造、多期構造演化過程等復雜構造，由于地層流動性強、構造復雜、且存在多期構造變動，因此很難用平衡剖面技術對其地層進行復原。目前大多數軟件對于塑性流動的鹽丘構造無法直接恢復平衡。Mark G(2012)等近年來運用連續(xù)恢復的方法在鹽丘構造恢復中得到了比較可信的結果[7]。

4.3 地質資料質量問題

平衡剖面的精確制作需要詳實的露頭及鉆井資料，其中三維地震剖面是實現剖面平衡的最好素材。但是由于地震資料處理中自身存在的一些問題，如對于復雜構造區(qū)(逆沖、構造反轉、鹽下構造)時間偏移、疊后偏移在理論上都不能正確成像。所以在制作平衡剖面時應盡可能多的搜集野外露頭資料及可靠的室內資料。

5 結語

從Chamberlin(1910)首次將平衡剖面技術應用于地質學當中已有百余年的歷史，這其中已取得了一系列重要的研究成果，且其應用領域正在日益擴大。如已經從起初的單一的恢復地層縮短量的研究擴展到拆離構造、鹽丘構造恢復、海底斜坡構造恢復、強烈擠壓區(qū)構造恢復等方面。但隨著研究的不斷深入，暴露的問題也日益增多，如地震觀點與平衡觀點的統一性問題、平衡剖面的精度問題、三維平衡剖面問題等。相信隨著平衡剖面技術的日益完善，其必將有更加廣闊的應用前景。

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