第3章沉降史

（二）平衡剖面在地质研究中的作用
快速地评价和检验地震解释剖面； (1) 快速地评价和检验地震解释剖面； 确定盆地的构造演化史， (2) 确定盆地的构造演化史，动态地认识构造的形成过 准确地判断出圈闭的形成时间； 程，准确地判断出圈闭的形成时间； 更精确地圈定油气藏的几何形状、 (3) 更精确地圈定油气藏的几何形状、分布范围及其演 为油气成藏在时、空匹配分析提供必要的保证。 变，为油气成藏在时、空匹配分析提供必要的保证。
3、古水深Wd和古海平面变化SL 古水深W 和古海平面变化 古水深校正， 古水深校正，目前主要根据古生物化石的古生态分析 资料或沉积相的某些标志，加以推测得出。 R等人 资料或沉积相的某些标志，加以推测得出。Vail P R等人 得出的全球海平面变化的成果现已基本满足计算需要。 得出的全球海平面变化的成果现已基本满足计算需要。
（一）、铲状正断层构造变形几何模型 ）、铲状正断层构造变形几何模型 1、几何模型的假设条件 应用平衡剖面原则， 应用平衡剖面原则，建立铲状正断层与 地层变形的几何模型时， 地层变形的几何模型时，假定变形过程满足 以下四个条件： 以下四个条件： ①构造变形只发生在上盘，下盘未发生变形； 构造变形只发生在上盘，下盘未发生变形； 构造变形为平面应变， ②构造变形为平面应变，即质点只在剖面内 发生位移，没有物质移出、流进； 发生位移，没有物质移出、流进； 上盘变形是由单一的变形机制所引起的； ③上盘变形是由单一的变形机制所引起的； 沉积物的压实作用已被校正。 ④沉积物的压实作用已被校正。
这一过程可分别用以下模型处理： 这一过程可分别用以下模型处理： 水平断距不变模型； 斜向剪切模型； ①水平断距不变模型；②斜向剪切模型；③位移距不变 模型； 层长不变模型； 滑移线模型。 模型；④层长不变模型；⑤滑移线模型。 （二）、拉张量和滑脱面深度的计算 ）、拉张量和滑脱面深度的计算 根据变形前后面积保持不变的平衡原理， 根据变形前后面积保持不变的平衡原理，上图中楔 形空隙的面积A 等于剖面右侧所增加的矩形面积A 形空隙的面积A2等于剖面右侧所增加的矩形面积Al，即：
（三）、构造演化史恢复 ）、构造演化史恢复 伸展地区构造演化史恢复包括压实恢复、 伸展地区构造演化史恢复包括压实恢复、剥蚀恢复 和变形恢复三大部分，这里重点讲变形恢复。 和变形恢复三大部分，这里重点讲变形恢复。 应用平衡剖面方法恢复构造演化史的步骤如下： 应用平衡剖面方法恢复构造演化史的步骤如下： 步骤如下 (1)建立复原剖面的标志面或线 (1)建立复原剖面的标志面或线 (从下盘的地层断开点向 上盘引地层的切线) 上盘引地层的切线)； (2)将上盘地层界面上的点按照不同的几何变形模型恢复 (2)将上盘地层界面上的点按照不同的几何变形模型恢复 到标志面上，同样上盘断点也作相应的等量恢复， 到标志面上，同样上盘断点也作相应的等量恢复，这时 上、下盘之间将出现一个楔形空间； 下盘之间将出现一个楔形空间； (3)将上盘的各地层点及断层点向下盘方向整体水平移动 (3)将上盘的各地层点及断层点向下盘方向整体水平移动 一个拉伸量，从而使楔形空隙闭合，断层上、 一个拉伸量，从而使楔形空隙闭合，断层上、下盘叠合 在一起，复原到未变形状态。 在一起，复原到未变形状态。根据某种几何模型进行变 形复原后，断层上下盘的叠合程度出现较大的差别， 形复原后，断层上下盘的叠合程度出现较大的差别，可 以检验几何模型的适用性。 以检验几何模型的适用性。
第三章
盆地沉降史模型与平衡剖面技术
▲ 沉降史模型 ● 平衡剖面技术 ■ 伸展地区构造演化史恢复
一、沉降史模型
盆地是地壳或岩石圈局部下沉和沉积物在其中不断 盆地是地壳或岩石圈局部下沉和沉积物在其中不断 充填埋藏过程中的一种地壳构造。 充填埋藏过程中的一种地壳构造。按沉降速率与充填速 率的相对大小，可将盆地称为欠补偿、超补偿与基本补 率的相对大小，可将盆地称为欠补偿、 偿三种类型。研究盆地的沉降-充填历史， 偿三种类型。研究盆地的沉降-充填历史，是恢复盆地 演化历史的重要组成部分。 演化历史的重要组成部分。 盆地的下沉机制实际上是盆地的地球动力学成 从已提出的几十种成因理论来看，不外乎三类， 因。从已提出的几十种成因理论来看，不外乎三类，即 重力、热力和应力作用。引起地壳下沉的原因，主要与 重力、热力和应力作用。引起地壳下沉的原因， 热机制、岩石圈组成的变化、 热机制、岩石圈组成的变化、以及沉积物和水的重力负 荷作用有关，是地球内、外动力地质作用的综合结果。 荷作用有关，是地球内、外动力地质作用的综合结果。
三、伸展地区构造演化史恢复
伸展地区的构造特点是正断层发育。不同尺度、 伸展地区的构造特点是正断层发育。不同尺度、世 几何形态的正断层， 代、几何形态的正断层，在伸展构造的形成过程中起着 重要的作用。 重要的作用。 研究表明，铲状正断层在伸展地区最为常见(下图) 研究表明，铲状正断层在伸展地区最为常见(下图)， 它控制了一个盆地的形态、规模， 它控制了一个盆地的形态、规模，同时还控制着盆地内 的构造演化。因此， 的构造演化。因此，铲状正断层的构造变形及其恢复是 伸展地区构造研究的重点。 伸展地区构造研究的重点。
2、几何模型与变形机制 铲状正断层运动引起的上盘滚动构造变形可分以下 几步理解（右图）。 几步理解（右图）。 (a)变形前 变形前， (a)变形前，存在一条潜在 的铲状正断层；(b)上盘被 的铲状正断层；(b)上盘被 拉开，上盘内的点( 拉开，上盘内的点(即A点) 侧向移动到新的位置A ， 侧向移动到新的位置A’， 上、下盘之间出现一楔形 空隙(设空隙面积守恒) 空隙(设空隙面积守恒)。 (c)上盘质点(A’点 上盘质点(A (c)上盘质点(A 点)受重力 作用下降到未变形的下盘 的可能路径；(d)表示上盘 的可能路径；(d)表示上盘 物质变形充填空隙时的位 移矢量可能是垂直的、 移矢量可能是垂直的、不 垂直的或其它不确定情形， 垂直的或其它不确定情形， 因此导致上盘产生不同的 变形。 变形。
A2 = A = e h 1
在垂直剪切条件下，拉张量e等于水平断距H，因此有： 在垂直剪切条件下，拉张量e等于水平断距H 因此有： A2 h= H 式中h——滑脱面深度(m),A2——楔形空隙面积(m2), 式中h 滑脱面深度(m),A 楔形空隙面积(m 滑脱面深度 楔形空隙面积 水平断距(m) H——水平断距(m)。 水平断距(m)。
式中，等号右端第一个括号内的前一项代表了对沉积物 负荷校正的结果，后一项反映了海平面升降的负载效应， 而第二个括号则代表以现今海平面为基准的古水深，ψ (psi:)体现了挠曲型基底相对点补偿型的校正系数。
（四）、几个参数 ）、几个参数 上式中的H可通过埋藏史模型获得， 上式中的H可通过埋藏史模型获得，地幔和水的密度 一般采用一个地区的经验值，所以主要的未知量是校正系 一般采用一个地区的经验值，所以主要的未知量是校正系 沉积物密度ρ 古水深W 和古海平面变化 数ψ、沉积物密度ρs、古水深 d和古海平面变化SL等。 1、校正系数ψ 校正系数ψ 地质年代越老，弹性厚度越大，此时ψ ， 地质年代越老，弹性厚度越大，此时ψ=1，但对于张 性盆地或被动大陆边缘盆地，裂谷后阶段（坳陷阶段）， 性盆地或被动大陆边缘盆地，裂谷后阶段（坳陷阶段）， 断裂活动极弱，情况则类似于挠曲模式，可参照表3-1给出 给出。 断裂活动极弱，情况则类似于挠曲模式，可参照表 给出。 沉积物密度ρ 2、沉积物密度ρs 沉积物在成岩作用过程中，孔隙度随时、空变化， 沉积物在成岩作用过程中，孔隙度随时、空变化，故 的值也是随深度、层位而变化的。为了计算方便， ρs的值也是随深度、层位而变化的。为了计算方便，工作 中常取各单元地层密度的加权平均值来近似代表整个层系 n 的平均密度： 的平均密度： ∑[i ρw + (1i ) ρr ] hi ρs = i=1 H
对于图3 对于图3-2（a）两个剖面，因处于均衡状态，故有： 两个剖面，因处于均衡状态，故有：
I ρw + C ρc + M ρm = H ρs + C ρc + (M DL ) ρm
I=H代入（ 由于 I=H-DL，代入（3-2）式，得： ρs ρw DL = H ρm ρw 此即根据艾利模型导出的负荷沉降幅度公式。 此即根据艾利模型导出的负荷沉降幅度公式。 又因基底沉降量（ 等于负荷沉降量（ 又因基底沉降量（DB）等于负荷沉降量（DL）与 构造沉降量（ 之和，并与地层总厚度相等，从而： 构造沉降量（DT）之和，并与地层总厚度相等，从而： DB = DT + DL = H ρ ρs DT = m H ρm ρw 此即构造沉降量的计算公式。可在埋藏史恢复的基础上， 此即构造沉降量的计算公式。可在埋藏史恢复的基础上， 利用本式计算单井的构造沉降史。 利用本式计算单井的构造沉降史。
应力、热力作用产生的构造沉降（DT）属于基本 应力、热力作用产生的构造沉降（ 沉降，而重力引起的负荷沉降（ 沉降，而重力引起的负荷沉降（DL）则是沉积物本身的重 量使得基底形成被动增加的沉降。 量使得基底形成被动增加的沉降。下图是美国密执安盆地 的累计沉降量图， 的累计沉降量图，可以分解出构造沉降和负荷引起的次生 沉降效应， 5000多 的总沉降幅度中，有近3000m 3000m是由沉 沉降效应，在5000多m的总沉降幅度中，有近3000m是由沉 积物和水的负荷作用引起的。 积物和水的负荷作用引起的。
Dw =
ρm ρw
ρw
S L
由于 所以有
DB = DT + DL + Dw = H + (Wd SL )
ρ ρs ρw DT = m H SL + (Wd SL ) ρ ρ ρm ρ w w m
如果考虑到考虑到基底对负载的弯曲效应，可得求取构造 沉降史的一般公式：
ρ ρs ρw DT =ψ m H SL + (Wd SL )衡剖面时，一般要遵守如下原则： 建立平衡剖面时，一般要遵守如下原则： (1)剖面线要平行于构造运动方向 剖面线要平行于构造运动方向； (1)剖面线要平行于构造运动方向； (2)剖面中的变形构造必须是可逆向复原的 剖面中的变形构造必须是可逆向复原的， (2)剖面中的变形构造必须是可逆向复原的，并且复原后 符合一般的地质准则； 符合一般的地质准则； (3)变形前后的物质守恒 变形前后的物质守恒； (3)变形前后的物质守恒； (4)断层位移距守恒 断层位移距守恒。 (4)断层位移距守恒。