第五講平衡地質剖面的基本原理－－以擠壓構造為例一、導論--目的

平衡剖面源于19世紀50－60年代的。最早出版的一批平衡剖面是由研究加拿大落基山的Bally等（1966)編制的。首先，應該如何來定義一條“平衡了的”剖面呢？

Dahlstrom（1969）提出了兩個準則：“①對橫剖面幾何學合理性的一種簡單檢驗方法就是測量巖層的長度……如果不存在間斷，這些巖層的長度必定是一致的；②在一個特定的地質環(huán)境中，只可能存在一套特定的構造…”。

目的

Elliott（1983）的定義顯得稍微嚴格一些：“…剖面上所畫的構造應是能在懸崖、公路截面和山的側面等地能見到的構造,利用這些構造就能編制出一張可以接受的剖面；另外，復原剖面和變形剖面必須同時建立，如果一條剖面能夠被復原至未變形的狀態(tài)，那么它就是一條合理的剖面。按照定義，一條平衡了的剖面應當既是合理的又是可接受的…”。如果我們真正理解了構造是如何形成的，那么就應該能夠將構造復原。因此，當巖層長度或剖面面積在變形與未變形的兩種狀態(tài)下相等時，剖面就平衡了。如果它們不相等，而且對這種不一致性又無法解釋（應變？），那么剖面就是不平衡的。如果僅提供了變形剖面而無復原的剖面，則無法確定它是否平衡，只有作者提供了復原剖面后才能證實它是平衡的。如在建立橫剖面時，遵循斷彎褶皺作用（F·B·F）傾角譜分析的原則（Suppe，1983），則該剖面將能準確復原，因而也是能夠退變形的（以后將會講到）。

目的

由于在平衡一條剖面的過程中增加了這些額外的限制，在完成平衡過程之后就很可能獲得更多的有益結論。

平衡剖面不一定是真實的；但與未平衡的剖面相比，它滿足了大量合理的限制條件，因此更接近于正確。由于平衡剖面提供了更準確的變形圖象，因此有助于對勘探目標的評估。利用剖面的平衡技術，還可以在逆沖構造帶尋求可預測和可識別的型式。利用計算機模擬可以對許多不同的構造樣式進行快速研究。正向的構造模擬（即從未變形狀態(tài)到所觀察到的變形狀態(tài)）比反向模擬（即變形狀態(tài)的剖面由計算機進行復原）要常見得多。正向模擬可通過變換任一重要的輸入?yún)?shù)產(chǎn)生多種合理的剖面。嚴格平衡的計算機模擬可能不完全與實際資料相符，但它們幾乎總是能夠對實際剖面中出現(xiàn)的平衡問題提供解答。二、平衡剖面的發(fā)展――歷史的回顧

平衡剖面概念的發(fā)展可歸因于科學的探索與勘探需求的結合。Dahlstrom（1969）首先較詳細地討論了平衡剖面的概念。然而Bally等的剖面（1966）表明，其他加拿大勘探地質學家于50年代中期就在使用平衡剖面。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了先進的處理及探測方法，但是地震資料仍然留出了很大的推測余地。歷史的回顧如在落基山，60年代的地震數(shù)據(jù)的質量一般比現(xiàn)在要差，但是與原地寒武系及下伏基底有關的反射事件通常是可以識別出來的（圖1－2）。寒武紀和下伏基底的地震反射面與地表地質條件清楚地限定了編制構造剖面的邊界，嚴格制約了對落基山深部構造的推斷（Bally,1996）。歷史的回顧

盡管有了上、下邊界所給出的限制條件，仍然可有許多不同的方案來填補中間空白區(qū)。Dahlstrom（1969）提出了可以用來評價這些方案合理性的平衡技術，主要側重于逆沖帶構造的幾何學研究，必須詳細分析零散資料，并盡早地識別出潛在構造的性質、形態(tài)及方位。歷史的回顧：

平衡技術的概念孕育于20世紀初就已發(fā)展起來的構造分析技術中。平衡剖面的概念首先被Cham－berlain（1910，1919）用于計算滑脫面的深度。他假定在沿脫面之上的變形剖面中的面積是守恒的，以此為前提估算出了滑脫面的深度（圖3a）。歷史的回顧：

Chamberlain估算滑脫面的深度的方法，在后來Bacher（1933)，Goguel(1962)，Laubscher（1962），Dahlstrom（1969）等都應用過這一技術（圖3b）。

歷史的回顧：

Hossack(1979）指出，如果滑脫面深度是已知的,Chambarlain的技術可反過來用于計算造山帶的縮短作用。這種方法－結合面積平衡原理——已被Gwinn、Price和Mountjoy（1970）所應用（圖4）。平衡剖面的發(fā)展――歷史的回顧利用平衡技術和造山縮短作用的估算在重建古地理的過程中可以了解相關系（Roeder和Witherspoon1978，圖6）。

相關系的研究不僅具理論意義，而且可用來識別多孔儲油巖的位置以及查明地層圈閉中生油層、儲油層與蓋層之間的關系（圖7）。連續(xù)復原的剖面（Royse，Warner和Reese1975）可以表現(xiàn)逆沖帶在其演化的不同階段的構造圖象，這對于評價碳氫化合物的形成、運移及儲存的相對時間來說是很有必要的。

平衡剖面的發(fā)展――歷史的回顧剖面的平衡技術正在日益完善。許多作者已經(jīng)指出，在剖面平衡過程中有幾種誤差可能是難以避免的。構造壓實作用（Hossack，1979）和壓溶作用可以產(chǎn)生誤差。Woodward等（1986）還在他們編制的南阿巴拉契亞的剖面中利用了應變資料?；驹?．選擇剖面線

剖面的平衡方法要求剖面線平行于逆沖運動的方向，因此第一步就是確定構造運移的方向。構造運移的方向通常是用區(qū)域構造線的平均走向來確定。圖8中所選剖面線垂直于：①主要逆沖斷層的走向；②主體褶皺的走向。1．選擇剖面線

小規(guī)模（即露頭尺度）的褶皺（圖9a、b）不宜用來確定運動方向。解決方法是，將大量褶皺軸投影到赤平網(wǎng)上就可以確定出運移方向；運移方向位于褶皺軸組成的大圓平分線上（圖gb）。1．選擇剖面線在變質地區(qū)，穩(wěn)定且一致定向的礦物拉伸線理指示運移方向。例如在藍嶺區(qū)的祖父山（圖10），通過礦物拉伸線理確定的運移方向（圖10b）與通過區(qū)域性構造的走向確定的運移方向（圖10a)是一致的。

1．選擇剖面線在確定了運移方向后，需要為第一條橫剖面選擇一個特定的位置。第一條剖面應當是區(qū)域性的，最好是能夠被“釘”在未變形的前陸上（圖12）。1．選擇剖面線最初的剖面還應避開側斷坡和捩斷層。側斷坡會嚴重地限制運移方向，與此有關的褶皺方位，相對于運動方向也是變化的。通過或靠近這些構造的剖面常常是不平衡的，也是無法復原的?；驹?．匯集地層資料

如果我們的研究用的是不正確的地層厚度，則剖面或許仍是平衡的并且是可以復原的，但必是不可接受的（在其幾何學的相對真實性方面）。當使用的地層厚度被低估時，就可能需要增加額外的斷片來填充剖面的空間；如果地層被估計過厚時，我們將被迫降低基底或修改剖面來容納多余的地層。在工業(yè)上可能會造成數(shù)百萬美元的損失。2．匯集地層資料正確的地層資料可以來自地表測量、文獻、鉆井資料或地震資料。地層厚度也可由地質圖及航空照片通過三點法計算出來（圖13）?；驹?．識別構造群落

繪制在剖面上的構造特征應當是能夠在地表、地震資料及鉆井中見得到的。如果褶皺是正弦形同心狀的，則尖棱及箱狀褶皺就不應當出現(xiàn)在剖面上，反之亦然（圖15，16）。3．識別構造群落：如果剖面上有被截切的褶皺，則在野外應能見到被截切的褶皺（圖17）。不同的構造巖性層在褶皺及逆沖斷層的形態(tài)上會有不同的表現(xiàn)。不同的構造群落表明了不同的構造環(huán)境。一個地質學家在試圖建立一條剖面之前，并不一定總有機會進行野外調查。在這種情況下，主要構造的幾何形態(tài)及變形樣式常可由航空照片或地形地質圖上查明。例如，尖棱褶皺與正弦形同心狀褶皺可通過平面圖及產(chǎn)狀資料加以區(qū)別。4．計算基底深度

地表地質常與基底深度有關。在圖19中，剖面東端的一個深鉆給出寒武系——侏羅系的厚度為8500ft，向西約25mi的另一鉆井資料表明相同地層的厚度為14000ft。因此剖面中不是簡單的平板狀地層，基底深度的計算必須考慮到增厚的沉積楔。4．計算基底深度Darby逆沖席的厚度為10000ft(圖19），這意味著其下盤寒武系－侏羅系的厚度不會大于10000ft。

根據(jù)地表地質確定出褶皺軸面以后，可以定位Darby逆沖斷層下盤的斷坡，并因此可以定出在逆沖帶前緣的基底的最小深度。注意，由于Darby逆沖席中卷入了寒武系，因此，根據(jù)Darby逆沖席內的地層資料就足以計算出基底的深度。4．計算基底深度

如果沒有其它資料，我們可以將基底以2°－3°的傾角向西延伸；2°－3°就是在大多數(shù)逆沖帶內基底表面的平均傾角．

年青的逆沖帶可能具有傾斜較陡的基底，傾斜度可達4．8°?；驹?．沿傾伏投影法

理想情況下，剖面線上應具有連續(xù)的露頭，完善的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)及地層界線，而且鉆井應直接定位在剖面線上。但實際上，露頭情況不好及任意的鉆井定位常使我們不得不將剖面以外的資料投影到剖面上來，這種方法稱為沿傾伏投影法。圖20中概括了沿傾伏投影的基本方法。基本原理6．定位下盤斷坡

一般來說，逆沖席中傾向后陸的段落反映了下盤斷坡的傾斜及位置（圖18）。

6．定位下盤斷坡犁式正斷層通常在一個斷坡部位向下并入逆沖斷層（圖21）。定位下盤斷坡：落基山逆沖帶懷俄明一猶他區(qū)段的勘探揭示，較高層次的逆沖斷層可以以一個位于上盤斷坡褶皺內的軟弱層作為其底板，因此并非嚴格地在斷坡處并入逆沖斷層（圖22）。在這種情況下，晚期的疊瓦狀分支斷層往往在斷坡上發(fā)育，與地表主要背斜一起亦可給出與斷坡位置有關的附加信息。四、平行褶皺作用

巖層長度守恒原理，是以平行褶皺作用這一假定為前提的。Dahlstrom（1969，1970）將同心褶皺作用作為普通褶皺樣式，并在其“同心的”樣式中包括了簡單彎曲褶皺（圖23）、尖棱褶皺及箱狀褶皺。平行褶皺作用

同心褶皺是每一層均具相同曲率中心的平行褶皺，而且通常在它們的核部會出現(xiàn)重要的空間問題。膝狀尖棱褶皺及箱狀褶皺（圖24）是具小而緊閉的轉折端及較長且平直的翼的平行褶皺。這兩類褶皺（圖25）均符合巖層厚度及長度守恒的條件，因此適用于平衡剖面。平行褶皺作用在局部非平行褶皺作用出現(xiàn)時，重要的是考查在體積上是否具有重要差異。在大多數(shù)無透入性應變的情況下，這種差異是不重要的，在平衡過程中可以忽略。

當轉折端和翼部的巖層厚度發(fā)生重大變化時，通過與厚度不變巖層長度的比較，用面積平衡法即可處理空間問題。如果在褶皺作用中劈理非常發(fā)育，就可能出現(xiàn)體積損失及不可復原性的問題。在這種情況下，對無劈理巖層的去褶皺法可用于關鍵層的平衡，并可用以估算其它地層可能發(fā)生的面積損失。平行褶皺作用褶皺復原的原理十分簡明，只要為主要褶皺選擇一條釘線（無層間滑動）并將地層拉直即可。這就是說，當?shù)貙颖焕氐剿綘顟B(tài)時，在未被釘住的部分必然存在簡單剪切（圖26）。通常操作者將軸面選為釘線，以此假定簡單剪切發(fā)生在翼部。在相反的兩翼上存在著反方向、等值的簡單剪切。簡單地說，在任一褶皺中，釘線一經(jīng)選定，就會存在與褶皺緊閉程度有關的對稱的簡單剪切。平行褶皺作用Suppe（1983）的最簡單的膝折模式假定，背形斷彎褶皺的中心及逆沖席的尾部都不發(fā)生層間滑動（圖27），只有褶皺的前翼及后翼經(jīng)歷了這種簡單剪切。五、實踐技術與假設

經(jīng)常阻礙繪制出接近實際的高質量平衡剖面的兩個基本問題是：①許多剖面的控制條件嚴重不足，②標準的平衡技術在正確建立平衡剖面時，有時并非十分有用。1．控制不足的剖面在完全缺乏資料的這種極端情況下，要想繪制一條真實的剖面顯然是不可能的！甚至在增加了大量資料后情況也未必會有根本的改善。例如，即使有豐富的地表資料和少量鉆孔。1．控制不足的剖面如圖28，我們也許還是不能通過已有的方法來繪制一條非常接近真實的剖面。這就是“空白區(qū)”（指剖面中缺乏直接資料控制的部分）問題?？梢杂猛馔品ń鉀Q空白區(qū)，但如果空白區(qū)太大（經(jīng)常如此），就有可能漏掉在地表或鉆井中無明顯顯示的構造。這在構造變化非常復雜的推覆構造帶是一種普遍情況。實踐技術與假設2．平衡技術的弱點

多數(shù)標準的平衡技術都遵循守恒原理，例如巖層長度或面積的守恒。首先需要檢查巖層的長度或面積是否守恒。通常，剖面中巖層的長度或面積不能守恒，因此它是不平衡的，需要修改。修改剖面后，再一次進行檢驗。為了盡量取得一個滿意的結果，必須對剖面不斷地修改。如果面臨剖面控制條件不夠和技術薄弱這類問題，我們就需要結合下列幾個方面來提高工作能力：①增加關鍵部位的資料，②提出更多的假設，③使用更有效的技術。

2．平衡技術的弱點

（l）增加更多的資料在關鍵部位獲得更多的資料顯然是有益的。如較好的地表產(chǎn)狀、地層厚度及地球物理資料等關鍵資料。在對一個地區(qū)進行勘探的早期階段首先建立一個暫時性剖面，有助于進一步獲取關鍵資料和進行修改。應當說，即便是比較粗略的地震資料，在克服“空白區(qū)”問題方面也是極其有用的，因為地震資料雖然也不足以解決更復雜區(qū)段的問題，但還是可以解決具有較簡單構造的大面積空白區(qū)的問題。如果只有小面積空白區(qū)存在，平衡技術就比較容易成功地應用了。2．平衡技術的弱點

（2）提出假設過多的假定可能會降低真實性。但是在許多實際情況下，如果要想獲得一種平衡的剖面，的確需要一些假設。因為假設總是可以代替某些空缺的資料。問題的關鍵在于，所提出的假設必須基于已被實踐充分證實了的同類構造以及對這些構造機制的正確了解。已有的一些假設包括：