沉降史反演的现状与应用_杜旭东

沉降史反演的现状与应用

杜旭东　漆家福　陆春生

(石油大学地质科学系,北京102200)

摘要　在总结前人资料的基础上,综述目前的研究现状,提出沉降史的反演是构造地质学与沉积学在盆地研究中具有结合点和生长点的作用,归纳了沉降曲线应用和对地质学进展的贡献以及在计算沉降量和解释沉降曲线时应注意的问题,并展望其发展方向。

关键词　沉降史反演　沉降曲线　解释　现状与应用从维巴布洛夫1954年提出以现在沉积物厚度代替沉降量以来,沉降史反演历经半个多世纪,已取得实质性进展,在沉积过程中,沉积厚度与沉降之间存在着密切的关系[1～3]。近年来,其在盆地分析和盆地模拟中起了重要的作用,同时使构造与沉积有机地结合起来,以研究盆地的形成、发展和消亡,该方法具有结合点和生长点的作用。因此,越来越多地受到沉积学家与构造学家的重视。

1　沉降史反演基本思想

沉降史反演方法又名回剥法,即利用现在沉积物厚度,逐层恢复到地表,并进行压实、古

[1～3]

水深和海平面变化的校正,从而获得各层的原始厚度及盆地可能的原始形状。沉降量反演假设沉积物在压实过程中,地层骨架体积保持不变,地层厚度的减小仅由孔隙体积变小引起,即地层厚度的减小是由深度决定的,而且认为地层压实过程是不可逆的,即地层经历后期的抬升,深度变浅,孔隙度仍将保持其最大埋深时的值。具体可分为以下几步:1)根据各类沉积物的孔隙度-深度关系应用沉积压实原理恢复沉积物原始厚度。2)结合古海平面变化及古水深资料,恢复到一个相对水准面深度,这一般适应于海相盆地。对于陆相盆地此项可以省略,至此计算结果为沉积史或埋藏史。3)考虑到沉积物重量造成的沉降,选用适当沉降模式如艾理均衡、弹性均衡、粘弹性均衡等,减去之,即可得到由于构造活动造成的沉降量。

2　沉降史反演的基本模型

2.1　地层压实校正模型

沉降史反演的第一步是进行地层压实校正。Athy和Hedberg提出正常压力下孔隙度与深度为指数关系,但对较浅地层不适应,为此Falvey和Middleton提出另一种模型:认为孔隙度的减小量变化和上覆地层负荷变化与孔隙空间和岩层骨架体积之比值的变化呈正比。若存在异常压力,孔隙度与深度关系发生偏离,给深度附加一个系数得出异常压力下的

第一作者简介　杜旭东　男　30岁　博士生　沉积岩石学专业　已发表“沉降曲线原理及应用”等论文收稿日期　199611

11

—23—计算方法

[1,3]

。总之,地层压实校正将直接影响原始地层厚度的大小。实际工作过程中遇到的

[1]

是多种岩性或薄层,对于前者比较容易处理,即按地层中砂泥含量的百分比来计算,而后

者则采用综合效应方法计算,即把多个薄层的同一岩性作为一厚层来考虑[4]。同时,每种岩性的孔隙度与深度关系可能呈带状分布,依此可以对沉降量作出最大和最小估计,选用小的孔隙度与深度关系估算的沉降量最大,反之,选用大的孔隙度的关系估算,估算的沉降量最小。

对于成岩作用强的地层,在恢复其原始厚度时,考虑脱岩化作用的上限,即认为地层厚度减小完全由机械压实作用引起,其下限,即认为仅非钙质泥、页岩厚度减小是机械压实作用的结果,其它岩性则完全由外来胶结作用引起,二者虽然构造沉降绝对值大小不同,但趋势是一致的。

2.2　剥蚀量的估算模型

地层原始厚度恢复过程的另一大难题是剥蚀量的估算,有关剥蚀量的估算已提出许多方法,如:沉积速率法、声波时差法、裂变径迹法、地质综合法等。但目前无一种既经济又精确方法,预计下一世纪仍将困扰着地质学家。目前一般采用地质综合分析的方法,其误差比较大,直接影响着沉降量精度和正确性,甚至影响着平衡剖面精度和正确性,这样,势必对用平衡技术来解释的剖面质量和依此对地质构造演化的认识提出疑问。笔者认为,利用地质综合分析的方法先估算出剥蚀量,再把此值视为沉积物厚度并计算沉降量,然后由地质学家考虑二维,甚至三维空间上合理性给出估算值,并给出误差范围,这样,沉降量更接近实际。2.3　沉积非补偿模型

盆地分析中沉降史反演,究其本质是利用现在沉积物厚度来推算当时构造沉降量,前者是沉积学中一个基本参数,其大小受控于多种因素,如:物源供应,水动力大小,沉积物堆积速度[5],古地貌、古构造、沉积相带分布[6]、构造沉降量等,这说明沉积物厚度是多个自变量的函数。因此,在用厚度反演构造沉降量时,要综合分析,把沉积与构造相结合来进行。从这个意义上讲,构造沉降量反演过程正是把沉积与构造研究结合的过程,体现出构造沉降量反演是沉积与构造研究的结合点和生长点。例如在三角洲形成过程中,前三角洲沉积物比较细,泥含量大,地层厚度薄,而前缘沉积为砂含量高,地层厚度相对较大。若仅从厚度来恢复构造沉降,后者构造沉降大于前者,这显然是不合理的。原因在于前三角洲沉积是非补偿性沉积,因此在计算沉降量时必须考虑影响沉积物厚度的因素,把沉积学研究与盆地构造统一起来,这样计算的沉降量才具有地质意义,即把沉降中心与沉积中心统一起来。2.4　构造沉降量反演模型

构造沉降量反演一般公式为:

Y=c{s(Qm-Qs)/(Qm-Qw)-$slQw/(Qm-Qw)}+(wd-$sl)

其中Qm、s、w分别为地幔、沉积物、水的密度,$sl是与现今有关的海平面,wd是古水深,cQQ为补偿系数,c由下式给出:

c=(Qm-Qs)/[Qm-Qs+D/9(2P/K)4]

D为抗挠强度,K为沉积负载的波长,其它参数同上。其中,假设岩石圈响应沉积物负荷为周期性方式。同时认为水平方向作用力为零。显然,在盆地形成过程中,水平方向作用力等于零的情况很少,这种作用力存在将使盆地在垂向受力发生改变,即直接影响盆地构造沉降

量。挤压使盆地沉降量增大,张性力反之[8]。考虑到地壳为脆性,可以假设水平方向的作用力—24—[1,3,7]

是通过板状弹性固体传播的,那么板块相对运动产生的力对成盆作用贡献的力的大小是不变的,但随着板块之间的相对运动速度变化,对盆地作用力亦发生相同的变化,这将是一个复杂的地质过程,有待进一步研究。

这里必须强调的是:在地质条件下,c值的估算并非易事。c大小与抗挠强度有关,若抗挠强度估算误差为一个数量级,就可引起c值较大的差异。而抗挠强度估算又不易,一般采用重力资料进行约束。对大洋盆地来说,计算效果较好;对大陆盆地就必须慎重,因为大陆岩石圈抗挠强度受各种因素影响,如时间、热事件及其它地质条件。正是这些不确定因素使c值估算复杂化,随着资料积累和认识的提高,c值的估算会得到进一步完善。同时也是涉及到目前全球大陆动力学研究的热点问题。反过来,c可作为判断盆地是否达到均衡状态的指示函数。因为对于不同地区、不同的构造环境以及盆地不同发展阶段,c值是不同的。因此,可用c作为确定一地区或盆地特征、演化现状即趋势的参数[9]。虽然上述众多因素影响构造沉降量绝对大小,但为了简化并说明问题,对于陆相盆地,则不考虑古水深等因素,因为只要沉降量相对大小不变就可以了。

3　构造沉降曲线应用及解释

以构造沉降量为纵坐标,以相应的地质年代作为横坐标,作出曲线称为构造沉降曲线。固然,作出构造沉降曲线是基础,但对于地质学家来说,曲线解释可能更重要。对此解释的正确与否,直接影响着地质结论的正确性。对于不同构造环境,沉降曲线特征不相同(图1)。对于典型一期裂谷拉张盆地一般为二段式,分别命名为初始沉降和热沉降(图1中曲线¹),多期裂谷则为多个依次相连的二段式,如图1中曲线¼是两期裂谷沉降曲线。前陆盆地与裂谷沉降曲线样式相反(图1中曲线º)。剪切盆地沉降曲线样式界于二者之间,与剪切作用相关的拉张盆地的沉降曲线同张性盆地特征一致,但沉降幅度相对较小,而且初始沉降阶段较长;与剪切作用相关的挤压盆地的沉降曲线同前陆盆地特征相似,幅度亦相对较小。克拉通盆地沉降曲线(图1中曲线»)具较小的沉降幅度,平均构造沉降速率低,分阶段、不连续、不规则,由几期小沉

降段复合成;具上凸沉降模型,抬升和无沉降经常发生,上凹型很少;另外,全球克拉通盆地的沉降具有同时性,每一沉降阶段基本同时。由于盆地演化多期性,决定了沉降曲线样式是复合形式,很可能是上述曲线样式其中的一种或多种复合,例如黄骅盆地中新生代至少经历两次裂谷作用,沉降曲线与RoerVally地堑[12]特征相似,总体为两个两段复合式。反之,从盆地沉降曲线样式可得到盆地构造演化史的信息,如曲线斜率大小和曲线上的拐点往往与盆地发展经历的构造运动强度和期次相关。另外,曲线出现“锯齿”,暂称为锯齿状沉降曲线,其成因可能与存在板内应力有关。需注意的是,单从一条曲线可能不会说明问题,

—25—[13]

[10,11]

图1　各种沉降曲线模式图

¹～¼说明见正文

必须从二维、三维角度来综合分析。

许多裂谷盆地,构造沉降曲线为三段式(图1中曲线¹)。于一般裂谷曲线相比,出现比较短的第三段,但斜率明显增大。这可能是盆地中巨厚的沉积物负荷为后期沉积物提供空间,即非构造运动造成的。因为在构造运动相对平静时,而且持续时间比较长,重力均衡充分可产生沉积物2～3倍的空间(艾理均衡)。文献[15]给出很好的例子,虽然重力沉降量较小,但机理是一致的。另一种解释为裂谷持续作用或者说裂谷作用两阶段不能截然分开

[17]

[18]

[16]

[14]

,第

三种解释为下次裂谷作用的开始,第四种解释为板内应力作用的结果。正确认识和解释这一点对现代盆地沉降研究乃至水利工程施工和投资有重大的指导意义。因为水利、基建等工程建设都与盆地构造、沉积、性质有关,以及现代城市中大量自来水被抽去,使城市地基不稳定下陷等问题都与此有关。

构造沉降史反演应用已取得很大进展,限于篇幅以下仅给出几个比较典型的例子:1)反演构造沉降曲线与正演理论曲线对比,求取伸展率,并与用剖面计算的伸展率相比较,依此提出以沉降曲线作为二维[19]、三维约束条件的更合理的盆地演化模式[20]。2)对沉降曲线分析可得出盆地形成时期[21],例:Bond根据加拿大落基山脉下古生界碳酸岩的构造坳陷曲线提出北美科提拉被动大陆边缘于600Ma形成。3)对反演构造沉降曲线作运动定量分析,获得一系列运动学数据,编制相应的图件,并对比分析,定量阐述成盆期运动规律和构造特征,据此可把盆地分析中动力学和运动学有机地结合起来。4)反演构造沉降是盆地模拟的一个重要方面,盆地中的地热、压力、生油等模拟都必须依此为基础。同时亦是定量动力地层学研究的基础,所谓定量动力地层学是在控制盆地的沉降、海平面变化和沉积物供给等因素,对盆地充填物影响的一门科学。依此作地震合成记录的地质模型进行地震反演,并与地震剖面对比,这样就可以在地震剖面上进行沉积相、岩性的解释,减少勘探风险。5)构造沉降史正反演相互约束,得出的盆地成因模型更具有生命力。例如通过计算盆地沉降史,统计其热沉降与初始沉降之比,并与正演模型计算结果对比,以此来约束盆地成因机制。

必须认识到构造沉降史反演应用仍面临着许多问题,尤以成岩作用、流体等物质代换,以及地壳对沉积物负荷相应机制更为突出,大陆性地壳问题则更为复杂。但正是这些问题使这门新兴科学更具有强大的生命力和挑战性。

本文在成稿过程中得到邬光辉等人帮助,在此深表谢意。

参　考　文　献

1　杜旭东,朱建伟.沉降曲线原理及应用.世界地质,1994,13(3):104～1132　叶加仁.盆地地史模拟述评.地质科技情报,1995,14(2):5～50

3　AllenPA,AllenJR.Basinanalysisprincipleandapplication.BlackwellScientificPublications,Ox-fordLondon,1990

4　SpringerJ.Decompactionandbackstrippingwithregardtoerosion,saltmovement,andinterlayeredbedding.ComputerGeosciences,1993,19(8):1115～1125

5　马文璞.区域构造解析-方法理论和中国板块构造.北京:地质出版社,1992

6　BertramGT,MiltonNJ.Reconstructingbasinevolutionfromsedimentarythickness;theimportanceofpalaeobathymetriccontrol,withreferencetotheNorthSea.BasinResearch,1989,(2):247～2577　安延恺,李汉渝.勘探地层学与环境分析.北京:石油工业出版社,1989

8　CloetinghS,KooiH.Tectonicsubsidenceandsea-levelchanges:areppraisal.In:CollinsonJD,ed.

[9]

[22]

—26—Correlationinhydrocarbonexploration.NorwegianpetroleumSociety,1989.3～11

9　邵磊.沉积盆地沉降分析.见:肖庆辉主编.地球科学进展.北京:地质出版社,1993.75～7910　匡立春,王东坡.克拉通盆地的综合研究:成因与方法.世界地质,1995,14(4):27～35

11　Loup,Wildi.SubsidenceanalysisinthePairsBasin:akeytoNorthwestEuropeanintracontinentalbasin?BasinRes.,1994,6:159～173

12　ZijerveldL,StephensonR,CloetinghS,etal.SubsidenceanalysisandmodellingoftheoryVallyGraben(SENetherlands).Tectphyisics,1992,208:159～171

13　NicholasPinter,MadeleineMFulord.LateCretaceousbasementfounderingoftheRosarioembaym-net,PeninsularRangesforearcbasin:backstrippingoftheEiGalloFormattion,BajaCaliforniaNorte,Mexico.BasinResearch,1991,(3):215～222

14　KerryGallagher,KartLambeck.Subsidence,sedimentationandSea-levelchangesintheEromangaBasin,Australia.BasinResearch,1989,(2):115～131

15　DoglioniC,GoldhammerRK.Compaction-inducedsubsidenceinthemarginofacarbonateplat-form.BasinResearch,1988,(1):237～24616　AidanMJoy.Commentsonthepatternofpost-riftsubsidenceintheCentralandNorthernNorthSeaBasin.TectonicandSeismicSequenceStratigraphy,1993,71:123～140

17　JullanAThorne,AnthonyBWatts.QuantitativeanalysisofNorthSeasubsidence.AAPG.,1989,73

(1):88～116

18　CloetinghS,KooiH.Intraplatestressesanddynamicalaspectsofriftedbasins.In:ZieglerPa,ed.Geo-dynamicsofrifting,Volume3,ThematicDiscussions.Tectonophsics,1992,215:167～185

19　KerryAHegarty,JefferyKWeissel,JohnCMutter.SubsidencehistoryofAustraliasouthernmar-gin:constraintsonbasinmodels.AAPG,1988,72(5):615～633

20　StevenJHellnger.Mid-Jurassicthroughmid-CretaceousextensioninthecentralgrabenoftheNorth

Sea-part1:estimatesfromsubsidence.BasinResearch,1989,(1):191～20021　GerardCBond,MichelleAKominz.ConstructionoftectonicsubsidencecurvesfortheearlyPaleozoicmiogeocline,southernCanadianRockyMountains:implicationsforsubsidencemechanisms,ageofbreakup,andcrustalthinning.GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1984,95(1):155～17322　陈生.形成期沉积盆地运动学定量分析的方法探讨.中国地质科学院院报,1990,(20):173～176

ApplicationandPresentSituation

ofSubsidenceBackwards

DuXudong　　QiJiafu　　LuChunsheng

(PetrolumofUniversity,Beijing102200)

Abstract　ThesubsidencebackwardshasbeenappliedandmadegreatprogressinBasinAnalysisforseveraldecades.Thispaperconsidersthatsubsidencebackwardscon-nectsstructuralgeologywithsedimentaryinBasinAnalysis,andsummeriesitsapplicationandcontributioningeology,showsquestionsofcalculatingsubsidenceamountandexplo-catingsubsidencecurvesonthebasisofpreviousdata.Italsoprospectsthedirectionde-velopmentofsubsidencebackwardsinthefuture.

Keywords　subsidencebackwards,subsidencecurvers,explanation,presentsitua-tionandapplication

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