古地貌恢复方法介绍

古地貌恢复方法介绍古地貌恢复是盆地分析的一项重要内容。

一般认为，古地貌是构造变形、沉积充填、差异压实、风化剥蚀等综合作用的结果，特别是构造运动，往往导致盆地面貌的整体变化，是其中最大的影响因素。

前人对古地貌恢复进行了较为深入的研究，无论是思路上还是方法上，都有过大胆的尝试，业已形成了丰富的方法和理论，一般主张从构造恢复和地层厚度恢复两个方面着手。

目前已有很多专业的软件投入使用，这给古地貌恢复带来了很大的便利。

但是由于地质条件尤其是构造条件的复杂性和多变性，古地貌恢复仍有很长的路要走。

§2.1 构造恢复2.1.1 构造恢复现状在盆地的演化过程中，正是由于基底沉降才使盆地得以形成和发展。

自Sleep 研究得出大西洋被动大陆边缘的基底沉降随时间的变化符合指数函数规律后，基底沉降分析已成为大陆边缘和板内张性盆地成因研究的重要途径。

实际上，基底沉降由构造沉降和负载沉降两部分构成。

构造沉降由地球动力作用引起，负载沉降则是指当构造沉降发生之后形成的盆地空间被沉积物充填时，沉积物本身的重量又使基底进一步下沉而形成被动增加的沉降。

因此，从基底沉降中剔除负载沉降即为构造沉降。

据现有研究成果，引起沉积盆地沉降的主要机制有均衡(Airy，1855)、挠曲[5]和热沉降[6],[7],[8]三种。

其中均衡模式基于阿基米德(Archimedes)原理，认为岩石田没有任何弹性，各个沉积柱间相互独立运动，故又称为点补偿模式或局部均衡模式。

挠曲模式也基于阿基米德原理，但把基底对负载的响应看成材科力学中受力弯曲的弹性板，认为其均衡补偿不仅发生在负荷点，而且分布在一个比较宽的范围之内，又称为区域均衡模式。

热沉降模式认为热效应导致岩石圈发生沉降，因为岩石圈增温快(如岩浆侵入)，冷却则慢得多，而冷却岩石的密度和浮力比炽热岩石的低。

一般地，由热机制导出的沉降分初期快速沉降(由于岩石圈变薄)和后期快速沉降(由于岩石圈冷却收缩)2个阶段，McKenzie（1978）称早期为初始沉降，晚期为构造沉降。

三种沉降模式各有优劣，应根据研究区的具体地质情况予以选用。

一般认为，均衡模式适用于被大量高角度断层分割并且各断层块体间负载互不传递的地区(如我国东部的断陷盆地)，且这种条件多出现于断陷盆地发展的初级阶段。

挠曲模式适用于构造简单的大型盆地（如鄂尔多斯盆地）。

热沉降模式则多适用于岩石圈受热与冷却阶段性明显的拉张型盆地。

由于挠曲模式和热沉降模式涉及参数较多，问题复杂，且参数(尤其是一些地球物理参数)取值难度大并常随温度和时间变化，因此除特殊的理论研究外，多数都采用简便的均衡模式，这必然会导致一定的误差，但一般误差不大。

以拉张型盆地和被动大陆边缘盆地为例，其后期的张裂后阶段或坳陷阶段由于断裂活动停止，更符合挠曲模式，如采用均衡模式计算则会产生一定的误差，不过这种误差对构造沉降量的影响一股只有10％一20％，不会使整个沉降曲线的形状发生明显改变，而且误差通常是从盆地边缘向中心逐渐减少的[9]。

正是鉴于这种思路，早在2O世纪4O年代～5O年代，前苏联石油地质学家奈曼、马什科维奇等人发展了“宝塔图”古构造分析方法，并以此方法对高加索、西西伯利亚等单旋回地台盆地进行了系统的古构造分析，取得了一定的成功。

1969年Da-halstrom等提出了平衡剖面的概念；Roeder和Witherspoon(1978)利用平衡剖面技术重塑了田纳西州东部的岩相古地理，并探讨了利用复原的剖面研究褶皱和逆掩构造区生、储、盖组合原始分布空间的可行性；而Suppe J(1983)，Shaw J 和Suppe J(1994)，Rowan(2000)等进一步发展了平衡剖面古构造恢复的思想，不仅定量研究了古构造的变形过程，还探讨了古构造圈闭演化过程中局部变形带的空间分布特点。

Gibbs(1983)首次系统地将源于压缩构造区重建的平衡剖面技术用于拉张构造区的古构造重建，自此张性盆地古构造重建日益深入，主要表现在重建的变形机制(模式)不断增多。

最早采用的变形机制是Verall(1981)的垂直简单剪切，即“恒水平位移”模式，又称CheVron模式，Davison(1986)提出应用“岩层长度不变”模式，White et al(1986)提出具更广泛意义的倾斜剪切模式，William和Vann(1987)提出“恒位移”模式和“滑移线”模式，wheeler(1987)对“恒位移”模式和“滑移线”模式提出质疑，指出它们与其前提条件—“平面应变”有矛盾，遗憾的是此两模式至今仍有广泛的影响(陈伟等，1993)，现只是略作变通(William，1991)，但并未从根本上解决这一矛盾[10]。

古构造恢复的最终目的有两个，其一是认识构造叠加变形的动态过程，其二是复原构造变形之前的古构造形态。

而从研究出发点的不同来讲，古构造恢复又可分为两大分支。

其一是大型古盆地的恢复研究，通过古盆地充填结构的再现、或者渐次回剥的方法探讨古盆地伸展、挤压收缩或者沉降迁移之前大致的盆地结构，并分析古盆地的构造类型。

这类古构造恢复研究的对象是宏观的，对局部构造起伏变化的精度要求不高。

另一类古构造恢复则主要强调针对圈闭或局部构造单元的变形史和变形基础进行恢复。

后者要求有较高的精度，然而沉积压实作用、断层活动和抬升剥蚀作用等都会对古构造恢复的精度产生影响。

首先，不同沉积结构、不同粒度的沉积物经埋藏压实后，体积的缩小率存在很大的差别，致使现今构造剖面中的地层厚度往往难以代表地层沉积期间的原始厚度。

由于沉积相变化是决定岩性分布的关键，因此，相分析对于古构造恢复有重要的指证作用。

沉积相的复原应该视为古构造恢复的基础。

其次，在沉积盆地发育的过程中，断层起着相当重要的作用。

断层不仅对盆地沉积作用具有决定性影响，而且对成岩作用也具有影响。

在连续沉积的盆地或凹陷区，伸展断层是盆地基底构造沉降变化的主控因素，由于其上下盘均未遭受剥蚀作用，因此断层上、下盘地层厚度变化可视为基底古构造恢复的直接证据之一；但是在盆地边缘或外围隆起区，断层周围可能处于一种非沉积状态，活动的伸展断层仅仅导致上、下盘地层剥蚀厚度量的变化，在此情况下，晚期断层极有可能被错视为同沉积断层，这将使地质学家对盆地构造性质、演化产生错误的理解。

同样的情况在挤压或走滑构造区也可能出现。

再次，抬升阶段剥蚀夷平作用的不彻底也会影响古构造恢复的精度。

“背斜谷”、“向斜山”等构造地貌的存在使残留厚度分析法、“宝塔图”古构造恢复方法等等的有效性受到一定的限制。

在20世纪80年代，曾经有许多石油地质学家利用泥岩压实规律和镜质体反射率随埋深的变化规律进行定量古剥蚀厚度的恢复。

这种统计方法需要大量的数据资料，而量化的准确性与资料丰度和研究区勘探成熟度有直接的关系。

因而在资料匮乏地区或者勘探新区的使用效果很差。

同时地层岩性的变化对于上述曲线的获得影响很大，在细碎屑岩发育的地区拟合曲线的精确度较高，而在以粗碎屑沉积为主的沉积区，则误差太大，往往不能满足量化的要求。

此外，由于盆地埋藏热演化、沉积层序的巨大差别，由一个地区资料所得出的压实曲线或者镜质体反射率曲线几乎难以推广到另一地区，这无疑更加限制了此类方法的应用范围。

恢复古剥蚀厚度是古构造恢复的核心问题，相对准确的、定量的和在剖面上之间(甚至一定的平面范围内)可对比的古剥蚀量恢复是多旋回盆地古构造研究定量化的关键。

2.1.2 构造恢复发展方向目前较多采用的构造恢复方法是一维的埋深恢复、二维的层拉平法以及平衡地质剖面法。

恢复古厚度的基本方法是回剥法，即剥去目的层以上地层使其拉平到地表并利用压实原理计算古厚度。

回剥法是利用压实曲线恢复古厚度的最精确方法。

一维的埋藏史恢复是在有钻井的地点，利用井资料恢复埋藏深度。

它只考虑沿深度方向的压实作用和剥蚀作用，不能反映断层、褶皱作用。

严格地讲，它称不上构造恢复。

所以现在普遍使用的一维拟三维(假三维)的构造恢复不能正确反映构造演化。

而层拉平法虽考虑了地层的横向变化，但其并不符合地质演化机理，在有大的断层、褶皱的条件下，会造成地层厚度及界面形态的错误计算。

所以该方法仅用于构造较平静的地区，用以大致评价构造演化。

它的优点是实现简单、计算快。

就恢复变形时序而言，较早期是按反演的方法，近年来出现正演(Waltbam，1989，1990)。

因依复工作量巨大，均需借助计算机完成，因此，出现了各种平衡剖面技术的计算机软件。

迄今，无论是应用何种变形机制进行正演或反演古构造，均基于同一前提条件，即平面应变或考虑压实影响的二维应变，换言之，盆地内各点变形过程中均沿同一个水平方向(即拉伸方向)运动，沿单轴水平拉伸。

这一条件过于理想，只有在盆地内发育一组走向平行的断裂时才能真正满足。

事实上，绝大多数张性盆地内的正断层分布是多组的，甚至交织成为网络，著名的构造力学家Mandl(1988)将之归因为多轴水平拉张(Multi-axial horizontal extension)。

宏观上若把正断层面看作边缘介质中的一个面，正断层错动方向是剪应力方向(Etchecopar et a1，198l,Ange1ier，1991)，即使在均匀应力作用下，由于剪切面(断层面)空间上产状不同，其剪应力方向与水平投影方向将是极不相同的，拉伸变形应是多轴。

因此绝大多致盆地拉伸变形不是单轴水平拉伸的剖面上的二维变形，而是多轴水平拉伸的三维变形，如果按单独水平拉伸前提条件去重建多轴水平拉伸盆地古构造，其结果与实际情形有较大的偏离，甚至相去甚远。

构造变形是质点运动的结果，恢复古构造乃恢复质点运动轨迹，二维古构造恢复中将质点运动限制在剖面内，三维古构造恢复则要考虑质点空间运动轨迹，因为质点运动的空间矢量可以分解成两个平面(如剖面)内矢量。

因此，要恢复三维古构造我们先在合适的剖面内恢复二维古构造，再将不同方向剖面二维古构造进行迭加，这便是三维古构造恢复的基本思想。

绝大多数拉伸盆地有多组正断裂发育，构造变形一般属于多轴水平拉伸的三维变形。

用现行的平衡剖面技术恢复古构造是不切实际的。

三维拉伸变形的盆地古构造恢复可以视为不同方向二维变形某种迭加。

二维变形方向视断裂分布情况而定。

最近，国外已出现“三维古构造重建”的术语，并在国内用相应的软件进行了“三维”古构造恢复的演示(CSD，1994)，但是该三维古构造恢复是先在一系列平行于盆地的“统一拉伸方向”的剖面上，用平面应变原则进行二维恢复，然后再用“平剖图作三维古构造显示，其本质是二维恢复。

简言之，是“二维的恢复，三维的显示”[11]。

总之，自Mandl(1988)指出多数盆地用于多轴水平拉伸三维变形以来，除人们刚开始实验研究三维铲形断层上盘变形特征(Braun et a1，1994)，国内外尚未报导多轴水平拉伸盆地的三维古构造重建。