第3章沉降史

对于图3-2（a）两个剖面，因处于均衡状态，故有：
I w C c M m H s C c (M DL ) m
由于 I=H-DL，代入（3-2）式，得： s w DL H m w 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（DB）等于负荷沉降量（DL）与 构造沉降量（DT）之和，并与地层总厚度相等，从而： DB DT DL H m s DT H m w 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。
m s w DT H S L (Wd S L ) m w m w
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， (psi:)体现了挠曲型基底相对点补偿型的校正系数。
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）。 (a)变形前，存在一条潜在 的铲状正断层；(b)上盘被 拉开，上盘内的点(即A点) 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)。 (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 物质变形充填空隙时的位 移矢量可能是垂直的、不 垂直的或其它不确定情形， 因此导致上盘产生不同的 变形。
地质历史时期的盆地通常是有一定古水深（Wd）的。 这时，盆地的总沉降量幅度（DB）应为沉积厚度H和此时的 水深Wd之和：
D B H Wd
而根据层序地层学的研究，古、今海平面的变化是较大的， 全球性的旋回性沉积作用，基本或完全受到海平面升降变 化的控制。下图显示侏罗纪以来古海平面相对现今海平面 的升降变化。
（一）、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，建立铲状正断层与 地层变形的几何模型时，假定变形过程满足 以下四个条件： ①构造变形只发生在上盘，下盘未发生变形； 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； ③上盘变形是由单一的变形机制所引起的； ④沉积物的压实作用已被校正。
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、世 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。 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，同时还控制着盆地内 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。
这一过程可分别用以下模型处理： ①水平断距不变模型；②斜向剪切模型；③位移距不变 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 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A2等于剖面右侧所增加的矩形面积Al，即：
A2 A1 e h
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), H——水平断距(m)。
(4)逐层复原演化史剖面。即首先将最顶层(第1 层)剥掉，将第2层的顶面按前述方法复原到未 变形状态，其下3、4等各层的顶层也作相应的 等量恢复，于是又可得到第2层沉积后的构造剖 面；再将第2层剥去，将第3层的顶面恢复到未 变形状态，其下各层作相应的等量恢复，于是 又可得第3层沉积后的构造剖面。依此类推，直 至得到初始状态的剖面，由此便得到剖面的构 造演化史。
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； (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； (3)变形前后的物质守恒； (4)断层位移距守恒。
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（二）平衡剖面在地质研究中的作用
(1) 快速地评价和检验地震解释剖面； (2) 确定盆地的构造演化史，动态地认识构造的形成过 程，准确地判断出圈闭的形成时间； (3) 更精确地圈定油气藏的几何形状、分布范围及其演 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。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。
二、平衡剖面技术 （一）、平衡剖面法的基本原理
平衡剖面，是指可以把剖面上的变形构造通过几何学 原则全部复原成合理的未变形状态。它是为了建立合理的 地质剖面而提出的一种几何学方法，其基本约束条件是： 变形前后物质的体积不变，在垂直构造走向的剖面上体现 为“面积不变”，如果变形前后岩层厚度保持不变时，则 可以转化为“层长不变”。
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 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 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。 盆地的下沉机制实际上是盆地的地球动力学成 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 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。
（四）、几个参数 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 数、沉积物密度s、古水深Wd和古海平面变化SL等。 1、校正系数 地质年代越老，弹性厚度越大，此时=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）， 断裂活动极弱，情况则类似于挠曲模式，可参照表3-1给出。 2、沉积物密度s 沉积物在成岩作用过程中，孔隙度随时、空变化，故 s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： [ i w (1 i ) r ] hi s i 1 H
应力、热力作用产生的构造沉降（DT）属于基本 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。下图是美国密执安盆地 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，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。
（一）、构造沉降和负荷沉降 负荷沉降说建立在艾利（Airy）的地壳均衡原理之 上，认为当盆地基底因某种动力作用产生沉降时，地壳表 面新增的空间将由水充填。由于沉积作用，这些水域将全 部或部分地由沉积物 所取代。从而因密度 的增加，地壳表面将 产生一定的负荷沉降 （DL），从而达到地 壳变形前、后的均衡。
Dw
w
m w
S L
由于 所以有
DB DT DL Dw H (Wd S L )
m s w DT H S L (Wd S L ) m w m w
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：
一般，以现今的海平面高 度为基准计算沉降幅度，而 古水深Wd是以当时的海平面 为准的，古、今海平面的关 系见右图。若用SL表示古 海平面相对现今海平面的升 降幅度，并取高水位为正， 低水位为负，则校正后的基 底沉降公式可写为： DB H (Wd S L ) 显然，高水位期多出的那部分水的负荷，也将增加基底的 负荷沉降（Dw），推导可得：
（三）、构造演化史恢复 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。 应用平衡剖面方法恢复构造演化史的步骤如下： (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)； (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，这时 上、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 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。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，可 以检验几何模型的适用性。