1-计算机在地质学中的应用现状和发展趋势

前陆盆地的运 动学模型
冲断与地壳挠曲相应形成的前陆盆地
拆离面可以位于地壳内部（A、B、C）也可以处于壳 幔边界（A，B，C，），前陆盆地的确切位置（尤其是 小前陆盆地）小前陆盆地受控于拆离面的位置和冲 断片的厚度
断裂派生的褶皱模型 （Fault-Propagation Fold Model） FaultModel） 模型1a:基底断裂的、沉积盖层成对 的和均匀的模型。 模型1b:基底断块的，沉积盖层不成 对的和褶皱的模型。
逆冲距离＝5
地
幔
Te=5Km
多条逆冲断裂及其相关的挤压盆地形成的模拟结果
•岩石圈的有效弹性厚度(Te)是影响挤压盆地形成的 岩石圈的有效弹性厚度(Te)是影响挤压盆地形成的 岩石圈的有效弹性厚度(Te) 重要因素之一。 重要因素之一。有效弹性厚度受岩石圈温度场的控 在高地热梯度的地区， 制，在高地热梯度的地区，岩石圈的有效弹性厚度 在低地热梯度的地区岩石圈的有效弹性厚度大。 小，在低地热梯度的地区岩石圈的有效弹性厚度大。 •在其它条件相同的情况下（逆冲距离、地壳厚度、 在其它条件相同的情况下（逆冲距离、地壳厚度、 在其它条件相同的情况下 断裂位置和拆离带深度）， ），岩石圈的有效弹性厚度 断裂位置和拆离带深度），岩石圈的有效弹性厚度 不同，对盆地形态、盆地沉积幅度、 不同，对盆地形态、盆地沉积幅度、深部构造和盆 地两侧地形均有很大影响。 地两侧地形均有很大影响。在Te=2km 时，逆冲带强 烈下沉，沉降范围大，盆地规模小。 Te=10公里时 公里时， 烈下沉，沉降范围大，盆地规模小。当Te=10公里时， 在三个逆冲带之间形成了两个较大的盆地， 在三个逆冲带之间形成了两个较大的盆地，盆地的 沉降幅度较大。 沉降幅度较大。 •通过比较实际构造剖面和采用不同有效弹性厚度时 通过比较实际构造剖面和采用不同有效弹性厚度时 通过比较 的模拟结果， 的模拟结果，可以推测盆地形成时的岩石圈的有效 弹性厚度。 弹性厚度。
2
2
• 逆冲地壳变厚 • 纯剪 • 热扰动
d 2 d 2wx D 2 + ( ρ m − ρ air ) ⋅ g ⋅ wx = CTTx ⋅ ρ c ⋅ g 2 dx dx d 2 d 2wx D 2 + ( ρ m − ρ air ) ⋅ g ⋅ wx = CTTx ⋅ ( ρ m − ρ c ) ⋅ g 2 dx dx
– ER－被侵蚀的物质量 － – ρER－被侵蚀的物质的密度
对每种负荷的岩石圈的弯曲响应可由下 式得出： 式得出：
d Wx d D + ( ρ 2 − ρ1 ) ⋅ g ⋅ wx = Lx 2 2 dx dx 3 E ⋅ Te D= 2 12(1 −ν )
• • • • D－挠曲刚度 E－杨氏模量 Te－岩石圈的有效弹性厚度 Wx－岩石圈响应负荷的弯曲幅度
引起岩石圈挠曲的主要负荷
• 使岩石圈发生挠曲变形的负荷包括，一些负荷为正 使岩石圈发生挠曲变形的负荷包括， 负荷，另一些为负负荷， 负荷，另一些为负负荷，各种负荷的总和使岩石圈 发生挠曲变形： 发生挠曲变形： – 地壳上部缩短所引起的正负荷（LCTTx) 地壳上部缩短所引起的正负荷（
– LCTTx=CTTx· ρc ·g
沉积过程模拟
侵蚀作用－原始地形
侵蚀作用
－侵蚀作用模拟结果
侵蚀作用模拟结果
沉积作用模拟结果
三角洲沉积过程模拟结果
模拟的沉积岩相剖面图
通过模拟预测的沉积相平面图
伸展构造模拟
伸 展 盆 地 的 运 动 学 模 型
单断裂构造模型
单个断陷盆地的构造－ 单个断陷盆地的构造－沉积充填模拟
复杂断陷盆地的动态充填过程
(a) 、(b)、(c)、(d)和(e)分别代表模拟步数n=1、2、3、4和5时 的充填状态，从左向右各断裂的控制参数分别为: m1=11km,n1=0.2,a=0 m2=11km,n2=0.2,a=0 m3=11km,n3=0.1,a=0
伸 展 盆 地 动 力 学 模 型
大陆伸展盆地学形成的综合模型 岩石圈上部通过简单剪切减薄，岩石圈下部通过纯剪 变形减薄（据G.D.Karner等，1992，修改）
输入:
1、逆冲断裂的数量、位置、形状 、逆冲断裂的数量、位置、
2、每个逆冲断裂的缩短量 、 3、缩短以来所经历的时间 、 4、纯剪作用在地壳和岩石圈地幔中分布 、 5、岩石圈的有效弹性厚度（Te） 、岩石圈的有效弹性厚度（ ）
计算： 计算： 每个逆冲断裂带上的： 每个逆冲断裂带上的： • 岩石圈的变厚 • 地表抬升 • 温度场扰动 • 挠曲沉降 输出： 输出： 显示了基底变形几何形态和深部构造的2D地质剖面 显示了基底变形几何形态和深部构造的 地质剖面
数学模型
• 逆冲断裂的几何描述： 逆冲断裂的几何描述：
Dx=0; 如果 x小于等于 x0 Dx=(1-(exp(-x/Zd)); 如果 x大于x0 – x0－是断裂在地表出露的水平位置； – Dx－断裂在x处的深度； – Td－是逆冲断裂的拆离带深度
岩石圈变厚
• 由逆冲造成的地壳变厚为： 由逆冲造成的地壳变厚为：
挤压盆地地球动力学模拟实现的简化框图
简单的挤压盆地动力学模型(a)及模拟结果 简单的挤压盆地动力学模型 及模拟结果(b) 及模拟结果
挤压盆地的地球动力学模拟可以模拟由于地壳缩短所引起的地壳变 前陆及类前陆盆地的形成、岩石圈温度场扰动。 厚、前陆及类前陆盆地的形成、岩石圈温度场扰动。
Km
逆冲距离＝10 逆冲距离＝5 逆冲距离＝8 逆冲距离＝5 逆冲距离＝4
双成分岩石圈系统的YSE 双成分岩石圈系统的 假设地壳是由石英组成，地幔由橄榄石组成，应变速率为1015s-1 ，岩石圈的总伸展强度由脆性和蠕变域所围限的区域所 代表，当施加的力大于岩石圈的流崐变强度时岩石圈开始破 裂。
伸展作用与莫霍面、岩石圈／ 伸展作用与莫霍面、岩石圈／软流圈界面起伏的关系 模拟参数：E=15km,m=11,n=0.2,ａ=90,c=35km,a=125km； 岩石圈／软流圈界面比 莫霍面的抬升幅度大，所以岩石圈／软流圈界面比莫霍面能更敏感地反映盆地的 深部地质过程。
d 2 d 2wx D 2 + ( ρ m − ρ air ) ⋅ g ⋅ wx = ∫ a ⋅ ∆T ⋅ ρ ' ⋅ gdz dx 2 dx 0 d 2 d 2wx D 2 + ( ρ m − ρ air ) ⋅ g ⋅ wx = ERx ⋅ ρ ER ⋅ g 2 dx dx
a
• 盆地充填 • 侵蚀
– ρc－地壳密度
– 岩石圈深部塑性变形所形成的正负荷（ LCTPx〕 岩石圈深部塑性变形所形成的正负荷（
– LCTPx=CTPx ·(ρm－ρc) ·g
– ρm －地幔密度
引起岩石圈挠曲的主要负荷
• 由于岩石圈冷却引起的正负荷（LTHx,t) 由于岩石圈冷却引起的正负荷（
LTH x ,t = ∫ a ⋅ ∆T ⋅ ρ '⋅ gdz
前陆盆地
• 前陆盆地是岩石圈受外力发生挠曲所形成的盆地实例。 前陆盆地是岩石圈受外力发生挠曲所形成的盆地实例。 它是与大陆碰撞造山带密切相连的高度不对称盆地， 它是与大陆碰撞造山带密切相连的高度不对称盆地， 平面上呈长条状或弧形。 平面上呈长条状或弧形。前陆盆地形成的地球动力学 模型可以简化为弱流体之上的弹性薄板块， 模型可以简化为弱流体之上的弹性薄板块，在受垂直 外力、水平外力以及扭动或弯曲力矩作用的挠曲变形。 外力、水平外力以及扭动或弯曲力矩作用的挠曲变形。 描述岩石圈挠曲变形主要有粘弹性和热弹性两种模型， 描述岩石圈挠曲变形主要有粘弹性和热弹性两种模型， 粘弹性流变学模型描述了岩石圈抗挠刚度随加载时间 的变化关系。 的变化关系。热弹性性模型可以解释挠曲与热史之间 的关系。 的关系。 • 目前对前陆盆地和类前陆盆地数值模拟研究主要集中 在岩石圈挠曲变形和以挤压构造为特征的前陆盆地构 造研究上。对前陆盆地构造的模拟方法主要为平衡剖 造研究上。 面法和有限元法。 面法和有限元法。
伸展或裂谷盆地
– 伸展盆地是目前研究最深入的盆地类型，已建立了 伸展盆地是目前研究最深入的盆地类型， 许多模型。 许多模型。伸展盆地构造的运动学模型是建立在层 面积或体积守恒原理的基础上的。 长、面积或体积守恒原理的基础上的。利用该模型 可以模拟盆地的几何形态、沉降/上升速率 沉积/ 上升速率、 可以模拟盆地的几何形态、沉降 上升速率、沉积 侵蚀作用、沉积样式等。 侵蚀作用、沉积样式等。 – 针种各种类型的伸展盆地已经建立了相应的动力学 模型，如纯剪模型、简单剪切模型、悬臂梁模型等。 模型，如纯剪模型、简单剪切模型、悬臂梁模型等。 根据盆地动力学模型可以模拟盆地的热演化、 根据盆地动力学模型可以模拟盆地的热演化、软流 岩石圈的相互作用、 圈/岩石圈的相互作用、岩浆作用和火山活动等。 岩石圈的相互作用 岩浆作用和火山活动等。 在伸展盆地的动力学模拟中引入了流变剖面的概念， 在伸展盆地的动力学模拟中引入了流变剖面的概念， 加入了岩石圈力学性质的变化对盆地动力学模拟的 约束条件。 约束条件。
挤压盆地的地 球动力学模拟
原理和模型
• • 在区域挤压作用下，岩石圈发生缩短、地壳变厚，热扰动和均衡作用。 温度场扰动(temprature perturtions)， 温度场扰动(temprature perturtions)， 当热物质被推挤到更深的地方， 岩石圈趋向于变冷，这种冷却作用驱动了小规模的基底下沉。在缩短作 用发生之后，温度场被加热回到未扰动之前的状态，产生的地表的逐步 抬升。 • 挠曲均衡（flexural isostatic）,在岩石圈挤压缩短时，各种负荷所引 挠曲均衡（ isostatic） 起的岩石圈弯曲。 • Vankn et al.(1984) Glazner and Bartley(1985)的岩石圈流变学研究 表明，遭受大规模缩短的地区将优先发生裂陷（rift）。该模型可以用 于估算在岩石圈遭在受挤压变形和挤压变形之后岩石圈的强弱。挤压构 造作用对岩石圈的强度产生两种相反的影响。地壳变厚，相对于以橄榄 石为主成分（地幔），提高了以石英为主的弱成分的比例，导致地壳变 弱。第二，推覆作用降低了地热梯度，导致岩石圈变强。但是，由于冷 却作用导致的岩石圈的强度的增加是暂时的。
– 运动学模型 – 动力学模型
• 克拉通盆地
– 动力学模型
• 盆地沉积充填模型
盆地分析方面的应用
对盆地形态预测。 对盆地形态预测。 提供构造演化方面的信息。 提供构造演化方面的信息。 提供盆地深部构造方面的信息， 提供盆地深部构造方面的信息，如岩石 地幔之间的关系， 圈/地幔之间的关系，深部构造与盆地构 地幔之间的关系 造之间的关系，辅助地球物理综合解释。 造之间的关系，辅助地球物理综合解释。
挤压构造模拟
挤压构造分析
• 挤压构造变形主要表现为基底卷入的构造，这种构造变形的特征是，在 基底中的构造为断裂构造（脆性变形），而在盖层中主要表现为褶皱构 造（塑性变形）。 • 问题：在挤压型盆地中，基底卷入的构造是主要的构造类型，已有 问题 井的资料和地震资料很难控制挤压变形带的实际变形情况，特别是对于 深部变形带情况格式如此。解决该问题的方法是利用已有的钻井和地震 资料恢复或重建挤压变形带的构造变形的几何形态。 • 目标： 目标 在已知地层分层和地层产状确定信息的控制下，恢复或推测挤压 构造变形带的地层变形情况。 利用平衡剖面技术，恢复挤压构造变形（叠瓦扇逆冲系、双重构 造逆冲断层系）。 再现挤压构造演化过程。
– CTTx=Dx－Dx-s;
– s－水平缩短量
• 由深部塑性变形所造成的地壳变厚为： 由深部塑性变形所造成的地壳变厚为：
– CTPx=(C0－Zd)(1－1/βχ)
– C0－初始地壳厚度
– βχ＝[c·sin(π · x/W)]+1;
• 地壳总增厚量为：Fra Baidu bibliotek地壳总增厚量为：
– CTx=CTTx+CTPx
0 a
– a－热膨胀系数 – △T－温度扰动 – ρ’－是取决于温度的热扰动
• 由于盆地充填引起的正负荷（LIx,t) 由于盆地充填引起的正负荷（ LI x ,t = I x ⋅ ρi ⋅ g
– – Ix－盆地的深度 ρi－充填物的密度
引起岩石圈挠曲的主要负荷
• 由于地表侵蚀所引起的负负荷
LERx = ERx ⋅ ρ ER ⋅ g
克拉通盆地
• 典型的克拉通盆是指形成于稳定陆块之 上的盆地、盆地形态为园形－椭圆形， 伴随少量断裂作用或没有断裂活动。克 拉通盆地可以是多旋回的，虽然典型的 克拉通盆地特征简单，但其成因可能是 复杂的和多种多样的。
采用的模型
• 伸展或裂谷盆地
– 运动学模型 – 动力学模型
• 前陆盆地或类前陆盆地
模型2a 模型2a 基底断裂和内部变形模型
输入和输出数据
• 输入参数： 输入参数：
过剖面控制井的分层数据； 由地震剖面获得的分层控制参数
• 输出结果： 输出结果：
根据挤压构造模型恢复的构造剖面，以剖面图 的形式给出。 给出目前所见构造剖面的构造演化序列图。 提供构造变形的有关参数（地层的应变）。
通过挤压构造模拟可以预测井未控制区的挤压构造细节