卓魚周

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

平衡剖面技術(shù)是現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)研究的一項(xiàng)重大進(jìn)展。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造演化僅限于定性分析，缺少定量分析的方法。平衡剖面技術(shù)填補(bǔ)了這一空白，它可對(duì)地質(zhì)構(gòu)造演化進(jìn)行定量、半定量的分析解釋[1]。它是研究構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要工具。它提供了地表以下巖層的幾何學(xué)模型、特定區(qū)域造山帶的縮短量。這可以建立大尺度的地質(zhì)模型，例如地球動(dòng)力學(xué)模型或古地形圖。

簡(jiǎn)要介紹了平衡剖面技術(shù)研究的現(xiàn)狀，并從平衡剖面在鹽構(gòu)造中的應(yīng)用、平衡剖面在海底斜坡構(gòu)造恢復(fù)中的應(yīng)用、平衡剖面在擠壓區(qū)的應(yīng)用等方面介紹平衡剖面研究的最新進(jìn)展。從平衡觀點(diǎn)與地震觀點(diǎn)的不統(tǒng)一、平衡剖面的精度問題等方面論述了平衡剖面研究的不足。最后從三維剖面平衡問題、復(fù)雜地質(zhì)模式問題、地質(zhì)資料質(zhì)量問題等方面探討了平衡剖面應(yīng)用中的一些問題。總之，平衡剖面技術(shù)在基礎(chǔ)地質(zhì)中的應(yīng)用將會(huì)隨著新技術(shù)的開發(fā)而日臻完善。

1 平衡剖面技術(shù)研究現(xiàn)狀

Chamberlin(1910)首次從地表觀察中預(yù)測(cè)基底拆離的形成過程及位置。他預(yù)測(cè)了位于賓夕法尼亞州中央阿巴拉契亞河谷及山脊褶皺沖斷帶之下的拆離深度，發(fā)現(xiàn)這里的拆離深度可能更大，并且?guī)缀涡螒B(tài)與當(dāng)前的解釋有所不同。雖然他運(yùn)用的不是定量的地質(zhì)模型，但他的貢獻(xiàn)在于仔細(xì)的測(cè)量了褶皺帶的長(zhǎng)度，這可以比較精確的預(yù)言淺層拆離的深度及幾何特征[2－3]。Kley and Monaldi(1998)運(yùn)用地表的縮短量估計(jì)了安第斯山地殼的加厚不僅僅是因?yàn)榈貧たs短引起的，還與底侵作用及地殼的物質(zhì)流動(dòng)有關(guān)[4]。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始才有人將平衡剖面技術(shù)應(yīng)用于含油氣盆地研究當(dāng)中。2000年以后平衡剖面技術(shù)已應(yīng)用于油氣勘探、盆地分析、構(gòu)造演化模擬、地震解釋等領(lǐng)域，并逐漸應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)造解釋當(dāng)中。

平衡剖面的基本原理為物質(zhì)守恒原理，即巖層在構(gòu)造變動(dòng)前后其體積保持不變。平衡分為線性平衡和區(qū)域平衡[5]。線性平衡是區(qū)域平衡的一部分。相對(duì)于區(qū)域平衡而言，線性平衡建立在有限的縮短量上，因此地層的縮短量在變形的地層和未變形的地層不同。區(qū)域平衡僅僅是建立在剖面是現(xiàn)代的，且變形的推覆帶和未變形的地層剖面相當(dāng)這一基礎(chǔ)上。這是相比于線性平衡更廣義的概念。因?yàn)閰^(qū)域平衡提供了一個(gè)計(jì)算縮短量的方法，這一方法不需要地表以下幾何學(xué)上的解釋，該方法不提供幾何學(xué)上的線性平衡[6]。然而，這一獨(dú)立性是區(qū)域平衡的最大長(zhǎng)處，該方法包括任何在二維動(dòng)力學(xué)模型上滿足所需區(qū)域及任何規(guī)模的變形。區(qū)域平衡的這一特殊性使它們能夠確定縮短量的不確定性。區(qū)域平衡包括所有可能的線性平衡。因此，剖面的平衡主要是確定水平縮短量，區(qū)域平衡提供了一個(gè)解決該問題的方案。

2 平衡剖面技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 平衡剖面在鹽構(gòu)造恢復(fù)中的應(yīng)用

平衡剖面的恢復(fù)通常方法為拉平層和區(qū)域的復(fù)原，但是對(duì)于鹽構(gòu)造來說一些限制條件往往是無用的，因?yàn)辂}構(gòu)造為三維流動(dòng)，并有可能溶解。因此恢復(fù)鹽構(gòu)造變形時(shí)常常難度很大且具有不確定性。在鹽構(gòu)造縮短量計(jì)算的時(shí)候底辟作用常常被隱藏，超負(fù)載的地層也可以擠入鹽構(gòu)造，但外來的鹽構(gòu)造可以記錄原來的鹽構(gòu)造。所以在恢復(fù)鹽構(gòu)造時(shí)應(yīng)建立在小規(guī)模的基礎(chǔ)之上，連續(xù)恢復(fù)，并且要充分分析該地區(qū)的三維資料[7]。

余一欣(2008)等針對(duì)塔里木盆地庫車坳陷鹽層展布特征和鹽構(gòu)造的發(fā)育狀況，結(jié)合前人的研究成果，提出了一種編制鹽構(gòu)造平衡剖面的方法[8]。其基本原理就是先預(yù)測(cè)鹽層初始沉積特征和鹽構(gòu)造強(qiáng)烈變形期次等地質(zhì)條件，然后用這些地質(zhì)條件對(duì)隨后的復(fù)原過程進(jìn)行約束。

2.2 平衡剖面在海底斜坡構(gòu)造恢復(fù)中的應(yīng)用

斜坡(slope)平衡剖面廣泛應(yīng)用于解釋海底斜坡和濁流系統(tǒng)的侵蝕和沉積過程。非平衡的剖面通常為活躍的變形區(qū)域，該區(qū)域常常被海底構(gòu)造改造而使水道改道。Aggeliki Georgiopoulou(2013)等在研究尼泊爾三角洲地區(qū)水道改造是否適用于平衡剖面理論時(shí)發(fā)現(xiàn)，在濁流系統(tǒng)中，當(dāng)水流流過海底斜坡沒有侵蝕或沉積發(fā)生而直接流向基準(zhǔn)面時(shí)水道的改造可用平衡剖面理論來解釋[9]。

2.3 平衡剖面在擠壓區(qū)的應(yīng)用

許多擠壓系統(tǒng)，包括Moine擠壓帶，通常被簡(jiǎn)單的解釋為碟瓦狀構(gòu)造，向深部延伸為拆離構(gòu)造。Hannah Watkins等人用野外觀測(cè)和填圖資料來構(gòu)建橫剖面來檢驗(yàn)這一解釋。起初的橫剖面通過假設(shè)一個(gè)低角度的拆離來構(gòu)建，線性長(zhǎng)度的不平衡，變形引起的擠壓不匹配表明該剖面模型是無效的。他們認(rèn)為存在于巖層單元之間水平長(zhǎng)度的不同表明存在二次拆離，這被納入剖面的變形，從而產(chǎn)生有效的構(gòu)造模型。二次拆離的存在表明了復(fù)雜的幾何露頭的存在，這表明Achnashellach Culmination是由兩個(gè)連續(xù)的拆離界面所形成的。這一新的構(gòu)造模型被用于剖面的重建、剖面的平衡，便于野外觀測(cè)，從而確保了模型在三維空間上的有效性[10]。

3 平衡剖面技術(shù)研究的不足

3.1 地震觀點(diǎn)與平衡觀點(diǎn)不統(tǒng)一

即使是一條質(zhì)量較好的地震剖面，也必須由地質(zhì)學(xué)家和勘探地球物理學(xué)家共同來解釋。但是他們一般都會(huì)考慮該剖面是否為一條平衡的地質(zhì)剖面。只有合理的解釋了已觀測(cè)到的地質(zhì)資料才能科學(xué)地推斷未知的構(gòu)造要素和進(jìn)行古構(gòu)造復(fù)原[11]。構(gòu)造解釋上的不確定性主要分為四類:概念上的不確定性，數(shù)據(jù)的不確定性，推理的不確定性，野外觀測(cè)的不確定性。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)屬于強(qiáng)烈擠壓變形的地區(qū)，無論地震測(cè)線與構(gòu)造走向是垂直、還是斜交，由于地層存在著物質(zhì)流動(dòng)，所以不能采用平衡剖面技術(shù)進(jìn)行解釋。從平衡剖面原理出發(fā)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)綜合性研究。所以在研究手段上，應(yīng)將區(qū)域地質(zhì)資料與地震勘探資料相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬。在研究區(qū)域上，應(yīng)采用地震、鉆探、測(cè)井與地表露頭等資料，進(jìn)行多種資料的綜合分析，使之相互檢驗(yàn)[12]。

綜上所述，地震觀點(diǎn)與平衡觀點(diǎn)為相互依存，相互檢驗(yàn)的關(guān)系。在地震資料解釋過程中，離不開地質(zhì)學(xué)基本原理，只有具備了符合客觀實(shí)際的地質(zhì)觀點(diǎn)才能搞好地震解釋工作。同樣，平衡剖面的解釋也離不開地震資料解釋基本原理和方法，只有搞清了各種地質(zhì)現(xiàn)象在地震剖面上的反射特征和偏移畸變現(xiàn)象，才能搞好平衡剖面的解釋[13]?？傊?，當(dāng)一條地震剖面的解釋成果，既符合地震資料解釋原理，又滿足平衡理論的要求，就達(dá)到了比較好的結(jié)果。

3.2 桌子山地區(qū)剖面縮短量的精度問題及改進(jìn)方法

鄧軍(2005)等運(yùn)用平衡地質(zhì)剖面方法，求得桌子山地區(qū)剖面的縮短量為7 km。但是在運(yùn)用平衡地質(zhì)剖面法時(shí)，他提出了很多的假設(shè)，同時(shí)由于受剖面的精度限制，所得出的結(jié)果存在著較大的誤差[14]。楊圣彬(2006)等用分形幾何學(xué)方法[15]，在考慮了幾何體的復(fù)雜性和細(xì)節(jié)，小褶皺和斷層引起的縮短量等問題的情況下測(cè)得該區(qū)的縮短量為8 km，兩者誤差為1 km。因后者考慮了桌子山地區(qū)地形的復(fù)雜性及小褶皺和斷層的存在，因此，該方法比平衡剖面計(jì)算的結(jié)果更接近事實(shí)。兩者的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法求得的桌子山地區(qū)剖面的縮短量

4 討論

4.1 三維剖面平衡問題

任何地質(zhì)體都是以三維模式呈現(xiàn)出來的，而現(xiàn)有的平衡剖面模擬軟件及采用的實(shí)際資料(主要是二維地震剖面)都局限于二維空間之內(nèi)，因而無法判別最終的結(jié)果是否真的平衡。隨著三維地震勘探的展開，開發(fā)適用于三維勘探的三維平衡剖面軟件將成為未來工作的重要內(nèi)容。

4.2 復(fù)雜地質(zhì)模式問題

斜向滑動(dòng)和鹽丘構(gòu)造、反轉(zhuǎn)構(gòu)造、多期構(gòu)造演化過程等復(fù)雜構(gòu)造，由于地層流動(dòng)性強(qiáng)、構(gòu)造復(fù)雜、且存在多期構(gòu)造變動(dòng)，因此很難用平衡剖面技術(shù)對(duì)其地層進(jìn)行復(fù)原。目前大多數(shù)軟件對(duì)于塑性流動(dòng)的鹽丘構(gòu)造無法直接恢復(fù)平衡。Mark G(2012)等近年來運(yùn)用連續(xù)恢復(fù)的方法在鹽丘構(gòu)造恢復(fù)中得到了比較可信的結(jié)果[7]。

4.3 地質(zhì)資料質(zhì)量問題

平衡剖面的精確制作需要詳實(shí)的露頭及鉆井資料，其中三維地震剖面是實(shí)現(xiàn)剖面平衡的最好素材。但是由于地震資料處理中自身存在的一些問題，如對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造區(qū)(逆沖、構(gòu)造反轉(zhuǎn)、鹽下構(gòu)造)時(shí)間偏移、疊后偏移在理論上都不能正確成像。所以在制作平衡剖面時(shí)應(yīng)盡可能多的搜集野外露頭資料及可靠的室內(nèi)資料。

5 結(jié)語

從Chamberlin(1910)首次將平衡剖面技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)當(dāng)中已有百余年的歷史，這其中已取得了一系列重要的研究成果，且其應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大。如已經(jīng)從起初的單一的恢復(fù)地層縮短量的研究擴(kuò)展到拆離構(gòu)造、鹽丘構(gòu)造恢復(fù)、海底斜坡構(gòu)造恢復(fù)、強(qiáng)烈擠壓區(qū)構(gòu)造恢復(fù)等方面。但隨著研究的不斷深入，暴露的問題也日益增多，如地震觀點(diǎn)與平衡觀點(diǎn)的統(tǒng)一性問題、平衡剖面的精度問題、三維平衡剖面問題等。相信隨著平衡剖面技術(shù)的日益完善，其必將有更加廣闊的應(yīng)用前景。

[1]方石，孫求實(shí)，謝榮祥，等.平衡剖面技術(shù)原理及其研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào).2012，30(08):73－79.

[2]Chamberlin，R.T.The Appalachian folds of central Pennsylvania[J].The Journal of Geology，1910，18，228 －251.

[3]David V.Wiltschko，Richard H.Groshong Jr.The Chamberlin 1910 balanced section:Context， contribution，and critical reassessment[J].Journal of Structural Geology41(2012)7－23.

[4]Kley，J，Monaldi，C.R.Tectonic shortening and crustal thickness in the Central Andes;how good is the correlation?[J].Geology.1998，26，723－726.

[5]Phoebe A.Judge，Richard W.Allmendinger.Assessing uncertainties in balanced cross Sections[J]..Journal of Structural Geology，2011，33，458 －467.

[6]Mitra，S，Namson，J.Equal－ area balancing[J].American Journal of Science，1989，289，563 －599.

[7]Mark G.Rowan，Robert A.Ratliff.Cross－section restoration of salt－ related deformation:Best practices and potential pitfalls[J].Journal of Structural Geology，2012，41，24 － 37.

[8]余一欣，湯良杰，殷進(jìn)垠，等.應(yīng)用平衡剖面技術(shù)分析庫車坳陷鹽構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[J].石油學(xué)報(bào).2008，29(3):378－382.

[9]Aggeliki Georgiopoulou，Joseph A.Cartwright.A critical test of the concept of submarine equilibrium profile[J].Marine and Petroleum Geology，2013，41，35 －47.

[10]Hannah Watkins，Clare E.Bond，Robert W.H.Butler.Identifying multiple detachment horizons and an evolving thrust history through cross－section restoration and appraisal in the Moine Thrust Belt，NW Scotland[J].Journal of Structural Geology，2014，66，1－10.

[11]漆家福，楊橋，王子煌，等.關(guān)于編制盆地構(gòu)造演化剖面的幾個(gè)問題的討論[J].地質(zhì)論評(píng).2001，47(4):388－392.

[12]張向鵬，楊曉薇.平衡剖面技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].煤田地質(zhì)與勘探.2007，35(2):78 －80.

[13]梁順軍.平衡觀點(diǎn)與地震觀點(diǎn)的解釋效果分析與評(píng)價(jià)[J].石油物探.2002，41(3):377、384.

[14]鄧軍，王慶飛，高幫飛.鄂爾多斯盆地演化與多種能源礦產(chǎn)分布[J]. 現(xiàn)代地質(zhì).2005，19(4):538 －545.

[15]楊圣彬，侯貴廷，郭慶銀，等.鄂爾多斯盆地西緣北段逆沖推覆帶縮短量分形研究[J].現(xiàn)代地質(zhì).2006，20(1):35－41.