平衡剖面技術的發展與應用

0缺失定量分析方法構造過程的澄清對盆地性質的了解、擾動活動規律的確定和盆地油氣的轉移具有重要意義。長期以來,人們對于地層構造演化僅限于定性分析,缺少定量分析的方法。平衡剖面技術填補了這一空白,它可對地層構造演化進行定量、半定量分析解釋,經過平衡剖面滿足了大量合理的限制條件,更接近于實際變形過程和真實地況,被公認為地震剖面構造解釋的驗證標準之一和盆地構造分析的方法之一。1平衡剖面技術的應用平衡剖面理論是在石油勘探的實踐中逐漸形成的。從1910年Chamberlain首次利用平衡原理至今已經歷了百余年時間。此間,平衡剖面技術取得了長足的發展,獲得了許多重要結果。在理論方面,平衡剖面技術已從基本概念的研究發展到薄皮構造研究,并在構造演化和盆地模擬、伸展性區域的構造應力分析方等面有突出進展;實際地質工作中,平衡剖面技術在盆地模擬,構造解釋合理性判斷,以及壓性與伸展性區域的構造應力分析等方面都得到廣泛應用。以下是平衡剖面技術的發展過程。1.1上地殼面面積為恒,上地殼面為深度1910年,Chamberlain首次提出了平衡原理,他假定在系統構造變形時,上部地層剖面面積是恒定的。其后,1933年Rich在計算滑脫面深度時應用了平衡原理;1962年Gogul在計算造山帶的縮短量時同樣運用了該原理。1.2年之后的研究進展1969年,Dahlstrom在研究Appalachians構造區帶中詳細論述了平衡剖面概念,這是平衡剖面概念第一次被明確提出。其后,1979年Hossack將該方法應用于估算造山帶地殼的縮短量。從此,該方法被推廣地地震地質解釋。20世紀70年代末期,薄皮構造機制(thin-skinnedtectonics)的提出使平衡剖面技術得到了快速發展,其間產生了恢復法、面積平衡法、剩余面積法等。80年代初,Suppe等詳細論述了斷層轉折褶皺(fault-bendfolding)的演化和運動學過程,使得平衡剖面技術的優越性充分體現出來。1.3剖面和價值平衡剖面1983年,Hossack對平衡剖面的選取進行了約束。他根據構造剖面的可平衡性將剖面分為4類:不平衡剖面、不能復原剖面、可復原或可承認剖面和有價值平衡剖面。認為對于一條構造剖面,掌握充分的剖面資料極為重要。在了解地表和地下資料數據的同時,還要對剖面所處的位置、走向、標志層(不易塑性變形且厚度穩定的巖層)有充足的掌握,對構造運動方式和構造規律(諸如地殼縮短或伸展方式、方向及變形順序等)有充分的認識,在此基礎上運用平衡剖面技術才能得到更接近真實的、有價值的平衡剖面。1.4平衡剖面的研究進展20世紀80年代中期開始了用正演法制作平衡剖面研究,80年代末期得到用正演法制作的正確的平衡剖面。1983年,Verrall等提出平衡剖面技術反演法,并應用于推測地下斷層等構造的幾何形態,取得顯著應用價值。相比于正演法,反演法具有計算量小、約束條件易于掌控等優點,因而得到了廣泛認同,成為平衡剖面技術的一項重要的應用。1.5國內正演平衡剖面技術研究現狀20世紀80年代以前,中國的平衡剖面研究相對較少,直到20世紀90年代,劉學鋒等(1998年)、張功成等(1999年)、蘇惠等(2000年)、顏丹平等(2003年)才將平衡剖面技術大量應用于國內主要含油氣盆地的研究中。1994年,肖成安等從理論上研究正演平衡剖面技術;1995年,劉光炎等將正演平衡剖面技術應用在壓性區域以及在地震地質解釋上;2000年以后,國內對平衡剖面反演的應用有了長足的發展,梁慧社等(2002年)、楊濟廣等(2006年)、李樂等(2010年)、李偉等(2010年)將其應用于油氣勘探、盆地模擬、煤田勘探、地震解釋等領域。2平衡剖面技術的基本原理1983年,Elliott認為平衡剖面是通過幾何學原則,在垂直構造走向的剖面上將變形構造全部復原成合理的未變形狀態。1987年,Ramsay用圖1形象地解釋了平衡剖面的定義,圖中天平的左側為變形前巖層,右側為變形后巖層,平衡剖面就是要保持巖層變形前后質量的恒定。在地震解釋實踐中,平衡剖面技術作為一種重要的模型解釋工具,將定性分析轉化為定量計算,滿足大量合理的限制條件,因而更接近于客觀實際。平衡剖面技術的基礎理論是物質守恒定律,即被平衡巖層變形前后體積不增不減,保持恒定。在封閉體系中,理想狀態下地層在構造運動過程中只是形態發生改變,其體積保持不變。但是在真實地質環境中,由于地層的演化過程受到構造作用、氣候、沉積、剝蝕等多種因素干擾,不可能達到完全理想狀態,因此并不是任何地質剖面都適用平衡剖面技術進行分析。所有平衡都僅僅是一種逼近狀態,這是由基本的幾何原理決定的。即不可能將一個己知面積和其他參數的幾何形態轉變為具有相同面積幾何參數的另一幾何形態,而不使其中一個或者兩個參數發生改變。任何剖面的平衡制作都涉及參數畸變,在制作平衡剖面時必須判斷哪些畸變是可以接受的。平衡過程中,Elliott對剖面提出了兩條驗證準則,第一條是可接受性,即恢復后的地質剖面應該符合實際地質情況;第二條是合理性,即剖面恢復過程中要保持變形前后面積、體積和層長守恒,平衡后的剖面根據地殼的變形規律和物質守恒規律,可推導出一系列平衡剖面恢復的幾何法則,通過幾何法則限制,制約剖面解釋的隨意性。2.1變形前后地層形態的變化地層在擠壓作用中投影面積的縮短量應當等于該地層重疊所增加的面積;同樣的,地層在拉張作用過程中,面積的增加量等于其斷層的投影面積。變形前后只是地層形態發生了變化,其總面積沒有變化(圖2)。圖中,h為變形剖面厚度,A1為壓縮減少面積,A2為地層重疊增加的面積,La、Lc分別為變形后和前的地層長度。線性縮短量S=La-Lc,A1=A2=hS=h(LaLc)。面積守恒的前提條件是形變主要發生在沿構造運動方向上,也就是平行構造方向上應變可忽略不計。這種條件在大多數前陸褶皺-沖斷帶是具備的。2.2厚度對變形過程的影響層長守恒定理是在面積守恒的基礎上簡化而來的,其前提條件是變形過程中地層厚度無明顯變化,只是發生了褶皺、斷裂等作用,無透入性變形,因此在形變過程中各層長度一致(圖3)。層長守恒在使用前首先須研究其使用條件,而確定地層是否發生過透入性變形是關鍵。對大部分前陸地帶而言,該條件是適用的。2.3真實地質環境中斷層的斷距不等位移量守恒定理主要應用于斷塊間的平衡。地層發生斷裂后沿斷裂面發生位移,理想狀態下沿同一條斷層的各對應層斷距應當一致(圖4)。因此在真實的地質環境中,如果發現斷層斷距不等,應進行去壓實矯正,并根據實際情況做出合理解釋。在同生斷層中由于本身斷距不守恒,不能應用斷距一致原則。如果平衡過程中位移量不守恒,可能是由于以下原因所致:斷層發生分叉,位移量分散到各小斷層上;或者發生滑脫褶皺作用;或者斷層傳播褶皺作用,沿斷層的位移逐漸轉換為褶皺,因長度守恒,造成各層間的縮短量不一致。2.4斷層消失或實物控制在擠壓環境中,沿構造走向各剖面間的縮短量應大致相等。由于邊界條件差異,構造形態常會沿走向發生變化,同時斷層向兩側延伸一定距離后會變小消失。為保持造山帶縮短量一致,一個斷層的消失常伴隨著另一個斷層或褶皺的產生(圖5)。該原則有利于進行剖面間相互驗證。3剖面平衡的排除因素平衡剖面理論適用于封閉環境,即滿足質量守恒定律。但在構造變形中,由于成巖壓實作用、構造壓實作用和壓溶作用等現象存在,真實地質體變形前后體積必定發生變化。因此,在剖面平衡過程中需進行校正,排除這些因素對研究剖面的干擾。下面分類對干擾因素做進一步探討。3.1成巖壓實作用沉積物埋藏時,由于失水和空隙的壓實,體積損失可達50%。這種壓實是單軸對稱的,它使得地層的厚度減小。如果構造發生在成巖壓實作用之后,由于變形前后地層厚度沒有較大變化,它對平衡剖面計算的影響較小。當構造作用發生在成巖壓實作用之前時,必須考慮壓實作用。因為壓實作用,地層厚度發生了變化,必然存在面積增減,在制作平衡剖面時須進行壓實或者去壓實。在推覆擠壓區,推覆構造通常發生在沉積成巖作用后,壓實作用的干擾相對次要,但在伸展構造的地區,壓實校正是必不可少的。3.2板巖的變形損失由于構造變形,可能使巖石受到進一步的壓實。1969年,Ramsay發現泥巖變形為板巖后,密度可由2.5g/cm3增加到2.7—2.85g/cm3,相當于體積減少10%,他認為板巖在有限應變中可受到10%—20%的體積損失。但1977年Siddans在法國阿爾卑斯山的一個剖面中發現,從葉巖到板巖并沒有密度變化。所以,可以認為變形前后巖石體積變化一般小于10%。為計算方便,平衡剖面時可假設構造壓實為各向同性的體積損失。10%的體積損失將造成剖面上6.7%的面積損失。3.3壓溶物質的分散1964年,VolPlessman在研究劈理的巖石時發現,垂直壓溶劈理可以造成20%—30%的壓縮,局部可達50%。若壓溶物質全部被溶液帶走,可以造成相當顯著的體積損失。但在真實地質體中,壓溶的物質常常結晶后沉淀在低壓處,總體積并未發生改變。由壓溶作用造成的體積損失可能是垂直壓溶劈理單軸對稱的。對具體地區,要估算具體的體積損失,需先估計壓溶和沉積了多少物質。1983年,Siddan認為壓溶作用產生的物質轉換只發生在比剖面尺度小得多的范圍內。3.4剝蝕厚度的恢復地層的剝蝕厚度是制約盆地烴源巖演化史和油氣成藏史的重要因素之一。主要的剝蝕厚度的恢復方法有:泥巖聲波曲線法、不連續鏡質體反射率曲線法、構造趨勢法及最優化方法等。較常用的是構造趨勢法,即根據區域上剝蝕厚度變化,或參考保存完整的剖面厚度對剖面進行剝蝕恢復。3.5平衡剖面面積難以復育結構的積結構進行校正地層中的軟弱層常作為滑脫面存在,在擠壓作用下,軟弱層的塑性流動常導致褶皺核部塑性加厚。這種層厚變化改變了原始的沉積結構,必須進行校正。具體方法是首先確定塑性變形發生的時間,然后運用平衡剖面面積守恒原理進行厚層恢復,即利用塑性層總面積與巖層長度的比值求取平均厚度。考慮到變形中沿構造軸向的流動變形,實際應用中還須參考區域地層厚度變化進行校正。在剖面平衡和復原過程中以能干巖層為準,首先進行平衡恢復,建立基本格架后再將塑性地層合理地加入,形成完整剖面。3.6變形應變生態大量研究造山帶中巖石應變測量的結果表明,它們在弗林圖解上多屬于變形應變橢球,很可能沿其中間軸方向發生了延伸。假設變形前后體積不變,則可據此估算沿中間軸方向的伸長量。4平衡剖面的正面和負面平衡剖面技術可以提供正演和反演兩種模擬過程。4.1地震解釋波場模擬正演模擬是指從未變形的狀態向變形后的剖面模擬的過程。它可以通過對給定參數的改變,迅速地做出一系列變形剖面。1989年,Woodward提出正演模擬并不是具體地平衡一個剖面,而是根據研究者的思想去做出一個變形的剖面,用這個計算機制作的橫剖面與真實的地質資料比較,然后作出取舍修改。在研究地層構造演化過程中存在多解性問題,對于同一條剖面,特別是構造變形劇烈、地震資料品質較差的剖面,不同研究者的解釋會產生不同的結果。此時就需要平衡剖面技術給出權威判斷,挑選出最符合地質規律的解釋方案。正演模擬的優點在于可以快速建立若干個構造模式,檢驗一個地區可能存在的不同構造的假說。在連續模擬中,通過輸入不同位移量,正演過程可以動態地展示構造變形歷史,了解一個構造演化的過程和運動學特征,提供合理的解釋模型,為研究油氣藏的形成、演化提供依據。正演模型的過程如下:首先提出一個可以模擬巖層的變形過程并再現地層的運動學特征的正演模型;然后依據各種限制條件修改原模型。根據斷層有關的褶皺理論及區域地質資料提供的地層厚度設置變形前水平地層模型,并根據初始模型特征設置各斷層的原始位置和形態。將原始地層和斷層的幾何圖形數值化后輸入計算機,進行動態模擬變形過程并進行平衡計算,得到的變形剖面(平衡剖面)再與有關解釋方案進行對比。常見的兩者不符合的原因有兩種情況,一是設置的斷層形態和位置或斷層活動幅度和先后與實際不符,因此需要修改斷層參數或運動規律;二是初始模型本身存在解釋上的錯誤,屬于幾何圖形不合理的構造解釋剖面,即本身屬于“非平衡剖面”,因此需要重新調整解釋方案,修改初始模型,并重新進行變形模擬和平衡計算。這樣多次重復修正,逐漸逼近最終模型方案,使其既滿足平衡原理又與觀察數據吻合。圖6給出了平衡剖面正演流程。4.2反演模擬方法正演法的優點是模擬過程中可以修改、變動地層或斷層參數,以判斷多種不同構造類型組合的合理性,并可顯示構造演化規律及提供多種中間過程參數;缺點是正演過程計算量大,需要的基礎資料多。平衡剖面技術現在更多的是應用于反演模擬。平衡剖面技術最早就是在壓縮環境下的反演模擬中被提出的。反演模擬是從一條真實存在的、已變形的剖面入手,根據構造的形成順序,將其恢復到未變形狀態,在恢復過程中,必須檢驗剖面的合理性和可接受性,以避免解釋的隨意性,提高剖面解釋的質量和效率。在反演的實際操作中主要有以下4種方法:(1)Chervron制作法:認為對于犁式斷層,在平衡剖面制作過程中,上盤地層運動的水平分量保持不變,斷層的傾角控制斷層的落差和位移量。(2)改進的Chervron制作法:認為上盤質點沿斷層面的位移量保持不變,而斷距和上下盤的地層落差受斷面傾角控制,當斷層向下變為水平時,水平斷距h增加而垂直落差大大減小。(3)滑線反演法:認為上盤物質運動時,運動軌跡為一系列與斷層平行的曲線,在運動軌跡方向上位移量保持不變。(4)地層長度平衡反演法:假定地層變形前后長度不發生變化,在拉伸或者擠壓構造地區,沉積層基本遵循此變化規律。4.3反演生產過程的示例下面以拉張環境下的二維地震剖面為例,說明反演的制作過程。4.3.1工區地質條件平衡剖面之前需進行前期準備工作。建立工區后,首先建立地層柱(確定地層的巖性組成、層速度等參數),然后采集(或解釋)剖面,建立地質模型。4.3.2基本模型的建立平衡過程中關鍵操作主要分為點編輯、線編輯,斷距消除,層拉平及復制(或移動)。(1)點編輯和線編輯:點編輯是指對圖形中的數據點進行增刪、移動、調整等。線編輯是指對圖形中的線進行位置的變化與增減。點、線編輯是平衡剖面操作中最基礎的步驟,如果這些做得不好,將會影響或不能做斷距消除。(2)斷距消除:該過程為平衡剖面技術的核心,在進行斷距消除前,需要進行時深轉換(將地震剖面轉換為地質剖面)和壓實去壓實校正。斷距消除有垂直斜向滑移模式和彎滑褶曲模式兩種基本模式。垂直斜向滑移模式是根據拉張盆地中構造應力場特點模擬斷層形成的。該模式是把地層從現今形變狀態轉換到原始沉積時的無斷距平衡狀態。具體而言,從形變的源狀態到平衡的目標狀態的模式轉換可分為兩種情況:(1)垂直/滑移轉換(水平模式):將斷層上盤(HW)首先被恢復為水平面,再以此水平面為目標參考面平衡下盤(FW)。當HW/FW不平衡或相關斷層匹配不合理時,說明初始地震解釋可能存在問題。(2)垂直/滑移轉換(斷裂模式):總是以位置最低的上盤的上部地層作源參考線,用次最低的下盤的上部地層作目標參考線進行平衡,與水平模式道理相同,當HW/FW不平衡或相關斷層匹配不合理時,說明初始地震解釋可能存在問題。彎滑褶曲模式比較適用于有剪切作用的應力場下形成的斷層,它一般先選后期發育的斷層進行平衡,最終也是消除所有斷距,達到反演構造發育史的目的。(3)層拉平:當某地層的斷距被完全消除(平衡)之后,需要做層拉平,其過程類似于垂直/斜向滑移轉換,具體步驟是先畫一條和被拉平的源參考線同類型的水平目標參考線,然后與欲被拉平的整個模型作組合,最后完成層拉平。(4)復制和移動:對某地層進行完層拉平之后,需把該標準模型復制作為分析下部地層斷裂的源地質模型。一般情況下,一條剖面的斷層構造發育史反演過程可以重復以上幾個步驟操作,并結合具體情況靈活判斷、應用不同模式轉換實現的,如圖7所示。5平衡剖面技術在地質過程的微觀上存在多解性問題,只是實現刑罰執行和投資的過程中,更容易造成地質異常從1969年平衡剖面的概念第一次被提出,作為一門新興技術得到了快速發展,并在實踐中廣泛應用,但其發展也依然存在一些不足。由于真實環境中的各種未知性,使得解釋結果與理論推導存在一定的差異,因而不能將平衡剖面作為唯一標準判斷地震解釋的準確性。剖面雖然平衡但不代表一定就是正確的,平衡的方法雖然合理但平衡后的剖面不一定是真實的。因而在地震解釋過程中,應該合理地使用平衡剖面技術,既要考慮平衡剖面自身的機制和應用條件,又要滿足地震解釋的原理,使兩者相互制約并印證,才能最大程度地減少地震解釋的誤差。平衡剖面對較復雜地質體的解釋方法,尤其是具體到微觀層面存在多解性問題。不同研究者對具體問題的認識存在差異,并且細節上這種差異表現得更加明顯。例如,一套地層在面平衡過程后,每個地層的變形都不一致,致使產狀發生改變,此時就需要人為地對產狀進行修改。因每人對于地質現象的認識不同,修改的結果自然有差異。再例如,剖面平衡過程中有時會出現資料不充分的現象,研究剖面未能囊括平衡所需全部信息。一些復雜的構造由于其變形極為嚴重,會導致很難推斷出地層的原始展布規律。對于上述情況,現階段的反演缺少規范的平衡標準。因此,需要通過研究者的主觀思想對剖面進行平衡,必然導致平衡結果的多解性[23,42,43,44,45,46]。平衡剖面技術是基于物質守恒原理進行的正反演,而物質守恒定律的適用條件是理想的封閉環境。然而真實的地質體是開放的,研究過程中將忽略很多干擾因素,例如隱伏背斜和小斷層的變形量,被剝蝕的上盤推覆體地層,山前基底卷入的逆沖斷層和隱伏斷層的實際位移量,這些因素都會影響研究地層的封閉性。如何排除外部環境對研究地層的干擾,現階段還缺少量化的方法。平衡剖面的原理