《伸展盆地平衡剖面》PPT课件.ppt

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1、第五讲伸展盆地的平衡剖面,一、伸展地区的平衡剖面原理 概述 Gibbs(1983)首先提出平衡剖面的概念也可用于张性地区的分析研究，他以北海油田为例，运用平衡剖面技术编制和复原伸展地区的地质剖面、计算伸展量与滑脱深度。此后，平衡剖面技术在伸展地区得到了广泛应用，取得了不少新的进展，如深入探讨了伸展地区平衡剖面中岩层变形的各种机制(如垂向剪切、斜向剪切、层长守恒、弯滑作用及刚体旋转等)、断层与地层变形之间的几何关系、断层与地层形态的预测与恢复、复原系列发育史剖面(反演模拟)等方面。从而使得平衡剖面技术在伸展地区的油气勘探中发挥出越来越重要的作用。,2 在伸展地区建立平衡剖面 剖面平衡的基本思想是

2、假定平面应变或剖面面积守恒。Gibbs(1983)指出：Chamberlin（1910，1919）对于脱顶或滑脱面之上的变形剖面的等面积计算既可以用于收缩区，也可以用于伸展区。图1中表示变形前的面积A等于变形后的面积B。面积C是共有的，因此，表示剖面未变形长度、变形长度与滑脱面深度d之间的关系的方程式是：l0=l1A/d 式中A是剖面的面积。,2 在伸展地区建立平衡剖面原始长度为：l0=l1A/d 伸展量为：l1l0=A/d 伸展率（或伸展应变）：e=(l1-l0)/l0表示单位长度的地壳伸展量。用伸展系数（或拉张因子）表示：=l1/l0 e=-1=(1+e)伸展系数表示伸展变形前后地壳的长度

3、比。,2 在伸展地区建立平衡剖面 在伸展地区建立平衡剖面的过程中，压实作用可能是除脆性断裂作用之外的最重要的要素。因为压实作用既可与构造变形同期，也可发生在构造变形之后，在任何平衡计算及随后的复原重建时都必须考虑这一点。在变形剖面上进行去压实作用（压实恢复）时，采用与沉降史恢复压实作用同样的方法。,2 在伸展地区建立平衡剖面 在伸展地区，因存在同沉积、同剥蚀、同生正断层、盐构造和阶段性演化（幕式伸展）等问题，可采用逐层回剥法，建立具演化特征的平衡剖面。同时还要逐层去压实作用。,二、伸展构造中的正断层几何学（一）单条正断层的剖面几何形态,正断层是伸展盆地构造的基本结构要素。正断层及被其切割的断块

4、可以组合成不同样式的伸展构造，如半地堑（或地堑）和半地垒（或地垒）。正断层还可形成相关褶皱。,单条正断层的剖面几何形态按照正断层的剖面几何形态可分为铲式（或犁式）、坡坪式（坐椅状）和平面状断层等。(1)平面状非旋转正断层：断层面平直；断层面及上、下盘断块在发育过程中不发生旋转。(2)平面状旋转正断层：断层面平直；断层面及上、下盘断块一般均不断发生旋转，这类断层常成组出现，多被称为“多米诺式正断层”或“书斜式正断层”。,(3)铲状（或犁式）正断层：其特征是随着深度增加，断层面倾角变缓，沿沉积层、基底顶面、基底内缓断面以及中、下地壳韧性层滑脱。这类断层具有旋转性质，即上盘断块及其伴随的地层、次级断

5、层会发生旋转。,(4)坡坪式正断层：坡坪式正断层的断层面呈台阶状或多级台阶状的陡缓变化，类似于逆冲断层的断坪断坡。这类断层也具有旋转性质，即上盘断块及其伴随的地层、次级断层会发生旋转。()坐椅状正断层：坐椅状断层的特征与坡坪式断层类似，其断层面呈坐椅状，上陡中间缓，而后向下又变陡。与坡坪式断层不同的是，其更下部不一定再变平缓，这类断层多发育于沉积盆地内部。,()低角度拆离正断层：是在对美国西部盆岭省构造研究的基础提出的一种特殊的正断层类型。其主要特点是：断层规模较大、断层产状平缓、断层面波状起伏、断层上盘块体发生旋转、常与“变质核岩”共生。,（二）正断层的剖面组合形态在剖面上,多条正断层或主断

6、层与分支断层可组合成多种构造样式的组合形态：1.马尾状断层主断层与分支断层组合成为马尾状断支。它有两类：一类分布在断层下盘，为向下的马尾状断层（图2-28左图）。另一类分布于断层上盘，为向上的马尾状断层（图2-28右图）。,正断层的剖面组合形态2.羽状断层在主断层形成后产生一系列分支断层与之斜交呈羽毛状，高序次主断层与低序次分支断层为同向倾斜。例如黄骅盆地沧东主断层与其分支断层组成的羽状断层（图2-30）。,3.阶梯状断层（及多米诺构造）正断层在剖面上呈阶梯状或多米诺骨牌式分布，常见于陡坡和缓坡带。它们逐渐向凹陷方向下掉，组成断阶带。,4.Y字型断层主断层与反向的分支断层或分支断层本身组合成Y

7、字形。,正断层的剖面组合形态5.铲状正断层扇由多条铲状正断层组成，它们向下的产状变缓并联合在一起；或由主铲状正断层及其上盘的次级铲状正正层联合在一起组成。根据区域正断层的倾向，又可包括同向正断层扇、反向正断层扇（或共轭正断层扇）等。,6.伸展双重构造多发育于坡坪式正断层的深部，由顶板正断层、底版正断层及多个马石断片组成。,与大型坡坪式正断层有关的铲状正断层扇和伸展双重构造的发育模式：A具坡坪式形态的铲状正断层，在上盘断块中发育一个滚动背斜和一个断坡向斜；B分别在断层浅部和深部开始形成正断层扇和伸展双重构造；C显示了断片或马石的发育顺序及多种断层组合。,(三）正断层的平面几何形态 最常见的是线型

8、、平行带状和侧列状正断层，此外也见有狗腿状、雁列状、锯齿状、网格状、弧形和平面分叉状等正断层。,张性构造环境中大多数褶皱与正断层系有关。这种与正断层活动相关的伸展褶皱，可主要按褶皱的延伸方向分为3类：即（1）纵向褶皱的枢纽平行或大致平行于断层走向（图2a）；（2）横向褶皱的枢纽垂直或近垂直于断层走向（图2b）；（3）斜向褶皱的枢纽斜交于区域断层走向。另外，还有一些与正断层作用无直接关系或关系尚不明确或者具有复合关系的褶皱类型，如差异压实褶皱、披覆褶皱、盐或泥变形褶皱、重力褶皱、滑塌褶皱等，这些褶皱将不作重点讨论。,三、正断层伸展褶皱的相关关系,伸展背景下常见褶皱类型的形成机制 图解,伸展背景下

9、褶皱按形成机制的简要分类,纵向褶皱（平行断层走向22.5）,横向褶皱（垂直断层走向22.5）,斜向褶皱(与断层走向交角22.5-67.5),1、纵向褶皱（1）纵向的伸展断弯褶皱 发育于具有倾角变化的正断层的上盘之中。“滚动褶皱”和“逆牵引褶皱”是最初用于描述这些褶皱的术语，但按这种褶皱形成的机制属“断弯褶皱”。大多数断弯褶皱是位于铲状正断层之上的相对简单的“滚动”背斜。由于认识到一些正断层系可能具有类似于逆冲断层的断坪断坡的几何学特征，推测这时存在更复杂的断弯褶皱。断弯褶皱的规模变化很大，它取决于相关正断层中弯曲的规模。断弯褶皱可以根据发育非平面状断层、下盘中缺乏褶皱作用来与其它纵向褶皱相区别

10、。,滚动褶皱其实是一种相对简单的伸展断弯褶皱。滚动褶皱（图5）常见于与被动大陆边缘有关的厚层沉积序列中，特别是墨西哥湾沿岸地区和尼日尔三角洲。滚动褶皱是由上凸（铲状）断层运动所形成，因而是断弯褶皱（图5a，b）。这些断层的运动在断层上盘和下盘之间产生潜在的空隙；上盘随后垮塌落入此空隙（图5a）。实际上，从来不会形成空隙，因为断层运动和上盘变形同时发生。由于与滚动褶皱有关的断层形成于强度很低的未固结岩石中，下盘褶皱一般是不会存在的。,（2）纵向的伸展断展褶皱 根据挤压的断展褶皱来分析，它形成于断层端线处。实验与数字模拟揭示，正断层由下向上扩展或向上延伸，结果引起上覆地层的褶皱挠曲，形成背斜向斜对

11、。纵向的断弯褶皱与断展褶皱之间的鉴别主要根据下盘褶皱是否存在和褶皱与正断层之间的几何学关系。伸展断展褶皱的规模取决于相关正断层的规模。“强制褶皱”属于伸展断展褶皱的一类，其中，下部（或基底）为断开的刚性层，其上覆者为未断开的层状地层。,（3）牵引褶皱 牵引褶皱通常紧靠断层面的区域。向斜形成于正断层的上盘；背斜见于下盘。沿断层面的摩擦阻力一直被认为是产生相邻岩层中局部牵引褶皱的原因。然而，可能一些作者的“断层牵引褶皱”可能实际相当于“断展褶皱”，即两者有混用的迹象。一般来说，形成牵引褶皱的相关断层不像断展褶皱那样断层由下部向上部扩展，而是形成于浅部，多由上向下扩展；且形成牵引褶皱的断层可切割上部

12、褶皱的两盘地层。通常，如果褶皱紧靠正断层的话，它们被认为是典型的断层牵引褶皱。因此，它们是规模最小的一类纵向褶皱，并且在刚性相似的上盘和下盘岩层中均产生褶皱。,(4)逆牵引褶皱 逆牵引褶皱的几何形态与牵引褶皱相反，在上盘形成背斜，下盘形成向斜（图4a）。同牵引褶皱类似，逆牵引褶皱的规模也较小，且褶皱幅度一般十分宽缓。逆牵引褶皱表明位移随离开断面距离增加而减小（图1d），这是对断层作用的弹性（或挠性)响应。逆牵引褶皱的半径随位移而增加。一般来说，上盘逆牵引褶皱的幅度高于下盘逆牵引褶皱的幅度（图4a）。,滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异 由于几何形态相似，在一些文献中“滚动”和“逆牵引”术语常常混用。请

13、注意，逆牵引作用是成岩岩石对正断层作用的弹性一挠性响应的结果，而滚动褶皱与重力驱动的铲形断层有关。考虑到这两类断层在机制方面的显著不同，建议不要互用这两个词。,滚动褶皱的存在很好地说明相关断层为铲状断层（图5c）。但由于滚动褶皱和逆牵引褶皱具有几乎相同的几何形态，逆牵引褶皱可能被错误地解释为滚动褶皱，相关断层可能被错误地推断为铲状断层。逆牵引褶皱的存在并不意味着铲形断层的存在。实际上，大多数逆牵引褶皱与面状或仅略具铲形形态的断层有关。可用如下几点区分滚动褶皱和逆牵引褶皱：（1）预期滚动褶皱见于与滑脱正断层有关的厚层沉积序列中，断层面形态不同（铲状平面状），地层特征不同（较松散较固结）；（2）逆

14、牵引褶皱可见于上盘和下盘，而滚动褶皱通常仅见于上盘。（3）逆牵引褶皱影响规模小，而滚动褶皱通常影响规模大。,（5）均衡褶皱 属于规模最大的一类纵向伸展褶皱类型。均衡褶皱是宽阔的褶皱，其形成是对正断层下盘的差异卸载作用的响应。大多数作者认同这种机制已产生了北美科迪勒拉山变质核杂岩中及其它地区的山体尺度的背斜。,2、横向褶皱 常见的横向褶皱按机制主要包括断弯褶皱、收缩褶皱和位移梯度褶皱等。（1）位移梯度褶皱 所有该类型的横向褶皱都是由位移沿走向变化而引起的。位移的这种变化与正断层的规模无关。因此，横向褶皱具有不同的规模。横向褶皱的形态很大程度上依赖于正断层系的几何形态（孤立断层及分段式断层体系）。

15、,（2）横向断弯褶皱“横向断弯褶皱”（Schlische（1995）称为“断层线偏转褶皱”）与非平面状的断层面有关。其关键特征包括：下盘地层没有发生褶皱作用；上盘中的褶皱与相邻正断层中的横向断坡一致（即波状断层面）。作为最简单的横向断弯褶皱类型，在邻近断层的向形弯曲部分（凹入部分）的上盘中发育向斜，在邻近断层的背形弯曲部分（凸出部分）的上盘中发育背斜。,（3）横向收缩褶皱“横向收缩褶皱”记录了垂直于区域伸展方向的水平缩短作用。在收缩应变作用下，正断层变成了褶皱形态，并且褶皱轴平行于伸展方向。在断层上盘和下盘中的褶皱呈线状排列并协调一致。这种特征使它们很容易与位移梯度褶皱相区别,（4）横向变换带

16、褶皱形成于两条或两组倾向相反的正断层之间，两者趋近或有一定叠覆，并形成横向构造变换带。,3、斜向褶皱 常见的斜向褶皱包括斜向断弯褶皱、转换伸展褶皱和斜向变换带褶皱等。断弯褶皱与横向断弯褶皱类似，反映了上盘岩层当它们在非平面状的断层面上和刚性的下盘岩石上滑动时的变形。断层面的波状起伏与正断层的整体走向是斜交的，并且只要断层下盘比上盘更具有刚性，断层下盘在作用过程中均不发生褶皱变形。,斜向褶皱 转换伸展褶皱与伸展兼走滑的断层运动有关；其应变与收缩应变类似；垂直于有限应变伸展轴的缩短作用是这种类型的变形发生的原因，推测其褶皱的轴向平行于正斜滑断层上的滑动矢量。斜向变换带褶皱：在斜向调节带中，在倾向相

17、对的正断层沿走向终止的地方，斜向背斜连接两侧相互对倾的正断层的端点，而斜向向斜连接两侧相互背倾的正断层的端点。,假设条件：平面应变，即变形前后面积守衡；地层厚度不变；地层长度不变。这时，Suppe的断弯褶皱方法（1983）也适用于伸展断层。即：伸展量和滑脱面的深度与基准面以下被运移出的物质的面积有关（A2，半地堑的沉积填充物），并可进行计算。,四、纵向伸展断弯褶皱的平衡模型 1、断弯褶皱平衡模型（一）,由下面的模式图可以看出：A1剖面移出所占面积；A2剖面伸展所拉出的空间，并形成半地堑的沉积填充物。因而有：A1A2et eAE长度AE长度BD一BC。A2A1t（BDBC）t=A2/（BDBC）

18、。,断弯褶皱平衡模型（一）,B点处为将要形成的背斜及向斜的轴面；此后，B点为移动的背斜轴面；同时在拉开的空间中有一个与之平行的向斜轴面；向斜轴面保持在原地，其中一点经过断坡断坪的折点处。向斜轴角180-(即20)2,断弯褶皱平衡模型（一）,应用实例：象犹他州和内华达州的盆岭区这样的伸展地区引起了人们极大的兴趣（图30一1a)。如同在逆冲带一样，平衡技术在这里也可以得到很好的运用。盆岭区的铲形正断层系统在一般的几何特征上与逆冲断层系统相似，但它们的运动方向是相反的（图 301b）。,该平衡模型可应用于已固结的地层区，再发生伸展断层作用，这时的地层长度、厚度及面积一般不发生变化；而不是同沉积的、或

19、尚未完全固结的地层区。一般发生在断层倾角缓的地区。,假设条件：平面应变，即变形前后面积守衡；主断层倾角的变化引起上盘地层倾角改变或漆折；上盘褶皱地层的轴面倾角与主断层大小相等、方向相反 地层厚度可变；地层长度可变；因此：上盘地层褶皱的轴面为不对称；发育2个轴面，其轴面1经过下盘的断坪断坡交点，轴面2经过上盘的断坪断坡交点；两轴面间距随伸展距离增加而增加，直到轴面1消失。上盘轴面1与主断层之间的三角区地层产状、厚度、层长不变；而仅有两轴面之间地层变倾斜、厚度变薄、层长变长。,2、断弯褶皱平衡模型（二）,几何学关系：d-上盘水平断距；h-上盘垂直断距；l-上盘倾斜断距；断层倾角；H1、H2上盘倾斜

20、地层轴面；上盘倾斜域地层倾角；W倾斜域地层标准宽度。W介于两轴面之间，等于沿下部拆离面的水平拆离距离，因而等于水平伸展量e；当H1刚好消失时，W达到最大值；进一步伸展时，W宽度不变，这时的水平伸展量eW宽度。,断弯褶皱平衡模型（二）,几何学关系分析：三角形ABC三角形DEF；由于：三角形ABC多边形DIJGC面积（面积平衡）故有：三角形CGF面积三角形IJE面积 W2d 地层反倾角 与断层倾角有关：即：tan(tan)/3 W2d(2h)/(tan),断弯褶皱平衡模型（二）,地层反倾角 与断层倾角关系,几何学关系分析：由于两轴面之间地层变倾斜、厚度变薄、层长变长，因此该倾斜地层发生了应变。地层

21、水平时厚度为t0；地层倾斜时厚度为t1；地层沿轴面的长度:l=t0/sin 或 l=t1/sin(-)地层变薄的比值：（t1/t0）=sin(-)/sin,断弯褶皱平衡模型（二）,地层变薄的比值：（t1/t0）=sin(-)/sin 线应变计算公式：e=(L1-L0)/L0 e=(L1/L0)-1 对于倾斜地层的线应变：由于l0t0=l1t1(面积守衡)有 e=(l1/l0)-1=(t0/t1)-1,断弯褶皱平衡模型（二）,几何学关系分析：当伸展断层下部不是水平拆离断层，而是倾斜的滑脱断层，即相当于断层发生拐折而不是拆离时，情况就稍微复杂一些。假定：下部断层的倾角为；沿下部断层的滑移量为f；最

22、主要的不同：上盘地层的区域构造高程将会降低（h2）；H2=f(sin)W2d(2h)/(tan)这时倾斜地层的倾角将会变小（）,断弯褶皱平衡模型（二）,由于：地层变薄的比值：（t1/t0）=sin(-)/sin 即：地层变薄主要取决于断层初始倾角()和倾斜地层倾角(),当时，倾斜地层产状与上部断层倾向相对，为+，地层发生伸展、变薄；当时，倾斜地层产状与上部断层倾向相同，为-，地层发生缩短、变厚。,断弯褶皱平衡模型（二）,总体伸展参数：剖面伸展量E伸展后剖面长度L1-伸展前剖面长度L0 EW2d(2h)/(tan)（早期）EW0D（后期）（W0 为W的最大宽度；D为上盘最高切层点距下盘断层折点水

23、平距离）剖面伸展率e=(L1-L0)/L0=(L1/L0)-1 剖面伸展系数=e+1=(L1/L0),断弯褶皱平衡模型（二）,断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：,由基础地质剖面可作出两种形成机制解释模型和相关的断层形态预测：解释1：将机制模型预测为断坪断坡式拆离。根据缓坡倾角19，预测断面倾角及轴面倾角为46。这时，拆离面深度很浅，约6KM深；充填地层具有更大的厚度。但预测的断层倾角比实际出露倾角陡得多；复原后盆地底部地层不能拼接，上盘位置太低；充填地层过厚。,断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：,解释2：将机制模型预测为多段曲折断层模式。断层

24、浅部符合观测值3538，取37.5；向下变为54，以满足主体的缓坡倾角19；下部段的预测断面倾角为15，它大约在约6km 深以下，以便使复原后盆地底部地层抬高构造高程并与下盘地层能拼接；这时充填地层的厚度也变小了。这一模式可能更符合实际。,断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：,五、铲状正断层的几何形态及上盘变形、铲状断层上盘及断层面的几何形态 地震剖面上所见到的许多重要的控制伸展断陷的大型正断层均呈弯曲状或铲形。这种断层向下逐渐变平，以致在一个拆离面或滑脱面上水平运动占了优势。在有关铲状断层面形态的理论模型中，Wernicke和Burchfiel（1982）曾进行过研究

25、，这种断层的几何学特征与断层的曲率半径有十分密切的关系。,铲状断层面形态的几何学特征与断层的曲率半径的关系如右图所示。,、铲状断层上盘及断层面的几何形态 若铲状正断层的上盘顶面发生弧形弯曲形成了滚动背斜，假定岩层面与断层面之间的夹角保持不变，上盘顶面与断层面点处的切线与水平面夹角为，此点的断层面倾角为，则根据图45中的图解方法可确定断层的伸展率e、伸展系数、伸展量I及、等角度之间的关系（Wernicke等，1982）。,断层的初始切层角,原始长度为：l0；现长为：l1伸展系数：=l1/l0；=(1+e)伸展量为：Il1l0 l1 l1,、铲状断层上盘及断层面的几何形态 Wernicke和Bur

26、chfiel（1982）还曾证明，这种断层的曲率半径大约是沿脱面深度的两倍。换句话说，这种断层的脱面深度大致为断层曲率半径的12。,2、滑脱深度和断层几何形态面积平衡 铲状断层的伸展运动形成了滚动背斜（图1）。Gibbs（1983）证明了其过程中岩层变薄和层状平行拉伸在几何学上是横截面积守衡的必然结果。岩层变薄和拉伸通常是由滚动过程中的一组反向正断层实现的。地层平行拉伸的另一种形式是斜向剪切，其可能是通过层面滑动实现的。在平面上弯曲的铲状断层将会形成枢扭线在平面上亦呈弯曲状的滚动背斜。,2、滑脱深度和断层几何形态面积平衡 这种方法所的依据是，从横剖面上移去的面积（见图2和图2中的区）等于该剖面

27、右侧矩形的面积（见图中的区）矩形ABCD，即区的面积是总伸展量（e）和滑脱深度（）的乘积，面 积 面 积 es（）,2、滑脱深度和断层几何形态面积平衡 总伸展量的估计可能相当于该断层的最大位移距（），在这样的情况下，逆牵引中的上盘经受层状平行拉伸且变薄以保持面积不变，但层长变长（图2）；另一种办法是用岩层长度法计算总伸展量，在这种情况下，位移距（）将沿断层面变化（图2），使用上述任何一种伸展量估计方法，均可由式（）=面积（）求出滑脱深度。,2、滑脱深度和断层几何形态面积平衡 利用总位移距或岩层长度伸展量的计算方法估计滑脱深度可能是不可靠的。这是因为侧剖面右侧的 ABCD区（见图 2a、图2b）

28、，将不是一个矩形，由于岩层平行滑移，将遭受某种程度的斜向剪切（Gibbs，1984），这可通过假定岩层长度不变和沿该断层面的位移距守恒来分析（图2c）。,2、滑脱深度和断层几何形态面积平衡 原始岩层长度（L0）可通过相加下盘岩层长度（Lf）和上盘岩层长度（Lk）导出，即 L0Lf十Lk（3）因为位移距和岩层长度都是不变的，即 CDd（4）AB L1 L0（5）式中，L1是实际测得的变形后剖面的长度，假定其为平面变形，那么该剖面右侧ABCD（Y）区的面积就等于从该剖面中移去的面积（X区）。这样，滑脱深度（S）就可利用这种方法通过下式导出：s=X/d+(L1-L0)/2（6）,2、滑脱深度和断层几

29、何形态面积平衡 Chapman等（1984）及Bosworth（l985）等已经指出，在伸展断层体系中，主滑脱面上的位移量是其次级断层面上位移量的总和（图2d）。相加单个岩层长度（La，Lb，Lc等）就可获得原始岩层长度（L0）；同样，相加单个次级断层的位移距（da，db，dc等）就能获得总位移距（d）；用原始岩层长度和总位移距代入式（6）求出滑脱深度（图2d）：s=X/d+(L1-L0)/2（6）,3、用 滚动背斜剖面预测断层的几何形态人字形作图法（水平断距不变模型）：该作图法适用于依据滚动背斜剖面构制铲状断层的形态。水平断距是这种作图法中的主要因素，假定一个铲状正断层发育时，水平断距分量在

30、该断层上盘运动中保持不变，垂直断距和位移距随断层角度变化而变化。,人字形作图法（水平断距不变模型）：水平断距可通过测定横跨该断层的标志层的水平位移获得（图 3b）。在整个剖面上以一定的水平断距增量h画上垂直网格（图3a），再将标志层的区域倾向下盘连接到上盘。这样，断层上盘中的点A就以位移距d移到了上盘中的点A处，位移距d则可以分解为水平断距（h）和垂直断距（t），断层倾角为。在一个铲状断层中，如果水平断距（h）考虑为不变的，那么，根据式（11），垂直断距（t）将随断层倾角而变化。,h=dcost=dsint=htan,人字形作图法（水平断距不变模型）：点A以水平断距（h）和垂直断距（t）的分量

31、移到了现在的位置，这里，垂直断距取决于断层的倾角（见式（5）。点B到达其目前位置，水平断距（h）分量不变，垂直断距亦取决于断层倾角。对角钱BB则代表该位移段中水平断距和垂直断距的合向量，且平行于沿该断层的位移方向。因此，BB平行于该位移段中的断层线，而该断层线可通过点A作一条平行于BB的线段的方法画出。对逆牵引剖面的所有其它水平位移段重复这一过程，直到完成断层线的几何形态为止（图3a）。,人字形作图法（水平断距不变模型）：这种作图法反映该断层的位移模式如下。随着断层沿水平方向趋于变平，按照式（9）和式（11），只要水平断距（h）不变，位移距（d）和垂直断层（t）就必须减小。位移距随断层倾角而减

32、小，并趋向于水平断距的值，直到断层倾角0时，位移距即等于水平断距，即dh。所以，由于水平断距不变，铲状形态的任何伸展断层均表现为位移距沿下倾方向减小。这种作图法的改进形式涉及位移距沿断层不变，垂直断距和水平断距沿断层变化的情况。,改进的人字形作图法（位移距不变模型）：这种作图法位移距沿断层保持不变，水平断距和垂直断距均随断层倾角连续变化。位移距（d）是依据剖面中标志层的位移距测定的（图4a和图4b中的AA）。通过A作一条垂线，并将标志层的区域倾斜由下盘连接到上盘，两者交于B点；由B点作一条长度等于位移距d（即AA）的线段，相交于滚动背斜剖面B点（以B为圆心、d为半径作一弧线与逆牵引剖面相交即得

33、B)；过B作垂线，BB则平行于该段断层的位移向量；该断层段是通过A作BB平行线画出的。然后对所有的其余断层段重复这一过程。,改进的人字形作图法（位移距不变模型）：由于断层朝水平方向变平，在位移距恒定的情况下，水平断距（h）将增大，而垂直断距（t）将减小，当断层倾角减小到零时，即a0，水平断距趋向于等于位移距，即h=d。,滑移线作图法：设想断层上盘中的物质沿一系列平行于断层面的滑移线或轨迹运动或许更合理（图5a）。在垂直断层剖面中，质点轨迹的倾角随深度而减小，因而它们是不平行的；但在法线的剖面上，它们的质点轨迹仍然保持与断层面平行。因此，在单个水平位移段中，前述人字形作图法所假设的由区域面到滚动

34、背斜面的质点轨迹与滑移线轨迹是不相同的（图5b）。,滑移线作图法：滑移线作图法以位移距（d）作为主要量度，上盘变形根据断层的法向位移段来考虑，位移距是用横跨断层的标志层的位移度量的（图6b上的AA）。用一张剪裁成位移段同样大小的纸片或卡片，这种作用方法就变得极为简便。即其左边通过点A，其端边，即位移段的长d恰好置于区域线和逆牵引线上，两个接触点则分别标记为B和B，这条线即BB就代表平行于第二个位移段的位移向量的滑移线（图6a）。通过A作BB的平行线确定B，连接AB”就可画出该断层段。第三个断层段的是借助于在区域线和逆牵引线上用矩形位移段量板通过B”来找出C和C完成的。重复这一过程，便可作出完整

35、的断层形态（图6a）。,4、根据层长守恒预测铲状正断层形态利用层长守恒法，也可以根据滚动背斜形态作出铲形断面向深部的延伸形态。采用这种方法有两个前提条件：一是假定下降盘上的滚动背斜为一弯滑褶皱，即断层的总滑距由上往下减小，从而产生收缩内应变；二是滚动背斜的地层厚度不变，即层长不变。剖面编制分以下两种情况。,(1)单一铲状正断层剖面的编制 作图方法如图6-79所示，首先计算出断层的水平断距，长度为la（图6-79（a），由A点作垂线与区域倾向线XY相交于B点。由点A开始沿下降盘地层画弧，弧长等于la,得到点C。再由C点作垂线与XY相交于点D，得到水平断距BD，长度为lb。自点C画弧长lb，得到点

36、E。如此反复作下去，直到最后画出的弧线与XY平行（即图6-79中的lh）。将BC、DE，等点连接起来，得到BC，DE，等线段，这些线段必定代表断层的轨迹。然后将线段BC向下平行移动使得B点与A点重合。再将线段DE向下平行移动，使点B与点C重合。如此下去，最终得到图6-79（a）中的断层剖面。,单一铲状正断层剖面的编制 最后一段线段lh即相当于水平伸展量，lh不等于断层最初的水平断距，即lh水平断距；将得到的lh 与断层水平断距和最初估算的断层水平伸张量比较，即可有效地检验地层长度平衡作图法的精度。利用图6-79（b)(上)中的等式可以计算出滑脱深度，即断层变为水平处的深度。,(2)具有反向正断

37、层的铲状主断层剖面的编制 如图6-79（b）所示，沿滚动背斜发育反向（或同向）次级正断层，基本作图法与图6-79（a）相似。但需要计算出主断层本身的位移量，次级断层所引起的位移量必须从主断层的总位移量中消除，即必须将标志层恢复成光滑、连续的曲线AB，而后将曲线AB平行于标志层的区域倾向向主断层移动，直到点A与主断层相接触为止。此时，AB的位置应是图6-79（b）中AB的位置，其余的作图方法与图6-79（a）相同。这种方法包含了用肉眼进行光滑曲线的恢复引起的误差。所以次级断层落差大时，误差也大。,5、横剖面复原与预测 利用上述推导法的相反过程有可能将横剖面复原到断裂前的状态。根据一个标志层来复原

38、整个剖面时，应确保其余地层均能合理复原。这种技术可用来检验整个剖面是否平衡。剖面复原的图解技术可获得复原剖面，但相当费时。编制一个计算机程序，依据导出的人字形作图法来进行断层形态预测和剖面复原是一个相对简单的方法。,3、横剖面复原与预测由于所使用的方法不同，即使用相同的上盘原始几何形态，所获得的断层形态和滑脱深度结果也是各不相同的（图7）。,人字形作图法以及面积平衡技术不可能普遍适用于伸展断层活动区。人字形作图法主要考虑的是水平断距的守恒，但在某些情况下，考虑位移距守衡也许更现实。同样，依据水平位移段来处理上盘变形可能不如用法向位移段所作的平行断层的滑移线分析来得直观。不同作图技术可由相同的上

39、盘资料产生不同的断层形态。,六、铲状正断层的几何模型与滚动褶皱综合分析、引言 主断层面的形态在很大程度上控制着伴生的滚动褶皱形态(图1)。,铲状正断层的几何模型与滚动褶皱、引言 如果能够推断上盘中的主要变形机制并弄清断层形态和滚动形态之间的几何关系，那么可以利用上盘滚动中的标志层形态，将断层轨迹外推到资料质量差、和缺乏断面反射的深部(图2)。一旦建立了断层形态，就可以用同样的几何关系预测深部褶皱的、潜在储集层的形态。,、引言 上盘面积的守恒(图1)，暗示上盘滚动地层的几何形态与导致形成滚动构造的主铲状断层的几何形态之间存在着定量关系。许多学者描述了根据上盘变形层的几何形态确定主断层形态的几种方

40、法。表概括了主要的模型。,2断层滚动关系的几何模型地层-断层模型 水平断距不变模型：又称人字形作图法，它假定断层的水平断距H在变形中保持稳定(表1)。上盘中的质点被设想成从它原来未变形的位置水平移动一段距离H，然后沿垂直滑动面位移。因此，上盘的变形及滚动背斜的形成是由顺垂直剪切面的均匀简单剪切完成的(即相似褶皱作用)。位移距不变模型：假定在上盘不断错开的过程中沿断面测量的位移距D的各个增量保持不变;而位移距的水平和垂直分量沿滚动背斜横剖面是变化的。在上盘内的铅直线上，质点的位移路径平行。,2断层滚动关系的几何模型地层-断层模型层长守恒：是建立和复原许多挤压构造平衡剖面的有力约束条件。在许多例子

41、中，层长不变模型已应用于伸展构造。层长不变模型假定上盘的滚动变形是由顺层面滑动的弯滑褶皱作用形成的(表1)。层面为活动的滑动表面，并假设层内变形很小。滑移线模型：假设上盘中的质点沿平行于主断层绘出的滑移线移动。滑移线模型并不象位移距不变模型那样认为位移路径在上盘中任意给定的垂线上都是平行的；它要求在上盘的类似垂线上，单条位移路径的倾角随深度减小。沿滑移线测量的位移矢量，只有在矩形图板垂直于主断层的倾角稳定段的方向上才是平行的。,地层-断层模型斜向剪切模型：滚动背斜的地震剖面常显示出许多反向和同向次级断层，说明剪切破裂作用或断层作用是滚动褶皱变形期间变形活动的一种常见机制。广布于许多上盘区内、具

42、有与主断层反倾特征的小型剪切破裂和断层可能形成一个连续的变形体。这种现象表明,滚动褶皱内的变形可以理想化地看成是由沿着与区域倾向的垂线呈角的倾斜滑动面发生均匀简单剪切的结果(图3)。,地层-断层模型 斜向剪切模型的简单图解作图法(图4)：在该作图法中，质点先平行于区域倾斜线移动，然后以一个角度(从垂直于区域倾斜线测量)向下剪切。该方法的一个明显缺陷是必须估计角，角的值可能随着物性、密度和次级断层产状的变化，在上盘内的空间上及发展的时间上都发生着变化。不过，许多实例说明，斜向剪切模型拟合上盘变形比前述其它几种模型更真实。,斜向剪切的断层-地层作图法 在那些主断层的几何形态通过钻探或者高分辨力的地

43、震记录而获得了清楚了解的情况中，可能需要确定上盘中变形层的几何形态。根据斜向剪切模型的断层-地层作图法：该方法在给定断层形态、水平断距和剪切角时可以详细地重建滚动的几何形态。根据次级断层产状或通过迭代法可以确定剪切角。一旦断层形态和剪切角被确定，便可以建立任何给定水平断距的滚动形态，并与可利用的地震或钻井资料进行对比。斜向剪切的断层-至-地层作图法也为复原解释的横剖面提供了一种方法。,根据物理（粘土）实验模拟，可以证明，斜向剪切模型确实是很常见的正断层上盘变形机制。并且，可以清楚地了解上盘地层的质点分别相对于下盘和上盘本身的位移路径。,铲状正断层的几何模型与滚动褶皱 地下实例挪威近海在图8所示

44、的深度剖面上,原来的区域标志层沿主断层发生位移,并发生反向倾斜(即地层向主断层倾斜)。图中还显示了蒸发岩的顶面和两条反向断层。标志层1的形态和水平断距被用来模拟主断层在深部的几何形态。,挪威近海水平断距不变和层长不变模型预测的主断层形态，其倾角明显陡于得到较好限定的解释主断层部分的倾角，并且最终的滑脱深度超过10km。对于斜向剪切作图法，根据反向断层的产状估计40。用斜向剪切和位移距不变模型算出的断层形态与解释出的主断层位置接近一致，并且模拟的断层在蒸发岩附近变平。滑移线模拟的断层形态也在蒸发岩的顶面附近变平，但其倾角比解释的主断层缓得多，并切割明显连续的反向断层。这说明斜向剪切和位移距不变作

45、图法得出的模拟的与观测的断层滚动几何形态最为一致。,地下实例 海湾沿岸在发育于海湾沿岸新生界剖面中的各种生长断层走向上,滚动褶皱形成多而高产的构造圈闭。图9a是显示有两个标志层和解释主断层的一个多产滚动背斜的深度剖面；根据层1和层2模拟的结果分别表示于图9b和c。,地下实例 海湾沿岸对于这两个标志层而言，滑移线模型绘出的断层形态在已知的滑脱深度上方变平；而水平断距不变和层长不变模拟的断层迹线则在实际断层之下相当距离的地方变平。对于斜向剪切模型，用反复增进（迭代法）由层1(图9b)和层2(图9c)确定的模拟断层形态与浅部较陡倾斜的实际断层(图9c)形态之间的一致性直至最大限度的方法，确定20。根

46、据位移距不变作图法得出了与观测断层形态同样很一致的形态。与挪威的实例一样，海湾沿岸的例子说明，斜向剪切和位移距不变作图法最接近于观测的断层形态。水平断距不变和层长不变模拟的断层形态比实际断层滑脱深得多；而滑移线作图法得出的模拟断层形态在实际断层上方滑脱。,地下实例 海湾沿岸该实例还说明了使用多个上盘层位限定断层几何形态的优点。两个不同标志层模拟的断层形态近乎一致说明，在层1和层2的沉积与继后的位移过程中，主断层的形态保持稳定。同一上盘块体中多个层给出的模拟断层形态的显著差异可能指示更复杂的变形历史，在该历史中主断层形态随时间发生变化。例如，主断层可以由于滑脱面下的底辟作用而逐渐变形。,铲状正断

47、层的几何模型与滚动褶皱 地下实例 墨西哥湾近海图11a所示的滚动构造的主断层几何形态,被用来详细说明从已知断层形态模拟滚动形态的斜向剪切断层-至-地层作图法的应用(图6)。,墨西哥湾近海有规律的变化H和值，绘出断层-至-地层模拟的一个系列，并将计算出的滚动形态与观测的相对应的泞部地层的滚动形态比较。这种迭代模拟直到得出模拟的滚动形态与观测的滚动形态令人满意地一致为止。当26、H=10700英尺(3261m)时,获得了与观测资料最吻合的模拟。,墨西哥湾近海 保持该H和值，第二次绘断层-至-地层模拟的结果，其中主断层几何形态被有规律地修改,以便使模拟的滚动形态发生变化。当主断层在靠近解释标志层终止

48、处略变陡时,得出的模拟滚动形态与解释的滚动形态接近一致(图11b)。大致在5S处,在重新解释的主断层的变陡段附近观测到与新解释的断层面近于平行的倾斜反射波组;这些反射波组也在新解释的断层弯曲附近变平;因此说明对原来断层解释的修改是与实际资料吻合的。,或者，原来的主断层形态解释可能是正确的，而解释层的形态可能需要修改。,铲状正断层的几何模型与滚动褶皱综合分析 结论1.从滚动褶皱形态建立主断层形态的现有方法，随着假定上盘中主导变形机制的不同，预测出明显不同的断层形态。水平断距不变、位移距不变、滑移线和层长不变模型所给出的断层形态各不相同，其中滑移线模型预测的滑脱深度最浅，而层长不变模型预测的滑脱深

49、度最深。由斜向剪切模型计算的断层迹线和滑脱深度，随着假定的剪切角不同有很大的变化，但选择正确的剪切角可得出十分逼近观测的滑脱轨迹的特有断层形态。,2.压实作用可能改造标志层和主断层的形态，从而歪曲构造的几何关系。幸好压实引起的复杂情况有随深度增加而减小的趋势。Xiao和Suppe(1989)证实,铲状断层的大部分压实变平作用发生在最初埋藏的几百米内,由较深部的压实作用引起的断层倾角的变化是比较小的(大约1/km)。因此对于许多应用来说，在根据滚动形态进行断层形态模拟时，压实作用的效应是很小的。,铲状正断层的几何模型与滚动褶皱 结论3.对于某些地区而言，斜向剪切模型和位移距不变模型得出的断层迹线

50、与地下地震实例解释的主断层部分及粘土模型模拟的主断层的位置和形态最为相似。4.根据地下实例，斜向剪切模型中要求的剪切角有时可以由上盘中次级断层的产状估计。剪切角也可以用迭代模拟法逼近，在该方法中，剪切角被有规律地改变，并将得出的模拟断层形态与地震记录解释的浅部主断层的形态进行比较。5.斜向剪切(平面状滑动面)与相似的位移距不变(弯曲状滑动面)模型在预测滚动主断层几何形态中的成功说明，在上部地壳的滚动变形期间，受次级断层调节的分散剪切是主要的上盘变形机制。相反，水平断距不变和层长不变作图法的失败，表明在评价的实例中,垂向剪切和层内滑动不是明显机制。,七、张性盆地的平衡剖面模拟技术与应用、概述 在