盆地分析7平衡剖面复原挤压构造为例.ppt

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1、第七讲 平衡地质剖面的复原以挤压构造为例一、钉线 钉线是被设在剖面上用以平衡线条长度或面积的理想化参考线（图12l）。真正的钉线应该代表一个逆冲席内部的，在变形前后均垂直于层理的物质线。,钉线 钉线通常沿褶皱的轴面或原层位区这些被推测为具最小层间剪切作用的地方设立。“原层位区”出现于逆冲席的尾缘，那里的地层厚度并未发生重复，地层仅平行于区域性基底滑脱面发生滑移。设立于褶皱之上的钉线会出现两个问题，（1）这些钉线很少垂直于层理；（2）对于断展褶皱来说，可以有几个改变方位的轴面，结果会出现“弯曲的”钉线。由于这些问题，在可能的情况下钉线一般设在原层位区,特别是设立在前陆未变形区的边缘是最理想的。,

2、局部钉线 在南阿巴拉契亚，上盘断坡很少能保存下来（图122），因此无法用一般的方法将上、下盘断坡复位。所以，最好的办法就是在每一个逆冲席的尾缘设置局部钉线（假定其层间滑动最小），并将这些逆冲席作为一些分离的断块复位，沿着基底滑脱面排成一串。与被侵蚀掉的上盘断坡有关的缩短显然仅代表了最小估算值。,局部钉线 对于断坡被侵蚀掉的情况，局部钉线是非常重要的，它们被设置于呈单斜的逆冲席的中部。层间滑动在这个部位真是最小吗？很可能不是，但是只能如此去做。简单波状层的平衡仅受前陆的钉线和岩层长度所控制。,二、一个断坡的复原 图15l表示了一个理想的断弯背斜，我们如何将它复原呢？首先可以看出，复原剖面将比变形

3、剖面长。现在覆盖在下部断坪之上的上盘地层是从左面运移进入剖面的，而原先覆于上部断坪之上的上盘地层已经向右移出了剖面。,一个断坡的复原 为了进行测量，我们在下盘未变形的岩层上选择一条钉线（A）。由于上盘所有地层均已发生位移，所以上盘内无需前陆方向的钉线。利用下盘地层中的三条界线长度，可以确定出复原后的下盘断坡的位置，它与变形后的下盘断坡位置是一致的。,一个断坡的复原 由切层部位向后，上盘中所有的岩层界线长度都应予以测出，并拼接在下盘的相应层位上。在本剖面中，由于上盘顶部两个层面未被切断，可在背斜轴面（B）处建立局部钉线。则其上部两个岩层亦将被固定在同一个轴面上。这样就可以确定出上部两岩层的复原位

4、置。有了被限定在背斜轴面的局部钉线，上部岩层的长度就可以测出。,一个断坡的复原 上盘复原是从测出并复原两个下部岩层的长度开始的。在这两个岩层复原过程中，每一岩层的左端可能有轻微的位错。复原后的上盘钉线位置是根据它在下部两个岩层中的位置确定的。复原后上部两个岩层的向前和向后的延伸长度是按照它们离局部钉线的距离分别绘到复原剖面上的。,三、一条剖面的复原 在进行剖面复原时，首先要检查所画的变形剖面是否平衡，如何做到这一点呢？让我们从一条可分解开的剖面入手（图16l）。首先，把每一个地层层位（A，B，C，D）、每一条断层（l，2，3，4）和每一个断块（l，2，3，4）注上标记。然后将这个剖面分解为四个

5、断块。,一条剖面的复原 此后，再检查每个断块中的地层延伸情况及断层切层情况。地层A出现在每一个断块中，并均与断层接触，在复原剖面上，该层应越过断层相连（仅有部分已被剥蚀掉）。如果我们的剖面是平衡的，则上盘的断坪和断坡必然能与下盘的相应部位拼合组装在一起（模板假说）。大致检查后可知，基本满足复原条件。,一条剖面的复原 由于该剖面基本满足复原条件，下一步便 开始进行剖面复原。一条平衡的剖面，其地层界线的长度和地层的面积，在变形与复原的两种状态下都是相等的，而且复原后的断层应遵循一些基本准则。绘制变形剖面是剖面平衡工作中比较难的部分。机械地测定长度及绘制复原剖面虽然相对比较容易，但是它能证明所绘制的

6、变形剖面是否合理。,一条剖面的复原 钉线是测量线条长度的起始部位。对任一剖面来说，区域性的钉线都应选在造山带的前陆，因为那里没有变形和层间滑动。在图161所示剖面上，可将钉线设置于最靠近前陆的逆冲席尾缘。首先，绘制一条准备复原的地层剖面，将其中的地层画成层饼状（地层厚度不变）或楔状（地层厚度呈楔形变化）（图16一2）。,一条剖面的复原 复原操作（图163）中要从变形剖面上量取不同地层的线长，并作为复原状态下相应的地层长度。三角符号标定了钉线与断层2间的层面距离。LAB1是断块1 中层及面 AB长度的缩写。正方形符号标出了钉线与断层3之间各层界面的距离。,一条剖面的复原 注意：断块2中的B、C和

7、D层的前缘已遭剥蚀，因此LBC2和LCD2是不完整的。它们的长度只能取至地形线。为此，可在未曾逆冲于下伏断块之上的断块尾缘，或者实在无处可选时，在该逆冲席的层面倾角相同的尾缘，设置一个局部钉线（图163b）。通过测定该断块底部A层的钉线位置LAB 2前半部分，即LAB 2F，就可把它标定在复原剖面上。LAB 2后半部分（LAB 2R）为局部钉线至该逆冲席尾缘的地层长度。依次测得LBC 2F，LBC 2R，LCD 2F和LCD 2R的长度。LBC 2F和LCD 2F给出了局部钉线与往前陆方向的地形线TS间的长度。LBC 2R和LCD 2R则给出了局部钉线与后面的断层3之间的距离。,一条剖面的复原

8、 在复原剖面上恢复出断层3的形状后，接着就将其它逆冲席内的各个地层进行复原（即以地层的长度数据重新确定所有断层的位置）。当所有断块都能正确地拼合在一起时，剖面就真正平衡了（平衡条件）。变形剖面与复原剖面上的线条长度应该是相等的（平衡条件2）。,一条剖面的复原 逆冲断层通常以阶梯状的轨迹向前上切地层，而不会反向弯曲。当复原的断层轨迹定位时，它们应适当地倾向后陆（图164a)。图164b所示的轨迹显然是不可思议的，因此，相应的变形剖面由于几何学上的不合理而无法被采用。,四、波状层法及关键层法波状层法 如果在变形剖面中岩层的长度标绘正确，则在去褶皱和断层作用的复原过程中，所有的断坡将会完全匹配（模板

9、假说）（图131），而且复原的各地层将会纳入初始的未变形的地层楔中。,波状层法 Dahlstrom（1969）最初将线长或波状层的平衡法定义为一个复原的逆冲席内部要求各岩层长度保持一致性（图132）。,波状层法 实际上这种一致性并非一成不变，反而确实需要合理的变化。通常有两种情况可能会出现岩层长度不相等。在逆冲断层发育地区，许多同造山沉积物是在已经缩短了的地层之上沉积的。只有前造山沉积物才是完全可复原的，同造山沉积层通常要比复原的前造山沉积层的长度短。在伸展环境中，沉积作用一般随生长断层的活动同期进行，由于伸展量的增加，每一套较年青的沉积层都会比它早先的沉积层要长。,波状层法 对逆冲带剖面的平

10、衡都是首先按照逆冲断层的规律绘制出变形剖面，然后测量所有岩层的长度以重新确定未变形状态中断层的位置。如果一条逆冲断层在复原时倾向错误的方向，我们就认为该变形剖面是不平衡的（它在几何学上是不合理的）。当波状的地层能够在地震反射剖面上反映出来时（图133），这种方法比较奏效。但是当剖面只有地表资料并且观察不到下盘断坡时，情况就要困难的多。,波状层法 当一条断层的倾向反转时（图134），就会存在两种可选择的修正方法：要么必须缩短上部地层，要么必须加长下部地层，但是要作出选择并非易事。如果一些逆冲断层以违序形式出现，那么它们将切割已发生过褶皱或错断的地层，而它们复原后的倾角就会是陡倾的，甚至是倒转的。

11、,波状层法 通常，在具有若干叠瓦断层的剖面中，每当复原一条断层后，后继的更靠近后陆的断层就会变陡一些。这一点几乎总是意味着，在每一个逆冲席上部岩层都有点过长而下部岩层有点过短。由于测量是从前陆钉点向后到逆冲带，每一个复原了的逆冲席的长度都增加到它前面的逆冲席之上。在一开始复原时，由前陆下盘断坡或仅由一个逆冲席产生的误差都可能使上部地层出现多余的长度，从而使向后陆复原的所有其它的逆冲席呈现出奇怪的样式。当一条剖面由于出现逆冲断层倾向反转而被证实为不合理时，就需要检查每一个逆冲席是如何复原的，并注意观察逆冲断层发生倾向反转的真正部位。这通常是由于更靠近前陆的逆冲席的复原过程所引起的。,波状层法 当

12、逆冲断层的倾向出现反转时，评价一条剖面最好的方法就是看一下地表构造在复原过程中被错乱或歪曲到什么程度。如果“平衡”剖面显示确实发生了这种情况，就需要重新绘制深部构造，以比较好地保持地表构造形态。我们通常对深部岩层几何特征的细节所知甚少，因此要按照我们对深部构造的解释来强行改变具有良好控制条件的地表构造几何形态是不合理的。即使利用钻井和地震资料，我们也应当尽可能地保持地表的构造形态。,关键层法 关键层法是波状层法的一个变种，主要用于具有部分透入性变形岩层的地区。波状层的复原主要用于具平行褶皱作用和最小的透入性应变的主要构造岩性单位（图135）。逆冲断层的复位是以关键层的几何特征为依据的。在具有地

13、震资料时，首先应进行平衡的是关键性反射层，而不是同时处理所有的地层单位。一旦勾绘出构造轮廓，就可以根据钻井或地表资料填入整个地层序列。,关键层法：在将波状层法用于关键层的过程中，为了缩小误差，需要用反复逼近的方法将地表资料的线长度及面积合理纳入剖面中。第一步就是要选出一个在该区所有逆冲席中均出露良好的地层单位。它应表现出最小的透入性变形，以利于波状层平衡方法的应用。最理想的情况是其上盘及下盘断坡均保存良好。下一步只是通过波状层法将该单位复原，将钉线设置于前陆的一点或一个褶皱的轴面上，并钉在最低的断层线上。局部钉线必须被用来将关键层同其余部分固定在一起。在平衡过程中，它们应当保留已知的地表形态。

14、,五、等面积法 平衡操作中的等面积法要求：一个逆冲席，或者其中的某个岩层的剖面面积，在变形和复原两种状态下均相等。等面积平衡的基本涵义有两点：其一，一旦把一个波状岩层展平，而其中又表示了合理的断层轨迹，则面积平衡就能证明，在变形和复原的两种情况下岩层的长度（L）和厚度（T）是彼长此消的；其二，在地震剖面或特别复杂的剖面深部，要确定波状岩层的长度可能是困难的，或者是根本不可能的。假如我们已知位于深部的地层单位厚度（T）以及剖面所占的面积（A），就可以计算出有关的地层长度（LAT）。,等面积法 Gwinn（1964，1970）通过比较岩层长度和剖面面积，绘制了中央阿巴拉契亚剖面（图14l）。其中只

15、出现在上部刚性层中的波状岩层缩短量仅是用等面积法测得的下部地层缩短量的13，这是因为他低估了复杂叠瓦构造中的地层长度。,等面积法 Gwinn是用剩余剖面法计算一个变形剖面的总缩短量的。这种方法虽然给出了一个总缩短量，但是不能指出波状层平衡的错误出现在哪里，因此，它对勘探或小范围的研究用处不大。这个例子告诉我们，在这一地区这两种方法的结果是不同的，因而在其中任一种方法获得令人满意的结论之前，应当进一步摸清情况。,等面积法 在地层发生紧闭褶皱或强烈变形地区，波状层法很可能失效，因而等面积法则显得尤为重要。在对标志层进行平衡时，要对以夹层产出的，通常是软弱的或透入性变形的岩层进行面积测量，以作面积比

16、较；按照“平衡”原理，在变形和复原两种状态下它们的面积必须相等。由于不能用波状层法平衡，当然就必须用等面积法来平衡。,等面积法 当逆冲断层没有全部出露地表时，最常用的办法是将深部推断为双重构造及隐状叠瓦构造。这些构造使剖面在深部发生缩短和增厚作用，不过这种作用只与顶板和底板逆冲断层有成因联系（图142）。通常，深部构造图都是概略的，所以，它们主要受倾角变化分析和面积平衡所限制。,等面积法 当双重构造出露于邻区地表，并可以投影到所研究的剖面的深处时，最能证明双重构造解释的选择是正确的。另一种可能是，在高度不均一的地层单元中，双重构造也许是一种必需的“典型”构造。“典型”双重构造的例子有苏格兰莫因

17、逆冲断层之下的寒武一奥陶系盖层和田纳西州东北部科纳索加的碳酸盐岩和页岩互层的过渡相中所展示的构造现象。,等面积法 最常见的等面积平衡方法是首先进行波状层平衡，建立一个变形剖面和一个复原剖面，然后对每个逆冲席及其中的每一个岩层进行面积平衡。这就是目前绝大多数学者所认可的等面积平衡方法。所测定的面积愈小，测量误差就愈大。如果要平衡每一逆冲席中的每一个岩层，最好首先对该逆冲席进行总体面积平衡，然后把三或四个岩层合在一起作面积平衡，最后再作单个岩层的面积平衡。,等面积法 要精确地追踪一条线是非常困难的。虽然通过反复测量所获得的平均值能使误差有所降低，但在测定许多薄岩层时这种方法收效甚微。因此，在剖面复

18、原的第一阶段（波状层平衡和面积平衡）就是绘制出整条剖面或其中一段剖面的经过简化的地层，同时使测量误差减到最小。第二阶段，是利用细分的地层进行复原，并且提供局部可复原的地质剖面。另一种方法，是在进行平衡之前把剖面放大，然后再将其缩小。这也能减少测量误差，不过在平衡大剖面时需要极长的纸张。,六、透入性变形岩石的复原 横剖面平衡的概念也适用于具透入性变形岩石的地区。基本的工作原则是必须将构造分解开。我们的目的是建立“可复原的”剖面，而不是严格“平衡的”剖面，因为有关线条长度和剖面面积守恒的假设在劈理化地区和变质地区显然是不适用的。,透入性变形岩石的复原 几乎在所有的逆冲变形地区的强应变带中均会发育有

19、劈理。在任一剖面中只要出现仅占岩石很小比例的（510）强应变和透入性组构，至少在对剖面进行平衡的最初阶段可以将其忽略不计。对大多数剖面来说，所用的地层厚度和基底深度的允许误差也是510。劈理化在紧邻逆冲断层面的变形带内，范围很小，故在最初的平衡阶段可以将其忽略。,透入性变形岩石的复原 随着温度和压力的增加，褶皱机制发生改变，真正的平行褶皱也就消失了。劈理通常首先出现在褶皱的枢纽部位。通常，碳酸盐岩是显示透入性变形的主要岩性，但是其它的地层单元则保持了它们原始的长度和厚度。因此，对这些局部劈理化的逆冲席的复原，必须依靠无劈理化地层或标志层的波状层平衡方法及强烈变形地层的面积平衡方法。如果变形剖面

20、中劈理化岩层的面积与复原剖面中相应岩层的面积存在较大的差异，则该差异就很可能代表了在该层位中发育的透入性组构所引起的面积（体积）变化。,透入性变形岩石的复原 如同在前陆带一样（图232），断层向前上切剖面并具有断坡断坪几何特征，一般也适用于低级和中级变质的地区。透入性变形地区中的许多逆冲断层和褶皱可能形成于低级变质阶段，后来的变质作用和可能的再变形作用在大多数情况下不可能彻底破坏对复原起关键作用的原始几何形态和组构。,透入性变形岩石的复原 逆冲断层分析的其它基本原则在低级变质岩区也是适用的。尽管发生了变质作用，仍可用切层线图（图23一4）来探索断坡和断坪的地理位置，它们也是变质逆冲构造制图的重

21、要补充内容。,变质岩中的矿物线理对确定构造运动方向（因而也对确定强变质岩的复原方向）具有重要意义。这种线理通常与褶皱和断层构造的平均运移方向平行，在许多情况下，为复原方向提供了比前陆地区更好的证据。,七、复原剖面实例简单双重构造的复原 图17一1表示了一个双重构造的复原。和一般剖面复原一样，双重构造复原也必须首先把已经变形的地层展平。在这个例子中，地层厚度是变化的。因此，在展平的地层剖面中，我们必然要建立一个沉积楔。,简单双重构造的复原 复原的第一步是确定一个基准面，为此我们把Grinnell（G）组的顶界选作基准面。在本剖面内，Grinnell(G)、Appekunny（Ap）组以及中、上A

22、ltyn（uA）的地层厚度从东到西基本没有变化，因此这些地层可以按等厚的方式展平。下Altyn组（黑点所示部分）自西而东逐渐变薄，因此，下一步就要分别测定剖面两端的下Altyn的厚度，确定剖面端点间该层的长度，同时将这些测量结果标绘在复原地层模板的相应位置上。,简单双重构造的复原 在建立了变形前的沉积楔轮廓之后，就可以开始在该图上确定逆冲断层轨迹，首先，在Grandall山以东的Lewis逆冲断层之上的大逆冲席的中心部位设置一条钉线。在得出此钉线与剖面东侧厚度测点间的地层长度后，就可以将钉线定位于未变形的地层模板上。以钉线为起点，分别测量钉线到断层迹线间的地层长度、各断块内的地层长度，并在钉线

23、的东西两侧分别绘出各条逆冲断层的轨迹。,祖父山构造窗的复原 剖面的编制和平衡会由于多期不同变形样式或者两个或更多的构造区拼合在一起而复杂化。例如，南阿巴拉契亚经历了晚元古代的伸展和两期或两期以上的古生代挤压事件。早期的伸展事件影响了后来形成的逆冲席的几何特征。裂谷盆地的位置和形状可能控制了逆冲席的前缘和侧向断坡作用以及双重构造带的形成。一些晚元古代的伸展断层在早古生代又重新活动而变为剪切带和逆冲断层。,祖父山构造窗的复原 为了建立和复原祖父山构造窗地区的剖面，必须考虑早期伸展构造作用的影响。通过编制一条横剖面，揭露并阐明多期的变形作用。复原结果表明，祖父山沉积盆地东缘的几何形态形成于晚元古代，

24、早于逆冲作用。在推断的伸展断层附近的冲积扇砾岩的存在（Boyer等,1970）以及沉积物朝西北方向的搬运（Schwab，1977）等，支持了盆地形态的这种解释。,八、多种工作假说：错误是真是假？当两个块体被滑脱面分开时，线长平衡就会出现较多问题，岩层长度就很难对比。例如，在考虑Waterton地区的可能解释时，Dahlstram（1969）(图18一1）指出，中生代地层的缩短量比古生代地层大。一种解释是，古生代地层中的叠瓦构造直接上延至上覆的中生代地层内；相反，另一种可能是，这两个层次的叠瓦构造被一个沿侏罗纪地层的滑脱面分割开。,多种工作假说：错误是真是假？前一种解释是不可取的，因为它与滑脱面

25、以上部分的位移是向上增大的现实不相符。他所采纳的是，在古生界和中生界地层之间存在一条沿侏罗系的滑脱面的剖面。由于这两套地层被滑脱面分开，所以不能运用比较中生代和古生代地层的长度来达到平衡。多余的中生代地层长度原先是覆盖在该剖面以西地区的古生界之上的。在编制“局部”剖面时就经常会碰到这种问题；而在编制“区域”剖面时，却比较少见。,多种工作假说：错误是真是假？在剖面平衡中出现的顺层滑脱构造的问题，通常可以通过增加剖面长度加以排除。例如，将Waterton剖面向西延伸，将Lewis逆冲席之下的古生界叠瓦垛也包括在内，这个剖面就可以平衡了（图18一2）；可以把中生代地层和古生代地层的缩短量视为相等的。

26、为了便于平衡，剖面应包含可以辨认出的最高和最低的滑脱面；而且为了使上滑脱面下切剖面和最终并入底部滑脱面，剖面应当向后陆尽量延伸。,多种工作假说：错误是真是假？“平衡剖面必定是正确的剖面吗？”就平衡剖面本身而言，它们是根据所掌握的有限资料编制的，因此平衡技术不能保证剖面的精确性，不过它能确定一条剖面是否是合理的和可行的。“一条看来有严重错误的剖面是否有可能基本正确？”事实上，能得到的控制条件越多，剖面不易于平衡的可能性就越大。在毫无地下资料和地表研究程度低的情况下，人们能轻易地“拼凑出”一条剖面以便平衡，因为此时没有任何限制条件。当剖面受到高度限制而又不平衡时，这可能意味着我们对某些起作用的地质

27、作用并不完全了解，或者违反了构成平衡基础的假设条件。这些假设之一是在区域性范围内无普遍的层间剪切。另一个假设是地层长度守恒原则，在所测量的不同层位之间不存在顺层滑脱构造。其它的错误可能由伴随层间剪切的压溶效应及违序逆冲作用所引起。,多种工作假说：错误是真是假？例如，图183a中，上、下盘断坪匹配不当。不用测量线条长度，就能立即发现在钉线1与钉线2之间B层顶面的长度比A层顶面的长度要大的多，这个剖面因此是明显错误的。,多种工作假说：错误是真是假？但是如果从区域尺度上来考虑，则该剖面很容易改正。如图183b所示，靠后陆一侧有一条逆冲断层上延到A与B层之间的接触面，说明在AB接触面上存在一个区域性的

28、滑脱构造。将剖面向左侧延伸，就把这个断坡背斜包括进来了。C是这一条剖面的继续复原。从区域尺度上考虑时，剖面事实上是平衡的。,九、三维模型和走向“平衡“剖面三维模型和走向“平衡“剖面 立体图解对于理解地质构造的几何学和运动学是非常有用的。Wilson等（1985）利用这种方法解释了坎伯兰特高原逆掩断块地表构造的深部成因。Harris（1977）在解释松树山逆冲席倾向特征时辅以一系列的走向剖面。,三维模型和走向“平衡“剖面 构造的侧向变化，尤其是经过滑脱的地层的构造侧向变化，可以产生伴生的褶皱和垂直逆冲带走向的断层。为了了解这种构造是如何形成的，可以制作如图19l（Boyer，1985a)所示的模

29、型。,三维模型和走向“平衡“剖面 一个逆冲断层的侧断坡作用（图19一2）形成了两个横跨走向的褶皱（Boyer，1978）。当逆冲席ABCDEFHG向前运动到上一个断坪之上时，上般切层线（侧断坡）BC和DE就被迫与下盘断坪一致，并以形成断弯褶皱同样的方式形成了横向褶皱构造。把上盘侧切层线调节到下盘断坪的过程，也许还可以通过横跨走向的伸展断层的形成而辅助完成。,三维模型和走向“平衡“剖面 当碰到下盘朝下的断坡（而不是朝上的断坡）时，就会出现相反的情况（图193a)。这里的褶隆区并不是上盘的过量物质所引起，而是由下盘过量物质所产生的。主上盘之下的一个夹块和下盘都能使地表的逆冲席出现类似的褶皱作用。横

30、向褶皱作用和捩断层作用也可由垂直的或近于垂直的侧断坡所引起（图193b，C），这些断坡可以断层形式扩展，并切穿上覆岩席（Boyer，1985b）。,三维模型和走向“平衡“剖面 在许多逆冲带，常可以见到表层横向的构造不连续现象，它们或表现为横跨走向的斜列褶皱及横向捩断层，或表现为线性弯曲。很多研究者通常直接把它们与基底断裂的走向相联系。而侧断坡不仅会影响直接上覆的逆冲岩席的平面图型式，而且也会影响到其它上覆的岩席。因此，深层次的侧断坡的产物恰恰可以用来确定和解释横跨走向的构造不连续现象的线性弯曲。许多侧断坡与断坡区的地层密切相关，而与基底断裂的走向也许无关。这两种可能性都必须予以考虑。,走向“平衡“剖面 由于我们假定，从几何学角度逆冲岩片是能够复位到它们变形前的状态的，所以我们要平衡的是平行于运动方向的倾向剖面。走向剖面虽然不能进行平衡，但它们对于了解一个地区的构造演化，通常是一种附加的手段（图19一4）。,走向“平衡“剖面 利用一系列平衡了的倾向剖面，通过将倾向剖面中的断层面和各地层合理地延伸到走向剖面的对应位置上，便可以编制出“平衡的”走向剖面或“平衡的”立体图这类图件（图195）。,谢谢！,