回剝法，又稱反演法,是指利用現在沉積物厚度,逐層恢復到地表,並進行壓實、古水深和海平面變化的校正,從而獲得各層的原始厚度及盆地可能的原始形狀。
沉降量反演假設沉積物在壓實過程中,地層骨架體積保持不變,地層厚度的減小僅由孔隙體積變小引起,即地層厚度的減小是由深度決定的,而且認為地層壓實過程是不可逆的,即地層經歷後期的抬升,深度變淺,孔隙度仍將保持其最大埋深時的值。
基本介紹
- 中文名：回剝法
- 外文名：backstripping method
- 別稱：反演法
- 學科：沉積學
- 模型：地層壓實校正模型等
- 基本思想：獲得各層的原始厚度
基本思想,沉降史基本模型,地層壓實校正模型,剝蝕量的估算模型,沉積非補償模型,構造沉降量模型,構造沉降曲線套用及解釋,
基本思想
沉降史回剝法又名反演方法,即利用現在沉積物厚度,逐層恢復到地表,並進行壓實、古水深和海平面變化的校正,從而獲得各層的原始厚度及盆地可能的原始形狀。沉降量反演假設沉積物在壓實過程中,地層骨架體積保持不變,地層厚度的減小僅由孔隙體積變小引起,即地層厚度的減小是由深度決定的,而且認為地層壓實過程是不可逆的,即地層經歷後期的抬升,深度變淺,孔隙度仍將保持其最大埋深時的值。
具體可分為以下幾步:
1)根據各類沉積物的孔隙度-深度關係套用沉積壓實原理恢復沉積物原始厚度。
2)結合古海平面變化及古水深資料,恢復到一個相對水準面深度,這一般適應于海相盆地。對於陸相盆地此項可以省略,至此計算結果為沉積史或埋藏史。
3)考慮到沉積物重量造成的沉降,選用適當沉降模式如艾理均衡、彈性均衡、粘彈性均衡等,減去之,即可得到由於構造活動造成的沉降量。
沉降史基本模型
地層壓實校正模型
沉降史反演的第一步是進行地層壓實校正。Athy和Hedberg提出正常壓力下孔隙度與深度為指數關係,但對較淺地層不適應,為此Falvey和Middleton提出另一種模型:認為孔隙度的減小量變化和上覆地層負荷變化與孔隙空間和岩層骨架體積之比值的變化呈正比。若存在異常壓力,孔隙度與深度關係發生偏離,給深度附加一個係數得出異常壓力下的計算方法。總之,地層壓實校正將直接影響原始地層厚度的大小。實際工作過程中遇到的是多種岩性或薄層,對於前者比較容易處理,即按地層中砂泥含量的百分比來計算,而後者則採用綜合效應方法計算,即把多個薄層的同一岩性作為一厚層來考慮。同時,每種岩性的孔隙度與深度關係可能呈帶狀分布,依此可以對沉降量作出最大和最小估計,選用小的孔隙度與深度關係估算的沉降量最大,反之,選用大的孔隙度的關係估算,估算的沉降量最小。
對於成岩作用強的地層,在恢復其原始厚度時,考慮脫岩化作用的上限,即認為地層厚度減小完全由機械壓實作用引起,其下限,即認為僅非鈣質泥、頁岩厚度減小是機械壓實作用的結果,其它岩性則完全由外來膠結作用引起,二者雖然構造沉降絕對值大小不同,但趨勢是一致的。
剝蝕量的估算模型
地層原始厚度恢復過程的另一大難題是剝蝕量的估算,有關剝蝕量的估算已提出許多方法,如:沉積速率法、聲波時差法、裂變徑跡法、地質綜合法等。但目前無一種既經濟又精確方法,預計下一世紀仍將困擾著地質學家。目前一般採用地質綜合分析的方法,其誤差比較大,直接影響著沉降量精度和正確性,甚至影響著平衡剖面精度和正確性,這樣,勢必對用平衡技術來解釋的剖面質量和依此對地質構造演化的認識提出疑問。筆者認為,利用地質綜合分析的方法先估算出剝蝕量,再把此值視為沉積物厚度並計算沉降量,然後由地質學家考慮二維,甚至三維空間上合理性給出估算值,並給出誤差範圍,這樣,沉降量更接近實際。
沉積非補償模型
盆地分析中沉降史反演,究其本質是利用現在沉積物厚度來推算當時構造沉降量,前者是沉積學中一個基本參數,其大小受控於多種因素,如:物源供應,水動力大小,沉積物堆積速度[5],古地貌、古構造、沉積相帶分布[6]、構造沉降量等,這說明沉積物厚度是多個自變數的函式。因此,在用厚度反演構造沉降量時,要綜合分析,把沉積與構造相結合來進行。從這個意義上講,構造沉降量反演過程正是把沉積與構造研究結合的過程,體現出構造沉降量反演是沉積與構造研究的結合點和生長點。例如在三角洲形成過程中,前三角洲沉積物比較細,泥含量大,地層厚度薄,而前緣沉積為砂含量高,地層厚度相對較大。若僅從厚度來恢復構造沉降,後者構造沉降大於前者,這顯然是不合理的。原因在於前三角洲沉積是非補償性沉積,因此在計算沉降量時必須考慮影響沉積物厚度的因素,把沉積學研究與盆地構造統一起來,這樣計算的沉降量才具有地質意義,即把沉降中心與沉積中心統一起來。
構造沉降量模型
構造沉降量反演一般公式為：
其中,假設岩石圈回響沉積物負荷為周期性方式。同時認為水平方向作用力為零。顯然,在盆地形成過程中,水平方向作用力等於零的情況很少,這種作用力存在將使盆地在垂向受力發生改變,即直接影響盆地構造沉降量。擠壓使盆地沉降量增大,張性力反之。考慮到地殼為脆性,可以假設水平方向的作用力是通過板狀彈性固體傳播的,那么板塊相對運動產生的力對成盆作用貢獻的力的大小是不變的,但隨著板塊之間的相對運動速度變化,對盆地作用力亦發生相同的變化,這將是一個複雜的地質過程,有待進一步研究。
這裡必須強調的是:在地質條件下,c值的估算並非易事。c大小與抗撓強度有關,若抗撓強度估算誤差為一個數量級,就可引起c值較大的差異。而抗撓強度估算又不易,一般採用重力資料進行約束。對大洋盆地來說,計算效果較好;對大陸盆地就必須慎重,因為大陸岩石圈抗撓強度受各種因素影響,如時間、熱事件及其它地質條件。正是這些不確定因素使c值估算複雜化,隨著資料積累和認識的提高,c值的估算會得到進一步完善。同時也是涉及到目前全球大陸動力學研究的熱點問題。反過來,c可作為判斷盆地是否達到均衡狀態的指示函式。因為對於不同地區、不同的構造環境以及盆地不同發展階段,c值是不同的。因此,可用c作為確定一地區或盆地特徵、演化現狀即趨勢的參數。雖然上述眾多因素影響構造沉降量絕對大小,但為了簡化並說明問題,對於陸相盆地,則不考慮古水深等因素,因為只要沉降量相對大小不變就可以了。
構造沉降曲線套用及解釋
以構造沉降量為縱坐標,以相應的地質年代作為橫坐標,作出曲線稱為構造沉降曲線。固然,作出構造沉降曲線是基礎,但對於地質學家來說,曲線解釋可能更重要。對此解釋的正確與否,直接影響著地質結論的正確性。
對於不同構造環境, 沉降曲線特徵不相同( 圖1) 。對於典型一期裂谷拉張盆地一般為二段式, 分別命名為初始沉降和熱沉降( 圖 1中曲線① ) , 多期裂谷則為多個依次相連的二段式, 如圖 1 中曲線④是兩期裂谷沉降曲線。
前陸盆地與裂谷沉降曲線樣式相反( 圖 1 中曲線②) 。剪下盆地沉降曲線樣式界於二者之間, 與剪下作用相關的拉張盆地的沉降曲線同張性盆地特徵一致, 但沉降幅度相對較小,而且初始沉降階段較長; 與剪下作用相關的擠壓盆地的沉降曲線同前陸盆地特徵相似,幅度亦相對較小。克拉通盆地沉降曲線( 圖 1中曲線③ ) 具較小的沉降幅度, 平均構造沉降速率低, 分階段、不連續、不規則, 由幾期小沉降段複合成; 具上凸沉降模型, 抬升和無沉降經常發生, 上凹型很少; 另外, 全球克拉通盆地的沉降具有同時性, 每一沉降階段基本同時。由於盆地演化多期性, 決定了沉降曲線樣式是複合形式, 很可能是上述曲線樣式其中的一種或多種複合, 例如黃驊盆地中新生代至少經歷兩次裂谷作用, 沉降曲線與 Roer Vally 地塹特徵相似, 總體為兩個兩段複合式。反之, 從盆地沉降曲線樣式可得到盆地構造演化史的信息, 如曲線斜率大小和曲線上的拐點往往與盆地發展經歷的構造運動強度和期次相關。另外, 曲線出現“鋸齒”, 暫稱為鋸齒狀沉降曲線, 其成因可能與存在板內應力有關。需注意的是, 單從一條曲線可能不會說明問題,
必須從二維、三維角度來綜合分析。許多裂谷盆地, 構造沉降曲線為三段式( 圖 1中曲線①) 。於一般裂谷曲線相比, 出現比較短的第三段, 但斜率明顯增大。這可能是盆地中巨厚的沉積物負荷為後期沉積物提供空間, 即非構造運動造成的。因為在構造運動相對平靜時, 而且持續時間比較長, 重力均衡充分可產生沉積物 2～3 倍的空間( 艾理均衡) 。雖然重力沉降量較小,但機理是一致的。另一種解釋為裂谷持續作用或者說裂谷作用兩階段不能截然分, 第三種解釋為下次裂谷作用的開始, 第四種解釋為板內應力作用的結果 。
正確認識和解釋這一點對現代盆地沉降研究乃至水利工程施工和投資有重大的指導意義。因為水利、基建等工程建設都與盆地構造、沉積、性質有關, 以及現代城市中大量自來水被抽去, 使城市地基不穩定下陷等問題都與此有關。
構造沉降史反演套用已取得很大進展, 限於篇幅以下僅給出幾個比較典型的例子:
1) 反演構造沉降曲線與正演理論曲線對比, 求取伸展率, 並與用剖面計算的伸展率相比較 , 依此提出以沉降曲線作為二維、三維約束條件的更合理的盆地演化模式。
2) 對沉降曲線分析可得出盆地形成時期, 例: Bond 根據加拿大落基山脈下古生界碳酸岩的構造坳陷曲線提出北美科提拉被動大陸邊緣於 600 Ma 形成。
3) 對反演構造沉降曲線作運動定量分析, 獲得一系列運動學數據, 編制相應的圖件, 並對比分析, 定量闡述成盆期運動規律和構造特徵, 據此可把盆地分析中動力學和運動學有機地結合起來。
4) 反演構造沉降是盆地模擬的一個重要方面, 盆地中的地熱、壓力、生油等模擬都必須依此為基礎。同時亦是定量動力地層學研究的基礎, 所謂定量動力地層學是在控制盆地的沉降、海平面變化和沉積物供給等因素, 對盆地充填物影響的一門科學。依此作地震合成記錄的地質模型進行地震反演, 並與地震剖面對比, 這樣就可以在地震剖面上進行沉積相、岩性的解釋, 減少勘探風險。
5) 構造沉降史正反演相互約束, 得出的盆地成因模型更具有生命力。例如通過計算盆地沉降史, 統計其熱沉降與初始沉降之比, 並與正演模型計算結果對比, 以此來約束盆地成因機制。必須認識到構造沉降史反演套用仍面臨著許多問題, 尤以成岩作用、流體等物質代換,以及地殼對沉積物負荷相應機制更為突出, 大陸性地殼問題則更為複雜。但正是這些問題使這門新興科學更具有強大的生命力和挑戰性。
