石油勘探实习指导书：构造演化平衡剖面分析

实习二　构造演化的平衡剖面分析

一、实习目的和意义

平衡剖面就是指将剖面中的变形构造通过几何原则和方法全部复原的剖面，是全面准确地表现构造的剖面。利用平衡剖面技术对盆地的构造发育史进行复原，可直观地再现地下地质构造的原始几何形态，提供野外观测剖面、室内地震剖面的构造方案，并对解释结果进行正确性检验。

本次实习将以实习一中伸展盆地典型横剖面的精细解释结果为基础，利用目前广泛使用的2Dmove软件，进行平衡剖面恢复，使学生了解并掌握平衡剖面分析的软件及其操作方法，更深入地理解该类盆地的构造形成演化史。

二、实习内容

（1）了解渤海湾盆地东营凹陷的区域构造演化史。

（2）了解平衡剖面技术的基本原理、计算方法、制作原则和基本步骤。

（3）掌握2Dmove软件操作，选择东营凹陷完成其关键构造变革期的平衡剖面分析。

（4）综合区域资料和实习获得的构造发育史剖面，分析东营凹陷的构造形成演化过程，完成课程实习报告。

三、实习所用资料

（1）实习一中东营凹陷区域构造横剖面的地震地质解释成果（附图1，解释所有断层和层位）的jpg格式图件及其剖面实际长度。

（2）附图1的时深关系数据表或关系式［本次实习采用y＝139．19x 2＋904．75x＋10．013，R 2＝0．998 7，x代表双程时间，单位是秒（s），y代表深度，单位是米（m）］。

（3）附图1的剥蚀相关数据，包括剥蚀时间、剥蚀厚度和剥蚀范围等（本次实习设定附图1中井1剥蚀厚度为300m左右，古近系末期剥蚀间断时间在4 Ma左右）。

（4）东营凹陷的构造特征及其演化过程方面的相关调查研究资料等。

四、实习所用软件

2Dmove是一套功能强大的二维平衡剖面分析工具，可在局部和区域的尺度上建立、平衡、恢复和分析二维构造解释结果，通过它的一系列分析，可得出可信、平衡及复原的古构造模型，包括局部地壳均衡和弯曲均衡、去压实、深度转换和埋藏史分析等。它可解决构造解释中存在的不确定性问题，无论是野外地质观测剖面，还是二维、三维地震地质解释剖面，它的确能够严谨而有效地解决“所研究地质模型会怎样”和“地质模型最可能这样”的问题。本次实习中将采用的软件是2009．1的试用版。

五、实习步骤

1．选择剖面，准备相应基础数据包

选择的剖面线方向应该与构造作用的方向一致或者趋于一致，也就是说，要垂直于构造的走向或者近似垂直于构造走向，本次实习选择实习一的附图1、附图2的剖面，并准备好其相应基础数据包。

2．打开2Dmove软件，导入地震解释时间剖面图片文件（或加载地震数据体）

打开软件（图2－1），新建Section窗口，将会弹出相应对话框（图2－2）。在Units复选框中选择X、Y（一般选择km）、Z（一般选择ms）的坐标单位；在Position复选框中选择Section而不是World，再根据剖面特征填写剖面长度（Left一般为0、Right为剖面实际长度）和剖面深度（Top、Base填写导入剖面的顶底时间值）。

再在新建的Section窗口中导入解释好的地震剖面图片（图2－3），此时一定要注意让导入剖面的纵坐标时间轴和左侧时间刻度标尺一致［图2－3（a）］，而不是图片顶部和左侧时间零刻度一致［图2－3（b）］。具体做法就是裁剪掉剖面的顶、底部，使其顶、底值和图2－2中的Top、Base值一致。比如附图1顶、底裁至250 ms、3 250 ms刻度线上。

导入成功后，保存自命名的＊．mve文件（为保证后期能正常打开和数据链接正确，建议保存在默认目录下）。

3．时深转换，把时间域剖面转为深度域剖面

在主界面点击主菜单Operations→Depth Convert，进入Convert to Depth窗口（图2－4），在右下方下拉菜单中选择、给定时深关系式的对应函数。例如时深关系符合一元二次方程就选Quadratic，再依次填入a、b、c、d值，点击Apply，时间剖面就可转为深度剖面。

如果提前用别的方法和软件进行时间域到深度域的剖面转换，即导入的剖面就是深度域的剖面，就不需要在2Dmove软件中做时深转换了。

实践证明，利用2Dmove软件做时深转换，如果时深关系比较粗略、速度随深度变化较大，得到的深度剖面在水平方向上需放大5～10倍才能看着协调，所以建议直接导入深度剖面。

4．描摹或解释层位和断层，矢量化深度域剖面

描摹断层线、层位线，即创建Polyline；加上剖面左右垂直边界线，即创建Post；利用每个断块周缘的Polyline线和Post线联合造区填色，即创建Polygon。

图2－1　2Dmove软件初始界面图

图2－2　新建Section弹出窗口

图2－3　导入解释地震时间剖面

图2－4　时深转换界面

创建Polyline和Post时先选择左侧颜色盒的颜色，再点击左下角对象工具栏的下拉箭头选择线的宽度，最后点选左下角的点折线快捷菜单（先选线属性再点击画线菜单可使其成为缺省值。每画一根线，需再点击一次点折线快捷菜单），沿已解释层位和断层进行描摹矢量化［图2－5（a）］。如果描摹过程中需要修改位置，可选中后点击右键菜单进入编辑状态，如需修改某条线的属性，如名称、颜色、粗细、线集合等，均可进入右键菜单中的属性窗口中修改。具体线操作的快捷方法可参看软件Help菜单提供的帮助。

描摹完所有层位和断层线后，就可给每个断块造区填色，在创建Polygon时，一定要注意3个问题：一是先要用Post创建一个基准面线，即水平线；二是为保证层位线和断层线的充分闭合可对层位线进行必要延伸，再选择上部编辑工具栏中Tidy菜单去掉多余线头［图2－5（a）］；三是严格按照顺时针或逆时针选取断块周缘的每根线（包括Polyline中的层位线、断层线和Post中的边界线）来造区，需按住Ctrl键选择所有涉及Polyline和Post集合中的线条。

图2－5　描摹和造区界面

一定要注意每个层位都用不同颜色表示，但同一层位的多个断块填色要统一。每个断块都成功造区填色后［图2－5（b）］，再次保存自命名的＊．mve文件（命名注意自明性）。在创建完Polygon后，可在左侧文件管理窗口中关掉底图Image。

5．去压实恢复

在主界面点击主菜单Operations→Decompaction，进入Decompaction窗口［图2－6（a）］。首先在左侧Top Beds中填入要回剥掉的地层涉及的所有填色断块，比如图2－6（a）中先剥掉顶部的黄色地层，就在主窗口左侧文件管理窗口中按住Ctrl键选择所有黄色Polygon，再点击Decompaction窗口中Top Beds下方的Add键。其次在左侧Base Beds中填入剩下所有地层涉及的填色断块，比如把图2－6（a）中剩下的所有灰色地层断块Polygon点击Add键加入。最后在左侧的Intermediate Beds中填入除剥掉Polygon外的所有剩余Polygon、所有Polyline 和Post集合中的线条，并勾选左下角Use Polygons前的方框。

在Decompaction窗口的右侧边界条件窗口中，可根据已知地区的实测数据补充填上。最后点击右上方Apply键，就可实现回剥地层后的剩余地层去压实回弹［图2－6（b）］。

图2－6　去压实界面

在某套地层去压实结束后，去掉上部多余地层线，并保存阶段性＊．mve文件。

6．去断距恢复

在主界面点击主菜单Restoration→Fault Parallel Flow，进入Fault Parallel Flow窗口［图2－7（a）］。在左侧Move By复选窗口中选择Point方法消除断距。

图2－7（a）中上部Fault复选框中添加待消除断距的断层，这时可看到左侧Move By复选窗口下方的Pick菜单激活，点击它，沿断层面画上消除断距的钉线（可以是曲线）。一般假设下盘不动，如果是正断层，钉线箭头朝上。如果是逆断层，钉线箭头朝下。为保证消除断距精确，最好把待消除断距的断面附近放大若干倍，使钉线首尾两端准确吻合顶部地层沿断面的滑动轨迹。

图2－7（a）中下部Objects to be Moved复选窗中需添加待消除断距的断层上盘一侧的所有Polygon和Polyline，选取同区域不同属性物件的快捷方法是点击编辑工具栏中Select Freehand菜单，光标变成笔状，圈上所有待选的物件后，按住Ctrl键在所圈范围点击左键，光标变回十字形，点击Add键即可添加所圈物件。

上述设置完毕后，点击图2－7（a）右上方Apply键，就可恢复该条断层断距［图2－7（b）］。依此方法，消除该时期所有主要断层的断距（由主及次），在此阶段可去掉明显不控地层沉积的后生断层，并保存阶段性＊．mve文件。

7．剥蚀量恢复

若恢复断距后的阶段性剖面的顶部地层恰好具有剥蚀记录，则需按剥蚀范围、剥蚀厚度沿顶部层位线恢复剥蚀量，即把剖面上的顶部层位线、断层线恢复到剥蚀前的高度范围。与之相应的，顶部地层的层位线Polyline、断块填色区Polygon都要做相应修改调整，并保存恢复剥蚀量的阶段性＊．mve文件。

若恢复断距后的阶段性剖面的顶部地层无剥蚀现象，则直接跳过该步骤而进入下一步。

8．层拉平恢复

在主界面点击主菜单Restoration→Restore，进入Restore窗口［图2－8（a）］。在图2－8（a）左上侧Restore to复选窗口中选择Elevation来层拉平。左下方Template Line（s）复选窗口中选择待拉平的层位线［顶层的所有Polyline，若地层有部分剥蚀缺失，需先采用步骤7（剥蚀量恢复）方法恢复剥蚀量，若地层出现沉积间断，则需沿不整合面编辑补齐层位线］。在图2－8（a）中下方Other Objects复选窗口中选择所有剩余物件，包括Polygon和Polyline。最后点击图2－8（a）右上方的Apply键，就可层拉平该层［图2－8（b）］。在此阶段也可去掉明显不控地层沉积的后生断层，并保存阶段性＊．mve文件。

图2－7　去断距界面

图2－8　层拉平界面

9．构造恢复与分析

不断重复步骤5～8，就可恢复地质剖面不同沉积时期的古构造面貌，把关键构造变革时期的系列平衡剖面放到一起就组成了构造发育史图。在Coreldraw软件（或相关软件）上编辑这些系列图件，获得图文并茂的最终成果图件。

最后再结合区域构造背景、埋藏史就可综合分析该盆地的构造演化过程及其动力学机制，提交完整的课程实习报告。

六、实习指导

1．平衡剖面制作原则(www.chuimin.cn)

平衡剖面技术是地质思维与计算机技术的结晶，应用它对断裂、褶皱构造的研究提高到了定量的阶段，其依据是在垂直构造走向或近垂直构造走向的剖面上，地层长度（1D）、面积（2D）和体积（3D）是均衡的。平衡剖面方法是根据自然界物质守恒定律提出的，但鉴于地质问题的复杂多变性，为了便于进行研究，需要对复杂的地质问题进行合理的简化，使其达到能够利用数学手段解决地质问题的效果。所以平衡剖面的制作要遵循3个主要原则。

1）标志层长度一致原则

剖面中各个标志层的长度一致原则是在面积守恒的基础上提出的，其前提条件是在变形过程中地层的厚度没有发生明显的变化，地层只发生了断裂、褶皱。如果岩石间没有不连续面，则其恢复后的原始长度在同一剖面中应当一致，否则在长层与短层之间必须有不连续面的存在。

2）面积守恒原则

所谓面积守恒是指剖面由于缩短所减少的面积应当等于地层重叠所增加的面积，变形前后只是剖面的形态发生了变化，剖面的总面积没有改变。由于多数构造是在沉积后发生的，地层在变形前就已经受到压实作用，所以压实作用造成的面积或体积的损失不予考虑，对变形与未变形区域的同一种岩石，若密度或孔隙度基本不变，构造压实作用也可忽略不计。

3）地层沿同一断层位移量一致原则

位移量一致原则是进行断块间平衡的最有用工具。岩石发生断裂后沿着断裂面发生位移，原则上沿着同一条断层各对应层的断距应当一致，但实际上断距不一致的情况却很常见，应当做出合理的解释。断距不一致的情况可以用多种方法来解释，如断层向上发生分叉，各分支断层的断距之和等于主断层的断距；断层的位移也可以由向上的褶皱所代替。

平衡首先假设变形期间的体积基本不变，并且任何体积的变化可定量评估。为了精确地表示地质发展史，平衡必须考虑剥蚀、沉积压实作用、构造运动压实作用、压力压溶和沿着造山走向的伸展。现今通过计算机软件技术的优势，构造恢复和平衡能用更现代的手段进行。在此基础上MIDLIAND公司开发了平衡应用软件2Dmove，该软件构造恢复的基本准则如下：①变形期间的岩石体积基本不变；②岩石体积仅被剥蚀和沉积压实改变；③主导变形方式是脆性断层；④褶皱与断层有关。

2．平衡剖面恢复技术

平衡剖面的恢复技术主要有恢复法（由实际变形的剖面恢复到原始的、未经构造变形的剖面）和正演法（由原始未变形的剖面演化至经构造变形的剖面）。它们都需要对变形过程进行定量的分析，并且可以由此得到伸展量、缩短量等重要数据，正是这一点使地质构造的研究提高到了定量解析的水平。由于正演法实现起来复杂，涉及几何模型和变形模式的不确定性，所以目前广泛应用恢复法制作平衡剖面。

恢复法可分为非运动学恢复和运动学恢复。非运动学恢复主要有弯曲去褶皱（Flexural Slip Unfolding）、恢复到基准面（Restore）和“拼板恢复”等；运动学恢复主要有斜剪切（Inclined Shear）、弯曲滑动（Trishear）和断层平行流滑动（Fault Parallel Flow）等。

1）弯曲去褶皱

弯曲去褶皱算法可以应用于平行褶皱，该算法是通过去褶皱顶层和它内部的平行滑动系统到水平基准面或假定的区域来工作。滑动系统（平行于褶皱顶层）用来控制其他层的去褶皱，并作为层间联系和保持厚度变化。去褶皱时钉线或钉面和与它们相交的点不去褶皱或剪切，仅沿着钉线或钉面平移到基准面。钉线应对应于褶皱的轴面，或垂直于地层，且钉子长度要在大于层位纵向范围。平行剪切分量离开钉面而增加，而弯曲滑动分量随之减小（图2－9）。

该算法的原则如下：①模板层在去褶皱方向上长度不变；②所有平行于模板层的层长在去褶皱方向保持一致；③同一褶皱带的柱形或尖顶褶皱的面积保持不变；④面积不变；⑤相对层厚度恒定，层间的不连续滑动将沿着模板层在特定的点改变层厚。

2）恢复到基准面

恢复到基准面又称为垂直去褶皱，该算法允许地层被恢复到水平的或假定的区域基准面，通过垂直或斜剪切的方式去除形变而对每一层去褶皱（图2－10）。该算法的原则如下：①变形前后的层体积不变；②变形前后的去褶皱方向的长度是变化的；③变形前后的层面积是变化的。

图2－9　弯曲去褶皱

图2－10　恢复到基准面（垂直去褶皱）

3）拼板恢复

拼板恢复（图2－11）是一个为了鉴定岩石体积不足或超出、定义断块移动方向、形成初始地史模型而去除断距，进行恢复的快速查看过程。这种恢复类似于将拼板分片拼到一起。

图2－11　拼板恢复

拼板恢复的步骤如下：①用恢复到基准面算法或弯曲去褶皱算法拉平感兴趣层的各个断块；②锁定层位使之仅能在水平基准面内移动；③移动并旋转断块拼在一起。断块重叠的区域可以推断为表示岩石体积的增长部分，空白带表示岩石体积解释不足。

4）斜剪切

斜剪切算法将断层上盘的变形特征与断层几何形态联系起来。斜剪切被用来模拟变形，指出现在滑动系统中，以与地层成一定角度为方向、穿透整个上盘的变形，而不是在层内的不连续的滑动（如弯曲滑动）。斜剪切算法用一系列用户首选的参数来控制恢复，这些参数包括移动方向、剪切矢量和水平断距等。

斜剪切算法在正演时是通过扩展上盘、指定移动方向和位移来进行（图2－12），这种扩展建立了上盘和断面间的空白带，然后上盘垮塌到断面上，垮塌的路径由剪切矢量控制，剪切矢量方向可以与断面垂直、同向或反向。因此，斜剪切假定变形在上盘沿着一系列平行剪切钉线发生，这些钉线穿过断层面，其水平距离由水平断距参数定义。剪切钉线的长度不随着变形而改变，所以，断层面的地形传递进上盘地层成为褶皱。

斜剪切算法的原则如下：①体积不变；②剪切矢量棒的长度不变，即沿矢量方向断层面和上盘的标志层之间的距离不变。

斜剪切算法对于犁状断层的恢复是很有效的，犁状断层被定义成倾角随深度减小的断层，这种曲率或倾角变化与上盘的变形是对应的。

5）弯曲滑动

弯曲滑动算法用来模拟在褶皱和逆冲带发现的断弯褶皱的几何和运动特征。当一个断块相向滑向另一断块时，不平的断层面肯定在其中的一个断块产生扭曲，在此假定变形限制在上盘之内。弯滑算法应用于断层几何形态为断坪—断坡—断坪的构造样式，且斜面角度小于或等于30°。

弯滑算法的原则如下：①上盘地层的体积不变；②下盘地层保持不变形且不运动；③上盘层长不变；④这一算法限制于具有单一的断坪—断坡—断坪形态的断层；⑤上盘层的真厚度不变；⑥假定在断层位移之前地层是水平和平行的；⑦假定层平行剪切。

6）断层平行流滑动

断层平行流滑动算法基于颗粒层流（颗粒沿断层斜面流动）理论。断层面被分割成不连续的倾斜段，每一个倾角变化点标记一个平分线。流线是通过将不同等分线上的离断层等距离的点连接起来构成的，上盘地层的颗粒沿着这些与断层平行的流线运动（图2－13）。

图2－12　斜剪切算法正演模型

图2－13　断层平行流

断层平行流算法的原则如下：①不必像弯滑算法一样计算轴面；②3D上盘体积不变；③2D上盘面积不变；④由于用户可以用角度剪切，所以前翼的体积和厚度可不变；⑤假设下盘不变形且不移动。

断层平行流算法的发展目的是处理收缩褶皱和逆冲带的复杂断层形态。在这些区域总体变形为层间平行剪切。同时，这一算法同样适用于拉伸构造环境，如犁状断层之上产生宽缓的滚动背斜，类似于斜剪切算法的反向剪切。类似于弯滑算法，用户必须调节角度剪切量去解决断弯褶皱前翼的厚度变化问题，在正演模型情况下，为了更多地取代穿过断弯带的上盘的体积，使得前翼的厚度变薄最小，用户需对变形加入前剪切。这种角度剪切量同样也是模型和反转前翼的手段。

3．平衡剖面制作步骤

平衡剖面技术的核心就是剖面的平衡。要使平衡剖面技术能够更好地为地震勘探服务，选择正确的剖面，那么平衡剖面的建立就要遵循5个关键的步骤。

1）剖面的选择

为了能够正确而又直观地再现地下地质构造，更好地为地震勘探服务，剖面的选择尤为重要。一般剖面线的方向应该垂直于构造的走向或者近似垂直于构造走向。确定构造作用方向的方法比较多，诸如褶皱的轴向、断层面的走向等，也可以用弓箭原理来确定弧形构造的作用方向，即连接弧形的两个端点，再做该连线的垂线，垂线所指的方向就是弧形构造形成所受外力的方向。

然而在实际应用中很难找出这种理想的剖面，因为剖面的选择还应该考虑地表露头、已有的地震剖面、地质剖面、钻孔资料以及邻区的相关资料等。对于这种情况，剖面线的选择允许与构造作用的方向有一定的交角，但这个角度一定要在30°以内，否则选择的剖面对于地震解释的意义不大。另外剖面的选择还应该考虑剖面线的一端应该在未变形的地层之上。

2）剖面上资料的充分利用

建立一条剖面，首先要将其上的钻孔资料、露头资料、连井剖面和地震剖面等资料都标注于剖面之上。其次也要根据区域地质特征将剖面中的空白区域进行推测填充，将剖面两侧的资料充分利用，这种推测一定要与该区的区域地质构造相符合，获得一个真实的可以接受的剖面。

3）滑脱面深度的确定

滑脱面是岩层中间的软弱面，即岩层受到外力作用沿着其发生剪切的层面。它对上下构造之间的变形差异主要起调节作用。滑脱面的发现是构造地质学的一个重大突破，它对正确进行构造分析及剖面的建立有着非常重要的意义。滑脱面深度的确定方法很多，主要有以下几种。

（1）运用地层剖面和岩石的流变特征确定强岩层与弱岩层的组合。

（2）进行区域发育断层的统计，做出断层频率图。

（3）根据地震剖面，找出上下构造不协调的界面。

（4）根据作图法，确定同心褶皱消失的深度。

4）剖面的平衡

在进行了前面的3步之后，就可以对解释的剖面进行平衡了。平衡剖面的过程实际就是一个反复调整的过程，首先利用平衡剖面的原则对剖面进行检验，如不平衡，则对其进行调整，检验平衡剖面是否平衡最常用的方法，是依据层长一致和位移一致的原则进行检验；此外，还可以利用面积守恒与层厚不变的原则互相检验，这可以增加约束，减少随意性，提高解释的质量。

值得注意的是有些剖面本身是不能平衡的：一是研究的地层中有不整合面的存在，该不整合面的上下地层长度本来就不相等；二是剖面在选择的过程中穿过了走滑断层，由于剖面中物质的减少，所以剖面是不平衡的。

5）剖面的复原

剖面的复原实际上取决于剖面解释的合理性。先将剖面的各个片段分开，逐个分别进行拉平，最后再将拉平后的各个片段按照顺序连接起来，并置于沉积时的状态。

（1）确定钉线。钉线是指未受构造作用变动的线，其垂直于地层的层面，最好选在没有受到构造作用的地带；如果受剖面的限制也可以选在冲断带的末端，但是决不能选在断层面上，因为在断坡处岩层恢复后无法保证钉线的直立。剖面的恢复以此为起点，进行逐块的恢复与拼接。

（2）确定地层厚度。一般地，人们将地层看成简单的层状模式，但实际上对于大部分地区而言，地层的厚度变化是很复杂的，有的呈楔形体，有的呈透镜体等不规则形状。因此在剖面恢复之前先建立几个地层柱状和地层格架，再进行恢复，将地层断块放入格架中。

（3）选择基准面。将剖面复原后应选一个层位，将其置于水平状态，其他层以此为基准，进行相应的复原，该层称为基准面。基准面的选择以岩相较为稳定、沉积时厚度变化不大的地层较为合适。目的是对地层进行断距消除和层拉平操作，并复制层拉平之后的模型，作为下部地层平衡的源地质模型。每一地层均完成上述操作，即可得到构造发育史的平衡剖面。