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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。,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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 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
8、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） 。
9、,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）
10、。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。,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
11、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。
12、 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
13、，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。,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
14、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
15、。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
16、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
