地史模拟的关键技术

在构造演化模拟中，主要包括断块构造恢复、复杂构造变形校正、压实校正、剥蚀厚度恢复、构造 地层的物体平衡技术、超压方程等关键技术。

1.断块构造恢复

断层的恢复首先需要选定一个不动盘（在正断层中通常选定下盘），确定研究区域的二维锁定线，并以此刻顶部层位为当前操作对象，进行断层扫描。若存在断层，则先计算这个三维断层在顶部界面处沿走向的不同断距ΔZi（i为下标，代表断层走向上的不同点号），并分别按相应的断距移动断层右盘，在断层倾向上的垂向滑动ΔZi，使断层归位。断层两盘复位（恢复至断开前）过程存在两个方向的位移Δx，Δy，其合成位移ΔD的方向垂直于断层走向。断层的移动并不是仅对顶层进行的，它会牵连与它相连的断块。此移动量ΔD也牵连该断块上所有相关层位。由于是平移，所以这里不涉及体积的损失，如图8-1所示。

图8-1 三维断层的恢复

（据毛小平，1999）

在用计算机自动进行体平衡时，断点的对应规则和二维面平衡法类似。在二维情况下，断层两盘的界面相互对应，断层的复位较为简单，不涉及断层走向及断面方向问题。在三维情况下，断层面两侧的地层与断层面有两条交线，对应点必须通过断层走向的法线所在的铅垂点，即在断层恢复时，断层右盘相对于左盘移动的方向是垂直于断面与水平面的交线方向，断层两盘的点A与点A′对应。由此，便可导出相应的断距计算方法。这是断层自动复位的一种简便处理方法，它对于正断层和逆断层是有效的。对于走滑断层，则需要人工干预给定断点对应关系，即在水平方向上的滑动距离和方向。

在断陷盆地中进行构造恢复，首先需要考虑断层及断块恢复。在常规的二维平衡剖面模拟技术中，通常采用地层线对应方法进行断距恢复，而在三维空间中由于构造变形，使得断层两盘的地层不但在垂向上发生错动，在断层走向上也存在一定的断距，需要考虑断层两盘地层面的对接关系，从而使得三维空间的断距恢复难度较大。由于在角点网格模型中，断层断距在断点上表现为上下两盘的对应节点的空间矢量，故在断距恢复时可采用移动空间矢量方式进行。断块构造恢复的工作流程如图8-2所示。

在角点网格模型中，断层表达在格网的各个侧面上，故断层描述与表达方式采用记录格网侧面连接的方式。通过描述断层在格网上的位置，可将整个模型分割为多个断块，每个断块由多条断层的多个断点包围，在断块构造恢复中，需要获取断块之间的拓扑结构和模型的主控断层走向以确定断裂方向，按照垂直于断层的方向进行断点追踪，实现断点的断距恢复，从而实现断块构造恢复。由于断层在各地层面上表现的起止位置不同，即断层所穿越地层数目不同，因此在断距恢复过程中需要充分考虑断层断裂深度变化问题，在断点追踪过程中以最深断裂地层为判断依据，实时调整断裂地层深度。

2.构造变形校正技术

在盆地构造运动中，由于构造运动作用使得地层界面发生变形，通过研究其发生变形的机制，使地层界面恢复到变形前的状态，是进行构造演化史模拟的重要部分。在盆地断块构造中，最为常见的三类构造现象是褶皱、逆冲断层和拉张型正断层。按照褶皱的形变机理可分为弯曲褶皱、剪切褶皱和流动褶皱。一般情况下，在较浅的地壳表面多以弯曲褶皱为主，而随着温度和压力的增加，逐渐过渡为剪切褶皱和流动褶皱。

在平衡剖面模拟中，通常采用运动学与非运动学的方法进行地层界面校正恢复。其中，非运动学恢复主要有：弯滑去褶皱，采用褶皱中的钉线或者钉面对由弯滑机制生成的褶皱进行地层界面恢复；剪切机制，通过垂直或斜向剪切的方式去除地层形变，在顶面恢复后需要按照该剪切方向和大小恢复下伏地层界面。运动学恢复是在对断层进行恢复时，假设断层下盘不受断裂构造影响，而上盘因断裂构造运动发生一定的形变，在恢复过程中，设定下盘不动，在断面上移动断层上盘地层（图8-3）。主要恢复方法有：斜剪切，通过保持剪切矢量棒的长度（剪切矢量方向上断面与上标志层之间的距离）不变，从而保持形变前后上盘的体积不变，体现三维构造体平衡的思想。

断层平行流（主要针对逆断层）通过断层平行的流线对形变机制的控制进行恢复，使形变前后上盘的体积不变，并经变形校正后形成新的地层界面。同样，下伏地层面也需随之调整，以便表达在该地质时期的地质构造状况。

通常认为，顶部地层的形态是四种因素综合作用的结果，其函数关系如下：

图8-2 角点网格模型中断距恢复工作流程

图8-3 剪切机制造成地层变形示意图

F＝S＋A＋D＋N（8-1）

式中，S为顶部地层的沉积作用因素（Sediment Factor）；A为古水深影响（Ancient Depth of Seawater）；D为变形因素（Deform）；N为干扰因素（Noise），来自解释误差或实际地层。在平衡过程中考虑了因素A之后，又通过压实校正去掉沉积因素S的影响，便只剩下D和N的影响了。这时可以对顶部地层作平滑或趋势面分析来消除随机干扰，即得到所谓趋势变形D，并认为它是构造挤压或拉张引起的挠曲。在对大尺度的构造进行复原时，由于变形引起的顶部地层的起伏相对比较平缓，可以通过对顶部地层的平滑处理来消除干扰。然后，将平滑后的顶部地层起伏作为此期构造运动的变形量Deform，由曲面映射到平面上，并在一定程度上保留层长不变。将此映射关系作用于下伏各地层，便可保证体积近似不变。这种映射关系的传递在数量上与深度无关。

顶面地层由曲面映射为平面的算法采用两个步骤：先计算X方向的层长并扩展它至一平面，再计算Y方向的层长在X的映射位移基础之上，确定Y方向的映射离散关系。设变形前代表变形量的顶面地层的空间坐标为P＝｛Pij，i＝1，m；j＝1，n｝，式中m、n分别为X和Y方向的点数，X方向变换后为P′，加上Y方向的变换则映射至平面为P″，有：

式中为沿X方向各分段向量长度（模）的累加，且：

p″＝｛p″i，j，i＝1，m，j＝1，n｝便是顶面地层映射为平面的结果。

上述方法用于简单褶皱复原，其效果是十分显著的；而对复杂褶皱复原，只是一种近似方法。这种近似计算的优点，可以有效地抹去由于复杂构造变动引起的体积不平衡。因此是对三维构造 地层格架挠曲变形机制的一种近似模拟。

3.去压实校正

随埋藏深度的增加，上覆岩层压力增大，温度升高以及成岩作用等因素的影响，孔隙度变化并不一定会按照一定的曲线模型变化，孔隙度 深度曲线模型只是一种统计结果，并不能够真正地反映沉积物的孔隙度变化。因此，将沉积物孔隙度变化分为三段，即正常压实阶段、成岩作用阶段和压缩阶段，并分别建立分段线性与非线性结合的孔隙度深度曲线，才有可能在回剥反演的压实校正中合理地表达孔隙度随埋藏深度的变化（图8-4）。

图8-4 单井中砂岩孔隙度 深度曲线拟合

在三维空间中进行压实校正，需要在压实过程中保证压实前后地层的骨架物质体积不变。在利用角点网格模型的I／J／K号获取任意单元格块体的体积与孔隙度参数时，由于单元格块体在三维空间中是按照角点网格模型纵向线方向排列的不规则六面体，如果单纯按照计算单元格骨架厚度方式进行压实校正，将会使单元格格网纵向上四条边与相邻格网纵向边调整位置不同，由此产生一定的拉开距离，形成断裂存在的假象。为了避免这一问题的出现，需要首先搜索出由断层分割的独立断块，形成多个在区间上相对独立的断块片段，然后在断块内的单元格纵向线方向进行压实校正，并采用迭代计算方式调整网格体积，保持压实校正前后骨架物质体积不变，同时记录断块内的每一单元格骨架体积及断块总骨架体积。

4.剥蚀厚度恢复

剥蚀厚度的计算方法有许多种，其中最常用的是地层对比法、沉积速率法、测井曲线计算法、Ro突变计算法和地层密度差法。每一种剥蚀厚度计算方法都能够在一定的数据完整性条件下较为准确地恢复剥蚀厚度，形成剥蚀厚度散点图。在构造演化模拟中的剥蚀厚度恢复使地层恢复到被剥蚀前的状态，其中的难点是如何统一解决多期次、多套地层的剥蚀厚度恢复。

考虑到同一地质时期内可能出现多次剥蚀的情况，或者一期剥蚀中存在对多套地层剥蚀的情况，其解决方法为：以剥蚀期次为第一循环变量，以剥蚀地层为第二循环变量，以剥蚀期次为顺序进行剥蚀厚度恢复。设定剥蚀厚度恢复的流程，如图8-5所示。

在具体实施过程中，根据角点网格模型特性对剥蚀地层新增一层或多层格网，格网纵向上的高度表示剥蚀厚度，其岩性按照邻近格网层的岩性代码进行赋值，根据该格网所处深度，按照孔隙度 深度曲线进行插值计算并赋值，对于恢复剥蚀厚度后的下层所有格网不进行压实校正，其原因在于当地表抬升后，原地层的孔隙度不会因地层抬升而改变，只有当上覆地层厚度小于剥蚀厚度时，需要对所有格网的孔隙度数据进行重新计算。

图8-5 剥蚀厚度恢复流程图

在模拟中，按照剥蚀年代、剥蚀地层将剥蚀厚度数据通过插值处理，获得格网的剥蚀厚度图（图8-6），再按照发生剥蚀的地质时期从古至今的先后次序并将剥蚀厚度图以BLOB形式存入数据库中。通过读取数据库中预存的剥蚀厚度数据计算角点网格模型中各点位处的剥蚀厚度进行剥蚀厚度恢复，并构建研究区域的剥蚀厚度图。

5.构造-地层的物理平衡技术

经典的几何平衡剖面法的剖面平衡原则对于断裂系统单一的剖面比较适用，但对于断裂系统复杂的剖面适应性就差些。对于构造运动多期次、多阶段叠加的地区，使用计算机辅助进行平衡剖面计算时，需要进行复杂的人工干预，容易因人为失误而导致模拟失真。因此，难以重构整个盆地的大规模复杂构造形态。针对这些问题，毛小平等（1998）根据岩石变形机理和物质守恒原理，提出了以法线不变原则和变形匹配原则为基础的物理平衡剖面法，实现了复杂原始地质剖面的自动化恢复。

已有的三维体平衡技术属于拟（假）三维性质，这种拟（假）三维体平衡软件在构造简单的盆地或区域能起到很好的作用，但在发育多个断裂系统且由于复杂变形而体积不能简单平衡的盆地地区就显得无能为力了。真三维的构造 地层的物理平衡技术包含两个方面：①在断距恢复与构造变形校正过程中，不能改变地层体积，即体积不变，相当于平衡剖面中的面积不变原则；②压实校正过程中，保持骨架物质体积不变，相当于一维单井模拟中的骨架厚度不变。

图8-6 东营组剥蚀厚度等值线图

采用真三维的构造 地层的物理平衡技术进行断距恢复，其中的矢量平移方式不改变地层面格网的面积和格网高度，并保持其体积不变。同样，采用这项技术进行构造变形校正，其中的平行断层方法和平行矢量棒方法也使地层单元体保持不变。

6.动态过程的内插生成

动态显示和二维情况下的处理过程类似，是对构造 地层格架演化历史模拟结果的动态表达。在进行三维构造 地层格架的回剥反演中，每次处理的是一个具有一定厚度和时代间隔的层位，而不是连续的层位，其中间的动态过程需要进行内插生成。其要领是采用以深度变化为轴的方式进行内插，以便获取任一所需时刻的构造形态，然后再采用可视化技术将内插生成的瞬态三维构造 地层格架进行动态显示或输出。

图8-7是利用该软件对百色盆地构造 地层格架的动态模拟结果。

图8-7 百色盆地构造 地层格架的三维动态（体平衡）模拟结果