压陷―挠曲作用

三、压陷—挠曲作用在挤压力作用下地壳或岩石圈发生破裂并致使部分地壳断块体（或板块）相对上升，而另一些地壳断块体（或板块）相对陷落成为盆地的构造作用称为压陷作用。压陷作用使一个（一些）地壳断块体（或板块）上冲到另一个（一些）地壳断块体（或板块）之上，下伏的地壳断块体在受到上覆地壳断块体的垂直载荷作用下发生挠曲变形，称为挠曲作用。“压陷”和“挠曲”是挤压动力学过程中有密切联系的两种构造作用方式，也是压陷（挠曲）盆地形成的主要动力学机制。可以说“压陷”是挤压体制下盆地形成的最根本的动力学机制，“挠曲”是盆地形成过程中的具体体现。•岩石圈板块边界受到垂直载荷作用发生挠曲变形，可以用半无限延伸板块挠曲变形方程来描述（假设岩石圈为弹性的）：•（据Turcotte和Schubert，1982）•W—挠曲度，指挠曲变形后相对于变形前质点的垂直位移量（向下为正，向上为负）；•W0—最大挠曲度，可根据岩石圈抗挠刚度及载荷的大小来确定；•a—挠曲参数；x——水平坐标轴。axaxeWWcos0在载荷点（x=0处）的挠曲度最大，随着离载荷点的距离的加大，挠曲度逐渐减小为零，并在前方出现隆起现象。在弹性模型中，板块的挠曲变形总体特征是一个挠曲凹陷和一个前缘隆起•用弹性挠曲模型可以很好的模拟洋壳挠曲作用（下图）。在挤压力作用下，随着新的逆冲断片增加和每个新的逆冲断片向前移动，都会引起下伏地壳的弹性挠曲响应，形成压陷盆地和前缘隆起向稳定地块方向迁移（下图）。四、异常压力•地压场是指一定地质空间范围内地层压力及其分布特征。一般由正常压力、异常高压和异常低压组成。关于其详细的分类，目前国外主要采用A•A•奥尔洛夫的分类。•压力系数压力分类•0.96低压异常•0.96-1.06常压•1.06-1.2高压异常•1.2异常高压异常高地层压力的分布特征•①可存在于任何深度，但多深于3050m。•②可出现在任何时代的岩石中，但在白垩纪和第三纪地层中更普遍；古老岩石中的超压层有可能形成于较新的年代，如古生代岩石可能到白垩纪及其以后才被深埋并形成超压。•③与相似成岩条件、相似埋深的正常压力沉积物相比，许多超压区沉积物为欠压实、高孔隙度、低密度。•④正常压力区至异常压力区的过渡带可能没有或很薄而使压力突变，也可能较厚(几千米)而使压力变化缓慢，过渡带内压力梯度最大。•⑤超压区地热梯度通常较高，可能是因为较多的孔隙充满流体而降低其热传导性。•⑥超压区的形成通常与烃(尤其是气)有关，并且通常无自由水(底水或边水)，仅含间隙水。•⑦超压区的形态和分布与构造或地层结构可能无关，也可能受其控制。异常高地层压力的成因机理•沉积盆地中超压形成机理非常复杂，有十几种之多，主要可归纳为四类：•(1)压实不均衡和构造压缩引起的压力增加(即孔隙的减小）；•(2)由温度上升(水热作用)、矿物转化释放水、烃类生成以及石油裂解成天然气引起的流体体积增加；•(3)与渗流作用、水压头（势能）以及密度差引起的流体运动及烃类上浮；•(4)由于隆起或剥蚀引起的沉积物卸载，保存了古压力系统等。此外，某地产生的超压还可以在异地岩石序列中重新分布。尽管沉积盆地中地层异常高压有多种成因机理，然而每种机理对地层超压的形成贡献不同；同一机理在不同盆地或同一盆地的不同阶段作用也不一样。例如一套富含有机质的厚层泥岩，在埋藏过程中，由于差异压实作用可能形成超压，当其埋藏到一定深度，干酪根开始生烃时，剩余地层压力的主要贡献者应转变为生烃作用。目前对各种超压形成机理的研究方法和手段尚需不断的改进和完善(1)直接测量的压力数据和已出版的一维数学模式都表明，在快速埋藏的厚层泥岩序列中，不均衡压实作用可作为超压形成的一种主要因素。许多盆地模式都模拟出不均衡压实作用的存在，但需要对泥岩的流变性和渗透性进行进一步研究，以便改进这些模式。对广泛分布的沉积岩的孔隙度和有效应力之间的关系应进行综合研究，并且通过岩石力学实验加以证实。(2)构造作用可引起超压力。构造作用可以迅速地形成和耗散压力。在当今构造活动的盆地内，这种影响尤其普遍。必须对各种不同类型的盆地中最大水平应力和构造应力有更好的了解。(3)在大多数地质条件下，由于缺乏非渗透性封盖层，热液膨胀不可能是超压形成的主要机理。流体体积的膨胀非常小，并且很容易因流体的流动而耗散。(4)在沉积盆地中，因为释放的流体体积很小，并且压力的发育使脱水作用受到抑制，所以蒙脱石的脱水作用不可能是超压形成的主要原因。另外，与蒙脱石到伊利石的转变有关的精确反应在目前还知之甚少。因此，在蒙脱石-伊利石转变期间，不一定会造成实际体积的增加。应对反应的体积测定、速率和其他控制因素进行进一步的实验研究。(5)石膏至无水石膏的转化发生于40～60℃，并可能产生大大超过负荷压力的流体压力。这样的反应和体积测定值可能相当好理解，应与现有的盆地模式研究结合起来。•(6)成岩作用不可能直接引起超压或欠压，因为大范围的胶结和溶解需要一个开放体系。在开放体系中，流体可以自由运移，从而释放出异常的压力。然而，胶结作用对沉积物的渗透性可能有重要的影响，它能降低由其它机理形成的超压流体逸出的速率。应该研究成岩作用对泥岩的孔隙度、渗透率和压缩率的影响。盆地范围内成岩圈闭的存在仍然缺乏直接证据。(7)假如压力的形成直接地或间接地阻碍了干酪根的成熟，那么将干酪根的转化作为超压力形成的机理，其有效性就值得怀疑。不同的研究者认为，在干酪根转化期间，体积不是增加就是减少，需要对转化过程中体积的变化进行研究。•(8)天然气的形成伴随着体积膨胀，有可能形成异常压力。然而压力的形成可延缓石油裂解过程，令人对这种机理的有效性产生怀疑。由于气体的毛细管作用，地下游离气对于压力的产生是很重要的因素，尤其是在岩石界面处。(9)在浅埋藏的“铅垂”盆地内，水压(势能)头能产生一定的超压。需要对连续的封盖层之下储层的构造高程和横向连续性进行研究。•(10)在油气储集层附近，由于原油的浮力，发育有少量的超压力。在不可压缩的流体内，气体的向上运移也能产生一定的超压力。对于这种“上升气泡”机理对流体的压缩性、岩石渗透率和气体的压力、体积、温度(PVT)特性变化的敏感性应进行测试研究。•(11)理论计算结果表明，页岩并不是有效的渗透膜。在地下由渗透作用产生的超压可能非常小。