[科普中国]-构造沉降

背景

地壳运动的形式非常复杂,所产生的效应多种多样,其中伴随地壳隆起、拗陷、断裂活动和其他构造变形产生的地面沉降现象都属于构造沉降。构造沉降速率因时因地而异。相对非构造沉降活动而言,其沉降范围或区域比较大,沉降速率一般比较小。构造沉降活动不为人类活动控制,而且大部分地区的构造沉降在漫长的地质时期中持续进行,所以认识构造沉降活动规律,分析构造沉降活动对地面沉降灾害的影响,是研究和防治地面沉降灾害的重要内容。

简介沉积盆地作为大地构造当中的一级大地构造单元，对于地球的构造演化过程的研究具有重要意义。同时，由于盆地内部含有丰富的油气、煤炭、矿产等资源，受到地质学家们的广泛关注。近年来，由于盆山系统耦合的研究，使单一的造山带和单一的盆地研究成为一个系统。通过盆地的研究分析，包括盆地所在区域及内部的构造、沉积层序、地层格架及演化史的分析，为造山带的研究提供一个新的方向。沉积盆地的研究成为一个焦点问题。

构造沉降是指由于地壳垂直运动，使顺重力方向、高程降低的方向运动。地壳的沉降作用是形成盆地的直接原因，没有沉降就没有盆地。而盆地沉降史研究，就是将盆地在各个时期沉降的量进行求解，编绘反映盆地沉降特征的地层埋藏史曲线、盆地基底沉降曲线以及盆地构造沉降曲线等途径来表述。因此，分析构造沉降史是研究盆地形成、演化的重要内容，是整个盆地系统研究中最为基础的环节，对于整个盆地的构造、热历史及演化等起着至关重要的作用。

分析构造沉降，一般可用沉降量和沉降速率两个参数。沉降量（或沉降幅度）是最直观、最简便的表示方法，表示某地质时期一个地区的累计的沉降幅度的大小。沉降速率是盆地某一构造面在单位地质时期内相对于某一基准参照面（海平面或湖平面）下降的幅度，它能反映盆地构造动力学的某些信息。通常可以用图示方法直观地反映观测点的沉降量和沉降速率。

在构造沉降史分析中，有一个非常重要的概念——均衡代偿理论。它是盆地分析的基础，用来描述地壳的状态和运动。自十八世纪提出以来，便受到广泛关注。经过大地测量学与力学等学科的发展，逐渐形成今天的均衡代偿理论。它阐明的是地壳的各个地块趋向于静力平衡的原理，即在大地水准面以下某一深度处常有相等的压力，大地水准面之上山脉（或海洋）的质量过剩（或不足）由大地水准面之下的质量不足（或过剩）来补偿。运用地壳均衡学说可以研究地球内部构造，如上地幔的起伏；还可用于大地测量学中研究大地水准面形状，推估重力异常和计算垂线偏差等。

机制引起构造发生沉降的原因可以归纳为构造原因和非构造原因。构造作用引起地表形成盆地，这属于构造沉降。充填于盆地中的沉积物的负荷进一步促使盆地下沉，这一部分沉降则属负荷沉降。构造沉降加上负荷沉降，构成总沉降。在盆地分析当中，总沉降与构造沉降是盆地沉降分析中非常重要的部分。

目前，对于构造沉降发生的机制，主要归结于三个方面：局部均衡，它是均衡代偿理论的一种运用，在大地水准面以下某一深度处常有相等的压力；挠曲均衡。挠曲均衡其实是对局部均衡的一种精确。

在局部均衡里，地球的各个板块之间没有相互作用的存在，各个板块相互独立。但是，实际上岩石圈是具有弹性的，各个板块之间以及板块内部都会存在着作用力。当负载压在岩石圈上，板块会像弹性梁一样弯曲，受到周围岩石圈的作用力。根据阿基米德原理，重力会与地幔岩石圈的浮力及岩石圈内部的作用力达成平衡，从而使整个区域形成挠曲沉降；热沉降指当地球的均衡效应被打破的时候，内部的热量会发生改变。由于温度的变化，导致密度的变化，通常是温度越高岩石的密度越低。密度的变化导致整个柱子重力的变化，从而产生相应的热沉降。

求解方程在求解构造沉降过程中，主要有两种模型，一个是局部均衡，一个是挠曲均衡模型。前者已有很多论述，下面主要对后者进行一些探讨。

在实际的情况中，岩石圈具有一定的刚度，所以在承受负载的情况下岩石圈会像一个弹性的梁一样发生弯曲。这种弯曲会对周围的岩石圈层产生剪切力与黏滞力，从而阻止由于负载导致的沉降。所以，挠曲均衡模型下的沉降应该小于局部均衡模型下的沉降量。

1、岩石圈挠曲方程

由于岩石圈的刚度存在，导致负荷沉降量的减小，说明刚度与沉降之间存在一定的联系。根据弹塑性力学，弹性梁在受到负载作用之后会发生挠曲，挠曲量的求解符合一般挠曲方程。

在负载作用下，弹性梁发生挠曲。取一个微小部分，分析应力状态。受到向下的单位面积负载 q(x)的作用，左右端元挠曲差异为 dw，并且在两端分别存在剪切力V 与水平力 P，力矩为M。根据力和力矩的平衡，以及力矩与挠曲量 w 之间的关系代换，得到弹性梁的一般挠曲方程：

由于岩石圈刚性的存在，在负载作用下复合弹性梁的挠曲特性，因此可以通过挠曲方程来求解由于沉积物负载而导致的挠曲沉降 w。只不过在运用的时候，需要将一般挠曲方程进行修改。并且岩石圈必须满足四个基本的假设前提。

第一，岩石圈具有流塑性，并且这种流塑性随着深度的增加而呈线性变化；

第二，挠曲量相对较小；

第三，弹性岩石圈的厚度远小于受到负载而产生挠曲的板块长度；

第四，板块内部的平面在挠曲之后仍然保持为平面。

2、挠曲模型下的构造沉降

在利用弹塑性力学解决岩石圈挠曲沉降之后，就可以将这样一种挠曲均衡模型应用于构造沉降的求解当中，和局部均衡一样，仍然使用回剥法。

现今负载下，沉积物的总厚度即总沉降为S，海平面相对于沉降初期变化△Hs ，当时的古水深为HPw ，地壳的厚度为HL 。回剥后，盆地初期的构造沉降为HT 。选取现今地层岩石圈底部为均衡代偿面，在此面之上受到的浮力相等。与局部均衡相比，挠曲均衡中，由于周围岩石圈的抗挠对该部分岩石圈具有向上的作用力，所以根据重力均衡，有如下等式：

该式中存在一个未知的力板间力 Fb，它是由于岩石圈挠曲对该部分剪切力与黏滞力的总和。1

意义构造沉降对研究盆地演化有重要的意义。构造作用是控制地层构成样式的重要因素，它与全球海平面变化、气候和沉积物供给量（或沉积速率）等因素一起影响着可容纳空间的变化。研究表明，构造作用的影响延续的时间较长，构造沉降作用具有旋回性；同时在盆地的不同部位具有差异性。在一些盆地演化过程中，构造作用往往是控制层序地层构成样式的主要因素，尤其是对于陆相盆地来说，构造作用被认为是形成陆相层序的一种主控因素，甚至是其形成的最主要的控制因素。

右图代表中等沉积物供给速率下的可容纳空间和沉积物的堆积作用。其中，在大陆边缘盆地可容纳空间的变化等效于相对海平面的变化。而在陆相盆地可容纳空间的变化，尽管可能受周期性湖平面变化的影响，但更主要是受控于构造沉降。显然，构造作用和海平面是控制层序形成和演化的关键因素。

构造运动对可容纳空间的增加与减小的影响最大，该因素与气候条件一起控制了可容纳空间内沉积物的类型和数量。构造运动造成的地层特征由多种作用产生，对于可容纳空间产生最深远的影响。构造作用对沉积记录的影响可分为三个不同级别：①抬升和盆地演变；②沉降速率变化；③褶皱、断层、岩浆活动和底劈作用。2

总结构造沉降分析是盆地研究中重要的一支，为盆地的形成、演化等研究提供了基础的理论与资料。在盆地沉降分析中，存在两类重要的沉降：总沉降和构造沉降。总沉降是指盆地的基底距离水平面的距离，也称为基底沉降。它是盆地在各个时期沉积的地层厚度的总和。在总沉降求解过程中，由于地层埋藏作用、海平面的升降等原因，需要对它分别进行去压实和海平面变化校正。另外，由于沉积时期古水深的可能存在，要对最后的沉降进行古水深校正。盆地的总沉降公式。

构造沉降是把由于沉积物负载导致的沉降和海平面变化影响移除之后，根据均衡代偿所分离出的沉降。它是由初始动力导致的沉降，这种初始动力可能包括热对流，地壳物质的流动以及深部的地壳变质等。在进行构造沉降的推导中，由于沉降机制不同，分为局部均衡模型和挠曲均衡模型。

局部均衡模型和挠曲均衡模型的选择应根据对岩石圈挠曲性质的要求程度。一般来说，在挠曲机制控制的海沟和与造山带连接的前陆盆地区域，挠曲均衡模型较为准确。在伸展类型的盆地中，局部均衡模型更为适用。在当板块长度 L 与α相比非常小的情况下，两种模型所得的沉降量差别很小。1