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1、第五讲伸展盆地的平衡剖面,一、伸展地区的平衡剖面原理 概述 Gibbs(1983)首先提出平衡剖面的概念也可用于张性地区的分析研究，他以北海油田为例，运用平衡剖面技术编制和复原伸展地区的地质剖面、计算伸展量与滑脱深度。 此后，平衡剖面技术在伸展地区得到了广泛应用，取得了不少新的进展，如深入探讨了伸展地区平衡剖面中岩层变形的各种机制(如垂向剪切、斜向剪切、层长守恒、弯滑作用及刚体旋转等)、断层与地层变形之间的几何关系、断层与地层形态的预测与恢复、复原系列发育史剖面(反演模拟)等方面。 从而使得平衡剖面技术在伸展地区的油气勘探中发挥出越来越重要的作用。,2 在伸展地区建立平衡剖面 剖面平衡的基本思
2、想是假定平面应变或剖面面积守恒。 Gibbs(1983) 指出：Chamberlin （1910，1919）对于脱顶或滑脱面之上的变形剖面的等面积计算既可以用于收缩区，也可以用于伸展区。 图1中表示变形前的面积A等于变形后的面积B。面积C是共有的，因此，表示剖面未变形长度、变形长度与滑脱面深度d之间的关系的方程式是： l0=l1A/d 式中A是剖面的面积。,2 在伸展地区建立平衡剖面 原始长度为： l0=l1A/d 伸展量为： l1l0 = A/d 伸展率（或伸展应变）： e=(l1-l0)/l0 表示单位长度的地壳伸展量。 用伸展系数（或拉张因子）表示： = l1/l0 e= -1 =(1+
3、e) 伸展系数表示伸展变形前后地壳的长度比。,2 在伸展地区建立平衡剖面 在伸展地区建立平衡剖面的过程中，压实作用可能是除脆性断裂作用之外的最重要的要素。 因为压实作用既可与构造变形同期，也可发生在构造变形之后，在任何平衡计算及随后的复原重建时都必须考虑这一点。 在变形剖面上进行去压实作用（压实恢复）时，采用与沉降史恢复压实作用同样的方法。,二、伸展构造中的正断层几何学 （一）单条正断层的剖面几何形态,正断层是伸展盆地构造的基本结构要素。正断层及被其切割的断块可以组合成不同样式的伸展构造，如半地堑（或地堑）和半地垒（或地垒）。正断层还可形成相关褶皱。,单条正断层的剖面几何形态 按照正断层的剖面
4、几何形态可分为铲式（或犁式）、坡坪式（坐椅状）和平面状断层等。 (1)平面状非旋转正断层：断层面平直；断层面及上、下盘断块在发育过程中不发生旋转。 (2)平面状旋转正断层：断层面平直；断层面及上、下盘断块一般均不断发生旋转，这类断层常成组出现，多被称为“多米诺式正断层”或“书斜式正断层”。,(3)铲状（或犁式）正断层：其特征是随着深度增加，断层面倾角变缓，沿沉积层、基底顶面、基底内缓断面以及中、下地壳韧性层滑脱。这类断层具有旋转性质，即上盘断块及其伴随的地层、次级断层会发生旋转。,(4)坡坪式正断层：坡坪式正断层的断层面呈台阶状或多级台阶状的陡缓变化，类似于逆冲断层的断坪断坡。这类断层也具有旋
5、转性质，即上盘断块及其伴随的地层、次级断层会发生旋转。 () 坐椅状正断层：坐椅状断层的特征与坡坪式断层类似，其断层面呈坐椅状，上陡中间缓，而后向下又变陡。与坡坪式断层不同的是，其更下部不一定再变平缓，这类断层多发育于沉积盆地内部。,()低角度拆离正断层：是在对美国西部盆岭省构造研究的基础提出的一种特殊的正断层类型。其主要特点是：断层规模较大、断层产状平缓、断层面波状起伏、断层上盘块体发生旋转、常与“变质核岩”共生。,（二）正断层的剖面组合形态 在剖面上,多条正断层或主断层与分支断层可组合成多种构造样式的组合形态： 1.马尾状断层主断层与分支断层组合成为马尾状断支。它有两类：一类分布在断层下盘
6、，为向下的马尾状断层（图2-28左图）。另一类分布于断层上盘，为向上的马尾状断层（图2-28右图）。,正断层的剖面组合形态 2.羽状断层在主断层形成后产生一系列分支断层与之斜交呈羽毛状，高序次主断层与低序次分支断层为同向倾斜。例如黄骅盆地沧东主断层与其分支断层组成的羽状断层（图2-30）。,3.阶梯状断层（及多米诺构造）正断层在剖面上呈阶梯状或多米诺骨牌式分布，常见于陡坡和缓坡带。它们逐渐向凹陷方向下掉，组成断阶带。,4.Y字型断层主断层与反向的分支断层或分支断层本身组合成Y字形。,正断层的剖面组合形态 5.铲状正断层扇由多条铲状正断层组成，它们向下的产状变缓并联合在一起；或由主铲状正断层及其
7、上盘的次级铲状正正层联合在一起组成。根据区域正断层的倾向，又可包括同向正断层扇、反向正断层扇（或共轭正断层扇）等。,6.伸展双重构造多发育于坡坪式正断层的深部，由顶板正断层、底版正断层及多个马石断片组成。,与大型坡坪式正断层有关的铲状正断层扇和伸展双重构造的发育模式： A具坡坪式形态的铲状正断层，在上盘断块中发育一个滚动背斜和一个断坡向斜；B分别在断层浅部和深部开始形成正断层扇和伸展双重构造；C显示了断片或马石的发育顺序及多种断层组合。,(三）正断层的平面几何形态 最常见的是线型、平行带状和侧列状正断层，此外也见有狗腿状、雁列状、锯齿状、网格状、弧形和平面分叉状等正断层。,张性构造环境中大多数
8、褶皱与正断层系有关。这种与正断层活动相关的伸展褶皱，可主要按褶皱的延伸方向分为3类：即（1）纵向褶皱的枢纽平行或大致平行于断层走向（图2a）；（2）横向褶皱的枢纽垂直或近垂直于断层走向（图2b）；（3）斜向褶皱的枢纽斜交于区域断层走向。 另外，还有一些与正断层作用无直接关系或关系尚不明确或者具有复合关系的褶皱类型，如差异压实褶皱、披覆褶皱、盐或泥变形褶皱、重力褶皱、滑塌褶皱等，这些褶皱将不作重点讨论。,三、正断层伸展褶皱的相关关系,伸展背景下常见褶皱类型的形成机制 图解,伸展背景下褶皱按形成机制的简要分类,纵向褶皱 （平行断层走向22.5）,横向褶皱 （垂直断层走向22.5）,斜向褶皱 (与断
9、层走向交角22.5-67.5),1、纵向褶皱 （1）纵向的伸展断弯褶皱 发育于具有倾角变化的正断层的上盘之中。“滚动褶皱”和“逆牵引褶皱” 是最初用于描述这些褶皱的术语，但按这种褶皱形成的机制属“断弯褶皱”。大多数断弯褶皱是位于铲状正断层之上的相对简单的“滚动”背斜。由于认识到一些正断层系可能具有类似于逆冲断层的断坪断坡的几何学特征，推测这时存在更复杂的断弯褶皱。 断弯褶皱的规模变化很大，它取决于相关正断层中弯曲的规模。断弯褶皱可以根据发育非平面状断层、下盘中缺乏褶皱作用来与其它纵向褶皱相区别。,滚动褶皱其实是一种相对简单的伸展断弯褶皱。 滚动褶皱（图5）常见于与被动大陆边缘有关的厚层沉积序列
10、中，特别是墨西哥湾沿岸地区和尼日尔三角洲。滚动褶皱是由上凸（铲状）断层运动所形成，因而是断弯褶皱（图5a，b）。这些断层的运动在断层上盘和下盘之间产生潜在的空隙；上盘随后垮塌落入此空隙（图5a）。实际上，从来不会形成空隙，因为断层运动和上盘变形同时发生。由于与滚动褶皱有关的断层形成于强度很低的未固结岩石中，下盘褶皱一般是不会存在的。,（2）纵向的伸展断展褶皱 根据挤压的断展褶皱来分析，它形成于断层端线处。实验与数字模拟揭示，正断层由下向上扩展或向上延伸，结果引起上覆地层的褶皱挠曲，形成背斜向斜对。 纵向的断弯褶皱与断展褶皱之间的鉴别主要根据下盘褶皱是否存在和褶皱与正断层之间的几何学关系。 伸展
11、断展褶皱的规模取决于相关正断层的规模。 “强制褶皱”属于伸展断展褶皱的一类，其中，下部（或基底）为断开的刚性层，其上覆者为未断开的层状地层。,（3）牵引褶皱 牵引褶皱通常紧靠断层面的区域。向斜形成于正断层的上盘；背斜见于下盘。沿断层面的摩擦阻力一直被认为是产生相邻岩层中局部牵引褶皱的原因。然而，可能一些作者的“断层牵引褶皱”可能实际相当于“断展褶皱”，即两者有混用的迹象。 一般来说，形成牵引褶皱的相关断层不像断展褶皱那样断层由下部向上部扩展，而是形成于浅部，多由上向下扩展；且形成牵引褶皱的断层可切割上部褶皱的两盘地层。通常，如果褶皱紧靠正断层的话，它们被认为是典型的断层牵引褶皱。因此，它们是规
12、模最小的一类纵向褶皱，并且在刚性相似的上盘和下盘岩层中均产生褶皱。,(4)逆牵引褶皱 逆牵引褶皱的几何形态与牵引褶皱相反，在上盘形成背斜，下盘形成向斜（图4a）。同牵引褶皱类似，逆牵引褶皱的规模也较小，且褶皱幅度一般十分宽缓。逆牵引褶皱表明位移随离开断面距离增加而减小（图1d），这是对断层作用的弹性（或挠性)响应。逆牵引褶皱的半径随位移而增加。一般来说，上盘逆牵引褶皱的幅度高于下盘逆牵引褶皱的幅度（图4a）。,滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异 由于几何形态相似，在一些文献中“滚动”和“逆牵引”术语常常混用。请注意，逆牵引作用是成岩岩石对正断层作用的弹性一挠性响应的结果，而滚动褶皱与重力驱动的铲形断层
13、有关。考虑到这两类断层在机制方面的显著不同，建议不要互用这两个词。,滚动褶皱的存在很好地说明相关断层为铲状断层（图5c）。但由于滚动褶皱和逆牵引褶皱具有几乎相同的几何形态，逆牵引褶皱可能被错误地解释为滚动褶皱，相关断层可能被错误地推断为铲状断层。 逆牵引褶皱的存在并不意味着铲形断层的存在。实际上，大多数逆牵引褶皱与面状或仅略具铲形形态的断层有关。 可用如下几点区分滚动褶皱和逆牵引褶皱：（1）预期滚动褶皱见于与滑脱正断层有关的厚层沉积序列中，断层面形态不同（铲状平面状），地层特征不同（较松散较固结）；（2）逆牵引褶皱可见于上盘和下盘，而滚动褶皱通常仅见于上盘。（3）逆牵引褶皱影响规模小，而滚动褶
14、皱通常影响规模大。,（5）均衡褶皱 属于规模最大的一类纵向伸展褶皱类型。均衡褶皱是宽阔的褶皱，其形成是对正断层下盘的差异卸载作用的响应。大多数作者认同这种机制已产生了北美科迪勒拉山变质核杂岩中及其它地区的山体尺度的背斜。,2、横向褶皱 常见的横向褶皱按机制主要包括断弯褶皱、收缩褶皱和位移梯度褶皱等。 （1）位移梯度褶皱 所有该类型的横向褶皱都是由位移沿走向变化而引起的。位移的这种变化与正断层的规模无关。因此，横向褶皱具有不同的规模。横向褶皱的形态很大程度上依赖于正断层系的几何形态（孤立断层及分段式断层体系）。,（2）横向断弯褶皱 “横向断弯褶皱”（Schlische（1995）称为“断层线偏转
15、褶皱”）与非平面状的断层面有关。其关键特征包括：下盘地层没有发生褶皱作用；上盘中的褶皱与相邻正断层中的横向断坡一致（即波状断层面）。作为最简单的横向断弯褶皱类型，在邻近断层的向形弯曲部分（凹入部分）的上盘中发育向斜，在邻近断层的背形弯曲部分（凸出部分）的上盘中发育背斜。,（3）横向收缩褶皱 “横向收缩褶皱”记录了垂直于区域伸展方向的水平缩短作用。在收缩应变作用下，正断层变成了褶皱形态，并且褶皱轴平行于伸展方向。在断层上盘和下盘中的褶皱呈线状排列并协调一致。这种特征使它们很容易与位移梯度褶皱相区别,（4）横向变换带褶皱 形成于两条或两组倾向相反的正断层之间，两者趋近或有一定叠覆，并形成横向构造变
16、换带。,3、斜向褶皱 常见的斜向褶皱包括斜向断弯褶皱、转换伸展褶皱和斜向变换带褶皱等。 断弯褶皱与横向断弯褶皱类似，反映了上盘岩层当它们在非平面状的断层面上和刚性的下盘岩石上滑动时的变形。 断层面的波状起伏与正断层的整体走向是斜交的，并且只要断层下盘比上盘更具有刚性，断层下盘在作用过程中均不发生褶皱变形。,斜向褶皱 转换伸展褶皱与伸展兼走滑的断层运动有关；其应变与收缩应变类似；垂直于有限应变伸展轴的缩短作用是这种类型的变形发生的原因，推测其褶皱的轴向平行于正斜滑断层上的滑动矢量。 斜向变换带褶皱：在斜向调节带中，在倾向相对的正断层沿走向终止的地方，斜向背斜连接两侧相互对倾的正断层的端点，而斜向向斜连接两侧相互背倾的正断层的端点。,假设条件：平面应变，即变形前后面积守衡； 地层厚度不变； 地层长度不变。 这时，Suppe的断弯褶皱方法（1983）也适用于伸展断层。 即：伸展量和滑脱面的深度与基准面以下被运移出的物质的面积有关（A2，半地堑的沉积填充物），并可进行计算。,四、纵
