第十一章正断层与伸展构造

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1、第十一章正断层与伸展构造,第一节 基本观念,1.定义： 正断层：上盘相对于下盘向下滑动的倾向滑动断层。伸展构造：由于正断层造成岩石单元的水平伸展， 故正断层又可称为伸展构造（断层）。,1,1,3,3,3,1,2 应力状态及形成机制,利于正断层形成的应力条件为：最大主应力(1)在竖直方向上增大，或最小主应力(3)在水平方向上减小，或上述两种过程同时作用。,3,1,3,1,3,1,利于正断层作用发生的地质背景是： 经历水平拉伸（伸展）或垂向穹隆和抬升的地区,由于经历正断层作用的地壳岩石单元发生了水平方向上的伸展，所以正断层也被称为伸展断层，但伸展断层一般特指由区域性伸展形成的大规模低角度正断层，特

2、别是指拆离断层。,第二节、 正断层的一般特征,a. 断层上盘相对于下盘向下运动 b. 被断岩石单元产生水平伸长（伸展）效应,c. 在同一高程剥蚀面上，上下盘的对比性,1,2,3,4,第三节、 正断层的几何形态,根据断层面的几何特征以及断层面和被断岩石 的旋转性质，正断层可被划分为三种类型： 非旋转平面正断层、旋转平面正断层和铲式断层,a. 非旋转平面正断层：平面状断层面，断层面和被断岩层均不发生旋转，说明所有的运动为平移运动。一般形成地堑和地垒构造是共轴变形的产物,b. 旋转平面正断层（掀斜断层）：平面状断层面，断层面和被断岩层均发生旋转掀斜断块：由正断层围限的旋转了的岩石块体掀斜盆地（半地堑

3、）：在掀斜断块上发育的不对称盆地，其一侧由正断层控制（箕状盆地）多米诺或书斜式构造：由一系列旋转平面正断层和掀斜断块 组成的构造。,i,水平伸长度 S S= l / l0 = sini/ sin= sin (+) / sin,伸长度： S = l / l0 =1+ e 正弦定理： l /sin( 180-i) = 10 / sinl / l0 = sin( 180-i)/ sin= sin (+) / sin,c. 铲式（犁状）断层： 具有下凸断层面，且断层面产状向地表变陡而向下随深度变缓的断层。,Laminar Flow,一种解释铲式断层产状变化的模式,另一种解释铲式断层产状变化的模式,第四

4、节、 正断层的构造样式,a. 地堑与地垒地堑：由两组走向近平行且相向倾斜的正断层及其所夹持的下降断块形成的构造 地垒：由两组走向近平行且相背倾斜的正断层及其所夹持的抬升断块形成的构造,半地堑：单侧由正断层控制的下降断块；或由一组倾向相同的正断层控制的一系列下降断块形成的构造样式 半地垒：单侧由正断层控制的上升断块；或由一组倾向相同的正断层控制的一系列上升断块形成的构造样式,盆岭构造：由一系列走向近平行的地堑（半地堑）和地垒（半地垒）相间排列形成的构造。因为地堑一般形成盆地而地垒形成山岭，故称为盆岭构造,b. 断陷盆地: 是在地壳伸展作用下形成的以正断层为边界的盆地，如地堑、半地堑等。如果盆地只

5、在一侧发育正断层，则形成不对称箕状盆地，多见于铲式断层和掀斜断层。,断陷盆地正断层 前陆盆地逆断层 走滑拉分盆地 走滑平移断层,c. 生长断层（同沉积断层）断层活动与沉积作用同时发生而形成的断层称为生长断层 逆冲断层和正断层均可形成生长断层，但正断层最为常见 特征 1) 上盘与断层活动同时形成的地层厚度明显比下盘同一地层的厚度大，有时断层会切 入某一地层的下部而不切穿整个地层，这时该地层在断层两侧的厚度会有截然的不同但。2) 地层断距随深度增大而增大。,3) 绝大多数生长断层为铲式断层4) 铲式断层上盘同断层活动沉积地层厚度向断层方向增厚,5) 断层的运动速度会由于沉积的加载而加速，从而沉积中

6、心的地层厚度会向上增大6) 在铲式断层中上盘因为重力作用而产生反牵引现象,随着美国盆岭区第三纪伸展构造的研究，提出了许多伸展拆离模式，如Mckenz记的剪模式、Wemicke的单剪模式、Davis的分层剪切模式 以及Liste:和Dais的多期次滑脱模式(图1)。随着研究的深入纯剪模式逐渐被单剪模式所取代，而且单剪模式也趋于复杂化，形成三维的多层次的多种构造要素的组合模式。,（一) 纯剪切伸展模式 （Pure shear model),共轭高角度正断层系、对称地堑、裂谷盆地 岩石物理状态与岩石圈变形 水平拉伸纯剪变形与非旋转应变 上部地壳至下部地幔的均匀变形,岩石圈纯剪切模式,（二）简单剪切伸

7、展模式 (simple shear model),基本要点： 低角度（12）大位移正断层的发现； 伸展变形大型低角度正断层旋转变形上盘旋转正断层下盘微弱变形单剪变形； 地壳至地幔的伸展减薄具有不均匀性； 下盘隆升与变质核杂岩；,d 裂谷 裂谷： 伸展作用形成的，由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造组成的区域性狭长构造带 ，一般表现为以断层为边界的狭长谷地。 裂谷一般由地幔上涌（地幔柱）或区域性伸展形成，其进一步发展可演化成大洋盆地。,裂谷系统:根据裂谷发育的位置可划分为： 大陆裂谷： 大陆裂解的开始，如东非裂谷带 陆间裂谷： 新洋盆的初始阶段，如红海 洋中脊裂谷： 海底扩张的中心，如大西洋洋中

8、脊裂谷板块构造与裂谷的对应关系大陆裂谷 陆间裂谷 洋中脊裂谷大陆裂解 大陆漂移 海底扩展,大陆裂谷的特征 1）地貌表现为狭长线状盆地 2）构造形式为由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造 3）发育含有蒸发岩类的厚层陆源碎屑沉积 4）发育大量的岩浆岩：高原或溢流玄武岩，特别是双峰式火山岩及其相关的侵入岩系。 5）活跃的地震与火山活动所以是一种板块边界 6）线性负重力异常，高地热梯度，边界上为陡立的重力、磁 性梯度带。 7）软流圈上涌、地壳减薄、具有低速的壳幔过渡带。,e 拗拉谷 拗拉谷： 与大陆边缘高角度相 交，向洋盆方向张开而向大陆 方向消亡的裂谷。 其特征与大陆裂谷相同。 拗拉谷起源于地幔柱之

9、上洋中 脊洋中脊洋中脊三联点。 其中三联点的两支发展成新洋 盆，但第三支停止发展而停留 于初始的裂谷阶段。所以，拗 拉谷又称为盲支。,f 岩墙群 岩墙：一种截切围岩层理、面理等，呈板状或似板状的侵人岩体。 岩墙群： 呈近平行、放射状或同心状排列的一组岩墙。岩墙群是伸展构造形成的一种重要的构造形式。,岩墙群一般特指近平行排列的岩墙群，它们一般发育于 裂谷和拗拉谷。放射状岩墙群一般一火山或岩浆穹隆为中心向四周发散。 同心状岩墙群可能与火山的垮塌相关。岩墙群可作为前寒武纪大陆固结、大陆伸展及其伸展量的 标志。还可以作为古大洋扩张方向的判别标志。,g 拆离断层和变质核杂岩,拆离断层：区域性伸展形成的大

10、规模低角度正断层。拆离断层将年轻或浅构造层次的岩石直接叠覆于古老和深构造层次的岩石之上。通常是，拆离断层上盘为不变质或极低级变质岩，下盘为具有糜棱岩结构的高级变质岩。,拆离断层的特征： 1) 区域或亚区域规模，至少可达数十公里。 2)超过10公里的巨大位移量。 3)上盘因伸展而发育一组或多组正断层，它们向下合并于拆离断层，而下盘则很少发育类似的断层。,4)具有特有的断层构造岩组合序列，具有早期韧性变形后期脆性变形的变形历史，其先后形成不同性质的构造岩并在一个窄带上依次叠加。 典型的构造岩组合由老到新依次为： (a)糜棱状岩石； (b) 绿泥石化角砾岩； (c) 微角砾岩（常含有假熔岩）； (d

11、) 断层角砾和断层泥。,拆离断层的构造岩组合系列是拆离断层正断抬升作用的结果。拆离断层作用过程中，在不同的构造层次上形成不同的构造岩。随着拆离断层作用的抬升，形成于深部的糜棱状岩石逐渐向上运移，依次经历退化变质剪切作用 （角砾岩绿泥石化角砾岩）、脆性碎裂作用（微角砾岩）。这些岩石依次叠加，最终形成特定的断层构造岩序列。,变质核杂岩 (MCC): 由拆离断层限定的孤立穹隆状地质体，由经历了韧性变形的中高级变质岩和岩浆侵入体组成，其上被低级变质或不变质、浅构造层次（拆离断层）上盘以构造关系覆盖，并且上盘经历了长距离的位移。,实际上，变质核杂岩 (MCC)就是拆离断层的下盘，它经历了拆离断层的正断抬

12、升作用，并由于均衡调节作用和岩浆上窿作用而形成穹隆状态。,变质核杂岩的特征 1）空间上为孤立穹隆状地质体，平面呈近圆形或长圆形，其中经常具有一翼陡一翼缓的几何特征。. 2）由从深部（中下地壳）出露到地表的中高级古老变质岩组成，通常具有较晚期的岩浆岩侵入体。 3）顶部发育含糜棱状岩石的大型剪切带，剪切带顶部被拆离 断层切割，并引起脆性变形和蚀变作用，形成绿泥石化角 砾岩、微角砾岩甚至假熔岩。,4）上盘由低级变质或不变质的上地壳岩石组成。 5） 变质核杂岩（MCC）的变形行为与上盘完全不同， MCC韧性变形；上盘脆性正断层。 6）变质核杂岩顶部剪切带的运动学特征与上盘相同，说明 它们是在同一递进变

13、形过程中形成的。,变质核杂岩的四要素： 1） 拆离断层（低角度及其岩石组合） 2）下盘糜棱岩化中深变质岩 3）上盘发生正断层作用的浅层次岩石 4）在剖面上必须有明显的岩层缺失,拆离断层的形成机制 根据安德森（Anderson)模式，正断层应高角度，逆断层才是低角度。但自然界大多数大规模正断层是低角度的。这是目前国际地质学界没有解决的问题。为此郑亚东教授（1999）提出了最大有效力矩准则： 在伸展环境下，脆韧性层状岩石将形成伸展褶劈理 (ecc)，该劈理的倾角受最大有效力矩控制，一般为35度左右，这些伸展褶劈理进一步扩展形成低角度正断层。,Anderson 模式,最大有效 力矩准则,Anders

14、on model,用于解释地表或近地表断层 假设条件： 地质体为均质，无先存软弱面 受力均匀，沿着地表剪应力为零；主应力水平或直立 断层面均为剪切面,Anderson model,用于解释地表或近地表断层 假设条件： 地质体为均质，无先存软弱面 受力均匀，沿着地表剪应力为零；主应力水平或直立 断层面均为剪切面,Anderson model,正断层作用的应力状态莫尔圆,逆断层作用的应力状态莫尔圆,Anderson model,Hafner model,受力条件复杂 三种附加应力状态 标准状态与Anderson model相同,垂向力 水平剪切力一对高级角度正断层意义,Hafner model,逆

15、冲推覆构造的形成模式,侧向水平挤压 要点: 侧向挤压根部推动力 强烈缩短巨大位移,逆冲推覆构造的形成模式,侧向水平挤压 板块活动（陆陆）,侧向水平挤压 板块活动（洋陆）,逆冲推覆构造的形成模式,重力滑动说 要点： 重力存在高度差异位能出现 软弱层存在 低角度正断层 平卧翻卷褶皱形成,实例：嵩山,重力扩展说 要点： 重力作用导致垂向压扁降低高度 岩石或岩体向静岩压力小的方向流动扩展,逆冲推覆构造的形成模式,逆冲推覆构造的形成模式,孔隙液压的效应 要点： 高孔隙液压对岩石起浮力作用 降低上覆推覆岩块的有效重力 减小推覆体与下伏岩块之间的摩擦力,a. 纯剪切模式：形成由两条相背倾斜拆离断层限定的对称型变质核杂岩。b. 简单剪切模式：形成由一条拆离断层在一侧限定的不对称型变质核杂岩。,一、区域性岩石圈伸展模式,第五节、伸展作用的动力学模式 （拆离断层和变质核杂岩的形成机制）,岩浆作用,地壳增厚导致失稳作用 热及流体作用引起拆离断层作用,伸展,岩浆作用热窿 滑覆（热隆模式）,二、岩浆作用引起的伸展作用,构造位置： 洋中脊(7) 和板内伸展区(8)。,拆 沉,软流圈的上涌 岩石圈的反弹,伸 展,俯冲增厚,三、拆沉作用,陆陆碰撞带后造山垮塌(5),