[科普中国]-岩石圈伸展模式

简介

从构造运动学角度来看，岩石圈的被动裂陷作用可以概括为两种端元体制，即以 McKenzie模式为代表的纯剪切变形体制和以 Wernicke模式为代表的简单剪切变形体制。在构造变形分析中，纯剪切变形是指一种共轴递进变形，即在整个递进变形过程中，应变主轴的方向保持不变；而简单剪切变形是一种非共轴递进变形，在整个递进变形过程中应变主轴随递进变形的发展而发生改变，用一叠卡片可以很好地模拟这一过程。右图概括了大陆岩石的各种伸展模式。其中 McKenzie模式和 Wernicke模式是盆地定量模拟的基础，也是进一步研究更为复杂的地壳伸展变形作用的基本出发点。1

对称伸展作用和 McKenzie模式McKenzie(1978)模式有两个重要的假设：

① 假定地壳和岩石圈的伸展量是相同，即均匀伸展假设；

② 伸展作用是对称的，不发生固体岩块的旋转作用。由此导致的岩石圈的伸展过程中，主应变轴的方位不会随时间而发生变化，因此，这是纯剪切变形状态；

③ 当岩石圈受到瞬时和均匀的拉伸作用而变薄时，热的软流圈为了保持岩石圈均衡而被动上隆，此时，如果大陆岩石圈的初始表面相当于海平面，可以得到机械伸展造成的沉降量和隆起量。

基于上述假定，McKenzie(1978)提出了均匀伸展定量模型，基本的要点是：

(1)盆地的总沉降量由两部分组成：其一是由初始断层控制的沉降，它取决于地壳的初始厚度及伸展系数 β；其二是岩石圈等温面向着拉张前的位置松弛，从而引起的热沉降，热沉降只取决于伸展系数 β大小。

(2)模拟结果表明，断层控制的沉降是瞬时性的。由于热流值随时间而减小，因此，热沉降的速率随时间呈指数减小。一般情况下，大约 50Ma后，岩石圈的热流值将降低到其初始值的 1/e，因此，裂谷活动停止以后，热流值对 β的依赖程度很小。

将盆地的沉降区分出断层控制的同裂陷期(synrift)沉降和热作用控制的裂后期(postrift)沉降是 McKenzie均匀伸展模型的最主要的贡献，它揭示了岩石圈裂陷作用所导致的盆地沉降的普遍特征。许多盆地的实例显示出上述盆地沉降特征的普遍性。我国东部几个典型伸展型断陷盆地均显示出断 -坳型或“牛头”型结构，实际上这种结构就代表了上述两阶段的沉降模式，即断层控制的同裂陷期(synrift)沉降和热作用控制的裂后期(postrift)沉降。应该明确，由 McKenzie均匀伸展模型预测的地壳伸展系数 β、初始沉降以及热沉降与地质观测结果存在误差。实际的地壳伸展量和初始沉降量要比根据McKenzie模型预测的小得多，而热沉降值要比根据 McKenzie模型的伸展系数 β预测的大得多(Sclater等，1980)。因此，在 McKenzie均匀伸展模型之外，许多学者又提出了不少的改进模型(RoydonandKeen，1980)，如随深度变化的非连续性拉张模型或随深度变化的连续性拉张模型等(图 2-4)，用以研究地壳伸展量对热沉降值和高程变化的影响。

对称伸展作用导致盆地两侧对称构造的发育，如果盆地的发育进入到大陆漂移阶段，裂谷张开的中心将与洋盆扩张的中心一致。1

非对称伸展作用和 Wernicke模式Wernicke(1981，1985)在北美西部盆岭区变质核杂岩构造研究的基础上提出了一个岩石圈伸展模，认为岩石圈的伸展作用可以通过一个巨大的、贯穿整个岩石圈的低倾角剪切带来实现。因此，低角度正断层构成了许多伸展构造区内的主体构造。这种断层可以发育在中地壳构造层内，也可以切穿整个岩石圈。从构造变形的角度分析，这种低角度正断层是由地壳或岩石圈内的简单剪切变形作用而形成的。在简单剪切变形作用下，岩石圈变形过程中主应变轴的方位随时间发生了递进变化。

与纯剪切状态下对称的伸展作用不同，这是一种非对称的伸展变形状态，盆地构造上表现为盆地两侧或被动大陆边缘两侧构造几何学可以完全不同。与纯剪切作用的显著区别是：简单剪切产生强烈不对称构造，壳幔明显拆离，地壳变薄区和地幔变薄区位置显著不一致，岩石圈的伸展作用通过低角度的剪切带从一个地区的上地壳转移到另一个地区的下地壳或地幔岩石圈中，这就必然会导致断层控制的伸展带与软流圈的上涌带发生分离。Wernicke模式可以解释一些盆地的形成机制问题，但是难以解释空间上同裂陷沉降和裂后热沉降重叠一致的盆地的形成机制。1

联合剪切模式McKenzie模式描述了岩石圈伸展的一级响应，假设岩石圈是局部 Airy均衡，且随深度均匀拉伸，忽略了基底断裂在岩石圈伸展过程中的作用。相反，Wernicke模式中，假设缓倾的剪切面切过地表，穿过整个岩石圈进入软流圈。深层反射资料表明，在大陆岩石圈伸展和裂谷盆地的形成过程中，大的基底断裂非常重要，控制了不对称盆地的发育。这些大的基底断裂一般局限于上地壳地震层内，延伸到下地壳后，脆性破裂 变形被弥散式韧性变 形作用所代替(Barbier，1986；Kusznir等，1991)。在下地壳和地幔韧性变形区，岩石圈伸展是通过纯剪切(即上述弥散式韧性变形)，而不是岩石圈上部的简单剪切作用来完成的。因此，大陆岩石圈的变形是简单剪切作用和纯剪切作用共同作用的结果。

上地壳脆性断裂，下地壳和上地幔岩石圈呈纯剪切变形的简单 -纯剪切拉伸模式是目前人们广为接受的岩石圈拉伸模式。Kusznir等(1991)曾详细论述过挠曲悬臂模型及大陆伸展和沉积盆地的形成机制。Lister等(1991)系统论述过大陆伸展、被动大陆边缘形成的拆离模式，并以此解释被动大陆边缘构造的不对称性。在拆离 -纯剪切模式中，地壳的拉伸是沿低角度的拆离断裂进行的，盆地的构造样式明显具有不对称性，而地壳之下的上地幔则是纯剪切变形的，上地壳的脆性断裂可以用挠曲均衡或“多米诺骨牌(Domino)”等模式进行模拟计算(Lin等，1997)。1

作用结果岩石圈伸展作用是形成伸展型盆地的重要因素。伸展型盆地中断层区段式活动和构造转换带不管在何种尺度上，正断层系一般由多个断层区段(segment)组成，并由上下盘内发育的局部高地和凹陷表现出来。尽管位移梯度在区段边界处可能比较高，但是断层系内每一个断层区段一般均显示出上述单条正断层的基本特征。露头和实验研究表明，在整个断层带内最大位移和断层最大长度之间的比例关系(即所谓的 D-L分布图，D：最大位移；L：最大长度)与单一区段的断层的 D-L关系一致，相邻断层区段 D-L图常常是不对称的阶梯形。这些特征表明一个断层系的各个区段之间在运动学上是相互关联的，断层系是通过各个原先是孤立的断层区段的扩展和连接而形成的。当雁列式断层垂向和侧向扩展时，在断层叠合部分形成构造转换带。

构造转换带发育于相邻的分段活动的断层之间，是伴随断层活动而形成的一种构造形式。它通常表现为转换构造脊、转换断层、传递变形带、传递断坡等形式。由于构造转换带对入盆水系起着非常显著的控制作用，因而对同裂陷地层和盆地内砂体的分布也有着明显的影响。同时构造转换带构造类型复杂，是盆地内潜在的有利圈闭发育区，因此，盆地内转换带构造的研究对油气勘探非常重要。

构造转换带可以发育在相邻的盆地之间，也可以发育在同一盆地内部相邻的主断裂之间。前者被称之为盆间转换带，一般为几千米 ～几十千米规模，连接两相邻的断陷盆地，后者被称之为盆内转换带，一般为几百米 ～几千米规模。1