[科普中国]-非对称伸展作用

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

非对称伸展作用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

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

同生褶皱伸展断弯褶皱(extensionalbend-fold)普遍发育在铲式断裂系统控制的断陷盆地内，如东营凹陷和南阳凹陷。理论计算及物理模拟结果显示，铲式断层为边界的盆地内部的变形与其几何形态有密切关系。图a表示一个切过先存地层并随深度向下弯折变缓的正断层。当断层上盘与下盘拉开时，如果是刚性体，则会在二者之间形成一个空隙。但实际上岩层并非刚性体，将会向下崩塌充填这个空隙，从而导致岩层变形。图b显示受重力作用，上盘岩块将沿着倾斜角大约为 70°的库仑破裂面滑移而充填这个空隙。在这个过程中，将发生沿库仑剪切破裂面方向的变形，形成滚动背斜。变形区构成了滚动背斜的前翼，并处在沿断层弯折部位定位的活动轴面(activeaxialsurface)和不活动轴面(inactiveaxialsurface)之间。不活动轴面是一个代表变形前沿活动轴面分布的界面。在递进的断层滑移过程中，不活动轴面向离开活动轴面的方向(向盆地方向)位移，从而滚动变形区随断层的位移增大而逐渐加宽(图c，d、e)。

右图表示上凹弯折断层上盘同沉积地层中伸展断弯褶皱的发育过程。同沉积地层(由老到新，标注为 1，2，3，4，5)变形区限制在一个由先存地层顶面、活动轴面和生长轴面(growthaxialsurface)限制的三角形生长区内(图b)。

图a表示同生变形初始状态。断面上的两个弯折点控制了两个初始活动轴面的发育位置。

图b是当岩层②沉积时的状况，这时期活动轴面和生长轴面在岩层②界面的交汇点是正在进入变形区的物质。

图c表示岩层③沉积时，进入生长楔内的岩层①，②已遭受到平行于活动轴面的变形。随着变形的继续，岩层④，⑤持续沉积，同时滚动变形区①和②也逐渐加宽。

从图还可以看出，在同沉积断陷盆地中，受铲式断层控制的伸展断弯褶皱的前翼越向下进入变形区的岩层越宽，褶皱幅度越大;向上则逐渐变窄，以致消失，岩层变为水平。1