[科普中国]-伸展盆地

简介

裂谷是最常见的一种伸展盆地。除裂谷外，坳陷、坳拉槽和被动大陆边缘也属于伸展盆地。岩石圈引张作用形成的伸展盆地的结构形态可以分为“拗陷”“拗断”“断陷”和“断拗”4种基本形式。从岩石圈尺度上看，伸展盆地只是地壳浅表层的构造变形，但是它是整个地壳甚至岩石圈尺度伸展变形的结果。因此，伸展盆地的结构形态与岩石圈伸展变形方式有密切关系。岩石圈伸展变形可以使地壳浅表层发生断陷，也可以使地壳浅表层发生拗陷。如果岩石圈主要表现为韧性变形，地壳浅表层的沉积盆地以拗陷为主；如果岩石圈主要表现为脆性破裂，断块的差异升降导致地壳浅表层发育以断陷为主的沉积盆地其中，岩石圈热活动、地壳均匀伸展减薄后的均衡作用是控制地表“拗陷”的主要因素；浅层地壳的区域性伸展断层活动是控制地表“断陷”的主要因素。不同区域、不同时期各动力因素所占比例有所差异，导致在不同时期或同一时期的不同区域所发育的伸展盆地的结构形态有所差异。1

伸展裂陷作用模式主动裂陷作用和被动裂陷作用一般将裂陷作用归为两类，即主动裂陷作用(activerifting)和被动裂陷作用(passiverifting)。在主动裂陷作用中，地表变形与地幔热柱或热席对岩石圈底部的撞击作用(impingement)相伴生，来自地幔柱的传导加热作用，来源于岩浆生成的热传递作用或者是来源于热对流作用均可以使岩石圈变薄。如果来自于软流圈的热流足够大，大到可使大陆岩石圈迅速地减薄，这将引起均衡隆起，隆起产生的张应力和地幔热拉上升在岩石圈底部产生的摩擦拖拽作用可以引起地表岩石圈裂开作用。主动裂陷作用产生的破裂往往表现为三叉式(tri-plejunction)破裂，红海—亚丁湾—埃塞俄比亚裂谷系是这种三联裂谷的典型实例。三联裂谷中每支裂谷发育不平衡，如红海—亚丁湾—埃塞俄比亚裂谷系，其中红海南部和亚丁湾两支已发育为陆间裂谷，而另一支埃塞俄比亚裂谷仍处于大陆内裂谷状态，发育不足。

被动裂陷作用是区域应力场的被动响应。在被动裂陷作用中，首先是岩石圈的张应力引起它破裂，其次才是热地幔物质贯入岩石圈，地壳穹隆作用和火山活动仅是次要过程。RioGrande裂谷和 McKenzie(1978)所提出的有关沉积盆地成因的模式属于这类被动裂陷作用。

主动和被动裂陷作用模型是裂陷作用的两种理想的端元模式。将裂陷作用划分为主动和被动两种类型有其合理性，但是在实际研究中是很难掌握的。在很多情况下，将“应力”产生的被动裂谷与地幔柱产生的“主动”裂谷对立起来也是不合适的。实际上，在裂谷的发育过程中，这两种作用常常是彼此互补、交替发挥作用的。2

岩石圈伸展模式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(图 a);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(图 b)，用一叠卡片可以很好地模拟这一过程。

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，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。

2.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型，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。

3.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。2

伸展型盆地同生构造样式1.同生构造的类型

同生构造，也称同沉积构造、生长构造，主要发育在伸展型或走滑伸展型沉积盆地内，表现为宽缓的褶皱和张性、张扭性断层。由于同沉积构造和生油凹陷的发育以及储集相带的分布与油气聚集和圈闭的形成有密切的关系，因而受到人们普遍的重视。当前世界上大油田中相当一部分和同沉积构造有直接的关系。一些巨大的油气聚集带往往本身就是一个二级的同期隆起带或生长断裂带。这些同期隆起和生长断裂在其生长过程中，不仅直接控制着生油凹陷的形成和转移、储集相带的分布，而且在褶皱隆起和同沉积断裂的相关部位形成一系列有利的油气圈闭，构成一个不同层系叠合连片，多种油藏类型组合的复式油气聚集带。因此，研究同沉积构造以及它的演化历史、对油气勘探有着很现实的意义。

同沉积构造包括同沉积断裂和同沉积褶皱两种主要的类型。同沉积断裂又可以进一步分为同生盆地边界断裂和同生盆内断裂，前者常常是更高级别的断裂。

从形态上，同沉积褶皱又可划分为同沉积向斜和同沉积背斜。同沉积褶皱可以在盆地基底古隆起的背景上发育，以继承性背斜为主，多见于凹陷缓坡构造带和洼间等低隆起的顶部。在伸展背景下，同沉积褶皱常常受同生断裂控制而形成断裂伴生褶皱。断裂伴生褶皱类型有褶皱枢纽平行于断裂走向的纵向褶皱(longitudinalfolds)和与断层大角度相交或垂直于断层的横 向褶皱(transversefolds)。

同沉积构造与沉积作用密切关系，广泛分布于中、新生代沉积盆地中。我国东部的断陷盆地中的沉积断裂分布很广，数量很多，所有的一级断层和大部分的二、三级断层都具有同沉积性。盆内同沉积断裂的生长性可用生长系数来描述，如沾化凹陷和东营凹陷盆内的(二、三级)同沉积断层生长指数一般为 1.2～2.0，著名的尼日利亚三角洲油田为 1～2.5。研究表明，同沉积断裂在整个发育时期生长速率或活动强度是变化的，在某一时期相对活动，而另一个时期则相对静止，受控于构造应力场演化和幕式构造作用。幕式构造作用普遍存在于断陷盆地区，如北海 J—K1 断陷盆地中，在数十个百万年的同裂陷作用期间，存在以4～6Ma为间隔的裂陷幕。东营凹陷老第三纪同裂陷期构造演化也可以划分为与二级层序相对应的 4个裂陷幕。3

2.平面状断层和铲式断层

从断层几何学的角度，伸展型盆地中的正断层可以划分为平面状和铲状两类。如果同时考虑到断块的运动学特征，则可以组合成三种类型(Wernicke等，1982)，这三种类型分别是：断面和断盘均不发生旋转的非旋转平面式正断层;断面和断盘均发生旋转的旋转平面式正断层和断盘旋转而断层面不发生旋转的铲式正断层。这三种断层控制了三类不同结构特征的断陷盆地：

① 由非旋转平面式正断层控制的“地堑与地垒”(grabenandhorst);

② 由旋转平面式正断层控制的“多米诺式掀斜半地堑”(domino-tilting half-grabens);

③ 由铲式正断层控制的“半地堑”(half-graben)或“滚动式半地堑”(rolloverhalf-graben)。

大量的油气勘探资料表明，正断层的几何形态可以是很复杂的。在盆地伸展构造中的正断层亦可象逆断层一样由多个较陡倾斜的“断坡”(ramp)和较缓的倾斜的“断坪”(flat)联接成台阶状断层面形态，有的学者称之为连锁式断层系(linkedfaultfamilies，Gibbs，1990)或“坡坪式”正断层(漆家福等，1995)，它控制了断陷半地堑和断坡凹陷的发育。非旋转的平面式正断层形成对称的地堑盆地，旋转类正断层形成的盆地则表现为不对称的半地堑。在大陆地壳伸展区，由旋转类正断层控制的半地堑类断陷结构是裂陷盆地的主要构造样式类型。

陡倾平面状断层控制的盆地和铲式断层控制的盆地的含油性有较大的差别。一般平面状断层控制的盆地比较深，由于深湖的发育而往往富含油气资源。铲式拆离断层控制的盆地较浅，深湖范围局限或不发育，因而这种类型的盆地贫油。这种特点在我国河南油田的南阳凹陷和泌阳凹陷表现特别明显。南阳凹陷是一个典型的由铲式断层控制的断陷盆地，盆地深度不超过 5km，盆地面积很大，但是油气资源量很小。而相邻的泌阳凹陷边界断层为平面状正断层，产状陡，盆地深度达到 8km以上，其面积仅有南阳凹陷的一半不到，却是全国著名的“小而肥”含油气盆地。2

3.正断层的位移特征

露头和地震剖面研究表明，一般在正断层中部位移最大，而向断端位置位移逐渐减小以至等于零(图a)。对于未切穿地表的正断层(即盲断层 blindfault)，断层面上零位移的等值线(断端线环)显示出椭圆形态(图b)，椭圆的短轴平行于滑移方向。对于大型的正断层，椭圆形断层面几何学可以被地球表面和地震地壳底界面截切。由于上述位移的几何学特征，上盘地层表现为向斜形态，而在下盘表现为背斜形态(图c)。对于千米级规模的大型断层，向斜部位即为长形沉积盆地发育位置，而上隆的下盘可以成为盆地的重要的沉积物源区。对于单条盲断层而言，上盘的沉降量和下盘的上隆量大体是相等的，而对于切穿地表的正断层，当断层的倾角减小时，上盘的沉降量增加。对于大型断层，下盘的上隆是位移几何学和均衡效应共同作用的结果。而在米级或更小规模上的断层，均衡作用可以忽略不计。

断层的位移除了沿着走向方向变化之外，沿着倾向，即离开断层的方向位移也会减小。对于单条盲断层，这种位移的几何学特征可以导致断层端线周缘岩层变形。如图d所示，有 4个变形象限，其中 2个象限表现为扩容变形，另 2个象限为收缩变形。这种变形几何学可能影响断层带内的渗透性和孔隙度。

4.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。

关于构造转换带比较系统的分类是由 Morley(1990)提出的。该分类方案首先将转换带分为 3种基本类型，Ⅰ和Ⅱ为共轭式转换带，两条断层的倾向相反，形成了一系列的相反掀斜的断块。前者为相向倾斜，后者为相背倾斜。Ⅲ为同向倾斜式构造转换带，该类转换带连接的相邻断层或盆地的倾向以及构造掀 斜均一致。然后根据断 层的位置 进一步划分为接近 式(ap-proaching)、叠覆型(overlapping)、平行型(collateral)和共线型(collinear)。接近式转换带的两条断层彼此接近不会重叠，表现出一些斜交的伸展作用的转换;叠覆型转换带是两条断层彼此部分重叠，断层的位移从一条断层通过一个所谓的侧向断坡(relayramp)传递到另外一条断层;平行型转换带彼此完全叠复，位移的传递发生在两条断层之间;共线型转换带的两条断层在一条线上，位移沿断层走向直接从一条断层传递到另一条断层之上，二者之间常常有走滑型转换断层发育。2

伸展型盆地内的同生褶皱同生褶皱可以区分为纵向褶皱和横向褶皱，前者在垂直于断层的剖面上观测较为清晰，而后者在平行断层的剖面上显示最为清楚。

纵向褶皱拖拽褶皱(dragfolds)是最常见的一种纵向褶皱，发育局限于断层面相邻的区域。在断层的上盘内表现为向形，而在下盘内表现为背形。拖拽褶皱一般形成于沿断层面的摩擦拖拽作用。当同生断层生长过程中向上扩展或侧向扩展时，在断层扩展的断端部位(位移为零)也可形成这种褶皱，这时拖拽褶皱又被称之为断层扩展褶皱(fault-propagationfold)或强制性褶皱 (forcedfold)。东营凹陷高青断裂上盘发育有这种类型的褶皱。

逆牵引褶皱(reverse-dragfold)具有与牵引褶皱相反的几何学特征，断层的上盘发育背形，而下盘发育向形。与拖拽褶皱比较，逆牵引褶皱规模更大，是断层作用的挠曲响应，其规模随着断层位移距离的增加而增加。一般断层上盘的背斜规模要大于下盘的向斜规模，在东营凹陷的胜北断层，梁家楼—现河断层等部位可见这种类型的褶皱发育。

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。2

横向褶皱作用过去一般强调滚动背斜、拖拽褶皱和逆牵引褶皱等纵向褶皱，实际上下面介绍的横向褶皱在沉积盆地内也广泛发育，而且其类型复杂多样。不过从发育机制上，所有类型的横向褶皱作用都与断层位移沿走向的变化有关。横向褶皱的发育有不同的规模，其发育样式主要取决于正断层系的几何学特征。在单条正断层上盘，断层位移沿走向的变化导致宽阔的向断层倾伏的长形向斜。

对于一条大型的单条盆缘断层而言，这一向斜构成了沉积盆地的发育范围。在断层的下盘发育宽阔的、拉长形的、倾伏方向离开断层的背斜。这两个褶皱的枢纽位于同一条直线上，并处在断层位移最大的区域。由于上盘的位移一般大于下盘的位移，所以上盘向斜的规模要大于下盘背斜的规模。尽管褶皱的枢纽位置比较固定，但是褶皱的幅度和宽度会随着盆地和断层的不断生长而扩大。如果断层最大位移的区域发生了迁移，褶皱的枢纽线也会随着发生位置变化，这时褶皱的轴面表现为曲面。

盐底辟构造和潜山披覆构造除了上述同沉积褶皱之外，断陷盆地内还发育有一些特殊的构造，这些构造可以独立发育，但大多属高级别构造的伴生构造。

（1）盐底辟构造：指盐膏层以塑性或流体状态从深部向浅层的侵入刺穿，由此引起负载层的褶皱变形。我国东部许多盆地，如东营凹陷，潜江凹陷、东濮凹陷和黄骅凹陷等广泛发育有盐膏层，因而盐底辟构造也比较普遍。不过这些盆地中盐底辟大都是低缓的岩丘，不同于世界大型重力盐丘和泥脊刺穿发育区墨石哥湾和尼日利亚的那种构造类型，后期突发式“生长”特点不是很明显。

（2）潜山披覆构造：在先前相对固结的凸起之上的沉积物通过差异压实作用而形成。这种凸起可以是早期的古背斜、古隆起、古断块、火山锥等。这种构造的特点是沉积物的等厚线与同地区的构造等值线变化一致，且岩层的岩石结构明显受古地形控制，即背斜顶粗翼细。如平方王披覆背斜和广利披覆背斜等。2