伸展盆地

伸展盆地是指在區域引張作用下與地殼和岩石圈產生伸展、減薄作用有關的一類裂陷盆地。

裂谷是最常見的一種伸展盆地。除裂谷外，坳陷、坳拉槽和被動大陸邊緣也屬於伸展盆地。岩石圈引張作用形成的伸展盆地的結構形態可以分為“拗陷”“拗斷”“斷陷”和“斷拗”4種基本形式。

基本介紹

• 中文名：伸展盆地
• 外文名：extensional basin
• 代表：裂谷
• 原因：區域引張作用
• 學科：沉積學
• 作用模式：主動、被動裂陷、伸展模式

簡介

裂谷是最常見的一種伸展盆地。除裂谷外，坳陷、坳拉槽和被動大陸邊緣也屬於伸展盆地。岩石圈引張作用形成的伸展盆地的結構形態可以分為“拗陷”“拗斷”“斷陷”和“斷拗”4種基本形式。從岩石圈尺度上看，伸展盆地只是地殼淺表層的構造變形，但是它是整個地殼甚至岩石圈尺度伸展變形的結果。因此，伸展盆地的結構形態與岩石圈伸展變形方式有密切關係。岩石圈伸展變形可以使地殼淺表層發生斷陷，也可以使地殼淺表層發生拗陷。如果岩石圈主要表現為韌性變形，地殼淺表層的沉積盆地以拗陷為主；如果岩石圈主要表現為脆性破裂，斷塊的差異升降導致地殼淺表層發育以斷陷為主的沉積盆地其中，岩石圈熱活動、地殼均勻伸展減薄後的均衡作用是控制地表“拗陷”的主要因素；淺層地殼的區域性伸展斷層活動是控制地表“斷陷”的主要因素。不同區域、不同時期各動力因素所占比例有所差異，導致在不同時期或同一時期的不同區域所發育的伸展盆地的結構形態有所差異。

伸展裂陷作用模式

主動裂陷作用和被動裂陷作用

一般將裂陷作用歸為兩類，即主動裂陷作用(activerifting)和被動裂陷作用(passiverifting)。在主動裂陷作用中，地表變形與地幔熱柱或熱席對岩石圈底部的撞擊作用(impingement)相伴生，來自地幔柱的傳導加熱作用，來源於岩漿生成的熱傳遞作用或者是來源於熱對流作用均可以使岩石圈變薄。如果來自於軟流圈的熱流足夠大，大到可使大陸岩石圈迅速地減薄，這將引起均衡隆起，隆起產生的張應力和地幔熱拉上升在岩石圈底部產生的摩擦拖拽作用可以引起地表岩石圈裂開作用。主動裂陷作用產生的破裂往往表現為三叉式(tri-plejunction)破裂，紅海—亞丁灣—衣索比亞裂谷系是這種三聯裂谷的典型實例。三聯裂谷中每支裂谷發育不平衡，如紅海—亞丁灣—衣索比亞裂谷系，其中紅海南部和亞丁灣兩支已發育為陸間裂谷，而另一支衣索比亞裂谷仍處於大陸內裂谷狀態，發育不足。

被動裂陷作用是區域應力場的被動回響。在被動裂陷作用中，首先是岩石圈的張應力引起它破裂，其次才是熱地幔物質貫入岩石圈，地殼穹隆作用和火山活動僅是次要過程。RioGrande裂谷和 McKenzie(1978)所提出的有關沉積盆地成因的模式屬於這類被動裂陷作用。

主動和被動裂陷作用模型是裂陷作用的兩種理想的端元模式。將裂陷作用劃分為主動和被動兩種類型有其合理性，但是在實際研究中是很難掌握的。在很多情況下，將“應力”產生的被動裂谷與地幔柱產生的“主動”裂谷對立起來也是不合適的。實際上，在裂谷的發育過程中，這兩種作用常常是彼此互補、交替發揮作用的。

岩石圈伸展模式

從構造運動學角度來看，岩石圈的被動裂陷作用可以概括為兩種端元體制，即以 McKenzie模式為代表的純剪下變形體制和以 Wernicke模式為代表的簡單剪下變形體制。在構造變形分析中，純剪下變形是指一種共軸遞進變形，即在整個遞進變形過程中，應變主軸的方向保持不變(圖 a);而簡單剪下變形是一種非共軸遞進變形，在整個遞進變形過程中應變主軸隨遞進變形的發展而發生改變(圖 b)，用一疊卡片可以很好地模擬這一過程。

1.對稱伸展作用和 McKenzie模式

McKenzie(1978)模式有兩個重要的假設：

① 假定地殼和岩石圈的伸展量是相同，即均勻伸展假設;

② 伸展作用是對稱的，不發生固體岩塊的旋轉作用。由此導致的岩石圈的伸展過程中，主應變軸的方位不會隨時間而發生變化，因此，這是純剪下變形狀態;

③ 當岩石圈受到瞬時和均勻的拉伸作用而變薄時，熱的軟流圈為了保持岩石圈均衡而被動上隆，此時，如果大陸岩石圈的初始表面相當于海平面，可以得到機械伸展造成的沉降量和隆起量。基於上述假定，McKenzie(1978)提出了均勻伸展定量模型，基本的要點是：

(1)盆地的總沉降量由兩部分組成：其一是由初始斷層控制的沉降，它取決於地殼的初始厚度及伸展係數 β;其二是岩石圈等溫面向著拉張前的位置鬆弛，從而引起的熱沉降，熱沉降只取決於伸展係數 β大小。

(2)模擬結果表明，斷層控制的沉降是瞬時性的。由於熱流值隨時間而減小，因此，熱沉降的速率隨時間呈指數減小。一般情況下，大約 50Ma後，岩石圈的熱流值將降低到其初始值的 1/e，因此，裂谷活動停止以後，熱流值對 β的依賴程度很小。

將盆地的沉降區分出斷層控制的同裂陷期(synrift)沉降和熱作用控制的裂後期(postrift)沉降是 McKenzie均勻伸展模型的最主要的貢獻，它揭示了岩石圈裂陷作用所導致的盆地沉降的普遍特徵。許多盆地的實例顯示出上述盆地沉降特徵的普遍性。我國東部幾個典型伸展型斷陷盆地均顯示出斷 -坳型或“牛頭”型結構，實際上這種結構就代表了上述兩階段的沉降模式，即斷層控制的同裂陷期(synrift)沉降和熱作用控制的裂後期(postrift)沉降。應該明確，由 McKenzie均勻伸展模型預測的地殼伸展係數 β、初始沉降以及熱沉降與地質觀測結果存在誤差。實際的地殼伸展量和初始沉降量要比根據McKenzie模型預測的小得多，而熱沉降值要比根據 McKenzie模型的伸展係數 β預測的大得多(Sclater等，1980)。因此，在 McKenzie均勻伸展模型之外，許多學者又提出了不少的改進模型(RoydonandKeen，1980)，如隨深度變化的非連續性拉張模型或隨深度變化的連續性拉張模型等，用以研究地殼伸展量對熱沉降值和高程變化的影響。對稱伸展作用導致盆地兩側對稱構造的發育，如果盆地的發育進入到大陸漂移階段，裂谷張開的中心將與洋盆擴張的中心一致。

2.非對稱伸展作用和 Wernicke模式

Wernicke(1981，1985)在北美西部盆嶺區變質核雜岩構造研究的基礎上提出了一個岩石圈伸展模型，認為岩石圈的伸展作用可以通過一個巨大的、貫穿整個岩石圈的低傾角剪下帶來實現。因此，低角度正斷層構成了許多伸展構造區內的主體構造。這種斷層可以發育在中地殼構造層內，也可以切穿整個岩石圈。從構造變形的角度分析，這種低角度正斷層是由地殼或岩石圈內的簡單剪下變形作用而形成的。在簡單剪下變形作用下，岩石圈變形過程中主應變軸的方位隨時間發生了遞進變化。

與純剪下狀態下對稱的伸展作用不同，這是一種非對稱的伸展變形狀態，盆地構造上表現為盆地兩側或被動大陸邊緣兩側構造幾何學可以完全不同。與純剪下作用的顯著區別是：簡單剪下產生強烈不對稱構造，殼幔明顯拆離，地殼變薄區和地幔變薄區位置顯著不一致，岩石圈的伸展作用通過低角度的剪下帶從一個地區的上地殼轉移到另一個地區的下地殼或地幔岩石圈中，這就必然會導致斷層控制的伸展帶與軟流圈的上涌帶發生分離。Wernicke模式可以解釋一些盆地的形成機制問題，但是難以解釋空間上同裂陷沉降和裂後熱沉降重疊一致的盆地的形成機制。

3.聯合剪下模式

McKenzie模式描述了岩石圈伸展的一級回響，假設岩石圈是局部 Airy均衡，且隨深度均勻拉伸，忽略了基底斷裂在岩石圈伸展過程中的作用。相反，Wernicke模式中，假設緩傾的剪下面切過地表，穿過整個岩石圈進入軟流圈。深層反射資料表明，在大陸岩石圈伸展和裂谷盆地的形成過程中，大的基底斷裂非常重要，控制了不對稱盆地的發育。這些大的基底斷裂一般局限於上地殼地震層內，延伸到下地殼後，脆性破裂 變形被彌散式韌性變 形作用所代替(Barbier，1986;Kusznir等，1991)。在下地殼和地幔韌性變形區，岩石圈伸展是通過純剪下(即上述彌散式韌性變形)，而不是岩石圈上部的簡單剪下作用來完成的。因此，大陸岩石圈的變形是簡單剪下作用和純剪下作用共同作用的結果。

上地殼脆性斷裂，下地殼和上地幔岩石圈呈純剪下變形的簡單 -純剪下拉伸模式是目前人們廣為接受的岩石圈拉伸模式。Kusznir等(1991)曾詳細論述過撓曲懸臂模型及大陸伸展和沉積盆地的形成機制。Lister等(1991)系統論述過大陸伸展、被動大陸邊緣形成的拆離模式，並以此解釋被動大陸邊緣構造的不對稱性。在拆離 -純剪下模式中，地殼的拉伸是沿低角度的拆離斷裂進行的，盆地的構造樣式明顯具有不對稱性，而地殼之下的上地幔則是純剪下變形的。

伸展型盆地同生構造樣式

1.同生構造的類型

同生構造，也稱同沉積構造、生長構造，主要發育在伸展型或走滑伸展型沉積盆地內，表現為寬緩的褶皺和張性、張扭性斷層。由於同沉積構造和生油凹陷的發育以及儲集相帶的分布與油氣聚集和圈閉的形成有密切的關係，因而受到人們普遍的重視。當前世界上大油田中相當一部分和同沉積構造有直接的關係。一些巨大的油氣聚集帶往往本身就是一個二級的同期隆起帶或生長斷裂帶。這些同期隆起和生長斷裂在其生長過程中，不僅直接控制著生油凹陷的形成和轉移、儲集相帶的分布，而且在褶皺隆起和同沉積斷裂的相關部位形成一系列有利的油氣圈閉，構成一個不同層系疊合連片，多種油藏類型組合的複式油氣聚集帶。因此，研究同沉積構造以及它的演化歷史、對油氣勘探有著很現實的意義。

同沉積構造包括同沉積斷裂和同沉積褶皺兩種主要的類型。同沉積斷裂又可以進一步分為同生盆地邊界斷裂和同生盆內斷裂，前者常常是更高級別的斷裂。

從形態上，同沉積褶皺又可劃分為同沉積向斜和同沉積背斜。同沉積褶皺可以在盆地基底古隆起的背景上發育，以繼承性背斜為主，多見於凹陷緩坡構造帶和窪間等低隆起的頂部。在伸展背景下，同沉積褶皺常常受同生斷裂控制而形成斷裂伴生褶皺。斷裂伴生褶皺類型有褶皺樞紐平行於斷裂走向的縱向褶皺(longitudinalfolds)和與斷層大角度相交或垂直於斷層的橫 向褶皺(transversefolds)。

同沉積構造與沉積作用密切關係，廣泛分布於中、新生代沉積盆地中。我國東部的斷陷盆地中的沉積斷裂分布很廣，數量很多，所有的一級斷層和大部分的二、三級斷層都具有同沉積性。盆內同沉積斷裂的生長性可用生長係數來描述，如霑化凹陷和東營凹陷盆內的(二、三級)同沉積斷層生長指數一般為 1.2～2.0，著名的奈及利亞三角洲油田為 1～2.5。研究表明，同沉積斷裂在整個發育時期生長速率或活動強度是變化的，在某一時期相對活動，而另一個時期則相對靜止，受控於構造應力場演化和幕式構造作用。幕式構造作用普遍存在於斷陷盆地區，如北海 J—K1 斷陷盆地中，在數十個百萬年的同裂陷作用期間，存在以4～6Ma為間隔的裂陷幕。東營凹陷老第三紀同裂陷期構造演化也可以劃分為與二級層序相對應的 4個裂陷幕。

2.平面狀斷層和鏟式斷層

從斷層幾何學的角度，伸展型盆地中的正斷層可以劃分為平面狀和鏟狀兩類。如果同時考慮到斷塊的運動學特徵，則可以組合成三種類型(Wernicke等，1982)，這三種類型分別是：斷面和斷盤均不發生旋轉的非旋轉平面式正斷層;斷面和斷盤均發生旋轉的旋轉平面式正斷層和斷盤旋轉而斷層面不發生旋轉的鏟式正斷層。這三種斷層控制了三類不同結構特徵的斷陷盆地：

① 由非旋轉平面式正斷層控制的“地塹與地壘”(grabenandhorst);

② 由旋轉平面式正斷層控制的“多米諾式掀斜半地塹”(domino-tilting　half-grabens);

③ 由鏟式正斷層控制的“半地塹”(half-graben)或“滾動式半地塹”(rolloverhalf-graben)。

大量的油氣勘探資料表明，正斷層的幾何形態可以是很複雜的。在盆地伸展構造中的正斷層亦可象逆斷層一樣由多個較陡傾斜的“斷坡”(ramp)和較緩的傾斜的“斷坪”(flat)聯接成台階狀斷層面形態，有的學者稱之為連鎖式斷層系(linkedfaultfamilies，Gibbs，1990)或“坡坪式”正斷層(漆家福等，1995)，它控制了斷陷半地塹和斷坡凹陷的發育。非旋轉的平面式正斷層形成對稱的地塹盆地，旋轉類正斷層形成的盆地則表現為不對稱的半地塹。在大陸地殼伸展區，由旋轉類正斷層控制的半地塹類斷陷結構是裂陷盆地的主要構造樣式類型。

陡傾平面狀斷層控制的盆地和鏟式斷層控制的盆地的含油性有較大的差別。一般平面狀斷層控制的盆地比較深，由於深湖的發育而往往富含油氣資源。鏟式拆離斷層控制的盆地較淺，深湖範圍局限或不發育，因而這種類型的盆地貧油。這種特點在我國河南油田的南陽凹陷和泌陽凹陷表現特別明顯。南陽凹陷是一個典型的由鏟式斷層控制的斷陷盆地，盆地深度不超過 5km，盆地面積很大，但是油氣資源量很小。而相鄰的泌陽凹陷邊界斷層為平面狀正斷層，產狀陡，盆地深度達到 8km以上，其面積僅有南陽凹陷的一半不到，卻是全國著名的“小而肥”含油氣盆地。

3.正斷層的位移特徵

露頭和地震剖面研究表明，一般在正斷層中部位移最大，而向斷端位置位移逐漸減小以至等於零(圖a)。對於未切穿地表的正斷層(即盲斷層 blindfault)，斷層面上零位移的等值線(斷端線環)顯示出橢圓形態(圖b)，橢圓的短軸平行於滑移方向。對於大型的正斷層，橢圓形斷層面幾何學可以被地球表面和地震地殼底界面截切。由於上述位移的幾何學特徵，上盤地層表現為向斜形態，而在下盤表現為背斜形態(圖c)。對於千米級規模的大型斷層，向斜部位即為長形沉積盆地發育位置，而上隆的下盤可以成為盆地的重要的沉積物源區。對於單條盲斷層而言，上盤的沉降量和下盤的上隆量大體是相等的，而對於切穿地表的正斷層，當斷層的傾角減小時，上盤的沉降量增加。對於大型斷層，下盤的上隆是位移幾何學和均衡效應共同作用的結果。而在米級或更小規模上的斷層，均衡作用可以忽略不計。

斷層的位移除了沿著走向方向變化之外，沿著傾向，即離開斷層的方向位移也會減小。對於單條盲斷層，這種位移的幾何學特徵可以導致斷層端線周緣岩層變形。如圖d所示，有 4個變形象限，其中 2個象限表現為擴容變形，另 2個象限為收縮變形。這種變形幾何學可能影響斷層帶內的滲透性和孔隙度。

4.伸展型盆地中斷層區段式活動和構造轉換帶

不管在何種尺度上，正斷層系一般由多個斷層區段(segment)組成，並由上下盤內發育的局部高地和凹陷表現出來。儘管位移梯度在區段邊界處可能比較高，但是斷層系內每一個斷層區段一般均顯示出上述單條正斷層的基本特徵。露頭和實驗研究表明，在整個斷層帶內最大位移和斷層最大長度之間的比例關係(即所謂的 D-L分布圖，D：最大位移;L：最大長度)與單一區段的斷層的 D-L關係一致，相鄰斷層區段 D-L圖常常是不對稱的階梯形。這些特徵表明一個斷層系的各個區段之間在運動學上是相互關聯的，斷層系是通過各個原先是孤立的斷層區段的擴展和連線而形成的。當雁列式斷層垂向和側向擴展時，在斷層疊合部分形成構造轉換帶。

構造轉換帶發育於相鄰的分段活動的斷層之間，是伴隨斷層活動而形成的一種構造形式。它通常表現為轉換構造脊、轉換斷層、傳遞變形帶、傳遞斷坡等形式。由於構造轉換帶對入盆水系起著非常顯著的控制作用，因而對同裂陷地層和盆地內砂體的分布也有著明顯的影響。同時構造轉換帶構造類型複雜，是盆地內潛在的有利圈閉發育區，因此，盆地內轉換帶構造的研究對油氣勘探非常重要。

構造轉換帶可以發育在相鄰的盆地之間，也可以發育在同一盆地內部相鄰的主斷裂之間。前者被稱之為盆間轉換帶，一般為幾千米 ～幾十千米規模，連線兩相鄰的斷陷盆地，後者被稱之為盆內轉換帶，一般為幾百米 ～幾千米規模。

關於構造轉換帶比較系統的分類是由 Morley(1990)提出的。該分類方案首先將轉換帶分為 3種基本類型，Ⅰ和Ⅱ為共軛式轉換帶，兩條斷層的傾向相反，形成了一系列的相反掀斜的斷塊。前者為相向傾斜，後者為相背傾斜。Ⅲ為同向傾斜式構造轉換帶，該類轉換帶連線的相鄰斷層或盆地的傾向以及構造掀 斜均一致。然後根據斷 層的位置 進一步劃分為接近 式(ap-proaching)、疊覆型(overlapping)、平行型(collateral)和共線型(collinear)。接近式轉換帶的兩條斷層彼此接近不會重疊，表現出一些斜交的伸展作用的轉換;疊覆型轉換帶是兩條斷層彼此部分重疊，斷層的位移從一條斷層通過一個所謂的側向斷坡(relayramp)傳遞到另外一條斷層;平行型轉換帶彼此完全疊復，位移的傳遞發生在兩條斷層之間;共線型轉換帶的兩條斷層在一條線上，位移沿斷層走向直接從一條斷層傳遞到另一條斷層之上，二者之間常常有走滑型轉換斷層發育。

伸展型盆地內的同生褶皺

同生褶皺可以區分為縱向褶皺和橫向褶皺，前者在垂直於斷層的剖面上觀測較為清晰，而後者在平行斷層的剖面上顯示最為清楚。

縱向褶皺

拖拽褶皺(dragfolds)是最常見的一種縱向褶皺，發育局限於斷層面相鄰的區域。在斷層的上盤內表現為向形，而在下盤內表現為背形。拖拽褶皺一般形成於沿斷層面的摩擦拖拽作用。當同生斷層生長過程中向上擴展或側向擴展時，在斷層擴展的斷端部位(位移為零)也可形成這種褶皺，這時拖拽褶皺又被稱之為斷層擴展褶皺(fault-propagationfold)或強制性褶皺 (forcedfold)。東營凹陷高青斷裂上盤發育有這種類型的褶皺。

逆牽引褶皺(reverse-dragfold)具有與牽引褶皺相反的幾何學特徵，斷層的上盤發育背形，而下盤發育向形。與拖拽褶皺比較，逆牽引褶皺規模更大，是斷層作用的撓曲回響，其規模隨著斷層位移距離的增加而增加。一般斷層上盤的背斜規模要大於下盤的向斜規模，在東營凹陷的勝北斷層，梁家樓—現河斷層等部位可見這種類型的褶皺發育。

伸展斷彎褶皺(extensionalbend-fold)普遍發育在鏟式斷裂系統控制的斷陷盆地內，如東營凹陷和南陽凹陷。理論計算及物理模擬結果顯示，鏟式斷層為邊界的盆地內部的變形與其幾何形態有密切關係。

橫向褶皺作用

過去一般強調滾動背斜、拖拽褶皺和逆牽引褶皺等縱向褶皺，實際上下面介紹的橫向褶皺在沉積盆地內也廣泛發育，而且其類型複雜多樣。不過從發育機制上，所有類型的橫向褶皺作用都與斷層位移沿走向的變化有關。橫向褶皺的發育有不同的規模，其發育樣式主要取決於正斷層系的幾何學特徵。在單條正斷層上盤，斷層位移沿走向的變化導致寬闊的向斷層傾伏的長形向斜。

對於一條大型的單條盆緣斷層而言，這一向斜構成了沉積盆地的發育範圍。在斷層的下盤發育寬闊的、拉長形的、傾伏方向離開斷層的背斜。這兩個褶皺的樞紐位於同一條直線上，並處在斷層位移最大的區域。由於上盤的位移一般大於下盤的位移，所以上盤向斜的規模要大於下盤背斜的規模。儘管褶皺的樞紐位置比較固定，但是褶皺的幅度和寬度會隨著盆地和斷層的不斷生長而擴大。如果斷層最大位移的區域發生了遷移，褶皺的樞紐線也會隨著發生位置變化，這時褶皺的軸面表現為曲面。

鹽底辟構造和潛山披覆構造

除了上述同沉積褶皺之外，斷陷盆地內還發育有一些特殊的構造，這些構造可以獨立發育，但大多屬高級別構造的伴生構造。

（1）鹽底辟構造：指鹽膏層以塑性或流體狀態從深部向淺層的侵入刺穿，由此引起負載層的褶皺變形。我國東部許多盆地，如東營凹陷，潛江凹陷、東濮凹陷和黃驊凹陷等廣泛發育有鹽膏層，因而鹽底辟構造也比較普遍。不過這些盆地中鹽底辟大都是低緩的岩丘，不同於世界大型重力鹽丘和泥脊刺穿發育區墨石哥灣和奈及利亞的那種構造類型，後期突髮式“生長”特點不是很明顯。

（2）潛山披覆構造：在先前相對固結的凸起之上的沉積物通過差異壓實作用而形成。這種凸起可以是早期的古背斜、古隆起、古斷塊、火山錐等。這種構造的特點是沉積物的等厚線與同地區的構造等值線變化一致，且岩層的岩石結構明顯受古地形控制，即背斜頂粗翼細。如平方王披覆背斜和廣利披覆背斜等。