伸展裂陷作用

伸展裂陷作用是指因張力作用與整個地殼和岩石圈發生大規模的開裂和斷陷的地質作用過程，或造成岩石圈伸展構造的既“裂”又“陷”的構造過程。

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。

基本介紹

• 中文名：伸展裂陷作用
• 外文名：Extensional rifting
• 學科：沉積學
• 釋義：既“裂”又“陷”的構造過程
• 因素：張力作用
• 結果：造成伸展裂陷盆地

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。其中 McKenzie模式和 Wernicke模式是盆地定量模擬的基礎，也是進一步研究更為複雜的地殼伸展變形作用的基本出發點。

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。

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)，如圖所示，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。

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。

同生正斷層的組合樣式

從平面組合上，同沉積斷裂組合有多種樣式。

1.犁形同沉積斷裂系及其伴生構造

許多斷陷盆地陡坡帶盆緣同沉積斷裂系大都具有犁形的斷裂面。由於斷裂面向下產狀的變緩，在下降盤常伴生同生的滾動背斜及次級伴生斷裂。沿陡坡斷裂帶這類構造儘管規模不等，但十分發育。在陡坡帶發育滾動背斜的情況下，緩坡帶反向重力調整斷層也可引起地層彎曲滾動，從而形成跨過窪陷的大型的“雙向滾動背斜”。

2.梳狀斷裂構造系

“梳狀斷裂構造”是指由主幹斷裂和與之垂向的一組伴生次級斷裂構成的同沉積斷裂系。實例見於霑化凹陷孤北東五號樁、孤北西次窪、四扣窪陷、埕北窪陷等。發育於下降盤的次級斷裂的形成可能與多種機制有關，沿主幹斷裂斷距變化引起的斷裂調整，或者是近於垂直的另一組主幹斷裂活動產生的斷裂調整均可能形成這種組合樣式。

霑化凹陷的孤北東五號樁近東西向次級斷裂與長堤—五號樁主幹斷裂組合構成典型的梳狀斷裂構造系，其形成與沿長堤—五號樁斷裂的斷距變化產生斷裂調整有以及近東西向的樁西斷裂的伸長產生的調節斷裂作用密切相關。從南北向的三維地震剖面上可觀察到雙向滾動背斜，其上被一系列調節性斷裂切割。

梳狀斷裂構造帶是一種控制著窪陷內砂體分布和油氣聚集的重要同沉積構造組合類型，其發現在指導油氣勘探上具有重要意義。

3.帚狀斷裂構造系

帚狀斷裂組合一般是由一、二條主幹斷裂向一端發散或分叉成多條規模變小，斷距變小的次級斷裂系，在平面上呈帚狀，如霑化凹陷中的義東帚狀斷裂帶、邵家帚狀斷裂構造帶等。霑化凹陷內的帚狀斷裂系多呈左步階排列，表明盆地曾受到過右旋張扭作用有關。

4.複合叉形斷裂構造系

由兩條斷裂帶相交形成的叉形斷裂構造系，如霑化凹陷孤南窪陷東端控制窪陷發育的叉形斷裂系，是由孤南斷裂和孤東弧形斷裂相交構成。交叉的內角帶控制著窪陷的沉積中心。此外，在許多盆地中還可觀察到魚鱗狀、平行狀、棋盤狀等斷裂組合樣式。

作用結果

伸展盆地是與在引張作用下地殼和岩石圈伸展、減薄作用有關的一類裂陷盆地，由陸內裂谷到被動大陸邊緣這一盆地演化序列所構成。裂谷是最常見的一種伸展盆地。裂谷概念是1896年Gregory描述東非裂谷時提出的一個術語，初期的含義指的是在平行的正斷層之間的一種狹長的凹陷。後來 K.Burke(1980)修改了 Gregory的定義，指出裂谷是由於整個岩石圈遭受伸展破裂而引起的狹長凹陷。需要強調的是：第一，該裂谷定義中未提到平行斷裂，主要是由於許多裂谷邊界不一定是兩條平行斷層，而可能僅在一邊具有大型斷層;第二，定義中提到的整個岩石圈遭受破裂是強調裂谷作為一種大尺度構造，而把中、小型構造，例如，淺層由於擠壓作用在軸部發育的張性地塹系，鹽丘構造上部產生的小型地塹系，排除在外;第三，定義中所提到的伸展破裂是將裂谷與貫穿岩石圈的其他大型斷裂，例如轉換斷層，區別開來。綜合上述，裂谷比較完整的定義應當是“由於整個岩石圈遭受伸展破裂而引起的，並且常常是一側或兩側為正斷層限制的斷陷盆地”。

除了裂谷外，坳陷(sag)、坳拉槽(aulacogen)和被動大陸邊緣也屬於伸展盆地。裂谷與只經過區域沉降但缺乏大型伸展斷層的坳陷、坳拉槽和被動大陸邊緣的主要差別。在真正的裂谷中，由於岩石圈上隆、減薄或區域應力場產生的張性偏應力足以克服岩石的破裂強度，從而形成斷層。如果張性偏應力不足以造成脆性破裂，那么隆起或沉降作用就會在無斷裂的情況下進行。如果熱源供應中斷並不再有新的熱源，那么岩石圈就會發生熱收縮作用並引起熱沉降。當裂谷繼續伸展，在擴張中心形成新的洋殼時，就開始了裂谷系向被動大陸邊緣的演化階段，即裂谷 －漂移階段。被動大陸邊緣楔狀沉積體記載了岩石圈對其持續不斷的冷卻作用及大量沉積物本身負載的回響。