Question

走滑断层的相关构造

Answer 1

从理论上讲，走滑断层的形成机制有纯剪切模式或简单剪切模式，但实际上纯剪切所产生的共轭破裂仅在位移不大的情况下发育，因为在几何学上不可能两组共轭断层同时起作用，由于彼此有阻碍，会发生运动学上的“堵车问题”(图7-24)。因此对于大规模的走滑断层形成机制主要采用简单剪切模式来解释(刘和甫，1999)。

图7-24 走向N36°W的垂直断层走滑构造模式平面几何关系图

(据A.G.Sylvester，1989)

双平行线表示张性断裂方向；波浪线表示褶皱轴方向；P为P裂隙；R和R′分别是同向与反向剪切裂隙；PDZ为主位移带；φ为内摩擦角；黑短箭头为压缩轴；白色箭头为拉伸轴

简单剪切的模拟实验研究发现(图7-25)：①早期发育两组共轭剪切破裂，即Riedel剪切，与主剪切带(Y)旋向相同的剪切破裂为R破裂，旋向相反的剪切称为R′破裂；在与R和R′破裂的锐角平分线平行的方向上形成张性破裂或地堑(T破裂)；②中期发育一组新的压剪切破裂称为P破裂，与R破裂对称产出，剪切旋向与主剪切带(Y)、R破裂相同；③晚期R和P破裂旋转而趋近于主剪切带，并在其附近形成上升断块和下沉盆地，同时出现雁列褶皱(Sylvester，1994)。

图7-25 走滑剪切作用引起的各种破裂

与走滑断层相关的构造十分复杂，下面分别予以介绍：

(一)断层

上述的纯剪和单剪模式概括了各类次级断层(R、R′、T、P破裂)在走滑断层体系中可能的分布和组合特征(图7-24，图7-25)，这些断层是走滑相关构造的基本组成部分，正确分析和认识其构造变形的几何学和运动学特征是研究走滑断层作用、走滑断层的基础。由于自然界构造是持续发育的，不像在实验室模拟或地震那样几乎能瞬时发生，又由于岩石的不均一性和早期形成的构造随着剪切应变的增加而发生旋转，只有少数好的野外地质实例显示出如图7-24、图7-25描述的R和R′断裂的理想解释。因此，许多早期形成的断裂可能被切断，并在主走滑断层随后的剪切中并不起作用(Sylvester，1989)。在某些情况下，深部的主走滑断层足够弱或深，在地表并不发育，取而代之的是雁列式正断层或由R剪切构成的狭长带(Erdlac＆Anderson，1982)或雁列式褶皱(Leonard，1983)。只有张性断层(破裂)或正断层组成的雁列式组合普遍见于隐伏走滑断层之上。在三维空间上R断裂为螺旋状，在地表接近直立并向上凹，但在深部变平连接主走滑断层(图7-26)。

(二)褶皱

雁列式褶皱：主要分布在与主走滑断层邻近的、相对较窄而稳定的带上，也可以形成于两条较大的走滑断层之间的宽阔地带，在隐伏走滑断层的盖层中也常见雁列式褶皱。理论上，雁列式褶皱在平面上的轴迹与剪切方向成45°夹角，代表了总应变的缩短分量，但实际褶皱的轴迹被逐渐扭曲，与主走滑断层走向的夹角变化于10°～35°之间(Harding＆Lowell，1979)。在三维空间上，发育于深部基底部位的雁列式褶皱的轴面几乎呈垂直产出，并与深部发育于基底的走滑断层平行，但在较高位置盖层中的雁列式褶皱轴面逐渐变平缓，并发生沿走滑断层方向的旋转(Koral，1983；Gamond＆Odonne，1984)(图7-27)，远离主走滑断层发生倾伏(Harding＆Tuminas，1988)。雁列式褶皱的褶皱轴面与R剪切相似，呈螺旋状，只是R剪切向上变陡，而雁列式褶皱的轴面向上变缓。平面上的雁列式褶皱和主走滑断层之间的夹角可能取决于剥蚀深度(Sylvester，1989)。雁列式褶皱是重要构造指示标志，可根据褶皱轴与走滑断层之间的交角，确定走滑断层的滑动方向。例如，根据雁列式褶皱轴与主走滑断层之间的夹角，将圣安德烈斯断层确定为右行走滑断层(图7-28)。

图7-26 右行简单剪切中单独的R剪切的螺旋状形态

(据Naylor et al.，1986)

图7-27 左行简单剪切中两个雁列式褶皱轴面的螺旋状形态

(据A.G.Sylvester，1989)

牵引式弯曲：在走滑断层的一侧或两侧，常发生岩层的牵引弯曲，弯曲的突向指示该盘的滑动方向，在较大的牵引弯曲带中常常发育枢纽呈陡倾伏产出的褶皱。例如，新西兰的阿尔卑斯走滑断层东南段发育的巨大弧形牵引式弯曲(图7-29)，指示阿尔卑斯走滑断层具有右行剪切的特征。

(三)走滑盆地

走滑盆地是指与走滑断层伴生的盆地。只要提起走滑盆地，马上让人联想到拉分盆地，给人的印象似乎是走滑盆地只有拉分盆地，实际上走滑盆地还包括一些断层楔盆地(Fault Wedge Basin)、断层角盆地(Fault Angle Basin)、断层边缘盆地(Fault Margin Sag or Basin)(Woodcock et al.，1994)。由于拉分盆地的规模较大，与油气关系密切，研究程度相对较高，这里只介绍拉分盆地。

图7-28 圣安德烈斯走滑断层南端的雁列式褶皱

(据A.G.Sylvester，1989)

拉分盆地(Pull-apart Basin)：是走滑断层系中拉伸形成的断陷盆地。它是Barchfied＆Stewart(1966)在研究圣安德烈斯走滑断层控制的死谷盆地时首次提出的。此后在研究圣安德烈斯断层和亚喀巴湾-死海裂谷系中，对拉分盆地有了更深入的认识，初步建立了相应的模式(图7-30)。

拉分盆地形似菱形，曾称为菱形断陷。盆地两侧长边为走滑断层，两短边为正断层。拉分盆地的规模变化很大，大者长逾十万余米，宽数万米；小者长数百米，宽仅数十米。根据世界上已查明的拉分盆地的长宽比统计，比值约为3：1，长边常与主干走滑断层一致。拉分盆地中常发育张性及张剪性断层，在走滑断层构成的盆地边缘可见雁列式褶皱。

拉分盆地是由两条近平行雁列走滑断层或是在一组近平行雁列走滑断层控制下发育形成的(图7-31)。一组雁列走滑断层控制下发育的拉分盆地，各盆地先单独发育再相互连接组成复合拉分盆地。一个大型拉分盆地内部可能存在次级拉分盆地，形成盆中盆或堑中堑构造。次级地堑中又会发生断块隆起，从而构成堑中垒构造。拉分盆地一般窄而长，在形成演化过程中，宽度相对稳定，决定于两条边界走滑断层的间隔。初始长度决定于两条边界走滑断层的重叠距，但是随着走滑断层的持续滑动而不断增长。一般长宽比达3：1后停止发育。所以，决定拉分盆地发育的因素包括雁列走滑断层的间隔和重叠、断层的长度、活动持续时间和切割深度。

拉分盆地与其他成因的盆地相比，具有发育快、沉降快、沉积速率高、沉积厚度大、沉积相变化突然等特点。粗粒边缘相沉积物在盆地边缘呈狭长带状分布，沉积中心向盆地走向滑移的反方向迁移，同构造沉积作用形成的不整合普遍存在。沉积物和沉积相因地质环境不同而有所差异。如果拉分盆地位于大陆边缘，早期为陆相沉积，后期因强烈下降海水侵入而转为海相。也有一些拉分盆地早期为海相，后期与海隔绝变成湖相沉积，最后以河流相沉积结束其演化历史。如果拉分盆地一直处于大陆内部，则其全部为陆相沉积所充填。

图7-29 新西兰的阿尔卑斯走滑断层及牵引式弯曲

(据H.W.Wellman，1952)

图7-30 拉分盆地的理想化模式图

(据J.C.Crowell，1974，简化并修改)

1—走滑断层；2—逆冲断层；3—正断层；4—褶皱轴；5—火山岩系；6—碎屑岩系。箭头指向断层的延伸方向

图7-31 拉分盆地的形成模式

(据A.Aydin，1982)

在一般情况下，拉分盆地中缺少火成岩，但在长期处于伸展环境的大型拉分盆地中，由于地壳相对减薄，热流值一般较高，所以其中也常发生岩浆活动。

大厚度的富含有机物的海相和湖相沉积，在快速沉降、埋藏及高热流作用下可形成良好的生油层。各种粗碎屑岩建造为良好的储油层，与走滑断层伴生的雁列式褶皱又提供了充分的储油构造圈闭。因此，拉分盆地是具有重要意义的油气远景区，也是盐类等沉积矿产的聚积产出地。

(四)花状构造与走滑双重构造

在走滑断层作用中，往往在断层的弯转、断错(或称阶跃Stepover)和非连续里德尔破裂等部位发生汇聚走滑和离散走滑，形成一组次级的同向叠瓦状走滑断层，两侧被主走滑断层所围限，同时在断裂的端部则可能形成叠瓦扇构造。这样的构造在平面上的表现形式称为走滑双重构造，在剖面上则称为花状构造，即花状构造和走滑双重构造是由走滑断层作用形成的同一种构造样式在不同观察方向上的不同表现形式(图7-32，图7-33)。

图7-32 理想的走滑双重构造和叠瓦扇平面模式图

(N.H.Woodcock＆M.Fischer，1986)

图7-33 花状构造立体模块图

花状构造(Flower Structure)：是走滑断层系中又一种特征性构造。剖面上一条走滑断层自下而上呈花状撒开，故称为花状构造。根据花状构造的结构和力学性质可分为正花状构造和负花状构造。①正花状构造(Positive Flower Structure)又称棕榈树构造(Palm Tree Structure)，一条陡立的走滑断层向上分叉撒开，以逆断层组成的背冲构造，断层面下陡上缓，凸面向上，被切断的地层多呈背形，但不具弯滑褶皱性质(图7-33A，图7-34A)。正花状构造是聚敛性走滑断层派生的在局部压扭性应力状态中形成的构造。例如，阿尔金断层在剖面上显示典型正花状构造的特点(7-35A)。②负花状构造(Negative Flower Structure)又称郁金香构造(Tulip Structures)，由一组凹面向上的正地层构成似地堑式构造，堑内地层平缓，浅部呈被正断层破坏的向形，向形也不具有弯滑褶皱性质(图7-33B，图7-34B)。一般认为负花状构造是离散性走滑断层派生的在局部张扭性应力场中形成的构造，但是Naylor(1986)的沙箱实验表明，纯扭断层作用(平行扭动)所产生的也是负花状构造。例如，海拉尔盆地乌尔逊凹陷中部南北向走滑构造带中发育的即为负花状构造(图7-35B)。

图7-34 花状构造剖面示意图

(据H.P.Harding，1985)

图7-35 花状构造实例

鉴别花状构造的准则是构造在平面和剖面上的结构及区域应力场等：①如果是花状构造，则剖面上向上撒开的断层组向下汇合为一条陡立的走滑断层，区域上显示走滑断层特点；②花状构造中常有基底卷入变形，且基底的岩石类型相差悬殊；③同一地层单位的厚度可能发生突变；④同一剖面上正、逆断层可共存，但在不同类型的花状构造中出现的几率不同；⑤被同一断层错断的不同界面的断距规模和方向不同；⑥在连续剖面上，同一断层的倾向不一，在某一界面上的断距规模和方向会发生变化。

走滑双重构造：与正、负花状构造相对应的走滑双重构造分别是收缩双重构造和伸展双重构造(图7-32)。走滑双重构造在几何上与沿倾向滑动形成的双重逆冲构造类似，其差别是走滑双重构造中的边界断层倾角较陡，并且它主要在平面上进行描述，而沿倾向滑动的双重构造是在剖面图上进行描述，也就是说走滑双重构造是将双重逆冲构造中的顶板和底板冲断层转变为走滑扭动的断裂系，相当于将剖面图旋转为平面图一样。所以，走滑双重构造实际上是主走滑断层和次级断层在平面上的组合。在叠瓦式走滑断层中，次级同向剪切(P剪切)的持续发育使走滑双重构造呈网结状。将走滑双重构造和花状构造统一起来加以系统分析，有利于全面把握造山带和盆地的三维构造特征。