伸展盆地平衡剖面.ppt

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1、第五讲伸展盆地的平衡剖面第五讲伸展盆地的平衡剖面2 在伸展地区建立平衡剖面在伸展地区建立平衡剖面 剖面平衡的基本思想是假定剖面平衡的基本思想是假定平面应变平面应变或或剖面面积守恒剖面面积守恒。Gibbs(1983)指出：指出：Chamberlin Chamberlin（19101910，19191919）对对于脱顶或滑脱面之上的变形剖面于脱顶或滑脱面之上的变形剖面的等面积计算既可以用于收缩区，的等面积计算既可以用于收缩区，也可以用于伸展区。也可以用于伸展区。图图1 1中表示变形前的中表示变形前的面积面积A A等于等于变形后的变形后的面积面积B B。面积面积C C是共有的，是共有的，因此，表示剖

2、面未变形长度、变因此，表示剖面未变形长度、变形长度与滑脱面深度形长度与滑脱面深度d d之间的关之间的关系的方程式是：系的方程式是：l l0 0=l=l1 1A/d A/d 式中式中A A是剖面的面积。是剖面的面积。2 在伸展地区建立平衡剖面在伸展地区建立平衡剖面原始长度为：原始长度为：l l0 0=l=l1 1A/d A/d 伸展量为：伸展量为：l l1 1l l0 0=A/d=A/d 伸展率（或伸展应变）：伸展率（或伸展应变）：e=(le=(l1 1-l-l0 0)/l)/l0 0表示单位长度的地壳伸展量。表示单位长度的地壳伸展量。用伸展系数（或用伸展系数（或拉张因子拉张因子）表示：表示：=

3、l=l1 1/l/l0 0 e=-1e=-1 =(1+e)=(1+e)伸展系数伸展系数表示伸展变形前后地壳的表示伸展变形前后地壳的长度比。长度比。2 在伸展地区建立平衡剖面在伸展地区建立平衡剖面 在伸展地区建立平衡剖在伸展地区建立平衡剖面的过程中，面的过程中，压实作用压实作用可能可能是除脆性断裂作用之外的最是除脆性断裂作用之外的最重要的要素。重要的要素。因为压实作用既可与构因为压实作用既可与构造变形同期，也可发生在构造变形同期，也可发生在构造变形之后，在任何平衡计造变形之后，在任何平衡计算及随后的复原重建时都必算及随后的复原重建时都必须考虑这一点。须考虑这一点。在变形剖面上进行去压在变形剖面上

4、进行去压实作用（压实恢复）时，采实作用（压实恢复）时，采用与用与沉降史恢复压实作用沉降史恢复压实作用同同样的方法。样的方法。2 在伸展地区在伸展地区建立平衡剖面建立平衡剖面 在伸展地在伸展地区，因存在区，因存在同同沉积、同剥蚀、沉积、同剥蚀、同生正断层、同生正断层、盐构造和阶段盐构造和阶段性演化性演化（幕式（幕式伸展）等问题，伸展）等问题，可采用可采用逐层回逐层回剥法剥法，建立具，建立具演化特征的演化特征的平平衡剖面衡剖面。同时。同时还要逐层去压还要逐层去压实作用。实作用。二、伸展构造中的正断层几何学二、伸展构造中的正断层几何学 （一）单条正断层的剖面几何形态（一）单条正断层的剖面几何形态（一

5、）单条正断层的剖面几何形态（一）单条正断层的剖面几何形态 正断层正断层是伸展盆地是伸展盆地构造的基本结构要素。构造的基本结构要素。正断层及被其切割的断正断层及被其切割的断块可以组合成不同样式块可以组合成不同样式的伸展构造，如的伸展构造，如半地堑半地堑（或地堑）和（或地堑）和半地垒半地垒（或地垒）。正断层还（或地垒）。正断层还可形成可形成相关褶皱相关褶皱。单条正断层的剖面几何形态单条正断层的剖面几何形态单条正断层的剖面几何形态单条正断层的剖面几何形态按按照照正正断断层层的的剖剖面面几几何何形形态态可可分分为为铲铲式式（或或犁犁式式）、坡坡坪坪式式（坐椅状）和平面状断层等。（坐椅状）和平面状断层等

6、。(1)(1)平平面面状状非非旋旋转转正正断断层层：断断层层面面平平直直；断断层层面面及及上上、下下盘盘断断块在发育过程中块在发育过程中不发生旋转。不发生旋转。(2)(2)平平面面状状旋旋转转正正断断层层：断断层层面面平平直直；断断层层面面及及上上、下下盘盘断断块块一一般般均均不不断断发发生生旋旋转转，这这类类断断层层常常成成组组出出现现，多多被被称称为为“多多米米诺诺式式正正断断层层”或或“书书斜斜式式正正断断层层”。(3)(3)铲铲状状（或或犁犁式式）正正断断层层：其其特特征征是是随随着着深深度度增增加加，断断层层面面倾倾角角变变缓缓，沿沿沉沉积积层层、基基底底顶顶面面、基基底底内内缓缓断

7、断面面以以及及中中、下下地地壳壳韧韧性性层层滑滑脱脱。这这类类断断层层具具有有旋旋转转性性质质，即即上上盘盘断断块块及及其其伴伴随随的的地层、次级断层会发生旋转。地层、次级断层会发生旋转。(4)(4)坡坡坪坪式式正正断断层层：坡坡坪坪式式正正断断层层的的断断层层面面呈呈台台阶阶状状或或多多级级台台阶阶状状的的陡陡缓缓变变化化，类类似似于于逆逆冲冲断断层层的的断断坪坪断断坡坡。这这类类断断层层也也具具有有旋旋转转性性质质，即即上上盘盘断断块块及及其其伴伴随随的的地地层层、次次级级断断层层会会发发生旋转。生旋转。()坐坐椅椅状状正正断断层层：坐坐椅椅状状断断层层的的特特征征与与坡坡坪坪式式断断层层

8、类类似似，其其断断层层面面呈呈坐坐椅椅状状，上上陡陡中中间间缓缓，而而后后向向下下又又变变陡陡。与与坡坡坪坪式式断断层层不不同同的的是是，其其更更下下部部不不一一定定再再变变平平缓缓，这这类类断断层层多多发发育育于于沉沉积积盆地内部。盆地内部。()低角度拆离正断层：低角度拆离正断层：是在是在对美国西部盆岭省构造研究对美国西部盆岭省构造研究的基础提出的一种特殊的正断层类型。其主要特点是：断层规模的基础提出的一种特殊的正断层类型。其主要特点是：断层规模较大、断层产状平缓、断层面波状起伏、断层上盘块体发生旋转、较大、断层产状平缓、断层面波状起伏、断层上盘块体发生旋转、常与常与“变质核岩变质核岩”共生

9、。共生。（二）正断层的剖面组合形态（二）正断层的剖面组合形态（二）正断层的剖面组合形态（二）正断层的剖面组合形态 在剖面上在剖面上,多条正断层或主断层与分支断层可组合成多种构多条正断层或主断层与分支断层可组合成多种构造样式的组合形态：造样式的组合形态：1.1.马马尾尾状状断断层层主主断断层层与与分分支支断断层层组组合合成成为为马马尾尾状状断断支支。它它有有两两类类：一一类类分分布布在在断断层层下下盘盘，为为向向下下的的马马尾尾状状断断层层（图图2-282-28左左图图）。另另一一类类分分布布于于断断层层上上盘盘，为为向向上上的的马马尾尾状状断断层层（图图2-282-28右右图）。图）。正断层的

10、剖面组合形态正断层的剖面组合形态正断层的剖面组合形态正断层的剖面组合形态 2.2.羽状断层羽状断层在主断层形成后产生一系列分支断层与之斜在主断层形成后产生一系列分支断层与之斜交呈羽毛状，高序次主断层与低序次分支断层为交呈羽毛状，高序次主断层与低序次分支断层为同向倾斜同向倾斜。例如。例如黄骅盆地黄骅盆地沧东主断层沧东主断层与其分支断层组成的羽状断层（图与其分支断层组成的羽状断层（图2-302-30）。）。3.3.阶梯状断层（及阶梯状断层（及多米诺构造）多米诺构造）正断层正断层在剖面上呈阶梯状或多在剖面上呈阶梯状或多米诺骨牌式分布，常见米诺骨牌式分布，常见于陡坡和缓坡带。它们于陡坡和缓坡带。它们逐

11、渐向凹陷方向下掉，逐渐向凹陷方向下掉，组成组成断阶带断阶带。4.4.Y字字型型断断层层主主断断层层与与反反向向的的分分支支断断层层或或分分支支断断层层本本身身组合成组合成Y字形。字形。正断层的剖面组合形态正断层的剖面组合形态正断层的剖面组合形态正断层的剖面组合形态 5.5.铲状正断层扇铲状正断层扇由多条铲状正断层组成，它们向下的产由多条铲状正断层组成，它们向下的产状变缓并联合在一起；或由主铲状正断层及其上盘的次级铲状正状变缓并联合在一起；或由主铲状正断层及其上盘的次级铲状正正层联合在一起组成。根据区域正断层的倾向，又可包括正层联合在一起组成。根据区域正断层的倾向，又可包括同向正同向正断层扇、反

12、向正断层扇（或共轭正断层扇）等断层扇、反向正断层扇（或共轭正断层扇）等。6.6.伸展双重构造伸展双重构造多发育于坡坪式正多发育于坡坪式正断层的深部，由顶板断层的深部，由顶板正断层、底版正断层正断层、底版正断层及多个马石断片组成。及多个马石断片组成。与大型坡坪式与大型坡坪式正断层有关的铲状正正断层有关的铲状正断层扇和伸展双重构断层扇和伸展双重构造的发育模式：造的发育模式：A A具坡坪式形具坡坪式形态的铲状正断层，在态的铲状正断层，在上盘断块中发育一个上盘断块中发育一个滚动背斜和一个断坡滚动背斜和一个断坡向斜；向斜；B B分别在断分别在断层浅部和深部开始形层浅部和深部开始形成正断层扇和伸展双成正断

13、层扇和伸展双重构造；重构造；C C显示了显示了断片或马石的发育顺断片或马石的发育顺序及多种断层组合。序及多种断层组合。(三）正断层三）正断层三）正断层三）正断层的平面几何形态的平面几何形态的平面几何形态的平面几何形态 最最常常见见的的是是线线型型、平平行行带带状状和和侧侧列列状状正正断断层层，此此外外也也见见有有狗狗腿腿状状、雁雁列列状状、锯锯齿齿状状、网网格格状状、弧弧形形和和平平面面分叉状等正断层。分叉状等正断层。张性构造环境中大多数褶皱与正断层系有关。这种与正断张性构造环境中大多数褶皱与正断层系有关。这种与正断层活动相关的伸展褶皱，可主要按褶皱的延伸方向分为层活动相关的伸展褶皱，可主要按

14、褶皱的延伸方向分为3类：即类：即（1）纵向褶皱纵向褶皱的枢纽平行或大致平行于断层走向的枢纽平行或大致平行于断层走向（图（图2a）；）；（2）横向褶皱横向褶皱的枢纽垂直或近垂直于断层走向的枢纽垂直或近垂直于断层走向（图（图2b）；（）；（3）斜向褶皱的枢纽斜交于区域断层走向斜向褶皱的枢纽斜交于区域断层走向。另外，还有一些与正断层作用无直接关系或关系尚不明确或者另外，还有一些与正断层作用无直接关系或关系尚不明确或者具有复合关系的褶皱类型，如具有复合关系的褶皱类型，如差异压实褶皱差异压实褶皱、披覆褶皱披覆褶皱、盐或泥盐或泥变形褶皱、重力褶皱、滑塌褶皱变形褶皱、重力褶皱、滑塌褶皱等，这些褶皱将不作重点

15、讨论。等，这些褶皱将不作重点讨论。三、正断层伸展褶皱的相关关系三、正断层伸展褶皱的相关关系 伸展背景下常见褶皱伸展背景下常见褶皱类型的形成机制类型的形成机制 图解 伸展背景下褶皱按形成机制的简要分类 纵向褶皱纵向褶皱（平行断层走向（平行断层走向22.5）横向褶皱横向褶皱（垂直断层走向（垂直断层走向22.5）斜向褶皱斜向褶皱(与断层走向交角与断层走向交角22.5-67.5)1、纵向褶皱、纵向褶皱（1）纵向的伸展断弯褶皱纵向的伸展断弯褶皱 发育于具有倾角变化的正断层的上盘发育于具有倾角变化的正断层的上盘之中。之中。“滚动褶皱滚动褶皱”和和“逆牵引褶皱逆牵引褶皱”是最初用于描述这些褶皱的术语，但按是

16、最初用于描述这些褶皱的术语，但按这种褶皱形成的机制属这种褶皱形成的机制属“断弯褶皱断弯褶皱”。大多数断弯褶皱是位于铲状正断层之上大多数断弯褶皱是位于铲状正断层之上的相对简单的的相对简单的“滚动滚动”背斜背斜。由于认识。由于认识到一些正断层系可能具有类似于逆冲断到一些正断层系可能具有类似于逆冲断层的断坪断坡的几何学特征层的断坪断坡的几何学特征，推测这推测这时存在时存在更复杂的断弯褶皱更复杂的断弯褶皱。断弯褶皱的规模变化很大，它取决于断弯褶皱的规模变化很大，它取决于相关正断层中弯曲的规模。断弯褶皱可相关正断层中弯曲的规模。断弯褶皱可以根据发育非平面状断层、下盘中缺乏以根据发育非平面状断层、下盘中缺

17、乏褶皱作用来与其它纵向褶皱相区别褶皱作用来与其它纵向褶皱相区别。滚动褶皱其实是一种相对简单的滚动褶皱其实是一种相对简单的伸展断弯褶皱。伸展断弯褶皱。滚滚动动褶褶皱皱（图图5）常常见见于于与与被被动动大大陆陆边边缘缘有有关关的的厚厚层层沉沉积积序序列列中中，特特别别是是墨墨西西哥哥湾湾沿沿岸岸地地区区和和尼尼日日尔尔三三角角洲洲。滚滚动动褶褶皱皱是是由由上上凸凸（铲铲状状）断断层层运运动动所所形形成成，因因而而是是断断弯弯褶褶皱皱（图图5a，b）。这这些些断断层层的的运运动动在在断断层层上上盘盘和和下下盘盘之之间间产产生生潜潜在在的的空空隙隙；上上盘盘随随后后垮垮塌塌落落入入此此空空隙隙（图图5

18、a）。实实际际上上，从从来来不不会会形形成成空空隙隙，因因为为断断层层运运动动和和上上盘盘变变形形同同时时发发生生。由由于于与与滚滚动动褶褶皱皱有有关关的的断断层层形形成成于于强度很低的未固结岩石中，下盘褶皱一般是不会存在的。强度很低的未固结岩石中，下盘褶皱一般是不会存在的。（2）纵向的伸展）纵向的伸展断展褶皱断展褶皱 根据挤压的断展褶皱来分析，它形成根据挤压的断展褶皱来分析，它形成于断层端线处。实验与数字模拟揭示，正于断层端线处。实验与数字模拟揭示，正断层断层由下向上由下向上扩展或向上延伸，结果引起扩展或向上延伸，结果引起上覆地层的褶皱挠曲，形成上覆地层的褶皱挠曲，形成背斜向斜对背斜向斜对。

19、纵向的断弯褶皱与断展褶皱之间的鉴纵向的断弯褶皱与断展褶皱之间的鉴别主要根据别主要根据下盘褶皱下盘褶皱是否存在和是否存在和褶皱与正褶皱与正断层之间的几何学关系断层之间的几何学关系。伸展断展褶皱的规模取决于相关正断层伸展断展褶皱的规模取决于相关正断层的规模。的规模。“强制褶皱强制褶皱”属于伸展断展褶皱的一类，属于伸展断展褶皱的一类，其中，下部（或基底）为断开的刚性层，其中，下部（或基底）为断开的刚性层，其上覆者为未断开的层状地层。其上覆者为未断开的层状地层。（3）牵引）牵引褶皱褶皱 牵引褶皱通常紧靠断层面的区域牵引褶皱通常紧靠断层面的区域。向斜向斜形成于正断层的上盘；背斜见于下盘形成于正断层的上盘

20、；背斜见于下盘。沿断沿断层面的层面的摩擦阻力摩擦阻力一直被认为是产生相邻岩层一直被认为是产生相邻岩层中局部牵引褶皱的原因中局部牵引褶皱的原因。然而，可能一些作然而，可能一些作者的者的“断层牵引褶皱断层牵引褶皱”可能实际相当于可能实际相当于“断断展褶皱展褶皱”，即两者有混用的迹象，即两者有混用的迹象。一般来说，形成一般来说，形成牵引褶皱牵引褶皱的相关断层不的相关断层不像断展褶皱那样断层由下部向上部扩展，而像断展褶皱那样断层由下部向上部扩展，而是形成于浅部，多由上向下扩展；且形成牵是形成于浅部，多由上向下扩展；且形成牵引褶皱的断层可切割上部褶皱的两盘地层。引褶皱的断层可切割上部褶皱的两盘地层。通常

21、，如果通常，如果褶皱紧靠正断层褶皱紧靠正断层的话，它们被认的话，它们被认为是典型的断层牵引褶皱。因此，它们是为是典型的断层牵引褶皱。因此，它们是规规模最小模最小的一类纵向褶皱，并且在刚性相似的的一类纵向褶皱，并且在刚性相似的上盘和下盘岩层中均产生褶皱。上盘和下盘岩层中均产生褶皱。(4)(4)逆牵引褶皱逆牵引褶皱逆牵引褶皱逆牵引褶皱 逆逆牵牵引引褶褶皱皱的的几几何何形形态态与与牵牵引引褶褶皱皱相相反反，在在上上盘盘形形成成背背斜斜，下下盘盘形形成成向向斜斜（图图4a）。同同牵牵引引褶褶皱皱类类似似，逆逆牵牵引引褶褶皱皱的的规规模模也也较较小小，且且褶褶皱皱幅幅度度一一般般十十分分宽宽缓缓。逆逆牵

22、牵引引褶褶皱皱表表明明位位移移随随离离开开断断面面距距离离增增加加而而减减小小（图图1d），这这是是对对断断层层作作用用的的弹弹性性（或或挠挠性性)响响应应。逆逆牵牵引引褶褶皱皱的的半半径径随随位位移移而而增增加加。一一般般来来说说，上上盘盘逆逆牵牵引引褶皱的幅度高于下盘逆牵引褶皱的幅度褶皱的幅度高于下盘逆牵引褶皱的幅度（图（图4a）。）。滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异滚动褶皱和逆牵引褶皱的差异 由由于于几几何何形形态态相相似似，在在一一些些文文献献中中“滚滚动动”和和“逆逆牵牵引引”术术语语常常常常混混用用。请请注注意意，逆逆牵牵引引作作用用是

23、是成成岩岩岩岩石石对对正正断断层层作作用用的的弹弹性性一一挠挠性性响响应应的的结结果果，而而滚滚动动褶褶皱皱与与重重力力驱驱动动的的铲铲形形断断层层有有关关。考考虑到这两类断层在机制方面的显著不同，虑到这两类断层在机制方面的显著不同，建议不要互用这两个词建议不要互用这两个词。滚滚动动褶褶皱皱的的存存在在很很好好地地说说明明相相关关断断层层为为铲铲状状断断层层（图图5c）。但但由由于于滚滚动动褶褶皱皱和和逆逆牵牵引引褶褶皱皱具具有有几几乎乎相相同同的的几几何何形形态态，逆逆牵牵引引褶褶皱皱可可能能被被错错误误地地解解释释为为滚滚动动褶褶皱皱，相相关关断断层层可可能能被被错错误误地地推推断断为为铲

24、状断层铲状断层。逆逆牵牵引引褶褶皱皱的的存存在在并并不不意意味味着着铲铲形形断断层层的的存存在在。实实际际上上，大多数逆牵引褶皱与大多数逆牵引褶皱与面状或仅略具铲形形态面状或仅略具铲形形态的断层有关。的断层有关。可可用用如如下下几几点点区区分分滚滚动动褶褶皱皱和和逆逆牵牵引引褶褶皱皱：（1）预预期期滚滚动动褶褶皱皱见见于于与与滑滑脱脱正正断断层层有有关关的的厚厚层层沉沉积积序序列列中中，断断层层面面形形态态不不同同（铲铲状状平平面面状状），地地层层特特征征不不同同（较较松松散散较较固固结结）；（2）逆逆牵牵引引褶褶皱皱可可见见于于上上盘盘和和下下盘盘，而而滚滚动动褶褶皱皱通通常常仅仅见见于于上

25、上盘盘。（3）逆牵引褶皱影响规模小，而滚动褶皱通常影响规模大。逆牵引褶皱影响规模小，而滚动褶皱通常影响规模大。（5 5）均衡褶皱）均衡褶皱）均衡褶皱）均衡褶皱 属于规模最大的一类纵向伸展褶皱属于规模最大的一类纵向伸展褶皱类型。均衡褶皱是宽阔的褶皱，其形成类型。均衡褶皱是宽阔的褶皱，其形成是对正断层下盘的是对正断层下盘的差异卸载差异卸载作用的响应。作用的响应。大多数作者认同这种机制已产生了大多数作者认同这种机制已产生了北美北美科迪勒拉山变质核杂岩科迪勒拉山变质核杂岩中及其它地区的中及其它地区的山体尺度的背斜。山体尺度的背斜。2、横向褶皱、横向褶皱 常见的横向褶皱按机制常见的横向褶皱按机制主要包括

26、主要包括断弯褶皱断弯褶皱、收缩收缩褶皱褶皱和和位移梯度褶皱位移梯度褶皱等。等。（1 1）位移梯度褶皱）位移梯度褶皱）位移梯度褶皱）位移梯度褶皱 所所有有该该类类型型的的横横向向褶褶皱皱都都是是由由位位移移沿沿走走向向变变化化而而引引起起的的。位位移移的的这这种种变变化化与与正正断断层层的的规规模模无无关关。因因此此，横横向向褶褶皱皱具具有有不不同同的的规规模模。横横向向褶褶皱皱的的形形态态很很大大程程度度上上依依赖赖于于正正断断层层系系的的几几何何形形态态（孤孤立立断断层层及及分段式分段式断层体系）。断层体系）。（2 2）横向断弯褶皱）横向断弯褶皱）横向断弯褶皱）横向断弯褶皱 “横横向向断断弯

27、弯褶褶皱皱”（Schlische（1995）称称为为“断断层层线线偏偏转转褶褶皱皱”）与与非非平平面面状状的的断断层层面面有有关关。其其关关键键特特征征包包括括：下下盘盘地地层层没没有有发发生生褶褶皱皱作作用用；上上盘盘中中的的褶褶皱皱与与相相邻邻正正断断层层中中的的横横向向断断坡坡一一致致（即即波波状状断断层层面面）。作作为为最最简简单单的的横横向向断断弯弯褶褶皱皱类类型型，在在邻邻近近断断层层的的向向形形弯弯曲曲部部分分（凹凹入入部部分分）的的上上盘盘中中发发育育向向斜斜，在在邻邻近近断断层层的的背背形形弯弯曲曲部部分分（凸凸出出部部分分）的上盘中发育背斜。的上盘中发育背斜。（3 3）横向

28、收缩褶皱）横向收缩褶皱）横向收缩褶皱）横向收缩褶皱 “横横向向收收缩缩褶褶皱皱”记记录录了了垂垂直直于于区区域域伸伸展展方方向向的的水水平平缩缩短短作作用用。在在收收缩缩应应变变作作用用下下，正正断断层层变变成成了了褶褶皱皱形形态态，并并且且褶褶皱皱轴轴平平行行于于伸伸展展方方向向。在在断断层层上上盘盘和和下下盘盘中中的的褶褶皱皱呈呈线线状状排排列列并并协协调调一一致致。这这种种特特征征使使它它们们很很容容易易与与位位移移梯梯度度褶褶皱皱相相区区别别 （4 4）横向变换带褶皱）横向变换带褶皱）横向变换带褶皱）横向变换带褶皱形形成成于于两两条条或或两两组组倾倾向向相相反反的的正正断断层层之之间间

29、，两两者者趋趋近近或或有有一一定定叠叠覆覆，并形成横向构造变换带。并形成横向构造变换带。3 3、斜向褶皱、斜向褶皱、斜向褶皱、斜向褶皱 常见的斜向褶皱包括斜向常见的斜向褶皱包括斜向断弯断弯褶皱褶皱、转换伸展褶皱转换伸展褶皱和斜向和斜向变换变换带褶皱带褶皱等。等。断弯褶皱断弯褶皱与横向断弯褶皱类似，与横向断弯褶皱类似，反映了上盘岩层当它们在反映了上盘岩层当它们在非平面非平面状状的断层面上和的断层面上和刚性的下盘岩石刚性的下盘岩石上滑动时的变形。上滑动时的变形。断层面的断层面的波状起伏波状起伏与正断层的与正断层的整体走向是整体走向是斜交的斜交的，并且只要断，并且只要断层下盘比上盘更具有刚性，断层层

30、下盘比上盘更具有刚性，断层下盘在作用过程中均不发生褶皱下盘在作用过程中均不发生褶皱变形。变形。斜向褶皱斜向褶皱斜向褶皱斜向褶皱 转换伸展褶皱转换伸展褶皱与与伸展兼走滑伸展兼走滑的断层运动有关；其应变与收的断层运动有关；其应变与收缩应变类似；垂直于有限应变缩应变类似；垂直于有限应变伸展轴的缩短作用是这种类型伸展轴的缩短作用是这种类型的变形发生的原因，推测其褶的变形发生的原因，推测其褶皱的轴向平行于正斜滑断层皱的轴向平行于正斜滑断层上的上的滑动矢量滑动矢量。斜向变换带褶皱斜向变换带褶皱：在斜向调节：在斜向调节带中，在倾向相对的正断层沿带中，在倾向相对的正断层沿走向终止的地方，斜向背斜连走向终止的地

31、方，斜向背斜连接两侧相互对倾的正断层的端接两侧相互对倾的正断层的端点，而斜向向斜连接两侧相互点，而斜向向斜连接两侧相互背倾的正断层的端点。背倾的正断层的端点。假设条件：假设条件：平面应变，即变形前后面积守衡；平面应变，即变形前后面积守衡；地层厚度不变地层厚度不变；地层长度不变地层长度不变。这时，这时，SuppeSuppe的断弯褶皱方法（的断弯褶皱方法（19831983）也适用于伸展断层。）也适用于伸展断层。即即：伸伸展展量量和和滑滑脱脱面面的的深深度度与与基基准准面面以以下下被被运运移移出出的的物物质质的的面面积有关（积有关（A A2 2，半地堑的沉积填充物），并可进行计算。半地堑的沉积填充物

32、），并可进行计算。四、纵向伸展断弯褶皱的平衡模型四、纵向伸展断弯褶皱的平衡模型 1、断弯褶皱平衡模型（一）、断弯褶皱平衡模型（一）由下面的模式图可以看出：由下面的模式图可以看出：A A1 1剖面移出所占面积；剖面移出所占面积；A A2 2剖面伸展所拉出的空间，并形成半地堑的沉积填充物。剖面伸展所拉出的空间，并形成半地堑的沉积填充物。因而有：因而有：A A1 1A A2 2etet e eAEAE长度长度AEAE长度长度BDBD一一BCBC。A A2 2A A1 1t t（BDBDBCBC）t =A2/（BDBC）。）。断弯褶皱平衡模型（一）断弯褶皱平衡模型（一）B B点处为将要形成的背斜及向斜

33、的轴面；点处为将要形成的背斜及向斜的轴面；此后，此后，BB点为移动的背斜轴面；点为移动的背斜轴面；同时在拉开的空间中有一个与之平行的向斜轴面；同时在拉开的空间中有一个与之平行的向斜轴面；向斜轴面保持在原地，其中一点经过断坡断坪的折点处。向斜轴面保持在原地，其中一点经过断坡断坪的折点处。向斜轴角向斜轴角180-180-(即即2020)2 2 断弯褶皱平衡模型（一）断弯褶皱平衡模型（一）应用实例：应用实例：象象犹犹他他州州和和内内华华达达州州的的盆盆岭岭区区这这样样的的伸伸展展地地区区引引起起了了人人们们极极大大的的兴兴趣趣（图图30一一1a)。如如同同在在逆逆冲冲带带一一样样，平平衡衡技技术术在

34、在这这里里也也可可以以得得到到很很好好的的运运用用。盆盆岭岭区区的的铲铲形形正正断断层层系系统统在在一一般般的的几几何何特特征征上上与与逆逆冲冲断层系统相似，但它们的运动方向是相反的（图断层系统相似，但它们的运动方向是相反的（图 301b）。）。该平衡模型可应该平衡模型可应用于已固结的地用于已固结的地层区，再发生伸层区，再发生伸展断层作用，这展断层作用，这时的地层长度、时的地层长度、厚度及面积一般厚度及面积一般不发生变化；而不发生变化；而不是同沉积的、不是同沉积的、或尚未完全固结或尚未完全固结的地层区。的地层区。一般发生在断层一般发生在断层倾角缓的地区。倾角缓的地区。假设条件：假设条件：平面应

35、变，即变形前后面积守衡；平面应变，即变形前后面积守衡；主断层倾角的变化引起上盘地层倾角改变或漆折；主断层倾角的变化引起上盘地层倾角改变或漆折；上盘褶皱地层的轴面倾角与主断层大小相等、方向相反上盘褶皱地层的轴面倾角与主断层大小相等、方向相反 地层厚度可变；地层长度可变；地层厚度可变；地层长度可变；因因此此：上上盘盘地地层层褶褶皱皱的的轴轴面面为为不不对对称称；发发育育2 2个个轴轴面面，其其轴轴面面1 1经经过过下下盘盘的的断断坪坪断断坡坡交交点点，轴轴面面2 2经经过过上上盘盘的的断断坪坪断断坡坡交交点点；两两轴轴面面间间距距随随伸伸展展距距离离增增加加而而增增加加，直直到到轴轴面面1 1消消

36、失失。上上盘盘轴轴面面1 1与与主主断断层层之之间间的的三三角角区区地地层层产产状状、厚厚度度、层层长长不不变变；而而仅仅有有两两轴轴面面之之间地层间地层变倾斜、厚度变薄、层长变长。变倾斜、厚度变薄、层长变长。2、断弯褶皱平衡模型（二）、断弯褶皱平衡模型（二）几何学关系几何学关系：d-d-上盘水平断距上盘水平断距；h-h-上盘垂直断距上盘垂直断距；l-l-上盘倾斜断距上盘倾斜断距；断层倾角断层倾角；H H1 1、H H2 2上盘倾斜地层轴面；上盘倾斜地层轴面；上盘倾斜域地层倾角；上盘倾斜域地层倾角；W W倾斜域地层标准宽度。倾斜域地层标准宽度。W W介介于于两两轴轴面面之之间间，等等于于沿沿下

37、下部部拆拆离离面面的的水水平平拆拆离离距距离离，因因而而等等于于水水平平伸伸展展量量e e；当当H H1 1刚刚好好消消失失时时，W W达达到到最最大大值值；进进一一步步伸伸展展时时，W W宽度不变，这时的水平伸展量宽度不变，这时的水平伸展量e eW W宽度。宽度。断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）几何学关系分析几何学关系分析：三角形三角形ABCABC三角形三角形DEFDEF；由于：由于：三角形三角形ABCABC多边形多边形DIJGCDIJGC面积面积 （面积平衡）（面积平衡）故有：故有：三角形三角形CGFCGF面积三角形面积三角形IJEIJE面积面积 W W2d2d 地层反倾角地层

38、反倾角 与断层倾角与断层倾角有关：有关：即：即：tantan(tan)/3(tan)/3 W W2d2d(2h)/(tan)(2h)/(tan)断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）地层反倾角地层反倾角 与断层倾角与断层倾角关系关系 几几何何学学关关系系分分析析：由由于于两两轴轴面面之之间间地地层层变变倾倾斜斜、厚厚度度变变薄薄、层层长长变长，因此该倾斜地层发生了应变。变长，因此该倾斜地层发生了应变。地层水平时厚度为地层水平时厚度为t t0 0；地层倾斜时厚度为；地层倾斜时厚度为t t1 1；地层沿轴面的长度地层沿轴面的长度:l=tl=t0 0/sin/sin 或或 l=tl=t1 1/

39、sin(-)/sin(-)地层变薄的比值：（地层变薄的比值：（t t1 1/t/t0 0 ）=sin(-)/sin=sin(-)/sin 断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）地层变薄的比值：（地层变薄的比值：（t t1 1/t/t0 0 ）=sin(-)/sin=sin(-)/sin 线应变计算公式：线应变计算公式：e=(Le=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 e=(Le=(L1 1/L/L0 0)-1)-1 对于倾斜地层的线应变：由于对于倾斜地层的线应变：由于l l0 0t t0 0=l=l1 1t t1 1(面积守衡面积守衡)有有 e=(le=(l1 1/l/l0 0)-

40、1=(t)-1=(t0 0/t/t1 1)-1)-1 断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）几几何何学学关关系系分分析析：当当伸伸展展断断层层下下部部不不是是水水平平拆拆离离断断层层，而而是是倾倾斜斜的的滑滑脱脱断断层层，即即相相当当于于断断层层发发生生拐拐折折而而不不是是拆拆离离时时，情情况况就就稍稍微微复复杂一些。杂一些。假定：下部断层的倾角为假定：下部断层的倾角为；沿下部断层的滑移量为沿下部断层的滑移量为f f；最主要的不同：上盘地层的区域构造高程将会降低（最主要的不同：上盘地层的区域构造高程将会降低（h h2 2）；）；H H2 2=f(sin=f(sin)W W2d2d(2h)

41、/(tan)(2h)/(tan)这时倾斜地层的倾角将会变小（这时倾斜地层的倾角将会变小（）断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）由由于于：地地层层变变薄薄的的比比值值：（t t1 1/t t0 0 ）=sin(-sin(-)/sinsin 即：地层变薄主要取决于断层初始倾角即：地层变薄主要取决于断层初始倾角()()和倾斜地层倾角和倾斜地层倾角()()当当时时，倾倾斜斜地地层层产产状状与与上上部部断断层层倾倾向向相相对对，为为+，地层发生伸展、变薄；地层发生伸展、变薄；当当时时，倾倾斜斜地地层层产产状状与与上上部部断断层层倾倾向向相相同同，为为-，地层发生缩短、变厚。地层发生缩短、变厚。断

42、弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）总体伸展参数总体伸展参数：剖面伸展量剖面伸展量E E伸展后剖面长度伸展后剖面长度L L1 1-伸展前剖面长度伸展前剖面长度L L0 0 E EW W2d2d(2h)/(tan)(2h)/(tan)（早期）早期）E EW W0 0D D （后后期期）（W W0 0 为为W W的的最最大大宽宽度度；D D为为上盘最高切层点距下盘断层折点水平距离）上盘最高切层点距下盘断层折点水平距离）剖面伸展率剖面伸展率e=(Le=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0=(L=(L1 1/L/L0 0)-1)-1 剖面伸展系数剖面伸展系数=e+1=e+1 =(L=(L1

43、 1/L/L0 0)断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：由基础地质剖面可作出由基础地质剖面可作出两种形成机制解释模型两种形成机制解释模型和相关的断层形态预测：和相关的断层形态预测：解释解释1：将机制模型将机制模型预测为断坪断坡式拆预测为断坪断坡式拆离。根据缓坡倾角离。根据缓坡倾角19，预测断面倾角及轴面倾预测断面倾角及轴面倾角为角为46。这时，拆离。这时，拆离面深度很浅，约面深度很浅，约6KM深；深；充填地层具有更大的厚充填地层具有更大的厚度。但预测的断层倾角度。但预

44、测的断层倾角比实际出露倾角陡得多；比实际出露倾角陡得多；复原后盆地底部地层不复原后盆地底部地层不能拼接，上盘位置太低；能拼接，上盘位置太低；充填地层过厚。充填地层过厚。断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：解释解释2：将机制模型预将机制模型预测为多段曲折断层模式。测为多段曲折断层模式。断层浅部符合观测值断层浅部符合观测值3538，取，取37.5；向下；向下变为变为54，以满足主体，以满足主体的缓坡倾角的缓坡倾角19；下部段；下部段的预测断面倾角为的预测断面倾角为15，它大约在约，它大约在约6km 深以深以下，以便

45、使复原后盆地下，以便使复原后盆地底部地层抬高构造高程底部地层抬高构造高程并与下盘地层能拼接；并与下盘地层能拼接；这时充填地层的厚度也这时充填地层的厚度也变小了。这一模式可能变小了。这一模式可能更符合实际。更符合实际。断弯褶皱平衡模型（二）断弯褶皱平衡模型（二）美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：美国内华达州盆岭省的一个伸展盆地实例：五、铲状正断层的几何形态及上盘变形五、铲状正断层的几何形态及上盘变形、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态 地地震震剖剖面面上上所所见见到到的的许许多多重重要要的的控控制制伸伸展展断断陷陷的的大大型型正正断断层层均均呈呈弯弯曲曲状状或或铲

46、铲形形。这这种种断断层层向向下下逐逐渐渐变变平平，以以致致在在一一个个拆拆离面或滑脱面上水平运动占了优势。离面或滑脱面上水平运动占了优势。在在有有关关铲铲状状断断层层面面形形态态的的理理论论模模型型中中，WernickeWernicke和和BurchfielBurchfiel（19821982）曾曾进进行行过过研研究究，这这种种断断层层的的几几何何学学特特征征与与断层的断层的曲率半径有十分密切的关系曲率半径有十分密切的关系。铲状断层面形态的铲状断层面形态的几何学特征与断层几何学特征与断层的的曲率半径的关系曲率半径的关系如右图所示如右图所示。、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面

47、的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态 若铲状正断层的上盘顶面发生弧形弯曲形成了若铲状正断层的上盘顶面发生弧形弯曲形成了滚动背斜，滚动背斜，假假定岩层面与断层面之间的夹角保持不变，上盘顶面与断层面点处定岩层面与断层面之间的夹角保持不变，上盘顶面与断层面点处的切线与水平面夹角为的切线与水平面夹角为，此点的断层面倾角为此点的断层面倾角为，则根据图则根据图4 45 5中的图解方法可确定断层的伸展率中的图解方法可确定断层的伸展率e e、伸展系数伸展系数、伸展量伸展量I I及及、等角度之间的关系（等角度之间的关系（WernickeWernicke等，等，1982198

48、2）。断层的初始切层角断层的初始切层角原始长度为：原始长度为：l l0 0；现长为：现长为：l l1 1伸展系数：伸展系数：=l=l1 1/l/l0 0；=(1+e)=(1+e)伸展量为：伸展量为：I Il l1 1l l0 0 l l1 1 l l1 1 、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态、铲状断层上盘及断层面的几何形态 Wernicke Wernicke和和BurchfielBurchfiel（19821982）还曾证明，这种断层的还曾证明，这种断层的曲曲率半径率半径大约是沿脱面深度的大约是沿脱面深度的两倍两倍。换句话说，这种断

49、层的脱面。换句话说，这种断层的脱面深度大致为断层深度大致为断层曲率半径曲率半径的的1 12 2。2、滑脱深度和断层几何形态、滑脱深度和断层几何形态面积平衡面积平衡 铲状断层的伸展运动形成了铲状断层的伸展运动形成了滚动背斜滚动背斜（图（图1 1）。）。GibbsGibbs（19831983）证明了其过程中岩层变薄和层状平行拉伸在几何学上是证明了其过程中岩层变薄和层状平行拉伸在几何学上是横截面积横截面积守衡守衡的必然结果。的必然结果。岩层变薄岩层变薄和和拉伸拉伸通常是由通常是由滚动过程滚动过程中的一组中的一组反反向正断层向正断层实现的。地层平行拉伸的另一种形式是实现的。地层平行拉伸的另一种形式是斜

50、向剪切斜向剪切，其可，其可能是通过层面滑动实现的能是通过层面滑动实现的。在平面上弯曲的铲状断层将会形成在平面上弯曲的铲状断层将会形成枢枢扭线扭线在平面上亦呈在平面上亦呈弯曲状弯曲状的的滚动背斜滚动背斜。2、滑脱深度和断层几何形态、滑脱深度和断层几何形态面积平衡面积平衡 这种方法所的依据是，从横剖面上移去的面积（见图这种方法所的依据是，从横剖面上移去的面积（见图2 2和图和图2 2中的区）等于该剖面右侧矩形的面积（见图中中的区）等于该剖面右侧矩形的面积（见图中的区）矩形的区）矩形ABCDABCD，即区的面积是即区的面积是总伸展量总伸展量（e e）和和滑脱深度滑脱深度（）的乘积，（）的乘积，面面