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正断层的构成环境


张继恩/我国科学院地质与地球物理研讨所

zhangjien@mail.iggcas.ac.cn

断层是地球表面最根底的结构现象之一,依据断层面两边的岩石的相对运动特征被分类为正断层(normal fault)、逆冲断层 (thrust f有点色ault) 和走滑开裂 (strike-slip fault)。许多时分,人们以为这些断层与结构应力场有对应联系,比方正断层对应着扩展环境、逆冲断层对应着揉捏环境。

实际上,某结构效果所影响的区域内,会由若干条断层组成,它们彼此和谐以抵达吸收结构正断层的构成环境效果所引起的位移量。地表中发育的结构都是现已存在了若干年正断层的构成环境的现象,意味着它们是经历过:构成阶段和后期改造阶段结构效果的成果。该文将聚集讨论正断层的构成环境,不谈及其成因。正断层是三大开裂之一,在盆地内和造山带中均有发育,不只涉及到洋-陆转化进程,并且影响到资源动力的储集和改造,对其知道在社会生产和理论研讨方面有着积极含义。依照经典界说,脆性结构域的正断层指倾角在约60度左右的高视点滑动;而拆离断层的倾角则小了许多,只有约30度的倾角,因而其又可称为低视点正断层(Zheng ett6文娱登录 al., 2011)。不管归于上述的哪种状况,正断层能够指上盘的岩石沿断层面相关于下盘做向下运动而构成的断层(图1,2,3)(张文佑等,1981);假定断层面两边的岩石的位移量别离为s上盘和s下盘,向上运动为正值,那么:

正断层可标明为:



位移量是一段时间内的速度总量,即:


因为露头不能将时段内一切信息都展现出来,意味着短时间内的运动并没有悉数描写出来,不能将速度与位移量直接对等。不过考虑到将问题简化的意图,此处将某一方向的运动划归为某时段。假定运动速度别离为V下盘和V上盘,由方程1和2,得到如下方程

正断层便是上盘相关于下盘做负值的运动,即



因而,满意方程3运动特征的断层面则或许是真实含义的正断层、也可所以视正断层;这类视正断层仅仅标明断层面两边的物质有个相对向下的运动。其判别标志许多,常用的有(图1):擦痕、标志层、拖拽结构和“”结构、岩石①相关于岩石②具有更老的年纪或更高的蜕变程度等。可是,在陈旧地质体中,这种相对运动是经过在断层面上及断面附件留下的痕迹进行判别的,惋惜不能够真实含义上区域别是下文所谈到的哪种正断层。



图1 正断层及其结构要素示意图。其间指示断层运动方向的标志有:擦痕、标志层、岩石①和②之间的蜕变程度或年纪差异等。



图2 白垩纪地层中发育的正断层,留意标志层之间的错动特征,错距约50 cm。拍照自内蒙古雅布赖红柳沟。

图3 地垒结构,正断特征由标志层所指示,断距均小于1 m。正断层发育在侏人妇罗纪地层中,其上被白垩纪砾岩视点不整合掩盖,留意此处白垩纪地层未发育断层。拍照自内蒙古雅布赖红柳沟。


依据方程3的表达,包含有五类正断现象,下文别离打开:

(1)真实的正断层,即主体都是正断层结构,代表着扩展环境。这种结构能够出现在被迫陆缘环境(图4)以及裂谷环境(图5)。被迫陆缘处于非揉捏状况,重力起着重要的史翠珊效应效果,一些重力不稳定方位就会发育相应的扩展正断层结构,如大西洋内格林兰东部被迫大陆边际(图6)。裂谷因为处于蔓延状况,假定体积没有改动,因为厚度的减薄,地质体的平面表面积相应添加,这时就会有很多的扩展结构,即真实的正断层。如东非大裂谷,它孕育着新的被迫大陆边际(图5)。



图4 被迫大陆边际结构示意图,大陆地壳中发育很多正断层,修改自Tasa Graphic Arts (2002)。


图5 东非裂谷系结构简图,展现了全体扩展环境下的正断层结构系、以及亚丁湾和红海初始洋壳的扩张 (修改自Marshak, 2005)。

图6 格林兰东部被迫大陆边际地震剖面,显现地壳的基底和上覆沉积物发育很多的正断层,为扩展环境的结构款式。(Dinkelman et al., 2010)

(2)走滑开裂系中的正断层(图7)(Woodcock and Fischer, 1986)。在走滑开裂系统中,因为断层带的复杂性,由很多雁列式摆放的决裂面相衔接,构成转化揉捏(transpressional)和转化扩展(transtensional)结构部位(图8)。这种转化扩展结构部位会使得体积不变的状况下添加其平面表面积,断面的上下盘处于扩展状况,构成正断层。



图7 走滑开裂系中转化扩展结构,由正断层组成负花状结构;a-c标明开裂演化进程。 (Woodcock and Fischer, 1986)


图8 (上图)白垩纪地层中发育的正断层,正中方位发育小的地堑,以标志层之间的正断错动为特征,学者为比例尺。右侧断面处发育擦痕(下图),显现断层前期为走向滑动,晚期具正断特征,留意白色箭头所指示的擦痕的叠置联系。拍照自内蒙古雅布赖红柳沟。


图9 藏南高喜马拉雅蜕变结晶岩系经过楔状挤出结构方法折返,其南侧主中心断层为逆冲断层,北边际则为拆离断层,表现为正断特征,修改自Wang et al. (2016)和Yin (2006)。


图10 藏南拆离断层带特征,(a)高喜马拉雅蜕变岩与特提斯喜马拉雅砂岩和灰岩产出于同一高度,但二者的蜕变程度不同,提醒二者之间发育拆离断层。在拆离断层带中发育耐性变形结构,如云母鱼结构(b)和石英优选摆放方向(c),指示向NE方向的运动。修改自Wang et al. (2016)

(3)楔状挤出结构(wedge extrusion)或地道流(channel flow)类型中的正断层。在造山带中,处于更深部的物质具有更明显的流动性,它们在受揉捏状况下,一般向压力更小的区域搬迁,这时构成的一种结构一般具有:搬迁地质体的下伏结构面为逆冲推覆结构来阿姨拉肚子,使得这些更深部物质能够抵达浅表;而上覆结构面则是为正断,表达着流动性更强的深部物质向上搬迁的特征。这样的实例相对较多,比方:藏南的基底岩石的折返结构就被解说为这种状况(图9)(Wang et al., 2016; Yin, 2006),高喜马拉雅蜕变结晶岩石与特提斯喜马拉雅砂岩和灰岩共同出露在同一海拔高度(图10a),拆离断层中发育正断特征的剪切标志(图10b-c)(W正断层的构成环境ang et al., 2016)。

这种楔状挤出结构,假如将下边际结构面(逆冲断层)的产状顺时针旋转必定视点,就会得到结构面倾向于浅蜕变的物质,此刻便是常说的穹窿(dome)结构了(如图11:藏南雅拉香波穹窿)(张进江等, 2007)。深部流变性更强的物质可所以增生楔中的高档或高压蜕变岩、也可所以新的岩浆等。它们将其上的物质拱出来,假如遇到了陈旧的基底岩石,就构成了蜕变核杂岩。从这个视点来考虑的话,那么蜕变核杂岩就不能够切当地反映该方位是区域性的扩展结构。

(4)逆冲断层被褶皱。造山进程中,最开端构成的库伦楔逆冲断层能够以为是平直的、且向某一方向运动;在遭受了后期褶皱影响后,前期的断层面发作褶皱,褶皱某一翼的断层面产状仍坚持原有歪斜方向,依然为逆冲断层;而褶皱某一翼的断层面的歪斜方向发作改动,原有逆冲结构则以为正断特征出现;但实际状况是此刻依然为逆冲断层,处于揉捏环境,如阿尔卑斯造山带中的一些逆冲推覆结构(图12,图13上图)。以坐落瑞士Meiringen南部Helvetics结构带内的Weissenbach滑脱断层今日上海天气预报为例,其上盘为Lasistock推覆体的塑性变形的灰岩,下盘为沉降在Wellhorn推覆许章润体和Aar结晶岩系之上的第三纪脆性变形的钙质砂岩(图13左下图中黄色标示部分)之上。该断层面因为Aar结晶岩系隆升而发作褶皱,使得褶皱北翼的断层面倾向于北北东向,断层带中的S面理指示Lasistock推覆体相关于第三纪钙质砂岩发作正断的运动(图13右下图)。

别的,一些造山带的缝合带或许也有相似的状况发作,比方:我国天山的缝合带就被以为在后期发作过褶皱效果,构成了一些正断结构,假扩展效果(图14)(Xiao et al.腔组词, 2013)。



图11 雅拉香波穹隆正断层的构成环境结构地质图及其剖面。前期的拆离断层具有共同的运动方向(由S向N运动),它在后期发作变形,构成其北侧具有正断特征。在穹隆拱起进程中,在南北两边构成了新的正断层。 (张进江等, 2007)


图12 阿茸毛币尔卑斯造山带结构剖面图,展现了Frontal Pennine逆冲断层在后期的结构效果下在Helvetics结构带内发作褶皱,褶皱北西侧的逆冲断层呈正断特征 (Boyer and Elliott, 1982; Thornton et al, 2018). 图13的方位坐落Lasistock推覆体处。




图13 (上)瑞士Plaun Segnas Sut区域发育的Glarus逆冲断层,二叠纪-三叠纪Verrucano群(深色)逆冲在侏罗纪-白垩纪灰岩和复理石(淡色)之上,该断层错距超越100 km。相片来自Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Glarus_thrust)。(左下)瑞士Meiringen南部Helvetics结构带内发育的滑脱断层(Weissenbach断层),Lasistockschuppe(Lasistock推覆体,塑性变形鬼夫晚上好的灰岩)逆冲推覆在第三纪脆性变形的钙质砂岩(图中黄色标示部分)之上,后者沉积在Wellhorn推覆体和Aar结晶岩系之上。断层面向北歪斜,呈正断特征。(右下)断面处细节特征,左边为第三纪脆性变形的钙质砂岩,右侧为塑性变形的灰岩。之间为宽约1 m的断层角砾带,曲折的S面指示右侧向下运动。相片右侧为NE。图片自https://www.geos.ed.ac.uk/homes/v1nheine/previous.html.


图14 我国天山造山带结构特征,留意南天山增生楔在后期的变形进程中,缝合带发作了必定程度的褶皱。 (Xiao et al., 2013)

(5)微观背斜中性面外弧的扩展环境的正断层。背斜哦度与因为物质的曲折,发育一个中性面,即既不表现为揉捏、也不表现为扩展,它表里的方位别离称为内弧和外弧(图15a)。表里弧处于不同的应力状况,内弧方位处于揉捏状况,而外弧方位表现为扩展状况,发育正断特征的结构(图15b-c)。如西藏藏南砂岩(图16左)和闪长岩岩脉(图16右)发作褶皱后,其外弧发育的张节理充填有近垂直于鸿沟面的石英脉或长石石英脉等。又如新疆西准噶尔野鸭沟石炭纪地层中的褶皱,其外弧发育正断层(图17左),这些断层仅部分地穿切褶皱的地层(图17右),标明断层影响的局限性,相较于褶皱来说其为次一级结构。因而,从全体来看,褶皱构成环境为揉捏环境,而这些小断层和张节理则是揉捏环境下的派生次级结构。



图15 (a)纯切向线应变条件下构成的褶皱的几许特征,留意有限中性面表里弧的应力不同;岩石应变的结构发育(b)张裂隙和(c)共轭剪断层。(c)外弧的共轭断层以扩展方式发育,为正断层特征。(Ramsay and Huber, 1987)。

图16 褶皱外弧发育的张节理特征。(左)三叠纪地层中砂岩褶皱后,其内弧的泥岩以发育劈理为主,外弧产有近垂直于层面的石英脉(白色),表现为扩展特征。拍照自西藏藏南李咏志雪康村邻近。(右)褶皱的闪长岩岩脉,其褶皱外弧处发育长石石英脉(白色),近垂直于鸿沟,为扩展条件下的产品。拍照自西藏藏南觉拉村邻近。

图17 褶皱外弧发育的次级正断层。(左)石炭纪地层中发育的箱状褶皱结构,其外弧方位处于扩展状况,发育次级的正断层(右),接近断层处的泥质岩姚金刚石发作拖拽现象;留意这些断层只穿切部分岩层,并未褶皱的悉数地层,标明断层发育的部分性。左图中的白色虚线标明层理,白色箭头有右图的正断层方位地点。拍照自新疆西准噶尔野鸭沟刘相蓉。

综上所述,前三种正断层能够被以为归于原生结构、第四种为后期改造型、而最终一种则为派生次级结构。从这些实例能够看出,发生正断层的环境能够有多种,区域性扩展和揉捏环境中均可发育,并且其结构应力场方向有着极大的不同,结构系统也有着不同的结构模型解说。正断结构是不能正断层的构成环境够独自限制结构布景的,因而,研讨时需求慎重对待之。

参考文献

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