縱向伸展斷背斜類型及成因

陳發(fā)景，陳昭年

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

縱向伸展斷背斜按照斷背斜的幾何形態(tài)將其劃分雙斷型斷背斜、單斷型斷背斜和疊合y型斷背斜三類。關(guān)于這三類伸展斷背斜成因，前人曾進行過詳細(xì)的闡述和研討，有不少重要成果，對這三類伸展斷背斜成因前人存在不同看法。歸納起來，有兩種不同意見，特別是關(guān)于縱向疊合y型斷背斜的成因分歧更大。第一種看法是由于伸展作用造成，對向、背向和同向伸展斷陷的幾何形態(tài)[1]，簡單剪切和純剪切的不同運動學(xué)方式是造成這三種不同類型的主因。與此相反的另一種意見認(rèn)為這三類是由于走向滑移活動造成的[2-3]。本文根據(jù)最近查閱的資料，認(rèn)為第一種看法的證據(jù)比較充分，并在此基礎(chǔ)上進一步研究并提出了一些新的補充意見，例如，在伸展作用斷塊下降過程中巖層局部縮短作用對這三類構(gòu)造起了較大的作用。此外，為了更好地加深理解縱向伸展斷背斜成因，除了討論成因本身外，還討論了在某些方面幾何形態(tài)與縱向伸展斷背斜相似，但成因根本不同的構(gòu)造類型，如斜向疊合y型走滑-伸展斷背斜。

1 雙斷型斷背斜

雙斷型斷背斜是發(fā)育于兩個對向傾斜的正斷層控制的雙斷型(地塹式)伸展斷陷中部的大型縱向斷背斜，并非曾經(jīng)認(rèn)為的兩個伸展斷陷之間的地壘型凸起。

黃驊坳陷南段分布孔店凸起帶即為雙斷型斷背斜的典型實例。在剖面上位于滄東正斷層和徐黑東正斷層組成雙斷型伸展斷陷的中部[4]，在平面上它位于控陷正斷層斷距最大處，往北東方向延伸至斷層末端分布羊三木-扣村橫向凸起調(diào)節(jié)帶，往西南延伸至斷層末端，分布舍女寺橫向凸起調(diào)節(jié)帶(圖1(a)和(b))。

圖1 黃驊凹陷南區(qū)地質(zhì)橫剖面及位置圖(據(jù)周建生，1997)Fig.1 Geological profile and location map of the southern Huanghua Depression(a)黃驊坳陷伸展構(gòu)造體系示意圖；(b)黃驊凹陷南區(qū)地質(zhì)剖面圖

關(guān)于雙斷型斷背斜的形成機理，依據(jù)斷陷中部早期的孔店組二段深湖相沉積表明，早期不是兩個分隔的而是統(tǒng)一的凹陷背景，因而推測雙斷型斷背斜的形成機理是在兩條正斷層下滑過程中巖層長度局部縮短，并在晚期才發(fā)生沉降差異和斷塊翹傾作用[5]。如圖2中所解釋的那樣。巖層沿正斷層下滑引起長度縮為L0-L1即d1+d2的距離，為了適應(yīng)巖層長度縮短空間，因而導(dǎo)致背形狀彈性撓曲，但是只有這種巖層下降程度達(dá)到組成背斜的弧形長度才能發(fā)生?？s短距離越大，背斜的幅度也越大。由于這種原因，它常發(fā)生在兩個正斷層下滑程度最大處，沿斷層走向向兩端延伸，背斜形態(tài)消失，代之以橫向調(diào)節(jié)構(gòu)造。因而這種雙斷型斷陷(地塹式)在空間分布是孤立和不連續(xù)的，形成時間與區(qū)域伸展作用同時。它與區(qū)域擠壓作用形成的背斜在性質(zhì)上有根本區(qū)別，后者在空間分布上是連續(xù)的、成排成帶分布，形成時間則是在伸展作用結(jié)束之后。為此可將雙斷型斷背斜的形成原因歸結(jié)為區(qū)域伸展作用過程中巖層長度局部縮短作用，以此區(qū)別區(qū)域擠壓作用形成的背斜。

圖2 伸展雙斷型斷背斜的形成橫剖面示意圖Fig.2 Sketch profile showing the formation of double-faulted anticline

對這樣的形成機理也可以從前陸盆地中發(fā)育的晚期正斷層(或稱滯后正斷層)得到間接的驗證。例如在塔里木盆地晚近紀(jì)晚期受到區(qū)域擠壓作用形成的前緣隆起中，由于巖層沿輪臺和亞南兩條背向逆沖斷層以及其間的雅1號和亞南兩條背向逆沖斷層上沖，從而使其長度增長而分別形成斷向斜，如圖3(a)和(b)所示[6-7]，表明雖然伸展斷陷中的雙斷型斷背斜(或形象地稱之為塹中隆)和擠壓前陸盆地前緣隆起中的斷向斜(或形象地稱之為隆中塹)兩者的構(gòu)造性質(zhì)和形成機理相反，但他們有一個共同的屬性，即他們的形成與巖層局部縮短和伸長有關(guān)。

圖3 TBB-85-NW444測線剖面及其位置圖(據(jù)湯良杰，1989)Fig.3 TBB-85-NW444 seismic line profile and its location map

2 單斷型斷背斜

單斷型斷背斜通常稱之為逆牽引背斜，是分布于裂谷期單斷型(半地塹式)斷陷中控陷斷層下降盤一側(cè)的斷背斜。實例有岐北凹陷的馬西逆牽引背斜(圖4)。在剖面上，其特征為不對稱背斜，分布于港東斷層的下降盤。斷背斜的陡翼臨近正斷層一側(cè)，緩翼遠(yuǎn)離正斷層一側(cè)。背斜軸的連線與正斷層近乎平行。在平面上，它分布于臨近港東斷層一側(cè)下降幅度最大處，沿斷層中心走向向兩端延伸，斷距減小，背斜消失，至斷層末端，發(fā)育橫向背斜，如圖1所示。

圖4 馬西逆牽引背斜地震解釋剖面圖(據(jù)王夑培，1990)Fig.4 Seismic interpretation section of the Maxi reverse traction anticline

對于這類單斷型斷背斜的成因，前人曾做過多種解釋。主要有：(1)控陷斷層下降盤一側(cè)，巖石下滑過程中以逆牽引方式向斷層空間回傾，形成逆牽引背斜[8];(2)在靠近正斷層附近和遠(yuǎn)離處，由于巖層差異沉降作用形成[9];(3)由于巖層沿斷層下滑時彈性撓曲形成[10]。除了上述因素外，在巖層沿斷層下滑過程中，局部縮短作用仍然起著重要的作用。如圖5所示，下降過程中巖層長度縮短L0-L1=d1的距離，為了適應(yīng)縮短距離發(fā)生背斜變形。在臨近正斷層一側(cè)砂泥巖層中泥巖比較高，下降幅度大處，易形成逆牽引構(gòu)造，而在厚度大地區(qū)沖積扇扇三角洲發(fā)育處，砂層在砂泥巖中占比較高地區(qū)易形成鼻狀構(gòu)造。這種不對稱背斜僅分布在正斷層一側(cè)巖層下降垂向最大處和泥巖在砂泥巖層中占比較高地區(qū)，造成這種差別的原因是軟泥巖占優(yōu)易造成巖層縮短時發(fā)生彈性撓曲作用。

圖5 單斷型斷背斜形成示意剖面圖Fig.5 Sketch profile showing the formation of single-faulted anticline

3 疊合y型斷背斜

這類疊合y型斷背斜分布于裂谷期后對稱斷陷中，是由其中眾多的次一級疊合y型斷裂組成的斷背斜。它呈現(xiàn)為多個后期次一級的y型斷裂套疊在前期規(guī)模較大的一級y型斷裂中，其中夾持的背斜向下塌陷呈包心菜狀。在黃河口凹陷和渤中西洼曹妃甸12-6油田均發(fā)育此類斷背斜(圖6和圖7)。這類疊合y型斷裂及其間背斜的形成，作者推測與(Jackson,1987)認(rèn)為的大陸伸展運動學(xué)純剪切模式有關(guān)(圖8)[12]。其特征是拉張應(yīng)力最大主應(yīng)力軸δ1是垂直的，在拉張作用下水平巖層產(chǎn)生兩條對稱的呈y型共軛斷層。在拉張繼續(xù)作用下，伸展應(yīng)變主應(yīng)力軸保持垂立不變。因而產(chǎn)生對稱的疊加y型斷裂。主應(yīng)力軸垂立一直保持不變與控制斷陷的正斷層不發(fā)生旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

圖6 黃河口凹陷地震剖面顯示疊合y型斷裂及其間背斜(據(jù)陳發(fā)景，2008)Fig.6 Seismic profile of the Yellow River estuary depression,showing the superimposed y-type faults and anticlines among them

圖7 渤中西洼疊加y型斷裂及其間斷背斜剖面圖(據(jù)李龍等，2018修改)[11]Fig.7 Sketch profile of the superimposed y-type faults and faulted anticlines among them in the western Bozhong sag

圖8 伸展運動學(xué)的純剪切和簡單剪切模式示意圖(據(jù)Jackson A,1987)Fig.8 Sketch map showing pure shear and simple shear models of extension kinematics

值得注意的是這類縱向伸展斷背斜與斜向走滑-伸展斷背斜容易混淆，他們在成因上存在根本性差別，后者不屬于縱向伸展背斜的范疇。

例如在遼東灣灘海地區(qū)東部凹陷東斜坡鄰近燕南走滑-伸展斷層一側(cè)的走滑-伸展疊合y型斷背斜(圖9(a))。其剖面特征與前述黃河口型縱向純伸展疊合y型斷背斜完全一樣，看不出任何差異，但在平面圖上的構(gòu)造樣式顯著不同。其呈雁行排列的走滑-伸展疊合y型斷背斜帶軸向與控制其形成的主走滑-伸展斷層以銳角相交而非平行(圖9(b))，因此，它不屬于縱向伸展背斜的范疇，應(yīng)加以區(qū)分。

圖9 遼河盆地燕南構(gòu)造走向—伸展疊合y型斷背斜(據(jù)邱華標(biāo)，2011)Fig.9 Yannan strike slip-extensional superimposed y-type anticlines in the Liaohe Basin

將控制此類斷背斜的走滑-伸展斷層與純走滑斷層派生的構(gòu)造型式比較可以看出，它們在平面上相似，即主斷層與派生的正斷層以銳角相交，如圖9(b)所示。由圖9(a)和圖10還可以看出它們之間有以下明顯差別，即(1)走滑-伸展主干斷裂傾角中等，而純走滑斷層直立和高角度；(2)走滑-伸展疊合y型背斜帶呈包心菜狀，而純走滑斷層與派生的正斷層組成的樣式呈負(fù)花狀構(gòu)造[13]；(3)主干走滑-伸展斷層對前期伸展斷陷改造程度輕微，前期斷陷形態(tài)保持良好，而主走滑斷層對前期伸展斷陷改造劇烈，前期斷陷形態(tài)已無法識別[14]。

圖10 遼東灣坳陷東部邊緣橫剖面圖(據(jù)漆家福，1995) Fig.10 Cross-section across the eastern margin of the Liaodongwan depression

根據(jù)上述特征，推測斜向走滑-伸展疊合y型背斜帶既不是由于純走向滑動(即完全是水平位移)活動作用，也不是純水平伸展作用(即完全是垂向位移)產(chǎn)生的。關(guān)于其成因，邱華標(biāo)[15]進行了詳盡的和非常有意義的討論，認(rèn)為燕南主干斷裂既非純走滑斷層，也非縱向純伸展斷層，而是走滑-伸展斷層，既有垂直位移分量，也有水平位移分量。因此，可將燕南這一類斷層稱為走滑-伸展斷層，將燕南這一類背斜帶稱為走滑-伸展疊合y型背斜帶，它們是走滑和伸展共同作用的產(chǎn)物。

McClay等[16]曾根據(jù)實驗室模擬實驗和對比，證實了這一觀點，即縱向伸展疊合y型斷背斜和斜向-走滑-伸展疊合y型斷背斜分別是由于伸展作用和走滑-伸展作用不同活動造成的。綜上所述，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格區(qū)分伸展作用造成的疊合y型斷背斜，走滑-伸展作用造成的疊合y型斷背斜(或稱對稱頂部垮塌的包心菜狀構(gòu)造)和走滑活動造成的負(fù)花狀構(gòu)造這三類不同成因構(gòu)造。近年來，一些石油地質(zhì)學(xué)者也曾研究疊合y型斷背斜的成因。他們多數(shù)傾向于這類構(gòu)造是張扭或扭動作用造成的，并稱之為復(fù)合負(fù)花狀構(gòu)造，忽略了純張性作用的成因。例如黃雷[17]認(rèn)為張扭作用是造成復(fù)合負(fù)花狀構(gòu)造形成的原因。劉曉峰等[18]提出的南堡凹陷的背型負(fù)花狀構(gòu)造也需要進一步鑒別，從圖形上看，它可能是縱向或斜向疊合y型斷背斜。

4 結(jié)論與討論

縱向伸展斷背斜的成因是一個非常復(fù)雜的難題。盡管有很多研究，但仍然難以窺其全貌，本文中所提出的認(rèn)識僅僅是為了拋磚引玉，促使進一步研究。為了更好地研究，提出了注意以下問題：

(1)裂谷期不對稱伸展斷陷和裂谷期后對稱伸展斷陷均與縱向伸展斷背斜發(fā)育有密切聯(lián)系。裂谷期伸展斷陷中控陷主斷層向下延伸較深，數(shù)目相對較少。裂谷期后伸展斷陷中主斷層除部分繼承裂谷期構(gòu)造層向下較深外，部分為新生向下延伸較淺外，數(shù)目相對較多和密集，范圍也較裂谷期范圍大。裂谷期的對稱伸展斷陷主要發(fā)育雙斷型斷背斜和單斷型斷背斜，其形成可能與裂谷期前基底斷裂特征有關(guān)。一般而言，雙斷型斷背斜受對向傾斜基底斷層控制的斷陷的控制，開始呈對稱狀，而后很快演化為兩個對向單斷斷陷，而單斷型斷背斜與背向傾斜和同向傾斜的基底斷裂形成的伸展斷陷有關(guān)。而裂谷期后對稱狀伸展斷陷發(fā)育疊加y型斷背斜。

(2)控制雙斷型伸展斷陷(地塹式)的兩條對向傾斜的主干正斷層下滑速率必須是一致的。根據(jù)沉積厚度分析，很多斷陷基本上仍然是半地塹形態(tài)。

(3)漸新統(tǒng)和晚第三紀(jì)-第四紀(jì)裂谷期后對稱伸展斷陷以純剪切方式運動，廣泛發(fā)育縱向伸展疊合y型斷背斜帶，而古、始新世裂谷期不對稱斷陷以簡單剪切方式運動，發(fā)育單斷背斜，不出現(xiàn)縱向伸展疊合y型斷背斜帶。造成這種差別的原因目前仍難以確定。設(shè)想有這種可能，即早期與西太平洋板塊俯沖作用有聯(lián)系，由于俯沖，在我國渤海灣地區(qū)發(fā)育多幕伸展運動，到后期在早期斷陷強烈沉降活動基礎(chǔ)上發(fā)育地幔柱(或地幔隆起)，因而導(dǎo)致以純剪切方式運動產(chǎn)生裂谷期后伸展斷陷和其中發(fā)育的縱向伸展疊合y型斷背斜。是否如此，需要進一步研究。

(4)漸新統(tǒng)和晚第三紀(jì)-第四紀(jì)走滑-伸展疊合y型斷背斜發(fā)育的因素必須是由伸展作用和與之密切聯(lián)系的走向滑移共同活動造成的，僅靠剖面分析，常常會將其誤認(rèn)為是縱向伸展疊合y型斷背斜帶。此外，如僅靠平面上呈雁行排列樣式，也會誤判是純走滑活動派生的，建議將平面和剖面結(jié)合起來，同時根據(jù)區(qū)域背景進行綜合分析。