鏟形正斷層形態(tài)影響因素及特征

鐘榮全

摘 要：鏟形正斷層是一種重要的構(gòu)造類型，與油氣勘探，災(zāi)害預(yù)測等都有著密切的聯(lián)系。本文通過探討鏟形正斷層形成影響因素及過程，研究構(gòu)造空間形態(tài)。得到如下認(rèn)識：（1）鏟形正斷層的影響因素復(fù)雜多樣，影響構(gòu)造形態(tài)的主要因素是巖石力學(xué)性質(zhì)，巖石力學(xué)性質(zhì)則受外部環(huán)境影響較大。（2）與鏟形正斷層相伴生的構(gòu)造按照空間形態(tài)可以簡單分為牽引構(gòu)造，逆牽引構(gòu)造和滾動構(gòu)造。（3）鏟形正斷層的次級構(gòu)造十分發(fā)育，常在上盤發(fā)育同向和反向斷層，特殊的發(fā)育回滑構(gòu)造。

關(guān)鍵詞：伸展構(gòu)造；鏟形正斷層；影響因素；幾何形態(tài)

一、前言

鏟形正斷層是一種發(fā)育于伸展環(huán)境中的構(gòu)造樣式，它的斷層面呈弧形，傾角從上之下逐漸變小，最后一般消失于具有滑脫性質(zhì)的層位。在我國，鏟形正斷層廣泛發(fā)育，特別是在我國東部中、新生代盆地中，如巴彥浩特盆地，渭河盆地，渤海灣地區(qū)。目前，對于鏟形正斷層的認(rèn)識，主要是通過人工地震，地表野外觀測和鉆井?dāng)?shù)據(jù)等。前人通過對這些資料數(shù)據(jù)分析[1]，建立了多種幾何模型，如水平斷距不變模型、位移距不變的模型、層長守恒模型、滑移線模型、斜向剪切模型等，以定量化探討鏟形正斷層斷面隱伏的位置。另外，隨著構(gòu)造物理模擬技術(shù)的發(fā)展，對上盤的質(zhì)點(diǎn)位移進(jìn)行觀測，幫助了我們很好的認(rèn)識了鏟形正斷層的運(yùn)動方式。但是由于鏟形正斷層尺度，構(gòu)造層次均存在著較大的差異，發(fā)育的構(gòu)造環(huán)境也復(fù)雜多樣，對于鏟形正斷層形態(tài)影響因素還存在著不足。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，對形態(tài)影響因素進(jìn)行總結(jié)，分析其上下盤構(gòu)造基本形態(tài)，以期待提高對鏟形正斷層的認(rèn)識。

二、影響因素及過程

鏟形正斷層廣泛發(fā)育了不同層次、不同尺度中，其形態(tài)復(fù)雜多樣，所以對于鏟形正斷層的影響因素解釋仍然是一個難題。

目前，較多學(xué)者是通過力學(xué)分析對鏟形正斷層的構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行解釋。根據(jù)庫倫剪切破裂的原則，許浚遠(yuǎn)[2]等認(rèn)為控制斷層形態(tài)的主要因素包括巖石力學(xué)性質(zhì)、沉積層內(nèi)普遍存在的異常地層壓力、沉積壓實(shí)作用，次級構(gòu)造發(fā)育引起的局部應(yīng)力狀態(tài)的變化，巖石垂向上的分布等。但是巖石力學(xué)性質(zhì)是影響鏟形正斷層構(gòu)造形態(tài)的本質(zhì)因素。巖石的力學(xué)性質(zhì)包括巖石本身的性質(zhì)，如巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、成分；和地質(zhì)環(huán)境因素，如流體、溫度、圍壓、孔隙等。外部因素是控制巖石的力學(xué)性質(zhì)的重要因素。鏟形正斷層在運(yùn)動的過程中上盤塊體在凹面上滑動并旋轉(zhuǎn)，傾角會發(fā)生改變，同斷層沉積物巖性、巖相及厚度變化大，上覆壓力也會發(fā)生改變，從而改變了巖石的圍壓，使得力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。另外，隨深度增加，溫度逐漸升高， 巖石強(qiáng)度也向下減小，巖石塑性加強(qiáng)，剪切破裂角也發(fā)生改變。盡管像這些外部影響因素還有很多，然而在每個時期、范圍都有一個主導(dǎo)性的因素。如淺部與深部的形態(tài)存在著較大的變化主要是因為溫度和圍壓的變化，其他的外部因素只是局部變形的影響因素。

在變形過程中巖石各個部位應(yīng)力狀態(tài)存在差異。上部表現(xiàn)為張破裂，中、下部為剪切破裂；斷面力學(xué)性質(zhì)自上而下由張性、張剪性、純剪性過渡到壓剪性[3]。庫倫剪切破裂能大致說明巖石的剪切作用，但是對于上部張性破裂卻不能很好的解釋。陳強(qiáng)用二次曲線型莫爾準(zhǔn)則的滑移線場理論[3]，較好解釋了鏟形正斷層上部張性破裂的力學(xué)機(jī)制，描述了地殼上部的脆性變形區(qū)的脆性破壞以及地殼上部-深部的過渡變形區(qū)的脆-韌性轉(zhuǎn)化。經(jīng)過研究，他認(rèn)為巖層的鏟形斷層的形成與巖層重力滑動的坡度、巖石強(qiáng)度、滑動系統(tǒng)厚度、孔隙壓力以及潤滑層有關(guān)。

與統(tǒng)一應(yīng)力場下形成的鏟形斷層觀點(diǎn)不同，陳開平[4]則認(rèn)為鏟式正斷層是先存平面斷層在變形演化過程中發(fā)生了旋轉(zhuǎn)變形而形成的，具有一定的階段性。鏟形正斷層原本是平面的，后期由于構(gòu)造運(yùn)動的演化和斷層變形的差異性，上盤上部旋轉(zhuǎn)變形小，下部旋轉(zhuǎn)變形大。因此造成了上陡下緩的構(gòu)造格局。

綜合上述，關(guān)于鏟形正斷層是一次性形成的還是分階段形成的還存在著較大的爭議。一次性成因說需要解決的是能量問題。在鏟形正斷層形成時，是否有足夠的能量使斷層破裂。而多階段成因說則需要解決的是不同階段的空間形態(tài)關(guān)系和地層沉積等多方面的耦合關(guān)系。目前，雖然不能對其過程進(jìn)行正確的認(rèn)識，但是對于形態(tài)的影響因素還是可以進(jìn)行大致判斷的，筆者以為，鏟形正斷層形態(tài)總體上是受巖石本身的力學(xué)性質(zhì)和巖石周圍的溫度和壓力等大環(huán)境因素共同影響。由于這些因素使得巖石的脆塑性差異，導(dǎo)致了巖石的變形方式多種多樣。而其他因素只是影響巖石的局部變形，或者說是影響范圍較小。

三、形態(tài)特征

鏟形正斷層的影響因素復(fù)雜多樣，鏟形正斷層上下盤的幾何形態(tài)也十分豐富。

上下盤發(fā)育的構(gòu)造類型可以大致分為牽引構(gòu)造，逆牽引構(gòu)造，滾動背斜。

（一）牽引構(gòu)造

牽引褶皺常發(fā)育于構(gòu)造封閉較強(qiáng)環(huán)境中，由于強(qiáng)烈的封閉性，上下兩盤的摩擦力較大，在斷層面附近，會產(chǎn)生嚴(yán)重的拖拽現(xiàn)象，使得周圍地層發(fā)生彎曲變形，上盤形成向斜，下盤形成背斜。上盤由于巖石性質(zhì)的影響因素，次級構(gòu)造發(fā)育的差異加大。當(dāng)上盤巖石發(fā)育有膏鹽物質(zhì)或者粘土等塑性物質(zhì)時，上盤主要以向斜構(gòu)造為主，次級構(gòu)造發(fā)育較差或者不發(fā)育。若上盤巖石為脆性物質(zhì)，則上盤次級構(gòu)造發(fā)育，會發(fā)育同向斷塊結(jié)構(gòu)，即盆地邊緣一側(cè)的斷塊下降較快，盆地中心下降較慢。評價牽引構(gòu)造的變形程度，往往可以通過計算靠近斷層端的滑移量與遠(yuǎn)離斷層端的滑移量的比值[5]。當(dāng)比值較小時，斷層附近的巖層運(yùn)動較弱，后端巖層運(yùn)動較強(qiáng)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的拖拽。當(dāng)比值較大時，前后端運(yùn)動的情況趨于一致，拖拽作用較弱。

（二）逆牽引構(gòu)造

與牽引構(gòu)造的幾何形態(tài)不同，逆牽引褶皺上盤發(fā)育背斜，下盤發(fā)育向斜。鏟形正斷層的各個部位存在著不同的應(yīng)力情況，中部至末端存在著一種擠壓剪切-擠壓的應(yīng)力狀態(tài)，上下盤在擠壓剪切應(yīng)力的作用下會發(fā)生彎曲。上盤則由于上盤各處不均一重力作用，會發(fā)生向下的彎曲。為達(dá)到力學(xué)的穩(wěn)定狀態(tài)，下盤地層會發(fā)生向上彎曲。隨著斷層的運(yùn)動，彎曲程度會增加，發(fā)生的次級構(gòu)造也會增多。但是，由于上盤構(gòu)造空間形態(tài)的影響，上下盤褶皺彎曲程度不同，主要表現(xiàn)為相關(guān)褶皺的寬度和幅度的差異。往往上盤的牽引褶皺的幅度會高于逆牽引褶皺的幅度[6]。

（三）滾動背斜

滾動構(gòu)造是一種單側(cè)逆牽引構(gòu)造，上盤巖層發(fā)生旋轉(zhuǎn)的動力學(xué)機(jī)制與上述的逆牽引構(gòu)造不同。滾動式鏟形正斷層是在巖石進(jìn)行拉伸過程中，上盤與下盤之間會產(chǎn)生一定的“空隙”，上盤巖石由于重力作用，發(fā)生彎曲變形形成背斜，隨著運(yùn)動的進(jìn)行滾動背斜彎曲程度越來越大。對于大型鏟形斷層而言，當(dāng)上盤為脆性巖石時，由于受到拉張作用的影響，使得滾動背斜地塹地壘發(fā)育；同時，反向或者同向正斷層也十分發(fā)育，常常因為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，還會發(fā)育一些次一級的斷層，造成形態(tài)各異構(gòu)造組合樣式。滾動背斜受上部生長層的影響，發(fā)育成靠近盆地邊緣一側(cè)的斷塊下降較快，而盆地中心較慢的箕狀斷塊結(jié)構(gòu)。值得注意的是，上盤各層的巖石力學(xué)性質(zhì)的差異性會導(dǎo)致形態(tài)更加的復(fù)雜。隨著鏟式斷層上盤運(yùn)動，巖石會發(fā)生傾斜，當(dāng)達(dá)到一定程度，上覆巖層就會沿軟弱巖層進(jìn)行滑動，從而形成一種特殊的構(gòu)造—回滑構(gòu)造[7]。與滾動背斜運(yùn)動產(chǎn)生的拉張構(gòu)造不同，這種構(gòu)造是受局部重力影響，常發(fā)育于淺部，也發(fā)育有同向和反向的斷層。

四、結(jié)論

1.鏟形正斷層影響因素繁多，主要受控于巖石力學(xué)性質(zhì)。巖石的力學(xué)性質(zhì)同時又受到周圍環(huán)境的影響。外部因素則在不同的時空范圍內(nèi)，存在著某些主導(dǎo)因素。如地下深部與淺部之間形態(tài)差異主控因素是溫度和圍壓。

2.上下盤構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜多樣，可以簡單的將構(gòu)造分為牽引構(gòu)造，逆牽引構(gòu)造和滾動背斜。

3.鏟形正斷層次級構(gòu)造發(fā)育，多發(fā)育同向和反向斷層，特殊的發(fā)育回滑構(gòu)造。

參考文獻(xiàn)：

[1]William F.Dula.Jr. 鏟狀正斷層的幾何模型與滾動褶皺[J].國外油氣探勘， 1993， 5（3）： 253-289.

[2]許浚遠(yuǎn)，楊東勝，陳國童. 渤海灣盆地鏟形正斷層及其次級斷層組合成因[J].石油勘探與開發(fā)， 1996， 23（5）： 37-39， 83.

[3]陳強(qiáng). 鏟式斷層的構(gòu)造力學(xué)分析[J].地質(zhì)學(xué)報， 1987， （4）： 296-307.

[4]陳開平，馬瑾. 鏟式斷層形成演化的動力學(xué)機(jī)制及其數(shù)值模擬[J].地震地質(zhì)， 1996， 18（2）： 116-118.

[5]G.willams. 鏟狀正斷層的幾何形態(tài)及上盤變形[J]. 國外油氣勘探， 1991， 3（1）： 20-28.

[6]Roy w.schlische，賀紀(jì)新. 張性環(huán)境中與斷層相關(guān)的褶皺的幾何形態(tài)及成因[J].國外油氣勘探， 1997， 9（1）： 25-42.

[7]陳書平，季弘瑩，李偉. 東濮凹陷鏟式正斷層回滑構(gòu)造及油氣意義[J].石油地球物理勘探， 2016， 51（4）： 8， 831-840.