正断层与伸展构造

1、第十一章第十一章正断层与伸展构造正断层与伸展构造第一节第一节 基本观念基本观念1.1.定义：定义：正断层：正断层：上盘相对于下盘向下滑动的倾向滑动断层。上盘相对于下盘向下滑动的倾向滑动断层。伸展构造：伸展构造：由于正断层造成岩石单元的水平伸展，由于正断层造成岩石单元的水平伸展，故正断层又可称为伸展构造（断层）。故正断层又可称为伸展构造（断层）。1133312 2 应力状态及形成机制应力状态及形成机制利于正断层形成的利于正断层形成的应力条件应力条件为：为： 最大主应力最大主应力(1 1)在竖直方向上增大，或最小主在竖直方向上增大，或最小主应力应力(3 3)在水平方向上减小，或上述两种过程同在水平

2、方向上减小，或上述两种过程同时作用。时作用。3 31 13 31 13 31 1利于正断层作用发生的利于正断层作用发生的地质背景地质背景是：是：经历水平拉伸（伸展）或垂向穹隆和抬升的地区经历水平拉伸（伸展）或垂向穹隆和抬升的地区由于经历正断层作用的地壳岩石单元发生了水平由于经历正断层作用的地壳岩石单元发生了水平方向上的伸展，所以正断层也被称为方向上的伸展，所以正断层也被称为伸展断层伸展断层，但伸展断层一般特指由但伸展断层一般特指由区域性伸展形成的大规模区域性伸展形成的大规模低角度正断层，特别是指拆离断层。低角度正断层，特别是指拆离断层。第二节、第二节、 正断层的一般特征正断层的一般特征a. 断

3、层上盘相对于下盘向下运动断层上盘相对于下盘向下运动b. 被断岩石单元产生水平伸长（伸展）效应被断岩石单元产生水平伸长（伸展）效应c. . 在同一高程剥蚀在同一高程剥蚀 面上，上下盘的面上，上下盘的 对比性对比性1234上上盘盘下下盘盘地地层层时时代代较较新新较较老老变变质质程程度度较较低低较较高高构构造造层层次次较较浅浅较较深深第三节、第三节、 正断层的几何形态正断层的几何形态 根据断层面的几何特征以及断层面和被断岩石根据断层面的几何特征以及断层面和被断岩石的旋转性质，正断层可被划分为三种类型：的旋转性质，正断层可被划分为三种类型：非旋转平面正断层、旋转平面正断层和非旋转平面正断层、旋转平面正

4、断层和铲式断层铲式断层a. 非旋转平面正断层：非旋转平面正断层： 平面状断层面，断层面和平面状断层面，断层面和被断岩层均不发生旋转，说被断岩层均不发生旋转，说明所有的运动为平移运动。明所有的运动为平移运动。 一般形成地堑和地垒构造一般形成地堑和地垒构造 是共轴变形的产物是共轴变形的产物 TtgDecosb. 旋转平面正断层（掀斜断层）：旋转平面正断层（掀斜断层）： 平面状断层面，断层面和被断岩层均发生旋转平面状断层面，断层面和被断岩层均发生旋转 掀斜断块：由正断层围限的旋转了的岩石块体掀斜断块：由正断层围限的旋转了的岩石块体 掀斜盆地（半地堑）：在掀斜断块上发育的不对称盆地，其掀斜盆地（半地堑

5、）：在掀斜断块上发育的不对称盆地，其 一侧由正断层控制（箕状盆地）一侧由正断层控制（箕状盆地） 多米诺或书斜式构造：由一系列旋转平面正断层和掀斜断块多米诺或书斜式构造：由一系列旋转平面正断层和掀斜断块 组成的构造。组成的构造。i水平伸长度 S S= l / l0 = sini/ sin= sin i/ sin= sin (+) / sin+) / sin伸长度：伸长度： S = l / l0 =1+ e正弦定理：正弦定理： l /sin( 180-i) = i) = 10 / sin l / l0 = sin( 180-i)/ sin= sin i)/ sin= sin (+) / sin+)

6、 / sinc. 铲式（犁状）断层：铲式（犁状）断层： 具有下凸断层面，且具有下凸断层面，且断层面产状向地表变陡而向下随深度变缓的断断层面产状向地表变陡而向下随深度变缓的断层。层。Laminar Flow一种解释铲式断层产状变化的模式一种解释铲式断层产状变化的模式另一种解释铲式断层产状变化的模式另一种解释铲式断层产状变化的模式第四节、第四节、 正断层的构造样式正断层的构造样式a. 地堑与地垒地堑与地垒 地堑：地堑：由两组走向近平行且相向倾斜的正断层及其所夹由两组走向近平行且相向倾斜的正断层及其所夹 持的下降断块形成的构造持的下降断块形成的构造 地垒：地垒：由两组走向近平行且相背倾斜的正断层及其

7、所夹由两组走向近平行且相背倾斜的正断层及其所夹 持的抬升断块形成的构造持的抬升断块形成的构造半地堑：半地堑：单侧由正断层控制的下降断块；或由一单侧由正断层控制的下降断块；或由一 组倾向相同的正断层控制的一系列下降断块形组倾向相同的正断层控制的一系列下降断块形 成的构造样式成的构造样式半地垒：半地垒：单侧由正断层控制的上升断块；或由一单侧由正断层控制的上升断块；或由一 组倾向相同的正断层控制的一系列上升断块形组倾向相同的正断层控制的一系列上升断块形 成的构造样式成的构造样式 盆岭构造：盆岭构造：由一系列走向近平行的地堑由一系列走向近平行的地堑（半地堑）和地垒（半地垒）相间排列形成（半地堑）和地垒

8、（半地垒）相间排列形成的构造。因为地堑一般形成盆地而地垒形成的构造。因为地堑一般形成盆地而地垒形成山岭，故称为盆岭构造山岭，故称为盆岭构造b. 断陷盆地断陷盆地: 是在地壳伸展作用下形成的以正断层为边界的盆地，是在地壳伸展作用下形成的以正断层为边界的盆地，如地堑、半地堑等。如果盆地只在一侧发育正断层，如地堑、半地堑等。如果盆地只在一侧发育正断层，则形成不对称箕状盆地，多见于铲式断层和掀斜断层。则形成不对称箕状盆地，多见于铲式断层和掀斜断层。 断陷盆地正断层断陷盆地正断层前陆盆地逆断层前陆盆地逆断层走滑拉分盆地走滑拉分盆地走滑平移断层走滑平移断层c. 生长断层（同沉积断层）生长断层（同沉积断层）

9、 断层活动与沉积作用同时发生而形成的断层称为断层活动与沉积作用同时发生而形成的断层称为生长断层生长断层 逆冲断层和正断层均可形成生长断层，但正断层最为常见逆冲断层和正断层均可形成生长断层，但正断层最为常见特征特征1) 上盘与断层活动同时形成的地层厚度明显比下盘同一地层上盘与断层活动同时形成的地层厚度明显比下盘同一地层 的厚度大，有时断层会切的厚度大，有时断层会切 入某一地层的下部而不切入某一地层的下部而不切 穿整个地层，这时该地层穿整个地层，这时该地层 在断层两侧的厚度会有截在断层两侧的厚度会有截 然的不同但。然的不同但。 2) 地层断距随深度增大地层断距随深度增大 而增大。而增大。3) 3)

10、 绝大多数生长断层为铲式断层绝大多数生长断层为铲式断层4) 4) 铲式断层上盘同断层活动沉积地层厚度向断层方铲式断层上盘同断层活动沉积地层厚度向断层方 向增厚向增厚 5) 断层的运动速度会由于沉积的加载而加速，从而沉积中心断层的运动速度会由于沉积的加载而加速，从而沉积中心 的地层厚度会向上增大的地层厚度会向上增大6) 在铲式断层中上盘因为重力作用在铲式断层中上盘因为重力作用 而产生反牵引现象而产生反牵引现象d 裂谷裂谷裂谷：裂谷： 伸展作用形成的，由地堑、半地堑及其他与正断层相伸展作用形成的，由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造组成的区域性狭长构造带关构造组成的区域性狭长构造带 ，一般表现为以

11、断层为边界，一般表现为以断层为边界的狭长谷地。的狭长谷地。裂谷一般由地幔上涌（地幔柱）或区域性伸展形成，其进一裂谷一般由地幔上涌（地幔柱）或区域性伸展形成，其进一步发展可演化成大洋盆地。步发展可演化成大洋盆地。裂谷系统裂谷系统:根据裂谷发育的位置可划分为：根据裂谷发育的位置可划分为：大陆裂谷：大陆裂谷： 大陆裂解的开始，如东非裂谷带大陆裂解的开始，如东非裂谷带 陆间裂谷：陆间裂谷： 新洋盆的初始阶段，如红海新洋盆的初始阶段，如红海洋中脊裂谷：洋中脊裂谷： 海底扩张的中心，如大西洋洋中脊裂谷海底扩张的中心，如大西洋洋中脊裂谷 板块构造与裂谷的对应关系板块构造与裂谷的对应关系 大陆裂谷大陆裂谷 陆

12、间裂谷陆间裂谷 洋中脊裂谷洋中脊裂谷 大陆裂解大陆裂解 大陆漂移大陆漂移 海底扩展海底扩展大陆裂谷的特征大陆裂谷的特征1）地貌表现为狭长线状盆地）地貌表现为狭长线状盆地2）构造形式为由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造）构造形式为由地堑、半地堑及其他与正断层相关构造3）发育含有蒸发岩类的厚层陆源碎屑沉积）发育含有蒸发岩类的厚层陆源碎屑沉积4）发育大量的岩浆岩：高原或溢流玄武岩，特别是双峰式）发育大量的岩浆岩：高原或溢流玄武岩，特别是双峰式 火山岩及其相关的侵入岩系。火山岩及其相关的侵入岩系。5）活跃的地震与火山活动所以是一种板块边界）活跃的地震与火山活动所以是一种板块边界6）线性负重力异常，高

13、地热梯度，边界上为陡立的重力、）线性负重力异常，高地热梯度，边界上为陡立的重力、 磁磁 性梯度带。性梯度带。7）软流圈上涌、地壳减薄、具有低速的壳幔过渡带。）软流圈上涌、地壳减薄、具有低速的壳幔过渡带。 e 拗拉谷拗拉谷拗拉谷：拗拉谷： 与大陆边缘高角度相与大陆边缘高角度相交，向洋盆方向张开而向大陆交，向洋盆方向张开而向大陆方向消亡的裂谷。方向消亡的裂谷。其特征与大陆裂谷相同。其特征与大陆裂谷相同。拗拉谷起源于地幔柱之上洋中拗拉谷起源于地幔柱之上洋中脊洋中脊洋中脊三联点。脊洋中脊洋中脊三联点。其中三联点的两支发展成新洋其中三联点的两支发展成新洋盆，但第三支停止发展而停留盆，但第三支停止发展而停

14、留于初始的裂谷阶段。所以，拗于初始的裂谷阶段。所以，拗拉谷又称为盲支。拉谷又称为盲支。 f 岩墙群岩墙群岩墙：一种截切围岩层理、面理等，呈板状或似板状的侵人岩墙：一种截切围岩层理、面理等，呈板状或似板状的侵人 岩体。岩体。岩墙群：岩墙群： 呈近平行、放射状或同心状排列的一组岩墙。呈近平行、放射状或同心状排列的一组岩墙。岩墙群是伸展构造形成的一种重要的构造形式。岩墙群是伸展构造形成的一种重要的构造形式。岩墙群一般特指近平行排列的岩墙群，它们一般发育于岩墙群一般特指近平行排列的岩墙群，它们一般发育于裂谷和拗拉谷。裂谷和拗拉谷。放射状岩墙群一般一火山或岩浆穹隆为中心向四周发散。放射状岩墙群一般一火山

15、或岩浆穹隆为中心向四周发散。同心状岩墙群可能与火山的垮塌相关。同心状岩墙群可能与火山的垮塌相关。岩墙群可作为前寒武纪大陆固结、大陆伸展及其伸展量的岩墙群可作为前寒武纪大陆固结、大陆伸展及其伸展量的标志。还可以作为古大洋扩张方向的判别标志。标志。还可以作为古大洋扩张方向的判别标志。g 拆离断层和变质核杂岩拆离断层和变质核杂岩拆离断层：区域性伸展形成的大规模低角度正断层。拆离断层：区域性伸展形成的大规模低角度正断层。拆离断层将年轻或浅构造层次的岩石直接叠覆于古老和深构拆离断层将年轻或浅构造层次的岩石直接叠覆于古老和深构造层次的岩石之上。通常是，拆离断层上盘为不变质或极低造层次的岩石之上。通常是，拆

16、离断层上盘为不变质或极低级变质岩，下盘为具有糜棱岩结构的高级变质岩。级变质岩，下盘为具有糜棱岩结构的高级变质岩。拆离断层的特征：拆离断层的特征：1) 区域或亚区域规模，至少可达数十公里。区域或亚区域规模，至少可达数十公里。2)超过超过10公里的巨大位移量。公里的巨大位移量。3)上盘因伸展而发育一组或多组正断层，它们向下合并于上盘因伸展而发育一组或多组正断层，它们向下合并于 拆离断层，而下盘则很少发育类似的断层。拆离断层，而下盘则很少发育类似的断层。4)具有特有的断层构造岩组合序列，具有早期韧性变形后期脆具有特有的断层构造岩组合序列，具有早期韧性变形后期脆性变形的变形历史，其先后形成不同性质的构

17、造岩并在一个窄性变形的变形历史，其先后形成不同性质的构造岩并在一个窄带上依次叠加。带上依次叠加。典型的构造岩组合由老到新依次为：典型的构造岩组合由老到新依次为： (a)糜棱状岩石；糜棱状岩石； (b) 绿泥绿泥石化角砾岩；石化角砾岩； (c) 微角砾岩（常含有假熔岩）；微角砾岩（常含有假熔岩）； (d) 断层角砾断层角砾和断层泥。和断层泥。 拆离断层的构造岩组合拆离断层的构造岩组合系列是拆离断层正断抬升作系列是拆离断层正断抬升作用的结果。用的结果。 拆离断层作用过程中，拆离断层作用过程中，在不同的构造层次上形成不在不同的构造层次上形成不同的构造岩。随着拆离断层同的构造岩。随着拆离断层作用的抬升

18、，形成于深部的作用的抬升，形成于深部的糜棱状岩石逐渐向上运移，糜棱状岩石逐渐向上运移，依次经历退化变质剪切作用依次经历退化变质剪切作用（角砾岩绿泥石化角砾（角砾岩绿泥石化角砾岩）、脆性碎裂作用（微角岩）、脆性碎裂作用（微角砾岩）。这些岩石依次叠加，砾岩）。这些岩石依次叠加，最终形成特定的断层构造岩最终形成特定的断层构造岩序列。序列。变质核杂岩变质核杂岩 (MCC): 由拆离断层限定的孤立穹隆状由拆离断层限定的孤立穹隆状地质体，由经历了韧性变形的中高级变质岩和岩浆侵地质体，由经历了韧性变形的中高级变质岩和岩浆侵入体组成，其上被低级变质或不变质、浅构造层次（拆入体组成，其上被低级变质或不变质、浅构

19、造层次（拆离断层）上盘以构造关系覆盖，并且上盘经历了长距离离断层）上盘以构造关系覆盖，并且上盘经历了长距离的位移。的位移。实际上，变质核杂岩实际上，变质核杂岩 (MCC)就是拆离断层的下就是拆离断层的下盘，它经历了拆离断层的正断抬升作用，并由于盘，它经历了拆离断层的正断抬升作用，并由于均衡调节作用和岩浆上窿作用而形成穹隆状态。均衡调节作用和岩浆上窿作用而形成穹隆状态。变质核杂岩的特征变质核杂岩的特征 1）空间上为孤立穹隆状地质体，平面呈近圆形或长圆形，其中）空间上为孤立穹隆状地质体，平面呈近圆形或长圆形，其中经常具有一翼陡一翼缓的几何特征。经常具有一翼陡一翼缓的几何特征。.2）由从深部（中下地

20、壳）出露到地表的中高级古老变质岩组）由从深部（中下地壳）出露到地表的中高级古老变质岩组成，通常具有较晚期的岩浆岩侵入体。成，通常具有较晚期的岩浆岩侵入体。3）顶部发育含糜棱状岩石的大型剪切带，剪切带顶部被拆离）顶部发育含糜棱状岩石的大型剪切带，剪切带顶部被拆离断层切割，并引起脆性变形和蚀变作用，形成绿泥石化角断层切割，并引起脆性变形和蚀变作用，形成绿泥石化角砾岩、微角砾岩甚至假熔岩。砾岩、微角砾岩甚至假熔岩。4）上盘由低级变质或不变质的上地壳岩石组成。）上盘由低级变质或不变质的上地壳岩石组成。5） 变质核杂岩（变质核杂岩（MCC）的变形行为与上盘完全不同，）的变形行为与上盘完全不同，MCC韧性

21、变形；上盘脆性正断层。韧性变形；上盘脆性正断层。 6）变质核杂岩顶部剪切带的运动学特征与上盘相同，说明）变质核杂岩顶部剪切带的运动学特征与上盘相同，说明它们是在同一递进变形过程中形成的。它们是在同一递进变形过程中形成的。变质核杂岩的四要素：变质核杂岩的四要素：1 1） 拆离断层（低角度及其岩石组合）拆离断层（低角度及其岩石组合）2 2）下盘糜棱岩化中深变质岩）下盘糜棱岩化中深变质岩3 3）上盘发生正断层作用的浅层次岩石）上盘发生正断层作用的浅层次岩石4 4）在剖面上必须有明显的岩层缺失）在剖面上必须有明显的岩层缺失拆离断层的形成机制拆离断层的形成机制根据安德森（根据安德森（Anderson)模式，正断层应高角度，逆断层才模式，正断层应高角度，逆断层才是低角度。但自然界大多数大规模正断层是低角度的。这是是低角度。但自然界大多数大规模正断层是低角度的。这是目前国际地质学界没有解决的问题。为此郑亚东教授（目前国际地质学界没有解决的问题。为此郑亚东教授（1999）提出了最大有效力矩准则：提出了最大有效力矩准则： 在伸展环境下，脆韧性层状岩石在伸展环境下，脆韧性层状岩石将形成伸展褶劈理将形成伸展褶劈理 (ecc)，该劈理的倾角受最大有效力矩控制，该劈理的倾角受最大有效力矩控制，一般为一般为35度左右，这些伸展褶劈理进一步扩展形成低角度正度左右，这些伸展褶劈理进一步扩展形成低角度正断层。