海底与沉积盆地构造分析：第十三章 反转构造

1、第十三章 反转构造 第一节 概 述 构造反转(Structural Inversion)指的是变形作用的反转，如原来的构造低地后期发生了上隆，早期的正断层晚期又以逆断层方式重新活动等。构造反转有两种基本类型：正构造反转(Positive Stuctural Inversion)和负构造反转(Negative Stuctural Inversion)。上面所说的早期沉降，发生正断层，晚期上隆，转为逆断层就是正构造反转。负构造反转的情况与此恰恰相反。 虽然人们早就认识了反转构造，但使用“反转” (Inversion)术语来描述一个含油气盆地的构造反转，还是近十几年的事。 近年来，国内外许多地质学家

2、对反转构造的定义和适用尺度等问题的争议颇为激烈。一些学者认为，构造的反转是区域地球动力学环境的转化，是由壳-幔物质的转化而引起的，例如地槽可转化为造山带，陆壳开裂转化为洋壳，洋壳俯冲碰撞可以转化为陆壳，这就是广义的反转构造。但是一些学者认为，反转构造的定义不应扩展那么广泛，其尺度应限于盆地构造。 1983年贝利教授把反转构造定义为：盆地、半地堑系由于受挤压应力作用，而发生不同程度的由内部向外部凸出的反转，这种作用力使先存的正断层发生逆向变形。 从贝利的定义可以看出，反转构造必须具备以下条件： (1)盆地的发育主要受正断层控制，盆地内可以识别出裂谷层序及裂谷后层序。 (2)区域应力系统的变化导致

3、大范围内利用原有断裂系统发生变形，使断层下盘的地层抬升，但它不影响上盘地层。 实际上贝利的定义是狭义的正反转构造。石油构造的研究只限于盆地构造，因此研究范围应属于狭义的反转构造。反转构造应是：同一断层面上呈现两期力学性质近于相反的构造。 第二节构造反转作用 反转构造是断层面上两种力学性质逆转形成的构造。断层的逆转活动有两种类型：即由正断层逆转为逆断层(由正变逆)和由逆断层逆转为正断层(由逆变正)。但是无论是由正变逆或由逆变正，它必须要有一个先存的断裂系统，这个断裂系统是反转构造形成的先决条件。 一个半地堑断陷，由拉张伸展体制转化为挤压收缩环境时，常常是利用原有的张性正断层面发生逆转，使裂谷同期

4、充填层序发生变形，或者有限挤出，形成反转构造(图6-1)。此种类型还有一个关键的问题是上升盘基底的支撑作用，使之无新断层产生，而使裂谷同期层序褶皱收缩。 另一种情况是张性正断层倾向较陡的半地堑发生反转时，上升盘在原正断层的基础上产生一条缓倾的收缩断层，使整个半地堑发生反转(图6-2)。 正反转构造 Cooper等(1989)认为，在走滑断层运动中产生的反转构造是非常普遍的，因为走滑断层是个复杂的断层组合，例如圣安德烈斯断层，随着时间的变化而迁移，局部的挤压和拉张构造交替出现是十分普遍的，但区域应力场始终保持不变。因此，他们认为上述“反转”不应列入反转构造范畴。 贝利教授在1992年来华讲学中明

5、确指出，沿走滑断层产生的“花状构造”，大多是反转构造。这显然与Cooper等的看法是有差别的。 由此可见，目前关于反转构造的看法是不尽一致的，因此在研究这种构造类型时应慎重对待。 但是不管认识的分歧如何，早期断裂系统的重新逆向活动，是产生反转构造的基础，这是确凿无疑的。也就是说，一旦一个断裂系统贯穿地壳，就会在某些范围内被后来的变形阶段再次利用。 但是并不是所有的构造均适合上述情况，例如在晚期变形阶段，老的断裂系统并未受到影响，而是产生新的断裂系统以适应其晚期的变形运动，这表示断层重新活动过程的结束。 图6-3表示薄皮挤压变形的情况，其裂谷系并未受其影响，这种情况下并未发生反转，只有当厚皮挤压

6、变形时，半地堑被卷入，才发生构造反转作用。 第三节反转构造运动学分析一、反转程度分析二者之间有一既无拉张、又无挤压的界线(在这一界线上看不到断层的活动，这一界线与断层的交点称为零点(Null point)。随着反转程度的增加，零点在裂谷同期层序中由上向下位移。 在未发生反转的正断层上，裂谷同期层序的零点位于该层序顶面，只要零点下移，就说明反转作用已经发生。如果零点位于断层上盘裂谷同期层序之中、下盘裂谷同期层序顶面时，属轻微反转。零点介于上、下盘裂谷同期层序之中属中等反转。零点位于上盘裂谷同期层序之中、下盘裂谷同期层序底界时，属强烈反转。零点位于上、下盘裂谷同期层序底面时，说明半地堑已经全部反转

7、(图6-4)。 第四节 反转构造样式一、正反转构造 正反转构造是正断层逆转活动，使半地堑、地堑等构造的同期沉积层序向外凸出的构造。当反转作用强烈时，可使整个半地堑、地堑同期沉积层序全部凸出，形成强烈反转构造。 根据反转作用的强烈程度，可以把中国中、新生代沉积盆地的正反转构造分成以下几种类型。 1轻微反转的正反转构造 这类正反转构造的反转程度低，反转量小，逆断距尚不足以抵消原来的正断距，反转率基本等于零。地震剖面上仅能见到半地堑的向外凸出，边界正断层还未见到逆断距。 中国东北松辽盆地东南隆起区的大部分断陷均已发生了不同程度的反转。该区在海西运动之后经历了漫长的剥蚀夷平阶段，直到中侏罗世末仍为一隆

8、起区。 中、晚侏罗世之间的燕山运动最强幕(第二幕)，本区控盆断裂活跃，并伴有强烈的火山喷发，堆积了厚度不等的上侏罗统沉积。随着铲形正断层的活动，形成了一系列分割的半地堑断陷盆地，填充了早白垩世沉积，后期发生了反转作用，使早白垩世沉积向盆地外凸出，形成了轻微反转的正反转构造。 珠江口盆地珠三坳陷亦见此种类型的反转构造，半地堑同期沉积层序亦见向外凸出的反转，属轻微反转构造类型(图6-7)。 2中等反转的正反转构造剖面可见上部为逆断距，下部为正断距，剖面上形成上逆下正形式。这种类型在松辽盆地内的大安和弧店正反转构造最为典型。大安正反转构造位于红岗大安阶地之东，半地堑显示明显，正断层在中生代后发生逆转

9、活动，使半地堑同期层序发生反转，形成依附于断层上盘的正反转构造(图6-8)。 弧店正反转构造(图6-8)在中央坳陷东侧华字井阶地，与大安正反转构造相似，但二者倾向相反，后期明显发生对冲活动。 东海盆地构造反转作用更为普遍，这是因为中新世、上新世中国东南部大陆边缘与菲律宾板块碰撞抬升，使得东海盆地产生大量的反转构造(图6-9)。 在中国西部的银根盆地，自白垩纪发生断陷以来，沉积了裂谷同期层序，到白垩纪末发生逆转活动，使T5(相当上白垩统底)与Tg(相当下白垩统底)地震反射层呈镜像关系，即断陷上凸下凹，边界断层下正上逆，有逆断层断距，属中等反转的正反转构造(图6-10)。 酒泉盆地酒西坳陷509断

10、层的正反转构造中曾获工业油流，产油层是渐新统间泉子段。正反转构造下面为赤金堡组(J3c)与中沟组、下沟组(K1)的半地堑，其东侧为边界断层(509断层)，中生代末、新生代初509正断层发生逆转活动，上部呈现逆冲性质。由于509断层的逆冲活动，在断层上盘形成了正反转构造，下白垩统的原生油藏再次运移，聚集于正反转构造之中，形成了549背斜型油藏(图6-11)。 酒泉盆地东部营儿断陷东侧以清西断层与清水隆起分界。清西断层为控制营儿断陷的边界断层，控制了断陷期的上侏罗统-下白垩统沉积。但第三纪由于应力场的转变，即由晚中生代的拉张体制转化为第三纪的挤压体制，在利用老破裂面的基础上产生新的逆冲断层，造成了

11、渐新统白杨河组的错断，形成了正反转构造(图6-12)。 甘肃西部的花海盆地西部亦见正反转构造，而且以对冲形式出现，可见反转作用之强烈。花海断陷中充填了上侏罗统赤金堡组(J3c)及下白垩统下沟组(K1g)、中沟组(K1z)，为裂谷同期层序，第三系为裂谷后期层序。第三纪发生应力场的转变，形成了上逆下正的正反转构造(图6-13)。 3强烈反转的正反转构造 裂谷前期层序往往卷入了反转，此时逆断距已经超过了前期正断距，剖面上见到上、下均为逆断距。 酒泉盆地的马营断陷北部(图6-14剖面中东北部)，下白垩统裂谷层序属上逆下正的中等反转，而剖面南部下白垩统沿逆冲断层逆冲到第四系之上，马营断陷南部已经强烈反转

12、。 酒泉盆地东部的盐池断陷亦为强烈反转的正反转构造。断陷内中-下侏罗统龙凤山群(J1-2)为裂谷前期沉积物，裂谷同期沉积层序为上侏罗统赤金堡组(J3c)及下白垩统(K1)。早白垩世末发生强烈反转，裂谷前期层序已遭削蚀。上白垩统沉积后又一次强烈的逆冲活动，造成最后一次反转，在剖面西部见到强烈逆冲(图6-15)。 Lotouzey(1990)研究巽他地台东部地区，发现该区构造大多强烈反转(图6-16)。 根据上述解释剖面，Lotouzey 研究了反转构造演化过程，把演化分为半地堑充填期、平静期、开始反转期、强烈反转期等，为半地堑演化为正反转构造提供了范例(图6-17)。 近年来，在造山带研究中也引

13、入了反转构造机制，认为是一种特殊岩石圈变形方式，且往往是造山带前陆区由盆地构造向构造高地转化的一种重要地壳变形样式。 何建坤等(1999)在东秦岭造山带南缘北大巴山地区研究认为，北大巴山自晚元古代以来经历了明显的构造伸展、构造反转和构造冲断的岩石圈变形过程(图6-18)。 二、负反转构造 由逆断层转化为正断层，由隆变凹，这都是负反转构造作用造成的，即先挤压、后伸展形成的半地堑系、地堑系可称之为负反转构造。 在北京周口店东南发育一条南大寨逆冲断层，使寒武-奥陶系向西逆冲在石炭二叠系之上。这是早燕山期的产物，属挤压收缩构造环境。但在喜马拉雅期，整个渤海湾盆地转化为拉张伸展环境，在早期南大寨逆冲断层

14、的基础上，利用老的破裂面产生了丰台西正断层，伸展裂陷形成了北京第三系断陷，这样由逆变正、由隆变凹，形成了负反转构造(图619)。 苏北盆地燕山期形成了泰州逆冲构造，喜马拉雅期引张裂陷，在承袭老破裂面的基础上，产生苏135、苏117等井正断层，沿这些正断层拉张裂陷，形成了溱潼断陷(图620)。 二连盆地部分半地堑断陷的形成亦与负反转构造作用有关。例如盆地南部由于早燕山期挤压应力作用，由南向北基底产生了一系列逆冲断层，中燕山期应力场发生转化，由收缩环境转变为伸展裂陷环境，在老破裂面的基础上产生反向活动，即由逆冲断层转化为正断层，形成了早白垩世半地堑断陷(图621)。 鄂尔多斯盆地西缘的银川地堑，地

15、震反射剖面自上而下分为密集、空白、密集、空白四个反射层带，分别对应第四系、上第三系上新统、中新统和下第三系(图622)。在剖面西侧贺兰山麓下第三系超覆在基底之上，并伴有逆冲断层产生。晚第三纪开始之后，逆冲断层发生反向活动，由逆变正，构造环境由挤压收缩转变为伸展裂陷环境，形成了地堑式断陷，具负反转构造特征。 总之，负反转构造多是发生在早期逆冲断裂的基础之上，由于应力场的转化，由收缩构造环境转化为伸展裂陷环境，承袭老的压性结构面发生反向活动，形成断陷边界正断层，这是形成负反转构造的必要条件。 第五节反转构造的成因机制 综上所述，无论是正反转构造还是负反转构造的形成，关键是应力场的转化。 区域应力场

16、的转化是形成反转构造的关键，而各种类型反转构造的形成，又与断层的逆向活动有关。因此，反转构造的形成，断层的逆向活动是必要条件。例如正反转构造是逆断层迁就早期的正断层形成的，负反转构造则是早期逆断层的逆向活动形成的、由正断层控制的断陷。因此反转构造的形成实质上就是断层再活动的结果。 JLetouzey(1990)在研究断层重新活动时指出，某些正断层由于挤压作用而重新活动，或产生新的断裂，这取决于它们的方位、滑动摩擦系数和应力状态。他指出，在欧洲和北非台地的晚中生代新生代古应力清楚地表明了挤压断层作用与主挤压应力轴之间的关系。例如，在一个特定地区发育了几个方向不同的前期地堑，在挤压期反转和抬升的地堑是那些走向大致与最大挤压应力轴近于垂直的地堑。 JLetouzey还认为，在挤压体制中一个半地堑的反转，如果浅构造部位倾角为6080的前期正断层，深部断层倾角为45(这个实例说明均匀脆性地