断层相关褶皱理论与应用研究新进展.pdf

第12卷 第4期 2005年10月 地学前缘中国地质大学北京 ; 北京大学 Earth Science Frontiers China University of Geosciences ,Beijing; Peking University Vol. 12 No. 4 Oct. 2005 收稿日期20050415 ;修回日期20050523 基金项目国家 “十五” 重大科技攻关项目04课题2004BA616A2 04 作者简介何登发1967 , 男,博士,教授级高级工程师,构造地质学专业。 断层相关褶皱理论与应用研究新进展 何登发1 ,2, John SUPPE2, 贾承造1 11 中国石油勘探开发研究院,北京100083 21 美国普林斯顿大学 地球科学系,新泽西州08544 HE Deng2fa1 ,2, John SUPPE2, J IA Cheng2zao1 11Research Institute ofPetroleum Exploration and Development , PetroChina, Beijing100083, China 21Department of Geosciences , Princeton University , New Jersey08544, USA HE Deng2fa , SUPPE J, JIA Cheng2zao. Newadvances in theory and application of fault2related folding.Earth Science Fron2 tiers,2005 ,124 3532364 Abstract Rich introduced the geometry of fault2bend fold of the Appalachian Mountains in 1934. Half a centu2 ry later , Suppe first quantified it , and established relationships between fold geometry , fault geometry and fault slip that led to the foundation of the theory of fault2related folding. Since then , much of progress has been made not only in establishing the geometric and kinematic models of the end2members such as fault2propa2 gation folding and fault2detachment folding , but also in putting forward a series of superimposed models of fault2related folds such as imbricate structures , tectonic wedges , and interference structures , etc. . Concerning syntectonic sedimentation , growth fault2related folding theory was set forth giving a quantitative representation between sedimentation and the fault2slip rate , folding rate , and uplifting rate. As far as the mechanical stratig2 raphy and deation character are concerned , the shear fault2bend folding is put forward. A series of me2 chanical models are established as being well based on experimental analog models and the numerical modeling techniques. During the years since its foundation , the basic ology of fault2related folding theory has seen the transition from 2D cross2section or map2view to full 3D analysis , and advances in geometric and kine2 matic models to mechanical analytical models. The theory and ology of fault2related folding have played an important role in engineering geology , the earthquake hazard assessment and preparedness , and , more im2 portant , the petroleum exploration and development. It has been used worldwide in the study of the above2 mentioned domains. Key words faulting; folding; fault2related folding; geometry; kinematics; mechanical models; growth strata ; earthquake hazard; petroleum exploration and development 摘 要自Rich1934提出断层转折褶皱的几何学概念以来,Suppe1983首次将其定量化,建立了褶皱形态 与断层形态和断层滑动之间的定量关系,奠立了断层相关褶皱理论的基本模型。20年来,不但建立了断层传 播褶皱、 断层滑脱褶皱等基本端员类型的几何学与运动学模型,也建立与完善了断层相关褶皱叠加样式的几 何学与运动学模型,例如叠瓦构造、 构造楔与干涉构造等。研究同构造沉积作用,建立了生长断层相关褶皱的 几何学与运动学模型,将沉积作用与断裂作用、 褶皱作用及构造隆升作用等有机地联系起来。考虑地层的力 学性质与变形差异,提出与建立了剪切断层转折褶皱理论,并建立了断层相关褶皱的一系列力学模型。20年 来,断层相关褶皱的基本研究方法经历了由二维剖面与平面分析向全三维空间分析的转变,由几何学、 运动学 模型向力学模型的转变,实验模拟技术与数值模拟技术在断层相关褶皱理论模型的建立与检验中发挥了重 354 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 要作用。断层相关褶皱的理论和方法在工程地质、 地震灾害预报与油气勘探开发等领域获得了广泛的应用。 中国在天山、 祁连山和龙门山等相邻的前陆盆地的活动构造与含油气圈闭研究中,应用断层相关褶皱的理论 与方法取得了重要进展。 关键词断裂作用;褶皱作用;断层相关褶皱;几何学;运动学;力学模型;生长地层;工程地质;地震灾害;油气 勘探开发 中图分类号P542 ;P618113 文献标识码A 文章编号10052321200504035312 0 前言 褶皱与断层是自然界最为常见的构造样式。褶 皱体现为岩石的连续韧性变形[1];断层是岩石不连 续的破裂变形,大多数断层都是脆性剪切裂缝带。 两者常常出现在同一地区或同一构造单元内。岩石 沿着断面滑动可以转变为多种类型的褶皱,褶皱在 发育过程中在枢纽带、 背斜顶部也可以形成次级断 层[2]。关于两者关系的讨论由来已久,至于是形成 断层还是褶皱主要取决于具体的构造环境,例如应 力场、 温度、 压力、 流体及岩石的组成等。在地壳浅 层,例如在造山带向盆地过渡的前陆部位或在沉积 盆地内,断层以脆性破裂变形为主,断层相关褶皱就 非常发育。 断裂作用与褶皱作用之间存在着密切的关 系[2]。大量的地表地质露头、 地震反射剖面与探井 资料表明,大多数褶皱起源于下伏断层倾角的变 化如断层转折褶皱 [3～6] ,或是断层滑动量向褶皱 位移的逐渐传替如断层传播褶皱、 断层滑脱褶 皱 [7～10] 。断层转折褶皱的几何学首先是由Rich 1934在研究阿巴拉契亚山低角度逆掩断裂作用 时提出的[3],半个世纪之后,Suppe 1983将其定 量化,建立了断层形态与褶皱形态之间的几何学 关系,以及断层滑动与褶皱发育的运动学模型[4]。 这种定量关系成为前陆褶皱2冲断带构造解释,正 演与反演模拟技术中平衡剖面方法的重要基 础[11～14]。对于逆冲断层端点处的褶皱,近年来,也 陆续建立了相对完善的断层传播褶皱的几何学与 运动学模型[7～9 ,15～20],断层滑脱褶皱的几何学与运 动学模型[10 ,21～27]。这样,对于自然界常见的三种 断层相关褶皱类型[1 ,9],都已建立了较为成熟的几 何学与运动学模型。对于伸展构造环境,也建立 了断层滑动与褶皱变形之间相应的几何学与运动 学模型[28 ,29];对于走滑构造环境,断裂变形与褶皱 变形之间的关系也已引起密切关注[30 ,31]。 对于断裂作用、 褶皱作用、 隆升剥蚀作用与地层 沉积作用或称为生长作用之间的关系也建立了定 量的几何学与运动学模型[32]。隆升速率、 沉积速 率、 断层滑动速率之间的定量关系为研究构造活动 与沉积作用之间的关系提供了新的思路与方法。生 长地层的特点也可以为褶皱机制分析提供新的证 据[32 ,33],这在于下伏断层的滑动及褶皱作用将在上 覆的同构造沉积中留下特征记录。 由于地层的岩石组成变化很大,例如地层的 能干性存在差异,这样在发生变形时,岩石的流变 学性质将对变形机制、 变形的运动学过程及变形 的最终形态产生深刻影响。对此,John Suppe最 近建立了剪切断层转折褶皱理论[34],并将其成功 地应用在前陆冲断带、 洋壳俯冲带等不同环境的 构造解释中。 平衡地质剖面的概念为构造解释提供了基本 的思路与方法[11]。断层相关褶皱理论将平衡的观 念定量化,在构造建模与构造解析中,给出一种合 理的、 可行的方案。由于地质构造存在于三维空 间中,物质的运动发生在三度空间内,因此,二维 剖面法还难以完全反映其全貌。对此,John Shaw 等提出了轴面制图法,反映褶皱沿走向的变化细 节[35～37],对轴面平面图进行分析,可以进行平面上 的面积平衡[37],从而对构造在三维空间上进行约 束。而对于构造在空间上的变化,石油公司已熟 知构造图的编制技术,可以应用三维可视化软件 反映构造的细节。近来,构造分析的趋势之一就 是三维分析[38]。 恢复断层或褶皱的演化历史,近年来也取得重 要进展。利用一系列正演或反演方法可以再现构造 演化的过程[38～44],数值模拟技术取得重要进步。考 虑到地层的岩石组成及岩石变形的行为,断层相关 褶皱研究也向力学模型迈进[45]。由于可以更多地 了解应变特征,例如裂缝带发育位置、 强应变带分布 部位,从而为油气储集体预测与开发方案服务,因 此,力学模型在油气勘探开发中将获得广泛应用。 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 355 除了在油气勘探开发中获得广泛应用外,断层相关 褶皱在地质工程、 地震灾害预报、 行星地质学研究等 方面也得到了广泛应用[46～53]。尤其是在地震研究 中,John Shaw的研究组应用断层相关褶皱理论研 究洛杉矶盆地的发震断层取得了重大突破。 下面从理论研究进展、 研究方法与新技术、 应用 现状三个方面对近年来断层相关褶皱理论与方法的 新进展进行简要分析。 1 断层相关褶皱理论研究进展 111 断层转折褶皱作用 11111 断层转折褶皱作用的几何学与运动学特征 上盘岩石在下伏断层转折部位发生运动时就会 形成断层转折褶皱[4]。上盘岩石以形成膝折带式褶 皱来调节沿断层面的滑动。膝折褶皱是自然界常见 的褶皱形式[54]。断层转折褶皱作用沿固定在断层 转折处的活动轴面发生,当地层在活动轴面处发生 褶皱以后,将沿上部断层段发生平移。不活动轴面 表示断层滑动刚刚发生时沿活动轴面的质点颗粒的 位置。它与活动轴面界定的膝折带的宽度与断层滑 动量成正比[4]。 上凹式断层转折形成向斜型断层转折褶皱,上 凸式断层转折形成背斜型断层转折褶皱。假定褶皱 过程中地层厚度与层长守恒,则断层形态与褶皱形 态之间存在如下的关系[4] tan -1 -sinγ-θ [ sin2γ-θ - sinθ] cosγ-θ [sin2γ-θ - sinθ] -sinγ βθ- 180-2γ1 其中,θ是断层转折之前上盘地层的切截角;β 是断层转折之后上盘地层的切截角;γ是褶皱翼间 角的半角;是断层倾角的变化量即断层转折角。 当知道其中两个角度值时,另外两个角度值就可以 计算出来或据1式的图谱查出来。因此,该公式首 次定量地表述了褶皱形态与断层形态之间的定量关 系。据此可以对褶皱与断层的几何形态进行定量计 算或预测。 断层的滑动量在转折前、 后将发生变化。断层 转折之后的滑动量S1与断层转折之前的滑动量 S0的比值R S1/ S0可据上述4个角度值进行 确定。当θ不为0 时,背斜式断层转折吸收滑动量, 即经过断层转折之后断层滑动量减小;向斜式断层 转折增加滑动量,即经过断层转折之后断层滑动量 增大。 当存在冲断层断坡时,将形成断坡背斜。连 接上、 下滑脱层断坪的断坡经历了两次断层转 折,因此,断坡背斜实际上是前翼背斜式断层转折 褶皱与后翼向斜式断层转折褶皱的复合体,即复 合式断层转折褶皱作用。断层面可能会经历多次 转折,在每一个断层转折处将经历一次褶皱,这样 随着断层滑动的持续发生,上盘岩石在向冲断方 向运动的过程中经历了多次褶皱,结果出现了具 复杂结构形态的断层转折褶皱[55]。同样,断层转 折也可能呈弯曲型有别于前述的棱角状转折 , 在该弯曲带的边界处这时有两个边界 , 当上盘 地层沿断面滑动进入该边界时将发生褶皱,这些 边界相当于进入轴面为活动轴面 ; 与其相应的 退出轴面为不活动轴面随滑动量增大而向断层 上方迁移,褶皱幅度增大,褶皱形态与传统的棱 角状断层转折褶皱较为相似。 11112 剪切断层转折褶皱 20年后,John Suppe教授提出了剪切断层转折 褶皱作用理论[34]。剪切断层转折褶皱在变形时具 有较大的非弯滑分量,形成一类特征鲜明的断坡背 斜。表现在[34]背斜后翼倾角较断坡角要小,在很 多情况下远远小于断坡角;后翼的生长构造具有翼 旋转的特点;背斜前翼短、 后翼长,后翼的宽度不等 于断层滑动量。 剪切断层转折褶皱由于受到了额外的剪切而与 前文讨论的传统的断层转折褶皱有别。由于剪切通 常集中在一些软弱层例如页岩或蒸发岩中,因而 表现出层平行简单剪切的特点。剪切断层转折褶皱 有两个端员类型图 1 。简单剪切型滑脱层遭受 外部施加的层平行简单剪切,无底部断层;纯剪型 滑脱层在底部断层上滑动,在断坡之上发生缩短与 加厚,而无外加的层平行单剪。单剪和纯剪断层转 折褶皱与传统非剪切断层转折褶皱相比,其特点是 后翼倾角小于断坡角。两种剪切端员都与断坡底 部具有限厚度的软弱滑脱层图中用灰色表示内 分布式变形有关。在单剪断层转折褶皱作用中,滑 脱层遭受外部施加的层平行单剪,但无底部断层滑 动;在纯剪断层转折褶皱作用中,底部层在底部断 层上滑动,在断坡上缩短与增厚,而没有遭受外部 作用的单剪。生长地层表明剪切断层转折褶皱受 到翼旋转及膝折带迁移导致的翼增长的联合作用, 356 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 然而,传统的断层转折褶皱只会随膝折带的迁移而 发育。 图1 剪切断层转折褶皱模型 据John Suppe等,2004 Fig11 Shear fault2bend fold models after John Suppe et al. ,2004 Simple2shear and pure2shear fault2bend folds characteristically show backlimb dips that are less than the ramp dip , in con2 trast with classical no2shear fault2bend folds 单剪断层转折褶皱作用理论的假设条件和传统 断层转折褶皱作用相同层厚守恒,层长不变,有角 度的断层转折和褶皱枢纽 , 但有限厚度的滑脱层遭 受外部施加的均一单剪αe。在这种条件下,后翼倾 角δb与断坡角θ和剪切角α e的关系是 cotαe sinδb 2C 1 sinδbcotθ1-cosδb 2 - 1 sinδbcotθ1-cosδb 2 参数C 1/ 2。对于纯剪断层转折褶皱作用,C 1。 纯剪断层转折褶皱作用理论的假设也与传统断 层转折褶皱作用相同层厚不变,层长守恒,有角度 的断层转折和褶皱枢纽 , 只是有限厚度h的滑脱 层在断坡之上遭受了层平行纯剪缩短,从而出现了 垂直层面方向上的加厚。后翼内滑脱层的纯剪缩短 与加厚要求后翼向斜轴面虽然平分上覆地层的向 斜,但不平分滑脱层的向斜图 1 。滑脱层内的向 斜轴面倾角φ为 cotφ2Ccotθ 1 sinδb -cotδb-cotθ3 对于纯剪C 1。上述公式可以用图解表示。一般 的剪切断层转折褶皱可能是单剪与纯剪的联合作 用[34],C值在1/ 2与1之间变化。 当发生大位移时,前生长地层的褶皱几何形 态接近传统的断层转折褶皱的几何形态,后翼倾 角接近断坡角。然而即便如此,生长地层的翼旋 转特点可以反映剪切断层转折褶皱活动的特点。 据生长地层的形态,也可以区分单剪型与纯剪型 断层转折褶皱作用。例如单剪型的背斜后翼见地 层超覆现象,而纯剪型的背斜后翼见典型的向上 变窄的生长地层。 112 断层传播褶皱 11211 断层传播褶皱的几何学与运动学特征 断层传播褶皱是在断层端点处的褶皱,褶皱作 用吸收了滑动量。它的基本特点是形态不对称,前 翼陡、 窄,后翼宽、 缓;向斜 “固定” 在断层端点处;随 深度加大褶皱越来越紧闭;背斜轴面的分叉点与断 层端点在同一地层面上;背斜轴面在断面上的终止 点和断层转折点之间的距离即是断层的倾向滑动 量;断层滑动量向上减小。 目前,对断层传播褶皱已经提出了大量的几何 学与运动学模型。早期的模型如Suppe和Med2 wedeff 1990的恒定厚度与固定轴面模型[7]。恒定 厚度模型中褶皱为平行褶皱,即层厚守恒,褶皱枢纽 为棱角状;固定轴面模型中前翼背斜轴面固定,因 此,前翼可以发生加厚或减薄。随后,提出并广泛应 用了三角剪切模型[17～20],如Erslev 1991 , Hardy 和Ford 1997 ,Allmendiger 1998的模型。自断 层端点向外的三角形区发生了分布式剪切,从而形 成了三角剪切褶皱。在三角剪切区内,在变形过程 中面积守恒,而层长、 层厚不守恒,前翼地层倾角向 下增大。应用该模型,可以对位移场及褶皱形态进 行直接计算。这种计算是采取叠代方式完成的,因 此不能像Suppe和Medwedeff 1990的方法那样 进行图解或分析[7]。 至于究竟是哪一种断层传播褶皱机制,根据生 长地层的形态可以进行判断[32 ,33]。在生长断层传 播褶皱中,前翼发育向上变窄的生长三角;后翼由于 轴面迁移,发育两个相向的生长三角夹持着其间的 平坦的顶角朝下的倒三角形。而在生长三角剪切褶 皱中,前翼生长地层呈扇状变化。 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 357 断层传播量P与滑动量S的比值对褶皱形 态也有较大影响。当P/ S较小时,往往产生陡的紧 闭的前翼,还伴随前翼的加厚;当P/ S较大时,在浅 部产生前翼较缓的褶皱,且无明显加厚[19 ,20]。 11212 前陆基底卷入型断层传播褶皱 在前陆构造环境,也常发育基底卷入式变形图 2 。这是在盖层或盖层2基底分界面包括少量基底 岩石附近由基底断层的位移向上传递而形成的构 造,同时卷入了盖层和基底两套地层;褶皱形态主要 在盖层中表现出来;导致构造发生的原因是基底断 层主断层的活动[56]。其主要特点是图2 与一 条错断基底并进入盖层的主断层有关,该断层可以 消失于盖层中;在地表通常呈单斜构造;在横剖面上 通常具有较大的构造起伏,而沉积盖层可能连续;当 主断层的上盘被抬升时,覆盖在基底错断边缘之上 的盖层形成褶皱的陡翼,陡翼地层可能倒转;盖层的 变形集中在陡翼,陡翼可以缩短,也可以伸长;在主 断层的上盘,盖层与基底在变形过程中可以固结在一 起,也可分离;基底可呈刚性块体,也可被褶皱或剪 切;变形主要存在于盖层内部向上变宽的三角带内。 导致前陆基底卷入型构造变形复杂的原因有 基底可以变形,也可不变形;盖层与基底可以分离, 也可以不分离;基底断层的断面可以弯曲,也可以不 弯曲。这样给几何学模型与运动学模型的建立带来 了困难。主断层位移量向变形带传递的可能机制包 括盖层中三角变形带;基底中次级冲断层;基底中 三角变形带。 对于基底断层向上传播,Narr和Suppe提出了 断层2断层2褶皱轴面三联点向上传播的褶皱模 型[57],在断层下盘由于剪切的发生形成了单斜,断 层上盘由于抬升形成褶皱,其前翼平行于下伏的上 部基底断层面。 Mitra提出了基底卷入型构造的几何学与运动 学端员模型[56],包括刚性基底或部分刚性基底条件 下基底卷入型断层传播褶皱模型、 基底卷入型断层 转折褶皱模型或混合模型,并将其应用于美国落基 山以东前陆地区大型基底隆起带的构造解释。Mc2 Connell则应用固定枢纽的断层传播褶皱模型来对 这些构造进行解释[58]。 113 滑脱褶皱 滑脱褶皱是在一个或多个滑脱层之上形成的收 缩背斜Dahlstrom ,1990 [59] 。它的形成是沿层平 行断层的位移传递到上盘地层的褶皱之中,因此,它 与冲断层断坡无直接关系,而与滑脱断层之上的分 布式变形有关。它有4个基本特征底部软弱层,在 褶皱核部发生加厚;底部滑脱断层;褶皱发生前的能 干性地层,在变形过程中厚度、 长度不变;同生长地 层向褶皱顶部厚度减薄,褶皱翼呈扇状旋转。一般 地,当底部软弱层厚度较大时,滑脱断层之上形成的 对称或不对称褶皱称为滑脱褶皱;当底部软弱层厚 度很薄时,滑脱断层之上形成的具陡翼的对称褶皱 被称为突发或抬离褶皱[13],这是在背斜核部滑脱层 图2 大角盆地东牧场溪隆起相关构造变形几何形态解释图 据Mitra ,1998 Fig.2 Interpretation of the geometry of the structural deation in East Grassland Creek uplift in Bighorn Basin after Mitra ,1998 358 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 发生等斜式褶皱而形成的,当其具有平的脊部时也 称为箱状褶皱。 滑脱褶皱是一种常见的褶皱类型。无论是在 褶皱2冲断带,例如在侏罗山、 落基山、 天山、 龙门山 等山前地区,还是在墨西哥湾、 巴西海外、 西非海 外的盐席前缘,或是在进积型三角洲前缘例如玛 哈坎三角洲 , 都广泛发育,也是一种常见的聚油 构造样式。滑脱褶皱主要通过翼旋转方式生长, 在生长地层中仅可见小的生长三角[23]。也有通过 膝折带迁移方式生长的滑脱褶皱,这时可以见到 明显的生长三角。在通常情况下,滑脱褶皱是以 翼旋转为主、 膝折带迁移为辅的联合作用机制而 形成的。由于滑脱褶皱核部发生了塑性加厚,其 层长或层厚发生了变化,因此,滑脱褶皱的形态与 下伏断层的几何形态之间就有多种定量关系,这 就给建立滑脱褶皱的几何学与运动学模型增加了 很大困难。早期的模型只考虑滑脱褶皱的最终形 态,而不考虑运动学过程,如Dahlstrom 1990的 模型[59]和Epard和Groshong 1993的模型[24]。 Homza和Wallace 1995的模型开始考虑尖棱状 膝折褶皱的运动学特征[25],滑脱层的深度或固定 或变化;Poblet和McClay 1996的模型适用于单 个滑脱层之上的变形[27]。在Poblet和McClay的 模型中 断层滑动量SLb1 - cosθbLf1 - cosθf4 褶皱幅度ULbsinθbLfsinθf5 其中,Lf,Lb分别为滑脱褶皱前、 后翼的长度, θf,θb分别为滑脱褶皱前、 后翼的地层倾角。Poblet 和McClay的模型特别讨论了与滑脱褶皱作用相关 的生长地层[26 ,27],根据生长地层的形态例如呈扇 状或发育生长三角可以确定褶皱的机制。 对滑脱褶皱而言,核部塑性层的加厚往往伴随 向斜区塑性层物质的流动,这种流动是发生在三维 空间的。因此,在资料较少的地区,根据剖面上褶皱 隆起区的面积及能干层缩短量的比值来确定滑脱 深度的办法[10]经常是无效的。根据这一方法计算 的滑脱深度往往较实际情况要大得多。滑脱褶皱是 一种形态简单但运动学历史复杂的褶皱类型,对其 进行研究难度较大。例如,塔里木盆地塔北地区的 亚肯背斜,地表为一形态基本对称的低幅度背斜,地 下构造据该背斜区的高分辨率二维地震剖面为一中 新统吉迪克组盐层发生滑脱形成的滑脱褶皱。背斜 顶部有探井钻及。但该滑脱褶皱的成因却难以探讨 清楚。John Suppe教授用了近5年的时间琢磨其 成因机制,最近已基本清楚。由于在一个背斜范围 内,物源供给可以看作常量,这样地层厚度的变化基 本反映了构造的发育。因此,John Suppe将深度域 数据转换成厚度域数据,然后将某一层例如滑脱 层拉平,看其他层相对于这一层的厚度、 高度变化, 以及厚度起伏区的面积的变化。即把以前深度域的 分析方法在厚度域里进行分析使用。研究结果表 明,在剖面上,亚肯背斜底部有018 km2的盐底辟; 在滑脱褶皱发生之前,背斜区有112 km的挤压缩 短;生长地层记录着滑脱褶皱的发育过程,亚肯背斜 随着时间成正比例方式生长。这一研究实例提供了 在资料非常好的地区,滑脱褶皱何时、 以何种方式、 多大速率进行生长的研究范例。 114 生长断层相关褶皱 生长地层或同构造沉积是在变形过程中沉积 发育的地层。因此,它记录着构造变形的时间。 对于逆断层而言,断层上盘的同生长地层减薄[32]; 对于正 断 层 而 言,断 层 上盘 的 同 生 长 地 层 加 厚[28 ,60]。就挤压断层相关褶皱而言,生长地层在 褶皱翼部厚,而向顶部减薄[61]。这受控于褶皱机 制,也与沉积与隆升的相对速率有关;反过来,地 震剖面或露头上生长地层的形态就反映出这两个 因素的作用。它能确定构造活动的时间,也给出 了构造恢复的限定条件。 在沉积速率大于隆升速率时,随着断层相关褶 皱的发育,在生长地层中发育由活动轴面与不活动 轴面即生长轴面限定的三角形区,也称为生长三 角。它在褶皱的前翼、 后翼不一样,不同的褶皱机制 下,其形态也不相同[28 ,61 ,62]。一般地,发生膝折褶皱 时形成生长三角,翼旋转褶皱时生长地层倾角向上 呈扇状减小。 John Suppe建立了生长断层相关褶皱的几何 学与运动学模型[28],表示了断层滑动、 褶皱、 沉积与 构造隆升之间的内在关系。 115 断层相关褶皱形成的叠加构造 11511 叠瓦构造 叠瓦构造是褶皱2冲断带常见的构造样式[63 ,64]。 它是两个或两个以上冲断席的叠加[63]。冲断席可 以向前破裂方式传播,也可以向后破裂方式传播,也 可以是深部的与浅部的断层同时活动。叠瓦式断层 转折褶皱构造通常有两个以上断坡,在经过这些断 坡时地层的倾角将发生变化,因此,前翼和后翼将出 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 359 现多个倾向域或称为等倾斜区。Suppe 1983给 出了简单台阶状逆冲断层发生向前破裂时计算褶皱 形态的图表[4]。 在解释这类构造时,John Shaw应用褶皱矢量 的概念来确定具体断层的方位、 断层转折角、 断层切 截或层角等[62]。褶皱矢量或褶皱剪切应变是所 测量的地层和断层在跨过一个褶皱翼或膝折带时方 位变化的角度值。这一概念可用在很多构造的解释 中,例如在叠瓦构造中在断层初始切截角发生变化, 地层厚度变化,断层向下不归并到主滑脱面等情况 下都可以应用。在向前破裂发生时,褶皱矢量上下 一致,新断层发生时其上部的断层同时被褶皱;而向 后破裂发生时,褶皱矢量上下不一致,新断层的发生 不影响其下部的断层。因此,观察断层上、 下褶皱矢 量是否一致是确定冲断席向前破裂或向后破裂的一 个重要依据。同样,生长地层也是判断冲断席传播 方式的一个重要依据,愈晚活动的断层其影响的生 长地层愈靠上。 11512 构造楔 构造楔是由两个相连的断层段围限的三角形或 楔形断块[65]。这两个断层段可能是两个断坡段,也 可能是一个是断坡,另一个是断坪,二者的交点即楔 端点。沿两个断层段的滑动调节着楔端点传播引起 的变形,形成褶皱[66]。其基本特点是[66 ,67]存在同 时活动的前冲断层与后冲断层;褶皱沿固定在楔端 点的活动轴面发生;后冲断层下盘的褶皱引起构造 幅度加大。构造楔的大小变化很大,大的构造楔是 山链前缘的常见构造样式,也就是Gordy或Jones 所称的三角带[68]。在一个大的构造楔内部,还可以 包含若干小的构造楔。构造楔内沿下伏断层的滑动 形成断层相关褶皱,当其内部发育多个断层时,常形 成双重构造[64]。 初始断层的形态、 楔端点的传播方向与褶皱机 制影响着构造楔的形态。据此,建立了构造楔的多 种几何学与运动学模型[65 ,67]。同样,借助于生长地 层,可以区分构造楔或其他断层相关褶皱引起的变 形。 11513 干涉构造 干涉构造在两个或两个以上单斜式膝折带相 交时产生[55 ,69]图 3 。在横剖面上,常在向斜之上 形成典型的背斜构造,俗称兔子耳朵构造。多种 断层相关褶皱都可能发生膝折带干涉图3 ,从而 形成各种不同形态的构造[12 ,69]。例如,在同一断 层两个转折点的上方、 叠瓦断层上方、 或相向倾斜 的断层相关褶皱的前翼等部位,都可以见到干涉 构造。膝折带的干涉可以出现顺时针或逆时针两 种形式。Novoa等提出了干涉构造的三维几何学 模型[69]。 图3 两次转折的断裂系上膝折带干涉构造的初始状态与演化 据Medwedeff等,1997 Fig.3 Initiation and evolution of kink2band interference structure above a two2bend fault systemafter Medwedeff et al. , 1997 a 断层滑动前轴面的初始状态;b 顺时针干涉几何学;c 逆时针干涉几何学 360 何登发,John SUPPE ,贾承造/地学前缘Earth Science Frontiers2005 , 12 4 2 断层相关褶皱研究方法新进展 211 剖面复原的新技术 构造地质演化剖面广泛应用于构造剖面解释、 检验与古构造分析中。例如,要确定构造解释是否 合理,构造的形成时间,构造发生改造的时间,或确 定构造形成时期与油气生运聚高峰期的匹配关系, 就需要对现今构造剖面进行恢复或复原。但传统的 层拉平技术或根据厚度及孔隙度2深度关系的回剥 技术往往产生很多假象,或者是给出面积不平衡的 恢复剖面。对这样的复原剖面,可信度很低且往往 产 生 误 导。针 对 传 统 方 法 的 缺 陷, Nunns 1991 [70] ,Shaw等1996 [37] ,Suppe等1997 [33] , Novoa等2000 [71]逐渐建立了倾斜剪切复原技术。 这一技术不受褶皱机制例如膝折带迁移、 翼旋转 等或构造环境伸展体制或挤压体制的约束,其复 原剖面反而能为褶皱机制提供信息。这一技术遵循 剖面面积守恒原理,在复原的过程中采取平行褶皱 轴面的倾斜恢复矢量向下移动进行逐层复原或称 为拉平 , 倾斜恢复矢量与褶皱矢量大小相等、 方向 相反,反映原来褶皱应被恢复的方位与大小。在根 据地震、 井、 地表露头建立的剖面上可以直接观察褶 皱轴面,从而确定其方位。褶皱轴面通常能满足剖 面进行复原的条件,即面积守恒、 合乎地质原理[33]。 212 二维平衡剖面向三维平衡模型的转变 随着地表制图、 钻井及三维地震勘探等不断开 展,三维数据急剧增多。同时,计算机的计算能力、 可视化技术也不断增强,促进了由二维平面、 剖面 模型向三维模型的转变。断层相关褶皱模型从二维 向三维的转变表现在三个方面断层相关褶皱的三 维描述或表征、 恢复、 正演模拟的新技术不断完善; 对断层相关褶皱的自然实例或实验模型开展了大量 深入研究;对断层相关褶皱的三维生长发育过程,例 如褶皱侧向终止、 位移传递带、 跨走向的不连续性等 的效应或几何学特征已有大量研究。对断层相关褶 皱的三维几何学、 运动学与动力学特点的研究逐渐 加深。 三维复原方法借助于平衡约束条件与变形机制 假设来恢复未变形的几何学特点,最近取得较大进 展。在前人研究的成果基础上,Rouby等建立了综 合的去褶皱与去断层方法[43],应用弯滑、 均一倾斜 剪切及非均一倾斜剪切等多种去褶皱机制,可以对 不同构造环境挤压或伸展的复杂的褶皱与断层面 进行三维复原。先应用有限三角元最佳拟合法去褶 皱,再假设刚体断块运动在平面上通过多边形元对 断层位移进行恢复从而去断层。Rouby等的方法 可以得到三维位移场为褶皱矢量与断层矢量之 和 , 反映变形的运动学;断层滑动方向,可用来分析 三维位移总体格架中断块的活动特点;应变特点,对 所恢复的面进行应变分析,可以显示地下变形过程, 从而确定高应变区域,对油气而言,这些部位常是有 利储集体发育区。 Rouby等的方法是对某一个面单独进行复原 的,还不能同时对某一变形体同时进行复原。Grif2 fiths提出的三维弯滑复原新技术达到了这一点[72]。 该方法能达到三维体积、 在给定的去褶皱方向上线 长、 层的垂直厚度等在去褶皱过程中守恒,Griffiths 认为该方法能对断层转折褶皱、 断层传播褶皱和滑 脱褶皱进行复原。在对德国西北盆地一个褶皱的实 例研究中,该方法取得了很好的效果。 213 几何学、 运动学模型向力学模型的转变 运动学模型依赖于速度分布,但不一