走滑拉分盆地中断裂发育特征的二维离散元数值模拟

走滑断裂带的发育演化过程与拉分盆地的形成演化有着密切的关系,主断层不同叠置范围下所发育的次级断裂及拉分盆地具不同的规模及形态。前人多利用物理模拟对走滑拉分盆地演化过程及断裂发育特征进行研究,缺乏对盆地演化过程中断裂变形特征分析及主断层不同叠置程度下断裂演变规律的探讨。本文基于离散元计算软件PFC 2D,模拟了拉分盆地演化过程中走滑主断层在未叠置(underlapping)、侧接(neutral)、叠置(overlapping)三种情况下断裂的几何形态变化特征及其平面演变规律。结果表明拉分盆地断裂发育经历了从走滑主断层端点处向释压弯曲内部发育、再向外部扩展的过程,且无论走滑主断层叠置程度如何,该规律均有较好体现。此外,断裂发育位置与拉伸区域叠合度高,表明断裂的发育规律对拉分盆地的沉降中心迁移或具有重要指示意义。

南海打开模式：右行走滑拉分与古南海俯冲拖曳

南海作为东亚大陆边缘最大的边缘海,位于太平洋、印澳和欧亚三个板块的夹持之下,处于特提斯构造域和太平洋构造域的联合作用部位,是揭示新生代两大动力学体系交接转换特征的良好场所。南海海盆为菱形洋盆,包括西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆,均在古近纪—中中新世形成,同时伴随着南海北部、西部和南部盆地群发育,盆地边缘油气资源丰富,被称为第二个"波斯湾"。本文搜集了前人对南海洋盆深部形态、磁条带、转换断层等成果,以及南海周边盆地群的沉积体系、沉积相、不整合面相关资料,综合对比了南海北部、西部和南部盆地群的沉积序列、沉积相、沉积厚度,厘定了盆地群断裂体系、断裂组合特征,揭示了南海北部、南部盆地群及西部盆地群中的中建南和万安盆地都是在右行右阶走滑拉分背景下形成的。北部盆地群新生代古近系西厚东薄,新近系东厚西薄,NNE—NE向断裂体系活动早期西强东弱,而晚期东强西弱,从西向东依次停止。同时指出,南海是在NNE向断裂体系右行右阶走滑拉分和古南海俯冲拖曳的联合作用下打开:于34~32 Ma西北次海盆和东部次海盆受控于NNE向断裂的右行右阶走滑拉分作用,沿着NNE-SSW方向开启;32~23 Ma,NNE向走滑断裂活动自西向东逐步停止;于23 Ma左右,"消失"的南海以西的NNE向走滑断裂完全停止活动,同时由于婆罗洲地块逆时针旋转,古南海的俯冲带走向由近E-W向变为NE向,俯冲板块拖曳力也转变为NW-SE向并且占据主导地位,在拖曳力作用下礼乐—巴拉望地块后缘陆壳伸展,导致西南次海盆打开,东部次海盆的扩张方向由NNE-SSW转变为NW-SE向。于15Ma,礼乐—巴拉望地块与婆罗洲地块碰撞,南海停止扩张。

南海北部新生代盆地群构造特征及其成因

南海北部陆缘自西向东分布有北部湾、琼东南、珠江口和台西南等新生代盆地。前人认为这些盆地是华南大陆东南缘裂解直至南海北部被动陆缘形成过程中逐渐形成的,但大量地震剖面揭示,南海北缘主控盆断裂倾向陆地,与典型的被动陆缘的主断裂倾向海盆的特征明显不符。因而,南海北部陆架盆地成因显然不是被动大陆边缘的Mckenzie伸展机制。为此,基于大量陆地调查和海域地震剖面资料的对比,揭示了南海北部陆缘至少在34Ma之前不是被动大陆边缘,早期陆缘断裂十分发育,主控断层为NE—NNE走向,和陆地同期走滑断层具有连续性。这些NNE—NE向断裂右行右阶走滑控制了拉分盆地内的EW或NEE方向的次级断裂,并控制了盆地内部近EW向的次级构造单元展布。因此,新生代南海北部陆缘的一系列盆地是动力学成因上具有密切联系的右行右阶拉分盆地群。这个拉分成因模式与南海北部陆缘新生代盆地内部沉积沉降中心迁移、构造跃迁、岩浆展布等特征非常一致。而南海北部真正成为典型被动大陆边缘的时间是在15Ma之后,但此时南海却停止了扩张,而且大约在10～5Ma由于菲律宾海板块沿吕宋岛弧-台湾造山带逐步楔入欧亚板块导致最后的弥散性NWW向断裂切割南海北部所有构造。从盆地动力学考虑,南海北部陆架盆地的成因主要与太平洋板块的动力学联系较为紧密。

华南中生代构造转换和古太平洋俯冲启动

长期的华南地块研究取得了一系列重要成果,但是古太平洋俯冲作用于华南的地质记录不是很清晰,尚存争论。一派认为始于二叠纪,另一派认为中生代。本文试图通过华南中生代EW向特提斯构造域和NE向古太平洋构造域的构造转换过程及转换时间入手,探讨古太平洋俯冲启动。雪峰山地区早侏罗世地层以及侏罗纪类磨拉石建造呈NE或NNE向展布,燕山期主要发育2期褶皱变形,早期褶皱轴向为NE—NNE向,晚期为NNE或近南北向的隔槽式褶皱;而印支期也发育2期褶皱变形,D1期为EW—NEE向,D2期为NNE向的紧闭褶皱。这些都说明晚三叠世雪峰山地区已经从EW向特提斯构造域向NE—NNE向太平洋构造域的构造方向转换。而南岭地区,以及更南部的南海北部海域,构造转换时间相对较晚,为早—中侏罗世。综合前人的测年数据,德兴斑岩型铜矿三个含矿斑岩体形成于大约172 Ma,形成于古太平洋板块俯冲所形成的活动大陆边缘环境,成矿物质来源于俯冲洋壳的部分熔融,与地幔楔发生混染,推测与该时期古太平洋板块的平板俯冲、板片撕裂、拆沉和俯冲后撤一系列过程密切相关。同期,华南东南部发育了NE—NNE向、NW向和近EW向三组断裂,其中白垩纪(135~100 Ma)华南NE—NNE向的走滑断裂强烈活动,从东向西依次为:滨海断裂、长乐—南澳断裂、政和—大埔、邵武—河源—阳江断裂、吴川—四会断裂和合浦—北流断裂,主要表现为右旋走滑作用,在东南沿海地区形成一系列的拉分盆地,并非典型的"盆岭构造"。根据群速度和S波速度层析成像,华南地块总体上从西向东地壳的厚度整体上逐渐减薄;华南地块东部发生两次壳幔相互作用,对应两次岩石圈拆沉,这两次拆沉都与古太平洋板块的俯冲有关,第一次拆沉为古太平洋板块平板俯冲时板片撕裂所致,第二次拆沉为俯冲板片俯冲后撤和高角度俯冲造成。

华南北部湾盆地的形成机制

从北部湾盆地的区域地质构造背景、几何形态、边界断裂及内部断裂特征解析,综合沉积中心迁移规律及盆内构造研究,提出北部湾盆地为右行右阶走滑拉分成因。盆地的形成和发展受控于合浦北流、信宜廉江、吴川四会和阳江河源4条深大断裂带,这4条主干断裂带构成右阶断裂格架。古近系出现的花状构造等表现出典型的张扭特征,新近系受到压扭作用改造发生挤压反转,该盆地构造演化过程与华南大陆中、新生代拉分盆地具有同期性和相似性。中生代基底中先存的深大走滑断裂带是新生代北部湾盆地形成的先决地质条件。而印度澳大利亚板块对欧亚板块碰撞挤压作用的逐渐增强和太平洋板块俯冲方向的改变及俯冲作用的衰减是控制北部湾盆地形成演化的区域大地构造因素。

兰坪中新生代沉积盆地演化

兰坪中新生代沉积盆地形成和演化与金沙江洋的俯冲消减及洋陆转换过程密切相关，记录了其盆—山转换过程。早二叠世晚期—晚二叠世时期，由于金沙江洋的俯冲消减，形成了金沙江弧—盆系的空间配置，兰坪地区成为弧后盆地。早中三叠世，金沙江弧—盆系及东西两侧的昌都—兰坪陆块和中咱—中甸陆块的构造沉积式样发生大的转变，开始了兰坪中新生代盆－ 山转换历史。由于弧陆碰撞作用，使得兰坪盆地由弧后盆地转化成弧后前陆盆地。盆地中缺失早三叠世的沉积，发育中三叠世至早白垩世的沉积，其沉积序列反映出由海相到陆相的演化。晚白垩世—早第三纪，由于印度板块向欧亚板块的持续俯冲挤压，致使研究区的应力变为南北向的走滑拉张，兰坪盆地随之由弧后前陆盆地转化成走滑拉分盆地。盆地中堆积了第三纪的陆相磨拉石沉积。

南海西部新生代控盆断裂及盆地群成因

南海西部新生代盆地自北而南有莺歌海、中建南、万安、曾母等多个中小型新生代沉积盆地,这些盆地与早期左行左阶和后期右行右阶的红河断裂、南海西缘大断裂、万安东断裂等控盆断裂带演化密切相关。该构造带总体呈负花状构造,主断层面表现出丝带效应,自北向南,红河断裂倾向西南、南海西缘断裂倾向东、万安东断裂倾向西。该断裂带附近的这些盆地是成因上紧密联系的一组拉分盆地群。盆地内部的NE向断裂是受这些主控断层限制的次级控坳断裂。这些断裂位移有限,因而该盆地群不可能是印支地块700km位移的挤出构造或深部规则的地幔柱等综合作用的结果,而是断裂带于新生代有限位移背景下的拉分盆地,但通过事件对比,也与印度-澳大利亚板块持续楔入欧亚板块有关,因此,该盆地群主要动力来源还是与南海西侧动力学体系密切相关。总体上,右行右阶断裂带被晚期NWW向断裂左行错切,而这些NWW向断裂与吕宋岛弧一带的NWW向断裂具有连续性和走向一致性,因而,东部菲律宾板块沿岛弧地带楔入欧亚板块的动力学系统可能在晚期波及本区。

里德尔剪切的组合型式与走滑盆地组合型式的相似性

走滑断裂体系中经常发育里德尔剪切的断裂组合,世界上不同构造背景下与走滑断裂相关的盆地(走滑盆地)也很多见。因此里德尔剪切是地质构造研究中的重要方面。我们从三个方面对里德尔剪切的节理构造组合及盆地组合进行了对比:(1)里德尔剪切构造组合与比例尺无关。里德尔剪切带的(转换)拉张区与沉积盆地的分布区是相似的;(2)断裂的最大位移区与断陷盆地的沉积中心是一致的,断陷盆地长轴平行于断裂走向;(3)物理模拟试验及数学模拟试验都证实了走滑盆地的演化。基于上述认识,我们通过厘米级岩芯标本的观察,结合已发表的盆地资料,提出了6类与里德尔剪切有关的构造组合及断陷盆地组合。(1)雁列状构造及盆地组合:许多盆地发育雁列状构造。同时,与里德尔剪切相关的雁列状盆地的宽度与主剪切断裂的剪切位移呈正相关。(2)帚状或马尾状构造及盆地组合:二者在形态上相似,所以归为一类。成因上,马尾状构造及盆地主要发育在走滑断裂的拉张端部,而帚状构造或盆地反映走滑断裂的旋扭作用,可以在走滑断裂影响区域的任何部位。(3)串珠状构造及盆地组合:该类型的盆地主要是指释压盆地的组合,拉分盆地也可以形成串珠状盆地。(4)S状或Z状构造或盆地组合:左行走滑形成Z状构造或盆地,而右行走划形成S状构造或盆地。(5)多字型构造及盆地组合:是拉分盆地的典型组合,可以过渡到串珠状盆地。(6)复杂的网状构造及盆地组合:通常是由于分布型简单剪切的作用结果。以上盆地组合类型包括大型盆地内次级单元(次级盆地或更次级盆地)的组合,但不包括多成因、多期活动的构造及盆地。

柴达木盆地侏罗纪盆地原型及其形成与演化探讨

柴达木盆地的演变历程是与柴达 木地块的发展历史一脉相承的。三叠纪及其以前，柴达木 地块主体呈现稳定的隆升状态，仅其南、北 缘发育的裂谷带时张时合，沉积了 一套海相裂谷型建造。三叠纪末的印支运动结束了柴达 木地块及其周缘地区的海相沉积史 ，使柴 达木地区进入陆内盆地发育新时期 。从柴达木盆地南、北 缘推覆构造带形成的板块构造机理 来看，柴达木盆地南、北缘各发育一个规 模不等、但性质相似且具统一成因 机制的陆相前陆盆地，且它们呈现背 驮式渐次向前发展的模式。另外，由于阿尔金深断裂带在印支 期和燕山期的强烈右型走滑作用， 在柴达木地块西缘形成了一系列拉 分盆地，使柴达木地块侏罗纪盆地原 型具有前陆盆地与拉分盆 地叠合的属性。白垩纪 至早第三纪古、始新世，由于主干逆 冲断裂带背驮式地向盆内发展，沉 降沉积中心逐渐向盆内迁移；早第三纪 渐新世以后，由于印度板 块与欧亚板块 的碰撞所引起 的强烈挤压和 盆内挠曲，前陆 盆地及拉分盆 地的特点已不 明显，原来的前陆盆 地和拉分盆地区成为了强烈构造变 形带和晚第三纪－ 第四纪的局部沉 积区。

华北地块南部断裂体系新构造活动特征

根据野外观察、测量与分析,特别是综合华北地块南部断裂体系第四纪活动性质的构造和地貌标志,表明现今华北地块南部NWW NW向断裂活动最为显著,主要表现为左旋走滑性质;在前新生代构造基础上发育的三门峡—鲁山—舞阳断裂带和新构造期发育的新乡—商丘断裂带是具有走滑性质的新生代壳内活动断裂。地球物理资料表明,在介休—新乡—溧阳和巴东—泉州—台湾地震带西北部的深部存在两个NW向构造带,在地幔可能汇聚为一条构造带。综合这些断裂及其所控断陷盆地的展布特征,明确了该区的NE向、NW向及近EW向断裂的运动学关系。即在应力应变基底格局的制约下,两个NW向构造带强烈的左旋走滑拉分运动作用下导致华北地块南部发育拉分盆地,NW向新断裂的形成和先存NNE、NW及近EW向断裂的复活,控制了新生代复杂的断裂或断块构造格局的形成。

渤海湾盆地大歧口凹陷新生代构造演化与盆地原型

大歧口凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷中北部,是中新生代叠合盆地中新生界沉积最厚的凹陷。本文基于大量二维、三维地震剖面和钻井资料,从凹陷主控断裂活动性、沉积沉降中心分布和构造格架等方面,侧重对大歧口凹陷新生代构造演化过程和原型盆地类型进行研究。认为:1)大歧口凹陷构造单元有4级,凹陷具有"东西分带、南北分块"的平面构造格局和北断南超箕状断陷的剖面结构。2)凹陷内断裂有4级,主要断裂的规模、活动期次和断裂活动具有演化的阶段性和空间的迁移性,典型构造带活动性具有由北往南迁移的特点。3)新生代期间整个大歧口凹陷的沉积沉降中心均在东部海域的歧口主凹内,但整体具有往南迁移的趋势。4)凹陷经历了拓展裂谷、拉分断陷、箕状断陷和碟状坳陷4个构造演化阶段,断陷阶段在整个构造演化时期意义重大,且具有走滑拉分特点。故认为大歧口凹陷原型盆地是一种"板内拉分盆地"。

海原断裂带内第三纪老龙湾拉分盆地的地质特征

在海原断裂带内部发现一个第三纪拉分盆地 ,命名为老龙湾拉分盆地。根据卫片解译结果和野外地质调查 ,对该盆地内的地层沉积序列、地层分布、相关断裂等特征进行了研究。结果表明 ,老龙湾拉分盆地发育于海原断裂内的最大斜列部位 ,盆地沉积受边界断裂控制 ;盆地内部沉积了巨砾岩、杂砾岩及紫红色 -灰绿色泥岩、桔红色角砾岩等地层 ,最大沉积厚度约 4 6 0 0m。老龙湾盆地内部地层不整合于不同的外围地层之上 ,根据对盆地内部沉积序列及外围第三系的区域对比 ,认为盆地沉积开始于中新世中期。由以上特征确定老龙湾盆地为海原断裂带内的第三纪拉分盆地。它为青藏高原东北缘第三纪的走滑断层活动的研究提供了地质证据。

渤海湾盆地形成机制研究

从渤海湾盆地的几何形态、盆地边界的走滑构造和内部的伸展构造分析，结合盆地的沉积特征和深部地质特征的研究，提出渤海湾盆地的拉分构造成因模式。渤海湾盆地可以划分为三个构造区带：东、西两个走滑构造带和一个中部拉分构造区。从渤海湾盆地的中、新生代构造演化分析，渤海湾盆地是一个新生代早第三纪始新世形成的走滑拉分盆地。这个走滑拉分盆地的中部发育伸展构造，这些伸展构造是由走滑作用派生而来的。中生代就已存在的东西两个走滑构造带是新生代形成渤海湾走滑拉分盆地的基本地质条件。

郯庐断裂中段新生代右行走滑位移

依据走滑拉分盆地中盆地沉降(或抬升)速率与边界断层走滑速率之间的数值关系,通过对夹在郯庐断裂中段两分支断层间的潍北凹陷沉积埋藏史的恢复,间接求取郯庐断裂中段新生代右行走滑位移。潍北凹陷内不同构造位置4口井的埋藏史恢复结果表明:凹陷新生代经历了古近纪早、中期的快速沉降,古近纪末-新近纪初的抬升剥蚀和中新世以来的缓慢沉降3个阶段;各阶段的平均沉降速率分别为0.142 9、-0.072 8、0.032 5km/Ma。通过对太平洋板块与欧亚板块间俯冲速率和方向变化的分析推断,中新世中期(39.5Ma)太平洋板块由北西向俯冲转而变成正西向俯冲所产生的西南向应力分量是导致新生代郯庐断裂开始右行走滑的主要因素,且走滑活动持续至今。根据走滑活动发生和持续的时间,结合各个时期内潍北凹陷的沉降和抬升速率,计算出郯庐断裂中段新生代右行走滑位移量为15km左右。

莱州湾地区郯庐断裂中段新生代右行走滑位移量的估算

通过理论模型研究,推导出了走滑拉分盆地中盆地的走滑速率与沉降速率之间的关系,即走滑速率同盆地的几何形状参数、最大沉降深度和沉降速率存在着稳定的数值关系。以莱州湾地区潍北凹陷为研究对象,利用回剥法对凹陷内处于不同构造位置的4口井的基底沉降历史进行了恢复,建立了潍北凹陷沉降速率与郯庐断裂中段走滑速率之间的经验关系式;根据位于洼陷带的伪1井和央5井的计算结果,得出郯庐断裂中段新生代右行走滑位移量为40km左右。

下扬子地区古生代盆地的改造变形

包括苏北—南黄海地区在内的下扬子区海相古生界盆地,在中三叠世末以来的构造演化过程中,经历了3期不同性质构造作用的改造变形。(1)在中三叠世末—早、中侏罗世的印支运动期,发生了江南—雪峰基底拆离体由南东向北西方向(同时派生由南向北,由东向西方向)的逆冲推覆,以及后缘弹性松弛断陷构造作用的改造,使海相古生界盆地发生了第Ⅰ期的由强及弱、递进衰减的逆冲-褶皱变形。(2)在晚侏罗—早白垩世的燕山运动期,叠加了第Ⅱ期以郯庐断裂带为代表的NNE向大陆平移走滑构造的左行简单剪切,以及拉分断陷构造作用的改造变形。(3)在晚白垩世—古近纪的喜马拉雅运动期,下扬子区在由南向北的伸展拆离与多米诺式拉张断陷构造作用下,受到了第Ⅲ期的变形改造。这3期构造变形作用促使扬子板块海相油气的早期聚集、晚期热演化和再分配。文中将重点讨论下扬子区板内海相古生界盆地自中三叠世末以来所经历的3期不同性质构造作用的改造变形。

用物理模拟实验研究走滑断裂和拉分盆地

本文按照下地壳和岩石圈地幔塑性流动控制上地壳构造变形的思想,采用脆延性双层模型,在考虑模型相似性的条件下,通过延性层流动驱动脆性层进行走滑断裂和拉分盆地模拟实验。实验结果表明,在左行走滑阶段发育两条"S"型左行右阶断裂带;在右行走滑改造阶段,早期左行右阶断裂带被改造为"Z"型右行右阶断裂带。走滑断裂发育过程中共有三种类型的拉张伸展:(1)"S"型破裂逐渐伸展,形成多个菱形盆地;(2)几个相邻的斜列"S"型断裂在剪切作用下端部被错断连通,形成"地堑—地垒"构造;(3)在右行走滑阶段,沿右行右阶断裂拉张形成拉分盆地。先存的上隆拱张断裂限制了走滑断裂的位置和方向。脆性层强度对走滑断裂的形成和发展具有约束作用,脆性层结构对脆延性的层间耦合作用和走滑断裂特征具有显著影响。

东三江盆地南部白垩纪以来的沉积特征及其演化

东三江地区白垩纪以来的沉积特征及其演化,对大庆外围地区的油气勘探和揭示东北亚地区演化机制具有重要意义。根据岩心、录井、测井以及地震等资料的详细研究表明:白垩纪以来均发育扇三角洲-湖泊沉积体系。早白垩世为弧后伸展型盆地,残留地层中有滨浅湖和火山岩沉积;晚白垩世为北东向展布的板内挠曲挤压型盆地,发育以盆地两侧绥滨和完达山为物质供给的短轴物源,海浪组—七星河组发育逆同生断层,半深湖的面积先扩大后缩小,雁窝组以盆地充填消亡为主。新生代为右旋走滑拉分盆地,以继承性的短轴物源为主。在宝泉岭组时期有桦南隆起方向的长轴物源,宝泉岭组—富锦组下、中段,半深湖面积扩大,沉积中心向东南迁移;富锦组上段,水体变浅,湖盆面积扩大,沉积中心向西北迁移。

渤海湾沙北地区盆地结构构造及其演化分析

本文以覆盖全区的3D地震和钻井资料为基础,追踪并闭合了盆内重要的层序界面,精细解释了盆内主要构造和地震反射特征,新识别出了中生代逆冲构造体系,包括逆冲反转构造和逆冲未反转构造两种型式,它们分别形成了中生代的半地堑盆地和古潜山。分析了新生代不同时期盆地结构构造特征和古构造格架,发现在E2s3-E3s1时期,盆地受到NW-SE向伸展作用,到Ed3-Ed1时期盆地应力场转变成了近SN向伸展,表明东营组底界面是古近纪应力场发生变化的重要构造变革界面,反映了盆地由沙河街时期走滑伸展到东营时期斜向走滑拉分的演化过程。研究了不同时期控盆断裂体系特征,认为盆地中、新生代主要经历了四期构造演化阶段,分别为中生代的挤压剥蚀,沙河街时期NW-SE向伸展,东营时期近SN向伸展以及新近纪的热沉降和共轭走滑阶段。根据以上盆地结构构造特征和演化过程分析,结合区域动力学背景,认为地幔物质上拱导致的地壳减薄是盆地发生裂陷作用的直接因素,周缘板块重组事件是控制并影响断陷盆地演化和不同期次断裂体系展布方向不同的重要因素。

扬子板块中、古生代盆地的改造变形

扬子板块内海相中、古生代盆地自中三叠世末以来,经历了3期不同性质构造作用的改造变形。首先是在中三叠世末—早、中侏罗世的印支运动期,江南-雪峰基底拆离体由南东向北西方向(同时派生由南向北,由东向西的方向)的逆冲推覆,以及后缘弹性松弛的断陷构造作用的改造,使得海相中、古生代盆地发生了第Ⅰ期的由强及弱递进衰减的逆冲-褶皱变形。继而在晚侏罗世—早白垩世的燕山运动期,叠加了第Ⅱ期以郯庐断裂带为代表的 NNE 向大陆平移走滑构造的简单剪切,以及拉分断陷构造作用的改造变形。之后在晚白垩世—古近纪的喜马拉雅运动期,下扬子区在由南向北的伸展拆离与多米诺式拉张断陷构造作用下,受到了第Ⅲ期的变形改造。这3期构造变形作用促使了扬子板块海相油气的早期聚集、晚期热演化和再分配。