从地壳上地幔构造看大陆岩石圈伸展与裂解

本篇讨论大陆岩石圈拆沉、伸展与裂解作用过程。由于大陆岩石圈厚度大而且很不均匀,产生裂谷的机制比较复杂。大陆碰撞远程效应的触发,岩石圈拆沉,以及板块运动的不规则性和地球应力场方向转折,都可能产生岩石圈断裂和大陆裂谷。岩石圈拆沉为在重力作用下"去陆根"的作用过程,演化过程可分为大陆根拆离、地壳伸展和岩石圈地幔整体破裂三个阶段。大陆碰撞带、俯冲的大陆和大洋板块、克拉通区域岩石圈,都可能产生岩石圈拆沉。大陆岩石圈调查表明,拉张区可见地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈上拱和热沉降;它们是大陆岩石圈伸展与裂解早期的主要表现。从初始拉张的盆岭省到成熟的张裂省,拆离后地壳伸展成复式地堑,下地壳幔源玄武岩浆侵位,断裂带贯通并切穿整个岩石圈,表明地壳伸展进入成熟阶段。中国东北松辽盆地和西欧北海盆地曾处于成熟的张裂省。岩石圈破裂为岩浆侵位提供了阻力很小的通道网。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌,成熟的张裂省可发展成大陆裂谷。多数的大陆裂谷带并没有发展成威尔逊裂谷带和洋中脊,普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带,必须有来自软流圈的长期和持续的热流和玄武质岩浆的供应。威尔逊裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震低速带,其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关。     

大陆伸展构造综述

简述了大陆伸展构造的研究历史,并从基本概念、构造样式、变形机制和动力背景等方面对大陆伸展构造进行了综述.伸展是大陆构造一种主要类型,并以正断层为主形成多种构造样式,如地堑、裂谷、拆离断层和变质核杂岩等.大陆伸展的变形机制包括纯剪切、简单剪切及分层剪切模式,并由此产生对称与非对称构造.大陆伸展构造的地表表现形式主要为裂谷或变质核杂岩,两者的形成主要取决于岩石圈的流变学结构.大陆伸展的动力学背景主要包括地幔柱上涌、俯冲板片反转与俯冲带后撤、增厚地壳的重力垮塌以及走滑体系的派生拉张等.     

琼东南盆地地壳伸展因子计算及其伸展模式探讨

对伸展因子β的计算分析,可认识岩石圈的伸展变形特点。基于琼东南盆地具有"多米诺"伸展断层构造的5条反射地震剖面资料,利用"多米诺"伸展断层模式计算了上地壳伸展因子,其值分布在1.17～1.58之间;与对应位置的全地壳和岩石圈的伸展因子比较,结果显示上地壳、全地壳和岩石圈伸展因子三者之间存在差别,但不是简单的随深度增大,具体表现为盆地中北部的岩石圈伸展变形特点为岩石圈伸展因子大于全地壳大于上地壳,盆地西南部则表现为全地壳最大,岩石圈最小。通过计算,结合研究区相关研究成果,本文认为琼东南盆地岩石圈发生了随深度变化的伸展变形;不同构造位置的岩石圈伸展变形存在明显差异。     

塔里木盆地中部满深1断裂带的多期断裂活动

满深1断裂带位于塔里木盆地中部的阿满过渡带,走向NNE-SSW,是三维地震解释发现的一条断裂带。精细的三维地震解释识别出6期断裂,从老到新包括：南华—震旦纪正断层、晚奥陶世—早志留世逆冲断层、中志留世—石炭纪正断层、二叠纪正断层、三叠纪逆冲断层和侏罗纪正断层。中志留世—石炭纪的正断层可以进一步划分为中志留世—中泥盆世正断层和晚泥盆世—石炭纪正断层两期。前者为主,是昆仑—阿尔金早古生代碰撞造山带的造山后构造;后者是前者的复活。中志留世—石炭纪正断层作用形成一系列近南北走向的正断层,组合成一条NNE-SSW走向的右列左旋张扭性断层带,形成满深1断裂带。二叠纪裂谷作用成因的正断层和岩浆活动显著改造断裂带,使之基本定型。三叠纪的冲断构造叠加于依合2构造之上。侏罗纪伸展作用对构造带有一定的调整影响。南华—震旦纪正断层和晚奥陶世—早志留世的冲断构造与满深1断裂带相交,对构造带的形成影响不大。侏罗纪正断层的发现,是塔里木盆地当时处于区域性伸展构造背景的重要证据。     

伸展构造及其反转作用

伸展构造的演化主要发生在三个阶段：大陆裂谷阶段、大陆初始漂移和主要漂移阶段。伸展构造发育在不同构造层次：（１）在上地壳中，伸展构造呈现为位于拆离带之上脆性岩块的伸展，其周边为铲式断层、坡坪式断层或多米诺式断层所限；（２）在中地壳中，伸展构造呈现为变质透镜体，被不连续的韧性剪切带所分隔；（３）在下地壳中，伸展构造呈现为扩展变平的韧性流动和岩浆侵位。反转的伸展断层系常表现为冲断层、断弯背斜、生长断展褶皱、顶部塌陷地堑区的突隆构造和半地堑区的鱼叉构造等。     

新生代黄骅坳陷构造伸展、沉积作用和岩浆活动

黄骅坳陷是一典型的张性盆地,其构造主要受西缘向东倾的拆离断层的控制。构造沉降分析显示盆地西部以裂谷沉降为主,而向东热沉降逐渐增大,反映了上地壳的强烈裂谷区与岩石圈深部强烈减薄区发生了错位。沉积作用在裂谷期和热沉降期具明显不同的特点,指示了早期基底快速不均匀的下沉和晚期基底广泛缓慢下沉的过程。玄武岩的形成和演化也与盆地构造发展过程相一致。研究结果表明,黄骅坳陷是在下伏岩石圈上部发生简单剪切和下部发生纯剪切的构造伸展过程中形成的。     

华北地区新生代岩石圈伸展减薄的机制与过程

华北地区可划分出2个岩石圈尺度的构造单元:西面的鄂尔多斯克拉通块体和东部的华北裂谷盆地。华北裂谷由主体的似环状盆地和周边山岭组成,还有大的似环状盆地中央的苏鲁淮山岭。华北裂谷盆地,在古近纪(E)和新近纪(N)—第四纪(Q)时期分别通过主要的纯剪切(pureshearing)和分布剪切(distributedshesring)(均含简单剪切组分)变形机制形成,它们导源于软流圈上涌诱发的巨大岩石圈减薄作用。然而,鄂尔多斯块体周边的断陷盆地带则是通过简单剪切(simpleshearing)变形机制形成,它们导源于鄂尔多斯克拉通块体的隆升和作用于鄂尔多斯南缘的六盘山与来自青藏高原碰撞带的北东向挤压力的联合作用。新生代时期,在快速的岩石圈大幅度减薄的时期内,华北地区东部向东伸展的速率比西部的鄂尔多斯块体大得多,它暗示软流圈物质向东的流动可能主动地拖拉着上覆岩石圈向东移动。可能有3条这样的通道,允许青藏碰撞带下面的软流圈物质向东流动,它们是:(a)高原南部过松潘—甘孜、三江达南海;(b)高原北部经六盘山、鄂尔多斯周边和华北—东北平原达日本海;(c)帕米尔经天山、蒙古西部、贝加尔达鄂霍次克海。     

松辽盆地成因演化与软流圈对流模式

松辽盆地位于中国东北,是晚中生代在活动大陆边缘上发育的裂谷-坳陷盆地。松辽盆地有两个特点:一是裂谷期前火山岩分布以盆地西部的大兴安岭厚度大、面积大,盆地东部靠近俯冲边缘火山岩分布厚度、面积变小;二是裂谷期主要发育东倾控坳断层。由此推测在板块俯冲牵引作用下,在楔形区产生单向环流。单向环流在大兴安岭一带上升,在地表形成强烈的火山作用,然后沿岩石圈底部向东运动,并逐渐转变为下降流,火山作用也逐渐减弱。单向环流由上升流逐渐转入近平流后,对岩石圈底面施加单向剪切牵引作用,岩石圈伸展在脆性上地壳形成主要东倾控坳断层。单向环流可以源源不断地从深部将热能和动能带到浅部,满足岩石圈减薄和伸展的需要。而且用单向环流解释活动大陆边缘和弧后区火山岩的成分极性可能更趋于实际。     

伸展断陷中的变换构造分析

变换构造分析对于研究伸展断陷盆地的构造格局与油气分布具有重要的意义。在前人研究成果和近年来渤海湾盆地大量地震反射剖面解释的基础上,讨论了变换构造研究中一些有争议和有意义的问题。(1)对变换构造研究中采用的术语,诸如分段构造、变换构造、传递带、调节带和转换带重新进行了定义,并阐述了其基本概念。(2)根据侧列控凹主断层之间连接方式的不同,提出了一个新的分类方案,首先将变换构造划分为传递带、调节带和转换带3类,而后考虑每类变换构造特有的标志细分为若干亚类。(3)传递带和调节带的形成机制一般与侧列的控凹断层位移量沿其走向均匀变化有关。在断层中段位移量最大,在其末端,位移量减至最小。传递带和调节带形成于断层末端,然而,由于侧列断层叠覆程度的差异、位移量是否守恒、断层的倾向状况以及平面上侧列断层末端之间的横向距离等诸多因素,从而产生传递带或者是调节带以及与之有关的多种多样的变换构造样式。与传递带和调节带不同,转换带以连接不同伸展构造段的转换断层为特征,推测其形成是由于地壳伸展速率的巨大差异所致。     

俄罗斯贝加尔湖区伸展构造及与中国东部伸展构造对比

在晚白垩世-始新世夷平面基础上,由于断裂作用形成了贝加尔裂谷系。断裂作用最大幅度超过10 km。在裂谷系中心部位发育的断层长度最大、最深、最早,并以准对称形式向四周扩展。贝加尔裂谷系是在地幔隆起和印度-欧亚大陆碰撞双重作用下形成。贝加尔裂谷系与中国东部新生代断陷盆地和汾渭裂谷系同时形成,并有密切的成因联系。它们的形成不仅受太平洋板块的俯冲和印度-欧亚大陆碰撞的制约和影响,而且位于中国西南部的地幔流发散中心,呈扇状向太平洋区流动,可能是它们在更深层次上的共同场源基础。     

陕西洛南地区伸展构造与陶湾岩群折劈理动力学机制

铁炉子断裂具多期活动特征，其中在北秦岭印支期陆内碰撞造山后期以伸展作用为主。剥离断层由韧性剪切带、角砾岩带和断层泥构成３层式结构。其中韧性剪切带由西向东分别由钙质糜棱岩和花岗质糜棱岩组成。宽坪岩群和蟒岭岩体组成花岗－变质地体。陶湾岩群折劈理是区别于宽坪岩群以及华北地块地层的特征性面理构造，表现为滑落式基本类型，其动力学机制与伸展构造作用关系密切。     

陕西南地区伸展构造与陶湾岩群折劈理动力学机制

铁炉子断裂具多期活动特征，其中在北秦岭印支期陆内碰撞造山后期以伸展作用为主。剥离断层由韧性剪切带、角砾岩带和断层泥构成３层式结构。其中韧性剪切带由西向东分别由钙质糜棱岩和花岗质糜棱岩组成。宽坪岩群和蟒岭岩体组成花岗－变质地体。陶湾岩群折劈理是区别于宽坪岩群以及华北地块地层的特征性面理构造，表现为滑落式基本类型，其动力学机制与伸展构造作用关系密切。     

南海东北部岩石圈伸展的构造模拟约束

盆地的形成是深部过程的浅部响应,其中不同尺度拉张因子的变化能够反映岩石圈的伸展特征。运用基于弹性梁模型和挠曲均衡原理的2D构造模拟软件对横穿南海东北部地区的两条地震-地质剖面进行模拟,计算上地壳、全地壳和岩石圈尺度拉张因子。结果表明,南海东北部岩石圈伸展存在横向非均质性和深度相关的伸展现象:(1)不同坳陷中心的拉张因子从陆架-陆坡-海盆区有变大的趋势;(2)三种尺度的拉张因子之间存在明显差异,并且这种岩石圈深度相关的伸展现象在陆架和陆坡地区表现不同:陆架范围内上地壳和全地壳尺度的拉张因子在数值上相近,而在陆坡向洋壳方向,岩石圈、全地壳尺度拉张因子在数值上比上地壳尺度拉张因子大的差别趋势越来越明显。分析认为南海东北部岩石圈深度相关的伸展模式与海底扩张早期温度较高且黏滞性较小的下地壳在陆坡向海盆方向的流动性大于陆架地区有关。南海东北部伸展盆地的形成经历了岩石圈在陆内裂谷阶段均匀伸展以及大陆边缘裂谷阶段深度相关的伸展作用过程。     

中国新生代的伸展构造

本文简要论述了中国新生代的伸展构造。新生代期间,中国东部在板块的分离运动和伸展构造作用下发生了区域裂陷,起初由于地壳残薄引起地壳沉降,随后由于热缩减使沉降加速进行。在中国西部,尤其是青藏高原,裂谷系发生在一个以板块聚合运动为主的造山环境中,因大陆碰撞和地体横向逃逸以及巨大的陆内转换边界而相应发生裂谷作用。中国的伸展构造可归为15个地堑系,东部11个,西部4个。它们呈现不同的构造样式:线形裂谷、盆—岭构造和走滑断裂伴生的拉分盆地。本文讨论了中国大陆拉伸作用的几何特征、伸展的运动学和机制。塔魔尼尔(Tapponnier)等提出(1982)的新生代挤出构造模式很好地解释了中国西部的构造轮廓和地堑系的构成。然而,考虑到早第三纪中国东部盆—岭区总的应变格式,一种大尺度的简单剪切运动模式可能比纯剪断裂模式更为可取。     

洋-陆转换带类型与成因机制

洋-陆转换带是被动陆缘的特殊构造,是伸展背景下大陆岩石圈与大洋岩石圈相互作用的关键区域,对于理解和认识大洋和大陆的地球动力过程、机制尤为关键。基于不同的被动陆缘类型,本文总结了不同类型被动陆缘的洋-陆转换带分类及特征,同时探讨其成因机制。根据大陆边缘类型,洋-陆转换带可以划分为四类,火山型被动陆缘中以海倾反射层和下地壳高速体为特征的洋-陆转换带、非火山型被动陆缘蛇纹石化地幔橄榄岩出露的洋-陆转换带、异常减薄洋壳组成的洋-陆转换带、强烈减薄陆壳为主的洋-陆转换带。洋-陆转换带成因模式取决于不同类型被动陆缘的伸展破裂过程,火山型被动陆缘起源于主动的火山裂谷,通过热作用来减薄岩石圈的底部进而发生地幔熔融,产生溢流玄武岩,浅表形成海倾反射体,下地壳表现为高P波速度异常且巨厚的高速体。非火山型陆缘的岩石圈横向伸展与深度相关,岩石圈变形既有均一纯剪切变形(均匀伸展)也有不对称的简单剪切变形(拆离断层)。     

华北地区新生代岩石圈伸展减薄机制的数值模拟

新生代时期华北东部裂谷的伸展减薄机制及其周边的构造应力场,西部鄂尔多斯克拉通的抬升和周边断陷盆地的形成机制是目前研究的热点问题,但是较少有人从数值模拟的角度进行探讨。笔者采用有限元程序FEVPLIB对该地区5个剖面进行了模拟,初步取得如下认识:①在太平洋俯冲带的附近岩石圈伸展减薄较强,这与剖面经过的冲绳海槽正在拉开是吻合的,而太平洋的俯冲对较远的华北盆地的伸展减薄的影响较弱;②火山喷发时期,华北盆地有大的软流圈物质上涌造成华北裂谷的伸展减薄,符合纯剪切的机制,现今华北地区已趋于均衡,动力正趋于稳态;③六盘山逆冲在鄂尔多斯块体之上,代表着青藏高原东北缘的挤压,对华北是一个大的推挤力,可诱发鄂尔多斯块体的隆升,而鄂尔多斯向东北方向移动时提供了周边盆地的拉张的背景;④华北地区岩石圈的伸展减薄是六盘山处的挤压和东部太平洋板块俯冲两者联合的影响。模拟的结果与研究区GPS、重力异常以及岩石圈三维结构是吻合的。     

东亚西太平洋巨型裂谷体系岩石圈与软流圈结构及动力学

笔者根据地震面波层析成像结果，对欧亚大陆及西太平洋岩石圈和软流圈速度结构进行了研究，发现东亚至西太平洋间存在一巨型低速异常带，结合构造地质学、地幔岩石学、地球化学及其他地球物理特性的研究，确认该区存在巨型裂谷体系。该巨型裂谷体系的岩石圈和软流圈三维Vs速度结构与太平洋洋中脊、大西洋洋中脊和印度洋洋中脊及其邻区的岩石圈和软流圈地震Vs速度结构十分相似，而与东太平洋边缘现代板块俯冲带的岩石圈与软流圈Vs速度结构有显著差异。在进一步论述该区动力学特征后认为，该巨型裂谷体系是中生代中晚期以来岩石圈整体主动伸展变形，大型裂陷盆地形成，岩石圈强烈拆沉减薄，以及软流圈物质上涌加热引起的。边缘海是在大陆裂谷系形成基础上发展起来的，主导扩张期为中渐新世至中中新世（32－13Ma），这些边缘海在17－15Ma后停止扩张，因而未能将所有边缘海和洋中脊联通。据此划分出4期构造变形动力学演化阶段，现今东亚至西太平洋间大陆裂谷、边缘海与沟弧体系是新生代中晚期以来，邻区各板块构造相互作用叠加的结果。     

南海北部珠江口盆地中段伸展构造模型及其动力学

位于南海北部大陆边缘上的珠江口盆地发育NNE向、NE向、NW向、近EW向等多组基底断裂,盆地结构复杂,并表现出明显的时空差异性。本文基于珠江口盆地中段地震资料解释的构造样式的变化推断地壳中存在一条向南缓倾斜、呈坡坪式形态的拆离断层,古近系构造属于这条拆离断层上盘的伸展构造系统。北部的西江凹陷属于拆离断层伸展构造系统的头部,凹陷边界正断层铲式断层面形态向深层延伸并收敛在拆离断层面上,凹陷表现为半地堑“断陷”样式;中部的番禺低隆起对应于拆离断层的低角度断坪部位,拆离断层上盘断块的伸展位移导致两侧的恩平组超覆在低隆起上;南部的白云凹陷位于拆离断层的深部断坡部位,充填的文昌组和恩平组表现为“断坳”或“坳断”样式;南部隆起位于拆离断层深部断坪部位,其上盘发育的分支断层控制着荔湾凹陷古近系、新近系的发育并使之表现为复杂的断陷断坳构造样式。该模型强调拆离断层上盘与下盘、不同地壳结构层均发生不同程度的伸展变形,且伸展变形方式、应变量等存在时空差异,而拆离断层正是不同构造单元、不同地壳构造层之间的调节性构造面。总体上,拆离断层上盘以脆性伸展构造变形为主,分支断层控制不同构造单元古近纪的构造演化,下盘则是以韧性伸展变形为主,并拖曳上盘发生不均一的伸展应变;西江凹陷的伸展应变量大于拆离断层下盘的伸展应变量,白云凹陷的伸展应变量则小于拆离断层下盘的伸展应变量。以西江凹陷北部边缘的NE向铲式正断层为头部的拆离断层控制了文昌组沉积,但在恩平组沉积期被近EW向高角度正断层切割破坏而被遗弃,拆离断层系统的头部由西江凹陷北部边缘迁移至番禺低隆起。盆地结构及断裂系统的时空差异性受盆地基底先存构造、地壳与岩石圈结构及伸展量等多方面因素的影响,但主要是对软流圈流动及岩石圈热结构变化的响应。用软流圈由北西向南东流动拖曳上覆岩石圈发生伸展变形的动力学模型能合理地解释珠江口盆地中段古近系构造的形成和演化。     

被动大陆边缘形成的拆离模式

拆离引起拉伸的固有不对称性导致了共扼型的且具明显差异的被动陆缘。上板块陆缘组成深部拆离之上的地壳。下板块陆缘组成拆离底板，已被断开的上板块残余覆盖。这些陆缘有独特的结构样式、构造类型、隆起－沉降轨迹和热历史。被动陆缘上构造类型的多样性通过同时作用于与水平韧性剪切带和剪切带之下热岩石圈韧性拉伸作用有关的拆离断层上的五个模式来预测。这些模式对被动陆缘上不可思议的构造和地貌特征──陆缘高地、外侧高地、未受构造作用的裂谷同期凹陷盆地及位于高地的断裂盆地作了解释。地壳均衡隆起－沉降历史的数字模型表明隆起－沉降特性的各种型式可用拆离几何学的变化和岩石圈拉伸作用的大小变化来解释。如果热软流圈异常隆起，就可预测有大量岩浆垫托作用。这种地幔派生的熔体的就位可引起有效的辅助隆起。上面板块边缘经受的热诱导隆起由于岩浆垫托作用而具持久性。这种隆起可能是邻接腹地中被动陆缘山脉形成的原因。陆缘高地的上升，或非常缓慢的沉降贯穿了整个拉伸历史，即使裂谷期后沉降到中等水平的深度。岩石圈在中地壳拆离之下扩张，但上板块很少拉伸。大西洋陆缘的沉降格式需要在渐进拉伸的拆离面下岩石圈上叠加一个拉张的板块。描述的共扼陆缘取材于塔斯曼海、大西洋和大南洋，     

塔里木盆地晚志留世-石炭纪伸展构造的发现及其地质意义

通过精细的地震资料解释,在塔里木盆地中部的满西地区发现晚志留世-石炭纪伸展构造。伸展构造由一系列规模不大的正断层组成,平面上组成两条北东-南西向的左行雁列状正断层带,剖面上构成负花状构造和堑垒构造。根据生长系数计算结果,正断层形成于晚志留世,在泥盆纪和石炭纪持续活动,于石炭纪末停止活动。正断层活动的高峰期为晚志留世。该期伸展构造在塔中和塔北地区也有发育,反映当时塔里木盆地处于区域性伸展构造背景。塔里木盆地晚志留世-石炭纪的伸展构造,是昆仑早古生代晚期（晚奥陶世-中志留世）碰撞造山后构造应力松弛作用的产物。