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走滑构造解析 于福生

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内容提要,第一节 走滑构造变形的基本特征 第二节 走滑构造的识别标志 第三节 走滑构造的形成演化 第四节 走滑构造相关的油气圈闭,第四章 走滑构造解析,一、走滑作用与走滑断层概念及分类,1、走滑作用与走滑断层 由扭应力或剪应力引起地壳或岩石圈沿着某些构造边界或特定的构造带发生走滑变形的构造作用可以称为走滑作用。 走滑作用形成的断层的两盘位移以走向位移分量为主,称为走滑断层(Strike-slip fault),这种断层也称为扭动断层(Wrench fault)。 走滑断层是断层两盘断块体沿断层走向相对滑移的断层,或走向滑动位移为主的断层(走滑分量占80%以上、倾滑分量占20%以下),全称为走向滑动断层;对应于倾滑断层(倾向滑动位移为主的断层,全称为倾向滑动断层,包括正断层和逆断层),第一节 走滑构造变形的基本特征,1)Maill(1984)的走滑断层分类,I 板块边界转换断层 I1 陆内的 I2 洋内的 I3 陆-洋边缘的 II 离散边缘转换断层(错开扩张洋脊和破裂带) III 聚敛边缘的平推断层(平行于弧) IV 缝合带平推断层(斜向碰撞),2、走滑断层分类,走滑断层是走滑构造中主要的结构要素。走滑断层包括不同的尺度,可以产生于板块构造的不同构造部位。,2)Woodcock,1986分类,不同板块构造环境中走滑断层的成因分类,3)Sylvester(1988)的走滑断层分类,I 板间转换断层(深层,切割板块的) I1 洋脊转换断层(具相似扩张矢量的洋壳位移段) I2 边界转换断层(分隔不同板块,平行于板块边界) I3 与海沟有联系的走滑断层(调节斜向俯冲的水平分量) II 板内平推断层(限于壳内) II1 与楔入块体有关的走滑断层(由碰撞作用引起的陆块移动) II2 陆内走滑断层(分隔不同构造样式的外来体) II3 撕裂断层(大型逆冲断层断块之间的横向调节断层) II4 变换断层(大型伸展断层断块之间的横向调节断层),3、转换断层、平移断层和变换断层(讨论),转换断层(Transform fault):作为重要的板块边界类型Wilson(1965)下了明确的定义,是切穿岩石圈的走滑断层,不同于一般的平移断层,断层的走滑位移量、位移方向与相邻岩石圈板块的运动有关。,平移断层( Transcurrent fault):限于板内断层,一般指壳内或上地壳内发育的断层。,变换断层(Transfer fault):是板内地壳中与正断层或逆冲断层在运动学上联系在一起横向断层,其活动是由正断层或逆冲断层活动诱导产生的(或在统一应力场中共生的),具有与变换断层类似的运动学性质,在逆冲构造系统中类似的断层也称为撕裂断层(Tear fault)。,4、走滑作用及其断层位移分量,离散扭动(张扭),聚敛扭动(压扭),平行扭动,走滑作用有三种方式:离散扭动(张扭),聚敛扭动(压扭),平行扭动(纯扭) 平行扭动形成“真正的”简单剪切走滑作用,而聚敛扭动(压扭)和离散扭动(张扭)形成的走滑构造变形在垂直于走滑构造带方向分别有收缩和伸展位移分量 它们的出现主要取决于:1)块体间断层线方向变化;2)块体相对于断层线活动的变化。不同方式的走滑活动决定着扭动组合各要素的出现和特点,左旋走滑断层:站在断层一盘观测另一盘的相对运动,其位移方向(位移矢量)向左的断层称为左旋走滑断层(left-lateral strike-slip fault,left-slip fault)或左行平移断层(senestre) 右旋走滑断层:站在断层一盘观测另一盘的相对运动,其位移方向(位移矢量)向右的断层称为右旋走滑断层(right-lateral strike-slipfault,right-slip fault)或右行平移断层(dextre),讨论,左阶、右阶,斜向滑动断层的滑移矢量可以分解为走滑分量和倾滑分量,并根据其分量的比例称为正-平移断层、平移-正断层、逆-平移断层、平移-逆断层等,断层的复合分类方法,在地震剖面解释中,剖面上的断层走滑分量是不易识别的,因而解释的正断层、逆冲断层可能或多或少有走滑分量。,讨论?,裂陷盆地以发育伸展构造为主,但是一些裂陷盆地在裂陷过程中主干基底断层本身是利用先存断裂进一步活动,而断层走向并不与区域伸展方向一致,因此具有一定的走滑位移分量,形成走滑构造变形 有些裂陷盆地在裂陷伸展变形的同时发育走滑构造变形,这种走滑构造变形多数是基地断裂走滑位移引起的,例如渤海湾盆地中的沿郯庐断裂带、兰考—聊城断裂带等基底走滑断层发育的走滑构造变形带 裂陷盆地伸展构造系统中的变换断层具有走滑位移特征,局部也可以形成走滑构造变形,二.走滑断层形成的应力条件,走滑断层的形成与构造应力场有关,可以是区域扭动应力场的产物,也可以是在区域引张应力场、挤压应力场背景上由局部构造应力作用结果,1、走滑断层的位移与应力状态,位移矢量向右的断层称为右旋走滑断层(right-lateral strike-slip fault,right-slip fault)或右旋平移断层,位移矢量向左的断层称为左旋走滑断层(left-lateral strike-slip fault,left-slip fault)或左旋平移断层。 两条共轭走滑断层的交线为σ2,近直立产状,σ1和σ3与共轭走滑断层的夹角平分线一致,近水平产状,且σ1指向断层位移方向,与断层夹角相对较小,,,在σ2直立、σ1和σ3水平的应力状态下的两个共轭破裂面分别相当于左旋走滑断层和右旋走滑断层。因此,走滑断层相当于位移矢量近水平的剪切破裂。 走滑断层位移可以引导断层附近断块中产生次级剪切应力。,2、走滑断层与走滑构造,,走滑断层是指两盘断块体以相对走滑位移为主要运动特征的断层 走滑断层位移过程中也会进一步引起两盘断块或走滑断层上覆地层的变形,所有这些与位移矢量近水平的剪切作用有关的构造变形统称为走滑构造 。,走滑构造:走滑断层位移过程中还会进一步引起断层两盘断块或走滑断层上覆地层的变形,走滑断层及所有这些与走滑断层运动(或近水平的剪切作用)有关的构造变形统称为走滑构造 走滑断层位移导致断层带发生简单剪切变形,使原来平面上的圆形标志变为椭圆标志,3.走滑构造与走滑应变椭圆的概念,里德尔共轭剪切破裂(Riedel shear) (R)同向走滑断层:与主位移带小角度(一般<15o相交、剪切方向与主位移带一致、角顶指向本盘断块位移方向。 (R')反向走滑断层:与主位移带呈大角度相交、并且剪切位移方向相反的次级走滑断层,3.走滑构造与走滑应变椭圆的概念,同向(P)剪切破裂:与主位移带相交夹角一般<10o与主位移带相交夹角为内摩擦角的一半 局部张性(T)破裂:—与主位移带大角度相交的、延伸不长的正断层组 局部收缩变形:雁行式褶皱(en echelon folds)和逆断层组,三. 走滑构造组合,走滑作用形成的各种构造要素的组合,包括走滑断层的主位移带及各种由于断层走滑位移引起的伴生构造,称为走滑构造组合。,主位移带(principal displacement zone):与走滑构造带走向一致的、连续的走滑断层位移带,简称PDZ。,伴生构造(associated structures):走滑构造带内部或主要走滑位移带附近区域,由于走滑位移引起的各种构造变形。,伴生构造的局部应变轴方向与走滑构造带的变形椭圆中的应变方向是基本一致的。,走滑构造组合,四. 走滑断层的垂直位移分量,斜向位移包含有垂直位移分量;,水平走滑位移变换成为垂直升降位移;,走滑断层两盘的垂直位移呈4象限分布规律。,走滑断层的排列型式,五、斜列的走滑断层,走滑拉分盆地与走滑推挤隆起,六、走滑盆地,在走滑作用过程中形成的主要有走滑断层控制的沉积盆地,可以称为走滑盆地。,走滑断裂带中断块的旋转导致局部的空间问题:大型走滑构造带内部旋转断块体周边形成的小型沉积盆地。,在斜列的走滑断层之间的岩桥区,走滑诱导的垂直位移叠加导致形成盆地:左阶左旋与右阶右旋造成走滑拉分盆地。,Nilsen & Sylvester(1995)根据走滑盆地边界断层的几何学和运动学特征将走滑盆地分为3类,1、走滑(扭陷)盆地的类型,多是在走滑引张作用下由正走滑断层控制的沉积盆地,包括沿走滑带的局部拉分、断弯(应力松弛盆地)、断块逃逸等形成的盆地。,①走滑断弯盆地(fault-bend basin) ②走滑叠接带盆地(stepover basin),(1)斜张走滑盆地,①走滑断弯盆地(fault-bend basin) ②走滑叠接带盆地(stepover basin) 断块逃逸,多是在走滑挤压主位移带或正花状构造隆起边缘发育,盆地形状窄而长。也可能在扭压作用下,产生向斜下弯。,(2)斜压走滑盆地,由于剪切扭动作用使断块体发生旋转,并由于旋转导致局部挤压、引张诱导地壳沉降形成沉积盆地。,(3)走滑旋转盆地,内容提要,第一节 走滑构造变形的基本特征 第二节 走滑构造的识别标志 第三节 走滑构造的形成演化 第四节 走滑构造相关的油气圈闭,第四章 走滑构造解析,花状构造 海豚效应和丝带效应 走滑带内部构造和夹块 剖面上的地层不连续现象,,应力分析认为走滑断层理论上应该是近直立的断层,如果地层产状近水平,剖面上并不显示地层的垂直位移。,一、 剖面识别标志,1、花状构造,(1)断面产状的变化,(2)断层两盘地层无法对应,(3)断层性质差异,(4)形态类型,正花状构造与负花状构造,负 花 状 构 造,负花状构造,花状构造一定要有一条近直立的主干断层,走滑构造变形的基本特征,剖面上的地层不连续现象,海豚效应和丝带效应,走滑带内部构造和夹块,(1)、走滑带两侧地质界线的水平错开,二、 平面标志,(2)走滑断层依次发展和形成网状断层带,H-高断块;L-低断块,二、 平面标志,(3)斜列的盖层褶皱,斜 列 的 盖 层 褶 皱,(4)帚状构造,通常与薄皮收缩构造、薄皮伸展构造共生,三.薄皮走滑构造,发育在区域滑脱断层面之上的走滑构造,常常只有沉积盖层卷入走滑变形,盆地基底不参与构造变形,四. 基底卷入的走滑构造,基底卷入的走滑构造中的盆地基底与沉积盖层一起发生走滑构造变形。,通常盆地基底岩层中发育主干走滑断层,主干走滑断层可以向上直接切割所有盖层岩层,也可以在基底顶面或盖层岩层内部尖灭。,基底走滑位移量愈大,盖层走滑变形也愈强烈。 盖层厚度愈大,基底走滑位移引起的走滑变形带的宽度愈大。,基底与盖层关系对走滑构造的影响,盖层岩层中发育有较厚的软弱岩层时,基底走滑位移引起的盖层走滑变形宽度愈大。容易发育雁列的滑脱褶皱。,内容提要,第一节 走滑构造变形的基本特征 第二节 走滑构造的识别标志 第三节 走滑构造的形成演化 第四节 走滑构造相关的油气圈闭,第七讲 走滑构造解析,雁列褶皱带发育,次级破裂带发育,宽度变窄、位移集中,1、盖层走滑变形带的宽度在走滑构造演化过程中的变化,基底走滑断层发育早期,盖层发育较宽的雁列褶皱带。,随着走滑位移量的增大,盖层雁列褶皱宽度加大并在递进变形过程中出现各种次级破裂。,走滑递进变形使基底走滑断层与盖层走滑断层连接起来之后,盖层的走滑变形带的宽度又变窄,走滑位移相对集中在贯穿基底与盖层的主干走滑断层上,Mann等(1983)研究了走滑构造带的演化与斜张走滑盆地的演化模式,提出了走滑断弯盆地的演化可能包括5个阶段: 在初始的主断层松开弯曲处发生伸展断层作用。 纺缍形盆地核形成,并常被斜滑断层所分开。 进一步拉伸,产生缓“S”或缓“Z”形盆地。 发展为菱形盆地,常有两个或更多的似圆形深盆。 连续地拉伸,在被转换断层错开的扩张中心处形成狭长的洋壳。,2、走滑盆地的形态变化,在初始的主断层松开弯曲处发生伸展断层作用。,纺缍形盆地核形成,并常被斜滑断层所分开。,进一步拉伸,产生缓“S”或缓“Z”形盆地。,玄武质火山作用和侵入作用可能变得重要。许多走滑拉分盆地未能达到最后阶段,而是在长/宽比达到3:1后而终止。,发展为菱形盆地,常有两个或更多的似圆形深盆。,在被转换断层错开的扩张中心处形成狭长的洋壳。,日本中央构造线上的 和泉盆地(Izumi basin),对称式发展的走滑拉分盆地,不同叠接方式产生不同的拉分盆地,(1)斜张走滑断层破裂实验,3. 走滑构造物理模拟实验的启示,走滑与张扭实验四维模拟,受力方式差异,与基底断层走向10°斜压形成的剪切变形实验,3. 走滑构造物理模拟实验的启示,(2)斜压剪切模拟实验,深部断裂走滑活动早期对两侧变形的影响更大,与基底断层走向10°斜压形成的剪切变形实验演化过程。,(2)斜压剪切模拟实验,(3)与基底断层走向10°斜压和斜张的剪切变形实验结果比较。,斜向挤压走滑与斜向引张走滑的变形有较大差异; 斜向挤压走滑对两侧变形的影响更大。,与基底断层走向5°斜压,与基底断层走向15°斜压,与基底断层走向30°斜压,,,,斜压角度愈大,走滑隆起带的宽度愈大,(4)斜压角度差异对比实验,5、走滑受阻带的模拟研究,,,,,实验结果对比,,,,内容提要,第一节 走滑构造变形的基本特征 第二节 走滑构造的识别标志 第三节 走滑构造的形成演化 第四节 走滑构造相关的油气圈闭,第四章 走滑构造解析,走滑构造变形可以形成多种圈闭样式,包括断块、背斜、断背斜等,洛杉矶盆地的油气圈闭明显沿基底走滑断层带分布,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,沿基底主干走滑断层上覆岩层、旁侧岩层形成一系列背斜圈闭。,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,走滑构造带中的单个背斜往往是短轴背斜,圈闭形态完整,多个背斜则呈斜列展布。,洛杉矶盆地基底走滑断层上覆地层形成的短轴背斜圈闭,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,背斜被大量斜列的走滑分支断层破坏,部分断层构成油气封闭条件。,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,,主干走滑断层一侧由分支断层形成的断块圈闭,断层起封闭作用。 注意分支断层在剖面包括正断层和逆冲断层两种,在平面上的走向不同,但都有走滑位移分量,图中主要是逆冲断层。,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,,主干走滑断层上覆岩层形成的背斜被次级断层、分支断层破坏,但是总体上的背斜构造仍然构成圈闭,部分断层起封闭作用 注意分支断层在剖面包括正断层和逆冲断层两种,在平面上的走向不同,但都有走滑位移分量,以斜列方式出现,,背斜被近直立的主干走滑断层切割,但是断背斜仍然具有圈闭能力,主干断层起封闭作用,两侧油水界面明显差异,近直立的主干走滑断层和一系列分支断层构成花状构造,断层起封闭作用,形成断块圈闭。,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,,近直立的主干走滑断层起封闭作用,侧盘形成断背斜、断块圈闭,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,近直立的主干走滑断层旁侧形成断背斜圈闭 基底走滑断层位移形成的背斜往往是短轴背斜,圈闭形态完整。,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,,1、走滑构造相关的油气圈闭样式,中国东部新生代盆地分布,实例:渤海湾盆地郯庐断裂带,北东走向菱形盆地,东侧为郯庐断裂带所控制的北东走向半地堑,西侧为太行山山前断裂与兰聊断裂所控制的北东走向地堑、半地堑,中部为近东西走向断裂所控制的地堑、半地堑,包括八个坳陷与四个隆起。,实例:渤海湾盆地郯庐断裂带,实例:渤海湾盆地郯庐断裂带,郯庐断裂带在新生代具有明显的走滑活动特征; 走滑构造变形改造了伸展构造变形,在盆地中形成线性展布的断裂构造带; 主干断裂近垂直,分支断层复杂多变,形成复杂的断裂组合。,沿郯庐断裂带的主干基底走滑断层,强烈改造辽中凹陷边界断层,导致辽东凸起和辽东凹陷的形成,辽东凸起地震资料的时间切片现实走滑断层的线性延伸特征,辽东凸起地震剖面显示近垂直的走滑断层和花状构造特征,大民屯凹陷Es1断裂系统图,,,,大民屯凹陷NNE向基底断层右旋走滑位移形成的帚状(马尾状)断层组合,基底断裂的走滑位移导致盖层发育斜列的正断层组,,,渤海海域郯庐断裂带新近系底面构造图(局部),歧口连片三维1640ms相干切片,,,,,,,,,,,,,,,帚状断层组合显示的 走滑构造几何特征,歧口凹陷NE向和NW向基底断层走滑位移形成的帚状(马尾状)断层组合,实例:歧口凹陷,实例:歧口凹陷,分支断层近EW向沿NE-NNE向断层呈羽列,构成帚状断层组合; 近EW向盖层断层沿NE-NNE向基底断层呈雁列,显示主干断层具有右旋走滑位移特征,,,,,,南堡凹陷NE向和NW向基底断层走滑位移形成的帚状(马尾状)断层组合,南堡凹陷滩海地区相干体切片(1400ms),实例:饶阳凹陷中的走滑断层构成的花状构造,实例:东濮凹陷中的走滑断层切割伸展断层,伸展断层,走滑断层,据漆家福等,2009,北东走向菱形盆地,东侧为郯庐断裂带所控制的北东走向半地堑,西侧为太行山山前断裂与兰聊断裂所控制的北东走向地堑、半地堑,中部为近东西走向断裂所控制的地堑、半地堑,包括八个坳陷与四个隆起。,实例:渤海湾盆地郯庐断裂带,所有证据表明渤海湾盆地存在走滑构造,但这种走滑构造的成因机制是什么?,NW-SE向伸展(刘国栋,1987),NE向走滑(侯贵廷,1998),近SN向伸展(周建勋,2006),近SN向两期伸展,晚期叠加整体反转(Allen,1997),NW-SE向伸展,晚期叠加NE向走滑 (漆家福,1995,2010),通过对渤海湾盆地存在的五种模型模拟研究认为均不符合渤海湾盆地构造演化历史,在沙箱模拟实验基础上,提出两期伸展叠加旋转新模型: Ek-Es4沉积时期:NW-SE向伸展,沉积地层主要分布在冀中坳陷带、下辽河坳陷带等NE走向构造带; Es3-Ed1沉积时期:近SN向伸展发生在,地层在全盆地内均有分布,伸展方向改变的动因来自于太平洋欧亚板块向欧亚大陆板块俯冲方向的改变(43Ma)。 Ng-Nm沉积时期:发生局部反转,形成辽河西部凹陷反转构造带。反转动因来自于鲁西隆起反时针旋转与郯庐断裂带右行走滑活动。,分期异向分层伸展叠加旋转模式,(1)渤海湾盆地构造格局,北东走向菱形盆地,东侧为郯庐断裂带所控制的北东走向半地堑,西侧为太行山山前断裂与兰聊断裂所控制的北东走向地堑、半地堑,中部为近东西走向断裂所控制的地堑、半地堑,包括八个坳陷与四个隆起。,实例分析、渤海湾盆地成因新认识,(2)渤海湾盆地构造-沉积演化序列,一幕裂陷,二幕裂陷,三幕裂陷,同裂陷期沉降,裂陷后期热沉降,多 幕 裂 陷 与 裂 后 热 沉 降 叠 加,应力场方向是否改变是长期争论的焦点,(3)地层分布差异明显,Ek,Es4,Es3,Ed,Ng+Nm,Ek-Es4仅分布在下辽河坳陷、冀中坳陷、济阳坳陷南部;Es3-Ed全盆地内广泛发育,Ng-Nm在南堡凹陷与东濮凹陷厚度较大。地层分布受构造演化控制,构造模型是合理解释地层分布差异的主要依据。,反转构造是争论的焦点:存在局部反转与整体反转之争,,(4)伸展、挤压、走滑构造并存,(5)构造物理模拟验证,1、SN向伸展叠加反时针反转模型,北东走向张扭性断层,与中部近东西走向正断层均发育,反转构造仅在下辽河坳陷发育.,盆地构造格局、主要构造单元相对位置与大小均相似,典型构造样式均具有相似性。主要不足在于Ek-Es4分布范围与实际略有差异。,两期伸展,叠加两期局部反转模型,两期伸展,叠加两期局部反转模拟结果,中国东部新生代盆地成因分析,Homework,
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