岩石圈伸展模式

岩石圈伸展模式是指岩石圈的被動裂陷作用所形成的各種伸展模式，包括純剪下變形和簡單剪下變形兩種形式。

岩石圈伸展作用是形成伸展型盆地的重要因素。伸展型盆地中斷層區段式活動和構造轉換帶不管在何種尺度上，正斷層系一般由多個斷層區段(segment)組成，並由上下盤內發育的局部高地和凹陷表現出來。儘管位移梯度在區段邊界處可能比較高，但是斷層系內每一個斷層區段一般均顯示出上述單條正斷層的基本特徵。

基本介紹

• 中文名：岩石圈伸展模式
• 外文名：Lithospheric extension model
• 學科：沉積學
• 形式：純剪下變形和簡單剪下變形
• 模式：對稱伸展、非對稱伸展
• 屬性：伸展裂陷作用模式

簡介

從構造運動學角度來看，岩石圈的被動裂陷作用可以概括為兩種端元體制，即以 McKenzie模式為代表的純剪下變形體制和以 Wernicke模式為代表的簡單剪下變形體制。在構造變形分析中，純剪下變形是指一種共軸遞進變形，即在整個遞進變形過程中，應變主軸的方向保持不變；而簡單剪下變形是一種非共軸遞進變形，在整個遞進變形過程中應變主軸隨遞進變形的發展而發生改變，用一疊卡片可以很好地模擬這一過程。右圖概括了大陸岩石的各種伸展模式。其中 McKenzie模式和 Wernicke模式是盆地定量模擬的基礎，也是進一步研究更為複雜的地殼伸展變形作用的基本出發點。

對稱伸展作用和 McKenzie模式

McKenzie(1978)模式有兩個重要的假設：

① 假定地殼和岩石圈的伸展量是相同，即均勻伸展假設；

② 伸展作用是對稱的，不發生固體岩塊的旋轉作用。由此導致的岩石圈的伸展過程中，主應變軸的方位不會隨時間而發生變化，因此，這是純剪下變形狀態；

③ 當岩石圈受到瞬時和均勻的拉伸作用而變薄時，熱的軟流圈為了保持岩石圈均衡而被動上隆，此時，如果大陸岩石圈的初始表面相當于海平面，可以得到機械伸展造成的沉降量和隆起量。

基於上述假定，McKenzie(1978)提出了均勻伸展定量模型，基本的要點是：

(1)盆地的總沉降量由兩部分組成：其一是由初始斷層控制的沉降，它取決於地殼的初始厚度及伸展係數 β；其二是岩石圈等溫面向著拉張前的位置鬆弛，從而引起的熱沉降，熱沉降只取決於伸展係數 β大小。

(2)模擬結果表明，斷層控制的沉降是瞬時性的。由於熱流值隨時間而減小，因此，熱沉降的速率隨時間呈指數減小。一般情況下，大約 50Ma後，岩石圈的熱流值將降低到其初始值的 1/e，因此，裂谷活動停止以後，熱流值對 β的依賴程度很小。

將盆地的沉降區分出斷層控制的同裂陷期(synrift)沉降和熱作用控制的裂後期(postrift)沉降是 McKenzie均勻伸展模型的最主要的貢獻，它揭示了岩石圈裂陷作用所導致的盆地沉降的普遍特徵。許多盆地的實例顯示出上述盆地沉降特徵的普遍性。我國東部幾個典型伸展型斷陷盆地均顯示出斷 -坳型或“牛頭”型結構，實際上這種結構就代表了上述兩階段的沉降模式，即斷層控制的同裂陷期(synrift)沉降和熱作用控制的裂後期(postrift)沉降。應該明確，由 McKenzie均勻伸展模型預測的地殼伸展係數 β、初始沉降以及熱沉降與地質觀測結果存在誤差。實際的地殼伸展量和初始沉降量要比根據McKenzie模型預測的小得多，而熱沉降值要比根據 McKenzie模型的伸展係數 β預測的大得多(Sclater等，1980)。因此，在 McKenzie均勻伸展模型之外，許多學者又提出了不少的改進模型(RoydonandKeen，1980)，如隨深度變化的非連續性拉張模型或隨深度變化的連續性拉張模型等(圖 2-4)，用以研究地殼伸展量對熱沉降值和高程變化的影響。

對稱伸展作用導致盆地兩側對稱構造的發育，如果盆地的發育進入到大陸漂移階段，裂谷張開的中心將與洋盆擴張的中心一致。

非對稱伸展作用和 Wernicke模式

Wernicke(1981，1985)在北美西部盆嶺區變質核雜岩構造研究的基礎上提出了一個岩石圈伸展模，認為岩石圈的伸展作用可以通過一個巨大的、貫穿整個岩石圈的低傾角剪下帶來實現。因此，低角度正斷層構成了許多伸展構造區內的主體構造。這種斷層可以發育在中地殼構造層內，也可以切穿整個岩石圈。從構造變形的角度分析，這種低角度正斷層是由地殼或岩石圈內的簡單剪下變形作用而形成的。在簡單剪下變形作用下，岩石圈變形過程中主應變軸的方位隨時間發生了遞進變化。

與純剪下狀態下對稱的伸展作用不同，這是一種非對稱的伸展變形狀態，盆地構造上表現為盆地兩側或被動大陸邊緣兩側構造幾何學可以完全不同。與純剪下作用的顯著區別是：簡單剪下產生強烈不對稱構造，殼幔明顯拆離，地殼變薄區和地幔變薄區位置顯著不一致，岩石圈的伸展作用通過低角度的剪下帶從一個地區的上地殼轉移到另一個地區的下地殼或地幔岩石圈中，這就必然會導致斷層控制的伸展帶與軟流圈的上涌帶發生分離。Wernicke模式可以解釋一些盆地的形成機制問題，但是難以解釋空間上同裂陷沉降和裂後熱沉降重疊一致的盆地的形成機制。

聯合剪下模式

McKenzie模式描述了岩石圈伸展的一級回響，假設岩石圈是局部 Airy均衡，且隨深度均勻拉伸，忽略了基底斷裂在岩石圈伸展過程中的作用。相反，Wernicke模式中，假設緩傾的剪下面切過地表，穿過整個岩石圈進入軟流圈。深層反射資料表明，在大陸岩石圈伸展和裂谷盆地的形成過程中，大的基底斷裂非常重要，控制了不對稱盆地的發育。這些大的基底斷裂一般局限於上地殼地震層內，延伸到下地殼後，脆性破裂 變形被彌散式韌性變 形作用所代替(Barbier，1986；Kusznir等，1991)。在下地殼和地幔韌性變形區，岩石圈伸展是通過純剪下(即上述彌散式韌性變形)，而不是岩石圈上部的簡單剪下作用來完成的。因此，大陸岩石圈的變形是簡單剪下作用和純剪下作用共同作用的結果。

上地殼脆性斷裂，下地殼和上地幔岩石圈呈純剪下變形的簡單 -純剪下拉伸模式是目前人們廣為接受的岩石圈拉伸模式。Kusznir等(1991)曾詳細論述過撓曲懸臂模型及大陸伸展和沉積盆地的形成機制。Lister等(1991)系統論述過大陸伸展、被動大陸邊緣形成的拆離模式，並以此解釋被動大陸邊緣構造的不對稱性。在拆離 -純剪下模式中，地殼的拉伸是沿低角度的拆離斷裂進行的，盆地的構造樣式明顯具有不對稱性，而地殼之下的上地幔則是純剪下變形的，上地殼的脆性斷裂可以用撓曲均衡或“多米諾骨牌(Domino)”等模式進行模擬計算(Lin等，1997)。

作用結果

岩石圈伸展作用是形成伸展型盆地的重要因素。伸展型盆地中斷層區段式活動和構造轉換帶不管在何種尺度上，正斷層系一般由多個斷層區段(segment)組成，並由上下盤內發育的局部高地和凹陷表現出來。儘管位移梯度在區段邊界處可能比較高，但是斷層系內每一個斷層區段一般均顯示出上述單條正斷層的基本特徵。露頭和實驗研究表明，在整個斷層帶內最大位移和斷層最大長度之間的比例關係(即所謂的 D-L分布圖，D：最大位移；L：最大長度)與單一區段的斷層的 D-L關係一致，相鄰斷層區段 D-L圖常常是不對稱的階梯形。這些特徵表明一個斷層系的各個區段之間在運動學上是相互關聯的，斷層系是通過各個原先是孤立的斷層區段的擴展和連線而形成的。當雁列式斷層垂向和側向擴展時，在斷層疊合部分形成構造轉換帶。

構造轉換帶發育於相鄰的分段活動的斷層之間，是伴隨斷層活動而形成的一種構造形式。它通常表現為轉換構造脊、轉換斷層、傳遞變形帶、傳遞斷坡等形式。由於構造轉換帶對入盆水系起著非常顯著的控制作用，因而對同裂陷地層和盆地內砂體的分布也有著明顯的影響。同時構造轉換帶構造類型複雜，是盆地內潛在的有利圈閉發育區，因此，盆地內轉換帶構造的研究對油氣勘探非常重要。

構造轉換帶可以發育在相鄰的盆地之間，也可以發育在同一盆地內部相鄰的主斷裂之間。前者被稱之為盆間轉換帶，一般為幾千米 ～幾十千米規模，連線兩相鄰的斷陷盆地，後者被稱之為盆內轉換帶，一般為幾百米 ～幾千米規模。