铲形正断层形态影响因素及特征

钟荣全

摘 要：铲形正断层是一种重要的构造类型，与油气勘探，灾害预测等都有着密切的联系。本文通过探讨铲形正断层形成影响因素及过程，研究构造空间形态。得到如下认识：（1）铲形正断层的影响因素复杂多样，影响构造形态的主要因素是岩石力学性质，岩石力学性质则受外部环境影响较大。（2）与铲形正断层相伴生的构造按照空间形态可以简单分为牵引构造，逆牵引构造和滚动构造。（3）铲形正断层的次级构造十分发育，常在上盘发育同向和反向断层，特殊的发育回滑构造。

关键词：伸展构造；铲形正断层；影响因素；几何形态

一、前言

铲形正断层是一种发育于伸展环境中的构造样式，它的断层面呈弧形，倾角从上之下逐漸变小，最后一般消失于具有滑脱性质的层位。在我国，铲形正断层广泛发育，特别是在我国东部中、新生代盆地中，如巴彦浩特盆地，渭河盆地，渤海湾地区。目前，对于铲形正断层的认识，主要是通过人工地震，地表野外观测和钻井数据等。前人通过对这些资料数据分析[1]，建立了多种几何模型，如水平断距不变模型、位移距不变的模型、层长守恒模型、滑移线模型、斜向剪切模型等，以定量化探讨铲形正断层断面隐伏的位置。另外，随着构造物理模拟技术的发展，对上盘的质点位移进行观测，帮助了我们很好的认识了铲形正断层的运动方式。但是由于铲形正断层尺度，构造层次均存在着较大的差异，发育的构造环境也复杂多样，对于铲形正断层形态影响因素还存在着不足。本文将在前人研究的基础上，对形态影响因素进行总结，分析其上下盘构造基本形态，以期待提高对铲形正断层的认识。

二、影响因素及过程

铲形正断层广泛发育了不同层次、不同尺度中，其形态复杂多样，所以对于铲形正断层的影响因素解释仍然是一个难题。

目前，较多学者是通过力学分析对铲形正断层的构造形态进行解释。根据库伦剪切破裂的原则，许浚远[2]等认为控制断层形态的主要因素包括岩石力学性质、沉积层内普遍存在的异常地层压力、沉积压实作用，次级构造发育引起的局部应力状态的变化，岩石垂向上的分布等。但是岩石力学性质是影响铲形正断层构造形态的本质因素。岩石的力学性质包括岩石本身的性质，如岩石的结构、构造、成分；和地质环境因素，如流体、温度、围压、孔隙等。外部因素是控制岩石的力学性质的重要因素。铲形正断层在运动的过程中上盘块体在凹面上滑动并旋转，倾角会发生改变，同断层沉积物岩性、岩相及厚度变化大，上覆压力也会发生改变，从而改变了岩石的围压，使得力学性质发生改变。另外，随深度增加，温度逐渐升高， 岩石强度也向下减小，岩石塑性加强，剪切破裂角也发生改变。尽管像这些外部影响因素还有很多，然而在每个时期、范围都有一个主导性的因素。如浅部与深部的形态存在着较大的变化主要是因为温度和围压的变化，其他的外部因素只是局部变形的影响因素。

在变形过程中岩石各个部位应力状态存在差异。上部表现为张破裂，中、下部为剪切破裂；断面力学性质自上而下由张性、张剪性、纯剪性过渡到压剪性[3]。库伦剪切破裂能大致说明岩石的剪切作用，但是对于上部张性破裂却不能很好的解释。陈强用二次曲线型莫尔准则的滑移线场理论[3]，较好解释了铲形正断层上部张性破裂的力学机制，描述了地壳上部的脆性变形区的脆性破坏以及地壳上部-深部的过渡变形区的脆-韧性转化。经过研究，他认为岩层的铲形断层的形成与岩层重力滑动的坡度、岩石强度、滑动系统厚度、孔隙压力以及润滑层有关。

与统一应力场下形成的铲形断层观点不同，陈开平[4]则认为铲式正断层是先存平面断层在变形演化过程中发生了旋转变形而形成的，具有一定的阶段性。铲形正断层原本是平面的，后期由于构造运动的演化和断层变形的差异性，上盘上部旋转变形小，下部旋转变形大。因此造成了上陡下缓的构造格局。

综合上述，关于铲形正断层是一次性形成的还是分阶段形成的还存在着较大的争议。一次性成因说需要解决的是能量问题。在铲形正断层形成时，是否有足够的能量使断层破裂。而多阶段成因说则需要解决的是不同阶段的空间形态关系和地层沉积等多方面的耦合关系。目前，虽然不能对其过程进行正确的认识，但是对于形态的影响因素还是可以进行大致判断的，笔者以为，铲形正断层形态总体上是受岩石本身的力学性质和岩石周围的温度和压力等大环境因素共同影响。由于这些因素使得岩石的脆塑性差异，导致了岩石的变形方式多种多样。而其他因素只是影响岩石的局部变形，或者说是影响范围较小。

三、形态特征

铲形正断层的影响因素复杂多样，铲形正断层上下盘的几何形态也十分丰富。

上下盘发育的构造类型可以大致分为牵引构造，逆牵引构造，滚动背斜。

（一）牵引构造

牵引褶皱常发育于构造封闭较强环境中，由于强烈的封闭性，上下两盘的摩擦力较大，在断层面附近，会产生严重的拖拽现象，使得周围地层发生弯曲变形，上盘形成向斜，下盘形成背斜。上盘由于岩石性质的影响因素，次级构造发育的差异加大。当上盘岩石发育有膏盐物质或者粘土等塑性物质时，上盘主要以向斜构造为主，次级构造发育较差或者不发育。若上盘岩石为脆性物质，则上盘次级构造发育，会发育同向断块结构，即盆地边缘一侧的断块下降较快，盆地中心下降较慢。评价牵引构造的变形程度，往往可以通过计算靠近断层端的滑移量与远离断层端的滑移量的比值[5]。当比值较小时，断层附近的岩层运动较弱，后端岩层运动较强表现为强烈的拖拽。当比值较大时，前后端运动的情况趋于一致，拖拽作用较弱。

（二）逆牵引构造

与牵引构造的几何形态不同，逆牵引褶皱上盘发育背斜，下盘发育向斜。铲形正断层的各个部位存在着不同的应力情况，中部至末端存在着一种挤压剪切-挤压的应力状态，上下盘在挤压剪切应力的作用下会发生弯曲。上盘则由于上盘各处不均一重力作用，会发生向下的弯曲。为达到力学的稳定状态，下盘地层会发生向上弯曲。随着断层的运动，弯曲程度会增加，发生的次级构造也会增多。但是，由于上盘构造空间形态的影响，上下盘褶皱弯曲程度不同，主要表现为相关褶皱的宽度和幅度的差异。往往上盘的牵引褶皱的幅度会高于逆牵引褶皱的幅度[6]。

（三）滚动背斜

滚动构造是一种单侧逆牵引构造，上盘岩层发生旋转的动力学机制与上述的逆牵引构造不同。滚动式铲形正断层是在岩石进行拉伸过程中，上盘与下盘之间会产生一定的“空隙”，上盘岩石由于重力作用，发生弯曲变形形成背斜，随着运动的进行滚动背斜弯曲程度越来越大。对于大型铲形断层而言，当上盘为脆性岩石时，由于受到拉张作用的影响，使得滚动背斜地堑地垒发育；同时，反向或者同向正断层也十分发育，常常因为复杂的地质构造环境，还会发育一些次一级的断层，造成形态各异构造组合样式。滚动背斜受上部生长层的影响，发育成靠近盆地边缘一侧的断块下降较快，而盆地中心较慢的箕状断块结构。值得注意的是，上盘各层的岩石力学性质的差异性会导致形态更加的复杂。随着铲式断层上盘运动，岩石会发生倾斜，当达到一定程度，上覆岩层就会沿软弱岩层进行滑动，从而形成一种特殊的构造—回滑构造[7]。与滚动背斜运动产生的拉张构造不同，这种构造是受局部重力影响，常发育于浅部，也发育有同向和反向的断层。

四、结论

1.铲形正断层影响因素繁多，主要受控于岩石力学性质。岩石的力学性质同时又受到周围环境的影响。外部因素则在不同的时空范围内，存在着某些主导因素。如地下深部与浅部之间形态差异主控因素是温度和围压。

2.上下盘构造形态复杂多样，可以简单的将构造分为牵引构造，逆牵引构造和滚动背斜。

3.铲形正断层次级构造发育，多发育同向和反向断层，特殊的发育回滑构造。

参考文献：

[1]William F.Dula.Jr. 铲状正断层的几何模型与滚动褶皱[J].国外油气探勘， 1993， 5（3）： 253-289.

[2]许浚远，杨东胜，陈国童. 渤海湾盆地铲形正断层及其次级断层组合成因[J].石油勘探与开发， 1996， 23（5）： 37-39， 83.

[3]陈强. 铲式断层的构造力学分析[J].地质学报， 1987， （4）： 296-307.

[4]陈开平，马瑾. 铲式断层形成演化的动力学机制及其数值模拟[J].地震地质， 1996， 18（2）： 116-118.

[5]G.willams. 铲状正断层的几何形态及上盘变形[J]. 国外油氣勘探， 1991， 3（1）： 20-28.

[6]Roy w.schlische，贺纪新. 张性环境中与断层相关的褶皱的几何形态及成因[J].国外油气勘探， 1997， 9（1）： 25-42.

[7]陈书平，季弘莹，李伟. 东濮凹陷铲式正断层回滑构造及油气意义[J].石油地球物理勘探， 2016， 51（4）： 8， 831-840.