纵向伸展断背斜类型及成因

陈发景，陈昭年

(中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

0 引 言

纵向伸展断背斜按照断背斜的几何形态将其划分双断型断背斜、单断型断背斜和叠合y型断背斜三类。关于这三类伸展断背斜成因，前人曾进行过详细的阐述和研讨，有不少重要成果，对这三类伸展断背斜成因前人存在不同看法。归纳起来，有两种不同意见，特别是关于纵向叠合y型断背斜的成因分歧更大。第一种看法是由于伸展作用造成，对向、背向和同向伸展断陷的几何形态[1]，简单剪切和纯剪切的不同运动学方式是造成这三种不同类型的主因。与此相反的另一种意见认为这三类是由于走向滑移活动造成的[2-3]。本文根据最近查阅的资料，认为第一种看法的证据比较充分，并在此基础上进一步研究并提出了一些新的补充意见，例如，在伸展作用断块下降过程中岩层局部缩短作用对这三类构造起了较大的作用。此外，为了更好地加深理解纵向伸展断背斜成因，除了讨论成因本身外，还讨论了在某些方面几何形态与纵向伸展断背斜相似，但成因根本不同的构造类型，如斜向叠合y型走滑-伸展断背斜。

1 双断型断背斜

双断型断背斜是发育于两个对向倾斜的正断层控制的双断型(地堑式)伸展断陷中部的大型纵向断背斜，并非曾经认为的两个伸展断陷之间的地垒型凸起。

黄骅坳陷南段分布孔店凸起带即为双断型断背斜的典型实例。在剖面上位于沧东正断层和徐黑东正断层组成双断型伸展断陷的中部[4]，在平面上它位于控陷正断层断距最大处，往北东方向延伸至断层末端分布羊三木-扣村横向凸起调节带，往西南延伸至断层末端，分布舍女寺横向凸起调节带(图1(a)和(b))。

图1 黄骅凹陷南区地质横剖面及位置图(据周建生，1997)Fig.1 Geological profile and location map of the southern Huanghua Depression(a)黄骅坳陷伸展构造体系示意图；(b)黄骅凹陷南区地质剖面图

关于双断型断背斜的形成机理，依据断陷中部早期的孔店组二段深湖相沉积表明，早期不是两个分隔的而是统一的凹陷背景，因而推测双断型断背斜的形成机理是在两条正断层下滑过程中岩层长度局部缩短，并在晚期才发生沉降差异和断块翘倾作用[5]。如图2中所解释的那样。岩层沿正断层下滑引起长度缩为L0-L1即d1+d2的距离，为了适应岩层长度缩短空间，因而导致背形状弹性挠曲，但是只有这种岩层下降程度达到组成背斜的弧形长度才能发生。缩短距离越大，背斜的幅度也越大。由于这种原因，它常发生在两个正断层下滑程度最大处，沿断层走向向两端延伸，背斜形态消失，代之以横向调节构造。因而这种双断型断陷(地堑式)在空间分布是孤立和不连续的，形成时间与区域伸展作用同时。它与区域挤压作用形成的背斜在性质上有根本区别，后者在空间分布上是连续的、成排成带分布，形成时间则是在伸展作用结束之后。为此可将双断型断背斜的形成原因归结为区域伸展作用过程中岩层长度局部缩短作用，以此区别区域挤压作用形成的背斜。

图2 伸展双断型断背斜的形成横剖面示意图Fig.2 Sketch profile showing the formation of double-faulted anticline

对这样的形成机理也可以从前陆盆地中发育的晚期正断层(或称滞后正断层)得到间接的验证。例如在塔里木盆地晚近纪晚期受到区域挤压作用形成的前缘隆起中，由于岩层沿轮台和亚南两条背向逆冲断层以及其间的雅1号和亚南两条背向逆冲断层上冲，从而使其长度增长而分别形成断向斜，如图3(a)和(b)所示[6-7]，表明虽然伸展断陷中的双断型断背斜(或形象地称之为堑中隆)和挤压前陆盆地前缘隆起中的断向斜(或形象地称之为隆中堑)两者的构造性质和形成机理相反，但他们有一个共同的属性，即他们的形成与岩层局部缩短和伸长有关。

图3 TBB-85-NW444测线剖面及其位置图(据汤良杰，1989)Fig.3 TBB-85-NW444 seismic line profile and its location map

2 单断型断背斜

单断型断背斜通常称之为逆牵引背斜，是分布于裂谷期单断型(半地堑式)断陷中控陷断层下降盘一侧的断背斜。实例有岐北凹陷的马西逆牵引背斜(图4)。在剖面上，其特征为不对称背斜，分布于港东断层的下降盘。断背斜的陡翼临近正断层一侧，缓翼远离正断层一侧。背斜轴的连线与正断层近乎平行。在平面上，它分布于临近港东断层一侧下降幅度最大处，沿断层中心走向向两端延伸，断距减小，背斜消失，至断层末端，发育横向背斜，如图1所示。

图4 马西逆牵引背斜地震解释剖面图(据王夑培，1990)Fig.4 Seismic interpretation section of the Maxi reverse traction anticline

对于这类单断型断背斜的成因，前人曾做过多种解释。主要有：(1)控陷断层下降盘一侧，岩石下滑过程中以逆牵引方式向断层空间回倾，形成逆牵引背斜[8];(2)在靠近正断层附近和远离处，由于岩层差异沉降作用形成[9];(3)由于岩层沿断层下滑时弹性挠曲形成[10]。除了上述因素外，在岩层沿断层下滑过程中，局部缩短作用仍然起着重要的作用。如图5所示，下降过程中岩层长度缩短L0-L1=d1的距离，为了适应缩短距离发生背斜变形。在临近正断层一侧砂泥岩层中泥岩比较高，下降幅度大处，易形成逆牵引构造，而在厚度大地区冲积扇扇三角洲发育处，砂层在砂泥岩中占比较高地区易形成鼻状构造。这种不对称背斜仅分布在正断层一侧岩层下降垂向最大处和泥岩在砂泥岩层中占比较高地区，造成这种差别的原因是软泥岩占优易造成岩层缩短时发生弹性挠曲作用。

图5 单断型断背斜形成示意剖面图Fig.5 Sketch profile showing the formation of single-faulted anticline

3 叠合y型断背斜

这类叠合y型断背斜分布于裂谷期后对称断陷中，是由其中众多的次一级叠合y型断裂组成的断背斜。它呈现为多个后期次一级的y型断裂套叠在前期规模较大的一级y型断裂中，其中夹持的背斜向下塌陷呈包心菜状。在黄河口凹陷和渤中西洼曹妃甸12-6油田均发育此类断背斜(图6和图7)。这类叠合y型断裂及其间背斜的形成，作者推测与(Jackson,1987)认为的大陆伸展运动学纯剪切模式有关(图8)[12]。其特征是拉张应力最大主应力轴δ1是垂直的，在拉张作用下水平岩层产生两条对称的呈y型共轭断层。在拉张继续作用下，伸展应变主应力轴保持垂立不变。因而产生对称的叠加y型断裂。主应力轴垂立一直保持不变与控制断陷的正断层不发生旋转有关。

图6 黄河口凹陷地震剖面显示叠合y型断裂及其间背斜(据陈发景，2008)Fig.6 Seismic profile of the Yellow River estuary depression,showing the superimposed y-type faults and anticlines among them

图7 渤中西洼叠加y型断裂及其间断背斜剖面图(据李龙等，2018修改)[11]Fig.7 Sketch profile of the superimposed y-type faults and faulted anticlines among them in the western Bozhong sag

图8 伸展运动学的纯剪切和简单剪切模式示意图(据Jackson A,1987)Fig.8 Sketch map showing pure shear and simple shear models of extension kinematics

值得注意的是这类纵向伸展断背斜与斜向走滑-伸展断背斜容易混淆，他们在成因上存在根本性差别，后者不属于纵向伸展背斜的范畴。

例如在辽东湾滩海地区东部凹陷东斜坡邻近燕南走滑-伸展断层一侧的走滑-伸展叠合y型断背斜(图9(a))。其剖面特征与前述黄河口型纵向纯伸展叠合y型断背斜完全一样，看不出任何差异，但在平面图上的构造样式显著不同。其呈雁行排列的走滑-伸展叠合y型断背斜带轴向与控制其形成的主走滑-伸展断层以锐角相交而非平行(图9(b))，因此，它不属于纵向伸展背斜的范畴，应加以区分。

图9 辽河盆地燕南构造走向—伸展叠合y型断背斜(据邱华标，2011)Fig.9 Yannan strike slip-extensional superimposed y-type anticlines in the Liaohe Basin

将控制此类断背斜的走滑-伸展断层与纯走滑断层派生的构造型式比较可以看出，它们在平面上相似，即主断层与派生的正断层以锐角相交，如图9(b)所示。由图9(a)和图10还可以看出它们之间有以下明显差别，即(1)走滑-伸展主干断裂倾角中等，而纯走滑断层直立和高角度；(2)走滑-伸展叠合y型背斜带呈包心菜状，而纯走滑断层与派生的正断层组成的样式呈负花状构造[13]；(3)主干走滑-伸展断层对前期伸展断陷改造程度轻微，前期断陷形态保持良好，而主走滑断层对前期伸展断陷改造剧烈，前期断陷形态已无法识别[14]。

图10 辽东湾坳陷东部边缘横剖面图(据漆家福，1995) Fig.10 Cross-section across the eastern margin of the Liaodongwan depression

根据上述特征，推测斜向走滑-伸展叠合y型背斜带既不是由于纯走向滑动(即完全是水平位移)活动作用，也不是纯水平伸展作用(即完全是垂向位移)产生的。关于其成因，邱华标[15]进行了详尽的和非常有意义的讨论，认为燕南主干断裂既非纯走滑断层，也非纵向纯伸展断层，而是走滑-伸展断层，既有垂直位移分量，也有水平位移分量。因此，可将燕南这一类断层称为走滑-伸展断层，将燕南这一类背斜带称为走滑-伸展叠合y型背斜带，它们是走滑和伸展共同作用的产物。

McClay等[16]曾根据实验室模拟实验和对比，证实了这一观点，即纵向伸展叠合y型断背斜和斜向-走滑-伸展叠合y型断背斜分别是由于伸展作用和走滑-伸展作用不同活动造成的。综上所述，应当严格区分伸展作用造成的叠合y型断背斜，走滑-伸展作用造成的叠合y型断背斜(或称对称顶部垮塌的包心菜状构造)和走滑活动造成的负花状构造这三类不同成因构造。近年来，一些石油地质学者也曾研究叠合y型断背斜的成因。他们多数倾向于这类构造是张扭或扭动作用造成的，并称之为复合负花状构造，忽略了纯张性作用的成因。例如黄雷[17]认为张扭作用是造成复合负花状构造形成的原因。刘晓峰等[18]提出的南堡凹陷的背型负花状构造也需要进一步鉴别，从图形上看，它可能是纵向或斜向叠合y型断背斜。

4 结论与讨论

纵向伸展断背斜的成因是一个非常复杂的难题。尽管有很多研究，但仍然难以窥其全貌，本文中所提出的认识仅仅是为了抛砖引玉，促使进一步研究。为了更好地研究，提出了注意以下问题：

(1)裂谷期不对称伸展断陷和裂谷期后对称伸展断陷均与纵向伸展断背斜发育有密切联系。裂谷期伸展断陷中控陷主断层向下延伸较深，数目相对较少。裂谷期后伸展断陷中主断层除部分继承裂谷期构造层向下较深外，部分为新生向下延伸较浅外，数目相对较多和密集，范围也较裂谷期范围大。裂谷期的对称伸展断陷主要发育双断型断背斜和单断型断背斜，其形成可能与裂谷期前基底断裂特征有关。一般而言，双断型断背斜受对向倾斜基底断层控制的断陷的控制，开始呈对称状，而后很快演化为两个对向单断断陷，而单断型断背斜与背向倾斜和同向倾斜的基底断裂形成的伸展断陷有关。而裂谷期后对称状伸展断陷发育叠加y型断背斜。

(2)控制双断型伸展断陷(地堑式)的两条对向倾斜的主干正断层下滑速率必须是一致的。根据沉积厚度分析，很多断陷基本上仍然是半地堑形态。

(3)渐新统和晚第三纪-第四纪裂谷期后对称伸展断陷以纯剪切方式运动，广泛发育纵向伸展叠合y型断背斜带，而古、始新世裂谷期不对称断陷以简单剪切方式运动，发育单断背斜，不出现纵向伸展叠合y型断背斜带。造成这种差别的原因目前仍难以确定。设想有这种可能，即早期与西太平洋板块俯冲作用有联系，由于俯冲，在我国渤海湾地区发育多幕伸展运动，到后期在早期断陷强烈沉降活动基础上发育地幔柱(或地幔隆起)，因而导致以纯剪切方式运动产生裂谷期后伸展断陷和其中发育的纵向伸展叠合y型断背斜。是否如此，需要进一步研究。

(4)渐新统和晚第三纪-第四纪走滑-伸展叠合y型断背斜发育的因素必须是由伸展作用和与之密切联系的走向滑移共同活动造成的，仅靠剖面分析，常常会将其误认为是纵向伸展叠合y型断背斜带。此外，如仅靠平面上呈雁行排列样式，也会误判是纯走滑活动派生的，建议将平面和剖面结合起来，同时根据区域背景进行综合分析。