正断层的形成环境
正断层的形成环境
张继恩/中国科学院地质与地球物理研究所
断层是地球表面最基础的构造现象之一，依据断层面两侧的岩石的相对运动特征被分类为正断层（normal fault）、逆冲断层 (thrust fault) 和走滑断裂 (strike-slip fault)。很多时候，人们认为这些断层与构造应力场有对应关系，比如正断层对应着伸展环境、逆冲断层对应着挤压环境。
实际上，某构造作用所影响的区域内，会由若干条断层组成，它们相互协调以达到吸收构造作用所引起的位移量。地表中发育的构造都是已经存在了若干年的现象，意味着它们是经历过：形成阶段和后期改造阶段构造作用的结果。该文将聚焦探讨正断层的形成环境，不谈及其成因。正断层是三大断裂之一，在盆地内和造山带中均有发育，不仅涉及到洋-陆转换过程，而且影响到资源能源的储集和改造，对其认识在社会生产和理论研究方面有着积极意义。按照经典定义，脆性构造域的正断层指倾角在约60度左右的高角度滑动；而拆离断层的倾角则小了许多，只有约30度的倾角，因此其又可称为低角度正断层（Zheng et al., 2011）。无论属于上述的哪种情况，正断层可以指上盘的岩石沿断层面相对于下盘做向下运动而形成的断层（图1，2，3）（张文佑等，1981）；假设断层面两侧的岩石的位移量分别为s上盘和s下盘，向上运动为正值，那么：
正断层可表示为：
位移量是一段时间内的速度总量，即：
由于露头不能将时段内所有信息都展现出来，意味着短时间内的运动并没有全部刻画出来，不能将速度与位移量直接对等。不过考虑到将问题简化的目的，此处将某一方向的运动划归为某时段。假设运动速度分别为V下盘和V上盘，由方程1和2，得到如下方程
正断层就是上盘相对于下盘做负值的运动，即
因此，满足方程3运动特征的断层面则可能是真正意义的正断层、也可以是视正断层；这类视正断层只是表示断层面两侧的物质有个相对向下的运动。其判别标志很多，常用的有（图1）：擦痕、标志层、拖拽构造和“σ”构造、岩石①相对于岩石②拥有更老的年龄或更高的变质程度等。但是，在古老地质体中，这种相对运动是通过在断层面上及断面附件留下的痕迹进行判别的，可惜不能够真正意义上地区分是下文所谈到的哪种正断层。
图1 正断层及其构造要素示意图。其中指示断层运动方向的标志有：擦痕、标志层、岩石①和②之间的变质程度或年龄差异等。
图2 白垩纪地层中发育的正断层，注意标志层之间的错动特征，错距约50 cm。拍摄自内蒙古雅布赖红柳沟。
图3 地垒构造，正断特征由标志层所指示，断距均小于1 m。正断层发育在侏罗纪地层中，其上被白垩纪砾岩角度不整合覆盖，注意此处白垩纪地层未发育断层。拍摄自内蒙古雅布赖红柳沟。
根据方程3的表达，包括有五类正断现象，下文分别展开：
（1）真正的正断层，即主体都是正断层构造，代表着伸展环境。这种构造可以出现在被动陆缘环境（图4）以及裂谷环境（图5）。被动陆缘处于非挤压状态，重力起着重要的作用，一些重力不稳定位置就会发育相应的伸展正断层构造，如大西洋内格林兰东部被动大陆边缘（图6）。裂谷由于处于伸张状态，假设体积没有变化，由于厚度的减薄，地质体的平面表面积相应增加，这时就会有大量的伸展构造，即真正的正断层。如东非大裂谷，它孕育着新的被动大陆边缘（图5）。
图4 被动大陆边缘结构示意图，大陆地壳中发育大量正断层，修改自Tasa Graphic Arts (2002)。
图5 东非裂谷系构造简图，展示了整体伸展环境下的正断层构造系、以及亚丁湾和红海初始洋壳的扩张 (修改自Marshak, 2005)。
图6 格林兰东部被动大陆边缘地震剖面，显示地壳的基底和上覆沉积物发育大量的正断层，为伸展环境的构造样式。（Dinkelman et al., 2010）
（2）走滑断裂系中的正断层（图7）(Woodcock and Fischer, 1986)。在走滑断裂体系中，由于断层带的复杂性，由众多雁列式排列的破裂面相连接，形成转换挤压（transpressional）和转换伸展（transtensional）构造部位（图8）。这种转换伸展构造部位会使得体积不变的情况下增加其平面表面积，断面的上下盘处于伸展状态，形成正断层。
图7 走滑断裂系中转换伸展构造，由正断层组成负花状构造；a-c表示断裂演化过程。 (Woodcock and Fischer, 1986)
图8 （上图）白垩纪地层中发育的正断层，正中位置发育小的地堑，以标志层之间的正断错动为特征，学者为比例尺。右侧断面处发育擦痕（下图），显示断层早期为走向滑动，晚期具正断特征，注意白色箭头所指示的擦痕的叠置关系。拍摄自内蒙古雅布赖红柳沟。
图9 藏南高喜马拉雅变质结晶岩系通过楔状挤出构造方式折返，其南侧主中央断层为逆冲断层，北边缘则为拆离断层，表现为正断特征，修改自Wang et al. (2016)和Yin (2006)。
图10 藏南拆离断层带特征，（a）高喜马拉雅变质岩与特提斯喜马拉雅砂岩和灰岩产出于同一高度，但二者的变质程度不同，揭示二者之间发育拆离断层。在拆离断层带中发育韧性变形构造，如云母鱼构造（b）和石英优选排列方向（c），指示向NE方向的运动。修改自Wang et al. (2016)
（3）楔状挤出构造（wedge extrusion）或隧道流（channel flow）类型中的正断层。在造山带中，处于更深部的物质具有更显著的流动性，它们在受挤压情况下，通常向压力更小的区域迁移，这时形成的一种构造通常具有：迁移地质体的下伏构造面为逆冲推覆构造，使得这些更深部物质能够到达浅表；而上覆构造面则是为正断，表达着流动性更强的深部物质向上迁移的特征。这样的实例相对较多，比如：藏南的基底岩石的折返构造就被解释为这种情况（图9）(Wang et al., 2016; Yin, 2006)，高喜马拉雅变质结晶岩石与特提斯喜马拉雅砂岩和灰岩共同出露在同一海拔高度（图10a），拆离断层中发育正断特征的剪切标志（图10b-c）(Wang et al., 2016)。
这种楔状挤出构造，如果将下边缘构造面（逆冲断层）的产状顺时针旋转一定角度，就会得到结构面倾向于浅变质的物质，此时就是常说的穹窿（dome）构造了（如图11：藏南雅拉香波穹窿）(张进江等, 2007)。深部流变性更强的物质可以是增生楔中的高级或高压变质岩、也可以是新的岩浆等。它们将其上的物质拱出来，如果遇到了古老的基底岩石，就形成了变质核杂岩。从这个角度来考虑的话，那么变质核杂岩就不能够确切地反映该位置是区域性的伸展构造。
（4）逆冲断层被褶皱。造山过程中，最开始形成的库伦楔逆冲断层可以认为是平直的、且向某一方向运动；在遭受了后期褶皱影响后，早期的断层面发生褶皱，褶皱某一翼的断层面产状仍保持原有倾斜方向，仍然为逆冲断层；而褶皱某一翼的断层面的倾斜方向发生改变，原有逆冲构造则以为正断特征呈现；但实际情况是此时仍然为逆冲断层，处于挤压环境，如阿尔卑斯造山带中的一些逆冲推覆构造（图12，图13上图）。以位于瑞士Meiringen南部Helvetics构造带内的Weissenbach滑脱断层为例，其上盘为Lasistock推覆体的塑性变形的灰岩，下盘为沉降在Wellhorn推覆体和Aar结晶岩系之上的第三纪脆性变形的钙质砂岩（图13左下图中黄色标注部分）之上。该断层面由于Aar结晶岩系隆升而发生褶皱，使得褶皱北翼的断层面倾向于北北东向，断层带中的S面理指示Lasistock推覆体相对于第三纪钙质砂岩发生正断的运动（图13右下图）。
另外，一些造山带的缝合带可能也有类似的情况发生，比如：中国天山的缝合带就被认为在后期发生过褶皱作用，形成了一些正断构造，假伸展作用（图14）(Xiao et al., 2013)。
图11 雅拉香波穹隆构造地质图及其剖面。早期的拆离断层具有一致的运动方向（由S向N运动），它在后期发生变形，造成其北侧具有正断特征。在穹隆隆起过程中，在南北两侧形成了新的正断层。 (张进江等, 2007)
图12 阿尔卑斯造山带结构剖面图，展示了Frontal Pennine逆冲断层在后期的构造作用下在Helvetics构造带内发生褶皱，褶皱北西侧的逆冲断层呈正断特征 (Boyer and Elliott, 1982; Thornton et al, 2018). 图13的位置位于Lasistock推覆体处。
图13 （上）瑞士Plaun Segnas Sut地区发育的Glarus逆冲断层，二叠纪-三叠纪Verrucano群（深色）逆冲在侏罗纪-白垩纪灰岩和复理石（浅色）之上，该断层错距超过100 km。照片来自Wikipedia （https://en.wikipedia.org/wiki/Glarus_thrust）。（左下）瑞士Meiringen南部Helvetics构造带内发育的滑脱断层（Weissenbach断层），Lasistockschuppe（Lasistock推覆体，塑性变形的灰岩）逆冲推覆在第三纪脆性变形的钙质砂岩（图中黄色标注部分）之上，后者沉积在Wellhorn推覆体和Aar结晶岩系之上。断层面向北倾斜，呈正断特征。（右下）断面处细节特征，左侧为第三纪脆性变形的钙质砂岩，右侧为塑性变形的灰岩。之间为宽约1 m的断层角砾带，弯曲的S面指示右侧向下运动。照片右侧为NE。图片自https://www.geos.ed.ac.uk/homes/v1nheine/previous.html.
图14 中国天山造山带结构特征，注意南天山增生楔在后期的变形过程中，缝合带发生了一定程度的褶皱。 (Xiao et al., 2013)
（5）宏观背斜中性面外弧的伸展环境的正断层。背斜由于物质的弯曲，发育一个中性面，即既不表现为挤压、也不表现为伸展，它内外的位置分别称为内弧和外弧（图15a）。内外弧处于不同的应力状态，内弧位置处于挤压状态，而外弧位置表现为伸展状态，发育正断特征的构造（图15b-c）。如西藏藏南砂岩（图16左）和闪长岩岩脉（图16右）发生褶皱后，其外弧发育的张节理充填有近垂直于边界面的石英脉或长石石英脉等。又如新疆西准噶尔野鸭沟石炭纪地层中的褶皱，其外弧发育正断层（图17左），这些断层仅局部地穿切褶皱的地层（图17右），表明断层影响的局限性，相较于褶皱来说其为次一级构造。因此，从整体来看，褶皱形成环境为挤压环境，而这些小断层和张节理则是挤压环境下的派生次级构造。
图15 （a）纯切向线应变条件下形成的褶皱的几何特征，注意有限中性面内外弧的应力差别；岩石应变的构造发育（b）张裂隙和（c）共轭剪断层。（c）外弧的共轭断层以伸展形式发育，为正断层特征。（Ramsay and Huber, 1987）。
图16 褶皱外弧发育的张节理特征。（左）三叠纪地层中砂岩褶皱后，其内弧的泥岩以发育劈理为主，外弧产有近垂直于层面的石英脉（白色），表现为伸展特征。拍摄自西藏藏南雪康村附近。（右）褶皱的闪长岩岩脉，其褶皱外弧处发育长石石英脉（白色），近垂直于边界，为伸展条件下的产物。拍摄自西藏藏南觉拉村附近。
图17 褶皱外弧发育的次级正断层。（左）石炭纪地层中发育的箱状褶皱构造，其外弧位置处于伸展状态，发育次级的正断层（右），靠近断层处的泥质岩石发生拖拽现象；注意这些断层只穿切部分岩层，并未褶皱的全部地层，表明断层发育的局部性。左图中的白色虚线表示层理，白色箭头有右图的正断层位置所在。拍摄自新疆西准噶尔野鸭沟。
综上所述，前三种正断层可以被认为属于原生构造、第四种为后期改造型、而最后一种则为派生次级构造。从这些实例可以看出，产生正断层的环境可以有多种，区域性伸展和挤压环境中均可发育，而且其构造应力场方向有着极大的不同，构造体系也有着不同的构造模型解释。正断构造是不能够单独限定构造背景的，因此，研究时需要谨慎对待之。
参考文献
1.张进江，郭磊，张波，2007, 北喜马拉雅穹隆带雅拉香波穹隆的构造组成和运动学特征: 地质科学, 42(1): 16-30.
2.张文佑、钟嘉猷、单家增、王在中，1981。俯冲还是仰冲。科学通报，23: 1442-1443
3.Boyer, S. E., and Elliott, D., 1982, Thrust systems: The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 66(9): 1196-1230.
4.Marshak, S., 2005. Earth: Portrait of a Planet, 2nd Edition: Student Lecture Art Notebook. w.w.Norton&Company: pp 1-740.
5.Dinkelman, M.G., Granath, J.W., and Whittaker, R., 2010. The NE Greenland continental margin. GEO ExPro 7(6): 36-40.
6.Ramsay, J.G., Huber, M.I., 1987. The techniques of modern structural geology: volume 2 Folds and Fractures. London: Academic Press: 309-700.
7.Thornton, J.M., Mariethoz, G., and Brunner, P., 2018. A 3D geological model of a structurally complex Alpine region as a basis for interdisciplinary research. Scientific Data, 5:180238. Doi: 10.1038/sdata.2018.238.
8.Wang, J. M., Zhang, J. J., Liu, K., Zhang, B., Wang, X. X., Rai, S. M., and Scheltens, M., 2016, Spatial and temporal evolution of tectonometamorphic discontinuities in the central Himalaya: Constraints from P–T paths and geochronology: Tectonophysics, 679: 41-60.
9.Woodcock, N. H., and Fischer, M., 1986, Strike-slip duplexes: Journal of Structural Geology, 8(7): 725-735.
10.Xiao, W., Windley, B. F., Allen, M. B., and Han, C., 2013, Paleozoic multiple accretionary and collisional tectonics of the Chinese Tianshan orogenic collage: Gondwana Research, 23(4): 1316-1341.
11.Yin, A., 2006, Cenozoic tectonic evolution of the Himalayan orogen as constrained by along-strike variation of structural geometry, exhumation history, and foreland sedimentation: Earth-Science Reviews, 76: 1-131.
12.Zheng, Y.D., Zhang, J.J, Wang, T., 2011. Puzzles and the maximum-effective-moment (MEM) criterion in structural geology: Journal of Structural Geology, 33: 1394-1405.
