正斷層的形成環境

張繼恩/中國科學院地質與地球物理研究所

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斷層是地球表面最基礎的構造現象之一，依據斷層面兩側的岩石的相對運動特徵被分類為正斷層（normal fault）、逆衝斷層 (thrust fault) 和走滑斷裂 (strike-slip fault)。很多時候，人們認為這些斷層與構造應力場有對應關係，比如正斷層對應著伸展環境、逆衝斷層對應著擠壓環境。

實際上，某構造作用所影響的區域內，會由若干條斷層組成，它們相互協調以達到吸收構造作用所引起的位移量。地表中發育的構造都是已經存在了若干年的現象，意味著它們是經歷過：形成階段和後期改造階段構造作用的結果。該文將聚焦探討正斷層的形成環境，不談及其成因。正斷層是三大斷裂之一，在盆地內和造山帶中均有發育，不僅涉及到洋-陸轉換過程，而且影響到資源能源的儲集和改造，對其認識在社會生產和理論研究方面有著積極意義。按照經典定義，脆性構造域的正斷層指傾角在約60度左右的高角度滑動；而拆離斷層的傾角則小了許多，只有約30度的傾角，因此其又可稱為低角度正斷層（Zheng et al., 2011）。無論屬於上述的哪種情況，正斷層可以指上盤的岩石沿斷層面相對於下盤做向下運動而形成的斷層（圖1，2，3）（張文佑等，1981）；假設斷層面兩側的岩石的位移量分別為s上盤和s下盤，向上運動為正值，那麼：

正斷層可表示為：

位移量是一段時間內的速度總量，即：

由於露頭不能將時段內所有信息都展現出來，意味著短時間內的運動並沒有全部刻畫出來，不能將速度與位移量直接對等。不過考慮到將問題簡化的目的，此處將某一方向的運動劃歸為某時段。假設運動速度分別為V下盤和V上盤，由方程1和2，得到如下方程

正斷層就是上盤相對於下盤做負值的運動，即

因此，滿足方程3運動特徵的斷層面則可能是真正意義的正斷層、也可以是視正斷層；這類視正斷層只是表示斷層面兩側的物質有個相對向下的運動。其判別標誌很多，常用的有（圖1）：擦痕、標誌層、拖拽構造和“σ”構造、岩石①相對於岩石②擁有更老的年齡或更高的變質程度等。但是，在古老地質體中，這種相對運動是通過在斷層面上及斷面附件留下的痕跡進行判別的，可惜不能夠真正意義上地區分是下文所談到的哪種正斷層。

圖1 正斷層及其構造要素示意圖。其中指示斷層運動方向的標誌有：擦痕、標誌層、岩石①和②之間的變質程度或年齡差異等。

圖2 白堊紀地層中發育的正斷層，注意標誌層之間的錯動特徵，錯距約50 cm。拍攝自內蒙古雅布賴紅柳溝。

圖3 地壘構造，正斷特徵由標誌層所指示，斷距均小於1 m。正斷層發育在侏羅紀地層中，其上被白堊紀礫岩角度不整合覆蓋，注意此處白堊紀地層未發育斷層。拍攝自內蒙古雅布賴紅柳溝。

根據方程3的表達，包括有五類正斷現象，下文分別展開：

（1）真正的正斷層，即主體都是正斷層構造，代表著伸展環境。這種構造可以出現在被動陸緣環境（圖4）以及裂谷環境（圖5）。被動陸緣處於非擠壓狀態，重力起著重要的作用，一些重力不穩定位置就會發育相應的伸展正斷層構造，如大西洋內格林蘭東部被動大陸邊緣（圖6）。裂谷由於處於伸張狀態，假設體積沒有變化，由於厚度的減薄，地質體的平面表面積相應增加，這時就會有大量的伸展構造，即真正的正斷層。如東非大裂谷，它孕育著新的被動大陸邊緣（圖5）。

圖4 被動大陸邊緣結構示意圖，大陸地殼中發育大量正斷層，修改自Tasa Graphic Arts (2002)。

圖5 東非裂谷系構造簡圖，展示了整體伸展環境下的正斷層構造系、以及亞丁灣和紅海初始洋殼的擴張 (修改自Marshak, 2005)。

圖6 格林蘭東部被動大陸邊緣地震剖面，顯示地殼的基底和上覆沉積物發育大量的正斷層，為伸展環境的構造樣式。（Dinkelman et al., 2010）

（2）走滑斷裂系中的正斷層（圖7）(Woodcock and Fischer, 1986)。在走滑斷裂體系中，由於斷層帶的複雜性，由眾多雁列式排列的破裂面相連接，形成轉換擠壓（transpressional）和轉換伸展（transtensional）構造部位（圖8）。這種轉換伸展構造部位會使得體積不變的情況下增加其平面表面積，斷面的上下盤處於伸展狀態，形成正斷層。

圖7 走滑斷裂系中轉換伸展構造，由正斷層組成負花狀構造；a-c表示斷裂演化過程。 (Woodcock and Fischer, 1986)

圖8 （上圖）白堊紀地層中發育的正斷層，正中位置發育小的地塹，以標誌層之間的正斷錯動為特徵，學者為比例尺。右側斷面處發育擦痕（下圖），顯示斷層早期為走向滑動，晚期具正斷特徵，注意白色箭頭所指示的擦痕的疊置關係。拍攝自內蒙古雅布賴紅柳溝。

圖9 藏南高喜馬拉雅變質結晶岩系通過楔狀擠出構造方式折返，其南側主中央斷層為逆衝斷層，北邊緣則為拆離斷層，表現為正斷特徵，修改自Wang et al. (2016)和Yin (2006)。

圖10 藏南拆離斷層帶特徵，（a）高喜馬拉雅變質岩與特提斯喜馬拉雅砂岩和灰巖產出於同一高度，但二者的變質程度不同，揭示二者之間發育拆離斷層。在拆離斷層帶中發育韌性變形構造，如雲母魚構造（b）和石英優選排列方向（c），指示向NE方向的運動。修改自Wang et al. (2016)

（3）楔狀擠出構造（wedge extrusion）或隧道流（channel flow）類型中的正斷層。在造山帶中，處於更深部的物質具有更顯著的流動性，它們在受擠壓情況下，通常向壓力更小的區域遷移，這時形成的一種構造通常具有：遷移地質體的下伏構造面為逆衝推覆構造，使得這些更深部物質能夠到達淺表；而上覆構造面則是為正斷，表達著流動性更強的深部物質向上遷移的特徵。這樣的實例相對較多，比如：藏南的基底岩石的折返構造就被解釋為這種情況（圖9）(Wang et al., 2016; Yin, 2006)，高喜馬拉雅變質結晶岩石與特提斯喜馬拉雅砂岩和灰巖共同出露在同一海拔高度（圖10a），拆離斷層中發育正斷特徵的剪切標誌（圖10b-c）(Wang et al., 2016)。

這種楔狀擠出構造，如果將下邊緣構造面（逆衝斷層）的產狀順時針旋轉一定角度，就會得到結構面傾向於淺變質的物質，此時就是常說的穹窿（dome）構造了（如圖11：藏南雅拉香波穹窿）(張進江等, 2007)。深部流變性更強的物質可以是增生楔中的高級或高壓變質岩、也可以是新的岩漿等。它們將其上的物質拱出來，如果遇到了古老的基底岩石，就形成了變質核雜巖。從這個角度來考慮的話，那麼變質核雜巖就不能夠確切地反映該位置是區域性的伸展構造。

（4）逆衝斷層被褶皺。造山過程中，最開始形成的庫倫楔逆衝斷層可以認為是平直的、且向某一方向運動；在遭受了後期褶皺影響後，早期的斷層面發生褶皺，褶皺某一翼的斷層面產狀仍保持原有傾斜方向，仍然為逆衝斷層；而褶皺某一翼的斷層面的傾斜方向發生改變，原有逆衝構造則以為正斷特徵呈現；但實際情況是此時仍然為逆衝斷層，處於擠壓環境，如阿爾卑斯造山帶中的一些逆衝推覆構造（圖12，圖13上圖）。以位於瑞士Meiringen南部Helvetics構造帶內的Weissenbach滑脫斷層為例，其上盤為Lasistock推覆體的塑性變形的灰巖，下盤為沉降在Wellhorn推覆體和Aar結晶岩系之上的第三紀脆性變形的鈣質砂岩（圖13左下圖中黃色標註部分）之上。該斷層面由於Aar結晶岩系隆升而發生褶皺，使得褶皺北翼的斷層面傾向於北北東向，斷層帶中的S面理指示Lasistock推覆體相對於第三紀鈣質砂岩發生正斷的運動（圖13右下圖）。

另外，一些造山帶的縫合帶可能也有類似的情況發生，比如：中國天山的縫合帶就被認為在後期發生過褶皺作用，形成了一些正斷構造，假伸展作用（圖14）(Xiao et al., 2013)。

圖11 雅拉香波穹隆構造地質圖及其剖面。早期的拆離斷層具有一致的運動方向（由S向N運動），它在後期發生變形，造成其北側具有正斷特徵。在穹隆隆起過程中，在南北兩側形成了新的正斷層。 (張進江等, 2007)

圖12 阿爾卑斯造山帶結構剖面圖，展示了Frontal Pennine逆衝斷層在後期的構造作用下在Helvetics構造帶內發生褶皺，褶皺北西側的逆衝斷層呈正斷特徵 (Boyer and Elliott, 1982; Thornton et al, 2018). 圖13的位置位於Lasistock推覆體處。

圖13 （上）瑞士Plaun Segnas Sut地區發育的Glarus逆衝斷層，二疊紀-三疊紀Verrucano群（深色）逆衝在侏羅紀-白堊紀灰巖和復理石（淺色）之上，該斷層錯距超過100 km。照片來自Wikipedia （https://en.wikipedia.org/wiki/Glarus_thrust）。（左下）瑞士Meiringen南部Helvetics構造帶內發育的滑脫斷層（Weissenbach斷層），Lasistockschuppe（Lasistock推覆體，塑性變形的灰巖）逆衝推覆在第三紀脆性變形的鈣質砂岩（圖中黃色標註部分）之上，後者沉積在Wellhorn推覆體和Aar結晶岩系之上。斷層面向北傾斜，呈正斷特徵。（右下）斷面處細節特徵，左側為第三紀脆性變形的鈣質砂岩，右側為塑性變形的灰巖。之間為寬約1 m的斷層角礫帶，彎曲的S面指示右側向下運動。照片右側為NE。圖片自https://www.geos.ed.ac.uk/homes/v1nheine/previous.html.

圖14 中國天山造山帶結構特徵，注意南天山增生楔在後期的變形過程中，縫合帶發生了一定程度的褶皺。 (Xiao et al., 2013)

（5）宏觀背斜中性面外弧的伸展環境的正斷層。背斜由於物質的彎曲，發育一箇中性面，即既不表現為擠壓、也不表現為伸展，它內外的位置分別稱為內弧和外弧（圖15a）。內外弧處於不同的應力狀態，內弧位置處於擠壓狀態，而外弧位置表現為伸展狀態，發育正斷特徵的構造（圖15b-c）。如西藏藏南砂岩（圖16左）和閃長巖巖脈（圖16右）發生褶皺後，其外弧發育的張節理充填有近垂直於邊界面的石英脈或長石石英脈等。又如新疆西準噶爾野鴨溝石炭紀地層中的褶皺，其外弧發育正斷層（圖17左），這些斷層僅局部地穿切褶皺的地層（圖17右），表明斷層影響的侷限性，相較於褶皺來說其為次一級構造。因此，從整體來看，褶皺形成環境為擠壓環境，而這些小斷層和張節理則是擠壓環境下的派生次級構造。

圖15 （a）純切向線應變條件下形成的褶皺的幾何特徵，注意有限中性面內外弧的應力差別；岩石應變的構造發育（b）張裂隙和（c）共軛剪斷層。（c）外弧的共軛斷層以伸展形式發育，為正斷層特徵。（Ramsay and Huber, 1987）。

圖16 褶皺外弧發育的張節理特徵。（左）三疊紀地層中砂岩褶皺後，其內弧的泥岩以發育劈理為主，外弧產有近垂直於層面的石英脈（白色），表現為伸展特徵。拍攝自西藏藏南雪康村附近。（右）褶皺的閃長巖巖脈，其褶皺外弧處發育長石石英脈（白色），近垂直於邊界，為伸展條件下的產物。拍攝自西藏藏南覺拉村附近。

圖17 褶皺外弧發育的次級正斷層。（左）石炭紀地層中發育的箱狀褶皺構造，其外弧位置處於伸展狀態，發育次級的正斷層（右），靠近斷層處的泥質岩石發生拖拽現象；注意這些斷層只穿切部分岩層，並未褶皺的全部地層，表明斷層發育的局部性。左圖中的白色虛線表示層理，白色箭頭有右圖的正斷層位置所在。拍攝自新疆西準噶爾野鴨溝。

綜上所述，前三種正斷層可以被認為屬於原生構造、第四種為後期改造型、而最後一種則為派生次級構造。從這些實例可以看出，產生正斷層的環境可以有多種，區域性伸展和擠壓環境中均可發育，而且其構造應力場方向有著極大的不同，構造體系也有著不同的構造模型解釋。正斷構造是不能夠單獨限定構造背景的，因此，研究時需要謹慎對待之。

參考文獻

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