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地质科技情报CEOLOGICAL SCIENCE AND
TECHNOLOGY INFORMATION2000 Vol.19 No.1 P.23-26
大陆裂谷作用的物理模拟
孙珍 周蒂 曾佐勋 钟志洪
摘 要：裂谷作用的物理模拟是研究大陆裂谷系统的几何结构与动力学机制之间关系的一种直观有效的手段。对正向裂谷作用、斜向裂谷作用以及两期作用先后叠加模拟过程中，断裂系统发育的特征进行了综述。目前这些实验结果已被用于解释天然裂谷的形式，并根据断层方向的统计分析推导伸展向量的大致方向。
关键词：正向裂谷作用；斜向裂谷作用；物理模拟；拉伸方向；断裂系统
分类号：P313 文献标识码：A
文章编号：1000-7849(2000)01-0023-04
SUMMARY ON ANALOGUE MODELING OF CONTINENTAL RIFTING
Sun Zhen
（China University of Geosciences,Wuhan,430074,China）
Zhou Di
（South China Sea Institute of Oceanology,Guangzhou,510301,China）
Zeng Zuoxun
（China University of Geosciences,Wuhan,430074,China）
Zhong Zhihong
（Department of Earth Sciences,Nanjing University,Nanjing,210093,China）
Abstract：Analogue modeling of rifting provides direct and effective ways for the study
of the relation between geometry and dynamics of continental rift systems.The
characteristics of faults formed during the analogue modeling of orthogonal and oblique
rifting along with rifting caused by different series of successive rifting of the former
two kinds are summarized.At present,these results have been used to explain the natural
types of rifting and to estimate the mean direction of the stretching vector according to
the analysis of fault orientations.
Key words：orthogonal rifting;oblique rifting;analogue
modeling;stretching vector;fault system
大陆裂谷是油气聚集的重要场所，因而裂谷作用动力学研究日益成为国内外地质研究的热点。东非裂谷的研究表明，导致裂谷作用的拉伸应力方向与裂谷变形域的边界可以是垂直的，也可以是斜交的。前者通常称为“正向裂谷作用”，后者称为“斜向裂谷作用”。因此，裂谷作用中拉伸应力方向与裂谷边界及裂谷内部断裂组合的几何结构及运动方式之间的关系成为解决裂谷作用动力学问题的关键。笔者通过对近年来裂谷构造物理模拟实验成果的综述，探讨裂谷拉抻方向与裂谷变形作用之间的关系。
1 实验材料及装置
构造物理模拟实验材料的选择必须遵循相似性原则，即所用的材料应与地壳的流变性质相似。目前广为接受的观点是认为大陆地壳为脆—韧双层结构。其下的岩石圈地幔的上部为高强度层，它只在很窄范围内产生变形。实验数据显示［1］上地壳表现为库仑行为，而韧性的下地壳表现出牛顿行为。地壳的上述脆—韧双层结构通常采用砂—硅酮模型和砂—胶皮两种材料组合来模拟。砂无粘结力，内摩擦角为30°～32°，可以用来模拟上地壳的脆性变形。硅酮在20°时粘度为2.6×104
Pa.s的Newton行为，可用来模拟下地壳的韧性变形。
在砂—硅酮模型中，实验装置通常采用由两块刚性板组成底盘变形箱［2，3］，板通过由计算机控制速度的螺杆拉动。在此装置中，两块刚性板之间存在一条基底线性走滑速率不一致的速度不连续带(velo-city
discontinuity,VD)，VD走向代表裂谷走向。
2 实验结果综述
天然裂谷通常是多期、多方向拉伸作用的产物。因此，裂谷内部断裂系统是多次变形作用的最终结果。构造物理模拟实验的主要目的，是研究裂谷单期拉抻作用下断裂系统的发育特征，及多期不同拉伸作用下裂谷系统的叠加效应。这些物理模拟实验的结果为天然裂谷构造动力学研究提供重要的信息。
2.1 单期拉伸的裂谷作用
在单期拉伸作用的裂谷实验模拟中，通过对裂谷变形带走向(即实验模型中VD的走向)与拉伸方向之间的不同夹角，即伸展角α与相对应的裂谷变形带内断裂发育特征的观察［2，4］表明，裂谷带断裂发育模式是伸展角α的函数。
随着伸展角α值的逐渐减小(α值分别取90°,60°,45°,30°,15°,0°)，实验模型中的裂谷断裂发育具有如下特征(图1)：①裂谷变形带的边界断层延伸长度逐渐变短，同时其雁列式特点明显加强，在α≤30°时，变形带的边界断层消失且变形带的宽度变窄；②裂谷变形带的内部主断层走向与限定变形带的边界断层由平行变为斜交，且这些主断层的末端逐渐朝平行于变形带边界的方向弯曲；③裂谷内部小断层的形成比主断层要晚，它们包括两种类型：走向平行于主断层的小断层，它们在所有的实验中均有发育；走向斜交于主断层的小断层，这类小断层组成走滑带，并且在α=45°和30°时最为发育。 |
图1 砂—硅酮材料组合形成的断层的样式特点［4］
Fig.1 Fault pattern formed in sand-silicone model
1.主断层；2.次断层；3.初始状态与离散向量平行的迹线
断层的统计分析表明，断层走向与伸展向量之间的夹角θ与伸展向量之间具有相关性。当断层走向与伸展向量的夹角θ最大时，断层具有最大的倾滑分量，并且随α值的减小，断层相应从以倾滑为主变为以斜滑为主。另一方面，当断层走向与伸展向量的夹角θ最小时，断层具有最大的走滑分量，而且随α值的减小，断层相应从以斜滑为主变为以走滑为主。模拟实验显示，断层的密度在伸展角α为45°～60°最大；同时断层走向与伸展向量之间的夹角θ随α值的减小而减小(图1)。这种模拟统计分析结果进一步表明，在拉伸方向与裂谷走向斜交的情况下，裂谷内断层发育与伸展方向永远不会垂直。
总之，单期拉伸作用下的裂谷实验模拟表明，大陆裂谷的断裂走向及断裂发育程度均受拉伸方向控制。在拉伸方向与裂谷走向垂直的正向裂谷中，其边界断层和内部断层以长而平直为特征，同时平均的断层走向与拉伸方向正交。在拉伸方向与裂谷走向斜交的斜向裂谷中，边界断层和内部断层均具雁行排列的特征，平均的断层走向与拉伸方向斜交。在实验过程中，当α≤45°时斜向裂谷内部的走滑断层才开始出现，拉伸位移的分解可以产生斜滑和走滑两种类型的断层；在α＞45°的斜向裂谷内，曲线型断层频繁出现，沿曲线型断层的位移可以从以倾滑为主变为以走滑为主。同时随拉伸量的增加，裂谷内断层朝着平行于边界断层方向发生旋转。
2.2 正向和斜向分别叠加形成的裂谷构造特征
许多裂谷均经历过幕式拉张的演化历史。不同的拉张幕之间拉张方向可能存在差异。为了确定不同拉张方向的拉伸联合作用对裂谷形态及断裂发育史所产生影响，Bonini等［2］设置了两种序列的模型进行实验模拟。序列Ⅰ为从正向拉伸到斜向拉伸的叠加裂谷作用，序列Ⅱ为从斜向拉伸到正向拉伸的叠加裂谷作用。斜向伸展与正向伸展之间的夹角(α′=90°-α)以15°为步长变化。实验结果显示，两期叠加裂谷的形态及断层展布形式受第一期拉伸的明显控制，第二期拉伸作用下的断层发育局限于第一期拉伸作用形成的断层系统内。
对模拟结果的断层统计分析表明(图2)，在序列Ⅰ模型中，其断层展布的特点是断层走向分布的最大峰值与裂谷走向之间的夹角θ′一般小于5°,且在所有α′值的斜向伸展时大致为常数；在序列Ⅱ模型中，断层展布则以断层走向分布最大峰值斜交裂谷走向，并且在α′=45°时交角最大，约为20°。因此，序列Ⅰ的第一期正向拉伸产生的走向垂直于拉伸方向的断层是叠加裂谷主要断层走向分布模式。 |
图2 第一种(a)和第二种(b)模型断层走向分布图［2］
Fig.2 Summary of fault orientation distributions for model(a) type 1 and (b) type 2
阴影区代表每种模型断层分布频率的4个等级(由浅到深分别代表0～25%,25%～50%,50%～75%,75%～100%)。4个频率级的阴影可参考图2-b右上侧的小型频率分布图。暗区里的粗线代表断层分布的最大峰值，α′为伸展角，θ′为断层方向与VD间的夹角
模拟结果还表明了如下断层发育特征。①第一期为正向伸展时，第二期斜向伸展形成的斜向断层，对于所有α′值，均被迫限于第一期形成的不对称半地堑内发育(如图3-A)。当α′≤45°时，地堑内主断层在斜向伸展期扩大并吸收了大部分的位错。当α′＞45°时，变形被分隔在与地堑走向平行的走滑断层内，以及斜向正断层内。②若第一期为斜向伸展，当α′≤45°时，早期的斜向断层在正向伸展期继续发育并彼此连接形成S形断块(图3-B)；当α′＞45°时，新的走向平行于裂谷走向的正断层沿被前期大量斜断层削弱的带发育。 |
图3 叠加裂谷作用模拟实验过程的平面图［2］
Fig.3 Top-view line drawings of the main steps during the successive experimental
rifting procedure
A.先正向后斜向;B.先斜向后正向,其中α′=45°，箭头代表伸展的方向;勾刺代表下掉侧;粗线代表主断层;矩形框为进行断层统计分析的区域
3 研究实例与展望
构造物理模拟实验获得的有关大陆裂谷发育特征及拉伸向量之间相互关系的规律对实际裂谷动力学研究有重要意义。例如，在东非裂谷系Afar正向裂谷中，其内部断层与伸展方向垂直［2］；在东非裂谷系Rukwa裂谷［3］及亚丁湾和加利福尼亚湾［3］中，其内部断层和边界断层斜交，表明了以上裂谷中存在斜向伸展。在东非裂谷的Ethiopian裂谷中，其断裂展布特征的统计分析与叠加裂谷构造模拟实验结果的对比表明为先正向后斜向序列的两期叠加裂谷［2］。
我国东部在中新生代处于广泛的伸展动力学环境中，其中发育大量的中新生代断陷盆地，由于周边板块在新生代的频繁活动，在盆地断陷过程中普遍经历过幕式裂陷作用，不同裂陷幕之间形成的半地堑走向由以北东走向为主转为以近东西走向为主，反映了应力场的瞬时旋转作用［5，6］。南海西北部呈北西向展布的莺歌海盆地属于走滑—伸展型盆地［6］，在该盆地西北端的越南海域内，30.0～15.5
Ma期间的某层构造图(图4)显示，在近30 km宽的变形带内，发育了两条雁列式的基底主断裂(泸江断裂和斋河断裂)，走向约为NW50°。一些延伸长度较短的内部断层呈近东西向或北西西向与上述基底断裂斜交，这种断裂展布模式是斜向裂谷的明显特征(图1)。Rangin等［7］的研究表明，该区在30.0～15.5
Ma处于左行扭张应力场作用下。因此，利用大陆构造物理模拟结果与天然裂谷中不同时期的断裂发育模式的对比研究，可以为裂谷动力学过程的恢复提供重要依据。
图4 越南东京湾30.0～15.5 Ma期间的某层构造图［7］
Fig.4 Structure of some strata between 30.0 and 15.5 Ma in Tonkin Gulf,Vietnam
然而，在物理模拟实验中还不能考虑一些地质过程，如地壳均衡和热作用等，这给实验模型的应用带来了很大的限制。此外，由于模拟实验的可靠性依赖于实验所选择的材料与天然物体的相似程度，我们不能将实验当作定量化的一种方法，尽管实验所获得的一般规律性结果有助于理解在伸展环境下断裂作用的变形分布过程。目前的实验设置还不能全面包括所有的地壳结构及裂谷所经历的复杂历史。因此，今后的研究工作应该对一些具体的研究区域设置实验模型。
编辑：黄秉艳
基金项目：“边缘海的形成与演化机制——南海北部边缘新生代构造动力学研究”（KZ951-B-406）；“边缘海地质与古环境开放实验室”（BYH9904）及“AAPG
1999 Grants-in-Aid”项目
作者简介：孙珍，女，1971年3月生，现在攻读油气盆地的构造及博士学位
作者单位：孙珍（中国地质大学，湖北
武汉，430074；）
周蒂（中科院南海海洋研究所，广东 广州，510301；）
曾佐勋（中国地质大学，湖北 武汉，430074；）
钟志洪（南京大学地球科学系，江苏 南京，210093）
参考文献：
［1］Byerlee
J D.Friction of rocks［J］.Pure Appl.Geophys.,1978,116:615-625
［2］Bonini M,Souriot T,Boccaletti M et al.Successive orthogonal and oblique extension
episodes in a rift zone:laboratory experiments with application to the Ethiopian Rift［J］.Tectonics,1997,16(2):347-362
［3］Withjack M O,Jamison W R.Deformation produced by oblique rifting［J］.Tectonophysics,1986,126:99-124
［4］Tron V,Brun J.Experiments on oblique rifting in brittle-ductile systems［J］.Tectonophysics,1991,188:71-84
［5］茹克.南海北部边缘叠合式盆地的发育及其大地构造意义［J］.石油与天然气地质，1988，9(1)：22-31
［6］龚再升，李思田.南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集［M］.北京：科学出版社，1997
［7］Rangin C,Klein M,Roques D et al.The Red River fault system in the Tonkin
Gulf,Vietnam［J］.Tectonophysica,1995，243:209-222
收稿日期：1999-03-11 |
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