地质英文—中文翻译

断层终止及断层生长的障碍

MatthewA.d Alessio*,StephenJ.Martel

摘要

在加利福尼亚州内华达山脉中部对走滑断层的层间相互作用进行野外观察，并结合对断层花岗质岩石的分析，为我们提供了一种视野：断层端部如何与规模不同的构造类型相接触。我们在这记录了2-3公里长的走滑断层系统。断层系统的西端，是由几十个平行断层系统中的三个主要断层带组成的断层。我们推测这个主要断层带是一个屏障，限制着断层带在断层系统中的生长。二维空间力学分析表明，大断层带两侧的小断层群将有助于分散断层带尖端的集中应力，类似工程力学的应力尖端集中效应，被称为裂纹尖端屏蔽层。尖端附近的集中应力有助于断层的生长，而减小集中应力的过程则抑制断层的生长。随着断层的生长，断层的不断增长的距离特征将与不断扩大的区域相互影响，因此尖端屏蔽效应对断层长度增长的影响也潜在的增加。这种效应可以解释为什么断层端部的性质往往会有不同的规模。

关键词：断层终端；断裂；机制；尺度

1.引言

尽管最新的研究都是关于解决不同规模的断层形态和生长，但很少研究解决同样是基本问题的断层终止原因。断层终止的原因对我们更好的理解研究断层的形成过程是同等重要的，要了解断层生长和终止，这问题是绕不开的，断层生长和终止的机制决定了哪些决定因素会将导致断层终止。

地质学家认识到在脆性的结晶岩中存在两种断层成长的主要方式：（1）主体岩石剪切破裂的传播（图1A）;（2）先存的软弱面形成断层后相连（图1B）。在第一种方式中，断层生长是通过“过程区”的发展，为断层尖端附件形成微破裂并最终合并成为一个贯通的连续的断层（e.g. Cowie and Scholz,1992;Scholz et al.,1993;Anders and Wiltschko,1994）。微破裂的形成是断层尖端压力集中的结果，这个应力必须足够的高，能使岩石破裂并能使之传播形成断层。这种压力集中随着断层尖端移动，在尖端的边部形成的破裂被留在后面，称作尖端传播（e.g.Vermilye and Scholz,1998,1999），结果是在断层两侧，较小破裂不断形成。如果预先存在较弱的结构，如接缝或矿床平面存在断层可以促进形成和成长（第二机制，图1B）。由于上部先前存在构造的滑移，围岩应力集中直到滑移的区域达到较低稳定的端部结构（Martel and Pollard,1989）。高应力仅仅集中在断层尖端非无处不沿断层，通常导致裂缝断层尖端的局部裂缝与邻近断层相连的断层生长（Segall and Pollard,1983）。裂缝系统的增长范围取决为附近有没有存在可能终止或达到异质性结构或抑制系统。本文针对断层机构的增长，但主要侧重于一个断层的增长联系领域。

压裂断层的两端附近，常见断层后端裂缝，尤其是可见的小断层，断层结尾的连接痕迹普遍没有长于几十米（e.g.Moore，1963；Segall and Pollard，1980，1983；Granier，1985）。在这些靠近尖端终端，通常导致在尾端出现开放模式的向15-358角的倾斜放射状裂缝面，被称为“尾状裂缝”的断层（例如图2A）。在实验室中复制尾裂纹的形成过程，一块板块与预切断层剪切试验（Brace and Bombalakis,1963），其方向可以通过连续介质力学理论预测（Martel,1997）。取得的缩放数据表明，尾状裂缝应该与断层长度和断层滑动成正比，受控于该区域附近的非弹性变形，最终的裂缝是相对断层长度较小（Pollard and Segall,1987）。通过观察尾状裂缝通常是小断层两端之间的小型联系点（图2A），但较长的断层的两端（图2B和C）显示出更为复杂的变形区（e.g. Bayasgalan et al.,1999;Storti et al.,2001;Pachell and Evans,2002）。靠近断层的两端，从而规模影响变形。但我们没有发现地质文献对这种规模依赖现象的物理解释和分析。

我们专注于大断层的两端靠近裂隙的性质特点和断层终端这些小构造功能的作用。我们记录几十个的走滑断层系统在终端的花岗岩解理上的滑动，产生近平行的走滑断层及断层周围的构造聚集。然后，我们用力学分析法解释已经存在的结构以及如何减少和化解一个断层末端附近的应力集中，有可能形成一个阻碍断层生长的结构。据我们所知，这种的现象，称为断层力学裂纹尖端屏蔽作用，但是并没有被应用到本文所讨论的断层终端。这个屏蔽力学的影响结果很可能与断层规模的不同而有所差异，可以解释，至少在的一部分的断层，裂隙结束结构的大小是依赖尺度变化。

图1：这个图片反应了两个断层的伸展机制：（A）通过一个“过程”的带（Vermilye and Scholz,1998）；以及(B)通过先存的虚弱带连接的片段（Segall and Pollard,1983）。既然在这个过程带内的微断裂并不是按比例画的。在图A-1中，在断层端附近的高应力集中诱导了微破裂，被叫做过程区。在图A-2中，微破裂已经合并成了一个新的断层段，并且在新的断层端线附近形成了新的过程区。在图A-3中，断层继续生长，沿着断层长度方向留下了一个破裂的尾迹。图B-1中，在一些较低的镶嵌体中，一些先成构造的碎片开始滑动。碎片边缘的应力比过程带的要低，因为这些碎片生长沿着的虚弱带不能支撑这么强的剪应力。图B-2中，滑块延伸到了块体虚弱的末端，大体上是主块体的高的近缘应力导致了“尾裂缝”的形成。一个附近的滑块也在生长（这个块的右上角）。图B-3中，断裂系统在相邻的断层片段的连接处生长，在这个阶段中破碎仅仅发生在断层系统的末端和片段边界。

2.地质背景

在我们的研究区位于加州中部内华达山脉的熊溪沿途（图3）。白垩世末期主机岩石是花岗闪长岩，其中东部包含有突出接缝和断层，在东北地区，倾角一般大于80度（LockwoodandLydon,1975）。“只有不同方向的裂隙延伸范围在几厘米到10米以内，而同方向的痕迹长度通常不超过几十米长。通过接触关系，矿物学证据，地质学年代的数据，和热弹性模拟结果共同表明岩体冷却过程中形成接缝和断层（Segall and Pollard,1983;Bergbauer and Martel,1999）。岩体侵位年龄是90Ma（Bergbauer and Martel,1999），并在岩体错动发生在79和85Ma之间。（Segall et al.,1990）。

西格尔和波拉德的研究（1983）表明，小断层沿原有的区域岩石滑坡形成，断层和接缝有（1）平行；（2）也有相似的断层长度；（3）具有相似的矿物组合，除了那些在断层的组合处产生形变的部分。他们发现，没有证据表明这些断层剪切裂缝增长，但他们没有说明小断层如何链接到形成较长的断层系统。马特尔等人（1988年）和马特尔（1990）提出进一步证据，表明断层在边长达几公里等的近四边形地区，还利用已经存在的联系解释断层生长。