第二章 伸展构造

第二章伸展构造
第一节、伸展构造的区域地质背景
伸展构造产生的区域构造位置和构造性质有下列情况。

开始研究的，是新的课题，目前研究的热
点。

造山带伸展构造的发现地是美国西部
的科迪勒拉山脉，其南部是著名的盆岭山
脉地区，在这里首先发现了具平缓倾角的
正断层，建立了剥离断层和变质核杂岩的
伸展构造模式。

目前这方面的研究正在世
界各地的几个典型区开展，研究本身还有
待于系统化，现在能介绍的伸展构造模式
只是对个别例子的总结，尚不能证明其普遍意义。

简介北美西部造山带。

科迪勒拉山脉从加拿大西北部，经过美国西缘延至墨西哥西北部，其间分布大小25个孤立的变质杂岩体。

研究重点在美国西南部盆岭省一带和whipple山。

北美西部的板块运动是比较复杂的，
第一章中曾介绍
过，其过程是，北
美西缘原来为俯冲
带海沟，此阶段造
成了北美西岸的挤
压造山带。

在古生
代至元古代，北美
西缘一直为被动陆
缘带，在古生代后
才发生造山运动，
表明转变为活动陆
缘，可能称为拉拉
米期运动。

大约在
侏罗白垩纪时，中
脊和转换断层相继
切入海沟和北美大
陆，使北美西缘的一部分，主要是西南部从俯冲海沟转变为右行剪切的转换断层带，即圣安得烈斯断层，而北部至阿拉斯加仍为俯冲海沟带。

长期的剪切位移使现今加里富利亚是从南美位移过来的地体（指断层西侧）。

现在我们关心的是大约在第三纪（15百万年），圣安得烈斯转换断层改变了原来的挤压作用而变为伸展作用。

而造山带发生塌陷，而且，这可能不仅是挤压力停止的纯重力塌陷还有伸展力的作用，由此加强了伸展构造，并持续发展到出现洋中脊成分的裂谷。

（见Howell图6.24）
盆岭省和科迪勒拉山脉延伸进北美大陆1500km，但仍为大陆边缘环境，这是因为：1、确实存在稳定的大陆边缘带，一方面是长期被动陆缘的定向冒地槽沉积，另一方面是俯冲带倾角十分平缓，所以俯冲火山带深入陆内很远。

2、转换断层---圣安得烈斯断层切入陆内，从南美剪切位移来新的地体，拼贴了新的大陆边缘造山带，把原来的俯冲陆缘移到了陆内位置。

因此科迪勒拉伸展带的构造十分复杂。

但总体看，是发生了从挤压造山到伸展减薄的过程。

拉拉米期造山挤压作用（中生代）----伸展变质核杂岩，剥离断层（第三纪）---盆岭地区的旋转正断层（第四纪）---里奥格兰德裂谷（现代）（指洋脊）。

宋鸿林报道国外研究的伸展构造大多处于大陆边缘带，而我国所报道的伸展构造则大多处于碰撞造山带中，目前都处于大陆内部，大地构造背景的差异会是比较明显的，也会影响到伸展构造的型式。

（可举最近在西秦岭发现伸展构造为平面X共轭型式的特征，而不同于正断层的剥离断层模式）
第二节、伸展构造模式的类型
1、基本模式类型
早期关于伸展裂谷盆地是假设为两侧对称排列的正断层等的地堑式形态，并认为正断层一直延至深部。

随着地质研究和观察的深入发现这种认识不符合客观实际，因而提出了一系列新的模式，经过多年的研究，对伸展构造模式的认识已经有很大进展。

下面对此作简要介绍。

早期描述的红海裂谷，为对称的高角度正断层，向深部一直切穿地壳。

70年代末期到80年代中后期陆续提出下面3种基本模式。

纯剪切模式（共轴机制）（Mckenzie，1978）
纯剪切模式认为伸展带上部为脆性正地层地
堑，下部为韧性拉伸减薄带，变形是对称的，地壳
通过机械断裂和韧性减薄而厚度减小，深部地幔热
隆上升。

单剪切模式（非共轴机制）（Wernick，1985）
由于在伸展构造带发现了低角度正断层，且其
可穿切整个岩石圈，此外伸展盆地常为不对称形态，
为此提出单剪模式，这种模式提出了存在一条单向
的主断裂带控制伸展作用。

拆离模式（Lister，1988）
拆离作用强调伸展断层沿水平界面的伸展作
用，产生很大的剪切位移，它也是单剪切非共轴的
模式。

以上为三种基本模式，进入90 年代，发现伸
展构造带情况是很复杂的，实际情况不是某一种模
式能简单概括的，而往往是几种模式的综合，又提
出了一系列的新的模式，但可以看出，它们仍然是
上述三种基本模式的叠加和综合的结果。

2、复合模式
Lister1991提出了5种伸展带模式，为
A、岩石圈楔模式
剥离断层穿切整个岩石圈，类似于单剪切模式，
岩石圈的伸展主要由单一剥离断层完成，沿断
层发生大规模位移，在上部脆性带断层上盘形成半
地堑系，下盘上升至浅部引起上隆，使剥离断层弯
曲，上盘也发生上隆（下一节中将评述）。

此外，使
壳幔伸展区分离，即沿断层倾向迁移，壳部伸展区
在断层倾向后方，地幔伸展区则偏向断层倾向前方。

B、分层剥离模式
类似于拆离模式，各层次水平界面控制剥离断
层，与逆冲断层的断坪断坡构造很相似，顺层处为
断坪，切层处为断坡，断坪可以很长。

在断坡的上
方形成断坡向斜盆地。

（这种作用与逆冲断层的上盘
形成的背斜的道理一致，二者运动方向相反，所以
这里形成向斜）。

以上两种缺乏纯剪切的韧性层。

C、伸展区分离的剥离+纯剪切模式
地壳中上部为单剪切剥离断层，向深部岩石圈
底部变为纯剪切韧性伸展作用。

浅部由剥离断层造
成伸展，深部由纯剪韧性带造成伸展，机制不同，
同时深部和浅部的伸展带在水平方向上是分离的。

因此，深部伸展区造成的热异常上升至地表（浅部）
与伸展盆地是分离的。

D、伸展区对应的剥离+纯剪切模式
特征同C，只是浅部剥离断层与深部纯剪切韧性带为重叠。

E、分层剥离+下地壳纯剪切模式
为一种综合模式。

对伸展模式的认识首先是有助于掌握其构造特征，如地堑系、半地堑系构造，剥离断层型式，韧性剪切带等。

其次对热事件发生的空间关系即伸
展盆地与深部热活动（成矿、岩浆）是一致还是
分离都是很有意义的。

根据郑亚东等认为，由深部热活动强烈造成
上隆抬升作用有利于形成共轴的纯剪韧性水平
带，如果深部热活动弱，而由造山运动形成的地
壳加厚抬高的重力失稳造成拆离伸展，则以非共
轴的单剪拆离为主。

3、伸展后期大陆裂解的构造类型。

（参
见Lister，1991）
伸展构造的持续发展最终导致陆壳的裂解分
离，形成被动大陆边缘，相应于伸展构造的5种
模式，也有对应的被动大陆结构的5种型式。

（图）
可以看出，被动大陆边缘的结构特征是与伸
展构造模式对应的，是由伸展构造型式决定被动
陆缘的结构型式，反之，应该注意观察被动陆缘
结构的特征，看它属于那种型式，反过来能推断曾经发生的伸展构造的模式。

简单讲，岩石圈楔和分层剥离模式的岩石圈是脆
性拉断的，由于沿拆离断层的滑移是主要伸展运动，
在上盘一侧的岩石圈都有一楔状块体，楔体尖端处岩
石圈很薄或消失，软流圈在此强烈隆升，形成底板垫
托层的垂直增生作用，在地表形成隆升山脉带。

而后三种伸展模式的岩石圈都由韧性纯剪切方式
拉断，岩石圈在拉断处为细颈状。

陆壳分离中心大多
在裂谷带内，但深部软流圈隆升的位置都偏向于拆离
断层倾向一侧，侧向分离程度越大，深部隆升范围向
这一侧陆内延伸距离就越大。

第三节、伸展构造的变形型式
这里主要介绍造山后伸展构造型式，是根据北美
科迪勒拉及盆岭区构造特征总结的模式。

伸展构造及变质核杂岩分为4个带。

盖层正断层
系、剥离断层、近水平韧性剪切带、变质核杂岩。

1、盖层正断层系，有一系列正断层平行排列组成，可以是地堑系，也可以是半地堑系，处于浅部层位，都是脆性断层。

正断层形成时，有较大的倾角，后发生旋转使倾角减小。

断层旋转有平面
状断层的多米诺骨牌式旋转，和铲状断层的弧形旋转两种方式，多米
诺旋转的空间问题不好解释，因此多认为铲形断层旋转式可能的方式。

旋转正断层在地表造成了一种单面山坡的地形，即盆岭地貌。

山
岭的陡坡为断层面，盆地的缓坡为旋转的地面或层面，常常被沉积物
覆盖呈盆地。

如美国西部盆岭区，甘肃的新金厂地区。

平面上呈一排
排平行的相间排列。

断层的旋转使断层产状变缓，水平地层产状变陡，但一次断层的
旋转是有限的，断层不会变的很缓。

当第一期断层的旋转停止后，断
层的活动也停止，就会产生第二期断层，新断层开始很陡，将切割第
一期已经变缓的断层，而第二期断层的旋转就会把第一期断层面变的
更平缓。

（见Davis图9.49，Ramasy，V2，图23.23）伸展构造区盖层
正断层产状很平缓，与此机制有关。

盖层正断层的深部延伸都终止于剥离断层上。

注意，铲状断层是
趋向于一致产状合并，平面
断层是大角度合并，但后者
可能是正断层的一致产状合
并的部分被剥离断层的运动
切割掉了。

盖层正断层是作为深部
剥离断层的总体运动在上盘
脆性层中造成的伸展作用而
产生的。

2、剥离断层
为大型低角度铲状正断层，常作为上盘脆性带与下盘韧性带的分界，上盘岩石浅变质或不变质，下盘为深变质的角闪岩相到麻粒岩相，也发生绿片岩相退变质，构造从浅部到深部有过渡带划分为：剥离断层—分散破裂带—角砾岩带、碎裂流动—韧性剪切带、小型、分散—非共轴层流。

上下盘之间显然有地层缺失。

上述剥离断层是演化发展后的状态，从形成过
程看，剥离断层主要指浅部的脆性至脆—韧性部分。

拉伸作用首先在深部韧脆性过渡带下发生，是
一种水平的圈层拆离断层系，为韧性剪切带。

深部
拆离必然引起浅部拉伸，于是断层呈切层穿过脆性
层上覆地表。

上图表示在初期未产生大
的位移时，是上部陡倾转至深部水平的
一个大的过渡性的断层带，过渡特征如
图所示。

这时剥离断层只是处于浅部，
且尚未显示出其构造剥离深部变质核的
特征。

对比下面的图解说明剥离断层的
发展特征。

图示说明，断层拉伸之后，上盘向
下滑离，使断层靠近出露地表的部分，
地壳首先变薄，首先是上盘伸展的减薄，
这样就使下盘的韧性层的深度减小，而
进入脆性层中，在剥离断层附近先退化
变质为绿片岩，再往上变为碎裂岩，都
是叠加在原来韧性剪切带上，（图中绿色
原来为韧性剪切带）。

图中可见，剥离断层这时已经不限于浅部的脆性层中，而是深入深部成为区域性大断裂，它与下面的韧性层（绿色）是两个不同的部分，韧性剪切带是最早期活动形成的，剥离断层较晚，并处于韧性层顶部，沿剥离断层带的构造具有浅部到深部的过渡带，但都会叠加在早期水平韧
性剪切带上（在剥离断层附近，因为深部韧性
剪切带很宽，远离剥离断层的韧性剪切带中不
叠加剥离断层的变形构造）。

观察表示，剥离断
层与早期韧性剪切带有一致的剪切方向，表明
它们属于同一构造系统。

接着要说明剥离断层为什么具有缓倾角的
原因，见上图，由于伸展后地壳减薄，在减薄
的位置上，（靠近断层出露地表处），深部必然
因为均衡作用而上隆，这一上隆作用使原本较陡的浅部剥离断层向上弯曲而变缓。

甚至还会使倾向反向。

此外，深部剥离断层是继承早期韧性剪切带的水平产状的，所以一开始产状就是平缓的，即处于铲型断层的深部平缓处。

其次，再来说明剥离断层上盘的正断层的倾角变缓的原因，前面，已经提到了，是因为正断层本身的旋转，和多期正断层的旋转叠加。

现在要解释为什么出现2期正断层，实际上它是对应于2期剥离断层的。

F
1
为一期剥离断层，当深部上隆使其向上变弯曲，弯曲的断层不能再继续活动，这样从A点处产
生F
2，为二期剥离断层，呈平直断面，切穿F
1
上盘的地层。

f
1
是对应F
1
的正断层，同理，F
2
将有相对
应的正断层系f
2。

在下图中当F
2
活动时，在F
2
的上盘中，不论f
1
还是f
2
都会再次旋转变缓，同时，
f 2所切割的f
1
，又会因为f
2
的旋转而变缓。

这样，会使f
1
变的很缓。

还可以看到，在F
2
下盘的f
1
也会
变缓，但那是因为F
2造成新的深部上隆，使F
1
弯曲加大所造成的。

这里的叙述似乎罗嗦，但的确有这
么些细节。

讨论到这里，似乎可以说，关于伸展构造的剥离断层和上盘正断层系呈现平缓产状的原因，
完全是后来的旋转造成的。

断层形成之初，仍为陡倾角正断层，不违反安得森理论。

当然，也有作者认为正断层形成时就是缓倾角。

如对岩体侵位形成得顶部变化应力场，形成缓倾角正断层，又如郑亚东最近提出的最大有效力矩准则。

此处就不介绍了。

以上演化过程表示了剥离断层发展的程度，发展程度低的时，深部变质核隆起不显著，以一期F
1
、
f
1
为主，形成典型的盆岭构造，发展程度高时，变质核杂岩隆起强烈，出现多期F和f，变质核杂岩出露地表，正断层平缓，切错关系复杂，如北美科迪勒拉核杂岩带与盆岭区的区别就是如此。

3、水平韧性剪切带
水平韧性剪切带的成因上以述及，为伸展早期顺韧脆性圈层的拉伸变薄形成的糜棱岩化，变质程度高，剪切带厚几百米到几千米，厚度相当大。

韧性层的剪切可以是纯剪，也可以是单剪类型。

韧性带的变形，除透入性面理和线理构造外，因为其水平产状所特有的褶叠层是重要特征，本处从略。

以上是水平剪切带形成时的特征。

作为剥离断层的系统，它被拖到浅部发生的一系列新的构造的叠加也是主要的研究方面，如退化变质的叠加，脆性变形的叠加等，但叠加的剥离断层的运动方向与原韧性剪切的运动方向是一致的。

4、变质核杂岩
变质核杂岩来源于深部高变质基底，是造山带的根部，在造山运动中显然发生强变形，是变质核中变形的成因，而不是伸展构造的结果，水平韧性剪切带在杂岩顶部。

核杂岩中常常有年代新的侵入岩体，就是造山后地壳增厚，在伸展时减压而形成的岩浆侵位，与造山后伸展同期，也卷入水平韧性剪切带的变形中。

变质核杂岩在伸展中因为均衡作用而上隆，经剥蚀后露出地表，其形状为椭圆形，直径几公里、几十公里或更大，也可为不规则形。

马托埃提出了造山带根部在造山后挤压力松弛后，都会发生均衡隆升，配合地表剥蚀，将直至山根消失为止，在原理上与变质核杂岩成因是一致的，当然如果确实存在区域拉伸力，则就不完全是均衡作用了。

第四节、伸展运动机制讨论
伸展构造主要发生在造山带中，是因为造山带地壳增厚。

势能增大而使重力失稳，发生伸展，同时造山带岩石强度降低，破碎使不稳，易于张裂。

此外造山带深部热活动加强隆升作用也使地壳发生伸展。

伸展构造可在造山带造山的同时发生，在造山后则发生主要的伸展构造。

因为造山的伸展主要为侧向逸脱(逃逸)，伸展方向与造山带平行，且规模较小，不引起地壳减薄。

而造山后由于挤压力松弛，造山带加厚的地壳失去支撑，发生大规模伸展，伸展方向垂直造山带，直至地壳厚度减薄到正常。

以往认为造山带的夷平主要是剥蚀的外动力，现在知道主要是重力失稳的伸展作用，为高温低压环境。

促成造山后伸展的机制还有许多，如深部根带的拆沉作用等。

（略）参见张进江，郑亚东，1996 森
格P99图26)
裂谷与造山后伸展的对比
裂谷是伸展作用的主要构造型式之一，裂谷的构造以陡倾正断层的地堑系为特征，在各报导实例中（如东非裂谷，红海等），并没有出现缓倾斜正断层的变质核杂岩。

显然，裂谷与剥离断层有不同的形成条件和过程，有关它们的差异尚未有明确的阐述，可能与两类构造的研究尚不成熟有关。

为了更好的理解和掌握这两类构造特征，这里试对它们的不同特点作初步讨论：
a、裂谷形成于主动的伸展力作用下，如深部地幔对流，而剥离断层形成于重力塌陷和均衡作用
b、裂谷形成于正常厚度的地壳中，而造山带具有增厚的地壳
c、裂谷深部的深变质岩层厚度不大，难以产生变质岩核隆起，地壳伸展减薄后，很快为地幔物质上涌，易于出现火山喷发。

造山带有很厚的山根，深变质岩层厚度增大，能产生变质核隆升，伸展作用下主要是地壳根部的均衡上隆，形成地壳内部侵入岩体，火山活动不强，地幔物质无法上升。

d、裂谷宽度为几十公里，较小，与相应地壳厚度对应。

而剥离断层带可与造山带宽度相当，达数
百公里，与地壳很厚也是对应的。

e、裂谷区没有核杂岩隆升，不会使正断层变缓。

在裂
谷地堑正断层带下部也产生下地壳的韧性拉伸带，相应于
水平韧性剪切带，但这个带很快减薄，使下面的地幔岩浆
涌出，被洋脊活动取代，无法形成统一的剥离断层带。

f、核杂岩反映均衡作用，一旦山根消失，伸展作用就
停止，保存准平原陆壳。

而裂谷则要将陆壳拉断，变成洋
壳才终止。

但如果造山带持续受拉伸，会继续发展成裂谷，
转为洋脊，如科迪勒拉的盆岭区即如此。

反过来讲，裂谷
与核杂岩带可能只是数量级的差异，在裂谷带中，同样会
形成小的核杂岩隆起，和对应的剥离断层带，如东非裂谷
中心的重力正异常。

不过裂谷中的小型剥离断层和核杂岩不会出露地表，接着就被切割中脊所取代，形成辉绿岩墙等。

马杏垣教授建立的三层模式就包含这层意思。

热隆作用对裂谷和剥离断层带都是重要因素。

简介单剪—纯剪的悬臂模式（Kusznir等，1992）
1、悬臂模式机制
(a)(c)脆性地壳中产生剥离断层，可看成形成两个互相作用的悬臂，上盘与下盘各为一个悬臂。

(d)脆性层断裂的上盘将下降，上盘高度降低
(e)同时断裂处地壳减薄，地幔将产生均衡作用，在该处发生浮力
(f)(g)浮力导致上升作用，下盘是完全上升，高出原始地面，上盘仍低于原始地面，形成沉积盆地
综合结果如图(b)所示，即伸展断层的上盘下降，上盘上升，造成断层处的旋转作用，远离断层后上下盘都趋于原始地面。

2、悬臂模式应用
图4所示同极性的两条相邻断层，对于中间的断块，作为右边断
层的下盘而上升，作为左边断层的上盘而下降，从而造成该断块的旋
转。

断层的旋转有一定影响宽度，若断层相距足够远，则会形成两个
变形带，上地壳形成两个地堑系，深部地幔对应两个纯剪变形带。

如果将断裂互相靠近，则变形带合并为一个带，变形带宽度增大。

为整体抬升，高于原始地面，高出海平面，相应于地垒的深部莫霍面
（韧性面）具有较大深度。

内倾断层形成地堑，地堑两侧边界断层使地堑内部处于边界断层
上盘，所以总体为下降，于海平面之下，边界断层则抬升于海平面之
上，深部莫霍面较浅。

以上悬臂模式较好的解释了伸展构造的各种现
象。

（图5）。