劉 陽(yáng) 盧全中② 占潔偉② 劉 聰②

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系， 西安 710054， 中國(guó)) (②長(zhǎng)安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054， 中國(guó))

0 引 言

同沉積斷層最早是在20世紀(jì)30年代晚期的石油勘探過(guò)程中被辨認(rèn)出來(lái)的，其顯著特征是同一地層單元，下降盤地層厚度比上升盤大。最開始該類型斷層被稱為沉積斷層(depositional faults)和推進(jìn)斷層(progressive faults)，后來(lái)Barakat(1960)將維也納盆地中的同沉積斷層(Synsedimentary fault)和沉積后斷層(Postsedimentary fault)進(jìn)行了區(qū)分(王燮培等， 1990)。隨后Hardin et al.(1961)提出了同生斷層的概念，并推薦使用該術(shù)語(yǔ)定義該類型的斷層。同年Ocamb(1961)提出了生長(zhǎng)斷層的概念，即落差隨著深度增加而增大，且下降盤地層厚度比上升盤地層厚度明顯增大的斷層。在同沉積斷層研究過(guò)程中多種術(shù)語(yǔ)交互使用，時(shí)至今日，也沒有一個(gè)統(tǒng)一的叫法。這些術(shù)語(yǔ)本質(zhì)上均是定義了一種沉積活動(dòng)與斷裂活動(dòng)同期進(jìn)行而形成的特殊構(gòu)造形式。同沉積斷層包含了沉積學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面的含義，相比于生長(zhǎng)斷層等名稱，其內(nèi)涵更加豐富，使用同沉積斷層來(lái)描述該類型斷層更為貼切。

20世紀(jì)60年代，學(xué)術(shù)界對(duì)同沉積斷層的研究主要集中在對(duì)其平剖面特征的描述以及野外識(shí)別上，對(duì)同沉積斷層活動(dòng)性的定量描述及其與盆地形成的關(guān)系也進(jìn)行了初步探索。20世紀(jì)70年代以后，隨著石油勘探領(lǐng)域的深入發(fā)展，同沉積斷層的研究更趨于理論化和定量化，同時(shí)數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)也有了很大的進(jìn)步(崔曉玲等， 2013)。國(guó)外對(duì)同沉積斷層的研究主要集中在墨西哥灣岸地區(qū)和尼日爾三角洲油田等區(qū)域，我國(guó)對(duì)于同沉積斷層的研究主要集中于油氣儲(chǔ)藏盆地以及主要產(chǎn)煤區(qū)和礦區(qū)，如渤海灣油區(qū)、柴達(dá)木盆地、冀中坳陷等(楊克繩等， 1985； 程小久， 1994)。同沉積斷層的研究主要服務(wù)于石油、天然氣、煤田和礦產(chǎn)的勘探和開發(fā)領(lǐng)域。

同沉積斷層多發(fā)育于構(gòu)造盆地的邊緣，而在盆地內(nèi)部也常有規(guī)模相對(duì)較小的次級(jí)同沉積斷層發(fā)育，其影響著盆地內(nèi)水系的遷移和古地貌的形成，對(duì)沉積韻律、沉積體系域以及砂體的分布具有重要的控制作用(Pickering，1983林暢松等， 2000； Petit et al.，2010； 耳闖等， 2013)。同沉積斷層下盤可形成同沉積背斜(逆牽引褶皺)和同沉積鼻狀構(gòu)造(牽引褶皺)等褶曲型同沉積構(gòu)造。這些褶曲型次生構(gòu)造是重要的儲(chǔ)油氣構(gòu)造。同沉積斷層兼具油氣運(yùn)移通道和封堵油氣的雙重作用，且其兩盤同一地層單元厚度的差異性反映了區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的歷史(李震， 2008； 洪宇等， 2003)。同沉積斷層因其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性、對(duì)區(qū)域沉積體系的控制性以及與儲(chǔ)油氣構(gòu)造的密切性，長(zhǎng)久以來(lái)受到眾多研究者的關(guān)注和重視。

本文基于大量原始文獻(xiàn)的查閱和整理，對(duì)同沉積斷層的基本特點(diǎn)、分類、形態(tài)特征、次生構(gòu)造、研究方法、成因和演化理論進(jìn)行了歸納總結(jié)，并結(jié)合已有構(gòu)造地裂縫研究成果及特征，提出了同沉積地裂縫的概念。

1 同沉積斷層特征和分類

1.1 基本特點(diǎn)

同沉積斷層主要有以下5個(gè)特征：

(1)斷層面彎曲，凹向盆地方向，即向盆地?cái)嗦洌覕嗝鎯A角隨深度增加而減小。

(2)同一地層單元，下降盤地層較上升盤厚。

(3)斷距隨深度增加而增大。

(4)在同沉積斷層的下降盤常形成具有油氣圈閉作用的滾動(dòng)背斜構(gòu)造，也稱為逆牽引背斜(胡征欽， 1986)。

(5)同沉積斷層下降盤砂層的層數(shù)增多，單層厚度增大(王燮培等， 1990)。

以珠江口盆地番禺低隆起PY24同沉積斷層剖面為例(圖 1)。該斷層形成于拉張應(yīng)力環(huán)境中，在剖面上呈現(xiàn)上陡下緩的鏟式正斷層形態(tài)，斷距隨深度增加而增大。斷層兩側(cè)同一地層單元，上盤地層厚度明顯大于下盤地層，且在斷層上盤多發(fā)育有逆牽引構(gòu)造(薛成等， 2012)。

圖 1 同沉積斷層地震剖面特征(薛成等， 2012)Fig. 1 Seismic profile of synsedimentary fault(Xue et al.，2012)

同沉積斷層因具有獨(dú)特的構(gòu)造特征而區(qū)別于一般斷層，而這些構(gòu)造特征也是識(shí)別同沉積斷層的基本依據(jù)。同沉積斷層所表現(xiàn)出的特征是其內(nèi)在孕育機(jī)制的外部體現(xiàn)，針對(duì)不同特征研究其內(nèi)在力學(xué)、沉積學(xué)以及構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制是非常必要的。

表 1 同沉積斷層組合形式分類表Table 1 Synsedimentary fault combination form classification

1.2 分類與分級(jí)

同沉積斷層分類相對(duì)較為簡(jiǎn)單，一般按照其所處盆地位置以及斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行分類。

按照其所處的位置分為盆地邊界同沉積斷層和盆地內(nèi)部同沉積斷層兩大類，其規(guī)模、剖面形態(tài)以及形成機(jī)制均有所差異。盆地邊界同沉積斷層是追蹤盆前的一組或兩組基底斷裂發(fā)育而成的，其規(guī)模較大，且與盆地的形成密切相關(guān)(陳大賢， 1991)。盆地內(nèi)部同沉積斷層與盆地內(nèi)部沉積同期發(fā)育，相比邊界同沉積斷層規(guī)模較小。

按照其兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)分為同沉積正斷層和同沉積逆斷層。同沉積正斷層即正斷性質(zhì)且兼具同沉積特征的斷層，常發(fā)育于板塊拉張區(qū)或重力-張力構(gòu)造環(huán)境(王寧國(guó)， 1981)。同沉積逆斷層即上盤上升，下盤相對(duì)下降的邊沉積邊活動(dòng)的斷層，常發(fā)育于壓性和壓扭性盆地內(nèi)，剖面上表現(xiàn)為同一地層單元，上盤比下盤地層相對(duì)要薄(楊克繩等， 1985)。同沉積逆斷層與同沉積正斷層因其力學(xué)機(jī)制存在較大差別，因此在沉積體系、變形特點(diǎn)和幾何形態(tài)等方面都有較大的不同。我國(guó)西部柴達(dá)木盆地新生代沉積中同沉積逆斷層分布較為廣泛，油氣聚集和這些斷層的伴生關(guān)系非常密切(李鶴永等， 2009)。

同沉積斷層多產(chǎn)生于區(qū)域拉張應(yīng)力環(huán)境中，當(dāng)疊加大型走滑斷層影響時(shí)，可形成兼具走滑性質(zhì)的同沉積斷層。以梁家—萬(wàn)昌地區(qū)同沉積斷層為例，伊通盆地邊界斷層為近北東向展布的具走滑性質(zhì)的斷層，而盆內(nèi)梁家—萬(wàn)昌地區(qū)的同沉積斷層多為近東西向展布，兩者之間的夾角約為45°。王曉龍等(2013)應(yīng)用Lowell的走滑應(yīng)變橢球體模型進(jìn)行應(yīng)力分析，證明了盆內(nèi)一系列同沉積斷層是由邊界斷層的走滑運(yùn)動(dòng)而形成的。徐昊清(2017)利用三維地震資料，分析了渤海海域遼東地區(qū)的斷裂體系發(fā)育特征，認(rèn)為渤海灣盆地中的負(fù)花狀同沉積斷裂構(gòu)造，是區(qū)域伸展拉張構(gòu)造應(yīng)力疊加了郯廬斷裂的走滑作用后形成的。

按照斷裂的規(guī)模、形成演化特征以及對(duì)人類工程活動(dòng)的影響可將斷裂分為不同的等級(jí)。陳少軍等(2004)按照斷裂對(duì)盆地沉積演化的控制作用將斷裂分為5級(jí)：一級(jí)斷裂常為盆緣邊界斷裂，影響著盆地內(nèi)沉積以及構(gòu)造發(fā)育的進(jìn)程； 二級(jí)斷裂分割形成了烴源巖區(qū)以及構(gòu)造單元； 三級(jí)斷裂控制了盆地內(nèi)部區(qū)域性構(gòu)造圈閉帶的形成和分布； 四級(jí)斷裂影響了局部構(gòu)造圈閉的形成； 五級(jí)斷裂分割了盆地內(nèi)的構(gòu)造圈閉(吳光大， 2007)。水利水電工程地質(zhì)測(cè)繪規(guī)程(2004)，從工程應(yīng)用角度，按照斷裂規(guī)模及其對(duì)應(yīng)的特殊工程地質(zhì)問(wèn)題將其分為區(qū)域性斷層、大型、中型、小型斷層以及節(jié)理裂隙5個(gè)等級(jí)。

目前同沉積斷層的級(jí)別劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)、不同研究區(qū)域或是針對(duì)不同的研究問(wèn)題，其劃分標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。同沉積正斷層分布較為廣泛，因而國(guó)內(nèi)外對(duì)同沉積正斷層的研究較為系統(tǒng)和深入，對(duì)同沉積逆斷層的研究相對(duì)較少，今后同沉積逆斷層的相關(guān)研究仍有待加強(qiáng)。

1.3 形態(tài)特征

同沉積斷層在形成過(guò)程中受到構(gòu)造應(yīng)力、地層巖性和重力調(diào)節(jié)等因素的影響，從而在平面和剖面上呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和組合形式(表1)。

同沉積斷裂在平面上組合樣式多種多樣，根據(jù)其平面形態(tài)主要分為梳狀斷裂系、帚狀斷裂系以及平行或雁行狀斷裂系等(林暢松等， 2003)。常艷艷(2011)將我國(guó)遼中凹陷古近系同沉積斷裂的平面形態(tài)分為梳狀、帚狀、叉狀、雁列狀4種(圖 2)。張博(2009)將番禺天然氣區(qū)同沉積斷裂平面組合形式總結(jié)為分支復(fù)合以及雁行排列。此外，還有“人”或“之”字形斷裂系統(tǒng)(單敬福等， 2010)。

圖 2 同沉積斷層平面組合形式(常艷艷， 2011)Fig. 2 Synsedimentary fault plane combination forms (Chang， 2011) a. 梳狀； b. 帚狀； c. 叉狀； d. 雁列狀

邊界同沉積斷層與盆地內(nèi)同沉積斷層在剖面形態(tài)上有所不同。邊界同沉積斷層的斷面基本形態(tài)有勺形、椅形、階形和坎形4種(陳大賢， 1991)。針對(duì)盆地內(nèi)同沉積斷層的剖面組合形式，不同學(xué)者的分類也有所不同。崔曉玲等(2013)將同沉積斷層的剖面形態(tài)總結(jié)為“多”形(骨牌式)、同向“Y”形(“帚狀”)、反向“Y”形(反“帚狀”)及復(fù)合“Y”形(負(fù)花狀)等。常艷艷(2011)將同沉積斷裂的剖面組合形式分為馬尾狀、羽狀、平行斷階狀和復(fù)合Y字形4種。對(duì)比已有的分類，可將其概括為以下4種典型剖面組合形式，分別為平行斷階形、同向“Y”形、反向“Y”形以及復(fù)合“Y”形(圖 3)。

圖 3 盆地內(nèi)同沉積斷層剖面形態(tài)(崔曉玲等， 2013)Fig. 3 Synsedimentary fault profiles in the basin (Cui et al.，2013) a. 平行斷階形； b. 同向“Y”形； c. 反向“Y”形； d. 復(fù)合“Y”形

同沉積斷層在平剖面上的不同特征是其內(nèi)在形成力學(xué)機(jī)制的外在體現(xiàn)，但目前針對(duì)其不同平剖面組合形式的力學(xué)機(jī)制的研究相對(duì)較少。同沉積斷層的形態(tài)特征與油氣成藏和運(yùn)移、砂體分布以及盆地形成演化關(guān)系還有待系統(tǒng)研究。

2 次生構(gòu)造——滾動(dòng)背斜

同沉積斷層在其形成和演化過(guò)程中往往形成次級(jí)斷裂、滾動(dòng)背斜以及同沉積鼻狀構(gòu)造等次生構(gòu)造，其中滾動(dòng)背斜(也稱為逆牽引背斜或逆牽引構(gòu)造)因分布廣泛，且為重要的儲(chǔ)油氣構(gòu)造，因而受到眾多研究者的青睞，研究也最為深入(鐘延秋等， 2006； 鄭東孫等， 2014； Tanner et al.，2017)。

在下剛果—?jiǎng)偣扰璧貥?gòu)造圈閉類型的油氣田中，屬背斜圈閉的油氣田有141個(gè)，可采儲(chǔ)量為91605.75×104t油當(dāng)量，占構(gòu)造圈閉儲(chǔ)量的99%(劉瓊等， 2013)。在尼日爾三角洲的油田中，多數(shù)與生長(zhǎng)斷層及其伴生的滾動(dòng)背斜有關(guān)，非背斜油氣藏很少(侯高文等， 2005)。滾動(dòng)背斜與同沉積斷層相伴生，為油氣成藏提供了有利場(chǎng)所。

滾動(dòng)背斜常發(fā)育于拉張作用下的同沉積正斷層的上盤(黃晶， 2017)。陳大賢(1991)將同沉積斷層的伴生構(gòu)造組合樣式總結(jié)為以下4種：因斷裂拉伸，斷層兩盤出現(xiàn)空隙帶，斷層上盤巖層為填補(bǔ)空隙，在重力作用下發(fā)生塑性變形，向空隙方向逐漸坍塌、回傾，從而使巖層彎曲形成滾動(dòng)背斜； 當(dāng)上盤巖層巖性脆性較強(qiáng)，則可形成與主斷層傾向相反的反向派生斷層； 當(dāng)斷層兩盤結(jié)合緊密，無(wú)明顯空隙帶時(shí)則產(chǎn)生正牽引構(gòu)造； 當(dāng)?shù)貙又械膽?yīng)力大于地層極限破壞強(qiáng)度時(shí)則產(chǎn)生相應(yīng)的同向派生斷層(圖 4)。

圖 4 同沉積斷層及其伴生褶皺組合樣式(陳大賢， 1991)Fig. 4 The synsedimentary fault and its associated fold pattern(Chen，1991) a. 逆牽引構(gòu)造(滾動(dòng)背斜)； b. 反向派生斷層； c. 正牽引構(gòu)造； d. 同向派生斷層

由于斷層上、下盤地層巖性和厚度的不同以及差異壓實(shí)的作用，在砂巖和泥巖之間的變化帶?？尚纬蓮澢鷰?，沿此也可產(chǎn)生正斷層及逆牽引背斜。此外，塑性巖層(巖鹽、石膏及軟泥巖)流動(dòng)上拱也是滾動(dòng)背斜的一種常見成因(陳發(fā)景， 2008)。祁大晟(1993)對(duì)滾動(dòng)背斜的形成做了相應(yīng)探討，其認(rèn)為滾動(dòng)背斜的形成可分為兩期：第1期為區(qū)域引張，形成正斷層； 第2期為區(qū)域性擠壓，從而形成滾動(dòng)背斜。黃晶(2018)通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)滾動(dòng)背斜的形成演化機(jī)制進(jìn)行細(xì)致的分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滾動(dòng)背斜是在區(qū)域拉張的應(yīng)力環(huán)境下形成的，且其主要受主斷裂(正斷層)控制，屬于正斷層相關(guān)褶皺。陳書平等(2013)通過(guò)對(duì)沾車地區(qū)滾動(dòng)背斜研究認(rèn)為斷面形態(tài)、斷層伸展量和沉積作用對(duì)滾動(dòng)背斜的形成具有重要作用。滾動(dòng)背斜是油氣圈閉的有利構(gòu)造形式主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面滾動(dòng)背斜常發(fā)育在與生油中心相鄰的斜坡地帶； 另一方面它又與構(gòu)造斷層緊鄰，斷層既可作為油氣運(yùn)移的通道同時(shí)也影響著滾動(dòng)背斜的閉合程度(陳書平等， 1999； Zhang et al.，2010)。

滾動(dòng)背斜的形成與演化，對(duì)于油氣的生成、運(yùn)移、儲(chǔ)集都有著至關(guān)重要的作用，因而對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究是很有必要的。

3 研究方法

同沉積斷層的研究方法多種多樣，主要有野外露頭觀測(cè)、地震剖面解譯、定量研究方法、圖解法、數(shù)值模擬法、物理模型試驗(yàn)以及理論分析等。每種研究方法的適用領(lǐng)域也有所不同，各方法既自成體系又相輔相成。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及研究問(wèn)題的復(fù)雜化和深入化，研究方法也趨于綜合化和精細(xì)化。

野外露頭觀測(cè)和地震剖面解譯法均用于同沉積斷層的識(shí)別及其形態(tài)特征的研究，是同沉積斷層研究工作的基礎(chǔ)。在同沉積斷層研究初期，受當(dāng)時(shí)勘探技術(shù)發(fā)展的制約，對(duì)同沉積斷層的識(shí)別主要以野外天然露頭觀測(cè)為主。野外露頭觀測(cè)可獲得斷裂剖面形態(tài)、斷距、填充、膠結(jié)和沉積歷史等信息。Elliott et al.(1981)曾對(duì)露天煤礦中同沉積斷層的天然露頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，對(duì)同沉積斷層的形態(tài)特征有了直觀的認(rèn)識(shí)。天然露頭觀測(cè)具有直觀、信息全面且細(xì)致的優(yōu)點(diǎn)，但自然界中天然露頭較少，且深部特征難以觀測(cè)到。隨著勘探技術(shù)的發(fā)展，地球物理勘探逐漸應(yīng)用于同沉積斷層的研究。Burhannudinnur et al.(1997)基于地球物理勘探剖面的解譯，對(duì)同沉積斷層深部的幾何形態(tài)以及變形特征進(jìn)行了研究。通過(guò)地球物理勘探的手段可以獲得斷層深部特征，探測(cè)到隱伏的同沉積斷層，但探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及精度受解譯水平和探測(cè)技術(shù)的影響。近年來(lái)，隨著地球物理勘探解譯精度的提高，高分辨率三維地震探測(cè)逐漸用于同沉積斷層幾何形態(tài)的研究(Catherine， 2008)。

同沉積斷層的定量研究方法主要有生長(zhǎng)指數(shù)法、(古)滑距法、正斷層拉張量計(jì)算法、古落差法、滑脫深度計(jì)算法和斷層活動(dòng)速率法等(趙勇等， 2003； 陳剛等， 2007)。定量研究方法主要應(yīng)用于斷層活動(dòng)強(qiáng)度以及活動(dòng)歷史的研究。Thorsen(1963)對(duì)美國(guó)路易安那州多條同沉積斷層的斷距與深度的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，提出了生長(zhǎng)指數(shù)的概念。生長(zhǎng)指數(shù)為斷層兩盤同一地層單元，下降盤厚度與上升盤厚度的比值，可衡量斷層的活動(dòng)強(qiáng)度，因其概念簡(jiǎn)單且意義明確從而應(yīng)用最為廣泛。但要真實(shí)反映斷層的活動(dòng)強(qiáng)度需滿足各地層單元沉積速率相等，這樣才能直接用生長(zhǎng)指數(shù)判定斷層在不同時(shí)代活動(dòng)性的相對(duì)強(qiáng)弱(趙孟為， 1989)。因生長(zhǎng)指數(shù)法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定局限性，更多定量研究方法涌現(xiàn)出來(lái)，主要包括古落差法、斷層活動(dòng)速率法、(古)滑距法以及正斷層拉張量計(jì)算法、滑脫深度計(jì)算法等(趙勇等， 2003； 陳剛等， 2007)。但上述方法均未考慮地層沉積壓實(shí)的影響，因而不能完全真實(shí)地反映斷層活動(dòng)的強(qiáng)弱。占王忠等(2010)提出了斷層視活動(dòng)與真實(shí)活動(dòng)速率的概念，考慮了地層壓實(shí)作用，對(duì)斷層真實(shí)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，其認(rèn)為斷層的真實(shí)活動(dòng)速率大于按照傳統(tǒng)定量研究方法所獲取的斷層“視活動(dòng)”速率； 研究斷層為逆斷層時(shí)，則剛好相反。雷寶華(2012)對(duì)各種方法的應(yīng)用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。各種定量研究方法均有其局限性，綜合多種方法對(duì)斷層的活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)可使結(jié)果更為準(zhǔn)確。

圖解法是一種直觀的研究方法，將同沉積斷層要素或歷史演化階段以圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，用以直觀表現(xiàn)或解釋其歷史時(shí)期的活動(dòng)強(qiáng)度以及演化歷史。同沉積斷層研究中常用的圖有斷距-深度關(guān)系圖(T-Z圖)和斷層活動(dòng)歷史演化圖。T-Z圖是研究同沉積斷層活動(dòng)歷史的常用手段，但其對(duì)地震剖面解譯精度要求較高。T-Z圖是斷層落差與深度的二維折線圖，圖上坡度的形態(tài)和變化特征直接反應(yīng)了斷層的活動(dòng)性質(zhì)(張焱林等， 2010)。Cartwright et al.(1998)通過(guò)高分辨率地震勘探剖面解譯得出的T-Z圖，分析了德克薩斯州17條斷層從晚更新世至全新世的活動(dòng)歷史，發(fā)現(xiàn)該斷裂帶從晚更新世到全新世具有多旋回生長(zhǎng)的特點(diǎn)。張焱林等(2010)對(duì)T-Z圖的原理以及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。斷層活動(dòng)歷史演化圖是通過(guò)沉積學(xué)、地層沉積學(xué)以及露頭觀測(cè)、巖性對(duì)比等方法進(jìn)行綜合研究后，將斷層活動(dòng)演化的各個(gè)階段以圖的形式表現(xiàn)出來(lái)。Bhattacharya et al. (2001)通過(guò)對(duì)美國(guó)猶他州同沉積斷層露頭分析，采用地層層序?qū)W、動(dòng)力恢復(fù)的方法對(duì)其活動(dòng)歷史進(jìn)行了重建。Wignall et al. (2004)采用相似方法對(duì)愛爾蘭島西部的同沉積斷層的活動(dòng)歷史進(jìn)行了重建(圖 5)。

圖 5 愛爾蘭島Moher懸崖同沉積斷層系統(tǒng)活動(dòng)歷史重建 (Wignall et al.，2004)Fig. 5 Historical reconstruction of syndepositional fault system in Moher cliff， Ireland(Wignall et al.，2004)

數(shù)值模擬法以及物理模型試驗(yàn)常用于同沉積斷層及其次生構(gòu)造形成演化機(jī)制的研究。Crans et al. (1980)通過(guò)物理模型試驗(yàn)提出了一種基于重力滑動(dòng)的三角洲地質(zhì)力學(xué)模型，可以定量再現(xiàn)與同沉積斷層相關(guān)的主要特征參數(shù)，如相鄰斷層間距、最大硬化區(qū)域長(zhǎng)度、基底摩擦力的減小系數(shù)等。Mauduit et al. (1998)通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法，用砂子模擬上覆松散沉積物，硅膠樹脂模擬下伏滑脫層，還原了滾動(dòng)背斜的形成演化全過(guò)程。Maillot et al. (1998)通過(guò)三維張量模型對(duì)斷層的生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬。Chu et al. (2015)通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)臺(tái)北都會(huì)區(qū)山腳同沉積斷層進(jìn)行了模擬，并通過(guò)離散元軟件PFC2D對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果具有較高的吻合性，并最終將離散元模型應(yīng)用于實(shí)際同沉積斷層的模擬。數(shù)值模擬法以及物理模型試驗(yàn)可以重現(xiàn)斷層活動(dòng)的全過(guò)程，但由于邊界效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)等因素的影響，多數(shù)物理模型不能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際地質(zhì)模型的完全還原，因而仍具有一定局限性。

理論分析法是一種綜合的研究方法，以野外露頭觀測(cè)、地球物理勘探以及鉆探等資料為研究基礎(chǔ)，地層層序?qū)W、沉積學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)為理論依據(jù)，對(duì)同沉積斷層活動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)歷史、形成演化規(guī)律、古地貌(構(gòu)造坡折帶)對(duì)于沉積體系影響、油氣成藏等問(wèn)題進(jìn)行研究。梁富康等(2011)根據(jù)斷層的活動(dòng)變化特點(diǎn)并結(jié)合區(qū)域物源分析，系統(tǒng)地討論了冀中坳陷深縣凹陷地區(qū)的生長(zhǎng)斷層對(duì)該區(qū)沉積格局的控制作用。萬(wàn)濤等(2010)依據(jù)地質(zhì)錄井、巖芯壓汞測(cè)試和地層測(cè)試等資料，應(yīng)用生長(zhǎng)斷層活動(dòng)性和封閉性的定量評(píng)價(jià)、巖石薄片分析等方法，對(duì)車西洼陷南坡油氣成藏和富集的主控因素和規(guī)律進(jìn)行了研究。李陽(yáng)等(2002)通過(guò)基準(zhǔn)面分析以及層序分析的方法構(gòu)建了高分辨率的地層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而劃分出3種層序樣式，分別為生長(zhǎng)斷層型、構(gòu)造坡折型、濱岸緩坡型。林暢松等(2000)對(duì)“構(gòu)造坡折帶”的概念進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并認(rèn)為其在層序分析和油氣勘探中具有重要意義。李娟等(2018)基于地球物理勘探資料，通過(guò)斷層古滑距、滑動(dòng)速率法對(duì)蘇丹Muglad盆地凱康坳陷生長(zhǎng)斷層活動(dòng)特征與油氣成藏模式進(jìn)行了研究。

隨著同沉積斷層研究的深入，多種方法聯(lián)合使用進(jìn)行同沉積斷層的綜合研究將成為同沉積斷層研究的發(fā)展趨勢(shì)。

4 形成和演化理論

從動(dòng)力學(xué)角度考慮，同沉積斷層有兩種成因：一種是構(gòu)造成因，主要指由基底斷裂活動(dòng)對(duì)上覆沉積蓋層產(chǎn)生影響，并在蓋層中延伸。這類斷層是在追蹤盆前的一組或兩組方向的基底斷裂發(fā)育起來(lái)的，規(guī)模大且常常卷入基底。另一種為重力成因，即認(rèn)為沉積蓋層自身的重力以及由此產(chǎn)生的重力滑動(dòng)、沉積壓實(shí)和塑性流動(dòng)是造成同沉積斷層的主要因素(王燮培等， 1990； 孫冬勝， 1995)。王燮培等(1990)將重力成因又細(xì)分為單斜撓褶帶的重力滑塌、重力蠕動(dòng)滑移、差異壓實(shí)、差異負(fù)荷和薄皮滑動(dòng)。該成因類型斷層多為中、小型規(guī)模，且廣泛發(fā)育于沉積蓋層中(孫冬勝， 1995)。此外，高孔隙壓力也可引起同沉積斷層作用。在快速沉積的厚層泥巖系中，孔隙壓力大于靜水壓力，從而導(dǎo)致大規(guī)模以泥質(zhì)巖為核的背斜和伴生的同沉積斷層形成(程小久， 1994)。

專門針對(duì)同沉積斷層的生長(zhǎng)和連接方面的研究較少，較多研究集中于廣義斷層的研究。Wilkins et al. (2001)對(duì)斷層擦痕和羽狀節(jié)理進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，其認(rèn)為斷層發(fā)育的最終長(zhǎng)度與其初始長(zhǎng)度有關(guān)，斷層后期在長(zhǎng)度方向的發(fā)育很有限。Walsh et al. (2002)認(rèn)為斷層在長(zhǎng)度方向上有一個(gè)快速的增長(zhǎng)階段，之后基本保持不變，而斷層最大位移量則以近于恒定的速率持續(xù)增長(zhǎng)。闕曉銘(2013)對(duì)斷層生長(zhǎng)連接的研究歷程以及成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。在斷層生長(zhǎng)過(guò)程中，斷層之間的重疊區(qū)域會(huì)對(duì)斷層的生長(zhǎng)起到限制作用，斷層端部隨著斷層的持續(xù)生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)則會(huì)發(fā)生斷層的生長(zhǎng)連接(Childs et al.，2003)。劉東周等(2002)認(rèn)為同沉積斷層分段成核、分段生長(zhǎng)，然后追蹤連鎖為一條斷層，并將其演化過(guò)程分為斷層成核、分段生長(zhǎng)、派生斷層形成、斷層連鎖、斷層寧?kù)o和斷層活化6個(gè)階段。李娟等(2018)將斷層生長(zhǎng)演化分為孤立斷裂、軟連接、硬連接和完整斷裂4個(gè)階段(圖 6)。

圖 6 斷層生長(zhǎng)演化階段及模式圖(李娟等， 2018)Fig. 6 Evolution stages and fault growth pattern(Li et al.，2018)

5 研究新方向——同沉積地裂縫

地裂縫是一種在內(nèi)外地質(zhì)營(yíng)力作用下，地殼淺表部土層中發(fā)生的破裂現(xiàn)象(Peng et al.，2008，2015; 徐繼山等， 2012； 盧全中等， 2013)，其表現(xiàn)形式多種多樣，常見的有地表裂縫、連續(xù)陷坑、小陡坎、緩坡、隱伏地裂縫形成的近地表破碎帶等。地裂縫是一種常見的不良地質(zhì)災(zāi)害，在全球范圍內(nèi)分布廣泛，常對(duì)跨越其上的建筑物，產(chǎn)生不可逆的破壞作用，對(duì)擬建和已建成的工程產(chǎn)生不可估量的危害(盧全中等， 2015；Peng et al.，2018)。

在實(shí)際野外調(diào)查中，部分地裂縫也表現(xiàn)出同沉積斷層的性質(zhì)，其發(fā)育深度一般位于第四紀(jì)沉積物中，地層錯(cuò)距隨著深度的增加而增大，年代越老的地層錯(cuò)距越大，斷面上陡下緩，上盤常發(fā)育有多條與主裂縫傾向相反的次級(jí)裂縫，我們將這種類型的地裂縫稱為同沉積地裂縫。同沉積地裂縫的形成多與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)相關(guān)，同時(shí)人類活動(dòng)對(duì)其后期活動(dòng)也具有重要影響作用。

西安地裂縫是一種典型的同沉積地裂縫，具有同沉積斷層的性質(zhì)，控制其影響范圍內(nèi)沉積物的形成(馮希杰， 1996)。西安地區(qū)共發(fā)育有14條地裂縫，其平面展布特征表現(xiàn)為定向性和似等間距性，平面組合為追蹤式、雁列式和側(cè)列再現(xiàn)，沿走向上呈分段性，剖面上表現(xiàn)為裂面同步南傾且傾角相似，深部多與下伏斷層相接(圖 7)。彭建兵等(2012)將西安地裂縫的成因機(jī)制概括為：深部構(gòu)造孕育地裂縫、盆地伸展萌生地裂縫、黃土介質(zhì)響應(yīng)地裂縫、斷層活動(dòng)派生地裂縫、應(yīng)力作用群發(fā)地裂縫、抽水作用加劇地裂縫、表水滲透重啟地裂縫，并認(rèn)為構(gòu)造因素是主導(dǎo)因素。西安地裂縫發(fā)育于臨潼—長(zhǎng)安斷裂上盤，由于斷裂持續(xù)的升降運(yùn)動(dòng)，使得斷裂上盤以及斷裂影響帶處于一種拉張應(yīng)力環(huán)境中，這種應(yīng)力狀態(tài)為西安地裂縫的形成提供了良好的孕育環(huán)境。

圖 7 西安地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(彭建兵等， 2012)Fig. 7 Geological structure model of Xi’an area (Peng et al.，2012) F1. 秦嶺北緣斷裂； F2. 余下—鐵爐子斷裂； F3. 臨潼—長(zhǎng)安斷裂； F4. 渭河斷裂

地震勘探資料顯示，位于西安地裂縫帶中段的地震勘探剖面a-b(位置見圖 7)存在T1、T2、T3和T4 4個(gè)典型反射層(圖 8)，其中T1為中更新統(tǒng)(Q2)和下更新統(tǒng)(Q1)之間的界面反射，T4為下更新統(tǒng)(Q1)和新近系(N)之間的界面反射。T1反射層垂直錯(cuò)距8～32.3m， T2反射層垂直錯(cuò)距8.6～54.4m， T3反射層垂直錯(cuò)距18.3～61.3m， T4反射層垂直錯(cuò)距32.5～83.5m。地裂縫垂直錯(cuò)距隨深度增加而增加，表現(xiàn)出明顯的“生長(zhǎng)斷層”特點(diǎn)(石明， 2009)。地裂縫在剖面上呈反向“Y”形結(jié)構(gòu)，次級(jí)裂縫與主裂縫也多呈反向“Y”形結(jié)構(gòu)，顯示它們均處于同一拉張構(gòu)造環(huán)境中。裂縫形態(tài)上部近直立，下部?jī)A角逐漸變緩，上盤靠近斷面處，反射層出現(xiàn)向下彎曲的逆牽引構(gòu)造。

圖 8 西安地裂縫地震反射解譯圖(彭建兵等， 2012)Fig. 8 Interpretation of seismic reflection of Xi’an ground fissure(Peng et al.，2012)

圖 9 西安市雁塔區(qū)金滹沱探槽剖面圖(李忠生等， 2013)Fig. 9 Section of Jinhutuo trench in Yanta District，Xi’an(Li et al.，2013)

根據(jù)探槽揭露的淺部地層資料，西安市金滹沱地裂縫在淺表層也表現(xiàn)出同沉積斷層的性質(zhì)(圖 9)。該地裂縫在距地表約10.6m處錯(cuò)斷古土壤層底界，斷距為1.1m，在距地表 6.8m處錯(cuò)斷古土壤層頂界，斷距約為0.8m，其斷距隨深度增加而增大。裂縫上盤向上彎曲且發(fā)育有多條反傾次級(jí)裂縫，下盤地層向下彎曲，次級(jí)裂縫傾向與主裂縫近平行。宋彥輝等(2012)通過(guò)生長(zhǎng)指數(shù)法對(duì)臨潼—長(zhǎng)安斷裂東段的西安金滹沱地裂縫與西段的杜陵路地裂縫的活動(dòng)性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，并指出這兩處地裂縫的總體活動(dòng)規(guī)律具有一致性，且活動(dòng)程度與臨潼—長(zhǎng)安斷裂在該區(qū)段的活動(dòng)性相一致。西安地裂縫受臨潼—長(zhǎng)安斷裂帶的控制，并與渭河盆地的沉積作用同期發(fā)生，因而表現(xiàn)出同沉積斷層的特征。

根據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)渭南市大荔縣鄭家莊地裂縫、臨渭區(qū)良田村地裂縫以及山西省朔州市應(yīng)縣石莊村小學(xué)地裂縫等均表現(xiàn)出與西安地裂縫類似的同沉積斷層特征。同沉積地裂縫廣泛分布于新生代盆地和第四紀(jì)沉積物中，切割淺表部土體并形成變形影響帶，對(duì)跨地裂縫的建設(shè)工程會(huì)產(chǎn)生潛在危害(彭建兵等， 2012； 孟振江， 2017)，但關(guān)于同沉積地裂縫的系統(tǒng)研究尚未開展。

已有的地裂縫研究主要偏重于地裂縫淺表部的破裂特征、影響范圍，而對(duì)于同沉積地裂縫，其發(fā)育深度較大，地裂縫深部的特征研究目前幾乎是空白，這對(duì)地下空間開發(fā)利用日益重視的今天，開展地裂縫深部的剖面結(jié)構(gòu)特征、破裂形態(tài)和影響范圍等研究工作，顯得尤為重要和迫切。同沉積地裂縫的形成與其所處的構(gòu)造環(huán)境、沉積特點(diǎn)等密切相關(guān)，在地質(zhì)歷史過(guò)程中經(jīng)歷了不同的地質(zhì)作用和不同的地質(zhì)時(shí)期，現(xiàn)在看到的地裂縫是古地裂縫在不同地質(zhì)時(shí)期漸變發(fā)展過(guò)來(lái)的。因此，開展同沉積地裂縫的研究工作，絕不能避開其形成的地質(zhì)歷史過(guò)程?；诘刭|(zhì)歷史過(guò)程、盆地動(dòng)力特點(diǎn)和構(gòu)造-層序-沉積分析法，開展同沉積地裂縫的發(fā)育模式、形成機(jī)制、破裂擴(kuò)展過(guò)程和效應(yīng)以及影響帶寬度研究，是今后構(gòu)造地裂縫研究的新方向，可為地裂縫地段深層地下空間開發(fā)利用和災(zāi)害防治提供地質(zhì)參數(shù)和理論依據(jù)。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)同沉積斷層文獻(xiàn)的研究得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： (1)同沉積斷層平面組合形式主要有梳狀、帚狀、叉狀、雁列狀，其邊界斷層與盆地內(nèi)斷層的剖面形態(tài)有所不同； (2)滾動(dòng)背斜是同沉積斷層的次生構(gòu)造也是重要的儲(chǔ)油氣構(gòu)造； (3)同沉積斷層研究方法主要有野外露頭觀測(cè)、地震剖面解譯、定量研究方法、圖解法、數(shù)值模擬法和物理模型試驗(yàn)以及理論分析法等； (4)同沉積斷層成因分為構(gòu)造成因和重力成因； (5)部分地裂縫也具有同沉積斷層的性質(zhì)，以西安地裂縫為典型代表。

在同沉積斷層的基礎(chǔ)理論和研究方法上，仍有一些問(wèn)題尚待解決。例如：關(guān)于壓性和壓扭性盆地內(nèi)同沉積逆斷層的研究較少； 同沉積斷層的研究多以某一特定區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究成果對(duì)于其他地區(qū)的適用性有待進(jìn)一步研究； 現(xiàn)有的針對(duì)同沉積斷層活動(dòng)性的定量評(píng)價(jià)方法尚不能完全真實(shí)反映同沉積斷層的歷史活動(dòng)強(qiáng)度； 基于地質(zhì)歷史過(guò)程、盆地動(dòng)力特點(diǎn)和構(gòu)造-層序-沉積分析法，開展同沉積地裂縫的發(fā)育模式、形成機(jī)制、破裂擴(kuò)展效應(yīng)以及影響帶寬度研究，是今后構(gòu)造地裂縫研究的新方向。

今后同沉積斷層研究可從以下4個(gè)方面重點(diǎn)展開： (1)在已有同沉積斷層研究的理論基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)同沉積逆斷層的研究； (2)開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)和新方法，包括各種精細(xì)探測(cè)方法和定量評(píng)價(jià)指標(biāo)等； (3)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面的研究，提高模擬結(jié)果的可靠性，為同沉積斷層的理論研究和參數(shù)選取提供依據(jù)； (4)綜合地裂縫和同沉積斷層的理論成果和研究方法，對(duì)同沉積地裂縫進(jìn)行系統(tǒng)研究。