引言

构造变形及其对沉积地层的控制作用是研究沉积盆地形成机制和演化过程的重要科学问题，长期以来倍受国内外地质学家关注^[1-8]。盆地的边界大断裂控制了盆地的形成演化、构造格架和沉积充填。沉积地层的褶皱变形，与断层面的几何形态密切相关，边界断层三维几何学模型的建立，可以定性甚至定量分析凹陷构造变形特征及其沉积充填模式。传统断层的研究一般局限于二维剖面，而断层三维几何学及运动学特征分析则对断面在三维空间的倾角、倾向变化及其分段连接过程开展定性描述。

Rich在1934年率先提出断层与其上盘地层褶皱具几何学关系后^[9]，Suppe在1983年首次定量化分析两者关系^[10]，并建立了断层相关褶皱(Fault-related folds)理论的基本模型。随后，断层相关褶皱理论得到了迅猛发展，建立了断层转折褶皱(Fault-bend folds)、断层传播褶皱(Fault-propagation folds)、滑脱褶皱(Detachment folds)、构造楔(Structural wedges)及叠瓦构造(Imbricate fault-bend folds)等多种几何学模型，并在含油气盆地构造解析、地震灾害预报和造山带研究中取得显著应用效果。近年来，伸展背景下形成的正断层相关褶皱日益受到地质学家的关注，如正断层剖面上的几何学、运动学特征，正断层位移与构造转换带关系^[11-12]，正断层断层形态与滚动背斜形态的几何学关系定量推导等^[13-15]。不少地质学家还对正断层的运动机制以及地层变形进行了探讨并通过物理模拟实验进行论证^[16-20]。

大量盆地构造解析实例和油气勘探实践均表明，控盆、控凹级别的大型边界断裂，沿走向多具有分段性，每个断层段具有独立的长度-位移模式，说明大断裂多是由多条小断层生长连接而成。边界大断裂的形成演化是一个由孤立断层到分段断层再到最终连锁的过程。即多条小断层初始孤立生长；在生长过程中叠覆、硬连接为一条断层，但分段活动，每段分别控制一个沉积洼陷，断层连接处相对隆起；最终连锁为运动学上的统一断层，在断层上盘最大位移处具有统一沉降中心。这是大型边界断裂的普遍演化过程，也是沿断层走向构造分带的根本原因，在形成过程中分段断层的互相作用和应力调节可形成构造转换带。

南阳凹陷的边界断层-新野断层，是南襄盆地的重要基底断裂之一，分隔了新野低凸起和南阳凹陷，平面上呈“之”字形展布，控制了凹陷的构造变形和沉积充填。前人对断层的二维几何形态和断层活动速率进行过研究，分析了断裂控制下的古地貌特征和地层沉降^[21]。但是，新野断层具有分段性，各段的纵横向变化复杂，断层的空间几何形态、分段特征、连接模式、活动期次、强度、滑脱深度、对南阳凹陷成因的控制作用等问题尚未得到解决。如南阳凹陷具有南北分带、东西分块的构造特征，这与控凹断裂的几何学形态和运动学过程有何关系？本文以新野断层为研究对象，以高精度连片三维资料为基础，在VSP测井约束下进行时深转换，建立断面的深度域三维几何形态，进而探讨其运动学特征及其对南阳凹陷形成的控制作用。

1 区域地质背景 1.1 区域构造特征

南襄盆地地理上横跨河南省南阳市、驻马店市和湖北省襄阳市3个地级市，是以古近系沉积为主的中生代-新生代扇状断陷湖盆^[22-23]，面积约1.7$\times$10$^4$ km$^2$，平面上具“五凹五隆”的构造单元格局。大地构造位置位于华北板块和扬子板块俯冲碰撞形成的秦岭-大别褶皱造山带之上^[24-25]，该褶皱造山带是一条长期发展的、受多期次离散、汇聚、碰撞等构造应力持续作用的多旋回复合造山带^[26]，受其控制，南襄盆地构造演化分为两个伸展-聚敛构造旋回(图 1a)。

南阳凹陷属南襄盆地次级凹陷，南部以新野断裂与新野低凸起相隔，西北邻师岗凸起，东北邻社旗凸起，东部以唐河低凸起为界与泌阳凹陷相隔，面积约3 600 km$^2$(图 1b)。平面上呈南断北超的双断型扇状凹陷，具南北分带、东西分块、凸凹相间构造格局(图 1c)：从南向北沿边界断层倾向分为南部断超带、中部凹陷带和北部斜坡带；从西向东沿边界断层走向分为东赵庄-东庄、魏岗-北马庄和张店-黑龙庙断裂鼻状构造带^[27-28]。凹陷发育南北两大物源体系，在北部斜坡带形成沙堰-焦店和金华-张店两个复合三角洲体系；南部断超带形成北马庄、黑龙庙等小型冲积锥砂体。凹陷资源量1.14$\times$10$^8$ t，已探明地质储量0.30$\times$10$^8$ t，资源探明率26%，仍具有较大勘探潜力。

1.2 地层系统

南阳凹陷的基底在凹陷西部为古生界海相碳酸盐岩，在其余地区为元古界变质岩，主要是北秦岭褶皱带的秦岭群和二郎坪群变质岩系。秦岭群是一套混合岩、片岩和大理岩；二郎坪群是一套细碧角斑岩、片岩和大理岩。

南阳凹陷沉积盖层以中新生界为主，岩性是巨厚的河流相、湖泊相砂泥岩。自下而上为不整合覆盖在基底之上的胡岗组棕红色砾岩与同色泥岩、砂岩互层；超覆在胡岗组之上的玉皇顶组紫红色泥岩夹薄层棕红色粉砂岩；大仓房组以棕红色泥岩为主，夹浅灰色粉砂岩；核桃园组暗色泥岩与灰色砂岩、粉砂岩(共3段，自下而上细分为核三、核二、核一)；廖庄组棕黄、紫红色泥岩与灰白色砾岩、粗砂岩互层；上寺组棕黄、灰绿色黏土岩与砂砾岩；平原组棕红色黏土层夹灰-灰白色流沙层或砾石层。其中，古近系核桃园组核二段与核三段为凹陷的主要生储盖层(图 2)。

2 新野断层几何学特征

南阳凹陷是一被深大断裂切割的复杂断陷，发育新野断层、禹桐断层、师岗断层、桐河街断层等一系列切穿基底的一级断裂，但主要是南部边界断裂-新野断层控制了凹陷的构造演化和沉积充填(图 1c)。

2.1 断层平面形态

从新野断层的断面深度等值线图(图 3)可以看出：(1)新野断层的断面深度最小0，最大10 000 m，沿断层倾向断面深度逐渐增加。(2)沿断层倾向，断面等值线整体由密集变为稀疏。(3)平行断层走向存在两个明显拐点，将断层分为3段，拐点两侧断层平面走向和断层平面等值线走向均明显发生变化。(4)新野断层的滑脱面深度在10 000 m左右，在该深度断层面趋于水平。

从新野断层断面倾角等值线图(图 4a)可以看出：(1)新野断层的倾角最小为0°，最大为64°，主要分布在4°$\sim$32°。(2)垂直断层走向，倾角整体呈减小趋势。(3)平行断层走向方向，东、西部断面倾角大于中部断面倾角。(4)两个拐点两侧断面倾角明显发生变化。

从图 4b可以看出：(1)新野断层方位角最小为1°，最大为360°，主要分布在0°$\sim$40°和300°$\sim$ 360°。(2)张店鼻状构造处方位角大多在0°附近。(3)新野断层断面倾向以NW-NNW向为主。(4)在两个拐点两侧，断面方位角明显变化：西段以NE-NNE向为主，中段以NNE-NW向为主，东段以NE-NNE向为主。

2.2 断层三维几何形态

断层在二维剖面上是一条曲线，在三维空间则是一个曲面，该曲面可以看作是由一个或多个等倾角斜面组成的。相邻的等倾角斜面通过轴面进行分隔，即轴面是不同等倾角区的分界面。根据轴面和断面的交切关系，将轴面分为横向轴面(轴面平行断层走向)和垂向轴面(轴面垂直断层走向)。

在只考虑断层面主体形态的情况下划分断层轴面^[29-31]，认为新野断层三维几何形态具有如下特点：(1)断层西段呈“座椅式”正断层，中段呈“转折式”正断层转“犁式”正断层，东段呈“犁式”正断层(图 5)。(2)有两个明显拐点区，拐点两侧断面凹凸发生变化，从西段到中段断面上凸，从中段到东段断面下凹。(3)断层在10 000 m左右深度变得极为平缓，认为进入区域性滑脱面。(4)断层断面是由轴面连接的等倾角面组成的复杂曲面，断面形态复杂，平行断层走向，断面有4条转折；垂直断层走向，断面有两条转折，即认为断面可由4个横向轴面和两个垂向轴面划分为11个等倾角面。

2.3 断层的分段性

根据断层平面走向，结合倾角、断距变化(图 1，图 3，图 4及图 6)，新野断层明显存在两个拐点，在拐点两侧断层倾角、方位角和垂向断距均有明显变化，由此将新野断层分为西段、中段(又可细分为中1段和中2段)、东段。

2.3.1 西段

断层西段走向整体呈NWW-SEE向，断面倾向为NE-NNE向，断层向东延伸至东庄背斜处与断层中段相接。其剖面形态较为复杂，存在多个转折点，剖面几何形态为“陡-缓-陡-缓”转折的“座椅式”正断层，断坪较窄，断坡较宽且倾角较陡(约45°$\sim$55°)，滑脱面略浅。断层上盘地层平缓，沉积厚度小，构造简单，断层不发育。

2.3.2 中段

中段是新野断层的主体部分，走向整体呈SW-NE向，断面倾向为NNW-NW向。中段控制了魏岗鼻状构造沉积，向东在牛三门次洼处与断层东段相接。断层剖面几何形态在中1段表现为“缓-陡-缓”的“转折式”正断层，断坡较宽；上盘地层倾角平缓，斜坡带断层不发育，地层发育受控于反向“东1号”断层，断裂组合样式在剖面呈“Y”字型。中2段几何形态为上陡下缓的“犁式”形态，向下缓慢进入滑脱层；在上盘发育大量的反向、同向正断层及复“Y”字型断层与之配套，形成地堑、地垒或垒堑相间构造。

2.3.3 东段

东段走向整体呈SWW-NEE向，断面倾向为NE-NNE向，向东延伸至唐河低凸起一带。断层剖面形态为上陡下缓的“犁式”正断层。断层在剖面上没有明显的转折端，断面倾角整体较大，向下在滑脱层中倾角逐渐变小，滑脱深度较西段和中段深。上盘地层逐渐向北抬升，具“南断北超”的典型半地堑形态。

2.3.4 各段结合处特征

断层西段和中段的连接部位在南阳凹陷东庄-东赵庄断裂鼻状构造带一带，该处新野断层断面上凸，断层倾角较缓。该部位发育与新野断层走向近似平行、倾向相反的同沉积大断层-东1号断层。断层中段与东段的连接部位在牛三门次洼一带，该处断层断面下凹，倾角较陡。

2.4 断层的分区性

根据新野断层的倾角分布特征(图 4a)，再结合断层的断距、倾向、平面分布(图 3，图 4b及图 6)，将研究区新野断层断面分为11个区。其中1、4及7区倾角较大，主要分布在30°$\sim$50°，断层断面较陡；5、8及9区倾角中等，主要分布在10°$\sim$30°，断层断面较为平缓；2、3、6、10及11区倾角较小，一般小于10°；受三维地震资料范围的限制，新野断层断面主体在北部基本进入滑脱层，但断层西部、东部端点均尚未进入滑脱层(图 7)。

根据新野断层的分段性可以看出，断层西段包括1、2及7区；断层中段包括3、6、8及11区；断层东段包括4、5、9及10区。断层东段的高倾角区及中倾角区分布最宽，西段次之，中段较窄。说明新野断层东段断层滑脱面深度最深，西段次之，中段最浅；断层各段活动速率亦有不同，中段水平拉张活动速率最大，西段次之，东段最小。

新野断层断面各等倾角区之间被4个横向轴面和两个垂向轴面分隔。其中，横向轴面与断层走向近似平行，与断层活动期次有关；垂向轴面与断层走向近似垂直，是断层分段界线。

3 新野断层运动学特征 3.1 运动学原理

断层运动学过程的研究，一般有正演和反演两种方法。正演是从原始沉积状态开始，通过定义断层角度和位移量由古到今推导演化过程，并通过与现今真实形态的对比不断修正参数得到最真实的演化模型；反演即平衡地质剖面复原，一般是按照层长或面积守恒原理，逐层将剖面拉平，从今到古，恢复其演化过程。但无论正演还是反演，均须遵守断层的一般运动学原理，需要考虑断层本身演化机制和断层上盘地层运动过程两个问题。根据断层面是否在运动中发生变化，将运动学模型分为断层面和地层均发生变化和断层面不发生变化仅上盘地层变化两大类(图 8)。

断层面与地层均发生变化可分为3种情况：(1)多米诺式正断层演化模型，即断面与上下盘地层同向、同幅度旋转，使断面为平面式且逐渐变缓，上下盘地层倾角逐渐变陡但不发生变形，不形成褶皱。(2)旋转式正断层演化模型，即断层面几何形态呈犁式，在浅部倾角陡，但地层翘倾程度低；向深部断面倾角平缓，但地层累计下滑程度高、翘倾程度大。(3)压实作用使地层变缓模型，即泥岩层由于受上覆地层压实作用减薄，使断层面弯折变缓，地层减薄。

断层面形态不发生改变仅上盘地层变形也可分为两种情况：(1)犁式正断层斜剪切演化模型，即在拉张力作用下上盘地层和断面间形成空白带，在重力负荷作用下地层斜向下垮塌到断面形成滚动背斜。(2)转折正断层平行流演化模型，即上盘地层平行断层面运动，地层几何形态受断面几何形态控制，断层转折点对应活动轴面使上盘地层物质运动方向发生改变。

剖面上，新野断层在主体区为上陡下缓的犁式正断层，认为新野断层生长早期以多米诺式运动模式为主，中期遵循旋转式运动模式，当断层面基本定型后上盘生长地层的运动以斜剪切运动模式为主。断层西段呈“座椅式”形态，早期以多米诺式正断层运动模型为主，后期运动方式以转折正断层平行流运动模式为主。

3.2 挤压前后运动学原理

南阳凹陷经历了晚白垩世末和廖庄末两期挤压作用，原拉张应力场反转为挤压应力场，上盘地层遭受剥蚀，地层缩短。正断层挤压模型在考虑断面形态不变仅上盘地层变形的情况下，分为犁式正断层斜剪切挤压模型和转折正断层平行流挤压模型(图 9)。

犁式正断层斜剪切挤压模型的断层面为上陡下缓并最终进入滑脱层的犁式正断层，上盘生长地层在拉张期以斜剪切模型沉积变形，具明显旋转样式。挤压期，拉张期生长地层反转形成顶厚翼薄背斜，而挤压期生长地层在沉积速率大于断层活动速率时超覆于拉张期生长地层。活动轴面与非活动轴面之间的距离为断层活动的滑移量，代表构造反转的程度。

转折正断层平行流挤压模型的断层面只有一个转折端，拉张期上盘前生长地层平行断层面向下滑动，过程中沉积拉张期生长地层，靠近断层地层厚，远离断层地层薄。活动轴面、非活动轴面以及生长轴面，再加上一部分断层形成了膝折带，在断层作用下，膝折带内地层倾角发生变化，从而形成褶皱。挤压期，膝折带缩短距离即断层反转滑移量，伴生的挤压期生长地层顶薄翼厚。

3.3 运动学特征

使用2DMove软件，在遵循正断层运动学原理(即仅考虑砂泥岩面积和层长守恒而不考虑走滑变形、泥岩底辟变形以及多方向应力叠加)的情况下对新野断层西段(A-A$'$)、中段(B-B$'$)、东段(C-C$'$)3条地震剖面进行平衡剖面复原，通过这3条剖面各演化阶段边界断层及上盘地层构造形态变化及缩短量比较可知(图 10)：

(1) 晚白垩世，南襄盆地及邻区在伸展应力场作用下发生岩石圈减薄，北西向断裂活动引发近南北向拆沉。南阳凹陷进入断陷初期，新野断层西段、东段作为早期控凹断层先发育，倾角较大，断面较陡，以多米诺式正断层运动为主。

(2) 白垩纪晚期，区域应力场由伸展变为挤压，南阳凹陷发生隆升剥蚀，新野断层西段、东段发生构造反转遭受区域性剥蚀，反转程度大致相近，形成了中生界与新生界之间不整合面。

(3) 古近纪，区域应力场转为伸展应力场，白垩纪原型盆地发生差异沉降进入强烈伸展断陷期，新野断层的位移量和剖面伸展量在该时期均达到最大。从大仓房期开始，断层西段、中段、东段作为独立断层均开始活动，断层以旋转式正断层演化模型运动，倾角逐渐变缓；该时期断层分段性较强。核桃园期，断层西段、中段、东段逐渐连锁形成一条断层即新野断层，断面在中、东段为“犁式”形态，以斜剪切运动模式为主；西段为“座椅式”形态，以平行流运动模式为主。核三期，新野断层分段作用比较明显，魏岗鼻状构造与两侧差异沉降幅度较大；核二-廖庄期，断层分段差异沉降趋势不断减弱。在廖庄期，东庄、牛三门两个次洼逐渐形成统一的沉降中心。

(4) 古近纪末期，区域应力场再次反转，南阳凹陷发生差异抬升剥蚀，在主控断裂带以反转褶皱为主，上部地层减薄，有明显削截现象。新野断层反转挤压作用从东向西逐渐减弱。

(5) 现今，构造活动基本停止，凹陷进入缓慢热沉降阶段，沉积厚度较小，平均不超过500 m，整体东部薄，向西略有增厚。

综上所述，新野断层现今西段为“座椅式”正断层，中段为“转折式”正断层转“犁式”正断层，东段为“犁式”正断层，断层旋转程度自东向西变弱。廖庄末期反转强度大体上自西向东段增强。

3.4 边界断层分段对凹陷格局的控制作用

综合以上对新野断层的走向、倾角、断距和演化过程分析可以看出，新野断层沿走向生长演化具明显分段性。

上白垩统-玉皇顶期，断层仅在西段、东段活动，形成两个次洼。大仓房期，断层西、中、东3段均开始活动，每段分别控制一个次洼(图 11a)，分别是徐埠口次洼、东庄次洼和牛三门次洼。核三期，新野断层西、中、东3段已发生硬连接形成一条断层，但断层各段仍各自具有沉降中心；在断层各段的硬连接部位，由于断层垂向断距小，上盘沉降小，从而在次洼间形成横向凸起，即垂直于断层走向的东赵庄和魏岗鼻状构造。导致了南阳凹陷东西分带、凹凸相间构造格局的形成(图 11b)。核二-廖庄期，断层逐渐演化为一条完整大断裂，具有统一沉降中心(图 11c)。

4 讨论

本文对新野断层三维几何学、运动学特征及其对南阳凹陷形成的控制作用进行了探讨，受限于各种原因，仍存在以下不足：

(1) 使用的三维连片地震资料覆盖了新野断层的主体，但其东西两侧终止端无资料覆盖，对断层的研究不够全面。且通过测井速度分析后使用常速成图进行时深转换，基本能满足构造研究的精度需要，但与新野断层真实形态可能还稍有区别。

(2) 新野断层经历了晚白垩世末、廖庄末期两期挤压剥蚀。廖庄末期的纵向地层抬升量可以利用泥岩声波速度-深度关系进行计算^[32]；而晚白垩世末的地层抬升量由于缺少钻井控制，无法定量分析，只能通过构造面趋势法进行顺延，定量研究不足。

(3) 对新野断层倾角、倾向、分段、分区的认识，主要立足于断层现今的构造几何学形态。但南阳凹陷构造运动复杂，经历多个伸展-聚敛旋回，构造演化具迁移性，因此，地质演化历史时期的断面特征及分段性与现今可能有所不同。

(4) 对新野断层的三维几何学形态进行了深入分析，但受方法限制，对其运动学特征和演化的研究仍局限于二维剖面，缺少对三维空间运动过程的全面描述。

5 结论

(1) 新野断层是位于南襄盆地南阳凹陷南部的控凹边界断裂，具有明显的分段性，整体可以分为西、中、东3段，西段为“座椅式”形态，中段为“转折式”形态转“犁式”形态，东段为“犁式”形态。

(2) 根据新野断层的平面走向、倾角、方位角特征并结合断距变化，以4个横向轴面、两个垂向轴面为界将新野断层断面分为11个区，垂向轴面可作为断层分段依据。

(3) 新野断层经历多期构造演化，两期伸展-聚敛构造旋回控制了凹陷沉积充填和地层展布。早期，上盘地层以旋转运动为主；后期东段仍有旋转，西段以平行流为主，旋转程度自东向西逐渐减弱。晚白垩统末，反转程度大致相近；廖庄末期，反转程度自西向东逐渐增强；新近纪凹陷整体进入热沉降期，构造变形幅度微弱。

(4) 新野断层西段和东段从晚白垩世开始活动，中段在大仓房期开始活动；大仓房期-廖庄期，中段水平拉张最大，西段次之，东段最小。断层的沿走向分段和沉降迁移，是凹陷沿东西向凹凸相间构造格局的控制因素。