在埃及西北红海边缘的破裂继电坡中，垂直于断层的滑动与断层连接之间的相互作用：一个案例研究

《Journal of Structural Geology》：Interplay between bed-parallel slip and fault linkage in breached relay ramps: a case study in NW Red Sea margin, Egypt

　　摘要
乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡（UKBRR）位于埃及西北红海边缘的埃尔纳凯尔主断层系统内，为研究断裂中继斜坡的内部变形和演化提供了极其理想的自然实验室。本研究结合了详细的结构测绘、断层滑动分析、裂缝强度测量以及古应力反演方法，来表征UKBRR的形成机制、运动学特征及变形过程。该中继带包含复杂的正向断层和反向断层网络，这些断层负责埃尔纳凯尔主断层各段之间的位移传递。层理平行滑动（BPS）现象普遍存在，且发生在多个地层层面，单个滑动面可容纳从约10厘米到数米不等的位移。切割关系表明，BPS的形成时间与正向断层活动有不同程度的同步性，这暗示了中继带内变形的反复激活和渐进性分阶段过程。裂缝强度测量结果进一步表明，力学性质对变形局部化具有重要影响：坚硬的燧石和白云质石灰岩层记录的裂缝频率高达每米90条裂缝，而较软的泥灰岩和粉质石灰岩层则主要通过折叠和分布式剪切作用来传递应力。断层滑动分析显示，该区域以倾滑为主，同时伴有局部逆滑成分，反映了中继带内部的运动学异质性。这些结构观测结果支持了一个三阶段演化模型：（1）在红海扩张初期，前寒武纪基底结构的重新激活；（2）正向断层段的传播与重叠；（3）断层的逐步连接及断裂，伴随着反复的BPS活动和应变重新分布。研究结果表明，在机械分层的碳酸盐岩序列中，断裂中继斜坡的演化受到断层分段、构造成因、力学性质及层理平行滑动的共同控制。这些发现为了解裂系相关碳酸盐岩系统中断层连接、变形分区和结构连通性的机制提供了新的见解。

引言
正常断层带常常表现出诸如断层段断裂、分支、分叉或连接等特征（参见Anders & Schlische, 1994; Needham et al., 1996; Dawers & Underhill, 2000; Childs et al., 2003; Fossen et al., 2010; Allen et al., 2017; Rotevatn et al., 2019; Mukherjee et al., 2025; Diamanti et al., 2025; Alsop et al., 2026等）。这些断层段逐渐传播并连接，最终形成复杂的断层表面（Morley, 2007; Spahi? et al., 2013）。已有多种模型用于描述断层的生长过程，这些模型有助于理解断层分段、传播和连接机制（例如Walsh & Watterson 1988; Crone & Haller, 1991; Peacock & Sanderson, 1991; Cowie, 1998; Morley, 1999; Jackson & Rotevatn, 2013; Childs et al. 2017; Deng et al., 2020）。断层生长模型大致可分为两种极端类型：孤立模型（或非协同模型）认为断层段最初在运动学上独立生长，随着位移的积累而延长（Peacock et al. 1991, 1994; Marchal et al., 2003; Walsh et al., 2003; Kim et al., 2005; Crider et al., 2004; Crider, 2015; Childs et al., 2017; Rotevatn et al., 2019; Fossen, 2020；图1a和b）。相反，恒长度模型（Morley, 1999; Walsh et al., 2002; Morley, 2017; Nicol et al., 2020）认为断层系统在早期就达到其全长，并主要通过积累位移而非横向扩展来实现延伸。这也被称为协同恒长度模型，其中断层表现为运动学上相关的组成部分而非独立的断层段（Morley 1999; Walsh et al., 2003; Childs et al., 2017; Camanni et al., 2019）。有趣的是，同一断层系统中可能同时存在协同和扩展模型（Morley, 2017），如位移-长度剖面所示（Childs et al., 2017）。正向断层的沿走向生长通常通过中继斜坡的传播来促进（Morley et al., 1990; Peacock & Sanderson, 1991）。中继斜坡形成于两个倾角相同的正向断层段的重叠区域，负责在断层段之间传递位移（Griffiths, 1980; Larsen, 1988; Peacock & Sanderson, 1991, 1994; Fossen and Rotevatn, 2016; Peacock et al., 2017; Newell and Peacock, 2023）。中继和传递结构是断层相互作用及应变和位移传递的关键区域（Morley et al., 1990; Fossen et al., 2005, 2016; Camanni et al., 2021, 2023; Piegari et al., 2024; Agosta et al., 2026; Youssef et al., 2026）。中继斜坡在控制排水模式、相变及活动断层带的流体流动方面起着重要作用，这凸显了它们在构造地质学和石油地质学研究中的重要性（Gawthorpe & Leeder, 2000; Hemelsda?l & Ford, 2016; Fossen et al., 2016; Henaish et al., 2023; Camanni et al., 2021, 2023a）。这些结构可以从“软连接”状态演化到“硬连接”状态：“软连接”阶段指完好的斜坡连接重叠的断层段，“硬连接”阶段则发生在断裂穿透斜坡时（Larsen, 1988; Morley et al., 1990; Peacock & Sanderson, 1994; Rotevatn et al., 2009; Athmer et al., 2009; 2010; Carmona et al., 2016; Ge et al., 2018; Henaish, 2018; Henaish and Attwa, 2018; Henaish et al., 2023；图1a, b和c）。这种渐进的断层相互作用和连接形成了复杂的断层损伤区，覆盖了断层周围的变形岩石体积（Caine et al., 1996; Peacock et al., 2002; Kim et al., 2003, 2004, 2006; Grasemann et al., 2005; Schultz et al., 2008; Ketterman et al., 2020; Panara et al., 2022; Camani et al., 2023b）。这些损伤区的宽度和强度受岩石类型、变形机制、深度及构造环境的影响（van der Zee & Urai, 2005; Delogkos et al., 2017; Ferrill et al., 2017; Alsop et al., 2020&2022a）。在这些复杂的变形区内，层理平行滑动（BPS）在控制断层结构及影响裂谷和拉伸环境中的变形结构发育和分布方面起着关键作用（Delogkos et al., 2017; Nabavi et al., 2020; Alsop et al., 2019, 2020, 2022a&b, 2023; Jitmahantakul et al., 2024; Kothyari et al., 2024; Gad et al., 2025a; Youssef et al., 2026; Otsubo and Yamaji, 2026）。尽管BPS的重要性已被广泛认可，但在机械分层的碳酸盐岩序列中，层理平行滑动与断裂中继斜坡内部断裂之间的具体机械相互作用仍缺乏充分研究。理解这种相互作用至关重要，因为它可能显著改变应变适应能力、断层连通性以及拉伸断层系统的整体结构演化。本研究首次综合记录了碳酸盐岩中断裂中继斜坡内的多阶段BPS现象，量化了裂缝强度的变化，并建立了明确包含BPS再激活过程的三阶段演化模型。

本研究旨在通过详细分析乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡（UKBRR）的内部结构和变形历史来填补这一空白。这个位于红海西北边缘的自然实验室，通过前裂谷时期的始新世底比斯地层提供了罕见的三维露头。此外，它处于红海裂谷与前寒武纪基底结构的交汇处，使我们能够研究基底结构在中继斜坡演化中的作用。具体而言，我们的目标是：（1）表征促进UKBRR形成的运动学特征、断层结构和变形机制；（2）探讨继承的纳杰德相关结构在控制断层分段和几何形态中的作用；（3）记录陡倾正向断层与层理平行滑动之间的多阶段相互作用。这些发现为探讨断裂中继斜坡的复杂结构框架提供了新的见解。

地质背景
研究区域位于埃及中东沙漠的紅海西北边缘，属于红海丘陵的一部分（图2a），该地区保存了前寒武纪基底与前新生代大陆裂谷之间的相互作用，为扩展断层系统和中继结构的研究提供了极佳的条件。中东沙漠通常分为北部、中部和南部三个构造域。

方法论
本研究基于对埃及红海西北边缘乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡（UKBRR）的野外综合结构调查，方法包括详细的结构测绘、断层滑动和层理数据的系统测量、层理平行滑动（BPS）及切割关系的记录、裂缝强度分析以及古应力反演。这些数据集被用于描述断层的几何形态和运动学特征。

乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡的古应力分析
对UKBRR上断层平面的滑动测量显示，存在一系列倾角和滑动方向多样的陡倾断层（表1）。测量得到的断层倾角范围约为45°至80°，表明了该区域复杂的断层网络。相关的擦痕面通常具有陡峭的傾向，主要符合倾滑运动特征，尽管也有少数例外。

机械各向异性与乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡的演化
乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡的演化及其内部结构受到碳酸盐岩层理中机械各向异性的显著影响。相邻层位之间的岩石类型和力学性质的差异对裂缝分布、断层几何形态、断层相互作用及应变局部化具有重要控制作用（Ferrill and Morris, 2008; Faulkner et al., 2010; Bastesen and Rotevatn, 2012）。例如，坚硬的白云质石灰岩等力学性能良好的岩层能够更好地维持断层的稳定性。

结论
本研究通过对位于埃及红海西北边缘的乌姆卡拉巴赫断裂中继斜坡（UKBRR）进行详细的结构分析，为碳酸盐岩主导的拉伸环境中断裂中继系统的结构、运动学特征及演化提供了新的见解。主要发现如下：
1. UKBRR包含13条主要正向断层和11条反向断层，以及数十条次要断层。

作者贡献声明
Ahmed Gad：撰写初稿、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。
Ahmed-Reda M. El Younsy：审阅与编辑、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。
Moustafa Youssef：审阅与编辑、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。

参考文献
El-Wahed et al., 2016; El-Wahed et al., 2010; Alsop et al., 2021a; Alsop et al., 2021b; Anan and Shahin, 2021; Athmer and Luthi, 2011; Beach et al., 1999; Bosworth and Morley, 1994; Bosworth, 2015; Chester and Logan, 1986; Dawers and John, 2000; Doré, 1995; Ferrill and Alan, 2008; Fossen, 2010; Gad et al., 2025; Ghebreab and Talbot, 2000; Gudmundsson et al., 2010; Kettermann et al., 2020; Khalil and Ken, 2020; Kim and Sanderson, 2006; Morley et al., 2017; Peacock and Xing, 1994; Rotevatn and ...