多層滑脫條件下褶皺—沖斷帶形成制約因素研究：以川東—雪峰構(gòu)造帶為例

劉重慶，周建勛，郎 建

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引 言

滑脫構(gòu)造是指由變形引起的沿一個(gè)或幾個(gè)地層層面的脫離；脫離面兩側(cè)地層的變形各自獨(dú)立或部分獨(dú)立［1－2］。發(fā)生滑脫的地層往往是低強(qiáng)度和高應(yīng)變的軟弱層，滑脫斷層常為一條斷層或一個(gè)斷層系統(tǒng)［3］。由于滑脫層對(duì)褶皺－沖斷帶的構(gòu)造樣式、幾何形態(tài)、演化過(guò)程及分布有著顯著的控制作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究［4－6］。

無(wú)滑脫層的褶皺－沖斷帶基底通常具有摩擦性質(zhì)，其構(gòu)造變形以發(fā)育前沖疊瓦扇為特征，變形集中于擠壓端一側(cè)，變形強(qiáng)度從擠壓端向固定端迅速減弱，褶皺－沖斷帶狹窄并具有較高的錐度［7］。

單層滑脫變形以基底滑脫研究較為深入［8］。滑脫基底控制下的褶皺－沖斷帶較為寬緩，構(gòu)造形態(tài)通常較為對(duì)稱。黏度較大的滑脫基底產(chǎn)生類似摩擦基底的作用，褶皺－沖斷帶狹窄，具有較大錐度，且以前沖斷層為主導(dǎo)變形［9－10］。低傾角滑脫基底控制下形成的褶皺－沖斷帶較為寬闊且以前沖斷層為主，反之則形成狹窄、前后沖斷層同等發(fā)育的褶皺－沖斷帶［11］?；變A角增大可以使褶皺－沖斷帶錐度減?。?2］，前沖斷層變陡，后沖斷層變緩（相對(duì)于水平參照系）?；搶雍穸鹊木植吭黾訒?huì)導(dǎo)致與其展布方向相對(duì)應(yīng)的變形帶產(chǎn)生［13］。另外，侵蝕和沉積作用改變地貌，并通過(guò)不同機(jī)理（如改變重力負(fù)荷、褶皺－沖斷帶錐度）對(duì)滑脫構(gòu)造變形產(chǎn)生間接影響［14－15］。

多層滑脫變形較為復(fù)雜［16］。Couzens－Schultz等研究認(rèn)為，滑脫層的強(qiáng)度影響主動(dòng)（被動(dòng)）頂板雙重構(gòu)造的演化，也影響到各逆沖斷塊運(yùn)動(dòng)距離的大小及逆沖斜坡寬度［17］；Massoli等指出，含有多層滑脫褶皺－沖斷帶的演化受控于深部拆離滑脫構(gòu)造，符合庫(kù)倫楔演化模型的準(zhǔn)則［18］；Pichot等研究表明，較高的擠壓速率會(huì)降低軟弱層的滑脫性能，使之難以發(fā)生有效的滑脫，并以對(duì)稱的構(gòu)造變形為主，同構(gòu)造沉積對(duì)上、下變形系統(tǒng)中構(gòu)造擴(kuò)展方向產(chǎn)生影響，決定其是前展式還是后展式發(fā)育［19］；Konstantinov－skaya等指出，侵蝕作用在無(wú)滑脫層或單層滑脫變形系統(tǒng)中可以促進(jìn)后沖斷層的形成，但在雙滑脫層變形系統(tǒng)中無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生［20］；于福生等研究表明，滑脫層材料、厚度、黏度、上覆砂層厚度、受力邊界條件都對(duì)雙層滑脫變形系統(tǒng)的演化產(chǎn)生影響［21］。這些研究從不同方面揭示了滑脫層對(duì)褶皺－沖斷帶構(gòu)造變形的影響，但對(duì)于滑脫層之間的相互作用、不同流變性質(zhì)滑脫層及滑脫層深度對(duì)構(gòu)造變形的影響仍有待進(jìn)一步討論。

筆者設(shè)計(jì)了3組多層滑脫模型開展模擬試驗(yàn)，并結(jié)合川東—雪峰“侏羅山式”褶皺－沖斷帶地質(zhì)特征對(duì)比分析，討論滑脫層流變性質(zhì)及深度差異對(duì)褶皺－沖斷帶構(gòu)造變形的影響，以及控制川東—雪峰地區(qū)隔擋式、隔槽式褶皺形成的關(guān)鍵因素，為深入了解其形成機(jī)制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

各模型尺寸均相同，長(zhǎng)140．0cm，寬20．0cm，總厚7．0cm。模型左側(cè)為單滑脫層變形區(qū)，泡沫塑料塊代表不發(fā)生變形的剛性地塊，上覆0．8cm厚硅膠模擬滑脫層，其深度在各模型中保持不變；模型右側(cè)為雙滑脫層變形系統(tǒng)，底部滑脫層流變學(xué)性質(zhì)及上部滑脫層深度在各模型中發(fā)生變化。為研究滑脫層流變性質(zhì)及其深度對(duì)構(gòu)造變形的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組模型進(jìn)行對(duì)比分析，各模型間考察變量見(jiàn)表1。

表1 模型變量參數(shù)Tab．1 Variable Parameters of Models

模型Ⅰ：?jiǎn)蝹?cè)剛性地塊高流變性滑脫基底擠壓模型［圖1（a）］。左側(cè)聚苯塑料塊代表不發(fā)生變形的剛性地塊，右側(cè)底部硅膠（厚1．0cm）模擬高流變性滑脫層，與蓋層內(nèi)滑脫層（厚0．8cm）構(gòu)成雙層滑脫變形系統(tǒng)。石英砂模擬脆性變形巖層。

模型Ⅱ：?jiǎn)蝹?cè)剛性地塊水平累積性收縮滑脫基底擠壓模型［圖1（b）］。由預(yù)拉伸橡皮（厚1．0mm，張力與預(yù)拉伸量正相關(guān)，隨擠壓的進(jìn)行而減?。┑氖湛s模擬水平累積性收縮基底的滑脫，與模型Ⅰ對(duì)比考察滑脫層不同流變性質(zhì)對(duì)蓋層構(gòu)造變形的影響。

模型Ⅲ：?jiǎn)蝹?cè)剛性地塊水平累積性收縮基底深蓋層滑脫層擠壓模型［圖1（c）］。雙滑脫變形系統(tǒng)中的上滑脫層深度進(jìn)一步增加0．8cm，對(duì)比模型Ⅱ考察滑脫層深度對(duì)上覆地層構(gòu)造變形的影響。

模擬試驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)（北京）構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)材料采用松散石英砂，粒徑0．25～0．38mm，內(nèi)摩擦角31°，其力學(xué)性質(zhì)符合庫(kù)侖摩爾破裂準(zhǔn)則，內(nèi)聚力接近0，是模擬地殼淺層次構(gòu)造變形的最佳材料［22］。高流變性滑脫層用硅膠來(lái)模擬，黏度均為1．2×104Pa·s。由軟件控制的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)擋板，提供穩(wěn)定0．3mm·min－1的擠壓速度，試驗(yàn)過(guò)程由數(shù)碼相機(jī)通過(guò)電腦控制自動(dòng)等時(shí)間間隔拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2．1 模型Ⅰ

圖1 模型裝置剖面（單位：cm）Fig．1 Profiles of Model Configuration（Unit：cm）

試驗(yàn)初始，模型右端地層在活動(dòng)擋板的擠壓下發(fā)生縱彎褶皺作用，上、下變形系統(tǒng)各形成一個(gè)位置重疊的低幅平行褶皺。擠壓位移（d）達(dá)到9．0cm時(shí)，下部變形系統(tǒng)褶皺兩翼發(fā)育沖向相反的斷層F1、F2，同時(shí)形成斷展褶皺，表現(xiàn)為沖起構(gòu)造；上部變形系統(tǒng)地層發(fā)生縱彎褶皺作用的同時(shí)受到下部沖起構(gòu)造的頂托而大幅隆升，且2個(gè)褶皺軸面均向擠壓端一側(cè)傾斜。上滑脫層厚度比下滑脫層薄，但上滑脫層的滑脫能力更強(qiáng)，使得上部變形系統(tǒng)應(yīng)變傳遞明顯快于下部變形系統(tǒng)［圖2（b），斷層序列解釋見(jiàn)圖2（f）］，其原因可能是下部變形系統(tǒng)承受更大的上覆地層重力負(fù)荷，地層發(fā)生收縮、褶皺相對(duì)困難。擠壓位移為18．0cm時(shí)，上部變形系統(tǒng)已有3個(gè)沖起構(gòu)造形成，而下部變形系統(tǒng)只形成2個(gè)，都以前展的方式逐步向模型固定端擴(kuò)展［圖2（c）］。擠壓量達(dá)到27．0cm時(shí)，由于斷面擴(kuò)展速率比滑移速率慢，逆沖巖席運(yùn)動(dòng)較快，在斷層F7擴(kuò)展前鋒形成典型的斷展褶皺，并前展式發(fā)育沖起構(gòu)造斷層F11、F12［圖2（d）］。由于滑脫層具有很好的流動(dòng)性，褶皺轉(zhuǎn)折端發(fā)生虛脫的部位被滑脫巖層填充加厚，使得上覆地層變形更為復(fù)雜。擠壓量達(dá)到36．0cm時(shí)，應(yīng)變傳遞到模型左端，在剛性地塊邊緣形成斷層F15，并在上、下變形系統(tǒng)中分別形成沖起構(gòu)造斷層F13、F14和F16、F17［圖2（e）］?？傮w而言，地層變形垂向運(yùn)動(dòng)顯著，應(yīng)變傳遞范圍較小，集中在擠壓端一側(cè)，以斷層傳播褶皺的方式形成沖起構(gòu)造，表現(xiàn)為變形復(fù)雜、具有較高錐度（7°）的褶皺－沖斷帶，其最高處高程達(dá)15．7cm；下部變形系統(tǒng)由于前沖斷層斷距大，以不協(xié)調(diào)沖起構(gòu)造為特征，其頂面起伏一定程度上因上滑脫層物質(zhì)重新分配而變得平緩，上變形系統(tǒng)在此面上滑脫，以較為對(duì)稱的箱狀褶皺為主要構(gòu)造樣式。

圖2 模型Ⅰ試驗(yàn)結(jié)果Fig．2 Simulation Results of ModelⅠ

2．2 模型Ⅱ

與模型Ⅰ變形不同的是，水平累積性滑脫使下部變形系統(tǒng)地層發(fā)生顯著水平方向均勻收縮，因而擠壓初期只有上部變形系統(tǒng)因應(yīng)變集中而發(fā)育沖起構(gòu)造［圖3（f）中斷層F1］。擠壓位移達(dá)到18．0cm時(shí)，下部變形系統(tǒng)變形較弱，但應(yīng)變傳遞較遠(yuǎn)，在左端剛性地塊處形成斷層F5及與之相關(guān)的斷展褶皺，而上部變形系統(tǒng)已有3個(gè)沖起構(gòu)造斷層（F1、F3、F6）形成［圖3（c）］。擠壓位移達(dá)到27．0cm時(shí)，上部變形系統(tǒng)箱狀褶皺形態(tài)緊閉，軸面向擠壓端傾斜，下部變形系統(tǒng)后沖斷層斷距持續(xù)增大，模型左端剛性地塊之上以前展方式發(fā)育沖起構(gòu)造斷層F8［圖3（d）］?？s短量至36．0cm時(shí)，上部變形系統(tǒng)在上滑脫層大距離滑脫，將起初位于剛性地塊邊緣處的褶皺－沖斷帶向左側(cè)推覆7．5cm，并形成沖起構(gòu)造斷層F10及前沖斷層F11［圖3（e）］。因此，該模型下部變形系統(tǒng)以反沖斷裂為特征，上部變形系統(tǒng)以箱狀褶皺為主導(dǎo)的構(gòu)造樣式，褶皺－沖斷帶較為寬緩（錐度3°），隆起幅度較低（14．4cm）。

圖3 模型Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果Fig．3 Simulation Results of ModelⅡ

2．3 模型Ⅲ

該模型的變形與模型Ⅱ相比，構(gòu)造樣式相同，演化過(guò)程相似，差異在于右上滑脫層深度增加使得箱狀褶皺的波長(zhǎng)明顯增大，形態(tài)也更對(duì)稱［圖4（e）］，褶皺－沖斷帶錐度與模型Ⅱ一致，隆升幅度略高（14．8cm）。

3 討 論

3．1 滑脫層流變學(xué)性質(zhì)及深度對(duì)構(gòu)造變形的影響

底部高流變性滑脫層控制下的變形表現(xiàn)出強(qiáng)烈的垂向運(yùn)動(dòng)，以大斷距、大傾角的前沖斷層為特征，后沖斷層發(fā)育較弱，表現(xiàn)為不協(xié)調(diào)的沖起構(gòu)造。褶皺核部虛脫部位在彎滑作用下被高流變性軟弱滑脫層填充且局部加厚，使得該處更易變形［13］。在應(yīng)力水平傳遞有限的情況下，應(yīng)變通過(guò)大角度逆沖斷裂調(diào)節(jié)［圖2（f）中斷層F7］，進(jìn)而托頂上部變形系統(tǒng)地層發(fā)生橫彎褶皺作用而隆升，形成變形范圍狹窄、具有較大錐度（7°）的褶皺－沖斷帶［圖2（e）］。模型Ⅱ以橡皮收縮模擬基底拆離滑脫，橡皮的水平累積性收縮發(fā)生在整個(gè)滑脫面上，下部變形系統(tǒng)的應(yīng)變被許多低角度后沖斷層調(diào)節(jié)，地層垂向運(yùn)動(dòng)有限。下部地層變形以水平運(yùn)動(dòng)為主，對(duì)上滑脫層產(chǎn)狀的影響較小，上變形系統(tǒng)在平緩、連續(xù)的上滑脫層發(fā)生大距離的走滑推覆，將模型左端剛性地塊之上的褶皺推覆遠(yuǎn)離其初始位置；右端地層收縮較為均勻，形變較為對(duì)稱，形成箱狀褶皺。最終變形表現(xiàn)為沉積蓋層整體收縮隆升，褶皺－沖斷帶寬闊且平緩（錐度3°）［圖3（e）］。由此可知，滑脫層流變學(xué)性質(zhì)控制上覆地層的應(yīng)變調(diào)節(jié)方向，進(jìn)而影響褶皺－沖斷帶的變形范圍、構(gòu)造樣式及地表起伏。值得注意的是，在水平累積性收縮滑脫層控制下，應(yīng)變傳遞速度明顯變快，沉積蓋層各部位處于近同步變形狀態(tài)。

圖4 模型Ⅲ試驗(yàn)結(jié)果Fig．4 Simulation Results of ModelⅢ

滑脫層深度對(duì)滑脫系統(tǒng)的變形也具有顯著影響。各模型左滑脫層與右上滑脫層具有相同的厚度和不同的深度，上覆地層變形相差較大。試驗(yàn)結(jié)果顯示，滑脫于左側(cè)滑脫層上的地層形成的褶皺波長(zhǎng)很小，右側(cè)較深滑脫層控制下形成的箱狀褶皺波長(zhǎng)明顯較大。為了消除基底流變學(xué)性質(zhì)差異造成的影響，對(duì)比模型Ⅱ和模型Ⅲ的變形特征仍可以得出上述結(jié)論。這2個(gè)模型參數(shù)唯一差異在于后者右上滑脫層比前者深0．8cm，但模型Ⅲ第2、3個(gè)箱狀褶皺波長(zhǎng)明顯大于模型Ⅱ?qū)?yīng)的構(gòu)造，其他學(xué)者的研究也得出相同的結(jié)論［18，23］。這些箱狀褶皺表現(xiàn)出同心褶皺的特點(diǎn)，從滑脫層到地表，褶皺從緊閉逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷捑?，各層厚度不變，離滑脫層越遠(yuǎn)（滑脫層越深），箱狀褶皺頂部越寬，褶皺波長(zhǎng)越大。

綜上所述，滑脫層的流變性特征及其深度對(duì)于上覆蓋層變形的影響各不相同。前者制約滑脫層之上地層變形的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榇瓜蚧蛩椒较?，進(jìn)而影響應(yīng)變傳遞范圍和地表坡度；后者決定上覆地層形成褶皺的波長(zhǎng)。

圖5 川東—雪峰地區(qū)海相巖系構(gòu)造變形劃分Fig．5 Tectonic Distortion Partition of Marine Rock Series in Eastern Sichuan－Xuefeng Area

3．2 模擬結(jié)果與實(shí)際構(gòu)造變形的對(duì)比

川東—雪峰褶皺－沖斷帶是典型的“侏羅山式”褶皺，發(fā)育晚中生代多層次滑脫構(gòu)造，具有顯著的南東向變形強(qiáng)、北西向變形弱，南東向變形早、北西向變形晚的遞進(jìn)變形特征［24－27］。以齊岳山斷裂為界，該褶皺－沖斷帶分為西部隔擋式褶皺帶和東部隔槽式褶皺－沖斷帶［28－31］（圖5）。隔擋式褶皺帶前震旦系基底埋深7 000～9 000m，僅有上、下組合海相層輕微卷入，屬于薄皮式滑脫推覆變形區(qū)［32］。背斜通常為軸部很窄、地層陡傾的緊閉式背斜，向斜為軸部寬大、地層相對(duì)平緩的屜狀向斜，垂向上表現(xiàn)出同心褶皺的特點(diǎn)。背斜帶深部發(fā)育鏟式逆斷層作為滑動(dòng)前鋒，斷面向東傾斜，向西逆沖，其主要滑脫層為夾于強(qiáng)硬灰?guī)r之間的一套志留系軟弱泥巖［33］；隔槽式褶皺－沖斷帶屬于半厚皮式逆沖推覆變形帶，上、下組合海相層與元古界基底在一定程度上卷入變形［32］。背斜呈寬闊的箱狀，向斜狹窄，呈線狀，主要由上古生界及中、下三疊統(tǒng)組成的不對(duì)稱至倒轉(zhuǎn)向斜［34］?；撁嬉陨系膸r層厚度比川東構(gòu)造帶大數(shù)倍，滑脫層也比川東隔擋式褶皺帶的要深［29］，主要位于寒武系底部，局部與震旦系底部的滑脫構(gòu)造共同作用，控制其上盤下構(gòu)造層下古生界隔槽式褶皺變形樣式［35］。

劉尚忠認(rèn)為，隔槽式、城垛式及隔擋式3種褶皺是統(tǒng)一的薄皮構(gòu)造在外營(yíng)力作用下遭受不同程度破壞以后殘留下的不同部位的顯示［36］。李忠權(quán)等認(rèn)為，早期拉張形成的隔槽式褶皺在晚期受擠壓形成隔擋式褶皺［37－39］。顏丹平等認(rèn)為，早期先形成隔擋式褶皺，隨著擠壓推覆進(jìn)行，最終演化成前端為隔擋式褶皺，后端為隔槽式褶皺，后端變形比前端強(qiáng)［30］。然而，這些通過(guò)對(duì)現(xiàn)今構(gòu)造變形的幾何形態(tài)分析得出的認(rèn)識(shí)缺乏試驗(yàn)依據(jù)。

本文中模型Ⅲ的參數(shù)設(shè)置相似于川東—雪峰“侏羅山式”褶皺－沖斷帶的地質(zhì)條件［圖6（a）］。橡皮收縮模擬湘鄂西地區(qū)中下地殼拆離滑脫［40］，右上滑脫層模擬寒武系—震旦系滑脫層，左側(cè)滑脫層代表川東地區(qū)志留系滑脫層，且左側(cè)川東地區(qū)沉積蓋層薄，右側(cè)湘鄂西地區(qū)沉積蓋層厚［29］。試驗(yàn)結(jié)果與該區(qū)實(shí)際變形特征具有較好的相似性，具體表現(xiàn)為：①變形強(qiáng)度具有從南東向北西逐漸減弱的遞進(jìn)變形特征，地表整體較為平緩；②川東地區(qū)的沉積蓋層在較淺滑脫層控制下發(fā)育小波長(zhǎng)的高陡背斜，形成隔擋式褶皺，背斜帶深部發(fā)育鏟式逆斷層作為滑動(dòng)前鋒，斷面向東傾斜，向西逆沖；③湘鄂西地區(qū)的沉積蓋層在較深滑脫層的控制下發(fā)育波長(zhǎng)較大的箱狀褶皺，形成隔槽式組合；④湘鄂西地區(qū)下變形系統(tǒng)中的后沖斷層相似于低角度拆離滑脫面上的后沖斷層［32］［圖6（b）］。

圖6 川東—雪峰構(gòu)造帶褶皺－沖斷帶剖面與模型 Ⅲ 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig．6 Comparison Between Profile of Fold－thrust Belt in the Eastern Sichuan－Xuefeng Tectonic Belt and Result of ModelⅢ

“侏羅山式”褶皺形成在具有軟硬巖性差異的巖層中，沿軟弱層發(fā)育的平緩滑脫帶是這類褶皺形成的必要條件［41］，其在變形過(guò)程中通過(guò)樞紐遷移或翼部旋轉(zhuǎn)機(jī)制形成箱狀褶皺［42－43］。滑脫層的深度控制上覆變形巖層褶皺波長(zhǎng)，較深的滑脫層導(dǎo)致大波長(zhǎng)褶皺，表現(xiàn)為箱狀褶皺，背斜頂部平坦寬闊，向斜緊閉狹窄，形成隔槽式褶皺；較淺的滑脫層控制下的褶皺較為狹窄，背斜緊閉，形成高陡地貌，組合成隔擋式褶皺。數(shù)值模擬研究表明，層間內(nèi)聚力（巖層能干性）的差異和軟弱層上覆壓力（埋深）控制著“侏羅山式”褶皺最終成為隔擋式或隔槽式［22］，這與本文的研究結(jié)果一致。因此，川東—雪峰地區(qū)已有的地層條件在受到南東—北西向擠壓后可以直接形成隔槽式、隔擋式褶皺分帶的構(gòu)造格局，無(wú)需剝蝕、擠壓轉(zhuǎn)化等后期地質(zhì)過(guò)程的改造。

值得注意的是，研究區(qū)前古生界純后沖斷層因其沖向與上部變形系統(tǒng)中以前沖為主的斷層相反，被認(rèn)為是在2期不同應(yīng)力方向下形成的，但試驗(yàn)結(jié)果表明在基底水平累積性收縮滑脫條件下，同一期構(gòu)造變形中也可以形成2組沖向相反的逆沖斷層。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）滑脫層流變學(xué)性質(zhì)控制上覆地層應(yīng)變調(diào)節(jié)方向，水平累積性收縮滑脫條件下，地層水平收縮顯著、垂向運(yùn)動(dòng)較弱，應(yīng)變傳遞速度快、范圍大，形成寬闊平緩的褶皺－沖斷帶；高流變性滑脫層控制下的垂向變形較強(qiáng)，應(yīng)力傳遞范圍小，形成狹窄、大錐度的褶皺－沖斷帶。

（2）滑脫層之上的地層以斷展褶皺的方式形成箱狀褶皺，其波長(zhǎng)受滑脫層深度控制。深層滑脫控制下形成的褶皺波長(zhǎng)大，淺層滑脫控制下形成的褶皺波長(zhǎng)小。

（3）川東—雪峰構(gòu)造帶不同區(qū)域沉積蓋層厚度、滑脫層數(shù)量、滑脫深度的差異及南東—北西向擠壓應(yīng)力是形成該區(qū)“侏羅山式”褶皺－沖斷帶的主控因素，在其共同作用下可直接形成隔擋式、隔槽式褶皺，無(wú)需剝蝕、擠壓轉(zhuǎn)化等后期地質(zhì)過(guò)程的改造。

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