準噶爾盆地南緣西部多排斷褶帶實驗模擬與因子分析

摘 要：準噶爾盆地南緣發(fā)育多排斷褶帶，具有南北分帶，上下分層的特點。侏羅系的煤層和古近系的泥巖層是兩個軟弱巖層，根據(jù)后緣擠壓、前緣雙層滑脫的模式論文設計了四組物理模擬實驗，模擬了多排斷褶帶的發(fā)育情況。實驗結果表明滑脫層以上的地層越厚，滑脫層越顯塑性越容易滑脫，滑脫層越厚越容易滑脫。在此基礎上筆者提取了四組實驗的數(shù)據(jù)，建立相關矩陣，采用因子分析法，對相關矩陣的結構進行分析。認為該區(qū)域斷層發(fā)育受兩大因素控制，第一類：蓋層厚度和滑脫層厚度的綜合影響；第二類：基底存在和滑脫層性質(zhì)的綜合影響。第一、二排背斜帶發(fā)育受第一類因素控制，第三排背斜帶處于兩類因素控制的過渡帶，第四排背斜帶發(fā)育受第二類因素控制。侏羅系煤層的存在為第四、第五排背斜的形成創(chuàng)造了條件。

關鍵詞：準噶爾盆地南緣 多排斷褶帶 物理模擬 因子分析 相關矩陣

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

0. 引言

近年來，構造物理模擬實驗在油氣盆地構造研究方面取得了顯著成效。構造物理模擬實驗為油氣盆地構造的形成過程和成因機制研究提供了基礎依據(jù)，在區(qū)域構造和局部構造分析基礎上，通過物理模擬方法再現(xiàn)構造形成過程，建立合理的構造解釋模型已經(jīng)成為一種有效的研究思路。前人對準噶爾盆地南緣構造變形特點及變形的主控因素開展了深入研究，但對于該地區(qū)的研究還處于定性解釋和物理模擬驗證階段，在一定程度上對構造解釋模型的建立缺乏準確性。因子分析方法在地質(zhì)學中的應用主要集中在地球化學、沉積相研究和礦物巖石學等方面。筆者將其應用到構造地質(zhì)學中，首先通過設計物理模擬實驗再現(xiàn)了準噶爾盆地南緣多排斷褶帶的發(fā)育情況，再試圖通過實驗數(shù)據(jù)分析、定量的探討控制該區(qū)構造帶發(fā)育的因素。

1. 準噶爾盆地南緣構造概況

準噶爾盆地南緣東西長約500 km，南北寬約100 km，是地層發(fā)育齊全、構造變形獨具特色的地區(qū)。由于邊界條件和各期構造作用的方式、應力方向不盡相同，在南緣地區(qū)的不同地段構造變形特點具有顯著差異，大致以烏魯木齊為界分為東、西兩個構造帶。其中，南緣西部構造帶發(fā)育多排褶皺-斷裂帶組合，平面上呈斜向“瓦垅”狀構造 （圖1） [1]。這種斜列的瓦垅構造帶主干斷裂為天山北緣斷裂，分支構造為壓扭性斷層和褶皺。剖面上為隔擋式褶皺，即背斜緊閉、向斜開闊。燕山期以來，特別是喜山期右行壓扭應力作用下，中、新生代地層沿侏羅系煤層和古近系高塑性泥巖層發(fā)生滑脫并彎曲形成了5個斷裂背斜構造帶。綜合前人研究成果，我們認為準噶爾盆地南緣西部構造模式屬于后緣擠壓、前緣雙層滑脫模型（圖2）。

圖1 準噶爾盆地南緣褶皺-沖斷帶綱要圖（據(jù)于福生等，2009）[2]

（1）-逆斷層； （2）-平移斷層； （3）-褶皺及編號； （4）-剖面位置及編號； （5）-分帶界線； （6）-分帶編號：Ⅰ—第一排背斜—沖斷帶； Ⅱ—第二排背斜—沖斷帶； Ⅲ—第三排背斜—沖斷帶； Ⅳ—第四排背斜—沖斷帶

圖2 準噶爾盆地南緣西部后緣擠壓、前緣雙層滑脫變形模式

2. 物理模擬實驗

前人對準噶爾盆地南緣的野外考察認為，沉積蓋層中的兩個滑脫層分別為：侏羅系的煤層和白堊系-古近系的泥巖層。地層下部，侏羅系煤層影響著較深部位地層的構造發(fā)育，而地層上部的泥巖層影響著較淺部位地層的構造發(fā)育。本實驗以后緣擠壓、前緣雙層滑脫模式為理論依據(jù)，設計了四組擠壓變形模擬實驗。

2.1 實驗設備與材料

模型設計：砂箱規(guī)格為78cm（長） 30cm（寬），模型砂層高度因不同組實驗所設計的滑脫層厚度和蓋層厚度不同而異，模型的橫向比例尺約為1：8.4萬。實驗底部為剛性基底，單側馬達驅動擠壓，設定擠壓速率為3mm/min（圖3），實驗沒有設定固定的擠壓量，砂層收縮至產(chǎn)生6-7條前展式逆沖斷層時停止。

實驗選用模擬地層的材料為干燥松散的黃色石英砂（粒徑0.2～0.5mm），從力學性質(zhì)上講，它是國內(nèi)外通用的模擬地殼淺層次脆性構造變形的材料。滑脫層則選取玻璃粉、食鹽等物理形態(tài)上與石英砂差距不大的材料。設計了四組實驗，其中第一組實驗為砂層與玻璃粉互層，單砂層厚度為0.6cm，玻璃粉單層厚度為0.3cm，從下至上依次為石英砂（2層）—玻璃粉（1層）—石英砂（3層）—玻璃粉（1層）—石英砂（2層）；第二組實驗為為砂層與玻璃粉互層，單砂層厚度為0.6cm，玻璃粉單層厚度為0.5cm，從下至上依次為玻璃粉（1層）—石英砂（2層）—玻璃粉（1層）—石英砂（3層）—玻璃粉（1層）—石英砂（2層）；第三組實驗為食鹽與砂層互層，單砂層厚度為0.6cm，食鹽層單層厚度為0.5cm，從下至上依次為食鹽（1層）—石英砂（2層）—食鹽（1層）—石英砂（3層）—食鹽（1層）—石英砂（2層）；第四組實驗為食鹽與砂層互層，單砂層厚度為0.6cm，食鹽層單層厚度為0.5cm，從下至上依次為石英砂（2層）—食鹽（1層）—石英砂（3層）—食鹽（1層）—石英砂（2層）。

圖3 擠壓變形砂箱剖面物理模擬實驗設計示意圖

2.2 實驗過程與結果

各組實驗在以上設計條件下都具有可重復性，能得到相同的實驗數(shù)據(jù)。在此，筆者僅對第四組實驗結果進行對比闡述。

馬達啟動后砂層首先彎曲形成褶皺，當收縮率（SR）為1.3%時，開始形成第一條逆沖斷層F1，由于離推覆體近、應力集中而且大，斷層F1切穿整個模型（圖4A）。當收縮率（SR）為5.1%時在F1前方形成逆沖斷層F2，同時在F1上盤形成與F1傾向相反的斷層F3，上盤構成一楔狀體（圖4B）。當收縮率（SR）為6.7%時，在F2前方形成逆沖斷層F4（圖4C），該斷層傾角比F1小并收斂于F1?？梢妰苫搶右褦嚅_，力從下部滑脫層往上傳遞，而下部滑脫層以下地層平直。繼續(xù)擠壓，當收縮率（SR）為11.5%時，可見上下兩滑脫層均有滑脫形成逆沖斷層F5和F6的現(xiàn)象，而滑脫層之間的砂層僅出現(xiàn)彎曲而未錯斷（圖4D）。再進一步，當收縮率（SR）為20%時，之前形成的斷層F5和F6已經(jīng)合二為一，并在更遠的前端形成滑脫斷層F7和F8（圖4E），F(xiàn)7 的斷距大于F8，F(xiàn)8之下砂層平直說明應力在兩滑脫層傳播。持續(xù)的擠壓至收縮率（SR）為24.1%時，F(xiàn)7和F8逆沖于同一斷層面之上，在大斷層上盤形成了一個反向的沖斷層F9（圖4F）。

圖4 擠壓變形模擬實驗過程

3 實驗結果數(shù)據(jù)分析

不同的模型設計控制因素不同，其實驗結果也有所差異，但是在相似模型條件下產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)存在一定相關性[3]。將這些蘊含信息的數(shù)據(jù)進行分析，能得到這些控制變量與實驗結果之間定量或半定量的關系。

3.1 理論準備

因子分析法是指從研究指標相關矩陣內(nèi)部的依賴關系出發(fā)，把一些信息重疊、具有錯綜復雜關系的變量歸結為少數(shù)幾個不相關的綜合因子的一種多元統(tǒng)計分析方法[3]。筆者將其應用到構造地質(zhì)學中，探討控制斷層發(fā)育的各種因素之間的關系，試圖將這些因素歸類，為構造物理模擬實驗設計定量分析研究提供理論依據(jù)。

因子分析的理論依據(jù)讀者可以查閱相關文獻[3，4]，在此主要涉及以下幾個主要公式：

① 各變量之間的相關矩陣R= 及其特征值；

② 正交變換矩陣T，因子載荷矩陣；

③ 因子得分矩陣；

3.2 因子分析

由于四組實驗設計的蓋層（滑脫層之上地層）厚度、滑脫層厚度、滑脫層性質(zhì)（兩種不同屬性的滑脫層材料）以及模型底部是否存在滑脫基底等控制因素不同，將蓋層厚度、滑脫層厚度、滑脫層性質(zhì)和先存基底作為變量。實驗1—以滑脫層厚度與上覆蓋層厚度的比例與其他實驗相區(qū)別，設上覆蓋層厚度為實驗變量x1；實驗2—其滑脫層厚度與實驗1相區(qū)別，以滑脫層的厚度為實驗變量x2；實驗3—模型下部設計有基底與實驗1和實驗4相區(qū)別，以基底的存在作為實驗變量x3；實驗4—滑脫層所用的材料屬性與實驗1、實驗2相區(qū)別，并以材料屬性（或滑脫層的性質(zhì)）作為實驗變量x4。實驗中從推覆方向起，由近及遠產(chǎn)生的前展式斷層（表1中的，相當于圖4中朝擠壓方向逆沖的斷層）作為樣品斷層，以斷層發(fā)育時的實驗收縮率和實驗解釋剖面與地震解釋剖面相似度最高時的實驗收縮率作為觀察數(shù)據(jù)點，將四組實驗數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)表（表1）。從數(shù)據(jù)表趨勢線（表1右）不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)點與變量之間存在著一些關系。筆者是希望通過因子分析根據(jù)相關性大小將變量分組，每組變量就共同代表了對相關數(shù)據(jù)的影響。

表1 擠壓變形模擬實驗數(shù)據(jù)表及數(shù)據(jù)趨勢線

x1

x2

x3

x4

f1

4.5

1.7

1.2

1.3

f2

7.8

5.2

4.6

5.1

f3

11.9

9.6

5.4

6.7

f4

20.9

16.3

9.4

11.5

f5

26.8

24.5

21.4

20.0

f6

39.7

30.7

27.5

24.1

將表1中的數(shù)據(jù)整理建立變量與樣品的原始矩陣X：；

矩陣X標準化得到矩陣X1：；

從而依據(jù)相關矩陣公式①得出矩陣X1的相關矩陣R，相關矩陣R的特征向量矩陣A及其特征值向量b。

，，

，；

令，，A*即為因子載荷矩陣。A*的列對應于四個變量（x1，x2 ，x3 ，x4），行對應于四個公因子（Y1 ，Y2 ，Y3 ，Y4）。矩陣A*中的每一列分別與b中的元素對應。將A*按照特征值從大到小排列得到矩陣A**，矩陣A**中變量x在因子Y上的得分集中在x1處，因此需要對矩陣A**進行旋轉。

將因子載荷矩陣A**正交變換后得到旋轉后的因子載荷矩陣B0（其中正交變換矩陣T是通過矩陣分析軟件得到）。又有，根據(jù)公式③得到因子得分矩陣F，將F歸一化得到新的因子得分矩陣E，這樣我們就可以結合物理實驗和實際地質(zhì)情況對矩陣ET進行分析。

， ；

旋轉后的因子載荷矩陣B0中，變量x1和x2在因子Y1上的得分較高（），變量x3和x4在因子Y2上得分較高（），因此研究區(qū)控制斷層發(fā)育的因素分為兩大類（即Y1和Y2）。第一大類：斷層發(fā)育受蓋層厚度和滑脫層厚度的綜合控制；第二大類：斷層發(fā)育受軟弱基底的存在和滑脫層性質(zhì)的綜合控制。矩陣ET的列對應于公因子Y1 、Y2 、Y3 、Y4，行對應于表1中的f1、f2、f3、f4、f5、f6，矩陣中的數(shù)值即斷層f在公因子Y上的得分。因為研究區(qū)控制斷層發(fā)育的因素已經(jīng)分為Y1和Y2兩類，所以我們只需要對矩陣ET的前兩列進行分析。

4 物理模擬與數(shù)值分析結果討論

將實驗結果與構造變形模式圖對比，斷層F1、F2（表1中的f1、f2）大至與第一排背斜帶（NO.1）對應，斷層F4（表1中的f3）大至與第二排背斜帶（NO.2）對應，斷層F5、F6（表1中的f4）大至與第三排背斜帶（NO. 3）對應，斷層F7、F8（表1中的f5）大至與第四排背斜帶（NO.4）對應（圖5）。

實驗數(shù)據(jù)分析得到的矩陣ET中，Y1和Y2列是控制斷層發(fā)育的公因子，在行方向斷層f1、f2、f3、f4在Y1上的得分較高（>0.5），斷層f4、f5、f6在Y2上的得分較高（>0.5）。由此可見，第一、二、三排背斜帶主要受第一類因素控制，即斷層發(fā)育樣式受蓋層厚度和滑脫層厚度控制；第四排背斜帶主要受第二類因素控制，即斷層發(fā)育主要受上部滑脫層控制。第三排背斜帶在兩個因素上的得分相當，說明第三排背斜帶在兩種控制因素下處于過渡帶，在局部地區(qū)受到了上部滑脫層的控制。

以上分析結合主波長理論證明了滑脫層越厚越容易滑脫，即褶皺發(fā)育及斷層的產(chǎn)生所需要的收縮量就越??；滑脫層以上的地層越厚，滑脫層越顯塑性，越容易滑脫。侏羅系煤層的存在為上覆地層提供了滑脫基底。侏羅系以上地層內(nèi)部存在的滑脫層為離盆地邊界較遠的第四、五排背斜帶的形成創(chuàng)造了條件。

圖5 擠壓變形模擬實驗結果

5 結論

（1）準噶爾盆地南緣西部多排斷褶帶發(fā)育主要受兩類因素控制：第一類：蓋層厚度和滑脫層厚度，第二類：軟弱基底的存在和滑脫層性質(zhì)；（2）滑脫層以上的地層越厚，滑脫層越顯塑性越容易滑脫，滑脫層越厚越容易滑脫；（3）第一、二排背斜帶發(fā)育受第一類因素控制，第三排背斜帶處于兩類因素控制的過渡帶，第四排背斜帶發(fā)育受第二類因素控制；（4）侏羅系煤層的存在為第四、第五排背斜的形成創(chuàng)造了條件。

參考文獻

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