雙層滑脫構(gòu)造的物理模擬：對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣褶皺-沖斷帶的啟示

于福生，李定華，趙進(jìn)雍，董長華

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司東方地球物理勘探有限責(zé)任公司綜合物化探處，河北涿州 072751）

0 引 言

褶皺-沖斷構(gòu)造是造山帶前緣發(fā)育的重要構(gòu)造變形樣式，其演化過程受地層組合特征、巖石力學(xué)性質(zhì)、受力邊界條件等諸多因素影響［1－10］。大量研究資料表明，滑脫層的存在對(duì)褶皺-沖斷帶的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征具有重要的控制作用［11－16］。前人研究主要集中在單層滑脫作用如何影響褶皺、斷層的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征［17－22］。最近，有研究者開始利用構(gòu)造物理模擬方法探討雙層滑脫作用對(duì)構(gòu)造變形的影響［23－27］，但只是研究單一因素對(duì)變形過程的影響［27］，缺乏多因素綜合分析的模擬研究成果及其應(yīng)用實(shí)例。筆者借鑒滑脫層材料屬性、滑脫層黏度、上覆砂層厚度、受力邊界條件等因素對(duì)雙層滑脫褶皺沖斷構(gòu)造演化過程影響的基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯繙?zhǔn)噶爾盆地南緣西段霍爾果斯—安集海背斜帶形成的主控因素。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段構(gòu)造綱要Fig.1 Structural Map of the Western Part in the Southern Front of Junggar Basin

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段發(fā)育有3排褶皺-沖斷帶［4，28］（圖1），位于第2排的霍爾果斯背斜帶和第3排的安集海背斜帶具有典型的滑脫變形特征，但由于地震反射剖面質(zhì)量較差導(dǎo)致其存在不同的認(rèn)識(shí)。鄧起東等認(rèn)為霍爾果斯背斜帶屬于雙層滑脫變形，安集海背斜帶屬于單層滑脫變形［4，29－32］。于福生等認(rèn)為霍爾果斯背斜帶、安集海背斜帶都為雙層滑脫變形［22］。為了驗(yàn)證兩種解釋方案的合理性及其成因機(jī)制，依據(jù)基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果和地層組合特征，設(shè)計(jì)了斜向擠壓雙層黏性滑脫模型進(jìn)行模擬研究。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)材料

前人大量試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果證明，松散干燥的石英砂內(nèi)摩擦角φ≈37°，符合庫倫-莫爾破裂準(zhǔn)則，適合模擬強(qiáng)度較大的能干巖層，如礫巖、砂巖、灰?guī)r［33－34］；微玻璃珠φ≈25°，適合模擬強(qiáng)度較小的非能干巖層，如泥巖層、煤層、蒸發(fā)巖等滑脫層［12，23，26，35］；無色透明的硅膠遵循牛頓黏度定律，其黏度可以調(diào)節(jié)，是模擬膏鹽層的理想材料［11，19，27，36－37］。筆者在研究滑脫層厚度及其上覆砂層厚度變化等因素試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x擇微玻璃珠作為滑脫層材料；在研究滑脫層強(qiáng)度變化試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x擇硅膠作為滑脫層材料，其黏度為（0.05～5）× 104Pa·s。所有試驗(yàn)都選擇松散干燥的石英砂作為非滑脫層材料。

1.2 模型設(shè)置

根據(jù)研究目的不同，建立了3類試驗(yàn)?zāi)Ｐ停餐瓿?4組模擬試驗(yàn)，主要參數(shù)見表1。

表1 不同模型試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test Parameters of Different Models

Ⅰ類模型：用于研究滑脫層本身的厚度及其上覆砂層厚度變化對(duì)變形的影響，包括MDL1～MDL7等7組試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)格為80cm× 20cm×30cm，上、下部滑脫層材料為不同厚度的微玻璃珠（厚度可控，易于鋪設(shè)），其上鋪設(shè)單層厚度為3mm的松散石英砂。試驗(yàn)裝置左側(cè)固定，右側(cè)擠壓（圖2），擠壓方向與受力邊界間的夾角為90°，擠壓速度為0.025cm·s－1，收縮率為50%。

Ⅱ類模型：用于研究受力邊界條件變化對(duì)變形的影響，包括MDL8～MDL10等3組試驗(yàn)，擠壓方向與受力邊界間的夾角分別為75°、65°、55°，滑脫層厚度、砂層厚度、擠壓速度等參數(shù)見表1。

圖2 試驗(yàn)裝置（單位：cm）Fig.2 Schematic Illustration（Unit：cm）

Ⅲ類模型：用于研究下部滑脫層黏度變化對(duì)變形的影響作用，包括MDL11～MDL14等4組試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)格同Ⅰ類模型，上部滑脫層材料為黏度固定的硅膠（黏度為5×104Pa·s），下部滑脫層材料為黏度不同的硅膠，其上鋪設(shè)5層單層厚度為2mm的松散石英砂。試驗(yàn)裝置左側(cè)固定，右側(cè)擠壓，擠壓方向與受力邊界間的夾角為90°，擠壓速度為0.025cm·s－1，收縮率為50%。

2 結(jié)果分析

2.1 滑脫層厚度

以微玻璃珠為上、下部滑脫層的厚度變化試驗(yàn)（MDL1～MDL4）模擬結(jié)果具有以下特點(diǎn)。

（1）下部滑脫層對(duì)變形樣式起主導(dǎo)控制作用，變形樣式主要為前展型逆沖疊瓦式斷裂構(gòu)造，靠近擠壓端發(fā)育反沖斷層。

（2）下部滑脫層與中間砂層僅發(fā)育斷裂構(gòu)造，上部滑脫層與上部砂層發(fā)育斷層相關(guān)褶皺構(gòu)造。

（3）當(dāng)下部滑脫層厚度不變時(shí)，上部滑脫層厚度較大者容易形成滑脫斷層，如試驗(yàn)MDL1上部滑脫層厚度為9cm，當(dāng)收縮率超過12.5%時(shí)，在逆斷層F2前側(cè)形成一條滑脫斷層F21，當(dāng)收縮率超過25%時(shí)，在滑脫斷層F21的前側(cè)形成另一條滑脫斷層F22（圖3中試驗(yàn)MDL1）。而上部滑脫層厚度較小時(shí)難形成滑脫斷層，如試驗(yàn)MDL2上部滑脫層厚度為3cm，在收縮率超過50%時(shí)，還沒有發(fā)育滑脫斷層（圖3中試驗(yàn)MDL2）。

圖3 滑脫層厚度變化模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of Simulation Results About Different Thicknesses of Decollements

（4）當(dāng)保持上部滑脫層厚度不變時(shí)，下部滑脫層的厚度變化對(duì)逆沖斷層疊置樣式影響不大，但對(duì)上部滑脫層與上部砂層的褶皺緊閉程度有一定影響，下部滑脫層厚度大者形成的斷彎褶皺較開闊。

（5）當(dāng)收縮率相同時(shí)，上、下部滑脫層厚度較大者推覆體前緣位移量相對(duì)較大（圖4）。

圖4 推覆體前緣水平位移量與收縮率變化關(guān)系Fig.4 Relationship Between Horizontal Migration of Thrust Wedge and Shrinkage Rate

2.2 上覆砂層厚度

保持上、下部滑脫層的厚度不變，改變中間砂層與上部砂層厚度，其試驗(yàn)結(jié)果差異如下。

（1）上部砂層厚度較大，容易先形成滑脫斷層。試驗(yàn)MDL5上部砂層厚度為15cm，當(dāng)收縮率超過12.5%時(shí)，開始形成第1條滑脫斷層F21（圖5中試驗(yàn)MDL5）；而MDL6上部砂層厚度為6cm，當(dāng)收縮率超過25%時(shí)，才開始形成第1條滑脫斷層F41（圖5中試驗(yàn)MDL6）。

（2）當(dāng)中間砂層厚度較薄時(shí)，上、下部滑脫層變形一致，上部滑脫層內(nèi)不發(fā)育滑脫斷層（圖5中試驗(yàn)MDL7）。

（3）上部砂層厚度較大時(shí)，形成的斷層相關(guān)褶皺較開闊（圖5中試驗(yàn)MDL5）；上部砂層厚度較小時(shí)，形成的斷層相關(guān)褶皺較緊閉（圖5中試驗(yàn)MDL6）。

2.3 受力邊界條件

在滑脫層厚度、上覆砂層厚度保持不變的前提下，改變擠壓方向與受力邊界間的夾角，其模擬結(jié)果特點(diǎn)如下。

（1）擠壓方向與受力邊界間的夾角越大，上部滑脫層越容易先形成滑脫斷層。當(dāng)擠壓方向與受力邊界間的夾角為75°以及收縮率大于13%時(shí)，開始形成第1條滑脫斷層F3（圖6中試驗(yàn)MDL8）。擠壓方向與受力邊界間的夾角為65°以及收縮率接近23%時(shí)，開始發(fā)育第1條滑脫斷層F4（圖6中試驗(yàn)MDL9）；當(dāng)擠壓方向與受力邊界間的夾角為55°、收縮率接近38%時(shí)，開始形成第1條滑脫斷層F6（圖6中試驗(yàn)MDL10）。

圖5 滑脫層上覆砂層厚度變化模擬結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of Simulation Results About Different Thicknesses of Sand Beds Above Decollements

圖6 擠壓方向與受力邊界間的夾角變化模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of Simulation Results About Different Included Angles Between Compression Direction and Stress Boundary

（2）當(dāng)收縮率相同時(shí)，擠壓方向與受力邊界間夾角較小者的推覆體前緣水平位移較快（圖6中試驗(yàn)MDL10）。

（3）當(dāng)收縮率相同時(shí)，擠壓方向與受力邊界間夾角較大者的推覆體前緣垂向位移量相對(duì)較大（圖6中試驗(yàn)MDL8）。

2.4 滑脫層黏度

在上覆砂層厚度、受力邊界條件、上部滑脫層厚度和黏度（5×104Pa·s）保持不變的前提下，改變下部滑脫層黏度，模擬試驗(yàn)結(jié)果具有如下特點(diǎn)。

（1）當(dāng)滑脫層黏度為0.5×103Pa·s時(shí)（圖7中試驗(yàn)MDL11），分層變形特征比較明顯，上部滑脫層發(fā)育前展型疊瓦式逆沖斷層及其相關(guān)褶皺，背斜倒轉(zhuǎn)，向斜平緩，斷層底部收斂于上部滑脫層。下部滑脫層先發(fā)育1條反向斷層，然后依次發(fā)育3條同向逆沖斷層。

（2）當(dāng)滑脫層黏度增大到1.0×103Pa·s時(shí)（圖7中試驗(yàn)MDL12），在收縮率小于25%時(shí)，上、下部滑脫層分層變形特征明顯，當(dāng)收縮率接近37.5%時(shí)，上、下部滑脫層同時(shí)變形，形成斷層F12。然后隨著擠壓量的增加，變形主要發(fā)生在上部滑脫層?？傮w變形特征表現(xiàn)為上部滑脫層發(fā)育斷層及其相關(guān)倒轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造，而向斜構(gòu)造不發(fā)育。

圖7 下部滑脫層黏度變化模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of Simulation Results About Different Viscosities of Lower Decollement

（3）當(dāng)滑脫層黏度為2.0×103Pa·s時(shí)（圖7中試驗(yàn)MDL13），在收縮率小于12.5%時(shí)，上、下部滑脫層同時(shí)變形，先形成斷層F1；當(dāng)收縮率為25%時(shí)，在F1后側(cè)形成反沖斷層F2，在F1前側(cè)上部滑脫層先形成滑脫褶皺，再發(fā)育斷層F3、F4；在下部滑脫層先發(fā)育反向斷層F5，后發(fā)育斷層F6，兩者組成對(duì)沖三角帶構(gòu)造。隨著擠壓量的增加，上、下部滑脫層開始分層變形，上部滑脫層發(fā)育前展型滑脫斷層及其相關(guān)褶皺。

（4）當(dāng)滑脫層黏度為2.5×103Pa·s時(shí)（圖7中試驗(yàn)MDL14），收縮率為12.5%以前的變形特征同試驗(yàn)MDL13。在收縮率大于12.5%以后，隨著擠壓量的增大，在F1后側(cè)形成反沖斷層F2，在F1前側(cè)上部滑脫層形成3條疊瓦式斷層，在下部滑脫層形成斷層F4。當(dāng)收縮率為25%時(shí)，下部滑脫層發(fā)育斷層F7及切割上、下部滑脫層的斷層F8，兩者間構(gòu)成背沖構(gòu)造。當(dāng)收縮率為37.5%時(shí)，在F8前側(cè)發(fā)育斷層F10、F11，組成第2個(gè)背沖構(gòu)造，F(xiàn)8與F10組成對(duì)沖構(gòu)造。當(dāng)收縮率為50%時(shí)，斷層F8、F11位移量增大，變?yōu)橹骺鼗摂鄬印?/p>

3 討 論

地震剖面和鉆井資料顯示，準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段霍爾果斯—安集海背斜帶具有分層滑脫、背沖構(gòu)造發(fā)育的變形特點(diǎn)，與高黏度（黏度大于2.0× 103Pa·s）雙滑脫層試驗(yàn)結(jié)果（圖7中試驗(yàn)MDL13、MDL14）具有類似之處。前人多年來的解釋方案認(rèn)為霍爾果斯背斜上部滑脫斷層F2具有雙向逆沖特點(diǎn)，下部滑脫斷層F6上盤發(fā)育兩條反沖斷層［圖8（a）］，同時(shí)認(rèn)為安集海背斜是下部滑脫斷層及其反沖斷層構(gòu)成的背沖構(gòu)造［4，25－28］。本文的解釋方案認(rèn)為上部滑脫斷層F2具有單向逆沖特點(diǎn)，安集海背斜是上部滑脫斷層及其反沖斷層構(gòu)成的背沖構(gòu)造［圖8（b）］。為了證實(shí)霍爾果斯—安集海背斜帶解釋的合理性，借鑒高黏度滑脫層試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合地震剖面地層組合特點(diǎn)和邊界條件，設(shè)計(jì)斜向擠壓和高黏度雙滑脫層物理模型進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)格為60cm×20cm×30cm。試驗(yàn)裝置右側(cè)為固定擋板，左側(cè)為帶有馬達(dá)的活動(dòng)端，活動(dòng)端前側(cè)放置一個(gè)三角形聚苯板模型，使擠壓方向與受力邊界間的夾角為75°。根據(jù)剖面地層厚度按比例鋪設(shè)8層材料，自下而上厚度分別為1.2、0.8、1.0、1.2、0.8、0.8、1.0、1.0cm，分別代表C、T、J、K、E、N1、N21、N22地層單位，其中，J層和E層材料為硅膠（黏度為5×104Pa·s），代表煤層和泥巖層，其他層的材料為松散石英砂。馬達(dá)擠壓速率為0.03mm·s－1。

當(dāng)收縮率為33%時(shí)，模擬結(jié)果［圖8（c）］中的斷層F5、F11～F13分別與本文解釋方案中的斷層F2～F4、F7相對(duì)應(yīng)，顯示為前展型分層滑脫變形組合，與前人解釋方案具有較大差異。說明斜向擠壓邊界與侏羅紀(jì)煤層、古近紀(jì)泥巖層的分層滑脫作用是形成霍爾果斯—安集海褶皺-沖斷帶的主要因素。

4 結(jié) 語

圖8 模擬結(jié)果與霍爾果斯—安集海背斜帶地震剖面不同解釋方案對(duì)比Fig.8 Comparison of Simulation Result with Different Versions of Seismic Profile Interpretation in Khorgos－Anjihai Anticlinal Zone

（1）以微玻璃珠作滑脫層產(chǎn)生前展型逆沖疊瓦式斷裂構(gòu)造，下部滑脫層起主控滑脫作用；以黏性材料硅膠作滑脫層產(chǎn)生沖斷-褶皺構(gòu)造，具有分層變形特征。

（2）以微玻璃珠為滑脫層材料時(shí)，上部滑脫層厚度以及滑脫層之上砂層厚度越大越容易形成滑脫斷層；擠壓方向與受力邊界間夾角越大，上部滑脫層越容易先形成滑脫褶皺；當(dāng)收縮率相同時(shí)，擠壓方向與受力邊界間的夾角較小者，其推覆體前緣水平位移較快。

（3）以硅膠為滑脫層材料時(shí)，下部滑脫層硅膠黏度為500～1 000Pa·s，形成分層滑脫前展型逆沖疊瓦式構(gòu)造變形；當(dāng)硅膠黏度為2 000～2 500Pa·s時(shí)，靠近擠壓端先形成基底卷入式背沖構(gòu)造，然后在上部滑脫層形成疊瓦式構(gòu)造、背沖式構(gòu)造，在下部滑脫層形成對(duì)沖三角帶構(gòu)造、背沖構(gòu)造、疊瓦式構(gòu)造。

（4）準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯—安集海褶皺-沖斷帶具有滑脫變形特征，斜向擠壓、侏羅紀(jì)煤層與古近紀(jì)泥巖層的分層滑脫作用是控制變形過程的主要因素。

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