利用河流階地限定活動(dòng)逆斷層相關(guān)褶皺晚第四紀(jì)變形機(jī)制和速率:方法與認(rèn)識(shí)

李濤 陳杰

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

擠壓造山帶前陸地區(qū)通常發(fā)育一系列逆斷層相關(guān)褶皺。定量限定這些褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程對(duì)于理解造山帶的時(shí)空演化，地震危險(xiǎn)性和危害性評(píng)價(jià)及油氣資源前景評(píng)估等方面都具有重要意義。對(duì)于一個(gè)褶皺(圖1)，前生長(zhǎng)地層的變形提供了其最終幾何形態(tài)和縮短總量的信息;與褶皺作用同期沉積的生長(zhǎng)地層為褶皺提供了一詳細(xì)而獨(dú)特的記錄，通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)地層詳細(xì)填圖和地震反射剖面分析可確定褶皺生長(zhǎng)機(jī)制，恢復(fù)其百萬(wàn)年尺度的生長(zhǎng)歷史(Suppe et al.，1992;Epard et al.，1993;Hardy et al.，1994;Storti et al.，1997)。

伴隨褶皺生長(zhǎng)，發(fā)育其上的河流階地也發(fā)生了同步變形(圖1)。在過(guò)去的幾十年，河流階地作為一個(gè)被動(dòng)變形的地貌標(biāo)志物已越來(lái)越多地被應(yīng)用到活動(dòng)逆斷層相關(guān)褶皺晚第四紀(jì)變形的研究中(Rockwell et al.，1988;Molnar et al.，1994;Lavé et al.，2000;Thompson et al.，2002;陳杰等，2005a，b;Scharer et al.，2006;Simoes et al.，2007;李濤等，2011，2013;李濤，2012;Li et al.，2013)。例如，Rockwell等(1988)研究了彎滑褶皺作用下的階地變形;Lavé等(2000)、盧華復(fù)等(2002)、Thompson等(2002)和Hubert-Ferrari等(2007)討論了斷彎褶皺的實(shí)例，盧華復(fù)等(2002)和Hubert-Ferrari等(2007)首次提出了褶皺陡坎的概念;Bernard等(2007)，Da?ron等(2007)和Simoes等(2007)對(duì)純剪切斷頂褶皺作用下的階地變形進(jìn)行了討論。將河流階地與生長(zhǎng)地層、前生長(zhǎng)地層相結(jié)合，可限定褶皺縮短總量和生長(zhǎng)起始時(shí)間等參數(shù)，恢復(fù)從開始生長(zhǎng)至晚第四紀(jì)完整的生長(zhǎng)演化歷史。本文首先對(duì)逆斷層相關(guān)褶皺的基本類型、生長(zhǎng)機(jī)制和不同生長(zhǎng)機(jī)制下河流階地的變形特征進(jìn)行了介紹，然后對(duì)現(xiàn)有的3種利用變形河流階地限定褶皺變形速率的方法進(jìn)行了總結(jié)和討論。

圖1 純剪切滑脫褶皺前生長(zhǎng)地層、生長(zhǎng)地層和河流階地的變形特征(據(jù)Da?ron et al.，2007修改)Fig.1 Deformation of pre-growth strata，growth strata and fluvial terraces in pure-shear detachment fold(after Da?ron et al.，2007).

1 逆斷層相關(guān)褶皺的基本類型

根據(jù)幾何形態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，逆斷層相關(guān)褶皺可劃分為斷彎褶皺、斷展褶皺和滑脫褶皺3種基本類型(Burbank et al.，2011及文中參考文獻(xiàn))(圖2)。斷展褶皺和滑脫褶皺因發(fā)育在斷層頂部，也統(tǒng)稱為斷頂褶皺。

斷彎褶皺是指沿?cái)鄬用婊瑒?dòng)的地層經(jīng)斷層拐折部位時(shí)隨之彎折變形而形成的一種褶皺(圖2a)。形成褶皺的斷層面通常具有斷坪-斷坡-斷坪的基本結(jié)構(gòu)，沿?cái)鄬用嫖灰屏勘３趾愣?。斷層上盤地層發(fā)育多個(gè)等斜巖區(qū)，相鄰等斜巖區(qū)由樞紐分隔。在地層長(zhǎng)度和厚度不變、且斷坡傾角給定時(shí)，斷彎褶皺的形態(tài)是一定的。

斷展褶皺具有斷坪-斷坡的基本結(jié)構(gòu)(圖2b1)，是由于沿?cái)嗥聰U(kuò)展方向位移量減小，減小的位移量使位于斷層頂端的地層發(fā)生變形而形成的褶皺。褶皺前翼通常比后翼更陡更窄，總體形態(tài)明顯不對(duì)稱。在不存在剪切作用時(shí)，背斜前翼傾角恒定。沿?cái)嗥挛灰屏坑傻锥讼蝽敹酥饾u減小為零。與斷彎褶皺類似，發(fā)生褶皺的地層也包括多個(gè)相間分布的樞紐和等斜巖區(qū)。

三角剪切褶皺是斷展褶皺的一種特殊類型(圖2b2)，是由于沿?cái)鄬訑U(kuò)展方向三角離散剪切作用形成的褶皺。三角剪切帶相對(duì)斷層面呈對(duì)稱分布，位移量由剪切帶頂界向底界逐漸減小，方向逐漸向與底界平行方向旋轉(zhuǎn)。剪切帶頂界，位移量與斷層位移量相等，方向與斷層面平行;剪切帶底界，位移量為零。斷層擴(kuò)展速率與滑動(dòng)速率的比值控制了褶皺形態(tài)。當(dāng)比值很小時(shí)，褶皺前翼增厚，褶皺逐漸緊閉;比值較大時(shí)，前翼幾乎不增厚，褶皺越來(lái)越開闊。與斷彎褶皺和典型斷展褶皺不同，三角剪切褶皺前翼地層傾角通常呈連續(xù)變化，樞紐和等斜巖區(qū)難以區(qū)分。

滑脫褶皺只發(fā)育與兩盤地層平行的一個(gè)滑脫面(斷坪)(圖2c)，是由于沿?cái)鄬訑U(kuò)展方向位移量逐漸減小導(dǎo)致上覆地層變形形成的。滑脫褶皺的滑脫面通常發(fā)育在摩擦系數(shù)較低、容易發(fā)生塑性變形的地層中。褶皺生長(zhǎng)過(guò)程中，地層或通過(guò)膝折帶遷移向背斜核部運(yùn)移，或通過(guò)純剪切變形使翼部旋轉(zhuǎn)，從而使褶皺不斷緊閉，隆升幅度逐漸增大。由于滑脫褶皺地層曲率通常呈連續(xù)變化，使得樞紐和等斜巖區(qū)很難劃分。隨著褶皺作用的進(jìn)行，當(dāng)滑脫面斜切上覆地層形成斷坡時(shí)，滑脫褶皺就演化成了斷展褶皺。

圖2 逆斷層相關(guān)褶皺的基本類型及對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)地層的變形特征(據(jù)Burbank et al.，2011修改)Fig.2 Classification of thrust related fold and deformation characteristics of associated growth strata(modified from Burbank et al.，2011).

2 逆斷層相關(guān)褶皺的生長(zhǎng)機(jī)制和不同生長(zhǎng)機(jī)制下河流階地變形特征

根據(jù)受力情況，逆斷層相關(guān)褶皺包括無(wú)剪切、簡(jiǎn)單剪切和純剪切方式，具體表現(xiàn)為膝折帶遷移和翼旋轉(zhuǎn) 2 種端元模型(Suppe，1983;Suppe et al.，1990;Hardy et al.，1994;Casas-sainz et al.，2002)(圖3)。膝折帶遷移是指褶皺生長(zhǎng)過(guò)程中，地層通過(guò)活動(dòng)軸面時(shí)發(fā)生拐折而使翼部逐漸加長(zhǎng)，褶皺翼間角保持恒定(Suppe，1983;Suppe et al.，1990;Casas-sainz et al.，2002)。在無(wú)剪切和剪切角恒定的簡(jiǎn)單剪切作用下，褶皺僅通過(guò)膝折帶遷移生長(zhǎng)，隆升速率分別呈“齒狀”和“臺(tái)階狀”(圖3a，b)。該模型中，河流階地在通過(guò)活動(dòng)軸面時(shí)形成褶皺陡坎(盧華復(fù)等，2002;陳杰等，2005a;Scharer et al.，2006;Hubert-Ferrari et al.，2007)。陡坎坡度與樞紐兩側(cè)等斜巖區(qū)地層傾角有關(guān);階地年齡越老，陡坎高度越大，但陡坎坡度保持恒定。遠(yuǎn)離活動(dòng)軸面，階地平行產(chǎn)出，不同階地面與下伏前生長(zhǎng)地層的夾角是恒定的。

圖3 逆斷層相關(guān)褶皺的生長(zhǎng)機(jī)制和不同生長(zhǎng)機(jī)制下隆升速率分布特征和河流階地變形特征(據(jù)Hubert-Ferrari et al.，2007修改)Fig.3 Growth mechanisms of thrust related fold and associated uplift rate distribution and fluvial terraces deformation(modified from Hubert-Ferrari et al.，2007).

翼旋轉(zhuǎn)模型是指褶皺過(guò)程中，翼長(zhǎng)基本恒定，褶皺翼和樞紐發(fā)生旋轉(zhuǎn)而使褶皺高度增加，寬度逐漸變窄(Hardy et al.，1994;Casas-sainz et al.，2002)(圖3c)。翼旋轉(zhuǎn)模型是純剪切作用下地層厚度變化的結(jié)果。褶皺翼的漸進(jìn)旋轉(zhuǎn)使上覆階地也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)(圖3c)，階地面產(chǎn)出不平行，不同階地面與前生長(zhǎng)地層的夾角是變化的(陳杰等，2005a;Scharer et al.，2006)。

3 利用變形河流階地限定褶皺變形速率的研究實(shí)例

褶皺的生長(zhǎng)過(guò)程通常較為復(fù)雜，只有符合一定假設(shè)條件時(shí)才能利用變形河流階地對(duì)變形速率進(jìn)行限定。本文總結(jié)了現(xiàn)有的3種計(jì)算模型:正弦曲線狀和尖棱狀彎滑褶皺模型，經(jīng)典斷彎褶皺模型和純剪切斷頂褶皺模型。

3.1 正弦曲線狀和尖棱狀彎滑褶皺模型

發(fā)育在美國(guó)南加州橫向山脈(Transverse Ranges)西部Ventura Avenue背斜的河流階地在橫向上表現(xiàn)為不同程度的拱曲變形(圖4a):背斜兩翼為近平直掀斜，核部為弧形彎曲;階地面上發(fā)育大量彎滑斷層，下伏基巖露頭處可見平行地層的擦痕。Rockwell等(1988)將上述變形歸因于彎滑褶皺作用。在假設(shè)背斜前生長(zhǎng)地層形態(tài)類似于正弦曲線狀和尖棱狀2種情況下(圖4b，c)，分別計(jì)算了背斜的縮短速率和隆升速率。

Currie等(1962)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明，若將沉積地層視為一強(qiáng)度均一的巖層，且褶皺過(guò)程中巖層厚度恒定，那么褶皺生長(zhǎng)將通過(guò)順層剪切作用(彎滑褶皺作用)調(diào)節(jié)，褶皺的最終幾何形態(tài)類似一正弦曲線(圖4b)。褶皺翼寬D(弦半徑)、波幅H與翼長(zhǎng)L(半弦長(zhǎng))間的定量關(guān)系為

圖4 正弦曲線狀和尖棱狀彎滑褶皺模型變形速率的計(jì)算方法(據(jù)Rockwell et al.，1988修改)Fig.4 Rates calculation from sinusoidal and chevron flexural-slip fold models(modified from Rockwell et al.，1988).

上式中:θ為正弦曲線拐點(diǎn)處切線的傾角，E(θ)為正弦曲線積分的二級(jí)近似值。如果階地面旋轉(zhuǎn)角度為Δθ，那么自階地形成以來(lái)下伏地層正弦曲線拐點(diǎn)處切線的傾角由(θ-Δθ)增大到θ，褶皺的縮短增量s和隆升增量u的計(jì)算公式分別為

由公式(3)和(4)，結(jié)合階地年齡，就可以獲得褶皺的縮短速率和隆升速率。正弦曲線模型只適用于變形較弱(θ＜50°)、地層長(zhǎng)度和厚度保持恒定的彎滑褶皺;當(dāng)θ超過(guò)50°后，該模型便不再適用了。

根據(jù)階地變形特征，也可以將Ventura Avenue背斜簡(jiǎn)化為一尖棱狀褶皺(圖4c)，褶皺翼寬D和隆升幅度H與翼長(zhǎng)L間的定量關(guān)系可簡(jiǎn)化為

同樣的，如果階地面旋轉(zhuǎn)角度為Δθ，那么自階地形成以來(lái)下伏地層傾角由(θ-Δθ)增大到θ，褶皺的縮短增量s和隆升增量u的計(jì)算公式分別為

由公式(7)和(8)，結(jié)合階地年齡，也可以獲得褶皺的縮短速率和隆升速率。對(duì)上述2種計(jì)算模型的分析可得以下結(jié)論(Rockwell et al.，1988):褶皺縮短速率恒定時(shí)，隆升速率和翼旋轉(zhuǎn)速率逐漸減小。

3.2 經(jīng)典斷彎褶皺模型與褶皺陡坎

經(jīng)典斷彎褶皺是指不存在純剪切和簡(jiǎn)單剪切，僅通過(guò)膝折帶遷移生長(zhǎng)的斷彎褶皺，褶皺生長(zhǎng)過(guò)程中地層厚度保持恒定。由于斷層面與上覆地層平行，且沿?cái)鄬游灰屏亢愣ǎ敲措A地形成依賴斷層上盤x處垂直位移增量u(x)和沿?cái)鄬游灰圃隽縮之間的關(guān)系為(圖5，Lavé et al.，2000)

式(9)中:I(x)為x處階地形成以來(lái)河流的下切量(階地面拔河高度)，B(x)為區(qū)域基準(zhǔn)面變化引起的下切量(基準(zhǔn)面上升B＞0，基準(zhǔn)面下降B＜0)，P(x)為河床坡度和曲率變化引起的河流下切量，θ(x)為x點(diǎn)處下伏地層傾角，亦為下伏斷層面傾角。由上述公式，如果能夠獨(dú)立確定I(x)、B(x)和P(x)，就可以確定階地面形成依賴背斜在x點(diǎn)處的垂直位移增量u(x)和沿?cái)鄬游灰圃隽縮;結(jié)合階地年齡，可獲得背斜隆升速率和沿?cái)鄬踊瑒?dòng)速率(Lavé et al.，2000)。Lavé等(2000)利用該方法計(jì)算了尼泊爾喜馬拉雅前緣斷層的變形速率。

圖5 經(jīng)典斷彎褶皺模型變形速率的計(jì)算方法和褶皺陡坎Fig.5 Rates calculation from classical fault bend fold model and fold scarp.

然而，由于基準(zhǔn)面變化引起的河流下切量B(x)及河床坡度和曲率變化引起的河流下切量P(x)通常很難限定，使得該方法的應(yīng)用受到很大限制。事實(shí)上，如果同一階地橫跨相鄰兩等斜巖區(qū)，且不同等斜巖區(qū)內(nèi)階地面垂直位移增量的差值Δu可限定，就可以更為便捷地獲得階地面形成以來(lái)下伏斷層的位移增量s(圖5b，Thompson et al.，2002)，其計(jì)算公式為

式中θ1和θ2分別為相鄰兩等斜巖區(qū)的傾角(θ2＞θ1)。

由于同一階地面橫跨2個(gè)等斜巖區(qū)，背斜生長(zhǎng)過(guò)程中當(dāng)階地面從一個(gè)等斜巖區(qū)遷移到另一個(gè)等斜巖區(qū)時(shí)，會(huì)在活動(dòng)軸面附近形成一陡坎，這就是褶皺陡坎(圖5b)。褶皺陡坎的概念首先是由盧華復(fù)等(2002)和Hubert-Ferrair等(2007)在研究南天山庫(kù)車前陸盆地褶皺時(shí)提出的，是指初始水平或近水平的地層或未固結(jié)的沉積物(或階地面、不整合面、侵蝕面等)受下伏斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，由于膝折帶遷移使活動(dòng)軸面與固定軸面分離而在地表形成的陡坎(盧華復(fù)等，2002;Hubert-Ferrair et al.，2007)。陡坎兩側(cè)下伏基巖產(chǎn)狀不同，即陡坎位于2個(gè)不同等斜巖區(qū)轉(zhuǎn)折處，其走向與樞紐走向一致，是野外識(shí)別褶皺陡坎的重要標(biāo)志(盧華復(fù)等，2002;Hubert-Ferrair et al.，2007)。褶皺陡坎的高度h和坡度φ與下伏基巖軸面兩側(cè)等斜巖區(qū)地層的產(chǎn)狀、斷層面產(chǎn)狀和斷層面滑動(dòng)增量s有關(guān)，其計(jì)算公式分別為(圖5b)

3.3 純剪切斷頂褶皺模型

純剪切斷頂褶皺模型是Bernard等(2007)在沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，并率先被應(yīng)用到臺(tái)灣造山帶西緣的八卦山背斜(Simoes et al.，2007)、天山北緣的安集海背斜和南緣庫(kù)車前陸盆地內(nèi)的亞肯背斜(Da?ron et al.，2007)的研究中。沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M中的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是:如果背斜縮短增量為s，背斜橫剖面上各質(zhì)點(diǎn)的水平位移增量v(x，z)呈線性變化，垂直位移增量u(x，z)在各等斜巖區(qū)內(nèi)呈線性變化(圖6)，即

圖6 純剪切斷頂褶皺模型變形速率的計(jì)算方法(據(jù)Simoes et al.，2007修改)Fig.6 Rates calculation from pure-shear fault tip fold model(modified from Simoes et al.，2007).

上式中:x為距背斜起始點(diǎn)的水平距離;z為距滑脫面的垂直距離;ui(x，z)為等斜巖區(qū)i內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(x，z)處垂直位移增量;ui-1(xi，z)為等斜巖區(qū)i和i-1的界線處(距背斜起始點(diǎn)為xi)的垂直位移增量;λ(z)=1/W(z)，W(z)為距滑脫面垂直距離z處背斜寬度;κi為等斜巖區(qū)i對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，同一等斜巖區(qū)內(nèi)κi值為一常數(shù)。由于各等斜巖區(qū)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的水平位移增量v(x，z)和垂直位移增量ui(x，z)沿背斜橫剖面方向均呈線性變化，可得當(dāng)縮短增量為s時(shí)等斜巖區(qū)i旋轉(zhuǎn)角度θi的計(jì)算公式為

由于同一等斜巖區(qū)對(duì)應(yīng)的κi為一常數(shù)，因此如果已知背斜總縮短量S，等斜巖區(qū)i內(nèi)(x，z)點(diǎn)處前生長(zhǎng)地層傾角βi和階地面旋轉(zhuǎn)角度θi，就可以獲得自階地面形成以來(lái)背斜的縮短增量s，其計(jì)算公式為

由公式(14)和(16)，結(jié)合階地面年齡，就可以獲得階地形成以來(lái)背斜的縮短速率和隆升速率。

純剪切斷頂褶皺模型僅適用于只發(fā)生純剪切變形(只表現(xiàn)為翼旋轉(zhuǎn))的褶皺，如果褶皺發(fā)生膝折帶遷移(表現(xiàn)為褶皺陡坎)，該模型并不適用。由于同一級(jí)河流階地很難橫跨整個(gè)背斜連續(xù)追蹤，無(wú)法保證褶皺所有軸面附近均不發(fā)生膝折帶遷移，那么如何驗(yàn)證某一褶皺變形是否與該計(jì)算模型相符呢?由公式(15)可得

式(17)中:距滑脫面距離為z處背斜寬度W(z)、縮短量S(前生長(zhǎng)地層)或縮短增量s(生長(zhǎng)地層)、等斜巖區(qū)i內(nèi)地層(前生長(zhǎng)地層或生長(zhǎng)地層)傾角θi可由地震反射剖面和野外填圖獲得。由于同一等斜巖區(qū)內(nèi)κi值為一常數(shù)，如果tan(θi)［1-λ(z)×s］/s與z成正比，就可以認(rèn)為該褶皺變形與純剪切斷頂褶皺模型相符(Bernard et al.，2007;Simoes et al.，2007)。

4 認(rèn)識(shí)與問(wèn)題

由上述模型，可以利用河流階地對(duì)變形較弱的彎滑褶皺、無(wú)剪切只通過(guò)膝折帶遷移(無(wú)翼旋轉(zhuǎn))生長(zhǎng)的褶皺(圖3a)和純剪切只通過(guò)翼旋轉(zhuǎn)(無(wú)膝折帶遷移)生長(zhǎng)的褶皺(圖3c)的變形速率進(jìn)行限定。但自然界中存在的褶皺比上述模型復(fù)雜得多。以南天山明堯勒背斜為例(陳杰等，2005b;Scharer et al.，2006;李濤，2012)，沿背斜中部的喀浪溝律克河谷，河流階地既表現(xiàn)為不同程度的掀斜，又發(fā)育褶皺陡坎和彎滑斷層陡坎。這說(shuō)明背斜生長(zhǎng)是翼旋轉(zhuǎn)、膝折帶遷移和彎滑褶皺作用聯(lián)合作用的結(jié)果，上述模型均不適合對(duì)該背斜變形速率進(jìn)行限定。這就需要更為復(fù)雜的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作，將不同變形機(jī)制進(jìn)行綜合考慮，而非僅考慮一種變形機(jī)制。

據(jù)陳杰等(2005a)和Scharer等(2006)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)于滑脫褶皺，盡管下伏斷層面沒有拐折，由于膝折帶遷移也會(huì)在活動(dòng)軸面附近形成褶皺陡坎。還以明堯勒背斜為例，綜合野外填圖和有限的深部地震反射剖面數(shù)據(jù)，明堯勒背斜被解譯為一滑脫褶皺(陳杰等，2005b;Scharer et al.，2006)，但背斜兩翼階地面上卻均發(fā)育了褶皺陡坎(李濤，2012)?；擇薨欀械鸟薨櫠缚才c經(jīng)典褶皺陡坎(盧華復(fù)等，2002;Hubert-Ferrair et al.，2007)并不完全相同，由于下伏斷層面沒有拐折，其形成只與膝折帶遷移有關(guān)。形成褶皺陡坎的背斜的縮短僅由于下伏地層由緩等斜巖區(qū)遷移到陡等斜巖區(qū)造成的，縮短增量的計(jì)算公式可能與典型褶皺陡坎完全不同(李濤，2012)。由于褶皺陡坎的識(shí)別在限定逆斷層相關(guān)褶皺生長(zhǎng)機(jī)制和變形速率方面至關(guān)重要，隨著褶皺陡坎研究實(shí)例的積累，就需要對(duì)上述2種不同類型褶皺陡坎的野外識(shí)別，發(fā)育特征的相似和不同之處，陡坎高度和坡度與縮短增量、下伏地層產(chǎn)狀的定量關(guān)系以及與其他類型陡坎，如侵蝕陡坎、斷層陡坎的區(qū)別進(jìn)行總結(jié)。

陳杰，Scharer K M，Burbank D W，等.2005a.利用河流階地限定活動(dòng)褶皺的類型和生長(zhǎng)機(jī)制:運(yùn)動(dòng)學(xué)模型［J］.地震地質(zhì)，27(4):513—529.

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