川東巨型 “雙弧構(gòu)造”的動(dòng)力學(xué)機(jī)制探討

楊 帆，郝志紅，齊小兵，韓 偉，盧發(fā)均，徐仁廷，王喬林

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊065000；3．重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局205地質(zhì)隊(duì)，重慶402160）

“巨型雙弧”指一系列環(huán)繞四川盆地北東緣與南東緣的褶皺系及其所夾持的斷裂組合，北東緣發(fā)育大巴山弧形構(gòu)造帶，南東緣為川東弧形構(gòu)造帶，是四川盆地—周緣造山帶復(fù)合盆山體系的一部分［1－5］。大巴山弧形構(gòu)造帶北起西鄉(xiāng)之南，近南北向向南延至鎮(zhèn)巴一帶，轉(zhuǎn)至南東向延伸經(jīng)萬(wàn)源、城口又逐漸偏轉(zhuǎn)為南東東向、東西向向東延至奉節(jié)以北當(dāng)陽(yáng)一帶，被神農(nóng)架隆起、黃陵古隆起所截，總體呈向南西凸出的弧形構(gòu)造帶。川東弧形構(gòu)造帶西南自遵義呈北北東－北東向經(jīng)黔江至恩施以東潛沒(méi)于江漢盆地之下，總體呈向北西凸出的弧形［1－8］。

目前，大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，雙弧構(gòu)造形成于印支－燕山期的構(gòu)造變形［4－11］。但其動(dòng)力學(xué)機(jī)制仍存在較大分歧，主要有同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果、同時(shí)期不同應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用的結(jié)果、不同時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)的依次疊加的結(jié)果等3類不同的觀點(diǎn)［8－20］。

因此，本文在綜合分析上述研究成果的基礎(chǔ)上，支持“同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果”的觀點(diǎn)。擬從力學(xué)分析、數(shù)字模擬和物理模擬3個(gè)方面初步驗(yàn)證其形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

1 現(xiàn)存的3類動(dòng)力學(xué)機(jī)制觀點(diǎn)

1．1 同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果

馬宗晉通過(guò)對(duì)鄂西中生代地質(zhì)構(gòu)造的力學(xué)分析，提出包括巨型雙弧在內(nèi)的中生代構(gòu)造是在特定邊界條件下同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。不存在不同時(shí)期構(gòu)造的疊加，也不存在不同應(yīng)力場(chǎng)同時(shí)在本區(qū)所產(chǎn)生的聯(lián)合作用。也就是說(shuō)，巨型雙弧為揚(yáng)子地臺(tái)南北向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果［2］。

圖1 川東“雙弧構(gòu)造”平面形態(tài)和地理位置示意圖

1．2 同時(shí)期不同應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用的結(jié)果

汪澤成等認(rèn)為中生代以來(lái)的構(gòu)造變形主要有2期：印支晚期，以NE向褶皺作用為主；燕山中、晚期－喜馬拉雅期，以NW向沖斷－褶皺作用為主。大巴山前緣構(gòu)造受不同方向擠壓應(yīng)力聯(lián)合作用的控制［8］。顏丹平等認(rèn)為川東弧形構(gòu)造帶是燕山期由南東向北西不斷推進(jìn)的擠壓力作用的結(jié)果［10］。何建坤等認(rèn)為其動(dòng)力來(lái)源于秦嶺碰撞造山后期揚(yáng)子板塊北緣A型俯沖提供的向南的擠壓應(yīng)力［13］。汪澤成、趙文智等認(rèn)為是來(lái)自大巴山的NE向擠壓應(yīng)力、來(lái)自川東的NW向擠壓應(yīng)力以及川中地塊的SE向反作用力聯(lián)合作用的結(jié)果［15］。

1．3 不同時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)的依次疊加

裴振洪認(rèn)為南大巴構(gòu)造帶是一個(gè)自印支期以來(lái)長(zhǎng)期發(fā)展的沖斷推覆構(gòu)造帶，印支晚期以來(lái)經(jīng)歷了晚印支的輕度褶皺、早燕山的褶皺發(fā)育、中燕山的沖斷褶皺、早喜山期的沖斷作用、晚喜山的抬升剝蝕等多期構(gòu)造變形或改造作用。其應(yīng)力場(chǎng)為多力源、多方向的交替與聯(lián)合作用，主導(dǎo)力源來(lái)自秦嶺方向，其次來(lái)自雪峰方向以及米倉(cāng)山和龍門(mén)山方向［4］。

2 現(xiàn)存觀點(diǎn)分析

壓力影模式方面，四川盆地隱伏基底與周緣物質(zhì)比，可視為剛性體，類似壓力影中硬塊，在擠壓應(yīng)力與拉應(yīng)力場(chǎng)作用下，在四川盆地這一剛性體兩側(cè)出現(xiàn)巨型雙弧及相應(yīng)的虛脫空間。

構(gòu)造組合的力學(xué)成因上，巨型雙弧構(gòu)造與江南斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂均可在南北向收縮體制下形成，即屬同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。雙弧構(gòu)造的出現(xiàn)是在南北向壓應(yīng)力場(chǎng)作用于四川盆地剛性基底這一特定邊界條件下特殊變形的結(jié)果，類似于壓力影模式。

因此，筆者認(rèn)為雙弧構(gòu)造是同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。

3 觀點(diǎn)驗(yàn)證與討論

本文通過(guò)尋求各構(gòu)造形跡的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)信息，確定構(gòu)造形跡之間成生聯(lián)系，提出力學(xué)模型，進(jìn)行摸擬實(shí)驗(yàn)與力學(xué)解析予以驗(yàn)證，凡驗(yàn)證能重塑再現(xiàn)這些構(gòu)造形跡則為可能或合理的組合模型，否則是不合理或不可能的組合模型。

3．1 力學(xué)解析

壓力影成因模式可用南北向壓縮與東西向等量伸展即純剪切的力學(xué)解析可知，在兩個(gè)互相正交面的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力絕對(duì)值相等的應(yīng)力狀態(tài)下，與主應(yīng)力成450°的截面上，只有剪應(yīng)力而無(wú)正應(yīng)力，完全可以出現(xiàn)圖2所示的雙弧構(gòu)造。由此證明壓力影模式是合理的。

3．2 物理模擬

物理模擬采用泥料，用相對(duì)較干的泥料模擬四川盆地剛性基底，在剛性基底之上及其周緣用較濕泥料擬合變形體。在南北邊界施加分布力使之緩慢變形，得到如圖3所示結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)了雙弧構(gòu)造，并再現(xiàn)了盆地構(gòu)造，即再現(xiàn)了雙弧構(gòu)造和四川盆地的形成過(guò)程。

圖2 雙弧構(gòu)造力學(xué)解析圖

圖3 雙弧構(gòu)造物理模擬

3．3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用有限元方法模擬。其基本原理是借用高等數(shù)學(xué)中“以勻代不勻”的思想，將不同的地質(zhì)體分成不同大小的單元，用彈性力學(xué)基本理論進(jìn)行近似擬合。其過(guò)程與結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

模擬條件：采用彈性模型進(jìn)行計(jì)算。

其中：剛性體周緣彈性模量：1．5E10，泊松比0．3；剛性體彈性模量：5E10，泊松比0．27。

邊界條件：左右兩邊x＝0和x＝103923固定；施加y方向的均布荷載（壓力）：P＝60kN／m。

模擬結(jié)果表明，在剛性體兩側(cè)出現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)，南北兩側(cè)壓應(yīng)力最大。主應(yīng)力跡線（圖4）的變化趨勢(shì)是在東西兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱弧形分布，與壓力影極為相似，證明了這一模式是可能的。

圖4 第一主應(yīng)力（最大正應(yīng)力）跡線

3．4 討論

通過(guò)力學(xué)分析，證明壓力影模式是合理的。物理模擬再現(xiàn)了雙弧構(gòu)造和盆地構(gòu)造的形成過(guò)程。數(shù)字模擬主應(yīng)力跡線的變化趨勢(shì)在東西兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱弧形分布，與壓力影極為相似。在南北向擠壓力作用下，隱伏基底相對(duì)下降形成盆地，兩弧收斂部位屬低壓三角區(qū)。由于左右邊界固定，這種雙弧構(gòu)造是在先存構(gòu)造格局這一特定邊界條件下，南北向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

從力學(xué)分析、數(shù)字模擬和物理模擬3個(gè)方面證明了“雙弧構(gòu)造是同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果”的觀點(diǎn)。雙弧構(gòu)造是同一應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果，它是在先存構(gòu)造格局這一特定邊界條件下，南北向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。

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