拉分盆地形成機(jī)制三維數(shù)值模擬
——以海原斷裂帶老龍灣盆地為例

龐亞瑾， 張懷， 程惠紅， 董培育， 王靜靜， 石耀霖

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 100049

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拉分盆地形成機(jī)制三維數(shù)值模擬
——以海原斷裂帶老龍灣盆地為例

龐亞瑾， 張懷， 程惠紅， 董培育， 王靜靜， 石耀霖*

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 100049

拉分盆地是走滑斷層系中受拉伸作用形成的斷陷盆地.一般在兩條平行斷層控制下發(fā)育.盆地形似菱形，幾何形態(tài)主要受兩條主控走滑斷層錯(cuò)距和疊接長(zhǎng)度影響.本文以青藏高原東北緣海原斷裂帶老龍灣拉分盆地第四紀(jì)所處的構(gòu)造環(huán)境為基礎(chǔ)，參考盆地周圍斷層幾何分布，建立了三維有限元數(shù)值模型，模擬該拉分盆地的演化過(guò)程；進(jìn)一步分析了斷層力學(xué)性質(zhì)、地殼分層結(jié)構(gòu)等各因素對(duì)盆地形成和演化的影響.模擬結(jié)果顯示，盆地地表沉降伴隨有下地殼物質(zhì)的上涌，此上涌對(duì)盆地地表沉降存在阻礙作用.各因素的影響具體表現(xiàn)為：(1)斷層力學(xué)性質(zhì)(彈性模量和黏滯系數(shù))越弱，其對(duì)構(gòu)造應(yīng)力較低的傳遞效率導(dǎo)致盆地兩端差異性運(yùn)動(dòng)越明顯，從而形成較大的盆地地表沉降和明顯的上地殼減薄.(2)平行主控?cái)鄬拥寞B接長(zhǎng)度反映盆地形成的拉伸作用范圍，疊接長(zhǎng)度越大，相同的差異性運(yùn)動(dòng)在單位面積形成的拉伸應(yīng)力越小，盆地地表沉降較小.(3)下地殼流變性影響其物質(zhì)的上涌量，下地殼黏滯系數(shù)越小，其對(duì)上部拉伸作用的響應(yīng)越明顯，上涌量越大，此上涌對(duì)上地殼沉降形成的阻礙作用也越明顯.根據(jù)老龍灣拉分盆地所處的構(gòu)造格局，將平行斷層的疊接長(zhǎng)度取20 km，當(dāng)斷層黏滯系數(shù)取值為周圍基巖的1/10，參考該盆地第四紀(jì)構(gòu)造演化歷史，模擬得到的盆地第四紀(jì)下沉量與盆地內(nèi)第四系沉積層厚度在規(guī)模上近似，下地殼黏滯系數(shù)取值在(2.5～5.0)×1021Pa·s范圍內(nèi)時(shí)，盆地下沉量模擬結(jié)果與老龍灣拉分盆地第四系地層厚度吻合較好.

拉分盆地； 地表沉降； 地殼分層結(jié)構(gòu)； 有限元數(shù)值模擬

1 引言

拉分盆地是走滑斷層系中受拉伸作用形成的斷陷盆地.最典型拉分盆地類型以死海拉分盆地為例，發(fā)育于間斷的平行走滑斷層系中，即左行左階和右行右階雁列斷層系相對(duì)錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生拉伸作用形成的盆地，多表現(xiàn)為菱形構(gòu)造格局(Burchfiel and Stewart,1966；Mann et al.,1983).Aydin和Nur(1982)通過(guò)對(duì)一系列規(guī)模為幾十米到幾十千米的菱形拉分盆地形狀分析認(rèn)為，隨著主控?cái)鄬游诲e(cuò)量的增加，盆地長(zhǎng)度和寬度同時(shí)增加，且盆地長(zhǎng)、寬比基本為3左右(Aydin and Nur, 1982；Gürbüz, 2010).

大型走滑拉分盆地常發(fā)育于大陸轉(zhuǎn)換斷層帶和板內(nèi)、板間的走滑斷層帶,并伴隨有地震發(fā)生.板塊邊界的轉(zhuǎn)換斷層往往貫穿整個(gè)巖石圈，但板內(nèi)平移斷層一般僅局限在地殼范圍內(nèi)(Sylvester,1988).大型拉分盆地形成的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于板間邊界的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所形成的拉伸作用或板內(nèi)平行斷裂系的相對(duì)平行拉伸構(gòu)造運(yùn)動(dòng).在構(gòu)造應(yīng)力作用下，拉分盆地邊界水平滑移量可達(dá)幾十千米，其形成所需時(shí)間高達(dá)數(shù)十萬(wàn)年至數(shù)百萬(wàn)年.在地質(zhì)時(shí)間尺度范圍，地殼呈現(xiàn)出黏性流變特性，相對(duì)于彈性效應(yīng)占主導(dǎo)作用.巖石圈的分層流變結(jié)構(gòu)，即脆性上地殼、柔性下地殼和軟流層的相互耦合作用很大程度上控制了地殼的構(gòu)造變形，如造山帶、沉積盆地的形成和演化，巖石圈下層流變性質(zhì)是大陸板塊構(gòu)造變形的主要控制因素(Bürgmann and Dresen, 2008; Chen et al., 2013).拉分盆地的形成演化同樣受上、下地殼耦合作用影響.

拉分盆地形成和演化的數(shù)值模擬有助于我們更清晰地了解盆地形成的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，針對(duì)于拉分盆地的數(shù)值模擬前人已開(kāi)展了一系列的工作.Rafael等(1995)模擬三維彈性上地殼范圍內(nèi)拉分盆地的形成，分析平行斷層間距及斷層相對(duì)疊接長(zhǎng)度對(duì)盆地幾何形態(tài)的影響，并證實(shí)單純的平行走滑斷層帶的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生拉伸作用進(jìn)而形成盆地.但其模型驅(qū)動(dòng)力源主要來(lái)自下地殼對(duì)上地殼底部的區(qū)域性剪切作用.根據(jù)大型拉分盆地所處的走滑斷層帶構(gòu)造環(huán)境，Petrunin和Sobolev(2008)將兩條平行走滑斷層兩側(cè)的相對(duì)走滑運(yùn)動(dòng)作為盆地形成的主要驅(qū)動(dòng)力，利用黏彈塑性有限元模型模擬死海拉分盆地在千萬(wàn)年地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)的演化，結(jié)果顯示盆地下沉量受巖石圈脆性層的拉伸運(yùn)動(dòng)和下部巖石圈韌性部分上涌流動(dòng)共同作用.

在前人已有的工作基礎(chǔ)上，考慮地殼分層結(jié)構(gòu)耦合作用及地殼在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)的變形演化，本文采用三維黏彈性Maxwell模型，利用有限元方法模擬拉分盆地在地質(zhì)歷史時(shí)期的形成和演化過(guò)程，以青藏高原東北緣海原斷裂帶老龍灣拉分盆地為例，分析地殼分層結(jié)構(gòu)耦合作用下拉分盆地形成及演化的基本物理規(guī)律和關(guān)鍵性控制參數(shù).進(jìn)一步探討拉分盆地形成所必需的地質(zhì)構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)特征，如下地殼流變性質(zhì)、斷層帶力學(xué)性質(zhì)和斷層空間分布特征對(duì)盆地形成和演化的影響.

2 模型描述

2.1 地質(zhì)概況

海原斷裂帶位于青藏高原東北緣，是青藏、鄂爾多斯和阿拉善三個(gè)鑲嵌塊體之間的一條活動(dòng)構(gòu)造帶.新生代，沿海原斷裂帶及其兩側(cè)地區(qū)，形成一系列總體走向?yàn)楸蔽魑鞯哪鏇_斷層系.早更新世末、中更新世初，由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化，該地區(qū)在已形成的新生代北西西向平行逆沖斷層系基礎(chǔ)上，發(fā)育了幾條巨大的北西西向左旋走滑斷裂(陳社發(fā)和鄧起東, 1985；鄧起東等, 1987).海原活動(dòng)斷裂帶在已有的褶皺和逆沖斷層基礎(chǔ)上產(chǎn)生左旋滑動(dòng)，左旋走滑海原活動(dòng)斷裂走向?yàn)?0°N—65°W，傾角近似直立，且左旋滑動(dòng)最早可追溯至更新世(Burchfiel et al., 1991).Gaudemer等(1995)對(duì)東祁連山海原斷裂帶西部活動(dòng)構(gòu)造的研究表明逆沖或左旋走滑斷層始于新生代晚中新世，在上新世—第四紀(jì)產(chǎn)生滑動(dòng)分區(qū).

由于海原斷裂帶的左旋滑動(dòng)，區(qū)域內(nèi)新生代盆地發(fā)育，并分布有不同規(guī)模的拉分盆地.其中最大規(guī)模的老龍灣盆地發(fā)育在老虎山和哈斯山隆起的左階斜列部位，長(zhǎng)約30～50 km，寬約20 km，呈菱形分布.受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，此盆地已隆升變形，內(nèi)部斷裂和褶皺均較發(fā)育，由于地層和構(gòu)造變形與周圍地層的差異，盆地呈明顯的菱形影像(田勤儉等, 2000; 田勤儉等, 2001).

圖1 研究區(qū)構(gòu)造示意圖(田勤儉等, 2001)矩形虛線框?yàn)楸疚哪M老龍灣盆地選取范圍.Fig.1 Schematic map showing tectonics of research area (Tian et al., 2001)Dashed box is the range of Laolongwan basin.

2.2 動(dòng)力學(xué)方程

由于拉分盆地的動(dòng)力學(xué)機(jī)制涉及到長(zhǎng)時(shí)間尺度的演化問(wèn)題，所以本次模擬選取黏彈性Maxwell模型模擬盆地的形成和演化過(guò)程.

三維黏彈性Maxwell體滿足以下方程形式：

平衡方程為

(1)

幾何方程為

(2)

Maxwell體應(yīng)力-應(yīng)變(本構(gòu))關(guān)系為

(3)

其中：

(4)

(5)

2.3 拉分盆地幾何模型

根據(jù)拉分盆地簡(jiǎn)單模型，即受兩條平行的直立走滑斷層作(左行)左階疊接或(右行)右階疊接形成的拉伸構(gòu)造(Christie-Blick and Biddle, 1985)，參考青藏高原東北緣地殼三維速度結(jié)構(gòu)探測(cè)結(jié)果(Liu et al., 2006; 劉明軍等, 2008)和老龍灣拉分盆地周圍斷層空間分布信息(田勤儉等, 2001).本文建立長(zhǎng)(X軸)160 km、寬(Y軸)80 km、深(Z軸)45 km的三維有限元模型，見(jiàn)圖2，模擬老龍灣拉分盆地在第四紀(jì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的演化過(guò)程，模型深度方向上，上地殼厚度為25 km、下地殼厚度為20 km.海原地震區(qū)的深地震反射剖面中折射波走時(shí)反演結(jié)果顯示從地表到地殼10 km深處，海原斷裂均處于陡立狀態(tài)，隨著深度增加傾向變緩，深部變緩很可能反映了該斷裂在新生代早期受到強(qiáng)烈擠壓而形成的逆沖推覆滑脫面的產(chǎn)狀，而非后期構(gòu)造斷層的空間幾何形態(tài)(Fan et al., 2004; 王海燕等, 2013).因此模型中將斷層選取為埋深為10 km的直立走滑斷層，根據(jù)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)(田勤儉等, 2001)，選取兩條平行斷層間距為20 km，斷層左階疊接長(zhǎng)度為20 km, 見(jiàn)圖2.

2.4 模型參數(shù)選取

利用青藏高原東北緣地震折射剖面P波和S波速度結(jié)構(gòu)及泊松比結(jié)構(gòu)(Liu et al., 2006; 劉明軍等, 2008; Xu et al., 2014)，根據(jù)波速與地殼密度經(jīng)驗(yàn)公式獲得地殼密度分布(Christensen and Mooney,1995; 朱廣生等, 1995)，進(jìn)而計(jì)算得到彈性模量等地殼力學(xué)參數(shù)(表1).Zang等(2005)通過(guò)巖石圈地震波速度結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)和巖石圈巖石組成等數(shù)據(jù)計(jì)算得到鄂爾多斯地塊及其周圍三維巖石圈流變結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示鄂爾多斯地塊西側(cè)海原斷裂帶下地殼黏滯系數(shù)約為4×1020～3×1021Pa·s;石耀霖和曹建玲(2008)利用實(shí)驗(yàn)室流變?cè)囼?yàn)結(jié)果、以巖石圈溫度和應(yīng)變速率的最新研究成果為基礎(chǔ)，計(jì)算中國(guó)大陸巖石圈等效黏滯系數(shù)，其中海原斷裂帶下地殼黏滯系數(shù)約為8.0×1020～5.0×1021Pa·s；根據(jù)以上結(jié)果，本次模擬研究地區(qū)下地殼黏滯系數(shù)選取范圍為5.0×1020～21Pa·s.綜上，模型中地殼力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1(Christensen and Mooney, 1995; 朱廣生等, 1995; Zang et al., 2005; Liu et al., 2006; 劉明軍等, 2008; 石耀霖和曹建玲, 2008; Xu et al., 2014).

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model

地質(zhì)和地球物理證據(jù)表明，相對(duì)于周圍巖石，斷層帶為力學(xué)性質(zhì)較弱的區(qū)域，因此震間蠕滑和同震滑動(dòng)容易發(fā)生在斷層帶內(nèi)(Chester and Logan, 1986; Ben-Zion and Sammis, 2003; Gudmundsson, 2004).由于斷層帶力學(xué)性質(zhì)弱，其承受剪應(yīng)力的能力降低，對(duì)應(yīng)力的傳遞效率也降低.Hamiel和Fialko(2007)利用三維有限元方法模擬北安納托利亞斷層系統(tǒng)周圍同震地表變形，表明斷層厚度為幾千米、彈性剪切模量為周圍基巖的1/3時(shí)，數(shù)值結(jié)果與觀測(cè)到的GPS、InSAR數(shù)據(jù)吻合效果最好.因此，本次模型將斷層選取為厚度為1 km，通過(guò)降低黏彈性本構(gòu)關(guān)系中黏滯系數(shù)和彈性模量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層軟弱帶的處理.

2.5 邊界條件設(shè)定

根據(jù)斷層走滑作用開(kāi)始形成的時(shí)代及最大錯(cuò)距，大致求得海原斷裂帶自第四紀(jì)或中更新世初期以來(lái)的平均滑動(dòng)速率為5.8～19.2 mm·a-1(鄧起東等, 1987)，海原斷裂帶西側(cè)毛毛山—老虎山段平均滑動(dòng)速率約為10±3 mm·a-1(Gaudemer et al., 1995; Lasserre et al., 1999)；受印度、亞歐板塊碰撞和青藏高原造山作用影響，GPS結(jié)果顯示海原斷裂帶南部整體向東運(yùn)動(dòng)，南部斷裂呈現(xiàn)左旋向東的運(yùn)動(dòng)模式(Tapponnier and Molnar, 1977;朱守彪和石耀霖, 2007; Zhang et al., 2007).參考海原斷裂帶所處的構(gòu)造環(huán)境，對(duì)模型中與斷層面平行的南側(cè)面(Y=0)施加沿X軸正方向，大小為1 cm·a-1的速度邊界約束，使模型中兩條平行斷層產(chǎn)生左旋向東的走滑錯(cuò)動(dòng)；對(duì)應(yīng)北段剛性塊體處的側(cè)面(Y=80 km)沿X、Y、Z方向均固定；模型東、西兩個(gè)側(cè)面(X=0、X=160 km)和底面(Z=-45 km)在垂向上(Z方向)速度約束為0，沿水平方向(X、Y方向)為自由滑動(dòng)邊界；模型頂面在各(X,Y,Z)方向上均為自由滑動(dòng)邊界.

基于有限元方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮到模型中斷層厚度較小，本文對(duì)模型中斷層帶附近進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理，斷層帶附近網(wǎng)格單元大小為200 m，遠(yuǎn)離斷層帶網(wǎng)格較稀疏，單元大小增至4000 m.模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為141945個(gè)，單元總數(shù)為765560個(gè).

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)拉分盆地所處的構(gòu)造特征，本文通過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)分析斷層力學(xué)性質(zhì)、平行斷層疊接長(zhǎng)度和下地殼黏滯系數(shù)等因素對(duì)拉分盆地形成、演化和幾何形態(tài)的影響.

圖2 三維有限元模型綠色部分為上地殼，黃色部分為下地殼，兩條紅色狹窄區(qū)域?yàn)閿鄬舆x取范圍，箭頭指向塊體邊界的運(yùn)動(dòng)方向，線AA′,BB′為數(shù)據(jù)分析選取的參考線.Fig.2 3D finite element modelGreen part is upper crust. Yellow part is lower crust. Two thin zones are parallel weak faults. Arrow indicates relative motion of south block. Lines AA′ and BB′ are references for data analysis.

3.1 斷層帶力學(xué)性質(zhì)的影響

斷層帶作為具有一定厚度的軟弱帶，其力學(xué)參數(shù)(如彈性模量、剪切模量和黏滯系數(shù)等)較周圍基巖低，本次模擬通過(guò)降低斷層帶的力學(xué)性質(zhì)黏滯系數(shù)和彈性模量來(lái)實(shí)現(xiàn).斷層帶力學(xué)性質(zhì)越弱，斷層帶彈性模量和黏滯系數(shù)的取值越小，在構(gòu)造應(yīng)力作用下斷層帶對(duì)應(yīng)變的吸收作用就越強(qiáng)，其力學(xué)傳遞效率就越低，從而影響拉分盆地的整體形態(tài).

3.1.1 斷層帶彈性模量的影響

在斷層疊接長(zhǎng)度、下地殼黏滯系數(shù)和斷層帶黏滯系數(shù)為定值時(shí)，本次研究分別計(jì)算了斷層帶彈性模量5種不同取值的模擬結(jié)果，來(lái)分析斷層彈性模量對(duì)盆地形成的影響.由于黏彈性Maxwell體彈性變形在松弛時(shí)間范圍內(nèi)起主要作用，松弛時(shí)間是指物體受力變形，外力解除后材料恢復(fù)正常狀態(tài)所需的時(shí)間，Maxwell體的松弛時(shí)間τ的計(jì)算公式為黏滯系數(shù)與彈性模量的比值，如公式(6).斷層帶的松弛時(shí)間大于5萬(wàn)年(見(jiàn)表1)，因此為分析斷層彈性參數(shù)的影響，選取計(jì)算總時(shí)間小于斷層帶松弛時(shí)間，在此選3萬(wàn)年，時(shí)間步長(zhǎng)為30年，公式(6)為

(6)

模擬結(jié)果表明，拉分盆地地表下沉伴隨著下地殼物質(zhì)的上升運(yùn)動(dòng)，盆地下部上、下地殼界面呈現(xiàn)向上彎曲，上地殼厚度變薄, 見(jiàn)圖3a和3b；盆地肩部隆起，對(duì)應(yīng)其下部上、下地殼界面呈現(xiàn)下降趨勢(shì),此處上地殼厚度增加，見(jiàn)圖3c和3d；Sims等(1999)通過(guò)物理試驗(yàn)探究底部塑性層對(duì)拉分盆地的影響，試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示塑性層在盆地底界面存在上升運(yùn)動(dòng).

斷層帶彈性模量對(duì)盆地地表沉降量影響較小，但對(duì)于盆地肩部隆起影響明顯：彈性模量越小，盆地肩部隆起越大.斷層彈性模量對(duì)盆地上、下地殼界面的垂向位移影響顯著：彈性模量越小，盆地上、下地殼界面的垂向上升量越大，上地殼的減薄效應(yīng)越明顯.下地殼黏滯系數(shù)取定值時(shí)，斷層彈性力學(xué)性質(zhì)差異所引起的盆地上、下地殼界面的垂向位移差異說(shuō)明斷層彈性力學(xué)性質(zhì)越弱，其對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的傳遞效率越低，盆地兩側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)盆地的拉伸作用和盆地地殼的減薄作用越強(qiáng).較強(qiáng)的盆地上地殼拉伸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生較大的下地殼物質(zhì)上涌量.但不同程度的拉伸作用對(duì)盆地地表沉降影響甚微，在一定程度上說(shuō)明下地殼上涌對(duì)盆地地表沉降存在阻礙作用，所以造成斷層不同剪切系數(shù)取值對(duì)盆地地表沉降量作用不明顯.

3.1.2 斷層帶黏滯系數(shù)的影響

由于在長(zhǎng)時(shí)間尺度下，巖石呈現(xiàn)出黏性流變特性.所以對(duì)于拉分盆地在地質(zhì)歷史時(shí)期的演化過(guò)程，斷層帶黏滯系數(shù)的影響不可忽略.本次模擬分別計(jì)算了斷層帶黏滯系數(shù)4中不同取值對(duì)盆地演化的影響.由于斷層帶黏性松弛時(shí)間為萬(wàn)年尺度，在此選取計(jì)算總時(shí)間為40萬(wàn)年，時(shí)間步長(zhǎng)為300年.

計(jì)算結(jié)果表明，斷層帶黏滯系數(shù)取值對(duì)盆地地表沉降量影響顯著，而對(duì)盆地下部上、下地殼界面垂向位移影響較小.斷層帶黏滯系數(shù)越小，斷層帶內(nèi)易產(chǎn)生黏性流動(dòng)，其對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的傳遞效率降低，盆地兩側(cè)差異性運(yùn)動(dòng)引起的拉伸作用越強(qiáng)，造成盆地地表沉降量越大；斷層帶不同黏滯系數(shù)取值對(duì)應(yīng)的盆地地表沉降量差異明顯，見(jiàn)圖4a和4b.同樣，斷層帶黏滯系數(shù)越小，上、下地殼界面垂向上升量也越小，但差異不明顯，見(jiàn)圖4c和4d.初步分析認(rèn)為斷層帶松弛時(shí)間明顯大于下地殼的松弛時(shí)間，由斷層帶內(nèi)黏滯系數(shù)所引起的差異性運(yùn)動(dòng)和拉伸作用對(duì)下地殼存在一定的后滯作用，所以斷層帶不同黏滯系數(shù)對(duì)盆地上、下地殼的上涌運(yùn)動(dòng)影響較小.

3.2 主控滑移斷層疊接長(zhǎng)度對(duì)盆地演化的影響

主控滑移斷層疊接長(zhǎng)度是影響盆地形成、演化和幾何形態(tài)的重要因素，本文計(jì)算了模型中兩側(cè)主控?cái)鄬娱g距為20 km，斷層疊接長(zhǎng)度分別為10 km、20 km、30 km的結(jié)果，分析不同主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度對(duì)盆地幾何形態(tài)和空間分布的影響：主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度越大，盆地地表下沉量越小，盆地地表越平緩且水平分布范圍越廣；斷層疊接長(zhǎng)度為20 km和30 km所引起的盆地地表沉降量差異較小，斷層疊接長(zhǎng)度為10 km形成陡峭、狹窄的盆地，見(jiàn)圖5a和5b.斷層疊接長(zhǎng)度為30 km引起的下地殼上涌量較小，見(jiàn)圖5c和5d.綜上可知，主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度對(duì)盆地規(guī)模和地表沉降量有重要的影響，主要原因在于斷層不同重疊量影響差異性運(yùn)動(dòng)引起的拉伸力的作用范圍，斷層疊接長(zhǎng)度越大，拉伸力的作用范圍越廣，對(duì)盆地內(nèi)局部拉伸作用越小，從而形成寬緩、沉降量較低的盆地.

圖6為主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度分別為10 km，20 km，30 km，地表的垂向位移分布.根據(jù)垂向位移可以進(jìn)一步分析盆地的幾何形態(tài)呈以主控?cái)鄬觾啥它c(diǎn)連線為對(duì)角線的菱形構(gòu)造，盆地總體上呈中心對(duì)稱分布.主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度為10 km形成的拉分盆地地表沉降量大，盆地呈狹長(zhǎng)分布；隨著主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度增加，盆地地表沉降量降低，拉分盆地分布范圍擴(kuò)大；主控?cái)鄬盈B接長(zhǎng)度為30 km時(shí)，盆地在接近斷層角點(diǎn)部分出現(xiàn)兩個(gè)沉降中心.從力學(xué)角度分析，斷層引起的差異性運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的拉伸力在斷層角點(diǎn)處集中較為明顯，即斷層角點(diǎn)處沿x方向的水平拉伸作用強(qiáng)烈；當(dāng)兩角點(diǎn)距離足夠大時(shí)，便可以分別在兩角點(diǎn)處產(chǎn)生兩個(gè)沉降中心.

圖3 斷層不同彈性模量對(duì)應(yīng)的地表與上、下地殼界面垂向位移對(duì)比(線AA′, BB′見(jiàn)圖2，E為斷層周圍基巖的彈性模量)Fig.3 Comparison of vertical displacement on surface and interface between upper and lower crust with different elastic modulus of fault (Locations of AA′ and BB′ are shown in Fig.2, E is the elatic modulus of bed rock around faults)

圖4 斷層不同黏滯系數(shù)對(duì)應(yīng)的地表與上、下地殼界面垂向位移對(duì)比(線AA′, BB′見(jiàn)圖2，η為斷層周圍基巖的黏滯系數(shù))Fig.4 Comparison of vertical displacement on surface and interface between upper and lower crust with different viscosity values of fault (AA′ and BB′ are shown in Fig.2, η is viscosity of bedrock around faults)

圖5 斷層不同疊接長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的地表與上、下地殼垂向位移對(duì)比(線AA′, BB′見(jiàn)圖2)Fig.5 Comparison of vertical displacement on surface and interface of upper and lower crust with different overlap lengths of parallel faults(AA′ and BB′ are shown in Fig.2)

圖6 斷層不同疊接長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)盆地幾何形態(tài)對(duì)比(a) 斷層疊接長(zhǎng)度為10 km對(duì)應(yīng)的地表垂向位移結(jié)果； (b) 斷層疊接長(zhǎng)度為20 km對(duì)應(yīng)的地表垂向位移結(jié)果； (c) 斷層疊接長(zhǎng)度為30 km對(duì)應(yīng)的地表垂向位移結(jié)果.Fig.6 Comparision of basin geometry corresponding to different overlap lengths of faults(a) Vertical displacement on surface with 10 km overlap; (b) Vertical displacement on surface with 20 km overlap length; (c) Vertical displacement on surface with 30 km overlap length.

3.3 下地殼黏滯系數(shù)的影響

區(qū)域構(gòu)造的長(zhǎng)期演化機(jī)制主要受制于地殼的分層結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度較弱的柔性下地殼很大程度上控制了上地殼的變形(Bürgmann and Dresen, 2008; Chen et al., 2013).考慮地殼分層結(jié)構(gòu)上、下地殼的耦合程度，本次模擬計(jì)算了下地殼黏滯系數(shù)分別為5.0×1020Pa·s 、1.0×1021Pa·s 、2.5×1021Pa·s和5.0×1021Pa·s四組模型，其中斷層彈性模量取值為周圍基巖的1/10，斷層黏滯系數(shù)取值為周圍基巖的1/10,對(duì)比下地殼不同黏滯系數(shù)對(duì)上地殼變形即盆地下沉量的影響.模型計(jì)算總時(shí)間為60萬(wàn)年，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30年.

模擬結(jié)果表明，下地殼黏滯系數(shù)對(duì)盆地地表沉降量和上、下地殼物質(zhì)上涌影響顯著.下地殼黏滯系數(shù)越大，拉伸作用引起的上、下地殼界面垂向上升量越小，見(jiàn)圖7c和7d，盆地地表沉降量越大，見(jiàn)圖7a和7b.由于下地殼物質(zhì)上涌的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于盆地上地殼拉伸應(yīng)力，當(dāng)斷層帶性質(zhì)和主控?cái)鄬酉鄬?duì)重疊量相同時(shí)，斷層引起的差異性運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的盆地的拉伸作用強(qiáng)度也相同.下地殼黏滯性系數(shù)越大，其流變性質(zhì)越弱，下地殼物質(zhì)上涌量隨之減??；從上、下地殼物質(zhì)上涌量的差異可以看出，下地殼物質(zhì)上涌在一定程度上阻礙了盆地地表沉降，底部上涌量越小，對(duì)地表的阻礙作用就越弱，從而形成下地殼黏滯性系數(shù)越大，盆地地表下沉量越大的結(jié)果.

3.4 模擬結(jié)果與老龍灣盆地地質(zhì)信息對(duì)比

本文分別計(jì)算以上四組下地殼黏滯系數(shù)模型在60萬(wàn)年內(nèi)的演化結(jié)果，由圖7可知，下地殼黏滯性系數(shù)越大，拉分盆地地表垂向沉降量越大，盆地分布范圍更廣.由于海原斷裂帶第四紀(jì)左旋走滑活動(dòng)始于早更新世末、中更新世初(Burchfiel et al., 1991)，參考Gaudemer等(1995)老虎山斷裂第四紀(jì)構(gòu)造滑移信息，本文選取60萬(wàn)年時(shí)間近似老龍灣拉分盆地在第四紀(jì)的演化總時(shí)間.當(dāng)斷層彈性模量取值為周圍基巖的1/10，斷層黏滯系數(shù)取值為周圍基巖的1/10，主控?cái)鄬酉鄬?duì)重疊量為20 km，下地殼黏滯性系數(shù)不高于1.0×1021Pa·s時(shí)，盆地內(nèi)最大沉降量小于240 m，且大范圍區(qū)域的地表沉降量約為230 m；下地殼黏滯系數(shù)在(2.5～5.0)×1021Pa·s范圍內(nèi)時(shí)，盆地內(nèi)最大沉降量約為270 m，大范圍區(qū)域的地表沉降量約為250 m.由于老龍灣拉分盆地已經(jīng)隆升變形，本文將盆地內(nèi)第四系沉積層厚度作為盆地下沉量的參考依據(jù).田勤儉等對(duì)海原斷裂帶老龍灣拉分盆地內(nèi)地層沉積特征研究表明，拉分盆地內(nèi)第四系沉積層厚度約為250 m，考慮到模型對(duì)于盆地演化速率和總時(shí)間的簡(jiǎn)化，本次模擬計(jì)算盆地沉降結(jié)果總體上與盆地實(shí)際沉積層厚度在規(guī)模上近似.

由于斷層彈性剪切模量取值對(duì)盆地地表沉降影響不明顯，且老龍灣拉分盆地?cái)鄬酉鄬?duì)重疊量根據(jù)斷層構(gòu)造信息確定大約為20 km，當(dāng)斷層黏滯系數(shù)取值為周圍基巖的1/10, 海原斷裂帶對(duì)應(yīng)的下地殼黏滯系數(shù)在(2.5～5.0)×1021Pa·s范圍內(nèi)時(shí)，計(jì)算得到的盆地沉降量與老龍灣拉分盆地第四系沉積層厚度信息比較吻合.

4 結(jié)論與討論

根據(jù)海原斷裂帶構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征和拉分盆地分布，本文建立了三維黏彈性Maxwell模型模擬地殼分層結(jié)構(gòu)下老龍灣拉分盆地在第四紀(jì)的演化，并通過(guò)對(duì)比模型下地殼黏滯系數(shù)、斷層帶彈性剪切模量、斷層帶黏滯系數(shù)和主控?cái)鄬又丿B量不同取值下的計(jì)算結(jié)果來(lái)分析各因素對(duì)盆地形成演化的影響，結(jié)果表明：

(1) 地殼分層結(jié)構(gòu)下，盆地形成過(guò)程中上地殼差異性運(yùn)動(dòng)引起的拉伸應(yīng)力驅(qū)使盆地下地殼物質(zhì)上涌，上升運(yùn)動(dòng)同時(shí)阻礙盆地地表沉降.

(2) 斷層帶彈性模量和黏滯系數(shù)影響斷層對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的傳遞效率，斷層性質(zhì)越弱，斷層對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的傳遞效率越低，由于差異性運(yùn)動(dòng)引起的拉伸作用越強(qiáng)，盆地地表的沉降量越大.由于下地殼物質(zhì)上涌對(duì)盆地地表下沉存在阻礙作用，斷層的彈性模量對(duì)盆地沉降影響較小.斷層帶的黏滯系數(shù)對(duì)于盆地長(zhǎng)時(shí)間演化作用明顯，黏滯系數(shù)越小，斷層帶流變性質(zhì)越強(qiáng)，較低的應(yīng)力傳遞效率導(dǎo)致盆地拉伸作用明顯，形成較大的盆地地表沉降量.由于斷層帶黏性作用相對(duì)于下地殼存在后滯效應(yīng)，斷層黏滯系數(shù)對(duì)下地殼上涌影響作用不明顯.

(3) 主控?cái)鄬又丿B量影響盆地幾何形態(tài)和空間分布：主控?cái)鄬娱g的重疊量越小，重疊區(qū)域的拉伸作用越明顯，盆地下沉量也越大.但由于拉伸范圍的限制，盆地的空間展布狹窄，當(dāng)兩條主控?cái)鄬又丿B量達(dá)到一定值時(shí)，斷層角點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，從而形成兩個(gè)盆地沉降中心.

(4) 下地殼流變性質(zhì)是控制地殼變形的重要因素，模型下地殼黏滯系數(shù)越小，下地殼流變性質(zhì)越強(qiáng)，其上涌量越大，對(duì)盆地地表沉降的阻礙作用越明顯，盆地地表下沉量越小.

本次模擬根據(jù)構(gòu)造歷史時(shí)期的平均滑動(dòng)速率和總滑動(dòng)歷史來(lái)約束模型，計(jì)算得到與實(shí)際盆地沉積層厚度近似的拉分盆地地表沉降.根據(jù)海原斷裂帶老龍灣拉分盆地所處的構(gòu)造格局，選取主控?cái)鄬又丿B量為20 km, 忽略斷層彈性模量對(duì)地表沉降的影響，當(dāng)斷層黏滯系數(shù)選取為周圍基巖的1/10，下地殼黏滯性范圍為(2.5～5.0)×1021Pa·s時(shí)，計(jì)算所得的盆地下沉量與老龍灣盆地內(nèi)第四系地層沉積厚度基本吻合.

在盆地演化過(guò)程中，由于區(qū)域拉伸作用盆地內(nèi)發(fā)育產(chǎn)生一系列小型正斷層和沿盆地邊緣方向的走滑斷層，邊界走滑斷層向盆地中心演化可能會(huì)引起盆地的消亡(Zhang et al., 1989).由于有限元數(shù)值模擬技術(shù)解決巖石破裂和斷層發(fā)生過(guò)程是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，本文模型中運(yùn)用黏彈性模型，未能模擬盆地內(nèi)各類斷層的產(chǎn)生和演化過(guò)程，從而忽略了斷層演化對(duì)盆地的作用.

圖7 下地殼不同黏滯系數(shù)對(duì)應(yīng)的地表與上、下地殼垂向位移對(duì)比 (線AA′, BB′見(jiàn)圖2)Fig.7 Comparison of vertical displacement on surface and interface of upper and lower crust with different viscosity values of lower crust (AA′ and BB′ are shown in Fig.2)

圖8 下地殼不同黏滯系數(shù)地表位移分布(a) η=5.0×1020 Pa·s地表垂向位移分布； (b) η=1021 Pa·s地表垂向位移分布； (c) η=2.5×1021Pa·s地表垂向位移分布；(d) η=5.0×1021 Pa·s地表垂向位移分布.Fig.8 Vertical displacement on surface from modeling with different viscosity values of lower crust(a) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 5.0×1020 Pa·s； (b) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 1021 Pa·s； (c) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 2.5×1021Pa·s； (d) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 5.0×1021 Pa·s.

致謝 感謝審稿專家提出的寶貴修改意見(jiàn)和編輯部的大力支持！

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(本文編輯 張正峰)

Three-dimensional numerical simulation of pull-apart basins: an example of the Laolongwan basin in the Haiyuan fault zone

PANG Ya-Jin， ZHANG Huai， CHENG Hui-Hong， DONG Pei-Yu， WANG Jing-Jing， SHI Yao-Lin*

KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,CollegeofEarthSciences,UniverisityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China

A pull-apart basin is formed by the extension in a strike-slip fault system, generally controlled by two parallel faults. Such a pull-apart basin is rhombic-shaped, whose geometry is determined by the distance and overlap between the two faults. There are many factors controlling the formation and evolution of pull-apart basins. Numerical simulation is an efficient way to explain the mechanism of pull-apart basin generation. This work studies the major factors that control the formation of pull-apart basins based on 3D finite element modeling.As the formation and evolution of a pull-apart basin is a long geological process, we construct a 3D finite element visco-elastic model based on the tectonic setting during Quaternary of the Haiyuan fault zone, northeast of the Tibet plateau. In the numerical model, the two master faults are thin zones of weaker mechanical property. Furthermore, we analyze the effect of each factor, such as mechanical property of weak fault zones, layered structure of the crust and overlap of master parallel faults.According to the simulation results, the extension of upper crust leads to surface subsidence in the basin and upwelling of lower crust. The upwelling to some extent hinders surface subsidence. The effects of all factors are summarized as follows: (1) The weaker faults transfer tectonic stress less efficiently, which can result in more obvious differences in movement, large surface subsidence and thinning of upper crust. (2) The overlap of two master parallel faults determines the area of extension, the longer overlap leading to weaker extensional stress and less surface subsidence. (3) The rheology of lower crust affects its upwelling, low viscosity of lower crust resulting in more sensitive response to extension in upper crust and large upwelling of lower crust which hinders surface subsidence more strongly. Based on the tectonic setting and the evolution during the Quaternary period of the Laolongwan pull-apart basin, we set up a model in which the overlap of faults is 20 km, viscosity of the fault is 1/10 of the surrounding rock. The simulated surface subsidence of the basin is similar to the sedimentary thickness during the Quaternary period. When the viscosity of lower crust in (2.5～5.0)×1021Pa·s, the simulated surface subsidence accords well with the Quaternary sedimentary thickness.The weaker fault zones and overlap of two master parallel faults all play significant roles in the formation of the pull-apart basin, controlling differential tectonic movement through the weak fault zones. The rheology of lower crust affects the surface subsidence of the pull-apart basin by its upwelling. As to the Laolongwan pull-apart basin during the Quaternary, we establish an optimal model according to the tectonic setting. The simulated surface subsidence matches well with the Quaternary sedimentary thickness, with the viscosity of lower crust ranging (2.5～5.0)×1021Pa·s.

Pull-apart basin; Surface subsidence; Layered structure of crust; Finite element simulation

10.6038/cjg20151015.

Pang Y J, Zhang H, Cheng H H. 2015. Three-dimensional numerical simulation of pull-apart basins: an example of the Laolongwan basin in the Haiyuan fault zone.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3615-3626,doi:10.6038/cjg20151015.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB845906)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41404078)聯(lián)合資助.

龐亞瑾,女,1990年生,博士研究生,主要從事地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究. E-mail：pang.yajin@163.com

*通訊作者 石耀霖,男,1944年生,教授,中國(guó)科學(xué)院院士,第三世界科學(xué)院院士,主要從事地球動(dòng)力學(xué)研究. E-mail:shiyl@ucas.ac.cn

10.6038/cjg20151015

P313

2014-02-25，2015-06-16收修定稿

≤≥? ?龐亞瑾，張懷，程惠紅. 2015. 拉分盆地形成機(jī)制三維數(shù)值模擬——以海原斷裂帶老龍灣盆地為例.地球物理學(xué)報(bào)，58(10):3615-3626,