前陸褶皺造山帶箱狀褶皺變形特征：基于砂箱構(gòu)造物理模擬研究

張博 萬元博 孫甫 楊哲

摘 要：箱狀褶皺是侏羅山式褶皺一種典型的組合樣式，廣泛發(fā)育于褶皺造山帶的前陸中，其特征為頂平箱狀產(chǎn)出，常以伴生形式與其他褶皺組合。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，侏羅山式褶皺是剛性巖體之上有一層軟弱巖層，在軟弱層之上的巖層發(fā)生“臺(tái)布式”滑脫而形成隔擋式、隔槽式褶皺。文章通過砂箱構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)方法，模擬前陸褶皺造山帶擠壓變形過程得出，地表淺層，巖性相同（或地層能干性差異小）地層中也可形成箱狀褶皺樣式。

關(guān)鍵詞：砂箱實(shí)驗(yàn)；楔形體；隔槽式褶皺；箱狀褶皺

前言

侏羅山式褶皺起源于歐洲侏羅山區(qū)的褶皺，以背斜緊閉向斜開闊的和向斜緊閉背斜開闊為特征，分別對(duì)應(yīng)的類型隔擋式褶皺和隔槽式褶皺。這類褶皺主要發(fā)育于褶皺造山帶的前陸坳陷帶或地槽中，尤其是在中新生代的褶皺造山帶的前陸中，如侏羅山及扎格羅斯山、比利牛斯山、高加索山、考底勒拉山和阿巴拉契亞山褶皺造山帶的前陸上。在我國，侏羅山式褶皺主要發(fā)育于川東一帶湘鄂西一帶，表現(xiàn)為一系列的北東走向的褶皺。箱狀褶皺是侏羅山式褶皺一種表現(xiàn)類型，侏羅山式構(gòu)造與油氣，礦產(chǎn)等自然資源有著緊密的聯(lián)系，關(guān)于其變形特征、樣式對(duì)油氣及礦產(chǎn)資源的勘探具有重要的指導(dǎo)意義。眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)侏羅山式褶皺構(gòu)造特征、變形機(jī)制已經(jīng)做過許多的研究，取得一些重要的成果及認(rèn)識(shí)。砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是研究和模擬自然界地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象變形特征，揭示成因機(jī)制和運(yùn)動(dòng)學(xué)過程，已經(jīng)被證明是強(qiáng)大的可視化工具，在國際上得到廣泛應(yīng)用（McClay and Whitehouse，2004）。文章通過梳理前人的研究成果，基于相似初始砂箱構(gòu)造模型條件下低速擠壓條件下變形過程，著重探討了前陸褶皺沖斷帶隔槽式箱狀褶皺的變形特征及形成機(jī)制。

1 砂箱模擬實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)材料采用純白色干燥石英砂顆粒（標(biāo)志層采用紅色色石英砂顆粒），力學(xué)性質(zhì)符合庫侖-摩爾破裂準(zhǔn)則內(nèi)聚力接近零，其被公認(rèn)是模擬地殼淺層次構(gòu)造變形的理想相似材料。石英砂經(jīng)篩分，粒徑為200-400um，內(nèi)摩擦角29-31°，內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c自然界原型之間的相似性的確定，是通過模擬實(shí)驗(yàn)來探討地質(zhì)問題的前提。物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似性主要是幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三方面的相似。作者等的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置（圖1），主要重點(diǎn)側(cè)重實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方面相似，根據(jù)前人研究，結(jié)合文章實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取擠壓速率V=0.002mm/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；物理模型和原型的動(dòng)力學(xué)相似表示為：

σ*=ρ*×g*×L*

式中，σ *表示模型和原型之間的應(yīng)力比值；ρ*表示密度的比值；g*和L*分別表示重力加速度和長度的比值。實(shí)驗(yàn)在正常重力場中進(jìn)行，因此重力加速度的比值g*=1。實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)際演示的密度比值ρ*≈0.5，取長度比值L=1×10-5（模型10cm代表自然界1km），分別鋪設(shè)基底層3層，因此模型模擬的深度為3.5km。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)是右端電缸不動(dòng)，通過啟動(dòng)左端電缸作水平單側(cè)向活動(dòng)，對(duì)砂箱水平砂層施加擠壓變形，每次擠壓縮進(jìn)至結(jié)束的位移量D=500mm。實(shí)驗(yàn)過程中定時(shí)照相記錄擠壓過程。進(jìn)行兩次以上重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以避免物理模擬的偶然因素的不利影響并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

擠壓作用開始后，水平砂層初始變形會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不對(duì)稱的膝折帶，其特點(diǎn)是頂端平頂，兩翼寬緩楔形體（標(biāo)記為1號(hào)楔形體）。隨著右側(cè)擋板向右推移，擠壓楔形體繼續(xù)向前擴(kuò)展，當(dāng)擠壓縮短量S=158mm處時(shí)，先前形成的寬緩平頂1號(hào)楔形體與現(xiàn)在已發(fā)育穩(wěn)態(tài)的2號(hào)楔形體中間留有一處平緩的凹槽。當(dāng)擠壓縮短量S=366mm處時(shí)，發(fā)育穩(wěn)態(tài)的3號(hào)楔形體，繼續(xù)擠壓至縮短量S=428mm過程中，砂體一方面在后緣堆積，導(dǎo)致先前形成形態(tài)寬緩的頂平寬緩的箱狀褶皺，兩翼收緊；另一方面楔形體向前擴(kuò)展發(fā)育穩(wěn)態(tài)的頂平、兩翼寬緩的4號(hào)楔形體，且楔形體之間同樣發(fā)育一個(gè)凹槽。最后，當(dāng)擠壓縮短量S=500mm過程中，發(fā)育穩(wěn)態(tài)5號(hào)楔形體，4號(hào)楔形體和5號(hào)楔形體之間發(fā)育一個(gè)底平的凹槽。

圖2 擠壓速率V=0.002mm/s下的單側(cè)向擠壓模型變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最終模型幾何形態(tài)在剖面上顯示如（圖2），在此速率下其構(gòu)造樣式主要表現(xiàn)為發(fā)育穩(wěn)態(tài)的相鄰楔形體間發(fā)育一個(gè)凹槽，阻隔楔形體，形態(tài)上似箱狀構(gòu)成隔槽式褶皺。發(fā)育楔形體的生長過程與擠壓沖斷作用有著密不可分的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

通過相似初始砂箱構(gòu)造模型條件下擠壓速率為0.002mm/s下變形過程研究，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：地殼淺表特征相同的地層（或地層能干性差異?。┛砂l(fā)育構(gòu)造樣式上成隔槽式褶皺。文章通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有關(guān)“侏羅山式”褶皺形成機(jī)制，主要有粘聚力差異說、動(dòng)力學(xué)差異說和外營力作用說三種說法。提出粘聚力差異說的學(xué)者們認(rèn)為層間粘聚力差異是控制隔檔式褶皺、隔槽式褶皺樣式的主要因素之一當(dāng)?shù)貙釉诼裆钶^淺時(shí)，層間能干性差異對(duì)褶皺樣式起主控作用，能干性差異小時(shí)出現(xiàn)隔槽式褶皺，差異大時(shí)出現(xiàn)隔檔式褶皺。動(dòng)力學(xué)差異說與粘聚力差異說正好相反。外營力作用說則摒棄了內(nèi)力形成機(jī)制，“侏羅山式”褶皺區(qū)的形成是要受到一個(gè)統(tǒng)一力場支配的，這就要求在形成薄皮構(gòu)造的區(qū)域有一個(gè)比較平緩而均一的剛性基底，便于上覆沉積地層在側(cè)壓力推擠下形成形態(tài)均一、性質(zhì)相同的薄皮構(gòu)造。在外營力作用下，薄皮構(gòu)造遭受不同程度的破壞以后殘留下的不同部位的顯示。因此，結(jié)合文章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出：統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場，內(nèi)動(dòng)力均勻條件下，在地表淺層可發(fā)育隔槽式的箱狀褶皺，這一結(jié)果很好的印證了粘聚力差異是控制地表淺層褶皺形態(tài)及組合樣式的主要控制因素。

4 結(jié)束語

文章通過單向擠壓砂箱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及探討沖起構(gòu)造的發(fā)育特征，得到了主要認(rèn)識(shí)：地殼淺表特征相同的地層（或地層能干性差異?。┛砂l(fā)育構(gòu)造樣式上成隔槽式褶皺。在地表淺層，無滑脫層的情況下，同樣可形成隔槽式的箱狀褶皺。

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