陸內(nèi)山前沖斷結(jié)構(gòu)分帶的構(gòu)造物理模擬實驗

趙 利，廖宗廷，徐旭輝，方成名，陸建林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214216；3.同濟大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

物理模擬實驗不僅可以驗證或修正地質(zhì)理論，還能近似再現(xiàn)地質(zhì)過程，是建立動力學(xué)機制的重要輔助手段；構(gòu)造物理模擬成為研究熱點，受到國內(nèi)外越來越多學(xué)者和研究機構(gòu)的重視。模擬實驗經(jīng)歷了定性、定性—半定量到定量的發(fā)展，觀測目標(biāo)也由表層發(fā)展到立體[1-4]。隨著CT掃描、PIV追蹤等一系列先進技術(shù)的應(yīng)用，沖斷帶的物理模擬已在活動構(gòu)造、油氣勘探、構(gòu)造地貌等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-8]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已開展了滑脫層、淺表沉積與侵蝕、俯沖碰撞方式、深部侵入、流體壓力、基底屬性等控制因素的物理模擬實驗，深入揭示了沖斷帶的復(fù)雜構(gòu)造變形[1, 6, 9-13]。

中國中西部沖斷帶具有橫向分帶特征，從腹陸向前陸依次為厚皮帶、過渡帶和薄皮帶[14-15]。但是，現(xiàn)有物理模擬實驗的模型無法完全模擬完整變形帶結(jié)構(gòu)。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外實驗?zāi)Ｐ涂梢愿爬槿悾锤_模型或剛體模型[1-2]、碰撞模型[16]和壓縮模型[4, 8, 10]。其中，剛體模型是造山帶或剛體俯沖于盆地之下，剛體不發(fā)生變形，使得實驗只能模擬盆內(nèi)構(gòu)造變形。碰撞模型則未體現(xiàn)兩砂體的強度結(jié)構(gòu)差異，無法確定俯沖和仰沖的塊體；而且，該模型主要模擬造山帶變形，缺乏盆內(nèi)及過渡帶的詳細變形特征。壓縮模型應(yīng)用最為廣泛，但該模型并無兩砂體相互作用，使其構(gòu)造變形的研究局限于盆內(nèi)，缺失盆山過渡帶、造山帶的變形內(nèi)容，以及造山帶與盆地相互作用的信息。剛體模型和壓縮模型僅適用于B型俯沖背景的陸內(nèi)變形，碰撞模型適用于A型俯沖背景的陸緣變形，三者只模擬了沖斷而無復(fù)合成陸的過程。目前，國內(nèi)已開展的南天山、西昆侖山、龍門山等沖斷帶物理模擬多采用壓縮模型[12-13, 17-18]。

為解決上述問題，需要對碰撞模型進行如下改進：將模擬造山帶和盆地的濕、干兩砂體預(yù)先接觸，二者流變強度差異可以實現(xiàn)濕砂體對干砂體的沖斷。該模型可以模擬從造山帶到盆地的完整變形帶，以及古板塊“鑲嵌式”拼接成陸后再沖斷的疊加過程?；诟倪M模型，本文開展了有、無滑脫層的兩組實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果分析了實驗?zāi)Ｐ团c地質(zhì)模型在沖斷結(jié)構(gòu)上的對應(yīng)關(guān)系，以及過渡帶內(nèi)逆斷層的演化。研究成果可以為中國中西部沖斷帶的物理模擬提供借鑒，對地震解釋和油氣勘探具有指導(dǎo)意義。

1 復(fù)合陸內(nèi)沖斷的地質(zhì)模型

典型前陸沖斷帶形成于陸—陸碰撞(A型)和洋—陸俯沖(B型)背景，如中東地區(qū)的扎格羅斯山前、北美地區(qū)的落基山前沖斷帶[19-20]。中國中西部沖斷帶形成于遠離同變形期活動板塊邊界，本身并沒有發(fā)生板塊間俯沖或碰撞，而是古特提斯域在新特提斯構(gòu)造時期的再活動(圖1a)。沖斷帶內(nèi)變形活動局限在板塊內(nèi)部，而非板塊間，屬于陸內(nèi)變形[21-22]。隨后，眾多學(xué)者提出了“C型俯沖盆地”[22]、“碰撞繼承盆地”[23]、“再生前陸盆地”[21]、“晚期前陸盆地”[24]等命名意見。這三類前陸盆地的動力學(xué)機制相互間各有差異：B與C型俯沖背景下的沖斷帶變形都屬于陸內(nèi)，未發(fā)生巖石圈尺度的俯沖作用，而A型俯沖背景下形成的沖斷變形屬于陸緣；A與C型俯沖背景下的沖斷帶都是2個塊體之間相互作用的產(chǎn)物，但B型俯沖背景下的沖斷帶形成于一個塊體內(nèi)部的擠壓變形?；谏鲜鎏卣?，物理模擬的實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計兩塊預(yù)先接觸的砂體，分別模擬造山帶和盆地，使模擬的變形帶更加完整并符合復(fù)合前陸沖斷帶的構(gòu)造背景。有別于碰撞模型，改進的實驗?zāi)Ｐ头Q為“擠壓—碰撞”模型。

橫向上，造山帶和盆地發(fā)育不同的地層和力學(xué)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的兩砂體亦應(yīng)具備橫向流變差異。沉積蓋層尺度上，造山帶與盆地內(nèi)的地層一般屬于不同地層分區(qū)；巖石圈尺度上，青藏高原、天山等造山帶的巖石圈強度結(jié)構(gòu)屬于強地殼—弱地幔式的“奶油蛋糕型”，而四川盆地、塔里木盆地等的強度結(jié)構(gòu)是弱地殼—強地幔式的“果凍三明治”型[25]。這表明造山帶與盆地的強度結(jié)構(gòu)在橫向上呈強弱對置特征，是形成鑲嵌式拼接的基礎(chǔ)(圖1a)。對應(yīng)地質(zhì)模型，實驗?zāi)Ｐ椭泻缶壣绑w的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)弱于前緣砂體，以實現(xiàn)后緣砂體對前緣砂體的沖斷。

精細三維地震解釋及深地震探測研究亦表明，造山帶和盆地的強度結(jié)構(gòu)在橫向上的強弱對置造成了沖斷帶鑲嵌式拼接特征。如龍門山?jīng)_斷帶是由松潘—甘孜地塊對四川盆地的沖斷演變而成，其地殼上部以雙重逆沖構(gòu)造和垂向疊置為主要特征，地殼中部發(fā)育一系列近水平拆離斷層，地殼下部莫霍面多重交互錯斷，盆地的地殼整體楔入到造山帶內(nèi)(圖1b)。南大巴山?jīng)_斷帶則是由北大巴山對四川盆地的沖斷逐步演變而成，斷層滑脫深度向前緣逐漸變淺：北大巴山對應(yīng)地殼深部，南大巴山為基底，四川盆地整體為志留系(圖1c)。

2 模擬實驗設(shè)計

2.1 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

改進實驗的動力學(xué)模型設(shè)計如下：將砂體1和砂體2預(yù)先接觸，對應(yīng)復(fù)合成陸后的造山帶和盆地；砂體1為濕砂體，能夠模擬隆升及對前緣砂體2的沖斷；砂體2為干砂體，在不同層位設(shè)計硅膠層，模擬沉積蓋層中滑脫層對盆內(nèi)構(gòu)造變形的影響；應(yīng)力來源于后緣動力軸，模擬印度板塊與歐亞板塊碰撞提供的力源(圖2)。實驗開始后，沖斷變形從砂體1向前擴展至砂體2，模擬沖斷帶整體前展式?jīng)_斷的時序。本次實驗設(shè)計2組實驗：實驗1的砂體2中不設(shè)硅膠，模擬南大巴山?jīng)_斷帶的疊瓦構(gòu)造變形；實驗2的砂體2中設(shè)置硅膠，模擬龍門山?jīng)_斷帶的雙重構(gòu)造變形。兩實驗中砂體幾何學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 中國中西部沖斷帶分布(a)及龍門山深地震剖面(b)和大巴山地震剖面(c)

圖2 改進的實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 相似性原則及其參數(shù)計算

實驗采用150～200 μm純石英砂模擬上地殼的脆性變形，二者在自然重力條件下變形行為相似[7,27]；使用透明的硅膠模擬沉積蓋層中的塑性滑脫層，二者變形皆具有牛頓流體特征[28-29]。其中，砂體、硅膠、巖層等的屬性參數(shù)見表2。

表1 實驗1和實驗2中砂體的幾何學(xué)參數(shù)

表2 沖斷帶物理模擬實驗的尺度參數(shù)

依據(jù)相似性公式，計算得到時間相似比為3.24×10-12，即實驗中的1 min相當(dāng)于地質(zhì)原型演化0.6 Ma。擠壓速度相似比為6.17×105，即當(dāng)動力軸的速度設(shè)為0.022 mm/s時，沖斷帶的縮短速率為1.12 mm/a。該速率與中西部沖斷帶現(xiàn)今縮短速率1～13 mm/a[30-31]相當(dāng)，故實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)設(shè)計相對完善。

3 實驗及實驗結(jié)果分析

3.1 實驗過程

實驗過程中，使用DV拍攝砂體剖面變形過程；結(jié)束后，采用延時攝影方法將視頻處理成動態(tài)圖片。該處理方法可以使實驗者短時間內(nèi)恢復(fù)、正演實驗全過程，便于觀察連續(xù)變形并有效追蹤單個構(gòu)造現(xiàn)象的演變。同沉積和剝蝕作用對下構(gòu)造層變形影響弱，故實驗中未施加這2種作用[6,12]。

3.1.1 實驗1

當(dāng)實驗運行15 min時，砂體1向砂體2仰沖并隆升，縫合線后傾，砂體1產(chǎn)生斷層優(yōu)勢破裂面；砂體2后緣形成2條斷層，斷層①呈鏟式，斷層②呈板式(圖3b)。當(dāng)實驗運行30 min時，砂體1后緣形成2條高角度反向沖斷層；砂體2中形成斷層③，斷層①、②呈鏟式，斷層③呈板式(圖3c)。當(dāng)實驗運行45 min時，斷層①的斷面上凸，斷層②、③形成統(tǒng)一滑脫面，斷層組合樣式為疊瓦構(gòu)造(圖3d)。當(dāng)實驗運行69 min時，砂體1的剖面由矩形演變?yōu)榈固菪?；斷層③演變?yōu)殓P式，斷層④呈板式但未至砂體表面(圖3e)。

3.1.2 實驗2

當(dāng)實驗運行18 min時，砂體1向砂體2仰沖并隆升，縫合線后傾，砂體1后緣產(chǎn)生反向沖斷層，砂體2的構(gòu)造變形以硅膠為界上、下分層；下覆砂層發(fā)育板式斷層①和斷面上凸的斷層②，上覆砂層發(fā)育低波幅褶皺(圖3Ⅱ)。當(dāng)實驗運行22 min時，斷層①演變成反S式，且與斷層②組合成疊瓦構(gòu)造，斷片側(cè)向疊置；上覆砂層的褶皺波幅增大，前緣發(fā)育斷層優(yōu)勢破裂面(圖3Ⅲ)。當(dāng)實驗運行32.5 min時，斷層②的斷面演變成上凸，其前緣發(fā)育板式斷層③，斷片演變成斷背斜；上、下覆砂層相對錯動形成拆離斷層a、b，且斷層a與斷層①、②、③組合成雙重構(gòu)造，斷層b與上覆砂層的褶皺組合成斷展褶皺(圖3IV)。當(dāng)實驗運行42.5 min時，斷層②演變成反S式，斷層③演變成鏟式；下覆砂層的斷片垂向疊置，形成堆疊背形構(gòu)造，亦稱構(gòu)造三角帶(圖3V)。

3.2 幾何學(xué)分析

實驗結(jié)果中的變形帶與實際地質(zhì)模型具有良好的對應(yīng)性(圖4a，b)。砂體1對應(yīng)造山帶，其變形以前緣仰沖、后緣反沖，整體以隆升為特征；底部斷層滑脫于平臺，構(gòu)造變形符合厚皮構(gòu)造特征，如龍門山?jīng)_斷帶的松潘—甘孜地塊和大巴山?jīng)_斷帶的北大巴山地塊(圖1b，c)。砂體2對應(yīng)盆地，其變形以發(fā)育逆沖斷層、斷層相關(guān)褶皺，整體以縮短為特征；斷層滑脫于淺層砂體，構(gòu)造變形符合薄皮構(gòu)造特征，如龍門山?jīng)_斷帶和大巴山?jīng)_斷帶的四川盆地。砂體1與砂體2接觸區(qū)對應(yīng)沖斷帶，其變形兼具沖斷和隆升特征；斷層滑脫深度淺于平臺但深于前緣砂體，構(gòu)造變形介于盆山間的過渡帶，如龍門山?jīng)_斷帶的龍門山地塊和大巴山?jīng)_斷帶的南大巴山地塊。實驗?zāi)Ｐ团c地質(zhì)模型的對應(yīng)分析表明，本實驗?zāi)Ｐ涂梢阅M完整的變形帶，即沖斷方向上依次劃分為厚皮帶、過渡帶和薄皮帶，分別對應(yīng)造山帶、沖斷帶和盆地。對比壓縮模型可以看出，其實驗結(jié)果只模擬了薄皮帶構(gòu)造，其后緣強烈的反沖構(gòu)造無地質(zhì)模型對應(yīng)(圖4c)。

圖3 實驗1(a-e)與實驗2(Ⅰ-Ⅴ)的實驗過程及其解譯

圖4 實驗結(jié)果分析及其與壓縮模型實驗結(jié)果對比

橫向上，實驗?zāi)Ｐ椭袛鄬影l(fā)育的漸變規(guī)律與地質(zhì)模型也具有良好對應(yīng)關(guān)系。砂體1中反沖斷層，對應(yīng)龍門山?jīng)_斷帶的龍日壩斷層和大巴山?jīng)_斷帶的高橋斷層(圖1和圖4)。砂體1與砂體2的接觸線，對應(yīng)兩沖斷帶的岷江斷層和城口斷層。砂體2內(nèi)斷面形態(tài)、斷片疊置規(guī)律應(yīng)與地質(zhì)模型中剝蝕恢復(fù)后的構(gòu)造形態(tài)相對應(yīng)，斷層傾角在沖斷方向上逐漸變小的規(guī)律亦與地質(zhì)模型一致。在相同擠壓縮短速率下，后期水平主應(yīng)力必然大于前期；同時，沖斷楔整體逐漸隆升，使垂向主應(yīng)力逐漸增大；根據(jù)應(yīng)力摩爾圓的破裂規(guī)律，前緣斷層的初始破裂角必然小于后緣斷層。

3.3 運動學(xué)分析

通過測算實驗結(jié)果剖面上的斷層產(chǎn)狀，可以量化變形過程，解釋過渡帶內(nèi)單條斷層的變形過程。統(tǒng)計實驗1中斷層①～④的傾角、斷距隨時間變化的數(shù)據(jù)表明，斷層演化呈3個階段。第一階段，斷層①傾角保持約29°不變，但斷距隨時間線性增大(圖5a，b)；該階段斷層變形特征符合庫倫—摩爾破裂準(zhǔn)則，稱為脆性變形階段。第二階段，斷層①傾角隨時間線性增大，但斷距保持約5 mm不再增大；該階段砂體的塑性流動帶動斷層旋轉(zhuǎn)傾斜，稱為韌—脆性變形階段。第三階段，斷層①傾角、斷距隨時間不再增大，即斷層不再變形；但砂體仍塑性隆升，稱為韌性變形階段。前緣斷層②、③、④重復(fù)后緣斷層①演化過程，但只有斷層①發(fā)育完整的3個變形階段。

實驗2中斷層傾角和斷距也經(jīng)歷了3個階段。第一階段，斷層①傾角保持約31°不變，斷距隨時間線性增大(圖5c，d)；該階段斷層變形特征符合庫倫—摩爾破裂準(zhǔn)則，稱為脆性變形階段。第二階段，斷層①的傾角隨時間增大，斷距線性快速增大；該階段砂體塑性流動的同時斷層持續(xù)活動，稱為韌—脆性變形階段。第三階段，斷層①傾角仍同速增大，但斷距增速則明顯減??；該階段砂體的變形主要以塑性流動帶動斷層面旋轉(zhuǎn)，稱為韌性變形階段。與實驗1類似，實驗2中前緣斷層重復(fù)后緣斷層的演化過程。

兩實驗中斷層演化的3個階段有所不同。第二階段，實驗1中傾角變化的絕對時間和相對時間要長于實驗2中的斷層；而且，實驗1中斷距不再增大，但實驗2中斷距繼續(xù)增長。第三階段中，實驗2中斷層傾角持續(xù)增大，而實驗1中基本不變，這也導(dǎo)致實驗2中斷距仍緩慢增長?；搶邮巧鲜鰞赡Ｐ偷淖兞?，可推斷其為變形差異的控制因素。

圖5 實驗1(a，b)和實驗2(c，d)中斷層傾角和斷距隨時間的變化

圖6 疊瓦斷層動態(tài)演化的地質(zhì)模型

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)現(xiàn)有實驗?zāi)Ｐ蜔o法模擬完整變形帶，不完全符合中國復(fù)合陸內(nèi)沖斷的構(gòu)造背景?；诠艍K體“鑲嵌式”拼接成陸后再沖斷的動力學(xué)機制，改進的實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計成具有橫向、垂向流變差異的“擠壓—碰撞”模型。

(2)幾何學(xué)分析表明，改進的實驗?zāi)Ｐ涂梢阅M完整的變形帶，從腹陸向前陸依次為厚皮帶、過渡帶和薄皮帶，分別對應(yīng)造山帶、沖斷帶和盆地；而且，實驗?zāi)Ｐ椭械臄鄬影l(fā)育規(guī)律與地質(zhì)模型具有較好對應(yīng)關(guān)系。

(3)運動學(xué)分析表明，過渡帶逆斷層的演化經(jīng)歷了脆性變形、韌—脆性變形和韌性變形3個階段，但有無滑脫層會造成逆斷層的演化有所差異。

(4)橫向上斷層發(fā)育規(guī)律分析表明，初始破裂角小和演化時間短，是形成沖斷帶內(nèi)前緣逆斷層傾角小于后緣的成因機制。

4.2 討論

(1)中國中西部沖斷構(gòu)造的構(gòu)造變形和演化要遠比東部伸展和走滑構(gòu)造復(fù)雜，所受的邊界條件和控制因素眾多。構(gòu)造物理模擬的實驗?zāi)Ｐ蛢H僅是對地質(zhì)模型的簡化，單個實驗不能設(shè)置過多邊界條件、實驗介質(zhì)等控制因素。這是構(gòu)造物理模擬實驗不可避免的局限性。部分學(xué)者于是轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬或數(shù)字砂箱實驗，亦取得了豐碩成果[33-34]。但是，數(shù)值模擬仍需要物理模擬的成果提供變形準(zhǔn)則，不具備物理模擬實驗的易實現(xiàn)性和創(chuàng)造性。二者相互配合，將是今后沖斷構(gòu)造研究的發(fā)展方向。

(2)構(gòu)造物理模擬實驗的發(fā)展已經(jīng)有200多年歷史，其技術(shù)的進步主要體現(xiàn)在新材料和先進觀測設(shè)備的使用，以及實驗過程的復(fù)雜化上。材料方面，學(xué)者采用不同型號和黏度的硅膠模擬蓋層滑脫層，使用玻璃珠模擬基底滑脫面，應(yīng)用糖漿或鎢酸鈉溶液模擬流動的地幔和前陸盆地的壓陷作用；觀測方面，學(xué)者使用三維地形掃描、粒子追蹤、X射線、CT掃描等設(shè)備從平面、側(cè)面、剖面和立體多個角度觀測砂體的構(gòu)造變形；實驗過程方面，學(xué)者在模擬沖斷的同時進行同沉積、同剝蝕、降雨、差異化邊界條件設(shè)置等過程的疊加和復(fù)雜化[3]。特殊實驗條件方面，國外已開展而浙江大學(xué)正在籌建的超重力模擬實驗裝置，也是模擬沖斷帶內(nèi)地殼均衡、底辟的先進手段。每一種新材料或新設(shè)備在構(gòu)造物理模擬中的應(yīng)用都是建立在科技進步之上。當(dāng)前新興技術(shù)包括超級計算、人工智能、3D打印等，它們可以分別應(yīng)用于多參數(shù)、多節(jié)點設(shè)置下的數(shù)值模擬計算，多解性地質(zhì)模型的識別，多邊界條件下實驗?zāi)Ｐ偷匿佋O(shè)等。隨著構(gòu)造物理模擬實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，沖斷構(gòu)造和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的認(rèn)識將不斷深入。