特提斯構(gòu)造域典型構(gòu)造特征及其控制因素探討
——以物理模擬成果為例

何文剛,羅 偉*,馮衛(wèi)平,袁余洋

(1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，遵義 563006；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

特提斯構(gòu)造域是分布于歐亞大陸的一條巨型緯向造山帶，西起歐洲的阿爾卑斯山，經(jīng)中東、青藏高原，至中南半島及印度尼西亞[1]。這一構(gòu)造域內(nèi)既發(fā)育有一系列的蛇綠混雜巖帶，也分布有大量的油氣和固體礦產(chǎn)資源，是研究洋-陸碰撞、陸-陸碰撞和油氣、金屬礦產(chǎn)運(yùn)移、富集機(jī)制的理想場(chǎng)所。前人對(duì)該帶內(nèi)典型區(qū)段構(gòu)造變形特征[2-4]、油氣和固體礦產(chǎn)資源分布特征、成礦規(guī)律[5-9]進(jìn)行了大量研究，并在此基礎(chǔ)上勘探并發(fā)現(xiàn)了大量的大型-超大型油氣田及金屬礦床。

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是研究構(gòu)造變形過(guò)程、成因機(jī)理[10-12]的重要手段。但基于物理模擬實(shí)驗(yàn)，前人對(duì)特提斯構(gòu)造帶的變形控制及影響因素的系統(tǒng)總結(jié)探討還比較缺乏。因此，結(jié)合最新的物理模擬研究成果，對(duì)特提斯構(gòu)造帶的變形控制因素進(jìn)行系統(tǒng)歸納、總結(jié)和探討，為該構(gòu)造帶的變形特征及其控制因素的進(jìn)一步深入理解提供構(gòu)造物理學(xué)證據(jù)，同時(shí)為沿線礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)提供重要參考。

圖1 特提斯構(gòu)造域構(gòu)造格架及分段劃分圖Fig.1 Tectonic framework and segmentation map of tethys tectonic domain

1 特提斯構(gòu)造域典型構(gòu)造樣式

特提斯構(gòu)造域主要由西段、中段、東段三部分組成(圖1)。西段歐洲板塊與非洲板塊在古近紀(jì)和新近紀(jì)發(fā)生匯聚，此期間亞得里亞海微板塊與歐洲板塊發(fā)生俯沖碰撞，形成超過(guò)700 km的阿爾卑斯山造山帶[13-15]。中段阿拉伯板塊與伊朗板塊的俯沖碰撞，形成NW-SE向長(zhǎng)達(dá)2 000 km的扎格羅斯褶皺-沖斷帶和伊朗高原[5,16]。東段印度板塊與亞洲板塊俯沖碰撞，形成平均海拔5 000 km的青藏高原及其周邊復(fù)雜的變形構(gòu)造[6,17]。

1.1 特提斯構(gòu)造域西段

1.1.1 比利牛斯山變形樣式

阿爾卑斯造山運(yùn)動(dòng)中形成的比利牛斯山，在晚中生代至新生代發(fā)生變形，形成了NW-SE走向的不對(duì)稱楔形體[18]。前人以楔形體軸部為界，把比利牛斯山分為南部埃布羅河前陸盆地、北部阿基坦盆地兩部分。比利牛斯山軸部發(fā)育前沖與后沖斷層(圖2)，地層由古生代組成且上覆地層被剝蝕，其兩翼前陸地區(qū)地層由中生代組成[3,8,19]。

1.1.2 侏羅山和喀爾巴阡山變形樣式

侏羅山位于瑞士西北部與德、法交界處，構(gòu)造上屬阿爾卑斯造山帶的前陸。與其東南高度變形的阿爾卑斯山之間橫亙著漸新世到上新世磨拉石盆地。

侏羅山隨著阿爾卑斯弧的彎曲而成向西北突出的新月形，中部寬，兩端窄，其以脫褶皺作用和沖斷作用為特征。中生代地層在海西基底上滑脫，三疊系中的膏鹽層作為滑脫層出露于背斜核部，形成著名的侏羅山式褶皺樣式(圖3)。

喀爾巴阡山褶皺-沖斷帶形成于中新世，是東阿爾卑斯的一部分，位于歐洲中部，全長(zhǎng)1 450 km。從斯洛伐克布拉迪斯拉發(fā)附近的多瑙河谷起，經(jīng)波蘭、俄羅斯邊境到羅馬尼亞西南多瑙河畔的鐵門，呈半環(huán)形[20]。地層由新元古代、古生代、中生代、新生代4套組成(圖4)。地層發(fā)生強(qiáng)烈變形，基底正斷層發(fā)育，上覆形成新元古代至白堊紀(jì)逆沖推覆構(gòu)造，而且在沖斷帶前緣廣泛發(fā)育前陸盆地[20-22]。

1.2 特提斯構(gòu)造域中段

1.2.1 扎格羅斯褶皺-沖斷帶變形樣式

扎格羅斯褶皺-沖斷帶從北西向南東弧形展布。從土耳其至伊朗霍爾木茲海峽綿延2 000 km。依據(jù)地貌特征，以扎格羅斯斷層為界，扎格羅斯褶皺-沖斷帶被分為高扎格羅斯構(gòu)造帶和扎格羅斯簡(jiǎn)單褶皺帶[5]。該構(gòu)造帶在晚白堊世開始發(fā)生擠壓變形，在漸新世至早中新世，阿拉伯板塊與伊朗中部發(fā)生持續(xù)碰撞，形成褶皺和逆沖斷層(圖5)。上新世沉積了6～12 km的沉積物。演化歷史表現(xiàn)為從被動(dòng)大陸邊緣過(guò)渡到裂陷，以及與蛇綠巖消減和碰撞相關(guān)的擠壓變形過(guò)程。

1.2.2 天山變形樣式

天山造山帶位于中亞造山帶南緣，屬年輕的造山帶，一直以來(lái)是構(gòu)造變形研究的熱點(diǎn)。構(gòu)造樣式主要是上地幔與下地殼繞曲變形，上地殼形成逆沖斷裂(圖6)。區(qū)域地質(zhì)、地貌和全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)數(shù)據(jù)分析表明，它是在擠壓和轉(zhuǎn)換擠壓背景下形成，且周緣被逆斷層切割[23]。

圖3 法國(guó)侏羅山變形樣式[22]Fig.3 The jura-type deformation pattern in france[22]

圖4 喀爾巴阡山變形樣式[20]Fig.4 The deformation pattern of Carpathian Mountains[20]

圖5 伊朗扎格羅斯褶皺-沖斷帶構(gòu)造變形樣式Fig.5 Tectonic deformation pattern of fold-thrust belt of Zagros

1.2.3 庫(kù)車變形樣式

庫(kù)車沖斷-褶皺帶北鄰天山，南接塔里木盆地北部隆起，西起阿克蘇，東至輪臺(tái)，近東西向延伸，長(zhǎng)300～400 km，南北寬40～70 km。該區(qū)發(fā)育東西走向的褶皺和斷層，平面上由北向南分為北部褶皺帶、克依構(gòu)造帶、秋立塔格背斜帶和亞肯背斜帶(圖7)。褶皺-沖斷帶主要位于天山山前，發(fā)育逆沖斷層和高陡直立背斜為主，研究區(qū)內(nèi)鹽巖構(gòu)造極為發(fā)育[4,24]。

1.3 特提斯構(gòu)造域東段

1.3.1 喜馬拉雅變形樣式

印度與亞洲碰撞形成平均地貌海拔5 000 km高的青藏高原[17]，逆沖推覆構(gòu)造和大型的伸展構(gòu)造發(fā)育、并形成大量的巖漿巖和變質(zhì)巖。有關(guān)印度-亞洲碰撞的時(shí)間有65～50 Ma等多種觀點(diǎn)[17,25]，目前仍然存在爭(zhēng)議。前人對(duì)青藏高原變形特征已開展了廣泛的研究[6,17,26]，研究表明從南至北，該區(qū)的構(gòu)造分別由喜馬拉雅塊體和始新世、漸新世-中新世和上新世-第四紀(jì)青藏地塊共同組成(圖8)，塊體內(nèi)部變形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一直是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

1.3.2 龍門山逆沖-褶皺帶變形樣式

位于青藏高原東側(cè)的龍門山逆沖-褶皺帶(圖9)。其由兩期構(gòu)造變形組成，第一期構(gòu)造組合下伏層序由前寒武紀(jì)結(jié)晶基底組成，中生代三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)淺水沉積物覆蓋在基底之上，同時(shí)發(fā)生擠壓作用，基底形成疊瓦式的逆沖斷層；第二期，中生代再一次造山運(yùn)動(dòng)，形成龍門山復(fù)雜的逆沖構(gòu)造、使得早期形成的褶皺進(jìn)一步強(qiáng)烈變形[26-27]。

圖6 天山構(gòu)造變形樣式[23]Fig.6 The structural deformation pattern of Tianshan[23]

圖7 庫(kù)車構(gòu)造變形樣式[4]Fig.7 Structural Deformation pattern of Kuche[4]

圖8 青藏高原構(gòu)造變形樣式[6]Fig.8 Tectonic deformation pattern of the Qinghai-Tibet Plateau[6]

圖9 龍門山逆沖褶皺帶構(gòu)造變形樣式[27]Fig.9 The structural deformation pattern of Longmenshan thrust-fold belt[27]

圖10 川東-湘鄂西褶皺-沖斷帶構(gòu)造變形樣式Fig.10 Fold-thrust belt structural deformation pattern in East Sichuan and West Hunan and Hubei

1.3.3 川東-湘鄂西變形樣式

川東-湘鄂西構(gòu)造帶位于中上揚(yáng)子地區(qū)，同時(shí)也是華夏和揚(yáng)子地塊的交界過(guò)渡帶。以齊岳山斷層為界，東南構(gòu)造樣式主要是基底卷入變形，形成隔槽式褶皺，古生代地層出露地表，西側(cè)構(gòu)造樣式主要是隔檔式褶皺，沉積大套中生代地層。剖面上形成典型的薄皮和厚皮構(gòu)造特征(圖10)，同時(shí)該區(qū)主體變形發(fā)生在印支期至燕山期，并具有多期變形的特點(diǎn)[28-29]。

2 構(gòu)造變形關(guān)鍵控制因素

物理模擬是研究構(gòu)造形成過(guò)程及其控制因素的有效方法，在褶皺-沖斷帶的研究中有著廣泛的應(yīng)用[30-34]。邊界幾何形態(tài)[35-37]、基底滑脫層的傾角和強(qiáng)度[31,38-40]、脆性層的厚度和強(qiáng)度[38,41-43]、韌性層與脆性層強(qiáng)度比[30,44]以及地貌傾角和地貌特征[45-46]等因素對(duì)褶皺-沖斷帶的變形具有重要的控制作用。然而，特提斯構(gòu)造帶西、中和東段的變形控制因素研究表明，該構(gòu)造域的變形主要與塊體幾何特征、俯沖碰撞速度和巖石圈流變學(xué)差異有關(guān)(表1)。

2.1 塊體幾何特征

邊界條件是控制特提斯造山帶變形特征的重要因素之一。如特提斯西段比利牛斯山的變形與被擠壓一側(cè)的歐洲板塊的幾何形態(tài)有關(guān)(圖11)。中段的扎格羅斯造山帶的變形同樣與滑脫層及塊體的幾何形狀關(guān)系密切，同時(shí)中間滑脫層的幾何特征對(duì)變形樣式具有重要的控制作用(圖12)。東段的川東-湘鄂西構(gòu)造帶物理模擬研究揭示，邊界斷裂幾何特征對(duì)褶皺樣式的分布同樣具有非常重要的控制作用。如華鎣山斷裂和齊岳山斷裂屬近似平行的曲折邊界，區(qū)域內(nèi)部形成的褶皺也與兩側(cè)的邊界斷裂近似平行展布(圖13)。因此，地質(zhì)體塊體初始幾何形態(tài)是影響構(gòu)造變形特征的關(guān)鍵因素之一。

表1 特提斯不同區(qū)段匯聚速率及巖石結(jié)構(gòu)特征Table 1 The convergence rate and rock structure characteristics of different sections of Tethys

圖11 特提斯構(gòu)造域西段比利牛斯山褶皺-沖斷帶物理模擬結(jié)果[3]Fig.11 Physical simulation results of the Pyrenees fold-thrust belt in the western segment of the Tethys tectonic domain[3]

圖12 特提斯構(gòu)造域中段扎格羅斯褶皺-沖斷帶物理模擬結(jié)果[5]Fig.12 Physical simulation results of the Zagros fold-thrust belt in the middle segment of the Tethys tectonic domain[5]

2.2 俯沖碰撞速度

圖13 特提斯構(gòu)造域東段川東-湘鄂西褶皺-沖斷帶物理模擬結(jié)果Fig.13 Physical simulation results of the eastern Sichuan-West Hunan and Hubei fold-thrust belt in the eastern part of the Tethys structural region

塊體之間的匯聚速率是影響變形樣式的又一關(guān)鍵控制因素(表1)。阿爾卑斯西段的伊比利亞板塊與歐洲板塊的匯聚速率大約是1.5 mm/a[47]，扎格羅斯造山帶中段的褶皺-沖斷帶的非洲板塊與歐亞板塊的匯聚速率是10～20 mm/a[47-49]，印度與亞洲板塊中段的喜馬拉雅造山帶的匯聚速率是3～5 mm/a[6,50-51]。Gutscher等[52]對(duì)卡斯卡底古陸形成機(jī)制物理模擬研究表明，在地層結(jié)構(gòu)一致的情況下，變形樣式的差異由匯聚速率所決定。速率在1.0～10 mm/min，形成高摩擦屬性的前沖型構(gòu)造；速率在0.5～1.0 mm/min，形成后沖型構(gòu)造，小于0.5 mm/min的速率則形成雙向?qū)_的復(fù)合型構(gòu)造。即擠壓碰撞速度對(duì)構(gòu)造樣式的產(chǎn)生具有重要的控制作用。

2.3 巖石圈流變學(xué)差異

巖石圈的流變學(xué)差異對(duì)變形的影響同樣具有關(guān)鍵的控制作用。物理模擬研究表明，特提斯構(gòu)造域的中段扎格羅斯構(gòu)造帶中間滑脫層對(duì)構(gòu)造樣式和褶皺波長(zhǎng)的形成具有重要的控制作用[5]，特別是膏鹽巖軟弱層的分布對(duì)變形具有極其重要的影響[5,53-54]。東段青藏高原變形演化流變學(xué)特征、GPS和地震數(shù)據(jù)均表明青藏高原高地貌，在重力作用下向北和南發(fā)生匯聚；同時(shí)中地殼熱、富集流體；花崗巖熔融溫度達(dá)1 300～1 400 ℃，表明下地殼溫度高[5,17]。因此，巖石圈的流變學(xué)特性對(duì)整個(gè)特提斯中、東段具有重要影響。巖石圈結(jié)構(gòu)的流變特性對(duì)變形的影響一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)。如Rossetti等[55]的流變學(xué)差異物理模擬揭示，低黏度、高應(yīng)變速率，形成窄而陡沖斷楔；反之，高黏度、低應(yīng)變速率，則形成低緩的沖斷楔。以上分析可以揭示流變特性與變形作用持續(xù)的時(shí)間共同制約了特提斯構(gòu)造域變形樣式的形成。

3 形成機(jī)制分析

物理模擬研究表明特提斯構(gòu)造域變形關(guān)鍵控制因素及變形機(jī)制與該構(gòu)造帶東西向幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，板塊俯沖、碰撞及巖石的力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。但不同區(qū)段的形成機(jī)制存在明顯的差異。

3.1 特提斯西段

三維物理模擬揭示歐洲塊體在水平方向的臨界角變化對(duì)逆沖帶的極性構(gòu)成影響，剛性塊體越薄，變形持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，形成傾向擠壓一端的逆沖斷層。同時(shí)，變形前緣向前陸方向的擴(kuò)展與歐洲塊體的地殼厚度有關(guān)，即歐洲板塊向外擴(kuò)展變形受到塊體之上脆性層的厚度所控制[3]。Rosenberg等[56]開展了東阿爾卑斯構(gòu)造演化的物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，表明板塊斜向匯聚和流變學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)褶皺-沖斷帶的變形產(chǎn)生了重要的影響，尤其表明該研究區(qū)伸展型構(gòu)造的形成與剛性塊體邊界和匯聚方向有關(guān)。因此，綜合前人的物理模擬研究成果表明歐洲板塊、伊比利亞板塊及阿拉伯板塊的幾何特征、匯聚速率和流變學(xué)結(jié)構(gòu)特征對(duì)該地區(qū)變形樣式的形成具有關(guān)鍵的控制作用。

3.2 特提斯中段

特提斯中段的扎格羅斯褶皺-沖斷帶是阿拉伯板塊與歐亞板塊的碰撞而形成[5]。盡管有關(guān)該區(qū)的變形演化的持續(xù)時(shí)間和縮短量仍然存在一定的爭(zhēng)議[5,49]。但是該區(qū)的構(gòu)造特征和形成的控制因素是比較清晰的。扎格羅斯褶皺-沖斷帶物理模擬研究揭示，構(gòu)造樣式的形成與巖石的力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切，尤其是該地區(qū)中間滑脫層的存在對(duì)變形樣式和褶皺波長(zhǎng)具有重要的控制作用。具體體現(xiàn)在滑脫褶皺是早期形成，逆沖斷層是后期變形作用的結(jié)果[5]。而且研究區(qū)具有多套滑脫層，其中中生代的滑脫層對(duì)變形具有重要控制作用[57-58]。同時(shí)，特提斯中段具有較高的板塊擠壓匯聚速率，且不同構(gòu)造帶，匯聚速率差異較大[47]。因此，巖石的力學(xué)性質(zhì)和板塊匯聚速率是形成該區(qū)差異構(gòu)造樣式的重要原因。

3.3 特提斯東段

特提斯東段特別是青藏高原是印度與亞洲的碰撞而形成[17,59-60]。盡管青藏高原的俯沖碰撞具體時(shí)間和高原的隆升機(jī)制仍然存在諸多爭(zhēng)議[6,17]，但高原的構(gòu)造樣式和地殼結(jié)構(gòu)特征已得到部分地球物理資料的證實(shí)[60-61]。物理模擬研究揭示青藏高原及其周邊的變形與印度板塊向亞洲俯沖、青藏高原地殼增厚和向巖石圈逃逸有關(guān)[6]。特提斯構(gòu)造帶東段的中上揚(yáng)子的川東地區(qū)，則屬陸內(nèi)俯沖變形，與太平洋構(gòu)造域的俯沖作用有關(guān)[59-60]。青藏高原軟弱的下地殼結(jié)構(gòu)和四川地塊剛性的克拉通，形成了環(huán)繞四川地塊周緣一系列復(fù)雜的逆沖和褶皺等構(gòu)造變形樣式。因此，特提斯東段的形成主要是來(lái)自太平洋與歐亞的俯沖作用以及印度和亞洲大陸的碰撞有關(guān)。擠壓碰撞的速率和地殼巖石圈的流變學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)該區(qū)段變形特征的形成具有重要的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

特提斯構(gòu)造帶西、中和東段具有差異的變形樣式，其差異的變樣式與板塊幾何特征、匯聚速率、地層流變學(xué)結(jié)構(gòu)和塊體的力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，而且在不同構(gòu)造帶，其關(guān)鍵控制因素也存在明顯差異。

特提斯構(gòu)造域典型構(gòu)造帶的物理模擬研究揭示了西段構(gòu)造特征主要形成雙向逆沖斷裂；中段形成逆沖斷裂和斷層相關(guān)褶皺；東段形成逆沖斷裂、褶皺及復(fù)雜的斷裂體系。不同塊體的幾何特征及極性對(duì)西段的變形樣式具有重要控制；現(xiàn)今中段扎格羅斯造山帶的擠壓變形仍在繼續(xù)擴(kuò)展，巖石的力學(xué)性質(zhì)、滑脫層厚度及其分布對(duì)該區(qū)的變形具有關(guān)鍵的控制作用；東段地殼隆升幅度較大，地層流變學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)該段的變形仍然具有非常重要的控制。同時(shí)，不同區(qū)段的板塊之間的擠壓匯聚速率對(duì)變形構(gòu)造的形成具有明顯的控制作用。

模擬結(jié)果進(jìn)一步揭示，由于不同區(qū)帶塊體幾何形態(tài)、地層力學(xué)性質(zhì)、匯聚速率和地層流變學(xué)結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致了特提斯構(gòu)造域差異形成變形特征的形成。