萬(wàn)元博，李智武，鄧　賓，劉樹(shù)根，趙高平，林　彤 ，黃　瑞

(成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都　610059)

?

前陸褶皺沖斷帶沖起構(gòu)造發(fā)育特征:基于砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

萬(wàn)元博，李智武，鄧賓，劉樹(shù)根，趙高平，林彤 ，黃瑞

(成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都610059)

沖起構(gòu)造廣泛發(fā)育于擠壓逆沖構(gòu)造體系和走滑構(gòu)造體系，具有極其重要的油氣勘探價(jià)值，因而備受關(guān)注。砂箱模擬模型已經(jīng)被證明是強(qiáng)大的可視化工具，用來(lái)模擬不同巖層中復(fù)雜的構(gòu)造現(xiàn)象?；谙嗨瞥跏忌跋錁?gòu)造模型條件下不同擠壓速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)變形過(guò)程，揭示出褶皺沖斷帶發(fā)育過(guò)程中的典型兩類沖起構(gòu)造：疊加沖起構(gòu)造和單一沖起構(gòu)造，它們對(duì)于褶皺沖斷帶演化過(guò)程及其油氣勘探具有明顯不同的重要性。砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)揭示楔形體擴(kuò)展變形序列對(duì)前陸褶皺沖斷帶沖起構(gòu)造發(fā)育類別具有重要控制作用，即褶皺沖斷帶前緣以前展式擴(kuò)展變形為主，主要發(fā)育單一沖起構(gòu)造；后緣以后展式擴(kuò)展變形為主,主要發(fā)育疊加沖起構(gòu)造。

砂箱實(shí)驗(yàn)；沖斷楔形體；疊加沖起構(gòu)造；單一沖起構(gòu)造

0　引　言

沖起構(gòu)造(Pop-up structure)是板內(nèi)擠壓逆沖構(gòu)造帶和走滑斷層帶的重要組成部分，其特征是逆沖斷層與同時(shí)發(fā)育的反沖斷層所圍限的部位因強(qiáng)烈擠壓而形成隆起，主要表現(xiàn)為斷層切割巖層扭曲的背斜形式，廣泛發(fā)育于擠壓逆沖構(gòu)造體系和走滑構(gòu)造體系，具有極其重要的油氣勘探價(jià)值，因而備受關(guān)注[1-5]。單一沖起構(gòu)造(Simple pop-up structure)是指在褶皺沖斷帶發(fā)育的單個(gè)逆沖斷層與其同時(shí)形成的反沖斷層所構(gòu)成的隆起構(gòu)造，而疊加沖起構(gòu)造(Superimposed pop-up structure)是指褶皺沖斷帶發(fā)育相鄰的單一沖起構(gòu)造間新發(fā)育的逆沖斷層與先存發(fā)育的反沖斷層后疊加在一起構(gòu)成的更大的隆起構(gòu)造。

圖1　沖起構(gòu)造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?其中Tn為沖斷楔形體，α為楔頂角，H0為初始高度， Hf為最終楔高，θn為逆沖斷層傾角，θrn為反沖斷層傾角，βn為沖斷層間夾角，βsn為疊加沖起構(gòu)造夾角，Dn為逆沖斷層斷距，Drn為反沖斷層斷層)Fig.1　Model of pop-up structure showing the parameters measured in the analysis of the experiment

砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究和模擬自然界地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象變形特征，以揭示其成因機(jī)制和運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程，已經(jīng)被證明是強(qiáng)大的可視化工具，在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用[5]。將砂箱構(gòu)造物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合運(yùn)用到褶皺沖斷帶研究，從定性分析到定量化建立地質(zhì)模型，不僅促進(jìn)地質(zhì)學(xué)發(fā)展，而且對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。造山帶砂箱物理模擬研究中廣泛發(fā)育沖起構(gòu)造。Richard等通過(guò)砂箱模擬實(shí)驗(yàn)描述了走滑斷層帶的變形特征，探討了邊界條件對(duì)走滑斷層中沖起構(gòu)造發(fā)育演化的影響[6]。MCCLAY等通過(guò)砂箱模擬走滑斷層系統(tǒng)中擠壓位錯(cuò)的模型，揭示了沖起構(gòu)造漸進(jìn)演化的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[7]。SCHELLART等通過(guò)砂箱模擬了雙重基底走滑斷層的沖起構(gòu)造演化，運(yùn)用3D掃描技術(shù)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，探討了沖起構(gòu)造的地表隆起特征[8]。前人的研究成果中大多對(duì)擠壓縮進(jìn)砂箱模型中沖起構(gòu)造的邊界條件、幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)作了深度研究，而對(duì)前陸褶皺沖斷帶發(fā)育的沖起構(gòu)造發(fā)育樣式及其形成類別、生長(zhǎng)機(jī)制則探討很少。因此，本文基于相似初始砂箱構(gòu)造模型條件下不同擠壓速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)的變形過(guò)程，探討褶皺沖斷帶沖起構(gòu)造的發(fā)育演化過(guò)程，研究成果對(duì)于褶皺沖斷帶演化及其油氣勘探具有明顯不同的重要性。

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)志層采用紅色石英砂顆粒),力學(xué)性質(zhì)符合庫(kù)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[9-18]。石英砂經(jīng)篩分,粒徑為200～400 μm，內(nèi)摩擦角29°～31°,內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55。

1.2模型的相似性

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(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)探討地質(zhì)問(wèn)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[19-22]。筆者的實(shí)驗(yàn)中，所有采用的沖起構(gòu)造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌鋷缀螌W(xué)參數(shù)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)相似，根據(jù)前人研究選取了兩類量級(jí)的擠壓速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[7,23-25]。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(zhǎng)度的比值。實(shí)驗(yàn)在正常重力場(chǎng)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(zhǎng)度比值L*=1×10-5(模型1 cm代表自然界1 km)，因此模型與原型的應(yīng)力比值為5×10-16。

1.3模型的建立

本次實(shí)驗(yàn)采用的砂箱規(guī)格為1 080 mm×340 mm×420 mm。設(shè)計(jì)了3組不同速率下單向擠壓模型，模型鋪設(shè)的水平砂層分三層，從下到上厚度分別為15 mm、10 mm、10 mm，中間以純紅色干燥石英砂作為標(biāo)志層(圖2)。

圖2　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置Fig.2　Setting up of the experimental model

1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本次實(shí)驗(yàn)是左端電缸不動(dòng)，通過(guò)啟動(dòng)右端電缸作水平單側(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=500 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)照相記錄擠壓過(guò)程。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都進(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

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3組不同速率下的單向擠壓變形，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的圖像記錄及其沖起構(gòu)造樣式的解釋如以下圖件(圖3—圖9)所示,圖中水平砂層剖面上的紅色曲線為標(biāo)志層。

2.1V1=0.3 mm/s的單側(cè)擠壓變形結(jié)果

擠壓作用開(kāi)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。隨著右側(cè)擋板向左推移，靠近擋板一端會(huì)依次成對(duì)出現(xiàn)向剖面右側(cè)傾斜(與擠壓方向相反)的逆沖斷層和向剖面左側(cè)傾斜的反沖斷層(圖3(a))。模型演化早期，楔形體向前擴(kuò)展，伴隨逆沖斷層生長(zhǎng)的反沖斷層會(huì)發(fā)育多條反沖斷層并與之一起生長(zhǎng)，楔頂角快速變小，快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)高度80 mm(圖3(b))。繼續(xù)向前擠壓至縮短量S=500 mm過(guò)程中，楔形體具前展式變形且楔頂角穩(wěn)定范圍為7°～12°(圖4)，楔形體高度隨著擠壓位移量的增加，緩慢增長(zhǎng)至105 mm；發(fā)育的逆沖斷層和其相應(yīng)的反沖斷層的傾角變化都先減小后趨于穩(wěn)定，5條主要逆沖斷層的傾角的穩(wěn)定峰值區(qū)間為33°～43°，反沖斷層的穩(wěn)定峰值區(qū)間為47°～68°(圖4(e))；沖斷層間的夾角β為85°～102°(圖4(f))；逆沖斷層的斷距為34.1～64.9 mm，大于相應(yīng)的反沖斷層斷距7.7～19.1 mm(圖4(b)和(c))。

最終模型的幾何形態(tài)在剖面上的顯示如圖3(g),在此速率下其構(gòu)造樣式主要表現(xiàn)為楔形體向前擴(kuò)展，同時(shí)形成右傾的逆沖斷層和左傾的反沖斷層構(gòu)成的單一沖起構(gòu)造。楔形體的生長(zhǎng)過(guò)程與沖起構(gòu)造的發(fā)育過(guò)程有著密不可分的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：成對(duì)發(fā)育的逆沖斷層和反沖斷層的傾角的逐漸減小、斷距增大直接導(dǎo)致單一沖起構(gòu)造的夾角和面積的增大；新形成的反沖斷層剪切先存的逆沖斷層導(dǎo)致其向上生長(zhǎng)(隆起)，從而使得楔形體高度增加。

表1不同擠壓速率下實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果

Table 1Summary of experimental parameters and results of experiment series with various velocity

沖斷楔形體參數(shù)V1=0.3mm/sV2=0.1mm/sV3=0.005mm/sTT1T2T3T4α/(°)23～719～724～6H0/mm353535Hf/mm105107112θ1/(°)30.43335θr1-1/(°)-53-66-61.5θr1-2/(°)-54-51-45β1/(°)96.596100D1/mm43.442.773.7Dr1-1/mm22.211.915.2Dr1-2/mm15.644.230.2θ2/(°)35.235.434.9θr2-1/(°)-37-66-50θr2-2/(°)-55-61-50.6β2/(°)89.895.695.1βs2/(°)-100-D2/mm34.17045.5Dr2-1/mm18.55.510.9Dr2-2/mm9.111.111.7θ3/(°)38.344.430θr3-1/(°)-53-60-50.2θr3-2/(°)-49--45.2β3/(°)92.785.699.8βs3/(°)102-108D3/mm64.918.717.8Dr3-1/mm19.17.324.8Dr3-2/mm17.6-13.4θ4/(°)39.131.138θr4-1/(°)-60-50-50.1θr4-2/(°)-62-44-β4/(°)80.998.881D4/mm31.654.615Dr4-1/mm7.79.37.8Dr4-2/mm8.218.8-

圖3　擠壓速率V1=0.3 mm/s下的單側(cè)向擠壓模型變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3　Profiles showing the progressive evolution result of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V1=0.3 mm/s

2.2V2=0.1 mm/s的單側(cè)擠壓變形結(jié)果

圖5　擠壓速率V2=0.1 mm/s下的單側(cè)向擠壓模型變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Profiles showing the progressive evolution of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V2=0.1 mm/s

圖6　擠壓速率V1=0.3 mm/s((a)、 (b))和V2=0.1 mm/s((c)、 (d))下的擠壓縮短量與斷距曲線對(duì)比Fig.6　Comparison of shortening vs thrust displacement at the extrusion speeds of V1 and V2

擠壓開(kāi)始后，水平砂層初始變形同樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不對(duì)稱的膝折帶。在T4形成之前，模型的演化早期與V1=0.3 mm/s的相似，楔形體具前展式褶皺沖斷變形，靠近擋板一端會(huì)依次成對(duì)出現(xiàn)向剖面右側(cè)傾斜的逆沖斷層和向剖面左側(cè)傾斜的反沖斷層(圖5(a))。伴隨逆沖斷層生長(zhǎng)的反沖斷層會(huì)發(fā)育多條反沖斷層與之一起生長(zhǎng)，楔頂角由最初的19°快速減小為6°(表1)，楔形體達(dá)到穩(wěn)態(tài)高度為77 mm(圖5(b))。當(dāng)縮短量S=274 mm時(shí)，發(fā)育的Tr2開(kāi)始反向剪切T1后，剖面上顯示T1上疊于T2并與之一起以背沖方式增生構(gòu)成一個(gè)更大的疊加沖起構(gòu)造(圖5(d)和(e))，從而導(dǎo)致楔高H和T2、Tr1的斷距增加(圖6(c)和(d))。 當(dāng)縮短量S=364 mm時(shí)，T4發(fā)育穩(wěn)態(tài)，隨著擠壓的持續(xù)推移反沖斷層剪切T3導(dǎo)致T3內(nèi)部變形嚴(yán)重，剖面上顯示為T(mén)3與T4疊重后一起發(fā)育構(gòu)成另一個(gè)大的疊加沖起構(gòu)造(圖5(f)和(g))，這種變形方式也導(dǎo)致T4、Tr3的斷距增加(圖6(c)和(d))。繼續(xù)擠壓至縮短量S=500 mm時(shí)，砂體前緣向前擴(kuò)展，形成新的沖斷層T5(圖5(h))。

整個(gè)擠壓過(guò)程與速率V1的相比，楔形體后緣內(nèi)部變形略有增強(qiáng)。然而不同的是，當(dāng)擠壓縮短量S為274～336 mm(T3形成后T4之前)和縮短量S為364～458 mm(T4形成后T5之前)，在這兩個(gè)階段，楔形體沒(méi)有向前擴(kuò)展形成新的沖斷層，而是在其后緣先存的逆沖斷層以對(duì)沖運(yùn)動(dòng)方式增生。楔頂角的穩(wěn)態(tài)范圍為9°～12°，楔形體達(dá)到臨界楔高后緩慢增長(zhǎng)至結(jié)束時(shí)高度為107 mm；發(fā)育的逆沖斷層和其相應(yīng)的反沖斷層的傾角變化都先減小后趨于穩(wěn)定，5條主要逆沖斷層的傾角的穩(wěn)定峰值區(qū)間為31.1°～44.4°，反沖斷層的穩(wěn)定峰值區(qū)間為44°～66°，沖斷層間的夾角β為85.6°～100°；逆沖斷層的斷距為18.7～70 mm，普遍大于相應(yīng)的反沖斷層斷距5.5～44.2 mm(表1)。

2.3V3=0.005 mm/s的單側(cè)擠壓變形結(jié)果

擠壓作用開(kāi)始后，隨著右側(cè)擋板推移，在縮短量S=226 mm之前，模型初始變形與V1的相似，楔形體具前展式褶皺沖斷變形且靠近擋板一端會(huì)依次成對(duì)出現(xiàn)向剖面右側(cè)傾斜(與擠壓方向相反)的逆沖斷層和向剖面左側(cè)傾斜的反沖斷層(圖7)。伴隨逆沖斷層生長(zhǎng)的反沖斷層會(huì)發(fā)育多條反沖斷層并與之一起生長(zhǎng)，楔頂角由最初的24°快速減小為10°，楔形體穩(wěn)態(tài)高度為83 mm(圖7(b))。繼續(xù)擠壓至縮短量S=258 mm處，在此推進(jìn)過(guò)程中，楔形體沒(méi)有向前擴(kuò)展而是在楔形體的后緣反沖斷層Tr2剪切先存逆沖斷層T1并以上疊方式增生，這種變形方式直接導(dǎo)致T2、Tr1的斷距增加，其增加幅度小于V2的結(jié)果(圖8(e)和(f))，進(jìn)而使逆沖斷層T2和T1在剖面上呈疊加樣式(圖7(g))。當(dāng)擠壓至縮短量S=374 mm時(shí)，新形成的逆沖斷層T4發(fā)育穩(wěn)態(tài)。繼續(xù)擠壓至縮短量S=448 mm時(shí)，楔形體同樣沒(méi)有向前擴(kuò)展而是在沖斷帶后緣新發(fā)育的反沖斷層Tr4剪切先存T3并以疊重形式背沖增生，同樣導(dǎo)致T4、Tr3的斷距增加，斷距增加幅度明顯高于V2的結(jié)果(圖8(e)和(f))。當(dāng)縮短量S=500 mm時(shí)，在左邊擋板附近快速發(fā)育新的沖斷層T5(圖7(h))。

整個(gè)擠壓過(guò)程與擠壓速率V1、V2的模型相比，楔形體內(nèi)部變形較V1、V2強(qiáng)。楔頂角的穩(wěn)態(tài)范圍為7.5°～11°，楔形體達(dá)到臨界楔高后緩慢增長(zhǎng)至結(jié)束時(shí)高度為112 mm；發(fā)育的逆沖斷層和其相應(yīng)的反沖斷層的傾角變化都先減小后趨于穩(wěn)定，5條主要逆沖斷層的傾角的穩(wěn)定峰值區(qū)間為30°～35°，反沖斷層的穩(wěn)定峰值區(qū)間為45°～61.5°，沖斷層間的夾角β為81°～100°；逆沖斷層的斷距為17.8～73.7 mm，普遍大于相應(yīng)的反沖斷層斷距7.8～30.2 mm(表1)。

圖7　擠壓速率V3=0.005 mm/s下的單側(cè)向擠壓模型變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7　Profiles showing the progressive evolution of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V3=0.005 mm/s

2.4小結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出：擠壓楔形體的擴(kuò)展變形序列對(duì)沖起構(gòu)造發(fā)育起著重要的控制作用，同樣的沖起構(gòu)造的發(fā)育特征對(duì)楔形體變形起著重要的反饋?zhàn)饔?表2)；楔形體的楔頂角的變化主要穩(wěn)定在7°～13°之間；楔高的增長(zhǎng)分為兩個(gè)階段，即快速增長(zhǎng)至臨界楔形體高度以后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)低速增長(zhǎng)期，在穩(wěn)定低速增長(zhǎng)期，楔高的增大主要是后發(fā)育的反沖斷層錯(cuò)切先存逆沖斷層造成的。同時(shí)也揭示出褶皺沖斷帶發(fā)育過(guò)程中的典型兩類沖起構(gòu)造：疊加沖起構(gòu)造和單一沖起構(gòu)造，它們對(duì)于褶皺沖斷帶的演化過(guò)程及其油氣勘探具有明顯不同的重要性(圖9)。一般而言，沖起構(gòu)造幾何樣式為成對(duì)發(fā)育的逆沖斷層和反沖斷層構(gòu)成，它們的傾角隨擠壓位移量增大逐漸減小最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)的角度(其中逆沖斷層角度30°～44.4°，反沖斷層角度45°～68°),逆沖斷層和反沖斷層之間夾角主要為85°～102°且疊加沖起構(gòu)造的斷層夾角βs主要在100°～108°之間，單一沖起構(gòu)造的斷層夾角βn主要在80°～96.5°之間；沖起構(gòu)造的逆沖斷層活動(dòng)距離Dn為17.8～73.7 mm，反沖斷層活動(dòng)距離Drn為5.5～44.2 mm；疊加沖起構(gòu)造反沖斷層條數(shù)明顯多于單一沖起構(gòu)造反沖斷層條數(shù)。

3　討　論

3.1單一沖起構(gòu)造發(fā)育特征

圖8　擠壓速率V1=0.3 mm/s((a)、 (b))、V2=0.1 mm/s((c)、 (d))和V3=0.005 mm/s((e)、 (f))下的擠壓縮短量與斷距曲線對(duì)比Fig.8　Comparision of shortening vs thrust displacement at the extrusion speeds of V1,V2 and V3

基于相似初始砂箱構(gòu)造模型條件下不同擠壓速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)下變形過(guò)程研究，得出單一沖起構(gòu)造發(fā)育特征具有高度的相似性。單一沖起構(gòu)造的幾何樣式簡(jiǎn)單，主要是由發(fā)育的單個(gè)逆沖斷層與其同時(shí)形成的反沖斷層所構(gòu)成的隆起構(gòu)造且楔形體具有窄、厚的幾何特征。LOHRMAN等2003年研究了模擬材料性能上的匯聚砂箱楔形體的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的影響[26]，揭示出單向匯聚楔形體具有典型的結(jié)構(gòu)和變形帶，即前緣變形帶、前緣疊瓦沖斷帶和內(nèi)部加積變形帶，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之具有高度相似性。通過(guò)三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出單一沖起構(gòu)造主要發(fā)育于前緣變形帶，不同的是擠壓速率為0.3 mm/s時(shí)整個(gè)擠壓過(guò)程發(fā)育的主要是單一沖起構(gòu)造樣式且具前展式擴(kuò)展變形序列，另外兩個(gè)擠壓速率0.1 mm/s、0.005 mm/s僅在前緣變形帶發(fā)育單一沖起構(gòu)造。

表2　各擠壓速率下沖斷楔形體擴(kuò)展變形發(fā)育過(guò)程對(duì)比

注：砂箱實(shí)驗(yàn)總長(zhǎng)度為1 080 mm，縮短率均為范圍值(R+1%)。

圖9　單一沖起構(gòu)造和疊加沖起構(gòu)造特征對(duì)比Fig.9　Comparison of the structural characteristics between simple pop-up structure and superimposed pop-up structure

3.2疊加沖起構(gòu)造發(fā)育特征

圖10　沖起構(gòu)造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D與克拉2氣田沖起構(gòu)造剖面(據(jù)TANG等[32])　　Fig.10　Characteristic comparison between pop-up structural profile of KL2 gas field and the experimental model ofpop-up structure

通過(guò)三組不同擠壓速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，疊加沖起構(gòu)造幾何樣式復(fù)雜，主要表現(xiàn)為褶皺沖斷帶發(fā)育相鄰的單一沖起構(gòu)造間新發(fā)育的反沖斷層剪切先存發(fā)育的逆沖斷層后，疊加在一起以背沖運(yùn)動(dòng)方式增生，構(gòu)成更大的隆起構(gòu)造且楔形體顯示出寬、薄特征。疊加沖起構(gòu)造主要有上疊式和疊重式兩種方式，發(fā)育于內(nèi)部加積變形帶或前緣疊瓦沖斷帶(圖9(b))。值得指出的是：由上疊式形成的疊加沖起構(gòu)造發(fā)育于內(nèi)部加積帶，而疊重式形成的疊加沖起構(gòu)造主要發(fā)育于前緣疊瓦沖斷帶。不同速率下(0.1 mm/s、0.005 mm/s)相同縮短量下發(fā)育的疊加沖起構(gòu)造具有一定的差異性。擠壓速率為0.1 mm/s時(shí)主要發(fā)育上疊式疊加沖起構(gòu)造，而以疊重式形成的疊加沖起構(gòu)造發(fā)育可見(jiàn)雛形但未發(fā)育穩(wěn)態(tài)就會(huì)以前展式擴(kuò)展變形發(fā)育單一沖起構(gòu)造；擠壓速率為0.005 mm/s時(shí)兩種方式形成的疊加沖起構(gòu)造均發(fā)育，但不同的是，由疊重式形成的疊加沖起構(gòu)造變形更強(qiáng)。無(wú)論是上疊式疊加還是疊重式疊加(圖9(b))，它們的這種變形方式造成其楔高H和逆沖斷層、反沖斷層的斷距增加，進(jìn)一步導(dǎo)致構(gòu)成沖起構(gòu)造的面積增大，進(jìn)而有利于大中型常規(guī)油氣藏聚集。GUTSCHER等1996年通過(guò)研究基底摩擦砂箱實(shí)驗(yàn)，指出單向擠壓砂箱模型的楔形體變形傳播呈階段性和周期性[27]。本文模擬的疊加沖起構(gòu)造發(fā)育不僅具無(wú)序沖斷擴(kuò)展變形序列，且其傳播方式具階段性和周期性(表2)，這種特性與GUTSCHER的研究結(jié)果非常吻合。MACLAY等研究模擬單、雙向匯聚楔形體的砂箱實(shí)驗(yàn)，指出其模型生長(zhǎng)分為早期快速擴(kuò)展變形階段和后期低速穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展變形階段[5,28-29]。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅符合他們得到的變形規(guī)律，而且這種楔形體擴(kuò)展變形序列對(duì)前陸褶皺沖斷帶沖起構(gòu)造的發(fā)育類別具有重要控制作用。

3.3沖起構(gòu)造對(duì)油氣運(yùn)聚意義

沖起構(gòu)造作為重要的構(gòu)造樣式廣泛發(fā)育于前陸褶皺沖斷帶,其發(fā)育特征對(duì)油氣聚集和運(yùn)移、圈閉封閉性有著重要意義[30-31]。我國(guó)西部新疆克拉瑪依油田的克拉2(KL2)氣田位于克拉蘇斷層上盤(pán)發(fā)育的鹽構(gòu)造相關(guān)的典型沖起構(gòu)造[32](圖10)。地震剖面顯示主逆沖斷層F1與反沖斷層F4構(gòu)成沖起構(gòu)造。從幾何形態(tài)上分析克拉2氣田主要表現(xiàn)為上疊式疊加沖起構(gòu)造(圖10(a))，發(fā)育于前陸褶皺沖斷帶后緣。沖起構(gòu)造儲(chǔ)層為克拉2氣田優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層白堊系巴什基奇克組砂巖，上覆泥巖、膏鹽層為蓋層，下伏多套烴源巖,主要為侏羅系恰克馬克組湖相泥巖、陽(yáng)霞組煤系地層及三疊系黃山街組湖相泥巖[33]?？死?氣田沖起構(gòu)造內(nèi)儲(chǔ)層距離大中型烴源巖較近，而發(fā)育的逆沖斷層F1可作為有效通道連接烴源巖，利于油氣的運(yùn)移與大量聚集。然而，單一沖起構(gòu)造主要發(fā)育于褶皺沖斷帶前緣，相對(duì)于大中型烴源巖距離較遠(yuǎn)，不利于油氣大量聚集。因此，疊加沖起構(gòu)造的發(fā)育演化特征控制前陸褶皺沖斷帶油氣藏?cái)鄬尤﹂]的封閉性，對(duì)常規(guī)油氣藏的形成具有重要意義。

4　結(jié)　論

通過(guò)不同擠壓速率下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，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)基于相似初始砂箱構(gòu)造模型條件不同擠壓速率下的變形過(guò)程，揭示出褶皺沖斷帶發(fā)育過(guò)程中的兩類典型沖起構(gòu)造：?jiǎn)我粵_起構(gòu)造和疊加沖起構(gòu)造，變形程度從高速(0.3 mm/s、0.1 mm/s)到低速(0.005 mm/s)逐漸增強(qiáng)。其中不同速率下單一沖起構(gòu)造特征具有相似性，而疊加沖起構(gòu)造的發(fā)育具明顯差異性，前陸褶皺沖斷帶構(gòu)造樣式的演化主要受控于砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)楔形體擴(kuò)展變形序列，即前展式擴(kuò)展變形序列和后展式無(wú)序沖斷變形序列。

(2)對(duì)于沖起構(gòu)造的形成與演化而言，單一沖起構(gòu)造樣式簡(jiǎn)單，主要發(fā)育在褶皺沖斷帶前緣，表現(xiàn)為楔形體向前擴(kuò)展，同時(shí)形成右傾的逆沖斷層和左傾的反沖斷層；疊加沖起構(gòu)造樣式復(fù)雜，主要發(fā)育在褶皺沖斷帶后緣的內(nèi)部加積帶或前緣疊瓦沖斷帶，表現(xiàn)為楔形體后緣相鄰沖起構(gòu)造間后發(fā)育的反沖斷層剪切先存逆沖斷層，并以背沖式或內(nèi)部疊加方式增生，且由多期次沖斷活動(dòng)形成。

(3)沖起構(gòu)造對(duì)斷層油氣藏的油氣運(yùn)移與聚集具有控制作用，其中疊加沖起構(gòu)造發(fā)育特征對(duì)前陸褶皺沖斷帶的演化具重要控制作用，其發(fā)育過(guò)程控制前陸褶皺沖斷帶油氣藏?cái)鄬尤﹂]的封閉性，從而對(duì)常規(guī)油氣藏具有重要意義。

[1]HARDING T P, JANES D Lowell.Structural styles，their plate-tectonic habitats，and hydrocarbon traps in petroleum provinces[J].AAPG Bulletin，1979，29:1016-1058.

[2]SYLVESTER A G.Strike-slip faults[J].Geological Society of America Bulletin,1988，100:1666-1703.

[3]HARDING T P.Identification of wrench faults using subsurface structural data: criteria and pitfalls[J].AAPG Bulletin，1990，74:1590-1609.

[4]DOOLEY T P, MCCLAY K R.Strike-slip deformation in the Confidence Hills，southern Death Valley fault zone，eastern California，USA[J].Journal of the Geological Society，1996，153(3): 375-387.

[5]MCCLAY K R, WHITEHOUSE P S.Analog modeling of doubly vergent thrust wedges[J].Thrust Tectonics and Hydrocarbon Systems: AAPG Memoir，2004，82:184-206.

[6]RICHARD P D，NAYLOR M A, KOOPMAN A.Experimental models of strike-slip tectonics[J].Petroleum Geoscience，1995，1(1): 71-80.

[7]MCCLAY K R,BONORA M.Analog models of restraining stepovers in strike-slip fault systems[J].AAPG Bulletin，2001，85(2): 233.

[8]SCHELLART W P, NIEUWLAND D A. 3D evolution of a pop-up structure above a double basement strike-slip fault: some insights from analogue modelling[J].Geological Society of London Special Publications，2003，212(1): 169-179.

[9]MCCLAY K R.Extensional fault systems in sedimentary basins: A review of analogue model studies [J].Marine and Petroleum Geology，1990，7: 6-33.

[10]STORTI F，SALVINI F，MCCLAY K.Synchronous and velocity-partitioned thrusting and thrust polarity reversal in experimentally produced，doubly-vergent thrust wedges: implications for natural orogens[J].Tectonics，2000，19 (2): 378-396.

[11]BUCHANAN N P,MCCLAY K R.Sandbox experiments of inverted 1istric and p1anar fau1t systems [J].Tectonophysics，1991，88(1/2): 97-115.

[12]DAVY P，COBBOLD P R.Experiments on shortening of a 4-layer model of the continental lithosphere[J].Tectonophysics，1991，88 (1/2): 1-25.

[13]施煒，劉成林，楊海軍，等.基于砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的羅布泊盆地新構(gòu)造變形特征分析[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2009，33(4): 529-534.

[14]劉玉萍，尹宏偉，張潔，等.褶皺-沖斷體系雙層滑脫構(gòu)造變形物理模擬實(shí)驗(yàn)[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2008，30(4): 424-428.

[15]解國(guó)愛(ài)，賈東，張慶龍，等.川東侏羅山式褶皺構(gòu)造帶的物理模擬研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87(6): 773-788.

[16]時(shí)秀朋，李理，龔道好，等.構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22(6): 1728-1735.

[17]魏春光，周建勛，何雨丹，等.巖石強(qiáng)度對(duì)沖斷層形成特征影響的砂箱實(shí)驗(yàn)研究[J].地學(xué)前緣，2004，11(4): 559-565.

[18]MCCLAY K R, DOOLEY T.Analogue models of pull-apart basins [J].Geology，1995，23(8):711-714.

[19]HUBBERT M K.Theory of scale models as applied to the study of geologic structure[J].Geological Society of America Bulletin，1937，48(10): 1459-1519.

[20]COSTA E，VENDEVILLE B C.Experimental insights on the geometry and kinematics of fold-and-thrust belts above weak，viscous evaporitic decollement[J].Journal of Structural Geology，2002，24: 1929-1739.

[21]COTTON J T，KOYI H A.Modeling of thrust fronts above ductile and frictional detachments: Applicationto structures inthe Salt Range and Potwar Plateau，Pakistan[J].Geological Society of America Bulletin，2000，112(3): 351-363.

[22]BONINI M.Deformation patterns and structural vergence in brittle-ductile thrust wedges: An additional analogue modelling perspective[J].Journal of Structural Geology，2007，29(1): 141-158.

[23]周建勛，陸克政.構(gòu)造形成序列的砂箱實(shí)驗(yàn)研究——以黃驊盆地中區(qū)新生代構(gòu)造為例[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，1999，23(1): 65-71.

[24]朱戰(zhàn)軍，周建勛.雁列構(gòu)造是走滑斷層存在的充分判據(jù)——來(lái)自平面砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的啟示[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2004，28(2): 142-148.

[25]沈禮，賈東，尹宏偉，等.基于粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)的褶皺沖斷構(gòu)造物理模擬[J].地質(zhì)論評(píng)，2012，58(3): 471-480.

[26]LOHRMANN J，KUKOWSKI N，ADAM J，et al.The impact of analogue material properties on the geometry，kinematics，and dynamics of convergent sand wedges[J].Journal of Structural Geology，2003，25 (10): 1691-1711.

[27]GUTSCHER M A，KUKOWSKI N，MALAVIEILLE J，et al.Cyclical behavior of thrust wedges: insights from high basal friction sandbox experiments[J].Geology，1996，24(2): 135-138.

[28]HOTH S，HOFFMANN-ROTHE A，KUKOWSKI N.Frontal accretion: an internal clock for bivergent wedge deformation and surface uplift[J].Journal of Geophysical Research，2007，112，doi:10.1029/2006JB004357.

[29]BIGI S，DI Paolo L，VADACCA L，et al.Load and unload as interference factors on cyclical behavior and kinematics of Coulomb wedges: insights from sandbox experiments[J].Journal of Structural Geology，2010，32 (2): 28-44.

[30]賈承造，周新源，王招明.克拉2氣田的發(fā)現(xiàn)及勘探技術(shù)[J].中國(guó)石油勘探，2002，7(1):79-89.

[31]王招明.試論庫(kù)車前陸沖斷帶構(gòu)造頂蓬效應(yīng) [J].天然氣地球科學(xué)，2013，24(4): 671-677.

[32]TANG L J，JIA C Z，JIN Z J，et al.Salt tectonic evolution and hydrocarbon accumulation of Kuqa foreland fold belt，Tarim Basin，NW China [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2004，41: 97-108.

[33]能源，孫洪亮，徐麗麗，等.基于三維地震資料的構(gòu)造轉(zhuǎn)換研究——以庫(kù)車坳陷前陸沖斷帶KL1號(hào)、KL2號(hào)構(gòu)造為例[J].中國(guó)石油勘探，2013，18(3): 12-17.

Pop-up Structure in Fold-and-thrust Belt and Its Implications:An Insight from Analogue Sandbox Models of Thrust Wedge

WAN Yuan-bo, LI Zhi-wu, DENG Bin, LIU Shu-gen, ZHAO Gao-ping, LIN Tong，HUANG Rui

(StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu，Sichuan610059,China)

Pop-up structure is widely developed in fold-and-thrust belt and strike-slip tectonic setting, and has been paid much attention for its great significance in petroleum exploration. Analogue sandbox modeling has proved to be a powerful visual tool for simulating such complex structures in various tectonic settings. This study conducted a series of sandbox modeling to unravel the difference in structural geometry of pop-up structure during the development of fold-and-thrust belt, based on the same initial condition with various shortening velocities (0.3 mm/s, 0.1 mm/s, 0.005 mm/s). From the modeling results, two types of pop-up structures, i.e. superimposed and simple pop-up structures, would be developed in thrust wedge depending on different shortening velocities. In particular, there is a significant difference between superimposed structure and simple pop-up structure. The wedge shows simple deformation styles characterized by simple pop-up structures and increasing deformation while propagating continuously towards foreland. The propagation way of analogue sandbox models of thrust wedge has a significant control on the types of pop-up structure. Forward-breaking propagation took place in the foreland, mainly developed from simple pop-up structure; back-breaking propagation occurs in hinderland, mainly developed from superimposed pop-up structure.

sandbox modeling；wedge thrust；superimposed pop-up structure；simple pop-up structure

2015-03-16；改回日期：2015-10-20；責(zé)任編輯：潘令枝。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402119，2014JQ0057，41472107)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB214805)。

萬(wàn)元博，男，碩士研究生，1988年出生，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事油氣構(gòu)造和盆地構(gòu)造分析研究。

Email：344361458@qq.com。

李智武，男，副教授，1976年出生，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)，長(zhǎng)期從事油氣地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)研究。

Email:lizhiwu06@cdut.edu.cn。

P542；P554

A

1000-8527(2016)01-0110-12