蘇柏，張書迪，劉勇

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川東褶皺帶南段構(gòu)造物理模擬研究

蘇柏，張書迪，劉勇

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

根據(jù)現(xiàn)代的地質(zhì)調(diào)查，四川盆地周圍是一系列左行走滑斷裂，顯示四川盆地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。川東褶皺帶由一系列雁列式背斜組成，成帚狀向南撒開，有學(xué)者認(rèn)為是壓扭作用造成。利用干燥石英砂模擬上地殼脆性變形，膩?zhàn)臃廴芤耗M上地殼塑性變形，凡士林模擬滑脫層，橡皮泥模擬基底，研究四川盆地旋轉(zhuǎn)變形與川東褶皺帶南段的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，塑性蓋層條件有利于川東褶皺帶的形成，其形成受四川盆地基底平行斷裂控制且與滑脫層密切相關(guān)，褶皺帶南段的馬尾狀發(fā)散需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)走滑與北西—南東擠壓應(yīng)力疊加，且此種褶皺是由前期旋轉(zhuǎn)應(yīng)力形成的展布較大、間隔較遠(yuǎn)的平行褶皺，在后期隨著旋轉(zhuǎn)逐漸旋至旋轉(zhuǎn)與擠壓重疊部位部分發(fā)生集中所形成。川東褶皺帶旋轉(zhuǎn)-擠壓模式的構(gòu)造模擬也為四川盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)制提供了佐證。

川東褶皺帶；順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；發(fā)散褶皺；物理模擬

四川盆地周圍有一系列斷裂帶圍限（圖1），西部是龍門山斷裂，中生代表現(xiàn)為擠壓兼左行走滑[4]；北部是左行走滑的房縣斷裂；東部是川東褶皺帶，表現(xiàn)為一組侏羅山式褶皺，南段成帚狀撒開，顯示具有左行走滑特征，據(jù)熱年代學(xué)資料，其主體構(gòu)造在中生代晚期形成；南部是紫云-羅甸斷裂，中生代期間也表現(xiàn)為左行走滑的特征。這些邊界斷裂所具有的左行走滑特征可能是四川盆地在中生代的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所造成，古地磁證據(jù)也顯示四川盆地在中生代發(fā)生了一定角度的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但目前對(duì)于四川盆地整體構(gòu)造旋轉(zhuǎn)特征的研究還較少，相關(guān)證據(jù)也僅限于各邊界斷裂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及盆地內(nèi)部的古地磁學(xué)證據(jù)，在構(gòu)造物理模擬方面還沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的研究。

圖1 四川盆地周圍邊界斷裂簡(jiǎn)圖（據(jù)王二七，2007）

川東褶皺帶是揚(yáng)子板塊西部的重要板內(nèi)變形帶, 其中南華系至上侏羅統(tǒng)形成了北北東—北東走向的板內(nèi)“侏羅山式”弧形褶皺帶，這一褶皺帶向西中止于北北東走向、向東傾的華鎣山逆沖斷裂帶，向東過(guò)渡到以變質(zhì)基底出露為特征的雪峰山隆起，向北復(fù)合于北西至東西走向的南大巴山弧形褶皺帶，向南延入滇黔桂交界區(qū)（張必龍，2009）。其南段由一系列雁列式背斜組成，并成帚狀向南撒開，對(duì)于這種構(gòu)造組合的成因有學(xué)者認(rèn)為是由于壓扭作用，但尚缺少足夠的證據(jù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了六組物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合四川盆地旋轉(zhuǎn)變形構(gòu)造對(duì)川東褶皺帶南段進(jìn)行模擬，探究蓋層性質(zhì)、滑脫層以及基底斷裂對(duì)川東褶皺帶平面特征的控制作用，以及川東褶皺帶展布特征與四川盆地旋轉(zhuǎn)變形的關(guān)系。

1 模型設(shè)計(jì)

四川盆地發(fā)育有多個(gè)構(gòu)造層[5]，可分為基底和淺部蓋層沉積，發(fā)育有巖性軟弱的滑脫層。據(jù)此，模型設(shè)置為雙層式，基底均使用橡皮泥，蓋層使用石英砂或膩?zhàn)臃?。形狀加工成橢圓形，長(zhǎng)徑為北東—南西方向，長(zhǎng)度為25cm；短徑為北西—南東方向，長(zhǎng)度為20cm；厚度為12mm，且均勻等厚。實(shí)驗(yàn)裝置中心可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)為直徑15cm的圓（圖2）。每次實(shí)驗(yàn)前將模型中心與旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心重合，均勻放置在實(shí)驗(yàn)裝置上，并將橡皮泥充分壓實(shí)，以防滑脫失效。實(shí)驗(yàn)中將旋轉(zhuǎn)臺(tái)以0.3~0.4r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，模型Ⅰ~模型Ⅲ除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還在模型南東一側(cè)施加擠壓應(yīng)力，以此來(lái)模擬雪峰山擠壓構(gòu)造。

圖2 四川盆地模型示意圖

模型Ⅰ以石英砂為上覆蓋層，厚度為0.2~0.3cm。模型Ⅱ蓋層與模型Ⅰ一致，并在基底東側(cè)加工出三條長(zhǎng)為12cm的平行裂縫代表盆地基底存在的斷裂帶，與模型Ⅰ一起考察基底存在斷裂帶與否對(duì)構(gòu)造變形的影響。模型Ⅲ蓋層為0.4~0.5cm濕度適合的膩?zhàn)臃?，與模型Ⅰ一起共同探究蓋層性質(zhì)對(duì)川東褶皺帶的控制作用。膩?zhàn)臃蹖雍穸嚷源笥谑⑸皩右缘窒唣ざ炔町悺Ｄ佔(zhàn)臃蹖泳唧w厚度由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象標(biāo)定。模型Ⅳ在基底和模型Ⅲ蓋層之間均勻覆蓋了厚度為0.2cm的凡士林代表滑脫層，與模型Ⅲ對(duì)比考察滑脫層對(duì)川東褶皺帶的控制作用。模型Ⅴ在模型Ⅳ的基礎(chǔ)上，只對(duì)其施加北西—南東方向的水平擠壓應(yīng)力，不對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，觀察其在只受擠壓應(yīng)力條件下出現(xiàn)的構(gòu)造變形現(xiàn)象。模型Ⅵ在模型Ⅳ的基礎(chǔ)上，只將旋轉(zhuǎn)臺(tái)以0.3~0.4r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)，不施加北西—南東方向的水平擠壓應(yīng)力，觀察在只有旋轉(zhuǎn)存在的條件下出現(xiàn)的構(gòu)造變形現(xiàn)象。模型Ⅳ、模型Ⅴ與模型Ⅵ共同對(duì)比，考察在單一擠壓應(yīng)力、單一旋轉(zhuǎn)應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力與擠壓應(yīng)力疊加情況下構(gòu)造變形現(xiàn)象的不同。

干燥的石英砂變形遵循莫爾一庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，內(nèi)摩擦角為31°左右，與上地殼地層內(nèi)摩擦角大致相當(dāng)，是模擬上地殼脆性變形的理想材料；膩?zhàn)臃廴芤菏且环N牛頓流體，遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，可以很好的反映變形情況，是模擬上地殼塑性變形的良好材料；凡士林是一種非牛頓流體，適合用來(lái)模擬變形強(qiáng)度小、流變性較弱的的泥巖滑脫層；橡皮泥可塑性良好且能較好地反映變形現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型Ⅰ：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到1/12圈、北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)0.8cm時(shí)，石英砂層開始出現(xiàn)零散分布的幾條近直線的縱彎褶皺（圖3）。保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)，當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到1.2cm時(shí)出現(xiàn)一系列弧形褶皺，褶皺中部較窄且不規(guī)律，局部隆起較高，兩端較寬且平行（圖4）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)，當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到1.8cm時(shí)，褶皺末端在旋轉(zhuǎn)邊界附近出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)拉伸的斷裂現(xiàn)象，到此實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)（圖5）。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

模型Ⅱ：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1/12圈、北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)0.6cm時(shí)，基底存在斷裂的位置處出現(xiàn)三條較為明顯的平行褶皺（圖6）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)，當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)1.5cm時(shí)，斷裂位置形成的三條褶皺進(jìn)一步隆起變得更加突出，在這三條褶皺之間出現(xiàn)了長(zhǎng)度較短的平行小褶皺（圖7），末端產(chǎn)生較為明顯的馬尾狀發(fā)散（圖8）。

圖9

圖10

圖11

圖12

模型Ⅲ：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到1/8圈、北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)1.2cm時(shí)，擠壓部位的上覆膩?zhàn)由w層出現(xiàn)集中隆起的多條較為明顯的沿旋轉(zhuǎn)邊界分布的褶皺，在這些褶皺兩側(cè)出現(xiàn)垂直于旋轉(zhuǎn)方向劈理（圖9）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)。當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到1.6cm時(shí)，前端出現(xiàn)大量與轉(zhuǎn)動(dòng)方向平行、角度較小的褶皺；中部擠壓部位，前端的平行褶皺在連接段被明顯地切斷，擠壓部位為幾條隆起較為明顯的平行褶皺，同時(shí)出現(xiàn)大量的共軛剪節(jié)理；末端有比較明顯的發(fā)散褶皺（圖10）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)。當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到2cm時(shí)，模型邊緣被擠壓區(qū)域隆起較高，作為基底的橡皮泥將脫離試驗(yàn)裝置底座，實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)（圖11）。

圖13

圖14

圖15

圖16

圖17

圖18

圖19

圖20

模型Ⅳ：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)開始轉(zhuǎn)動(dòng)到1/8圈、北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)1.5cm時(shí)，擠壓部位的上覆膩?zhàn)由w層出現(xiàn)較為分散的多條不太明顯的北東——南西走向的褶皺，在這些褶皺兩側(cè)出現(xiàn)垂直于旋轉(zhuǎn)方向的細(xì)小的剪切節(jié)理（圖12）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)，當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到1.8cm時(shí)，前端出現(xiàn)大量與轉(zhuǎn)動(dòng)方向平行的褶皺，深度雖然不大但是平行程度非常好；在中部擠壓部位，前端的平行褶皺在連接段被明顯地切斷，在擠壓的旋轉(zhuǎn)部位為幾條隆起較為明顯的平行褶皺；末端有比較明顯的馬尾狀發(fā)散褶皺，展布范圍較小，只在末端很小的范圍內(nèi)發(fā)生發(fā)散（圖13）。繼續(xù)保持旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，水平擠壓應(yīng)力勻速向前推進(jìn)，當(dāng)北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)到2cm時(shí)，模型邊緣被擠壓區(qū)域隆起較高，作為基底的橡皮泥將脫離試驗(yàn)裝置底座，實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)，此時(shí)前端平行褶皺的分布范圍進(jìn)一步加大，褶皺末端發(fā)散現(xiàn)象更明顯（圖14）。

模型Ⅴ：北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)1cm時(shí)，擠壓部位開始出現(xiàn)不太明顯的褶皺，且褶皺相互交錯(cuò)（圖15）。繼續(xù)施加北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)，推進(jìn)2cm時(shí)，被擠壓部位與靜止部位邊界處出現(xiàn)許多垂直于模型邊緣的褶皺，展布范圍約為1.5cm（圖16）。繼續(xù)施加北西—南東方向水平擠壓應(yīng)力推動(dòng)模型邊緣向中心推進(jìn)，推進(jìn)2.5cm時(shí)邊緣的上覆蓋層向內(nèi)側(cè)傾覆，原來(lái)產(chǎn)生的褶皺部分被覆蓋，模型基底的橡皮泥脫離試驗(yàn)裝置底座，實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)（圖17）。

模型Ⅵ：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)了1/16圈時(shí)出現(xiàn)大量細(xì)小的與旋轉(zhuǎn)方向平行的拉伸線理和剪節(jié)理（圖18）。繼續(xù)施加順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)了1/8圈時(shí)，平行彎曲節(jié)理變得更加明顯，褶皺末端在旋轉(zhuǎn)邊界向中心一側(cè)也出現(xiàn)了平行節(jié)理，長(zhǎng)度相對(duì)較短（圖19）。繼續(xù)施加順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1/6圈時(shí)，末端出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)拉伸的斷裂，出現(xiàn)許多不太明顯的與旋轉(zhuǎn)方向垂直的垂直劈理（圖20）。

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比

研究區(qū)數(shù)字高程圖與各模型模擬結(jié)果對(duì)比見圖21~圖28。

模型Ⅰ：褶皺帶中部出現(xiàn)較為明顯的平行褶皺，但中部平行褶皺分布范圍較小，與川東褶皺帶中部展布較大范圍的平行褶皺這一現(xiàn)象差距較大。褶皺帶末端馬尾狀發(fā)散不明顯。

模型Ⅱ：褶皺帶中部會(huì)較早產(chǎn)生明顯的平行褶皺，但是這些褶皺受基底斷裂帶控制，產(chǎn)生的彎曲量較小，與川東褶皺帶存在些許差異。末端出現(xiàn)與川東褶皺帶南端非常相似的馬尾狀發(fā)散。

模型Ⅲ：褶皺帶中部的平行褶皺與川東褶皺帶的實(shí)際現(xiàn)象比較符合，但末端馬尾狀發(fā)散彎曲度太大，與川東褶皺帶差異較大。

模型Ⅳ：褶皺帶中部的+平行褶皺、末端的馬尾狀發(fā)散褶皺都比較符合川東褶皺帶的特征。

模型Ⅴ：只出現(xiàn)部分不明顯的褶皺，與川東褶皺差異較大。

模型Ⅵ：出現(xiàn)明顯平行褶皺，但是末端始終沒(méi)有產(chǎn)生馬尾狀發(fā)散的褶皺，與川東褶皺存在很大差異。

3.2 川東褶皺帶形成機(jī)制

由模型Ⅰ與模型Ⅲ結(jié)果對(duì)比表明，塑性蓋層條件對(duì)川東褶皺帶的形成更有利。

由模型Ⅰ與模型Ⅱ結(jié)果對(duì)比表明，基底存在斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生與川東褶皺帶較為相似的構(gòu)造樣式，因此川東褶皺帶的形成受到四川盆地基底平行斷裂的控制。

圖21：模型Ⅰ

圖22：模型Ⅱ

圖23：模型Ⅲ

圖25研究區(qū)數(shù)字高程圖

圖27 模型Ⅵ

圖28 研究區(qū)數(shù)字高程圖

由模型Ⅲ和模型Ⅳ結(jié)果對(duì)比表明，基底與蓋層之間是否存在滑脫層對(duì)構(gòu)造樣式形成意義重大，川東褶皺帶的形成受到滑脫層的影響。

由模型Ⅳ、模型Ⅴ和模型Ⅵ結(jié)果對(duì)比表明在不同的動(dòng)力條件下盆地產(chǎn)生的構(gòu)造現(xiàn)象將大不相同。在單獨(dú)的擠壓應(yīng)力條件下或是單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力條件下都不能產(chǎn)生與川東褶皺帶展布特征較為接近的構(gòu)造現(xiàn)象。因此我們推斷，川東褶皺帶的產(chǎn)生需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)走滑應(yīng)力與北西—南東擠壓應(yīng)力疊加。

觀察模型Ⅱ、模型Ⅳ末端的馬尾狀發(fā)散褶皺，我們發(fā)現(xiàn)它們都出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)與擠壓重疊部位，由此推斷此種褶皺是由前期旋轉(zhuǎn)應(yīng)力所形成的展布較大、間隔較遠(yuǎn)的平行褶皺后期隨著旋轉(zhuǎn)旋至旋轉(zhuǎn)與擠壓重疊部位部分發(fā)生集中所形成。

4 結(jié)論

通過(guò)物理模擬手段探究了蓋層性質(zhì)、滑脫層以及基底斷裂對(duì)川東褶皺帶平面形態(tài)的控制作用，以及川東褶皺帶展布特征與四川盆地旋轉(zhuǎn)變形的關(guān)系，取得了如下認(rèn)識(shí)：

1）在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用塑性蓋層條件模擬得出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更接近于川東褶皺帶實(shí)際情況，故塑型蓋層更有利于川東褶皺帶形成。

2）川東褶皺帶的形成受到四川盆地基底平行斷裂的控制。

3）川東褶皺帶的剛性基底與弱蓋層之間是否存在滑脫層與川東褶皺的平面展布特征密切相關(guān)。

4）川東褶皺帶的平面展布特征應(yīng)該是旋轉(zhuǎn)應(yīng)力與擠壓應(yīng)力共同疊加作用的結(jié)果。

5）川東褶皺帶末端馬尾狀發(fā)散褶皺是由于前期旋轉(zhuǎn)應(yīng)力形成的展布較大、間隔較遠(yuǎn)的平行褶皺后期隨著旋轉(zhuǎn)旋至旋轉(zhuǎn)與擠壓重疊部位部分發(fā)生集中所形成。

6）川東褶皺帶旋轉(zhuǎn)-擠壓模式的構(gòu)造模擬為四川盆地的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)制提供了佐證。

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Structure Physical Modeling Research of the Southern Section of the East Sichuan Fold Belt

SU Bo ZHANG Shu-di LIU Yong

(China University of Geosciences, Wuhan, Beijing 100083)

The Sichuan basin is surrounded by a series of left-lateral strike-slip faults.The east Sichuan fold belt is composed of a series of en echelon folds, spreading into the brush to the south. This study deals with the relation between rotary deformation of the Sichuan basin and the east Sichuan fold belt by six kinds of physical simulation experiments. The experimental results show that the plastic caprock is favorable for the formation of the eastern Sichuan fold belt which was controlled by the parallel faults in the basement and closely related to the detachment structure. The horsetail divergence of the southern section of the east Sichuan fold belt has need of superimposition of be clockwise strike-slip by NW-trending stress. In addition, the structural simulation of the rotary-extrusion model of the east Sichuan fold belt provides evidence for the clockwise rotation mechanism of the Sichuan basin.

Sichuan basin; clockwise rotation; horsetail spreading fold; physical simulation

2017-04-22

蘇柏（1995-），女，甘肅平?jīng)鋈?，本科在讀，專業(yè)：石油地質(zhì)

[P545]

A

1006-0995（2017）04-0552-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.005