劉柯，宋立軍，劉學(xué)鋒

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065）

0 引言

褶皺是巖層受力發(fā)生的彎曲變形。研究褶皺的形態(tài)、產(chǎn)狀、分布和組合特點(diǎn)及其形成方式和時(shí)代，對(duì)于揭示一個(gè)地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的形成規(guī)律和發(fā)展史具有重要的理論意義和實(shí)用意義[1]。自20世紀(jì)70年代，前人便對(duì)巢湖北部地區(qū)“M”型褶皺構(gòu)造展開系統(tǒng)的研究[2～5]。由于多期伸展與擠壓作用對(duì)巢湖北部地區(qū)地層的疊加，其構(gòu)造特征十分復(fù)雜。迄今為止，在形成時(shí)間、構(gòu)造演化過程和在構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面雖大多學(xué)者都認(rèn)為該區(qū)構(gòu)造演化受郯廬斷裂帶影響，但在細(xì)節(jié)上仍存在些許分歧[6]。其中劉文燦等人認(rèn)為巢湖北部在早印支期以北東—北北東向褶皺為特征，晚印支期以近南北方向擠壓為主，形成北北西—東西向構(gòu)造；李三忠等人認(rèn)為該區(qū)域經(jīng)歷了印支期的三次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[2]。且對(duì)于巢湖北部鳳凰山褶皺變形演化過程及控制因素缺乏深入研究以及系統(tǒng)的概述，而此區(qū)域又是眾多高校地質(zhì)填圖實(shí)習(xí)區(qū)，所以作者在深入研究巢湖北部構(gòu)造特征及變形歷史的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相似原理，利用構(gòu)造物理模擬再現(xiàn)了該區(qū)域的構(gòu)造演化過程、動(dòng)力學(xué)機(jī)制。利用物理模擬可加深對(duì)該區(qū)域構(gòu)造演化過程及其形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，從而給在此實(shí)習(xí)的學(xué)生厘清構(gòu)造時(shí)空演化過程。

1 巢湖北部地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

巢湖北部區(qū)域位于安徽省中部巢湖市，處在揚(yáng)子板塊東北部下?lián)P子坳陷，北側(cè)與蘇魯造山帶毗鄰，且與郯廬斷裂帶交匯，屬于較為穩(wěn)定的大地構(gòu)造單元。其與所有穩(wěn)定的大陸結(jié)構(gòu)一樣，由基底和蓋層組成。

巢湖北部地區(qū)地層發(fā)育較好，除第三系被剝蝕外，上震旦統(tǒng)燈影組至第四系均有不同程度的發(fā)育。青苔山地區(qū)北西部主要發(fā)育震旦—寒武系白云巖；平頂山向斜核部發(fā)育下三疊統(tǒng)泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r、泥巖夾層，中三疊統(tǒng)角礫巖和微晶灰質(zhì)白云巖。下二疊統(tǒng)灰?guī)r，中二疊統(tǒng)硅質(zhì)巖、泥巖，上二疊統(tǒng)硅質(zhì)泥巖、灰?guī)r及少量長石石英砂巖廣泛發(fā)育于平頂山向斜核部、鳳凰山向背斜翼部以及俞府大村向斜核部。平頂山向斜翼部、鳳凰山背斜核部、俞府大村向斜翼部，主要發(fā)育下石炭統(tǒng)灰?guī)r、白云巖、泥巖及少量褐鐵礦夾層，上石炭統(tǒng)灰?guī)r和少量泥巖；上泥盆統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖和頁巖及志留系泥巖、石英粉砂巖、粉砂巖、泥巖、石英粉砂巖等[7]。

研究區(qū)大地構(gòu)造屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坳區(qū),居于沿江拱斷褶帶北部的巢湖彎斷褶束[8]。巢湖北部地區(qū)受揚(yáng)子板塊和華北板塊的作用，產(chǎn)生了一系列復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，在平面上呈現(xiàn)出“兩向一背”的“M”型，分別為平頂山向斜、鳳凰山背斜和俞府大村向斜（圖1）。該形態(tài)構(gòu)造特征主要發(fā)生在中生代的印支階段和燕山階段。印支階段該地區(qū)地殼不斷上升成為陸地，且后期發(fā)生了顯著的褶皺造山運(yùn)動(dòng)，形成了一系列褶皺和斷裂，為下一階段的構(gòu)造奠定了基礎(chǔ)；該區(qū)域于燕山期進(jìn)入了新的演化階段，研究區(qū)的褶皺進(jìn)一步被改造，在形態(tài)上主要表現(xiàn)為南北向褶皺，主要是因?yàn)楣盘窖蟀鍓K俯沖揚(yáng)子板塊使郯廬斷裂形成的大規(guī)模左行平移運(yùn)動(dòng)所致[6]。在對(duì)巢湖北部褶皺變形特征的研究中，物理模擬實(shí)驗(yàn)還原了該地區(qū)的構(gòu)造演化過程，得出了主要認(rèn)識(shí)：巢湖北部地區(qū)褶皺發(fā)育在中生代以來，主要受印支運(yùn)動(dòng)擠壓和燕山運(yùn)動(dòng)的疊加改造，從而形成了現(xiàn)今“兩向一背”的構(gòu)造格局。同樣，不同階段對(duì)該區(qū)域所施加的力學(xué)機(jī)制也決定了地層構(gòu)造發(fā)育活動(dòng)，對(duì)地層的構(gòu)造格局起著決定因素。

圖1 巢湖北部地區(qū)褶皺構(gòu)造簡(jiǎn)圖Figure 1.Sketch of fold structures in the northern Chaohu area

2 物理模擬

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)可以客觀地還原地質(zhì)構(gòu)造形成和演化的連續(xù)過程[9]。利用相似原理，材料相似、模型相似、邊界條件及受力方式、演化過程也相似，開展模擬，驗(yàn)證對(duì)巢北地區(qū)演化的認(rèn)識(shí)。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

干燥的石英砂抗張強(qiáng)度幾乎為0，變形特性遵循摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，破裂內(nèi)摩擦角為29°～31°，接近淺部沉積地層的脆性形變，是模擬沉積地層脆性巖石的理想材料[10]。橡皮泥材料的韌性很強(qiáng)，且具有黏塑性，在溫度升高的情況下還可變?yōu)榱黧w，在應(yīng)力下易發(fā)生變形，通常用來模擬褶皺構(gòu)造，尤其在剖面上的形態(tài)變化最佳，而且在平面的組合關(guān)系上也很清楚，適合模擬自然界中的塑性巖石[11]。

根據(jù)幾何、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力和應(yīng)力場(chǎng)相似等幾種相似原理[12]，將干燥石英砂和橡皮泥以不同比例相混合，以相混合的材料對(duì)應(yīng)不同硬度的巖石，模擬該地區(qū)的巖層。模擬過程中兩者比例及巖層對(duì)應(yīng)情況見表1。

2.2 模型設(shè)計(jì)

為探究巢北地區(qū)中生代以來褶皺變形演化的受擠壓過程，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫膸缀伪壤邽?:50000，即模型中1cm代表自然界500m，初始模型長寬為20cm×10cm。巢北地區(qū)褶皺巖層由志留系—三疊系構(gòu)成，根據(jù)巖性力學(xué)性質(zhì)的不同，分為8層（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)材料及比例對(duì)照Table 1.Different percentages of materials used in the simulation test

巢北地區(qū)在構(gòu)造形成的過程中，先后經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，故在實(shí)驗(yàn)過程中要經(jīng)歷多次不同方向的擠壓。為了使實(shí)驗(yàn)過程方便觀察，利用不同顏色的橡皮泥代表不同的巖層，從而建立了該區(qū)域的三維地質(zhì)模型（圖2）。在模型四周放置擋板，初期固定模型左側(cè)擋板，在右側(cè)擋板上施以北西西方向的力，代表在印支期所受到的擠壓；之后在模型的另一側(cè)施加南北方向的力，代表在燕山期對(duì)該地層的疊加改造。

圖2 構(gòu)造物理模擬示意圖（剖面圖與平面圖）Figure 2.Sketch for physical simulation of the structures(section and plan)

對(duì)于水平狀態(tài)的巖層，在受到順層的擠壓應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生褶皺彎曲，并且褶皺巖層的硬度較其周圍的圍巖更為強(qiáng)硬。于是在模擬巖層受到不同方向的擠壓應(yīng)力時(shí)，橡皮泥與石英砂不同比例的混合會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)變，從而產(chǎn)生的彎曲程度也有所不同。本文結(jié)合巢湖北部地區(qū)地貌特征選取最為符合的橡皮泥與石英砂混合比例，以便更好地還原巢北地區(qū)“M”型褶皺的實(shí)際形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)模型施加兩次不同方向等大的擠壓力，初期固定模型的左端，對(duì)該模型施以北西西方向的力，持續(xù)時(shí)間為10s，模型產(chǎn)生了初始的“兩向一背”的構(gòu)造形態(tài)，可以看出其褶皺形態(tài)已經(jīng)初步形成；后對(duì)模型施以南北方向的力，持續(xù)時(shí)間20s，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行疊加改造，形成了幾處斷層。后期巢北地區(qū)又發(fā)生了地層剝蝕以及人為破壞，使鳳凰山處和青苔山與平頂山之間的地層被剝蝕（圖3），但物理模擬實(shí)驗(yàn)無法還原其剝蝕后的形態(tài)，僅利用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)注，從而恢復(fù)現(xiàn)今的真實(shí)形態(tài)。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)過程Figure 3.Simulation test process

3 結(jié)果分析與對(duì)比

通過對(duì)巢北地區(qū)構(gòu)造演化過程的模擬，對(duì)巢北地區(qū)的形成有了新的認(rèn)識(shí)。

（1）對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似性原理，以橡皮泥模擬灰?guī)r等塑性巖石，將橡皮泥和石英砂以不同比例混合模擬彈性巖石，建立起了巢湖北部地區(qū)的構(gòu)造演化模型，模擬了巢湖北部地區(qū)在形成過程中的受力情況。通過對(duì)北西西向和南北向兩次受力擠壓，得出了巢北地區(qū)的模型。該模型與巢北地區(qū)實(shí)際地貌一致，都為“兩向一背”M型形態(tài)分布。且在模擬過程中的北西西向的力與巢北地區(qū)形成過程中所受的古太平洋板塊向揚(yáng)子板塊俯沖所形成的郯廬斷裂帶左旋所形成的應(yīng)力場(chǎng)一致，北北東向的力與華南板塊和華北板塊的拼合形成的擠壓力相同。

（2）結(jié)果分析。通過以石英砂、橡皮泥為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)巢湖北部地區(qū)的形成過程進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，得出以下結(jié)論：在物理模擬實(shí)驗(yàn)中，石英砂更適合模擬剛性的巖石，而橡皮泥更適合模擬塑性巖石；安徽巢湖北部地區(qū)“兩向一背”的M型褶皺是經(jīng)過印支期北西西向的擠壓和燕山期南北向的擠壓所形成的。

4 結(jié)論

此次構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似性原理，用橡皮泥模擬灰?guī)r等塑性巖石，用橡皮泥和石英砂以不同比例混合模擬彈性巖石，建立起了巢湖北部地區(qū)的構(gòu)造演化模型，由此進(jìn)行了巢湖北部地區(qū)在形成過程中的受力情況分析。根據(jù)此次試驗(yàn)主要得出以下結(jié)論：

（1）巢湖北部地區(qū)的形成主要受到兩次運(yùn)動(dòng)的影響，分別是印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)，其中印支運(yùn)動(dòng)的影響更大。印支運(yùn)動(dòng)期間，巢北地區(qū)受到北西西-南東東向的擠壓作用，擠壓作用的主要原因是古太平洋板塊向揚(yáng)子板塊俯沖引起郯廬斷裂帶左旋，使得巢湖北部地區(qū)形成了兩向一背的構(gòu)造格局。

（2）燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)巢北地區(qū)的構(gòu)造格局影響不是很大，這個(gè)時(shí)期主要是受北北東-南西西向的擠壓，該擠壓是由華南板塊向華北板塊拼合碰撞所形成的，本次運(yùn)動(dòng)對(duì)巢北地區(qū)構(gòu)造進(jìn)行了疊加改造，形成了斷層等。