川東巨型 “雙弧構造”的動力學機制探討

楊 帆，郝志紅，齊小兵，韓 偉，盧發均，徐仁廷，王喬林

（1．中國地質大學 （北京）地球科學與資源學院，北京100083；2．中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊065000；3．重慶市地質礦產勘查開發局205地質隊，重慶402160）

“巨型雙弧”指一系列環繞四川盆地北東緣與南東緣的褶皺系及其所夾持的斷裂組合，北東緣發育大巴山弧形構造帶，南東緣為川東弧形構造帶，是四川盆地—周緣造山帶復合盆山體系的一部分［1－5］。大巴山弧形構造帶北起西鄉之南，近南北向向南延至鎮巴一帶，轉至南東向延伸經萬源、城口又逐漸偏轉為南東東向、東西向向東延至奉節以北當陽一帶，被神農架隆起、黃陵古隆起所截，總體呈向南西凸出的弧形構造帶。川東弧形構造帶西南自遵義呈北北東－北東向經黔江至恩施以東潛沒于江漢盆地之下，總體呈向北西凸出的弧形［1－8］。

目前，大多數地質學家認為，雙弧構造形成于印支－燕山期的構造變形［4－11］。但其動力學機制仍存在較大分歧，主要有同一應力場作用的結果、同時期不同應力場聯合作用的結果、不同時期應力場的依次疊加的結果等3類不同的觀點［8－20］。

因此，本文在綜合分析上述研究成果的基礎上，支持“同一應力場作用的結果”的觀點。擬從力學分析、數字模擬和物理模擬3個方面初步驗證其形成的動力學機制。

1 現存的3類動力學機制觀點

1．1 同一應力場作用的結果

馬宗晉通過對鄂西中生代地質構造的力學分析，提出包括巨型雙弧在內的中生代構造是在特定邊界條件下同一構造應力場作用的結果。不存在不同時期構造的疊加，也不存在不同應力場同時在本區所產生的聯合作用。也就是說，巨型雙弧為揚子地臺南北向擠壓應力場作用的結果［2］。

圖1 川東“雙弧構造”平面形態和地理位置示意圖

1．2 同時期不同應力場聯合作用的結果

汪澤成等認為中生代以來的構造變形主要有2期：印支晚期，以NE向褶皺作用為主；燕山中、晚期－喜馬拉雅期，以NW向沖斷－褶皺作用為主。大巴山前緣構造受不同方向擠壓應力聯合作用的控制［8］。顏丹平等認為川東弧形構造帶是燕山期由南東向北西不斷推進的擠壓力作用的結果［10］。何建坤等認為其動力來源于秦嶺碰撞造山后期揚子板塊北緣A型俯沖提供的向南的擠壓應力［13］。汪澤成、趙文智等認為是來自大巴山的NE向擠壓應力、來自川東的NW向擠壓應力以及川中地塊的SE向反作用力聯合作用的結果［15］。

1．3 不同時期應力場的依次疊加

裴振洪認為南大巴構造帶是一個自印支期以來長期發展的沖斷推覆構造帶，印支晚期以來經歷了晚印支的輕度褶皺、早燕山的褶皺發育、中燕山的沖斷褶皺、早喜山期的沖斷作用、晚喜山的抬升剝蝕等多期構造變形或改造作用。其應力場為多力源、多方向的交替與聯合作用，主導力源來自秦嶺方向，其次來自雪峰方向以及米倉山和龍門山方向［4］。

2 現存觀點分析

壓力影模式方面，四川盆地隱伏基底與周緣物質比，可視為剛性體，類似壓力影中硬塊，在擠壓應力與拉應力場作用下，在四川盆地這一剛性體兩側出現巨型雙弧及相應的虛脫空間。

構造組合的力學成因上，巨型雙弧構造與江南斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂均可在南北向收縮體制下形成，即屬同一構造應力場作用的結果。雙弧構造的出現是在南北向壓應力場作用于四川盆地剛性基底這一特定邊界條件下特殊變形的結果，類似于壓力影模式。

因此，筆者認為雙弧構造是同一應力場作用的結果。

3 觀點驗證與討論

本文通過尋求各構造形跡的運動學及動力學信息，確定構造形跡之間成生聯系，提出力學模型，進行摸擬實驗與力學解析予以驗證，凡驗證能重塑再現這些構造形跡則為可能或合理的組合模型，否則是不合理或不可能的組合模型。

3．1 力學解析

壓力影成因模式可用南北向壓縮與東西向等量伸展即純剪切的力學解析可知，在兩個互相正交面的拉應力與壓應力絕對值相等的應力狀態下，與主應力成450°的截面上，只有剪應力而無正應力，完全可以出現圖2所示的雙弧構造。由此證明壓力影模式是合理的。

3．2 物理模擬

物理模擬采用泥料，用相對較干的泥料模擬四川盆地剛性基底，在剛性基底之上及其周緣用較濕泥料擬合變形體。在南北邊界施加分布力使之緩慢變形，得到如圖3所示結果。實驗結果再現了雙弧構造，并再現了盆地構造，即再現了雙弧構造和四川盆地的形成過程。

圖2 雙弧構造力學解析圖

圖3 雙弧構造物理模擬

3．3 數值模擬

數值模擬采用有限元方法模擬。其基本原理是借用高等數學中“以勻代不勻”的思想，將不同的地質體分成不同大小的單元，用彈性力學基本理論進行近似擬合。其過程與結果簡述如下。

模擬條件：采用彈性模型進行計算。

其中：剛性體周緣彈性模量：1．5E10，泊松比0．3；剛性體彈性模量：5E10，泊松比0．27。

邊界條件：左右兩邊x＝0和x＝103923固定；施加y方向的均布荷載（壓力）：P＝60kN／m。

模擬結果表明，在剛性體兩側出現低應力區，南北兩側壓應力最大。主應力跡線（圖4）的變化趨勢是在東西兩側出現對稱弧形分布，與壓力影極為相似，證明了這一模式是可能的。

圖4 第一主應力（最大正應力）跡線

3．4 討論

通過力學分析，證明壓力影模式是合理的。物理模擬再現了雙弧構造和盆地構造的形成過程。數字模擬主應力跡線的變化趨勢在東西兩側出現對稱弧形分布，與壓力影極為相似。在南北向擠壓力作用下，隱伏基底相對下降形成盆地，兩弧收斂部位屬低壓三角區。由于左右邊界固定，這種雙弧構造是在先存構造格局這一特定邊界條件下，南北向擠壓應力場作用的結果。

4 結 論

從力學分析、數字模擬和物理模擬3個方面證明了“雙弧構造是同一應力場作用的結果”的觀點。雙弧構造是同一應力場作用的結果，它是在先存構造格局這一特定邊界條件下，南北向擠壓應力場作用的結果。

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