前陸褶皺造山帶箱狀褶皺變形特征：基于砂箱構造物理模擬研究

張博 萬元博 孫甫 楊哲

摘 要：箱狀褶皺是侏羅山式褶皺一種典型的組合樣式，廣泛發育于褶皺造山帶的前陸中，其特征為頂平箱狀產出，常以伴生形式與其他褶皺組合。傳統觀點認為，侏羅山式褶皺是剛性巖體之上有一層軟弱巖層，在軟弱層之上的巖層發生“臺布式”滑脫而形成隔擋式、隔槽式褶皺。文章通過砂箱構造物理模擬試驗方法，模擬前陸褶皺造山帶擠壓變形過程得出，地表淺層，巖性相同（或地層能干性差異小）地層中也可形成箱狀褶皺樣式。

關鍵詞：砂箱實驗；楔形體；隔槽式褶皺；箱狀褶皺

前言

侏羅山式褶皺起源于歐洲侏羅山區的褶皺，以背斜緊閉向斜開闊的和向斜緊閉背斜開闊為特征，分別對應的類型隔擋式褶皺和隔槽式褶皺。這類褶皺主要發育于褶皺造山帶的前陸坳陷帶或地槽中，尤其是在中新生代的褶皺造山帶的前陸中，如侏羅山及扎格羅斯山、比利牛斯山、高加索山、考底勒拉山和阿巴拉契亞山褶皺造山帶的前陸上。在我國，侏羅山式褶皺主要發育于川東一帶湘鄂西一帶，表現為一系列的北東走向的褶皺。箱狀褶皺是侏羅山式褶皺一種表現類型，侏羅山式構造與油氣，礦產等自然資源有著緊密的聯系，關于其變形特征、樣式對油氣及礦產資源的勘探具有重要的指導意義。眾多學者已經對侏羅山式褶皺構造特征、變形機制已經做過許多的研究，取得一些重要的成果及認識。砂箱構造物理模擬實驗是研究和模擬自然界地質構造現象變形特征，揭示成因機制和運動學過程，已經被證明是強大的可視化工具，在國際上得到廣泛應用（McClay and Whitehouse，2004）。文章通過梳理前人的研究成果，基于相似初始砂箱構造模型條件下低速擠壓條件下變形過程，著重探討了前陸褶皺沖斷帶隔槽式箱狀褶皺的變形特征及形成機制。

1 砂箱模擬實驗方法

1.1 實驗材料

實驗基礎材料采用純白色干燥石英砂顆粒（標志層采用紅色色石英砂顆粒），力學性質符合庫侖-摩爾破裂準則內聚力接近零，其被公認是模擬地殼淺層次構造變形的理想相似材料。石英砂經篩分，粒徑為200-400um，內摩擦角29-31°，內摩擦系數約為0.55。

1.2 實驗原理

實驗模型與自然界原型之間的相似性的確定，是通過模擬實驗來探討地質問題的前提。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學、運動學、動力學三方面的相似。作者等的實驗模型設置（圖1），主要重點側重實驗運動學方面相似，根據前人研究，結合文章實驗結果選取擠壓速率V=0.002mm/s進行實驗；物理模型和原型的動力學相似表示為：

σ*=ρ*×g*×L*

式中，σ *表示模型和原型之間的應力比值；ρ*表示密度的比值；g*和L*分別表示重力加速度和長度的比值。實驗在正常重力場中進行，因此重力加速度的比值g*=1。實驗材料與實際演示的密度比值ρ*≈0.5，取長度比值L=1×10-5（模型10cm代表自然界1km），分別鋪設基底層3層，因此模型模擬的深度為3.5km。

1.3 實驗過程

本次實驗是右端電缸不動，通過啟動左端電缸作水平單側向活動，對砂箱水平砂層施加擠壓變形，每次擠壓縮進至結束的位移量D=500mm。實驗過程中定時照相記錄擠壓過程。進行兩次以上重復實驗，以避免物理模擬的偶然因素的不利影響并驗證實驗結果的可重復性。

2 實驗結果

擠壓作用開始后，水平砂層初始變形會出現一個不對稱的膝折帶，其特點是頂端平頂，兩翼寬緩楔形體（標記為1號楔形體）。隨著右側擋板向右推移，擠壓楔形體繼續向前擴展，當擠壓縮短量S=158mm處時，先前形成的寬緩平頂1號楔形體與現在已發育穩態的2號楔形體中間留有一處平緩的凹槽。當擠壓縮短量S=366mm處時，發育穩態的3號楔形體，繼續擠壓至縮短量S=428mm過程中，砂體一方面在后緣堆積，導致先前形成形態寬緩的頂平寬緩的箱狀褶皺，兩翼收緊；另一方面楔形體向前擴展發育穩態的頂平、兩翼寬緩的4號楔形體，且楔形體之間同樣發育一個凹槽。最后，當擠壓縮短量S=500mm過程中，發育穩態5號楔形體，4號楔形體和5號楔形體之間發育一個底平的凹槽。

圖2 擠壓速率V=0.002mm/s下的單側向擠壓模型變形實驗結果

最終模型幾何形態在剖面上顯示如（圖2），在此速率下其構造樣式主要表現為發育穩態的相鄰楔形體間發育一個凹槽，阻隔楔形體，形態上似箱狀構成隔槽式褶皺。發育楔形體的生長過程與擠壓沖斷作用有著密不可分的關系。

3 實驗結果分析與討論

通過相似初始砂箱構造模型條件下擠壓速率為0.002mm/s下變形過程研究，分析實驗結果顯示：地殼淺表特征相同的地層（或地層能干性差異小）可發育構造樣式上成隔槽式褶皺。文章通過文獻調研發現，有關“侏羅山式”褶皺形成機制，主要有粘聚力差異說、動力學差異說和外營力作用說三種說法。提出粘聚力差異說的學者們認為層間粘聚力差異是控制隔檔式褶皺、隔槽式褶皺樣式的主要因素之一當地層在埋深較淺時，層間能干性差異對褶皺樣式起主控作用，能干性差異小時出現隔槽式褶皺，差異大時出現隔檔式褶皺。動力學差異說與粘聚力差異說正好相反。外營力作用說則摒棄了內力形成機制，“侏羅山式”褶皺區的形成是要受到一個統一力場支配的，這就要求在形成薄皮構造的區域有一個比較平緩而均一的剛性基底，便于上覆沉積地層在側壓力推擠下形成形態均一、性質相同的薄皮構造。在外營力作用下，薄皮構造遭受不同程度的破壞以后殘留下的不同部位的顯示。因此，結合文章實驗結果分析得出：統一構造應力場，內動力均勻條件下，在地表淺層可發育隔槽式的箱狀褶皺，這一結果很好的印證了粘聚力差異是控制地表淺層褶皺形態及組合樣式的主要控制因素。

4 結束語

文章通過單向擠壓砂箱模擬實驗結果分析以及探討沖起構造的發育特征，得到了主要認識：地殼淺表特征相同的地層（或地層能干性差異小）可發育構造樣式上成隔槽式褶皺。在地表淺層，無滑脫層的情況下，同樣可形成隔槽式的箱狀褶皺。

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