川東褶皺帶南段構造物理模擬研究

蘇柏，張書迪，劉勇

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川東褶皺帶南段構造物理模擬研究

蘇柏，張書迪，劉勇

（中國地質大學，北京 100083）

根據現代的地質調查，四川盆地周圍是一系列左行走滑斷裂，顯示四川盆地順時針旋轉。川東褶皺帶由一系列雁列式背斜組成，成帚狀向南撒開，有學者認為是壓扭作用造成。利用干燥石英砂模擬上地殼脆性變形，膩子粉溶液模擬上地殼塑性變形，凡士林模擬滑脫層，橡皮泥模擬基底，研究四川盆地旋轉變形與川東褶皺帶南段的關系。實驗表明，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，褶皺帶南段的馬尾狀發散需要順時針旋轉的旋轉走滑與北西—南東擠壓應力疊加，且此種褶皺是由前期旋轉應力形成的展布較大、間隔較遠的平行褶皺，在后期隨著旋轉逐漸旋至旋轉與擠壓重疊部位部分發生集中所形成。川東褶皺帶旋轉-擠壓模式的構造模擬也為四川盆地的順時針旋轉機制提供了佐證。

川東褶皺帶；順時針旋轉；發散褶皺；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，據熱年代學資料，其主體構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針旋轉運動所造成，古地磁證據也顯示四川盆地在中生代發生了一定角度的順時針旋轉。但目前對于四川盆地整體構造旋轉特征的研究還較少，相關證據也僅限于各邊界斷裂的運動學特征及盆地內部的古地磁學證據，在構造物理模擬方面還沒有進行相關的研究。

圖1 四川盆地周圍邊界斷裂簡圖（據王二七，2007）

川東褶皺帶是揚子板塊西部的重要板內變形帶, 其中南華系至上侏羅統形成了北北東—北東走向的板內“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，向東過渡到以變質基底出露為特征的雪峰山隆起，向北復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（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，對于這種構造組合的成因有學者認為是由于壓扭作用，但尚缺少足夠的證據。

針對上述問題，我們設計了六組物理模擬實驗，結合四川盆地旋轉變形構造對川東褶皺帶南段進行模擬，探究蓋層性質、滑脫層以及基底斷裂對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變形的關系。

1 模型設計

四川盆地發育有多個構造層[5]，可分為基底和淺部蓋層沉積，發育有巖性軟弱的滑脫層。據此，模型設置為雙層式，基底均使用橡皮泥，蓋層使用石英砂或膩子粉。形狀加工成橢圓形，長徑為北東—南西方向，長度為25cm；短徑為北西—南東方向，長度為20cm；厚度為12mm，且均勻等厚。實驗裝置中心可旋轉，旋轉臺為直徑15cm的圓（圖2）。每次實驗前將模型中心與旋轉臺中心重合，均勻放置在實驗裝置上，并將橡皮泥充分壓實，以防滑脫失效。實驗中將旋轉臺以0.3~0.4r/min的速度勻速旋轉。在實驗中，模型Ⅰ~模型Ⅲ除旋轉運動外，還在模型南東一側施加擠壓應力，以此來模擬雪峰山擠壓構造。

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，并在基底東側加工出三條長為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構造變形的影響。模型Ⅲ蓋層為0.4~0.5cm濕度適合的膩子粉，與模型Ⅰ一起共同探究蓋層性質對川東褶皺帶的控制作用。膩子粉層厚度略大于石英砂層以抵消二者黏度差異。膩子粉層具體厚度由實驗現象標定。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對比考察滑脫層對川東褶皺帶的控制作用。模型Ⅴ在模型Ⅳ的基礎上，只對其施加北西—南東方向的水平擠壓應力，不對模型進行旋轉，觀察其在只受擠壓應力條件下出現的構造變形現象。模型Ⅵ在模型Ⅳ的基礎上，只將旋轉臺以0.3~0.4r/min的速度勻速旋轉，不施加北西—南東方向的水平擠壓應力，觀察在只有旋轉存在的條件下出現的構造變形現象。模型Ⅳ、模型Ⅴ與模型Ⅵ共同對比，考察在單一擠壓應力、單一旋轉應力和旋轉應力與擠壓應力疊加情況下構造變形現象的不同。

干燥的石英砂變形遵循莫爾一庫侖破壞準則，內摩擦角為31°左右，與上地殼地層內摩擦角大致相當，是模擬上地殼脆性變形的理想材料；膩子粉溶液是一種牛頓流體，遵循牛頓內摩擦定律，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，適合用來模擬變形強度小、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象。

2 實驗結果

模型Ⅰ：當旋轉臺轉動到1/12圈、北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進0.8cm時，石英砂層開始出現零散分布的幾條近直線的縱彎褶皺（圖3）。保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進，當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到1.2cm時出現一系列弧形褶皺，褶皺中部較窄且不規律，局部隆起較高，兩端較寬且平行（圖4）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進，當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到1.8cm時，褶皺末端在旋轉邊界附近出現旋轉拉伸的斷裂現象，到此實驗無法繼續（圖5）。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

模型Ⅱ：當旋轉臺轉動1/12圈、北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進0.6cm時，基底存在斷裂的位置處出現三條較為明顯的平行褶皺（圖6）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進，當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進1.5cm時，斷裂位置形成的三條褶皺進一步隆起變得更加突出，在這三條褶皺之間出現了長度較短的平行小褶皺（圖7），末端產生較為明顯的馬尾狀發散（圖8）。

圖9

圖10

圖11

圖12

模型Ⅲ：當旋轉臺轉動到1/8圈、北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進1.2cm時，擠壓部位的上覆膩子蓋層出現集中隆起的多條較為明顯的沿旋轉邊界分布的褶皺，在這些褶皺兩側出現垂直于旋轉方向劈理（圖9）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進。當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到1.6cm時，前端出現大量與轉動方向平行、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，同時出現大量的共軛剪節理；末端有比較明顯的發散褶皺（圖10）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進。當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到2cm時，模型邊緣被擠壓區域隆起較高，作為基底的橡皮泥將脫離試驗裝置底座，實驗無法繼續（圖11）。

圖13

圖14

圖15

圖16

圖17

圖18

圖19

圖20

模型Ⅳ：當旋轉臺開始轉動到1/8圈、北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進1.5cm時，擠壓部位的上覆膩子蓋層出現較為分散的多條不太明顯的北東——南西走向的褶皺，在這些褶皺兩側出現垂直于旋轉方向的細小的剪切節理（圖12）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進，當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到1.8cm時，前端出現大量與轉動方向平行的褶皺，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散褶皺，展布范圍較小，只在末端很小的范圍內發生發散（圖13）。繼續保持旋轉臺勻速轉動，水平擠壓應力勻速向前推進，當北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進到2cm時，模型邊緣被擠壓區域隆起較高，作為基底的橡皮泥將脫離試驗裝置底座，實驗無法繼續，此時前端平行褶皺的分布范圍進一步加大，褶皺末端發散現象更明顯（圖14）。

模型Ⅴ：北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進1cm時，擠壓部位開始出現不太明顯的褶皺，且褶皺相互交錯（圖15）。繼續施加北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進，推進2cm時，被擠壓部位與靜止部位邊界處出現許多垂直于模型邊緣的褶皺，展布范圍約為1.5cm（圖16）。繼續施加北西—南東方向水平擠壓應力推動模型邊緣向中心推進，推進2.5cm時邊緣的上覆蓋層向內側傾覆，原來產生的褶皺部分被覆蓋，模型基底的橡皮泥脫離試驗裝置底座，實驗無法繼續（圖17）。

模型Ⅵ：當旋轉臺轉動了1/16圈時出現大量細小的與旋轉方向平行的拉伸線理和剪節理（圖18）。繼續施加順時針的旋轉應力，當轉動臺轉動了1/8圈時，平行彎曲節理變得更加明顯，褶皺末端在旋轉邊界向中心一側也出現了平行節理，長度相對較短（圖19）。繼續施加順時針的旋轉應力，當旋轉臺轉動1/6圈時，末端出現旋轉拉伸的斷裂，出現許多不太明顯的與旋轉方向垂直的垂直劈理（圖20）。

3 討論

3.1 實驗模型對比

研究區數字高程圖與各模型模擬結果對比見圖21~圖28。

模型Ⅰ：褶皺帶中部出現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象差距較大。褶皺帶末端馬尾狀發散不明顯。

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

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

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

模型Ⅴ：只出現部分不明顯的褶皺，與川東褶皺差異較大。

模型Ⅵ：出現明顯平行褶皺，但是末端始終沒有產生馬尾狀發散的褶皺，與川東褶皺存在很大差異。

3.2 川東褶皺帶形成機制

由模型Ⅰ與模型Ⅲ結果對比表明，塑性蓋層條件對川東褶皺帶的形成更有利。

由模型Ⅰ與模型Ⅱ結果對比表明，基底存在斷裂時會產生與川東褶皺帶較為相似的構造樣式，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研究區數字高程圖

圖27 模型Ⅵ

圖28 研究區數字高程圖

由模型Ⅲ和模型Ⅳ結果對比表明，基底與蓋層之間是否存在滑脫層對構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結果對比表明在不同的動力條件下盆地產生的構造現象將大不相同。在單獨的擠壓應力條件下或是單獨的旋轉應力條件下都不能產生與川東褶皺帶展布特征較為接近的構造現象。因此我們推斷，川東褶皺帶的產生需要順時針旋轉的旋轉走滑應力與北西—南東擠壓應力疊加。

觀察模型Ⅱ、模型Ⅳ末端的馬尾狀發散褶皺，我們發現它們都出現在旋轉與擠壓重疊部位，由此推斷此種褶皺是由前期旋轉應力所形成的展布較大、間隔較遠的平行褶皺后期隨著旋轉旋至旋轉與擠壓重疊部位部分發生集中所形成。

4 結論

通過物理模擬手段探究了蓋層性質、滑脫層以及基底斷裂對川東褶皺帶平面形態的控制作用，以及川東褶皺帶展布特征與四川盆地旋轉變形的關系，取得了如下認識：

1）在物理模擬實驗中，運用塑性蓋層條件模擬得出的實驗現象更接近于川東褶皺帶實際情況，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。

4）川東褶皺帶的平面展布特征應該是旋轉應力與擠壓應力共同疊加作用的結果。

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

6）川東褶皺帶旋轉-擠壓模式的構造模擬為四川盆地的順時針旋轉機制提供了佐證。

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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，甘肅平涼人，本科在讀，專業：石油地質

[P545]

A

1006-0995（2017）04-0552-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.005