塔里木盆地塘西北反沖斷層及其形成機制

陳書平 云金表 劉志娜 劉士林 李偉 季弘瑩

摘 要：前陸褶皺帶反向沖斷作用的形成機理一直沒有得到很好的認識。塔里木盆地塘西北構造帶發育很好的反沖斷層，給這種構造形成機理的探討提供了很好的實例。地震資料顯示，塘西北構造帶發育多排逆沖斷層及相關構造，逆沖斷層傾向北西，向造山帶方向即南東向逆沖，斷層形成時間為奧陶紀晚期，受阿爾金造山帶或西昆侖造山帶的影響，是一組典型的反沖斷層。地質分析及離散元顆粒流模型計算證明，反沖斷層形成的可能原因包括兩個方面，一是寒武系底部膏鹽層滑脫面的存在；二是與阿爾金斷裂帶相關，塘南古隆起對塘北構造區的不均勻擠壓。

關鍵詞：反沖斷層 滑脫面 差異擠壓 機制 離散元模擬

中圖分類號：P542.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0127-05

前沖斷層是沖斷方向與擠壓力方向相同的逆沖斷層，其傾向造山帶方向，向前陸方向沖斷。反沖斷層則相反，其傾向前陸向造山帶方向逆沖。在前陸盆地的盆山耦合帶，多數情況下發育前沖斷層，但反沖斷層也時有發生，如塔里木盆地玉東-瑪東斷裂帶發育向腹陸阿爾金山方向逆沖的沖斷層[1]、揚子北緣弧形構造發育的隔檔式褶皺也伴生反沖斷層[2]、大巴山前陸弧形構造帶同樣也伴生反沖斷層[3]。國外同樣不乏這樣的實例[4，5]。但是，這些反沖斷層形成的原因仍然沒有得到很好的解釋。本文基于地震資料和已有的研究成果，并應用數字砂箱離散元計算方法[6-8]，分析研究塘西北構造帶變形時間、變形巖石組成以及變形邊界條件（見圖1），以期對該區反沖斷層的形成機理提出新認識，也給其他類似構造發育地區的構造成因解釋提供參考。這里的塘西北構造帶包括通常意義的玉東斷裂帶、瑪東斷裂帶、塘北斷裂帶、中3-塔中3井斷裂帶。

1 反沖構造特點

塘西北構造帶由多條逆沖斷層組成，構造帶走向由北東向轉變為北東東向，整體表現為向北西方向突出的弧形，被走向與構造帶近垂直的平移斷層切割。剖面上，逆沖斷層傾向北西或北北西，向南或南南東方向逆沖（見圖2）。由于其變形力源來自南東方向的阿爾金褶皺帶或西昆侖褶皺帶，因此這些逆沖斷層是典型的反沖斷層。

不整合顯示，構造主形成期為奧陶紀晚期的加里東運動（見圖2）。變形巖石組成為寒武系和奧陶系，由砂巖、泥巖和碳酸鹽巖組成。中下寒武統（T6-T9上部），發育多層膏鹽，累積厚度在400～700m，且在背斜下方有加厚現象。這些膏鹽層起滑脫面的作用，分隔上下層不同變形樣式?；搶拥拇嬖谝彩欠礇_斷層形成的必要條件[4，5，9]。

塘西北構造帶變形動力條件與阿爾金構造帶的形成息息相關（見圖3），是與阿爾金斷裂帶形成相關的動力條件遠程效應的結果，而阿爾金斷裂帶的形成則與阿爾金地體、昆侖地體（西昆侖、東昆侖和柴達木盆地）與塔里木地體的碰撞作用相關。中奧陶世末期，在祁連阿爾金北昆侖洋盆俯沖消減作用下，阿爾金地體與塔里木地體拼貼，塔里木盆地由被動陸緣的伸展體制轉變為擠壓的克拉通沉積盆地[10，11]，盆地南部發生臺盆分異[12-14]，形成隆升幅度較大的和田古隆起和孤立型塘南古隆起（臺地）。阿爾金山鋯石U-Pb年代學研究，也證明了450～500Ma的熱事件[15]。塔里木盆地東南緣區晚奧陶世，西昆侖東段發生的板塊碰撞作用，得到了碰撞型花崗巖類發育的證明，如中粒含斑黑云母二長花崗巖、中粒似斑狀黑云母二長花崗巖、中細粒黑云母二長花崗巖等[16]。

2 反沖斷層形成機理討論

上地殼巖石變形符合庫倫摩擦理論，斷層的形成呈共軛狀，兩條斷層的交線對應中間主應力軸，銳角平分線對應最大主應力軸。另外，理論上認為，重力勢能增加量一定的情況下，緩傾斜逆沖斷層比陡傾斜逆沖斷層更容易發育，因為前者能夠吸收更多的水平縮短量[4，5]。因此，巖性均質、厚度均勻、水平擠壓下，形成兩組傾角相同、同等發育的斷裂（見圖4a）。在厚度不均勻，且考慮不同摩擦系數底面情況下，雖然區域為水平擠壓力，但局部最大主壓應力軸會發生傾斜，這時所伴生的兩組共軛斷層的活動性，會有所不同。當最大主壓應力向前陸方向抬起時，伴生前沖斷層（見圖4b）。當最大主壓應力向腹陸造山帶方向抬起時，伴生后沖斷層（見圖4c）。

在實際情況中，多種因素可能影響著最大主應力軸向腹陸方向傾斜，如變形體形狀、底面摩擦、施力邊界形狀等。Mackay（1995）認為，斜坡面上的沉積楔形體，當底面上摩擦力很小時，可以使最大主應力軸向腹陸方向傾斜[5]。Byrne等（1993）認為，底面摩擦力很小、施力邊界為楔形時，同樣可以使最大主應力向施力端（腹陸）傾斜，形成反沖斷層[4]。

對于塘西北構造帶，作為滑脫面的寒武系中、下統，發育厚層膏鹽層。膏鹽層具有低的抗變形能力，在地質時間尺度可以看作流體。從現今變形層厚度看（見圖2），構造發育期不存在斜坡上的變形楔形體。相反，應該是厚度均勻的近水平地質體。另一方面，中奧陶世末期形成的塘南古隆起[1]，對于塘西北構造帶來說，是楔形施力邊界，類似于Byrne等（1993）[4]模擬試驗中的邊界條件。

3 反沖構造形成條件離散元模擬

為了驗證上述對反沖構造形成條件的推斷，設計了離散元顆粒流模型，進行了模擬計算。

3.1 原理簡介

在離散元顆粒流模型中，利用綁定顆粒來代替天然巖石，以研究宏觀變形的微觀機理和預測這些宏觀變形的行為[8]。該方法由Cundall創立[6，7]，作為離散元的一種，主要應用于模擬巖石類材料基本特性、顆粒物質動力響應、巖石類介質內斷層、節理及其他地質構造的發展等基礎性問題。其原理是，巖石的力學行為表現為微觀裂紋的形成、生長和相互作用。這種行為可以用綁定顆粒模型來代替。在牛頓運動定律（力-加速度關系）、力-位移（應力-應變）關系約束下進行計算，可以得到速度場和應變場，從而研究巖石的宏觀變形。該方法稱為顆粒流離散元模擬，由程序PFC2D和PFC3D實現二維和三維計算，已廣泛應用于斜坡變形和巖石變形研究[18-22]。

3.2 模擬結果分析

離散元顆粒流模擬過程中，對比試驗了斜邊推進和旋轉斜邊推進、底面存在塑性層和不存在塑性層等，發現只有底面存在塑性層和旋轉斜邊施力時，才形成向施力端（腹陸）方向沖斷的沖斷層，或陡翼在施力端（腹陸）一側的褶皺。下面主要介紹一下最后這個模型的結果。

模擬模型為二維模型，56m長，4.65m高（見圖6a）。顆粒半徑0.03～0.0498m，粒徑服從高斯分布。孔隙度16%，脆性層彈性模量80GPa，泊松比0.3，摩擦系數0.57；塑性層彈性模量1GPa，泊松比0.3，摩擦系數0.34；組內顆粒間粘結力3×104Pa。1、2層為塑性層，3～8為脆性層。1層與底部邊界摩擦力為0，推板整體向前（左）推移速度為2mm/s，同時擋板圍繞底部A點做順時針旋轉，角速度為6.7×10-5rad/s，相當于上部比A點向前推進的速度慢，模擬施力端施力不均勻。

早期變形都是集中在推板附近，形成前沖斷層（見圖6b）。進一步擠壓，變形向前傳遞，形成褶皺。在圖6c中，后翼（靠近推板）傾角42°，前翼傾角22°，已顯示出反向褶皺（斷層）的特點。圖6d中，后翼（靠近推板）傾角58°，前翼傾角33°，反向褶皺（斷層）的特點已經很清楚了。

離散元顆粒流模擬計算證明，兩個因素在構造形成中起重要作用，一是高塑性層的存在；二是深淺層不均勻擠壓。

4 結語

塘南構造帶反沖斷層及向腹陸倒向的褶皺，與兩個因素有關，一是寒武系底部發育的厚層膏鹽層；二是阿爾金山造山帶擠壓古塘南隆起，塘南古隆起給塘西北構造帶施加由深到淺不均勻擠壓，下部擠壓強（快），上部擠壓弱（慢）。這種不均勻擠壓相當于在原來水平擠壓的基礎上，附加了層間滑動引起的剪切力，引起最大主壓應力方向發生偏轉，使向腹陸沖斷的沖斷層（反向斷層）或陡翼靠近腹陸的褶皺更容易發生。

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