滑脫層在擠壓構(gòu)造變形中的作用——來自構(gòu)造物理模擬實驗的證據(jù)

萬立鑫，金文正

滑脫層在擠壓構(gòu)造變形中的作用——來自構(gòu)造物理模擬實驗的證據(jù)

萬立鑫1，金文正1，2

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083；2.海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083）

為了研究滑脫層在擠壓構(gòu)造變形中的作用，通過物理模擬實驗，觀測了兩種構(gòu)造擠壓方式（即單向擠壓、雙向擠壓）作用下不同時期及不同部位地層的構(gòu)造形成及其晚期演化特征。實驗結(jié)果表明：①在滑脫層存在的地質(zhì)條件下，地質(zhì)體自下而上可以劃分為三個構(gòu)造變形單元，即“上構(gòu)造層、滑脫層、下構(gòu)造層”。②構(gòu)造變形過程可以劃分為3個時期，在變形初期，下構(gòu)造層逐漸發(fā)育小規(guī)模的逆斷層，上構(gòu)造層發(fā)育斷滑褶皺的雛形，在滑脫層中形成典型的順層斷層；構(gòu)造變形中期，下構(gòu)造層發(fā)育大量逆沖斷層，斷層傾角下陡上緩，上端逐漸尖滅于滑脫層之中，上構(gòu)造層進一步形成斷展褶皺；構(gòu)造變形晚期，下構(gòu)造層與上構(gòu)造層的構(gòu)造變形樣式基本上不再變化，已經(jīng)形成的多個構(gòu)造樣式發(fā)生繼承性構(gòu)造演化。③在構(gòu)造變形中，滑脫層發(fā)生塑性流動，在不同地區(qū)會發(fā)生滑脫層增厚與減薄，并且在增厚與減薄部位，上構(gòu)造層與下構(gòu)造層分別具有不同的構(gòu)造變形樣式。

滑脫層；構(gòu)造物理模擬；斷層；斷層相關褶皺

眾所周知，在地殼中，不同地質(zhì)時代的沉積地層經(jīng)過多期且復雜的構(gòu)造變形而形成造了多種多樣的構(gòu)造變形樣式（文竹等，2013；魏顯貴等，1997；鄧明森，1997），其中滑脫層在構(gòu)造變形中發(fā)揮著重要的作用（白憲洲等，2019；伍躍中等，2008；蔡學森等，1992）。已有學者研究表明（姚俊祥，1994；張琪沅，2021），在構(gòu)造變形作用中由于滑脫層的存在，位于滑脫層上下的地層均會發(fā)生一系列復雜的形變，即滑脫構(gòu)造形變。構(gòu)造模擬實驗是通過正演的方法來研究和模擬各種構(gòu)造現(xiàn)象變形特征，動力學過程以及成因機制的物理模擬實驗方法（劉玉萍等，2008；吳航等，2019；黃光明等，2017）。為了探究滑脫層在擠壓構(gòu)造變形中的作用，本次實驗構(gòu)造物理模擬的方法設計了兩種實驗模型，即單向擠壓模型和雙向擠壓模型。在實驗的過程中使用數(shù)碼攝像工具記錄模型的形變過程，以便更加直觀的觀測滑脫層在構(gòu)造變形中所起到的作用。

表1 實驗材料及其用途表

1 實驗設置

1.1 實驗材料

由于實驗模型尺寸的有限性，決定了實驗材料不能采用自然界中真實的巖石，而必須采用其它粘性系數(shù)、強度等物理參數(shù)比巖石小的多的等效材料（表1）。本實驗采用了不同顏色、不同粒度的干燥石英砂、黏土和水晶泥作為實驗材料，由于石英砂內(nèi)摩擦角Φ≈32°，適合模擬一些較強的能干性巖層。水晶泥與微玻璃珠的內(nèi)摩擦角近似相等Φ≈25°，由于摩擦強度小，可以模擬一些強度較低的非能干巖層。在本次實驗模型設計中水晶泥被用來模擬滑脫層。

1.2 模型的建立

本論文設計的所有實驗均在海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室完成。模擬實驗是在一個長為295mm，寬為47mm，高為140mm的有機玻璃容器中完成。共設計了2個實驗模型，尺寸均為295mm×47mm×140mm。兩種模型均以干燥的石英砂為強度較大的非滑脫層，水晶泥為強度較小的滑脫層。模型共5層，滑脫層位于中間層厚度約為5mm，其下覆地層是厚度為均為20mm的黏土層和白色石英砂層，其上覆地層是厚度均為20mm的藍色石英砂層和粉色黏土層（圖1）。

圖1 實驗模型設計圖

2 實驗過程

實驗通過電機對模型側(cè)壁的水平擠壓來模擬地層發(fā)生擠壓時的真實情況。電機通過計算機控制，擠壓時的速度可以通過計算機自行控制（于福生等，2012）。本次實驗的兩個模型的擠壓速度均為1m/s，每次移動的距離均為10mm，縮短率可達到60%以上。其中雙向擠壓模型是為了應證單向擠壓模型而設計的。在擠壓的過程中，地層每移動10mm便對模型側(cè)面拍攝照片，同時記錄地層在擠壓過程中的發(fā)展情況，并選出可以代表關鍵變形點的圖片進行作圖，并對變形圖進行解釋。

3 實驗結(jié)果

3.1 單向擠壓模型

實驗結(jié)果表明，地質(zhì)模型從最開始受到構(gòu)造擠壓開始至結(jié)束構(gòu)造擠壓，其構(gòu)造變形樣式和演化具有明顯的分期性，根據(jù)其變形特征，可以將構(gòu)造變形階段劃分為三個時期（表2）。

表2 構(gòu)造變形階段劃分及其主要特征表

（1）初期：剛開始受到構(gòu)造擠壓時（縮短率約20%），各地層均已開始出現(xiàn)輕微的變形，當縮短率增加至20%時，滑脫層下部地層由于受到擠壓作用使得巖層變厚形成向前陸方向的逆沖斷層，但形成的斷層數(shù)量少（約2條）、規(guī)模小（斷距約為1mm）；滑脫層上部地層未形成明顯的逆沖斷層，但是形成了斷層相關褶皺，類型為斷滑褶皺和斷展褶皺（表3）。

表3 具滑脫層地質(zhì)體的構(gòu)造變形特征及其期次劃分（單向構(gòu)造擠壓）表

（2）中期：隨著縮短率的進一步增大，滑脫層下部地層大量發(fā)育新的逆斷層，形成斷塊構(gòu)造，斷層規(guī)模會逐漸加大但是未切穿上覆所有地層且上端傾角逐漸變緩而最終尖滅于滑脫層中，此時斷塊構(gòu)造多演化成為疊瓦沖斷構(gòu)造；滑脫層上部地層仍未形成明顯的逆沖斷層，形成的斷層相關褶皺數(shù)量增多，規(guī)模變大（表3）。

（3）晚期：當縮短率達到60%時，斷層數(shù)量與規(guī)模均到達峰值，即斷層數(shù)為4條，斷距約為3mm；滑脫層上部地層未出現(xiàn)明顯逆沖斷層，先前出現(xiàn)的褶皺規(guī)模變大，且在其下方出現(xiàn)新的褶皺。當縮短率大于60%時，滑脫層下部地層不再發(fā)育新斷層，且早期形成的斷層上端基本上都尖滅于滑脫層中；滑脫層上地層未出現(xiàn)明顯的逆沖斷層，褶皺構(gòu)造發(fā)生繼承性構(gòu)造變形及晚期演化（表3）。

綜合來看，在整個構(gòu)造變形過程中，滑脫層本身未形成明顯的脆性構(gòu)造變形樣式，而是發(fā)生塑性流動，并且由于滑脫層的“分隔”作用，上、下構(gòu)造層構(gòu)造變形程度存在明顯差異，即上構(gòu)造層的變形強度明顯大于下構(gòu)造層的變形強度，主要表現(xiàn)為地層的局部增厚、斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造的大量且密集發(fā)育，而下構(gòu)造層主要發(fā)育較為單一的斷塊構(gòu)造或者疊瓦沖斷構(gòu)造樣式（表3）。

3.2 雙向擠壓模型

為了進一步驗證上述實驗結(jié)果的合理性，本論文加設了雙向構(gòu)造擠壓變形實驗，實驗結(jié)果表4所示，認為不論是單向構(gòu)造擠壓還是雙向構(gòu)造擠壓，其構(gòu)造變形過程和最終變形樣式一致，滑脫層本身構(gòu)造變形亦與前者實驗結(jié)果一致，在此不加贅述。

綜合分析和對比兩種實驗結(jié)果表明，在構(gòu)造變形及演化中，滑脫層本身始終并未發(fā)生明顯的脆性變形，而發(fā)生塑性流動，在局部地區(qū)發(fā)生滑脫層的增厚與減薄，其中在靠近力源部位（或靠近造山帶部位），滑脫層厚度增大，上覆構(gòu)造層多發(fā)育斷層相關褶皺構(gòu)造，在地表表現(xiàn)為地層隆升而形成正地形；而遠離力源部位（即靠近沉積盆地腹部），滑脫層發(fā)生厚度的減薄，多為下構(gòu)造層中逆沖斷層頂部發(fā)生傾角明顯變緩并尖滅于滑脫層的位置。

表4 具滑脫層地質(zhì)體的構(gòu)造變形特征及其期次劃分（雙向構(gòu)造擠壓）表

4 討論

本次實驗的結(jié)果與目前多地區(qū)構(gòu)造變形樣式具有較強的一致性，具體以米泉地區(qū)、四川川東地區(qū)和川西龍門山地區(qū)為例（圖2）。

位于我國新疆的米泉地區(qū)具有典型的滑脫沖斷構(gòu)造樣式（楊玉龍，2020）（圖2A）。該地區(qū)被滑脫層分為上下兩套地層。其下部地層構(gòu)造十分強烈，發(fā)育多條斷層，除幾條主斷層貫穿所有地層外，次級斷層均尖滅于滑脫層。其上部地層，未出現(xiàn)明顯的逆沖斷層，但發(fā)育多條斷層相關褶皺。

圖2 滑脫層在不同地區(qū)構(gòu)造變形中對構(gòu)造變形樣式的影響

A-過米泉1井構(gòu)造分層特征；B-川東地區(qū)典型滑脫構(gòu)造；C-川東地區(qū)雙滑脫構(gòu)造及基底卷入構(gòu)造；D-川西地區(qū)滑脫構(gòu)造及縱向分層

在我國四川盆地的川東地區(qū)普遍發(fā)育構(gòu)造滑脫（王志勇等，2018；張慶峰，2021；劉重慶等，2013）。川東地區(qū)滑脫構(gòu)造發(fā)育區(qū)以滑脫層為界具有明顯的構(gòu)造變形分層特點（圖2B）。滑脫層下部地層發(fā)育許多斷層但都尖滅于滑脫層中，即消失在膏鹽巖塑性層內(nèi)部；其上部地層發(fā)育多受斷裂控制的構(gòu)造，即斷層相關褶皺（圖2C）。

龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育多套滑脫帶（湯良杰等，2008；金文正等，2011；李勇等，2013）（圖2D），由于滑脫層的存在，上下地層發(fā)生明顯不同的構(gòu)造變形。其下部地層構(gòu)造十分強烈，發(fā)育多條斷層，但斷層均尖滅于滑脫層。其上部地層，未出現(xiàn)明顯的逆沖斷層，但發(fā)育多條斷層相關褶皺。

5 結(jié)論

位于滑脫層下方各時期地層，在構(gòu)造變形中均逐漸形成明顯的逆沖斷層和相關構(gòu)造變形樣式，主要特征如下：

（1）在滑脫層存在的地質(zhì)條件下，地質(zhì)體可以自下而上可以劃分為三個構(gòu)造變形單元，即“上構(gòu)造層、滑脫層、下構(gòu)造層”，各構(gòu)造層發(fā)育不同的構(gòu)造變形特征，其中上構(gòu)造層主要形成斷層相關褶皺構(gòu)造，以斷展褶皺類型為主，而下構(gòu)造層主要發(fā)育斷塊構(gòu)造或者疊瓦沖斷構(gòu)造，滑脫層本身發(fā)生塑性流動，并且上構(gòu)造層的變形強度明顯大于下構(gòu)造層的變形強度。

（2）根據(jù)變形樣式及其演化，將構(gòu)造變形劃分為3個時期。

①在變形初期（縮短率小于20%），下構(gòu)造層逐漸發(fā)育小規(guī)模的逆斷層，上構(gòu)造層發(fā)育斷滑褶皺的雛形，在滑脫層中形成典型的順層斷層。

②構(gòu)造變形中期（縮短率介于20%～60%之間），隨著構(gòu)造變形程度的加強，地層變形幅度加大，下構(gòu)造層發(fā)育大量逆沖斷層，并且斷距在構(gòu)造擠壓過程中迅速增大，斷層傾角下陡上緩，上端逐漸尖滅與滑脫層這之中，構(gòu)造變形樣式由最初的斷塊構(gòu)造逐漸演化為疊瓦沖斷構(gòu)造，而上構(gòu)造層進一步形成斷展褶皺。

③構(gòu)造變形晚期（縮短率大于60%），下構(gòu)造層與上構(gòu)造層的構(gòu)造變形樣式基本上不再變化，已經(jīng)形成的多個構(gòu)造樣式發(fā)生繼承性構(gòu)造演化。

（3）在多期構(gòu)造變形及演化過程中，滑脫層本身發(fā)生塑性流動，在局部地區(qū)發(fā)生滑脫層的增厚與減薄，并且在增厚與減薄部位，上構(gòu)造層與下構(gòu)造層分別具有不同的構(gòu)造變形樣式。

致謝：在實驗過程中得到了能源學院何金有老師在實驗儀器方面的給予的指導和幫助，此外也有多名班里的同學給予過無私的幫助，審稿人和編輯部老師對本文的最終定稿也給予了指導，在此一并致以衷心感謝。

白憲洲，文龍，王玉婷，馬繼躍，巴金，鄢圣武．2019．四川盆地西南緣下三疊統(tǒng)銅街子組-雷口坡組地球化學特征及其古環(huán)境意義[J]．四川地質(zhì)學報，39(03)：387-393．

蔡學林，魏顯貴，劉援朝．1992．阿爾金山走滑斷裂構(gòu)造樣式[J]．成都地質(zhì)學院學報，(01)：11-20．

鄧明森．1997．米倉山區(qū)蓋層褶皺構(gòu)造變形分析[J]．礦物巖石，(S1)：135-145．

黃光明，李忠海，李庶波，舒克棟．2017．底部滑脫層流變性和厚度變化對褶皺沖斷帶影響的數(shù)值模擬[J]．大地構(gòu)造與成礦學，41(03)：466-480．

金文正，萬桂梅，王俊鵬，楊孝群，白萬奎．2011．龍門山?jīng)_斷帶滑脫構(gòu)造變形樣式[J]．西南石油大學學報(自然科學版)，33(05)：9-13+188-189．

李勇，周榮軍，趙國華，蘇德辰，閆亮，顏照坤，云錕．2013．龍門山前緣的蘆山地震與逆沖-滑脫褶皺作用[J]．成都理工大學學報(自然科學版)，40(04)：353-363．

劉重慶，周建勛，郎建．2013．多層滑脫條件下褶皺—沖斷帶形成制約因素研究：以川東—雪峰構(gòu)造帶為例[J]．地球科學與環(huán)境學報，35(02)：45-55．

劉玉萍，尹宏偉，張潔，徐士進，解國愛．2008．褶皺—沖斷體系雙層滑脫構(gòu)造變形物理模擬實驗[J]．石油實驗地質(zhì)，(04)：424-428．

湯良杰，楊克明，金文正，呂志洲，余一欣．2008．龍門山?jīng)_斷帶多層次滑脫帶與滑脫構(gòu)造變形[J]．中國科學(D輯：地球科學)，(S1)：30-40．

王志勇，康南昌，李明杰，臧殿光，張怡，楊昕．2018．四川盆地川東地區(qū)滑脫構(gòu)造特征[J]．石油地球物理勘探，53(S1)：276-286+18．

魏顯貴，杜思清，劉援朝，吳德超．1997．米倉山推覆構(gòu)造的結(jié)構(gòu)樣式及演化特征[J]．礦物石，(S1)：117-125．

文竹，何登發(fā)，樊春，孟征．2013．四川盆地北部米倉山?jīng)_斷帶多層滑脫系統(tǒng)構(gòu)造分析[J]．新疆石油地質(zhì)，34(03)：282-286．

吳航，邱楠生，常健，張紀新，王曄．2019．川東多套滑脫層褶皺構(gòu)造帶形成物理模擬[J]．地球科學，44(03)：784-797．

伍躍中，王戰(zhàn)，陳守建，張轉(zhuǎn)．2008．阿爾金山南緣斷裂帶的分段分帶特征及其構(gòu)造演化[J]．地質(zhì)學報，(09)：1195-1209．

楊玉龍．2020．博格達山前帶米泉地區(qū)滑脫逆沖構(gòu)造樣式及其演化特征[J]．新疆石油地質(zhì)，41(01)：1-8+37．

姚俊祥．1994．試論阿爾金構(gòu)造帶中段的構(gòu)造特征[J]．新疆石油地質(zhì)，(02)：102-109．

于福生，李定華，趙進雍，董長華．2012．雙層滑脫構(gòu)造的物理模擬：對準噶爾盆地南緣褶皺沖斷帶的啟示[J]．地球科學與環(huán)境學報，34(02)：15-23．

張琪沅．2021．雙滑脫層地層系統(tǒng)變形過程的構(gòu)造物理模擬[J]．科技經(jīng)濟導刊，29(07)：111-112．

張慶峰．2021．四川盆地礁灘大氣田地質(zhì)特征與富集模式[J]．四川地質(zhì)學報，41(02)：259-263．

The Role of Detachment Layer in the Compressional Structural Deformation——Evidence from the Structure Physical Modeling Experiment

WAN Li-xin1JIN Wen-zheng1, 2

(1-School of Energy, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2-Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon enrichment mechanism, Ministry of Education, Beijing 100083)

In order to study the role of detachment layers in compressional structural deformation, the special structure physical modeling experiments are carried out in two different compression models (including unidirectional extrusion and dual-directional compression), revealing the structural styles and their evolution in several movement periods and different strata. The experimental results show that: (1) under the geological conditions of the detachment layers, a geological block can be divided into such three structural deformation units in descending order as upper structural layer, detachment layer and lower structural layer, (2) structural deformation can be divided into such as three stages: early stage characterized by a few small scale reverse faults in the lower layer, embryonic form of fault slip fold in the upper layer and several typical bedding faults in the detachment layer, middle stage characterized by more thrust faults in the lower layers and fault-propagation folds in the upper structural layer and late stage characterized by inheritance from the former structural styles, (3) during structural deformation, plastic flow occurs in the detachment layer, resulting in thickening and thinning in different areas, entirely different structural styles develop in the upper layers and the lower layers.

detachment layer; structure physical modeling experiment; fault; fault-related fold

P554

A

1006-0995（2022）01-0030-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.006

2021-09-30

國家自然科學基金項目（編號41572105、41002072）和油氣資源與探測國家重點實驗室開放課題基金（基金編號：PRP/open-1307）聯(lián)合資助

萬立鑫（1998— ），男，青海省西寧市人，本科生在讀，主要從事石油地質(zhì)專業(yè)方向的學習和研究

金文正（1978— ），男，遼寧省大連市人，博士，講師，主要從事石油地質(zhì)和含油氣盆地分析專業(yè)方向的教學和研究工作