基于離散元數(shù)值模擬的構造變形機制分析方法

摘要： 受多期構造運動影響，準噶爾盆地南緣前陸沖斷褶皺帶具橫向東西分段、南北分帶，縱向構造疊置的變形特征。但該區(qū)構造變形機制及樣式的不同認識在一定程度上制約了油氣勘探的深入。為探究準南緣新生代以來構造變形機制及其變形過程，本文利用高精度地震、鉆井和巖石力學等資料，根據(jù)實際地質(zhì)條件，重點考慮滑脫層的數(shù)量、強度及厚度變化，結(jié)合滑脫層縱向組合、橫向分布范圍及同沉積作用、先存構造等因素，共設計了10 組模型，并采用離散元數(shù)值模擬方法開展了對比實驗。實驗結(jié)果表明，滑脫層強度、厚度及其組合主要控制沖斷褶皺帶構造縱向疊置關系及構造樣式，滑脫層分布及同沉積作用主要控制其橫向變形范圍，先存構造主要影響后期構造的繼承性發(fā)育。在此基礎上，分段開展了多因素組合模擬實驗并與實際地震剖面進行對比，重構了準南緣構造變形過程，揭示了新生代以來其構造變形機制，即先存斷裂、古凸起、三套不同性質(zhì)滑脫層縱向疊置關系和同沉積作用共同控制了西段構造的形成與演化，“下強上弱”“下薄上厚”兩套縱向疊置滑脫層控制了中段構造的形成與演化，先存斷裂及單套較弱滑脫層控制了東段構造的形成與演化。該方法可為類似的復雜構造變形區(qū)提供參考。

關鍵詞： 準噶爾盆地南緣，前陸沖斷褶皺帶，離散元數(shù)值模擬，滑脫層，先存構造，同沉積作用

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000‐7210. 2024. 05. 021

1 概況

盆地和山脈在沉積、構造及形成演化等方面存在耦合關系[1]。新生代以來，印度板塊向歐亞板塊俯沖碰撞產(chǎn)生的構造變形引起遠程效應，致使北天山古造山帶重新活動，強烈造山作用疊加于早期構造，在北天山山前與準噶爾盆地交匯處形成了現(xiàn)今的準噶爾盆地南緣（后文均以“準南緣”代稱）前陸沖斷褶皺帶（圖1），該一級構造單元屬于北天山新生代變形擴展的一部分。自石炭紀末古亞洲洋閉合以來，準南緣先后經(jīng)歷了早二疊世斷陷、中二疊世—三疊紀周緣前陸盆地、侏羅紀伸展斷陷—壓扭盆地、白堊紀—古近紀穩(wěn)定陸內(nèi)坳陷與新近紀—第四紀陸內(nèi)前陸盆地等5 個構造演化階段[2‐4]。現(xiàn)今地形是中生代以來在古造山帶基礎上發(fā)育強烈變形的疊合性構造所致。新生代構造活動對其陸內(nèi)變形和油氣運聚有重大影響[5]。因此，探索準南緣新生代以來的構造變形機制不僅對研究其構造形成演化及變形規(guī)律有重要意義，還可為該區(qū)油氣勘探目標的選擇與評價提供指導。

二十世紀末以來，越來越多的學者針對準南緣構造變形開展研究，認為與大多數(shù)前陸沖斷帶一樣，其宏觀構造變形具有橫向分帶、分段，縱向分層及多期次、多層系變形等特征[6‐13]。受地表及地下復雜條件和地震資料品質(zhì)不太好的影響，前人對準南緣深層構造變形特征及其成因機制方面的認識存在較大差異。

針對準南緣楔頂帶，存在不同認識，即控制構造形成的斷裂末端是收斂于深部滑脫層還是切穿基底。楊迪生等[14]認為托斯臺背斜屬燕山期高角度走滑斷裂控制的基底卷入構造，而席怡[15]和王勃[16]則認為該隱伏背斜的形成受控于深層構造楔，下斷坪收斂于深部滑脫層之中。管樹巍等[17]通過建立準南緣一排帶運動學模型，認為其呈現(xiàn)典型構造楔模式，組成構造楔的前沖斷層收斂于深部拆離層。

針對向盆地方向發(fā)育的褶皺帶，在縱向滑脫系統(tǒng)方面存在不同認識。趙耀輝[18]和何海清等[19]認為山前背斜帶縱向上具多滑脫層沖斷疊置的構造樣式，受古近系安集海河組泥巖和中—下侏羅統(tǒng)煤層兩套滑脫層控制，淺、中、深層構造變形樣式、強度明顯不同。甄宇等[20]認為準南緣中段發(fā)育深、淺多層滑脫構造變形系統(tǒng)，中深層變形符合構造楔模式，淺層變形為薄皮推覆構造，其變形機制主要是通過基底滑脫層、中二疊統(tǒng)泥、頁巖及下侏羅統(tǒng)煤層分層滑脫實現(xiàn)。鄧起東等[21]認為霍瑪吐背斜帶是受侏羅系和古近系兩套滑脫層控制的斷層傳播褶皺。楊庚等[22]則認為霍瑪吐背斜帶的形成受多套滑脫層控制，滑脫層分隔了上、下構造層變形，起到了屏蔽作用[12]，導致其上、下構造層變形樣式的差異。Pichot等[23]認為霍瑪吐背斜帶淺、深層構造變形耦合受控于兩套滑脫層的縱向組合。滑脫層的構造拆離作用實現(xiàn)了地殼大規(guī)模的縮短變形，這也是前陸沖斷帶形成的一種重要機制[24‐25]。

從前人研究成果看，滑脫層是準南緣構造形成的主控因素之一，不僅制約其分層變形構造模式的形成與演化，也是造成深、淺層構造不協(xié)調(diào)的主要原因[26‐27]。但研究多限于單一構造或某一構造帶的定性—半定量研究，缺少區(qū)帶級方面的研究成果，且滑脫層在微觀層面的控制作用一直不太明確。斷層相關褶皺理論為前陸沖斷帶構造變形特征定量化研究提供了基礎，但經(jīng)典構造幾何學分析方法用于準南緣復雜構造區(qū)時具有一定的局限性，而符合運動學約束下的構造解釋存在不確定性和多解性[28‐29]。得益于定量化研究，Chamberlin[30]首次提出了平衡剖面技術，基于幾何學原理，在垂直構造走向的剖面上，利用反演的方式將已變形的構造復原成合理的未變形狀態(tài)[31]，其優(yōu)勢在于可以利用淺層構造表現(xiàn)出的幾何學特征，通過劃分等傾角區(qū)及軸面分析確定深層地震資料品質(zhì)較差部位的構造形態(tài)、特征及滑脫層位置。該方法廣泛用于構造變形量、變形機制研究[32‐34]。