龍門山重力滑脫作用形成擠壓性構(gòu)造的物理模擬實(shí)驗(yàn)

于京都 李忠權(quán)

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

1 研究背景簡(jiǎn)述

長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為，自晚三疊世以來(lái)至第四紀(jì)，龍門山前陸盆地形成的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制應(yīng)為多期次的上沖推覆作用。在此背景下，在前陸盆地沖斷帶前緣，形成了一系列的擠壓性構(gòu)造，其中包括斷層傳播褶皺、倒轉(zhuǎn)褶皺以及斷層轉(zhuǎn)折褶皺等［1］（圖1）。

在20世紀(jì)90年代，有研究者在龍門山構(gòu)造帶中的沖斷帶的勘探研究中發(fā)現(xiàn)，在盆地深部殼幔的位置，存在標(biāo)志斷裂系統(tǒng)的高阻值域。該高阻值域深度涉及地表下20～100km；在剖面上，呈現(xiàn)為上半部?jī)A向NW，下半部?jī)A向?yàn)镾E［2］（圖2）。根據(jù)多期次上沖推覆的盆地形成模式，該高阻值帶的傾向應(yīng)與前陸盆地沖斷帶的NW傾向一致；而實(shí)際上該高阻值域所呈現(xiàn)的上部?jī)A向NW而下部?jī)A向SE的形態(tài)特征很難用單一的（即使是多期次的）上沖推覆機(jī)制理解，這提示可能存在另外的盆地形成機(jī)制。

圖1 龍門山構(gòu)造帶內(nèi)的滑脫構(gòu)造［1］Fig.1 The sliding structure in the Longmenshan tectonic zone

圖2 龍門山構(gòu)造帶的高阻異常帶［2］Fig.2 The zone of high resistivity in the Longmenshan tectonic zone

采用“疊合盆地”概念分析理解上述高阻值域在剖面上的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)對(duì)于龍門山前陸盆地形成的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可以有一種新的理解。

在印支期早期的早三疊世以及中三疊世的早期和中期（包含了飛仙關(guān)組、嘉陵江組和雷口坡組），龍門山構(gòu)造帶的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景為穩(wěn)定的被動(dòng)大陸邊緣。在此之后，龍門山構(gòu)造帶地區(qū)可能經(jīng)歷了由差異隆升所導(dǎo)致的、以拉張為主要特征的構(gòu)造活動(dòng)；松潘—甘孜高原的隆升幅度大于四川盆地的隆升幅度，形成了一期斷陷帶，從而造成了高阻值帶的深部異常傾向。這一時(shí)期可能開(kāi)始于中三疊世末期—晚三疊世初期（圖3）。

圖3 晚三疊世初期龍門山地區(qū)局部拉張構(gòu)造環(huán)境示意圖Fig.3 The sketch map showing the local stretching structural setting in the Longmenshan area

在晚三疊世的地層中，馬鞍塘組和小塘子組間存在區(qū)域性的不整合面；在大部分地區(qū)，此界面上下地層接觸關(guān)系表現(xiàn)為平行不整合；在龍門山前山帶，此界面上下地層的接觸關(guān)系有時(shí)表現(xiàn)為角度不整合，下伏地層發(fā)生強(qiáng)度不等的褶皺。該界面在局部表現(xiàn)為整合接觸，無(wú)明顯的不連續(xù)界面［3］（圖4）。

圖4 小塘子組與馬鞍塘組等下伏地層的不整合接觸［3］Fig.4 The unconformable contact between Xiaotangzi Formation and Maantang Formation

據(jù)劉樹(shù)根等的研究，龍門山地區(qū)確曾經(jīng)歷過(guò)拉張性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，即“峨眉地裂運(yùn)動(dòng)”［4］。該構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中可以分為3個(gè)階段，分別是二疊紀(jì)前峨眉地裂運(yùn)動(dòng)開(kāi)始期（志留紀(jì)—泥盆紀(jì)）、二疊紀(jì)峨眉地裂運(yùn)動(dòng)高峰期（早二疊世—晚二疊世），以及三疊紀(jì)峨眉地裂運(yùn)動(dòng)衰退期。盡管晚三疊世之后，四川盆地西部以及龍門山前山帶地區(qū)已完成了由海相沉積向陸相沉積的轉(zhuǎn)變，但仍有證據(jù)表明，直至晚三疊世初期，四川盆地西部和龍門山構(gòu)造帶東緣仍然表現(xiàn)出拉張的跡象，劉樹(shù)根等認(rèn)為其主要表現(xiàn)在下述的一些地質(zhì)現(xiàn)象上［4，5］：

a.在龍門山地區(qū)的沸水鎮(zhèn)和綿竹縣一帶，發(fā)現(xiàn)了晚三疊世馬鞍塘組的深水硅質(zhì)海綿礁群，說(shuō)明在該時(shí)期曾出現(xiàn)過(guò)深水環(huán)境。根據(jù)劉樹(shù)根等的研究，在晚三疊世馬鞍塘期，四川盆地西部為淺水開(kāi)闊陸棚淺海環(huán)境，從而說(shuō)明在晚三疊世初，存在有以淺水臺(tái)地—深水臺(tái)溝體系為代表的拉張性的構(gòu)造背景［4，5］。

b.在龍門山北部的仰天窩向斜和大矛山背斜分布有輝綠巖脈，屬基性巖漿巖，沿NE－SW方向展布，成分特征與峨眉山玄武巖類似，屬晚三疊世產(chǎn)物；而且在龍門山南段的蘆山縣境內(nèi)，也分布有晚三疊世的基性巖漿巖。上述地質(zhì)現(xiàn)象說(shuō)明，在晚三疊世曾經(jīng)發(fā)生過(guò)基性巖漿的侵入，從而從側(cè)面說(shuō)明了拉張性構(gòu)造背景持續(xù)到了晚三疊世。

c.在馬鞍塘、馬角壩沿江油、安縣一線，于中三疊世天井山期發(fā)育了北川潮下斷陷洼地。該斷陷洼地東以香水—馬角壩斷裂為界，北以馬角壩—馬鞍塘為界，向南沿馬角壩、江油、安縣一線以西，呈北東向展布，說(shuō)明龍門山在中三疊世天井山期曾處于拉張性的構(gòu)造背景。

此外，根據(jù)劉樹(shù)根等的研究成果可知，圖2中的高阻異常帶的形成年代可能在晚古生代至中生代早期［4，5］。該時(shí)段與前述的在龍門山北部仰天窩向斜和大矛山背斜分布的輝綠巖脈的形成年代是基本吻合的，對(duì)于龍門山地區(qū)在早印支末期拉張性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)生也提供了一定的間接性的支持。

另?yè)?jù)前人的研究成果［6］，圖3中的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制在其他地區(qū)是存在的。J.H.肖等人以墨西哥灣密西西比扇褶皺帶為例，闡明了重力滑脫作用下形成擠壓性構(gòu)造的模式（圖5），表明了鹽類沉積后不久由于差異性熱沉降和由此導(dǎo)致的向盆地傾斜而發(fā)生形變，造成了遠(yuǎn)源區(qū)薄的上覆地層之下出現(xiàn)鹽體增厚、推覆體擠出和褶皺等地質(zhì)現(xiàn)象。

圖5 墨西哥灣密西西比扇褶皺帶的重力滑脫模式［6］Fig.5 The model of gravity sliding in the Mississippi Fan fold belt of Mexico Gulf

由于龍門山構(gòu)造帶地區(qū)形成年代距今久遠(yuǎn)，期間經(jīng)歷了多次上沖擠壓性的地質(zhì)構(gòu)造事件，使先期形成的代表拉張背景的構(gòu)造難以保存，難以發(fā)現(xiàn)其直觀的地質(zhì)證據(jù)（如張性斷裂的露頭）。

“還記得上次我們測(cè)試游戲時(shí)的那個(gè)智能小助手嗎？他的數(shù)據(jù)庫(kù)剛剛更新到明朝，只要我們把截止到清朝的數(shù)據(jù)上傳上去，就可以和一個(gè)知識(shí)量截止到清朝的人工智能進(jìn)行交流了！”關(guān)小怡解釋。

對(duì)于已存在的間接支持張性構(gòu)造活動(dòng)曾經(jīng)在龍門山構(gòu)造帶存在的證據(jù)，以及現(xiàn)今的龍門山構(gòu)造帶內(nèi)所保留的構(gòu)造樣式，亦有人認(rèn)為在張性構(gòu)造活動(dòng)結(jié)束之后，發(fā)生的大規(guī)模的上沖推覆，原有的張性斷裂被改造，發(fā)生了類似于反轉(zhuǎn)作用的構(gòu)造活動(dòng)，形成目前呈現(xiàn)的擠壓－上沖性的斷裂帶。

綜上所述，拉張性構(gòu)造背景下形成局部范圍內(nèi)的擠壓構(gòu)造環(huán)境，對(duì)于龍門山構(gòu)造帶的形成模式可能是一種重要的機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于上述存在的看似矛盾的地質(zhì)事實(shí)，國(guó)內(nèi)外研究者的研究成果以及直觀證據(jù)的缺乏，作者認(rèn)為有必要進(jìn)行相關(guān)的物理模擬試驗(yàn)，以求證（對(duì)于龍門山構(gòu)造帶）上述拉張背景下在其前緣局部形成擠壓性構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識(shí)是否合理。

本模擬實(shí)驗(yàn)以重力為動(dòng)力，模型使用層狀模擬材料，材料物質(zhì)為硅膠、石膏、石英砂、重晶石粉；以模型的逐漸傾斜模擬再現(xiàn)差異隆升作用，各模擬層僅隨模型傾斜角度的增加而發(fā)生變形。設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)逐漸增加模型傾角時(shí)（即模型右端被抬升，左端被相應(yīng)降低），因重力滑脫作用，在滑脫－流變層的影響下，上覆地層發(fā)生構(gòu)造變形。

考慮到實(shí)驗(yàn)的觀察周期、形變形成速率以及硅膠的固－液兩相性等因素，并且在地表?xiàng)l件下以現(xiàn)有設(shè)備難以對(duì)地下深埋的孔隙流體壓力系統(tǒng)對(duì)巖體所產(chǎn)生的“浮力效應(yīng)”進(jìn)行有效的模擬，本次模擬實(shí)驗(yàn)的模型最終傾斜角度被考慮進(jìn)行適當(dāng)加大，以對(duì)于上述因素進(jìn)行補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)在正常重力場(chǎng)中進(jìn)行，重力加速度的比值g＝1。實(shí)驗(yàn)材料中使用的硅膠的密度為1.2 g／cm3，石英砂的密度約為1.5g／cm3；石膏混合層經(jīng)重晶石粉加重后，實(shí)際密度約為1.43g／cm3；故當(dāng)對(duì)實(shí)際巖石的密度值取2.7g／cm3時(shí)，密度比約為0.5。令長(zhǎng)度比為1∶105（模型1cm代表自然界1km）。

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)580mm、寬300mm、高500 mm的有機(jī)玻璃箱中完成。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 The design of simulation experiment

表1 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 The related data in simulation experiment

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及變形現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的變形變位過(guò)程如下（圖7）。

a.當(dāng)模型傾斜角度由7°逐漸增加至20°時(shí)（圖7－A），各層隆起形成較為寬緩的褶皺，表面砂體破裂，破裂分為2期，形成2條主要的斷裂（后在核部表面中心位置合并）和后期派生的放射狀小斷層，石膏層無(wú)破裂，核部距離前端約22cm。

b.當(dāng)模型傾斜角度為21°時(shí)（圖7－B），各層厚度無(wú)明顯變化。表層破裂進(jìn)一步發(fā)育。

c.當(dāng)模型傾斜角度為22°時(shí)（圖7－C），平面破裂略有變大。各層厚度和斷裂情況變化不大。

d.當(dāng)模型傾斜角度為23°時(shí)（圖7－D），右側(cè)尾端壓縮量100mm，出現(xiàn)明顯的滑脫現(xiàn)象。平面破裂加大，砂體與石膏層均有破裂。在重力作用下，硅膠層滑動(dòng)加劇，使得上覆石膏層在褶皺的核部發(fā)生韌性剪切現(xiàn)象。

e.當(dāng)模型傾斜角度為24°時(shí)（圖7－E），在重力作用下，硅膠層滑動(dòng)加劇，使得石膏混合層在褶皺的核部所具的韌性剪切帶發(fā)育成了明顯的上沖推覆斷層（石膏層和硅膠層的一部分形成了明顯的推覆體）；褶皺左翼產(chǎn)狀倒轉(zhuǎn)，石膏層（第3層）位于白色石英砂層（第4層）之上，同時(shí)褶皺的核部發(fā)育了一系列微小的核部斷層。由于硅膠層模擬的是軟弱地層，具備較強(qiáng)的流變特征，當(dāng)石膏層被上沖推覆的同時(shí)，填補(bǔ)了上沖推覆斷層所形成的虛脫空間。

f.當(dāng)模型傾斜角度為25°時(shí)（圖7－F），硅膠層在重力作用下滑動(dòng)加劇，使得位于模型右側(cè)的尾端壓縮量進(jìn)一步加大，上沖推覆現(xiàn)象更加明顯。在倒轉(zhuǎn)褶皺的核部，斷裂程度加劇。

g.當(dāng)模型傾斜角度為26°時(shí)（圖7－G），模型尾端壓縮量增加，上沖推覆現(xiàn)象更加明顯，硅膠進(jìn)一步滑動(dòng)，使得褶皺整體隆升程度加劇，并進(jìn)一步填補(bǔ)了虛脫空間。

圖7 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各形變階段Fig.7 The stages of deformation in the experiment

4 討論

a.本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在因差異隆升而形成的拉張性構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景下，局部的擠壓構(gòu)造環(huán)境的出現(xiàn)是可能的。

b.對(duì)于大規(guī)模的上沖推覆帶，考慮到孔隙流體對(duì)于巖體的作用，發(fā)生重力滑脫的臨界角度是很小的。在此環(huán)境下，滑覆體內(nèi)的前部物質(zhì)有可能會(huì)形成擠壓性的、基底不參與變形的薄皮構(gòu)造。

c.對(duì)龍門山構(gòu)造帶而言，在中三疊世末期—晚三疊世初期拉張構(gòu)造活動(dòng)影響下，存在著因重力滑動(dòng)作用形成局部的擠壓性構(gòu)造環(huán)境的可能性。在印支期早期斷陷盆地的基礎(chǔ)上，龍門山構(gòu)造帶可能疊加了前陸上沖過(guò)程，從而形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。筆者認(rèn)為由斷陷拉張轉(zhuǎn)為上沖推覆的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段：（1）自志留紀(jì)開(kāi)始，至晚三疊世初期，龍門山構(gòu)造帶所處的位置，作為被動(dòng)大陸邊緣，沉積了較厚的海相巖層。在自身重力以及上覆巖層載荷作用的影響下，其物理性質(zhì)發(fā)生改變，使得其塑性增大而剛性降低（尤其以膏鹽類沉積在深埋條件下表現(xiàn)最為明顯）。（2）在中三疊世末期—晚三疊世初期，受印支運(yùn)動(dòng)的影響，今四川盆地和松潘—甘孜高原的隆升特征是差異性的，后者的隆起速度明顯大于前者。在此過(guò)程中，形成了拉張性的構(gòu)造背景和張性的斷裂系統(tǒng)，下伏的流變性地層發(fā)生了重力滑動(dòng)及蠕變，在龍門山前山帶形成一系列的代表局部擠壓構(gòu)造環(huán)境的褶皺。在重力滑動(dòng)作用下，下伏的流變性地層以及上覆各層代表擠壓構(gòu)造環(huán)境的褶皺變形變位程度加劇，甚至局部發(fā)生巖層倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。（3）在晚三疊世初期上述過(guò)程后，龍門山構(gòu)造帶開(kāi)始上沖推覆過(guò)程，龍門山構(gòu)造帶完成了由海至陸的轉(zhuǎn)變，較早形成的拉張性構(gòu)造大多被改造或破壞，并大致上形成了今日的構(gòu)造面貌。

d.在龍門山構(gòu)造帶，中生代早期拉張環(huán)境下形成的重力滑脫構(gòu)造可能是一種重要的油氣圈閉構(gòu)造類型。當(dāng)重力滑脫發(fā)生并形成局部的上沖推覆時(shí)，很有可能在滑動(dòng)體前緣處形成如鼻狀構(gòu)造等有利于形成油氣圈閉的構(gòu)造形態(tài)。

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