剝蝕及同構造沉積作用對斷層活動性影響的實驗模擬研究?

吳珍云尹宏偉Hemin A. Koyi江蘇省地震局，南京 210014南京大學地球科學與工程學院，江蘇 210046Department of Earth Sciences, Uppsala University, Uppsala Villav?gen 16, Sweden

剝蝕及同構造沉積作用對斷層活動性影響的實驗模擬研究?

吳珍云1）尹宏偉2）Hemin A. Koyi3）
1）江蘇省地震局，南京 210014
2）南京大學地球科學與工程學院，江蘇 210046
3）Department of Earth Sciences, Uppsala University, Uppsala Villav?gen 16, Sweden

?基金項目：國家自然科學基金（40872134,41272227）資助。

在統計分析內陸構造地震活動的空間分布特征時，容易發現構造地震活動帶主要分布在造山帶內部或者其盆山耦合帶，如我國天山造山帶、西昆侖造山帶、龍門山褶皺造山帶以及伊朗扎格羅斯褶皺造山帶等。這些地震頻發區域具有兩個明顯的構造特征，一是造山帶隆升往往伴隨著比較強烈的區域剝蝕作用，二是盆山耦合帶容易沉積巨厚的同構造沉積地層。前人研究表明斷層活動和盆山體系的剝蝕、沉積特征之間存在相互影響的作用。那么在構造地震誘發時，區域剝蝕作用和同構造沉積作用對斷層活動性具有怎樣的影響呢？因此，結合前人研究成果，嘗試從實驗模擬的角度來探討剝蝕作用以及同構造沉積作用對盆山體系內斷裂的活動及形成、分布特征的影響，并結合實際地震分布特征和實驗模擬結果，闡述褶皺造山帶和盆山耦合帶的孕震機制。

實驗以褶皺沖斷帶（盆山耦合帶）剝蝕作用和同構造沉積作用作為實驗模型的2個變量條件，設計了3組沙箱物理模擬（physical modeling）實驗和3組離散元數值模擬（DEM，Discrete Element Modeling）實驗（表1）。沙箱模擬實驗用干燥石英砂模擬上地殼脆性地層，聚酯硅膠模擬塑性軟弱層，實驗模型符合物理模擬相似性原則；離散元數值模擬基于分子動力學方法設定粒子之間的相互作用力，允許模型內部存在較大數值的相對位移，適合模擬動態的斷層形成過程以及模擬具有復雜內部應變的地質構造。實驗過程中，通過觀察和統計斷層的活動情況、分布特征以及地層的褶皺變形情況探討了剝蝕作用和同構造沉積作用分別對斷層活動性的影響。同時，在數值模擬實驗過程中，分析了模型擠壓過程中不同實驗模型中應力應變沿斷層和褶皺的分布特征。

表1　實驗模型統計表

實驗結果表明：①同構造沉積作用對其下伏先存基底斷裂再活動具有抑制作用，此時擠壓應力主要由地層褶皺所吸收，沿斷層面構造應力集中相對減少，斷層滑移量也相對減少；②同構造沉積作用容易促使擠壓應力向沉積地層（沉積盆地）邊緣匯聚，而在同構造沉積地層（沉積盆地）下方應力匯聚相對減小；③褶皺沖斷帶內地層剝蝕作用對先存斷層再活動具有明顯的促進作用，斷層滑移量相比明顯增大，此時擠壓應力主要集中在斷層滑移面上；④剝蝕作用有利于形成新的次一級的切穿褶皺翼部的斷裂；⑤在褶皺沖斷帶內部，剝蝕作用有利于構造楔的整體抬升和淺部高傾角逆沖斷層再活動，應力應變容易在此斷層面匯聚，形成良好的孕震環境；⑥受盆地內同構造沉積地層阻擋作用，應力應變匯聚也容易發生在沉積盆地邊緣（逆沖構造楔前緣帶）的深部緩傾角斷層上，形成良好的孕震環境。