復合陸內山前沖斷構造轉換類型及其成因

方成名，趙 利,2

(1.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.山東農業大學 資源與環境學院，山東 泰安 271018)

中國大陸是由小型克拉通、眾多微地塊經過多期拼合而成的“鑲嵌式”復合大陸,其組成復雜而不均一、基底結構各異[1-2]，區別于以巨型克拉通為主體的典型大陸板塊結構。復合陸內造山是指發生于復合大陸巖石圈內部、遠離同期板塊邊界的造山帶，主要分布在古地塊的拼接部位。國內不少學者將此類造山視作板緣型造山的延續，稱之為陸內俯沖型造山[3-4]或再生型造山帶[5]，亦有學者認為中國復合陸內造山作用與全球普遍發育板內型造山作用類似，具有普遍性[6]。復合陸內造山伴生的山前沖斷帶具有基底普遍卷入變形的構造特征[6-7]，亦有別于板緣型造山帶以薄皮式構造為主的山前沖斷特征[6-8]。

中國中西部地區分布著15個規模不一的山前帶，是我國陸域油氣勘探的重要組成部分，勘探潛力大。梳理國內外典型山前帶油氣分布發現，規模油氣田主要分布于厚皮向薄皮構造轉換的過渡帶，且油氣賦存的部位也受變形的結構控制[7,9]。過渡帶的構造轉換及其結構是決定油氣成藏過程與類型的根本條件[7,9]，山前帶深部地質結構、物質組成與其所處的空間位置的差異均可產生各具特色的轉換變形結構。為此，國內外學者圍繞山前沖斷結構及樣式開展了大量的研究，提出諸多分類模式。PRICE[10]認為典型前陸沖斷變形機制劃分Ⅰ型、Ⅱ型2類構造幾何模型；ESCHER等[11]提出基于碰撞型造山帶緊鄰的前陸與后陸同時褶皺的雙重倒向模式；賈承造[12]按盆—山結合部的變形樣式劃分為疊瓦式、構造楔式、反轉式、底辟式4類；何登發[13]按斷層是否切入基底劃分為厚皮型與薄皮型2類，并在此基礎上細分4種變形類型；管樹巍[14]根據沖斷系統內斷層位移傳遞和消減的方式，將中國中西部前陸沖斷帶劃分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和復雜邊界制約型4類；劉樹根、鄧賓等[15-16]從四川盆地周緣盆—山結構的角度將其劃分為突變型與漸變型2種類型。

“鑲嵌式”的大陸地殼結構與復雜的拼合塊體相互作用方式，決定了中國中西部地區山前帶相比典型前陸沖斷帶有著更為獨特的沖斷結構樣式[17-18]。隨著大陸構造動力學研究的發展，已逐步重視研究當復合大陸受到板塊邊緣俯沖、碰撞擠壓時，在大陸內部或拼接處產生的影響，并獲得一些新的研究進展或新的概念，用以解釋這種具有獨特結構的山前帶成因。歸結起來主要有殼內拆離滑脫構造模式[19-20]、板塊碰撞遠程效應模型[21-22]、陸內俯沖與榨擠模式[2,4,23-24]、深淺構造轉換模式[25]等，但單一模式難以解釋中西部山前地區多類型深部地質結構與淺層多樣式變形之間的成因關系，尤其是厚皮構造與薄皮構造之間多類型轉換過渡及其形成的動力學機制缺乏合理系統解釋。徐旭輝、方成名等[7,9]在研究中國中西部山前沖斷結構分帶模式時，提出厚皮構造與薄皮構造之間存在4種轉換型式，即過渡Ⅰ帶、過渡Ⅱ帶、無過渡帶、過渡Ⅰ+Ⅱ帶，但未對其結構差異及其形成機制進行論述。筆者試圖從山前帶厚皮構造向薄皮構造的轉換類型入手，通過山前地區深部結構與淺層樣式對比分析，將中國中西部地區山前帶納入統一的大陸動力學構造體系，探討不同沖斷結構類型之間時空關聯屬性及其形成機制，以此豐富復合大陸動力學的理論研究，并指導山前帶油氣勘探實踐。

1 山前帶形成的構造背景與深部地質結構

1.1 復合陸內的大地構造背景

中國中西部山前帶主要分布于復合大陸的塊體拼接部位，屬于新生代環青藏高原巨型盆山體系的組成部分[17-18,22]。它由塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地等和天山、昆侖山、龍門山、秦嶺、阿爾金山、賀蘭山等組成, 介于西昆侖山—東昆侖山—龍門山—哀牢山與阿爾泰山—克拉美麗山—北山—陰山北緣—太行山—雪峰山2個弧形帶之間的區域(圖1)。

從元古宙以來經歷多期次的大陸解體與拼合，形成了以塔里木、華北、揚子3個古板塊為核心，并與準噶爾、阿拉善、松潘、柴達木等20多個微古板塊之間的4期聚合，形成了具有“鑲嵌式”結構的復合中國大陸，奠定中、新生代山前沖斷的陸殼基底結構和構造格局基礎[1-2,26]。中國中西部大型盆地基底陸塊是古生代散布于北方大陸與岡瓦納大陸之間眾多微陸塊相互拼貼與增生的產物[27]。這些陸塊經過多期構造事件逐步拼貼于歐亞大陸南緣，至晚古生代末期成為歐亞大陸的組成部分。青白口紀—志留紀，表現為華南洋、古中國洋、昆侖洋、北祁連洋等在這一大地構造旋回中發育、消減，并形成加里東期的前陸沖斷帶，在塔里木盆地塔中至塔南一帶可見保存較好的古沖斷帶形跡。晚古生代，隨著古亞洲洋拼合關閉，形成北方大陸增生的弧盆體系與北準噶爾—克拉美麗—北山—賀根山前陸沖斷體系[27-28]。古生代末期，西伯利亞板塊持續向南碰撞擠壓，準噶爾盆地西北緣、天山造山帶兩側率先發生裂谷反轉，形成陸內體制環境下的山前沖斷帶[28]。中、新生代，復合的中國大陸在三面受擠的動力邊界條件及南北壓縮、東西擠出的構造體制下，沿古造山帶如秦—祁—昆，產生構造復蘇、縮合和陸內扇狀雙向沖斷；抑或沿古裂谷帶，如賀蘭山、龍門山，隆起反轉和不同形式的沖斷[27]。

圖1 中國中西部復合陸內山前帶分布

1.2 深部地質結構

1.2.1 地球物理場與深部構造層

中西部盆地內部具有相對較高的重、磁異常，寬緩高磁異常和區域重力高正異常相對應，表明均具有剛性基底；盆地邊緣帶多以密集的重力異常梯度帶和高磁異常為特征[29-30]。此外，盆地內的中、下地殼地震波速度大于山前地區，表明前者更加堅硬、剛性[31]。

1.2.2 地殼與巖石圈結構

中西部盆地和山前帶的地殼和巖石圈內多發育高導低速層，并作為塑性層將巖石圈流變學結構分割呈軟、硬相間的特征(表1)。而且，不同構造單元內的巖石圈流變學結構迥異。四川、鄂爾多斯、準噶爾與塔里木盆地的巖石圈流變剖面相似，皆表現為“弱地殼—強地幔”結構，脆弱、黏性的下地殼夾于有脆性或剛性的上地殼與上地幔之間，整體呈“果凍三明治”模型；而龍門山、西昆侖、天山等山前帶則不同，其巖石圈流變剖面呈顯 “奶油蛋糕”模型，表現為“強地殼—弱地幔”結構[32]。盆山之間流變學結構呈強弱對置狀態，當二者相互擠壓時，地殼內各層系及與巖石圈地幔之間發生不同程度解耦，造成盆山相互楔入，進而形成“鑲嵌式”拼接。比如，龍門山沖斷帶的深地震構造解釋表明：四川盆地的下地殼楔入山前帶內，山前帶的中地殼楔入盆地內，而四川盆地的上地殼楔入山前帶內[33]。因此，中西部盆山的流變學結構差異為復合陸內山前沖斷提供了深部動力學條件。

表1 中國中西部山前地區深部地質結構特征對比

Table 1 Comparison of deep geological structuralcharacteristics in central and western China km

類型山前帶及其莫霍面深度山前帶內塑性層深度對應盆地莫霍面深度山根型無根型龍門山～6318～23～43西昆侖>6530～40,43～53～45南天山～6018～23～45六盤山～4910～18,25～30～43南天山～6018～29,34～45～50大巴山～46～15,～30～43雪峰山～4125～30～43賀蘭山～44～20,25～37～43哈山～49～12,23～33,32～43～50

1.2.3 盆山結合帶深部結構差異

中西部典型山前帶依據莫霍面深度和下地殼厚度變化，可劃分地殼明顯增厚的“山根”型和正常厚度的“無根”型2類[7]，且具有明顯的殼內變形差異。大巴山、雪峰山等山前帶垂向結構穩定，殼內層系耦合程度高，莫霍面處變形表現為交互式錯斷[34]；山前帶與盆地之間的莫霍面深度差小于5 km，山前帶幾乎沒有地殼橫向縮短增厚形成的“山根”(表1)。而龍門山、六盤山等山前帶垂向結構相對復雜，殼內層系解耦程度高，莫霍面處變形表現為盆地反沖入造山帶內[35-36]；山前帶與盆地之間的莫霍面深度差大于5 km，造山帶的下地殼明顯增厚，存在明顯“山根”。

2 四種轉換類型及其結構

基于中西部地區主要山前帶深—淺部地質結構的聯合分析，以厚皮向薄皮構造轉換過程中“構造位移向前擴展傳遞的形式及其產生的地質結構”為依據，將構造轉換劃分為4種類型，即過渡Ⅰ帶、過渡Ⅱ帶、過渡Ⅰ+Ⅱ帶和無過渡帶。首先依據轉換部位是否存在基底面拆離滑脫，劃分為過渡帶和無過渡帶2類，再視基底面拆離滑脫沖斷產生結構特征進一步劃分。

過渡Ⅰ帶、過渡Ⅱ帶、過渡Ⅰ+Ⅱ帶構造轉換的運動學過程表現為極強的相似性，均通過基底面拆離滑脫實現構造位移的順層傳遞或擴展，只是在向前擴展過程中因物質的非均質性、邊界條件的差異產生不同方式的應力消減，故而形成各自特征的變形結構。由此可以看出，轉換類型與物質非均質性、邊界條件存在時空的耦合性和關聯性，這已被構造物理模擬實驗所證實[37]。

2.1 過渡Ⅰ帶型

過渡Ⅰ帶型或稱前緣突破型，以地殼深部約20 km、以殼內“軟弱層”為主滑脫面的厚皮式構造向以沉積蓋層內泥巖、膏鹽巖為主滑脫面的薄皮式構造轉換主要通過基底面拆離滑脫實現，并主要形成顯露式的疊瓦式沖斷體系(圖2a)。構造應力及位移通過基底面滑脫的形式逐步向前緣突破傳遞，主要形成前展式疊瓦沖斷構造，具有彌散式、弧形分布的特點。該類山前帶往往具有深部結構分層性好、剛性強且下地殼無明顯增厚的“無根”特征，如大巴山前沖斷帶、川東沖斷帶等。

2.2 過渡Ⅱ帶型

過渡Ⅱ帶型或稱三角帶型，兩者轉換主要通過基底拆離滑脫與蓋層內部反向滑脫沖斷構成的楔形構造實現。構造位移與地層縮短主要通過沉積蓋層疊覆和被動反向逆沖斷層消減、吸收2種形式完成，薄皮帶變形弱(圖2b)。主要發育淺表單斜、三角帶、隱伏疊瓦沖斷、斷坡背斜等構造樣式，具變形帶窄、地貌突變的特點。該類山前帶往往具有深部結構橫向穩定性相對較弱、盆區基底剛性強且下地殼明顯增厚的“山根”特征，如龍門山前北段、南天山前、昆侖山前等。

圖2 陸內山前沖斷帶厚—薄皮構造轉換的4種型式

2.3 過渡Ⅰ+Ⅱ帶型

過渡Ⅰ+Ⅱ帶型或稱復合型，是指前緣突破與三角帶2種類型的復合類型，即基底拆離帶后緣以斷層顯露式的疊瓦沖斷結構、前緣以隱伏疊瓦沖斷或三角帶結構(圖2c)。復合型轉換相比單一的轉換類型具有斷面旋轉、“r”型斷裂組合、幕次性前緣突破等獨特的變形或時序演化特征，具有下地殼明顯增厚與基底面相對盆區明顯抬升的深部結構特征。

2.4 無過渡帶型

無過渡帶型或稱推覆型，主要通過大型推覆斷層實現厚皮構造向薄皮構造的轉換(圖2d)。快速隆升的造山帶前緣地殼主逆沖斷裂吸收大部分構造應變量，構造變形集中在主斷裂周邊，主斷裂前方變形無論是地層縮短量還是構造位移量均相對較小，并具有扇狀雙向沖斷和深部下地殼增厚的特征。中西部地區博格達山前、庫魯克塔格山前、六盤山前即為典型代表。

3 結構差異形成的控制因素

3.1 組分、結構的不均一性

中西部地區山前帶主要發育于復合大陸形成后的中、新生代，并沿微型塊體的拼接部位分布，屬于大陸板內變形范疇[2,4-5,7-8,17-18,21-22]。大陸板內構造變形的實質是在已經固化和穩定的地臺或巖石圈板塊基礎上的構造變形[38]，而陸塊拼接帶客觀存在的縱、橫向上組成與結構的不均一性則是影響大陸板內變形的主要因素[8,18]。組成與結構非均一性表現為巖石圈強度的橫向不連續性，拼接帶相比塊體內部的巖石圈強度要小，是構造薄弱帶，在后期擠壓應力作用下更易重新活動。此外，不同拼接帶之間強度差異或克拉通化程度更決定了后期擠壓的構造響應程度與沖斷結構類型。青藏高原—塔里木板塊—天山地塊區域的橫向、縱向上相比印度板塊更具明顯非均一性，表現出更為強烈的構造活動及各流變層交錯變形、解耦。華北、塔里木、華南板塊內部元古代拼接帶在中、新生代大陸板內變形階段表現為很好穩定性，未形成山前沖斷變形。

3.2 不同層次滑脫層

滑脫層是影響山前帶構造樣式的重要因素，亦是構造變形垂向分層的主要因素[18]。不同層次滑脫層的特征及其對變形的控制作用不同，按發育深度可以分為深、中、淺3個層次。

深層次滑脫層主要是指中下地殼內部、殼—幔塑性層，深度大于20 km；其對應的滑脫斷層在地表表現為韌性剪切變形帶，剖面上巖石圈地幔為水平疊置而上、下地殼為交互楔入及構造解耦。

中層次滑脫層主要是指前沉積盆地基底面上、下的軟弱層，深度約10 km；其對應的滑脫斷層多為過渡帶基底面拆離斷層，構造層的變形樣式主要為脆性變形、疊瓦沖斷和雙重構造等，地層垂向疊置。中層次滑脫層是否發育視盆地基底結構與沉積蓋層之間物性差異程度，一般剛性基底與沉積地層間由于能干強度差大，易發育基底面滑脫層。

淺層次滑脫層主要是指前沉積地層內部能干層之間相對軟弱巖層，其組成巖性一般為膏鹽、鹽巖、泥巖，深度小于10 km；其對應的滑脫斷層多為薄皮帶層間剪切滑動斷層。淺層次滑脫層一般控制沉積層內斷層相關褶皺的發育及分布。

3.3 邊界條件

邊界條件是同一沖斷帶內縱向分段的重要因素，亦是各山前帶變形差異的外因，主要包括作用力方式、邊界幾何特征等條件。

作用力方式一方面是指沖斷速率：遠離喜馬拉雅造山帶的山前帶，沖斷的應力減小、縮短速率降低，構造變形亦相對較弱。新生代西昆侖沖斷帶的縮短量約37 km[39]，龍門山南段約30 km[40]，南天山庫車地區約34 km[41]，北天山約17 km[42]。另一方面是指構造走向與沖斷方向的夾角：當夾角為銳角時，山前帶的部分縮短量將轉化為走滑量，斷層具備走滑性質，構造變形將更加復雜化。西昆侖沖斷帶走滑特征強于南天山，當綜合縮短量和走滑量時，前者變形量遠大于后者。

邊界幾何特征主要是指相互接觸的古板塊幾何形狀或先存構造。當盆地邊界為外凸或山前帶呈內凹時，沖斷帶構造形跡呈反向弧形，如西昆侖和南天山沖斷帶；當盆地邊界內凹或山前帶外凸時，沖斷帶構造形跡呈弧形，如大巴山沖斷帶；當盆地和山前帶邊界呈直線時，沖斷帶構造形跡呈直線型，如龍門山沖斷帶。

4 構造成因模式

中國中西部地區山前沖斷帶位于復合大陸內部，遠離同期活動的板塊活動邊緣，距離多數在1 000 km以上。源自巖石圈尺度的縱彎褶皺作用或層圈解耦作用引發的基底塊斷隆升、裂谷反轉或上沖作用是板內山前沖斷的主要構造成因模式[8]，也以此來解釋北美拉拉米、澳大利亞中部的Alice Springs等厚皮與薄皮構造共存的板內造山>及其山前沖斷的成因。顯然，中國中西部山前帶在構造屬性上與此相類似，但在形成的大地構造背景、巖石圈縱橫向結構與沖斷構造樣式上均更為復雜與獨特。因而，研究中西部地區4種厚皮與薄皮構造的轉換機制，需充分考慮中國大陸山前帶深部地質結構、盆地基底結構及局部動力學環境的差異，沒有一個唯一的構造動力模式可以概括所有。

復合大陸內的板內造山及沖斷變形與造山期前業已存在的薄弱帶在有利應力作用下的復合有關[6]。在此過程中，盆山耦合過程及其產生的地質結構類型受控于顯著的深部結構差異[15]，淺部褶皺沖斷變形也受控于復雜的耦合互饋特性的多種機制或塊體幾何、基底、物質非均性、動力學等多種邊界條件[43]。據此認為，復合陸內山前厚—薄皮構造轉換及其沖斷結構差異的形成，主要源自“鑲嵌式”復合大陸因不同的深部地質結構與空間幾何形態，在板緣俯沖、碰撞作用力下產生多種形式的構造響應。

深部地質結構的顯著差異是控制山前沖斷構造模式的主因，邊界條件則決定同一構造模式下結構差異。深部結構的差異，主要表現為下地殼是否局部增厚及代表“塑性層”殼內高導或低速體的發育及復雜程度。“山根”型山前帶下地殼增厚及復雜化的殼內“塑性層”與莫霍面是源于盆地為代表的剛性塊體向前造山帶方向的殼內俯沖或流動，并導致中、上地殼沿深約20 km左右的“塑性層”發生反向拆離與多層次滑脫沖斷(圖3a)。該模式與“陸內俯沖模式”類似，有別于傳統的洋殼俯沖(B俯沖)和陸—陸俯沖模式(A俯沖)，強調巖石圈地幔、殼內高導低速層的作用，是指中國大陸在中、新生代拼接過程或完全拼接后發生在微陸塊與造山帶之間的俯沖。殼內俯沖與中、新生代印支板塊向歐亞板塊俯沖碰撞引起的遠程構造效應和上地幔向東蠕散共同誘發的古造山帶復活有關[5,44]。該模式控制了龍門山前中北段、西昆侖山前、米倉山前的三角帶型與復合型轉換帶的形成。三角帶型與復合型轉換帶的區別在于淺部沖斷結構的不同，而結構的差異是表現為基底面拆離區是否發育顯露式沖斷裂。這種結構差異的形成則源于山前帶所處空間結構及其受到的邊界力學條件。西昆侖山前因更加鄰近印度板塊與歐亞板塊碰撞帶，遭受更為強烈的陸內俯沖和反向基底面拆離滑脫，導致顯露式沖斷區被改造消失殆盡。同時，同一山前帶塊體幾何邊界與俯沖及反向拆離滑脫的差異速率往往導致變形過程的非均一性，易發育斜向走滑與橫向分段結構特征，這與砂箱構造物理模擬實驗相吻合[43]，塔西南山前沖斷的“Z”型轉折[45]、準南緣山前的分段性均與此有關。此外，同樣具有“山根”的博格達山前，中上地殼缺乏殼內高導或低速體而具有較好的剛性特征，缺乏反向拆離形成的條件。下地殼俯沖增厚的同時，深部發生重力均衡化調整，表現為中上地殼通過快速隆升來實現下地殼密度失衡的反饋。此類山前帶往往具有雙向深俯沖、淺層背向式高角度沖斷的特點(圖3b)，是在板內縮合體制下，在殼內圈層拆離解耦作用導致的一種變形。

圖3 復合陸內沖斷構造模式

“無根”型山前帶，深部具有較高的耦合特性，在大陸板塊邊緣受到碰撞聚斂和擠壓作用時, 在板內巖石圈地殼內部出現的拆離與滑移現象，既沒有“A式俯沖”作用,也不存在莫霍面下凹的“山根”。盆地基底與沉積蓋層沿著不同層次的滑脫層(殼幔滑脫帶、殼內高導或低速體、基底面、沉積蓋層)發生逐級滑脫，形成以犁式斷層為主導的疊瓦狀沖斷層組合楔狀構造(圖3c)。雪峰山、龍門山南段、大巴山前彌散式疊瓦沖斷構造的成因均與此相關。但對其動力學的來源，國內外學者卻莫衷一是，提出了諸如板緣碰撞遠程構造效應、大洋巖石圈低角度俯沖構造模式等2種相對主流的觀點。考慮到大陸應力傳遞衰減、擠壓應力方向與大陸構造帶在方向上不一致等問題，認為板緣碰撞遠程構造不可能是導致板內基底拆離發生的單一動力來源。近年來，運用大洋巖石圈低角度俯沖構造模型，來解釋包括雪峰構造帶在內的華南大陸構造變形成因，已受到越來越多的學者認同。筆者認為，任何一種模式均不能合理解釋所有“無根”型山前多層次拆離滑脫變形的動力來源問題，但不管哪種模式均強調了來自板緣俯沖或碰撞的構造影響。剛性塊體遠距離的傳導與大洋板塊低角度俯沖引發的殼幔拆離，均可能是某一山前帶變形的主要或復合的動力來源，具體應視其所處的空間位置與邊界條件確定。

5 結論

(1)山前帶主要分布于中國中西部“鑲嵌式”復合大陸拼接部位，依據深部地質結構可劃分為地殼明顯增厚的“山根”型和正常厚度的“無根”型2類，且具有明顯不同的殼內流變學特性。龍門山前中北段、天山兩側、昆侖山前、六盤山前、博格達山前等“山根”型山前帶具有殼內垂向結構復雜、耦合程度低的特征；大巴山前、龍門山南段、雪峰山前、扎伊爾山前等“無根”型山前帶殼內垂向結構相對穩定，耦合程度高。

(2) 復合陸內山前帶的結構差異主要表現為厚—薄皮轉換型式及其控制下結構差異。依據厚皮構造向薄皮構造轉換的位移擴展或消減方式及其產生的結構特征，可將中西部山前帶劃分為4種類型，即過渡Ⅰ帶型、過渡Ⅱ帶型、過渡Ⅰ+Ⅱ帶型和無過渡帶型4種。

(3)復合陸內山前沖斷帶結構差異形成主要受控于介入變形的物質結構與板緣作用力方式。物質結構因素包括巖石圈組分與結構的橫向不均一性、殼內多層次滑脫層(殼幔、殼內高導或低速層、基底面、沉積蓋層)；板緣作用力因素包括復合陸內古陸塊空間幾何形態及板緣作用方式。

(4)復合陸內山前厚—薄皮構造轉換及其沖斷結構差異的形成，主要源自“鑲嵌式”復合大陸因不同的深部地質結構與空間幾何形態在板緣俯沖、碰撞作用力下產生多種形式的構造響應。三角帶型、復合型山前沖斷構造形成遵循“殼內俯沖與反向拆離沖斷”構造模式，推覆型與前緣突破型則分別符合“殼內雙向俯沖與均衡隆升沖斷”和“多層次基底拆離滑脫沖斷”構造模式。