龙门山重力滑脱作用形成挤压性构造的物理模拟实验

于京都 李忠权

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

1 研究背景简述

长期以来人们认为，自晚三叠世以来至第四纪，龙门山前陆盆地形成的构造动力学机制应为多期次的上冲推覆作用。在此背景下，在前陆盆地冲断带前缘，形成了一系列的挤压性构造，其中包括断层传播褶皱、倒转褶皱以及断层转折褶皱等［1］（图1）。

在20世纪90年代，有研究者在龙门山构造带中的冲断带的勘探研究中发现，在盆地深部壳幔的位置，存在标志断裂系统的高阻值域。该高阻值域深度涉及地表下20～100km；在剖面上，呈现为上半部倾向NW，下半部倾向为SE［2］（图2）。根据多期次上冲推覆的盆地形成模式，该高阻值带的倾向应与前陆盆地冲断带的NW倾向一致；而实际上该高阻值域所呈现的上部倾向NW而下部倾向SE的形态特征很难用单一的（即使是多期次的）上冲推覆机制理解，这提示可能存在另外的盆地形成机制。

图1 龙门山构造带内的滑脱构造［1］Fig.1 The sliding structure in the Longmenshan tectonic zone

图2 龙门山构造带的高阻异常带［2］Fig.2 The zone of high resistivity in the Longmenshan tectonic zone

采用“叠合盆地”概念分析理解上述高阻值域在剖面上的形态特征，发现对于龙门山前陆盆地形成的构造动力学机制，可以有一种新的理解。

在印支期早期的早三叠世以及中三叠世的早期和中期（包含了飞仙关组、嘉陵江组和雷口坡组），龙门山构造带的构造动力学背景为稳定的被动大陆边缘。在此之后，龙门山构造带地区可能经历了由差异隆升所导致的、以拉张为主要特征的构造活动；松潘—甘孜高原的隆升幅度大于四川盆地的隆升幅度，形成了一期断陷带，从而造成了高阻值带的深部异常倾向。这一时期可能开始于中三叠世末期—晚三叠世初期（图3）。

图3 晚三叠世初期龙门山地区局部拉张构造环境示意图Fig.3 The sketch map showing the local stretching structural setting in the Longmenshan area

在晚三叠世的地层中，马鞍塘组和小塘子组间存在区域性的不整合面；在大部分地区，此界面上下地层接触关系表现为平行不整合；在龙门山前山带，此界面上下地层的接触关系有时表现为角度不整合，下伏地层发生强度不等的褶皱。该界面在局部表现为整合接触，无明显的不连续界面［3］（图4）。

图4 小塘子组与马鞍塘组等下伏地层的不整合接触［3］Fig.4 The unconformable contact between Xiaotangzi Formation and Maantang Formation

据刘树根等的研究，龙门山地区确曾经历过拉张性构造运动，即“峨眉地裂运动”［4］。该构造运动中可以分为3个阶段，分别是二叠纪前峨眉地裂运动开始期（志留纪—泥盆纪）、二叠纪峨眉地裂运动高峰期（早二叠世—晚二叠世），以及三叠纪峨眉地裂运动衰退期。尽管晚三叠世之后，四川盆地西部以及龙门山前山带地区已完成了由海相沉积向陆相沉积的转变，但仍有证据表明，直至晚三叠世初期，四川盆地西部和龙门山构造带东缘仍然表现出拉张的迹象，刘树根等认为其主要表现在下述的一些地质现象上［4，5］：

a.在龙门山地区的沸水镇和绵竹县一带，发现了晚三叠世马鞍塘组的深水硅质海绵礁群，说明在该时期曾出现过深水环境。根据刘树根等的研究，在晚三叠世马鞍塘期，四川盆地西部为浅水开阔陆棚浅海环境，从而说明在晚三叠世初，存在有以浅水台地—深水台沟体系为代表的拉张性的构造背景［4，5］。

b.在龙门山北部的仰天窝向斜和大矛山背斜分布有辉绿岩脉，属基性岩浆岩，沿NE－SW方向展布，成分特征与峨眉山玄武岩类似，属晚三叠世产物；而且在龙门山南段的芦山县境内，也分布有晚三叠世的基性岩浆岩。上述地质现象说明，在晚三叠世曾经发生过基性岩浆的侵入，从而从侧面说明了拉张性构造背景持续到了晚三叠世。

c.在马鞍塘、马角坝沿江油、安县一线，于中三叠世天井山期发育了北川潮下断陷洼地。该断陷洼地东以香水—马角坝断裂为界，北以马角坝—马鞍塘为界，向南沿马角坝、江油、安县一线以西，呈北东向展布，说明龙门山在中三叠世天井山期曾处于拉张性的构造背景。

此外，根据刘树根等的研究成果可知，图2中的高阻异常带的形成年代可能在晚古生代至中生代早期［4，5］。该时段与前述的在龙门山北部仰天窝向斜和大矛山背斜分布的辉绿岩脉的形成年代是基本吻合的，对于龙门山地区在早印支末期拉张性构造运动的发生也提供了一定的间接性的支持。

另据前人的研究成果［6］，图3中的构造动力学机制在其他地区是存在的。J.H.肖等人以墨西哥湾密西西比扇褶皱带为例，阐明了重力滑脱作用下形成挤压性构造的模式（图5），表明了盐类沉积后不久由于差异性热沉降和由此导致的向盆地倾斜而发生形变，造成了远源区薄的上覆地层之下出现盐体增厚、推覆体挤出和褶皱等地质现象。

图5 墨西哥湾密西西比扇褶皱带的重力滑脱模式［6］Fig.5 The model of gravity sliding in the Mississippi Fan fold belt of Mexico Gulf

由于龙门山构造带地区形成年代距今久远，期间经历了多次上冲挤压性的地质构造事件，使先期形成的代表拉张背景的构造难以保存，难以发现其直观的地质证据（如张性断裂的露头）。

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对于已存在的间接支持张性构造活动曾经在龙门山构造带存在的证据，以及现今的龙门山构造带内所保留的构造样式，亦有人认为在张性构造活动结束之后，发生的大规模的上冲推覆，原有的张性断裂被改造，发生了类似于反转作用的构造活动，形成目前呈现的挤压－上冲性的断裂带。

综上所述，拉张性构造背景下形成局部范围内的挤压构造环境，对于龙门山构造带的形成模式可能是一种重要的机制。

2 实验设计

基于上述存在的看似矛盾的地质事实，国内外研究者的研究成果以及直观证据的缺乏，作者认为有必要进行相关的物理模拟试验，以求证（对于龙门山构造带）上述拉张背景下在其前缘局部形成挤压性构造环境的认识是否合理。

本模拟实验以重力为动力，模型使用层状模拟材料，材料物质为硅胶、石膏、石英砂、重晶石粉；以模型的逐渐倾斜模拟再现差异隆升作用，各模拟层仅随模型倾斜角度的增加而发生变形。设计思路为：当逐渐增加模型倾角时（即模型右端被抬升，左端被相应降低），因重力滑脱作用，在滑脱－流变层的影响下，上覆地层发生构造变形。

考虑到实验的观察周期、形变形成速率以及硅胶的固－液两相性等因素，并且在地表条件下以现有设备难以对地下深埋的孔隙流体压力系统对岩体所产生的“浮力效应”进行有效的模拟，本次模拟实验的模型最终倾斜角度被考虑进行适当加大，以对于上述因素进行补偿。

实验在正常重力场中进行，重力加速度的比值g＝1。实验材料中使用的硅胶的密度为1.2 g／cm3，石英砂的密度约为1.5g／cm3；石膏混合层经重晶石粉加重后，实际密度约为1.43g／cm3；故当对实际岩石的密度值取2.7g／cm3时，密度比约为0.5。令长度比为1∶105（模型1cm代表自然界1km）。

实验在一个长580mm、宽300mm、高500 mm的有机玻璃箱中完成。

图6 实验装置示意图Fig.6 The design of simulation experiment

表1 模拟实验数据表Table 1 The related data in simulation experiment

3 实验过程及变形现象

实验观测到的变形变位过程如下（图7）。

a.当模型倾斜角度由7°逐渐增加至20°时（图7－A），各层隆起形成较为宽缓的褶皱，表面砂体破裂，破裂分为2期，形成2条主要的断裂（后在核部表面中心位置合并）和后期派生的放射状小断层，石膏层无破裂，核部距离前端约22cm。

b.当模型倾斜角度为21°时（图7－B），各层厚度无明显变化。表层破裂进一步发育。

c.当模型倾斜角度为22°时（图7－C），平面破裂略有变大。各层厚度和断裂情况变化不大。

d.当模型倾斜角度为23°时（图7－D），右侧尾端压缩量100mm，出现明显的滑脱现象。平面破裂加大，砂体与石膏层均有破裂。在重力作用下，硅胶层滑动加剧，使得上覆石膏层在褶皱的核部发生韧性剪切现象。

e.当模型倾斜角度为24°时（图7－E），在重力作用下，硅胶层滑动加剧，使得石膏混合层在褶皱的核部所具的韧性剪切带发育成了明显的上冲推覆断层（石膏层和硅胶层的一部分形成了明显的推覆体）；褶皱左翼产状倒转，石膏层（第3层）位于白色石英砂层（第4层）之上，同时褶皱的核部发育了一系列微小的核部断层。由于硅胶层模拟的是软弱地层，具备较强的流变特征，当石膏层被上冲推覆的同时，填补了上冲推覆断层所形成的虚脱空间。

f.当模型倾斜角度为25°时（图7－F），硅胶层在重力作用下滑动加剧，使得位于模型右侧的尾端压缩量进一步加大，上冲推覆现象更加明显。在倒转褶皱的核部，断裂程度加剧。

g.当模型倾斜角度为26°时（图7－G），模型尾端压缩量增加，上冲推覆现象更加明显，硅胶进一步滑动，使得褶皱整体隆升程度加剧，并进一步填补了虚脱空间。

图7 构造模拟实验过程中的各形变阶段Fig.7 The stages of deformation in the experiment

4 讨论

a.本实验证实了在因差异隆升而形成的拉张性构造动力学背景下，局部的挤压构造环境的出现是可能的。

b.对于大规模的上冲推覆带，考虑到孔隙流体对于岩体的作用，发生重力滑脱的临界角度是很小的。在此环境下，滑覆体内的前部物质有可能会形成挤压性的、基底不参与变形的薄皮构造。

c.对龙门山构造带而言，在中三叠世末期—晚三叠世初期拉张构造活动影响下，存在着因重力滑动作用形成局部的挤压性构造环境的可能性。在印支期早期断陷盆地的基础上，龙门山构造带可能叠加了前陆上冲过程，从而形成现今的构造格局。笔者认为由断陷拉张转为上冲推覆的构造动力学过程可分为以下几个阶段：（1）自志留纪开始，至晚三叠世初期，龙门山构造带所处的位置，作为被动大陆边缘，沉积了较厚的海相岩层。在自身重力以及上覆岩层载荷作用的影响下，其物理性质发生改变，使得其塑性增大而刚性降低（尤其以膏盐类沉积在深埋条件下表现最为明显）。（2）在中三叠世末期—晚三叠世初期，受印支运动的影响，今四川盆地和松潘—甘孜高原的隆升特征是差异性的，后者的隆起速度明显大于前者。在此过程中，形成了拉张性的构造背景和张性的断裂系统，下伏的流变性地层发生了重力滑动及蠕变，在龙门山前山带形成一系列的代表局部挤压构造环境的褶皱。在重力滑动作用下，下伏的流变性地层以及上覆各层代表挤压构造环境的褶皱变形变位程度加剧，甚至局部发生岩层倒转现象。（3）在晚三叠世初期上述过程后，龙门山构造带开始上冲推覆过程，龙门山构造带完成了由海至陆的转变，较早形成的拉张性构造大多被改造或破坏，并大致上形成了今日的构造面貌。

d.在龙门山构造带，中生代早期拉张环境下形成的重力滑脱构造可能是一种重要的油气圈闭构造类型。当重力滑脱发生并形成局部的上冲推覆时，很有可能在滑动体前缘处形成如鼻状构造等有利于形成油气圈闭的构造形态。

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