多层滑脱条件下褶皱—冲断带形成制约因素研究：以川东—雪峰构造带为例

刘重庆，周建勋，郎 建

（中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

0 引 言

滑脱构造是指由变形引起的沿一个或几个地层层面的脱离；脱离面两侧地层的变形各自独立或部分独立［1－2］。发生滑脱的地层往往是低强度和高应变的软弱层，滑脱断层常为一条断层或一个断层系统［3］。由于滑脱层对褶皱－冲断带的构造样式、几何形态、演化过程及分布有着显著的控制作用，国内外学者对其进行了广泛的研究［4－6］。

无滑脱层的褶皱－冲断带基底通常具有摩擦性质，其构造变形以发育前冲叠瓦扇为特征，变形集中于挤压端一侧，变形强度从挤压端向固定端迅速减弱，褶皱－冲断带狭窄并具有较高的锥度［7］。

单层滑脱变形以基底滑脱研究较为深入［8］。滑脱基底控制下的褶皱－冲断带较为宽缓，构造形态通常较为对称。黏度较大的滑脱基底产生类似摩擦基底的作用，褶皱－冲断带狭窄，具有较大锥度，且以前冲断层为主导变形［9－10］。低倾角滑脱基底控制下形成的褶皱－冲断带较为宽阔且以前冲断层为主，反之则形成狭窄、前后冲断层同等发育的褶皱－冲断带［11］。基底倾角增大可以使褶皱－冲断带锥度减小［12］，前冲断层变陡，后冲断层变缓（相对于水平参照系）。滑脱层厚度的局部增加会导致与其展布方向相对应的变形带产生［13］。另外，侵蚀和沉积作用改变地貌，并通过不同机理（如改变重力负荷、褶皱－冲断带锥度）对滑脱构造变形产生间接影响［14－15］。

多层滑脱变形较为复杂［16］。Couzens－Schultz等研究认为，滑脱层的强度影响主动（被动）顶板双重构造的演化，也影响到各逆冲断块运动距离的大小及逆冲斜坡宽度［17］；Massoli等指出，含有多层滑脱褶皱－冲断带的演化受控于深部拆离滑脱构造，符合库伦楔演化模型的准则［18］；Pichot等研究表明，较高的挤压速率会降低软弱层的滑脱性能，使之难以发生有效的滑脱，并以对称的构造变形为主，同构造沉积对上、下变形系统中构造扩展方向产生影响，决定其是前展式还是后展式发育［19］；Konstantinov－skaya等指出，侵蚀作用在无滑脱层或单层滑脱变形系统中可以促进后冲断层的形成，但在双滑脱层变形系统中无此现象发生［20］；于福生等研究表明，滑脱层材料、厚度、黏度、上覆砂层厚度、受力边界条件都对双层滑脱变形系统的演化产生影响［21］。这些研究从不同方面揭示了滑脱层对褶皱－冲断带构造变形的影响，但对于滑脱层之间的相互作用、不同流变性质滑脱层及滑脱层深度对构造变形的影响仍有待进一步讨论。

笔者设计了3组多层滑脱模型开展模拟试验，并结合川东—雪峰“侏罗山式”褶皱－冲断带地质特征对比分析，讨论滑脱层流变性质及深度差异对褶皱－冲断带构造变形的影响，以及控制川东—雪峰地区隔挡式、隔槽式褶皱形成的关键因素，为深入了解其形成机制提供试验依据。

1 模型设计

各模型尺寸均相同，长140．0cm，宽20．0cm，总厚7．0cm。模型左侧为单滑脱层变形区，泡沫塑料块代表不发生变形的刚性地块，上覆0．8cm厚硅胶模拟滑脱层，其深度在各模型中保持不变；模型右侧为双滑脱层变形系统，底部滑脱层流变学性质及上部滑脱层深度在各模型中发生变化。为研究滑脱层流变性质及其深度对构造变形的影响，试验设计了3组模型进行对比分析，各模型间考察变量见表1。

表1 模型变量参数Tab．1 Variable Parameters of Models

模型Ⅰ：单侧刚性地块高流变性滑脱基底挤压模型［图1（a）］。左侧聚苯塑料块代表不发生变形的刚性地块，右侧底部硅胶（厚1．0cm）模拟高流变性滑脱层，与盖层内滑脱层（厚0．8cm）构成双层滑脱变形系统。石英砂模拟脆性变形岩层。

模型Ⅱ：单侧刚性地块水平累积性收缩滑脱基底挤压模型［图1（b）］。由预拉伸橡皮（厚1．0mm，张力与预拉伸量正相关，随挤压的进行而减小）的收缩模拟水平累积性收缩基底的滑脱，与模型Ⅰ对比考察滑脱层不同流变性质对盖层构造变形的影响。

模型Ⅲ：单侧刚性地块水平累积性收缩基底深盖层滑脱层挤压模型［图1（c）］。双滑脱变形系统中的上滑脱层深度进一步增加0．8cm，对比模型Ⅱ考察滑脱层深度对上覆地层构造变形的影响。

模拟试验在中国石油大学（北京）构造物理实验室进行。试验材料采用松散石英砂，粒径0．25～0．38mm，内摩擦角31°，其力学性质符合库仑摩尔破裂准则，内聚力接近0，是模拟地壳浅层次构造变形的最佳材料［22］。高流变性滑脱层用硅胶来模拟，黏度均为1．2×104Pa·s。由软件控制的步进马达驱动活动挡板，提供稳定0．3mm·min－1的挤压速度，试验过程由数码相机通过电脑控制自动等时间间隔拍照。

2 试验结果

2．1 模型Ⅰ

图1 模型装置剖面（单位：cm）Fig．1 Profiles of Model Configuration（Unit：cm）

试验初始，模型右端地层在活动挡板的挤压下发生纵弯褶皱作用，上、下变形系统各形成一个位置重叠的低幅平行褶皱。挤压位移（d）达到9．0cm时，下部变形系统褶皱两翼发育冲向相反的断层F1、F2，同时形成断展褶皱，表现为冲起构造；上部变形系统地层发生纵弯褶皱作用的同时受到下部冲起构造的顶托而大幅隆升，且2个褶皱轴面均向挤压端一侧倾斜。上滑脱层厚度比下滑脱层薄，但上滑脱层的滑脱能力更强，使得上部变形系统应变传递明显快于下部变形系统［图2（b），断层序列解释见图2（f）］，其原因可能是下部变形系统承受更大的上覆地层重力负荷，地层发生收缩、褶皱相对困难。挤压位移为18．0cm时，上部变形系统已有3个冲起构造形成，而下部变形系统只形成2个，都以前展的方式逐步向模型固定端扩展［图2（c）］。挤压量达到27．0cm时，由于断面扩展速率比滑移速率慢，逆冲岩席运动较快，在断层F7扩展前锋形成典型的断展褶皱，并前展式发育冲起构造断层F11、F12［图2（d）］。由于滑脱层具有很好的流动性，褶皱转折端发生虚脱的部位被滑脱岩层填充加厚，使得上覆地层变形更为复杂。挤压量达到36．0cm时，应变传递到模型左端，在刚性地块边缘形成断层F15，并在上、下变形系统中分别形成冲起构造断层F13、F14和F16、F17［图2（e）］。总体而言，地层变形垂向运动显著，应变传递范围较小，集中在挤压端一侧，以断层传播褶皱的方式形成冲起构造，表现为变形复杂、具有较高锥度（7°）的褶皱－冲断带，其最高处高程达15．7cm；下部变形系统由于前冲断层断距大，以不协调冲起构造为特征，其顶面起伏一定程度上因上滑脱层物质重新分配而变得平缓，上变形系统在此面上滑脱，以较为对称的箱状褶皱为主要构造样式。

图2 模型Ⅰ试验结果Fig．2 Simulation Results of ModelⅠ

2．2 模型Ⅱ

与模型Ⅰ变形不同的是，水平累积性滑脱使下部变形系统地层发生显著水平方向均匀收缩，因而挤压初期只有上部变形系统因应变集中而发育冲起构造［图3（f）中断层F1］。挤压位移达到18．0cm时，下部变形系统变形较弱，但应变传递较远，在左端刚性地块处形成断层F5及与之相关的断展褶皱，而上部变形系统已有3个冲起构造断层（F1、F3、F6）形成［图3（c）］。挤压位移达到27．0cm时，上部变形系统箱状褶皱形态紧闭，轴面向挤压端倾斜，下部变形系统后冲断层断距持续增大，模型左端刚性地块之上以前展方式发育冲起构造断层F8［图3（d）］。缩短量至36．0cm时，上部变形系统在上滑脱层大距离滑脱，将起初位于刚性地块边缘处的褶皱－冲断带向左侧推覆7．5cm，并形成冲起构造断层F10及前冲断层F11［图3（e）］。因此，该模型下部变形系统以反冲断裂为特征，上部变形系统以箱状褶皱为主导的构造样式，褶皱－冲断带较为宽缓（锥度3°），隆起幅度较低（14．4cm）。

图3 模型Ⅱ试验结果Fig．3 Simulation Results of ModelⅡ

2．3 模型Ⅲ

该模型的变形与模型Ⅱ相比，构造样式相同，演化过程相似，差异在于右上滑脱层深度增加使得箱状褶皱的波长明显增大，形态也更对称［图4（e）］，褶皱－冲断带锥度与模型Ⅱ一致，隆升幅度略高（14．8cm）。

3 讨 论

3．1 滑脱层流变学性质及深度对构造变形的影响

底部高流变性滑脱层控制下的变形表现出强烈的垂向运动，以大断距、大倾角的前冲断层为特征，后冲断层发育较弱，表现为不协调的冲起构造。褶皱核部虚脱部位在弯滑作用下被高流变性软弱滑脱层填充且局部加厚，使得该处更易变形［13］。在应力水平传递有限的情况下，应变通过大角度逆冲断裂调节［图2（f）中断层F7］，进而托顶上部变形系统地层发生横弯褶皱作用而隆升，形成变形范围狭窄、具有较大锥度（7°）的褶皱－冲断带［图2（e）］。模型Ⅱ以橡皮收缩模拟基底拆离滑脱，橡皮的水平累积性收缩发生在整个滑脱面上，下部变形系统的应变被许多低角度后冲断层调节，地层垂向运动有限。下部地层变形以水平运动为主，对上滑脱层产状的影响较小，上变形系统在平缓、连续的上滑脱层发生大距离的走滑推覆，将模型左端刚性地块之上的褶皱推覆远离其初始位置；右端地层收缩较为均匀，形变较为对称，形成箱状褶皱。最终变形表现为沉积盖层整体收缩隆升，褶皱－冲断带宽阔且平缓（锥度3°）［图3（e）］。由此可知，滑脱层流变学性质控制上覆地层的应变调节方向，进而影响褶皱－冲断带的变形范围、构造样式及地表起伏。值得注意的是，在水平累积性收缩滑脱层控制下，应变传递速度明显变快，沉积盖层各部位处于近同步变形状态。

图4 模型Ⅲ试验结果Fig．4 Simulation Results of ModelⅢ

滑脱层深度对滑脱系统的变形也具有显著影响。各模型左滑脱层与右上滑脱层具有相同的厚度和不同的深度，上覆地层变形相差较大。试验结果显示，滑脱于左侧滑脱层上的地层形成的褶皱波长很小，右侧较深滑脱层控制下形成的箱状褶皱波长明显较大。为了消除基底流变学性质差异造成的影响，对比模型Ⅱ和模型Ⅲ的变形特征仍可以得出上述结论。这2个模型参数唯一差异在于后者右上滑脱层比前者深0．8cm，但模型Ⅲ第2、3个箱状褶皱波长明显大于模型Ⅱ对应的构造，其他学者的研究也得出相同的结论［18，23］。这些箱状褶皱表现出同心褶皱的特点，从滑脱层到地表，褶皱从紧闭逐渐转变为宽缓，各层厚度不变，离滑脱层越远（滑脱层越深），箱状褶皱顶部越宽，褶皱波长越大。

综上所述，滑脱层的流变性特征及其深度对于上覆盖层变形的影响各不相同。前者制约滑脱层之上地层变形的优势方向为垂向或水平方向，进而影响应变传递范围和地表坡度；后者决定上覆地层形成褶皱的波长。

图5 川东—雪峰地区海相岩系构造变形划分Fig．5 Tectonic Distortion Partition of Marine Rock Series in Eastern Sichuan－Xuefeng Area

3．2 模拟结果与实际构造变形的对比

川东—雪峰褶皱－冲断带是典型的“侏罗山式”褶皱，发育晚中生代多层次滑脱构造，具有显著的南东向变形强、北西向变形弱，南东向变形早、北西向变形晚的递进变形特征［24－27］。以齐岳山断裂为界，该褶皱－冲断带分为西部隔挡式褶皱带和东部隔槽式褶皱－冲断带［28－31］（图5）。隔挡式褶皱带前震旦系基底埋深7 000～9 000m，仅有上、下组合海相层轻微卷入，属于薄皮式滑脱推覆变形区［32］。背斜通常为轴部很窄、地层陡倾的紧闭式背斜，向斜为轴部宽大、地层相对平缓的屉状向斜，垂向上表现出同心褶皱的特点。背斜带深部发育铲式逆断层作为滑动前锋，断面向东倾斜，向西逆冲，其主要滑脱层为夹于强硬灰岩之间的一套志留系软弱泥岩［33］；隔槽式褶皱－冲断带属于半厚皮式逆冲推覆变形带，上、下组合海相层与元古界基底在一定程度上卷入变形［32］。背斜呈宽阔的箱状，向斜狭窄，呈线状，主要由上古生界及中、下三叠统组成的不对称至倒转向斜［34］。滑脱面以上的岩层厚度比川东构造带大数倍，滑脱层也比川东隔挡式褶皱带的要深［29］，主要位于寒武系底部，局部与震旦系底部的滑脱构造共同作用，控制其上盘下构造层下古生界隔槽式褶皱变形样式［35］。

刘尚忠认为，隔槽式、城垛式及隔挡式3种褶皱是统一的薄皮构造在外营力作用下遭受不同程度破坏以后残留下的不同部位的显示［36］。李忠权等认为，早期拉张形成的隔槽式褶皱在晚期受挤压形成隔挡式褶皱［37－39］。颜丹平等认为，早期先形成隔挡式褶皱，随着挤压推覆进行，最终演化成前端为隔挡式褶皱，后端为隔槽式褶皱，后端变形比前端强［30］。然而，这些通过对现今构造变形的几何形态分析得出的认识缺乏试验依据。

本文中模型Ⅲ的参数设置相似于川东—雪峰“侏罗山式”褶皱－冲断带的地质条件［图6（a）］。橡皮收缩模拟湘鄂西地区中下地壳拆离滑脱［40］，右上滑脱层模拟寒武系—震旦系滑脱层，左侧滑脱层代表川东地区志留系滑脱层，且左侧川东地区沉积盖层薄，右侧湘鄂西地区沉积盖层厚［29］。试验结果与该区实际变形特征具有较好的相似性，具体表现为：①变形强度具有从南东向北西逐渐减弱的递进变形特征，地表整体较为平缓；②川东地区的沉积盖层在较浅滑脱层控制下发育小波长的高陡背斜，形成隔挡式褶皱，背斜带深部发育铲式逆断层作为滑动前锋，断面向东倾斜，向西逆冲；③湘鄂西地区的沉积盖层在较深滑脱层的控制下发育波长较大的箱状褶皱，形成隔槽式组合；④湘鄂西地区下变形系统中的后冲断层相似于低角度拆离滑脱面上的后冲断层［32］［图6（b）］。

图6 川东—雪峰构造带褶皱－冲断带剖面与模型 Ⅲ 试验结果对比Fig．6 Comparison Between Profile of Fold－thrust Belt in the Eastern Sichuan－Xuefeng Tectonic Belt and Result of ModelⅢ

“侏罗山式”褶皱形成在具有软硬岩性差异的岩层中，沿软弱层发育的平缓滑脱带是这类褶皱形成的必要条件［41］，其在变形过程中通过枢纽迁移或翼部旋转机制形成箱状褶皱［42－43］。滑脱层的深度控制上覆变形岩层褶皱波长，较深的滑脱层导致大波长褶皱，表现为箱状褶皱，背斜顶部平坦宽阔，向斜紧闭狭窄，形成隔槽式褶皱；较浅的滑脱层控制下的褶皱较为狭窄，背斜紧闭，形成高陡地貌，组合成隔挡式褶皱。数值模拟研究表明，层间内聚力（岩层能干性）的差异和软弱层上覆压力（埋深）控制着“侏罗山式”褶皱最终成为隔挡式或隔槽式［22］，这与本文的研究结果一致。因此，川东—雪峰地区已有的地层条件在受到南东—北西向挤压后可以直接形成隔槽式、隔挡式褶皱分带的构造格局，无需剥蚀、挤压转化等后期地质过程的改造。

值得注意的是，研究区前古生界纯后冲断层因其冲向与上部变形系统中以前冲为主的断层相反，被认为是在2期不同应力方向下形成的，但试验结果表明在基底水平累积性收缩滑脱条件下，同一期构造变形中也可以形成2组冲向相反的逆冲断层。

4 结 语

（1）滑脱层流变学性质控制上覆地层应变调节方向，水平累积性收缩滑脱条件下，地层水平收缩显著、垂向运动较弱，应变传递速度快、范围大，形成宽阔平缓的褶皱－冲断带；高流变性滑脱层控制下的垂向变形较强，应力传递范围小，形成狭窄、大锥度的褶皱－冲断带。

（2）滑脱层之上的地层以断展褶皱的方式形成箱状褶皱，其波长受滑脱层深度控制。深层滑脱控制下形成的褶皱波长大，浅层滑脱控制下形成的褶皱波长小。

（3）川东—雪峰构造带不同区域沉积盖层厚度、滑脱层数量、滑脱深度的差异及南东—北西向挤压应力是形成该区“侏罗山式”褶皱－冲断带的主控因素，在其共同作用下可直接形成隔挡式、隔槽式褶皱，无需剥蚀、挤压转化等后期地质过程的改造。

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