张猛,贾东,王毛毛,李志刚,李一泉
南京大学地球科学与工程学院,南京, 210046
内容提要:斜向逆冲作用在自然界普遍存在,研究斜向逆冲断层相关褶皱的构造几何学特征,识别断层相关褶皱是否存在斜向逆冲有重要意义。文章采用Trishear 4.5、Gocad以及Trishear3D软件构建一系列不同滑移量的断层转折褶皱和断层传播褶皱的二维正演剖面,通过连接一系列不同排列方式的二维剖面建立了三种不同逆冲滑移方向的断层转折褶皱和断层传播褶皱的假三维模型,通过不同假三维模型的比较分析来探讨斜向逆冲断层相关褶皱的构造几何学特征。研究发现,斜向逆冲断层相关褶皱区别于正向逆冲断层相关褶皱的特征主要有两点:① 正向逆冲断层相关褶皱层面等高线图上的最高点与后翼等高线中点的连线以及水平切面上的核心点与后翼中点的连线方向均与断层走向垂直,而斜向逆冲断层相关褶皱的最高点以及核心点与后翼中点的连线方向均与断层走向斜交,并且最高点与后翼等高线中点的连线方向或者核心点与后翼中点的连线方向均与逆冲滑移方向一致;② 在褶皱平行断层走向纵剖面上,正向逆冲断层相关褶皱各个层面最高点的连线是直立的,而斜向逆冲断层相关褶皱各个层面最高点的连线发生倾斜。通过这两个特征可以判别褶皱是否存在斜向逆冲以及逆冲的方向。将模型分析结果运用到四川盆地西南部三维地震勘探资料所覆盖的邛西背斜和大兴西背斜的实例中。研究结果表明,两个背斜均存在右旋斜向逆冲,逆冲方向与各自断层走向的夹角均为70°左右,邛西背斜和大兴西背斜的逆冲方向分别是NE79°和NE77°左右,这与龙门山南段晚上新世以来的主应力方向以及反演的汶川地震最大主应力方向一致。
断层上盘的逆冲方向与走向不垂直(即存在走滑分量)的逆冲作用称为斜向逆冲作用,斜向逆冲作用在自然界普遍存在(徐嘉炜,1995;吴珍汉等,2009;Xu Xiwei et al., 2009)。
目前断层相关褶皱的研究是从二维到三维的转化(Wilkerson et al., 1991;Fischer et al., 2000;管树魏等,2003;何登发等,2005),但真正意义上的三维断层相关褶皱的体积平衡和位移场理论还未建立,尚处于摸索阶段(贾东等,2011)。现有的断层相关褶皱的显示以及分析解释通常都是选用二维横剖面,这些横剖面的分析及平衡恢复都是基于最大应力和应变方向平行或者垂直于剖面的假设(Tindall and Davis, 1999),因此剖面位置的选择最好平行于褶皱的逆冲滑移方向。当选用二维横剖面显示和分析断层相关褶皱的时候,特别是存在斜向逆冲的情况下,如果二维横剖面的位置不平行于滑移方向,物质很有可能存在穿剖面的运动,会导致二维剖面上认识的不全面或者误解,所以研究斜向逆冲断层相关褶皱的特征,判断褶皱是否存在斜向逆冲作用十分重要,同时识别断层相关褶皱逆冲滑移方向对恢复古应力方向(Kaven et al., 2011)、指导油气勘探(魏国齐等,2005)等方面都有着重要作用。Tindall and Davis(1999)通过褶皱周围小断层的运动学分析来寻找断层相关褶皱斜向逆冲的证据,Tetreault等(2008)通过古地磁和构造的证据来研究断层相关褶皱是否存在斜向逆冲。但是,许多断层相关褶皱是形成于先存断层的再活动,虽然在这些构造中很有可能存在斜向逆冲,但由于很多断层是隐伏的,古地磁方法无法记录或者很模糊,中微尺度的变形未完全出露或者很难识别,在这种情况下很难鉴别是否存在斜向逆冲作用(Keating et al., 2012)。
本文试图通过建立三种不同逆冲滑移方向的断层相关褶皱三维几何学模型,通过与正向逆冲(即不存在走滑分量)断层相关褶皱的比较分析来研究斜向逆冲断层相关褶皱的构造几何学特征,识别出斜向逆冲断层相关褶皱区别于正向逆冲断层相关褶皱的特征要素,探索判断断层相关褶皱是否存在斜向逆冲以及逆冲滑移方向的方法,并且将模型分析得出的方法运用到四川盆地西南部三维地震勘探资料所覆盖的邛西背斜和大兴西背斜两个典型的活动构造实例中,分析这两个背斜的运动学性质。
目前实现断层相关褶皱从二维扩展到三维主要有假三维模拟和真三维模拟两种模拟方法,假三维模拟是通过连接一系列二维剖面实现三维可视化(Cristallini et al., 2001),真三维模拟是考虑体积守恒的情况下模拟三维的运动学(Cristallini et al., 2004)。Cardozo(2008)通过比较分析这两种算法发现,真三维算法可以模拟较假三维更复杂的几何学和运动学,但是真三维算法本身存在局限,在位移梯度比较大的情况下体积不守恒,而假三维算法在所有情况下体积都是守恒的,适用范围较真三维算法更广。因此,本次研究采用假三维模拟实现斜向逆冲断层相关褶皱的三维可视化。
在断层面上移动一个刚性块体会产生一簇在断面上相互平行的滑移矢量,可以定义一系列平行于滑移矢量方向的连续横剖面来建立断层相关褶皱的数值模型,实现断层相关褶皱的三维可视化,这样建立起来的三维模型称为假三维模型(Cooper et al., 1999; Cristallini et al., 2001)。通过连接一系列二维剖面建立的断层相关褶皱假三维模型满足体积守恒的原则,因此是断层相关褶皱一种合理的解释模型(Cristallini et al., 2001; Cardozo, 2008)。
本次研究主要集中于斜向逆冲对断层相关褶皱构造几何学的影响,因此不考虑侧断坡/斜断坡的存在,即断层面几何学不随走向变化,断层面为平面状,断层转折褶皱的断层面为断坪—断坡—断坪的几何形态,而断层传播褶皱的断层面为断坪—断坡的几何形态。我们采用Trishear4.5软件构建一系列不同滑移量的二维断层转折褶皱(Suppe, 1983)和三剪断层传播褶皱(Allmendinger, 1998),再将这些二维剖面导入Gocad软件中,通过连接相邻剖面的地层线和断层线建立简单断层转折褶皱和三剪断层传播褶皱的假三维模型。
在断层面上的滑移矢量方向是一个三维的概念,为了简化,文章中所讨论的逆冲滑移方向在断层附近指的是滑移矢量在水平面的投影方向(李涛等,2009)。如图1所示,红色线条代表断层走向,黑色箭头方向代表物质滑移的方向,我们建立三种不同逆冲滑移方向的断层转折褶皱和断层传播褶皱模型,滑移方向与断层走向夹角分别为90°(图1a)、60°(图1b)和45°(图1c)。
图1 不同滑移方向与断层走向夹角示意图:(a) 滑移方向与断层走向垂直;(b) 滑移方向与断层走向夹角60°;(c) 滑移方向与断层走向夹角45°Fig. 1 Sketch map of the intersection angles between different slip direction and fault strike: (a) slip direction is perpendicular to fault strike; (b) the intersection angle is 60°; (c) the intersection angle is 45°
在建立的假三维模型中,一系列二维剖面之间下断坪和断坡连接点的连线即为断层走向的方向(图2中红色线条方向),二维剖面沿着逆冲滑移方向平行排列(每个模型共19条二维剖面,图2中只显示其中的9条剖面)。所有模型中,过断层中心位置的二维剖面滑移量最大,端部滑移量为零,两者之间为线性位移梯度变化,与Wilkerson等(1991)的模式一致。
在建立断层相关褶皱假三维模型的基础上,接下来将通过假三维模型的层面等高线图和水平切面以及平行断层走向纵剖面的分析来探讨斜向逆冲断层相关褶皱的几何学特征。
图2 不同滑移方向与断层走向夹角的断层相关褶皱假三维模型的建立:(a) 滑移方向与断层走 向垂直;(b) 滑移方向与断层走向夹角60°;(c) 滑移方向与断层走向夹角45°Fig. 2 Different intersection angles between slip direction and fault strike in the pseudo-3D models of fault-related-fold: (a) slip direction is perpendicular to fault strike; (b) the intersection angle is 60°; (c) the intersection angle is 45°
从建立的断层转折褶皱假三维模型等高线图(图3)上可以发现,不同滑移方向的三种模型都有一些相似的特征:随着滑移量沿断层走向上的递减,上盘褶皱的几何形态发生变化,褶皱翼部宽度稳定一段后逐渐变窄,顶部宽度先逐渐变窄后又逐渐加宽,从顶面的等高线趋势可以看出,褶皱中心向端点倾斜形成倾伏背斜。在断层传播褶皱的模型(图5)中,随着滑移量沿断层走向上的递减,在断层零位移端形成倾伏背斜,与断层转折褶皱类似。
从断层转折褶皱三个模型顶面的等高线图(图3)上可以看出,不论是否存在斜向逆冲,褶皱后翼的等高线均与断层走向平行。在模型的水平切面上(图4),褶皱后翼与水平切面的交线同样与断层走向平行,因此斜向逆冲对褶皱后翼的影响不明显。在等高线图上(图3),正向逆冲断层相关褶皱为上下对称形态,等高线图上的最高点和后翼一系列等高线的中点在同一条直线上,并且它们的连线方向与断层走向垂直。在水平切面图上(图4),核心点与后翼的各个中点也在同一条直线上,它们的连线方向同样与断层走向垂直。而斜向逆冲断层相关褶皱在等高线图和水平切面图上为上下不对称形态,褶皱最高点和核心点与后翼的一系列中点同样在一条直线上,但它们的连线方向均与后翼走向斜交,即最高点和核心点相对于后翼中点发生侧向迁移。并且可以发现,在等高线图上(图3),褶皱顶面最高点(图3B中Q1、Q2、Q3)与后翼等高线中点(图3B中的P1、P2、P3)的连线与后翼等高线的夹角等于褶皱滑移方向与断层走向的夹角(图3B)。由于褶皱后翼的等高线与断层走向方向平行,因此褶皱最高点与后翼等高线中点的连线方向就是褶皱滑移的方向。类似地,在模型的水平切面(图4)上可以看到,三个模型褶皱后翼与水平切面的交线方向均与断层走向方向相同,三个模型水平切面的核部位置点(图4B中的S1、S2、S3)和后翼与切面交线的中点(图4B中的R1、R2、R3)的连线方向与后翼的夹角即为各自滑移方向与断层走向的夹角,即R1S1、R2S2、R3S3与各自的滑移方向一致。
图3 断层转折褶皱假三维模型顶面等高线图Fig. 3 Contour map of top surface of the pseudo-3D model of fault-bend-fold图(A)和图(B)中的(a)、(b)、(c)图分别对应图1中的(a)、(b)、(c)三种逆冲滑移方向Figure (a)、(b)、(c) in Figure (A) and (B) correspond to the (a)、(b)、(c) three kinds of thrust directions in Fig. 1 respectively
断层传播褶皱的后翼采用的是膝折带迁移模式(Hardy and Ford, 1997),与断层转折褶皱相同,因此其几何形态与断层转折褶皱相似,不同滑移方向的褶皱后翼等高线以及在水平切面上后翼与水平切面的交线仍然都与断层走向平行(图5、图6)。与断层转折褶皱类似,斜向逆冲断层传播褶皱也是不对称的形态,褶皱最高点和核心点相对于后翼中点发生侧向迁移(图5、图6)。在等高线图(图5)上,褶皱最高点与后翼中点的连线(图5B中的P1Q1、P2Q2、P3Q3)与褶皱滑移方向相同,在水平切面图(图6)上,褶皱核心点和褶皱后翼与切面交线中点的连线(图6B中的R1S1、R2S2、R3S3)方向同样与滑移方向一致。
图4 断层转折褶皱假三维模型的水平切面图Fig. 4 Horizontal slice of the pseudo-3D model of fault-bend-fold图(A)和图(B)中的(a)、(b)、(c)图分别对应图1中的(a)、(b)、(c)三种逆冲滑移方向 Figure (a)、(b)、(c)in Figure (A) and (B) correspond to the (a)、(b)、(c) three kinds of thrust directions in Fig. 1 respectively
图5 断层传播褶皱假三维模型顶面等高线图Fig. 5 Contour map of top surface of the pseudo-3D model of fault-propagation-fold图中的(a)、(b)、(c)图分别对应图1中的(a)、(b)、(c)三种逆冲滑移方向 Figure (a)、(b)、(c) in Figure (A) and (B) correspond to the (a)、(b)、(c) three kinds of thrust directions in Fig. 1 respectively
图6 断层传播褶皱假三维模型的水平切面图Fig. 6 Horizontal slice of the pseudo-3D model of fault-propagation-fold图中的(a)、(b)、(c)图分别对应图1中的(a)、(b)、(c)三种逆冲滑移方向 Figure (a)、(b)、(c) in Figure (A) and (B) correspond to the (a)、(b)、(c) three kinds of thrust directions in Fig. 1 respectively
根据经典断层转折褶皱理论(Suppe, 1983),断层转折褶皱后翼的变形为膝折带迁移模式,物质在后翼的运动是由轴面和断层面来控制,因此不论是否存在斜向逆冲,褶皱的后翼层面均与断层面平行,所以后翼的走向与断层面走向相同,后翼与水平切面的交线方向也与断层面的走向一致。断层传播褶皱的后翼也是膝折带迁移模式,因此具有相似的特征。对于滑移方向与断层走向不垂直即存在斜向逆冲的褶皱来说,滑移矢量可以分解为垂直于断层走向的分量和平行于断层走向的分量,垂直断层走向的分量导致了褶皱在垂直断层走向方向上的隆升而平行于断层走向的分量使物质发生沿断层走向方向的迁移,因此褶皱在层面等高线图上的最高点以及水平切面上的核心点都相对于褶皱后翼中点发生偏移,即最高点和后翼中点的连线或者核心点与褶皱后翼中点的连线均与断层走向斜交,斜交角度的大小与斜向逆冲的程度(即滑移矢量方向与断层走向的夹角)有关。一般在断层的中心部分位移量最大(Scholz, 1990),即过后翼中点处的滑移量最大(与模型的设置一致),同时沿着最大滑移量的方向为褶皱最大缩短的方向,对应的褶皱隆升量也最大,因此褶皱的最高点和核心点以及后翼中点都穿过最大滑移矢量的方向,因此褶皱最高点与后翼中点的连线方向或者核心点与后翼中点的连线方向均与褶皱滑移矢量的方向相同。
综合以上分析发现,斜向逆冲会导致断层相关褶皱的最高点以及核心点发生沿走向方向的迁移。可以在褶皱层面的等高线图上,根据最高点与褶皱后翼等高线中点的连线与断层走向是否垂直,或者在褶皱的水平切面上,根据褶皱核心点与褶皱后翼中点的连线与断层走向是否垂直来判断是否存在斜向逆冲,同时可以根据等高线图上褶皱最高点和后翼中点的连线方向或者水平切面图上核心点与后翼中点的连线方向来判断逆冲滑移的方向。
图7 基于Trishear3D软件建立的滑移方向与断层走向垂直的假三维模型:(a) 滑移方向;(b) 假三维模型顶面图及平行断层走向切面位置;(c) 平行断层走向纵剖面Fig. 7 Pseudo-3D model slip direction is perpendicular to fault strike implemented by Trishear3D: (a) slip direction; (b) top surface of pseudo-3D model and position of the section which is parallel with fault strike; (c) cross-sections parallel with fault strike
由于三剪断层传播褶皱的前翼发育在具有分散剪切的三角带内,几何学及其应变场比较复杂(Erslev, 1991)。因此,接下来我们用Trishear3D软件(Cardozo,2008)建立单斜断层传播褶皱的假三维模型来研究不同逆冲滑移方向对褶皱顶部和前翼的影响。Trishear3D软件所用的假三维算法(Cristallini et al., 2001)仍然是连接一系列相互平行的二维剖面建立假三维模型,与上文所用的方法相同。模型的参数设置与上文的一致,过断层中心位置的二维剖面滑移量最大,端点处滑移量为零,两者之间为线性位移梯度变化。
图8 基于Trishear3D软件建立的滑移方向与断层走向夹角60°的假三维模型:(a) 滑移方向;(b) 假三维模型顶面图及平行断层走向切面位置;(c) 平行断层走向纵剖面Fig. 8 Pseudo-3D model of which the intersection angle between slip direction and fault strike is 60° implemented by Trishear3D: (a) slip direction; (b) top surface of pseudo-3D model and position of the section which is parallel with fault strike; (c) cross-sections parallel with fault strike
图9 基于Trishear3D软件建立的滑移方向与断层走向夹角45°的假三维模型:(a) 滑移方向;(b) 假三维模型顶面图及平行断层走向切面位置;(c) 平行断层走向纵剖面Fig. 9 Pseudo-3D model of which the intersection angle between slip direction and fault strike is 45° implemented by Trishear3D: (a) slip direction; (b) top surface of pseudo-3D model and position of the section which is parallel with fault strike; (c) cross-sections parallel with fault strike
图7b、图8b和图9b分别是建立的三种不同逆冲滑移方向的假三维模型顶面构造图,从左往右选取四条平行走向的纵剖面(图7c、图8c和图9c,从上往下对应从左往右的剖面)切过顶面和前翼,图7a、图8a和图9a分别显示各自的滑移方向和断层走向方向,夹角分别为90°、60°和45°。从平行走向的纵剖面上可以清楚地看到,当滑移方向与断层走向垂直时(即不存在斜向逆冲),各个层最高点(也即转折点)的连线(即图7c中的橙色虚线)是直立的,即连线与水平线(或未变形层面线)垂直。而在滑移方向与断层走向斜交的情况下(即存在斜向逆冲),在平行走向的切面上,各个层最高点的连线(图8c、图9c)与水平线(或未变形层面线)不垂直,存在一定倾斜,滑移方向与断层走向夹角越小,即走滑分量越大时,倾斜程度越大。
在斜向逆冲的情况下,滑移矢量存在沿断层走向的分量,这个分量的作用导致沿走向方向上断层上下盘之间存在剪切作用,导致在平行断层走向的纵剖面上层面最高点连线(即沿走向方向形成的褶皱的轴面线)发生倾斜。倾斜程度的大小与滑移矢量方向与断层走向夹角以及褶皱位移梯度、断层倾角等多个因素有关,因此各个层最高点的连线与水平面的夹角和滑移矢量方向与断层走向的夹角这两个角度之间的定量关系比较复杂,但是可以通过在平行走向的纵剖面上,各个层最高点的连线与水平线是否垂直来判断褶皱是否存在斜向逆冲,当连线不垂直时说明褶皱存在走滑的分量,即存在斜向逆冲。
综合以上的建模分析发现,斜向逆断层相关褶皱和正向逆冲断层相关褶皱相比,后翼差别不明显,但是斜向逆冲断层相关褶皱在层面等高线图上的最高点以及水平切面上的核心点相对于褶皱后翼中点发生偏移,呈现不对称形态,等高线图上的最高点和后翼中点的连线以及水平切面图上核心点与后翼中点的连线均与断层走向斜交,并且在平行走向纵剖面上,各个层最高点(转折点)的连线与水平线(或未变形层面线)斜交。并且可以根据等高线图上褶皱最高点与褶皱后翼中点连线方向或者水平切面上褶皱核心点和褶皱后翼与水平切面交线中点的连线方向来判断褶皱逆冲滑移的方向。
邛西背斜和大兴西背斜位于四川盆地西南部晚更新世时期的名邛洪积扇覆盖的位置(图10),一条近南北向的活动断层切割了这个洪积扇(Jia Qiupeng et al., 2009; Wang Maomao et al., 2013)。研究显示,邛西背斜和大兴西背斜均为剪切断层转折褶皱,主断层为隐伏断层,后翼突破断层的古地震探槽研究表明这两个背斜现今仍然处于活动状态(Wang Maomao et al., 2013)。中石油西南油气田分公司的三维地震反射资料正好覆盖了邛西背斜和大兴西背斜,为研究提供了完整可靠的数据基础。
首先对两个背斜做水平时间切片分析(图11)。水平时间切片是指以同一反射时间为平面切割三维地震数据体所得到的切面,它能直观地反映该地区的构造面和断层的走向及分布规律(Brown, 1999; 李一泉等,2007)。在邛西和大兴西背斜的水平切面上均可以清楚地看到褶皱核心点相对于褶皱后翼中点发生偏移,核心点与后翼中点的连线与断层走向斜交,与模拟的斜向逆冲结果一致,说明两个背斜均可能存在斜向逆冲。在邛西背斜的水平切面上,褶皱核心点与后翼中点的连线与断层走向夹角为70°左右,即邛西背斜逆冲滑移方向与断层走向存在70°左右的夹角,背斜存在右旋斜向逆冲,并且可以初步判断邛西背斜逆冲滑移的方向是NE79°左右。在大兴西背斜的水平切面上,褶皱核心点与后翼中点的连线与断层走向的夹角为70°左右,与邛西背斜的偏角相同,逆冲滑移方向为NE77°左右。
在平行走向的纵剖面上(图12),可以发现邛西背斜和大兴西背斜都是层面最高点的连线与水平线斜交,与模拟的斜向逆冲结果相似,说明两个背斜均存在走滑分量,这也与在水平切面上得到的结果一致。
综合以上分析,判断邛西背斜和大兴西背斜均存在右旋斜向逆冲,逆冲滑移方向与各自断层走向夹角均为70°左右,邛西背斜和大兴西背斜滑移方向分别为NE79°和NE77°左右,近于东西向逆冲。
杜义等(2009)通过对龙门山断裂带震后断层擦痕数据的反演得出龙门山地区现今最大主应力方向为76°~121°,近于东西向。Luna and Hetland(2013)通过同震滑移模型得出汶川地震的最大主压应力方向近于东西向。Li Zhigang等(2013)和Wang Maomao等(2013)文章中通过三维构造建模揭示晚上新世以来龙门山南段地区区域主应力场方向由北西—南东向转换为近东西向。我们对邛西背斜和大兴西背斜的分析结果同上述研究结果一致。
自然界的断层相关褶皱发生和发展的路径较为复杂,涉及的变化因素很多,而我们所建立的三维模型是通过连接一系列二维剖面建立的假三维模型,假设的几何学和运动学边界条件比较简单,例如不考虑侧断坡和斜断坡,不存在翼旋转,位移梯度为简单的线性变化,因此这只是一个合理的理论模型。但是,我们可以借助所建立的三维模型来更好地认识和理解自然界断层相关褶皱的几何学和运动学特征(贾东等,2011)。利用褶皱等高线图上的最高点和水平切面上的核心点相对于褶皱后翼中点的偏移,以及平行断层走向切面上最高点的连线是否和未变形层面线垂直来判断褶皱是否存在斜向逆冲,同时根据褶皱层面上最高点与后翼中点的连线方向或者水平切面上核心点与后翼中点的连线方向来判断滑移方向的时候需要结合其他相关现象进行综合分析。
基于建立的模型分析以及实例分析得出以下几点结论:
图12 平行断层走向纵剖面:(A)邛西背斜平行断层走向纵剖面分析图;(B)大兴西背斜平行断层走向纵剖面分析图 Fig. 12 The cross-section parallel with fault strike: (A) the cross-section parallel with fault strike of the Qiongxi anticline; (B) the cross-section parallel with fault strike of the Daxingxi anticline
(1)正向逆冲断层相关褶皱在等高线图和水平切面图上为上下对称形态,等高线图上最高点和后翼中点的连线或者水平切面图上核心点与后翼中点的连线均与断层走向垂直,而斜向逆冲断层相关褶皱的物质沿断层走向方向发生迁移,等高线图和水平切面图为上下不对称形态,在层面等高线图上的最高点以及水平切面上的核心点都相对于褶皱后翼中点发生偏移,等高线图上最高点和后翼中点的连线以及水平切面图上核心点与后翼中点的连线均与断层走向斜交,并且等高线图上最高点与后翼中点的连线或者水平切面图上核心点和褶皱后翼中点的连线方向即为褶皱逆冲的方向。
(2)在平行于断层相关褶皱断层走向的纵剖面上,正向逆冲断层相关褶皱各个层面最高点(转折点)连线是直立的,而斜向逆冲断层相关褶皱由于沿断层走向方向上存在剪切作用使各个层面最高点(转折点)连线与水平线斜交。
(3)四川盆地西南部的邛西背斜和大兴西背斜均存在右旋斜向逆冲,逆冲方向与各自断层走向均存在70°左右夹角,逆冲方向分别为NE79°和NE77°左右,与龙门山南段晚上新世以来区域主应力场方向转换为近东西向,以及反演的汶川地震最大主压应力方向近东西向一致。