前陆褶皱造山带箱状褶皱变形特征：基于砂箱构造物理模拟研究

张博 万元博 孙甫 杨哲

摘 要：箱状褶皱是侏罗山式褶皱一种典型的组合样式，广泛发育于褶皱造山带的前陆中，其特征为顶平箱状产出，常以伴生形式与其他褶皱组合。传统观点认为，侏罗山式褶皱是刚性岩体之上有一层软弱岩层，在软弱层之上的岩层发生“台布式”滑脱而形成隔挡式、隔槽式褶皱。文章通过砂箱构造物理模拟试验方法，模拟前陆褶皱造山带挤压变形过程得出，地表浅层，岩性相同（或地层能干性差异小）地层中也可形成箱状褶皱样式。

关键词：砂箱实验；楔形体；隔槽式褶皱；箱状褶皱

前言

侏罗山式褶皱起源于欧洲侏罗山区的褶皱，以背斜紧闭向斜开阔的和向斜紧闭背斜开阔为特征，分别对应的类型隔挡式褶皱和隔槽式褶皱。这类褶皱主要发育于褶皱造山带的前陆坳陷带或地槽中，尤其是在中新生代的褶皱造山带的前陆中，如侏罗山及扎格罗斯山、比利牛斯山、高加索山、考底勒拉山和阿巴拉契亚山褶皱造山带的前陆上。在我国，侏罗山式褶皱主要发育于川东一带湘鄂西一带，表现为一系列的北东走向的褶皱。箱状褶皱是侏罗山式褶皱一种表现类型，侏罗山式构造与油气，矿产等自然资源有着紧密的联系，关于其变形特征、样式对油气及矿产资源的勘探具有重要的指导意义。众多学者已经对侏罗山式褶皱构造特征、变形机制已经做过许多的研究，取得一些重要的成果及认识。砂箱构造物理模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象变形特征，揭示成因机制和运动学过程，已经被证明是强大的可视化工具，在国际上得到广泛应用（McClay and Whitehouse，2004）。文章通过梳理前人的研究成果，基于相似初始砂箱构造模型条件下低速挤压条件下变形过程，着重探讨了前陆褶皱冲断带隔槽式箱状褶皱的变形特征及形成机制。

1 砂箱模拟实验方法

1.1 实验材料

实验基础材料采用纯白色干燥石英砂颗粒（标志层采用红色色石英砂颗粒），力学性质符合库仑-摩尔破裂准则内聚力接近零，其被公认是模拟地壳浅层次构造变形的理想相似材料。石英砂经筛分，粒径为200-400um，内摩擦角29-31°，内摩擦系数约为0.55。

1.2 实验原理

实验模型与自然界原型之间的相似性的确定，是通过模拟实验来探讨地质问题的前提。物理模拟实验的相似性主要是几何学、运动学、动力学三方面的相似。作者等的实验模型设置（图1），主要重点侧重实验运动学方面相似，根据前人研究，结合文章实验结果选取挤压速率V=0.002mm/s进行实验；物理模型和原型的动力学相似表示为：

σ*=ρ*×g*×L*

式中，σ *表示模型和原型之间的应力比值；ρ*表示密度的比值；g*和L*分别表示重力加速度和长度的比值。实验在正常重力场中进行，因此重力加速度的比值g*=1。实验材料与实际演示的密度比值ρ*≈0.5，取长度比值L=1×10-5（模型10cm代表自然界1km），分别铺设基底层3层，因此模型模拟的深度为3.5km。

1.3 实验过程

本次实验是右端电缸不动，通过启动左端电缸作水平单侧向活动，对砂箱水平砂层施加挤压变形，每次挤压缩进至结束的位移量D=500mm。实验过程中定时照相记录挤压过程。进行两次以上重复实验，以避免物理模拟的偶然因素的不利影响并验证实验结果的可重复性。

2 实验结果

挤压作用开始后，水平砂层初始变形会出现一个不对称的膝折带，其特点是顶端平顶，两翼宽缓楔形体（标记为1号楔形体）。随着右侧挡板向右推移，挤压楔形体继续向前扩展，当挤压缩短量S=158mm处时，先前形成的宽缓平顶1号楔形体与现在已发育稳态的2号楔形体中间留有一处平缓的凹槽。当挤压缩短量S=366mm处时，发育稳态的3号楔形体，继续挤压至缩短量S=428mm过程中，砂体一方面在后缘堆积，导致先前形成形态宽缓的顶平宽缓的箱状褶皱，两翼收紧；另一方面楔形体向前扩展发育稳态的顶平、两翼宽缓的4号楔形体，且楔形体之间同样发育一个凹槽。最后，当挤压缩短量S=500mm过程中，发育稳态5号楔形体，4号楔形体和5号楔形体之间发育一个底平的凹槽。

图2 挤压速率V=0.002mm/s下的单侧向挤压模型变形实验结果

最终模型几何形态在剖面上显示如（图2），在此速率下其构造样式主要表现为发育稳态的相邻楔形体间发育一个凹槽，阻隔楔形体，形态上似箱状构成隔槽式褶皱。发育楔形体的生长过程与挤压冲断作用有着密不可分的关系。

3 实验结果分析与讨论

通过相似初始砂箱构造模型条件下挤压速率为0.002mm/s下变形过程研究，分析实验结果显示：地壳浅表特征相同的地层（或地层能干性差异小）可发育构造样式上成隔槽式褶皱。文章通过文献调研发现，有关“侏罗山式”褶皱形成机制，主要有粘聚力差异说、动力学差异说和外营力作用说三种说法。提出粘聚力差异说的学者们认为层间粘聚力差异是控制隔档式褶皱、隔槽式褶皱样式的主要因素之一当地层在埋深较浅时，层间能干性差异对褶皱样式起主控作用，能干性差异小时出现隔槽式褶皱，差异大时出现隔档式褶皱。动力学差异说与粘聚力差异说正好相反。外营力作用说则摒弃了内力形成机制，“侏罗山式”褶皱区的形成是要受到一个统一力场支配的，这就要求在形成薄皮构造的区域有一个比较平缓而均一的刚性基底，便于上覆沉积地层在侧压力推挤下形成形态均一、性质相同的薄皮构造。在外营力作用下，薄皮构造遭受不同程度的破坏以后残留下的不同部位的显示。因此，结合文章实验结果分析得出：统一构造应力场，内动力均匀条件下，在地表浅层可发育隔槽式的箱状褶皱，这一结果很好的印证了粘聚力差异是控制地表浅层褶皱形态及组合样式的主要控制因素。

4 结束语

文章通过单向挤压砂箱模拟实验结果分析以及探讨冲起构造的发育特征，得到了主要认识：地壳浅表特征相同的地层（或地层能干性差异小）可发育构造样式上成隔槽式褶皱。在地表浅层，无滑脱层的情况下，同样可形成隔槽式的箱状褶皱。

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