川东褶皱带南段构造物理模拟研究

苏柏，张书迪，刘勇



川东褶皱带南段构造物理模拟研究

苏柏，张书迪，刘勇

（中国地质大学，北京 100083）

根据现代的地质调查，四川盆地周围是一系列左行走滑断裂，显示四川盆地顺时针旋转。川东褶皱带由一系列雁列式背斜组成，成帚状向南撒开，有学者认为是压扭作用造成。利用干燥石英砂模拟上地壳脆性变形，腻子粉溶液模拟上地壳塑性变形，凡士林模拟滑脱层，橡皮泥模拟基底，研究四川盆地旋转变形与川东褶皱带南段的关系。实验表明，塑性盖层条件有利于川东褶皱带的形成，其形成受四川盆地基底平行断裂控制且与滑脱层密切相关，褶皱带南段的马尾状发散需要顺时针旋转的旋转走滑与北西—南东挤压应力叠加，且此种褶皱是由前期旋转应力形成的展布较大、间隔较远的平行褶皱，在后期随着旋转逐渐旋至旋转与挤压重叠部位部分发生集中所形成。川东褶皱带旋转-挤压模式的构造模拟也为四川盆地的顺时针旋转机制提供了佐证。

川东褶皱带；顺时针旋转；发散褶皱；物理模拟

四川盆地周围有一系列断裂带围限（图1），西部是龙门山断裂，中生代表现为挤压兼左行走滑[4]；北部是左行走滑的房县断裂；东部是川东褶皱带，表现为一组侏罗山式褶皱，南段成帚状撒开，显示具有左行走滑特征，据热年代学资料，其主体构造在中生代晚期形成；南部是紫云-罗甸断裂，中生代期间也表现为左行走滑的特征。这些边界断裂所具有的左行走滑特征可能是四川盆地在中生代的顺时针旋转运动所造成，古地磁证据也显示四川盆地在中生代发生了一定角度的顺时针旋转。但目前对于四川盆地整体构造旋转特征的研究还较少，相关证据也仅限于各边界断裂的运动学特征及盆地内部的古地磁学证据，在构造物理模拟方面还没有进行相关的研究。

图1 四川盆地周围边界断裂简图（据王二七，2007）

川东褶皱带是扬子板块西部的重要板内变形带, 其中南华系至上侏罗统形成了北北东—北东走向的板内“侏罗山式”弧形褶皱带，这一褶皱带向西中止于北北东走向、向东倾的华蓥山逆冲断裂带，向东过渡到以变质基底出露为特征的雪峰山隆起，向北复合于北西至东西走向的南大巴山弧形褶皱带，向南延入滇黔桂交界区（张必龙，2009）。其南段由一系列雁列式背斜组成，并成帚状向南撒开，对于这种构造组合的成因有学者认为是由于压扭作用，但尚缺少足够的证据。

针对上述问题，我们设计了六组物理模拟实验，结合四川盆地旋转变形构造对川东褶皱带南段进行模拟，探究盖层性质、滑脱层以及基底断裂对川东褶皱带平面特征的控制作用，以及川东褶皱带展布特征与四川盆地旋转变形的关系。

1 模型设计

四川盆地发育有多个构造层[5]，可分为基底和浅部盖层沉积，发育有岩性软弱的滑脱层。据此，模型设置为双层式，基底均使用橡皮泥，盖层使用石英砂或腻子粉。形状加工成椭圆形，长径为北东—南西方向，长度为25cm；短径为北西—南东方向，长度为20cm；厚度为12mm，且均匀等厚。实验装置中心可旋转，旋转台为直径15cm的圆（图2）。每次实验前将模型中心与旋转台中心重合，均匀放置在实验装置上，并将橡皮泥充分压实，以防滑脱失效。实验中将旋转台以0.3~0.4r/min的速度匀速旋转。在实验中，模型Ⅰ~模型Ⅲ除旋转运动外，还在模型南东一侧施加挤压应力，以此来模拟雪峰山挤压构造。

图2 四川盆地模型示意图

模型Ⅰ以石英砂为上覆盖层，厚度为0.2~0.3cm。模型Ⅱ盖层与模型Ⅰ一致，并在基底东侧加工出三条长为12cm的平行裂缝代表盆地基底存在的断裂带，与模型Ⅰ一起考察基底存在断裂带与否对构造变形的影响。模型Ⅲ盖层为0.4~0.5cm湿度适合的腻子粉，与模型Ⅰ一起共同探究盖层性质对川东褶皱带的控制作用。腻子粉层厚度略大于石英砂层以抵消二者黏度差异。腻子粉层具体厚度由实验现象标定。模型Ⅳ在基底和模型Ⅲ盖层之间均匀覆盖了厚度为0.2cm的凡士林代表滑脱层，与模型Ⅲ对比考察滑脱层对川东褶皱带的控制作用。模型Ⅴ在模型Ⅳ的基础上，只对其施加北西—南东方向的水平挤压应力，不对模型进行旋转，观察其在只受挤压应力条件下出现的构造变形现象。模型Ⅵ在模型Ⅳ的基础上，只将旋转台以0.3~0.4r/min的速度匀速旋转，不施加北西—南东方向的水平挤压应力，观察在只有旋转存在的条件下出现的构造变形现象。模型Ⅳ、模型Ⅴ与模型Ⅵ共同对比，考察在单一挤压应力、单一旋转应力和旋转应力与挤压应力叠加情况下构造变形现象的不同。

干燥的石英砂变形遵循莫尔一库仑破坏准则，内摩擦角为31°左右，与上地壳地层内摩擦角大致相当，是模拟上地壳脆性变形的理想材料；腻子粉溶液是一种牛顿流体，遵循牛顿内摩擦定律，可以很好的反映变形情况，是模拟上地壳塑性变形的良好材料；凡士林是一种非牛顿流体，适合用来模拟变形强度小、流变性较弱的的泥岩滑脱层；橡皮泥可塑性良好且能较好地反映变形现象。

2 实验结果

模型Ⅰ：当旋转台转动到1/12圈、北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进0.8cm时，石英砂层开始出现零散分布的几条近直线的纵弯褶皱（图3）。保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进，当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到1.2cm时出现一系列弧形褶皱，褶皱中部较窄且不规律，局部隆起较高，两端较宽且平行（图4）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进，当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到1.8cm时，褶皱末端在旋转边界附近出现旋转拉伸的断裂现象，到此实验无法继续（图5）。

图3

图4

图5

图6

图7

图8

模型Ⅱ：当旋转台转动1/12圈、北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进0.6cm时，基底存在断裂的位置处出现三条较为明显的平行褶皱（图6）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进，当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进1.5cm时，断裂位置形成的三条褶皱进一步隆起变得更加突出，在这三条褶皱之间出现了长度较短的平行小褶皱（图7），末端产生较为明显的马尾状发散（图8）。

图9

图10

图11

图12

模型Ⅲ：当旋转台转动到1/8圈、北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进1.2cm时，挤压部位的上覆腻子盖层出现集中隆起的多条较为明显的沿旋转边界分布的褶皱，在这些褶皱两侧出现垂直于旋转方向劈理（图9）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进。当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到1.6cm时，前端出现大量与转动方向平行、角度较小的褶皱；中部挤压部位，前端的平行褶皱在连接段被明显地切断，挤压部位为几条隆起较为明显的平行褶皱，同时出现大量的共轭剪节理；末端有比较明显的发散褶皱（图10）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进。当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到2cm时，模型边缘被挤压区域隆起较高，作为基底的橡皮泥将脱离试验装置底座，实验无法继续（图11）。

图13

图14

图15

图16

图17

图18

图19

图20

模型Ⅳ：当旋转台开始转动到1/8圈、北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进1.5cm时，挤压部位的上覆腻子盖层出现较为分散的多条不太明显的北东——南西走向的褶皱，在这些褶皱两侧出现垂直于旋转方向的细小的剪切节理（图12）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进，当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到1.8cm时，前端出现大量与转动方向平行的褶皱，深度虽然不大但是平行程度非常好；在中部挤压部位，前端的平行褶皱在连接段被明显地切断，在挤压的旋转部位为几条隆起较为明显的平行褶皱；末端有比较明显的马尾状发散褶皱，展布范围较小，只在末端很小的范围内发生发散（图13）。继续保持旋转台匀速转动，水平挤压应力匀速向前推进，当北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进到2cm时，模型边缘被挤压区域隆起较高，作为基底的橡皮泥将脱离试验装置底座，实验无法继续，此时前端平行褶皱的分布范围进一步加大，褶皱末端发散现象更明显（图14）。

模型Ⅴ：北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进1cm时，挤压部位开始出现不太明显的褶皱，且褶皱相互交错（图15）。继续施加北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进，推进2cm时，被挤压部位与静止部位边界处出现许多垂直于模型边缘的褶皱，展布范围约为1.5cm（图16）。继续施加北西—南东方向水平挤压应力推动模型边缘向中心推进，推进2.5cm时边缘的上覆盖层向内侧倾覆，原来产生的褶皱部分被覆盖，模型基底的橡皮泥脱离试验装置底座，实验无法继续（图17）。

模型Ⅵ：当旋转台转动了1/16圈时出现大量细小的与旋转方向平行的拉伸线理和剪节理（图18）。继续施加顺时针的旋转应力，当转动台转动了1/8圈时，平行弯曲节理变得更加明显，褶皱末端在旋转边界向中心一侧也出现了平行节理，长度相对较短（图19）。继续施加顺时针的旋转应力，当旋转台转动1/6圈时，末端出现旋转拉伸的断裂，出现许多不太明显的与旋转方向垂直的垂直劈理（图20）。

3 讨论

3.1 实验模型对比

研究区数字高程图与各模型模拟结果对比见图21~图28。

模型Ⅰ：褶皱带中部出现较为明显的平行褶皱，但中部平行褶皱分布范围较小，与川东褶皱带中部展布较大范围的平行褶皱这一现象差距较大。褶皱带末端马尾状发散不明显。

模型Ⅱ：褶皱带中部会较早产生明显的平行褶皱，但是这些褶皱受基底断裂带控制，产生的弯曲量较小，与川东褶皱带存在些许差异。末端出现与川东褶皱带南端非常相似的马尾状发散。

模型Ⅲ：褶皱带中部的平行褶皱与川东褶皱带的实际现象比较符合，但末端马尾状发散弯曲度太大，与川东褶皱带差异较大。

模型Ⅳ：褶皱带中部的+平行褶皱、末端的马尾状发散褶皱都比较符合川东褶皱带的特征。

模型Ⅴ：只出现部分不明显的褶皱，与川东褶皱差异较大。

模型Ⅵ：出现明显平行褶皱，但是末端始终没有产生马尾状发散的褶皱，与川东褶皱存在很大差异。

3.2 川东褶皱带形成机制

由模型Ⅰ与模型Ⅲ结果对比表明，塑性盖层条件对川东褶皱带的形成更有利。

由模型Ⅰ与模型Ⅱ结果对比表明，基底存在断裂时会产生与川东褶皱带较为相似的构造样式，因此川东褶皱带的形成受到四川盆地基底平行断裂的控制。

图21：模型Ⅰ

图22：模型Ⅱ

图23：模型Ⅲ

图25研究区数字高程图

图27 模型Ⅵ

图28 研究区数字高程图

由模型Ⅲ和模型Ⅳ结果对比表明，基底与盖层之间是否存在滑脱层对构造样式形成意义重大，川东褶皱带的形成受到滑脱层的影响。

由模型Ⅳ、模型Ⅴ和模型Ⅵ结果对比表明在不同的动力条件下盆地产生的构造现象将大不相同。在单独的挤压应力条件下或是单独的旋转应力条件下都不能产生与川东褶皱带展布特征较为接近的构造现象。因此我们推断，川东褶皱带的产生需要顺时针旋转的旋转走滑应力与北西—南东挤压应力叠加。

观察模型Ⅱ、模型Ⅳ末端的马尾状发散褶皱，我们发现它们都出现在旋转与挤压重叠部位，由此推断此种褶皱是由前期旋转应力所形成的展布较大、间隔较远的平行褶皱后期随着旋转旋至旋转与挤压重叠部位部分发生集中所形成。

4 结论

通过物理模拟手段探究了盖层性质、滑脱层以及基底断裂对川东褶皱带平面形态的控制作用，以及川东褶皱带展布特征与四川盆地旋转变形的关系，取得了如下认识：

1）在物理模拟实验中，运用塑性盖层条件模拟得出的实验现象更接近于川东褶皱带实际情况，故塑型盖层更有利于川东褶皱带形成。

2）川东褶皱带的形成受到四川盆地基底平行断裂的控制。

3）川东褶皱带的刚性基底与弱盖层之间是否存在滑脱层与川东褶皱的平面展布特征密切相关。

4）川东褶皱带的平面展布特征应该是旋转应力与挤压应力共同叠加作用的结果。

5）川东褶皱带末端马尾状发散褶皱是由于前期旋转应力形成的展布较大、间隔较远的平行褶皱后期随着旋转旋至旋转与挤压重叠部位部分发生集中所形成。

6）川东褶皱带旋转-挤压模式的构造模拟为四川盆地的顺时针旋转机制提供了佐证。

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Structure Physical Modeling Research of the Southern Section of the East Sichuan Fold Belt

SU Bo ZHANG Shu-di LIU Yong

(China University of Geosciences, Wuhan, Beijing 100083)

The Sichuan basin is surrounded by a series of left-lateral strike-slip faults.The east Sichuan fold belt is composed of a series of en echelon folds, spreading into the brush to the south. This study deals with the relation between rotary deformation of the Sichuan basin and the east Sichuan fold belt by six kinds of physical simulation experiments. The experimental results show that the plastic caprock is favorable for the formation of the eastern Sichuan fold belt which was controlled by the parallel faults in the basement and closely related to the detachment structure. The horsetail divergence of the southern section of the east Sichuan fold belt has need of superimposition of be clockwise strike-slip by NW-trending stress. In addition, the structural simulation of the rotary-extrusion model of the east Sichuan fold belt provides evidence for the clockwise rotation mechanism of the Sichuan basin.

Sichuan basin; clockwise rotation; horsetail spreading fold; physical simulation

2017-04-22

苏柏（1995-），女，甘肃平凉人，本科在读，专业：石油地质

[P545]

A

1006-0995（2017）04-0552-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.005