巢湖北部褶皱构造变形特征及其构造物理模拟

刘柯，宋立军，刘学锋

（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

褶皱是岩层受力发生的弯曲变形。研究褶皱的形态、产状、分布和组合特点及其形成方式和时代，对于揭示一个地区地质构造的形成规律和发展史具有重要的理论意义和实用意义[1]。自20世纪70年代，前人便对巢湖北部地区“M”型褶皱构造展开系统的研究[2～5]。由于多期伸展与挤压作用对巢湖北部地区地层的叠加，其构造特征十分复杂。迄今为止，在形成时间、构造演化过程和在构造动力学机制方面虽大多学者都认为该区构造演化受郯庐断裂带影响，但在细节上仍存在些许分歧[6]。其中刘文灿等人认为巢湖北部在早印支期以北东—北北东向褶皱为特征，晚印支期以近南北方向挤压为主，形成北北西—东西向构造；李三忠等人认为该区域经历了印支期的三次构造运动[2]。且对于巢湖北部凤凰山褶皱变形演化过程及控制因素缺乏深入研究以及系统的概述，而此区域又是众多高校地质填图实习区，所以作者在深入研究巢湖北部构造特征及变形历史的基础上，运用相似原理，利用构造物理模拟再现了该区域的构造演化过程、动力学机制。利用物理模拟可加深对该区域构造演化过程及其形成机制的认识，从而给在此实习的学生厘清构造时空演化过程。

1 巢湖北部地区区域地质概况

巢湖北部区域位于安徽省中部巢湖市，处在扬子板块东北部下扬子坳陷，北侧与苏鲁造山带毗邻，且与郯庐断裂带交汇，属于较为稳定的大地构造单元。其与所有稳定的大陆结构一样，由基底和盖层组成。

巢湖北部地区地层发育较好，除第三系被剥蚀外，上震旦统灯影组至第四系均有不同程度的发育。青苔山地区北西部主要发育震旦—寒武系白云岩；平顶山向斜核部发育下三叠统泥晶灰岩、微晶灰岩、泥岩夹层，中三叠统角砾岩和微晶灰质白云岩。下二叠统灰岩，中二叠统硅质岩、泥岩，上二叠统硅质泥岩、灰岩及少量长石石英砂岩广泛发育于平顶山向斜核部、凤凰山向背斜翼部以及俞府大村向斜核部。平顶山向斜翼部、凤凰山背斜核部、俞府大村向斜翼部，主要发育下石炭统灰岩、白云岩、泥岩及少量褐铁矿夹层，上石炭统灰岩和少量泥岩；上泥盆统泥质粉砂岩和页岩及志留系泥岩、石英粉砂岩、粉砂岩、泥岩、石英粉砂岩等[7]。

研究区大地构造属扬子准地台下扬子台坳区,居于沿江拱断褶带北部的巢湖弯断褶束[8]。巢湖北部地区受扬子板块和华北板块的作用，产生了一系列复杂的地质构造，在平面上呈现出“两向一背”的“M”型，分别为平顶山向斜、凤凰山背斜和俞府大村向斜（图1）。该形态构造特征主要发生在中生代的印支阶段和燕山阶段。印支阶段该地区地壳不断上升成为陆地，且后期发生了显著的褶皱造山运动，形成了一系列褶皱和断裂，为下一阶段的构造奠定了基础；该区域于燕山期进入了新的演化阶段，研究区的褶皱进一步被改造，在形态上主要表现为南北向褶皱，主要是因为古太平洋板块俯冲扬子板块使郯庐断裂形成的大规模左行平移运动所致[6]。在对巢湖北部褶皱变形特征的研究中，物理模拟实验还原了该地区的构造演化过程，得出了主要认识：巢湖北部地区褶皱发育在中生代以来，主要受印支运动挤压和燕山运动的叠加改造，从而形成了现今“两向一背”的构造格局。同样，不同阶段对该区域所施加的力学机制也决定了地层构造发育活动，对地层的构造格局起着决定因素。

图1 巢湖北部地区褶皱构造简图Figure 1.Sketch of fold structures in the northern Chaohu area

2 物理模拟

构造物理模拟实验可以客观地还原地质构造形成和演化的连续过程[9]。利用相似原理，材料相似、模型相似、边界条件及受力方式、演化过程也相似，开展模拟，验证对巢北地区演化的认识。

2.1 实验材料

干燥的石英砂抗张强度几乎为0，变形特性遵循摩尔-库伦破坏准则，破裂内摩擦角为29°～31°，接近浅部沉积地层的脆性形变，是模拟沉积地层脆性岩石的理想材料[10]。橡皮泥材料的韧性很强，且具有黏塑性，在温度升高的情况下还可变为流体，在应力下易发生变形，通常用来模拟褶皱构造，尤其在剖面上的形态变化最佳，而且在平面的组合关系上也很清楚，适合模拟自然界中的塑性岩石[11]。

根据几何、时间、运动、动力和应力场相似等几种相似原理[12]，将干燥石英砂和橡皮泥以不同比例相混合，以相混合的材料对应不同硬度的岩石，模拟该地区的岩层。模拟过程中两者比例及岩层对应情况见表1。

2.2 模型设计

为探究巢北地区中生代以来褶皱变形演化的受挤压过程，实验模型采用的几何比例尺为1:50000，即模型中1cm代表自然界500m，初始模型长宽为20cm×10cm。巢北地区褶皱岩层由志留系—三叠系构成，根据岩性力学性质的不同，分为8层（表1）。

表1 实验材料及比例对照Table 1.Different percentages of materials used in the simulation test

巢北地区在构造形成的过程中，先后经历了多期次的构造运动，故在实验过程中要经历多次不同方向的挤压。为了使实验过程方便观察，利用不同颜色的橡皮泥代表不同的岩层，从而建立了该区域的三维地质模型（图2）。在模型四周放置挡板，初期固定模型左侧挡板，在右侧挡板上施以北西西方向的力，代表在印支期所受到的挤压；之后在模型的另一侧施加南北方向的力，代表在燕山期对该地层的叠加改造。

图2 构造物理模拟示意图（剖面图与平面图）Figure 2.Sketch for physical simulation of the structures(section and plan)

对于水平状态的岩层，在受到顺层的挤压应力作用下会发生褶皱弯曲，并且褶皱岩层的硬度较其周围的围岩更为强硬。于是在模拟岩层受到不同方向的挤压应力时，橡皮泥与石英砂不同比例的混合会发生不同程度的应变，从而产生的弯曲程度也有所不同。本文结合巢湖北部地区地貌特征选取最为符合的橡皮泥与石英砂混合比例，以便更好地还原巢北地区“M”型褶皱的实际形态。在实验过程中，对模型施加两次不同方向等大的挤压力，初期固定模型的左端，对该模型施以北西西方向的力，持续时间为10s，模型产生了初始的“两向一背”的构造形态，可以看出其褶皱形态已经初步形成；后对模型施以南北方向的力，持续时间20s，对该地区进行叠加改造，形成了几处断层。后期巢北地区又发生了地层剥蚀以及人为破坏，使凤凰山处和青苔山与平顶山之间的地层被剥蚀（图3），但物理模拟实验无法还原其剥蚀后的形态，仅利用不同的颜色进行标注，从而恢复现今的真实形态。

图3 模拟实验过程Figure 3.Simulation test process

3 结果分析与对比

通过对巢北地区构造演化过程的模拟，对巢北地区的形成有了新的认识。

（1）对比分析。实验根据相似性原理，以橡皮泥模拟灰岩等塑性岩石，将橡皮泥和石英砂以不同比例混合模拟弹性岩石，建立起了巢湖北部地区的构造演化模型，模拟了巢湖北部地区在形成过程中的受力情况。通过对北西西向和南北向两次受力挤压，得出了巢北地区的模型。该模型与巢北地区实际地貌一致，都为“两向一背”M型形态分布。且在模拟过程中的北西西向的力与巢北地区形成过程中所受的古太平洋板块向扬子板块俯冲所形成的郯庐断裂带左旋所形成的应力场一致，北北东向的力与华南板块和华北板块的拼合形成的挤压力相同。

（2）结果分析。通过以石英砂、橡皮泥为实验材料，对巢湖北部地区的形成过程进行简单的模拟，得出以下结论：在物理模拟实验中，石英砂更适合模拟刚性的岩石，而橡皮泥更适合模拟塑性岩石；安徽巢湖北部地区“两向一背”的M型褶皱是经过印支期北西西向的挤压和燕山期南北向的挤压所形成的。

4 结论

此次构造模拟实验根据相似性原理，用橡皮泥模拟灰岩等塑性岩石，用橡皮泥和石英砂以不同比例混合模拟弹性岩石，建立起了巢湖北部地区的构造演化模型，由此进行了巢湖北部地区在形成过程中的受力情况分析。根据此次试验主要得出以下结论：

（1）巢湖北部地区的形成主要受到两次运动的影响，分别是印支运动和燕山运动，其中印支运动的影响更大。印支运动期间，巢北地区受到北西西-南东东向的挤压作用，挤压作用的主要原因是古太平洋板块向扬子板块俯冲引起郯庐断裂带左旋，使得巢湖北部地区形成了两向一背的构造格局。

（2）燕山运动对巢北地区的构造格局影响不是很大，这个时期主要是受北北东-南西西向的挤压，该挤压是由华南板块向华北板块拼合碰撞所形成的，本次运动对巢北地区构造进行了叠加改造，形成了断层等。