底辟构造启动及其沉积建造形成机制探讨——来自物理模拟的启示

何文刚, 沈传波, 吴 磊, 李生红, 赵远雯

底辟构造启动及其沉积建造形成机制探讨——来自物理模拟的启示

何文刚1, 2, 沈传波3, 吴 磊4, 李生红1, 赵远雯1

(1. 遵义师范学院 土木工程系, 贵州 遵义 563006; 2. 里斯本大学 科学院地质系, 葡萄牙 里斯本 1749-016; 3. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074; 4. 浙江大学 地球科学学院,浙江 杭州 310058)

底辟构造因与造山带和盆地的变形演化过程以及油气资源分布关系密切而备受关注, 到目前为止, 有关底辟构造的形成环境、变形样式以及成因机制研究, 已取得了许多重要的成果和认识, 但对于盐岩或者泥岩底辟的启动及其沉积建造形成机制的模拟探讨仍然十分不足。本研究利用物理模拟技术, 建立差异的初始地貌、塑性层之上覆盖层厚度、沉积速率以及基底与侧向摩擦力差异4组基底硅胶与其上覆石英砂组合模型, 对底辟的初始启动条件及其沉积建造的形成机制进行了模拟分析和探讨。结果表明, 地貌差异是盐丘或泥丘构造产生的初始必要条件, 即在伸展、挤压环境以及由构造作用所形成的薄弱带等均有利于底辟构造的快速启动; 而在底辟沉积建造过程中, 快速的沉积加载、塑性层之上沉积层的初始厚度越大, 以及具有较大的侧向与基底摩擦力, 则会抑制早期底辟的发育; 而缓慢的沉积作用、塑性层之上初始沉积层厚度越薄以及减小侧向与基底摩擦力, 则会促进早期底辟的生长。同时在底辟沉积建造的中后期, 随着沉积速率的加载, 底辟会快速的生长变形。综合模拟结果和实际的底辟沉积建造过程表明, 底辟沉积建造是地貌、沉积速率、地层温度、地层压力和底辟塑性流体埋深等综合作用的结果, 正如北海盆地盐底辟和安达曼海弧后盆地泥底辟的沉积建造过程, 在形成机制上与模拟结果具有较大的相似性。

底辟沉积建造; 初始地貌沉积速率; 覆盖层厚度控制; 基底与侧向摩擦力; 物理模拟

0 引 言

底辟构造因其复杂变形过程及其与油气资源的生烃、排烃、运移和聚集等关系极为密切而受到地质学家的广泛关注, 并已成为近年来研究的热点(Weijermars et al., 1993; Fuchs et al., 2011; He and Zhou, 2018; Peel et al., 2020)。不同的构造发育阶段以及不同的底辟演化时期, 会形成不同的底辟构造样式, 而且这些构造样式又与构造背景、沉积速率、地层压力、脆性层的强度、地层的组成和流变学结构等有关(Trusheim, 1960; 费琪和王燮培, 1982; Jackson and Talbot, 1991; Vendeville and Jackson, 1993; Smit et al., 2003; 王家豪等, 2006; Albertz and Beaumont, 2010; Adam and Sanchez, 2012; Nikolinakou et al., 2014)。前人研究表明, 大多数的油气藏分布于与底辟相关的构造环境中, 如挤压型构造带的扎格罗斯褶皱‒冲断带、巴基斯坦盐脊构造、塔里木盆地、被动大陆边缘的安哥拉、墨西哥湾盆地、台西南盆地、北海盆地、南海以及安达曼海弧后盆地等构造环境中均发现了大量底辟构造及其伴生的油气藏和含油气构造(Podladchikov et al., 1993; Poliakov and Podladchikov, 1993; Weijermars et al., 1993; 何文刚等, 2011; Wu et al., 2014; 图1)。因此, 底辟构造研究, 可以有效揭示复杂的构造变形样式, 进而指导油气资源勘探等具有重要的意义。

(a) 墨西哥湾东北部的盐岩构造(据Albertz and Beaumont, 2010); (b) 尼日尔三角洲的泥底辟构造(据Albertz and Beaumont, 2010); (c) 莺歌海盆地泥底辟(据何家雄等, 2006); (d) 台湾西南部泥火山(据Chen et al., 2014)。

有关底辟构造的研究, 已具有近百年的历史。在早期的研究中, 前人对盐底辟的形成及其演化进行了分析探讨, 普遍认为底辟有4种成因机制:沉积建造(downbuilding)、构造抬升建造(upbuilding)、重力扩展(gravity spreading)和区域性的挤压(region shortening)(Weijermars et al., 1993)。在这些成因机制研究中, 尤其是关于盐或泥底辟构造的沉积建造, 前人研究认为其形成与深部塑性层抬升时所需克服的摩擦力和沉积物自身重力等因素有关(Barton, 1933;Jackson and Talbot, 1992; Weijermars et al., 1993; 图2)。近年来, 研究者对底辟构造的沉积建造开展了大量的数值模拟和物理模拟研究工作(Fuchs et al., 2011; Peel et al., 2020; Yu et al., 2021; Santolaria et al., 2021),表明底辟的沉积建造与沉积速率、韧性层的黏度和沉积地层的初始扰动波长等有关。但是关于底辟构造的启动及其沉积建造的形成机制(如底辟构造的初始几何形态、沉积层关键厚度, 沉积速率以及侧向与基底摩擦力的控制等)研究仍然不足, 有待于进一步分析和探讨。为此, 本研究利用物理模拟技术, 建立了初始地貌、塑性层之上沉积层的厚度、沉积速率, 以及基底与侧向摩擦作用等控制条件下4组基底硅胶与上覆石英砂组合模型, 对有关底辟的启动及其沉积建造的形成机制进行了分析探讨。

(a) 盐丘的幼年期阶段; (b) 盐丘生长的成熟阶段初期; (c) 盐丘生长的成熟阶段晚期; (d) 盐丘生长的老年期阶段。

1 物理模拟设计

1.1 模型设计思路

1.1.1 地貌差异模型

Barton (1933)对盐底辟的沉积建造过程构建了相应的理论模型, 虽然该模型对后来的底辟沉积建造研究产生了深远的影响, 而且在现代底辟沉积建造研究中得到了广泛的青睐(Weijermars et al., 1993; Fuchs et al., 2011; Peel et al., 2020), 然而该模型只是理论推测模型, 并不能确定盐底辟沉积建造的演化过程。而且, 造山带和盆地的构造变形中, 底辟构造的演化随着地质体的变形也具有一定的复杂性, 会经历伸展、挤压和剥蚀等过程(He et al., 2021; Santolaria et al., 2021)。为此, 本研究设计初始基底地貌差异模型1和模型2对此进行分析探讨(图3、表1)。

模型3～5的结构与模型1相似, 薄层石英砂覆盖层厚分别为2 mm、4 mm和6 mm, 沉积速率为5 mm/2 h; 模型6～7, 薄层石英砂厚度为3 mm, 沉积速率分别为2.5 mm/30 min, 5 mm/30 min; 模型8～9为侧向与基底摩擦力差异模型, 其中模型8未减小摩擦力, 模型9用硅胶减小基底和侧向摩擦力。

表1 模型基本参数表

1.1.2 沉积层厚度控制模型

众所周知, 沉积层的厚度对底辟形成具有控制作用, 但对于底辟启动的初始厚度的认识一直不清。前人研究表明, 控制底辟产生的关键厚度应是区域性地层厚度的0.25～0.5倍(Vendeville and Jackson, 1993); 也有学者研究表明, 模拟实验中韧性层的厚度下限值是4 mm, 低于该值将不利于底辟构造的产生(Santolaria et al., 2021)。尽管前人开展相关的研究工作, 但对上覆脆性层厚度差异的控制分析还是十分少见, 为此, 本研究设计了模型3、模型4和模型5三组模型对其进行探讨分析(图3、表1)。

1.1.3 沉积速率控制模型

沉积速率对沉积建造及底辟构造的形态具有明显的控制作用(Barton, 1933; Peel et al., 2020), 但是对于沉积速率与初始底辟形态之间的关系并不十分清楚, 而且在底辟生长发育过程中, 沉积速率是怎样影响底辟形态的, 相关的研究还比较少。Santolaria et al. (2021)对底辟沉积建造成因的物理模拟研究主要是讨论加积过程和后期的挤压变形, 对早期底辟的启动控制仍然缺乏相关分析。为此, 本研究设计了模型6、模型7两组模型对其进行探讨。

1.1.4 侧向与基底摩擦力控制模型

建立参考模型8和模型9, 其中参考模型8为没有减小基底和侧向的摩擦力, 而模型9则利用硅油减小基底和侧向的摩擦力, 以探讨基底和侧向的摩擦力对盐丘或底辟构造的启动影响。

1.2 模型构建及相似性

所有模型均在长585 mm、宽125 mm和高150 mm的亚克力箱体中进行。4个系列9组模型均在葡萄牙里斯本大学科学院构造物理模拟实验室完成。对每次实验加载的初始和结束时段进行拍照, 形成一系列变形演化序列图。模拟结束后洒水固结, 并对模型进行切片。考虑到每个模型结构的差异, 从初始底辟产生、生长、成熟及晚期变形等各个阶段持续的时间不一致, 因此在模拟过程中, 针对每一个模型的变形时间是单独计算。同时, 每一组模型均进行了重复性验证。

1.2.1 模型构建

模型1, 基底硅胶层厚度为20 mm, 上覆石英砂层存在厚度差异。即模型初始表面长度分别由120 mm、50 mm、240 mm、50 mm和120 mm的石英砂区带构成, 其中长度50 mm的石英砂, 其厚度为3 mm, 其余区域石英砂的厚度均为15 mm。设计的目的是形成韧性层之上差异的初始地貌特征(图3a)。在实验过程中, 间隔1 h加载5 mm的石英砂。模型2, 基底硅胶层厚度仍然为20 mm, 硅胶层之上等厚石英砂为15 mm(图3b)。在模型的一端进行挤压, 产生200 mm位移, 形成初始的地貌起伏特征, 然后经过剥蚀作用, 形成差异的地貌。在实验过程中, 间隔2 h加载5 mm的石英砂(表1)。

模型3、模型4和模型5中覆盖层石英砂厚度为15 mm, 而间隔薄层的初始石英砂的厚度则分别为2 mm、4 mm和6 mm。沉积速率均为5 mm/2 h。其目的是通过构建差异的薄弱层厚度, 探讨底辟启动的控制厚度。

模型6和模型7中覆盖层石英砂厚度为15 mm, 而间隔薄层的初始石英砂的厚度为2 mm, 沉积速率分别为2.5 mm/30 min和5 mm/30 min。其目的是探讨沉积速率对底辟沉积建造的影响。

模型8和模型9为楔形结构, 基底硅胶层的厚度为20 mm, 楔形体的上覆石英砂层厚度为30 mm, 楔形体外侧的石英砂厚度为3 mm。用硅油减小模型9的基底和侧向摩擦力, 对比寻找摩擦强度对底辟构造的影响。

1.2.2 相似性

物理模拟研究表明, 一定粒径大小的松散石英砂是模拟上地壳脆性变形较为理想的模型材料, 而一定黏度的硅胶层也是模拟地壳中泥岩、盐岩等韧性层较为理想的材料(Weijermars et al., 1993; Bonini, 2007; Graveleau et al., 2012)。石英砂和硅胶层具体参数见表2。其中石英砂粒径<0.3 mm, 密度为1.3 g/cm3, 内摩擦系数为0.65; 基底硅胶的密度为0.965, 黏度为2.0×104Pa·s。应变速率相似系数为2.5×108, 时间相似系数为4.0×10−9, 模型试验1 h相当于实际地质时间28538 a, 变形速率相似系数为2.5×103, 相当于沉积速率为1.35 cm/a(计算方法详见Weijermars and Schmeling, 1986; Bonin, 2007; Santolaria et al., 2021)。模型的具体相似性参数见表2。

表2 模型参数及相似系数(据Bonini, 2007; He et al., 2018)

2 模拟结果

2.1 初始地貌形态差异模型

模型1, 硅胶厚度20 mm, 覆盖层石英砂局部厚度为3 mm, 最厚区域为15 mm, 通过石英砂的厚度差异形成初始地貌形态(图4a)。沉积过程中, 加载速率为5 mm/h, 而且初始石英砂层的厚度和加载速率需要确保盐丘能够生长, 即随着加载的进行, 盐丘在同步生长。加载60 min后, 形成明显的盐丘(图4b); 120 min后, 仍然是形成盐丘; 但180 min后, 形成盐底辟构造(图4c、d)。后期, 随着加载的进行,底辟生长速率变得越来越快, 形成典型的盐底辟刺穿构造(图4e)。

图4 地貌起伏差异条件下底辟沉积建造模拟

模型2, 在水平等厚的硅胶层和石英砂层结构条件下, 通过挤压变形形成初始地貌形态, 而且初始形态是首先挤压缩短20 cm, 然后对缩短后的脆性层厚度剥蚀掉20 mm所形成的初始地貌特征(图4f、g)。底辟的沉积建造过程加载速率为5 mm/2 h。每加载一次石英砂, 底辟发生生长。但模型2的底辟初始生长速率比模型1的底辟初始生长速率要小。加载120 min后, 形成低幅度的盐丘; 240 min后, 盐丘的隆升幅度有所增大(图4h、i); 直到360 min后, 才形成典型的底辟构造(图4k)。

模型1的加载速率为5 mm/h, 通过4次加载, 且在洒水固结12 h后, 形成两个明显的扁平下垂底辟(图5a)。模型2的加载速率为5 mm/2 h, 仍然进行4次加载, 在洒水固结12 h后, 形成倾向前缘的底辟和扁平下垂底辟(图5b)。

图5 地貌起伏差异条件下底辟沉积建造模拟结果切片对比

2.2 覆盖层厚度差异模型

模拟揭示, 初始覆盖层的厚度越大, 底辟的启动也就越慢; 而初始覆盖层厚度越薄, 盐丘也就越容易形成。模型3, 间隔薄层的初始石英砂的厚度为2 mm, 实验进行20 min后形成底辟雏形; 当实验进行2 h以后, 形成明显的盐丘, 而且盐丘的隆升幅度较大(图6a、b)。模型4, 间隔薄层初始石英砂厚度为4 mm, 实验进行60 min后形成底辟雏形; 在实验进行2 h以后, 形成中等幅度的盐丘(图6f、g)。模型5, 间隔薄层初始石英砂厚度为6 mm, 实验进行90 min后形成底辟雏形; 在实验进行2 h以后, 形成盐丘, 其隆升的幅度仍然较小(图6k、l)。三组实验显示, 间隔薄层的初始石英砂的厚度越大, 底辟启动的时间越晚, 形态差异越大, 但在沉积建造的后期, 所有底辟均呈快速生长趋势, 且随着底辟周缘静态压力的增大而呈现快速生长的趋势(图6c～e、h～j、m～o)。

图6 覆盖层厚度差异条件下的底辟沉积建造模拟

在沉积建造过程中, 这三组模型加载速率均为5 mm/2 h, 连续4次(模型3和模型4)和5次(模型5)加载之后, 对模拟结果进行洒水固结12 h。切片显示分别形成柱形底辟(图7a、b)和倒立型红酒杯底辟(图7c)。这三组模拟结果均显示, 在切片过程中, 底辟的顶部发生塌陷。

图7 塑性层之上覆盖层薄弱带厚度差异控制下的底辟沉积建造模拟结果切片对比

2.3 沉积速率差异控制模型

沉积速率模拟结果显示, 在盐岩或塑性泥岩沉积建造的早期, 沉积速率越大, 盐丘或者泥丘的隆起就越困难, 而且形成的盐丘或泥丘幅度越小(图8a、b、m、n)。但是在底辟发育的中后期, 随着沉积速率的不断增大, 底辟的生长速率也就越大(图8c～l、o～s)。

图8 沉积速率控制下的底辟沉积建造模拟

模型6, 每30 min加载一次石英砂, 每次加载的石英砂厚度为2.5 mm。底辟变形的早期, 即大约60 min后, 形成低幅度的丘状隆起。后续随着石英砂的不断加载, 盐丘逐渐演化为盐底辟(图8a～l)。

模型7的演化过程与模型6基本相似, 加载速率为5 mm/30 min, 因此盐丘发育的初期, 持续的时间要更长, 大约在90 min才见明显的盐丘构造。但是在底辟成熟发育阶段, 随着高沉积速率的加载, 盐丘隆升的幅度变得十分明显(图8m～s)。切片显示, 低沉积速率形成喇叭状的底辟样式, 而高沉积速率则形成倒立型红酒杯样式(图9)。

图9 沉积速率控制下的底辟沉积建造模拟结果切片对比

2.4 基底与侧向摩擦力影响模型

基底和侧向摩擦力会明显影响盐丘启动的时间。模型8为没有减小基底和侧向摩擦力, 模拟开始150 h后仍未见明显的盐丘形成; 而模型9应用硅油减小基底和侧向摩擦力, 最快在20 min以内形成盐丘, 而且在6 h形成明显的底辟构造, 显示侧向和基底摩擦力在盐丘启动过程中具有十分重要的影响(图10)。当然, 底辟形成还可能与流体的黏度、温度和地层压力等有关, 其不在本研究的讨论范围内, 有待后续进一步深入研究和探讨。

图10 侧向和基底摩擦力对模拟结果影响测试实验

3 讨 论

3.1 底辟启动的关键控制因素

3.1.1 初始地貌

底辟构造的初始启动, 需要有差异的初始地貌, 这包括韧性层之上的薄弱带、挤压或伸展作用下形成的断层薄弱带等(图4)。如果没有初始地貌差异, 很难启动盐底辟或泥底辟, 同时也就难以形成各种类型的底辟样式。本次研究的这一认识在Vendeville and Jackson (1993)底辟成因机制研究中也有相似的论述; 而且Barton (1933)在盐底辟形成机制研究也清晰揭示, 在盐丘形成的早期, 地貌起伏不一, 即具有初始的沉积厚度差异; Weijermars et al. (1993)对盐岩区域的流变学和构造特征分析研究时也认为, 底辟的形成主要受沉积建造、活动性刺穿、重力扩展和区域挤压作用等影响, 而这些因素都是形成底辟构造初始地貌差异的有利条件; Peel et al. (2020)和Santolaria et al. (2021)数值模拟和物理模拟研究的出发点, 也是以底辟构造启动阶段具有明显的地貌差异为前提。因此, 地貌差异有利于深部塑性盐岩隆起和刺穿上覆地层, 这也是盐岩底辟及盐岩沉积建造中形成各类底辟构造的前提。

3.1.2 塑性层之上覆盖层的厚度影响

初始覆盖层的沉积厚度是影响盐底辟启动快慢, 以及能否形成底辟构造的一个十分重要的控制因素。物理模拟结果显示, 较薄的覆盖层对早期盐丘形成及隆起具有重要促进作用, 同时盐岩之上覆盖层薄弱带的初始厚度是影响盐丘数量和后期盐底辟构造样式形成的又一重要控制因素。即覆盖层越薄, 形成的盐丘波长越小, 数量越多, 且盐丘启动越容易; 而覆盖层越厚, 形成盐丘的波长就越大, 盐丘启动也就越困难(图6)。当然, 这可能与模型中盐岩层的厚度有一定的关系。对此前人也进行过研究(Peel et al., 2020; Santolaria et al., 2021), 如Santolaria et al. (2021)对盐沉积建造分析表明, 盐岩层的厚度<4 mm时, 不利于盐底辟沉积建造的形成, 盐岩厚度分布在8～12 mm之间, 盐丘周缘的向斜厚度也会随着盐岩层的厚度增加而发生线性增加, 底辟构造变得十分清晰。

3.1.3 沉积速率对沉积建造的控制

在盐丘或泥底辟发育的早期, 低沉积速率有利于底辟沉积建造的启动; 而在底辟发育的成熟阶段, 快速的沉积速率有利底辟快速生长, 但过快的沉积速率将导致底辟停止发育或生长发育减慢(图8)。本模拟研究结果与Santolaria et al. (2021)对挤压变形过程中的沉积建造模拟研究观点具有较大的相似性, 即快速的沉积作用会抑制早期底辟的发育。

3.1.4 侧向与基底摩擦力对盐丘或泥底辟启动的影响

侧向和基底摩擦力对盐丘或泥底辟启动过程具有十分重要的影响。侧向和基底摩擦力越小, 越有利塑性流体在地层中流动, 以克服局部的压力而形成盐丘、盐岩刺穿构造和泥底辟; 而大的基底和侧向摩擦力则不利于底辟沉积建造的形成(图10)。即在低的基底和侧向摩擦作用下, 盐岩或泥岩在自身重力或者其他外来驱动力的作用下, 其母岩物质比较容易克服上覆沉积层的内摩擦力而形成盐丘、刺穿构造和泥底辟; 而在高的基底和侧向摩擦力作用条件下, 盐丘、刺穿构造和泥底辟的阻力增大, 在一定的流动压力下很难形成底辟和刺穿构造。虽然本研究发现基底和侧向摩擦力对底辟的产生具有重要的影响, 但仍然属于半定量的分析, 还有待于更深入的研究。

3.2 沉积建造的形成机制分析

底辟沉积建造模拟结果揭示, 模型6的底辟启动时间最快, 而模型8的底辟启动时间最慢(图11a), 表明沉积速率和摩擦强度对底辟的影响最为显著。软弱层之上覆盖层的薄弱带厚度分布差异模拟表明, 初始沉积厚度越薄, 越有利于形成大直径的柱状底辟核(图11b), 而且形成的底辟规模也越大。究其原因, 推测是由于在底辟发育的早期, 基底塑性底辟物质快速向上运动和扩展所致。基底和侧向摩擦力增大, 影响了底辟构造的生长和发育; 减小基底和侧向摩擦力, 则促进底辟构造的生长(图11c)。从底辟沉积建造物理模拟可以看出, 初始地貌差异、低沉积速率、覆盖层中薄弱带的厚度小, 以及较小的基底与侧向摩擦力促进了底辟沉积建造的形成。

(a) 底辟初始启动时间; (b) 软弱性之上覆盖层薄弱带的初始厚度与底辟核直径之间的分布特征; (c) 薄弱带的初始剪应力及中后期底辟变形特征。覆盖层剪应力公式: τ=c0+μσn, 其中τ为剪应力, c0为内聚力(≈80 Pa), μ为内摩擦系数(≈0.6), σn为正应力(公式参照Bonin, 2007, He et al., 2020)。

在实际构造作用中, 底辟的沉积建造过程是在外动力地质作用下, 通过剥蚀作用, 搬运到沉积盆地中。在沉积作用过程中, 随着地层埋深的增加, 地层压力不断增大, 地层温度也逐渐升高, 导致地层中塑性盐岩或者泥岩的流动。在初始阶段, 由于盐岩或泥岩上覆沉积层的差异压实或者在伸展和挤压作用下, 导致盐岩或泥岩沿着薄弱带上升形成底辟(Barton, 1933; Weijermars et al., 1993)。结合前人工作和本研究模拟实验, 我们建立了底辟沉积建造的模式(图12), 揭示底辟沉积建造与塑性盐岩或泥岩层的埋深、地层温度和压力等因素有关。研究还发现, 只有时间和空间的有机匹配, 方能形成底辟沉积建造。在盐岩或泥岩的早期阶段, 塑性层的上覆没有薄弱带或者沉积速率和沉积量不能满足盐丘或泥丘快速生长和同步生长, 是几乎不能形成沉积建造的。因此, 盐丘或泥岩低幅度隆起的形成是底辟构造及其变形样式形成的先决条件。

图12 盐底辟的沉积建造形成机制模式图

3.3 模拟结果与实例对比

为了对模拟结果进行验证, 本研究以北海盆地盐岩底辟沉积建造和安达曼海弧后盆地马达班湾地区泥岩底辟沉积建造为例, 进行探讨。

北海盆地盐岩的沉积时代为二叠纪, 在其沉积中心, 盐岩层厚度达1000 m。中生代, 该地区发生裂陷作用。在中生代的变形过程中, 北海盆地的中部和南部分别形成了一系列边缘断裂(Stewart, 2007); 新生代发生反转变形。因此早期的裂陷作用为盐丘启动提供了有利条件, 而且底辟发育的晚期还形成了顶部塌陷及其伴生断裂特征。本次模拟结果切片显示, 在底辟构造的成熟期, 由于塑性物质的迁移, 会在其顶部形成塌陷和断裂(图9)。从底辟沉积建造的形成条件判断, 北海构造带仍然具备软弱层盐岩之上的伸展变形, 形成差异的地貌条件, 有利于盐岩丘状构造的产生, 而且后期沉积建造和裂陷作用, 加速了底辟构造的形成。尽管对于该地区的盐岩底辟构造的形成也存在其他观点(Jackson, 1995), 但通过本次模拟实验, 我们更倾向认为北海盆地盐底辟构造应是盐岩沉积建造所形成, 与Rowan et al. (2003)、Stewart (2007)的研究结果较吻合, 即盐岩底辟沉积建造促进了该地区底辟样式的发育(图13)。

图13 北海盆地盐底辟沉积建造特征(原始数据来自Stewart, 2007)

安达曼海弧后马达班湾地区地震剖面和钻井资料揭示, 安达曼海弧后地区的地层分别为前中新统、中新统、上新统和更新统, 而且现今地震勘探及海洋地质调查表明, 该地区发育大量的底辟构造(何文刚等, 2011; 图14)。尽管何文刚等(2011)通过地震剖面对有关底辟构造进行了成因解释, 但仍然属推测, 缺乏机理性的实验探讨。前期勘探资料表明, 该区的构造演化经历了早中新世‒晚中新世的伸展作用、中新世‒上新世的裂陷作用和上新世以来的沉作用等三个典型的变形阶段(Khan and Chakraborty, 2005; Morley, 2012, 2013; He and Zhou, 2018), 且安达曼海弧后伸展速率在变形早期、中期和晚期分别为2.0 cm/a、3.8 cm/a和2.0 cm/a, 平均伸展速率为3.0～3.8 cm/a, 呈现出早期和晚期沉积速率较小, 而中期沉积速率比较大的特点。同时该地区在裂陷后的沉积速率具有由慢到快的变化特点, 初始沉积阶段为0.65 mm/a, 到了沉积作用的中后期, 沉积速率则增大到1.87 mm/a(Rangin et al., 2013; Morley and Alvey, 2015)。综上, 安达曼海弧后马达班湾地区早期缓慢伸展以及裂陷作用为底辟构造的启动奠定了有利条件; 同时, 晚期从该区东部的掸邦高原和北部的伊洛瓦底江搬运过来的物源, 在马达班湾地区形成厚度约8 km沉积物, 且早期的慢速沉积作用对底辟的启动和沉积建造具有重要的促进作用(Morley and Alvey, 2015), 加之弧后地区具有实皆走滑断裂诱导作用等(何文刚等, 2011), 为马达班湾地区形成底辟沉积建造创造了良好地质条件。

(a) 底辟沉积建造分布平面图; (b)和(c) 底辟构造的剖面结构特征(原始数据来自何文刚, 2011)。

4 结 论

本文通过物理模拟手段对底辟沉积建造的启动及其形成机制进行了探讨, 得出如下结论:

(1) 地貌差异有利于各类底辟的形成, 软弱层之上覆盖层的沉积厚度变化、隆升与下降的幅度差等形成的非均一性地貌结构为底辟沉积建造启动提供了有利条件。

(2) 沉积速率是控制底辟沉积建造发育的重要因素, 快速的沉积加载抑制早期底辟的发育, 缓慢的沉积速率影响底辟的生长周期, 而在底辟沉积建造的晚期, 底辟核周缘的快速沉积有利底辟样式的快速生长。

(3) 初始覆盖层的厚度越大, 对底辟的发育具有一定的抑制作用; 而初始覆盖层的厚度越薄, 则越有利于底辟的启动。因此, 底辟沉积建造的形成在时空上具有一定的耦合性, 即在一定的地层温度和地层压力条件下, 只有在适当的沉积速率和合适的覆盖层厚度控制下, 才能确保底辟沉积建造的形成。

(4) 底辟沉积建造是地貌、沉积速率、地层温度、地层压力和底辟塑性流体埋深等综合作用的结果, 在伸展型和挤压型大陆边缘, 以及弧后盆地伸展区, 这些位置均有利底辟沉积建造的发育。

(5) 北海盆地伸展变形和断裂体系的发育, 为该区早期底辟启动及后期沉积建造提供了有利的地质条件, 而且底辟沉积建造特征在地震剖面上较为典型; 安达曼海弧后伸展区域和伊洛瓦底江物源输入产生的沉积速率等为该区底辟的形成提供了重要的先足条件。

尽管本模拟研究没有考虑流体和温度等参数对底辟沉积建造的影响, 但本研究从构建初始地貌差异出发, 通过沉积速率、沉积层的厚度和基底与侧向摩擦条件影响等探讨底辟沉积建造及其演化过程, 对底辟沉积建造的启动、以及其形成机制的理解仍然具有十分重要的指示意义。

致谢:本研究是在里斯本大学Fernando、Filip、Joao 3位教授的帮助下完成的。Fernando教授提出了沉积建造研究的重要性、思路和相关分析方法; Filip和Joao两位教授提出了可能的沉积建造形成的理论模式。中国石油大学(北京)余一欣副教授和另外一位匿名审稿专家提出了非常宝贵的修改意见和建议, 向他们的辛勤付出表示最衷心的感谢。

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Diapiric Initiation and Formation Mechanism — Insights from Analogue Modelling

HE Wengang1, 2, SHEN Chuanbo3, WU Lei4, LI Shenghong1, ZHAO Yuanwen1

(1. College of Engineering and Technology, Zunyi Normal University, Zunyi 563006, Guizhou, China; 2. Instituto Dom Luiz, Faculdde de Ciencias, University de Lisboa, Lisboa 1749-016, Portugal; 3. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of the Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 4. School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China)

Diapir structure has received considerable attention and extensively studied because it is closely related to the deformation and evolution process of orogeny, as well as the distribution of oil and gas resources. Many significant achievements and understandings on the formation environment, deformation styles, and deformation mechanism of diapir structures have been obtained thus far. However, there have been very few studies on the formation mechanism of salt or mud diapir initiation and its downbuilding. To better understand the starting mechanism of diapir structure and downbuilding, nine groups of four series models with sand and silicone layers were designed using initial geomorphology, the thickness of the covering layer above the ductile layer, sedimentary rate, and basal and lateral friction. According to the findings, the difference in geomorphology is the initial necessary condition for forming a salt- or mud-dome structure. The extension, compression environment, and weak zone formed by tectonic activity all contribute to the diapir structure’s rapid start. Early diapir development will be hampered by diapir downbuilding, rapid deposition loading, the initial thickness of the covering layer above the ductile layer, and significant basal and lateral friction. Slow deposition rate, thin initial thickness of the covering layer above the ductile layer, and reduced basal and lateral friction, conversely, will promote the growth of early diapirs. Simultaneously, diapirs will grow and deform rapidly with the loading of the high deposition rate in the middle and late stages of diapir downbuilding. Comprehensive analysis of the physical modeling results and natural deformation of the diapiric structure shows that diapir downbuilding results from the combined effects of geomorphology, deposition rate, formation temperature, pressure, and diapir fluid depth. Further, the formation mechanisms of salt diapir downbuilding in the North Sea Basin and mud diapir downbuilding in the Andaman back-arc basin are similar to the analogue modelling experiments herein.

downbuilding; initial geomorphology and sedimentary rate; covering thickness; basal and lateral friction; analogue modelling

10.16539/j.ddgzyckx.2023.05.008

2021-12-05;

2022-03-14

国家留学基金委博士后研究项目(CSC: 20190820019)、贵州省科技厅项目(黔科合基础-ZK[2022]一般571)、黔科合支撑([2018]2778号)、黔教合项目(KY[2022]014号)和遵义师范学院大创项目(S202210664030)联合资助。

何文刚(1982–), 男, 副教授, 主要从事造山带和盆地构造物理模拟分析及相关教学工作。E-mail: hewengang123@aliyun.com

P554

A

1001-1552(2023)05-1069-016