基于粒子成像测速(PIV)技术的褶皱冲断带砂箱构造物理模拟研究

在前人对褶皱冲断带的研究基础上,为进一步深入分析对比滑脱层数量、强度、深度等对褶皱冲断带的制约,设计了6组砂箱模拟实验,并运用粒子成像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术的实时监测,计算出各阶段模型剖面上的速度场和涡度场,对褶皱冲断带的运动学过程和变形机制进行详细刻画和定量分析。实验结果表明,滑脱层的强度和深度均制约着褶皱断层的构造演化,滑脱层的强度越小,其上覆地层中的变形传播越远,滑脱层深度越深,对整个构造样式更具有控制作用,变形也就传播得更远。以微玻璃珠组成的滑脱层主要产生前展型逆冲叠瓦式构造,上部推覆体前缘水平位移较快;以硅胶组成的滑脱层上部形成叠瓦式构造,下部形成冲起构造,上、下两部分具有明显的分层变形特征。PIV监测结果显示,当上盘速度骤停,并且前缘涡度值骤降时,断坡形成并发展成断坪-断坡组合构造样式;下一条断层以相同方式在前缘形成,从而使褶皱冲断带向前陆方向扩展。将实验结果与龙门山南段褶皱冲断带进行了对比分析,得到了较好的印证。     

龙门山前缘关口断裂典型构造剖面的物理模拟实验及其变形主控因素研究

关口断裂位于龙门山褶皱-冲断带前缘,根据构造线走向和典型地震剖面构造变形样式可划分出北、中、南三段。北段走向为北东50°,构造变形模式总体为不整合面所限制的基底卷入式前展型逆冲叠瓦式构造组合;中段走向为北东30°,构造变形模式为双滑脱层所控制的分层滑脱断层垂向叠加组合;南段走向为北东30°,变形模式为二叠系内滑脱层所控制的箱状背冲式构造组合。构造变形过程主要经历了印支晚期、燕山期、喜马拉雅期三个阶段。物理模拟实验证实北段变形的主控因素为斜向挤压(NW300°)和须家河组四段底部发育的高黏度滑脱层;中段变形的主控因素为正向挤压和双滑脱层的垂向叠置;南段变形的主控因素为正向挤压和二叠系内部低黏度厚层滑脱层的均匀分布。利用剖面模拟实验结果估算出的关口断裂不同构造段不同时期挤压构造变形强度(缩短率)不同,总缩短率表现为中段最大(39.63%),南段次之(34.93%),北段最小(32.72%)。印支期缩短率与总缩短率特征相似,中段为28.79%,南段为19.88%,北段为14.68%,而燕山期缩短率却表现为北段最大(18.04%),南段次之(15.05%),中段最小(10.84%)。     

南大巴山前陆冲断带构造样式及变形机制分析

大巴山构造带位于秦岭造山带和四川盆地的过渡部位,形成于印支-燕山期,定型于喜山期。按照构造变形样式及其组合特征,从北东向南西可依次划分为北大巴山逆冲推覆构造带、南大巴山前陆褶皱-冲断带(又包括叠瓦断层带、断层-褶皱带和滑脱褶皱带等3个亚带)和四川盆地东北部低缓构造区等3个构造带(区)。南大巴山冲断带地表构造以类侏罗山式褶皱为显著特征,主要发育叠瓦断层系、断层相关褶皱、被动顶板双重构造、反冲断层系和冲起构造等变形样式。北东-南西向挤压应力和滑脱层是控制南大巴山及其前缘构造变形的主要因素,结合区域地质研究成果,建立了南大巴山及其前缘地区依次从震旦系-下寒武统-志留系-中下三叠统逐渐抬高的多层次滑脱前展模式。     

龙门山中段山前带构造变形历史与物理模拟

龙门山冲断构造带具有NE分带、EW分段的构造变形特征。龙门山构造带中段逆冲推覆带是以出露彭灌杂岩及其前缘发育飞来峰为典型特征,变形以倾向北西的紧闭倒转-同斜褶皱为主;推覆-滑覆带变形强烈,发育一系列叠瓦状逆冲断层及相关的褶皱,及一系列由泥盆系至下三叠统碳酸盐岩构成的飞来峰,地腹发育厚皮构造,以叠瓦冲断构造为主;而前陆坳陷变形较弱,地表主要为SE倾伏的单斜,地腹则发育断层相关褶皱。通过构造物理模拟认为:1)龙门山中段构造变形受力边界主应力与断裂走向间的锐夹角为70°;2)变形样式总体为双滑脱层所控制的分层滑脱垂向叠加构造组合;3)构造变形过程具有3个阶段,早期须家河组沉积之后产生的滑脱断层垂向叠加,中期在遂宁组沉积期间和晚期在蓬莱镇组沉积期间及其后,发生滑脱断层垂向叠加,且控制沉积。     

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带变形特征及成因机制模拟

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带发育于北天山和博格达山北侧的准噶尔盆地南部的山前地区,构造变形具有明显的横向分带、纵向分段、垂向分层特征,其主控因素在于挤压应力的作用方式和滑脱层的空间分布规律。西段受北天山斜向挤压应力作用影响,发育北西西向四排雁列式褶皱-冲断带,构造变形样式为基底卷入式厚皮构造和盖层滑脱式薄皮构造,变形过程受侏罗系煤层和白垩系、古近系高塑性泥岩层等多滑脱层控制。滑脱层及其上覆岩层厚度决定变形的强度和应力向前传递的远近程度,厚度越大,褶皱变形强度越大。东段受博格达山正向楔冲挤压应力作用影响,发育近东西向向北凸出的弧形基底卷入式褶皱-冲断带,滑脱构造不发育。根据构造变形特征和相似理论,利用沙箱模拟实验分别对正向挤压和15°、30°、45°等斜向挤压平面变形进行了模拟,结果表明正向挤压和15°斜向挤压是形成东段和西段变形特征的主控应力条件,并设计了斜向和正向挤压组合边界平面模拟实验进行了验证,合理地解释了东、西段构造变形的差异。利用双滑脱层剖面模型实验对西段四排褶皱-冲断带的演化过程进行了模拟再现。     

论内蒙古大青山地区逆冲推覆构造

大青山逆冲推覆构造发育在石拐断陷盆地南侧,由一系列规模大小不等向南倾的叠瓦状逆冲推覆断层构成,由南南西向北北东方向推覆,是单冲型逆冲推覆构造。由北向南分为前缘挤压滑脱构造带、斜歪倒转褶皱—逆冲断层带和逆冲推覆岩席及叠瓦状逆冲断层带。     

米仓山推覆构造的结构样式及演化特征

采用变形剖面和平衡剖面综合分析方法研究米仓山地区中新生代构造格局，得出该区构造样式为一大型东西向和北东向叠加的推覆滑脱构造，变形剖面总体格局为推覆—断展复式背斜，次级变形单元具叠瓦扇、逆冲岩席、断展褶皱、层滑褶皱等多种样式。推覆构造演化经历了断展隆起、逆冲推覆、逆掩滑脱和复合叠加变形阶段。     

基底收缩对挤压构造变形特征影响——来自砂箱实验的启示

进行了 4个砂箱模型的模拟实验。其中基底收缩单侧挤压剖面模型以形成后冲叠瓦式断层为特征 ,基底无收缩单侧挤压剖面模型则以发育前冲叠瓦断层为特征。基底收缩斜向双侧挤压平面模型形成两组不同走向的逆断层 ,一组为与挤压带边界基本平行的主控断层 ,另一组为与挤压方向近于垂直的雁列断层。而基底无收缩斜向双侧挤压平面模型仅形成一组与挤压带边界基本平行的逆断层。这些模型的实验结果表明 ,基底收缩对挤压构造变形特征具有重要的影响。后冲 (或向陆冲向 )叠瓦式这种较为罕见挤压构造、以及与挤压方向近垂直的雁列断层的形成与基底的收缩作用有关。对于类似于焉耆盆地这种通常认为是压剪形成的挤压构造组合 ,笔者认为用“基底收缩条件下的斜向挤压作用”可更加贴切地加以解释。     

东秋里塔格构造带构造特征及油气勘探区带

东秋里塔格构造带是塔里木盆地库车坳陷的前缘构造带,整体表现为受新近系吉迪克组膏盐岩滑脱层控制的分层变形构造特征。盐上构造层主要发育断层相关褶皱,盐岩层以塑性流动变形为主,盐下构造层发育断层相关褶皱、冲起构造、逆冲断块等多种构造样式。依据盐下构造层变形特征,自西向东将东秋里塔格构造带划分为过渡构造段、叠瓦扇构造段、前端冲起构造段以及后端冲起构造段四段。过渡构造段内膏盐岩层发育层位由库姆格列木群转变为吉迪克组,盐下发育叠瓦扇构造;叠瓦扇构造段盐下发育典型的逆冲叠瓦构造样式;前端冲起构造段盐下发育断弯褶皱背斜,并在反冲断层的复合作用下发生冲起,主逆冲断层之下发育次级逆冲夹片;后端冲起构造段盐下发育断弯褶皱,并在背斜北翼发育一个独立的冲起构造。东秋里塔格构造带具备有利生储条件,构造分析表明过渡构造段、叠瓦扇构造段以及前端冲起构造段的盐下次级逆冲夹片具备勘探潜力,是有利的油气勘探区带。     

云浮-罗定地区推覆构造特征

最新区调成果表明，云浮－罗定地区震旦－石炭纪地层是被多条断层分割的块体，在剖面上它们层层叠置，在平面上沿一定方向延伸，构成了海西－印支期的自NW往SE方向逆冲的推覆构造体系，其间有构造窗、飞来峰。原地系统由石炭纪地层组成，外来系统为震旦纪、泥盆－石炭纪变质地层。初步论证了其形成时间、推覆方向、推覆体厚度、推覆平距。它的形成可能与钦州海槽关闭有关，属后展型叠瓦式逆冲推覆构造。     

Structural style and deformation mechanism of the southern Dabashan foreland fold-and-thrust belt, central China

The Daba Mountains define the southern margin of the East Qinling orogenic belt, and form the boundary of the Sichuan basin in the north and northeast. The Daba Mountains can be divided into two structural belts by the NW-striking Chengkou fault, namely the northern Dabashan thrust-nappe belt and the southern Dabashan foreland fold-and-thrust belt. The southern Dabashan fold-and-thrust belt is a southwestward extruding thin-skinned thrust wedge, showing obvious belted change in deformation style and deformation intensity along the dip direction, and can be divided further into three sub-belts, i.e. the imbricate thrust sub-belt characterized by imbricate stepped-thrust sheets, the thrust-fold sub-belt characterized by the combination of the equally-developed thrusts and related folds, and the detachment-fold sub-belt characterized by box folds and closed overturned-isoclinal folds on the outcrops. Several kinds of structures have been recognized or inferred, including imbricate thrust system, passive-roof duplex (triangle zone), fault-related folds, back-thrust system and pop-up structure. The NE-SW compressive stress from the Qinling orogenic belt and detachment layers in the covering strata are the two most important determinants of deformation style. After the collision between the North China block and Yangtze block at the end of the Middle Triassic, the northward intracontinental subduction along the southern edge of the Qinling orogenic belt was initiated, which led to the corresponding southward thrusting in the upper crust. The thrusting propagated towards the foreland through the Jurassic and extended to the southernmost part of the southern Daba Mountains around the end of the Early Cretaceous, with thrusting deformation to be preferentially developed along major detachment layers and progressing upwards from the Lower Sinian through the Lower Cambrian and Silurian to Middle-Lower Triassic. Translated from Geotectonica et Metallogenia, 2006, 30(3): 294–304 [译自: 大地构造与成矿学]     

不同变形速率下前陆褶皱冲断带的发育特征——基于砂箱物理模拟实验研究

构造模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象、变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法。本文基于砂箱构造物理模型高、中、低速7组不同单向挤压速度的构造模拟实验,揭示不同变形速率下砂箱物质变形的几何学、运动学及其演化特征,探讨不同变形速度(尤其是不同量级速度)对前陆褶皱冲断构造变形的重要性。高速单向挤压变形过程中(0.4~0.1mm/s),砂箱模型中石英砂体后缘构造加积强烈,砂体变形主要以楔形体向前扩展变形为主,其构造样式主要表现为前展式叠瓦冲断构造。中速挤压变形过程中(0.05~0.005mm/s),砂体后缘加积相对较弱,构造变形样式主要为砂箱楔形体前缘先形成(前展式为主)逆冲断层,当达到临界楔形体后,反冲断层发育并与前展式逆冲断层构成冲起构造,构造样式上表现为叠瓦构造与冲起构造的无序叠加。低速挤压变形过程中(0.002mm/s),砂箱物质构造样式以典型冲起带为主。由于砂箱模拟过程的时效性,即如何在最有效时间内获得最全面而复杂的演变过程,通过本次系列实验,我们建议将此有效挤压速度设定为0.05~0.005mm/s范围内,可以先后清晰而全面的获得高速和低速挤压下砂体的变形过程和构造样式。     

Deep-crustal break-back stacking and slow exhumation of the continental footwall beneath a thrusted marginal basin, Grenville orogen, Canada

Granulite to upper amphibolite facies ductile thrusting in the Central Gneiss Belt, Grenville orogen, Ontario, represents the tectonic shortening of a continental-scale footwall beneath the thrust-emplaced Central Metasedimentary Belt, during the closure of a postulated back-arc basin (ca. 1.19-1.18 Ga). Break-back stacking in the footwall occurred at mid- to deep-crustal depths (ca. 35 km) within tectonically thickened (ca. 70 km) continental crust, and culminated with renewed thrusting at the base of the overlying Central Metasedimentary Belt (ca. 1.08-1.05 Ga).

The individual mylonite belts which constitute the ductile thrust zones, and the scale of penetrative deformation of the intervening crystalline thrust sheets, are comparable with the largest known examples of high-grade thrust belts elsewhere. They reflect the large-scale thermal and Theological boundary conditions of the deformation. Flow within individual thrust zones may reflect local boundary conditions, such as the rheological behaviour of older thrust sheets and the geometry of interfaces within the thrust stack.

Restoration of the thickness of erosionally removed crustal overburden by break-back thrusting may retard the rates of exhumation and cooling of a mid- to deep-crustal thrust stack.     

Structural style of the Marathon thrust belt, West Texas

The Marathon portion of the Ouachita thrust belt consists of a highly deformed allochthonous wedge of Cambrian-Pennsylvanian slope strata (Marathon facies) that was transported to the northwest and emplaced over Pennsylvanian foredeep sediments. The foredeep strata in turn overlie early-middle Paleozoic shelfal sediments which are deformed by late Paleozoic basement-involved reverse faults. The Dugout Creek thrust is the basal thrust of the allochthon. Shortening in this sheet and overlying sheets is 80%. Steep imbricate faults link the Dugout Creek thrust to upper level detachments forming complex duplex zones. Progressive thrusting and shortening within the allochthon folded the upper level detachments and associated thrust sheets. The Caballos Novaculite is the most competent unit within the Marathon facies and controlled development of prominent detachment folds.Deeper imbricate sheets composed of the Late Pennsylvanian foredeep strata, and possibly early-middle Paleozoic shelfal sediments developed concurrently with emplacement of the Marathon allochthon and folded the overlying allochthon. Following termination of thrusting in the earliest Permian, subsidence and deposition shifted northward to the Delaware, Midland and Val Verde foreland basins.     

米仓山、南大巴山前缘构造特征及其形成机制

在对四川盆地东北部盆山结合部地表地质和石油地球物理资料综合分析的基础上,阐述了米仓山前缘构造、南大巴山前缘构造的几何学、运动学特征;发现了二者的共性和不同,二者均以双重构造为主,通过古生代构造层的叠置,而迅速抬升出露地表,米仓山前缘以被动顶板双重构造为主,即典型的"三角带"构造,南大巴山前缘以主动顶板双重构造为其显著特征;初步分析了原因,区域滑脱层,特别是嘉陵江组-雷口坡组膏盐岩滑脱层及古生界泥页岩滑脱层,构成了顶板和底板逆冲断层,其间的台地相碳酸盐岩构成了断夹块,受米仓山早期基底隆升和侧向挤压,形成了被动顶板双重构造,南大巴山递进挤压变形,形成了主动顶板双重构造。     

北大巴山逆冲推覆构造带前缘构造特征及变形年代学研究

在北大巴山推覆构造带前缘,北—北东倾斜的城口断裂和南—南西倾斜的高桥断裂形成一背冲式逆冲推覆体系,以两断层为界,其间为一巨型冲起构造。该冲起构造因边界断裂的产状特征、活动强度沿走向的差异,而表现出明显的分段性:其北西段为双向逆冲的"正花状"结构;而南东段为反向逆冲为主的"半花状"结构。同构造低温变质绢云母40Ar-39Ar年龄显示,城口断裂在燕山期(约143.3Ma)存在一次强烈的构造活动,导致北大巴构造带进一步逆冲扩展和强烈隆升。在逆冲-推覆向前扩展过程中,受锋缘外侧阻抗的影响,沿前缘部位形成一系列反向逆冲断层,从而形成巨型冲起构造。     

河北兴隆复式叠瓦扇构造

河北省北部兴隍-平泉复向斜的西端发育了一种特殊类型的推覆构造,该推覆构造具有三重结构的特点,即由上叠瓦扇、下叠瓦扇和下伏系统组成。上叠瓦扇可以分为被分支断裂分割的太古字、长城系、蓟县系、青白口系和寒武-奥陶系5个逆冲岩席;各分支断裂上陡下缓,向下逐渐归并于F₁主逆冲断裂上。F₁断层下的石炭-二叠系也发育了一组叠瓦状逆冲断层,形成了与上叠瓦扇具有不同变形特征的下叠瓦扇。由于这一构造特殊的两套叠瓦扇结构,故笔者称其为复式叠瓦扇构造,这是一种新的推覆构造类型。     

滑塌堆积在逆冲构造中的作用——以宁夏牛首山中奥陶统米钵山组为例

宁夏中南部发育的中奥陶统米钵山组中普遍发育着滑塌堆积。综合米钵山组内滑塌堆积的沉积及后期的变形特征,我们认为滑塌堆积在逆冲变形中起着重要的作用,在逆冲构造中滑脱层的发育往往和岩性有关,滑塌堆积也是一种重要而潜在的滑脱层,不仅由于大尺度上其显著的横向不均匀性,中小尺度上其内部也表现出不均一性,因此它的存在使得应力得以在该层集中,变形因此也主要发生在该层中,从而产生滑脱层,而滑塌堆积的围岩变形则很微弱。结合宁夏中宁中南部地区强烈的逆冲推覆作用,我们认为中奥陶统中的滑塌堆积是该区逆冲推覆构造的重要滑脱层,这些滑脱层控制着该地区下古生界的变形。由于这种构造作用的叠加,先前的那些外来岩块逐渐“细粒化”,逆冲作用使得滑脱堆积中的砾石变形成为构造透镜体,这解决了该地区长期存在的有关这些砾石或透镜体是外来体还是本地的争论。我们的研究表明,在宁夏地区中奥陶统中大部分以外来体为主,但也有一定的本地岩层因构造作用成为透镜体,因此在不同地区应该仔细分析。由于牛首山地区逆冲构造比较发育,滑塌堆积转化成广义上的混杂堆积,而同样有滑塌堆积产出的贺兰山地区由于远离祁连山造山带,滑塌堆积得以保存,其中的砾石基本上没有变形。宁夏地区中奥陶统中的滑塌堆积从区域上为我们提供了一个区别滑塌堆积与混杂堆积的例子。