运动速度对褶皱—冲断带的构造变形样式的影响分析——来自硅胶和石英砂组合模型的模拟启示

运动速度与构造样式之间或许存在一定的内在联系,充分认识它们之间的关系对理解自然界的构造变形演化过程具有十分重要意义。为此,笔者等结合野外露头观察,开展了脆—韧性结构条件下,不同的变形速率对褶皱—冲断带的构造样式影响的物理模拟测试分析。结果表明：(1)高应形速率形成以前冲为主的构造样式,中等应形速率形成以前冲和后冲为主的构造样式,而低应形速率则形成以纯后冲为主的构造样式。(2)构造变形样式的差异主要是物质内部的应力状态所决定的：褶皱—冲断带的根带,脆性层剪应力大于基底韧性层的剪应力,形成以前冲断裂为主的构造样式;而褶皱—冲断带的中段和前缘地区,脆性层的剪应力和基底韧性层的剪应力较为接近,形成后冲和对称性冲起构造为主。(3)构造地质体的变形速率很可能决定了其存在的物质状态。葡萄牙南部滨岸带的布丁构造和北美卡斯卡底古陆的纯后冲构造等特殊的构造样式极有可能是在差异的变形速率下形成。     

四川盆地周缘冲断带构造演化及变形差异性研究

四川盆地西缘和北缘被前陆冲断带围限,各冲断带在构造演化和变形特征上具有明显的差异。龙门山前陆冲断带主要经历了两期明显的缩短变形:印支期和新生代,龙门山南段以新生代变形为主,以中—高角度基底卷入的叠瓦构造为特点,而北段以印支期变形为主,表现为低角度基底卷入的叠瓦构造。米仓山前陆冲断带主要经历了四期逆冲变形:印支期、中侏罗世早期、晚侏罗世—早白垩世及新生代,构造变形在平面上以叠加构造为特征,剖面上以中—下三叠统为界,滑脱层以下,基底卷入型冲断构造、反冲构造及断层相关褶皱较为发育,而在该滑脱层之上冲断构造和反冲构造不发育。大巴山前陆冲断带主要经历了三期逆冲变形:印支期、中侏罗世中—晚期及新生代,构造变形具有多层次滑脱的特点。由南西向北东,构造变形由以脆性为主逐渐转变为以韧性为主。     

川西龙门山褶皱冲断带分带性变形特征

通过野外地质考察和地震资料解释,将龙门山褶皱冲断带划分为5个构造带,即青川-茂汶断裂以西为松潘-甘孜构造带,青川-茂汶断裂与北川-映秀断裂之间为韧性变形带,北川-映秀断裂与马角坝-通济场-双石断裂之间为基底卷入冲断带,马角坝-通济场-双石断裂与广元-关口-大邑断裂之间为前缘-褶皱冲断带,广元-关口-大邑断裂以东为前陆坳陷带,在构造变形特征上,各条断裂在演化上具有前展式特征,在松潘-甘孜构造带和韧性变形带构造变形强烈,形成推覆构造带等构造变形样式,在前缘-褶皱冲断带和前陆坳陷带,变形强度较弱,形成背冲断块或断层相关褶皱等构造,西北部区域的变形表现为塑性变形特征,向南东方向渐变为塑-脆性变形和脆性变形,在剖面上各条断裂所形成的深度向盆地方向逐渐递减。龙门山褶皱冲断带的分带性变形特征是由多种因素共同影响的结果,这些因素主要有板块构造背景的决定作用、多套滑脱层的控制作用和岩性因素的制约作用。     

准噶尔盆地南缘褶皱-逆冲断层带分析

讨论了与准噶尔盆地南缘褶皱-逆冲断层带有关的4个问题。(1)准噶尔盆地南缘褶皱-逆冲断层带具有纵向分带、横向分段和垂向构造分层的特征:纵向上由南至北可分为逆冲推覆构造带、基底卷入褶皱-冲断带和滑脱型褶皱-冲断带三个带;横向上,基底卷入褶皱-冲断带从西至东按横向调节带分为5个段,构造特征表现为反冲断层从不发育到向南反冲的位移逐渐增大、反冲断层所滑脱的层位亦逐渐加深;滑脱型褶皱-冲断带以红车断裂为界划分为西段和东段,西段构造运动弱,构造变形具双层结构;东段构造运动较强,发育大型冲向后陆的反向逆冲断层,构造变形多具有3层结构。(2)逆冲断层-褶皱类型按其形成机制分为基底卷入型冲断-褶皱、滑脱型冲断-褶皱以及基底卷入-滑脱混合型冲断-褶皱3大类,其中,基底卷入型冲断-褶皱的特征是褶皱作用发生在逆冲断裂之前,而滑脱型冲断-褶皱以冲断和褶皱同时或冲断层先于褶皱形成为特征。(3)本区存在横向和纵向传递带。横向调节带一般分布于基底卷入型褶皱-冲断带,主要为左旋走滑断层;纵向传递带分布于滑脱型褶皱-冲断带,以逆冲断层系斜列分布和位移纵向斜列传递为特征。(4)褶皱-冲断带形成的主控因素主要有:近南北向的水平挤压作用,上新世末—早更新世末和晚侏罗世末发生的构造变形以及古近系、下白垩统和下—中侏罗统发育的三套异常高压泥岩层相关的滑脱作用。     

准噶尔盆地南缘中段构造的平衡剖面研究

笔者以平衡剖面理论为指导,利用平衡剖面反演技术,研究了准噶尔盆地南缘中段3条代表性剖面构造的几何学、运动学与发育史。研究表明准噶尔盆地南缘中段山前冲断带构造变形强度由北到南整体表现为由弱变强,反冲断层位移逐渐增大、反冲断层所滑脱的层位亦逐渐加深。纵向上划分为基底卷入型褶皱—冲断带和滑脱型褶皱—冲断带;在横向上不同构造带之间通过相邻构造的变形样式和滑脱层位的渐变实现位移的传递、转换和互补,从而保持褶皱—逆冲断层累计缩短量沿走向有规律的渐变关系。     

塔里木盆地西南缘构造样式及其主导因素

塔里木盆地西南缘是西昆仑山前北北西—近东西向的构造变形带.具有南北3带、东西3段、上下3层的展布特点.各带、段和层以基底卷入的冲断构造和盖层滑脱的断层相关褶皱为主,包括:破冲褶皱、断层扩展褶皱、断层滑脱褶皱和断层弯曲褶皱等.通过识别地震剖面上不整合面和同构造沉积现象,认为构造变形时间在上新世—第四纪;第一排背斜带形成于...     

基于离散元数值模拟的西南天山山前冲断带构造变形控制因素研究

西南天山山前褶皱冲断带的变形与其东侧的柯坪冲断带的大规模薄皮滑脱明显不同,它以发育"堆垛"构造和基底卷入逆冲构造为特征,是什么因素控制了该冲断带的变形。本文基于地震解释剖面,采用离散元数值模拟研究手段,单因素变量控制方法,设计了先存断裂模型,滑脱层模型和先存断裂与不同内聚力的滑脱层组合模型共5组数值模拟实验,分析西南天山山前褶皱冲断带的构造变形的控制因素。实验结果表明:滑脱层岩石强度控制了其下先存断裂向上突破的难易程度,滑脱层内聚力较强时,沿先存薄弱带易突破滑脱层形成逆冲推覆构造;滑脱层内聚力较弱时,滑脱层将发育成逆冲体系的顶板断裂,阻碍滑脱层之下单元中先存断裂后期活动向上传播,易形成相互叠覆的逆冲片。弱内聚力滑脱层发育的地区,变形前锋向前陆方向传播得更快、更远,变形主要发生在滑脱层之上单元,易形成冲起构造和三角带,滑脱层之下单元构造变形相对较弱。通过对比分析,认为西南天山山前冲断带发育堆垛构造和基底卷入逆冲构造变形,主要受控于发育上白垩统-古近系的膏盐层和前新生代的先存断裂。     

桂中坳陷北部河池—宜山褶皱—冲断带分析

通过对典型实测地质剖面的综合构造解释和变形缩短量的估算,发现河池—宜山褶皱—冲断带在逆冲方向、构造样式和变形缩短强度上具有明显的分段性:河池段和宜山段变形强度中等,变形样式分别为由北向南逆冲的逆冲—推覆构造和叠瓦状构造;柳城段变形强度最大,为由南向北逆冲的叠瓦状构造;英山段变形最弱,为由北向南逆冲兼有走滑性质的正花状构造。河池—宜山褶皱—冲断带内部发育的横向调节带和纵向传递带对不同区段构造样式和变形强度具有调节作用。最后,结合区域变形特征,探讨了河池—宜山褶皱—冲断带差异变形的成因机制。     

安徽黄栗树地区流变褶皱及其构造意义

黄栗树地区位于张八岭超高压变质带东侧 ,该区变形构造可以划分为基底韧性变形带、韧脆性构造片岩带和流变褶皱带。流变褶皱构造发育于黄 (栗树 )—破 (凉亭 )断裂以东的震旦系和下古生界盖层岩系中 ,自北西向南东依次表现为翻转褶皱、平卧褶皱和倒转褶皱 ;流变褶皱与基底韧性—韧脆性变形呈渐变关系 ,并且与基底韧性—韧脆性变形具有一致的变形运动学和动力学特征 ,反映了扬子地块与华北地块碰撞造山期及折返过程的构造变形特点。     

哈拉阿拉特山地区构造特征及成因机制模拟

哈拉阿拉特山地区是准噶尔盆地西北缘山前冲断带的一部分,构造变形复杂。为研究哈山地区的构造变形过程及成因机制,在三维地震资料解释的基础上,根据构造变形样式的差异,划分为西、中、东三段。西段构造变形整体以推覆叠加为主,中段整体表现为冲断叠加的特征,东段主要表现为冲断褶皱的模式。构造变形过程主要经历了早二叠世伸展裂陷、中晚二叠世-三叠纪强烈逆冲推覆、侏罗纪-白垩纪弱挤压逆冲和新生代隆升兼走滑调整四个阶段。采用物理模拟手段对哈山地区不同区段典型剖面的构造变形过程进行了实验研究。结果表明,挤压速率和强度是决定哈山地区不同区段地层叠置程度的主要因素,塑性地层的分布控制了不同区段滑脱断层与冲断断层发育的先后顺序,而塑性地层的长度则决定了滑脱断层的规模。     

浅部滑脱层沿走向的厚度与性质差异对变形影响的物理模拟研究—对乌什和库车褶皱冲断带的启示

在褶皱冲断带的构造变形中,滑脱层是影响变形的主要控制因素之一。塔里木盆地北缘的乌什和库车褶皱冲断带的构造变形主要受到深浅两套滑脱层的控制,且浅部滑脱层沿走向存在厚度和性质差异。本文采用物理模拟研究方法,结合乌什和库车褶皱冲断带的地质背景,设计了4组实验模型,研究双滑脱层模型中浅部滑脱层沿走向的厚度与性质差异对褶皱冲断带变形的影响。实验中用微玻璃珠模拟页岩、泥岩等脆性滑脱层,用硅胶模拟盐岩、膏盐岩等韧性滑脱层。实验模型共铺设两套滑脱层,其中基底滑脱层为均匀分布的脆性滑脱层,而浅部滑脱层沿走向存在厚度和性质差异。实验结果表明:在双滑脱层模型中,浅部滑脱层沿走向的厚度与性质差异对褶皱冲断带的构造变形及楔体坡度值具有重要的控制作用。具体表现为:①当浅部滑脱层沿走向存在厚度差异时,浅部滑脱层较薄一侧的变形制约较厚一侧的变形传递,导致模型整体变形前锋的传递距离较近,且模型两侧的变形前锋的扩展范围基本一致。较薄一侧的断层发育数量明显比较厚一侧的数量多、间距小,且楔体坡度值自较薄一侧向较厚一侧逐渐减小。②当浅部滑脱层沿走向存在性质差异时,浅部脆性滑脱层一侧表现为上下一体的变形,而韧性滑脱层一侧表现为上下分层变形。在两侧浅部滑脱层厚度一致的情况下,韧性滑脱层一侧的传播速度总体快于脆性滑脱层一侧,但两者的最终传递距离趋于一致,楔体坡度值从脆性滑脱层一侧向韧性滑脱层一侧逐渐减小;当浅部脆性滑脱层的厚度减小时,随着缩短量的持续增加,模型两侧变形前锋的传递距离仍然具有趋于一致特点,且模型的楔体坡度值整体偏大,但脆性滑脱层一侧的楔体坡度值始终大于韧性滑脱层一侧。此外,模拟结果验证了在乌什和库车褶皱冲断带中,浅部滑脱层沿走向的性质差异是造成构造样式差异的主要控制因素,但并不一定是造成该冲断带变形前锋发生大规模偏转的根本原因。     

西昆仑山前冲断系的结构特征

西昆仑山前为一薄皮冲断构造系 ,按冲断系不同区段结构和变形样式的差异 ,由北而南可以将西昆仑冲断系分为以薄皮变形为主的北带和以厚皮变形为主的南带。北带进一步划分为 :帕米尔北缘弧形构造带、齐姆根构造带、柯克亚—桑株构造带和皮山—和田构造带 4个次一级构造带。其中 ,帕米尔北缘弧形构造带为显露型近东西走向展布的紧密的线性冲断褶皱带和断裂带 ;齐姆根构造带为受走滑与冲断作用复合影响的隐伏型盲冲走滑构造带 ;柯克亚—桑株构造带是以冲断作用为主的隐伏型盲冲构造带 ;皮山—和田构造带则是典型的显露型冲断推覆体。构造带的走向差异、边界条件的不同和空间上的制约是各构造带之间差异活动的原因。在每一个构造线变化的区段与邻近部位具有不同的结构 ,从而在空间上形成了较为复杂的冲断体系。     

南天山晚新生代褶皱冲断带构造特征

南天山晚新生代褶皱冲断带位于南天山南麓,是南天山陆内造山作用过程中,南天山造山楔向塔里木盆地推进的结果.褶皱冲断带的构造变形以挤压冲断构造为主,伴生有挤压走滑构造和盐相关构造.以盖层滑脱冲断为特征,伴生有基底卷入型冲断构造.褶皱冲断带的主滑脱冲断层由造山带向盆地方向逐渐抬升,而且,"厚皮"构造向造山带方向越来越发育,"薄皮"构造向盆地方向越来越发育.整个褶皱冲断带从东到西冲断作用发生的时间基本一致,起始于中新世中-晚期并一直持续到现今;冲断高峰发生于新近纪晚期-第四纪.褶皱冲断带的形成过程为前展式,由南天山向塔里木盆地推进.受地层剖面结构、沉积建造、基底起伏、所处的构造部位等因素控制,南天山褶皱冲断带的构造变形特征沿走向具有明显的分段性,从东到西划分出4个次级褶皱冲断带:库车、乌什、柯坪和喀什北褶皱冲断带.每个次级褶皱冲断带在共性的基础上,都有自己独特的构造变形特点.     

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。     

库车前陆褶皱-冲断带前缘盐构造分段差异变形特征

库车前陆褶皱-冲断带前缘秋里塔格构造带发育大量盐构造,其类型丰富多样。根据野外露头、钻井和地震资料识别出的盐构造样式主要有盐推覆、盐枕、盐墙、盐焊接、鱼尾构造、盐撤凹陷、突发构造、断层传播褶皱、断层转折褶皱和三角带构造等。秋里塔格构造带盐构造变形表现出明显的分段差异变形特征,其中西段却勒地区以古隆起(盐下)—盐枕(盐层)—逆冲推覆构造(盐上)为主;中段西秋地区以构造斜坡(盐下)—盐墙(盐层)—断层传播褶皱、向斜(盐上)为主;东段东秋地区则以断层转折褶皱(盐下)—盐推覆(盐层)—断层传播褶皱(盐上)为主。造成这种盐构造分段差异变形的主要控制因素包括基底断裂、含盐层系、构造转换带和变形空间等方面的差异性,其中基底构造和含盐层系的差异性起主导作用。     

华北板块东南缘徐淮推覆-褶皱带的物理模拟

徐淮地区发育一系列推覆-褶皱带,以皇藏峪背斜为界,区域剖面分为具有明显构造差异的东部、西部构造带,其中东部构造带样式主要表现为斜歪褶皱,西部构造带为一系列逆冲推覆构造,构造变形强烈。采用物理模拟手段对徐淮推覆-褶皱带构造的控制因素进行实验研究,选取硅胶、微玻璃珠模拟不同性质滑脱层,石英砂模拟沉积脆性盖层,改变盖层与基底摩擦力、滑脱层深度变化等控制因素。模拟结果表明,剖面上滑脱层性质及深度变化控制区域剖面构造的强弱变化。皇藏峪背斜以东主要以新元古界青白口系泥灰岩充当滑脱层,滑脱层深度大,构造样式主要表现为斜歪褶皱;皇藏峪背斜以西则以寒武系页岩为滑脱层,滑脱层深度小,构造样式主要表现为逆冲推覆构造。     

准噶尔盆地南缘中段山前复杂构造变形特征及形成演化

准噶尔盆地南缘中段紧邻北天山山前，构造变形错综复杂。山前发育的三排构造的形成时间存在许多认识上的分歧，对演化过程中褶皱和断裂的变形叠加特征缺少系统的对比分析。笔者在前人研究的基础上，利用地震资料解释、平衡剖面恢复、构造物理模拟等研究手段，结合断层滑移距、伸展压缩速率定量分析方法，对研究区的构造变形特征和叠加演化过程进行了系统的分析。研究认为：(1)南缘中段三排构造自南向北,变形强度由强变弱；第一排背斜受控于基底卷入型断裂体系，第二、三排背斜受控于顺层滑脱型断裂体系，构造之间具有形成递进的演化关系，叠加形成多种复合构造样式。(2)断层滑移距总体“由深至浅”逐渐变小，具有继承性发育的特点；主干断裂滑移距存在明显的拐点，是多期次活动的有力证据。(3)基底大型逆冲断裂是先存断裂，后期继承性发育；基底卷入型褶皱–冲断带是褶皱作用发生在逆冲断裂之前，后期表现出边断边褶特征；滑脱型褶皱–冲断带是冲断和褶皱同时或冲断先于褶皱形成。(4)第一排背斜形成于侏罗纪末期，第二排背斜在此时期形成微弱雏形，并在古近纪末期形成明显轮廓；第三排背斜形成于新近纪末期；第四纪至今的强大挤压作用使3排背斜被断裂强烈改造。     

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。     

龙门山中段推覆构造的变形特征

论述了龙门山三大推覆体和推覆面的构造变形特征，认为耿达一汶川推覆体为褶皱冲断推覆体，映秀一白水河推覆体为冲断推覆体，彭灌推覆体为冲断褶皱推覆体，并将其划分为两个次级推覆体，而相应的推覆面分别为韧性变形为主叠加后期脆性变形；脆一韧性变形以脆性为主及脆性变形的特征，其形成次序由北西向南东，即前展式扩张方式，主要活动时期为印支期和喜马拉雅期。     

帕米尔-西昆仑北麓新生代前陆褶皱冲断带构造剖面分析

依据帕米尔—西昆仑北麓新生代前陆褶皱冲断带 3条构造剖面的详细分析,发现帕米尔—西昆仑北麓除山根地带发育高角度断层外,基本上以低角度逆掩断层为主,形成与逆冲推覆构造相关的褶皱变形。乌泊尔地区表现为由山脉向塔里木盆地滑移的隐伏冲断层和上覆褶皱;苏盖特—齐姆根—甫沙地区表现为山前的三角带和向盆地扩展的两排背斜带。帕米尔—西昆仑北麓前陆褶皱冲断带的主要构造变形时间始于上新世早期(距今约 4.6Ma),断层、褶皱的变形时代由山前向盆地逐步变新,变形强度由山脉向塔里木盆地逐步减弱。帕米尔—西昆仑北麓前陆褶皱冲断带的构造缩短量为 20～70km,缩短率为 35%～50%。