褶皱冲断带构造砂箱物理模型研究进展

地壳浅层次褶皱冲断带普遍受控于具耦合互馈特性的多种机制或边界条件,从而具有长期的构造演化过程和复杂的构造特征。自19世纪初以来,基于地质构造过程自相似性和"无理有效性"的砂箱物理模型,为解译褶皱冲断带的演化过程及其动力学机制等提供了独立有效的手段。本文主要基于国内外地壳浅表褶皱冲断带构造变形过程为研究对象的构造砂箱物理模型研究结果与进展进行综述性报道,以期为同行提供参考与借鉴。基于与地壳浅表地层具相似流变学特性的砂箱物理模拟研究,揭示出地壳浅层次构造变形过程普遍自相似性生长过程,符合库伦临界楔理论。褶皱冲断带挤压变形过程中,基底特性(基底几何学、有效摩擦角、基底耦合性和流体超压)、变形物质特性(空间几何学、能干层、流变学和非均一性)、动力学机制(砂箱几何边界、汇聚速率和汇聚方向)、浅表作用(剥蚀和沉降)等对于地壳浅表构造变形过程具有明显的控制作用。构造砂箱物理模型在解译不同构造变形过程与机制的研究中发挥着越来越突出的作用。     

龙门山褶皱冲断带扩展生长过程——基于低温热年代学模型证据

基于多封闭系统低温热年代学特征的浅部地貌构造模型重建在揭示褶皱冲断带-前陆盆地系统形成演化过程中受到越来越广泛的重视与应用。青藏高原东缘龙门山地区多封闭系统低温年代学年龄总体上具有逐渐从冲断带前缘、由SE向NW至高原内部减小趋势,且走向上由NE向SW也具微弱减小趋势;龙门山褶皱冲断带热年代学年龄变化范围明显大于高原内部,揭示出盆-山过渡带新生代加强的褶皱冲断剥蚀浅表作用。基于龙门山区域低温热年代学和褶皱冲断带-前陆盆地系统稳态冲断剥蚀热模型,揭示出青藏高原东向扩展速率约为5～10 mm/a,抬升剥蚀速率为0.4～1.0 mm/a和龙门山褶皱冲断带缩短速率为0～15 mm/a,它们与现今地质学和大地测量学特征具有较好的一致性。因此,青藏高原东缘由西向东的多封闭系统热年代学年龄特征反映出新生代稳态的高原东向扩展生长过程,即龙门山褶皱冲断带冲断扩展和浅表剥蚀作用耦合过程。     

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。     

塔里木西南地区变形的构造物理模拟研究:对剥蚀与同沉积影响褶皱冲断带变形的启示

构造变形与地表过程相互影响,但前人研究主要关注构造变形如何塑造地貌,而对地表过程如何影响构造变形尚有待研究。研究区塔西南褶皱冲断带主要经历了三叠纪末和新生代两期逆冲变形过程。在这两期变形过程中,剥蚀作用和沉积作用共同对变形施加影响,形成了山前逆冲断层突破地表、盆地内断层远距离传播的现今构造样式。因此,本研究以塔西南褶皱冲断带地质模型为基础,开展剥蚀和同沉积这两个地表过程对褶皱冲断带变形影响的构造物理模拟实验研究,结合塔西南地区的实际地质条件,在双滑脱层条件下,设计了3组实验模型,包括未施加剥蚀和同沉积的参照模型A、同时施加差异剥蚀和同沉积的模型B、同时施加剥蚀夷平和同沉积的模型C。在第一期变形结束后,三组模型变形样式相似,在没有上覆沉积物的负载作用时,变形均未向盆地内部远距离传播。在第二期变形结束后,模型A山前与盆地内部构造以及地形坡角差异不大,变形前锋最远可达106 cm;模型B在山前和盆地内部的地形坡度为14°以及4°,变形前锋最远可达96 cm;模型C在山前和盆地内部的地形坡度为20°以及5°,变形前锋最远可达89 cm。实验结果表明：1)早期剥蚀作用会降低逆冲楔体的地形坡度,从...     

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。     

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...     

龙门山前陆褶皱冲断带构造解析与川西前陆盆地的发育

通过详细的野外地质调查和精细的地震剖面构造解析。揭示了龙门山前陆褶皱冲断带的基本构造特征。对比分析了龙门山北段与南段构造变形几何学和运动学的差异。提出龙门山北段主要表现为一系列复杂的逆冲推覆构造,晚三叠纪变形强于新生代;龙门山南段则以基底卷入的叠瓦状冲断为特点,晚白垩纪-早第三纪变形尤为突出。与前陆褶皱冲断带相对应的是,川西晚三叠纪时期的周缘前陆盆地主要表现在整个龙门山褶皱冲断带的前渊地区;而晚白垩纪-早第三纪再生前陆盆地却局限在川西盆地的南部,并且印-藏碰撞的持续挤压作用使得晚新生代构造变形不断向东扩展进入川西盆地南部。     

褶皱冲断带物理模拟实验研究进展

褶皱冲断带油气资源丰富,统计表明全球探明油气储量约14%分布在褶皱冲断带。自从1815年地质学家第一次以模拟实验的方式验证了褶皱形成于岩层遭受水平挤压变形的二百多年来,针对褶皱冲断带的物理模拟实验研究无疑是最卓有成效的研究领域方向之一。本文从追溯早期模拟实验先驱,到近二十年来国内外相关研究进展综述,着重分析和评述物理模拟实验研究对于前陆褶皱冲断带构造理论发展的主要贡献。强调造山带临界楔体理论以及基底滑脱层强度、流体超压和变形岩层内聚强度等对构造变形过程的控制作用。主要介绍的实验性标志成果有：(1)褶皱冲断带构造变形的生长规律;(2)褶皱冲断带的构造变形机制;(3)褶皱冲断带中构造变形的主控因素。我们的目的是提供引人入胜的物理模拟实验研究成果,吸引更多现在和未来的研究人员理解和重视物理模拟工作,借助日益进步的实验装置和技术方法,促进盆地构造研究在学科发展道路上,一步步实现从定性走向定量、从二维走向三维、从几何学和运动学走向动力学的飞跃。     

双层滑脱构造的物理模拟：对准噶尔盆地南缘褶皱冲断带的启示

为了研究双层滑脱构造变形的主控因素,设计了3类砂箱模型,对滑脱层材料、滑脱层厚度、滑脱层黏度、上覆砂层厚度、受力边界条件等主控因素进行物理模拟试验研究。试验结果表明：不同滑脱层材料产生的变形样式不同。以微玻璃珠组成的滑脱层主要产生前展型逆冲叠瓦式断裂构造,下部滑脱层起主控滑脱作用,上部滑脱层厚度、滑脱层之上砂层厚度越大越容易形成滑脱断层;挤压方向与受力边界间的夹角较大时,上部滑脱层容易先形成滑脱断层,其推覆体前缘水平位移较快。以不同黏度硅胶组成的滑脱层产生不同的分层滑脱构造变形样式,当下部滑脱层硅胶黏度为500～1 000Pa.s时,形成分层滑脱前展型叠瓦式构造;当硅胶黏度为2 000～2 500Pa.s时,靠近挤压端先形成背冲构造,然后在上部滑脱层形成叠瓦式构造,在下部滑脱层形成对冲三角带构造、冲起背斜构造。地震和钻井资料显示,准噶尔盆地南缘西段霍尔果斯—安集海褶皱冲断带具有双层滑脱变形特征;模拟结果认为,斜向受力边界、侏罗纪煤层以及古近纪泥岩层的分层滑脱作用是控制变形过程的主要因素。     

青藏高原东缘龙门山前陆逆冲带复合结构与生长

位于青藏高原东缘的北东向龙门山逆冲带,研究已经证明是中生代与新生代前陆复合扩展和生长的结果。然而,2008年5·12汶川地震地表破裂、余震和滑坡等的单向和分段迁移现象,对龙门山复合逆冲带的结构认识提出了挑战。文章在已有研究成果基础上,针对龙门山复合生长下构建的特殊结构进行了野外调查和构造解析。结果表明,以中生代与新生代两期前陆逆冲带复合生长为基础,龙门山复合逆冲带具有特殊的、主要由前陆逆冲楔叠加后形成的复合结构,而且这种复合逆冲楔具有分级和时序特征;中生代前陆逆冲楔是以逆冲断层-褶皱为特征,并分别组合形成碧口厚皮逆冲推覆体、唐王寨薄皮逆冲推覆体和龙王庙逆冲推覆体,总体从晚三叠世以前开始,至~160 Ma向南递进扩展生长;新生代前陆逆冲楔由逆冲断层和逆冲岩片组成,分为约35~10 Ma和10 Ma以来两个阶段,向南东向递进扩展生长,并可能与川西盆地东侧龙泉山构造相连通。因此,龙门山逆冲带具有前陆逆冲带和生长过程的双重复合结构。      

柴北缘早新生代旋转变形特征及其构造意义

青藏高原东北部作为高原北东向扩展的前缘地带,新生代以来变形十分强烈,是研究青藏高原隆升变形过程和生长模式的关键地区之一。然而高原东北部何时卷入印度-欧亚大陆碰撞挤压变形系统以及高原扩展的运动学、动力学过程和机制等仍存在很大争议。大陆碰撞及持续挤压过程往往会伴随块体及其内部的旋转变形,而古地磁磁偏角可以定量恢复块体绕垂直轴发生的旋转变形,在研究块体旋转变形方面具有其独特优势。高原东北部,尤其是柴达木盆地,缺乏早新生代的细致旋转变形研究,制约了我们对高原东北部地区早新生代的旋转变形特征及其对印度-欧亚大陆碰撞远程响应的理解。柴北缘地区出露有近乎连续完整的早新生代路乐河组-下干柴沟组地层,为研究青藏高原东北部早新生代旋转变形提供了理想场所。本文对柴北缘逆冲带北中部的驼南和高泉两剖面早新生代路乐河组和下干柴沟组地层开展精细古地磁旋转变形研究:包括在驼南剖面布设4个时间节点、24个采点260个古地磁岩心样品,高泉剖面布设2个时间节点、14个采点150个古地磁岩心样品。通过系统岩石磁学和热退磁实验分析,揭示两剖面早新生代样品的载磁矿物主要是赤铁矿,并含有少量磁铁矿;所获得31个有效采点的高温特征剩磁方向通过褶皱检验和倒转检验,指示可能是岩石沉积时期记录的原生剩磁方向。结合柴北缘中部红柳沟剖面已有古地磁数据,三剖面古地磁结果一致表明柴北缘地区在45~35 Ma期间发生了显著(约20°)逆时针旋转变形。结合东部陇中盆地同时期古地磁旋转变形记录,发现二者具有反向的共轭旋转变形关系。综合青藏高原东部早新生代(52~46 Ma)旋转变形和渐新世以来走滑断裂活动等证据,我们认为:(1)高原东北部的共轭旋转变形是该地区对印度-欧亚碰撞的远程响应,其时间不晚于中始新世(约45 Ma);(2)早新生代自喜马拉雅东构造结至高原东北部,其两侧系统的共轭旋转变形很可能是该时期喜马拉雅东构造结北北东向压入欧亚大陆引起的右旋和左旋剪切作用导致,且剪切应力及相关的地壳缩短和旋转变形等呈现自东构造结地区沿北北东向逐步向高原东北部传递的特征;(3)古新世—始新世时期高原构造变形可能主要通过南北向挤压-地壳增厚模式、渐新世以来主要以沿主要断裂带的侧向挤出模式来调整。     

四川汶川Ms 8.0级地震的地表变形与同震位移

四川汶川Ms 8.0级强烈地震与青藏高原东部松潘-甘孜地块东向挤出导致的龙门山活动断裂右旋斜冲运动存在动力学成因联系。沿龙门山中央北川-映秀断裂发育长度超过250km的地震变形带,由地震陡坎、地震鼓包、地震破裂、地震断层组成,形成了较大的同震位移。在震中区映秀观测到的最大同震位移为7.6m,由右旋走滑位移6.1m和垂直位移4.6m 2个分量组成;虹口地区的右旋走滑位移为2.7m,垂直位移为4.6m,右旋斜冲总位移为5.3m;北川地区的右旋走滑位移为5.7m,垂直位移为3.4m,右旋斜冲总位移为6.6m;平通地区的右旋走滑位移为3.2m,垂直位移为3.0m,右旋斜冲总位移为4.4m。龙门山前缘的汉旺-漩口断裂及龙门山后缘的茂县-汶川断裂、青川断裂也发生了显著的同震断裂活动,但同震位移小于等于1.0m。根据同震位移实测数据和构造会聚速率的GPS观测资料,估算龙门山地区8.0级地震的复发周期为1150~2950年。     

青藏高原东缘甘孜地区新生代隆升过程之磷灰石裂变径迹证据

通过青藏高原东缘甘孜地区7件砂岩磷灰石样品裂变径迹分析,取得了测试样品的表观年龄,运用模拟退火法对所有样品进行了热史模拟,获得了样品的热演化史;分析出甘孜地区在新生代古近纪以来经历了相似的构造演化过程,强构造隆升阶段分别发生在古近纪46~30 Ma间和新近记9 Ma以来,平均抬升速率和平均抬升量分别为1261 m/Ma、2634 m和388 m/Ma、1043 m;甘孜地区构造隆升具有不平衡性、阶段性、地区性差异,冷却速率、抬升速率和抬升幅度也存在偏差。     

岷江演化讨论: 来自四川宜宾地区第四纪河流沉积物的重矿物证据*

河流沉积的重矿物可以较为准确反映源区的母岩性质,进而揭示河流的演化过程。本研究以岷江下游河流阶地沉积与现代沉积的重矿物为主要研究对象,开展了古流向、重矿物组合特征、特征重矿物类型及重矿物特征指数分析。研究结果表明: 岷江下游Ⅴ级阶地至Ⅲ级阶地沉积中的重矿物以岩浆岩型重矿物为主,其物源来自龙门山构造带;现代沉积中的重矿物以变质岩型重矿物为主,其物源来自松潘—甘孜褶皱带。结合重矿物特征指数对比分析,认为造成这种重矿物类型差异的原因是青藏高原东缘阶段性隆升引起的岷江溯源侵蚀。受昆黄运动B幕影响,岷江于0.73—0.7 Ma下切至汶川附近,Ⅴ级阶地形成;受昆黄运动C幕影响,岷江于0.5—0.3 Ma强烈下切,Ⅳ级阶地形成;受共和运动影响,岷江在0.11—0.09 Ma下切至石大关,同时形成Ⅲ级阶地;此后岷江继续溯源侵蚀,在距今27 ka左右形成现代岷江。     

Discussion on evolution of Min Jiang River: Heavy mineral evidence from the Quaternary fluvial sediments in Yibin area,Sichuan Province

Heavy minerals deposited on river terraces can be used to reflect source rock properties and reveal river evolutionary processes. This study focused on the heavy minerals deposited in the lower Min Jiang River terraces and in the modern deposits. We studied paleo-current direction, characteristics of the heavy mineral assemblages, characteristic metamorphic minerals and heavy mineral characteristic indices. The results show that the lower reaches of the Min Jiang River Ⅴ- to Ⅲ-level terrace deposits consist dominantly of magmatic rock type, which mainly comes from the Longmen Shan mountain tectonic belt. The heavy minerals deposited in modern sediment come from the Songpan-Ganzi fold belt. The heavy mineral characteristic indices suggest that this change is due to headward erosion of the Min Jiang River. Affected by the phase B of the Kunhuang movement, the Min Jiang River was incised to the Wenchuan area at 0.73-0.7 Ma and the Ⅴ-level terrace formed. The Min Jiang River was strongly cut down at 0.5-0.3 Ma due to the phase C of the Kunhuang movement, and as a result the Ⅳ-level terrace formed. Influenced by Gonghe movement, the Min Jiang River was incised to the stone mark and Ⅲ-level terrace formed in 0.11-0.09 Ma. After that, the modern Min Jiang River was formed at around 27 ka.     

Neotectonics of the Eastern Margin of the Tibetan Plateau: New Geological Evidence for the Change from Early Pleistocene Transpression to Late Pleistocene-Holocene Strike-slip Faulting

We present in this paper some new evidence for the change during the Quaternary in kinematics of faults cutting the eastern margin of the Tibetan Plateau. It shows that significant shortening deformation occurred during the Early Pleistocene, evidenced by eastward thrusting of Mesozoic carbonates on the Pliocene lacustrine deposits along the Minjiang upstream fault zone and by development of the transpressional ridges of basement rocks along the Anninghe river valley. The Middle Pleistocene seems to be a relaxant stage with local development of the intra-mountain basins particularly prominent along the Minjiang Upstream and along the southern segment of the Anninghe River Valley. This relaxation may have been duo to a local collapse of the thickened crust attained during the late Neogene to early Pleistocene across this marginal zone. Fault kinematics has been changed since the late Pleistocene, and was predominated by reverse sinistral strike-slip along the Minshan Uplift, reverse dextral strike-slip on the Longmenshan fault zone and pure sinistral strike-slip on the Anninghe fault. This change in fault kinematics during the Quaternary allows a better understanding of the mechanism by which the marginal ranges of the plateau has been built through episodic activities.