川东侏罗山式褶皱构造带的物理模拟研究
解国爱 贾东 吴晓俊 沈礼
南京大学地球科学与工程学院，南京，210093
摘要 川东地区发育一系列NE走向的侏罗山式褶皱构造，按照褶皱的组合形态，自东向西发育隔槽式和隔档式褶皱。本文采取沙箱物理模拟手段对川东侏罗山式褶皱形成的控制因素进行实验研究，模拟实验选取硅树脂模拟滑脱层，石英砂和微玻璃珠模拟沉积盖层，通过改变盖层与基底之间摩擦力、盖层的物性、基底形态或滑脱层的埋藏深度等因素，揭示形成川东侏罗山式构造带内部不同构造样式的控制因素。研究表明，滑脱层的埋深和盖层性质是侏罗山式褶皱形成的主要控制因素。齐岳山断裂以东地区滑脱层埋深较大，主要是下寒武统膏页岩充当滑脱层，地表构造形态表现为隔槽式褶皱，齐岳山断裂以西地区，下二叠统泥质灰岩充当滑脱层，埋深较浅，盖层表现为隔档式褶皱。微玻璃珠是模拟侏罗山式褶皱较好的实验材料，表明形成川东薄皮构造带的时候，盖层性质以塑形变形为主。
关键词：川东地区；侏罗山式褶皱；物理模拟；基底滑脱
1.引言
侏罗山式褶皱发育于沉积盖层之中，属薄皮构造，为盖层沿基底滑动的结果（John, et al.,
1978; Sommaruga, 1999)）。侏罗山式褶皱特点是基底并没有卷入变形，盖层发育的背斜和向斜的变形强度不同，背斜宽向斜窄称为隔槽式褶皱，向斜宽背斜窄称为隔档式褶皱。前人利用物理模拟手段确定薄皮褶皱－冲断带构造样式主要控制因素,包括基底摩擦系数、滑脱层性质、盖层物性、同构造沉积或构造剥蚀等（Davis et al，1983；Davis and Engelder，1985；Cotton and Koyi,2000;Nieuwland et al,2000；Konstantinovskaya et al, 2009）,然而,对于侏罗山式褶皱的控制因素研究较少,尤其是隔档式和隔槽式褶皱的形成机制和主控条件尚需深入研究。
本文选取川东地区作为研究对象，该区发育典型的侏罗山式褶皱，不同部位发育的背斜和向斜变形程度不同。以齐岳山断裂为界，断裂SE侧发育隔槽式褶皱，NW侧发育隔挡式褶皱，该区是研究侏罗山式褶皱样式的最佳场所。前人在该区做了大量的研究工作，认为滑脱层是控制该区侏罗山式褶皱的主要因素，然而，对不同类型的侏罗山式褶皱形成机制没有达成共识，也很少从定量角度加以论证。本文在综合分析前人研究成果的基础上，采取构造物理模拟手段，探索滑脱层埋深、盖层性质对侏罗山式褶皱构造样式的控制作用。
2、川东地区构造背景
川东地区地处四川盆地东部、雪峰山构造带西侧，北侧为秦岭造山带。构造带为宽约400km，长约600km，整体上呈NNE-NE向延伸、向NW凸出的宽广弧形构造带。该带发育一系列背斜带和向斜带相间的侏罗山式褶皱及相关逆冲叠瓦推覆构造，为扬子板块西部重要的板内变形(Yan et al,2003)。川东构造带西侧边界为华蓥山断裂，东界为大庸断裂，齐岳山断裂将其划分为东西两个部分，齐岳山断裂是隔档式褶皱带和隔槽式褶皱带的分界断层（颜丹平等，2000；徐政语等，2004；胡召齐等，2009）（图1）。
第一作者简介：解国爱（1965－），男，博士，副教授，构造地质学专业，现主要从事构造地质和物理模拟研究，Email：njuxie@ 1
图1 川东地区构造纲要简图
上图为川东地区构造纲要平面图，下图为AB剖面图，据Yan等,2003；胡召齐等，2009；修改
研究区内滑脱层主要由页岩、膏盐层、砂页岩和粘土层等抗剪强度较低的偏塑性物质组成。自下而上主要滑脱层包括：（1）下寒武统黑色页岩，控制其下古生界隔槽式褶皱变形样式，盖层变形简单，起伏平缓，在地表构造上常表现为极宽缓的背斜，地表逆冲断层较少出露，背斜通常比向斜出露宽，向斜核部由三叠系组成，背斜核部通常出露寒武系或奥陶系；（2）志留系，巨厚泥质岩，沿其上卷入变形的地层包括志留系－中三叠统巴东组，主要形成NE－NNE向箱状褶皱，并出露于齐岳山断裂以东、恩施断裂以西，背斜和向斜大体等宽出露，背斜核部出露古生界，向斜核部主要为三叠系；（3）下二叠统栖霞组，泥质灰岩，其上覆地层为上二叠统—三叠系，主要构成川东NE－NNE向高陡背斜带，即隔档式褶皱带，出露在华蓥山断裂以东，齐岳山断裂以西区域，向斜核部及背斜两翼主要为侏罗系，背斜核部主要出露三叠系。该区受到来自雪峰山隆起的挤压，在基底之上产生滑脱变形，形成数百公里宽的滑脱褶皱。滑脱层是控制侏罗山式褶皱的主要因素（刘尚忠，1995；李本亮等，2001；李忠权等，2002；Yan et al，2003；胡召齐等，2009；颜丹平等，2008；张必龙等，2009）。
然而，对川东地区隔槽式和隔挡式褶皱的形成机制有不同的解释。李忠权等(2002)认为 2 早期拉张形成与正断层有关的隔槽式褶皱，晚期受挤压反转形成隔档式褶皱。刘尚忠(1995)认为隔档式、城跺式和隔槽式褶皱是在统一的薄皮构造中呈上下叠置关系，川东构造带西段后期遭受抬升剥蚀，而出露隔档式褶皱，东段剥蚀作用较弱，呈现隔槽式褶皱。颜丹平等(200O)通过构造变形分析认为，早期先形成隔档式褶皱，随着挤压推覆进行，由隔档式褶皱发展形成城跺式褶皱、最终演化成隔槽式褶皱，即前端为隔档式褶皱，中间为城跺式褶皱，后端为隔槽式褶皱。张必龙等（2009）采用数值模拟的研究方法，认为东带层间能干性差异小，出现隔槽式褶皱，西带能干层差异大，浅部出现隔档式褶皱，深部推测为隔槽式褶皱。
3、实验材料及相似条件
干燥的石英砂变形遵循莫尔-库仑破坏准则，内摩擦角为31o左右，与上地壳地层的内摩擦角大致相当（McClay，1990），石英砂颗粒直径为200-300μm，密度为1300kg/m3，人工染色的石英砂基本不改变其物性，铺设成1mm左右的薄层插入模型中，作为标志层便于观察和测量构造变形过程。由于石英砂具有较低的粘聚力，是模拟上地壳脆性变形的理想材料（Hubbert，1937；Davis et al，1983；Dahlen，1984）。
硅树脂常常被用来模拟上地壳塑性变形（Weijermars，1986），硅树脂在低应变速率情况下具有牛顿流体性质，测得室温下本实验采用的硅树脂粘度为1.2×104Pa.S，密度为0.926g/cm3，铺设3mm厚在基底之上，模拟基底之上的滑脱层，在变形过程中起滑脱作用。
薄层微玻璃珠通常用来模拟弱的滑脱层（Konstantinovskaya et al.，2009），表面光滑球状微玻璃珠粘聚力几乎为零，内摩擦角约为25o（Donatella Massoli,et al，2006）。本实验采用玻璃珠模拟铺设在硅胶层之上，与硅胶层比较其强度相对较小，二者在同一应力场作用下，硅胶层仍然起到滑脱层的效果，而玻璃珠则不能成为滑脱层，与滑脱层之间表现为不协调构造变形，主要形成褶皱构造样式。实验使用的玻璃珠直径为400μm左右，单层厚度大于2mm，玻璃珠层间铺设染色的石英砂薄层作为分层标志。
根据物理模拟相似原理（Hubert，1937；Ramberg，1981）,即模型的尺度与材料的选择满足相似原理的要求，物理模型与地质原型的相似因子如下：
（1）重力相似因子g*＝1，模型和地质原型都在自然界重力场中进行，二者相等；
（2）密度相似因子ρ*≈0.5，实验材料的密度约等于地层密度的一半；
（3）粘度相似因子η*≈1.2×10-15，地层的粘度约为1×1019kg/m3，硅树脂的粘度为926kg/m3；
（4）长度相似因子l*＝10-5，模型的1cm大致等于地质原型的1km。
以下两个方程可求出物理模型与地质原型之间的时间相似因子（t*）:
σ*＝ρ*g*l* (1)
η*＝σ*t* (2)
从式中得t*≈2.4×10-10，即模拟1h相当于地质时间4.8×105a。
4、模拟实验
4.1 第一组实验 3 实验装置和实验过程
本组实验设置3个模型，初始大小均为500×250×20（长×宽×高，mm），模型1底板水平，模型2和3距离固定端130mm处底板升高8mm，升高的基底呈楔形与底板连接，楔角为30o。模型1和2全部使用石英砂在为实验材料，模型3底部有一层3mm厚的硅胶滑脱层。模型的两侧为钢化玻璃，在钢化玻璃内侧面涂上一层透明润滑油，减小侧面摩擦系数，减小边界效应的影响。（图2）。
模型都是从右侧施加挤压力，推动右侧活动端向左运动，推板运动速度均为0.01mm/s，模型1和2总缩短量为240mm，缩短率为48％，模型3总缩短量为160mm，缩短率为32%。
图2 模型1、2和3实验装置示意图
实验结果
模型1
模型1的底部没有硅树脂滑脱层，盖层与底部之间摩擦力较大，受到单侧水平挤压，变形向前陆方向逐次传播，形成叠瓦状前冲断裂构造，靠近活动端则发育堆叠背形构造，不发育反冲断层（图3），该实验与前人实验结论基本一致（Liu et al，1992；Agarwal et al，2002；Noble et al. 2011）。
模型2
模型2与模型1的区别是挤压前方增加了抬升的底板，因而随着缩短率的增加，由挤压端向前缘逐个形成叠瓦状前冲断裂构造（图4），但由于前方抬升基底的影响，楔体的长度和高度均有变化。
模型3
与模型1和2比较，模型3在模型底部增加了一层3mm的硅树脂，减小了盖层与基底的摩擦力，受到右侧水平挤压，随着缩短率逐渐增加，形成一系列褶皱－冲断带（图5）。 4 当模型缩短率为4％时，盖层沿基底发生滑脱聚集形成核部，在背斜的核部发育前冲的逆冲断层F1，上部盖层形成断层相关褶皱（图5B）。随着缩短量加大，逆冲断层向上突破盖层，在褶皱前翼发育形成逆冲断层（图6C），褶皱前翼较陡，在F1断层形成了小的逆冲断层F2，F2断层仅在模型表层发育，没有向下延伸至滑脱面。将背斜及其前翼断层F1和F2为一个完整的断层相关褶皱，称之为构造单元Ⅰ（图5C、D）。
随着缩短量的增加，变形沿滑脱层向前传递，遇到升高的基底的阻挡，并向较高的基底传递滑脱，当缩短率为12%时候，在基底抬升部位形成F3逆冲断层及断层相关褶皱，构成构造单元Ш（图5D）。与第Ш构造单元发育的同时，在靠近构造单元Ⅰ的前方形成F4逆冲断层及其相关褶皱，即构造单元Ⅱ（图5E），即构造单元Ⅱ和Ш同步发育。在进一步的缩短变形过程中，构造单元Ⅱ和Ш中的断层和褶皱较长时间保持同步发展（图5F、G）。当缩短率为28%时，在构造单元Ш前陆部位形成F5及其相关褶皱，即构造单元Ⅳ（图5H、I）。
上述4个构造单元均以褶皱构造为主，在褶皱前翼部位发育逆冲断层，其构造组合形态为侏罗山式褶皱，构造组合样式与隔挡式褶皱相似。但与川东侏罗山式构造样式还是有一些差别，主要表现在褶皱前翼发育了逆冲断层，后翼地层倾角不陡，可能与盖层实验材料选择有关，石英砂主要用来模拟脆性变形，一旦受到挤压应力，容易产生断裂构造，在第二组实验中，将改变材料的性质，用玻璃珠代替石英砂模拟盖层滑脱变形。