周建勛

教授，中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

由于斷裂系統(tǒng)的形成大多與大變形構(gòu)造過程有關(guān)，故從小變形巖石力學實驗歸納得到的庫侖破裂準則及相關(guān)的安德森斷層模式，并非總能對其形成機制給予合理的解釋。物理模擬是一個十分有用的方法，可為我們提供一些新的啟示：許多原先認為具有復雜形成機制的斷裂系統(tǒng)，其實可以是簡單構(gòu)造變形過程的產(chǎn)物，也無需復雜的動力學機理解釋。本文通過一些伸展、擠壓和反轉(zhuǎn)這三類常見構(gòu)造的典型研究實例，以展示物理模擬實驗所能帶給我們的有關(guān)斷裂系統(tǒng)形成機制的新啟示。

1 引言

斷裂是地殼淺－表層最重要的構(gòu)造變形現(xiàn)象，與礦藏形成、巖土工程穩(wěn)定性、以及地質(zhì)災(zāi)害（如地震、滑坡）均有密切關(guān)系。于是，人們希望通過斷裂形成過程的研究，了解斷裂系統(tǒng)的形成機制與演化規(guī)律，從而提高找礦、工程建設(shè)和災(zāi)害防治效率。

然而，相對地質(zhì)過程而言，人類的生命相當短暫，對于除地震以外的絕大多數(shù)構(gòu)造變形，人們只能見其結(jié)果而無法直接觀察其全過程，從而嚴重制約了人們對斷裂形成機制與演化規(guī)律的深入認識。長期以來，有關(guān)斷裂系統(tǒng)形成機制分析，主要依據(jù)庫侖破裂準則及其相關(guān)的安德森斷層成因模式。然而，庫侖破裂準則是從小變形巖石力學實驗歸納的力學準則，但自然界中斷裂系統(tǒng)大多與大變形構(gòu)造過程有關(guān)，大、小變形問題在力學上分屬不同范疇，研究思路和方法存在明顯不同［1］。因此，庫侖破裂準則及安德森斷層成因模式并非總能對斷裂系統(tǒng)的形成機制問題給予合理的解釋。

構(gòu)造模擬是重現(xiàn)構(gòu)造形成過程的有效方法。通過模擬方法重現(xiàn)斷裂形成過程，能夠促進對斷裂系統(tǒng)形成機制、演化規(guī)律、以及相關(guān)資源與環(huán)境效應(yīng)的深入了解。構(gòu)造模擬包括數(shù)學模擬和物理模擬兩種方法。數(shù)學模擬是根據(jù)力學方程構(gòu)建數(shù)字（虛體）模型，利用專用軟件和計算機進行模擬。物理模擬是根據(jù)相似原理，用物理材料構(gòu)建實體模型進行模擬。雖然數(shù)學模擬相對物理模擬具有較大的便利性和靈活性［2－3］，由于目前對長時間低應(yīng)變速率的構(gòu)造過程中巖石流變特性還缺乏充分的了解，并且數(shù)學模擬軟件也有待于進一步完善，物理模擬至今仍是構(gòu)造模擬最為經(jīng)濟有效的方法，盡管這一方法已有近200年的研究歷史［3］，新的實驗室目前仍在不斷興建之中。

近200年來，構(gòu)造物理模擬研究涉及了幾乎所有類型的構(gòu)造過程，包括伸展、擠壓、走滑、底辟及重力滑動等，已經(jīng)為構(gòu)造過程與動力學機理研究提供了許多新的啟示和重要的科學依據(jù)。尤其是近十余年來，有關(guān)斷裂系統(tǒng)形成機制問題的物理模擬研究取得了許多重要的新進展，極大提高了對斷裂系統(tǒng)形成機制與演化規(guī)律的認識水平。筆者希望通過一些研究實例，展示構(gòu)造物理模擬所能帶來的新啟示。實例有許多，但限于篇幅，本文將在伸展、擠壓和反轉(zhuǎn)這三類最常見構(gòu)造中，選擇介紹幾個筆者認為較典型、且具良好啟示作用的實例，供讀者參考。

2 伸展斷裂系統(tǒng)

伸展斷裂系統(tǒng)主要發(fā)育于裂陷區(qū)，通常具有比較復雜的斷裂組合面貌。如果按照人們常用的庫侖破裂準則或安德森斷層成因模式進行分析，往往會得到比較復雜的構(gòu)造過程和動力學機制解釋。例如，當一個裂陷區(qū)存在兩組不同走向的正斷層時，按照安德森模式分析，正斷層走向垂直最小主應(yīng)力σ3（即伸展方向），那么兩組不同走向的正斷層應(yīng)分別與兩個不同方向的伸展作用有關(guān)，于是會得出該裂陷遭受過兩期構(gòu)造或兩種構(gòu)造作用的疊加，動力學機制解釋也會變得比較復雜［4］。

2.1 斜向伸展

物理模擬研究表明，裂陷區(qū)斷層走向不僅與伸展方向有關(guān)，同時還受裂陷邊界走向控制［5－6］。只有當裂陷邊界與伸展方向垂直（即正交伸展）情況下，裂陷區(qū)中正斷層走向才與安德森模式符合，即與伸展方向垂直（圖1a）。但當裂陷邊界與伸展方向斜交（即斜向伸展）時，則可在同一伸展過程中形成兩組不同走向的斷層系統(tǒng)，其中裂陷中部的斷層系統(tǒng)近于垂直伸展方向，而裂陷邊部斷層系統(tǒng)則與裂陷邊界近平行（圖1b，1c，1d）。由此表明，如果一個裂陷區(qū)存在多組不同走向的斷層系統(tǒng)，未必意味著該裂陷曾遭受了多期疊加的復雜構(gòu)造過程。同時，這些模型表面只有裂陷中部的斷層走向才能更加真實地反映裂陷的伸展方向。

圖1 伸展構(gòu)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ晚斆嬲掌?，箭頭代表伸展方向（據(jù)文獻［6］修改）。a正交伸展模型，顯示正斷層走向與伸展方向基本垂直；b，c，d斜向伸展模型，伸展方向與裂陷邊界傾向線的夾角分別為15°，30°和45°，顯示兩組走向明顯不同的正斷層系統(tǒng)：一組與伸展方向近垂直，另一組與邊界方向近平行

2.2 復雜邊界伸展

當裂陷邊界形態(tài)不規(guī)則時，情況會變得更加復雜，例如中國東部的渤海灣盆地。它是一個中－新生代含油氣裂陷盆地，發(fā)育多組不同走向的斷裂系統(tǒng)。盆地總體以北東向斷裂為主，但中部以近東－西向斷裂為主，同時全盆地普遍分布近東－西向雁列小斷裂和一些北西向斷裂［7－8］。盆地的總體格局與其中部的黃驊坳陷（圖2）具有十分相似的構(gòu)造特征，即所謂的構(gòu)造自相似性現(xiàn)象。由于復雜的斷裂系統(tǒng)面貌，渤海灣盆地長期被認為是多期構(gòu)造疊加或復雜構(gòu)造過程的產(chǎn)物［4，8］。

針對黃驊坳陷的物理模擬研究表明，在黃驊坳陷特定邊界形態(tài)條件下，簡單的近南－北向伸展就可形成與黃驊坳陷十分相似的斷裂系統(tǒng)（圖2）。由此表明，與黃驊坳陷具有良好構(gòu)造自相似性的渤海灣盆地，盡管具有復雜構(gòu)造面貌，但未必具有多期構(gòu)造疊加或復雜的構(gòu)造過程。渤海灣盆地很可能是簡單的南－北向伸展作用的產(chǎn)物，其復雜構(gòu)造面貌是其特殊的“懶Z”形邊界形態(tài)所致，其動力學成因只需用“板片窗效應(yīng)”就可給出簡潔合理的解釋，無需更加復雜的解釋方案［7］。

圖2 渤海灣盆地中部黃驊坳陷（大港油田勘探區(qū)）的構(gòu)造物理模擬實驗結(jié)果（據(jù)文獻［7］修改）。a實驗?zāi)Ｐ晚斆嬲掌籦實驗?zāi)Ｐ晚斆鏀嗔呀忉寛D，帶數(shù)字標注的虛線橢圓指示與c中實際相似的特征區(qū)域；c黃驊坳陷斷裂系統(tǒng)分布圖

3 逆沖斷層系統(tǒng)

逆沖斷層系統(tǒng)出現(xiàn)在板塊（或地塊）的匯聚帶，通常與褶皺伴隨構(gòu)成褶皺－沖斷帶，是地殼最為常見的構(gòu)造類型。

3.1 推土機模式

基于庫侖準則的推土機模式（又稱臨界楔形體理論，critical wedge theory）是最先被用于解釋逆沖斷層系統(tǒng)的形成過程和機制的模式［9－10］。這一模式可被物理模擬實驗重現(xiàn)（如圖3所示），可以合理解釋北美落基山脈、阿巴拉契亞山脈、以及臺灣地區(qū)等一些前沖（疊瓦式）前展褶皺－沖斷帶的形成過程。這一模式已在人們腦海里根深蒂固，并習慣地認為：大多數(shù)褶皺－沖斷帶的形成過程應(yīng)是逐步向前擴展，逆沖斷層的沖向或褶皺軸面的倒向應(yīng)與構(gòu)造擠壓方向一致。例如，對于青藏高原褶皺－沖斷帶的形成機制解釋，目前主要是基于這種思路［11－12］。

圖3 推土機模式的物理模擬實驗結(jié)果照片，顯示前沖疊瓦式構(gòu)造樣式和逐步前展方式的褶皺－沖斷楔形體，α為褶皺－沖斷楔的臨界坡角（據(jù)文獻［13］修改）

3.2 基底韌性層的作用

然而，自然界中除上述前沖前展的褶皺－沖斷帶外，還存在其它更為復雜的褶皺－沖斷帶類型，如：前后雙沖（甚至純粹后沖）和無序擴展（甚至后展）類型。這些復雜褶皺－沖斷帶的形成是難以用上述推土機模式加以合理解釋。它們通常與基底韌性層（如沉積地層中的膏鹽層，地殼深部因升溫和流體等因素導致的軟化巖層）有關(guān)?；醉g性層的存在，不僅可以降低基底拆離面剪切強度，并且自身所發(fā)生的復雜流動（如水平流動、底辟上涌等），可以影響褶皺－沖斷帶的變形擴展方式和構(gòu)造樣式。這一問題已經(jīng)成為近期褶皺－沖斷帶形成過程和動力學機制研究的重要命題，并已進行一些深入的物理模擬研究［14－17］。已有的研究表明，隨著基底韌性層粘度的下降，變形擴展方式從前展（圖3）逐漸變?yōu)闊o序（圖4a）、同步、甚至后展（圖4b），變形向前傳遞速度明顯加快（圖5），褶皺－沖斷帶寬闊增加、坡度下降（對比圖3與4），構(gòu)造樣式也可從純粹前沖（圖5之1—3剖面）逐步變?yōu)榍昂箅p沖（圖4a）、甚至后沖為主的構(gòu)造樣式（圖5之4—6剖面）。在特定情況下，韌性基底層甚至可以導致自然界中罕見、動力學機制難以用庫侖－摩爾準則解釋的純后沖褶皺－沖斷帶的形成（圖6）［13，18］。由此可見，存在基底韌性層的情況下，簡單的擠壓作用可以產(chǎn)生變形過程和構(gòu)造面貌十分復雜的褶皺－沖斷帶，逆斷層的沖向好褶皺軸面倒向并非一定與構(gòu)造擠壓方向一致，變形擴展方式也未必是逐步向前擴展。

圖4 韌性基底層單側(cè)擠壓模型實驗結(jié)果，基底層由具牛頓流體屬性的硅膠構(gòu)成（底面黑色部分），數(shù)字標注斷層出現(xiàn)的順序。a低坡度無序擴展褶皺－沖斷帶（據(jù)文獻［15］修改）；b低坡度后展褶皺－沖斷帶

圖5 部分韌性基底層的單側(cè)擠壓模型系列剖面切片素描圖（黑色層為硅膠層），表示模型的三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)（據(jù)文獻［14］修改）。剖面1—3位于摩擦基底部位，顯示以前沖為主的結(jié)構(gòu)樣式；剖面4—9位于韌性基底層部位，顯示前后雙向逆沖的構(gòu)造樣式和較遠的前鋒帶推進距離

圖6 純后沖褶皺－沖斷構(gòu)造的物理模擬實驗結(jié)果和野外實例。a基底水平累積性收縮模型的實驗結(jié)果照片（據(jù)文獻［13］修改）；b韌性基底層模型的實驗結(jié)果照片（據(jù)文獻［18］修改）；c來自北美Cascadia俯沖帶全球最典型的純后沖褶皺－沖斷構(gòu)造地質(zhì)剖面（據(jù)文獻［17］修改）

3.3 地形地貌的影響

地形地貌因素對褶皺－沖斷帶構(gòu)造形成過程和特征影響問題，近年來逐漸受到重視。在以往的研究中這是一個常被忽視的因素，人們更多關(guān)注構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)和地層力學性質(zhì)因素。近年來的物理模擬研究表明，與剝蝕或沉積作用有關(guān)的地形地貌因素不容小視［19－21］。通常情況下，褶皺－沖斷帶的走向與擠壓塊體邊界走向平行，并隨著擠壓量的增加，褶皺－沖斷帶保持與擠壓塊體邊界的走向平行的姿態(tài)逐步向前擴展、寬度不斷加大（圖7a）。但是，如果隆升部位的地層不斷遭受均勻的剝蝕，那么褶皺－沖斷帶的寬度就不再隨著擠壓量增大而加大，只是保持與擠壓塊體邊界平行的狀態(tài)（圖7b）；如果隆升部位的地層遭受不均勻的剝蝕，那么剝蝕較強烈部位的變形擴展就會滯后，從而形成內(nèi)凹的褶皺－沖斷帶（圖7c，d）。此外，如果存在初始高地（圖7e），高地前緣的變形擴展就會明顯超前，從而形成弧形凸出的褶皺－沖斷帶（圖7f）。

圖7 地形及剝蝕作用對褶皺－沖斷帶構(gòu)造形成過程影響問題的物理模擬實驗研究結(jié)果（據(jù)文獻［19］修改）。a正常條件下的實驗?zāi)Ｐ晚斆嬲掌?，顯示變形帶逐步向前擴展、但保持與擠壓擋板平行的姿態(tài)；b均勻剝蝕條件下實驗?zāi)Ｐ偷捻斆嬲掌?，顯示變形帶向前擴展明顯受阻、但保持與擠壓擋板平行的狀態(tài)；c，d不均勻剝蝕條件下實驗?zāi)Ｐ偷捻斆嬲掌?，顯示剝蝕部位變形帶向前擴展明顯滯后；e，f局部高地條件下實驗?zāi)Ｐ偷捻斆嬲掌?，顯示高地前緣變形帶向前擴展明顯超前和弧形凸出形態(tài)

3.4 青藏高原問題

青藏高原是全球最具特色的擠壓構(gòu)造區(qū)，是新生代印度－歐亞板塊匯聚碰撞的產(chǎn)物，為一具有平頂陡邊地貌特征的寬闊褶皺－沖斷帶。獨特的構(gòu)造地貌特征、仍在繼續(xù)進行中的構(gòu)造過程、以及顯著的氣候環(huán)境效應(yīng)，使之成為大陸構(gòu)造動力學及其氣候環(huán)境效應(yīng)研究的理想天然實驗室。青藏高原存在一些以阿爾金、紅河斷裂為代表的大型走滑斷裂帶，把高原分隔成一些相對獨立的塊體（圖8a）。這些塊體之間的相對運動方式及其與走滑斷裂之間的相互關(guān)系，是青藏高原構(gòu)造過程與動力學機理研究的焦點問題。Tapponnier等采用物理模擬方法對其進行了研究［22］。他們的實驗?zāi)Ｐ鸵詭l紋標記的橡皮泥作為歐亞板塊部分的相似材料模擬，并用長條狀剛性塊體模擬印度板塊，實驗裝置的主體為正方形（邊長30cm）透明有機玻璃盒。除東、南兩側(cè)外，有機玻璃盒均被透明有機玻璃板封閉。當代表印度板塊的長條狀剛性塊體從南側(cè)擠入時，代表歐亞板塊的橡皮泥在受到擠壓時因頂面蓋板的限制無法褶皺上隆，只能夠以平面應(yīng)變方式向無阻擋的東側(cè)擠出，因而產(chǎn)生了走滑與擠出的變形格局（圖8b）。這一模型形象地展示了青藏高原的走滑斷裂及其所夾持塊體的一種可能運動方式（圖8c），據(jù)此提出了著名的“走滑－逃逸”模式，認為青藏高原變形主要以走滑斷裂的運動與所夾持塊體的總體向東逸出為主導（圖8a）。該實驗充分展示，物理模擬方法可為構(gòu)造過程與動力學機理的解釋提供直觀明了的啟示和依據(jù)。這一“走滑－逃逸”模式首次為青藏高原構(gòu)造過程與動力學機理提供了簡潔的解釋方案，并對青藏高原構(gòu)造研究產(chǎn)生了二十余年的深遠影響，且其影響一直延續(xù)至今。

圖8 青藏高原形成過程的物理模擬實驗結(jié)果與動力學機制解釋（據(jù)文獻［22］修改）。a印度－歐亞板塊構(gòu)造格架與“走滑－逃逸”模式的解釋方案；b，c物理模擬實驗結(jié)果照片與解釋

近年來，隨著GPS觀察數(shù)據(jù)的積累，人們認識到青藏高原變形并不符合上述“走滑－逃逸”模式，而是呈連續(xù)分布的特點［23－24］，并且這一特點可用下地殼軟弱層的 “渠道流”（channelflow）模式加以合理解釋［12］。于是，人們重新審視［22］實驗?zāi)Ｐ筒⒁庾R到，用頂面蓋板限制橡皮泥的褶皺上隆、促使橡皮泥只能以平面應(yīng)變方式向東擠出的設(shè)計違反了基本的“相似原則”，因為實際情況是：受擠壓的青藏高原地殼可以自由地向上部大氣空間褶皺隆升，以吸收印度板塊擠入導致的縮短變形。由此可見，盡管物理模擬方法可為構(gòu)造過程與動力學機理研究提供啟示和依據(jù)，但若違反相似原則完全可能導致錯誤結(jié)果。

4 反轉(zhuǎn)斷裂系統(tǒng)

盆地的構(gòu)造反轉(zhuǎn)過程是盆地構(gòu)造研究的熱點問題之一，其中先期斷裂系統(tǒng)在后期構(gòu)造反轉(zhuǎn)過程中的表現(xiàn)則是問題的焦點。人們常習慣地認為，先期斷裂構(gòu)成的薄弱面在后期反轉(zhuǎn)過程中應(yīng)該優(yōu)先逆轉(zhuǎn)，即從原來的正（或逆）斷層優(yōu)先反轉(zhuǎn)為逆（或正）斷層，且這種反轉(zhuǎn)可以進行得十分徹底，甚至可以完全抹去前期斷裂的痕跡。然而，這種認識只是一種猜想。構(gòu)造物理模擬研究表明，絕大多數(shù)先期正斷層，無論是鏟式正斷層還是多米諾式正斷層（圖9a，c），在后期的擠壓反轉(zhuǎn)過程中均不會轉(zhuǎn)化為逆斷層，只是傾角變陡，縮短變形主要由新生的低傾角逆沖斷層實現(xiàn)（圖9b，d），除非地層強度異乎尋常，如同文獻［25］的模型中鐵板般的堅硬。負反轉(zhuǎn)構(gòu)造的情況也類似。由此表明，先期斷層發(fā)生性質(zhì)逆轉(zhuǎn)的可能性很小，因此如果判定一個未見先期斷層痕跡的地區(qū)曾發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，將具有很大的風險。

圖9 正反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬實驗結(jié)果。a，b鏟式正斷層反轉(zhuǎn)模型素描（據(jù)文獻［26］修改），顯示只有鏟式邊界斷層發(fā)生部分反轉(zhuǎn)，先期正斷層只是傾角變陡；c，d多米諾式正斷層反轉(zhuǎn)模型照片（據(jù)文獻［27］修改），顯示絕大部分先期正斷層只是傾角變陡

5 結(jié)語

由于分屬不同的力學問題范疇，庫侖破裂準則及其相關(guān)的安德森斷層成因模式在解釋斷裂系統(tǒng)的形成機制方面存在不少困難。導致面貌較為復雜的構(gòu)造常被認為與復雜的構(gòu)造過程和動力學機制有關(guān)。構(gòu)造物理模擬研究結(jié)果則為我們提供了許多新的啟示：復雜構(gòu)造面貌未必意味著復雜的構(gòu)造過程和動力學機理。如果一個復雜的構(gòu)造可以用簡單的構(gòu)造過程和簡潔的動力學機理解釋，那么按照奧卡姆剃刀原則，應(yīng)該選用簡單的解釋，因為對于同一現(xiàn)象，簡單的解釋往往比復雜的解釋更正確、需要最少假設(shè)的解釋最有可能是正確的，這是已被大量科學實踐所證實的客觀規(guī)律。

（2011年8月3日收到）

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通過查閱資料，并篩選整理數(shù)據(jù)選取云南地區(qū)2000年～2010年5級以上的17次地震為樣本數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)[4～8]如表1所示。

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