裴仰文， 盛受政， 苗正碩， 牟毅城， 蘇 楠， 郭 偉,馮 犇， 王 靜， 梁 瀚， 謝柳娟

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580; 2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開(kāi)發(fā) 研究院，北京 100083; 3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都 610041; 4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071)

川東高陡構(gòu)造帶位于四川盆地東部，是中國(guó)頁(yè)巖氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)，其構(gòu)造樣式特殊，是揚(yáng)子板塊西部的重要板內(nèi)變形帶，構(gòu)造上表主體走向?yàn)楸北睎|—北東的“侏羅山式”弧形褶皺帶[1-3]。川東“侏羅山式”褶皺是典型的薄皮構(gòu)造，主要變形特點(diǎn)為基底不卷入變形，由一系列變形強(qiáng)度不同的背斜和向斜相間排列而成。劉尚忠[4]最早通過(guò)褶皺形態(tài)分析認(rèn)為川東“侏羅山式”褶皺是箱型褶皺遭受不同程度剝蝕的結(jié)果。李忠權(quán)等[5]建立構(gòu)造反轉(zhuǎn)模型，認(rèn)為隔檔式褶皺是早期伸展斷層形成的斷層相關(guān)褶皺后期構(gòu)造反轉(zhuǎn)而成，而顏丹平等[6]則認(rèn)為川東地區(qū)更適用斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型，川東地區(qū)早期形成隔檔式褶皺帶，受逆沖斷層推進(jìn)和變形強(qiáng)度影響，逐漸演變形成隔槽式褶皺帶。在近10年的相關(guān)研究中，地質(zhì)學(xué)家們普遍發(fā)現(xiàn)川東地區(qū)滑脫層的存在對(duì)川東褶皺帶的形成演化具有重要控制作用[7-9]。針對(duì)川東褶皺帶的形成演化過(guò)程，前人也開(kāi)展大量的物理模擬[7,10]和數(shù)值模擬[11]試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置與川東褶皺帶吻合度并不高，特別是滑脫層的縱向配置、總體縮短速率等與川東地區(qū)實(shí)際地質(zhì)背景并未完全相符，川東地區(qū)多套滑脫層對(duì)川東褶皺帶構(gòu)造演化的控制作用有待進(jìn)一步明確。因此筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)川東地區(qū)地層學(xué)垂向分布情況，在4組構(gòu)造物理模擬對(duì)比試驗(yàn)中設(shè)置多套滑脫層及基底滑脫層，并采用不同的構(gòu)造擠壓速率開(kāi)展模擬試驗(yàn)，通過(guò)物理模擬試驗(yàn)結(jié)果和地震資料的綜合分析，對(duì)川東地區(qū)多滑脫層控制下的構(gòu)造演化過(guò)程進(jìn)行研究，為川東地區(qū)形成演化理論研究及油氣勘探實(shí)踐提供支撐。

1 川東地區(qū)構(gòu)造背景

四川盆地位于楊子板塊北西邊緣，是一個(gè)經(jīng)歷復(fù)雜構(gòu)造演化過(guò)程的疊合盆地，在多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制下，形成山前坳陷和褶皺沖斷構(gòu)造圍限穩(wěn)定中央隆起區(qū)的結(jié)構(gòu)特征[12]。川東地區(qū)地處四川盆地東部和雪峰山構(gòu)造帶西側(cè)，北側(cè)為秦嶺造山帶；構(gòu)造帶寬度約為400 km，長(zhǎng)度約為 600 km，整體上呈北北東—北東向延伸并向北西輕微凸出的寬廣弧形構(gòu)造帶(圖1)。川東褶皺帶為揚(yáng)子板塊西部重要的板內(nèi)變形帶[1,13-15]。川東褶皺帶西側(cè)以華鎣山斷裂為界與川中隆起分隔，齊岳山斷裂將其劃分為西部的川東隔檔式褶皺帶和東部的湘鄂西隔槽式褶皺帶2個(gè)部分[1-2,12](圖1(b))。

以華鎣山斷裂帶與齊岳山斷裂帶分別為西界與東界，川東褶皺帶發(fā)育一系列背斜帶與向斜帶相間的隔檔式褶皺，背斜帶核部抬升并導(dǎo)致侏羅系、三疊系乃至二疊系地層經(jīng)受強(qiáng)烈剝蝕(圖2，詳細(xì)地層信息見(jiàn)圖3)。華鎣山背斜是川東褶皺帶西緣背斜，其主控?cái)鄬又黧w自東向西沖斷，深部源自于中下寒武統(tǒng)膏鹽巖滑脫層，向上傳遞過(guò)程中斷層傾角快速變陡，最終突破至地表，屬于元古代基底上覆薄皮斷裂。華鎣山斷裂帶以西為盆地穩(wěn)定區(qū)，整體構(gòu)造變形較弱。

川東地區(qū)發(fā)育震旦系至第四系厚度逾萬(wàn)米的地層(圖3)，其中震旦系到中三疊統(tǒng)為海相碳酸鹽巖地層，上三疊統(tǒng)到第三系為陸相碎屑巖地層，地表出露古生界—中生界地層。受加里東運(yùn)動(dòng)的影響，川東地區(qū)缺失上志留統(tǒng)、泥盆系和石炭系地層。川東褶皺帶主要發(fā)育3套區(qū)域性滑脫層，由深至淺依次為中下寒武統(tǒng)膏鹽巖、志留系泥巖、中下三疊統(tǒng)膏鹽巖(圖3“構(gòu)造變形特征”一欄中紅色箭頭標(biāo)注)；以這3套區(qū)域性滑脫層為界，可將川東地層劃分為3套構(gòu)造層：深部寒武系—奧陶系構(gòu)造層(以中下寒武統(tǒng)膏鹽巖滑脫層為底界)，中部石炭系—二疊系構(gòu)造層(以志留系泥巖滑脫層為底界)和淺部中生界構(gòu)造層(以中下三疊統(tǒng)膏鹽巖滑脫層為底界)。3套滑脫層能干性弱，其間的3套構(gòu)造層能干性強(qiáng)，由于二者力學(xué)性質(zhì)存在差異，在相同應(yīng)力環(huán)境下，其構(gòu)造變形方式也存在明顯的差異性：膏鹽巖、泥巖的構(gòu)造變形以塑性流變?yōu)橹饕卣?，而剛性巖層則主要發(fā)生褶皺和斷裂變形。據(jù)川東典型地震剖面(圖2)可知，3套滑脫層對(duì)于川東褶皺帶的構(gòu)造變形具有明顯的拆離作用；在發(fā)生構(gòu)造擠壓變形的過(guò)程中，膏鹽巖、泥巖塑性流變主要控制著上覆地層的構(gòu)造變形，而對(duì)下覆地層構(gòu)造變形的影響較小，導(dǎo)致川東地區(qū)深、中、淺3套構(gòu)造層的變形特征具有顯著差異[9,16]。

圖1 川東地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[12]，有修改)Fig.1 Structural map of east Sichuan Basin(After citation[12], modified)

圖2 川東典型剖面(據(jù)文獻(xiàn)[12]，有修改)Fig.2 Representative seismic section of east Sichuan Basin(After citation[12], modified)

圖3 川東地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[8]，有修改)Fig.3 Stratigraphic column of east Sichuan Basin(After citation[8], modified)

2 試驗(yàn)相似條件和模型設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)相似條件

本次試驗(yàn)采用黏聚強(qiáng)度約為120 Pa的白色、藍(lán)色石英砂模擬脆性地層，采用黏度約為1.2×104Pa·s數(shù)量級(jí)的硅膠模擬川東地區(qū)的區(qū)域性滑脫層，試驗(yàn)材料的具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料物理參數(shù)Table 1 Parameters of materials used in physical modelling

試驗(yàn)采用的石英砂顆粒粒徑為0.2～0.6 μm，密度為1 300 kg/m3，內(nèi)摩擦角約為31°，其變形遵循Mohr-Coulomb破裂準(zhǔn)則，與上地殼地層的內(nèi)摩擦角大致相當(dāng)[17]，是模擬上地殼脆性變形的理想材料[18-19]。人工染色的石英砂物理性質(zhì)無(wú)明顯變化，為便于觀察和表征構(gòu)造變形過(guò)程，在試驗(yàn)中鋪設(shè)數(shù)層l～2 mm厚度的薄層藍(lán)色石英砂作為標(biāo)志層。硅膠在低應(yīng)變速率情況下具有牛頓流體性質(zhì)，因此常被用來(lái)模擬上地殼塑性變形[20]，本試驗(yàn)采用的硅樹(shù)脂在常溫下黏度為1.2×104Pa·s，密度為929 kg/m3，在試驗(yàn)砂箱變形過(guò)程中可起到滑脫作用。

根據(jù)物理模擬相似原理[18,21]，即模型的尺度與材料的選擇滿足相似原理的要求，物理模型與地質(zhì)原型的相似因子如下：

(1)重力相似因子g*= 1，模型和地質(zhì)原型都在自然重力場(chǎng)中進(jìn)行，兩者相同；

(2)密度相似因子ρ*= 0.5，試驗(yàn)材料的密度約等于地層密度的一半；

(3)黏度相似因子η*≈ 1.2×10-15，實(shí)際地層黏度約為1×1019Pa·s，硅膠的黏度為1.2×104Pa·s；

(4)長(zhǎng)度相似因子l*= 10-5，模型的1 cm大致等于地質(zhì)原型的1 km。

2.2 模型設(shè)計(jì)

物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)如圖4所示,砂箱初始長(zhǎng)度、寬度和高度分別為50、26和8 cm，底部為水平金屬鋼板，砂箱左端為固定擋板，右端為電缸驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)擋板，砂箱前后兩側(cè)為鋼化透明玻璃。為便于直觀地觀察觀察砂箱變形過(guò)程，石英砂在縱向上藍(lán)白相間分層鋪設(shè)(藍(lán)色、白色石英砂物理屬性無(wú)差別)。砂箱中鋪設(shè)3層0.5 cm厚度的硅膠層，用以模擬川東地區(qū)中下寒武統(tǒng)膏鹽巖、志留系泥巖、中下三疊統(tǒng)膏鹽巖3套滑脫層(圖4(a))，并將砂箱剖面由深至淺分隔為①、②、③、④號(hào)構(gòu)造層。圖4(b)所示試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c圖4(a)相比，僅在底部增設(shè)一層厚度約為5 mm的硅膠層，用于模擬蓋層與基底之間起到拆離作用的滑脫層。

圖4 物理模擬試驗(yàn)砂箱模型設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Schematic diagrams of physical modelling settings

本研究中設(shè)置4組對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)Ⅰ～Ⅲ采用圖4(a)所示砂箱模型，試驗(yàn)Ⅳ則采用圖4(b)所示砂箱模型，4組試驗(yàn)累積縮短量和累積縮短率統(tǒng)一設(shè)定為12.5 cm和25%。4組試驗(yàn)中，砂箱左、右兩側(cè)分別為固定和活動(dòng)擋板，右側(cè)活動(dòng)擋板分別以0.5、0.05、0.005和0.005 mm/s的速度勻速向左側(cè)移動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，置于砂箱前側(cè)透明玻璃外側(cè)的高分辨率相機(jī)對(duì)不同縮短量階段(0%、5%、10%、15%、20%、25%)的砂箱剖面構(gòu)造特征進(jìn)行拍攝，動(dòng)態(tài)記錄變形介質(zhì)的構(gòu)造特征及演化過(guò)程。

3 構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)結(jié)果及構(gòu)造變形

3.1 構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 試驗(yàn)Ⅰ

圖5 試驗(yàn) Ⅰ 模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of physical model Ⅰ

試驗(yàn) Ⅰ 累積縮短量為12.5 cm，累積縮短率為25%，縮短速率為0.5 mm/s。當(dāng)縮短量為2.5 cm(縮短率為5%，圖5(b))時(shí)，在靠近活動(dòng)擋板一側(cè)先形成一個(gè)箱狀背斜，斷層F1開(kāi)始發(fā)育，持續(xù)擠壓作用使擠壓端背斜幅度逐漸增大；當(dāng)構(gòu)造縮短量分別為5 cm(縮短率為10%，圖5(c))、7.5 cm(縮短率為15%，圖5(d))和12.5 cm(縮短率為25%，圖5(f))，新的逆沖斷層F2，F(xiàn)3和F5依次形成，形成一系列疊瓦狀逆沖斷層，并在縮短量為10 cm(縮短率為20%，圖5(e))時(shí)在F1上盤(pán)形成一條小型反沖斷層F4。從圖5(f)可以觀察到，新發(fā)育的F5斷層與F3斷層之間的間距遠(yuǎn)大于F1、F2、F3三者之間的間距，說(shuō)明在褶皺沖斷帶中，逆沖斷層之間的間距隨著擠壓量的增加而增大。試驗(yàn) Ⅰ 以逆沖斷層的發(fā)育為主要構(gòu)造變形特征，并以前展式向左側(cè)的固定擋板一側(cè)傳播，在剖面上表現(xiàn)為疊瓦狀逆沖推覆斷層，早期形成的逆沖斷層在新逆沖斷層的影響下被動(dòng)抬升，斷層傾角逐漸增加。同時(shí)滑脫層拆離效果不明顯，試驗(yàn)中由深至淺①～④號(hào)構(gòu)造層呈現(xiàn)出較為相似的構(gòu)造變形特征。

3.1.2 試驗(yàn)Ⅱ

圖6 試驗(yàn)Ⅱ模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of physical model Ⅱ

試驗(yàn)Ⅱ累積縮短量為12.5 cm，累積縮短率為25%，縮短速率為0.05 mm/s。當(dāng)縮短量為2.5 cm(縮短率為5%，圖6(b))時(shí)，在靠近活動(dòng)擋板一側(cè)首先發(fā)育一個(gè)開(kāi)闊的扇狀背斜，源自基底的逆沖斷層F1開(kāi)始發(fā)育，但尚未切穿上覆硅膠層。在縮短量為5 cm(縮短率為10%，圖6(c))時(shí)，F(xiàn)1斷距持續(xù)增大但仍未切穿上覆硅膠層，被3套滑脫層分隔的①～③號(hào)構(gòu)造層分別發(fā)育小型反沖斷層F4、F2和F3。當(dāng)縮短量為7.5 cm(縮短率為15%，圖6(d))時(shí)，源自基底的逆沖斷層F5、F6開(kāi)始發(fā)育，向上終止于硅膠層。當(dāng)縮短量達(dá)到10 cm(縮短率為20%，圖6(e))時(shí)，在剖面中部④號(hào)構(gòu)造層又發(fā)育一寬緩背斜，同時(shí)③號(hào)構(gòu)造層中斷層F7開(kāi)始發(fā)育。從圖6(f)(縮短量達(dá)到12.5 cm，縮短率為25%)可以觀察到，各斷層(F1～F9)的發(fā)育均只局限在各自所處的構(gòu)造層中，說(shuō)明在試驗(yàn)Ⅱ中縮短速率減緩為0.05 mm/s時(shí)，滑脫層開(kāi)始呈現(xiàn)出一定的拆離效果，深中淺構(gòu)造層的變形存在一定的差異，深部構(gòu)造層(①號(hào)構(gòu)造層)以發(fā)育疊瓦逆沖斷層為主，而中、淺部構(gòu)造層(②～ ④號(hào)構(gòu)造層)構(gòu)造變形則以褶皺為主、斷層為輔。相較于試驗(yàn)Ⅰ的快速壓縮(縮短速率為0.5 mm/s，圖5)，試驗(yàn)Ⅱ在縮短速率放緩(0.05 mm/s)的條件下，砂箱中應(yīng)變更易向固定擋板一側(cè)快速傳播。

3.1.3 試驗(yàn)Ⅲ

試驗(yàn)Ⅲ積縮短量為12.5 cm，累積縮短率為25%，縮短速率為0.005 mm/s。與試驗(yàn)Ⅰ和試驗(yàn)Ⅱ相比，試驗(yàn)Ⅲ中砂箱的縮短速率進(jìn)一步減小，為0.005 mm/s(圖7)。當(dāng)縮短量為5 cm(縮短率為10%，圖7(b))時(shí)，靠近活動(dòng)擋板一側(cè)褶皺波長(zhǎng)變短，深部①號(hào)構(gòu)造層中快速發(fā)育逆沖斷層F1、F2和反沖斷層F5，②和③號(hào)構(gòu)造層分別發(fā)育小型反沖斷層F3和逆沖斷層F4。隨著縮短量持續(xù)增加(圖7(c)～(e))，褶皺的波幅快速增加，深部①號(hào)構(gòu)造層陸續(xù)發(fā)育斷層F6和F7，早期發(fā)育的斷層斷距也持續(xù)增加。從圖7(f)(縮短量達(dá)到12.5 cm，縮短率為25%)觀察到，淺部②～④號(hào)構(gòu)造層的構(gòu)造變形以褶皺為主、斷層為輔；而深部①號(hào)構(gòu)造層則主要以斷層發(fā)育為主要變形特征。與試驗(yàn)Ⅰ(縮短速率為0.5 mm/s，圖5)和試驗(yàn)Ⅱ(縮短速率為0.05 mm/s，圖6)相比，試驗(yàn)Ⅲ中縮短速率進(jìn)一步減小至0.005 mm/s時(shí)，硅膠滑脫層的拆離效果進(jìn)一步增強(qiáng)，①～④號(hào)構(gòu)造層的構(gòu)造變形呈現(xiàn)出更為明顯的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象；深部硅膠滑脫層將主要的斷層發(fā)育局限在①號(hào)構(gòu)造層中，其拆離效果明顯，中部和淺部的滑脫層拆離效果則相對(duì)較弱。

3.1.4試驗(yàn)Ⅳ

試驗(yàn) Ⅳ累積縮短量為12.5 cm，累積縮短率為25%，縮短速率為0.005 mm/s。對(duì)比試驗(yàn)Ⅰ～Ⅲ，試驗(yàn) Ⅳ在砂箱底部新增設(shè)一套硅膠滑脫層，縮短速率則與試驗(yàn)Ⅲ相同，仍為0.005 mm/s(圖8)。在縮短量達(dá)到5 cm之前(縮短率為5%，圖8(b)；縮短率為10%，圖8(c))，深部的①和②號(hào)構(gòu)造層在褶皺變形的同時(shí)分別發(fā)育F1和F2斷層，而淺部的③和④號(hào)構(gòu)造層則以褶皺變形為主。當(dāng)縮短速率達(dá)到10 cm之前(縮短率為15%，圖8(d)；縮短率為20%，圖8(e))，在深部①號(hào)滑脫層早期發(fā)育的F1下盤(pán)進(jìn)一步發(fā)育F3斷層，而在淺表發(fā)育斷距極為有限的F4、F5和F6等小型調(diào)節(jié)斷層。當(dāng)縮短量達(dá)到12.5 cm(縮短率為12.5%，圖8(f))時(shí)，在砂箱靠近固定擋板一側(cè)發(fā)育F7斷層及其上盤(pán)的傳播褶皺。與試驗(yàn)Ⅲ(圖7)相比，試驗(yàn)Ⅳ受控于砂箱底部滑脫層的拆離作用，構(gòu)造變形不再局限于活動(dòng)擋板附近，而是更易于向左側(cè)固定擋板一側(cè)傳播，指示砂箱底部滑脫層對(duì)應(yīng)力的橫向傳遞具有重要控制作用；①和②號(hào)構(gòu)造層之間的滑脫層拆離作用更加明顯，但淺部2套滑脫層的拆離作用較弱。

圖8 試驗(yàn)Ⅳ模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of physical model Ⅳ

3.2 多滑脫層控制下的構(gòu)造變形分析

上文展示4組多滑脫層構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)結(jié)果，其中試驗(yàn)Ⅰ～Ⅲ的變形介質(zhì)(即砂層、滑脫層縱向配置)完全一致，但在變形過(guò)程中采用不同的縮短速率，分別為0.5、0.05和0.005 mm/s；試驗(yàn)Ⅳ則在與試驗(yàn)Ⅰ～Ⅲ相同變形介質(zhì)的基礎(chǔ)上，在其底部新增一層厚度約為5 mm的硅膠滑脫層，縮短速率與試驗(yàn)Ⅲ相同，為0.005 mm/s。因此通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)Ⅰ～Ⅲ的構(gòu)造變形過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果，可分析不同縮短速率對(duì)多滑脫層構(gòu)造變形的控制作用；通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)Ⅲ和試驗(yàn)Ⅳ，可分析滑脫層縱向配置對(duì)構(gòu)造變形的控制作用。

試驗(yàn)Ⅰ(縮短速率為0.5 mm/s，圖5)各斷層的發(fā)育并未局限在某一砂層中，特別是F5從深部一直向上傳播至變形介質(zhì)頂部，反映在較高的縮短速率下，3套硅膠滑脫層所起到的拆離作用十分有限，剖面深、中、淺構(gòu)造層的構(gòu)造變形具有較高的相似性，未顯示出明顯差異。與試驗(yàn)Ⅰ相比，試驗(yàn)Ⅱ和試驗(yàn)Ⅲ采用較低的構(gòu)造縮短速率(分別為0.05和0.005 mm/s)。在試驗(yàn)Ⅱ中(圖6)，盡管斷層F1～F9的發(fā)育時(shí)間存在先后，但各斷層的發(fā)育均局限在各自所處的砂層中，未能切割上部或下部的硅膠層，且剖面中發(fā)育褶皺的波長(zhǎng)：波幅比從深至淺逐步變大，反映縮短速率為0.05 mm/s時(shí)，硅膠滑脫層已經(jīng)具有顯著的拆離作用，并使得深、中、淺構(gòu)造層的變形具有明顯差異。在試驗(yàn)Ⅲ中(圖7)，隨著構(gòu)造縮短速率的進(jìn)一步減小，除斷層F3和F4外，其余斷層的發(fā)育均局限在深部硅膠滑脫層之下，說(shuō)明深部硅膠滑脫層的拆離作用更加顯著，而中部和淺部硅膠層的滑脫作用有所減弱。

在縮短量為25%(即12.5 cm)時(shí)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)Ⅰ～Ⅳ中由深至淺①～④號(hào)構(gòu)造層縮短量的定量分析，根據(jù)各構(gòu)造層縮短量中斷層與褶皺各自的貢獻(xiàn)量(%)制作試驗(yàn)Ⅰ～Ⅳ的縮短量貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)圖(圖9)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)Ⅰ中滑脫層對(duì)各構(gòu)造層的拆離效果不明顯(縮短速率為0.5 mm/s，圖9(a))，斷層主要發(fā)育在深部構(gòu)造層(如①、②號(hào)構(gòu)造層)，①號(hào)構(gòu)造層中斷層與褶皺發(fā)育對(duì)總縮短量的貢獻(xiàn)基本相當(dāng)(各約為50%)，②號(hào)構(gòu)造層中斷層發(fā)育對(duì)總縮短量的貢獻(xiàn)下降至約為30%；而淺部的③、④號(hào)構(gòu)造層中斷層的發(fā)育則非常有限，95%以上的縮短量均由褶皺的發(fā)育導(dǎo)致；而隨著擠壓速率的逐漸減小，試驗(yàn)Ⅱ(縮短速率0.05 mm/s，圖9(b))和試驗(yàn)Ⅲ(縮短速率為0.005 mm/s，圖9(c))中滑脫層的拆離效果明顯增強(qiáng)，深部①號(hào)構(gòu)造層中斷層與褶皺對(duì)總縮短量的貢獻(xiàn)基本相當(dāng)(褶皺略具優(yōu)勢(shì))，中淺部②～④號(hào)構(gòu)造層中褶皺發(fā)育對(duì)總縮短量的貢獻(xiàn)占絕對(duì)主導(dǎo)作用(大于90%)，斷層活動(dòng)相對(duì)較弱。與試驗(yàn)Ⅲ相比，試驗(yàn)Ⅳ縮短速率依然為0.005 mm/s，但由于砂箱底部增設(shè)一套硅膠滑脫層，導(dǎo)致各構(gòu)造層之間的變形差異進(jìn)一步增強(qiáng)，例如②和④號(hào)構(gòu)造層中斷層發(fā)育對(duì)總縮短量的貢獻(xiàn)比高于③號(hào)構(gòu)造層(圖9(d))。

前人針對(duì)斷層相關(guān)褶皺進(jìn)行大量的定量解析研究，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造變形的總體縮短量、斷層發(fā)育規(guī)模、褶皺隆升幅度等參數(shù)之間存在緊密的聯(lián)系[22]。圖10統(tǒng)計(jì)分析本研究中試驗(yàn)Ⅰ～Ⅳ地表抬升幅度與構(gòu)造縮短率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著縮短率的增加，4組試驗(yàn)中地表抬升幅度與縮短率均呈現(xiàn)出線性正相關(guān)。然而通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，縮短速率不同時(shí)地表抬升幅度存在差異，例如當(dāng)縮短速率較快時(shí)(0.5 mm/s，試驗(yàn)Ⅰ)，地表抬升幅度最弱；當(dāng)縮短速率減慢至0.05 mm/s時(shí)(試驗(yàn)Ⅱ)，地表抬升幅度較試驗(yàn)Ⅰ略有增加；當(dāng)縮短速率進(jìn)一步減慢至0.005 mm/s時(shí)(試驗(yàn)Ⅲ和Ⅳ)，地表抬升幅度進(jìn)一步增加。這說(shuō)明構(gòu)造變形速率對(duì)于多滑脫層發(fā)育區(qū)構(gòu)造變形的垂向生長(zhǎng)特征也具有重要影響作用，當(dāng)?shù)貙涌焖倏s短時(shí)(如0.5 mm/s，圖5、10)，各滑脫層拆離效果不明顯，地表抬升幅度較小，構(gòu)造應(yīng)變更易于發(fā)生橫向傳播；而當(dāng)?shù)貙右暂^慢的速率縮短時(shí)(如0.005 mm/s，圖7、10)，滑脫層拆離效果顯著增強(qiáng)，地表抬升幅度也相應(yīng)明顯增強(qiáng)。

圖9 斷層和褶皺對(duì)縮短量的貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)(縮短率均為12.5%)Fig.9 Statistics of contribution of faults and folds to overall shortening(shortening ratio: 12.5%)

圖10 地層抬升幅度與縮短率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.10 Corresponding relationship between topographic uplift and shortening ratio

4 討 論

自印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)，四川盆地東部地區(qū)經(jīng)歷多期次構(gòu)造擠壓變形，形成現(xiàn)今的川東褶皺帶。前人針對(duì)川東褶皺帶的構(gòu)造變形過(guò)程及形成機(jī)制開(kāi)展一系列的研究[4-6,22-25]，盡管取得的認(rèn)識(shí)存在一定的差異，但均認(rèn)為川東地區(qū)3套滑脫層(中下寒武統(tǒng)膏鹽巖、志留系泥巖、中下三疊統(tǒng)膏鹽巖)對(duì)于川東地區(qū)的構(gòu)造變形具有重要影響。相關(guān)研究表明，受滑脫層數(shù)量、厚度及擠壓作用強(qiáng)度等因素影響，褶皺帶的構(gòu)造變形特征具有明顯橫向差異性及縱向分層性[11]。在垂向上，由于滑脫層的存在，應(yīng)力在各構(gòu)造層內(nèi)的分布與傳遞存在明顯的縱向差異性，導(dǎo)致被滑脫層分隔的各構(gòu)造層表現(xiàn)出構(gòu)造變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

通過(guò)4組構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多套滑脫層存在時(shí)，深部滑脫層的拆離作用明顯強(qiáng)于淺部滑脫層(圖5～8)，這與川東地區(qū)的多滑脫層控制下的構(gòu)造變形特征具有較高的吻合度。川東地區(qū)發(fā)育的主要斷裂多數(shù)從深部起源于中下寒武統(tǒng)膏鹽巖層中(圖2)，且川東滑脫構(gòu)造變形的區(qū)域與四川盆地中下寒武統(tǒng)膏鹽巖的分布范圍也存在較高的吻合度[12]，表明中下寒武統(tǒng)膏鹽巖是川東褶皺沖斷構(gòu)造變形的關(guān)鍵控制因素。此外盡管中淺部2套滑脫層(志留系泥巖和中下三疊統(tǒng)膏鹽巖)對(duì)川東地區(qū)中淺構(gòu)造層的構(gòu)造變形也具有一定的影響作用，但這2套滑脫層的拆離效果顯著弱于深部中下寒武統(tǒng)膏鹽巖。

關(guān)圣浩[8]發(fā)現(xiàn)構(gòu)造縮短量對(duì)川東地區(qū)多層滑脫褶皺和斷裂發(fā)育的控制作用，并認(rèn)為縮短率小于20%時(shí)發(fā)育滑脫褶皺和西傾斷層，縮短率大于20%時(shí)發(fā)育東傾的逆沖斷層，縮短率達(dá)到30%時(shí)緊閉背斜核部聚集膏鹽巖和泥巖并發(fā)育高陡斷層。然而該縮短率是對(duì)川東地區(qū)剖面中擠壓構(gòu)造變形結(jié)果的靜態(tài)表征，而實(shí)際上川東褶皺帶在印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)的構(gòu)造演化過(guò)程中其變形速率并非是均一的。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果分析，構(gòu)造變形速率對(duì)于多滑脫層發(fā)育區(qū)構(gòu)造變形的垂向差異性也具有重要控制作用(圖9、10)：變形速率減小時(shí)，滑脫層的拆離效果明顯增強(qiáng)，各構(gòu)造層變形樣式的垂向差異性也隨之增強(qiáng)；變形速率增大時(shí)，滑脫層的拆離效果逐步減弱，各構(gòu)造層變形樣式的垂向差異性也隨之減小。因此在印支運(yùn)動(dòng)早期的弱擠壓變形階段，變形速率較低，使得川東地區(qū)3套滑脫層(特別是中下寒武統(tǒng)膏鹽巖)充分發(fā)揮其拆離作用，以發(fā)育滑脫褶皺及小型的調(diào)節(jié)斷層為主要構(gòu)造變形特征，各構(gòu)造層變形特征在垂向上具有顯著的差異性；而在后期的強(qiáng)烈擠壓變形階段，變形速率快速提升，一定程度上限制各滑脫層的拆離作用，各構(gòu)造層以發(fā)育高陡逆沖斷層和反沖斷層為主，變形特征趨于一致。

5 結(jié) 論

(1)物理模擬對(duì)比試驗(yàn)表明，滑脫層縱向配置和變形速率對(duì)多套滑脫層發(fā)育區(qū)的構(gòu)造變形樣式具有重要控制作用：①當(dāng)同時(shí)發(fā)育多套滑脫層時(shí)，深部滑脫層的拆離效果顯著強(qiáng)于淺部滑脫層，導(dǎo)致垂向上深部構(gòu)造層之間的構(gòu)造變形差異性高于淺部構(gòu)造層；②變形速率減小時(shí)，滑脫層的拆離效果明顯增強(qiáng)，各構(gòu)造層的變形樣式差異性也隨之增強(qiáng)；變形速率增大時(shí)，滑脫層的拆離效果逐步減弱，各構(gòu)造層的變形樣式差異性也隨之減小。

(2)川東地區(qū)主要發(fā)育3套滑脫層(中下寒武統(tǒng)膏鹽巖、志留系泥巖、中下三疊統(tǒng)膏鹽巖)，將川東地層劃分為深部寒武系—奧陶系構(gòu)造層、中部石炭系—二疊系構(gòu)造層和淺部中生界構(gòu)造層3套構(gòu)造層；3套滑脫層對(duì)于川東褶皺帶的構(gòu)造變形具有明顯的拆離作用，深部的中下寒武統(tǒng)膏鹽巖的拆離作用顯著強(qiáng)于中淺部的志留系泥巖和中下三疊統(tǒng)膏鹽巖，導(dǎo)致川東地區(qū)3套構(gòu)造層的變形特征在垂向上具有顯著差異。

(3)川東地區(qū)在印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)的構(gòu)造變形速率存在差異性。印支運(yùn)動(dòng)早期弱擠壓變形階段的變形速率較低，川東地區(qū)3套滑脫層(特別是中下寒武統(tǒng)膏鹽巖)拆離作用明顯，以發(fā)育滑脫褶皺及小型的調(diào)節(jié)斷層為主要構(gòu)造變形特征，各構(gòu)造層變形特征產(chǎn)生明顯的垂向差異性；后期強(qiáng)烈擠壓變形階段的變形速率快速提升，限制各滑脫層的拆離作用，各構(gòu)造層以發(fā)育高陡逆沖斷層和反沖斷層為主，變形特征趨于一致。