断裂系统形成机制：来自物理模拟实验的新启示＊

周建勋

教授，中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

由于断裂系统的形成大多与大变形构造过程有关，故从小变形岩石力学实验归纳得到的库仑破裂准则及相关的安德森断层模式，并非总能对其形成机制给予合理的解释。物理模拟是一个十分有用的方法，可为我们提供一些新的启示：许多原先认为具有复杂形成机制的断裂系统，其实可以是简单构造变形过程的产物，也无需复杂的动力学机理解释。本文通过一些伸展、挤压和反转这三类常见构造的典型研究实例，以展示物理模拟实验所能带给我们的有关断裂系统形成机制的新启示。

1 引言

断裂是地壳浅－表层最重要的构造变形现象，与矿藏形成、岩土工程稳定性、以及地质灾害（如地震、滑坡）均有密切关系。于是，人们希望通过断裂形成过程的研究，了解断裂系统的形成机制与演化规律，从而提高找矿、工程建设和灾害防治效率。

然而，相对地质过程而言，人类的生命相当短暂，对于除地震以外的绝大多数构造变形，人们只能见其结果而无法直接观察其全过程，从而严重制约了人们对断裂形成机制与演化规律的深入认识。长期以来，有关断裂系统形成机制分析，主要依据库仑破裂准则及其相关的安德森断层成因模式。然而，库仑破裂准则是从小变形岩石力学实验归纳的力学准则，但自然界中断裂系统大多与大变形构造过程有关，大、小变形问题在力学上分属不同范畴，研究思路和方法存在明显不同［1］。因此，库仑破裂准则及安德森断层成因模式并非总能对断裂系统的形成机制问题给予合理的解释。

构造模拟是重现构造形成过程的有效方法。通过模拟方法重现断裂形成过程，能够促进对断裂系统形成机制、演化规律、以及相关资源与环境效应的深入了解。构造模拟包括数学模拟和物理模拟两种方法。数学模拟是根据力学方程构建数字（虚体）模型，利用专用软件和计算机进行模拟。物理模拟是根据相似原理，用物理材料构建实体模型进行模拟。虽然数学模拟相对物理模拟具有较大的便利性和灵活性［2－3］，由于目前对长时间低应变速率的构造过程中岩石流变特性还缺乏充分的了解，并且数学模拟软件也有待于进一步完善，物理模拟至今仍是构造模拟最为经济有效的方法，尽管这一方法已有近200年的研究历史［3］，新的实验室目前仍在不断兴建之中。

近200年来，构造物理模拟研究涉及了几乎所有类型的构造过程，包括伸展、挤压、走滑、底辟及重力滑动等，已经为构造过程与动力学机理研究提供了许多新的启示和重要的科学依据。尤其是近十余年来，有关断裂系统形成机制问题的物理模拟研究取得了许多重要的新进展，极大提高了对断裂系统形成机制与演化规律的认识水平。笔者希望通过一些研究实例，展示构造物理模拟所能带来的新启示。实例有许多，但限于篇幅，本文将在伸展、挤压和反转这三类最常见构造中，选择介绍几个笔者认为较典型、且具良好启示作用的实例，供读者参考。

2 伸展断裂系统

伸展断裂系统主要发育于裂陷区，通常具有比较复杂的断裂组合面貌。如果按照人们常用的库仑破裂准则或安德森断层成因模式进行分析，往往会得到比较复杂的构造过程和动力学机制解释。例如，当一个裂陷区存在两组不同走向的正断层时，按照安德森模式分析，正断层走向垂直最小主应力σ3（即伸展方向），那么两组不同走向的正断层应分别与两个不同方向的伸展作用有关，于是会得出该裂陷遭受过两期构造或两种构造作用的叠加，动力学机制解释也会变得比较复杂［4］。

2.1 斜向伸展

物理模拟研究表明，裂陷区断层走向不仅与伸展方向有关，同时还受裂陷边界走向控制［5－6］。只有当裂陷边界与伸展方向垂直（即正交伸展）情况下，裂陷区中正断层走向才与安德森模式符合，即与伸展方向垂直（图1a）。但当裂陷边界与伸展方向斜交（即斜向伸展）时，则可在同一伸展过程中形成两组不同走向的断层系统，其中裂陷中部的断层系统近于垂直伸展方向，而裂陷边部断层系统则与裂陷边界近平行（图1b，1c，1d）。由此表明，如果一个裂陷区存在多组不同走向的断层系统，未必意味着该裂陷曾遭受了多期叠加的复杂构造过程。同时，这些模型表面只有裂陷中部的断层走向才能更加真实地反映裂陷的伸展方向。

图1 伸展构造物理模拟实验模型顶面照片，箭头代表伸展方向（据文献［6］修改）。a正交伸展模型，显示正断层走向与伸展方向基本垂直；b，c，d斜向伸展模型，伸展方向与裂陷边界倾向线的夹角分别为15°，30°和45°，显示两组走向明显不同的正断层系统：一组与伸展方向近垂直，另一组与边界方向近平行

2.2 复杂边界伸展

当裂陷边界形态不规则时，情况会变得更加复杂，例如中国东部的渤海湾盆地。它是一个中－新生代含油气裂陷盆地，发育多组不同走向的断裂系统。盆地总体以北东向断裂为主，但中部以近东－西向断裂为主，同时全盆地普遍分布近东－西向雁列小断裂和一些北西向断裂［7－8］。盆地的总体格局与其中部的黄骅坳陷（图2）具有十分相似的构造特征，即所谓的构造自相似性现象。由于复杂的断裂系统面貌，渤海湾盆地长期被认为是多期构造叠加或复杂构造过程的产物［4，8］。

针对黄骅坳陷的物理模拟研究表明，在黄骅坳陷特定边界形态条件下，简单的近南－北向伸展就可形成与黄骅坳陷十分相似的断裂系统（图2）。由此表明，与黄骅坳陷具有良好构造自相似性的渤海湾盆地，尽管具有复杂构造面貌，但未必具有多期构造叠加或复杂的构造过程。渤海湾盆地很可能是简单的南－北向伸展作用的产物，其复杂构造面貌是其特殊的“懒Z”形边界形态所致，其动力学成因只需用“板片窗效应”就可给出简洁合理的解释，无需更加复杂的解释方案［7］。

图2 渤海湾盆地中部黄骅坳陷（大港油田勘探区）的构造物理模拟实验结果（据文献［7］修改）。a实验模型顶面照片；b实验模型顶面断裂解释图，带数字标注的虚线椭圆指示与c中实际相似的特征区域；c黄骅坳陷断裂系统分布图

3 逆冲断层系统

逆冲断层系统出现在板块（或地块）的汇聚带，通常与褶皱伴随构成褶皱－冲断带，是地壳最为常见的构造类型。

3.1 推土机模式

基于库仑准则的推土机模式（又称临界楔形体理论，critical wedge theory）是最先被用于解释逆冲断层系统的形成过程和机制的模式［9－10］。这一模式可被物理模拟实验重现（如图3所示），可以合理解释北美落基山脉、阿巴拉契亚山脉、以及台湾地区等一些前冲（叠瓦式）前展褶皱－冲断带的形成过程。这一模式已在人们脑海里根深蒂固，并习惯地认为：大多数褶皱－冲断带的形成过程应是逐步向前扩展，逆冲断层的冲向或褶皱轴面的倒向应与构造挤压方向一致。例如，对于青藏高原褶皱－冲断带的形成机制解释，目前主要是基于这种思路［11－12］。

图3 推土机模式的物理模拟实验结果照片，显示前冲叠瓦式构造样式和逐步前展方式的褶皱－冲断楔形体，α为褶皱－冲断楔的临界坡角（据文献［13］修改）

3.2 基底韧性层的作用

然而，自然界中除上述前冲前展的褶皱－冲断带外，还存在其它更为复杂的褶皱－冲断带类型，如：前后双冲（甚至纯粹后冲）和无序扩展（甚至后展）类型。这些复杂褶皱－冲断带的形成是难以用上述推土机模式加以合理解释。它们通常与基底韧性层（如沉积地层中的膏盐层，地壳深部因升温和流体等因素导致的软化岩层）有关。基底韧性层的存在，不仅可以降低基底拆离面剪切强度，并且自身所发生的复杂流动（如水平流动、底辟上涌等），可以影响褶皱－冲断带的变形扩展方式和构造样式。这一问题已经成为近期褶皱－冲断带形成过程和动力学机制研究的重要命题，并已进行一些深入的物理模拟研究［14－17］。已有的研究表明，随着基底韧性层粘度的下降，变形扩展方式从前展（图3）逐渐变为无序（图4a）、同步、甚至后展（图4b），变形向前传递速度明显加快（图5），褶皱－冲断带宽阔增加、坡度下降（对比图3与4），构造样式也可从纯粹前冲（图5之1—3剖面）逐步变为前后双冲（图4a）、甚至后冲为主的构造样式（图5之4—6剖面）。在特定情况下，韧性基底层甚至可以导致自然界中罕见、动力学机制难以用库仑－摩尔准则解释的纯后冲褶皱－冲断带的形成（图6）［13，18］。由此可见，存在基底韧性层的情况下，简单的挤压作用可以产生变形过程和构造面貌十分复杂的褶皱－冲断带，逆断层的冲向好褶皱轴面倒向并非一定与构造挤压方向一致，变形扩展方式也未必是逐步向前扩展。

图4 韧性基底层单侧挤压模型实验结果，基底层由具牛顿流体属性的硅胶构成（底面黑色部分），数字标注断层出现的顺序。a低坡度无序扩展褶皱－冲断带（据文献［15］修改）；b低坡度后展褶皱－冲断带

图5 部分韧性基底层的单侧挤压模型系列剖面切片素描图（黑色层为硅胶层），表示模型的三维结构状态（据文献［14］修改）。剖面1—3位于摩擦基底部位，显示以前冲为主的结构样式；剖面4—9位于韧性基底层部位，显示前后双向逆冲的构造样式和较远的前锋带推进距离

图6 纯后冲褶皱－冲断构造的物理模拟实验结果和野外实例。a基底水平累积性收缩模型的实验结果照片（据文献［13］修改）；b韧性基底层模型的实验结果照片（据文献［18］修改）；c来自北美Cascadia俯冲带全球最典型的纯后冲褶皱－冲断构造地质剖面（据文献［17］修改）

3.3 地形地貌的影响

地形地貌因素对褶皱－冲断带构造形成过程和特征影响问题，近年来逐渐受到重视。在以往的研究中这是一个常被忽视的因素，人们更多关注构造应力状态和地层力学性质因素。近年来的物理模拟研究表明，与剥蚀或沉积作用有关的地形地貌因素不容小视［19－21］。通常情况下，褶皱－冲断带的走向与挤压块体边界走向平行，并随着挤压量的增加，褶皱－冲断带保持与挤压块体边界的走向平行的姿态逐步向前扩展、宽度不断加大（图7a）。但是，如果隆升部位的地层不断遭受均匀的剥蚀，那么褶皱－冲断带的宽度就不再随着挤压量增大而加大，只是保持与挤压块体边界平行的状态（图7b）；如果隆升部位的地层遭受不均匀的剥蚀，那么剥蚀较强烈部位的变形扩展就会滞后，从而形成内凹的褶皱－冲断带（图7c，d）。此外，如果存在初始高地（图7e），高地前缘的变形扩展就会明显超前，从而形成弧形凸出的褶皱－冲断带（图7f）。

图7 地形及剥蚀作用对褶皱－冲断带构造形成过程影响问题的物理模拟实验研究结果（据文献［19］修改）。a正常条件下的实验模型顶面照片，显示变形带逐步向前扩展、但保持与挤压挡板平行的姿态；b均匀剥蚀条件下实验模型的顶面照片，显示变形带向前扩展明显受阻、但保持与挤压挡板平行的状态；c，d不均匀剥蚀条件下实验模型的顶面照片，显示剥蚀部位变形带向前扩展明显滞后；e，f局部高地条件下实验模型的顶面照片，显示高地前缘变形带向前扩展明显超前和弧形凸出形态

3.4 青藏高原问题

青藏高原是全球最具特色的挤压构造区，是新生代印度－欧亚板块汇聚碰撞的产物，为一具有平顶陡边地貌特征的宽阔褶皱－冲断带。独特的构造地貌特征、仍在继续进行中的构造过程、以及显著的气候环境效应，使之成为大陆构造动力学及其气候环境效应研究的理想天然实验室。青藏高原存在一些以阿尔金、红河断裂为代表的大型走滑断裂带，把高原分隔成一些相对独立的块体（图8a）。这些块体之间的相对运动方式及其与走滑断裂之间的相互关系，是青藏高原构造过程与动力学机理研究的焦点问题。Tapponnier等采用物理模拟方法对其进行了研究［22］。他们的实验模型以带条纹标记的橡皮泥作为欧亚板块部分的相似材料模拟，并用长条状刚性块体模拟印度板块，实验装置的主体为正方形（边长30cm）透明有机玻璃盒。除东、南两侧外，有机玻璃盒均被透明有机玻璃板封闭。当代表印度板块的长条状刚性块体从南侧挤入时，代表欧亚板块的橡皮泥在受到挤压时因顶面盖板的限制无法褶皱上隆，只能够以平面应变方式向无阻挡的东侧挤出，因而产生了走滑与挤出的变形格局（图8b）。这一模型形象地展示了青藏高原的走滑断裂及其所夹持块体的一种可能运动方式（图8c），据此提出了著名的“走滑－逃逸”模式，认为青藏高原变形主要以走滑断裂的运动与所夹持块体的总体向东逸出为主导（图8a）。该实验充分展示，物理模拟方法可为构造过程与动力学机理的解释提供直观明了的启示和依据。这一“走滑－逃逸”模式首次为青藏高原构造过程与动力学机理提供了简洁的解释方案，并对青藏高原构造研究产生了二十余年的深远影响，且其影响一直延续至今。

图8 青藏高原形成过程的物理模拟实验结果与动力学机制解释（据文献［22］修改）。a印度－欧亚板块构造格架与“走滑－逃逸”模式的解释方案；b，c物理模拟实验结果照片与解释

近年来，随着GPS观察数据的积累，人们认识到青藏高原变形并不符合上述“走滑－逃逸”模式，而是呈连续分布的特点［23－24］，并且这一特点可用下地壳软弱层的 “渠道流”（channelflow）模式加以合理解释［12］。于是，人们重新审视［22］实验模型并意识到，用顶面盖板限制橡皮泥的褶皱上隆、促使橡皮泥只能以平面应变方式向东挤出的设计违反了基本的“相似原则”，因为实际情况是：受挤压的青藏高原地壳可以自由地向上部大气空间褶皱隆升，以吸收印度板块挤入导致的缩短变形。由此可见，尽管物理模拟方法可为构造过程与动力学机理研究提供启示和依据，但若违反相似原则完全可能导致错误结果。

4 反转断裂系统

盆地的构造反转过程是盆地构造研究的热点问题之一，其中先期断裂系统在后期构造反转过程中的表现则是问题的焦点。人们常习惯地认为，先期断裂构成的薄弱面在后期反转过程中应该优先逆转，即从原来的正（或逆）断层优先反转为逆（或正）断层，且这种反转可以进行得十分彻底，甚至可以完全抹去前期断裂的痕迹。然而，这种认识只是一种猜想。构造物理模拟研究表明，绝大多数先期正断层，无论是铲式正断层还是多米诺式正断层（图9a，c），在后期的挤压反转过程中均不会转化为逆断层，只是倾角变陡，缩短变形主要由新生的低倾角逆冲断层实现（图9b，d），除非地层强度异乎寻常，如同文献［25］的模型中铁板般的坚硬。负反转构造的情况也类似。由此表明，先期断层发生性质逆转的可能性很小，因此如果判定一个未见先期断层痕迹的地区曾发生构造反转，将具有很大的风险。

图9 正反转构造的物理模拟实验结果。a，b铲式正断层反转模型素描（据文献［26］修改），显示只有铲式边界断层发生部分反转，先期正断层只是倾角变陡；c，d多米诺式正断层反转模型照片（据文献［27］修改），显示绝大部分先期正断层只是倾角变陡

5 结语

由于分属不同的力学问题范畴，库仑破裂准则及其相关的安德森断层成因模式在解释断裂系统的形成机制方面存在不少困难。导致面貌较为复杂的构造常被认为与复杂的构造过程和动力学机制有关。构造物理模拟研究结果则为我们提供了许多新的启示：复杂构造面貌未必意味着复杂的构造过程和动力学机理。如果一个复杂的构造可以用简单的构造过程和简洁的动力学机理解释，那么按照奥卡姆剃刀原则，应该选用简单的解释，因为对于同一现象，简单的解释往往比复杂的解释更正确、需要最少假设的解释最有可能是正确的，这是已被大量科学实践所证实的客观规律。

（2011年8月3日收到）

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通过查阅资料，并筛选整理数据选取云南地区2000年～2010年5级以上的17次地震为样本数据，原始数据[4～8]如表1所示。

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