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

于福生，李定华，赵进雍，董长华

（1.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；2.中国石油天然气集团公司东方地球物理勘探有限责任公司综合物化探处，河北涿州 072751）

0 引 言

褶皱-冲断构造是造山带前缘发育的重要构造变形样式，其演化过程受地层组合特征、岩石力学性质、受力边界条件等诸多因素影响［1－10］。大量研究资料表明，滑脱层的存在对褶皱-冲断带的几何学、运动学特征具有重要的控制作用［11－16］。前人研究主要集中在单层滑脱作用如何影响褶皱、断层的几何学、运动学特征［17－22］。最近，有研究者开始利用构造物理模拟方法探讨双层滑脱作用对构造变形的影响［23－27］，但只是研究单一因素对变形过程的影响［27］，缺乏多因素综合分析的模拟研究成果及其应用实例。笔者借鉴滑脱层材料属性、滑脱层黏度、上覆砂层厚度、受力边界条件等因素对双层滑脱褶皱冲断构造演化过程影响的基础试验结果，设计试验模型来研究准噶尔盆地南缘西段霍尔果斯—安集海背斜带形成的主控因素。

图1 准噶尔盆地南缘西段构造纲要Fig.1 Structural Map of the Western Part in the Southern Front of Junggar Basin

准噶尔盆地南缘西段发育有3排褶皱-冲断带［4，28］（图1），位于第2排的霍尔果斯背斜带和第3排的安集海背斜带具有典型的滑脱变形特征，但由于地震反射剖面质量较差导致其存在不同的认识。邓起东等认为霍尔果斯背斜带属于双层滑脱变形，安集海背斜带属于单层滑脱变形［4，29－32］。于福生等认为霍尔果斯背斜带、安集海背斜带都为双层滑脱变形［22］。为了验证两种解释方案的合理性及其成因机制，依据基础试验结果和地层组合特征，设计了斜向挤压双层黏性滑脱模型进行模拟研究。

1 试验设置

1.1 试验材料

前人大量试验和测试结果证明，松散干燥的石英砂内摩擦角φ≈37°，符合库伦-莫尔破裂准则，适合模拟强度较大的能干岩层，如砾岩、砂岩、灰岩［33－34］；微玻璃珠φ≈25°，适合模拟强度较小的非能干岩层，如泥岩层、煤层、蒸发岩等滑脱层［12，23，26，35］；无色透明的硅胶遵循牛顿黏度定律，其黏度可以调节，是模拟膏盐层的理想材料［11，19，27，36－37］。笔者在研究滑脱层厚度及其上覆砂层厚度变化等因素试验模型中选择微玻璃珠作为滑脱层材料；在研究滑脱层强度变化试验模型中选择硅胶作为滑脱层材料，其黏度为（0.05～5）× 104Pa·s。所有试验都选择松散干燥的石英砂作为非滑脱层材料。

1.2 模型设置

根据研究目的不同，建立了3类试验模型，共完成14组模拟试验，主要参数见表1。

表1 不同模型试验参数Tab.1 Test Parameters of Different Models

Ⅰ类模型：用于研究滑脱层本身的厚度及其上覆砂层厚度变化对变形的影响，包括MDL1～MDL7等7组试验。试验模型规格为80cm× 20cm×30cm，上、下部滑脱层材料为不同厚度的微玻璃珠（厚度可控，易于铺设），其上铺设单层厚度为3mm的松散石英砂。试验装置左侧固定，右侧挤压（图2），挤压方向与受力边界间的夹角为90°，挤压速度为0.025cm·s－1，收缩率为50%。

Ⅱ类模型：用于研究受力边界条件变化对变形的影响，包括MDL8～MDL10等3组试验，挤压方向与受力边界间的夹角分别为75°、65°、55°，滑脱层厚度、砂层厚度、挤压速度等参数见表1。

图2 试验装置（单位：cm）Fig.2 Schematic Illustration（Unit：cm）

Ⅲ类模型：用于研究下部滑脱层黏度变化对变形的影响作用，包括MDL11～MDL14等4组试验。试验模型规格同Ⅰ类模型，上部滑脱层材料为黏度固定的硅胶（黏度为5×104Pa·s），下部滑脱层材料为黏度不同的硅胶，其上铺设5层单层厚度为2mm的松散石英砂。试验装置左侧固定，右侧挤压，挤压方向与受力边界间的夹角为90°，挤压速度为0.025cm·s－1，收缩率为50%。

2 结果分析

2.1 滑脱层厚度

以微玻璃珠为上、下部滑脱层的厚度变化试验（MDL1～MDL4）模拟结果具有以下特点。

（1）下部滑脱层对变形样式起主导控制作用，变形样式主要为前展型逆冲叠瓦式断裂构造，靠近挤压端发育反冲断层。

（2）下部滑脱层与中间砂层仅发育断裂构造，上部滑脱层与上部砂层发育断层相关褶皱构造。

（3）当下部滑脱层厚度不变时，上部滑脱层厚度较大者容易形成滑脱断层，如试验MDL1上部滑脱层厚度为9cm，当收缩率超过12.5%时，在逆断层F2前侧形成一条滑脱断层F21，当收缩率超过25%时，在滑脱断层F21的前侧形成另一条滑脱断层F22（图3中试验MDL1）。而上部滑脱层厚度较小时难形成滑脱断层，如试验MDL2上部滑脱层厚度为3cm，在收缩率超过50%时，还没有发育滑脱断层（图3中试验MDL2）。

图3 滑脱层厚度变化模拟结果对比Fig.3 Comparison of Simulation Results About Different Thicknesses of Decollements

（4）当保持上部滑脱层厚度不变时，下部滑脱层的厚度变化对逆冲断层叠置样式影响不大，但对上部滑脱层与上部砂层的褶皱紧闭程度有一定影响，下部滑脱层厚度大者形成的断弯褶皱较开阔。

（5）当收缩率相同时，上、下部滑脱层厚度较大者推覆体前缘位移量相对较大（图4）。

图4 推覆体前缘水平位移量与收缩率变化关系Fig.4 Relationship Between Horizontal Migration of Thrust Wedge and Shrinkage Rate

2.2 上覆砂层厚度

保持上、下部滑脱层的厚度不变，改变中间砂层与上部砂层厚度，其试验结果差异如下。

（1）上部砂层厚度较大，容易先形成滑脱断层。试验MDL5上部砂层厚度为15cm，当收缩率超过12.5%时，开始形成第1条滑脱断层F21（图5中试验MDL5）；而MDL6上部砂层厚度为6cm，当收缩率超过25%时，才开始形成第1条滑脱断层F41（图5中试验MDL6）。

（2）当中间砂层厚度较薄时，上、下部滑脱层变形一致，上部滑脱层内不发育滑脱断层（图5中试验MDL7）。

（3）上部砂层厚度较大时，形成的断层相关褶皱较开阔（图5中试验MDL5）；上部砂层厚度较小时，形成的断层相关褶皱较紧闭（图5中试验MDL6）。

2.3 受力边界条件

在滑脱层厚度、上覆砂层厚度保持不变的前提下，改变挤压方向与受力边界间的夹角，其模拟结果特点如下。

（1）挤压方向与受力边界间的夹角越大，上部滑脱层越容易先形成滑脱断层。当挤压方向与受力边界间的夹角为75°以及收缩率大于13%时，开始形成第1条滑脱断层F3（图6中试验MDL8）。挤压方向与受力边界间的夹角为65°以及收缩率接近23%时，开始发育第1条滑脱断层F4（图6中试验MDL9）；当挤压方向与受力边界间的夹角为55°、收缩率接近38%时，开始形成第1条滑脱断层F6（图6中试验MDL10）。

图5 滑脱层上覆砂层厚度变化模拟结果对比Fig.5 Comparison of Simulation Results About Different Thicknesses of Sand Beds Above Decollements

图6 挤压方向与受力边界间的夹角变化模拟结果对比Fig.6 Comparison of Simulation Results About Different Included Angles Between Compression Direction and Stress Boundary

（2）当收缩率相同时，挤压方向与受力边界间夹角较小者的推覆体前缘水平位移较快（图6中试验MDL10）。

（3）当收缩率相同时，挤压方向与受力边界间夹角较大者的推覆体前缘垂向位移量相对较大（图6中试验MDL8）。

2.4 滑脱层黏度

在上覆砂层厚度、受力边界条件、上部滑脱层厚度和黏度（5×104Pa·s）保持不变的前提下，改变下部滑脱层黏度，模拟试验结果具有如下特点。

（1）当滑脱层黏度为0.5×103Pa·s时（图7中试验MDL11），分层变形特征比较明显，上部滑脱层发育前展型叠瓦式逆冲断层及其相关褶皱，背斜倒转，向斜平缓，断层底部收敛于上部滑脱层。下部滑脱层先发育1条反向断层，然后依次发育3条同向逆冲断层。

（2）当滑脱层黏度增大到1.0×103Pa·s时（图7中试验MDL12），在收缩率小于25%时，上、下部滑脱层分层变形特征明显，当收缩率接近37.5%时，上、下部滑脱层同时变形，形成断层F12。然后随着挤压量的增加，变形主要发生在上部滑脱层。总体变形特征表现为上部滑脱层发育断层及其相关倒转背斜构造，而向斜构造不发育。

图7 下部滑脱层黏度变化模拟结果对比Fig.7 Comparison of Simulation Results About Different Viscosities of Lower Decollement

（3）当滑脱层黏度为2.0×103Pa·s时（图7中试验MDL13），在收缩率小于12.5%时，上、下部滑脱层同时变形，先形成断层F1；当收缩率为25%时，在F1后侧形成反冲断层F2，在F1前侧上部滑脱层先形成滑脱褶皱，再发育断层F3、F4；在下部滑脱层先发育反向断层F5，后发育断层F6，两者组成对冲三角带构造。随着挤压量的增加，上、下部滑脱层开始分层变形，上部滑脱层发育前展型滑脱断层及其相关褶皱。

（4）当滑脱层黏度为2.5×103Pa·s时（图7中试验MDL14），收缩率为12.5%以前的变形特征同试验MDL13。在收缩率大于12.5%以后，随着挤压量的增大，在F1后侧形成反冲断层F2，在F1前侧上部滑脱层形成3条叠瓦式断层，在下部滑脱层形成断层F4。当收缩率为25%时，下部滑脱层发育断层F7及切割上、下部滑脱层的断层F8，两者间构成背冲构造。当收缩率为37.5%时，在F8前侧发育断层F10、F11，组成第2个背冲构造，F8与F10组成对冲构造。当收缩率为50%时，断层F8、F11位移量增大，变为主控滑脱断层。

3 讨 论

地震剖面和钻井资料显示，准噶尔盆地南缘西段霍尔果斯—安集海背斜带具有分层滑脱、背冲构造发育的变形特点，与高黏度（黏度大于2.0× 103Pa·s）双滑脱层试验结果（图7中试验MDL13、MDL14）具有类似之处。前人多年来的解释方案认为霍尔果斯背斜上部滑脱断层F2具有双向逆冲特点，下部滑脱断层F6上盘发育两条反冲断层［图8（a）］，同时认为安集海背斜是下部滑脱断层及其反冲断层构成的背冲构造［4，25－28］。本文的解释方案认为上部滑脱断层F2具有单向逆冲特点，安集海背斜是上部滑脱断层及其反冲断层构成的背冲构造［图8（b）］。为了证实霍尔果斯—安集海背斜带解释的合理性，借鉴高黏度滑脱层试验结果，结合地震剖面地层组合特点和边界条件，设计斜向挤压和高黏度双滑脱层物理模型进行验证。

试验模型规格为60cm×20cm×30cm。试验装置右侧为固定挡板，左侧为带有马达的活动端，活动端前侧放置一个三角形聚苯板模型，使挤压方向与受力边界间的夹角为75°。根据剖面地层厚度按比例铺设8层材料，自下而上厚度分别为1.2、0.8、1.0、1.2、0.8、0.8、1.0、1.0cm，分别代表C、T、J、K、E、N1、N21、N22地层单位，其中，J层和E层材料为硅胶（黏度为5×104Pa·s），代表煤层和泥岩层，其他层的材料为松散石英砂。马达挤压速率为0.03mm·s－1。

当收缩率为33%时，模拟结果［图8（c）］中的断层F5、F11～F13分别与本文解释方案中的断层F2～F4、F7相对应，显示为前展型分层滑脱变形组合，与前人解释方案具有较大差异。说明斜向挤压边界与侏罗纪煤层、古近纪泥岩层的分层滑脱作用是形成霍尔果斯—安集海褶皱-冲断带的主要因素。

4 结 语

图8 模拟结果与霍尔果斯—安集海背斜带地震剖面不同解释方案对比Fig.8 Comparison of Simulation Result with Different Versions of Seismic Profile Interpretation in Khorgos－Anjihai Anticlinal Zone

（1）以微玻璃珠作滑脱层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；以黏性材料硅胶作滑脱层产生冲断-褶皱构造，具有分层变形特征。

（2）以微玻璃珠为滑脱层材料时，上部滑脱层厚度以及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夹角越大，上部滑脱层越容易先形成滑脱褶皱；当收缩率相同时，挤压方向与受力边界间的夹角较小者，其推覆体前缘水平位移较快。

（3）以硅胶为滑脱层材料时，下部滑脱层硅胶黏度为500～1 000Pa·s，形成分层滑脱前展型逆冲叠瓦式构造变形；当硅胶黏度为2 000～2 500Pa·s时，靠近挤压端先形成基底卷入式背冲构造，然后在上部滑脱层形成叠瓦式构造、背冲式构造，在下部滑脱层形成对冲三角带构造、背冲构造、叠瓦式构造。

（4）准噶尔盆地南缘霍尔果斯—安集海褶皱-冲断带具有滑脱变形特征，斜向挤压、侏罗纪煤层与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。

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