剥蚀及同构造沉积作用对断层活动性影响的实验模拟研究∗

吴珍云尹宏伟Hemin A. Koyi江苏省地震局，南京 210014南京大学地球科学与工程学院，江苏 210046Department of Earth Sciences, Uppsala University, Uppsala Villavägen 16, Sweden

剥蚀及同构造沉积作用对断层活动性影响的实验模拟研究∗

吴珍云1）尹宏伟2）Hemin A. Koyi3）
1）江苏省地震局，南京 210014
2）南京大学地球科学与工程学院，江苏 210046
3）Department of Earth Sciences, Uppsala University, Uppsala Villavägen 16, Sweden

∗基金项目：国家自然科学基金（40872134,41272227）资助。

在统计分析内陆构造地震活动的空间分布特征时，容易发现构造地震活动带主要分布在造山带内部或者其盆山耦合带，如我国天山造山带、西昆仑造山带、龙门山褶皱造山带以及伊朗扎格罗斯褶皱造山带等。这些地震频发区域具有两个明显的构造特征，一是造山带隆升往往伴随着比较强烈的区域剥蚀作用，二是盆山耦合带容易沉积巨厚的同构造沉积地层。前人研究表明断层活动和盆山体系的剥蚀、沉积特征之间存在相互影响的作用。那么在构造地震诱发时，区域剥蚀作用和同构造沉积作用对断层活动性具有怎样的影响呢？因此，结合前人研究成果，尝试从实验模拟的角度来探讨剥蚀作用以及同构造沉积作用对盆山体系内断裂的活动及形成、分布特征的影响，并结合实际地震分布特征和实验模拟结果，阐述褶皱造山带和盆山耦合带的孕震机制。

实验以褶皱冲断带（盆山耦合带）剥蚀作用和同构造沉积作用作为实验模型的2个变量条件，设计了3组沙箱物理模拟（physical modeling）实验和3组离散元数值模拟（DEM，Discrete Element Modeling）实验（表1）。沙箱模拟实验用干燥石英砂模拟上地壳脆性地层，聚酯硅胶模拟塑性软弱层，实验模型符合物理模拟相似性原则；离散元数值模拟基于分子动力学方法设定粒子之间的相互作用力，允许模型内部存在较大数值的相对位移，适合模拟动态的断层形成过程以及模拟具有复杂内部应变的地质构造。实验过程中，通过观察和统计断层的活动情况、分布特征以及地层的褶皱变形情况探讨了剥蚀作用和同构造沉积作用分别对断层活动性的影响。同时，在数值模拟实验过程中，分析了模型挤压过程中不同实验模型中应力应变沿断层和褶皱的分布特征。

表1　实验模型统计表

实验结果表明：①同构造沉积作用对其下伏先存基底断裂再活动具有抑制作用，此时挤压应力主要由地层褶皱所吸收，沿断层面构造应力集中相对减少，断层滑移量也相对减少；②同构造沉积作用容易促使挤压应力向沉积地层（沉积盆地）边缘汇聚，而在同构造沉积地层（沉积盆地）下方应力汇聚相对减小；③褶皱冲断带内地层剥蚀作用对先存断层再活动具有明显的促进作用，断层滑移量相比明显增大，此时挤压应力主要集中在断层滑移面上；④剥蚀作用有利于形成新的次一级的切穿褶皱翼部的断裂；⑤在褶皱冲断带内部，剥蚀作用有利于构造楔的整体抬升和浅部高倾角逆冲断层再活动，应力应变容易在此断层面汇聚，形成良好的孕震环境；⑥受盆地内同构造沉积地层阻挡作用，应力应变汇聚也容易发生在沉积盆地边缘（逆冲构造楔前缘带）的深部缓倾角断层上，形成良好的孕震环境。