前陆褶皱冲断带冲起构造发育特征:基于砂箱构造物理模拟实验研究

万元博，李智武，邓　宾，刘树根，赵高平，林　彤 ，黄　瑞

(成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 四川 成都　610059)



前陆褶皱冲断带冲起构造发育特征:基于砂箱构造物理模拟实验研究

万元博，李智武，邓宾，刘树根，赵高平，林彤 ，黄瑞

(成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 四川 成都610059)

冲起构造广泛发育于挤压逆冲构造体系和走滑构造体系，具有极其重要的油气勘探价值，因而备受关注。砂箱模拟模型已经被证明是强大的可视化工具，用来模拟不同岩层中复杂的构造现象。基于相似初始砂箱构造模型条件下不同挤压速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)变形过程，揭示出褶皱冲断带发育过程中的典型两类冲起构造：叠加冲起构造和单一冲起构造，它们对于褶皱冲断带演化过程及其油气勘探具有明显不同的重要性。砂箱物理模拟实验揭示楔形体扩展变形序列对前陆褶皱冲断带冲起构造发育类别具有重要控制作用，即褶皱冲断带前缘以前展式扩展变形为主，主要发育单一冲起构造；后缘以后展式扩展变形为主,主要发育叠加冲起构造。

砂箱实验；冲断楔形体；叠加冲起构造；单一冲起构造

0　引　言

冲起构造(Pop-up structure)是板内挤压逆冲构造带和走滑断层带的重要组成部分，其特征是逆冲断层与同时发育的反冲断层所围限的部位因强烈挤压而形成隆起，主要表现为断层切割岩层扭曲的背斜形式，广泛发育于挤压逆冲构造体系和走滑构造体系，具有极其重要的油气勘探价值，因而备受关注[1-5]。单一冲起构造(Simple pop-up structure)是指在褶皱冲断带发育的单个逆冲断层与其同时形成的反冲断层所构成的隆起构造，而叠加冲起构造(Superimposed pop-up structure)是指褶皱冲断带发育相邻的单一冲起构造间新发育的逆冲断层与先存发育的反冲断层后叠加在一起构成的更大的隆起构造。

图1　冲起构造实验模型(其中Tn为冲断楔形体，α为楔顶角，H0为初始高度， Hf为最终楔高，θn为逆冲断层倾角，θrn为反冲断层倾角，βn为冲断层间夹角，βsn为叠加冲起构造夹角，Dn为逆冲断层断距，Drn为反冲断层断层)Fig.1　Model of pop-up structure showing the parameters measured in the analysis of the experiment

砂箱构造物理模拟实验研究和模拟自然界地质构造现象变形特征，以揭示其成因机制和运动学过程，已经被证明是强大的可视化工具，在国际上得到广泛应用[5]。将砂箱构造物理模型与数值模拟相结合运用到褶皱冲断带研究，从定性分析到定量化建立地质模型，不仅促进地质学发展，而且对油气勘探开发提供技术支撑。造山带砂箱物理模拟研究中广泛发育冲起构造。Richard等通过砂箱模拟实验描述了走滑断层带的变形特征，探讨了边界条件对走滑断层中冲起构造发育演化的影响[6]。MCCLAY等通过砂箱模拟走滑断层系统中挤压位错的模型，揭示了冲起构造渐进演化的运动学特征[7]。SCHELLART等通过砂箱模拟了双重基底走滑断层的冲起构造演化，运用3D扫描技术记录实验过程，探讨了冲起构造的地表隆起特征[8]。前人的研究成果中大多对挤压缩进砂箱模型中冲起构造的边界条件、几何学、运动学作了深度研究，而对前陆褶皱冲断带发育的冲起构造发育样式及其形成类别、生长机制则探讨很少。因此，本文基于相似初始砂箱构造模型条件下不同挤压速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)的变形过程，探讨褶皱冲断带冲起构造的发育演化过程，研究成果对于褶皱冲断带演化及其油气勘探具有明显不同的重要性。

1　砂箱模拟实验方法

1.1实验材料

实验基础材料采用纯白色干燥石英砂颗粒(标志层采用红色石英砂颗粒),力学性质符合库仑—摩尔破裂准则，内聚力接近零,其被公认是模拟地壳浅层次构造变形的理想相似材料[9-18]。石英砂经筛分,粒径为200～400 μm，内摩擦角29°～31°,内摩擦系数约为0.55。

1.2模型的相似性

实验模型与自然界原型之间的相似性的确定，是通过模拟实验来探讨地质问题的前提。物理模拟实验的相似性主要是几何学、运动学、动力学三方面的相似[19-22]。笔者的实验中，所有采用的冲起构造实验模型及其几何学参数如图1所示。实验的运动学相似，根据前人研究选取了两类量级的挤压速率进行实验[7,23-25]。物理模型和原型的动力学相似表示为：

σ*=ρ*×g*×L*

式中：σ*表示模型和原型之间的应力比值；ρ*表示密度的比值；g*和L*分别表示重力加速度和长度的比值。实验在正常重力场中进行，因此重力加速度的比值g*=1。实验材料与实际演示的密度比值ρ*≈0.5，取长度比值L*=1×10-5(模型1 cm代表自然界1 km)，因此模型与原型的应力比值为5×10-16。

1.3模型的建立

本次实验采用的砂箱规格为1 080 mm×340 mm×420 mm。设计了3组不同速率下单向挤压模型，模型铺设的水平砂层分三层，从下到上厚度分别为15 mm、10 mm、10 mm，中间以纯红色干燥石英砂作为标志层(图2)。

图2　实验模型设置Fig.2　Setting up of the experimental model

1.4实验过程

实验在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室构造物理模拟实验室进行。本次实验是左端电缸不动，通过启动右端电缸作水平单侧向活动，对砂箱水平砂层施加挤压变形，每次挤压缩进至结束的位移量D=500 mm。实验过程中定时照相记录挤压过程。每个实验都进行两次以上重复实验，以避免物理模拟的偶然因素的不利影响并验证实验结果的可重复性。

2　实验结果

实验共设计3组不同速率下的单向挤压变形，实验数据见表1，实验过程的图像记录及其冲起构造样式的解释如以下图件(图3—图9)所示,图中水平砂层剖面上的红色曲线为标志层。

2.1V1=0.3 mm/s的单侧挤压变形结果

挤压作用开始后，水平砂层初始变形会出现一个不对称的膝折带。随着右侧挡板向左推移，靠近挡板一端会依次成对出现向剖面右侧倾斜(与挤压方向相反)的逆冲断层和向剖面左侧倾斜的反冲断层(图3(a))。模型演化早期，楔形体向前扩展，伴随逆冲断层生长的反冲断层会发育多条反冲断层并与之一起生长，楔顶角快速变小，快速达到稳态高度80 mm(图3(b))。继续向前挤压至缩短量S=500 mm过程中，楔形体具前展式变形且楔顶角稳定范围为7°～12°(图4)，楔形体高度随着挤压位移量的增加，缓慢增长至105 mm；发育的逆冲断层和其相应的反冲断层的倾角变化都先减小后趋于稳定，5条主要逆冲断层的倾角的稳定峰值区间为33°～43°，反冲断层的稳定峰值区间为47°～68°(图4(e))；冲断层间的夹角β为85°～102°(图4(f))；逆冲断层的断距为34.1～64.9 mm，大于相应的反冲断层断距7.7～19.1 mm(图4(b)和(c))。

最终模型的几何形态在剖面上的显示如图3(g),在此速率下其构造样式主要表现为楔形体向前扩展，同时形成右倾的逆冲断层和左倾的反冲断层构成的单一冲起构造。楔形体的生长过程与冲起构造的发育过程有着密不可分的关系。实验结果显示：成对发育的逆冲断层和反冲断层的倾角的逐渐减小、断距增大直接导致单一冲起构造的夹角和面积的增大；新形成的反冲断层剪切先存的逆冲断层导致其向上生长(隆起)，从而使得楔形体高度增加。

表1不同挤压速率下实验参数与结果

Table 1Summary of experimental parameters and results of experiment series with various velocity

冲断楔形体参数V1=0.3mm/sV2=0.1mm/sV3=0.005mm/sTT1T2T3T4α/(°)23～719～724～6H0/mm353535Hf/mm105107112θ1/(°)30.43335θr1-1/(°)-53-66-61.5θr1-2/(°)-54-51-45β1/(°)96.596100D1/mm43.442.773.7Dr1-1/mm22.211.915.2Dr1-2/mm15.644.230.2θ2/(°)35.235.434.9θr2-1/(°)-37-66-50θr2-2/(°)-55-61-50.6β2/(°)89.895.695.1βs2/(°)-100-D2/mm34.17045.5Dr2-1/mm18.55.510.9Dr2-2/mm9.111.111.7θ3/(°)38.344.430θr3-1/(°)-53-60-50.2θr3-2/(°)-49--45.2β3/(°)92.785.699.8βs3/(°)102-108D3/mm64.918.717.8Dr3-1/mm19.17.324.8Dr3-2/mm17.6-13.4θ4/(°)39.131.138θr4-1/(°)-60-50-50.1θr4-2/(°)-62-44-β4/(°)80.998.881D4/mm31.654.615Dr4-1/mm7.79.37.8Dr4-2/mm8.218.8-

图3　挤压速率V1=0.3 mm/s下的单侧向挤压模型变形实验结果Fig.3　Profiles showing the progressive evolution result of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V1=0.3 mm/s

2.2V2=0.1 mm/s的单侧挤压变形结果

图5　挤压速率V2=0.1 mm/s下的单侧向挤压模型变形实验结果Fig.5　Profiles showing the progressive evolution of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V2=0.1 mm/s

图6　挤压速率V1=0.3 mm/s((a)、 (b))和V2=0.1 mm/s((c)、 (d))下的挤压缩短量与断距曲线对比Fig.6　Comparison of shortening vs thrust displacement at the extrusion speeds of V1 and V2

挤压开始后，水平砂层初始变形同样会出现一个不对称的膝折带。在T4形成之前，模型的演化早期与V1=0.3 mm/s的相似，楔形体具前展式褶皱冲断变形，靠近挡板一端会依次成对出现向剖面右侧倾斜的逆冲断层和向剖面左侧倾斜的反冲断层(图5(a))。伴随逆冲断层生长的反冲断层会发育多条反冲断层与之一起生长，楔顶角由最初的19°快速减小为6°(表1)，楔形体达到稳态高度为77 mm(图5(b))。当缩短量S=274 mm时，发育的Tr2开始反向剪切T1后，剖面上显示T1上叠于T2并与之一起以背冲方式增生构成一个更大的叠加冲起构造(图5(d)和(e))，从而导致楔高H和T2、Tr1的断距增加(图6(c)和(d))。 当缩短量S=364 mm时，T4发育稳态，随着挤压的持续推移反冲断层剪切T3导致T3内部变形严重，剖面上显示为T3与T4叠重后一起发育构成另一个大的叠加冲起构造(图5(f)和(g))，这种变形方式也导致T4、Tr3的断距增加(图6(c)和(d))。继续挤压至缩短量S=500 mm时，砂体前缘向前扩展，形成新的冲断层T5(图5(h))。

整个挤压过程与速率V1的相比，楔形体后缘内部变形略有增强。然而不同的是，当挤压缩短量S为274～336 mm(T3形成后T4之前)和缩短量S为364～458 mm(T4形成后T5之前)，在这两个阶段，楔形体没有向前扩展形成新的冲断层，而是在其后缘先存的逆冲断层以对冲运动方式增生。楔顶角的稳态范围为9°～12°，楔形体达到临界楔高后缓慢增长至结束时高度为107 mm；发育的逆冲断层和其相应的反冲断层的倾角变化都先减小后趋于稳定，5条主要逆冲断层的倾角的稳定峰值区间为31.1°～44.4°，反冲断层的稳定峰值区间为44°～66°，冲断层间的夹角β为85.6°～100°；逆冲断层的断距为18.7～70 mm，普遍大于相应的反冲断层断距5.5～44.2 mm(表1)。

2.3V3=0.005 mm/s的单侧挤压变形结果

挤压作用开始后，随着右侧挡板推移，在缩短量S=226 mm之前，模型初始变形与V1的相似，楔形体具前展式褶皱冲断变形且靠近挡板一端会依次成对出现向剖面右侧倾斜(与挤压方向相反)的逆冲断层和向剖面左侧倾斜的反冲断层(图7)。伴随逆冲断层生长的反冲断层会发育多条反冲断层并与之一起生长，楔顶角由最初的24°快速减小为10°，楔形体稳态高度为83 mm(图7(b))。继续挤压至缩短量S=258 mm处，在此推进过程中，楔形体没有向前扩展而是在楔形体的后缘反冲断层Tr2剪切先存逆冲断层T1并以上叠方式增生，这种变形方式直接导致T2、Tr1的断距增加，其增加幅度小于V2的结果(图8(e)和(f))，进而使逆冲断层T2和T1在剖面上呈叠加样式(图7(g))。当挤压至缩短量S=374 mm时，新形成的逆冲断层T4发育稳态。继续挤压至缩短量S=448 mm时，楔形体同样没有向前扩展而是在冲断带后缘新发育的反冲断层Tr4剪切先存T3并以叠重形式背冲增生，同样导致T4、Tr3的断距增加，断距增加幅度明显高于V2的结果(图8(e)和(f))。当缩短量S=500 mm时，在左边挡板附近快速发育新的冲断层T5(图7(h))。

整个挤压过程与挤压速率V1、V2的模型相比，楔形体内部变形较V1、V2强。楔顶角的稳态范围为7.5°～11°，楔形体达到临界楔高后缓慢增长至结束时高度为112 mm；发育的逆冲断层和其相应的反冲断层的倾角变化都先减小后趋于稳定，5条主要逆冲断层的倾角的稳定峰值区间为30°～35°，反冲断层的稳定峰值区间为45°～61.5°，冲断层间的夹角β为81°～100°；逆冲断层的断距为17.8～73.7 mm，普遍大于相应的反冲断层断距7.8～30.2 mm(表1)。

图7　挤压速率V3=0.005 mm/s下的单侧向挤压模型变形实验结果Fig.7　Profiles showing the progressive evolution of unilateral to extrusion at the extrusion speed of V3=0.005 mm/s

2.4小结

实验结果的分析可以得出：挤压楔形体的扩展变形序列对冲起构造发育起着重要的控制作用，同样的冲起构造的发育特征对楔形体变形起着重要的反馈作用(表2)；楔形体的楔顶角的变化主要稳定在7°～13°之间；楔高的增长分为两个阶段，即快速增长至临界楔形体高度以后进入稳态低速增长期，在稳定低速增长期，楔高的增大主要是后发育的反冲断层错切先存逆冲断层造成的。同时也揭示出褶皱冲断带发育过程中的典型两类冲起构造：叠加冲起构造和单一冲起构造，它们对于褶皱冲断带的演化过程及其油气勘探具有明显不同的重要性(图9)。一般而言，冲起构造几何样式为成对发育的逆冲断层和反冲断层构成，它们的倾角随挤压位移量增大逐渐减小最后达到稳态的角度(其中逆冲断层角度30°～44.4°，反冲断层角度45°～68°),逆冲断层和反冲断层之间夹角主要为85°～102°且叠加冲起构造的断层夹角βs主要在100°～108°之间，单一冲起构造的断层夹角βn主要在80°～96.5°之间；冲起构造的逆冲断层活动距离Dn为17.8～73.7 mm，反冲断层活动距离Drn为5.5～44.2 mm；叠加冲起构造反冲断层条数明显多于单一冲起构造反冲断层条数。

3　讨　论

3.1单一冲起构造发育特征

图8　挤压速率V1=0.3 mm/s((a)、 (b))、V2=0.1 mm/s((c)、 (d))和V3=0.005 mm/s((e)、 (f))下的挤压缩短量与断距曲线对比Fig.8　Comparision of shortening vs thrust displacement at the extrusion speeds of V1,V2 and V3

基于相似初始砂箱构造模型条件下不同挤压速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)下变形过程研究，得出单一冲起构造发育特征具有高度的相似性。单一冲起构造的几何样式简单，主要是由发育的单个逆冲断层与其同时形成的反冲断层所构成的隆起构造且楔形体具有窄、厚的几何特征。LOHRMAN等2003年研究了模拟材料性能上的汇聚砂箱楔形体的几何学、运动学、动力学的影响[26]，揭示出单向汇聚楔形体具有典型的结构和变形带，即前缘变形带、前缘叠瓦冲断带和内部加积变形带，本文实验结果与之具有高度相似性。通过三组实验结果可以得出单一冲起构造主要发育于前缘变形带，不同的是挤压速率为0.3 mm/s时整个挤压过程发育的主要是单一冲起构造样式且具前展式扩展变形序列，另外两个挤压速率0.1 mm/s、0.005 mm/s仅在前缘变形带发育单一冲起构造。

表2　各挤压速率下冲断楔形体扩展变形发育过程对比

注：砂箱实验总长度为1 080 mm，缩短率均为范围值(R+1%)。

图9　单一冲起构造和叠加冲起构造特征对比Fig.9　Comparison of the structural characteristics between simple pop-up structure and superimposed pop-up structure

3.2叠加冲起构造发育特征

图10　冲起构造实验模型图与克拉2气田冲起构造剖面(据TANG等[32])　　Fig.10　Characteristic comparison between pop-up structural profile of KL2 gas field and the experimental model ofpop-up structure

通过三组不同挤压速率下的实验结果分析得出，叠加冲起构造几何样式复杂，主要表现为褶皱冲断带发育相邻的单一冲起构造间新发育的反冲断层剪切先存发育的逆冲断层后，叠加在一起以背冲运动方式增生，构成更大的隆起构造且楔形体显示出宽、薄特征。叠加冲起构造主要有上叠式和叠重式两种方式，发育于内部加积变形带或前缘叠瓦冲断带(图9(b))。值得指出的是：由上叠式形成的叠加冲起构造发育于内部加积带，而叠重式形成的叠加冲起构造主要发育于前缘叠瓦冲断带。不同速率下(0.1 mm/s、0.005 mm/s)相同缩短量下发育的叠加冲起构造具有一定的差异性。挤压速率为0.1 mm/s时主要发育上叠式叠加冲起构造，而以叠重式形成的叠加冲起构造发育可见雏形但未发育稳态就会以前展式扩展变形发育单一冲起构造；挤压速率为0.005 mm/s时两种方式形成的叠加冲起构造均发育，但不同的是，由叠重式形成的叠加冲起构造变形更强。无论是上叠式叠加还是叠重式叠加(图9(b))，它们的这种变形方式造成其楔高H和逆冲断层、反冲断层的断距增加，进一步导致构成冲起构造的面积增大，进而有利于大中型常规油气藏聚集。GUTSCHER等1996年通过研究基底摩擦砂箱实验，指出单向挤压砂箱模型的楔形体变形传播呈阶段性和周期性[27]。本文模拟的叠加冲起构造发育不仅具无序冲断扩展变形序列，且其传播方式具阶段性和周期性(表2)，这种特性与GUTSCHER的研究结果非常吻合。MACLAY等研究模拟单、双向汇聚楔形体的砂箱实验，指出其模型生长分为早期快速扩展变形阶段和后期低速稳态扩展变形阶段[5,28-29]。本文的实验结果不仅符合他们得到的变形规律，而且这种楔形体扩展变形序列对前陆褶皱冲断带冲起构造的发育类别具有重要控制作用。

3.3冲起构造对油气运聚意义

冲起构造作为重要的构造样式广泛发育于前陆褶皱冲断带,其发育特征对油气聚集和运移、圈闭封闭性有着重要意义[30-31]。我国西部新疆克拉玛依油田的克拉2(KL2)气田位于克拉苏断层上盘发育的盐构造相关的典型冲起构造[32](图10)。地震剖面显示主逆冲断层F1与反冲断层F4构成冲起构造。从几何形态上分析克拉2气田主要表现为上叠式叠加冲起构造(图10(a))，发育于前陆褶皱冲断带后缘。冲起构造储层为克拉2气田优质储层白垩系巴什基奇克组砂岩，上覆泥岩、膏盐层为盖层，下伏多套烃源岩,主要为侏罗系恰克马克组湖相泥岩、阳霞组煤系地层及三叠系黄山街组湖相泥岩[33]。克拉2气田冲起构造内储层距离大中型烃源岩较近，而发育的逆冲断层F1可作为有效通道连接烃源岩，利于油气的运移与大量聚集。然而，单一冲起构造主要发育于褶皱冲断带前缘，相对于大中型烃源岩距离较远，不利于油气大量聚集。因此，叠加冲起构造的发育演化特征控制前陆褶皱冲断带油气藏断层圈闭的封闭性，对常规油气藏的形成具有重要意义。

4　结　论

通过不同挤压速率下单向挤压砂箱模拟实验结果分析以及探讨冲起构造的发育特征，得到以下几点认识：

(1)基于相似初始砂箱构造模型条件不同挤压速率下的变形过程，揭示出褶皱冲断带发育过程中的两类典型冲起构造：单一冲起构造和叠加冲起构造，变形程度从高速(0.3 mm/s、0.1 mm/s)到低速(0.005 mm/s)逐渐增强。其中不同速率下单一冲起构造特征具有相似性，而叠加冲起构造的发育具明显差异性，前陆褶皱冲断带构造样式的演化主要受控于砂箱物理模拟实验楔形体扩展变形序列，即前展式扩展变形序列和后展式无序冲断变形序列。

(2)对于冲起构造的形成与演化而言，单一冲起构造样式简单，主要发育在褶皱冲断带前缘，表现为楔形体向前扩展，同时形成右倾的逆冲断层和左倾的反冲断层；叠加冲起构造样式复杂，主要发育在褶皱冲断带后缘的内部加积带或前缘叠瓦冲断带，表现为楔形体后缘相邻冲起构造间后发育的反冲断层剪切先存逆冲断层，并以背冲式或内部叠加方式增生，且由多期次冲断活动形成。

(3)冲起构造对断层油气藏的油气运移与聚集具有控制作用，其中叠加冲起构造发育特征对前陆褶皱冲断带的演化具重要控制作用，其发育过程控制前陆褶皱冲断带油气藏断层圈闭的封闭性，从而对常规油气藏具有重要意义。

[1]HARDING T P, JANES D Lowell.Structural styles，their plate-tectonic habitats，and hydrocarbon traps in petroleum provinces[J].AAPG Bulletin，1979，29:1016-1058.

[2]SYLVESTER A G.Strike-slip faults[J].Geological Society of America Bulletin,1988，100:1666-1703.

[3]HARDING T P.Identification of wrench faults using subsurface structural data: criteria and pitfalls[J].AAPG Bulletin，1990，74:1590-1609.

[4]DOOLEY T P, MCCLAY K R.Strike-slip deformation in the Confidence Hills，southern Death Valley fault zone，eastern California，USA[J].Journal of the Geological Society，1996，153(3): 375-387.

[5]MCCLAY K R, WHITEHOUSE P S.Analog modeling of doubly vergent thrust wedges[J].Thrust Tectonics and Hydrocarbon Systems: AAPG Memoir，2004，82:184-206.

[6]RICHARD P D，NAYLOR M A, KOOPMAN A.Experimental models of strike-slip tectonics[J].Petroleum Geoscience，1995，1(1): 71-80.

[7]MCCLAY K R,BONORA M.Analog models of restraining stepovers in strike-slip fault systems[J].AAPG Bulletin，2001，85(2): 233.

[8]SCHELLART W P, NIEUWLAND D A. 3D evolution of a pop-up structure above a double basement strike-slip fault: some insights from analogue modelling[J].Geological Society of London Special Publications，2003，212(1): 169-179.

[9]MCCLAY K R.Extensional fault systems in sedimentary basins: A review of analogue model studies [J].Marine and Petroleum Geology，1990，7: 6-33.

[10]STORTI F，SALVINI F，MCCLAY K.Synchronous and velocity-partitioned thrusting and thrust polarity reversal in experimentally produced，doubly-vergent thrust wedges: implications for natural orogens[J].Tectonics，2000，19 (2): 378-396.

[11]BUCHANAN N P,MCCLAY K R.Sandbox experiments of inverted 1istric and p1anar fau1t systems [J].Tectonophysics，1991，88(1/2): 97-115.

[12]DAVY P，COBBOLD P R.Experiments on shortening of a 4-layer model of the continental lithosphere[J].Tectonophysics，1991，88 (1/2): 1-25.

[13]施炜，刘成林，杨海军，等.基于砂箱模拟实验的罗布泊盆地新构造变形特征分析[J].大地构造与成矿学，2009，33(4): 529-534.

[14]刘玉萍，尹宏伟，张洁，等.褶皱-冲断体系双层滑脱构造变形物理模拟实验[J].石油实验地质，2008，30(4): 424-428.

[15]解国爱，贾东，张庆龙，等.川东侏罗山式褶皱构造带的物理模拟研究[J].地质学报，2013，87(6): 773-788.

[16]时秀朋，李理，龚道好，等.构造物理模拟实验方法的发展与应用[J].地球物理学进展，2007，22(6): 1728-1735.

[17]魏春光，周建勋，何雨丹，等.岩石强度对冲断层形成特征影响的砂箱实验研究[J].地学前缘，2004，11(4): 559-565.

[18]MCCLAY K R, DOOLEY T.Analogue models of pull-apart basins [J].Geology，1995，23(8):711-714.

[19]HUBBERT M K.Theory of scale models as applied to the study of geologic structure[J].Geological Society of America Bulletin，1937，48(10): 1459-1519.

[20]COSTA E，VENDEVILLE B C.Experimental insights on the geometry and kinematics of fold-and-thrust belts above weak，viscous evaporitic decollement[J].Journal of Structural Geology，2002，24: 1929-1739.

[21]COTTON J T，KOYI H A.Modeling of thrust fronts above ductile and frictional detachments: Applicationto structures inthe Salt Range and Potwar Plateau，Pakistan[J].Geological Society of America Bulletin，2000，112(3): 351-363.

[22]BONINI M.Deformation patterns and structural vergence in brittle-ductile thrust wedges: An additional analogue modelling perspective[J].Journal of Structural Geology，2007，29(1): 141-158.

[23]周建勋，陆克政.构造形成序列的砂箱实验研究——以黄骅盆地中区新生代构造为例[J].大地构造与成矿学，1999，23(1): 65-71.

[24]朱战军，周建勋.雁列构造是走滑断层存在的充分判据——来自平面砂箱模拟实验的启示[J].大地构造与成矿学，2004，28(2): 142-148.

[25]沈礼，贾东，尹宏伟，等.基于粒子成像测速(PIV)技术的褶皱冲断构造物理模拟[J].地质论评，2012，58(3): 471-480.

[26]LOHRMANN J，KUKOWSKI N，ADAM J，et al.The impact of analogue material properties on the geometry，kinematics，and dynamics of convergent sand wedges[J].Journal of Structural Geology，2003，25 (10): 1691-1711.

[27]GUTSCHER M A，KUKOWSKI N，MALAVIEILLE J，et al.Cyclical behavior of thrust wedges: insights from high basal friction sandbox experiments[J].Geology，1996，24(2): 135-138.

[28]HOTH S，HOFFMANN-ROTHE A，KUKOWSKI N.Frontal accretion: an internal clock for bivergent wedge deformation and surface uplift[J].Journal of Geophysical Research，2007，112，doi:10.1029/2006JB004357.

[29]BIGI S，DI Paolo L，VADACCA L，et al.Load and unload as interference factors on cyclical behavior and kinematics of Coulomb wedges: insights from sandbox experiments[J].Journal of Structural Geology，2010，32 (2): 28-44.

[30]贾承造，周新源，王招明.克拉2气田的发现及勘探技术[J].中国石油勘探，2002，7(1):79-89.

[31]王招明.试论库车前陆冲断带构造顶蓬效应 [J].天然气地球科学，2013，24(4): 671-677.

[32]TANG L J，JIA C Z，JIN Z J，et al.Salt tectonic evolution and hydrocarbon accumulation of Kuqa foreland fold belt，Tarim Basin，NW China [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2004，41: 97-108.

[33]能源，孙洪亮，徐丽丽，等.基于三维地震资料的构造转换研究——以库车坳陷前陆冲断带KL1号、KL2号构造为例[J].中国石油勘探，2013，18(3): 12-17.

Pop-up Structure in Fold-and-thrust Belt and Its Implications:An Insight from Analogue Sandbox Models of Thrust Wedge

WAN Yuan-bo, LI Zhi-wu, DENG Bin, LIU Shu-gen, ZHAO Gao-ping, LIN Tong，HUANG Rui

(StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu，Sichuan610059,China)

Pop-up structure is widely developed in fold-and-thrust belt and strike-slip tectonic setting, and has been paid much attention for its great significance in petroleum exploration. Analogue sandbox modeling has proved to be a powerful visual tool for simulating such complex structures in various tectonic settings. This study conducted a series of sandbox modeling to unravel the difference in structural geometry of pop-up structure during the development of fold-and-thrust belt, based on the same initial condition with various shortening velocities (0.3 mm/s, 0.1 mm/s, 0.005 mm/s). From the modeling results, two types of pop-up structures, i.e. superimposed and simple pop-up structures, would be developed in thrust wedge depending on different shortening velocities. In particular, there is a significant difference between superimposed structure and simple pop-up structure. The wedge shows simple deformation styles characterized by simple pop-up structures and increasing deformation while propagating continuously towards foreland. The propagation way of analogue sandbox models of thrust wedge has a significant control on the types of pop-up structure. Forward-breaking propagation took place in the foreland, mainly developed from simple pop-up structure; back-breaking propagation occurs in hinderland, mainly developed from superimposed pop-up structure.

sandbox modeling；wedge thrust；superimposed pop-up structure；simple pop-up structure

2015-03-16；改回日期：2015-10-20；责任编辑：潘令枝。

国家自然科学基金项目(41402119，2014JQ0057，41472107)；国家重点基础研究发展计划项目(2012CB214805)。

万元博，男，硕士研究生，1988年出生，构造地质学专业，主要从事油气构造和盆地构造分析研究。

Email：344361458@qq.com。

李智武，男，副教授，1976年出生，构造地质学专业，长期从事油气地质和构造地质研究。

Email:lizhiwu06@cdut.edu.cn。

P542；P554

A

1000-8527(2016)01-0110-12