下扬子区新生代构造变形物理模拟及其主控因素

徐 楠，徐 曦，周 波，梅甫定，高顺莉，王兴建

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430074； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.同济大学 海洋与地球科学学院，上海 200092； 4.中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030；5.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059)



下扬子区新生代构造变形物理模拟及其主控因素

徐 楠1，徐 曦2,3，周 波2，梅甫定1，高顺莉3,4，王兴建5

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430074； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.同济大学 海洋与地球科学学院，上海 200092； 4.中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030；5.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059)

下扬子新生代构造变形是中国东部新生代构造研究的重要窗口。为研究其变形机制，基于构造物理模拟，对4个主控因素进行评价与研究。设计对比实验，分析了在不同主控因素的作用下，下扬子区新生代构造的变形过程。应力与模型边界的角度和施加应力的边界位置是下扬子新生代构造变形的最优主控因素。在东侧全段挤压和东侧北段挤压的对比实验中，郯庐断裂带与下扬子及其周缘块体的构造变形均呈现显著变化；在块体厚度的对比实验中，变形与变位状态近似相同，但隆升特征存在显著差别，东西两侧边界挤压效果具有显著差异；与此同时，施加应力与模型边界角度越小，郯庐断裂带呈现右行走滑特征越明显。在最优主控因素模型中，下扬子块体新生代区域伸展构造变形与郯庐断裂带右旋走滑共同构成了一个“右旋侧向扩展变形”构造系统。

构造物理模拟；主控因素；伸展构造变形；下扬子区

下扬子区是中国东部重要的含油气区之一，其伸展变形与盆地构造一直是新生代构造的核心问题，更是认识中国东部新生代构造与板缘动力学机制的重要窗口。在区域构造上，中国东部陆内新生代伸展变形构造均位于大兴安岭—太行山—武陵山重力梯度带以东，重力梯度带可能是印度—欧亚板块碰撞与太平洋板块俯冲构造作用的交接地带[1-3]。重力梯度带东侧的郯庐断裂带右旋走滑构造与下扬子及其周缘块体的相互运动是太平洋板块向欧亚大陆俯冲的陆内调节与地质响应(图1)[4-7]。

深大断裂是区域地球动力学研究的基础参数[8]，中国东部的深大断裂带都经历了长期的地质历史演化，控制了新生代构造块体之间的边界与运动学行为，其现今构造格架是新生代构造变形的结果。中朝块体、下扬子块体与华南块体拼合为统一构造块体，但块体构造单元表现出独具特色的“块体效应”[4-5]，进而块体呈现不同的变形格局，如下扬子块体区域侧向伸展构造变形[4-5]、中扬子块体右旋伸展构造变形[9]、中朝块体走滑拉分构造变形以及郯庐等深大断裂带右旋走滑变形[10]等。下扬子及其周缘块体的构造变形与盆地构造，受控于太平洋板块板缘边界传递至陆内的侧向构造作用力[4-5,8]。

本次构造物理模拟实验根据实验模型与研究对象应具有相似性，选择与确定构造变形主控因素，通过控制变量法进行多组实验并分解研究，逐步近似模型实验结果和遵循实验数据统计要求等五项原则[11-12]，基于地壳—岩石圈尺度以及下扬子及其周缘的深大断裂带，建立构造地质模型，确定下扬子区域构造变形的4个主控因素，并根据主控因素的差异设计7组对比实验，来确定下扬子新生代构造变形的最优主控因素模型，以探究下扬子及其周缘块体新生代区域构造变形与机制，恢复伸展构造变形的可能过程。

1 地质模型

在构造上，下扬子及其周缘块体被一系列深大断裂带分割与围限，继承了晚侏罗—早白垩世时期的构造格局，奠定了中国东部伸展变形构造体系与构造地貌单元的总体格架。在中国东部的构造块体体系中，下扬子块体位于周缘块体之间，其北侧为中朝块体，南侧为华南块体，西侧为中扬子块体，东侧为中朝块体朝鲜半岛部分。因此，在几何构造上，下扬子表现为一个西南窄，东北宽的楔形块体(图1)[4-7]。

2 实验设置与模拟过程

2.1 实验装置及材料

本次实验采用油气藏地质及开发工程国家重点实验室的构造变形物理模拟实验台(图2a)。根据前述成果[4-5]，确定下扬子区新生代的区域深大断裂与块体边界(图2b)。装置两侧均为可活动、可固定挡板，根据实验情况设定某侧挡板固定，活动挡板以0.5 mm/s的速率向固定挡板匀速推挤(图2c，d，e)。在模型正上方与正前方分别放置一台相机，每隔1 s拍照，完整记录160 s内模型正面与侧面的构造变形过程(图2d)。

图1 中国东部区域构造与下扬子构造格局

为研究新生代以来欧亚大陆的深大断裂带与陆内块体的构造关系，以及块体尺度的构造变形和运动趋势，Tapponnier等[8]以理想塑性橡皮泥的推挤变形模拟解释了欧亚大陆新生代构造变形的过程与特征，因此本文实验选取硬质塑性橡皮泥作为构造物理模型的实验材料。考虑到岩石圈流变结构的某些不确定性，硬质橡皮泥不能完全呈现岩石圈的流变学特征，但仍然能通过此种实验材料的变形状态与趋势来认识和类比研究区域的构造变形特征。本次物理模型构建选择110°E～128°E、26°N～29°N的准正方形区域(图2b)，模型边界形态与范围按比例缩小，以长宽高规格分别为235 mm×235 mm×30 mm和235 mm×235 mm×40 mm两种模型进行实验。根据区域深大断裂[13-16]的几何边界分割块体，将准长方体切割为相应的块体单元，以宽度适宜的条状硫酸纸置于相应硬质橡皮泥块体单元之间，减小橡皮泥块体之间的摩擦力，以近似模拟块体在相互运动情况下的断裂活动(图2d，f)。

2.2 主控因素评价

根据下扬子及其周缘区域构造变形的地质与地球物理证据，下扬子块体构造变形的主控因素可划分为下扬子侧边界施加应力的边界位置、施加应力与模型东侧边界的角度、边界条件的位移速度与下扬子西南侧边界断裂的存在与否(图3)。

图2 下扬子块体构造物理模拟实验的地质模型与模拟过程

考虑到有关主控因素在下扬子及其周缘新生代构造变形中控制作用的某些不确定性[17-19]，在物理模拟过程中，首先对4个主控因素进行组合评价，分析应力边界位置、应力角度、位移速度与断裂等因素对研究区构造变形与深大断裂带活动的影响程度(图4)。

在施加应力与模型边界角度的主控因素上，可以近似理解为施加应力与郯庐断裂带的角度问题，当水平施加应力与郯庐断裂带近似垂直时，虽然郯庐断裂带表现为微弱的右行走滑，整个模型区域却呈现近东西向的挤压，下扬子块体未表现出明显的逆时针侧向伸展变形特征。当水平施加应力与郯庐断裂带呈角度相交时，郯庐断裂带呈显著的右行走滑，下扬子块体表现为逆时针位移趋势，总体上为侧向伸展变形，中朝块体亦表现出逆时针位移特征；在渤海湾地区，由于西侧的位移受限，在此区域表现出拉分伸展的变形构造。

在施加应力边界位置的主控因素上，根据块体的区域构造特征，模拟可分为东侧边界全段施力与东侧边界北段施力2种情况，2组模拟均在相同的应力和边界角度条件下进行。在东边界北段施力挤压下，郯庐断裂带右行走滑变形量、下扬子块体侧向伸展构造变形以及下扬子地区及其周缘块体相对运动等模拟结果，均比在东边界全段施力挤压的实验条件下的结果显著。

在模型边界施加应力位移速率的主控因素上，当2个对比模型施加应力的边界位置均为东边界北段时，无论是郯庐断裂带还是下扬子块体及其周缘的构造变形特征基本一致，并未表现出显著差异。

在模型局部边界断裂的主控因素上，主要考虑的是团麻断裂的存在与否对下扬子块体乃至其他周缘块体的构造变形的影响程度。在模型的对比中，2个模型的变形特征基本相同，并未表现出明显的变形差异。

2.3 模拟结果与分析

在施加应力与模型边界角度、施加应力边界位置这2组最优主控因素作用下，考虑模型厚度这一变量，本次模拟设计了7组构造物理模拟实验进行对比，在此基础上分析与讨论郯庐断裂带的变形模式与下扬子块体的构造变形特征。实验结果是在实验装置某侧挡板推挤0，10，30 mm时，深大断裂的活动性质和区域变形与变位情况(图5)。

(1)A组和B组实验都是在规格235 mm×235 mm×40 mm、相交角度为60°的模型上进行。A组采取东边界全段挤压，郯庐断裂带呈现了更为显著的右行走滑特征；B组采取东边界北段挤压，下扬子及其周缘块体的伸展构造变形表现更为显著，在剖面上，两者在局部区域均可见显著隆升特征。

图4 下扬子块体构造物理模拟主控因素评价

(2)C组是B组的对比实验，在规格235 mm×235 mm×30 mm、相交角度为60°的模型上进行，模拟结果呈现了近似相同的变形与变位状态。显著的差别是，C组模型在变形的早期阶段表现出显著的局部隆升特征，在变形的末期阶段表现出更广泛的隆升区域。

(3)D组是A组的对比实验，用于探讨印度—欧亚板块碰撞挤压作用是否为下扬子区构造变形的主要控制因素。D组与A组实验采用同一规格的物理模型，将装置调整为右侧挡板固定，左侧挡板活动。模型表现出轻微的右行走滑特征，下扬子区并未显现出显著的逆时针位移趋势，在变形的末期阶段，下扬子区东西向缩短变形强烈，广泛隆升，强度为西强东弱。此组实验与东侧边界挤压条件下的模拟结果明显不同。由此可说明，印度—欧亚板块碰撞挤压作用的远程效应可能并不是下扬子地区乃至中国东部的伸展构造变形的主控驱动机制。

图5 下扬子块体构造物理模拟A-G组的实验过程与结果

(4)C组和E组实验进行对比，当模型厚度均为30 mm，东侧边界北段挤压时，相交角度近似为60°的模型与相交角度为30°的模型对比结果显示，在区域平面上，虽然下扬子块体都呈现了近似相同的逆时针位移趋势与侧向伸展变形构造，但在前者模型中，郯庐断裂带都呈现了更为明显的右行走滑特征。

(5)F组与G组实验进行对比，为了弱化模型纵向厚度变化所造成的伸展变形构造差异，完整与全面地呈现下扬子块体伸展变形构造和深大断裂右行走滑特征，设计了2组厚度为40 mm的模型。这2组模型的江绍断裂带(及其海域延伸)南侧部分未包含于此组实验内，将相交角度近似为30°的模型与相交角度为60°的模型进行比对，郯庐断裂带的走滑性质与走滑量和下扬子块体前2组结果完全一致，不同的是在模型变形阶段的末期，模型东南侧表现出隆升特征。

3 讨论与结论

通过一系列主控因素评价与模拟对比实验，对于下扬子块体构造变形、郯庐断裂带走滑特征及其构造关系，笔者有了较完整的认识。在东侧边界西向挤压时，下扬子块体模型总体上呈向南蠕移扩展的变形方式，表现为近南北向区域伸展构造变形特征，且构造伸展变形呈现分区性，伸展应力方向自西向东表现为顺时针旋转，即靠近郯庐断裂带的模型区域呈现北西—南东向伸展，而靠近苏鲁造山带的模型区域呈现近南北向伸展。与此同时，分割下扬子块体与中朝块体的郯庐断裂带呈现右行走滑构造变形特征。

在模型厚度为30 mm，相交角度为60°，东侧北段施力推挤的最优主控因素模型中，推挤量与郯庐断裂走滑位移量呈现出较好的线性相关性。推挤至0，5，10，15，20，25 mm时，相应的郯庐断裂带走滑位移量呈现0，1/5，2/5，3/5，4/5，5/5个标示圆直径，直接说明太平洋板块向欧亚大陆的俯冲推挤主导与控制着郯庐断裂带新生代的右行走滑变形和活动(图6)。在构造变形上，下扬子块体整体表现为逆时针位移趋势，测线XX’上应力圆呈现了有序的变形过程，模型应力圆轴线连线由南北向直线逐渐转变为北西—南东向弧线。应力圆轴线连线指示的应力方向亦由南北向直线逐渐转变为北西—南东向。在中朝块体的渤海湾地区，郯庐断裂带与太行山山前断裂构成一组共轭断裂，从而使渤海湾及其周缘地区呈现右旋走滑拉分变形构造(图6)。在下扬子块体及其周缘的宏观构造格架下，下扬子区域伸展构造变形与郯庐断裂带右行走滑构造变形共同构成了一个构造变形系统，即右旋侧向扩展变形构造，这与下扬子块体构造变形的二维有限元模拟结果相一致[4]，从而验证了本文构造物理模拟结果的合理性。

图6 下扬子块体构造物理模拟最优主控因素实验结果的变形过程与构造解释Lp.活动挡板推挤量；Ls.郯庐断裂带走滑位移量；D.标示圆直径

构造物理模拟实验结果表明，郯庐断裂带是下扬子与中朝块体之间的重要构造边界，更是下扬子块体伸展构造变形的重要边界约束，通过大范围的走滑构造变形调节下扬子及其周缘块体的运动方式和构造变形，控制下扬子块体近南北向区域伸展的构造变形。古太平洋板缘相互作用传递至陆内的侧向作用力驱动中国东部块体之间的相互运动，这可能是下扬子区域伸展构造变形与郯庐断裂右旋走滑变形的决定因素。这一构造物理模型为中国东部新生代构造形成演化、区域构造格架与板缘动力学机制提供了可能的构造证据，具有重要的区域动力学意义。

致谢：油气藏地质及开发工程国家重点实验室提供了实验条件，研究生黄俊菠与王博为实验提供了有效的技术支持与帮助，在此一并致谢！

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(编辑 韩 彧)

Physical simulation of Cenozoic tectonic deformation in the Lower Yangtze region and its main controlling factors

Xu Nan1, Xu Xi2,3, Zhou Bo2, Mei Fuding1, Gao Shunli2,4, Wang Xingjian5

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China; 2.ChinaAeroGeophysicalsurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China; 3.SchoolofOceanandEarthScience,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 4.ShanghaiBranchofCNOOCChinaLtd,Shanghai200030,China; 5.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploration,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

The Cenozoic extensional tectonic deformation is an important window for the study of Cenozoic tectonic dynamics in East China. We evaluated four main controlling factors and designed seven sets of physical simulations to study the deformation mechanism of the Cenozoic structure in the Lower Yangtze region. The deformation process of the Lower Yangtze region during Cenozoic was simulated with different controlling factors. Stress angle and boundary position are the main factors controlling tectonic deformation. In the paralleled-experiments, the tectonic deformation of the Tan-Lu fault and the Lower Yangtze region and its surrounding blocks showed significant variations in boundary compression. In the paralleled-experiments of block thickness, deformation and displacement were similar, but there are significant differences in uplift characteristics and extrusion effects between east and west boundaries. With smaller angle between stress and model boundary, the Tan-Lu fault presented obvious dextral movement. In the simulation with optimal controlling factors, the extensional tectonics of the Lower Yangtze block and the dextral movement of the Tan-Lu fault formed a tectonic system with dextral strike-slip and lateral extension.

tectonic physical simulation; main controlling factors; extensional tectonic deformation; Lower Yangtze region

1001-6112(2017)03-0409-08

10.11781/sysydz201703409

2016-12-12；

2017-03-17。

徐楠(1993—)，女，硕士研究生，从事地质构造应力模拟与评价研究。E-mail：xunan_wh@163.com。

徐曦(1986—)，男，博士，工程师，从事含油气盆地构造与油气评价研究。E-mail：winbreak@163.com。

国家科技重大专项项目(2011ZX05023-003)资助。

TE121.1

A