弧形走滑砂箱构造物理模型及其大地构造意义

邓 宾，杨 刚，赖 冬，何 宇，周 政，罗 强，王兴建，刘树根

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

走滑断裂体系广泛发育于地球表层系统，在大陆内部或转换板块边界产生数千公里水平走滑位移，导致不同构造单元相互叠置和复杂的盆山系统，例如San Andreas走滑断裂体系、阿尔泰走滑断裂体系和哀牢山-红河走滑断裂体系等，其盆山系统结构-构造与地貌特征等与走滑断裂体系的几何学、运动学和分段性密切相关［1－2］，例如非连续性主断层、断层间距或断距、断层叠置等。平面上，走滑断裂体系通常具雁列式、斜向走滑变形特征；垂向上，通常具有下陡上缓的花状、棕榈树结构特征。浅表剥蚀与沉积作用过程通常会导致走滑断裂体系发生几何学和运动学的重要变化。吕德尔剪切模型实验揭示主剪切应变带或主走滑变形带走向平行于基底断层，伴随剪切变形增大该主剪切应变带变窄，发育系列雁列式R剪切、P剪切、R'共轭剪切和Y剪切等，形成典型的中央主变形带［3－4］。针对走滑断裂及其盆山系统形成演化，尽管前人基于野外地质、地球物理等手段展开了大量的研究，但目前仍然有许多细节不甚明晰，例如走滑断裂体系相关源汇系统、隆升剥蚀肩部构造、走滑盆山系统消亡过程等。尤其是自然界中走滑断裂体系空间上通常为弧形弯曲结构，例如哀牢山-红河弧形断裂、North Anatolian弧形断裂系和Denali弧形断裂系等，弧形几何学特征区别于经典线性吕德尔走滑剪切体系［5］，而具有更加复杂多样的结构-构造变形特征。

自从H.Cloos［6］初次进行广为熟知的吕德尔剪切物理实验（即Riedel experiment）以来，砂箱构造物理模型由于能够在时间-空间上详细观察走滑构造变形的形成与生长四维过程，因此在走滑断裂体系特征研究过程中受到越来越广泛的应用［7－8］。砂箱物理模拟实验广泛揭示出走滑剪切构造变形样式及其分段性主要控制和影响因素包括：基底断层特性、砂箱动力学特性、（非）均质性砂箱物质特征、基底非均一性和砂箱物质厚度与基底断层间隔之比等［5］。尤其是自然界走滑剪切变形过程并不仅仅局限于某一狭窄构造带，而常常分布于数十至数百公里宽的构造带从而形成分散剪切变形带。因此，本文开展典型的弧形吕德尔剪切模型和弧形弥散性剪切模型砂箱物理实验，在此基础上对比四川盆地周缘走滑构造及其盆山体系结构-构造特征，从而探讨弧形剪切走滑构造特征的大地构造意义。

1 模型边界条件

砂箱模型模拟过程普遍遵循“实验-实例”互证过程相似性原理，即实验室模型与自然界模型的几何学-运动学-动力学过程的相似性［9－10］。通常使用Cauchy运动学公式无量纲化比例缩小自然界模型至实验室模拟模型［11－12］，且该无量纲比例参数不变，即

式中σ*、ρ*、g*、l*分别为应力／内聚力、密度、重力、长度的实验室模型与自然界相应情况的比率。

需要指出的是，“实验-实例”互证过程中通常使用几何学相似比例系数，却未校正其应力和时间相似系数，主要归因于自然界浅表作用过程发生在数个量级变化的时间和空间尺度上，例如快速山体滑坡和地貌风化剥蚀、沉积物颗粒直径对比等。基于“实验-实例”互证的水动力无量纲参数对比实验揭示［13］，自然界和实验室模型中虽然雷诺数（Reynolds numbers）具有较大差异；但其弗汝德数（Froude numbers）具有较好的一致性，表明自然界和实验室模型中重力仍然是主要的应力机制，它大幅度地超过了系统中惯性力和黏滞力，因此被认为是“实验-实例”几何学-运动学-动力学相似性的成因，即无理有效性（Unreasonable effectiveness）［14］。

一般情况下，实验室模拟在正常重力下开展，因此，g*＝1。石英砂普遍满足库伦-摩尔破裂准则，被广泛应用于砂箱物理模型实验中。成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室使用直径为0.2～0.3 mm石英砂物质和直径为0.2～0.3 mm玻璃珠分别构建砂箱模型开展实验，石英砂平均密度为1.35 g／cm3、球度指数为1.56、分选性中等，动态摩擦系数为0.582、摩擦角为30.2°、内聚力为92.3 Pa；玻璃珠平均密度为1.48 g／cm3、球度指数为1.36、分选性中等，动态摩擦系数为0.493、摩擦角为26.2°、内聚力为37.0 Pa。基于沉积岩平均密度为2.3 g／cm3，得到ρ*＝0.6；且实验室模型中采用1 cm代表自然界模型1 km几何学相似性，l*＝1×10－5，因此，σ*＝6×10－6。

用于本文实验的弧形走滑剪切模型装置如图1，上部为600 mm×500 mm的矩形框，左右两侧分别为固定挡板，上下两侧分别为玻璃边框，以便观测走滑的过程；下部底板为700 mm×600 mm树脂面板，但切割分为固定底板和活动底板，活动底板圆心固定，通过切向加载固定速率推挤形成弧形剪切走滑。吕德尔剪切标准模型中，活动底板是半径为450 mm的半圆形树脂面板；弥散性剪切模型中，活动底板是半径为420 mm的半圆形树脂面板，固定底板与活动底板间具有30 mm间距，两者使用弹性布粘连，模拟弥散性基底剪切活动。为最佳模拟自然界构造变形速率，选用切线走滑速率为0.003 mm／s［15］，走滑量50 mm 大致代表自然界中50～100 km走滑量和10%～20%走滑率。此外，使用高分辨率数字相机和粒子成像测速设备（PIV，即particle imaging velocimetry［16］）对砂箱物质表面进行几何学和运动学记录和检测，以便进行走滑变形特征对比。

图1 弧形走滑剪切模型装置Fig.1 Sketch showing device of strike slip experiment with concave basement fault

为有效对比弧形走滑剪切对浅表盖层变形作用的影响，实验模型均采用均值石英砂变形为主，砂箱物质底部为2～3 mm玻璃珠，代表基底与盖层间广泛存在的滑脱层；上部物质为50 mm石英砂，代表自然界约5 km沉积盖层。为便于观察对比，分别等厚度间距添加不同颜色石英彩砂为标志层。弧形走滑剪切采用2组对比实验模型，即基底为单一走滑断层的经典吕德尔剪切模型和2条间距为30 mm基底走滑断层的弥散性剪切模型；断层几何学统计基于断层在弧形剪切带（凹面）内侧和（凸面）外侧分类，并分别统计砂箱物质走滑变形断层走向角（走滑断层与基底断层切线夹角）、断层间距（走滑断层与基底断层间距离）和断层倾角（切片统计断层倾角）等定量参数。

2 实验结果

2.1 弧形吕德尔剪切模型实验结果

弧形吕德尔剪切模型实验切线走滑剪切距离为50 mm，伴随剪切走滑量增大，形成沿弧形基底断层展布的多条雁列式走滑剪切断层和多个走滑冲起构造（图2）。走滑剪切活动早期（走滑量D＝20 mm）砂箱物质逐步发生明显的走滑剪切相关断裂，以与基底断层呈高角度斜交的R型剪切断裂和近平行的Y型剪切断裂为主，走滑剪切以弧形基底断层内侧为主，弧形带外侧走滑断层发生侧向生长形成上冲断层。伴随走滑量增大（D＝40 mm），走滑剪切侧向生长活动加剧，逐渐形成典型的冲起构造带和多个相互间隔的走滑构造变形带，沿基底断层带形成多条与其平行的Y型剪切断裂，尤其是早期走滑断层（伴随后期走滑量增大）都侧向生长形成明显的上冲构造。随后（D＝50 mm），早期R型走滑断层走滑活动基本停止，（新生）Y型走滑剪切断层活动明显，且侧向生长形成新的R型走滑断层（并沿弧形基底断层内侧生长到外侧），至走滑剪切终止砂箱物质断层活动以低角度或近平行与基底断层带（Y型）走滑剪切活动为主。

断层走向角测量统计表明：弧形带内侧走滑断层走向与基底断层夹角为4°～23°，主要集中分布在5°左右；弧形带外侧断层走向角分布范围为6°～23°，主要分布在10°。弧形带内侧走滑断层端点与基底断层间距离为1～6 mm，主要集中分布在3.5 mm左右；弧形带外侧断层端点与基底断层间的距离为4～5 mm，主要分布在1.5 mm左右（图3）。总体上断层走向角弧形带内外侧大致相当，但断层间距内侧明显大于外侧，表明弧形带内侧至基底断层扩展的断裂活动较强。

2.2 弧形弥散性剪切模型实验结果

图2 弧形吕德尔剪切模型走滑剪切过程（红线代表基底断层）Fig.2 Sequential photographs showing the structural evolution with concave basement fault

图3 弧形剪切模型浅表断层走向与基底断层夹角和间距特征图Fig.3 Diagram showing angle and distance between surface faults and basement faults

图4 弧形弥散性剪切模型走滑剪切过程Fig.4 Sequential photographs showing the distributed shear and structural evolution with two concave basement faults

弧形弥散性剪切模型实验切线走滑剪切距离为50 mm，与吕德尔剪切模型相似，伴随剪切走滑量增大，形成沿弧形基底断层展布的多条雁列式走滑断层和多个走滑冲起构造（图4），但弧形带内侧形成统一的冲起构造。走滑活动早期（D＝20 mm），砂箱物质逐步形成明显的走滑断裂，以与基底断层呈高角度斜交的R型剪切断裂为主。伴随走滑量增大（D＝30 mm），弧形带外侧走滑断层发生侧向生长形成上冲断层。随后走滑剪切侧向生长活动加剧、形成上冲断层（D＝40 mm），并逐渐形成3个相互间隔的走滑构造变形带，产生的断层以R型走滑断裂为主，局部发育与基底断层平行的Y型断裂，且走滑断层主要沿外侧弧形基底断层发育。随后（D＝50 mm），早期R型走滑断层走滑活动基本停止，且以侧向生长形成新的上冲断层为主，尤其是弧形断层内侧快速形成统一的上冲构造带。

断层走向角测量统计表明：弧形带内侧走滑断层走向与基底断层夹角为4°～30°，主要集中分布在15°左右；弧形带外侧断层走向角分布范围为11°～25°，主要分布在20°。弧形带内侧走滑断层端点与基底断层间距离为1.1～5.7 mm，主要集中分布在2.5 mm左右和5.5 mm左右；弧形带外侧断层端点与基底断层间的距离为1.6～4.7 mm，主要在4.5 mm左右。总体上断层走向角弧形带内侧和断层间距明显大于外侧，表明弧形带内侧至基底断层扩展的断裂活动较强。

通过对砂箱物质切片（间隔20 mm），进一步对弥散性剪切走滑相关断层倾角进行统计和结构观察（图5）。剖面结构上形成2条高角度上冲走滑断层和1条上冲断层，它们组成明显的冲起结构；且顺走滑剪切走向，冲起结构带明显呈结构宽度逐渐增大、然后减小的趋势，其最大达到约15 cm宽（Section-7）。尤其是走滑断层沿其走向逐渐转变成走滑上冲断层，且断层倾角明显减小、断距明显增大（Section-1和Section-5），其断面结构呈现出明显的螺旋状结构［17－18］。走滑成因的花状构造明显，但由于部分走滑断裂未明显切割砂箱物质，表明其顶面结构不明显，但在剖面结构上明显（Section-5—Section-16）。需要指出的是，走滑剪切相关断层垂向上进入砂箱物质深处主要位于弥散性剪切带中间部位，而非基底断层带边界处［17，19］。统计测量表明弧形带内侧断层倾角主要为45°左右，而弧形带外侧断裂倾角主要为65°、75°，普遍大于弧形带内侧的上冲断层倾角。

图5 弧形弥散性剪切模型走滑剪切剖面综合特征图Fig.5 Vertical profile showing the distributed shear and fault dips with two concave basement faults左侧图示剖面位置及断层倾角

3 讨论

3.1 弧形剪切走滑运动学特征

与直线型基底断层的吕德尔剪切砂箱物理模型对比［4－5，17，19］，弧 形 剪 切 走 滑 模 型 体 现 出 与 其基本相似的构造特征：（1）发育雁列式R型走滑断裂；（2）走滑成因花状构造；（3）相邻或叠置的走滑断裂间形成走滑隆起带等（图6）。同时弧形剪切走滑模型体现出弧形带内侧和外侧明显不一致的几何学与运动学特征，砂箱浅表断层与基底断层走向角和间距方面，弧形带内侧明显大于外侧，表明弧形带内侧至基底断层扩展的断裂活动较强，即弧形剪切带内侧走滑上冲构造特征显著强于外侧。上述特征不同于经典吕德尔剪切基底断层两侧相似的几何学与运动学特征［4，19］，与 G.Dufrechou等［18］所观测到弧形带内侧断层平均走向角较弧形带外侧平均走向角要大的特征相一致，主要归因于弧形挤压剪切作用。需要指出的是，虽然弧形吕德尔剪切模型揭示浅部所有雁列式破裂变形向下都归并入深部基底走滑断层，但弥散性剪切模型却表明浅部雁列式破裂变形向下归并于弥散性剪切带中心部位，揭示出最大剪切带位于剪切带核部而非基底断层带边界。

弧形剪切走滑砂箱物理模型体现出明显的走滑剪切旋转导致走滑构造属性的转变，即由走滑断裂逐渐转变为（走滑）上冲断裂，且断层沿走向其倾角逐渐减小、断距增大，空间上呈现为螺旋状断面特征（图2和图4）。尤其是在砂箱浅表物质PIV监测数据上，弧形基底断层带外侧冲起构造带其走向上水平走滑速率逐渐减小、垂直运动速率逐渐增大的特征，揭示出走滑断层构造属性逐渐转变的过程；同时弧形带内侧由于旋转走滑挤压作用，上冲构造变形作用更加明显（图6）。当砂箱模型构造变形过程中上冲分量约等于其走滑分量的1／2时，砂箱物质浅表变形会导致（早期线状）走滑断层发生明显的断层走向和构造属性的变化，且伴随上冲变形分量增大会导致构造属性的完全转变［4］。同时，W.P.Schellart等［20］指出砂箱模型具多条基底断层时砂箱物质断层发育受控于基底断层间隔与上覆砂箱物质厚度之比。当其比率较低时（0.25～0.5）砂箱物质易形成较长的R型剪切破裂带和叠置的破裂变形带；当比率较大时砂箱物质形成2个相互独立的走滑剪切变形带。弥散性剪切模型中2条基底断层的间距与上覆物质厚度之比约为0.6，走滑剪切变形过程中形成相互叠置的破裂变形带和较长的弧形R型走滑断层，它们共同形成统一相叠置的冲起构造带。

3.2 青藏高原东南大凉山-小江弧形走滑构造带特征

四川盆地西南缘大凉山构造带受晚新生代青藏高原东向扩展变形影响，发育大型走滑构造体系——鲜水河-大凉山-小江断裂走滑体系，其断裂走向展布具有明显的南东向-近南北向-北北东向弧形结构特征（图7-A）。现今大地测量揭示出地表GPS运动速率绕青藏高原东构造节发生明显的顺时针旋转［21］，GPS速率与弧形走滑构造体系呈明显变化的相交角度，揭示出鲜水河-大凉山-小江断裂走滑体系南北不同的走滑和／或上冲挤压、构造变形与抬升剥蚀特征［22－23］。北段鲜水河断裂带GPS速率与断层走向呈低角度－近平行特征，因此构造变形以走滑构造变形为主；中段大凉山断裂带GPS速率与断层走向呈中等－高角度夹角特征，因此其断裂带具上冲和走滑构造变形，发生多期叠加挤压构造变形，是弧形走滑断裂带中挤压缩短量最大段，缩短量和缩短率分别为20～30 km、10%～20%［23－24］。南段小江断裂带GPS速率与断层走向呈中等－低角度夹角特征，构造变形以走滑剪切为主，具一定构造缩短变形，但缩短变形量较大凉山断裂带弱。鲜水河-大凉山-小江断裂弧形走滑构造体系的弧形基底断层形态可能受控于早期岩石圈深大断裂结构特征，新生代上冲走滑构造变形过程形成典型的花状结构特征［23，25］；同时受弧形带结构特征控制影响导致其内侧（NW侧）形成相互叠置的（花状）冲起带（图7-A），即大凉山结构带和磨盘山结构带，与典型的弧形吕德尔剪切砂箱物理模型结构特征相似（图6）。且由于后期川滇地块强烈走滑挤出构造变形和抬升剥蚀作用，导致地表出露断裂普遍呈高角度特征。

3.3 大巴山城口弧形走滑上冲构造带特征

图7 四川盆地周缘走滑相关弧形结构带综合特征对比图Fig.7 Contrast of two curved strike-slip orogenic belts around the Sichuan Basin（A）大凉山-小江弧形断裂走滑构造体系；（B）大巴山城口弧形走滑上冲构造体系

大巴山弧形构造带位于四川盆地东北缘，是华南和华北板块汇聚过程中印支期－燕山期多期陆内走滑上冲造山作用的产物［26－27］。城口-房县弧形断裂把大巴山弧形构造带分为南大巴山褶皱冲断带和北大巴山上冲推覆体两大构造单元。城口-房县走滑上冲断裂带区域走向总体呈北西向延伸，由北向南发生显著偏转，形成弧形结构带，即由近南北向→北西向→近东西向走向旋转（图7-B）。城口-房县弧形断裂带具强烈右旋走滑剪切变形特征，且走滑剪切变形强度和变质强度总体上由北西向南东减弱［28－29］；断裂带构造岩普遍发生弱－中等强度变质，北段以中－高绿片岩相为主，右旋上冲走滑剪切指向运动学标志体发育、变形强烈［28，30］，例如石泉-安康断裂带和茶镇断裂带。尤其是北段高川冲起带被认为是城口右旋走滑断层、西河-熨斗右旋走滑断层与南北向展布的走滑剪切构造系统［31］。高川冲起带边界断裂右旋多期走滑构造特征明显，且内部发育多条走滑断裂构造，例如下高川右旋走滑断层、五里坝右旋走滑断层等，它们普遍发育右旋走滑为主的伴生构造（如擦痕、拉伸线理等），具近南北向低角度倾伏特征，而断层在浅表则呈高角度展布，向深部延伸可能形成典型走滑花状冲起构造，因此高川冲起带区域断层和褶皱总体构造格架为近南北向构造。受后期茶镇断裂和石泉-安康断裂右旋剪切叠加改造，（花状）冲起构造带空间上形成南北分段的特征（图7-B），高川冲起带内部形成一系列南北向和北西-南东向叠加干涉构造，尤其是后期陆内造山强挤压变形可能导致西河-熨斗断裂带早期东向冲断极性转变为西向的冲断极性，这与野外露头观测熨斗断裂带同时发育东向和西向冲断特征相一致。因此，城口弧形构造带北段高川冲起带与弧形弥散性剪切砂箱物理模型结构特征相似，但它受后期断裂叠加改造作用较强。

4 结论

弧形走滑砂箱构造物理模型揭示出弧形走滑带内侧和外侧明显不一致的几何学与运动学特征，即砂箱浅表断层与基底断层走向角和间距方面，弧形带内侧明显大于外侧，剪切带内侧走滑上冲构造特征显著强于外侧，形成相互叠置的花状构造冲起带。弧形剪切走滑旋转导致砂箱浅表物质走滑断层沿其走向构造属性发生转变，即由走滑断裂逐渐转变为（走滑）上冲断裂，断层沿走向倾角逐渐减小、断距增大，空间上呈现为螺旋状断面特征。砂箱浅表物质PIV监测揭示弧形基底断层带外侧冲起构造带体在走向上水平走滑速率逐渐减小、垂直运动速率逐渐增大的特征，即走滑断层构造属性逐渐转变的过程。

四川盆地周缘弧形（走滑）构造变形带，即大凉山-小江弧形走滑构造带和大巴山城口弧形走滑上冲构造带，受控于弧形构造及其多期叠加变形过程，呈现出复杂的相互叠置或叠加改造花状冲起构造变形特征，它们的形成过程及其构造特征与弧形（走滑）结构带密切相关。

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