塔里木盆地塘西北反冲断层及其形成机制

陈书平 云金表 刘志娜 刘士林 李伟 季弘莹

摘 要：前陆褶皱带反向冲断作用的形成机理一直没有得到很好的认识。塔里木盆地塘西北构造带发育很好的反冲断层，给这种构造形成机理的探讨提供了很好的实例。地震资料显示，塘西北构造带发育多排逆冲断层及相关构造，逆冲断层倾向北西，向造山带方向即南东向逆冲，断层形成时间为奥陶纪晚期，受阿尔金造山带或西昆仑造山带的影响，是一组典型的反冲断层。地质分析及离散元颗粒流模型计算证明，反冲断层形成的可能原因包括两个方面，一是寒武系底部膏盐层滑脱面的存在；二是与阿尔金断裂带相关，塘南古隆起对塘北构造区的不均匀挤压。

关键词：反冲断层 滑脱面 差异挤压 机制 离散元模拟

中图分类号：P542.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0127-05

前冲断层是冲断方向与挤压力方向相同的逆冲断层，其倾向造山带方向，向前陆方向冲断。反冲断层则相反，其倾向前陆向造山带方向逆冲。在前陆盆地的盆山耦合带，多数情况下发育前冲断层，但反冲断层也时有发生，如塔里木盆地玉东-玛东断裂带发育向腹陆阿尔金山方向逆冲的冲断层[1]、扬子北缘弧形构造发育的隔档式褶皱也伴生反冲断层[2]、大巴山前陆弧形构造带同样也伴生反冲断层[3]。国外同样不乏这样的实例[4，5]。但是，这些反冲断层形成的原因仍然没有得到很好的解释。本文基于地震资料和已有的研究成果，并应用数字砂箱离散元计算方法[6-8]，分析研究塘西北构造带变形时间、变形岩石组成以及变形边界条件（见图1），以期对该区反冲断层的形成机理提出新认识，也给其他类似构造发育地区的构造成因解释提供参考。这里的塘西北构造带包括通常意义的玉东断裂带、玛东断裂带、塘北断裂带、中3-塔中3井断裂带。

1 反冲构造特点

塘西北构造带由多条逆冲断层组成，构造带走向由北东向转变为北东东向，整体表现为向北西方向突出的弧形，被走向与构造带近垂直的平移断层切割。剖面上，逆冲断层倾向北西或北北西，向南或南南东方向逆冲（见图2）。由于其变形力源来自南东方向的阿尔金褶皱带或西昆仑褶皱带，因此这些逆冲断层是典型的反冲断层。

不整合显示，构造主形成期为奥陶纪晚期的加里东运动（见图2）。变形岩石组成为寒武系和奥陶系，由砂岩、泥岩和碳酸盐岩组成。中下寒武统（T6-T9上部），发育多层膏盐，累积厚度在400～700m，且在背斜下方有加厚现象。这些膏盐层起滑脱面的作用，分隔上下层不同变形样式。滑脱层的存在也是反冲断层形成的必要条件[4，5，9]。

塘西北构造带变形动力条件与阿尔金构造带的形成息息相关（见图3），是与阿尔金断裂带形成相关的动力条件远程效应的结果，而阿尔金断裂带的形成则与阿尔金地体、昆仑地体（西昆仑、东昆仑和柴达木盆地）与塔里木地体的碰撞作用相关。中奥陶世末期，在祁连阿尔金北昆仑洋盆俯冲消减作用下，阿尔金地体与塔里木地体拼贴，塔里木盆地由被动陆缘的伸展体制转变为挤压的克拉通沉积盆地[10，11]，盆地南部发生台盆分异[12-14]，形成隆升幅度较大的和田古隆起和孤立型塘南古隆起（台地）。阿尔金山锆石U-Pb年代学研究，也证明了450～500Ma的热事件[15]。塔里木盆地东南缘区晚奥陶世，西昆仑东段发生的板块碰撞作用，得到了碰撞型花岗岩类发育的证明，如中粒含斑黑云母二长花岗岩、中粒似斑状黑云母二长花岗岩、中细粒黑云母二长花岗岩等[16]。

2 反冲断层形成机理讨论

上地壳岩石变形符合库伦摩擦理论，断层的形成呈共轭状，两条断层的交线对应中间主应力轴，锐角平分线对应最大主应力轴。另外，理论上认为，重力势能增加量一定的情况下，缓倾斜逆冲断层比陡倾斜逆冲断层更容易发育，因为前者能够吸收更多的水平缩短量[4，5]。因此，岩性均质、厚度均匀、水平挤压下，形成两组倾角相同、同等发育的断裂（见图4a）。在厚度不均匀，且考虑不同摩擦系数底面情况下，虽然区域为水平挤压力，但局部最大主压应力轴会发生倾斜，这时所伴生的两组共轭断层的活动性，会有所不同。当最大主压应力向前陆方向抬起时，伴生前冲断层（见图4b）。当最大主压应力向腹陆造山带方向抬起时，伴生后冲断层（见图4c）。

在实际情况中，多种因素可能影响着最大主应力轴向腹陆方向倾斜，如变形体形状、底面摩擦、施力边界形状等。Mackay（1995）认为，斜坡面上的沉积楔形体，当底面上摩擦力很小时，可以使最大主应力轴向腹陆方向倾斜[5]。Byrne等（1993）认为，底面摩擦力很小、施力边界为楔形时，同样可以使最大主应力向施力端（腹陆）倾斜，形成反冲断层[4]。

对于塘西北构造带，作为滑脱面的寒武系中、下统，发育厚层膏盐层。膏盐层具有低的抗变形能力，在地质时间尺度可以看作流体。从现今变形层厚度看（见图2），构造发育期不存在斜坡上的变形楔形体。相反，应该是厚度均匀的近水平地质体。另一方面，中奥陶世末期形成的塘南古隆起[1]，对于塘西北构造带来说，是楔形施力边界，类似于Byrne等（1993）[4]模拟试验中的边界条件。

3 反冲构造形成条件离散元模拟

为了验证上述对反冲构造形成条件的推断，设计了离散元颗粒流模型，进行了模拟计算。

3.1 原理简介

在离散元颗粒流模型中，利用绑定颗粒来代替天然岩石，以研究宏观变形的微观机理和预测这些宏观变形的行为[8]。该方法由Cundall创立[6，7]，作为离散元的一种，主要应用于模拟岩石类材料基本特性、颗粒物质动力响应、岩石类介质内断层、节理及其他地质构造的发展等基础性问题。其原理是，岩石的力学行为表现为微观裂纹的形成、生长和相互作用。这种行为可以用绑定颗粒模型来代替。在牛顿运动定律（力-加速度关系）、力-位移（应力-应变）关系约束下进行计算，可以得到速度场和应变场，从而研究岩石的宏观变形。该方法称为颗粒流离散元模拟，由程序PFC2D和PFC3D实现二维和三维计算，已廣泛应用于斜坡变形和岩石变形研究[18-22]。

3.2 模拟结果分析

离散元颗粒流模拟过程中，对比试验了斜边推进和旋转斜边推进、底面存在塑性层和不存在塑性层等，发现只有底面存在塑性层和旋转斜边施力时，才形成向施力端（腹陆）方向冲断的冲断层，或陡翼在施力端（腹陆）一侧的褶皱。下面主要介绍一下最后这个模型的结果。

模拟模型为二维模型，56m长，4.65m高（见图6a）。颗粒半径0.03～0.0498m，粒径服从高斯分布。孔隙度16%，脆性层弹性模量80GPa，泊松比0.3，摩擦系数0.57；塑性层弹性模量1GPa，泊松比0.3，摩擦系数0.34；组内颗粒间粘结力3×104Pa。1、2层为塑性层，3～8为脆性层。1层与底部边界摩擦力为0，推板整体向前（左）推移速度为2mm/s，同时挡板围绕底部A点做顺时针旋转，角速度为6.7×10-5rad/s，相当于上部比A点向前推进的速度慢，模拟施力端施力不均匀。

早期变形都是集中在推板附近，形成前冲断层（见图6b）。进一步挤压，变形向前传递，形成褶皱。在图6c中，后翼（靠近推板）倾角42°，前翼倾角22°，已显示出反向褶皱（断层）的特点。图6d中，后翼（靠近推板）倾角58°，前翼倾角33°，反向褶皱（断层）的特点已经很清楚了。

离散元颗粒流模拟计算证明，两个因素在构造形成中起重要作用，一是高塑性层的存在；二是深浅层不均匀挤压。

4 结语

塘南构造带反冲断层及向腹陆倒向的褶皱，与两个因素有关，一是寒武系底部发育的厚层膏盐层；二是阿尔金山造山带挤压古塘南隆起，塘南古隆起给塘西北构造带施加由深到浅不均匀挤压，下部挤压强（快），上部挤压弱（慢）。这种不均匀挤压相当于在原来水平挤压的基础上，附加了层间滑动引起的剪切力，引起最大主壓应力方向发生偏转，使向腹陆冲断的冲断层（反向断层）或陡翼靠近腹陆的褶皱更容易发生。

参考文献

[1] 郭颖，汤良杰，余腾孝.等.塔里木盆地塘古巴斯坳陷玛东构造带断裂特征及成因探讨[J].大地构造与成矿学，2016，40（4）：643-653.

[2] 王平，刘少峰，郑洪波，等.扬子北缘晚造山阶段弧形构造特征与盆地演化[J].古地理学报，2013，15（6）：819-838.

[3] 王瑞瑞，张岳桥，解国爱，等.大巴山前陆弧形构造的成因：来自砂箱实验的认识[J].地质学报，2011，85（9）：1409-1419.

[4] Byrne，D.E.，W.Wang，D.M.Davis.Mechanical role of backstops in the growth of forearcs[J]. Tectonics，1993，12（1）：123-144.

[5] Mackay，M.E.Structural variation and landward vergence at the toe of the Oregon accretionary prism[J].Tectonics，1995，14（5）：1309-1320.

[6] Cundall PA.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems[J].In： Proceedings of the Symposium of International Society of Rock Mechanics，1971，11（ii-b）：8-11.

[7] Cundall PA，Strack ODL.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Geotechnique，1979，29（1）：47-65.

[8] Potyondy，D.O.，Cundall，P.A.Abonded-particle model for rock[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2004（41）：1329-1364.

[9] Seely，D.R.The significance of landward vergence and oblique structural trends on trench inner slopes[J].In Island Arcs，Deep Sea Trenches，and Back-Arc Basins，Maurice Ewing Ser.，1977（1）：187-198.

[10]Torsvik TH，Cocks LRM.Gondwana from top to base in space and time[J].Gondwana Research，2013，4（3-4）：999-1030.

[11]张光亚，刘伟，张磊，等.塔里木克拉通寒武纪奥陶纪原型盆地、岩性古地理与油气[J].地学前缘，2015， 22（3）：269-276.

[12]罗金海，雷刚林，刘良，等.阿尔金构造带对塔东南油气地质条件的制约[J].大地构造与成矿学，2009，33（1）：76-85.

[13]许志琴，李思田，张建新，等.塔里木地块与古亚洲/特提斯构造体系的对接[J].岩石学报，2011，27（1）：1-22.

[14]Lin C.S.，Yang H.J.，Liu J.Y.，et al. Distribution and erosion of the Paleozoic tectonicunconformities in the Tarim Basin， Northwest China：Significance for the evolution of paleo-uplifts and tectonic geography during deformation[J].Journal of Asian Earth Sciences， 2012（46）：1-19.

[15]張建新，李怀坤，孟繁聪，等.塔里木盆地东南缘（阿尔金山）“变质基底”记录的多期构造热事件：锆石U-Pb年代学的制约[J].岩石学报，2011，27（1）：23-46.

[16]崔建堂，边小卫，王根宝.西昆仑地质组成与演化[J].陕西地质，2006，24（1）：1-11.

[17]王步清，潘正中，郭群英，等.塔东南构造演化和上新世以来的构造格架[J].新疆石油地质，2007，28（6）：704-706.

[18]Strayer，L.M.，Suppe，J.Out-of-plane motion of a thrust sheet during along-strike propagation of a thrust ramp：a distinct-element approach[J].Journal of Structural Geology， 2002（24）：637-650.

[19]Hardy，S.，McClay，K.Munoz，J.A.Deformation and fault activity in space and time in high-resolution numerical models of doubly vergent thrust wedges[J].Marine and Petroleum Geology，2009（26）：232-248.

[20]Zhang，J.，Morgan，J.K.，Gray，G.G.，et al. Comparative FEM and DEM modeling of basement-involved thrust structures， with application to Sheep Mountain，Greybull area，Wyoming[J].Tectonophysics，2013（608）：408-417.

[21]Liu，Z.N.，Koyi，H.A.，Swantesson，J.O.H.，et al. Kinematics and 3-D internal deformation of granular slopes：analogue models and natural landslides[J].Journal of Structural geology， 2013（53）：27-42.

[22]Liu，Z.N.，Koyi，H.A.The impact of a weak horizon on kinematics and internal deformation of a failure mass using discrete element method[J].Tectonophysics，2013（586）：95-111.