特提斯构造域典型构造特征及其控制因素探讨——以物理模拟成果为例

何文刚,罗 伟*,冯卫平,袁余洋

(1.遵义师范学院工学院，遵义 563006；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

特提斯构造域是分布于欧亚大陆的一条巨型纬向造山带，西起欧洲的阿尔卑斯山，经中东、青藏高原，至中南半岛及印度尼西亚[1]。这一构造域内既发育有一系列的蛇绿混杂岩带，也分布有大量的油气和固体矿产资源，是研究洋-陆碰撞、陆-陆碰撞和油气、金属矿产运移、富集机制的理想场所。前人对该带内典型区段构造变形特征[2-4]、油气和固体矿产资源分布特征、成矿规律[5-9]进行了大量研究，并在此基础上勘探并发现了大量的大型-超大型油气田及金属矿床。

构造物理模拟实验是研究构造变形过程、成因机理[10-12]的重要手段。但基于物理模拟实验，前人对特提斯构造带的变形控制及影响因素的系统总结探讨还比较缺乏。因此，结合最新的物理模拟研究成果，对特提斯构造带的变形控制因素进行系统归纳、总结和探讨，为该构造带的变形特征及其控制因素的进一步深入理解提供构造物理学证据，同时为沿线矿产资源勘探和开发提供重要参考。

图1 特提斯构造域构造格架及分段划分图Fig.1 Tectonic framework and segmentation map of tethys tectonic domain

1 特提斯构造域典型构造样式

特提斯构造域主要由西段、中段、东段三部分组成(图1)。西段欧洲板块与非洲板块在古近纪和新近纪发生汇聚，此期间亚得里亚海微板块与欧洲板块发生俯冲碰撞，形成超过700 km的阿尔卑斯山造山带[13-15]。中段阿拉伯板块与伊朗板块的俯冲碰撞，形成NW-SE向长达2 000 km的扎格罗斯褶皱-冲断带和伊朗高原[5,16]。东段印度板块与亚洲板块俯冲碰撞，形成平均海拔5 000 km的青藏高原及其周边复杂的变形构造[6,17]。

1.1 特提斯构造域西段

1.1.1 比利牛斯山变形样式

阿尔卑斯造山运动中形成的比利牛斯山，在晚中生代至新生代发生变形，形成了NW-SE走向的不对称楔形体[18]。前人以楔形体轴部为界，把比利牛斯山分为南部埃布罗河前陆盆地、北部阿基坦盆地两部分。比利牛斯山轴部发育前冲与后冲断层(图2)，地层由古生代组成且上覆地层被剥蚀，其两翼前陆地区地层由中生代组成[3,8,19]。

1.1.2 侏罗山和喀尔巴阡山变形样式

侏罗山位于瑞士西北部与德、法交界处，构造上属阿尔卑斯造山带的前陆。与其东南高度变形的阿尔卑斯山之间横亘着渐新世到上新世磨拉石盆地。

侏罗山随着阿尔卑斯弧的弯曲而成向西北突出的新月形，中部宽，两端窄，其以脱褶皱作用和冲断作用为特征。中生代地层在海西基底上滑脱，三叠系中的膏盐层作为滑脱层出露于背斜核部，形成著名的侏罗山式褶皱样式(图3)。

喀尔巴阡山褶皱-冲断带形成于中新世，是东阿尔卑斯的一部分，位于欧洲中部，全长1 450 km。从斯洛伐克布拉迪斯拉发附近的多瑙河谷起，经波兰、俄罗斯边境到罗马尼亚西南多瑙河畔的铁门，呈半环形[20]。地层由新元古代、古生代、中生代、新生代4套组成(图4)。地层发生强烈变形，基底正断层发育，上覆形成新元古代至白垩纪逆冲推覆构造，而且在冲断带前缘广泛发育前陆盆地[20-22]。

1.2 特提斯构造域中段

1.2.1 扎格罗斯褶皱-冲断带变形样式

扎格罗斯褶皱-冲断带从北西向南东弧形展布。从土耳其至伊朗霍尔木兹海峡绵延2 000 km。依据地貌特征，以扎格罗斯断层为界，扎格罗斯褶皱-冲断带被分为高扎格罗斯构造带和扎格罗斯简单褶皱带[5]。该构造带在晚白垩世开始发生挤压变形，在渐新世至早中新世，阿拉伯板块与伊朗中部发生持续碰撞，形成褶皱和逆冲断层(图5)。上新世沉积了6～12 km的沉积物。演化历史表现为从被动大陆边缘过渡到裂陷，以及与蛇绿岩消减和碰撞相关的挤压变形过程。

1.2.2 天山变形样式

天山造山带位于中亚造山带南缘，属年轻的造山带，一直以来是构造变形研究的热点。构造样式主要是上地幔与下地壳绕曲变形，上地壳形成逆冲断裂(图6)。区域地质、地貌和全球定位系统(global positioning system，GPS)数据分析表明，它是在挤压和转换挤压背景下形成，且周缘被逆断层切割[23]。

图3 法国侏罗山变形样式[22]Fig.3 The jura-type deformation pattern in france[22]

图4 喀尔巴阡山变形样式[20]Fig.4 The deformation pattern of Carpathian Mountains[20]

图5 伊朗扎格罗斯褶皱-冲断带构造变形样式Fig.5 Tectonic deformation pattern of fold-thrust belt of Zagros

1.2.3 库车变形样式

库车冲断-褶皱带北邻天山，南接塔里木盆地北部隆起，西起阿克苏，东至轮台，近东西向延伸，长300～400 km，南北宽40～70 km。该区发育东西走向的褶皱和断层，平面上由北向南分为北部褶皱带、克依构造带、秋立塔格背斜带和亚肯背斜带(图7)。褶皱-冲断带主要位于天山山前，发育逆冲断层和高陡直立背斜为主，研究区内盐岩构造极为发育[4,24]。

1.3 特提斯构造域东段

1.3.1 喜马拉雅变形样式

印度与亚洲碰撞形成平均地貌海拔5 000 km高的青藏高原[17]，逆冲推覆构造和大型的伸展构造发育、并形成大量的岩浆岩和变质岩。有关印度-亚洲碰撞的时间有65～50 Ma等多种观点[17,25]，目前仍然存在争议。前人对青藏高原变形特征已开展了广泛的研究[6,17,26]，研究表明从南至北，该区的构造分别由喜马拉雅块体和始新世、渐新世-中新世和上新世-第四纪青藏地块共同组成(图8)，块体内部变形结构较为复杂，一直是构造地质学家研究的热点。

1.3.2 龙门山逆冲-褶皱带变形样式

位于青藏高原东侧的龙门山逆冲-褶皱带(图9)。其由两期构造变形组成，第一期构造组合下伏层序由前寒武纪结晶基底组成，中生代三叠纪和侏罗纪浅水沉积物覆盖在基底之上，同时发生挤压作用，基底形成叠瓦式的逆冲断层；第二期，中生代再一次造山运动，形成龙门山复杂的逆冲构造、使得早期形成的褶皱进一步强烈变形[26-27]。

图6 天山构造变形样式[23]Fig.6 The structural deformation pattern of Tianshan[23]

图7 库车构造变形样式[4]Fig.7 Structural Deformation pattern of Kuche[4]

图8 青藏高原构造变形样式[6]Fig.8 Tectonic deformation pattern of the Qinghai-Tibet Plateau[6]

图9 龙门山逆冲褶皱带构造变形样式[27]Fig.9 The structural deformation pattern of Longmenshan thrust-fold belt[27]

图10 川东-湘鄂西褶皱-冲断带构造变形样式Fig.10 Fold-thrust belt structural deformation pattern in East Sichuan and West Hunan and Hubei

1.3.3 川东-湘鄂西变形样式

川东-湘鄂西构造带位于中上扬子地区，同时也是华夏和扬子地块的交界过渡带。以齐岳山断层为界，东南构造样式主要是基底卷入变形，形成隔槽式褶皱，古生代地层出露地表，西侧构造样式主要是隔档式褶皱，沉积大套中生代地层。剖面上形成典型的薄皮和厚皮构造特征(图10)，同时该区主体变形发生在印支期至燕山期，并具有多期变形的特点[28-29]。

2 构造变形关键控制因素

物理模拟是研究构造形成过程及其控制因素的有效方法，在褶皱-冲断带的研究中有着广泛的应用[30-34]。边界几何形态[35-37]、基底滑脱层的倾角和强度[31,38-40]、脆性层的厚度和强度[38,41-43]、韧性层与脆性层强度比[30,44]以及地貌倾角和地貌特征[45-46]等因素对褶皱-冲断带的变形具有重要的控制作用。然而，特提斯构造带西、中和东段的变形控制因素研究表明，该构造域的变形主要与块体几何特征、俯冲碰撞速度和岩石圈流变学差异有关(表1)。

2.1 块体几何特征

边界条件是控制特提斯造山带变形特征的重要因素之一。如特提斯西段比利牛斯山的变形与被挤压一侧的欧洲板块的几何形态有关(图11)。中段的扎格罗斯造山带的变形同样与滑脱层及块体的几何形状关系密切，同时中间滑脱层的几何特征对变形样式具有重要的控制作用(图12)。东段的川东-湘鄂西构造带物理模拟研究揭示，边界断裂几何特征对褶皱样式的分布同样具有非常重要的控制作用。如华蓥山断裂和齐岳山断裂属近似平行的曲折边界，区域内部形成的褶皱也与两侧的边界断裂近似平行展布(图13)。因此，地质体块体初始几何形态是影响构造变形特征的关键因素之一。

表1 特提斯不同区段汇聚速率及岩石结构特征Table 1 The convergence rate and rock structure characteristics of different sections of Tethys

图11 特提斯构造域西段比利牛斯山褶皱-冲断带物理模拟结果[3]Fig.11 Physical simulation results of the Pyrenees fold-thrust belt in the western segment of the Tethys tectonic domain[3]

图12 特提斯构造域中段扎格罗斯褶皱-冲断带物理模拟结果[5]Fig.12 Physical simulation results of the Zagros fold-thrust belt in the middle segment of the Tethys tectonic domain[5]

2.2 俯冲碰撞速度

图13 特提斯构造域东段川东-湘鄂西褶皱-冲断带物理模拟结果Fig.13 Physical simulation results of the eastern Sichuan-West Hunan and Hubei fold-thrust belt in the eastern part of the Tethys structural region

块体之间的汇聚速率是影响变形样式的又一关键控制因素(表1)。阿尔卑斯西段的伊比利亚板块与欧洲板块的汇聚速率大约是1.5 mm/a[47]，扎格罗斯造山带中段的褶皱-冲断带的非洲板块与欧亚板块的汇聚速率是10～20 mm/a[47-49]，印度与亚洲板块中段的喜马拉雅造山带的汇聚速率是3～5 mm/a[6,50-51]。Gutscher等[52]对卡斯卡底古陆形成机制物理模拟研究表明，在地层结构一致的情况下，变形样式的差异由汇聚速率所决定。速率在1.0～10 mm/min，形成高摩擦属性的前冲型构造；速率在0.5～1.0 mm/min，形成后冲型构造，小于0.5 mm/min的速率则形成双向对冲的复合型构造。即挤压碰撞速度对构造样式的产生具有重要的控制作用。

2.3 岩石圈流变学差异

岩石圈的流变学差异对变形的影响同样具有关键的控制作用。物理模拟研究表明，特提斯构造域的中段扎格罗斯构造带中间滑脱层对构造样式和褶皱波长的形成具有重要的控制作用[5]，特别是膏盐岩软弱层的分布对变形具有极其重要的影响[5,53-54]。东段青藏高原变形演化流变学特征、GPS和地震数据均表明青藏高原高地貌，在重力作用下向北和南发生汇聚；同时中地壳热、富集流体；花岗岩熔融温度达1 300～1 400 ℃，表明下地壳温度高[5,17]。因此，岩石圈的流变学特性对整个特提斯中、东段具有重要影响。岩石圈结构的流变特性对变形的影响一直以来都是研究的重点。如Rossetti等[55]的流变学差异物理模拟揭示，低黏度、高应变速率，形成窄而陡冲断楔；反之，高黏度、低应变速率，则形成低缓的冲断楔。以上分析可以揭示流变特性与变形作用持续的时间共同制约了特提斯构造域变形样式的形成。

3 形成机制分析

物理模拟研究表明特提斯构造域变形关键控制因素及变形机制与该构造带东西向几何、运动学特征，板块俯冲、碰撞及岩石的力学性质关系密切。但不同区段的形成机制存在明显的差异。

3.1 特提斯西段

三维物理模拟揭示欧洲块体在水平方向的临界角变化对逆冲带的极性构成影响，刚性块体越薄，变形持续的时间越长，形成倾向挤压一端的逆冲断层。同时，变形前缘向前陆方向的扩展与欧洲块体的地壳厚度有关，即欧洲板块向外扩展变形受到块体之上脆性层的厚度所控制[3]。Rosenberg等[56]开展了东阿尔卑斯构造演化的物理模拟实验研究，表明板块斜向汇聚和流变学结构对褶皱-冲断带的变形产生了重要的影响，尤其表明该研究区伸展型构造的形成与刚性块体边界和汇聚方向有关。因此，综合前人的物理模拟研究成果表明欧洲板块、伊比利亚板块及阿拉伯板块的几何特征、汇聚速率和流变学结构特征对该地区变形样式的形成具有关键的控制作用。

3.2 特提斯中段

特提斯中段的扎格罗斯褶皱-冲断带是阿拉伯板块与欧亚板块的碰撞而形成[5]。尽管有关该区的变形演化的持续时间和缩短量仍然存在一定的争议[5,49]。但是该区的构造特征和形成的控制因素是比较清晰的。扎格罗斯褶皱-冲断带物理模拟研究揭示，构造样式的形成与岩石的力学性质关系密切，尤其是该地区中间滑脱层的存在对变形样式和褶皱波长具有重要的控制作用。具体体现在滑脱褶皱是早期形成，逆冲断层是后期变形作用的结果[5]。而且研究区具有多套滑脱层，其中中生代的滑脱层对变形具有重要控制作用[57-58]。同时，特提斯中段具有较高的板块挤压汇聚速率，且不同构造带，汇聚速率差异较大[47]。因此，岩石的力学性质和板块汇聚速率是形成该区差异构造样式的重要原因。

3.3 特提斯东段

特提斯东段特别是青藏高原是印度与亚洲的碰撞而形成[17,59-60]。尽管青藏高原的俯冲碰撞具体时间和高原的隆升机制仍然存在诸多争议[6,17]，但高原的构造样式和地壳结构特征已得到部分地球物理资料的证实[60-61]。物理模拟研究揭示青藏高原及其周边的变形与印度板块向亚洲俯冲、青藏高原地壳增厚和向岩石圈逃逸有关[6]。特提斯构造带东段的中上扬子的川东地区，则属陆内俯冲变形，与太平洋构造域的俯冲作用有关[59-60]。青藏高原软弱的下地壳结构和四川地块刚性的克拉通，形成了环绕四川地块周缘一系列复杂的逆冲和褶皱等构造变形样式。因此，特提斯东段的形成主要是来自太平洋与欧亚的俯冲作用以及印度和亚洲大陆的碰撞有关。挤压碰撞的速率和地壳岩石圈的流变学结构对该区段变形特征的形成具有重要的贡献。

4 结论

特提斯构造带西、中和东段具有差异的变形样式，其差异的变样式与板块几何特征、汇聚速率、地层流变学结构和块体的力学性质紧密相关，而且在不同构造带，其关键控制因素也存在明显差异。

特提斯构造域典型构造带的物理模拟研究揭示了西段构造特征主要形成双向逆冲断裂；中段形成逆冲断裂和断层相关褶皱；东段形成逆冲断裂、褶皱及复杂的断裂体系。不同块体的几何特征及极性对西段的变形样式具有重要控制；现今中段扎格罗斯造山带的挤压变形仍在继续扩展，岩石的力学性质、滑脱层厚度及其分布对该区的变形具有关键的控制作用；东段地壳隆升幅度较大，地层流变学结构对该段的变形仍然具有非常重要的控制。同时，不同区段的板块之间的挤压汇聚速率对变形构造的形成具有明显的控制作用。

模拟结果进一步揭示，由于不同区带块体几何形态、地层力学性质、汇聚速率和地层流变学结构的差异，导致了特提斯构造域差异形成变形特征的形成。