滑脱层在挤压构造变形中的作用——来自构造物理模拟实验的证据

万立鑫，金文正

滑脱层在挤压构造变形中的作用——来自构造物理模拟实验的证据

万立鑫1，金文正1，2

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083）

为了研究滑脱层在挤压构造变形中的作用，通过物理模拟实验，观测了两种构造挤压方式（即单向挤压、双向挤压）作用下不同时期及不同部位地层的构造形成及其晚期演化特征。实验结果表明：①在滑脱层存在的地质条件下，地质体自下而上可以划分为三个构造变形单元，即“上构造层、滑脱层、下构造层”。②构造变形过程可以划分为3个时期，在变形初期，下构造层逐渐发育小规模的逆断层，上构造层发育断滑褶皱的雏形，在滑脱层中形成典型的顺层断层；构造变形中期，下构造层发育大量逆冲断层，断层倾角下陡上缓，上端逐渐尖灭于滑脱层之中，上构造层进一步形成断展褶皱；构造变形晚期，下构造层与上构造层的构造变形样式基本上不再变化，已经形成的多个构造样式发生继承性构造演化。③在构造变形中，滑脱层发生塑性流动，在不同地区会发生滑脱层增厚与减薄，并且在增厚与减薄部位，上构造层与下构造层分别具有不同的构造变形样式。

滑脱层；构造物理模拟；断层；断层相关褶皱

众所周知，在地壳中，不同地质时代的沉积地层经过多期且复杂的构造变形而形成造了多种多样的构造变形样式（文竹等，2013；魏显贵等，1997；邓明森，1997），其中滑脱层在构造变形中发挥着重要的作用（白宪洲等，2019；伍跃中等，2008；蔡学森等，1992）。已有学者研究表明（姚俊祥，1994；张琪沅，2021），在构造变形作用中由于滑脱层的存在，位于滑脱层上下的地层均会发生一系列复杂的形变，即滑脱构造形变。构造模拟实验是通过正演的方法来研究和模拟各种构造现象变形特征，动力学过程以及成因机制的物理模拟实验方法（刘玉萍等，2008；吴航等，2019；黄光明等，2017）。为了探究滑脱层在挤压构造变形中的作用，本次实验构造物理模拟的方法设计了两种实验模型，即单向挤压模型和双向挤压模型。在实验的过程中使用数码摄像工具记录模型的形变过程，以便更加直观的观测滑脱层在构造变形中所起到的作用。

表1 实验材料及其用途表

1 实验设置

1.1 实验材料

由于实验模型尺寸的有限性，决定了实验材料不能采用自然界中真实的岩石，而必须采用其它粘性系数、强度等物理参数比岩石小的多的等效材料（表1）。本实验采用了不同颜色、不同粒度的干燥石英砂、黏土和水晶泥作为实验材料，由于石英砂内摩擦角Φ≈32°，适合模拟一些较强的能干性岩层。水晶泥与微玻璃珠的内摩擦角近似相等Φ≈25°，由于摩擦强度小，可以模拟一些强度较低的非能干岩层。在本次实验模型设计中水晶泥被用来模拟滑脱层。

1.2 模型的建立

本论文设计的所有实验均在海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室完成。模拟实验是在一个长为295mm，宽为47mm，高为140mm的有机玻璃容器中完成。共设计了2个实验模型，尺寸均为295mm×47mm×140mm。两种模型均以干燥的石英砂为强度较大的非滑脱层，水晶泥为强度较小的滑脱层。模型共5层，滑脱层位于中间层厚度约为5mm，其下覆地层是厚度为均为20mm的黏土层和白色石英砂层，其上覆地层是厚度均为20mm的蓝色石英砂层和粉色黏土层（图1）。

图1 实验模型设计图

2 实验过程

实验通过电机对模型侧壁的水平挤压来模拟地层发生挤压时的真实情况。电机通过计算机控制，挤压时的速度可以通过计算机自行控制（于福生等，2012）。本次实验的两个模型的挤压速度均为1m/s，每次移动的距离均为10mm，缩短率可达到60%以上。其中双向挤压模型是为了应证单向挤压模型而设计的。在挤压的过程中，地层每移动10mm便对模型侧面拍摄照片，同时记录地层在挤压过程中的发展情况，并选出可以代表关键变形点的图片进行作图，并对变形图进行解释。

3 实验结果

3.1 单向挤压模型

实验结果表明，地质模型从最开始受到构造挤压开始至结束构造挤压，其构造变形样式和演化具有明显的分期性，根据其变形特征，可以将构造变形阶段划分为三个时期（表2）。

表2 构造变形阶段划分及其主要特征表

（1）初期：刚开始受到构造挤压时（缩短率约20%），各地层均已开始出现轻微的变形，当缩短率增加至20%时，滑脱层下部地层由于受到挤压作用使得岩层变厚形成向前陆方向的逆冲断层，但形成的断层数量少（约2条）、规模小（断距约为1mm）；滑脱层上部地层未形成明显的逆冲断层，但是形成了断层相关褶皱，类型为断滑褶皱和断展褶皱（表3）。

表3 具滑脱层地质体的构造变形特征及其期次划分（单向构造挤压）表

（2）中期：随着缩短率的进一步增大，滑脱层下部地层大量发育新的逆断层，形成断块构造，断层规模会逐渐加大但是未切穿上覆所有地层且上端倾角逐渐变缓而最终尖灭于滑脱层中，此时断块构造多演化成为叠瓦冲断构造；滑脱层上部地层仍未形成明显的逆冲断层，形成的断层相关褶皱数量增多，规模变大（表3）。

（3）晚期：当缩短率达到60%时，断层数量与规模均到达峰值，即断层数为4条，断距约为3mm；滑脱层上部地层未出现明显逆冲断层，先前出现的褶皱规模变大，且在其下方出现新的褶皱。当缩短率大于60%时，滑脱层下部地层不再发育新断层，且早期形成的断层上端基本上都尖灭于滑脱层中；滑脱层上地层未出现明显的逆冲断层，褶皱构造发生继承性构造变形及晚期演化（表3）。

综合来看，在整个构造变形过程中，滑脱层本身未形成明显的脆性构造变形样式，而是发生塑性流动，并且由于滑脱层的“分隔”作用，上、下构造层构造变形程度存在明显差异，即上构造层的变形强度明显大于下构造层的变形强度，主要表现为地层的局部增厚、断裂构造和褶皱构造的大量且密集发育，而下构造层主要发育较为单一的断块构造或者叠瓦冲断构造样式（表3）。

3.2 双向挤压模型

为了进一步验证上述实验结果的合理性，本论文加设了双向构造挤压变形实验，实验结果表4所示，认为不论是单向构造挤压还是双向构造挤压，其构造变形过程和最终变形样式一致，滑脱层本身构造变形亦与前者实验结果一致，在此不加赘述。

综合分析和对比两种实验结果表明，在构造变形及演化中，滑脱层本身始终并未发生明显的脆性变形，而发生塑性流动，在局部地区发生滑脱层的增厚与减薄，其中在靠近力源部位（或靠近造山带部位），滑脱层厚度增大，上覆构造层多发育断层相关褶皱构造，在地表表现为地层隆升而形成正地形；而远离力源部位（即靠近沉积盆地腹部），滑脱层发生厚度的减薄，多为下构造层中逆冲断层顶部发生倾角明显变缓并尖灭于滑脱层的位置。

表4 具滑脱层地质体的构造变形特征及其期次划分（双向构造挤压）表

4 讨论

本次实验的结果与目前多地区构造变形样式具有较强的一致性，具体以米泉地区、四川川东地区和川西龙门山地区为例（图2）。

位于我国新疆的米泉地区具有典型的滑脱冲断构造样式（杨玉龙，2020）（图2A）。该地区被滑脱层分为上下两套地层。其下部地层构造十分强烈，发育多条断层，除几条主断层贯穿所有地层外，次级断层均尖灭于滑脱层。其上部地层，未出现明显的逆冲断层，但发育多条断层相关褶皱。

图2 滑脱层在不同地区构造变形中对构造变形样式的影响

A-过米泉1井构造分层特征；B-川东地区典型滑脱构造；C-川东地区双滑脱构造及基底卷入构造；D-川西地区滑脱构造及纵向分层

在我国四川盆地的川东地区普遍发育构造滑脱（王志勇等，2018；张庆峰，2021；刘重庆等，2013）。川东地区滑脱构造发育区以滑脱层为界具有明显的构造变形分层特点（图2B）。滑脱层下部地层发育许多断层但都尖灭于滑脱层中，即消失在膏盐岩塑性层内部；其上部地层发育多受断裂控制的构造，即断层相关褶皱（图2C）。

龙门山冲断带发育多套滑脱带（汤良杰等，2008；金文正等，2011；李勇等，2013）（图2D），由于滑脱层的存在，上下地层发生明显不同的构造变形。其下部地层构造十分强烈，发育多条断层，但断层均尖灭于滑脱层。其上部地层，未出现明显的逆冲断层，但发育多条断层相关褶皱。

5 结论

位于滑脱层下方各时期地层，在构造变形中均逐渐形成明显的逆冲断层和相关构造变形样式，主要特征如下：

（1）在滑脱层存在的地质条件下，地质体可以自下而上可以划分为三个构造变形单元，即“上构造层、滑脱层、下构造层”，各构造层发育不同的构造变形特征，其中上构造层主要形成断层相关褶皱构造，以断展褶皱类型为主，而下构造层主要发育断块构造或者叠瓦冲断构造，滑脱层本身发生塑性流动，并且上构造层的变形强度明显大于下构造层的变形强度。

（2）根据变形样式及其演化，将构造变形划分为3个时期。

①在变形初期（缩短率小于20%），下构造层逐渐发育小规模的逆断层，上构造层发育断滑褶皱的雏形，在滑脱层中形成典型的顺层断层。

②构造变形中期（缩短率介于20%～60%之间），随着构造变形程度的加强，地层变形幅度加大，下构造层发育大量逆冲断层，并且断距在构造挤压过程中迅速增大，断层倾角下陡上缓，上端逐渐尖灭与滑脱层这之中，构造变形样式由最初的断块构造逐渐演化为叠瓦冲断构造，而上构造层进一步形成断展褶皱。

③构造变形晚期（缩短率大于60%），下构造层与上构造层的构造变形样式基本上不再变化，已经形成的多个构造样式发生继承性构造演化。

（3）在多期构造变形及演化过程中，滑脱层本身发生塑性流动，在局部地区发生滑脱层的增厚与减薄，并且在增厚与减薄部位，上构造层与下构造层分别具有不同的构造变形样式。

致谢：在实验过程中得到了能源学院何金有老师在实验仪器方面的给予的指导和帮助，此外也有多名班里的同学给予过无私的帮助，审稿人和编辑部老师对本文的最终定稿也给予了指导，在此一并致以衷心感谢。

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The Role of Detachment Layer in the Compressional Structural Deformation——Evidence from the Structure Physical Modeling Experiment

WAN Li-xin1JIN Wen-zheng1, 2

(1-School of Energy, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2-Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon enrichment mechanism, Ministry of Education, Beijing 100083)

In order to study the role of detachment layers in compressional structural deformation, the special structure physical modeling experiments are carried out in two different compression models (including unidirectional extrusion and dual-directional compression), revealing the structural styles and their evolution in several movement periods and different strata. The experimental results show that: (1) under the geological conditions of the detachment layers, a geological block can be divided into such three structural deformation units in descending order as upper structural layer, detachment layer and lower structural layer, (2) structural deformation can be divided into such as three stages: early stage characterized by a few small scale reverse faults in the lower layer, embryonic form of fault slip fold in the upper layer and several typical bedding faults in the detachment layer, middle stage characterized by more thrust faults in the lower layers and fault-propagation folds in the upper structural layer and late stage characterized by inheritance from the former structural styles, (3) during structural deformation, plastic flow occurs in the detachment layer, resulting in thickening and thinning in different areas, entirely different structural styles develop in the upper layers and the lower layers.

detachment layer; structure physical modeling experiment; fault; fault-related fold

P554

A

1006-0995（2022）01-0030-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.006

2021-09-30

国家自然科学基金项目（编号41572105、41002072）和油气资源与探测国家重点实验室开放课题基金（基金编号：PRP/open-1307）联合资助

万立鑫（1998— ），男，青海省西宁市人，本科生在读，主要从事石油地质专业方向的学习和研究

金文正（1978— ），男，辽宁省大连市人，博士，讲师，主要从事石油地质和含油气盆地分析专业方向的教学和研究工作