多滑脱层构造物理模拟试验及其对川东褶皱带形成演化的指示意义

裴仰文， 盛受政， 苗正硕， 牟毅城， 苏 楠， 郭 伟,冯 犇， 王 静， 梁 瀚， 谢柳娟

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580; 2.中国石油天然气股份有限公司勘探开发 研究院，北京 100083; 3.中国石油天然气股份有限公司西南分公司勘探开发研究院，四川成都 610041; 4.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071)

川东高陡构造带位于四川盆地东部，是中国页岩气勘探的热点地区，其构造样式特殊，是扬子板块西部的重要板内变形带，构造上表主体走向为北北东—北东的“侏罗山式”弧形褶皱带[1-3]。川东“侏罗山式”褶皱是典型的薄皮构造，主要变形特点为基底不卷入变形，由一系列变形强度不同的背斜和向斜相间排列而成。刘尚忠[4]最早通过褶皱形态分析认为川东“侏罗山式”褶皱是箱型褶皱遭受不同程度剥蚀的结果。李忠权等[5]建立构造反转模型，认为隔档式褶皱是早期伸展断层形成的断层相关褶皱后期构造反转而成，而颜丹平等[6]则认为川东地区更适用断层转折褶皱模型，川东地区早期形成隔档式褶皱带，受逆冲断层推进和变形强度影响，逐渐演变形成隔槽式褶皱带。在近10年的相关研究中，地质学家们普遍发现川东地区滑脱层的存在对川东褶皱带的形成演化具有重要控制作用[7-9]。针对川东褶皱带的形成演化过程，前人也开展大量的物理模拟[7,10]和数值模拟[11]试验，但由于试验模型设置与川东褶皱带吻合度并不高，特别是滑脱层的纵向配置、总体缩短速率等与川东地区实际地质背景并未完全相符，川东地区多套滑脱层对川东褶皱带构造演化的控制作用有待进一步明确。因此笔者在总结前人研究成果的基础上，依据川东地区地层学垂向分布情况，在4组构造物理模拟对比试验中设置多套滑脱层及基底滑脱层，并采用不同的构造挤压速率开展模拟试验，通过物理模拟试验结果和地震资料的综合分析，对川东地区多滑脱层控制下的构造演化过程进行研究，为川东地区形成演化理论研究及油气勘探实践提供支撑。

1 川东地区构造背景

四川盆地位于杨子板块北西边缘，是一个经历复杂构造演化过程的叠合盆地，在多期次构造运动的控制下，形成山前坳陷和褶皱冲断构造围限稳定中央隆起区的结构特征[12]。川东地区地处四川盆地东部和雪峰山构造带西侧，北侧为秦岭造山带；构造带宽度约为400 km，长度约为 600 km，整体上呈北北东—北东向延伸并向北西轻微凸出的宽广弧形构造带(图1)。川东褶皱带为扬子板块西部重要的板内变形带[1,13-15]。川东褶皱带西侧以华蓥山断裂为界与川中隆起分隔，齐岳山断裂将其划分为西部的川东隔档式褶皱带和东部的湘鄂西隔槽式褶皱带2个部分[1-2,12](图1(b))。

以华蓥山断裂带与齐岳山断裂带分别为西界与东界，川东褶皱带发育一系列背斜带与向斜带相间的隔档式褶皱，背斜带核部抬升并导致侏罗系、三叠系乃至二叠系地层经受强烈剥蚀(图2，详细地层信息见图3)。华蓥山背斜是川东褶皱带西缘背斜，其主控断层主体自东向西冲断，深部源自于中下寒武统膏盐岩滑脱层，向上传递过程中断层倾角快速变陡，最终突破至地表，属于元古代基底上覆薄皮断裂。华蓥山断裂带以西为盆地稳定区，整体构造变形较弱。

川东地区发育震旦系至第四系厚度逾万米的地层(图3)，其中震旦系到中三叠统为海相碳酸盐岩地层，上三叠统到第三系为陆相碎屑岩地层，地表出露古生界—中生界地层。受加里东运动的影响，川东地区缺失上志留统、泥盆系和石炭系地层。川东褶皱带主要发育3套区域性滑脱层，由深至浅依次为中下寒武统膏盐岩、志留系泥岩、中下三叠统膏盐岩(图3“构造变形特征”一栏中红色箭头标注)；以这3套区域性滑脱层为界，可将川东地层划分为3套构造层：深部寒武系—奥陶系构造层(以中下寒武统膏盐岩滑脱层为底界)，中部石炭系—二叠系构造层(以志留系泥岩滑脱层为底界)和浅部中生界构造层(以中下三叠统膏盐岩滑脱层为底界)。3套滑脱层能干性弱，其间的3套构造层能干性强，由于二者力学性质存在差异，在相同应力环境下，其构造变形方式也存在明显的差异性：膏盐岩、泥岩的构造变形以塑性流变为主要特征，而刚性岩层则主要发生褶皱和断裂变形。据川东典型地震剖面(图2)可知，3套滑脱层对于川东褶皱带的构造变形具有明显的拆离作用；在发生构造挤压变形的过程中，膏盐岩、泥岩塑性流变主要控制着上覆地层的构造变形，而对下覆地层构造变形的影响较小，导致川东地区深、中、浅3套构造层的变形特征具有显著差异[9,16]。

图1 川东地质构造简图(据文献[12]，有修改)Fig.1 Structural map of east Sichuan Basin(After citation[12], modified)

图2 川东典型剖面(据文献[12]，有修改)Fig.2 Representative seismic section of east Sichuan Basin(After citation[12], modified)

图3 川东地层综合柱状图(据文献[8]，有修改)Fig.3 Stratigraphic column of east Sichuan Basin(After citation[8], modified)

2 试验相似条件和模型设计

2.1 试验相似条件

本次试验采用黏聚强度约为120 Pa的白色、蓝色石英砂模拟脆性地层，采用黏度约为1.2×104Pa·s数量级的硅胶模拟川东地区的区域性滑脱层，试验材料的具体物理参数见表1。

表1 试验材料物理参数Table 1 Parameters of materials used in physical modelling

试验采用的石英砂颗粒粒径为0.2～0.6 μm，密度为1 300 kg/m3，内摩擦角约为31°，其变形遵循Mohr-Coulomb破裂准则，与上地壳地层的内摩擦角大致相当[17]，是模拟上地壳脆性变形的理想材料[18-19]。人工染色的石英砂物理性质无明显变化，为便于观察和表征构造变形过程，在试验中铺设数层l～2 mm厚度的薄层蓝色石英砂作为标志层。硅胶在低应变速率情况下具有牛顿流体性质，因此常被用来模拟上地壳塑性变形[20]，本试验采用的硅树脂在常温下黏度为1.2×104Pa·s，密度为929 kg/m3，在试验砂箱变形过程中可起到滑脱作用。

根据物理模拟相似原理[18,21]，即模型的尺度与材料的选择满足相似原理的要求，物理模型与地质原型的相似因子如下：

(1)重力相似因子g*= 1，模型和地质原型都在自然重力场中进行，两者相同；

(2)密度相似因子ρ*= 0.5，试验材料的密度约等于地层密度的一半；

(3)黏度相似因子η*≈ 1.2×10-15，实际地层黏度约为1×1019Pa·s，硅胶的黏度为1.2×104Pa·s；

(4)长度相似因子l*= 10-5，模型的1 cm大致等于地质原型的1 km。

2.2 模型设计

物理模拟试验模型设计如图4所示,砂箱初始长度、宽度和高度分别为50、26和8 cm，底部为水平金属钢板，砂箱左端为固定挡板，右端为电缸驱动的活动挡板，砂箱前后两侧为钢化透明玻璃。为便于直观地观察观察砂箱变形过程，石英砂在纵向上蓝白相间分层铺设(蓝色、白色石英砂物理属性无差别)。砂箱中铺设3层0.5 cm厚度的硅胶层，用以模拟川东地区中下寒武统膏盐岩、志留系泥岩、中下三叠统膏盐岩3套滑脱层(图4(a))，并将砂箱剖面由深至浅分隔为①、②、③、④号构造层。图4(b)所示试验模型与图4(a)相比，仅在底部增设一层厚度约为5 mm的硅胶层，用于模拟盖层与基底之间起到拆离作用的滑脱层。

图4 物理模拟试验砂箱模型设计示意图Fig.4 Schematic diagrams of physical modelling settings

本研究中设置4组对比试验，试验Ⅰ～Ⅲ采用图4(a)所示砂箱模型，试验Ⅳ则采用图4(b)所示砂箱模型，4组试验累积缩短量和累积缩短率统一设定为12.5 cm和25%。4组试验中，砂箱左、右两侧分别为固定和活动挡板，右侧活动挡板分别以0.5、0.05、0.005和0.005 mm/s的速度匀速向左侧移动。试验过程中，置于砂箱前侧透明玻璃外侧的高分辨率相机对不同缩短量阶段(0%、5%、10%、15%、20%、25%)的砂箱剖面构造特征进行拍摄，动态记录变形介质的构造特征及演化过程。

3 构造物理模拟试验结果及构造变形

3.1 构造物理模拟试验结果

3.1.1 试验Ⅰ

图5 试验 Ⅰ 模拟试验结果Fig.5 Results of physical model Ⅰ

试验 Ⅰ 累积缩短量为12.5 cm，累积缩短率为25%，缩短速率为0.5 mm/s。当缩短量为2.5 cm(缩短率为5%，图5(b))时，在靠近活动挡板一侧先形成一个箱状背斜，断层F1开始发育，持续挤压作用使挤压端背斜幅度逐渐增大；当构造缩短量分别为5 cm(缩短率为10%，图5(c))、7.5 cm(缩短率为15%，图5(d))和12.5 cm(缩短率为25%，图5(f))，新的逆冲断层F2，F3和F5依次形成，形成一系列叠瓦状逆冲断层，并在缩短量为10 cm(缩短率为20%，图5(e))时在F1上盘形成一条小型反冲断层F4。从图5(f)可以观察到，新发育的F5断层与F3断层之间的间距远大于F1、F2、F3三者之间的间距，说明在褶皱冲断带中，逆冲断层之间的间距随着挤压量的增加而增大。试验 Ⅰ 以逆冲断层的发育为主要构造变形特征，并以前展式向左侧的固定挡板一侧传播，在剖面上表现为叠瓦状逆冲推覆断层，早期形成的逆冲断层在新逆冲断层的影响下被动抬升，断层倾角逐渐增加。同时滑脱层拆离效果不明显，试验中由深至浅①～④号构造层呈现出较为相似的构造变形特征。

3.1.2 试验Ⅱ

图6 试验Ⅱ模拟试验结果Fig.6 Results of physical model Ⅱ

试验Ⅱ累积缩短量为12.5 cm，累积缩短率为25%，缩短速率为0.05 mm/s。当缩短量为2.5 cm(缩短率为5%，图6(b))时，在靠近活动挡板一侧首先发育一个开阔的扇状背斜，源自基底的逆冲断层F1开始发育，但尚未切穿上覆硅胶层。在缩短量为5 cm(缩短率为10%，图6(c))时，F1断距持续增大但仍未切穿上覆硅胶层，被3套滑脱层分隔的①～③号构造层分别发育小型反冲断层F4、F2和F3。当缩短量为7.5 cm(缩短率为15%，图6(d))时，源自基底的逆冲断层F5、F6开始发育，向上终止于硅胶层。当缩短量达到10 cm(缩短率为20%，图6(e))时，在剖面中部④号构造层又发育一宽缓背斜，同时③号构造层中断层F7开始发育。从图6(f)(缩短量达到12.5 cm，缩短率为25%)可以观察到，各断层(F1～F9)的发育均只局限在各自所处的构造层中，说明在试验Ⅱ中缩短速率减缓为0.05 mm/s时，滑脱层开始呈现出一定的拆离效果，深中浅构造层的变形存在一定的差异，深部构造层(①号构造层)以发育叠瓦逆冲断层为主，而中、浅部构造层(②～ ④号构造层)构造变形则以褶皱为主、断层为辅。相较于试验Ⅰ的快速压缩(缩短速率为0.5 mm/s，图5)，试验Ⅱ在缩短速率放缓(0.05 mm/s)的条件下，砂箱中应变更易向固定挡板一侧快速传播。

3.1.3 试验Ⅲ

试验Ⅲ积缩短量为12.5 cm，累积缩短率为25%，缩短速率为0.005 mm/s。与试验Ⅰ和试验Ⅱ相比，试验Ⅲ中砂箱的缩短速率进一步减小，为0.005 mm/s(图7)。当缩短量为5 cm(缩短率为10%，图7(b))时，靠近活动挡板一侧褶皱波长变短，深部①号构造层中快速发育逆冲断层F1、F2和反冲断层F5，②和③号构造层分别发育小型反冲断层F3和逆冲断层F4。随着缩短量持续增加(图7(c)～(e))，褶皱的波幅快速增加，深部①号构造层陆续发育断层F6和F7，早期发育的断层断距也持续增加。从图7(f)(缩短量达到12.5 cm，缩短率为25%)观察到，浅部②～④号构造层的构造变形以褶皱为主、断层为辅；而深部①号构造层则主要以断层发育为主要变形特征。与试验Ⅰ(缩短速率为0.5 mm/s，图5)和试验Ⅱ(缩短速率为0.05 mm/s，图6)相比，试验Ⅲ中缩短速率进一步减小至0.005 mm/s时，硅胶滑脱层的拆离效果进一步增强，①～④号构造层的构造变形呈现出更为明显的不协调现象；深部硅胶滑脱层将主要的断层发育局限在①号构造层中，其拆离效果明显，中部和浅部的滑脱层拆离效果则相对较弱。

3.1.4试验Ⅳ

试验 Ⅳ累积缩短量为12.5 cm，累积缩短率为25%，缩短速率为0.005 mm/s。对比试验Ⅰ～Ⅲ，试验 Ⅳ在砂箱底部新增设一套硅胶滑脱层，缩短速率则与试验Ⅲ相同，仍为0.005 mm/s(图8)。在缩短量达到5 cm之前(缩短率为5%，图8(b)；缩短率为10%，图8(c))，深部的①和②号构造层在褶皱变形的同时分别发育F1和F2断层，而浅部的③和④号构造层则以褶皱变形为主。当缩短速率达到10 cm之前(缩短率为15%，图8(d)；缩短率为20%，图8(e))，在深部①号滑脱层早期发育的F1下盘进一步发育F3断层，而在浅表发育断距极为有限的F4、F5和F6等小型调节断层。当缩短量达到12.5 cm(缩短率为12.5%，图8(f))时，在砂箱靠近固定挡板一侧发育F7断层及其上盘的传播褶皱。与试验Ⅲ(图7)相比，试验Ⅳ受控于砂箱底部滑脱层的拆离作用，构造变形不再局限于活动挡板附近，而是更易于向左侧固定挡板一侧传播，指示砂箱底部滑脱层对应力的横向传递具有重要控制作用；①和②号构造层之间的滑脱层拆离作用更加明显，但浅部2套滑脱层的拆离作用较弱。

图8 试验Ⅳ模拟试验结果Fig.8 Results of physical model Ⅳ

3.2 多滑脱层控制下的构造变形分析

上文展示4组多滑脱层构造物理模拟试验结果，其中试验Ⅰ～Ⅲ的变形介质(即砂层、滑脱层纵向配置)完全一致，但在变形过程中采用不同的缩短速率，分别为0.5、0.05和0.005 mm/s；试验Ⅳ则在与试验Ⅰ～Ⅲ相同变形介质的基础上，在其底部新增一层厚度约为5 mm的硅胶滑脱层，缩短速率与试验Ⅲ相同，为0.005 mm/s。因此通过对比试验Ⅰ～Ⅲ的构造变形过程及试验结果，可分析不同缩短速率对多滑脱层构造变形的控制作用；通过对比试验Ⅲ和试验Ⅳ，可分析滑脱层纵向配置对构造变形的控制作用。

试验Ⅰ(缩短速率为0.5 mm/s，图5)各断层的发育并未局限在某一砂层中，特别是F5从深部一直向上传播至变形介质顶部，反映在较高的缩短速率下，3套硅胶滑脱层所起到的拆离作用十分有限，剖面深、中、浅构造层的构造变形具有较高的相似性，未显示出明显差异。与试验Ⅰ相比，试验Ⅱ和试验Ⅲ采用较低的构造缩短速率(分别为0.05和0.005 mm/s)。在试验Ⅱ中(图6)，尽管断层F1～F9的发育时间存在先后，但各断层的发育均局限在各自所处的砂层中，未能切割上部或下部的硅胶层，且剖面中发育褶皱的波长：波幅比从深至浅逐步变大，反映缩短速率为0.05 mm/s时，硅胶滑脱层已经具有显著的拆离作用，并使得深、中、浅构造层的变形具有明显差异。在试验Ⅲ中(图7)，随着构造缩短速率的进一步减小，除断层F3和F4外，其余断层的发育均局限在深部硅胶滑脱层之下，说明深部硅胶滑脱层的拆离作用更加显著，而中部和浅部硅胶层的滑脱作用有所减弱。

在缩短量为25%(即12.5 cm)时，通过对试验Ⅰ～Ⅳ中由深至浅①～④号构造层缩短量的定量分析，根据各构造层缩短量中断层与褶皱各自的贡献量(%)制作试验Ⅰ～Ⅳ的缩短量贡献率统计图(图9)。对比分析发现：试验Ⅰ中滑脱层对各构造层的拆离效果不明显(缩短速率为0.5 mm/s，图9(a))，断层主要发育在深部构造层(如①、②号构造层)，①号构造层中断层与褶皱发育对总缩短量的贡献基本相当(各约为50%)，②号构造层中断层发育对总缩短量的贡献下降至约为30%；而浅部的③、④号构造层中断层的发育则非常有限，95%以上的缩短量均由褶皱的发育导致；而随着挤压速率的逐渐减小，试验Ⅱ(缩短速率0.05 mm/s，图9(b))和试验Ⅲ(缩短速率为0.005 mm/s，图9(c))中滑脱层的拆离效果明显增强，深部①号构造层中断层与褶皱对总缩短量的贡献基本相当(褶皱略具优势)，中浅部②～④号构造层中褶皱发育对总缩短量的贡献占绝对主导作用(大于90%)，断层活动相对较弱。与试验Ⅲ相比，试验Ⅳ缩短速率依然为0.005 mm/s，但由于砂箱底部增设一套硅胶滑脱层，导致各构造层之间的变形差异进一步增强，例如②和④号构造层中断层发育对总缩短量的贡献比高于③号构造层(图9(d))。

前人针对断层相关褶皱进行大量的定量解析研究，发现构造变形的总体缩短量、断层发育规模、褶皱隆升幅度等参数之间存在紧密的联系[22]。图10统计分析本研究中试验Ⅰ～Ⅳ地表抬升幅度与构造缩短率之间的对应关系。随着缩短率的增加，4组试验中地表抬升幅度与缩短率均呈现出线性正相关。然而通过对比发现，缩短速率不同时地表抬升幅度存在差异，例如当缩短速率较快时(0.5 mm/s，试验Ⅰ)，地表抬升幅度最弱；当缩短速率减慢至0.05 mm/s时(试验Ⅱ)，地表抬升幅度较试验Ⅰ略有增加；当缩短速率进一步减慢至0.005 mm/s时(试验Ⅲ和Ⅳ)，地表抬升幅度进一步增加。这说明构造变形速率对于多滑脱层发育区构造变形的垂向生长特征也具有重要影响作用，当地层快速缩短时(如0.5 mm/s，图5、10)，各滑脱层拆离效果不明显，地表抬升幅度较小，构造应变更易于发生横向传播；而当地层以较慢的速率缩短时(如0.005 mm/s，图7、10)，滑脱层拆离效果显著增强，地表抬升幅度也相应明显增强。

图9 断层和褶皱对缩短量的贡献率统计(缩短率均为12.5%)Fig.9 Statistics of contribution of faults and folds to overall shortening(shortening ratio: 12.5%)

图10 地层抬升幅度与缩短率的对应关系Fig.10 Corresponding relationship between topographic uplift and shortening ratio

4 讨 论

自印支运动以来，四川盆地东部地区经历多期次构造挤压变形，形成现今的川东褶皱带。前人针对川东褶皱带的构造变形过程及形成机制开展一系列的研究[4-6,22-25]，尽管取得的认识存在一定的差异，但均认为川东地区3套滑脱层(中下寒武统膏盐岩、志留系泥岩、中下三叠统膏盐岩)对于川东地区的构造变形具有重要影响。相关研究表明，受滑脱层数量、厚度及挤压作用强度等因素影响，褶皱带的构造变形特征具有明显横向差异性及纵向分层性[11]。在垂向上，由于滑脱层的存在，应力在各构造层内的分布与传递存在明显的纵向差异性，导致被滑脱层分隔的各构造层表现出构造变形不协调现象。

通过4组构造物理模拟试验结果的对比分析发现，当多套滑脱层存在时，深部滑脱层的拆离作用明显强于浅部滑脱层(图5～8)，这与川东地区的多滑脱层控制下的构造变形特征具有较高的吻合度。川东地区发育的主要断裂多数从深部起源于中下寒武统膏盐岩层中(图2)，且川东滑脱构造变形的区域与四川盆地中下寒武统膏盐岩的分布范围也存在较高的吻合度[12]，表明中下寒武统膏盐岩是川东褶皱冲断构造变形的关键控制因素。此外尽管中浅部2套滑脱层(志留系泥岩和中下三叠统膏盐岩)对川东地区中浅构造层的构造变形也具有一定的影响作用，但这2套滑脱层的拆离效果显著弱于深部中下寒武统膏盐岩。

关圣浩[8]发现构造缩短量对川东地区多层滑脱褶皱和断裂发育的控制作用，并认为缩短率小于20%时发育滑脱褶皱和西倾断层，缩短率大于20%时发育东倾的逆冲断层，缩短率达到30%时紧闭背斜核部聚集膏盐岩和泥岩并发育高陡断层。然而该缩短率是对川东地区剖面中挤压构造变形结果的静态表征，而实际上川东褶皱带在印支运动以来的构造演化过程中其变形速率并非是均一的。结合本试验结果分析，构造变形速率对于多滑脱层发育区构造变形的垂向差异性也具有重要控制作用(图9、10)：变形速率减小时，滑脱层的拆离效果明显增强，各构造层变形样式的垂向差异性也随之增强；变形速率增大时，滑脱层的拆离效果逐步减弱，各构造层变形样式的垂向差异性也随之减小。因此在印支运动早期的弱挤压变形阶段，变形速率较低，使得川东地区3套滑脱层(特别是中下寒武统膏盐岩)充分发挥其拆离作用，以发育滑脱褶皱及小型的调节断层为主要构造变形特征，各构造层变形特征在垂向上具有显著的差异性；而在后期的强烈挤压变形阶段，变形速率快速提升，一定程度上限制各滑脱层的拆离作用，各构造层以发育高陡逆冲断层和反冲断层为主，变形特征趋于一致。

5 结 论

(1)物理模拟对比试验表明，滑脱层纵向配置和变形速率对多套滑脱层发育区的构造变形样式具有重要控制作用：①当同时发育多套滑脱层时，深部滑脱层的拆离效果显著强于浅部滑脱层，导致垂向上深部构造层之间的构造变形差异性高于浅部构造层；②变形速率减小时，滑脱层的拆离效果明显增强，各构造层的变形样式差异性也随之增强；变形速率增大时，滑脱层的拆离效果逐步减弱，各构造层的变形样式差异性也随之减小。

(2)川东地区主要发育3套滑脱层(中下寒武统膏盐岩、志留系泥岩、中下三叠统膏盐岩)，将川东地层划分为深部寒武系—奥陶系构造层、中部石炭系—二叠系构造层和浅部中生界构造层3套构造层；3套滑脱层对于川东褶皱带的构造变形具有明显的拆离作用，深部的中下寒武统膏盐岩的拆离作用显著强于中浅部的志留系泥岩和中下三叠统膏盐岩，导致川东地区3套构造层的变形特征在垂向上具有显著差异。

(3)川东地区在印支运动以来的构造变形速率存在差异性。印支运动早期弱挤压变形阶段的变形速率较低，川东地区3套滑脱层(特别是中下寒武统膏盐岩)拆离作用明显，以发育滑脱褶皱及小型的调节断层为主要构造变形特征，各构造层变形特征产生明显的垂向差异性；后期强烈挤压变形阶段的变形速率快速提升，限制各滑脱层的拆离作用，各构造层以发育高陡逆冲断层和反冲断层为主，变形特征趋于一致。