基底摩擦属性和脆性层厚度对背驮式盆地地貌形态及形成演化的影响：来自物理模拟的启示*

何文刚 余一欣 郑学贤 周 杰 江明倩 罗丽虹

（1.遵义师范学院土木工程系 贵州遵义 563006；2.葡萄牙里斯本大学科学院 葡萄牙里斯本 1749-016；3.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249；4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司海洋物探处 天津 300457）

前陆盆地是位于造山带和稳定的克拉通之间的构造变形区域，而背驮式盆地是前陆盆地中比较常见的一类盆地。所谓背驮式盆地，是逆冲构造体系中，相邻的两逆冲板片之间形成的凹陷地带（Ori and Friend，1984；Chanvry et al.，2018）。前陆盆地分布面积比较广泛，在全世界各大山系的周缘几乎都有前陆盆地分布，如加拿大的卡尔加里前陆盆地、扎格罗斯褶皱—冲断带的前陆盆地、中亚阿姆河前陆盆地、中国新疆的库车前陆盆地、四川前陆盆地和青海的柴达木前陆盆地等（图1）。同时，前陆盆地因富集大量的油气和矿产资源而受到广泛关注。为此，前人对前陆盆地进行了广泛的研究（Davis et al.，1983；Sherkati et al.，2006）。在横向结构特征上，可以把前陆盆地分成典型的造山楔、前渊和前陆稳定克拉通区域（De Celles and Giles，1996）。同时，前人利用区域地质资料、地球物理和钻测井资料，清晰地揭示了部分前陆盆地的逆冲构造层序，前陆地区的地层、沉积相带分布和岩相组成等（De Celles and Giles，1996；Bonini，2007；Burchfiel et al.，2008；Wu et al.，2014）。在形成机制和动力学特征研究上，表明前陆盆地是受到造山带的挤压作用所形成。但是，并不是所有前陆褶皱—冲断带都可以形成背驮式盆地，而是需要具备一定的构造地质条件。到目前为止，对前陆盆地的形成和控制因素的模拟研究，前人开展了浅表构造、剥蚀、挤压方向、物质迁移沉积作用的相关研究（Graveleau et al.，2015；邓宾等，2018，2022；Borderiea et al.，2019；Soto et al.，2020；Zuffetti and Bersezio，2021）。但前人只是讨论了控制前陆盆地形成的主要因素，没有回答在什么条件可以形成前陆或者是背驮式盆地，相关的模拟研究仍然相对缺乏，尤其是背驮式盆地形成机制的物理模拟分析，仍有待于进行更深入地研究和探讨。

图1 背驮式盆地及前陆褶皱—冲断带结构模式图Fig.1 Structural model of the piggyback basin and foreland fold-thrust belt

物理模拟是当前研究造山带和前陆盆地比较有效的分析手段，它可以为理解前陆盆地的形成机制提供构造物理学证据（Buiter，2012；Graveleau et al.，2012）。为此，本研究在前人研究的基础上，根据基底摩擦属性和脆性层厚度，设计了两个系列5组石英砂和硅胶组合模型，对背驮式盆地的地貌特征及形成机制进行了研究探讨，为进一步理解前陆盆地的形成及变形演化过程提供重要的理论参考。

1 模型设计

1.1 模型构建思路

造山带的模拟研究表明，影响前陆盆地构造变形的控制因素有沉积厚度、抬升速率、韧性层厚度、挤压变形速率和加载与卸载作用等（Graveleau et al.，2012；He，2020）。但是，针对基底摩擦属性和脆性层厚度对背驮式盆地形成及其地貌的影响还缺乏系统深入的研究。为此，本论文设计了两个系列5组模型对其进行探讨。

第一个系列是基底摩擦属性差异对背驮式盆地形成的影响。对此，前人开展了基底摩擦属性对褶皱—冲断带的变形演化的影响模拟研究（Calassou et al.，1993；Bonini，2007；Zhou et al.，2016；He et al.，2018）。但是，大多都是探讨褶皱—冲断带的变形演化（Bonini，2007），而针对背驮式盆地影响的基底摩擦属性分析并不十分多见，为此，本文对其专门开展了相关的模拟分析研究。

第二个系列就是脆性层的厚度对背驮式盆地地貌形成的影响。有关脆性层厚度对褶皱—冲断带的变形样式的研究，前人已开展了很多的研究工作（Marshak and Wilkerson，1992；Bonini，2003；Sherkati et al.，2006）。但是，脆性层厚度控制背驮式盆地地貌特征的研究分析还比较少见。同时，在研究工作中还发现，没有足够厚度的脆性很难形成背驮式盆地。为此，设计了不同脆性层厚度的模型对此进行模拟分析探讨。

1.2 模型构建

模拟实验在葡萄牙里斯本大学构造物理模拟实验室完成。实验装置长800 mm，宽300 mm，高150 mm（图2a）。每一组实验的挤压速度均为25 cm/h。为了减小侧向摩擦的影响，每组模型均没有侧向挡板。实验过程中均进行延时拍照，并进行切片以显示其内部的构造特征，而且对每一组模型均进行了重复性验证。

（1）基底摩擦属性差异模型

模型1中挤压端为韧性基底，硅胶层厚5 mm，石英砂厚15 mm，挤压速率为25 cm/h。用硅油对模型1靠近挤压端的硅胶层基底进行涂抹，以减少基底摩擦力的影响（图2b）。模型2的基底硅胶层厚仍然是5 mm，远离挤压端的基底为硅胶，而靠近挤压端用微玻璃珠减小基底摩擦强度，上覆脆性层厚度15 mm（图2c）。模型3中靠近挤压端为脆性石英砂，未减小基底摩擦力。而远离挤压端基底为硅胶，并用硅油减小基底摩擦力，其上覆脆性层的厚度仍然为15 mm（图2d）。

图2 背驮式盆地形成的物理模拟设计Fig.2 Analogue modelling design of the piggyback basin

（2）沉积层厚度差异模型

模型4和模型5的基底属性一致，均对基底进行硅油涂抹，以减小整个基底的摩擦强度影响。基底硅胶层厚度均为5mm，但上覆脆性层厚度不同，模型4和模型5的上覆石英砂厚度分别为10 mm和15 mm（图2e、图2f）。

1.3 模型参数及相似性

松散的石英砂是目前模拟上地壳脆性变形较为理想的材料，已在前陆盆地模拟研究中得到了广泛应用（Graveleau et al.，2012；He et al.，2018；Butler et al.，2020）。实验中使用的石英砂密度为1 600 kg/m3，粒径为0.3 mm，内摩擦角30°，内摩擦系数0.6，内聚力80 Pa。硅胶PDMS在室温25℃下的粘度为2.5×104Pa·s，密度为965 kg/m3。模拟中的运动学和动力学参数计算参照Hubbert（1937）和Weijermars et al.（1993），具体参数详见表2。

表2 模型材料和相似性系数（参照Hubbert，1937；Weijermars et al.，1993）Table 2 Model materials and scaling（referenced from Hubbert，1937；Weijermars et al.，1993）

1.4 模型局限性

本文针对背驮式盆地形成的地貌特征及其成因机制进行研究，重点是从基底摩擦属性和脆性厚度这两个方面开展相关的物理模拟分析。尽管做了大量的研究工作，但是未开展如剥蚀和沉积作用、加载与卸载作用等其它参数的影响分析，难免对研究的结果和认识具有一定局限性，有待于后续进行更深入地对比分析研究。

表1 模型参数Table 1 Model parameters

2 模拟结果

2.1 基底韧性层且靠近挤压端减小基底摩擦力模型的模拟结果

模型1缩短量为30 cm，缩短率为37.5%。在平面上形成了5条大的褶皱带。靠近挤压端的褶皱弧形弯曲度较大，而靠近前陆地区褶皱弧度有所减小。靠近根带的相邻两个褶皱带之间的间距大小较为接近，而到了前陆构造带，褶皱带之间的间距有所增大（图3a、图3b）。平行于挤压方向的切片显示，形成了3条大的逆冲断裂和2条明显的反冲调节断裂。靠近挤压端的逆冲断裂的倾角要比靠近前陆构造带的逆冲断裂大。在构造样式上，主要是形成前冲断裂和断层相关褶皱（图3c、图3d）。在前冲构造带的基底，可见明显的韧性层硅胶增厚现象。从挤压端至前缘，整体可划分为根带，前冲构造带、冲起构造带和前陆未变形构造带。本模型未形成明显的背驮式盆地。

图3 模型1模拟测试结果（脆性层厚15 mm）Fig.3 Analogue modeling results of model 1

2.2 远离挤压端韧性基底且靠近挤压端减小摩擦力模型的模拟结果

模型2缩短量为30 cm，缩短率为37.5%。在平面上形成了8条弧形褶皱构造带，而靠近挤压端的褶皱轴迹比较平直，而远离挤压端的褶皱轴迹则较为弯曲。褶皱带的隆起幅度存在差异，从根带向前陆，呈现一个窄条带小幅度褶皱和两个宽而且幅度大的褶皱相互叠置现象，而且单个褶皱带在走向上的宽度大小也不均一（图4a、图4b）。平行挤压方向的切片显示，从根带到前陆构造带，主要形成向前的逆冲断裂和反向调节断裂，只有接近前陆未变形区域，才形成了冲起构造。其构造样式比较单一，以前冲为主，仍然未形成明显的背驮式盆地（图4c、图4d）。

图4 模型2模拟测试结果Fig.4 Analogue modeling results of model 2

2.3 远离挤压端韧性基底且减小基底摩擦力模型的模拟结果

模型3仍然是挤压缩短30 cm，缩短率为37.5%。在平面上形成了8个褶皱带，包括7个背斜构造和1个背驮式向斜构造。褶皱轴迹在横向上的连续性较差，呈现弥散性特征（图5a、图5b）。靠近挤压端形成叠瓦式逆冲断裂，接着是背驮式前陆盆地、对称性冲起构造带。在褶皱—冲断带形成了明显差异的构造样式（图5c、图5d）。与模型2相比，模型3的基底摩擦强度减小，但出现了明显的背驮式地貌形态，而模型2未见背驮式的地貌特征。

图5 模型3模拟测试结果Fig.5 Analogue modeling results of model 3

2.4 脆性层较薄模型的模拟结果

模型4的缩短量为30 cm，缩短率为37.5%。形成了构造走向上不连续的褶皱带。褶皱—冲断带中部的褶皱幅度较大，而两侧褶皱幅度较小，呈现数量多、弥散性分布的特点。在褶皱—冲断带的根带，基底硅胶层出露地表。在褶皱—冲断带的中部和前缘区域，见明显的底辟构造（图6a、图6b）。平行挤压方向的切片显示，根带的硅胶层近似直立，而且大量出露在模型靠近挤压挡板的一侧，上覆倒转构造叠加在基底的前冲断裂之上。褶皱—冲断带的根带和中部褶皱带过渡区，形成典型的地貌盆地，即背驮式盆地。在前陆盆地的外侧，基底硅胶层厚度增大，形成核部为韧性层底辟所伴生的褶皱，而且底辟形态特征为朵状结构（图6c、图6d）。

图6 模型4模拟测试结果（脆性层厚10 mm）Fig.6 Analogue modeling results of model 4（thickness of brittle layer is 10 mm）

2.5 脆性层较厚模型的模拟结果

模型5的缩短量为30 cm，缩短率为37.5%。在平面上形成了多条褶皱带。褶皱—冲断带中部的褶皱轴迹比较连续，隆起幅度也较大，而到了其两侧和前缘区域，形成的褶皱幅度小而不连续。靠近挤压端的褶皱轴迹较为平直，而远离挤压端的褶皱轴迹的弯曲幅度越来越大，并且在地貌上形成了非常完美的周缘盆地结构（图7a、图7b）。平行挤压方向的切片显示，在褶皱—冲断带的根带，形成倒转和前冲构造，再叠置倒转的构造样式。与根带紧邻是地貌盆地，在地貌盆地的外侧形成多个蘑菇状的底辟构造（图7a、图7b）。整体上，从褶皱—冲断带的根带至前缘，构造样式主要是由倒转逆冲断裂、前冲断裂、再倒转逆冲断裂到前缘褶皱的组合特征（图7c、图7d）。

图7 模型5模拟测试结果（脆性层厚15 mm）Fig.7 Analogue modeling results of model 5（thickness of brittle layer is 15 mm）

3 讨 论

上述5组模型的模拟结果均形成了褶皱—冲断带的前冲构造特征，但是模拟结果具有较大差异（图4～图7）。通过对比不同模型的模拟结果，可以发现基底性质对褶皱—冲断带的构造样式具有重要的影响。软弱的基底有利于形成大量的褶皱，而脆性基底则形成逆冲断裂为主。但是因基底性质的不同，形成背驮式盆地的难易程度有所区别。前陆构造带韧性基底未减小摩擦强度，而靠近挤压一端无论是韧性基底或者基底减小摩擦强度，都不利于形成背驮式前陆盆地（模型1、模型2）。前陆构造带减小基底强度，则靠近挤压端无论是韧性基底还是脆性基底，对形成背驮式前陆盆地都是有利的（模型3、模型4、模型5）。模型4和模型5的模拟结果表明，增加褶皱—冲断带的上覆脆性层厚度，有利于形成更为清晰的背驮式盆地（图6，图7）。这究竟是什么内在机制在影响和控制背驮式前陆盆地的形成，其内在的力学性质是什么？值得进一步的分析和探讨。

3.1 基底摩擦属性的影响

基底摩擦属性模型的模拟结果表明，整个基底韧性结构，挤压端的基底减小摩擦强度，远离挤压端的韧性基底未减小摩擦强度，褶皱—冲断带形成的构造样式以向前的逆冲构造层序为主。大量的应变累积在褶皱—冲断带的根带，形成向前缘逆冲的褶皱和逆冲断层，无法在地貌上形成背驮式盆地。其原因是由于前陆构造带未减小基底摩擦力，具有较大的剪切强度。尽管根带具有较大的基底摩擦力，当应力传递到褶皱—冲断带的中部和前缘区域时，应变无法被有效释放，使得根带和褶皱带之间难以形成地貌盆地（模型1）。当褶皱—冲断带的根带减小基底强度，应变快速地传递到具有韧性基底的位置，由于来自于挤压一端的脆性层剪应力不足与前缘应力抗衡，导致来自褶皱—冲断带的物质爬升越过前缘的基底，形成前冲构造而无法产生地貌背驮式前陆盆地（模型2）。相反，当褶皱—冲断带的根带是脆性基底，在挤压变形过程中，会形成较大的剪应力，该剪应力传递到前缘构造带，因前缘具有较低的剪应力，使得平行于挤压方向的最大主应力克服了前缘的阻挡，利于形成地貌形态清晰的背驮式盆地（模型3）。对于脆—韧性层结构的褶皱—冲断带，在变形演化过程中，当靠近根带的基底剪应力大于前缘构造带的基底剪应力，则有利于形成背驮式盆地，而且上覆脆性层的厚度越大，形成的背驮式盆地的地貌特征越明显（模型4、模型5）。因此，褶皱—冲断带的不同区域之间的基底具有摩擦强度差，或者在褶皱—冲断带的根带和前陆之间的动力学平衡条件具有明显差异，根带的剪应力大于前缘，而且不会造成局部应变过于集中，这样才有利于背驮式盆地的形成。

3.2 脆性层的厚度对背驮式盆地的影响和控制

模型5的脆性层厚度为15 mm，其初始状态的脆性层剪应力为221 Pa。基底韧性层的厚度为5 mm，基底韧性层剪应力为347 Pa，其脆性层与韧性层的强度比为0.64。随着挤压位移的增大，脆性层的厚度越来越大，其脆性层的剪应力也快速增大，形成了脆性层的剪应力远大于韧性层的剪应力现象。有利于在褶皱—冲断带的根带形成较高的脆韧性强度比。而模型4的脆性层厚度为10 mm，其初始状态的脆性层剪应力为174 Pa，基底韧性层剪应力仍然为347 Pa，脆性层与韧性层的强度比为0.5。但是，随着挤压位移的增大，脆性层的厚度发生增厚现象并不十分明显。尽管在地貌上也是形成了背驮式盆地，但形成的地貌盆地幅度没有模型5的特征明显（图6d，图7d）。

当然，从脆、韧性层的角度讨论构造变形样式及运动学特征的形成，前人已经开展了较多的研究工作（Smit et al.，2003；Bonini，2007）。但是，前人并没有回答背驮式盆地的形成是由基底摩擦属性差异和脆性层的厚度所决定的。同时，本研究还发现，只要在挤压端具有较厚的脆性层，在变形过程中就极可能形成较厚的楔形体，这也才更有利于形成背驮式盆地。

3.3 背驮式盆地形成的应力特征分析

为什么在模型1和模型2条件下不能形成形态清晰的背驮式盆地，而在模型3、模型4和模型5条件可以形成背驮式盆地，而且脆性层的厚度越大，形成的背驮式盆地结构特征越清晰？应力图解表明，背驮式盆地两侧的应力平衡具有重要的控制作用（图8）。

从图8来看，没有形成背驮式盆地的构造带的各个区域的应力状态几乎一致，并且褶皱—冲断带根带的脆—韧性层的剪应力之和也比较小（图8a、图8b）。形成具有背驮式地貌形态特征的模型，其上覆脆性层的剪应力和基底韧性层的剪应力均较大，其脆、韧性层的剪应力之和也比较大（图8c、图8d）。具有背驮式发育的模型，由褶皱—冲断带的根带向前陆，脆、韧性层的剪应力均呈逐渐减小的趋势。这表明背驮式盆地形成，其平行挤压方向的两侧需要一定的应力差，而且根带的剪应力需要大于前缘构造带的剪应力。同时，地貌形态特征极为明显的背驮式盆地，其根带的基底韧性层的剪应力还需大于其脆性层的剪应力，而背驮式盆地地貌特征不够明显的构造带，呈现基底韧性层的剪应力小于其脆性层的剪应力。这一研究成果较好地回答了背驮式盆地的形成需要一定的应力平衡条件，对进一步认识和理解背驮式盆地的形成机制具有重要意义。

图8 褶皱—冲断带的根带、褶皱带和前缘的剪应力分布特征Fig.8 Shear stress distribution characteristics of the hinterland zone，fold zone，and front edge of the fold-thrust zone（after Bonini，2007；He et al.，2018）

3.4 实例分析

典型的背驮式盆地实例如印度与亚洲碰撞形成的青藏高原及其周缘的四川盆地、柴达木盆地和塔里木盆地等，本文重点对四川盆地进行对比分析。前人针对四川盆地的变形演化已开展了较多的研究（Robert et al.，2010；Gao et al.，2016）。前人通过深部地球物理解析，表明龙门山、四川盆地及川东构造的形成与印度亚洲的碰撞有关，而且也可以用北西向南东的挤压和俯冲模型进行解释（Gao et al.，2016）。因此，本研究的物理模型与前人的解释模型相似，可以对四川盆地这一背驮式盆地进行构造物理学分析。四川盆地靠近北西龙门山一带，具有较厚的地壳厚度，约40 km；而到了川东构造带，地壳厚度减小到25 km（Gao et al.，2016）。地层主要由前寒武纪结晶基底和上覆晚新元古代—中生代的浅海和陆源碎屑组成（Burchfiel et al.，2008）。盆地北西一侧逆冲断裂和褶皱发育，盆地中部主要是变形微弱的地壳结构，而到了川东地区，则分布大量的断层相关褶皱（He et al.，2018）。结合区域构造及地貌特征，本文的模型厚度1 cm，代表实际地壳厚度10 km。结果表明，地壳物质厚度小于10 km和川东构造带基底摩擦强度太大或太小，都不利于四川盆地的形成（图3，图9）。尽管有学者认为四川盆地是刚性的克拉通盆地（Burchfiel et al.，2008；Robert et al.，2010），与本文认为是背驮式盆地的观点不一致，但本文物理模拟表明青藏高原的隆升形成的巨大地壳厚度为四川背驮式盆地地貌结构形成提供了非常有利的条件（图7b、图7d），并且具有极为关键的控制作用，对进一步理解该区的边界结构及背驮式盆地的形成演化具有重要的参考价值。

图9 四川盆地及邻区实际的地貌特征Fig.9 Geomorphic characteristics of Sichuan Basin and its adjacent areas

4 结论与认识

本文通过物理模拟实验证实，基底摩擦属性和脆性层的厚度对背驮式盆地地貌结构的形成具有重要的控制作用。基底摩擦强度差，有利于形成褶皱—冲断带的根带和前陆褶皱带之间差异的剪应力条件，褶皱—冲断带的根带具有较大的脆—韧性层剪应力，或具有一定厚度的脆性层，对背驮式盆地的形成都具有较大的促进作用。而褶皱—冲断带的根带剪应力太小，或者褶皱—冲断带的前缘区域的剪应力太大，都不利于背驮式盆地的形成。

模拟结果进一步表明，形成清晰背驮式盆地的模型，从褶皱—冲断带的根带到前陆构造带之间，其剪应力具有逐渐减小的趋势，而未形成清晰背驮式盆地的模型，在褶皱—冲断带的各个区带之间，不具明显的应力差。这表明，背驮式盆地的形成与褶皱—冲断带根带的应力与前缘褶皱带的应力具有紧密的关系，而且它们之间需要满足一定的动力学平衡，才能有利于背驮式盆地的形成。

模拟结果结合四川背驮式盆地特征，研究进一步发现，四川背驮式盆地的形成与青藏高原的强烈隆升提供的应力和川东的基底性质条件等紧密相关。强烈隆升的青藏高原为四川背驮式盆地的形成提供了有利的应力条件，川东构造带的基底韧性层则在一定程度上改变了该区的基底摩擦强度，这为四川背驮式盆地的形成奠定了有利的物质基础。本文研究为进一步深入理解背驮式盆地的形成提供了极为宝贵的构造物理学证据。

致 谢本研究在里斯本大学Fernando、Filip、Joao等3位教授的帮助下完成。向他们的辛勤付出表示最衷心的感谢。