基底滑脫層分布對(duì)褶皺沖斷帶變形影響的物理模擬研究以塔西南西昆侖山前褶皺沖斷帶為例.pdf

2 0 1 2 年 1 2 月，第 1 8 卷，第 4期，7 0 1 7 1 0 頁(yè) De c e mb e r 2 01 2，Vo 1 1 8 ，No 4， P 7 0 1 7 1 0 基底滑脫層分布對(duì)褶皺沖斷帶變形影響的物理模擬研究： 以塔西南西昆侖山前褶皺沖斷帶為例 謝會(huì)文 ，王春陽(yáng) ，王智斌 ，程曉敢2 ，杜志利 ，師 駿 ， 陳漢林2 ，李 康2 1 中國(guó)石油 塔里木油田分公司，庫(kù)爾勒 8 4 1 0 0 0 ；2 浙江大學(xué) 地球科學(xué)系，杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 ： 針對(duì)塔西南西昆侖山前基底寒武系膏鹽層的分布情況， 采用物理模擬研究方法 ， 設(shè)計(jì)了研究基底滑脫層的分布對(duì)褶皺 沖斷帶影響的兩組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 基底滑脫層的分布對(duì)構(gòu)造變形樣式的發(fā)育及變形前鋒的傳播有重要的控制作用。 具體表現(xiàn)為在基底寒武系膏鹽層分布靠近山前的蘇蓋特地區(qū)變形整體表現(xiàn)為滑脫式的寬緩箱狀褶皺的發(fā)育；寒武系膏鹽層 分布較遠(yuǎn)離山前的柯東地區(qū)在缺失寒武系膏鹽層的山前地區(qū)， 表現(xiàn)為疊瓦狀逆沖斷層的發(fā)育 ，形成斷層相關(guān)的緊閉褶皺， 往北有寒武系膏鹽層發(fā)育的固滿地區(qū)才發(fā)育較大型的箱狀背斜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蘇蓋特地區(qū)的變形前鋒往前陸方向傳播得更快 更遠(yuǎn)，而柯東地區(qū)變形前鋒往前陸方向傳播得較慢較近 ， 從而在變形過(guò)程 中二者的變形前鋒容易出現(xiàn)一個(gè) “ z ”字形轉(zhuǎn)折。 關(guān)鍵詞：物理模擬；西昆侖 山；基底滑脫層；褶皺沖斷帶 中圖分類號(hào)：P 5 4 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文章編號(hào)：1 0 0 6 7 4 9 3( 2 0 1 2 ) 0 4 0 7 0 1 1 0 Th e Effe c t o f S p a t i a l Di s t r i b u t i o n o f Ba s e me n t De t a c h me n t o n De f o r ma t i o n i n a Fo l d a n d Th r u s t Be l t ： a n An a l o g u e M o d e l i n g Ap p r o a c h An Ex a mp l e o f W e s t Ku n l u n F o l d -a n d -Th r u s t Be l t XI E Hu iwe n ， W ANG Ch u n y a n g ， W ANG Zh i b i n ，CHENG Xi a o g a n ， DU Zh i l i ，SHI J u n ，CHE N Ha n l i n ， L I Ka n g 1 Ta r i m Oi l fi e l d Co mp a n y ， P e t r o Ch i n a ， Ko r l a ， 8 41 0 0 0 C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f E a r t h S c i e n c e s ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u ， 3 1 0 0 2 7 C h i n a Ab s t r a c t ： Th i s a r t i c l e u s e d a n a n a l o g u e mo d e l i n g me t h o d t o s t u d y t h e e f f e c t o f s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f b a s e me n t d e t a c h me n t o n d e f o r ma t i o n i n a f o l d a n d t h r u s t b e l t Ba s e d o n t h e s p a t i a l d i s t rib u t i o n o f Ca mb r i a n s a l t i n We s t Ku n l u n f o l d a n d t h r u s t b e l t s s o u t h we s t o f Ta r i m b a s i n we d e s i g n e d t wo e x p e r i me n t mo d e l s Re s u h s s h o w t h a t t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f b a s e me n t d e t a c h me n t p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n c o n t r o l l i n g t h e d e f o r ma t i o n s t y l e s a n d d e f o rm a t i o n fro n t o f a f o l d a n d t h r u s t b e l t I n t h e S u g a i t e a r e a Wh e r e t h e C a mb ria n s a l t d e p o s i t e d c l o s e l y t o t h e We s t Ku n l u n Mo u n t a i n t h e d e f o r ma t i o n mo s t l y e me r g e d i n a d e t a c h me n t s t r u c t u r e s t y l e ，ma i n l y d e v e l o pe d b o x s h a p e d a n t i c l i n e Co mp a r a t i v e l y ， i n t h e mo u n t a i n f r o n t o f Ke d o n g a r e a b e c a u s e t h e Ca mb r i a n s a l t d i s a p p e a r e d i t mo s t l y f o r me d i mb r i c a t e t h rus t s a n d t h rus t s r e l a t e d t i g h t f o l d s t O t h e n o r t h i n Gu ma n a r e a wh e r e e x i s t s Ca mb ri a n s alt a n d t h e d e f o rm a t i o n b e c o me a b o x 。 s h a p e d a n t i c l i n e wa y I n t h e p r o c e s s e s o f e x p e r i me n t s t h e d e f o r ma t i o n f r o n t o f S u g a i t e t r an s mi t t e d mu c h f a s t e r a n d o v e r a l o n g e r d i s t a n c e t o wa r d f o r e l a n d t h a n Ke d o n g are a ， t h u s t h e t h rus t fro n t f a v o r s a Z s h a p e d t r a n s i t i o n Ke y wo r ds ： an a l o g u e mo d e l i n g ； W e s t Ku n l u n ； b a s e me n t d e t a c h me n t ； f o l d a n d t h rus t b e l t Co r r e s p o n d i n g a ut h o r ： WANG Ch u n y a n g ， Ph D c a n d i d a t e ； E ma i l ： wan g c h u n y a n g 1 9 8 8 0 4 1 2 6 c o rn 收稿 日期 ：2 0 1 I - 1 2 3 1 ；修回日期 ：2 0 1 2 0 3 2 1 基金項(xiàng)目：國(guó)家 自 然科學(xué)基金項(xiàng) 目 ( 4 0 9 7 2 1 3 8 和4 1 0 7 2 1 5 4 )；國(guó)家重大科技專項(xiàng) ( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 1 ) 聯(lián)合資助 作者簡(jiǎn)介： 謝會(huì)文，男，高級(jí)工程師 ，油氣勘探； 通訊作者：王春陽(yáng)，男，博士研究生，構(gòu)造地質(zhì)專業(yè) ； E ma i l ： wa n g c h u n y a n g 1 9 8 8 0 41 2 6 C O l n 報(bào) 垂 S 學(xué) 貢 a 地 校 r 高 h a 曙 7 0 2 高校地質(zhì)學(xué)報(bào) 1 8卷 4期 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是在室 內(nèi)模擬 自然界地 質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象變形過(guò)程 、成因機(jī)制和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的 一 種有效的方法 ( R a m b e r g ，1 9 8 1 ；周建勛等， 1 9 9 9 )，長(zhǎng)期被應(yīng)用于前陸褶皺沖斷帶變形機(jī)制 的研究中 ( D a v i s e t a 1 ，1 9 8 3 ；Mu l u g e t a ，1 9 8 8 ； C o l l e t t a e t a 1 ， l 9 9 1；Ma r s h a k a n d W i l k e r s o n， 1 9 9 2； W a n g a n d Da v i s ， 1 9 96； Bo n i n i e t a 1 ， 1 9 9 9； C o s t a a n d V e n d e v i l l e ，2 0 0 2 ；L u j a n e t a 1 ，2 0 0 3 ； 戈紅星等 ，2 0 0 4 ；Ma s s o l i e t a 1 ，2 0 0 6 ；B o n i n i ， 2 0 0 7； Pi c h o t a n d Na l p a s ， 2 0 0 9； Ko n s t a n t i n o v s k a y a a n d Ma | a v i e i l l e ，2 0 1 1 )。在褶皺沖斷帶中，基底滑 脫層的存在是非偉普遍的現(xiàn)象 ，世界上超過(guò)1 3 個(gè) 大型褶皺沖斷帶底部發(fā)育蒸發(fā)巖滑脫層 ( D a v i s a n d E n g e l d e r ，1 9 8 5 )，而基底滑脫層的存在對(duì)沖斷帶 變形有非常重要的控制作用，相對(duì)于沒(méi)有基底滑脫 層發(fā)育的沖斷帶，其變形更易向前陸盆地方向傳 播，形成寬緩的褶皺沖斷帶 ( D a v i s a n d E n g e l d e r ， 1 9 8 5； Bu t l e r e t a 1 ， 1 98 7； Co t t o n a n d Ko y i ， 2 0 0 0； B o n i n i ，2 0 0 1 )。前人針對(duì)滑脫層對(duì)褶皺沖斷帶影 響的研究大多基于滑脫層均勻分布的情況 ，在褶皺 沖斷帶中，基底滑脫層的分布往往沿著走向與傾向 變化 ，針對(duì)滑脫層分布不均勻的情況則研究得較少 ( B a h r o u d i a n d K o y i ，2 0 0 3 ；B o n i n i ，2 0 0 7)。例如 B a h r o u d i 和K o y i ( 2 0 0 3 ) 針對(duì)扎格羅斯山前褶皺沖 斷帶霍爾木茲組膏鹽層分布沿走向分布不均勻的現(xiàn) 象采用物理模擬的手段進(jìn)行了研究，指出基底滑脫 層分布不均對(duì)扎格羅斯褶皺沖斷帶構(gòu)造樣式的發(fā)育 及應(yīng)力分布均有重要的影響。他們根據(jù)霍爾木茲組 膏鹽層的分布所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛谆搶酉蚺?地方向尖滅的實(shí)驗(yàn)，本文根據(jù)塔西南西昆侖山前褶 皺沖斷帶寒武系膏鹽層的分布情況所設(shè)計(jì)的模型是 基底滑脫層往西昆侖山前方向尖滅的實(shí)驗(yàn)，研究成 果對(duì)分析西昆侖山前褶皺沖斷帶變形差異性的控制 因素有重要的啟示意義。 1 地質(zhì)模型 本次模擬所針對(duì)的地質(zhì)模型是塔西南西昆侖 山前褶皺沖斷帶 ( 圖1 )，其中齊姆根地區(qū)是蘇蓋 特一英吉沙地區(qū)和柯東一柯克亞一固滿地區(qū)之間 的過(guò)渡帶 ，從西段的蘇蓋特一英吉沙過(guò)渡到東段 的柯 東一柯克亞一 固滿 ，在構(gòu)造樣式上發(fā) 生了很 大的變化 ，表現(xiàn)為西段的蘇蓋特一英吉沙地區(qū)淺 部為中生界一古生界推覆體 ，構(gòu)造主體為2 3 個(gè)沖 斷片疊置的 “ 堆垛”構(gòu)造，深部沿著寒武系膏鹽 層滑脫 ( 圖2)，而東段 的柯東一柯克亞一 固滿地 區(qū)主體受深部基底斷層 和山前斷層控制形威大 的背斜或者半背斜 ，在 山前缺失寒武系膏鹽層 的 地區(qū)表現(xiàn)為疊瓦狀逆沖斷層的發(fā)育 ，往北至固滿 地區(qū)發(fā)育底部寒武系膏鹽層，構(gòu)造樣式才表現(xiàn)為 薄皮式的滑脫構(gòu)造 ( 圖3 ) 。 古近系阿爾塔什組膏泥巖及寒武 系膏鹽層是 塔西南地區(qū)普遍發(fā)育的兩套滑脫層 ( 王步清等 ， 2 0 1 1 )。寒武系膏鹽層在地震剖面上表現(xiàn)為3 4 個(gè) 強(qiáng)波組 ，連續(xù)性好 ，可全區(qū)對(duì) 比追蹤 。該套地層在 西昆侖山內(nèi)部不發(fā)育，而在盆地內(nèi)部大面積分布 ( 圖4)。我們通過(guò)對(duì)西昆侖山前寒武系膏鹽層的 追蹤， 在測(cè)網(wǎng)上投出其尖滅線，發(fā)現(xiàn)其在山前的分 布并不均勻。具體表現(xiàn)為在蘇蓋特地區(qū)寒武系膏鹽 層向南延伸很遠(yuǎn)，甚至在山體之下還發(fā)育，被古生 代沖斷片掩蓋，而東段的柯東柯克亞一固滿地區(qū) 寒武系膏鹽層的發(fā)育離山體很遠(yuǎn) ( 如圖1 中寒武系 膏鹽層尖滅線所示 )。我們?cè)俜治霭l(fā)現(xiàn)塔西南沖斷 帶前鋒斷層與寒武系膏鹽層尖滅線之間存在良好的 相關(guān)性。西段的蘇蓋特地區(qū)前鋒斷層與寒武系膏鹽 層尖滅線之間的水平距離約為5 0 k m，而東段的柯東 地 區(qū)二者之問(wèn)的距離只有2 5 3 0 k m。由此可推測(cè)底 部寒武系膏鹽層的分布不均是導(dǎo)致塔西南沖斷帶東 西段構(gòu)造樣式差異的重要因素。西段蘇蓋特地區(qū)底 部寒武系膏鹽層分布靠近山前 ，因此整體發(fā)育一個(gè) 薄皮式的構(gòu)造 ；前鋒斷層與寒武系膏鹽層尖滅線之 間的距離 比較遠(yuǎn) ，相應(yīng)的東段柯東地 區(qū)因?yàn)楹湎?膏鹽層尖滅線較蘇蓋特地區(qū)遠(yuǎn)離山前，在山前地區(qū) 底部沒(méi)有下滑脫層的存在，因此發(fā)育疊瓦狀逆沖斷 層 ，形成相應(yīng)的緊閉褶皺 ，擠壓應(yīng)力在柯東地區(qū)通一 過(guò)高角度斷層被吸收， 使得擠壓應(yīng)力向 北傳遞近， ： 變形前鋒與寒武系膏鹽層尖滅線的距離近?；谶@ ：、 個(gè)設(shè)想，我們通過(guò)物理模擬的方法試圖去研究基底 。 滑脫層分布不均對(duì)塔西南褶皺一 沖斷帶的影響。 2 模型設(shè)計(jì) 2 1 實(shí)驗(yàn)材料 物理模擬實(shí)驗(yàn)常用的材料有 干燥石英砂 、微 4期 謝會(huì)文等：基底滑脫層分布對(duì)褶皺沖斷帶變形影響的物理模擬研究： 以塔西南西昆侖山前褶皺沖斷帶為例 7 0 9 往垂向上發(fā)育 ，因而在水平方向往前傳播的速度 有所減緩，最終使得變形前鋒的差異性減弱。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明寒武系的膏鹽層的分布對(duì)西昆 侖褶皺沖斷帶的發(fā)育有重要的控制作用，西段的 蘇蓋特一 英吉沙地區(qū)由于深部發(fā)育可以作為下滑 脫層的寒武系膏鹽層 ，總體上發(fā)育薄皮式的滑脫 構(gòu)造 ，擠壓應(yīng)力能夠沿著寒武系膏鹽層傳播得較 遠(yuǎn) ，因而變形前鋒能夠向北傳遞得較遠(yuǎn)。而東段 的柯東一 柯克亞一 固滿地區(qū)因寒武系膏鹽層分布較 遠(yuǎn)離山前 ，在山前缺失寒武系膏鹽層的柯東、柯 克亞地區(qū)發(fā)育疊瓦狀逆沖斷層，形成斷層相關(guān)的 緊閉褶皺，在有寒武系膏鹽層發(fā)育的固滿地區(qū)才 發(fā)育箱狀背斜 ( 圖3 ，圖9 a)，且擠壓應(yīng)力因山前 高角度斷層的吸收而向北傳遞近，具體表現(xiàn)為變 形前鋒往前陸方向的擴(kuò)展距離較近，東西兩段變 形傳播距離的不一致性導(dǎo)致了變形前鋒出現(xiàn) “ z ” 字形轉(zhuǎn)折 ( 圖1 ，圖7 B)。這種構(gòu)造樣式和變形前 鋒的差異性在實(shí)驗(yàn)1 表現(xiàn)得更加明顯，即基底滑脫 層呈現(xiàn) “ 矩形狀”截然分布的實(shí)驗(yàn)比 “ 弧形狀” 漸變的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)得更為顯著 ，而蘇蓋特地區(qū)和柯 東地區(qū)構(gòu)造樣式差異顯著 ( 對(duì)比圖2 和圖3 )，說(shuō) 明兩個(gè)地區(qū)之問(wèn)基底寒武系膏鹽層的分布可能表 現(xiàn)為一種截然變化的情況。 5 結(jié)論 基底寒武系膏鹽層的分布對(duì)蘇蓋特一英吉沙 地區(qū)和柯東一柯克亞一固滿地區(qū)的構(gòu)造樣式和變 形前鋒有重要的控制作用 ，在基底寒武系膏鹽層 分布靠近山前的蘇蓋特一英吉沙地區(qū)發(fā)育薄皮式 的構(gòu)造為主 ，表現(xiàn)為箱狀背斜 的發(fā)育 ，變形前鋒 往盆地方 向傳播得遠(yuǎn) ；在寒武 系膏鹽層分布遠(yuǎn)離 山前的柯東一柯克亞一固滿地區(qū)山前發(fā)育疊瓦狀 逆沖斷層，往北到達(dá)底部有寒武系膏鹽層發(fā)育的 固滿地區(qū)才發(fā)育薄皮滑脫式的箱狀背斜，且變形 前鋒往盆地方向傳播得較近，因此在變形過(guò)程中 變形前鋒容易出現(xiàn) “ z ”字形轉(zhuǎn)折現(xiàn)象?；谆?層呈 “ 矩形狀”截然分布的實(shí)驗(yàn)比呈 “ 弧形”漸 變的實(shí)驗(yàn)，兩側(cè)變形前鋒傳播、構(gòu)造樣式的差異 性要更加明顯，根據(jù)蘇蓋特地區(qū)和柯東地區(qū)明顯 的構(gòu)造差異 ，二者基底寒 武系膏鹽層分布可能為 一 種截然變化 的情況而非一種弧形狀漸變。 7 1 0 高校地質(zhì)學(xué)報(bào) 1 8卷 4期 Hu b e rt M K1 9 3 7 Th e o r y o f s c a l e d mo d e l s a s a p p l i e d t o t he s t u d y o f g e o l o g i c s t r u c t u r e s【 J I G e o l o g i c a l S o c i e t y o f A me r i c a B u l l e t i n ， 4 8 ( 1 0 ) ： 1 4 5 9 1 5 1 9 Kr a n t z R W 1 9 91 Me a s u r e me n t s o f f r i c t i o n c o e m c i e n t s a n d c o h e s i o n f o r f a u l t i n g a n d f a u l t r e a c t i v a t i o n i n l a b o r a t o ry mo d e l s u s i n g s a n d a n d s a n d mi x t u r e s 【 J _ T e c t o n o p h y s i c s ， 1 8 8 ( 1 2 ) ： 2 0 3 2 0 7 K0 n s t a n t i n o v s k a va E a nd Ma l a v i e i l l e J 2 0 1 1 Th r u s t we dg e s wi t h d e c o l l e me n t l e v e l s a n d s y n t e c t o n i c e r o s i o n ：A v i e w f r o m a n a l o g m o d e l s l J I T e c t o n o p h y s i e s ， 5 0 2 ( 3 4 ) ： 3 3 6 3 5 0 L u j a n M， S t o r t i F ， B a l a n y a J C ， e t a1 2 0 0 3 Ro l e o f d e c o l l e m e n t ma t e r i a l w i t h d i f f e r e n t r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s i n t h e s t r u c t u r e o f t h e Alj i b e t h r u s t i mb r i c a t e( F l y s c h T r o u g h ， G i b r a l t a r A r c ) ： a n a n a l o g u e mo d e l i n g a p p r o a c h J 1 J o u r n a l o f S t r u c t u r a l Ge o l o g y ， 2 5 ( 6 ) ： 8 6 7 8 81 Ma r s h a k S a n d W i l k e r s o n M S1 9 92 Ef f e c t o f o v e r b u r d e n t h i c k n e s s o n t h r u s t b e l t g e o me t r y a n d d e v e l o p me n tJ T e c t o n i c s ，1 l ( 3 ) ： 5 6 0 -5 6 6 Mu l u g e t a G 1 9 8 8 Mo d e l l i n g t h e g e o me t ry o f C o u l o mb t h rus t w e d g e s J _ J o u r n a l o f S t ruc t u r a l Ge o l o g y ， 1 O ( 8 ) ： 8 4 7 - 8 5 9 Ma s s o l i D， Ko y i H A a n d Ba r c h i M R2 0 06 S t r u c t u r a l e v o l u t i o n o f a f o l d a n d t h rus t b e h g e n e r a t e d b y mul t i p l e d e c o l l e me n t s ： a n a l o g ue m o d e l s a n d n a t u r a l e x a m p l e s fr o m t h e N o r t h e r n Ap e n n i n e s( I t a l y ) l J 1 J o u r n a l o f S t r u c t u r a l Ge o l o gy， 2 8 ( 2 ) ： 1 8 5 1 9 9 Pi c h o t T a n d Nalp a s T 2 00 9 I n flu e n c e o f s y n ki n e ma t i c s e d i me n t a t i o n i n a t h rus t s y s t e m w i t h t w o d e c o l l e me n t l e v e l s ； a n a l o gue mo d e l i n g J 1 T e c t o n o p h y s i c s ， 4 7 3 ( 3 4 ) ： 4 6 6 - 4 7 5 Ra mb e r g H1 9 8 1 Gr a v i t y ， De f o r ma t i o n a n d t he Ea r t