基底滑脱层分布对褶皱冲断带变形影响的物理模拟研究以塔西南西昆仑山前褶皱冲断带为例.pdf

2 0 1 2 年 1 2 月，第 1 8 卷，第 4期，7 0 1 7 1 0 页 De c e mb e r 2 01 2，Vo 1 1 8 ，No 4， P 7 0 1 7 1 0 基底滑脱层分布对褶皱冲断带变形影响的物理模拟研究： 以塔西南西昆仑山前褶皱冲断带为例 谢会文 ，王春阳 ，王智斌 ，程晓敢2 ，杜志利 ，师 骏 ， 陈汉林2 ，李 康2 1 中国石油 塔里木油田分公司，库尔勒 8 4 1 0 0 0 ；2 浙江大学 地球科学系，杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 ： 针对塔西南西昆仑山前基底寒武系膏盐层的分布情况， 采用物理模拟研究方法 ， 设计了研究基底滑脱层的分布对褶皱 冲断带影响的两组实验。实验结果表明： 基底滑脱层的分布对构造变形样式的发育及变形前锋的传播有重要的控制作用。 具体表现为在基底寒武系膏盐层分布靠近山前的苏盖特地区变形整体表现为滑脱式的宽缓箱状褶皱的发育；寒武系膏盐层 分布较远离山前的柯东地区在缺失寒武系膏盐层的山前地区， 表现为叠瓦状逆冲断层的发育 ，形成断层相关的紧闭褶皱， 往北有寒武系膏盐层发育的固满地区才发育较大型的箱状背斜。实验过程中苏盖特地区的变形前锋往前陆方向传播得更快 更远，而柯东地区变形前锋往前陆方向传播得较慢较近 ， 从而在变形过程 中二者的变形前锋容易出现一个 “ z ”字形转折。 关键词：物理模拟；西昆仑 山；基底滑脱层；褶皱冲断带 中图分类号：P 5 4 8 文献标识码 ：A 文章编号：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 基金项目：国家 自 然科学基金项 目 ( 4 0 9 7 2 1 3 8 和4 1 0 7 2 1 5 4 )；国家重大科技专项 ( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 1 ) 联合资助 作者简介： 谢会文，男，高级工程师 ，油气勘探； 通讯作者：王春阳，男，博士研究生，构造地质专业 ； 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 报 垂 S 学 贡 a 地 校 r 高 h a 曙 7 0 2 高校地质学报 1 8卷 4期 构造物理模拟实验是在室 内模拟 自然界地 质构造现象变形过程 、成因机制和动力学过程的 一 种有效的方法 ( R a m b e r g ，1 9 8 1 ；周建勋等， 1 9 9 9 )，长期被应用于前陆褶皱冲断带变形机制 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 ； 戈红星等 ，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 )。在褶皱冲断带中，基底滑 脱层的存在是非伟普遍的现象 ，世界上超过1 3 个 大型褶皱冲断带底部发育蒸发岩滑脱层 ( D a v i s a n d E n g e l d e r ，1 9 8 5 )，而基底滑脱层的存在对冲断带 变形有非常重要的控制作用，相对于没有基底滑脱 层发育的冲断带，其变形更易向前陆盆地方向传 播，形成宽缓的褶皱冲断带 ( 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 )。前人针对滑脱层对褶皱冲断带影 响的研究大多基于滑脱层均匀分布的情况 ，在褶皱 冲断带中，基底滑脱层的分布往往沿着走向与倾向 变化 ，针对滑脱层分布不均匀的情况则研究得较少 ( 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 ) 针对扎格罗斯山前褶皱冲 断带霍尔木兹组膏盐层分布沿走向分布不均匀的现 象采用物理模拟的手段进行了研究，指出基底滑脱 层分布不均对扎格罗斯褶皱冲断带构造样式的发育 及应力分布均有重要的影响。他们根据霍尔木兹组 膏盐层的分布所设计的实验模型为基底滑脱层向盆 地方向尖灭的实验，本文根据塔西南西昆仑山前褶 皱冲断带寒武系膏盐层的分布情况所设计的模型是 基底滑脱层往西昆仑山前方向尖灭的实验，研究成 果对分析西昆仑山前褶皱冲断带变形差异性的控制 因素有重要的启示意义。 1 地质模型 本次模拟所针对的地质模型是塔西南西昆仑 山前褶皱冲断带 ( 图1 )，其中齐姆根地区是苏盖 特一英吉沙地区和柯东一柯克亚一固满地区之间 的过渡带 ，从西段的苏盖特一英吉沙过渡到东段 的柯 东一柯克亚一 固满 ，在构造样式上发 生了很 大的变化 ，表现为西段的苏盖特一英吉沙地区浅 部为中生界一古生界推覆体 ，构造主体为2 3 个冲 断片叠置的 “ 堆垛”构造，深部沿着寒武系膏盐 层滑脱 ( 图2)，而东段 的柯东一柯克亚一 固满地 区主体受深部基底断层 和山前断层控制形威大 的背斜或者半背斜 ，在 山前缺失寒武系膏盐层 的 地区表现为叠瓦状逆冲断层的发育 ，往北至固满 地区发育底部寒武系膏盐层，构造样式才表现为 薄皮式的滑脱构造 ( 图3 ) 。 古近系阿尔塔什组膏泥岩及寒武 系膏盐层是 塔西南地区普遍发育的两套滑脱层 ( 王步清等 ， 2 0 1 1 )。寒武系膏盐层在地震剖面上表现为3 4 个 强波组 ，连续性好 ，可全区对 比追踪 。该套地层在 西昆仑山内部不发育，而在盆地内部大面积分布 ( 图4)。我们通过对西昆仑山前寒武系膏盐层的 追踪， 在测网上投出其尖灭线，发现其在山前的分 布并不均匀。具体表现为在苏盖特地区寒武系膏盐 层向南延伸很远，甚至在山体之下还发育，被古生 代冲断片掩盖，而东段的柯东柯克亚一固满地区 寒武系膏盐层的发育离山体很远 ( 如图1 中寒武系 膏盐层尖灭线所示 )。我们再分析发现塔西南冲断 带前锋断层与寒武系膏盐层尖灭线之间存在良好的 相关性。西段的苏盖特地区前锋断层与寒武系膏盐 层尖灭线之间的水平距离约为5 0 k m，而东段的柯东 地 区二者之问的距离只有2 5 3 0 k m。由此可推测底 部寒武系膏盐层的分布不均是导致塔西南冲断带东 西段构造样式差异的重要因素。西段苏盖特地区底 部寒武系膏盐层分布靠近山前 ，因此整体发育一个 薄皮式的构造 ；前锋断层与寒武系膏盐层尖灭线之 间的距离 比较远 ，相应的东段柯东地 区因为寒武系 膏盐层尖灭线较苏盖特地区远离山前，在山前地区 底部没有下滑脱层的存在，因此发育叠瓦状逆冲断 层 ，形成相应的紧闭褶皱 ，挤压应力在柯东地区通一 过高角度断层被吸收， 使得挤压应力向 北传递近， ： 变形前锋与寒武系膏盐层尖灭线的距离近。基于这 ：、 个设想，我们通过物理模拟的方法试图去研究基底 。 滑脱层分布不均对塔西南褶皱一 冲断带的影响。 2 模型设计 2 1 实验材料 物理模拟实验常用的材料有 干燥石英砂 、微 4期 谢会文等：基底滑脱层分布对褶皱冲断带变形影响的物理模拟研究： 以塔西南西昆仑山前褶皱冲断带为例 7 0 9 往垂向上发育 ，因而在水平方向往前传播的速度 有所减缓，最终使得变形前锋的差异性减弱。 实验结果说明寒武系的膏盐层的分布对西昆 仑褶皱冲断带的发育有重要的控制作用，西段的 苏盖特一 英吉沙地区由于深部发育可以作为下滑 脱层的寒武系膏盐层 ，总体上发育薄皮式的滑脱 构造 ，挤压应力能够沿着寒武系膏盐层传播得较 远 ，因而变形前锋能够向北传递得较远。而东段 的柯东一 柯克亚一 固满地区因寒武系膏盐层分布较 远离山前 ，在山前缺失寒武系膏盐层的柯东、柯 克亚地区发育叠瓦状逆冲断层，形成断层相关的 紧闭褶皱，在有寒武系膏盐层发育的固满地区才 发育箱状背斜 ( 图3 ，图9 a)，且挤压应力因山前 高角度断层的吸收而向北传递近，具体表现为变 形前锋往前陆方向的扩展距离较近，东西两段变 形传播距离的不一致性导致了变形前锋出现 “ z ” 字形转折 ( 图1 ，图7 B)。这种构造样式和变形前 锋的差异性在实验1 表现得更加明显，即基底滑脱 层呈现 “ 矩形状”截然分布的实验比 “ 弧形状” 渐变的实验表现得更为显著 ，而苏盖特地区和柯 东地区构造样式差异显著 ( 对比图2 和图3 )，说 明两个地区之问基底寒武系膏盐层的分布可能表 现为一种截然变化的情况。 5 结论 基底寒武系膏盐层的分布对苏盖特一英吉沙 地区和柯东一柯克亚一固满地区的构造样式和变 形前锋有重要的控制作用 ，在基底寒武系膏盐层 分布靠近山前的苏盖特一英吉沙地区发育薄皮式 的构造为主 ，表现为箱状背斜 的发育 ，变形前锋 往盆地方 向传播得远 ；在寒武 系膏盐层分布远离 山前的柯东一柯克亚一固满地区山前发育叠瓦状 逆冲断层，往北到达底部有寒武系膏盐层发育的 固满地区才发育薄皮滑脱式的箱状背斜，且变形 前锋往盆地方向传播得较近，因此在变形过程中 变形前锋容易出现 “ z ”字形转折现象。基底滑脱 层呈 “ 矩形状”截然分布的实验比呈 “ 弧形”渐 变的实验，两侧变形前锋传播、构造样式的差异 性要更加明显，根据苏盖特地区和柯东地区明显 的构造差异 ，二者基底寒 武系膏盐层分布可能为 一 种截然变化 的情况而非一种弧形状渐变。 7 1 0 高校地质学报 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