斜向逆冲断层相关褶皱的正演模型与实例分析.pdfVIP

年 背 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V o 1 5 9 N o 6 N O V 2 0 1 3 斜 向逆冲断层相关褶皱 的正演模型 与实例分析 张 猛， 贾 东， 王毛 毛， 李志月 0 ， 李一 泉 南京大学地球科学与工程学院 ， 南京 ， 2 1 0 0 4 6 内容提要 ： 斜向逆冲作用在 自然界普遍存在， 研究斜 向逆冲断层相关褶皱的构造几何学特征， 识别断层相关褶 皱是否存在斜向逆冲有重要意义。文章采用 T r i s h e a r 4 5 、 G o c a d以及 T r is h e a r 3 D软件构建一系列不同滑移量的断层 转折褶皱和断层传播褶皱的二维正演剖面， 通过连接一系列不同排列方式 的二维剖面建立了三种不同逆冲滑移方 向的断层转折褶皱和断层传播褶皱的假三维模型， 通过不同假三维模型的比较分析来探讨斜向逆冲断层相关褶皱 的构造几何学特征。研究发现， 斜向逆冲断层相关褶皱区别于正向逆冲断层相关褶皱的特征主要有两点： 正向逆 冲断层相关褶皱层面等高线图上的最高点与后翼等高线中点的连线以及水平切面上的核心点与后翼中点的连线方 向均与断层走向垂直 ， 而斜向逆冲断层相关褶皱的最高点以及核心点与后翼中点的连线方向均与断层走向斜交， 并 且最高点与后翼等高线中点的连线方向或者核心点与后翼中点的连线方向均与逆冲滑移方向一致 ； 在褶皱平行 断层走向纵剖面上 ， 正向逆冲断层相关褶皱各个层面最高点的连线是直立的， 而斜向逆冲断层相关褶皱各个层面最 高点的连线发生倾斜。通过这两个特征可以判别褶皱是否存在斜向逆冲以及逆冲的方 向。将模型分析结果运用到 四川盆地西南部三维地震勘探资料所覆盖的邛西背斜和大兴西背斜的实例 中。研究结果表明， 两个背斜均存在右 旋斜 向逆冲， 逆冲方向与各 自断层走向的夹角均为 7 0 。 左右 ， 邛西背斜和大兴西背斜的逆冲方 向分别是 N E 7 9 。 和 N E 7 7 。 左右 ， 这与龙门山南段晚上新世以来的主应力方向以及反演的汶川地震最大主应力方向一致。 关键词： 斜向逆冲断层相关褶皱； 假三维模型； 构造几何学； 邛西背斜 ； 大兴西背斜 断层上盘的逆 冲方 向与走 向不垂直( 即存在走 滑分量) 的逆冲作用称为斜向逆冲作用， 斜向逆冲 作用在 自然界普遍存 在 ( 徐嘉炜 ， 1 9 9 5 ； 吴珍汉等 ， 2 0 0 9； X u X iw e i e t a 1 ， 2 0 0 9 ) 。 目前断层相关褶皱的研究是从二维到三维的转 化 ( Wi l k e r s o n e t a 1 ， 1 9 9 1 ； F is c h e r e t a 1 ， 2 0 0 0 ； 管树 魏等 ， 2 0 0 3 ； 何登发等 ， 2 0 0 5 ) ， 但真正意义上 的三维 断层相关褶皱的体积平衡和位移场理论还 未建立 ， 尚处于摸索阶段 ( 贾东等 ， 2 0 1 1 ) 。现有的断层相关 褶皱的显示 以及分 析解释通常都是选 用二维横 剖 面 ， 这些横剖面的分析及平衡恢复都是基于最大应 力和应变方向平行或者垂直于剖 面的假设 ( T i n d a l l a n d D a v is ， 1 9 9 9 ) ， 因此剖面位置的选择最好平行于 褶皱的逆 冲滑移方向。当选用二维横剖面显示和分 析断层相关褶皱的时候 ， 特别 是存 在斜 向逆 冲的情 况下 ， 如果二维横剖面的位置不平行 于滑移方向， 物 质很有可能存在穿剖面的运动 ， 会导致二维剖 面上 认识 的不全面或者误解 ， 所 以研究斜 向逆 冲断层相 关褶皱 的特征 ， 判断褶皱是否存在斜 向逆 冲作用十 分重要 ， 同时识别断层相关褶皱逆冲滑移方 向对恢 复古应力方向( K a v e n e t a 1 ， 2 0 1 1 ) 、 指导油气勘探 ( 魏国齐等 ， 2 0 0 5 ) 等方面都有着重要作用。T i n d a l l a n d D a v is ( 1 9 9 9 ) 通 过褶 皱周 围小断层 的运 动学分 析来寻找 断层相关褶皱斜 向逆 冲的证据 ， T e t r e a u h 等( 2 0 0 8 ) 通过古地磁和构造 的证据来研 究断层相 关褶皱是否存在斜向逆 冲。但是 ， 许 多断层相关褶 皱是形成于先存断层 的再活动 ， 虽然在这些构造 中 很有可能存在斜向逆冲， 但由于很多断层是隐伏的 ， 古地磁方法无法记 录或者很模糊 ， 中微尺度 的变形 未完全出露或者很难识别 ， 在这种情况下很难鉴别 是否存在斜向逆冲作用( K e a t i n g e t a 1 ， 2 0 1 2 ) 。 本文试图通过建立三种不同逆冲滑移方向的断 层相关褶皱三维几何学模 型 ， 通过与正 向逆 冲( 即 不存在走滑分量) 断层相关褶皱的 比较分析来研究 斜向逆冲断层相关褶皱 的构造几何学特征 ， 识别 出 斜 向逆冲断层相关褶皱区别于正向逆 冲断层相关褶 注 ： 本文为 国家科技重大专项 ( 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 3 - 0 0 2 ， 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 -00 1 ) 和 国家 自然科学基金资助项 目( 编号 4 1 2 0 2 1 4 5 ) 的成果。 收稿 13 期： 2 0 1 3 - 0 7 -0 6 ； 改回日 期： 2 0 1 3 - 1 0 -0 7 ； 责任编辑： 章雨旭。 作者简介 ： 张猛 ， 男 ， 1 9 8 9年生。硕 士研究 生。构造地质学专业 。E ma i l ： z m一1 9 8 9 1 6 3 c o n。通讯作者 ： 贾 东 ， 教授 ， E ma i l ： d j ia n j u e d u c no 地质论评 皱的特征要素 ， 探索判断断层相关褶皱是否存在斜 向逆 冲以及逆冲滑移方 向的方法 ， 并且将模型分析 得出的方法运用到四川盆地西南部三维地震勘探资 料所覆盖的邛西背斜和大兴西背斜两个典型的活动 构造实例中， 分析这两个背斜的运动学性质。 1 断层相关褶皱假三维模型分析 1 1 断层相关褶皱假三维模型的建立 目前实现断层相关褶皱从二维扩展到三维主要 有假三维模拟和真三维模拟两种模拟方法 ， 假三维 模拟是通过连接一系列二维剖面实现三维可视 化 ( C r i s t a l l i n i e t a 1 ， 2 0 0 1 ) ， 真三维模拟是考虑体积守 恒的情况 下模拟 三维 的运 动学 ( C r i s t a l l i n i e t a 1 ， 2 0 0 4 ) 。C a r d o z o ( 2 0 0 8 ) 通过比较分析这两种算法发 现 ， 真三维算法可以模拟较假三维更复杂的几何学 和运动学 ， 但是真三维算法本身存在局限， 在位移梯 度 比较大的情况下体积不守恒 ， 而假三维算法在所 有情况下体积都是守恒的 ， 适用范围较真三维算法 更广。因此 ， 本次研究采用假三维模拟实现斜向逆 冲断层相关褶皱的三维可视化。 在断层面上移动一个刚性块体会产生一簇在断 面上相互平行的滑移矢量 ， 可以定义一 系列平行于 滑移矢量方 向的连续横剖面来建立断层相关褶皱的 数值模型 ， 实现断层相关褶皱的三维可视化 ， 这样建 立起来的三维模型称为假三维模型( C o o p e r e t a 1 ， 1 9 9 9 ； C r i s t a l l i n i e t a 1 ， 2 0 0 1 ) 。通过连接一系列二 维剖面建立的断层相关褶皱假三维模型满足体积守 恒的原则 ， 因此是断层相关褶皱一种合理的解释模 型( C r i s t a l l i n i e t a 1 ， 2 0 0 1 ； C a r d o z o ， 2 0 0 8 ) 。 本次研究主要集 中于斜向逆冲对断层相关褶皱 构造几何学的影响， 因此不考虑侧断坡 斜断坡的存 在 ， 即断层面几何 学不随走 向变化 ， 断层面为平 面 状 ， 断层转折褶皱的断层 面为断坪一断坡一断坪 的 几何形态 ， 而断层传播褶皱的断层面为断坪一断坡 的几何形态。我们采用 T r i s h e a r 4 5软件构建一 系 列不同滑移量的二维断层转折褶皱( S u p p e ，1 9 8 3 ) 和三剪断层传播褶皱 ( A l l m e n d i n g e r ，1 9 9 8 ) ， 再将这 些二维剖面导人 G o c a d软件 中， 通过连接相邻 剖面 的地层线和断层线建立简单断层转折褶皱和三剪断 层传播褶皱的假三维模型。 在断层 面上 的滑移矢量方 向是一个 三维 的概 念 ， 为了简化 ， 文章 中所讨论的逆冲滑移方向在断层 附近指 的是 滑移矢量在 水平 面的投影方 向( 李涛 等， 2 0 0 9 ) 。如图 1 所示 ， 红色线条代表断层走 向， 黑 色箭头方 向代表物质滑移 的方向， 我们建立三种不 同逆冲滑移方 向的断层转折褶皱和断层传播褶皱模 型 ， 滑移方向与断层走 向夹角分别为 9 0 。 ( 图 l a ) 、 6 0 。 ( 图 1 b ) 和 4 5 。 ( 图 1 c ) 。 7 图 1不同滑移方向与断层走向夹角示意图： ( a )滑移方 向与断层走向垂直； ( b )滑移方向与断层走向夹角 6 0 。 ； ( e )滑移方 向与断层走向夹角 4 5 。 Fi g 1 S ke t c h ma p o f t h e i n t e r s e c t i o n a n g l e s b e t we e n d i f f e r e n t s l i p d i r e c t i o n a n d f a u l t s t r i k e ：( a )s l i p d i r e c t i o n i s p e r p e n d i c u l a r t o f a u l t s t r i k e ；( b )t h e i n t e r s e c t i o n a n g l e i s 6 0。 ：( e )t h e i n t e r s e c t i o n a n g l e i s 4 5 。 在建立的假三维模型中， 一系列二维剖面之 间 下断坪和断坡 连接点的连线 即为断层走 向的方 向 ( 图 2中红色线条方 向) ， 二维剖面沿着逆冲滑移方 向平行排列( 每个模型共 1 9条二维剖面， 图 2中只 显示其 中的 9条剖面) 。所有模 型中， 过 断层 中心 位置的二维剖面滑移量最大 ， 端部滑移量为零 ， 两者 之间为线性位移梯度变化 ， 与 Wi l k e r s o n等 ( 1 9 9 1 ) 的模式一致 。 在建立断层相关褶皱假三维模型 的基础上 ， 接 下来将通过假三维模型的层面等高线图和水平切面 以及平行断层走向纵剖面的分析来探讨斜 向逆冲断 层相关褶皱 的几何学特征。 第 6期 张猛等 ： 斜向逆冲断层相关褶皱的正演模型与实例分析 1 2 1 7 s l ip d a t a：I mp l ica t io n s f o r p a l e o s t r e s s a n a l y s is J o u r n a l o f S t r u ct u r al G e o l o g y ， 3 3 ( 2 ) ： 7 8 9 1 Ke a t in g D P， F is ch e r M P a n d B l an H 2 0 1 2 P h y s ica l mo d e l in g o f d e f o r ma t io n p a t t e r n s in mo n o cl in e s a b o v e o b l iq u e s l ip f a u l t s J o u rna l o f S t ruct u r a l Ge o l o gy 3 9：3 751 L u n a L M ， He t l a n d E A 2 01 3 Re g io n a l s t r e s s e s fro m c o s e is mic s l ip mo d e l s o f t h e 2 0 0 8 Mw 79 W e n chu a n， Ch in a， e a r t h q u a k e T e ct o n o p h y s ic s 5 8 4：435 3 L i Z h ig a n g，J ia Do n g，Ch e n We i，Yin Ho n g we i，L i S h iq in，L i Yiq u a n， L i Ha i b i n ，J ia n G a o mi n g ，Z h o u X i a o j u n ，Z h a n g Me n g ，S h e n L i， S u n C h u a nZ ha n g Yo n gC u i J ia n 2 0 1 3 L a t e Ce n o z o ic e a s t we s t cr u s t a l s h o r t e n in g in t h e s o u t h e r n L o n g me n S h a n r a n g e fro n t ， e a s t e r n T i b e t ： I mp l i ca t i o n s for r e gi o n a l s t r e s s fi e l d ch a n g e s Te ct o n o ph y s ie s ，u n d e r r e v ie w S u p p e J 1 9 8 3 Ge o me t r y a n d Ki ne ma t ics o f f a u l t b e n d f o l d in g Ame rica n J o u rna l o f S cie n ce ，2 8 3：6 8 47 21 S c h o l z C H 1 9 9 0 T h e Me ch a n ic s o f Ea r t h q u a k e s a n d Fa u h in g Ca mb ri d g e Un iv e r s it y P r e s s，Ca mb r id g e ，43 9p p T in d a l l S E a n d Da v is G H 1 9 9 9 Mo n o cl in e d e v e l o p me n t b y o b l iq u e - s l ip f a u l t - p r o p a g a t io n f o l d in g：t h e Ea s t Ka ib a b mo n o cl in e，C o l o r a d o P l a t e a u，Ut a hJ o u rna l o f S t ruct u r al Ge o l o gy ，21：1 3 0 31 3 2 0 T e t r e a u l t J ，J o n e s C H，Er s l e v E，L a r s o n S，Hu d s o n M，Ho l d a w a y S 2 0 0 8Pa l e o ma g n e t ic a n d s t r u ct u r a l e v id e n ce f o r o b l iq u e s l ip in a f a u l t - r e l a t e d f o l d，Gr a y b a ck mo n o cl in e，C o l o r a d o Ge o l o g ica l S o cie t y o f A me r i ca B u l l e t i n， 1 2 0 ( 78 ) ： 8 7 78 9 2 W i l k e r s o n M S， Me d we d e ff D A a n d Ma rsh a k S 1 9 91 Ge o me t ri ca l mo d e l in g o f f a u l t - r e l a t e d f o l d s： A p s e u d o - t h r e e d ime n s io n a l a p p r o a ch J o u rna l o f S t ruct u r a l Ge o l o gy，1 3 ( 7 )： 8 0 1 8 1 2 Wa n g Ma o ma o ，J ia Do n g，Lin Aimin g，S h e n L i，Ra o Ga n g ，Li Yiq u a n 2 0 1 3 L a t e Ho l o ce n e a ct iv it y a n d h is t o ri cal e a rt h q u a k e s o f t h e Q io n g x i t h rus t f a u l t s y s t e m i n t h e s o u t h e r n L o n g me n S h a n f o l d - a n d t h r u s t b e l t ，e a s t e rn T ib e t a n P l a t e a u Te e t o n o p h y s ie s ，5 8 4：1 02 1 1 3 Wa n g Ma o ma o，J ia Do n g ， S h a w J H，Hu b b a r d J，“n Aimin g，L i Yiq u a n，S h e n Li 2 01 3 Act iv e f a u l t - r e l a t e d f o l d in g b e n e a t h a n all u v ia l t e r r a ce in t h e s o u t h e rn L o n g me n S h a n r a ng e fro n t ，S ich u a n b a s in， C h in a： I mp l ica t io n s for s e is mic h a z a r d B u l l e t in o f t h e S e is mo l o g ic al S o c ie t y o f Ame r ica，in p r e s s Xu Xiw e i，W e n Xu e z e，Yu Gu ih u a ，C h e n Gu ih u a，Kl in g e r Y ，Hub b a r d J， S h a w J 2 0 0 9 Co s e is mic r e v e r s e a n d o b l iq u e - s l ip s u r f a ce f a u l t in g g e n e r a t e d b y t h e 2 0 0 8 Mw 79 We n ch u a n e a rth q u a k e ， C h i n a G e o l o g y ， 3 7 ( 6 ) ： 5 1 5 5 1 8 Fo r wa r d M o d e l ing o f Obl iq ue - t hr us t Fa ul t - - Re l a t e d- Fo l ds a n d I n s t a n ce s An a l y s is Z HANG Me n g ， J I A Do n g， W AN G Ma o ma o ， L I Z h ig a n g ， L I Y iq u a n S ch o o l o fE a r t h S ci e n ce s a n d E n g in e e r i n g， N a n j in g U n i v e r s i t y ， N a n j i n g ， 2 1 0 0 4 6 Abs t r a ct ：Ob l iq u e t h r u s t i ng is wid e s p r e a d i n n a t u r e a n d i t i s impo r t a n t t o a na l y z e t h e s t r u ct u r a l g e o me t r y o f o b l iq u e t h r us t f a ul t r e l a t e d f o l d a n d id e n t if y wh e t he r o b l iq ue t h r u s t in g e x is t s o r n o t T he ps e u d o - 3D mo d e l s o f f a ul t be nd - -f o l d a n d f a u l t - p r o pa g a t io n- f o l d wit h d iffe r e n t s l ip d ir e ct io n s a r e co ns t r u ct e d b y l in ki n g a s e r ie s o f 2D f o r wa r d cr o s s s e ct io n s wh ich a r e b u i l t b y T r is h e a r 4 5，G o ca d a n d T r is h e a r 3 D p r o g r a ms t o d is cu s s t h e s t ruct u r a l g e o me t r y o f o b l iq u e t h rus t f a u l t r e l a t e d f o l d s Th e r e s u l t s ind ica t e t h a t t he r e a r e t wo ma in d is t inct io ns b e t we e n o b l iq u e t h ru s t f a u l t - r e l a t e d f o l d s a n d d ip t h ru s t f a u l t r e l a t e d - f o l d s One d i s t in ct i o n is t ha t t he l in e l in k in g p e a k p o i n t a n d mid p o in t o f b a ck l imb in t h e co n t o u r ma p o r t h e l in e l in k in g co r e p o in t a n d mid p o in t o f b a ck l imb in t h e h o r iz o n t a l s l ice o f d ip - t h rus t f a u l t - - r e l a t e d - f o l d s is p e r pe n d icu l a r t o f a u l t s t r ik e wh il e t he s i mi l a r l i ne is n o t p e r p e n d icu l a r t o f a u l t s t ri k e i n o b l iq u e - t hr u s t f a u l t r e l a t e d f o l ds a n d t he l in e is pa r a l l e l t o s l i p v e ct o r Th e o t h e r d is t in ct io n is t ha t t h e l in e co n n e ct i n g e v e ry p e a k p o in t o f a l l b e d d in g p l a n e s o n t he cr o s s - s e ct io n s p a r a l l e l t o f a u l t s t ri k e is v e rtica l i n d ip - t h rus t f a u l t r e l a t e d f o l ds wh il e t he l in e wo u l d be o b l iq u e t o ho r i z o n t a l pl a n e i f o bl iq ue t h ru s t i n g e x i s t s Th e t wo d is t in ct i o n s ca n b e u s e d t o i d e n t iff w h e t h e r o b l iq u e t h r u s t i n g e x is t s o