软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用.pdf

热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 2012 年 第 31 卷 第 3 期: 144154 doi:10.3969/j.issn.1009-5470.2012.03.019 收稿日期: 2011-04-27; 修订日期: 2011-05-26。孙淑杰编辑 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2009CB219401、2007CB41170405); 国家自然科学基金项目(40876026、 40806022) 作者简介: 徐子英(1981), 女, 江西省上饶市人, 在读博士研究生, 主要从事构造分析与油气系统模拟研究。E-mail: ziyingx06 通信作者: 孙珍(1971)。E-mail: zhensun * 论文撰写过程中得到了中国科学院南海海洋研究所施小斌研究员、 许鹤华副研究员和杨小秋博士的许多有益建议; 审稿专家对本文 提出了建设性的评审和修改意见, 编辑部卢冰老师耐心指导修改, 在此深表感谢。 海洋地质学 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用* 徐子英 1,2, 孙珍1, 周蒂1, 张云帆1, 孙龙涛1, 赵中贤1,2 1. 中国科学院边缘海地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100049 摘要: 深水盆地的构造变形表明, 大陆边缘上常存在与刚性地质体相对应的软弱地质体, 它们不仅加强了裂陷期 的沉降变形, 而且加强了挤压反转期的褶皱隆升。为了揭示软弱地质体对构造变形的影响, 作者利用物理模拟方 法设置了 4 组实验, 基于模拟结果讨论了琼东南盆地西南部反转构造的发育机制。实验对比分析发现, 无论哪种 应力场下反转变形都更容易在软弱区集中, 软弱区所处构造位置及其所受应力性质对反转构造发育起着重要的控 制作用。通过模拟结果与实际构造对比分析, 认为琼东南盆地西南部构造反转发育主要受斜向挤压应力和软弱体 的共同影响, 推测其挤压应力来源于盆地西北部, 可能与印支地块的旋转挤出作用有关。 关键词: 软弱地质体; 反转构造; 物理模拟; 构造应力; 琼东南盆地 中图分类号: P736 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2012)03-0144-11 Discussion on the influence of weakness body on inversion structure deformation through analogue modeling and its application XU Zi-ying1,2, SUN Zhen1*, ZHOU Di1, ZHANG Yun-fan1, SUN Long-tao1, ZHAO Zhong-xian1,2 1. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Abstract: Deep-sea basin structural deformation indicated that the exist of weakness body in continental margin not only make the sedimentation deformation stronger in rift stage but also make the uplift-fold stronger in inversion stage. In order to investigate the impact of weakness body on structural deformation, we carried out four sets of analogue modeling experiments. Based on the modeling results, we discussed the impact of weakness body on inversion structure deformation in the southwest of the Qiongdongnan Basin. The modeling experiments show that no matter in extension stage or in compression stage, the inversion structural deformation first appears and propagates in weakness zone, the location and the stress direction of weakness body play an important role in the deformation of inversion structure. Based on comparison of modeling results with the actual structures, it is concluded that the deformation of inversion structure in southwest of the Qiongdongnan Basin is mainly influenced by the existence of weakness body and oblique compression; the oblique compression tectonic stress may come from the northwest of the basin and keep its relationship with the revolved Indochina Block by inference. Key words: weakness body; inversion structure; analogue modeling; tectonic stress; Qiongdongnan Basin 反转构造在中国海陆盆地构造中广泛发育, 由于其良好的聚烃能力和优越的圈闭特点, 常常成为 徐子英等: 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用 145 油气勘探的首选目标, 故很早就得到了科学家们的 重视。利用物理模拟方法对反转构造发育的影响因 素开展研究, 不仅有利于提高油气勘探成功率, 而 且促进了反转构造的基础研究, 并深化了对反转构 造发育特征的认识, 同时也为研究盆地的构造演化 提供了科学依据。 反转构造的物理模拟研究则始于 20 世纪 80 年 代末期, 为了更清楚地了解反转构造发育的运动学 和几何学影响因素, 国内外学者进行了大量的物理 模拟实验, 他们研究了边界形态、基底先存断裂、 刚性体倾角大小、构造应力、岩性层的强弱和基底 是否均匀伸展等地质因素对反转构造发育特征的影 响1-18。在对琼东南盆地西南部华光凹陷反转构造 的研究中, 我们发现相对周围区域, 该区域存在一 个火山活动较多、易变形的区块, 我们称这样的区 块为软弱地质体(简称软弱体)。通过地震剖面分析, 我们发现软弱体的区域在裂陷期是张裂中心, 在后 期反转期与反转构造在空间分布范围上也具有较好 的相关性。孙珍等19在对南海北部陆缘研究的过程 中发现, 岩石圈流变结构横向上存在着不均一性, 刚性的中-西沙地块的存在使得西北次海盆沿着中- 西沙地块北部边缘形态弯曲发育, 并利用模拟实验 讨论了刚性地块的存在对南海构造变形和岩石圈破 裂产生的影响19-22。到目前为止, 还未见到有关软 弱地质体对反转构造变形影响的模拟和讨论。因此, 我们拟利用物理模拟的方法, 首先深入讨论软弱体 与反转构造发育的关系, 然后利用模拟结果来解释 软弱体对琼东南盆地反转构造发育的影响。 1 实验设置 1.1 实验目的 本文提到的软弱体是从力学性质上来界定的, 相对于周围介质而言, 其黏度较低, 受力后容易发 生非弹性变形, 也即在相同的时间尺度内, 其力学 强度较低。因此, 实际地质问题中的热软弱体、岩 浆体和泥-流体底辟等地质体都可视为软弱体。琼东 南盆地华光凹陷下的软弱体推测为强度低于围区的 区域, 始新世渐新世为裂陷中心, 且地震剖面上 揭示裂陷期有较多的岩浆活动。为了研究软弱体对 反转构造发育的控制作用, 我们在先伸展后挤压构 造应力场下, 根据软弱体不同的铺设位置及其所受 构造应力性质设置了 4 组实验模型。 1.2 实验装置 模拟实验是在中国科学院南海海洋研究所边缘 海地质重点实验室构造物理模拟实验室完成的。实 验装置示意图见图 1a, 本实验装置可根据实验需要 模拟不同方向的伸展构造、挤压构造及剪切构造等 构造样式, 挡板两端可多方向自由活动, 其余两侧 为自由边界, 金属薄板为应力传递介质, 厚度约 0.5mm。 模型初始面积约为 40cm40cm, 厚为 3cm, 挡板北端固定, 南端活动, 采取单侧伸展和挤压的 受力方式。 图 1 实验装置示意图(a)和剖面图(b)及正常岩石圈(c)和软弱体(d)的理论(黑实线)与实验中(虚线)的初始流变结构剖面 VD速度不连续带; BC脆性地壳; DC韧性地壳; BM脆性地幔; DM韧性地幔; 1最大主应力; 3最小主应力。理论曲线据23 Fig. 1 Experimental apparatus (a), model cross-section (b), initial lithosphere (c), and weakness body (d) strength profile of normal in nature (solid line) and experiment (dash line) 1.3 实验材料和比例 构造物理模拟实验中, 松散干燥的石英砂、硅 酮、丙醇、橡皮及金属薄板等常被用来当作模拟实 验的理想材料, 如 Montanari 等24用干燥石英砂模 拟脆性上地壳, 用低黏度的油酸和硅酮的混合物模 拟花岗岩体; Keep25用干燥的石英砂来模拟脆性上 146 热 带 海 洋 学 报 Vol. 31, No. 3 / May, 2012 地壳和上地幔, 用硅酮模拟韧性下地壳和下地幔; Cruden 等26用具有牛顿流体特征的丙醇模拟岩浆 体, Corti 等27-30 用比下地壳黏度和密度大的硅酮模 拟上地幔, 用夹于硅酮层间的丙醇流体模拟岩浆体; Brun23和Callot31用低于围区12个数量级的低黏 度硅酮体模拟地质软弱体; 孙珍等19-22,32用干燥石 英砂模拟上地壳和同构造沉积, 用硅酮模拟韧性下 地壳, 用轻塑料板模拟上地幔并作为应力传递介质; 周建勋等12,33、马宝军等16-17和解国爱等18用干燥 石英砂模拟上地壳, 用可伸缩的橡皮作为变形传递 介质。 我们的实验采用脆-韧双层模型, 松散干燥的石 英砂模拟脆性上地壳和同构造沉积, 砂的粒径为 200300m, 内摩擦角为 3032; 用红色硅酮模 拟韧性下地壳, 室温下(25)密度约 1300kgm3; 用黏度低于围区 2 个数量级的丙醇和黄色颜料调制 的混合物夹层来模拟岩浆活动相对丰富的地质软弱 体, 各项实验材料具体参数见表 1。 表 1 实验材料与对应地质体参数特征 Tab. 1 Parameters of the analogue materials and the natural counterpart 实验材料与地质体分层 密度/(kgm3) 黏度/(Pas) 流变学特征 脆性上地壳 松散石英砂 26002800 1200 莫尔-库仑准则 韧性下地壳 砂+红色硅酮 28002900 1300 10201024 104105 指数定律 软弱体 黄色染料+丙醇 24002700* 1260 101014* 10100 牛顿流变定律 注: *表示参考文献26取值。 实验中假设反转构造是在正常厚度岩石圈(图 1c) 上发育, 故脆性层和韧性层厚度比设为 21 34-35, 模 型中硅酮厚 1cm, 砂层厚 2cm, 模型总厚度为 3cm, 软弱体夹在硅酮中间铺设(图 1b,1d), 模型厚度与地 质体的比例为 1106。根据南海的扩张速率36和 Davy 等35所得的相似比, 即模型长度只有地质体 的 106, 实验所用时间是地质时间的 1011, 实验速 率设为 5cmhr1。模型中模拟上地壳的砂体范围大 于模拟下地壳的硅酮, 以防止下地壳流动。实验每 隔 1cm 或 0.5cm 拍照一次, 实验完成后, 用水喷湿 模型并切剖面进行观察, 由于实验条件有限, 实验 变形过程中只能观察到平面变形过程, 而剖面反映 的只是变形的最终结果, 每个实验均进行了 2 次以 上的重复实验并得到相似结果。模拟实验无法考虑 到热效应, 实验结果反映的只是构造变形的结果。 2 实验结果 2.1 模型 1软弱体跨速度不连续带平均分布和 先正向伸展后正向挤压 以速度不连续带(VD)为分界线, 这里的速度不 连续带是指初始软弱带, 由于地壳不均一性通常会 在破裂和岩浆作用下导致岩石圈强度降低和新的软 弱带形成, 后期构造活动就更容易在早期形成的软 弱带(如断裂带、缝合带、古造山带等)上优先发育, 通常这样的初始软弱带被称为速度不连续带21,27,34, 因为速度不连续带一般与盆地裂陷带走向一致, 故 用速度不连续带来模拟盆地裂陷带走向。硅酮一半 直接铺在实验台上, 另一半铺设在与活动挡板相连 的刚性金属薄板上, 硅酮上再铺设砂层。软弱体跨 速度不连续带均匀分布在模型西侧(图 2a), 软弱体 面积大小都设为 10cm10cm, 厚约 2mm。以下 4 组实验中, 伸展量和挤压量都为 5cm, 为了模拟同 构造沉积, 模型每伸展 2cm 后都用石英砂填平。该 模型构造应力场为先一期正向伸展后一期正向挤 压。 平面上, 软弱体前缘靠近固定侧先发育断裂, 随后断裂向无软弱区(由西向东)延伸并迅速发育(图 2a); 之后, 固定侧断裂发育成一条深大断裂, 活动 侧软弱体后缘也开始有断裂出现(图 2b)。伸展末期, 软弱区前缘断裂沉降量大, 内部发育许多小断裂, 且有软弱体冒出来, 说明这里伸展作用最强(图 2 c)。 每次在变形区注入石英砂铺平后继续伸展, 断裂 都是在原先断裂基础上发育, 并由软弱区向无软弱 区传递, 固定侧断裂发育略早于活动侧; 软弱区固 定侧断裂沉降量大于活动侧沉降量, 软弱区断裂发 育范围大于无软弱区断裂发育范围。伸展后开始挤 压, 挤压位移达 2cm 时, 软弱体前缘有较明显隆起, 随后软弱体后缘和无软弱区也开始隆起(图 2d); 挤 压位移达 4cm 时, 软弱体后缘和无软弱体区隆起也 很明显, 无软弱区隆起褶皱向后冲, 软弱区隆起褶 徐子英等: 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用 147 皱向前冲(图 2e); 挤压位移达 5cm 时, 隆起褶皱更 明显, 软弱区整个隆起范围大于无软弱区隆起范围, 软弱区隆起宽度约 16cm, 无软弱区隆起宽度约 13.5cm; 固定侧软弱体区隆起高度大于无软弱体区 隆起高度, 软弱体区隆起高约 0.9cm, 无软弱体区 隆起高约 0.5cm, 活动侧软弱体隆起高度与无软弱 体区隆起高度差不多, 约 0.4cm, 隆起褶皱主要沿 原先伸展的两大断裂发育(图 2 F1)。 剖面上, 多数逆 冲断层是沿早期高角度断层发育(如 F1、 F2、 F4、 F5 和 F6 断层), 少数是新发育的低角度逆断层(F3 断 层), 但逆冲断层都为上缓下陡型; 一般来说, 靠近 活动侧的逆冲断层由于离挤压边界近, 所受应力强, 在后期挤压反转过程中容易形成新的低角度逆冲断 层(如 F3 断层), 而远离挤压位置的固定侧所受应力 相对弱, 逆冲作用一般沿早期高角度断层发生(如 F1、 F2 断层), 早期正断层被激活后形态为上陡下缓 图 2 模型 1 模拟实验变形过程平面和剖面结构图 a、b、c、d、e、f 为平面解释图, P3-1、P5-1 为原始剖面图 P3、P5 的解释图; 黑体向下、向上箭头分别为伸展和挤压方向; 带有矩形的黑色 实线为北倾断裂, 蓝色实线为南倾断裂, 黄色虚线框为软弱体大致位置, 夹于硅酮间的黄色黏滞体为软弱体, 红色实线为细小断裂, 带有三角 形的白实线为逆冲断层和倾向, 黑色圆圈代表 VD 位置 Fig. 2 Surface and profile views of Model 1 148 热 带 海 洋 学 报 Vol. 31, No. 3 / May, 2012 型高角度断层(图 2 P3-1、P5-1)。在有软弱体的剖面 上, 软弱体前缘褶皱变形强烈并向前逆冲, 断距明 显, 地层向软弱体前缘倾斜发育, 说明该区为沉降 中心(图 2 P5-1)。在无软弱体剖面上, 褶皱变形不是 很强烈, 反转逆冲断层都是向后逆冲, 地层向活动 侧倾斜发育, 说明活动侧为沉降中心(图 2 P3-1)。 2.2 模型 2软弱体跨速度不连续带平均分布和 先正向伸展后斜向 SE135 挤压 软弱体和其他材料的铺设与模型 1 一样, 只是构 造应力场改为先一期正向伸展后一期斜向 NW45 挤 压, 目的是观察斜向挤压应力场下软弱体对构造变形 的影响, 与正向挤压应力场下的构造变形进行对比。 与正向挤压的模型 1 相比, 该模型伸展期断裂 发育特征与模型 1 大体相似, 故文中省略掉了伸展 期断裂变形过程平面图。挤压初期, 软弱区前缘先 隆起, 但隆起不明显(图3a); 挤压位移达3cm时, 软 弱区前缘隆起才较明显(图 3b), 挤压位移达 5cm 时, 挤压褶皱隆起幅度约 0.8cm。挤压期隆起发育特征 虽与模型 1 大体相似, 但隆起发育时间比模型 1 晚, 隆起幅度小于模型 1, 挤压期反转褶皱变形强度也 弱于模型 1(图 2F1、图 3c)。剖面上, 断裂和沉降发 育特征与模型 1 也大体相似, 活动侧逆冲断层为新 生成的低角度逆冲断层(如 F3 断层), 固定侧逆冲断 层是沿早期高角度正断层发育的(如 F1、F2 断层), 断层也都是上缓下陡型。有软弱体剖面上固定侧为 沉降中心, 无软弱体剖面上活动侧为沉降中心(图 3 P3-1、P5-1); 但该模型软弱区前缘断距不明显, 褶 皱变形相对模型 1 弱(图 2 P5-1 和图 3 P5-1)。 图 3 模型 2 模拟实验变形过程平面和剖面结构图 图中代号同图 2 Fig. 3 Surface and profile views of Model 2 徐子英等: 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用 149 2.3 模型 3软弱体远离速度不连续带分布和先 正向伸展后正向挤压 该模型改变了软弱体铺设位置, 软弱体远离先 存速度不连续带约 5cm, 均匀分布在模型偏西侧(图 4a), 其他材料的铺设与模型 2 相同, 构造应力场为 先一期正向伸展后一期正向挤压。 平面上, 与模型 2 不同, 断裂首先在软弱区后 缘发育且断裂发育短, 随后沿先存速度不连续带也 迅速发育两主断裂带(图 4a), 随着伸展进行, 软弱 区后缘断裂发育成一深断裂并向无软弱区传递发育, 两主断裂带发育成两深大断裂, 在两断裂内部还发 育些细小断裂(图 4b)。 每次用砂铺平后继续伸展, 断 裂都是在原先断裂基础上发育, 但活动侧断裂发育 时间早于软弱区后缘断裂发育时间, 伸展末期, 软 弱区断裂发育范围大于无软弱区断裂发育范围, 活 动侧断裂沉降量大于固定侧软弱区后缘断裂沉降量 (图 4c), 这与活动侧离所受挤压边界近和软弱体离 所受挤压边界远有关, 软弱体离所受挤压边界远, 所受传递应力相对小, 构造变形相对减弱, 断裂沉 降量相对就小, 反之离所受挤压边界近的活动侧断 图 4 模型 3 模拟实验变形过程平面和剖面结构图 图中代号同图 2 Fig. 4 Surface and profile views of Model 3 150 热 带 海 洋 学 报 Vol. 31, No. 3 / May, 2012 裂沉降量大。伸展后开始挤压, 挤压位移达 2cm 时, 软弱区后缘首先有明显隆起(图 4d), 并向无软弱区 传播; 挤压位移达 3cm 时, 原伸展期发育的两主断 裂也开始隆起, 隆起褶皱都是向后冲(图 4e); 挤压 末期, 软弱区隆起范围宽, 宽约 17cm, 无软弱区隆 起范围相对窄, 宽约 14cm, 表现为西宽东窄, 有 3 个明显隆起带, 即两主断裂隆起带和软弱区后缘隆 起带(图 4f)。剖面上, 断裂反转逆冲特征与模型 2 发育特征大体相似, 但伸展断裂发育较模型 1、2 丰 富, 相对多了一个凹陷沉降中心, 一个沉降中心为 活动侧, 另一沉降中心为软弱区, 但活动侧沉降量 大于软弱区后缘沉降量; 软弱区褶皱变形比无软弱 区变形强烈, 软弱区后缘褶皱隆起高度大于无软弱 区褶皱隆起高度(图 4P2-1、P5-1)。 2.4 模型 4软弱体远离速度不连续带分布和先 正向伸展后斜向 SE135 挤压 软弱体和其他材料的铺设与模型 3 一样, 只是构造 应力场改为先一期正向伸展后一期向NW45 斜向挤压。 与正向挤压的模型 3 相比, 平面上, 伸展期断 裂发育特征与模型 3 大体相同, 故文中同样也省略 掉了伸展期断裂变形过程平面图。挤压期隆起有明 显差异, 挤压隆起发育时间晚于模型 3, 隆起幅度 也要低于模型 3, 褶皱变形强度比模型 3 变形弱, 该 模型挤压位移达 3cm 时(图 5a), 软弱区后缘才有明 显隆起, 挤压位移达 4cm 时, 靠近活动侧断裂带隆 起发育了较明显的后冲褶皱, 但隆起幅度低, 原先 发育的中间断裂带在西端也发育了一条后冲褶皱 (图 5b)。随着挤压进行, 软弱区后缘与活动侧隆起 发育较快, 而原先中间发育的那条断裂并没隆起; 挤压位移达 5cm 时, 软弱区隆起高度大于活动侧隆 起高度(图 5c)。 剖面上, 与模型 3 发育特征相似, 伸 展期有两沉降中心, 但活动侧沉降量大于软弱区沉 降量; 软弱区褶皱隆起高度大于无软弱区褶皱隆起 高度, 软弱区褶皱变形较无软弱区强烈, 但该模型 图 5 模型 4 模拟实验变形过程平面和剖面结构图 图中代号同图 2 Fig. 5 Surface and profile views of Model 4 徐子英等: 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用 151 褶皱变形弱于模型 3, 软弱区隆起幅度也低于模型 3, 隆起带也少于模型 3, 只发育了两隆起带(图 5 P2-1、P4-1)。 3 实验结果讨论 通过对比分析 4 组实验结果, 我们发现 4 组实 验的变形既有共性也有差异性, 共性特征有: 伸展 期, 软弱区先发育断裂, 随后断裂向无软弱区发育, 软弱区沉降量大于无软弱区沉降量, 软弱区断裂发 育受软弱体的影响而表现出比无软弱区范围大; 挤 压期, 软弱区先发育隆起, 随后隆起向无软弱区发 育, 软弱区整个隆起宽度大于无软弱区隆起宽度(表 2), 软弱区隆起高度大于无软弱区隆起高度且褶皱 变形更强烈(图 6)。差异性对比分析表现如下。 表 2 不同模型有、无软弱体隆起宽度对比(单位: cm) Tab. 2 Comparison the uplift width of weakness zone with non-weakness zones for different models (unit: cm) 模型 1 隆起宽度 模型 2 隆起宽度 模型 3 隆起宽度 模型 4 隆起宽度 有软弱体区 16 16 17 17 无软弱体区 13.5 13 14 14 1)在软弱体跨速度不连续带分布位置都一样的 情况下, 对比先正向伸展后正向挤压(模型 1)和先正 向伸展后斜向挤压(模型 2)两组实验, 结果表明, 伸 展期断裂发育特征基本相似, 但挤压期模型 2 隆起 速度比模型 1 慢, 隆起高度要小于模型 1(图 6), 褶 皱变形强度也弱于模型 1。这说明在其他条件一样 的情况下, 挤压应力的方向对反转构造变形具有较 大影响。 2)对比构造应力场相同, 软弱体铺设位置一个 跨先存速度不连续带(模型 1), 一个远离速度不连续 带(模型 3)两组实验, 结果表明, 伸展期, 软弱区断 裂发育时间模型 3晚于模型 1; 模型 1 软弱区断裂发 育在软弱区前缘, 而模型 3 断裂发育在软弱区后缘; 模型 1 沿速度不连续带发育了两主断裂带, 并发育 了一个沉降中心; 模型3发育了3条断裂带, 一条为 软弱区后缘发育的断裂带, 另 2 条为沿速度不连续 带发育的 2 条断裂带, 发育了 2 个沉降中心。挤压 期, 模型 3 软弱区隆起时间晚于模型 1, 隆起幅度低 于模型 1; 模型 1 软弱区有 2 条隆起带, 模型 3 软弱 区有 3 条隆起带。总体上, 模型 3 的变形特征比模 型 1 相对要复杂, 这说明在构造应力相同的条件下, 软弱体的位置对反转构造变形也有很大的制约作用, 软弱区远离速度不连续带距离近, 则反转构造变形 发育就早, 表现强烈, 反之变形晚且弱。 同时也可说 明在构造应力相同的条件下, 由于某种因素(如软弱 体)的存在有可能使构造变形复杂化。 图 6 不同模型的隆起高度随加载的变化特征 Fig. 6 Features of uplift height with the changed load of different models 3)在软弱体远离速度不连续带分布位置相同情 况下, 对比先正向伸展后正向挤压(模型 3)和先正向 伸展后斜向挤压(模型 4)两组实验, 结果表明, 伸展 期断裂发育特征相似, 挤压期差别明显, 模型 4 隆 起发育时间要晚于模型 3, 褶皱变形也没有模型 3 强烈; 模型3软弱区有3个隆起, 无软弱区也发育了 2 个隆起, 模型 4 软弱区只有 2 个隆起, 无软弱区只 发育一向后冲褶皱隆起, 这主要与所受构造应力大 小有关。斜向挤压应力场下, 分到的正向挤压应力 相对小, 故反转构造变形相应就弱, 这也说明了构 造应力场的不同对构造变形有较大影响, 斜向挤压 造成的反转构造变形相对较弱。 由以上分析可知, 无论在哪种应力场下, 反转 变形都更容易向软弱区集中, 软弱体所处构造位置 及其所受应力性质对反转构造发育起着重要的控制 作用。 4 实例分析 琼东南盆地位于南海北部陆缘, 为一走向约为 N60E 的新生代陆缘伸展盆地。该盆地主要发育了 NENEE 向、 NW 向和近 EW 向 3 组走向断裂体系, 其中 NE 向断裂占主导地位, 控制了盆地的走向和 大部分凹陷的发育(图 7)。 琼东南盆地在整体伸展的 背景下, 局部发育有反转构造, 构造反转时间主要 在 T70T60 (3021MaB.P.), 反转强度自西向东减 弱, 自北向南由早变晚37。反转主要发育在盆地西 152 热 带 海 洋 学 报 Vol. 31, No. 3 / May, 2012 南部, 靠近中建隆起和一号断裂的位置(图 7), 褶皱 个体较小, 且多为单褶皱, 长轴走向北东。 反转构造 表现出样式独特的断背斜、中央凸、顶部发育花状 断裂系统的鼓状背斜等样式。除了少数褶皱沿断裂 发生继承性反转变形外, 大部分反转隆起发育在凹 陷中央, 远离红河断裂带, 与下伏和两侧断裂系统 的相关性比较差, 其分布范围与张裂早期岩浆活动 范围比较一致(图 7)。该区早期(TgT70, 即 46 30MaB.P.)是裂陷中心, 岩浆活动比较活跃, 从流变 结构和力学性质上来说, 相对周围岩体而言该区可 视为软弱区, 从沉降量剖面上可看出该区裂陷期沉 降量比周围地区大(图 8a); 从地震剖面上也可看出, 岩浆活跃的区域有明显的褶皱隆起发育(图 8b), 且 大部分隆起幅度低, 隆起褶皱没有明显的伴生逆冲 断裂。与该时期反转相伴的是整个区域上一组 NW 向张扭断裂的发育, 推测这一构造反转应力独立于 琼东南盆地伸展过程, 可能与 4221MaBP 期间印 支地块 SSE 向的旋转挤出走滑造成的压扭作用有 关32,38 (图 7)。 图 7 琼东南盆地主要断裂和反转构造位置分布图 Fig. 7 Main faults and inversion structure distribution in the Qiongdongnan Basin 对比琼东南盆地西南部深水区反转构造发育特 征和模型 4 实验结果, 我们可以推断琼东南盆地发 育的反转构造地质情况与模型 4 中软弱体的位置及 所受应力性质较相似(图 9), 即在先伸展后斜向挤压 的构造应力场及软弱体远离速度不连续带的条件下, 由于软弱体的存在, 早期伸展使得裂陷期软弱区的 沉降量大于无软弱区沉降量; 后期斜向挤压, 由于 挤压幅度小, 有软弱体的区域则发育了反转隆起, 而无软弱体的区域尚未明显隆起(图 8c); 随着构造 应力由西北向南东挤压传递, 反转隆起强度由西北 图 8 琼东南西南部沉降量剖面39 (a)和火山活动与反转 隆起关系对应剖面(b)及其与实验剖面(c)对比 黄色虚线圈为软弱体大致位置, 黄色实线圈为早渐新世岩浆体, 白 色实线圈为始新统岩浆体, 深蓝色线框为反转隆起区 Fig. 8 Subsidence profile of the southwest of the Qiongdongnan Basin (a) and the corresponding profile of volcanic activity with inversion uplift (b) and the comparison with profile views of experiment (c) 图 9 模型 4 实验平面图 Fig. 9 Surface view of Model 4 徐子英等: 软弱地质体对反转构造变形制约作用的物理模拟及其应用 153 向东南传递, 从而导致反转构造西北发育早、东南 发育晚的特点。 通过上述琼东南盆地反转构造特征和模拟实验 结果对比分析, 我们认为琼东南盆地西南部深水区 的反转构造发育主要受 NW-SE 斜向挤压应力和远 离速度不连续带软弱体的共同影响, 推测斜向挤压 应力主要来源于盆地西北部, 可能与印支地块的旋 转挤出作用有关。 5 结论 通过上述 4 组实验结果的对比分析和把实验结 果应用到琼东南盆地反转构造分析中去, 我们得出 以下结论。 1)无论是伸展应力场还是挤压应力场下, 构造变 形都更容易在软弱区发生。 伸展期软弱区先发育断裂, 软弱体区沉降量大于无软弱区沉降量, 软弱区断裂发 育范围大于无软弱区; 挤压期软弱区先发育隆起, 软 弱区整个隆起范围大于无软弱区隆起范围, 软弱区隆 起高度大于无软弱区隆起高度且褶皱变形更强烈。 2)软弱体所处位置及其所受应力性质对反转构 造的变形起着十分重要的影响。软弱体离所受挤压 边界距离越近, 反转变形发育就越早, 变形越强烈, 反之变形晚且弱; 斜向挤压时, 软弱体之上的反转 变形比正向挤压变形弱。 3)琼东南盆地西南部的反转构造发育特征与 先正向伸展后斜向挤压及软弱体远离速度不连续 带模型实验结果(模型 4)具有很好的相似性, 我们 认 为 琼 东 南 盆 地 西 南 部 的 反 转 变 形 主 要 是 受 NW-SE 斜向挤压应力和远离速度不连续带软弱体 的共同影响, 推测盆地反转构造斜向挤压应力来 源于盆地西北部, 可能与印支地块 SSE 向的旋转 挤出作用有关。 参考文献 1 KOOPMAN A, SPEKSNIJDER A, HORSFIELD W T. 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