郭衛(wèi)星,漆家福,李明剛,李艷友

(1.中國石油大學資源與信息學院,北京 102249;2.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

生長褶皺發(fā)育模式

郭衛(wèi)星1,2,漆家福1,2,李明剛1,李艷友1

(1.中國石油大學資源與信息學院,北京 102249;2.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

根據褶皺形成的運動學特征,對膝折帶遷移、翼部旋轉和混合生長 3種模式的沉積與抬升關系進行探討,并針對 3種褶皺發(fā)育模式提出利用生長地層厚度推測褶皺抬升速率與褶皺過程的方法。研究表明:以膝折帶遷移為變形機制的褶皺,發(fā)育過程中翼部傾角不變,褶皺頂部與翼部的抬升速率相同,形成翼部平行狀生長地層;以翼部旋轉為變形機制的褶皺,發(fā)育過程中翼部長度不變,沿翼部各點的抬升速率呈線性變化,形成翼部楔狀的生長地層;以混合生長為變形機制的褶皺,發(fā)育過程中翼長和翼部傾角都發(fā)生變化,部分生長地層呈平行狀,反映了膝折帶遷移的特征,部分生長地層呈楔狀,各點的抬升速率仍呈線性變化,反映了翼部旋轉的特征。

構造抬升速率;沉積速率;膝折帶遷移模式;翼部旋轉模式;混合生長模式

生長地層常常與生長斷層、生長褶皺相伴生,并詳細記錄了斷層、褶皺的構造演化過程。利用生長地層研究斷層的活動性已經得到廣泛應用[1]。生長地層的厚度、巖相和形態(tài)為研究生長斷層活動速率、活動時期及活動過程提供了重要信息[2]。利用生長地層的形態(tài)分析褶皺運動學特征以及斷層與褶皺相互關系,近年來引起了構造地質學家的重視[3-7]。Suppe等[4]提出了生長斷層轉折褶皺和生長地層、生長三角的概念,Poblet等[5-6]建立了生長斷層傳播褶皺和生長斷層滑脫褶皺的幾何學和運動學模型。目前對生長褶皺的研究主要是利用生長地層判斷構造起始時間和確定生長三角的生長速率[4,8-12],但這具有一定的局限性,對不發(fā)育生長三角、生長三角不明顯的地層難以應用。筆者提出利用生長地層厚度推測褶皺抬升速率與褶皺過程的方法,用來指導褶皺變形運動學特征和褶皺活動期次的研究。

1 生長地層厚度分析

厚度分析的理論基礎是沉積補償原理[13]。生長褶皺 (斷層轉折褶皺、斷層傳播褶皺和滑脫褶皺)的發(fā)育有多種幾何學、運動學模型 (圖 1,2),但按其形成的運動學特征可分為膝折帶遷移、翼部旋轉和混合生長 (膝折帶遷移、翼部旋轉共同作用)3種模式[14]。本文中對這 3種模式的沉積速率與構造抬升速率關系逐一進行分析。

圖 1 斷層轉折褶皺、斷層傳播褶皺及其生長地層 (據文獻[4]修改)Fig.1 Growth fault-bend fold and growth faultpropagation fold(modified according to literature[4])

圖 2 滑脫褶皺形成的不同生長地層 (據文獻[5,6]修改)Fig.2 Growth strata patterns formed by detachment folds(modified according to literature[5,6])

1.1 膝折帶遷移模式

膝折帶遷移模式中,褶皺的發(fā)育通過軸面遷移、翼部增長來實現。發(fā)育過程中翼部傾角不變,所以褶皺頂部與翼部的抬升速率相同。褶皺頂部的生長地層通過活動軸面進入翼部而引起翼長變化、褶皺的抬升 (圖 1(a)、圖 3)。由于褶皺頂部的生長地層等厚,在褶皺翼部形成平行狀的生長地層,即所謂的“生長三角”。

1.1.1 超 覆

沉積速率大于褶皺抬升速率時,新的生長地層疊加覆蓋在老的生長地層之上 (圖 3(a))。地層Ⅱ沉積前,地層Ⅰ頂面水平,地層Ⅰ位于活動軸面以上的部分,在地層Ⅱ沉積期間與褶皺一起抬升,其抬升量與褶皺相同,褶皺頂部形成薄的沉積地層,同時部分地層Ⅰ通過活動軸面進入褶皺翼部,隨著進入褶皺翼部時間從早到晚,其抬升量從大變小,其上地層Ⅱ的厚度從小變大,直至盆地內形成厚的沉積地層。若地層Ⅱ在盆地內的沉積厚度為 S0、在褶皺頂部的厚度為 S1,地層Ⅱ沉積過程中褶皺抬升量為 U,則 U=S0-S1;若地層Ⅱ的沉積時間為 t,地層Ⅱ沉積期間褶皺的抬升速率為 v,則 v=(S0-S1)/t。

圖 3 生長褶皺膝折帶遷移模式中生長地層的形態(tài)Fig.3 Growth strata patterns formed by hinge m igration of growth fold

1.1.2 退 覆

沉積速率小于褶皺抬升速率時,新的生長地層逐漸向盆地方向后退 (圖 3(b))。在地層Ⅱ沉積前,地層Ⅰ位于活動軸面以上的部分在地層Ⅱ沉積期間與褶皺一起抬升,抬升量與褶皺相同,其上無沉積,同時部分地層Ⅰ通過活動軸面進入褶皺翼部,這部分地層的抬升量小于褶皺的抬升量,其中地層Ⅰ頂面上一 A點的抬升量與地層Ⅱ在盆地內的沉積厚度相同,成為地層Ⅱ的尖滅點。若地層Ⅱ在盆地內的沉積厚度為 S0,地層Ⅱ頂面到褶皺翼部地層Ⅰ頂面的距離為 S1,地層Ⅱ沉積期間褶皺抬升量為U,則有 U=S0+S1。

1.1.3 上 超

退覆之后的上超,沉積速率大于褶皺抬升速率(圖 3(c))。在地層Ⅲ沉積前,地層Ⅱ位于活動軸面以上的部分,在地層Ⅲ沉積期間與褶皺一起抬升,其抬升量與褶皺相同,故有 U=S0-S1,其中 S1為褶皺翼部地層Ⅱ頂面到地層Ⅲ頂面的距離。需要注意的是,由于之前的退覆作用,褶皺翼部地層Ⅱ、地層Ⅰ頂面間已經有古地形高差存在,不可將褶皺翼部地層Ⅰ頂面到地層Ⅲ頂面的距離 S′1作為 S1。

膝折帶遷移主要形成斷層轉折褶皺 (圖 1(a))、斷層傳播褶皺 (圖 1(b))和滑脫褶皺 (圖 2(a))。圖3中活動軸面位于褶皺向斜處,生長地層從盆地內經活動軸面進入褶皺翼部,這種情況對應于斷層轉折褶皺的后翼、斷層傳播褶皺的前翼及滑脫褶皺的兩翼;活動軸面也可位于褶皺的背斜處,生長地層從褶皺頂部經活動軸面進入褶皺翼部,如斷層轉折褶皺的前翼;生長地層也可同時位于褶皺一翼的背斜、向斜處,生長地層分別從盆地、褶皺頂部進入翼部,形成兩個生長三角,如斷層傳播褶皺的后翼。

1.2 翼部旋轉模式

翼部旋轉模式中褶皺的發(fā)育是隨著翼部旋轉傾角逐漸增大來實現的,發(fā)育過程中翼部長度不變。褶皺頂部的高度 (h)可以用翼長 (L)和翼傾角 (θ)表示,即 h=Lsinθ。若褶皺過程中翼傾角由θ1變?yōu)棣?,則 U=L(sinθ2-sinθ1),可以看出翼部各點的抬升量與長度呈線性關系,導致翼部的生長地層厚度也呈線性變化,形成翼部楔狀的生長地層。

1.2.1 超 覆

如圖 4(a)所示,當沉積速率大于褶皺抬升速率時,褶皺頂部形成薄的沉積層,翼部各點的抬升速率呈線性變化,形成翼部楔狀的生長地層。與膝折帶遷移模式中的超覆相同,若地層Ⅱ在盆地內的沉積厚度為 S0、在褶皺頂部的厚度為 S1,地層Ⅱ沉積過程中褶皺抬升量為 U,則 U=S0-S1。

圖 4 生長褶皺翼部旋轉模式中生長地層的形態(tài)Fig.4 Growth strata patterns formed by l imb rotation of growth fold

1.2.2 退 覆

下伏為前生長地層的退覆如圖 4(b)所示。在地層Ⅰ沉積期間,翼部逐漸旋轉抬升,其上一點 A的抬升速率與沉積速率相同,成為地層Ⅰ的尖滅點,故A點抬升量等于盆地內地層Ⅰ的沉積厚度 S0。由于翼部各點的抬升量呈線性變化,可知地層Ⅰ沉積期間褶皺頂部的抬升量 U=S0L/L0。對于圖 4(c),下伏為生長地層的退覆,也可用相似的方法求出褶皺頂部的抬升量及抬升速率。

1.2.3 上 超

退覆之后的上超如圖 4(d)所示。在地層Ⅱ沉積期間,地層Ⅰ位于軸面以上的部分逐漸旋轉抬升,造成地層Ⅱ位于軸面之上的地層部分呈楔狀。若地層Ⅱ在盆地內的沉積厚度為 S0、在地層Ⅰ的尖滅點B之上的厚度為 S1,地層Ⅱ沉積期間 B點的抬升量為UB,則 UB=S0-S1,由此可以計算出褶皺的抬升量及抬升速率。需要注意的是,由于之前的退覆作用,點 A,B之間已經有古地形高差存在,故地層Ⅱ的尖滅點 A并不代表其抬升速率等于地層Ⅱ的沉積速率。

翼部旋轉形成滑脫褶皺 (圖 2(b)),另外三角剪切機制形成的斷層傳播褶皺前翼也具有翼部旋轉的特征。需要指出的是在翼部旋轉的同時,軸面產生有限的活動,會有少量的地層通過軸面進入翼部,形成小的生長三角[15](圖 2(b))。

1.3 混合生長模式

混合生長模式(膝折帶遷移和翼部旋轉共同作用)中,褶皺的發(fā)育是隨著翼部旋轉傾角逐漸增大,并伴有軸面遷移翼部增長。從圖 5可以看出,地層通過下方的活動軸面進入褶皺翼部,在翼部較低部位形成平行狀的生長地層,反映了膝折帶遷移的特征,在翼部較高部位形成楔狀的生長地層,反映了翼部旋轉的特征。

圖 5 生長褶皺混合生長模式中生長地層的形態(tài)Fig.5 Growth strata patterns formed by hinge m igration with l imb rotation of growth fold

如圖 5(a)所示,地層Ⅱ沉積過程中褶皺頂部的抬升量 U=S0-S1。在地層Ⅱ沉積期間,AB段上任一點的抬升由兩部分組成,一部分由翼部旋轉引起(U1),一部分由膝折帶遷移引起 (U2)。由于 AB段位于膝折帶上方,故其上各點經歷了相同的膝折帶遷移引起的抬升,即 U2為常數,而 U1呈線性變化,這樣AB段上各點構造抬升仍具線性變化特征,形成楔狀生長地層。

1.3.2 退 覆

如圖 5(b)所示,地層Ⅰ沉積前,前生長地層水平。地層Ⅰ沉積期間,翼部一點 C的抬升速率與沉積速率相同成為尖滅點,故 C點抬升量等于盆地內地層Ⅰ的沉積厚度 S0。B點上地層Ⅰ的厚度為 S1,故B點的抬升量為 S0-S1。由前面的分析,AB段上各點構造抬升呈線性變化,褶皺頂部的抬升即 A點的抬升 U=S0+S1(L-L0)/L0。對于圖 5(c),下伏為生長地層的退覆,也可用相似方法求出褶皺頂部的抬升量及抬升速率。

1.3.3 上 超

退覆之后的上超見圖 5(d)。根據 B點和 C點上地層Ⅱ的厚度,計算出 B點和 C點的抬升量,進而由B點以上翼部各點構造抬升呈線性變化,可計算出褶皺的抬升量及抬升速率。

混合生長主要形成滑脫褶皺 (圖 2(c))和剪切斷層轉折褶皺[16]。

2 討 論

Suppe等[4]對斷層轉折褶皺中生長三角建立了如下公式:

保持與《勞動力創(chuàng)新和機會法》的一致性。新法案中使用的關鍵術語與《勞動力創(chuàng)新和機會法》中的術語相互呼應，并強調了職業(yè)與技術教育計劃與《勞動力創(chuàng)新和機會法》計劃之間在州和地方層面的協(xié)調。更重要的是，國會修改了法案的績效指標，以更好地與《勞動力創(chuàng)新的機會法》中的績效指標相匹配。

式中,vav為生長三角的平均生長速率,km/Ma;Lx,Ly,ΔL分別為已知年齡的兩個地層單元褶皺翼部寬度及其改變量,km;Δt為兩個地層單元年齡之差,Ma;tx,ty為兩個地層單元的年齡,Ma。

利用式 (1)可以計算生長速率,進而劃分構造形成期次。該式適用于膝折帶遷移形成的斷層相關褶皺。對于混合生長模式形成的褶皺,雖然也發(fā)育生長三角,但使用該公式分析褶皺過程會得到錯誤的結論,因此對于翼部旋轉和混合生長兩種模式形成的褶皺,式 (1)不適用。筆者提出的利用生長地層厚度推測褶皺抬升速率、褶皺過程,則涵蓋了 3種模式。

利用式(1)計算生長速率時要求剖面必須垂直于構造線,否則將會產生誤差,本文中采用的厚度分析則不要求剖面必須垂直于構造線。利用平衡剖面技術可以計算出地層的縮短率和縮短速率,這種縮短與褶皺抬升具有內在的聯(lián)系,但它們之間并無直接的關聯(lián),不能用剖面的縮短來反映褶皺的過程。另外平衡剖面技術使用的“層拉平”,不允許出現地勢高差,也限制了其精度,因此根據生長地層來推測褶皺過程是必要的。在根據生長地層厚度計算構造抬升速率時,為了提高可靠性,需對地層厚度進行去壓實校正。

筆者進行厚度分析的前提條件是:水下環(huán)境,前生長地層水平 (構造抬升與沉積作用同時發(fā)生),沉積界面水平,不考慮侵蝕作用。前生長地層水平,這樣生長地層可以記錄下完整的褶皺過程;允許出現地勢高差,這一點有別于斷層生長指數的沉積完全補償條件[17];沉積界面保持水平,這與短期內沉積作用實際受地形、搬運距離等多因素影響有差別,所以厚度分析時地層的時間單位以 1～10 Ma為宜[18]。在此條件下:當構造抬升速率小于沉積速率時,生長地層表現為上超和超覆,不會產生地形起伏,生長地層將完全覆蓋褶皺,并完整地保存了褶皺變形的運動學特征;當構造抬升速率大于沉積速率時,生長地層表現為退覆,將引起地形起伏變化,只在背斜的兩翼發(fā)生同構造沉積,部分記錄了褶皺的運動學過程;當背斜頂部和向斜處地層厚度相同時,褶皺處于一個沒有構造抬升的平靜期[19-20]。

3 實例分析

以塔里木盆地庫車坳陷為例進行分析。蘇維依組、吉迪克組在全區(qū)厚度穩(wěn)定,為前生長地層?？荡褰M中后期克拉蘇構造帶南翼開始出現地層厚度變化,進入庫車組后地層厚度變化更加明顯,而此時南部的秋里塔格構造帶地層仍相對穩(wěn)定。西域組后秋里塔格構造帶開始出現地層生長現象,而克拉蘇構造帶構造變形進一步加劇,其南翼地層生長現象更加明顯,說明秋里塔格構造帶的形成略晚于克拉蘇構造帶,構造應力具有自北向南遷移的特點。

克拉蘇構造帶南翼從康村組中后期開始,地震剖面上顯示大量的超覆、退覆和上超現象,表明褶皺開始發(fā)育。時深轉換后 (圖 6)可以看出生長地層厚度總體呈線性變化,由于后期斷層對褶皺的破壞和地震資料品質的限制,未能計算構造抬升速率。根據生長地層的分析,認為克拉蘇構造帶鹽上層以蓋層滑脫褶皺變形為主,早期為一高波長、波幅比的褶皺,其發(fā)育以翼部旋轉為主,伴有部分膝折帶遷移,庫姆格列木群鹽巖以前新生代發(fā)育的正斷層(喀桑托開背斜)或基底傾角變化處 (庫姆格列木背斜)為核聚集形成背斜,進一步地收縮,使不對稱背斜 (庫姆格列木背斜)的前翼和對稱背斜 (喀桑托開背斜)的兩翼發(fā)生斷層突破,并使早期正斷層反轉、鹽下層形成疊瓦構造。

圖 6 克拉蘇構造帶 BC06-220測線地質剖面Fig.6 Geological profile of BC06-220 seism ic line in Kelasu tecton ic zone

4 結 論

(1)通過對生長褶皺進行詳細的幾何學分析并結合地層年代學資料,可以確定沉積速率與構造抬升速率的細微變化、褶皺的活動期次和褶皺形成的模式。

(2)以膝折帶遷移模式形成的褶皺,發(fā)育過程中翼部傾角不變,褶皺頂部與翼部的抬升速率相同,形成翼部平行狀生長地層。

(3)以翼部旋轉模式形成的褶皺,發(fā)育過程中翼部長度不變,沿翼部各點的抬升速率呈線性變化,形成翼部楔狀的生長地層。

(4)以混合生長模式形成的褶皺,發(fā)育過程中翼長和翼部傾角都發(fā)生變化,部分生長地層呈平行狀,反映了膝折帶遷移的特征,部分生長地層呈楔狀,各點的抬升速率仍呈線性變化,反映了翼部旋轉的特征。

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Developmentmodels of growth fold

GUO Wei-xing1,2,Q IJia-fu1,2,L IMing-gang1,L I Yan-you1

(1.School of Resource and Infor m ation Technology in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing102249,China)

Based on the kinematics characteristics of fold forming,the relationship between sedimentation and uplift of three kinds ofmodels including hinge migration,limb rotation and hinge migration with limb rotation was discussed.According to three kinds of developmentmodels of fold,a method was proposed to calculate fold uplift rate and folding process using the thickness of growth strata.The results show that the limb dip angle of fold developed by hinge migration keeps constant,and the fold has the same uplift rate in its crest and l imb.And parallel growth strata are formed.The l imb length of fold developed by limb rotation keeps constant,and the fold has the different uplift rate in its crest and limb,and the uplift rate changes linearly along the limb.Wedge-like geometry growth strata are formed.The limb length and limb dip angle of fold developed by hinge migration with limb rotation change in development.The lower parallel growth strata has the characterof hinge migration,while the upperwedge-like growth strata has the character of limb rotation.

tectonic uplift rate;sedimentation rate;hinge migration model;l imb rotation model;hinge migration with limb rotation model

P 542.2

A

1673-5005(2010)01-0001-06

2009-07-02

國家“973”項目 (2006CB202301)

郭衛(wèi)星 (1978-),男 (漢族),河南新鄉(xiāng)人,博士研究生,主要從事盆地構造分析方面的研究。

(編輯 徐會永)