鄧　賓, 趙高平, 萬元博, 黃　瑞, 王興建, 劉樹根

(1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059; 2.成都理工大學(xué) 國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點實驗室, 四川 成都 610059)

褶皺沖斷帶構(gòu)造砂箱物理模型研究進展

鄧賓1, 2, 趙高平1, 萬元博1, 黃瑞1, 王興建1, 劉樹根1

(1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059; 2.成都理工大學(xué) 國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點實驗室, 四川 成都 610059)

地殼淺層次褶皺沖斷帶普遍受控于具耦合互饋特性的多種機制或邊界條件, 從而具有長期的構(gòu)造演化過程和復(fù)雜的構(gòu)造特征。自19世紀初以來, 基于地質(zhì)構(gòu)造過程自相似性和“無理有效性”的砂箱物理模型, 為解譯褶皺沖斷帶的演化過程及其動力學(xué)機制等提供了獨立有效的手段。本文主要基于國內(nèi)外地殼淺表褶皺沖斷帶構(gòu)造變形過程為研究對象的構(gòu)造砂箱物理模型研究結(jié)果與進展進行綜述性報道, 以期為同行提供參考與借鑒?；谂c地殼淺表地層具相似流變學(xué)特性的砂箱物理模擬研究, 揭示出地殼淺層次構(gòu)造變形過程普遍自相似性生長過程, 符合庫倫臨界楔理論。褶皺沖斷帶擠壓變形過程中, 基底特性(基底幾何學(xué)、有效摩擦角、基底耦合性和流體超壓)、變形物質(zhì)特性(空間幾何學(xué)、能干層、流變學(xué)和非均一性)、動力學(xué)機制(砂箱幾何邊界、匯聚速率和匯聚方向)、淺表作用(剝蝕和沉降)等對于地殼淺表構(gòu)造變形過程具有明顯的控制作用。構(gòu)造砂箱物理模型在解譯不同構(gòu)造變形過程與機制的研究中發(fā)揮著越來越突出的作用。

砂箱模型; 臨界構(gòu)造楔; 褶皺沖斷帶

0 引 言

自然界構(gòu)造變形具有長時間的演化周期和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征, 普遍受多種因素影響, 如: 地層非均質(zhì)性、幾何學(xué)和運動學(xué)邊界條件和淺部地表過程等, 從而難以有效量化、解譯其在地史中的形成演化過程。地質(zhì)構(gòu)造過程的自相似性(標度不變性)和實驗驗證等說明物理模型模擬與自然界盆–山系統(tǒng)演化等具有一致性(無理的有效性“Unreasonable effectiveness”, Wigner, 1960), 即尺度大小上的相似性與一致性), 它是砂箱物理模型研究的理論基礎(chǔ)。值得指出的是, 雖然砂箱構(gòu)造物理模型有與生俱來的缺點, 如: 簡化地層模型、流體壓力–溫度等缺失問題, 但它能夠幫助我們在時間–空間上詳細觀察、解譯構(gòu)造變形的形成與生長四維過程, 因此受到越來越廣泛的應(yīng)用。

項目資助: 國家自然科學(xué)基金(41572111, 41402119, 2014JQ0057, 41472107, 41230313)和國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2012CB214805)聯(lián)合資助。

自Hall (1815)初次使用構(gòu)造物理模型解釋蘇格蘭東海岸構(gòu)造帶褶皺變形以來, 砂箱模型相對于早期實驗裝置及其理論體系已經(jīng)發(fā)生了極大的革新與變化。由于不同的目的性和手段性等差異, 砂箱模型目前主要存在三種典型類別: 構(gòu)造砂箱模型(Tectonic sandbox modelling)以褶皺沖斷帶等生長變形機制為主要研究對象(Cadell, 1988), 地貌幾何砂箱模型(Geomorphic sandbox modelling)以可控降水(量)條件下人工地貌為主要研究對象(Flint, 1973),地層砂箱模型(Stratigraphic sandbox modelling)以構(gòu)造和/或氣候條件下地層沉積記錄為主要研究對象(Paola et al., 2009)。19世紀以來, 以砂箱模型為主的物理(和/或結(jié)合數(shù)字)模型手段廣泛地運用于與增生楔和沖斷帶等相關(guān)的研究中, 結(jié)合庫侖沖斷楔(即臨界楔理論“Critical taper theory”)共同揭示出四維時空尺度上砂箱模型的基底特性、變形物質(zhì)特性、活動擋板(或阻擋物)特性、變形物質(zhì)通量(輸出和輸入)、匯聚(擠壓)運動學(xué)和地表過程等對盆–山結(jié)構(gòu)–構(gòu)造演化過程的重要作用(Bonini, 2003; Bonnet et al., 2007; Buiter, 2012; Graveleau et al., 2012; Koyi and Vendeville, 2003; Konstantinovskaia and Malavieille 2005; McClay et al., 2004, 2011)。本文主要基于國內(nèi)外以褶皺沖斷帶構(gòu)造變形為研究對象的構(gòu)造砂箱物理模型研究結(jié)果與進展進行綜述性報道,簡要闡述不同構(gòu)造變形過程中砂箱構(gòu)造物理模型所揭示的變形過程和機制及其主要控制因素等, 以期為同行研究提供參考與借鑒。

1 臨界楔理論與其自相似性生長過程

以褶皺沖斷帶為典型構(gòu)造的造山帶結(jié)構(gòu)演化普遍遵循簡單的變形機制即臨界楔理論(圖 1), Davis et al. (1983)和Dahlen (1990)描述為“移動推土機前方的楔形砂體”。推土機前方物質(zhì)沿其底部滑脫面滑動擠壓變形直到底部滑脫面傾角(β)和砂體頂面傾角(楔頂角, a)之間夾角恒定(即β+α恒定, 稱為臨界角),它主要受控于楔形體強度和基底特性。如果擠壓形成的楔形體前方?jīng)]有進一步的物質(zhì)加積, 楔形砂體則沿底部滑脫面僅發(fā)生滑動位移; 如果楔形砂體前方發(fā)生進一步的物質(zhì)加積, 楔形砂體則發(fā)生保持其幾何特征(即臨界角 β+a恒定)的自相似性生長過程。臨界楔理論具有一定的假設(shè)前提(Dahlen, 1984): (1) 較低或可忽略的內(nèi)聚力強度和符合Coulomb破裂準則; (2) 均值且各向同性的砂體特性; (3) 均值摩擦底界特性; (4) 砂箱物質(zhì)和溫度等屬性不隨時間變化。一般而言, 楔形體遵循如下公式:

(a), (b) 張性和壓性造山增生楔變形模型(Dahlen, 1990; Xiao et al., 1991); (c) 張性和壓性增生楔形體臨界楔理論值變化協(xié)和圖(Mourgues et al., 2013), 其中①擠壓楔形體中基底面剪切力朝向楔形體外部的臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(Davies et al., 1983); ②重力擴展或重力滑動臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(Mourgues et al., 2013); ③張性楔形體中基底面剪切力朝向楔形體內(nèi)部的臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(Xiao et al., 1991)。圖1　張性和壓性體制臨界楔理論綜合示意圖Fig.1 Synthetic diagram showing critical taper solutions for extensional and compressive sand wedges

式中, μb為基底摩擦系數(shù), φ為砂箱物質(zhì)內(nèi)摩擦角。

臨界楔理論揭示褶皺沖斷帶自相似性生長過程和其最終趨于穩(wěn)態(tài)平衡演化的特征, 即造山楔形體物質(zhì)輸入、楔形體幾何形態(tài)(楔頂角和基底傾角)、楔形體內(nèi)部(包括流體壓力)和基底摩擦力相關(guān)的應(yīng)力機制等因素最終達到穩(wěn)態(tài)平衡(Davis et al., 1983; Dahlen, 1984)?，F(xiàn)今構(gòu)造砂箱物理和數(shù)字模型不僅廣泛驗證了臨界楔理論強調(diào)的基本推論, 如: 基底傾角(增大)和楔頂角(減小)相關(guān)性、前展式(傾角變陡)和反沖斷層(傾角變小)以及楔形體(變寬)同基底強度(減小)之間的相關(guān)性、楔形體(變窄)與地表剝蝕作用(增強)相關(guān)性等, 而且對臨界楔形體理論大大地進行了拓寬, 如: 非臨界楔狀態(tài)的褶皺沖斷帶、非均質(zhì)性物質(zhì)和應(yīng)變?nèi)趸瘞У?McClay, et al., 2004; Willett et al., 2006; Suppe, 2007; Bigi et al., 2010; Buiter, 2012; Wenk and Huhn, 2013)。臨界楔理論強調(diào)褶皺沖斷帶自相似生長過程主要受控于多個基本因素: 楔形體內(nèi)部動力學(xué)、楔形體物質(zhì)特性(如: 內(nèi)聚力、密度、內(nèi)摩擦系數(shù)和流體壓力等)、基底特性(如: 幾何學(xué)、摩擦角等)和地表作用過程。

一般而言, 褶皺沖斷帶擠壓楔形體動態(tài)演化常具有三種端元: (1) 穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(階段), 楔形體僅發(fā)生整體位于基底面上的穩(wěn)定滑動、楔形體內(nèi)部不發(fā)生構(gòu)造變形(圖1中空白區(qū)為穩(wěn)態(tài)域), 其楔形體底部滑脫面傾角與楔頂角之和恒定; (2) 有限或臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(階段), 楔形體內(nèi)部和基底摩擦力相關(guān)的應(yīng)力狀態(tài)、楔形體后緣加載和內(nèi)聚力等初步達到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(圖中實線或虛線), 楔形體以自相似性特征生長變形、維持臨界角及其幾何形態(tài); (3)非穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(階段), 楔形體通過構(gòu)造變形調(diào)整其幾何形態(tài)逐步達到臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài), 如: 亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)縮短變形、超穩(wěn)態(tài)狀態(tài)張性變形(圖1中陰影區(qū))。亞穩(wěn)定狀態(tài)即楔形砂體頂面傾角相對于底部滑脫面過小, 砂體通過擠壓變形相關(guān)的前緣加積、沖斷等作用增加其頂面角(楔頂角), 達到臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài),即褶皺沖斷帶建造過程。超穩(wěn)定狀態(tài)即楔形砂體頂面傾角相對于底部滑脫面過大, 砂體會發(fā)生張性正斷層或滑動變形降低砂體頂面角, 最終達到臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài), 即褶皺沖斷帶破壞過程。

臨界楔理論靜態(tài)地詮釋造山楔恒定應(yīng)力條件下的特征, 它已經(jīng)成功地運用于解釋褶皺沖斷帶幾何學(xué)發(fā)展演化過程?；啄Σ两窃龃髮?dǎo)致穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)縮小(圖中穩(wěn)態(tài)域縮小), 即基底傾角范圍增大和楔頂角范圍減小, 也意味著早期非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)域內(nèi)的楔形砂體通過調(diào)整楔頂角大小獲得穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。楔形砂體內(nèi)摩擦強度增大和基底強度減弱相似,都會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)增大(圖中穩(wěn)態(tài)域增大), 即增大楔頂角范圍。如果楔形砂體物質(zhì)受剝蝕減少和增生加積平衡作用, 則會發(fā)生褶皺沖斷帶穩(wěn)態(tài)造山作用(Willett and Brandon, 2002; Willett et al., 2006),但高剝蝕速率會導(dǎo)致楔形砂體或造山帶規(guī)模減小(如: 臺灣和新西蘭地區(qū)), 而低剝蝕速率則導(dǎo)致其規(guī)模增大(如: 安第斯中央高原)。Willett and Brandon (2002)進一步強調(diào)褶皺沖斷帶穩(wěn)態(tài)造山作用的四個典型類型, 即: 物質(zhì)通量恒定、地貌穩(wěn)態(tài)、熱穩(wěn)態(tài)和地表剝蝕作用穩(wěn)態(tài)。在構(gòu)造擠壓變形過程中, 楔形體通過內(nèi)部和外部構(gòu)造變形調(diào)整其幾何形態(tài), 最終達到并保持穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài), 即自相似性生長過程,其主要表現(xiàn)為通過楔形體內(nèi)部沖斷破裂變形的楔形體增厚過程與楔形體前緣擴展變形的楔形體增長過程二者周期性循環(huán)發(fā)生, 從而保持構(gòu)造楔形體幾何學(xué)的相似性(McClay and Whitehouse, 2004; Del Castello et al., 2004; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005; Bigi et al., 2010)。

基于張性和擠壓構(gòu)造背景下楔形體具有相似褶皺沖斷帶、增生楔特征和相反的滑動基底和楔形體內(nèi)變形特性, Xiao et al. (1991)初次對張性構(gòu)造背景下楔形體變形進行了物理模擬, 認為張性楔形體變形過程是“移動推土機沿滑動面下傾方向運動的相關(guān)變形”, 也遵循臨界楔理論(Morgan and McGovern, 2005)。當楔形砂體處于亞穩(wěn)定狀態(tài), 將會通過沿基底傾向的滑動變形達到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài); 當楔形砂體處于超穩(wěn)定狀態(tài), 將會形成正斷層變形減小楔頂角達到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。但是, 當張性楔形體中楔頂角小于臨界值時, 它也可能處于穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài), 不發(fā)生楔形砂體內(nèi)部變形, 而與擠壓構(gòu)造背景下楔形砂體形成明顯區(qū)別(Xiao et al., 1991)。最近, Mourgues et al. (2013)通過數(shù)值和砂箱模型實驗, 揭示了張性構(gòu)造背景下構(gòu)造變形并不完全符合臨界楔理論, 認為基底滑脫面流體壓力比控制著張性構(gòu)造楔形體形成演化(Mourgues and Cobbold, 2006), 導(dǎo)致其形成典型的淺部滑塌和深部(構(gòu)造楔主滑脫面)重力擴展變形。當楔形砂體處于超穩(wěn)定狀態(tài), 受控于楔形體內(nèi)壓力小于臨界壓力比砂體僅發(fā)生淺部滑塌變形,楔形體內(nèi)壓力大于臨界壓力比導(dǎo)致以主滑脫面變形相關(guān)的重力擴展作用, 且伴隨流體壓力比增大、楔頂角變小。

褶皺沖斷帶臨界構(gòu)造楔理論廣泛地應(yīng)用于不同造山帶的研究(Davis et al., 1983; Braathen et al., 1999; Bilotti and Shaw, 2005; Willett et al., 2006; Miyakawa et al., 2010), 揭示出構(gòu)造楔形體強度與基底滑脫等因素共同控制著褶皺沖斷帶自相似性生長過程, 決定著楔形體楔頂角與基底傾角共同(線性相關(guān))的變化過程(Davis et al., 1983; Dahlen, 1984)。因此, 根據(jù)楔頂角與基底傾角特征(二者之和: 即 β+a)可以將褶皺沖斷帶大致分為兩類: 中–高角度類型(β+a>10°)和低角度類型(β+a<5°), 前者普遍發(fā)育較小傾角的前展式斷層和較大傾角的反沖斷層, 而后者發(fā)育傾角大致相似的前展和反沖斷層、尤其是反沖斷層明顯發(fā)育(Davis et al., 1983; Bilotti and Shaw, 2005; Buiter, 2012)。同時, 伴隨周期性自相似性生長過程, 楔形體常常形成明顯的楔頂角度破裂點或突變點“Slope break”, 該突變點常位于以前展式擴展變形特征為主的楔形體前緣(或外帶), 和以無序沖斷加積變形特征為主的楔形體內(nèi)帶之間的過渡帶(Dominguez et al., 2000; Del Castello et al., 2004; Wenk and Huhn, 2013), 與基底屬性可能具有一定成因關(guān)系(Del Castello et al., 2004; Miyakawa et al., 2010)。值得指出的是, 基于褶皺沖斷帶實例研究也揭示出, 如: 臺灣沖斷帶、尼日爾三角洲褶皺沖斷帶等, 地殼淺部(<15～20 km)普遍具有相對均一的物理特性, 控制著楔形體自相似性生長過程; 但是>15～20 km深度的地殼物質(zhì)具脆–塑性過渡帶變形特征, 導(dǎo)致楔形體強度減弱, 楔頂角與基底傾角相關(guān)性不明顯(Carena et al., 2002; Suppe, 2007)。

2 褶皺沖斷帶砂箱物理模型主控因素

自然界擠壓增生楔基于其變形傳播方向通?？梢苑譃閮深? 單向匯聚楔形體類(圖 2a, Hubbert, 1951)和雙向匯聚楔形體類(圖 2b, Koons, 1990; Willett et al., 1993), 前者速度不連續(xù)點位于活動擋板前緣導(dǎo)致物質(zhì)難以發(fā)生反向位移, 后者速度不連續(xù)點位于砂箱模型中部導(dǎo)致砂箱物質(zhì)能夠同時發(fā)生向前或向后的位移與變形, 即發(fā)生向俯沖盤方向的前展式褶皺沖斷變形(“forethrust”)和向活動擋板方向的反向沖斷變形(“backthrust”)。

擠壓砂箱模型中由于基底變形傳播的階段性和周期性導(dǎo)致其單向匯聚楔形體生長呈階段性(圖 2c, d), 即楔形體前展式擴展變形形成新的前緣沖斷層導(dǎo)致楔形體加積增生, 新的楔形體進一步發(fā)生縮短(積累應(yīng)變可能為 10％左右)與增厚變形直到新的前緣斷層形成(Mulugeta and Koyi, 1992; Gutscher et al., 1996)。伴隨楔形體持續(xù)變形增生, 早期逆沖斷層傾角逐漸減小(圖 2a)。砂箱物理模型和數(shù)字模型實驗中楔形體加積生長過程服從臨界楔理論(圖 2d, Mulugeta and Koyi, 1992; Naylor and Sinclair, 2007),且楔形體面積普遍服從線性增長趨勢(Koyi, 1995),楔形體可大致分為平頂部分和三角前緣部分, 前者面積具穩(wěn)定增長特征、后者面積長時間內(nèi)具有穩(wěn)定不變的特征(圖 2e), 主要歸功于楔形體后緣物質(zhì)的恒定加積作用和前緣物質(zhì)沿楔形體表面發(fā)生擴散。但是, 無論是黏土砂箱模型還是石英砂砂箱模型(圖2f), 楔形體內(nèi)部物質(zhì)主要發(fā)生向上的位移(Cowan and Silling, 1978; Mulugeta and Koyi, 1992)。一般而言, 單向匯聚楔形體可以劃分為三個典型的結(jié)構(gòu)和運動學(xué)亞帶(圖2g): 前緣變形帶(FDZ)、前緣疊瓦沖斷帶(FIZ)和內(nèi)部加積變形帶(IAZ)。前緣變形帶由新形成的逆沖斷層組成, 常形成成對的前展式和反沖斷層, 具有較大的水平位移和較小的抬升變形, 因而具垂直拉伸應(yīng)變橢球變形特征; 前緣疊瓦沖斷帶常由數(shù)條逆沖斷層組成, 水平位移較前者小、抬升變形量適中, 因此拉伸應(yīng)變橢球體較前者小; 內(nèi)部加積變形帶由無序沖斷層與前緣疊瓦沖斷帶分開,水平位移和抬升變形量都極小, 因此通常具有各向同性的變形特征。

俯沖砂箱模型中雙向匯聚楔形體也具有數(shù)個生長變形周期(Willet et al., 1993; Hoth et al., 2007)。早期快速擴展變形階段(前楔低位移量沖斷、反向楔快速沖斷變形), 以形成典型受成對膝折帶控制的沖起構(gòu)造為主(Willet et al., 1993; Hoth et al., 2007), 物質(zhì)主要發(fā)生反向楔內(nèi)的反向擴展和抬升變形, 隨后前楔和反向楔持續(xù)發(fā)生物質(zhì)加積變形形成楔形體軸帶(圖2h)。晚期為低速擴展變形階段(前楔高位移沖斷變形、反向楔低速沖斷變形), 以形成持續(xù)的沖斷巖片或推覆體疊置構(gòu)造為主(McClay and Whitehouse, 2004; Bigi et al., 2010)。一般而言, 當楔形體高度達到最大時(臨界楔形體高度)(圖2j), 反向楔載荷過高而難以持續(xù)其高滑動變形速率, 此時楔形體軸帶相當于活動擋板加速前楔擴展變形(McClay and Whitehouse, 2004; Storti et al., 2000)。前楔與反向楔具有不同的加積增生機制, 前者以前展式和基底加積為主, 反向楔則以前楔物質(zhì)的向上和反向剪切生長形成為主; 且前楔地貌坡度符合最小臨界楔形體理論(圖2i), 后者地貌坡度則具有較大爭議(Davis et al., 1983; McClay and Whitehouse, 2004)。

2.1 砂箱基底特性因素

砂箱基底特性對砂箱模型模擬過程中楔形體具有不同作用, 其主要因素包括: 基底幾何學(xué)性質(zhì)(如:坡度和地貌形態(tài))、有效摩擦角、孔隙流體壓力和垂直應(yīng)力(之比)等。Davis et al. (1983)基于砂箱模型臨界楔理論指出砂箱基底坡角變化(增大或減小)會伴隨楔頂角變化(減小或增大), 相對于基底砂箱模型中斷層仍然具有相似特征, 但相對于水平參考系前展式斷層傾角更陡、反向擴展斷層更緩。當基底摩擦角和縮短量一定的情況下, 基底傾向后陸的砂箱模型相對于基底傾向前陸(擴展變形方向)的砂箱模型中楔形體較短、較厚(圖3a), 主要歸因于前者具有較高的平行層縮短和較高的非面積守恒應(yīng)變特征(Koyi and Vendeville, 2003)。尤其是當基底摩擦系數(shù)(或摩擦力)相對較高時, 如: μb=0.55, 基底傾角對砂箱楔形體的影響更加明顯, 反之亦然。值得指出的是, 增加基底傾角與增加基底摩擦系數(shù)對于楔形體(如: 楔頂高和臨界楔頂角)具有相似的作用。Smit et al. (2003)揭示當基底傾角為 0.75°～3.0°之間時,伴隨其角度變化石英砂箱模型構(gòu)造樣式具有明顯不同特性。低角度砂箱基底傾角形成較寬的、前展式?jīng)_斷構(gòu)造變形特征, 傾角較大則具有較窄的、同時具有前展式和反向沖斷構(gòu)造變形特征。當砂箱基底具有不同的正凸起和負地貌形態(tài)時(如: 火山口、地塹等), 擠壓變形過程會導(dǎo)致砂箱物質(zhì)發(fā)生典型的構(gòu)造剝蝕(Tectonic erosion)(von Huene and Culotta, 1989; Lallemand et al., 1994)。由于不同的變形機制導(dǎo)致形成復(fù)雜的地貌特征(圖 3b), 基底正凸起上覆砂箱物質(zhì)發(fā)生反向沖斷變形, 楔形體后緣物質(zhì)常常發(fā)生高角度走滑變形和正斷層變形(Dominguez et al., 2000)。

(a) 單向匯聚楔形體類型砂箱模型生長過程及其斷層演化特征(Marshak and Wilkerson, 1992), 伴隨楔形體增高斷層傾角逐漸減小; (b) 雙向匯聚楔形體類型砂箱模型(McClay and Whitehouse, 2004), 主要由前楔、反向楔和軸帶部分組成; (c) 楔形體階段性擴展變形與生長過程(Mulugeta and Koyi, 1992), 楔形體前緣伴隨新生成的逆沖斷層前展式生長; (d) 砂箱模型楔形體生長服從臨界楔理論 (Mulugeta and Koyi, 1992); (e) 楔形體橫截面近似恒定的生長規(guī)律 (Koyi, 1995), 楔形體可大致分為面積穩(wěn)定增長部分和面積快速穩(wěn)定部分; (f) 黏土和石英砂楔形體內(nèi)部物質(zhì)運動軌跡 (Cowan and Silling, 1978; Mulugeta and Koyi, 1992), 揭示砂箱物質(zhì)普遍具有向上的運動軌跡; (g) 單向匯聚楔形體結(jié)構(gòu)分帶性 (Lohrmann et al., 2003), 可大致分為前緣變形帶(FDZ)、前緣疊瓦沖斷帶(FIZ)和內(nèi)部加積變形帶(IAZ); (h) 雙向匯聚楔形體類砂箱模型生長變形周期性(Storti et al., 2000), 即早期快速擴展變形階段(前楔低位移量沖斷、反向楔快速沖斷變形)和后期低速擴展變形階段(前楔高位移沖斷變形、反向楔低速沖斷變形); (i) 前楔和反向楔地表坡度變化特征(Wang and Davis, 1996), 伴隨楔形體生長前楔頂角達到最小臨界楔角度; (j) 雙向匯聚楔形體類砂箱模型生長楔形體高度變化特征(Storti and McClay, 1995), 楔形體高度普遍具有與縮短量之比呈恒定速率的生長過程, 最后達到最大值。圖2　砂箱構(gòu)造物理模型楔形體生長特征圖Fig.2 Growth processes of an accretionary wedge in sandbox modeling

(a) 基底坡度對砂箱模型楔形體特征影響 (Koyi and Vendeville, 2003), 基底傾向后陸的砂箱物理模型相對于基底傾向前陸(擴展變形方向)的砂箱模型中楔形體較短、較厚(尤其是高基底摩擦特性); (b) 基底地貌凸起(如火山口)對楔形體特征影響的三維形態(tài)(Dominguez, 2000); (c) 基底差異性摩擦特性對逆沖楔形體形態(tài)的影響(Liu et al., 1992), 伴隨摩擦系數(shù)或強度增大楔頂角明顯增大, 且構(gòu)造運動學(xué)也具有明顯變化; (d) 水平基底的摩擦系數(shù)與楔形體楔頂角或坡度關(guān)系符合臨界楔理論(Buiter, 2012), 其中小圖為大圖數(shù)字模型結(jié)果; (e) 砂箱模型變形樣式與基底和砂箱物質(zhì)內(nèi)剪切力關(guān)系(Bonini, 2007), 揭示基底和砂箱物質(zhì)內(nèi)剪切力關(guān)系之比控制著楔形體前展式擴展沖斷變形或被動頂沖等構(gòu)造變形過程; (f) 砂箱物質(zhì)底部流體超壓對楔形體的影響(Mourgues and Cobbold, 2006), 流體超壓導(dǎo)致楔形體更寬和楔頂角更低。圖3　不同基底特性對砂箱構(gòu)造物理模型楔形體特征的影響作用Fig.3 Influence of basal on the growth and deformation of an accretionary wedge

砂箱模型中基底與砂箱物質(zhì)的耦合特性(即沿楔形體底部滑脫面)是控制構(gòu)造楔形體幾何和構(gòu)造特征最重要的參數(shù), 自然界中其主要取決于沉積蓋層和流體超壓特性。砂箱模型中通過砂箱底部加入不同摩擦系數(shù)的物質(zhì)(如: 玻璃珠μb=0.36、塑料/聚酯薄膜μb=0.21等)決定了砂箱模型中的基底特性。低摩擦系數(shù)(或強度)砂箱模型中楔形體變形生長以(可能為對稱性)箱狀褶皺和沖起結(jié)構(gòu)為主, 具有較大的寬度和較小的楔頂角(圖 3c, d), 且前展式?jīng)_斷和反向沖斷都較普遍(Mulugeta, 1988; Liu et al., 1992; 周建勛等, 2002); 而高摩擦系數(shù)砂箱模型中楔形體變形生長以疊瓦狀沖斷構(gòu)造變形為主, 沖斷變形以前展式無序沖斷(常具多期活動)為主(Cotton and Koyi, 2000; Koyi et al., 2000; Smit et al., 2003), 且具有較高的平行層縮短變形(Koyi et al., 2004)。高摩擦砂箱基底其主應(yīng)力軸(σ1)傾向前陸方向, 導(dǎo)致前展式?jīng)_斷層相對于其反向沖斷層具有較低的傾角和更大的縮短變形特征(Davis and Engelder, 1985), 因此Bonini (2003, 2007)認為基底和上覆砂箱物質(zhì)內(nèi)剪切力控制著楔形體變形結(jié)構(gòu)特征(圖 3e), 尤其是砂箱物質(zhì)內(nèi)部滑脫層導(dǎo)致上下變形脫耦、形成典型被動頂沖雙重變形結(jié)構(gòu)。砂箱模型中流體超壓嚴重影響楔形體幾何形態(tài)(圖 3f), 擠壓增生楔形體具有明顯較寬、較薄和較低楔頂角的幾何學(xué)特征, 伴隨擠壓過程砂箱底部形成水平滑脫層, 并發(fā)生盆地向擴展移動(Cobbold et al., 2001; Mourgues and Cobbold, 2006)。尤其是對于非均質(zhì)性砂箱物質(zhì)(即變化的滲透率和內(nèi)聚力系數(shù)特征), 滑脫層沿低滲透層形成、快速盆地向(沿擠壓方向)擴展傳播, 楔形體常具有較低楔頂角和近似對稱的沖起結(jié)構(gòu)特征。

砂箱基底面積(布砂面積, SB)與相關(guān)剪切應(yīng)力大小, 尤其是與側(cè)向固定擋板面積(布砂厚度接觸面積, SL)之比值(Souloumiac et al., 2012), 導(dǎo)致楔形體擠壓變形過程中, 臨近側(cè)向固定擋板處砂箱表面斷層發(fā)生不同程度弧形彎曲, 從而嚴重影響砂箱變形 2D剖面重建(Koyi and Cotton, 2004; Schreurs et al., 2006)。當SL/SB<0.1時, 砂箱基底面剪切應(yīng)力較大、側(cè)向固定擋板與擠壓縮短方向相反的剪切應(yīng)力可以忽略; 當 0.10.35時, 砂箱表面斷層側(cè)向彎曲會產(chǎn)生重要的實驗室誤差(Souloumiac et al., 2012)。因此, 我們初始設(shè)置砂箱物理模型過程中, 如果砂箱物質(zhì)具有較高的摩擦系數(shù), 會導(dǎo)致相應(yīng)減小側(cè)向固定擋板上剪切應(yīng)力和SL/SB比值; 相反, 如果僅在砂箱基底布置滑脫層等低摩擦系數(shù)物質(zhì), 則會導(dǎo)致側(cè)向固定擋板上剪切應(yīng)力和SL/SB比值增加。

2.2 砂箱物質(zhì)特性因素

砂箱物質(zhì)特性對于砂箱楔形體變形與演化具有明顯的控制作用(魏春光等, 2004; Konstantinovskaya and Malavieille, 2011; Graveleau et al., 2012), 如: 內(nèi)聚力、摩擦力(或強度)、厚度、孔隙度和滲透率等, 尤其是其垂向?qū)傩缘淖兓?。一般而? 砂箱物質(zhì)強度增加導(dǎo)致其臨界楔形體穩(wěn)定區(qū)域面積增大, 既最小臨界(楔頂)角變小和最大臨(楔頂)界角變大(圖 1)。砂箱物質(zhì)內(nèi)部軟弱層導(dǎo)致楔形體由能干性楔形體的沖斷褶皺變形為主構(gòu)造樣式轉(zhuǎn)變?yōu)轳薨欁冃螛邮綖橹鞯奶卣?圖4a)(Yamato et al., 2011)。物質(zhì)壓實作用使其內(nèi)聚力增強, 從而導(dǎo)致臨界(楔頂)角變小形成凸起的地表形體, 但由于內(nèi)聚力與砂箱物質(zhì)摩擦強度和流體孔隙壓力密切相關(guān), 因此內(nèi)聚力對整個褶皺沖斷帶變形影響作用有限(Simpson, 2011)。由于砂箱物質(zhì)普遍具有瞬時應(yīng)變增強和應(yīng)變?nèi)趸匦? 使砂箱楔形體具有典型的依賴于物質(zhì)壓實作用的分帶性(圖4b)。Lohrmann et al. (2003)認為砂箱物質(zhì)的體積強度受控于其最薄弱層的摩擦強度(如: 斷層等),因此早期存在的非均一結(jié)構(gòu)可能使砂箱楔形體局部集中應(yīng)變從而控制其構(gòu)造變形過程與樣式, 如: 活動斷層摩擦特性決定著楔形體不同分段的楔頂角和強度(圖 4b)。同時砂箱楔形體向后緣由于斷層旋轉(zhuǎn)和彈性物質(zhì)強度增加導(dǎo)致其體積能干性逐漸增大,不同砂箱物質(zhì)縱向?qū)傩圆町悓?dǎo)致楔形體后緣集中應(yīng)變帶具有明顯的運動學(xué)特征差異。尤其是, 砂箱物質(zhì)側(cè)向非連續(xù)性是側(cè)向或斜向斷坡、撕裂斷裂和轉(zhuǎn)換帶等構(gòu)造形成的重要控制因素(Corrado et al., 1998; Cotton and Koyi, 2000; Marques and Cobbold,2002; Ravaglia et al., 2004), 常常在砂箱物質(zhì)表面表現(xiàn)為不同逆沖前緣連接帶或逆沖巖片側(cè)向終止構(gòu)造樣式, 砂箱物質(zhì)內(nèi)部不同巖層厚度空間明顯變化。砂箱物質(zhì)側(cè)向不連續(xù)帶具有較高的平行層縮短變形和較低逆沖分量(圖4f), 逆沖巖片(席)長度與逆沖滑動量可能存在一定的線性關(guān)系(Ravaglia et al., 2004)。同時, 流體壓力普遍存在降低砂箱物質(zhì)有效應(yīng)力的作用, 導(dǎo)致破裂變形作用發(fā)生, 因此含水砂箱楔形體具有較低的強度和較高的臨界(楔頂)角(Strayer et al., 2001; Cobbold et al., 2001; Mourgues and Cobbold, 2006), 流體壓力系數(shù)比和楔頂角共同控制著楔形體中滑脫層前展式變形傳播和應(yīng)變集中特征(Pons and Mourgues, 2012)。

(a) 多層滑脫層對楔形體變形影響(Yamato et al., 2011), 單一基底滑脫層導(dǎo)致低速褶皺變形速率和沖斷變形構(gòu)造樣式為主, 多層滑脫層導(dǎo)致楔形體變形速率增大和褶皺變形構(gòu)造樣式為主; (b) 不同砂箱物質(zhì)楔形體特征(Lohrmann et al., 2003), 不同物質(zhì)楔形體內(nèi)部加積應(yīng)變帶(IAZ)具有運動學(xué)特征差異性, 而其他部分則大致相似; (c) 能干層位置對于砂箱楔形體影響(Teixell and Koyi, 2003), 能干層位于砂箱底部具有相對頂部較高的楔頂角從而控制著楔形體特征; (d) 純石英砂、石英-重晶石混合砂和石英-云母混合砂三種砂箱物質(zhì)構(gòu)造變形過程, 伴隨砂箱物質(zhì)中彈性顆粒物質(zhì)含量增加, 擠壓沖斷變形和楔形體幾何學(xué)變化明顯更具均一化特征(Gomes, 2013); (e) 相同擠壓條件下水飽和條件下微玻璃珠“GM”、硅粉“SilPwd”、塑料粉末“PVC”、石墨粉“Graph”和前四者混合材料“MatⅣ” 砂箱物質(zhì)擠壓構(gòu)造變形特征(Graveleau et al., 2011), 硅粉相對于其余幾種物質(zhì)由于具有較高內(nèi)聚力, 其斷層空間距離明顯較其他物質(zhì)窄和密, 前展式和反沖式斷層普遍發(fā)育; (f) 砂箱物質(zhì)側(cè)向非連續(xù)性轉(zhuǎn)換帶在砂箱物質(zhì)表面表現(xiàn)為不同逆沖前緣連接帶或逆沖巖片側(cè)向終止構(gòu)造樣式, 具較高的平行層縮短變形和較低逆沖分量, 逆沖巖片(席)長度與逆沖滑動量可能存在一定的線性關(guān)系(Ravaglia et al., 2004)。圖4　不同砂箱物質(zhì)特性對構(gòu)造楔形體變形的影響作用Fig.4 Influence of material properties on the growth and deformation of an accretionary wedge

除砂箱物質(zhì)自然屬性的差異之外, 不同砂體成型方法(如: 自動化篩砂和傾倒方式等)、上覆地層壓力等也可能導(dǎo)致砂箱物質(zhì)屬性體現(xiàn)出一定差異性,從而影響其構(gòu)造物理模擬結(jié)果。自動化篩砂造型形成的砂箱楔形體物質(zhì)具有較高的砂體密度、分選性、均一性、高壓實性和相對較高的應(yīng)變破裂強度等(Lohrmann et al., 2003; Panien et al., 2006; Gomes, 2013)。磨圓度低、非均質(zhì)性強、顆粒越粗的砂箱物質(zhì), 在擠壓變形過程中由于較高的應(yīng)力分散性常常產(chǎn)生較大的彌散式或分散式變形、較高的應(yīng)變?nèi)趸卣?。因? (新型)砂箱物質(zhì)材料研究受到越來越多的重視?；诰呦嗨品逯灯屏褟姸鹊攘W(xué)特性的石英砂、石英–重晶石混合砂和石英–云母混合砂三種砂箱物質(zhì)構(gòu)造模擬揭示, 砂箱物質(zhì)中塑性顆粒物質(zhì)(如重晶石、云母等礦物)含量增加將形成更加均一的擠壓沖斷變形和楔形體幾何學(xué)(圖 4d), 同時也導(dǎo)致混合石英砂類砂箱物質(zhì)需要較高的剪切應(yīng)變量才能達到與純石英砂相似的擠壓破裂變形(Gomes, 2013)。水飽和條件下微玻璃珠、硅粉、塑料粉末、石墨粉和前四者混合材料砂箱實驗表明(Graveleau et al., 2011), 相同擠壓條件下微玻璃珠和塑料粉末砂箱物質(zhì)產(chǎn)生相對較少的前展式斷層和較低的楔頂角, 擠壓縮短變形過程中微玻璃珠楔形體前緣產(chǎn)生明顯的褶皺縮短變形, 而后者前緣則以脆性破裂變形為主; 硅粉則具有更多的脆性破裂變形行為特征,前展式和反沖式斷層普遍發(fā)育, 且具較大的楔頂角,同時由于硅粉具有較高內(nèi)聚力, 其斷層空間距離明顯較其他物質(zhì)窄和密(圖4e)。

基于物質(zhì)能干性和非能干性巖層實驗表明, 能干性巖層(如: 石英砂)縮短變形以沖斷構(gòu)造變形為主, 非能干性巖層(如: 玻璃珠)以褶皺變形為主, 但不同的基底摩擦屬性會導(dǎo)致典型的集中應(yīng)變發(fā)生(尤其是低摩擦特性的砂箱基底)。能干性巖層會導(dǎo)致砂箱楔形體楔頂角明顯增大, 且能干性巖層位于砂箱底部相對于頂部對楔頂角增大作用更加明顯(圖4c)。砂箱內(nèi)部軟弱層或滑脫層除要相對于砂箱基底和其周圍砂箱物質(zhì)具有更低的能干性外(Kukowski et al., 2002), 其厚度和幾何學(xué)展布對于楔形體變形也具有重要的影響作用, 主要歸功于其低應(yīng)力–應(yīng)變條件有助于變形的擴展傳播。滑脫層深度控制著楔形體褶皺變形空間格架及其構(gòu)造樣式, 較淺的滑脫層導(dǎo)致楔形體具有更普遍的、更寬向背斜和深部沖斷變形特征, 而較深的滑脫層導(dǎo)致楔形體具有更快的傳播變形特征和褶皺沖斷變形樣式(Rossi and Storti, 2003; Yamato et al., 2011), 尤其是疊瓦沖斷構(gòu)造樣式?；搶觽?cè)向非均質(zhì)性導(dǎo)致形成不同波長的沖斷層系、弧形構(gòu)造等, 而其垂向非均質(zhì)性決定著砂箱模型中不同級別的構(gòu)造樣式, 即底部滑脫層系為一級結(jié)構(gòu)、中部滑脫層系為二級結(jié)構(gòu)。值得指出的是, 區(qū)別于擠壓砂箱物理模型和數(shù)字模型中滑脫層對構(gòu)造變形過程的強烈控制作用(Kukowski et al., 2002; Stockmal et al., 2007; Konstantinovskaya and Malavieille, 2011; 沈禮等, 2012), 其在俯沖擠壓砂箱模型中滑脫層對于砂箱楔形體變形作用明顯較弱(Hoth et al., 2007)。

2.3 砂箱動力學(xué)特性因素

砂箱動力學(xué)特性對砂箱模型模擬過程中楔形體差異性作用主要體現(xiàn)在: 砂箱不同幾何邊界(如: 活動或固定擋板)、不同擠壓匯聚方向(即縮短方向與擋板邊界, McCaffrey, 1992)和差異擠壓匯聚速率導(dǎo)致砂箱物質(zhì)變形過程存在典型的非均一性屬性。斜向匯聚碰撞導(dǎo)致砂箱楔形體存在較大楔頂角和典型分帶性(Biagi, 1988; Martinez et al., 2002; McClay et al., 2004), 楔形體外帶逆沖斷層傾向砂箱擋板、地表破裂普遍平行逆斷層具有一定的斜度; 內(nèi)帶與外帶之間由向外帶增厚的、由少量逆斷層形成的新月形構(gòu)造帶分割, 內(nèi)帶具有典型扭壓走滑特征、且切割早期逆斷層及其分支(圖5a)。值得指出的是, 斜向匯聚砂箱變形中楔形體變形過程普遍具有分散式應(yīng)變階段、斜向應(yīng)變階段和應(yīng)變集中三個不同階段(圖5b)(Leever et al., 2011)。當楔形體后緣阻擋體較薄時,變形帶相對較寬且內(nèi)部扭壓走滑帶普遍位于砂箱模型速度不連續(xù)點; 當活動擋板較厚時, 內(nèi)部扭壓走滑帶具有前陸向遷移特征。伴隨斜向碰撞夾角逐漸增大(φ>45°～55°, 砂箱物質(zhì)位移矢量與砂箱邊界活動擋板或速度不聯(lián)系點的夾角), 內(nèi)帶逆沖斷層傾角明顯變陡、數(shù)量減少, 且斷層逐漸垂直、匯聚形成主斷層; 尤其是少量走滑斷層會體現(xiàn)出正斷層特征(圖5c)。在基底內(nèi)摩擦角較大的砂箱模型中, 走滑斷層主要出現(xiàn)在具有較高斜向夾角的碰撞擠壓模型中(90°>φ>40°～45°), 而在較低斜向夾角的碰撞擠壓模型中位移的走滑分量主要被逆斷層所吸收, 因此應(yīng)變集中主要發(fā)生于較高斜向夾角碰撞過程中(圖5d);如果砂箱模型基底具有更低的摩擦特征, 其臨界斜向夾角變大(μb=0.2時, φ=～60°)(Martinez et al., 2002);尤其是, 較高的斜向夾角碰撞擠壓可能會形成幾何學(xué)近似對稱的、具有較高凸起軸帶(被走滑斷層切割)的雙向匯聚楔形體(McClay et al., 2004; Leever et al., 2011)。

(a) 三維斜向碰撞擠壓砂箱模型分帶性(Biagi, 1988); (b) 斜向匯聚擠壓(φ=30°)砂箱模型楔形體演化三階段性(Leever et al., 2011), 即分散式應(yīng)變階段、斜向應(yīng)變階段和應(yīng)變集中階段; (c) 高斜向擠壓碰撞夾角砂箱模型走滑斷層特征(Malavieille et al., 1992), 其中少量走滑斷層體現(xiàn)出正斷層特征; (d) 斜向匯聚擠壓夾角屬性對楔形體變形影響(McClay et al., 2004), 低斜向夾角變形缺少走滑斷層, 走滑斷層構(gòu)造變形發(fā)生臨界夾角為40°～45°; (e) 砂箱模型走向擠壓速率變化與不同弧形楔形體關(guān)系(Reiter et al., 2011), 楔形體前緣沖斷變形具有典型弧形幾何學(xué)特征且其弧度伴隨速率走向?qū)Ρ刃栽龃蠖龃? (f) 雙層和多層摩擦-粘性層耦合特性對楔形體的影響(Smit et al., 2003; Couzens-Schultz et al., 2003; Graveleau et al., 2012), 低擠壓縮短速率楔形體中滑脫層有效變形使楔形體前展式和反向式?jīng)_斷多期次活動。圖5　不同砂箱動力學(xué)特性對構(gòu)造楔形體的作用Fig.5 Influence of dynamics on the growth and deformation of an accretionary wedge

砂箱模型不同幾何邊界導(dǎo)致砂箱物質(zhì)具有明顯不同的切線運動速率, 從而形成不同幾何學(xué)和運動學(xué)特征(Bonini et al., 1999; Macedo and Marshak , 1999; Marques and Cobbold, 2002), 如: 弧形構(gòu)造可能受控于初始地貌的幾何學(xué)差異和/或活動擋板的幾何學(xué)差異。尤其是活動擋板前緣傾角面不同于砂箱物質(zhì)內(nèi)摩擦角時(～30°)時, 砂箱物質(zhì)通過活動擋板與活動的反向剪切帶之間物質(zhì)加積和壓縮機制(沿前緣傾角面?zhèn)鞑?形成砂箱模型的“有效擠壓體”(Effective indenter), 從而控制砂箱模型楔形體形成演化(Bonini et al., 1999; Persson, 2001)。因此, 活動擋板前緣傾角面存在兩種不同端元模型, 傾角面<45°時形成楔形體剪切傳播點和活動擋板前緣點一致; 傾角面>60°時楔形體剪切傳播點和活動擋板前緣點不一致。

Reiter et al. (2011)基于砂箱模型中走向縮短速率的變化揭示出斜向物質(zhì)傳播、沖斷變形和物質(zhì)旋轉(zhuǎn)相關(guān)的系列弧形構(gòu)造。走向縮短速率變化較小時,楔形體走向具有連續(xù)性、且具20°～60°弧形結(jié)構(gòu); 走向速率變化較大時, 由于較高角度弧形結(jié)構(gòu)(大于60°)使楔形體走向不具有連續(xù)性(圖5e)。具有較快擠壓縮短速率楔形體前緣沖斷變形結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向傳播(向低速楔形體前緣), 從而影響后者前緣沖斷變形和楔形體幾何學(xué)特征。由于不同于砂箱物質(zhì)中石英砂低(或非)應(yīng)變敏銳性, 粘性材料或粘彈性材料具有一定的應(yīng)變相關(guān)性(Weijermars and Schmeling, 1986; Davis et al., 1983), 因此擠壓砂箱模型中不同走向縮短速率對楔形體變形至關(guān)重要, 如: 擠壓縮短速率控制著單向和雙向擠壓楔形體地表形態(tài)和楔體大小(Rossetti et al., 2000)。較快縮短速率使楔形體具有更窄、更厚的幾何特征, 更易于發(fā)生應(yīng)變集中化和前展式?jīng)_斷變形、較陡的前緣楔頂角, 楔形體體現(xiàn)出較高摩擦屬性; 低縮短速率使楔形體較寬、厚度較薄, 具有分散式變形與應(yīng)變特征, 以雙向匯聚的褶皺變形為主(Smit et al., 2003; Pichot and Nalpas, 2009)。受控于機制層厚度和縮短速率(Nalpas and Brun, 1993), 低擠壓速率下滑脫層有效變形使楔形體前展式和反向式?jīng)_斷多期次活動; 而高擠壓速率下滑脫層重要性相對較弱、楔形體常具前展式擴展變形序列(圖5f)(Smit et al., 2003; Couzens-Schultz et al., 2003; Yamato et al., 2011)。

2.4 砂箱淺表作用過程因素

淺表作用過程(如: 剝蝕與沉積)直接影響砂箱物質(zhì)模型地貌, 同時與楔形體內(nèi)部變形具有典型互饋過程(Koons, 1990; Beaumont et al., 1992; Willett, 1999; Hilley and Strecker, 2004)。淺表作用過程首先影響淺部物質(zhì)負載, 從而增加或減小砂箱基底摩擦應(yīng)力, 同時也導(dǎo)致楔形體體積強度增加或減小; 其次剝蝕和沉積作用都可能導(dǎo)致楔頂角減小、楔形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)(即亞穩(wěn)定狀態(tài)), 從而導(dǎo)致楔形體通過變形調(diào)整達到臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。不同于沉降過程的連續(xù)性, 自然界中剝蝕過程常常具有非連續(xù)性和階段性, 因此砂箱模型實驗中的淺表作用過程普遍被簡化, 如: 傾斜的或水平的剝蝕界面(Persson and Sokoutis, 2002; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005), 與海拔線性相關(guān)的剝蝕速率(Hoth et al., 2006)或非線性河流剝蝕規(guī)律(Cruz et al., 2010)等。

淺表剝蝕作用過程普遍導(dǎo)致楔形體擴展變形速率減小、寬度減小、斷層傾角變陡、活動時間增長(多期活動與無序沖斷)和應(yīng)變集中化(剝蝕區(qū)域)等(圖6a), 尤其是走向剝蝕速率的變化可能導(dǎo)致形成弧形褶皺沖斷帶(Marques and Cobbold, 2002); 淺表沉積作用具有與之相反的特性(Storti and McClay, 1995; Willett, 1999; Hoth et al., 2006; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005, 2011; Bigi et al., 2010; Cruz et al., 2010)。砂箱楔形體演化不僅對剝蝕和沉積等淺表作用具有敏銳的響應(yīng)性, 且對剝蝕和沉積等淺表作用所發(fā)生的區(qū)域也具有響應(yīng)性。當剝蝕發(fā)生在雙向楔形體前楔時能夠?qū)е聸_斷層數(shù)量減少、傾角增大, 斷層活動卻并不具有無序沖斷活動特征; 當剝蝕發(fā)生在反向楔(或同時發(fā)生在前楔與反向楔)時對沖斷層數(shù)量并沒有明顯影響, 但斷層活動卻具有無序沖斷活動特征(Hoth et al., 2006, 2007)。非均一性淺表剝蝕作用導(dǎo)致砂箱逆沖斷層多期活動使楔形體變形與應(yīng)變集中化, 最終導(dǎo)致楔形體發(fā)生反向位移(圖6b)(Persson et al., 2004; Cruz et al., 2008); 楔形體軸帶(地貌界限)受局部剝蝕作用也發(fā)生明顯的遷移, 前楔剝蝕導(dǎo)致軸帶后楔向遷移、后楔剝蝕導(dǎo)致軸帶前楔向遷移(圖 6c)(Willett, 1999; Cruz et al., 2008)。

(a) 淺表剝蝕和沉積作用對楔形體的影響(Storti and McClay, 1995; Cruz et al., 2010); (b) 淺表剝蝕作用對楔形體斷層特征影響 (Persson et al., 2004); (c) 局部剝蝕作用導(dǎo)致楔形體地貌遷移(Cruz et al., 2008), 楔形體地貌分隔帶(地貌界限)向局部剝蝕反向位移; (d) 不同砂箱基底摩擦屬性、剝蝕強度對砂箱剝蝕特征的影響(Malavieille, 2010), 低摩擦強度基底砂箱模型剝蝕作用發(fā)生在楔形體中部高陡沖斷帶; (e) 淺表剝蝕作用對多套滑脫層系砂箱模型楔形體構(gòu)造變形的影響(Konstantinovskaia and Malavieille, 2011); (f)同構(gòu)造沉積與剝蝕淺表作用對楔形體構(gòu)造變形特征的作用(McClay and Whitehouse, 2004); (g) 受控于同沉積作用的楔形體前緣構(gòu)造變形三端元模式(Duerto and McClay, 2009), 出露型褶皺沖斷帶樣式、距離隱伏沖斷結(jié)構(gòu)樣式和短距離隱伏沖斷結(jié)構(gòu)樣式。圖6　淺表作用過程對砂箱構(gòu)造楔形體的作用Fig.6 Influence of surface processes on the growth and deformation of an accretionary wedge

砂箱物質(zhì)剝蝕路徑主要依賴于其初始結(jié)構(gòu)位置和淺表作用強度, 較高的剝蝕作用顯著增加砂箱物質(zhì)剝蝕路徑傾角, 從而使楔形體深部物質(zhì)剝蝕出露;傾角較緩的活動擋板更有利于其前緣物質(zhì)具有更陡的剝蝕路徑(Cruz et al., 2008; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005, 2011)。受控于砂箱基底摩擦特性及其相關(guān)的斷層傳播變形過程, 低摩擦強度基底(即具基底滑脫屬性)砂箱模型剝蝕作用相對于高摩擦強度基底的砂箱模型較弱, 主要發(fā)生在楔形體中部產(chǎn)狀高陡的沖斷帶(即前緣疊瓦沖斷帶后緣和內(nèi)部加積變形帶前緣); 高摩擦強度基底的砂箱模型剝蝕作用主要發(fā)生于中等傾角的沖斷帶(即前緣疊瓦沖斷帶)(圖 6d), 尤其是剝蝕強度的增大會導(dǎo)致楔形體最大剝蝕帶向楔形體內(nèi)部遷移(Malavieille, 2010; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005, 2011)。砂箱模型具多層滑脫層層系時, 上述剝蝕作用和現(xiàn)象會得到不同程度放大, 導(dǎo)致砂箱物質(zhì)基底層俯沖沖斷變形形成典型的伴隨剝蝕速率變化而變化的多重構(gòu)造、飛來峰構(gòu)造等, 但卻不利于反向沖斷層發(fā)育(圖6e)。不同于較小剝蝕斜坡角條件下(4°～6°)楔形體形成的復(fù)背斜雙重構(gòu)造, 當剝蝕斜坡角為8°時(臨界斜坡角), 滑脫層上部楔形體形成斷坡背斜、下部形成具正滑特征雙重構(gòu)造和底板俯沖構(gòu)造。

與淺表剝蝕作用相似, 淺表沉積作用也會改變楔形體其前緣(即前陸盆地)物質(zhì)強度、重力及應(yīng)力狀態(tài), 導(dǎo)致楔形體楔頂角降低、沖斷層數(shù)量減少(圖6a)和逆沖斷層活動序列改變。單向擠壓楔形體因此普遍發(fā)生沖斷層的多期無序構(gòu)造活動以及后緣方向沖斷, 從而更加有利于砂箱楔形體趨于臨界穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)(Storti and McClay, 1995; Persson and Sokoutis, 2002)。雙向擠壓楔形體中當沉積作用發(fā)生于楔形體一側(cè)時(前楔或者反向楔)導(dǎo)致楔形體變形分異, 前楔發(fā)生沉積作用導(dǎo)致前展式?jīng)_斷層數(shù)量減少且構(gòu)造變形無序化和反向楔變形活動及其楔頂角強烈減小(McClay and Whitehouse, 2004; Bigi et al., 2010)。尤其是當同構(gòu)造沉積和剝蝕淺表作用共同發(fā)生時, 楔形體反向沖斷構(gòu)造變形加劇(圖6f)。

前陸盆地沉積物質(zhì)特性(均一性或變化的同構(gòu)造沉積)對沖斷楔形體構(gòu)造特征具有重要的控制作用, 普遍阻止楔形體前緣新逆沖斷層發(fā)育、增加楔形體下部基底俯沖沖斷活動等(Duerto and McClay, 2009; Bigi et al., 2010), 因此存在三種端元模型(圖6g): 缺失同構(gòu)造沉積的出露型褶皺沖斷帶樣式、中等同構(gòu)造沉積(速率)的長位移距離隱伏沖斷結(jié)構(gòu)樣式(即欠充填盆地)和高同構(gòu)造沉積(速率)的短距離隱伏沖斷結(jié)構(gòu)樣式。不同構(gòu)造端元主要受控于同構(gòu)造沉積厚度與構(gòu)造變形前地層厚度之比, 由擠壓楔形體前緣垂直和水平應(yīng)力平衡狀態(tài)決定著其臨界比率為1/3(Duerto and McClay, 2009)。此外, 沖斷楔形體前緣褶皺變形幾何學(xué)生長過程主要受控于其沉積速率和抬升速率的相互關(guān)系, 伴隨沉積速率的增大褶皺變形難度增大(Nalpas et al., 2003; Pichot and Nalpas, 2009), 尤其是斷層相關(guān)褶皺兩側(cè)具有非均一性沉積速率時導(dǎo)致非對稱性變形特征, 即變形向低沉積速率側(cè)聚集。

3 討論與結(jié)論

地殼淺部褶皺沖斷帶普遍受控于具耦合互饋特性的多種機制或邊界條件, 從而具有長期的構(gòu)造演化過程和復(fù)雜的構(gòu)造特征, 其不同控制因素, 如:結(jié)構(gòu)幾何特性、基底特性、物質(zhì)(非均一性)特性、動力學(xué)特性和淺表作用過程等, 由于復(fù)雜的耦合互饋性難以有效量化評估, 同時也限制著我們對于褶皺沖斷帶構(gòu)造體系的四維時空結(jié)構(gòu)演化的理解。砂箱物理模型方法學(xué)的興起與發(fā)展, 為我們解譯褶皺沖斷帶的演化過程及其動力學(xué)機制提供了獨立有效的手段。構(gòu)造砂箱物理模型已揭示褶皺沖斷帶體系構(gòu)造變形普遍具符合庫倫臨界楔理論的自相似性生長過程, 其多種機制或邊界條件對于褶皺沖斷帶構(gòu)造體系具重要控制作用, 這些典型機制包括: 基底特性(基底幾何學(xué)、有效摩擦角、基底耦合性和流體超壓)、變形物質(zhì)特性(空間幾何學(xué)、能干層、流變學(xué)和非均一性)、動力學(xué)機制(砂箱幾何邊界、匯聚速率和匯聚方向)、淺表作用(剝蝕和沉降)等。

構(gòu)造砂箱模型對于淺表褶皺沖斷帶構(gòu)造體系解譯具有獨特優(yōu)勢的同時, 它也具有與生俱來的缺點。砂箱物質(zhì)和地殼淺部地層物質(zhì)具有相似的流變學(xué)特征, 但其變形邊界條件僅代表自然變形系統(tǒng)中的簡化條件。因此, 砂箱模型的可重復(fù)性雖然總體規(guī)律可能一致, 但完全一致的可重復(fù)性實驗?zāi)M是難以控制的。但這并不意味著構(gòu)造砂箱物理模型的不可靠性和科學(xué)性, 我們?nèi)员仨毩私鈽?gòu)造模擬過程中人為因素的影響也可能導(dǎo)致實驗?zāi)M結(jié)果的重要變化。

基于本文有限長度很難系統(tǒng)全面地綜述褶皺沖斷帶構(gòu)造砂箱物理模型的研究結(jié)果和進展, 尤其是構(gòu)造砂箱物理模型的研究已長達兩個多世紀。伴隨砂箱物理模型在構(gòu)造變形過程及其動力學(xué)機制研究中的廣泛使用, 其挑戰(zhàn)性在于如何把創(chuàng)新性砂箱裝置、新型砂箱物質(zhì)、全時三維監(jiān)測和三維應(yīng)變量化手段等融入不同的砂箱模型中, 有效解譯地殼淺部褶皺沖斷帶變形的實際問題。盡管大量砂箱模型研究已經(jīng)揭示出對于構(gòu)造變形過程廣泛的不同因素具有明顯不同的控制和影響作用, 但是目前也仍有許多變形細節(jié)及其相關(guān)因素未做深入的模型研究, 如:溫度相關(guān)的屬性、重力均衡機制、流體壓力、應(yīng)力與應(yīng)變集中等; 此外, 典型互饋機制的淺表構(gòu)造、剝蝕和沉降等在砂箱構(gòu)造物理模型中的研究越來越受到重視、但也有待更深入研究, 如: 剝蝕與沉降的時間和方式模型、物質(zhì)運輸?shù)?。在砂箱模型設(shè)備裝置上, 雖然基于 X射線成像技術(shù)的全時三維監(jiān)測手段和基于光應(yīng)變監(jiān)測元件的三維應(yīng)變量化手段等, 對于揭示砂箱模型連續(xù)內(nèi)部變形過程具有獨特性, 但它不僅依賴于砂箱厚度和寬度, 還依賴于砂箱物質(zhì), 如: 石英砂相對于黏土物質(zhì)具有明顯較好的可視性。值得指出的是, 構(gòu)造砂箱物理模型 200年以來的持續(xù)進步和發(fā)展, 不僅不斷擴展了構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域, 同時也不斷增進了我們對于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。

致謝： 感謝審稿專家對文章提出寶貴的修改意見。

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A Review of Tectonic Sandbox Modeling of Fold-and-thrust Belt

DENG Bin1, 2, ZHAO Gaoping1, WAN Yuanbo1, HUANG Rui1, WANG Xinjian1and LIU Shugen1
(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation / Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China; 2. MLR Key Laboratory of Tectonic Controlled Mineralization and Oil Reservoir, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China)

Brittle deformation in fold-and-thrust belt of shallow crust is generally characterized by a long tectonic history and complex geological features which results from interdependent parameters. Since the 1810s, tectonic sandbox modeling has been a powerful and indispensable tool to help in providing a unified picture of the evolution of deformation in shallow crust with considerable spatial and temporal detail based on self-organization and unreasonable effectiveness of tectonics. Here we review current understandings from tectonic sandbox models of fold-and thrust belt, to help present and future modelers and researchers in understanding of basin-mountain evolution and their dynamics. The classic sandbox models suggest that extensional and shortening deformation in shallow crust follow the critical Coulomb wedge theory, with self-similar growth processes. Furthermore, past practices of sandbox modeling have explored the role of main parameters governing deformation, and these parameters are the properties of basement (geometry, friction, basal coupling, fluid overpressure), the properties of deforming material (geometry, rheology, mechanical layering, inhomogeneity), kinematics (boundary geometry, velocity, obliquity) and surface processes (erosion and sedimentation). It should be noted that the sandbox models have grown increasingly bold in understanding mechanical and structural evolution of fold-and-thrust belt in shallow crust, and inconsistence between models and natural systems are common in parameters such as spatial scale, time scale, material properties, and number of active processes.

sandbox modeling; critical taper; fold-and-thrust belt

P542

A

1001-1552(2016)03-0446-019

2015-01-16; 改回日期: 2015-05-18

鄧賓(1980–), 男, 副教授, 博士, 研究方向為含油氣盆地分析。Email: dengbin13@mail.cdut.edu.cn