徐 楠，徐 曦，周 波，梅甫定，高順莉，王興建

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092； 4.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030；5.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

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下?lián)P子區(qū)新生代構(gòu)造變形物理模擬及其主控因素

徐 楠1，徐 曦2,3，周 波2，梅甫定1，高順莉3,4，王興建5

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092； 4.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030；5.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

下?lián)P子新生代構(gòu)造變形是中國東部新生代構(gòu)造研究的重要窗口。為研究其變形機(jī)制，基于構(gòu)造物理模擬，對(duì)4個(gè)主控因素進(jìn)行評(píng)價(jià)與研究。設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了在不同主控因素的作用下，下?lián)P子區(qū)新生代構(gòu)造的變形過程。應(yīng)力與模型邊界的角度和施加應(yīng)力的邊界位置是下?lián)P子新生代構(gòu)造變形的最優(yōu)主控因素。在東側(cè)全段擠壓和東側(cè)北段擠壓的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，郯廬斷裂帶與下?lián)P子及其周緣塊體的構(gòu)造變形均呈現(xiàn)顯著變化；在塊體厚度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，變形與變位狀態(tài)近似相同，但隆升特征存在顯著差別，東西兩側(cè)邊界擠壓效果具有顯著差異；與此同時(shí)，施加應(yīng)力與模型邊界角度越小，郯廬斷裂帶呈現(xiàn)右行走滑特征越明顯。在最優(yōu)主控因素模型中，下?lián)P子塊體新生代區(qū)域伸展構(gòu)造變形與郯廬斷裂帶右旋走滑共同構(gòu)成了一個(gè)“右旋側(cè)向擴(kuò)展變形”構(gòu)造系統(tǒng)。

構(gòu)造物理模擬；主控因素；伸展構(gòu)造變形；下?lián)P子區(qū)

下?lián)P子區(qū)是中國東部重要的含油氣區(qū)之一，其伸展變形與盆地構(gòu)造一直是新生代構(gòu)造的核心問題，更是認(rèn)識(shí)中國東部新生代構(gòu)造與板緣動(dòng)力學(xué)機(jī)制的重要窗口。在區(qū)域構(gòu)造上，中國東部陸內(nèi)新生代伸展變形構(gòu)造均位于大興安嶺—太行山—武陵山重力梯度帶以東，重力梯度帶可能是印度—?dú)W亞板塊碰撞與太平洋板塊俯沖構(gòu)造作用的交接地帶[1-3]。重力梯度帶東側(cè)的郯廬斷裂帶右旋走滑構(gòu)造與下?lián)P子及其周緣塊體的相互運(yùn)動(dòng)是太平洋板塊向歐亞大陸俯沖的陸內(nèi)調(diào)節(jié)與地質(zhì)響應(yīng)(圖1)[4-7]。

深大斷裂是區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)參數(shù)[8]，中國東部的深大斷裂帶都經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史演化，控制了新生代構(gòu)造塊體之間的邊界與運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，其現(xiàn)今構(gòu)造格架是新生代構(gòu)造變形的結(jié)果。中朝塊體、下?lián)P子塊體與華南塊體拼合為統(tǒng)一構(gòu)造塊體，但塊體構(gòu)造單元表現(xiàn)出獨(dú)具特色的“塊體效應(yīng)”[4-5]，進(jìn)而塊體呈現(xiàn)不同的變形格局，如下?lián)P子塊體區(qū)域側(cè)向伸展構(gòu)造變形[4-5]、中揚(yáng)子塊體右旋伸展構(gòu)造變形[9]、中朝塊體走滑拉分構(gòu)造變形以及郯廬等深大斷裂帶右旋走滑變形[10]等。下?lián)P子及其周緣塊體的構(gòu)造變形與盆地構(gòu)造，受控于太平洋板塊板緣邊界傳遞至陸內(nèi)的側(cè)向構(gòu)造作用力[4-5,8]。

本次構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c研究對(duì)象應(yīng)具有相似性，選擇與確定構(gòu)造變形主控因素，通過控制變量法進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并分解研究，逐步近似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果和遵循實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)要求等五項(xiàng)原則[11-12]，基于地殼—巖石圈尺度以及下?lián)P子及其周緣的深大斷裂帶，建立構(gòu)造地質(zhì)模型，確定下?lián)P子區(qū)域構(gòu)造變形的4個(gè)主控因素，并根據(jù)主控因素的差異設(shè)計(jì)7組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，來確定下?lián)P子新生代構(gòu)造變形的最優(yōu)主控因素模型，以探究下?lián)P子及其周緣塊體新生代區(qū)域構(gòu)造變形與機(jī)制，恢復(fù)伸展構(gòu)造變形的可能過程。

1 地質(zhì)模型

在構(gòu)造上，下?lián)P子及其周緣塊體被一系列深大斷裂帶分割與圍限，繼承了晚侏羅—早白堊世時(shí)期的構(gòu)造格局，奠定了中國東部伸展變形構(gòu)造體系與構(gòu)造地貌單元的總體格架。在中國東部的構(gòu)造塊體體系中，下?lián)P子塊體位于周緣塊體之間，其北側(cè)為中朝塊體，南側(cè)為華南塊體，西側(cè)為中揚(yáng)子塊體，東側(cè)為中朝塊體朝鮮半島部分。因此，在幾何構(gòu)造上，下?lián)P子表現(xiàn)為一個(gè)西南窄，東北寬的楔形塊體(圖1)[4-7]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與模擬過程

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

本次實(shí)驗(yàn)采用油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)造變形物理模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖2a)。根據(jù)前述成果[4-5]，確定下?lián)P子區(qū)新生代的區(qū)域深大斷裂與塊體邊界(圖2b)。裝置兩側(cè)均為可活動(dòng)、可固定擋板，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況設(shè)定某側(cè)擋板固定，活動(dòng)擋板以0.5 mm/s的速率向固定擋板勻速推擠(圖2c，d，e)。在模型正上方與正前方分別放置一臺(tái)相機(jī)，每隔1 s拍照，完整記錄160 s內(nèi)模型正面與側(cè)面的構(gòu)造變形過程(圖2d)。

圖1 中國東部區(qū)域構(gòu)造與下?lián)P子構(gòu)造格局

為研究新生代以來歐亞大陸的深大斷裂帶與陸內(nèi)塊體的構(gòu)造關(guān)系，以及塊體尺度的構(gòu)造變形和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，Tapponnier等[8]以理想塑性橡皮泥的推擠變形模擬解釋了歐亞大陸新生代構(gòu)造變形的過程與特征，因此本文實(shí)驗(yàn)選取硬質(zhì)塑性橡皮泥作為構(gòu)造物理模型的實(shí)驗(yàn)材料?？紤]到巖石圈流變結(jié)構(gòu)的某些不確定性，硬質(zhì)橡皮泥不能完全呈現(xiàn)巖石圈的流變學(xué)特征，但仍然能通過此種實(shí)驗(yàn)材料的變形狀態(tài)與趨勢(shì)來認(rèn)識(shí)和類比研究區(qū)域的構(gòu)造變形特征。本次物理模型構(gòu)建選擇110°E～128°E、26°N～29°N的準(zhǔn)正方形區(qū)域(圖2b)，模型邊界形態(tài)與范圍按比例縮小，以長(zhǎng)寬高規(guī)格分別為235 mm×235 mm×30 mm和235 mm×235 mm×40 mm兩種模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)區(qū)域深大斷裂[13-16]的幾何邊界分割塊體，將準(zhǔn)長(zhǎng)方體切割為相應(yīng)的塊體單元，以寬度適宜的條狀硫酸紙置于相應(yīng)硬質(zhì)橡皮泥塊體單元之間，減小橡皮泥塊體之間的摩擦力，以近似模擬塊體在相互運(yùn)動(dòng)情況下的斷裂活動(dòng)(圖2d，f)。

2.2 主控因素評(píng)價(jià)

根據(jù)下?lián)P子及其周緣區(qū)域構(gòu)造變形的地質(zhì)與地球物理證據(jù)，下?lián)P子塊體構(gòu)造變形的主控因素可劃分為下?lián)P子側(cè)邊界施加應(yīng)力的邊界位置、施加應(yīng)力與模型東側(cè)邊界的角度、邊界條件的位移速度與下?lián)P子西南側(cè)邊界斷裂的存在與否(圖3)。

圖2 下?lián)P子塊體構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的地質(zhì)模型與模擬過程

考慮到有關(guān)主控因素在下?lián)P子及其周緣新生代構(gòu)造變形中控制作用的某些不確定性[17-19]，在物理模擬過程中，首先對(duì)4個(gè)主控因素進(jìn)行組合評(píng)價(jià)，分析應(yīng)力邊界位置、應(yīng)力角度、位移速度與斷裂等因素對(duì)研究區(qū)構(gòu)造變形與深大斷裂帶活動(dòng)的影響程度(圖4)。

在施加應(yīng)力與模型邊界角度的主控因素上，可以近似理解為施加應(yīng)力與郯廬斷裂帶的角度問題，當(dāng)水平施加應(yīng)力與郯廬斷裂帶近似垂直時(shí)，雖然郯廬斷裂帶表現(xiàn)為微弱的右行走滑，整個(gè)模型區(qū)域卻呈現(xiàn)近東西向的擠壓，下?lián)P子塊體未表現(xiàn)出明顯的逆時(shí)針側(cè)向伸展變形特征。當(dāng)水平施加應(yīng)力與郯廬斷裂帶呈角度相交時(shí)，郯廬斷裂帶呈顯著的右行走滑，下?lián)P子塊體表現(xiàn)為逆時(shí)針位移趨勢(shì)，總體上為側(cè)向伸展變形，中朝塊體亦表現(xiàn)出逆時(shí)針位移特征；在渤海灣地區(qū)，由于西側(cè)的位移受限，在此區(qū)域表現(xiàn)出拉分伸展的變形構(gòu)造。

在施加應(yīng)力邊界位置的主控因素上，根據(jù)塊體的區(qū)域構(gòu)造特征，模擬可分為東側(cè)邊界全段施力與東側(cè)邊界北段施力2種情況，2組模擬均在相同的應(yīng)力和邊界角度條件下進(jìn)行。在東邊界北段施力擠壓下，郯廬斷裂帶右行走滑變形量、下?lián)P子塊體側(cè)向伸展構(gòu)造變形以及下?lián)P子地區(qū)及其周緣塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)等模擬結(jié)果，均比在東邊界全段施力擠壓的實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果顯著。

在模型邊界施加應(yīng)力位移速率的主控因素上，當(dāng)2個(gè)對(duì)比模型施加應(yīng)力的邊界位置均為東邊界北段時(shí)，無論是郯廬斷裂帶還是下?lián)P子塊體及其周緣的構(gòu)造變形特征基本一致，并未表現(xiàn)出顯著差異。

在模型局部邊界斷裂的主控因素上，主要考慮的是團(tuán)麻斷裂的存在與否對(duì)下?lián)P子塊體乃至其他周緣塊體的構(gòu)造變形的影響程度。在模型的對(duì)比中，2個(gè)模型的變形特征基本相同，并未表現(xiàn)出明顯的變形差異。

2.3 模擬結(jié)果與分析

在施加應(yīng)力與模型邊界角度、施加應(yīng)力邊界位置這2組最優(yōu)主控因素作用下，考慮模型厚度這一變量，本次模擬設(shè)計(jì)了7組構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上分析與討論郯廬斷裂帶的變形模式與下?lián)P子塊體的構(gòu)造變形特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)裝置某側(cè)擋板推擠0，10，30 mm時(shí)，深大斷裂的活動(dòng)性質(zhì)和區(qū)域變形與變位情況(圖5)。

(1)A組和B組實(shí)驗(yàn)都是在規(guī)格235 mm×235 mm×40 mm、相交角度為60°的模型上進(jìn)行。A組采取東邊界全段擠壓，郯廬斷裂帶呈現(xiàn)了更為顯著的右行走滑特征；B組采取東邊界北段擠壓，下?lián)P子及其周緣塊體的伸展構(gòu)造變形表現(xiàn)更為顯著，在剖面上，兩者在局部區(qū)域均可見顯著隆升特征。

圖4 下?lián)P子塊體構(gòu)造物理模擬主控因素評(píng)價(jià)

(2)C組是B組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在規(guī)格235 mm×235 mm×30 mm、相交角度為60°的模型上進(jìn)行，模擬結(jié)果呈現(xiàn)了近似相同的變形與變位狀態(tài)。顯著的差別是，C組模型在變形的早期階段表現(xiàn)出顯著的局部隆升特征，在變形的末期階段表現(xiàn)出更廣泛的隆升區(qū)域。

(3)D組是A組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用于探討印度—?dú)W亞板塊碰撞擠壓作用是否為下?lián)P子區(qū)構(gòu)造變形的主要控制因素。D組與A組實(shí)驗(yàn)采用同一規(guī)格的物理模型，將裝置調(diào)整為右側(cè)擋板固定，左側(cè)擋板活動(dòng)。模型表現(xiàn)出輕微的右行走滑特征，下?lián)P子區(qū)并未顯現(xiàn)出顯著的逆時(shí)針位移趨勢(shì)，在變形的末期階段，下?lián)P子區(qū)東西向縮短變形強(qiáng)烈，廣泛隆升，強(qiáng)度為西強(qiáng)東弱。此組實(shí)驗(yàn)與東側(cè)邊界擠壓條件下的模擬結(jié)果明顯不同。由此可說明，印度—?dú)W亞板塊碰撞擠壓作用的遠(yuǎn)程效應(yīng)可能并不是下?lián)P子地區(qū)乃至中國東部的伸展構(gòu)造變形的主控驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖5 下?lián)P子塊體構(gòu)造物理模擬A-G組的實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

(4)C組和E組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)模型厚度均為30 mm，東側(cè)邊界北段擠壓時(shí)，相交角度近似為60°的模型與相交角度為30°的模型對(duì)比結(jié)果顯示，在區(qū)域平面上，雖然下?lián)P子塊體都呈現(xiàn)了近似相同的逆時(shí)針位移趨勢(shì)與側(cè)向伸展變形構(gòu)造，但在前者模型中，郯廬斷裂帶都呈現(xiàn)了更為明顯的右行走滑特征。

(5)F組與G組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，為了弱化模型縱向厚度變化所造成的伸展變形構(gòu)造差異，完整與全面地呈現(xiàn)下?lián)P子塊體伸展變形構(gòu)造和深大斷裂右行走滑特征，設(shè)計(jì)了2組厚度為40 mm的模型。這2組模型的江紹斷裂帶(及其海域延伸)南側(cè)部分未包含于此組實(shí)驗(yàn)內(nèi)，將相交角度近似為30°的模型與相交角度為60°的模型進(jìn)行比對(duì)，郯廬斷裂帶的走滑性質(zhì)與走滑量和下?lián)P子塊體前2組結(jié)果完全一致，不同的是在模型變形階段的末期，模型東南側(cè)表現(xiàn)出隆升特征。

3 討論與結(jié)論

通過一系列主控因素評(píng)價(jià)與模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)于下?lián)P子塊體構(gòu)造變形、郯廬斷裂帶走滑特征及其構(gòu)造關(guān)系，筆者有了較完整的認(rèn)識(shí)。在東側(cè)邊界西向擠壓時(shí)，下?lián)P子塊體模型總體上呈向南蠕移擴(kuò)展的變形方式，表現(xiàn)為近南北向區(qū)域伸展構(gòu)造變形特征，且構(gòu)造伸展變形呈現(xiàn)分區(qū)性，伸展應(yīng)力方向自西向東表現(xiàn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即靠近郯廬斷裂帶的模型區(qū)域呈現(xiàn)北西—南東向伸展，而靠近蘇魯造山帶的模型區(qū)域呈現(xiàn)近南北向伸展。與此同時(shí)，分割下?lián)P子塊體與中朝塊體的郯廬斷裂帶呈現(xiàn)右行走滑構(gòu)造變形特征。

在模型厚度為30 mm，相交角度為60°，東側(cè)北段施力推擠的最優(yōu)主控因素模型中，推擠量與郯廬斷裂走滑位移量呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性。推擠至0，5，10，15，20，25 mm時(shí)，相應(yīng)的郯廬斷裂帶走滑位移量呈現(xiàn)0，1/5，2/5，3/5，4/5，5/5個(gè)標(biāo)示圓直徑，直接說明太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖推擠主導(dǎo)與控制著郯廬斷裂帶新生代的右行走滑變形和活動(dòng)(圖6)。在構(gòu)造變形上，下?lián)P子塊體整體表現(xiàn)為逆時(shí)針位移趨勢(shì)，測(cè)線XX’上應(yīng)力圓呈現(xiàn)了有序的變形過程，模型應(yīng)力圓軸線連線由南北向直線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽鳌蠔|向弧線。應(yīng)力圓軸線連線指示的應(yīng)力方向亦由南北向直線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽鳌蠔|向。在中朝塊體的渤海灣地區(qū)，郯廬斷裂帶與太行山山前斷裂構(gòu)成一組共軛斷裂，從而使渤海灣及其周緣地區(qū)呈現(xiàn)右旋走滑拉分變形構(gòu)造(圖6)。在下?lián)P子塊體及其周緣的宏觀構(gòu)造格架下，下?lián)P子區(qū)域伸展構(gòu)造變形與郯廬斷裂帶右行走滑構(gòu)造變形共同構(gòu)成了一個(gè)構(gòu)造變形系統(tǒng)，即右旋側(cè)向擴(kuò)展變形構(gòu)造，這與下?lián)P子塊體構(gòu)造變形的二維有限元模擬結(jié)果相一致[4]，從而驗(yàn)證了本文構(gòu)造物理模擬結(jié)果的合理性。

圖6 下?lián)P子塊體構(gòu)造物理模擬最優(yōu)主控因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變形過程與構(gòu)造解釋Lp.活動(dòng)擋板推擠量；Ls.郯廬斷裂帶走滑位移量；D.標(biāo)示圓直徑

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，郯廬斷裂帶是下?lián)P子與中朝塊體之間的重要構(gòu)造邊界，更是下?lián)P子塊體伸展構(gòu)造變形的重要邊界約束，通過大范圍的走滑構(gòu)造變形調(diào)節(jié)下?lián)P子及其周緣塊體的運(yùn)動(dòng)方式和構(gòu)造變形，控制下?lián)P子塊體近南北向區(qū)域伸展的構(gòu)造變形。古太平洋板緣相互作用傳遞至陸內(nèi)的側(cè)向作用力驅(qū)動(dòng)中國東部塊體之間的相互運(yùn)動(dòng)，這可能是下?lián)P子區(qū)域伸展構(gòu)造變形與郯廬斷裂右旋走滑變形的決定因素。這一構(gòu)造物理模型為中國東部新生代構(gòu)造形成演化、區(qū)域構(gòu)造格架與板緣動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了可能的構(gòu)造證據(jù)，具有重要的區(qū)域動(dòng)力學(xué)意義。

致謝：油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供了實(shí)驗(yàn)條件，研究生黃俊菠與王博為實(shí)驗(yàn)提供了有效的技術(shù)支持與幫助，在此一并致謝！

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(編輯 韓 彧)

Physical simulation of Cenozoic tectonic deformation in the Lower Yangtze region and its main controlling factors

Xu Nan1, Xu Xi2,3, Zhou Bo2, Mei Fuding1, Gao Shunli2,4, Wang Xingjian5

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China; 2.ChinaAeroGeophysicalsurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China; 3.SchoolofOceanandEarthScience,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 4.ShanghaiBranchofCNOOCChinaLtd,Shanghai200030,China; 5.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploration,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

The Cenozoic extensional tectonic deformation is an important window for the study of Cenozoic tectonic dynamics in East China. We evaluated four main controlling factors and designed seven sets of physical simulations to study the deformation mechanism of the Cenozoic structure in the Lower Yangtze region. The deformation process of the Lower Yangtze region during Cenozoic was simulated with different controlling factors. Stress angle and boundary position are the main factors controlling tectonic deformation. In the paralleled-experiments, the tectonic deformation of the Tan-Lu fault and the Lower Yangtze region and its surrounding blocks showed significant variations in boundary compression. In the paralleled-experiments of block thickness, deformation and displacement were similar, but there are significant differences in uplift characteristics and extrusion effects between east and west boundaries. With smaller angle between stress and model boundary, the Tan-Lu fault presented obvious dextral movement. In the simulation with optimal controlling factors, the extensional tectonics of the Lower Yangtze block and the dextral movement of the Tan-Lu fault formed a tectonic system with dextral strike-slip and lateral extension.

tectonic physical simulation; main controlling factors; extensional tectonic deformation; Lower Yangtze region

1001-6112(2017)03-0409-08

10.11781/sysydz201703409

2016-12-12；

2017-03-17。

徐楠(1993—)，女，碩士研究生，從事地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力模擬與評(píng)價(jià)研究。E-mail：xunan_wh@163.com。

徐曦(1986—)，男，博士，工程師，從事含油氣盆地構(gòu)造與油氣評(píng)價(jià)研究。E-mail：winbreak@163.com。

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05023-003)資助。

TE121.1

A