鄧 賓，楊 剛，賴 冬，何 宇，周 政，羅 強，王興建，劉樹根

（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

走滑斷裂體系廣泛發(fā)育于地球表層系統(tǒng)，在大陸內部或轉換板塊邊界產生數千公里水平走滑位移，導致不同構造單元相互疊置和復雜的盆山系統(tǒng)，例如San Andreas走滑斷裂體系、阿爾泰走滑斷裂體系和哀牢山-紅河走滑斷裂體系等，其盆山系統(tǒng)結構-構造與地貌特征等與走滑斷裂體系的幾何學、運動學和分段性密切相關［1－2］，例如非連續(xù)性主斷層、斷層間距或斷距、斷層疊置等。平面上，走滑斷裂體系通常具雁列式、斜向走滑變形特征；垂向上，通常具有下陡上緩的花狀、棕櫚樹結構特征。淺表剝蝕與沉積作用過程通常會導致走滑斷裂體系發(fā)生幾何學和運動學的重要變化。呂德爾剪切模型實驗揭示主剪切應變帶或主走滑變形帶走向平行于基底斷層，伴隨剪切變形增大該主剪切應變帶變窄，發(fā)育系列雁列式R剪切、P剪切、R'共軛剪切和Y剪切等，形成典型的中央主變形帶［3－4］。針對走滑斷裂及其盆山系統(tǒng)形成演化，盡管前人基于野外地質、地球物理等手段展開了大量的研究，但目前仍然有許多細節(jié)不甚明晰，例如走滑斷裂體系相關源匯系統(tǒng)、隆升剝蝕肩部構造、走滑盆山系統(tǒng)消亡過程等。尤其是自然界中走滑斷裂體系空間上通常為弧形彎曲結構，例如哀牢山-紅河弧形斷裂、North Anatolian弧形斷裂系和Denali弧形斷裂系等，弧形幾何學特征區(qū)別于經典線性呂德爾走滑剪切體系［5］，而具有更加復雜多樣的結構-構造變形特征。

自從H.Cloos［6］初次進行廣為熟知的呂德爾剪切物理實驗（即Riedel experiment）以來，砂箱構造物理模型由于能夠在時間-空間上詳細觀察走滑構造變形的形成與生長四維過程，因此在走滑斷裂體系特征研究過程中受到越來越廣泛的應用［7－8］。砂箱物理模擬實驗廣泛揭示出走滑剪切構造變形樣式及其分段性主要控制和影響因素包括：基底斷層特性、砂箱動力學特性、（非）均質性砂箱物質特征、基底非均一性和砂箱物質厚度與基底斷層間隔之比等［5］。尤其是自然界走滑剪切變形過程并不僅僅局限于某一狹窄構造帶，而常常分布于數十至數百公里寬的構造帶從而形成分散剪切變形帶。因此，本文開展典型的弧形呂德爾剪切模型和弧形彌散性剪切模型砂箱物理實驗，在此基礎上對比四川盆地周緣走滑構造及其盆山體系結構-構造特征，從而探討弧形剪切走滑構造特征的大地構造意義。

1 模型邊界條件

砂箱模型模擬過程普遍遵循“實驗-實例”互證過程相似性原理，即實驗室模型與自然界模型的幾何學-運動學-動力學過程的相似性［9－10］。通常使用Cauchy運動學公式無量綱化比例縮小自然界模型至實驗室模擬模型［11－12］，且該無量綱比例參數不變，即

式中σ*、ρ*、g*、l*分別為應力／內聚力、密度、重力、長度的實驗室模型與自然界相應情況的比率。

需要指出的是，“實驗-實例”互證過程中通常使用幾何學相似比例系數，卻未校正其應力和時間相似系數，主要歸因于自然界淺表作用過程發(fā)生在數個量級變化的時間和空間尺度上，例如快速山體滑坡和地貌風化剝蝕、沉積物顆粒直徑對比等?；凇皩嶒?實例”互證的水動力無量綱參數對比實驗揭示［13］，自然界和實驗室模型中雖然雷諾數（Reynolds numbers）具有較大差異；但其弗汝德數（Froude numbers）具有較好的一致性，表明自然界和實驗室模型中重力仍然是主要的應力機制，它大幅度地超過了系統(tǒng)中慣性力和黏滯力，因此被認為是“實驗-實例”幾何學-運動學-動力學相似性的成因，即無理有效性（Unreasonable effectiveness）［14］。

一般情況下，實驗室模擬在正常重力下開展，因此，g*＝1。石英砂普遍滿足庫倫-摩爾破裂準則，被廣泛應用于砂箱物理模型實驗中。成都理工大學“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室使用直徑為0.2～0.3 mm石英砂物質和直徑為0.2～0.3 mm玻璃珠分別構建砂箱模型開展實驗，石英砂平均密度為1.35 g／cm3、球度指數為1.56、分選性中等，動態(tài)摩擦系數為0.582、摩擦角為30.2°、內聚力為92.3 Pa；玻璃珠平均密度為1.48 g／cm3、球度指數為1.36、分選性中等，動態(tài)摩擦系數為0.493、摩擦角為26.2°、內聚力為37.0 Pa?；诔练e巖平均密度為2.3 g／cm3，得到ρ*＝0.6；且實驗室模型中采用1 cm代表自然界模型1 km幾何學相似性，l*＝1×10－5，因此，σ*＝6×10－6。

用于本文實驗的弧形走滑剪切模型裝置如圖1，上部為600 mm×500 mm的矩形框，左右兩側分別為固定擋板，上下兩側分別為玻璃邊框，以便觀測走滑的過程；下部底板為700 mm×600 mm樹脂面板，但切割分為固定底板和活動底板，活動底板圓心固定，通過切向加載固定速率推擠形成弧形剪切走滑。呂德爾剪切標準模型中，活動底板是半徑為450 mm的半圓形樹脂面板；彌散性剪切模型中，活動底板是半徑為420 mm的半圓形樹脂面板，固定底板與活動底板間具有30 mm間距，兩者使用彈性布粘連，模擬彌散性基底剪切活動。為最佳模擬自然界構造變形速率，選用切線走滑速率為0.003 mm／s［15］，走滑量50 mm 大致代表自然界中50～100 km走滑量和10%～20%走滑率。此外，使用高分辨率數字相機和粒子成像測速設備（PIV，即particle imaging velocimetry［16］）對砂箱物質表面進行幾何學和運動學記錄和檢測，以便進行走滑變形特征對比。

圖1 弧形走滑剪切模型裝置Fig.1 Sketch showing device of strike slip experiment with concave basement fault

為有效對比弧形走滑剪切對淺表蓋層變形作用的影響，實驗模型均采用均值石英砂變形為主，砂箱物質底部為2～3 mm玻璃珠，代表基底與蓋層間廣泛存在的滑脫層；上部物質為50 mm石英砂，代表自然界約5 km沉積蓋層。為便于觀察對比，分別等厚度間距添加不同顏色石英彩砂為標志層?；⌒巫呋羟胁捎?組對比實驗模型，即基底為單一走滑斷層的經典呂德爾剪切模型和2條間距為30 mm基底走滑斷層的彌散性剪切模型；斷層幾何學統(tǒng)計基于斷層在弧形剪切帶（凹面）內側和（凸面）外側分類，并分別統(tǒng)計砂箱物質走滑變形斷層走向角（走滑斷層與基底斷層切線夾角）、斷層間距（走滑斷層與基底斷層間距離）和斷層傾角（切片統(tǒng)計斷層傾角）等定量參數。

2 實驗結果

2.1 弧形呂德爾剪切模型實驗結果

弧形呂德爾剪切模型實驗切線走滑剪切距離為50 mm，伴隨剪切走滑量增大，形成沿弧形基底斷層展布的多條雁列式走滑剪切斷層和多個走滑沖起構造（圖2）。走滑剪切活動早期（走滑量D＝20 mm）砂箱物質逐步發(fā)生明顯的走滑剪切相關斷裂，以與基底斷層呈高角度斜交的R型剪切斷裂和近平行的Y型剪切斷裂為主，走滑剪切以弧形基底斷層內側為主，弧形帶外側走滑斷層發(fā)生側向生長形成上沖斷層。伴隨走滑量增大（D＝40 mm），走滑剪切側向生長活動加劇，逐漸形成典型的沖起構造帶和多個相互間隔的走滑構造變形帶，沿基底斷層帶形成多條與其平行的Y型剪切斷裂，尤其是早期走滑斷層（伴隨后期走滑量增大）都側向生長形成明顯的上沖構造。隨后（D＝50 mm），早期R型走滑斷層走滑活動基本停止，（新生）Y型走滑剪切斷層活動明顯，且側向生長形成新的R型走滑斷層（并沿弧形基底斷層內側生長到外側），至走滑剪切終止砂箱物質斷層活動以低角度或近平行與基底斷層帶（Y型）走滑剪切活動為主。

斷層走向角測量統(tǒng)計表明：弧形帶內側走滑斷層走向與基底斷層夾角為4°～23°，主要集中分布在5°左右；弧形帶外側斷層走向角分布范圍為6°～23°，主要分布在10°?；⌒螏葌茸呋瑪鄬佣它c與基底斷層間距離為1～6 mm，主要集中分布在3.5 mm左右；弧形帶外側斷層端點與基底斷層間的距離為4～5 mm，主要分布在1.5 mm左右（圖3）。總體上斷層走向角弧形帶內外側大致相當，但斷層間距內側明顯大于外側，表明弧形帶內側至基底斷層擴展的斷裂活動較強。

2.2 弧形彌散性剪切模型實驗結果

圖2 弧形呂德爾剪切模型走滑剪切過程（紅線代表基底斷層）Fig.2 Sequential photographs showing the structural evolution with concave basement fault

圖3 弧形剪切模型淺表斷層走向與基底斷層夾角和間距特征圖Fig.3 Diagram showing angle and distance between surface faults and basement faults

圖4 弧形彌散性剪切模型走滑剪切過程Fig.4 Sequential photographs showing the distributed shear and structural evolution with two concave basement faults

弧形彌散性剪切模型實驗切線走滑剪切距離為50 mm，與呂德爾剪切模型相似，伴隨剪切走滑量增大，形成沿弧形基底斷層展布的多條雁列式走滑斷層和多個走滑沖起構造（圖4），但弧形帶內側形成統(tǒng)一的沖起構造。走滑活動早期（D＝20 mm），砂箱物質逐步形成明顯的走滑斷裂，以與基底斷層呈高角度斜交的R型剪切斷裂為主。伴隨走滑量增大（D＝30 mm），弧形帶外側走滑斷層發(fā)生側向生長形成上沖斷層。隨后走滑剪切側向生長活動加劇、形成上沖斷層（D＝40 mm），并逐漸形成3個相互間隔的走滑構造變形帶，產生的斷層以R型走滑斷裂為主，局部發(fā)育與基底斷層平行的Y型斷裂，且走滑斷層主要沿外側弧形基底斷層發(fā)育。隨后（D＝50 mm），早期R型走滑斷層走滑活動基本停止，且以側向生長形成新的上沖斷層為主，尤其是弧形斷層內側快速形成統(tǒng)一的上沖構造帶。

斷層走向角測量統(tǒng)計表明：弧形帶內側走滑斷層走向與基底斷層夾角為4°～30°，主要集中分布在15°左右；弧形帶外側斷層走向角分布范圍為11°～25°，主要分布在20°?；⌒螏葌茸呋瑪鄬佣它c與基底斷層間距離為1.1～5.7 mm，主要集中分布在2.5 mm左右和5.5 mm左右；弧形帶外側斷層端點與基底斷層間的距離為1.6～4.7 mm，主要在4.5 mm左右。總體上斷層走向角弧形帶內側和斷層間距明顯大于外側，表明弧形帶內側至基底斷層擴展的斷裂活動較強。

通過對砂箱物質切片（間隔20 mm），進一步對彌散性剪切走滑相關斷層傾角進行統(tǒng)計和結構觀察（圖5）。剖面結構上形成2條高角度上沖走滑斷層和1條上沖斷層，它們組成明顯的沖起結構；且順走滑剪切走向，沖起結構帶明顯呈結構寬度逐漸增大、然后減小的趨勢，其最大達到約15 cm寬（Section-7）。尤其是走滑斷層沿其走向逐漸轉變成走滑上沖斷層，且斷層傾角明顯減小、斷距明顯增大（Section-1和Section-5），其斷面結構呈現出明顯的螺旋狀結構［17－18］。走滑成因的花狀構造明顯，但由于部分走滑斷裂未明顯切割砂箱物質，表明其頂面結構不明顯，但在剖面結構上明顯（Section-5—Section-16）。需要指出的是，走滑剪切相關斷層垂向上進入砂箱物質深處主要位于彌散性剪切帶中間部位，而非基底斷層帶邊界處［17，19］。統(tǒng)計測量表明弧形帶內側斷層傾角主要為45°左右，而弧形帶外側斷裂傾角主要為65°、75°，普遍大于弧形帶內側的上沖斷層傾角。

圖5 弧形彌散性剪切模型走滑剪切剖面綜合特征圖Fig.5 Vertical profile showing the distributed shear and fault dips with two concave basement faults左側圖示剖面位置及斷層傾角

3 討論

3.1 弧形剪切走滑運動學特征

與直線型基底斷層的呂德爾剪切砂箱物理模型對比［4－5，17，19］，弧 形 剪 切 走 滑 模 型 體 現 出 與 其基本相似的構造特征：（1）發(fā)育雁列式R型走滑斷裂；（2）走滑成因花狀構造；（3）相鄰或疊置的走滑斷裂間形成走滑隆起帶等（圖6）。同時弧形剪切走滑模型體現出弧形帶內側和外側明顯不一致的幾何學與運動學特征，砂箱淺表斷層與基底斷層走向角和間距方面，弧形帶內側明顯大于外側，表明弧形帶內側至基底斷層擴展的斷裂活動較強，即弧形剪切帶內側走滑上沖構造特征顯著強于外側。上述特征不同于經典呂德爾剪切基底斷層兩側相似的幾何學與運動學特征［4，19］，與 G.Dufrechou等［18］所觀測到弧形帶內側斷層平均走向角較弧形帶外側平均走向角要大的特征相一致，主要歸因于弧形擠壓剪切作用。需要指出的是，雖然弧形呂德爾剪切模型揭示淺部所有雁列式破裂變形向下都歸并入深部基底走滑斷層，但彌散性剪切模型卻表明淺部雁列式破裂變形向下歸并于彌散性剪切帶中心部位，揭示出最大剪切帶位于剪切帶核部而非基底斷層帶邊界。

弧形剪切走滑砂箱物理模型體現出明顯的走滑剪切旋轉導致走滑構造屬性的轉變，即由走滑斷裂逐漸轉變?yōu)椋ㄗ呋┥蠜_斷裂，且斷層沿走向其傾角逐漸減小、斷距增大，空間上呈現為螺旋狀斷面特征（圖2和圖4）。尤其是在砂箱淺表物質PIV監(jiān)測數據上，弧形基底斷層帶外側沖起構造帶其走向上水平走滑速率逐漸減小、垂直運動速率逐漸增大的特征，揭示出走滑斷層構造屬性逐漸轉變的過程；同時弧形帶內側由于旋轉走滑擠壓作用，上沖構造變形作用更加明顯（圖6）。當砂箱模型構造變形過程中上沖分量約等于其走滑分量的1／2時，砂箱物質淺表變形會導致（早期線狀）走滑斷層發(fā)生明顯的斷層走向和構造屬性的變化，且伴隨上沖變形分量增大會導致構造屬性的完全轉變［4］。同時，W.P.Schellart等［20］指出砂箱模型具多條基底斷層時砂箱物質斷層發(fā)育受控于基底斷層間隔與上覆砂箱物質厚度之比。當其比率較低時（0.25～0.5）砂箱物質易形成較長的R型剪切破裂帶和疊置的破裂變形帶；當比率較大時砂箱物質形成2個相互獨立的走滑剪切變形帶。彌散性剪切模型中2條基底斷層的間距與上覆物質厚度之比約為0.6，走滑剪切變形過程中形成相互疊置的破裂變形帶和較長的弧形R型走滑斷層，它們共同形成統(tǒng)一相疊置的沖起構造帶。

3.2 青藏高原東南大涼山-小江弧形走滑構造帶特征

四川盆地西南緣大涼山構造帶受晚新生代青藏高原東向擴展變形影響，發(fā)育大型走滑構造體系——鮮水河-大涼山-小江斷裂走滑體系，其斷裂走向展布具有明顯的南東向-近南北向-北北東向弧形結構特征（圖7-A）?，F今大地測量揭示出地表GPS運動速率繞青藏高原東構造節(jié)發(fā)生明顯的順時針旋轉［21］，GPS速率與弧形走滑構造體系呈明顯變化的相交角度，揭示出鮮水河-大涼山-小江斷裂走滑體系南北不同的走滑和／或上沖擠壓、構造變形與抬升剝蝕特征［22－23］。北段鮮水河斷裂帶GPS速率與斷層走向呈低角度－近平行特征，因此構造變形以走滑構造變形為主；中段大涼山斷裂帶GPS速率與斷層走向呈中等－高角度夾角特征，因此其斷裂帶具上沖和走滑構造變形，發(fā)生多期疊加擠壓構造變形，是弧形走滑斷裂帶中擠壓縮短量最大段，縮短量和縮短率分別為20～30 km、10%～20%［23－24］。南段小江斷裂帶GPS速率與斷層走向呈中等－低角度夾角特征，構造變形以走滑剪切為主，具一定構造縮短變形，但縮短變形量較大涼山斷裂帶弱。鮮水河-大涼山-小江斷裂弧形走滑構造體系的弧形基底斷層形態(tài)可能受控于早期巖石圈深大斷裂結構特征，新生代上沖走滑構造變形過程形成典型的花狀結構特征［23，25］；同時受弧形帶結構特征控制影響導致其內側（NW側）形成相互疊置的（花狀）沖起帶（圖7-A），即大涼山結構帶和磨盤山結構帶，與典型的弧形呂德爾剪切砂箱物理模型結構特征相似（圖6）。且由于后期川滇地塊強烈走滑擠出構造變形和抬升剝蝕作用，導致地表出露斷裂普遍呈高角度特征。

3.3 大巴山城口弧形走滑上沖構造帶特征

圖7 四川盆地周緣走滑相關弧形結構帶綜合特征對比圖Fig.7 Contrast of two curved strike-slip orogenic belts around the Sichuan Basin（A）大涼山-小江弧形斷裂走滑構造體系；（B）大巴山城口弧形走滑上沖構造體系

大巴山弧形構造帶位于四川盆地東北緣，是華南和華北板塊匯聚過程中印支期－燕山期多期陸內走滑上沖造山作用的產物［26－27］。城口-房縣弧形斷裂把大巴山弧形構造帶分為南大巴山褶皺沖斷帶和北大巴山上沖推覆體兩大構造單元。城口-房縣走滑上沖斷裂帶區(qū)域走向總體呈北西向延伸，由北向南發(fā)生顯著偏轉，形成弧形結構帶，即由近南北向→北西向→近東西向走向旋轉（圖7-B）。城口-房縣弧形斷裂帶具強烈右旋走滑剪切變形特征，且走滑剪切變形強度和變質強度總體上由北西向南東減弱［28－29］；斷裂帶構造巖普遍發(fā)生弱－中等強度變質，北段以中－高綠片巖相為主，右旋上沖走滑剪切指向運動學標志體發(fā)育、變形強烈［28，30］，例如石泉-安康斷裂帶和茶鎮(zhèn)斷裂帶。尤其是北段高川沖起帶被認為是城口右旋走滑斷層、西河-熨斗右旋走滑斷層與南北向展布的走滑剪切構造系統(tǒng)［31］。高川沖起帶邊界斷裂右旋多期走滑構造特征明顯，且內部發(fā)育多條走滑斷裂構造，例如下高川右旋走滑斷層、五里壩右旋走滑斷層等，它們普遍發(fā)育右旋走滑為主的伴生構造（如擦痕、拉伸線理等），具近南北向低角度傾伏特征，而斷層在淺表則呈高角度展布，向深部延伸可能形成典型走滑花狀沖起構造，因此高川沖起帶區(qū)域斷層和褶皺總體構造格架為近南北向構造。受后期茶鎮(zhèn)斷裂和石泉-安康斷裂右旋剪切疊加改造，（花狀）沖起構造帶空間上形成南北分段的特征（圖7-B），高川沖起帶內部形成一系列南北向和北西-南東向疊加干涉構造，尤其是后期陸內造山強擠壓變形可能導致西河-熨斗斷裂帶早期東向沖斷極性轉變?yōu)槲飨虻臎_斷極性，這與野外露頭觀測熨斗斷裂帶同時發(fā)育東向和西向沖斷特征相一致。因此，城口弧形構造帶北段高川沖起帶與弧形彌散性剪切砂箱物理模型結構特征相似，但它受后期斷裂疊加改造作用較強。

4 結論

弧形走滑砂箱構造物理模型揭示出弧形走滑帶內側和外側明顯不一致的幾何學與運動學特征，即砂箱淺表斷層與基底斷層走向角和間距方面，弧形帶內側明顯大于外側，剪切帶內側走滑上沖構造特征顯著強于外側，形成相互疊置的花狀構造沖起帶。弧形剪切走滑旋轉導致砂箱淺表物質走滑斷層沿其走向構造屬性發(fā)生轉變，即由走滑斷裂逐漸轉變?yōu)椋ㄗ呋┥蠜_斷裂，斷層沿走向傾角逐漸減小、斷距增大，空間上呈現為螺旋狀斷面特征。砂箱淺表物質PIV監(jiān)測揭示弧形基底斷層帶外側沖起構造帶體在走向上水平走滑速率逐漸減小、垂直運動速率逐漸增大的特征，即走滑斷層構造屬性逐漸轉變的過程。

四川盆地周緣弧形（走滑）構造變形帶，即大涼山-小江弧形走滑構造帶和大巴山城口弧形走滑上沖構造帶，受控于弧形構造及其多期疊加變形過程，呈現出復雜的相互疊置或疊加改造花狀沖起構造變形特征，它們的形成過程及其構造特征與弧形（走滑）結構帶密切相關。

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