楊庚兄，尹宏偉*，汪 偉，賈 東，朱繼田，熊小峰

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；2. 中海石油（中國(guó)）有限公司 湛江分公司，湛江 524057

南海位于歐亞板塊、印度—澳大利亞板塊和太平洋板塊的交匯處，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，歷來是世界地質(zhì)學(xué)界研究的熱點(diǎn)。瓊東南盆地位于南海北部邊緣的西北側(cè)，作為世界上深水油氣資源豐富的裂陷型盆地之一，瓊東南盆地深水區(qū)早在2010 年就已在巨型深切裂谷帶發(fā)現(xiàn)了天然氣，至今仍是中國(guó)深海油氣資源開發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)。所以對(duì)該盆地的研究無論是對(duì)邊緣盆地的研究還是中國(guó)海域陸緣的油氣資源潛力評(píng)價(jià)均有極為重要的意義。

瓊東南盆地東部和西部地區(qū)在凹陷分布方向和內(nèi)部斷層走向以及構(gòu)造樣式上表現(xiàn)出明顯的差異性（Liu et al., 2015；Sun et al., 2015；Zhang et al.,2013；Zhao et al., 2013）。但是斷層?xùn)|西部差異發(fā)育的影響因素仍存在爭(zhēng)議。前期研究認(rèn)為東部次盆地主要受南海擴(kuò)張?bào)w系和巖漿侵入的影響，而西部次盆地與印支擠壓體系的關(guān)系更為密切（Hu et al.,2013；雷超等, 2011；Liu et al., 2015），并未考慮先存構(gòu)造的影響。然而，大量的研究證據(jù)表明，瓊東南盆地基底發(fā)育先存構(gòu)造，形成非均質(zhì)性基底。于鵬等人（于鵬等, 1999）利用重磁資料對(duì)瓊東南盆地基底構(gòu)造進(jìn)行了研究，確定了盆地重磁基底深度，查明了14條基底斷裂。魯寶亮等人（2011）根據(jù)地震剖面，認(rèn)為盆地的一些NE向邊緣和內(nèi)部斷裂形成于中生代，新生代繼承性活動(dòng)，但斷裂性質(zhì)發(fā)生了明顯變化。Hu等人（2013）研究認(rèn)為在裂谷作用發(fā)生之前，瓊東南盆地基底至少存在兩套構(gòu)造組構(gòu)。孫曉猛等人（2014）通過地震剖面和重磁解釋認(rèn)為瓊東南盆地中生代基底廣泛分布北東向和北西向斷裂。裂谷盆地的位置和幾何形狀與非均質(zhì)性基底密切相關(guān)（Fazlikhani et al., 2017）。前人研究結(jié)果顯示不管在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校―eng et al., 2017；Mcclay and White, 1995；Tong et al., 2009；周建勛和漆家福， 1999）還是在自然界中（Henstra et al.,2019；Morley et al., 2004；Tong and Yin, 2011），先存斷裂對(duì)上覆構(gòu)造的形成演化具有重要的控制作用（Autin et al., 2013；Bladon et al., 2015；Bellahsen et al., 2006 ；Corti et al., 2007 ；Henza et al., 2010）。因此，在探討瓊東南盆地的東西部差異演化機(jī)制時(shí)，先存構(gòu)造的控制作用不可忽視。盡管近幾年先存構(gòu)造引起了一些學(xué)者的重視，認(rèn)為先存構(gòu)造控制了瓊東南盆地東西部構(gòu)造的差異演化（Sun et al., 2015；謝玉洪等, 2015）。隨著深水區(qū)研究和勘探的推進(jìn)，還存在一些亟待解決的問題：（1）先存構(gòu)造如何影響瓊東南盆地差異性發(fā)育，或者深部構(gòu)造如何控制淺層構(gòu)造的發(fā)育？（2）瓊東南盆地深水區(qū)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造樣式發(fā)育的過程？（3）熱模擬結(jié)果顯示的“東熱西冷”的基底特征（Wang et al., 2014；施小斌等,2017）與瓊東南盆地東西部構(gòu)造差異特征的關(guān)系？

沙箱模擬實(shí)驗(yàn)是研究拉張狀態(tài)下伸展構(gòu)造的有效方法（Horsfield, 1980；Withjack and Jamison,1986；周建勛和漆家福, 1999；Morley, 2002；童亨茂, 2009， 2010；Wu et al., 2009；Mcclay et al., 2015；任健等, 2017；Roma et al., 2018）。在本文中，針對(duì)上述問題，結(jié)合研究區(qū)地球物理資料，利用構(gòu)造物理模擬方法探討了先存的構(gòu)造薄弱帶的幾何形態(tài)和基底性質(zhì)差異對(duì)該盆地?cái)鄬酉到y(tǒng)演化和分布特征的影響。以期為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和解釋盆地內(nèi)斷層分布的差異，建立瓊東南盆地演化過程提供新的思路和信息。另外，由于瓊東南盆地位于南海北部陸架，對(duì)該盆地的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和變形特征的分析研究，對(duì)重塑歷史時(shí)期南海陸緣張裂變形過程具有一定的參考價(jià)值。

1 瓊東南盆地基本構(gòu)造格局及東西部構(gòu)造差異特征

1.1 基本構(gòu)造框架

瓊東南盆地是南海北部被動(dòng)陸緣最大的新生代裂陷盆地之一（Ge et al., 2017；李緒宣和朱光輝,2005；龍根元等, 2010；謝文彥等, 2007）。從北向南可劃分為三個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元：北部隆起區(qū)、中部坳陷區(qū)和南部隆起區(qū)（李緒深等, 2017）。次級(jí)構(gòu)造在東部和西部的平面展布方向以及盆地內(nèi)部斷裂走向表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造差異。位于盆地西部的崖南—陵水低隆起和樂東—陵水凹陷呈NEE向展布，位于盆地東部的松南凹陷、寶島凹陷、長(zhǎng)昌凹陷呈WE向展布。松南低凸起位于東西部過渡帶上，西部呈NEE向展布，東部近WE展布。斷層走向在盆地西部比較單一，基本上與盆地邊界平行，呈NEE向，盆地西部邊界附近的斷裂受紅河斷裂左旋走滑的影響（謝文彥等，2007；袁玉松等2008；Liu et al., 2015；Sun et al., 2015），斷層走向向西由NEE轉(zhuǎn)向WE再轉(zhuǎn)向近NS向。而在盆地東部發(fā)育兩組方向的斷裂，一組以雁列式發(fā)育在盆地邊界，為NEE向，另一組發(fā)育在構(gòu)造帶內(nèi)部，呈WE向，控制了長(zhǎng)昌凹陷的發(fā)育（圖1a）。該區(qū)的研究最早開始于1990年（茹克, 1990），近30年的探索和研究闡述了瓊東南盆地形成的動(dòng)力學(xué)背景，基本建立了瓊東南盆地深水區(qū)的構(gòu)造格架和構(gòu)造單元（謝文彥等, 2007；謝玉洪等, 2015；趙民等, 2010），也對(duì)深水區(qū)的結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境演變和物源等（魏魁生等, 2001；楊軍等, 2015；袁玉松等, 2008；鐘志洪等, 2004）都有了階段性認(rèn)識(shí)；特別是，提出了“平面上南北分帶，東西向分段，剖面上分層”的差異演化格局（劉兵等, 2012）。

前人（李友川等, 2012；張功成等, 2012）研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)近海新生代沉積盆地一般經(jīng)歷斷陷期和晚期熱沉降期兩個(gè)階段。在此兩大演化階段的基礎(chǔ)上，中國(guó)近海沉積盆地最終形成一系列具有斷陷-坳陷雙層結(jié)構(gòu)不同類型的沉積盆地。瓊東南盆地也不例外，其演化也經(jīng)歷了早期斷陷、晚期坳陷兩個(gè)構(gòu)造發(fā)育階段（龍根元等, 2010；鐘志洪等,2004），具有下斷上坳的構(gòu)造層序。前人通過鉆井獲得了該區(qū)一系列重要的不整合面，如Tg、T80、T70、T60、T50、T40、T30 和 T20 等，其中，T60不整合面是由斷向坳轉(zhuǎn)變的標(biāo)志性不整合面（Sun et al., 2015）。斷陷階段始于始新世（45 Ma 左右），止于21 Ma （T60）左右（Xie et al., 2006；謝玉洪等，2015），期間沉積了始新統(tǒng)和漸新統(tǒng)崖城組、陵水組。進(jìn)入裂后沉降階段（T60-T40）以后，主要斷裂活動(dòng)明顯減弱，稱為“坳陷期”, 邊界斷層對(duì)基底沉降已沒有明顯的控制作用（謝玉洪等，2015）。發(fā)育有三亞組、梅山組、黃流組、鶯歌海組、樂東組（Liu et al., 2019）（圖1b）。前人將瓊東南盆地的發(fā)育過程細(xì)分為四個(gè)階段：斷陷階段（Tg-T80），坳陷階段（T80-T60），區(qū)域熱沉降階段（T60-T40），加速沉降階段（T40后）（Zhao et al., 2013；雷超等，2015；Sun et al., 2015；張迎朝等，2017）。

圖1 瓊東南盆地的構(gòu)造框架和斷裂系統(tǒng)Fig. 1 Tectonic map of the Qiongdongnan Basin

1.2 東西部構(gòu)造差異

瓊東南盆地的東西部差異演化主要表現(xiàn)在熱流分布（Wang et al., 2014；施小斌等，2015；Shi et al., 2017）、沉積和沉降差異（Zhang et al., 2013；Zhao et al., 2013）、構(gòu)造樣式和斷裂分布差異（Hu et al., 2013；Liu et al., 2015；Sun et al., 2015）等方面。本文主要從構(gòu)造樣式和斷裂走向的差異性分布入手，通過對(duì)瓊東南盆地 4 個(gè)不整合面（T100,T80, T70, T60，圖2）上的斷裂走向的玫瑰圖統(tǒng)計(jì)分析（圖3）以及對(duì)兩條分別位于東、西部典型剖面的解析（圖4）進(jìn)一步揭示東西部構(gòu)造差異特征，從而設(shè)計(jì)合理的構(gòu)造模擬模型探討其成因機(jī)制。

圖2 瓊東南盆地不同不整合面的斷層分布圖（張炎等，2019）Fig. 2 The fault architectures on different unconformities in the Qiongdongnan Basin

圖3 瓊東南盆地不整合面（T100、T80、T70、T60）的斷層分布玫瑰圖Fig. 3 The fault distribution rose map of the central depression in Qiongdongnan Basin

圖4 瓊東南盆地東西部剖面結(jié)構(gòu)圖（剖面位置見圖1）Fig. 4 Interpreted seismic section Line AA’ and Line BB’

由于斷裂走向在東西部差異較大，為了更加清楚地展示斷裂的東西部差異，我們將東部和西部的斷裂分開統(tǒng)計(jì)。在T100（＞45 Ma）不整合面上，斷層數(shù)量多，斷距大。斷裂方向在東西部均以NEE向?yàn)橹?，在東部構(gòu)造帶中央發(fā)育兩條與NEE向主斷裂規(guī)模一致的WE向斷裂。通過對(duì)比分析兩個(gè)不整合面（T100和T80）的東西部斷層分布玫瑰圖（圖3）發(fā)現(xiàn)T80（約36 Ma）不整合面上的主斷層主要繼承自T100，西部主要發(fā)育NEE向斷層，東部發(fā)育NEE向和近WE向兩組斷裂，兩個(gè)不整合面上的斷層走向無論是在東部還是西部均基本一致。但是T80不整合面上斷裂數(shù)量明顯減少，說明構(gòu)造活動(dòng)逐漸減弱。而T70（約30 Ma）不整合面上（圖2, 3）除了T80不整合面上的斷裂繼承性發(fā)育，部分基底斷裂再次被激活，并且在西部發(fā)育了少量新的WE向斷裂，斷裂數(shù)量又再次增多。這與T80后該區(qū)應(yīng)力方向由NE向旋轉(zhuǎn)為NS向的結(jié)論相對(duì)應(yīng)（童亨茂,2009）。在T60（約23 Ma）不整合面上，大部分?jǐn)嗔淹Ｖ拱l(fā)育，近WE向斷裂數(shù)量相對(duì)增加，但斷裂總體數(shù)量明顯減少，主斷裂方向在東西部仍表現(xiàn)出差異：西部為NEE向，東部為NEE和近WE（圖2,3）。謝玉洪等人（2015）對(duì)一系列不整合面上的同一區(qū)域的斷層走向進(jìn)行了非常詳細(xì)的研究，結(jié)果表明，無論是在東部還是西部，這些平面上同一區(qū)域的斷層的走向、傾角等表現(xiàn)出較好的一致性。意味著區(qū)域應(yīng)力方向的變化可能疊加和改造了裂谷期（Tg-T80）時(shí)期的斷裂，但并沒有完全破壞這一時(shí)期的斷層走向以及構(gòu)造特征。

瓊東南盆地西部和東部的構(gòu)造樣式特征也表現(xiàn)出明顯差異。西部過陵水凹陷（圖4a）的剖面上，構(gòu)造樣式主要是由大型鏟狀斷層和滾動(dòng)背斜控制的半地塹式構(gòu)造，總體上表現(xiàn)為“三隆兩凹”的構(gòu)造格局。而在東部凹陷（長(zhǎng)昌凹陷）（圖4b）中，板狀斷層呈階梯狀由中心向兩側(cè)發(fā)育，呈復(fù)式地塹構(gòu)造，斷層數(shù)量多，單一斷層的斷距較小，上覆沉積層較西部薄。 此外，施小斌等人（2015）對(duì)瓊東南盆地及其周邊區(qū)域154個(gè)熱流站位的分析結(jié)果顯示瓊東南盆地可分為3個(gè)熱流分區(qū)：北部陸架與上陸坡區(qū)熱流值介于50～70 mW/m2，其中盆地西北部崖城區(qū)具有較高的熱流，其熱流值介于60～70 mW/m2；中央坳陷帶深水區(qū)熱流值較高，并且往東熱流值逐漸升高，熱流值一般介于70～85 mW/m2；盆地東部—西沙海槽北側(cè)有一條北東東向高熱流帶，其熱流值高于85 mW/m2，主要位于寶島凹陷、長(zhǎng)昌凹陷與西沙海槽北部斜坡帶。因此瓊東南盆地具有“東熱西冷”的基底特征。

對(duì)于上述的斷層走向、各期斷裂特征以及構(gòu)造樣式在瓊東南盆地東西部的差異性特征匯總于表1。針對(duì)上述構(gòu)造發(fā)育特征，結(jié)合前人對(duì)基底先存構(gòu)造和區(qū)域基底性質(zhì)的研究，筆者設(shè)計(jì)了一系列物理模擬實(shí)驗(yàn)，探討先存構(gòu)造薄弱帶以及基底性質(zhì)差異對(duì)盆地成因機(jī)制及差異演化過程的影響。

表1 瓊東南東西部構(gòu)造差異性Table 1 Structural differences between the eastern and the western zone of Qiongdongnan Basin

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

實(shí)驗(yàn)儀器的主要組成部分為沙箱和兩個(gè)施力電缸，沙箱由透明玻璃板組成，其高度和寬度固定。兩個(gè)施力電缸從沙箱兩側(cè)對(duì)砂箱施加應(yīng)力。其運(yùn)移速度按需要任意設(shè)定（圖5）。構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)中材料的選取也至關(guān)重要，不同的材料對(duì)模擬結(jié)果有不同的影響，使用干燥石英砂模擬脆性巖層的做法最廣泛。仿照前人的做法（McClay and White,1995；Tong et al., 2009；Zhou and Qi, 1999），我們的實(shí)驗(yàn)采用干燥石英砂來模擬上地殼脆性地層。模型中底面鋪設(shè)一層嵌有彈力布的無伸縮帆布傳遞位移，彈力布模擬構(gòu)造薄弱帶，帆布模擬不發(fā)生基底變形的區(qū)域。

模型總尺寸為40 cm×40 cm×4 cm。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)記錄除了傳統(tǒng)的拍照記錄，還對(duì)模型頂面采用了3D激光掃描技術(shù)，利用激光掃描得到的點(diǎn)集建立曲面，由此生成虛擬的實(shí)驗(yàn)表面，這種方法使表面能夠被正確地輪廓化，可視化，包含了所有主要的和許多次要的斷層的同時(shí)，還反應(yīng)出地表高程的起伏變化?？衫帽砻媲逦?cái)嗔炎呦蚝透叱套兓瘜?duì)構(gòu)造和相關(guān)斷層的演化進(jìn)行研究。近幾年來，該技術(shù)在物理模擬實(shí)驗(yàn)分析中發(fā)揮了重要作用（Bose and Mitra, 2010；Paul and Mitra, 2013b；Sembroni et al., 2017）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，加入適量的水浸泡砂體，通過橫切，觀察實(shí)驗(yàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

2.2 模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力方向與第一階段裂陷期（Tg-T80）的伸展方向一致，為NW-SE向。前人對(duì)基底的研究結(jié)果顯示，瓊東南盆地基底由西向東存在至少兩組方向的先存構(gòu)造（Hu et al., 2013），位于西部的先存構(gòu)造其展布方向?yàn)镹EE向，位于東部的先存斷裂的方向?yàn)閃E向?？紤]到基底邊界與盆地形態(tài)及其內(nèi)部斷裂系統(tǒng)特征密切相關(guān)（McClay and White, 1995），所以本實(shí)驗(yàn)中先存斷裂的方向參照松南低凸起的邊界方向，即先存構(gòu)造薄弱帶邊界在盆地西部與應(yīng)力方向垂直，東部與應(yīng)力方向斜交。為了探究幾何形態(tài)及基底性質(zhì)差異對(duì)瓊東南盆地上覆構(gòu)造發(fā)育的影響，進(jìn)行了一系列的模擬實(shí)驗(yàn)。模型中橡皮布傳遞伸展應(yīng)力來模擬韌性基底，帆布模擬不發(fā)生基底變形的區(qū)域。本章僅給出兩個(gè)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一個(gè)是東西部基底性質(zhì)統(tǒng)一模型（BUM模型），即位于垂向區(qū)和斜向區(qū)的彈力布強(qiáng)度相同，代表東西部基底性質(zhì)一致（圖5b）；另一個(gè)模型是基底性質(zhì)差異化模型（BDM模型），位于垂向區(qū)的彈力布強(qiáng)度大于斜向區(qū)的彈力布強(qiáng)度，用來模擬“西剛東韌”的基底模型（圖5c）。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的斜向區(qū)方向與應(yīng)力方向的夾角是相同的，即兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的先存構(gòu)造薄弱帶分布方向相同。所有模型均在相同的溫度和濕度下模擬。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)原理圖及模型Fig. 5 Front view of deformation rig and models

2.3 模型相似性

物理模擬實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵是模型與原型的相似性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的相似程度是模擬實(shí)驗(yàn)成敗的重要標(biāo)準(zhǔn)（趙仕俊等, 2005）。Hubbert（1937）提出三個(gè)相似性準(zhǔn)則（幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)）可確保模型被適當(dāng)縮放。

張佳星等（2018）用面積深度法計(jì)算了該地區(qū)的伸展量約為15.1%～16.65%，原長(zhǎng)約159 km。模型與自然原型的比例為2.5×10-6。模型尺寸為40 cm ×40 cm×4 cm，按其伸展比例，模型伸展距離為 6～7 cm。

由于模型不涉及流變學(xué)，因此運(yùn)動(dòng)學(xué)的相似性是通過使這些模型中任何變化所需的時(shí)間（Tm）與原型中相應(yīng)的變化（Tn）成比例來定量確定的。拉張速率為0.002 mm/s，這要求：

根據(jù)相似系數(shù)vm/n,tm/n（表1）, 計(jì)算得到lm/n=0.84 ×10-6, 與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型比例接近（2.2×10-6）。

動(dòng)力學(xué)相似要求拉伸應(yīng)力相似。基于連續(xù)介質(zhì)的柯西運(yùn)動(dòng)方程，可通過密度對(duì)模型應(yīng)力比例化（Davy and Cobbold, 1991）。將模型和原型的應(yīng)力分別表示為sm何sn，前者比后者得:

計(jì)算得σm/n=1.19×10-6，石英砂與瓊東南盆地的原型的粘結(jié)強(qiáng)度比約為2.38×10-6，二者量級(jí)相同，這意味著模型滿足動(dòng)力學(xué)相似。比例參數(shù)匯總在表2中。

表2 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)和模型的比例化Table 2 Analogue material parameters and scaling ratios in the analogue experiments

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 模型BUM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型BUM模擬東西部基底性質(zhì)無變化時(shí)，基底幾何形態(tài)的變化對(duì)上覆構(gòu)造的影響。實(shí)驗(yàn)拉伸至1 cm時(shí)（圖6A），位于構(gòu)造薄弱帶邊界的斷裂優(yōu)先發(fā)育，次級(jí)凹陷發(fā)育的位置與分布方向受邊界斷裂的控制。沿著構(gòu)造薄弱帶兩側(cè)邊界發(fā)育對(duì)稱的次級(jí)凹陷，中央形成地壘。斷裂由構(gòu)造帶邊界已傳播至構(gòu)造帶中央，但對(duì)中央凸起的切割并不明顯，構(gòu)造帶整體表現(xiàn)為“ 地塹—地壘—地塹” 樣式。隨著伸展量的增大，兩側(cè)地塹構(gòu)造變寬，斷層進(jìn)一步發(fā)育（圖6B，C，D），垂向區(qū)中央凸起被進(jìn)一步切割，形成隆坳相間格局。最終拉伸結(jié)果（圖6D）清楚地顯示了斷層在垂向區(qū)和斜向區(qū)的差異性分布特征。在垂向區(qū)，內(nèi)部斷層與邊界斷層走向一致，均與拉伸方向垂直，形成“兩隆三凹”的格局。但在斜向區(qū)，出現(xiàn)兩組不同方向的斷裂，一組與拉伸方向垂直，主要分布在構(gòu)造帶內(nèi)部，而另一組沿先存構(gòu)造邊界分布，與先存構(gòu)造邊界平行，即與拉伸方向斜交，整體表現(xiàn)為“ 一隆兩凹” 構(gòu)造格局。在基底發(fā)生轉(zhuǎn)向的位置，發(fā)育構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，調(diào)節(jié)斷裂傾向或走向發(fā)生變化時(shí)的位移。其形成演化大致可以分為3個(gè)階段，具體如下：（1）半孤立階段（圖6A）。位于轉(zhuǎn)換帶兩側(cè)的邊界斷層之間連接形成連續(xù)的條帶狀邊界次級(jí)凹陷，展布方向隨構(gòu)造薄弱帶展布方向發(fā)生變化。而轉(zhuǎn)換帶中央斷裂發(fā)育不明顯。（2）半成熟階段（圖6B）。斜向區(qū)發(fā)育的雁列式斷裂延伸至轉(zhuǎn)換帶中央，轉(zhuǎn)換帶兩側(cè)的斷層開始趨近，該階段在轉(zhuǎn)換帶中央形成小型斷層，其方向基本與應(yīng)力方向垂直。（3）成熟階段（圖6C，D）。兩側(cè)的主干斷層進(jìn)一步延伸但并未貫通連接，在轉(zhuǎn)換帶形成“隆凹相間”的構(gòu)造格局。

圖6 模型BUM 的實(shí)驗(yàn)演化過程Fig. 6 The deformation process of model BUM

相機(jī)拍攝結(jié)果（圖6 a-d）中斷裂的明暗變化代表了斷層的不同傾向，結(jié)合3D掃描結(jié)果，能較好的厘定了斷裂傾向和走向的變化特征。圖中黑色的斷裂代表與構(gòu)造帶左邊界傾向一致的右傾斷裂，白色斷裂代表與構(gòu)造帶右邊界傾向一致的左傾斷裂 （圖7a）。解譯結(jié)果清楚的顯示了基底先存構(gòu)造薄弱帶邊界方向發(fā)生變化時(shí)，斷裂走向如何在斜向區(qū)和垂向區(qū)交匯處過渡并形成不同的構(gòu)造樣式及地貌特征。位于垂向區(qū)和斜向區(qū)的切剖面上的構(gòu)造樣式由于先存構(gòu)造方向的改變也表現(xiàn)出差異性（圖7b）。位于垂向區(qū)的兩個(gè)剖面（9 cm，15 cm）構(gòu)造樣式基本相似，持續(xù)的伸展作用下，原有的 “地塹—地壘—地塹” 格局被破壞，中央隆起上左傾和右傾的斷裂交替發(fā)育，形成次級(jí) “地塹—地壘—地塹”結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為 “兩隆三凹” 構(gòu)造特征。位于過渡帶的剖面（20 cm）上的中央隆起破壞嚴(yán)重，隆坳交替排列。位于斜向區(qū)的兩條剖面的 “地塹—地壘—地塹” 樣式在后期拉伸時(shí)未被破壞，中央隆起上未發(fā)育次級(jí)凹陷。在靠近過渡帶的剖面上（27 cm），以左傾斷裂為主，構(gòu)造不對(duì)稱，左側(cè)凹陷規(guī)模明顯大于右側(cè)凹陷。遠(yuǎn)離過渡帶的剖面上（34 cm），中央隆起被一系列傾向相反的斷裂切割，呈階梯狀，構(gòu)造對(duì)稱。

圖7 模型BUM 的構(gòu)造解譯圖及切剖面Fig. 7 Line diagram interpretation of the surface fault pattern at the end of the extension and a series of sections through the model BUM

3.2 模型BDM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型BDM用來模擬瓊東南盆地 “西剛東韌” 的基底性質(zhì)對(duì)盆地東西部構(gòu)造差異性發(fā)育的影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果（拉伸6 cm）如圖8，3D激光掃描結(jié)果（圖8A-D）顯示了模型表面的高程變化情況。拉伸至1.4 cm時(shí)（圖8A）垂向區(qū)僅在構(gòu)造帶邊界發(fā)育少量斷層，凹陷不明顯，而在斜向區(qū)發(fā)育至少兩組方向的斷裂，數(shù)量多，在構(gòu)造帶邊界次級(jí)凹陷發(fā)育明顯。隨著拉伸量逐漸增大（圖8B-D），應(yīng)力逐漸傳播至構(gòu)造帶中央，一些新的斷裂在構(gòu)造帶中央發(fā)育，早期發(fā)育的斷裂斷距進(jìn)一步增大，凹陷進(jìn)一步變深變寬。最終結(jié)果（圖8D）清楚地顯示了斷層在垂向區(qū)和斜向區(qū)的差異性分布特征?；讖?qiáng)度較強(qiáng)的垂向區(qū)斷裂斷距均較小，且數(shù)量少，因而由其控制的凹陷規(guī)模小，深度淺，整個(gè)構(gòu)造帶表現(xiàn)為 “垂向區(qū)淺斜向區(qū)深” 的地貌特征。模型BDM的斷裂轉(zhuǎn)換帶的構(gòu)造特征與模型BUM不同，其構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶發(fā)育時(shí)間較晚。且發(fā)育一條貫通垂向區(qū)和斜向區(qū)的斷裂（圖8D）。邊界斷裂控制的次級(jí)凹陷從垂向區(qū)向斜向區(qū)的過渡不連續(xù)。

結(jié)合相機(jī)拍攝結(jié)果（圖8 a-d）繪制的構(gòu)造解析圖（圖9a）清楚地展示了東西部斷裂分布特征。與模型BUM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，由于先存構(gòu)造方向的變化，斷裂方向在東西部差異明顯。在垂向區(qū)，斷裂走向并不完全垂直于拉伸方向，而是呈弧形發(fā)育，在斜向區(qū)，發(fā)育兩組走向的斷裂，一組與應(yīng)力方向垂直，主要沿斜向區(qū)右邊界雁列式分布，而另一組則主要沿著斜向區(qū)左邊界分布，幾乎平行于先存構(gòu)造邊界。切剖面的構(gòu)造樣式在垂向區(qū)和斜向區(qū)差異明顯，位于垂向區(qū)的剖面構(gòu)造樣式基本一致（9 cm，15 cm），斷裂斷距小，次級(jí)凹陷幾乎不發(fā)育，構(gòu)造帶中央以褶皺的形式變形，未被拉斷，斷裂不發(fā)育。位于構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶上的剖面上（20 cm）構(gòu)造帶中央被拉斷，形成斷層，斷裂數(shù)量明顯增多。位于斜向區(qū)的兩條剖面構(gòu)造對(duì)稱發(fā)育（27 cm，34 cm），傾向相反的兩組階梯狀斷裂充分切割地壘，在凹陷兩側(cè)各形成一個(gè)凹陷，形成“地塹—地壘—地塹”構(gòu)造樣式。

圖8 模型BDM的演化過程Fig. 8 The deformation process of model BDM

圖9 模型BUM 的構(gòu)造解譯圖及切剖面Fig. 9 Line diagram interpretation of the surface fault pattern at the end of the extension and a series of sections through the model BDM

4 討論

4.1 先存構(gòu)造對(duì)瓊東南盆地的影響

在新的構(gòu)造活動(dòng)中，先存斷裂比形成新的斷層更容易發(fā)生脆性破裂（Sun et al., 2015；Tong and Yin，2011）。原有的斷裂相互連接，成為新應(yīng)力場(chǎng)的集中區(qū)域，控制著新變形區(qū)域的位置和方向。無論是在自然實(shí)例中（Henstra et al., 2019；Morley et al., 2004）還是在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校∕cClay and White,1995；童亨茂, 2009），先存構(gòu)造對(duì)后期上覆地層的斷層發(fā)育有很大的影響。前人對(duì)基底的研究表明，瓊東南地區(qū)東部和西部在中生代形成了不同走向的斷層（魯寶亮等, 2011；宋海斌和丘學(xué)林,2002；于鵬等, 1999）。近年來，基于不整合面和剖面特征對(duì)瓊東南盆地基底的研究也取得了一定進(jìn)展。Zhang等（2013）和Hu等（2013）結(jié)合地震剖面和不整合面的詳細(xì)解釋，認(rèn)為瓊東南盆地東西向斷裂走向差異早在始新世早中期就存在，這是由于中生代先存構(gòu)造的影響。謝玉洪等（2015）認(rèn)為瓊東南盆地的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)是在原有構(gòu)造條件下，在南北向漸進(jìn)變形過程中逐漸形成的，原有構(gòu)造的差異是瓊東南盆地復(fù)雜的根本原因。

本文的模型模擬結(jié)果表明，前裂谷期的先存構(gòu)造薄弱帶的復(fù)活導(dǎo)致了新生代第一期斷層的發(fā)育。先存構(gòu)造的發(fā)育位置和幾何形態(tài)控制了裂陷盆地內(nèi)凹陷的發(fā)育位置、盆地內(nèi)斷裂的平面展布方向以及構(gòu)造樣式。由于先存構(gòu)造薄弱帶分布方向在東西部的變化，在NW-SE向（Tg-T80）應(yīng)力場(chǎng)的拉伸作用下，在西部為正交拉伸，應(yīng)力場(chǎng)方向與先存構(gòu)造薄弱帶方向垂直；在東部為斜交拉伸，應(yīng)力場(chǎng)方向與先存構(gòu)造薄弱帶方向斜交。這一階段（Tg-T80）東西部斷裂走向已經(jīng)開始差異性發(fā)育（圖6, 7a）。在西部，為響應(yīng)NW-SE伸展而形成的NEE走向的斷層系統(tǒng)，但不可否認(rèn)，構(gòu)造帶西側(cè)的斷裂走向受紅河斷裂左旋走滑的影響，靠近紅河斷裂帶的斷裂走向近NWW向（圖1）；而在東部，由于先存構(gòu)造方向與伸展方向斜交，發(fā)育NEE向和WE向兩組主斷層。這一階段是瓊東南盆地東西部構(gòu)造特征差異發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期。結(jié)合斷裂在系列不整合面上的分布特征（圖3），可以看出，在T80之后，盡管應(yīng)力方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但是大部分?jǐn)嗔牙^承性發(fā)育自第一階段（Tg-T80）形成的斷裂，只有少量新的斷裂發(fā)育。因此，瓊東南盆地不同走向、不同構(gòu)造特征的主干斷裂系統(tǒng)可能是先存斷裂控制下形成的同一時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物，后期沉降期斷裂系統(tǒng)是由這一時(shí)期的斷裂系統(tǒng)繼承和改造而來。

4.2 基底性質(zhì)差異對(duì)瓊東南盆地的影響

通過對(duì)比模型BUM和模型BDM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖10），探討了瓊東南“西剛東韌”的基底性質(zhì)差異對(duì)上覆構(gòu)造的影響。模型BUM作為模型BDM的對(duì)比模型，模擬了東西部基底強(qiáng)度較弱且一致的情況下先存構(gòu)造方向變化對(duì)上覆構(gòu)造的影響（圖5b）。模型BDM模擬了東西部基底強(qiáng)度存在差異時(shí)對(duì)上覆構(gòu)造發(fā)育特征的影響（圖5c）。由于二者先存構(gòu)造薄弱帶分布方向相同，實(shí)驗(yàn)最終的斷裂走向分布特征較為相似。表現(xiàn)為：在垂向區(qū)斷裂系統(tǒng)方向單一，基本上與應(yīng)力方向垂直，而在斜向區(qū)，受先存構(gòu)造邊界影響，發(fā)育至少兩組方向的斷裂，一組與拉伸方向垂直，另一組與拉伸方向斜交（圖10a, b）。由控凹斷裂控制的次級(jí)凹陷的展布方向也逐漸過渡為與先存構(gòu)造薄弱帶一致的方向，這一特征與瓊東南盆地的次級(jí)凹陷在東西部的分布特征相似（圖10c）。說明先存構(gòu)造薄弱帶分布方向在東西部的變化是斷裂走向及次級(jí)凹陷差異性分布不可忽視的控制因素。

圖10 模型結(jié)果和自然原型的對(duì)比分析Fig. 10 Comparative analysis of model results and natural prototypes from the plane and section features

模型BUM模擬結(jié)果與模型BDM最大的區(qū)別表現(xiàn)在地貌的起伏變化上。模型BUM的模擬結(jié)果顯示，基底強(qiáng)度一致僅先存構(gòu)造方向發(fā)生變化時(shí)東西部地貌的起伏變化較為一致，均發(fā)育較深的次級(jí)凹陷，發(fā)育在垂向區(qū)的次級(jí)凹陷范圍更廣（圖10a），并形成與瓊東南盆地西部相似的 “兩隆三坳”構(gòu)造格局（圖6D）。而模型BDM中由于基底強(qiáng)度的差異性，地貌起伏特征在垂向區(qū)和斜向區(qū)存在較大差異，從3D掃描結(jié)果（圖8D）顯示當(dāng)基底強(qiáng)度較弱時(shí)（斜向區(qū)），在拉伸過程中能為上覆構(gòu)造變形提供更大的變型空間，斷層規(guī)模大。垂向區(qū)由于基底強(qiáng)度較強(qiáng)未能給上覆構(gòu)造的變形提供足夠的變形空間，局限了上覆地層的變形，控凹斷裂斷距和數(shù)量明顯小于斜向區(qū)（圖10b）。垂向區(qū)和斜向區(qū)隆凹格局的差異明顯。次級(jí)凹陷在地貌上表現(xiàn)出“垂向區(qū)淺斜向區(qū)深” 的地貌特征（圖8D）。意味著強(qiáng)度較弱的基底背景下，上覆構(gòu)造變形更強(qiáng)烈?？梢酝茰y(cè)瓊東南盆地東部巖漿活動(dòng)較發(fā)育（Hu et al., 2013；雷超等, 2011；Liu et al., 2015）可能與強(qiáng)度較弱的基底有關(guān)。張佳星（2018）對(duì)瓊東南盆地東西部典型剖面（圖4a）的平衡恢復(fù)結(jié)果顯示：位于東部的剖面的拉伸量（26.24 km）遠(yuǎn)大于西部剖面的拉伸量（18.7 km），這與實(shí)驗(yàn)BDM的剖面特征是相似的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同強(qiáng)度的基底對(duì)上覆構(gòu)造樣式、斷裂分布特征以及地貌起伏特征有明顯的控制作用。對(duì)比瓊東南盆地東西部構(gòu)造特征以及地貌起伏特征，“西剛東韌” 的基底性質(zhì)似乎對(duì)瓊東南盆地的東西部斷裂特征有一定的控制作用，使其在數(shù)量、斷距以及構(gòu)造樣式上表現(xiàn)出一定的差異性。但是斷裂走向主要受到先存構(gòu)造薄弱帶展布方向的控制，在西部經(jīng)歷了正交拉伸，在東部經(jīng)歷了斜交拉伸。在第一期拉伸時(shí)（Tg-T80，始新世—漸新世）斷裂系統(tǒng)就已經(jīng)東西部差異性分布?？偟膩碚f，基底強(qiáng)弱、先存構(gòu)造形態(tài)及構(gòu)造應(yīng)力方向的共同作用影響了瓊東南盆地形態(tài)和斷裂系統(tǒng)展布。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂陷盆地的發(fā)育位置和構(gòu)造特征與先存構(gòu)造幾何形態(tài)密切相關(guān)。在新生代構(gòu)造活動(dòng)下前新生代構(gòu)造薄弱帶的復(fù)活導(dǎo)致了瓊東南盆地第一期斷裂系統(tǒng)（Tg-T80）的形成。在這一時(shí)期（Tg-T80），由于先存構(gòu)造薄弱帶分布方向在東西部的變化，形成了東西部斷裂在走向和構(gòu)造樣式上的差異。瓊東南盆地不同走向的主斷裂系統(tǒng)可能在第一期構(gòu)造活動(dòng)中形成，而后期斷裂系統(tǒng)則繼承和改造了這一時(shí)期的斷裂。但不可否認(rèn)，盆地西部邊界附近的斷裂受紅河斷裂左旋走滑的影響，斷層走向向西由NEE轉(zhuǎn)向WE再轉(zhuǎn)向近NS向。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示基底強(qiáng)度的變化對(duì)斷裂系統(tǒng)以及地貌起伏特征影響明顯。 “西剛東韌” 的基底性質(zhì)在一定程度上控制了瓊東南盆地東西部構(gòu)造的差異性，具體表現(xiàn)在斷裂數(shù)量、拉伸量等。結(jié)合前人對(duì)瓊東南盆地的熱模擬研究及本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，瓊東南盆地在東西部的斷裂走向及構(gòu)造樣式上的差異性受基底強(qiáng)弱、先存構(gòu)造形態(tài)及構(gòu)造應(yīng)力方向的共同控制。