斷展褶皺要素組合對隱伏滑脫層發育深度的限定

0斷展褶皺與斷層幾何樣式的定量研究前陸薄皮構造區以發育擾動及其相關褶皺為特征，地下滑脫擾動的幾何特征制約了褶皺結構。因此，出表面出現褶皺構造因素是定量研究地下擾動幾何風格的重要途徑。關于這方面的研究成果,《構造地質雜志》(JournalofStructuralGeology)1997年曾發表專輯報導。斷層相關褶皺包括斷彎褶皺、斷展褶皺和斷滑褶皺等類型。Mitra和Sussman通過對阿巴拉契亞中部Pine山逆沖巖席橫剖面斷彎背斜幾何樣式和參數的系統測量,計算了逆沖斷層的滑脫深度,并總結出定量分析斷彎褶皺與滑脫層關系的圖解模式;Laubsher根據瑞士侏羅山BalsthalKlus地區的Weissenstein斷展背斜研究,對背斜前、后翼傾角及軸面傾角等幾何參數進行了測量,并計算出逆沖斷層的滑脫深度,總結出定量分析斷展褶皺的圖解模式;Marrett和Bentham根據斷滑褶皺作用的圖解模式對墨西哥北東、中東部大規模褶皺下隱伏滑脫斷層深度進行了定量計算;周小軍等對擠壓盆地的單步臺階斷彎褶皺進行了計算機模擬。可見,盡管褶皺成因類型不同,對斷層樣式均可起到約束作用。然而,在如何選擇褶皺構造要素來對斷層樣式進行約束方面,前人的研究卻大相徑庭,得到的結論也有根本性分歧,主要原因在于研究主要是從獨立或選擇性的褶皺要素來對特定滑脫斷層幾何特征進行約束。因此,如何根據野外實際運用多要素組合來約束滑脫斷層發育深度是一個現實的理論問題。斷展褶皺是薄皮構造的主要樣式之一,形成于逆沖斷層終端,并且是在斷坡形成的同時或近于同時發生的。然而,前人給出的構造模型略有差異,如ChesterJS和ChesterFM給出的模型是在穩定斷坡傾角條件下,下部斷彎褶皺與上部斷展褶皺形成的復合褶皺模型,而Marrett和Bentham的模型則為斷滑褶皺與斷展褶皺的復合,相對于斷滑褶皺和斷彎褶皺而言,斷展褶皺與斷層發育的關系更為密切,且野外特征和數學判別標志明顯和易于識別,因此Marrett和Bentham的模型可以計算或分析在不同斷坡傾角下,就褶皺構造要素與斷層幾何樣式和發育深度間的關系進行研究,最有可能在尋找其內在聯系方面取得突破。在華南川東—湘鄂西地區,發育有典型的前陸薄皮構造下形成的斷彎褶皺和斷展褶皺,在川東—重慶地區,薄皮構造由一系列NE—NNE向的隔擋式褶皺組成。區域構造分析表明,上述構造是燕山期由南東向北西擠壓力作用下,遞進變形的結果。前人對褶皺要素與隱伏滑脫層幾何樣式的關系進行過初步的定量分析及局部區域的地震解譯描述和測井解釋,然而,如何對隱伏滑脫層的深度及幾何樣式進行定量研究一直是這一地區重要的科學問題之一。這也正是區域深部構造預測、深部構造解譯及區內的油氣勘探和開發工作必不可少的理論基礎。因此,本文選擇斷展褶皺作為研究對象,在平衡地質剖面基本原理的基礎上,首先從理論上分析給定地質模型滑脫斷層不同發育深度幾何樣式與地表斷展褶皺幾何要素的關系,建立了滑脫斷層深度與地表出露褶皺要素的數學關系,用VC++6.0編制程序并進行運算和數值模擬,從而在理論上達到利用斷展褶皺組合要素參數對隱伏滑脫層深度及幾何樣式進行約束的目的;將理論模型運用于方斗山東北端茨竹亞背斜的研究,與地震剖面解譯進行對比分析,證明此理論模型符合斷坪—斷坡滑脫斷層條件下斷展褶皺變形的實際,結果一致且具有合理性。1tf/t模型推導是依據二維(構造正交剖面)平衡地質剖面的原理,即巖層長度和剖面面積在變形前后保持不變,因此,圖1滿足以下條件:(1)變形前后巖層厚度不變;(2)水平巖層中不發生變形;(3)變形前后巖層長度保持不變;(4)傾斜巖層中的變形僅有平行層面的滑動。以斷坪—斷坡式滑脫斷層條件下的斷展褶皺為例建立地質模型,在前人數學推導的基礎上,計算隱伏滑脫層下斷坪的深度與斷層—褶皺幾何樣式(圖1)。在圖1所示的斷展褶皺幾何模型中,隱伏滑脫斷層呈斷坪—斷坡樣式,變形僅發生在上盤。T、P、Q、R4點位于上盤斷坡上;T為斷層擴展端點(faulttip),在此點斷層位移為0;P為沿斷坡斷層滑距開始降低的點,錯動前它位于圖中的Q點,因此,PQ的距離就等于壓縮量f0;R為斷坡與下斷坪的轉折點,其深度代表隱伏滑脫層下斷坪的深度;A、B為褶皺地層傾角在地表由平坦開始變傾斜的拐點;t為斷坡在TQ兩點之間所切割地層的厚度;tf/t為地層發生褶皺前后厚度變化之比。為對隱伏滑脫層的深度及幾何樣式做出約束,需要首先測得斷展褶皺的以下要素參數:褶皺的翼間角γ、背翼傾角2θ、褶皺的構造高度(構成背斜的最年輕地層隆起的高度)h、斷端點T以上地層的厚度h0、褶皺兩翼地層傾角在地表由平坦開始變傾斜的拐點A和B之間的距離LAB。在這個模型里,tf/t的默認值為1。這些要素通常可以在野外實際測量或在地震解釋剖面中獲得,為消除野外測量的誤差,可以沿正交剖面方向對構造要素進行系統測量,并運用數學統計方法進行加權平均。前人對模型中斷坡的傾角α、TP的距離LTP和壓縮量f0進行了推導,結果如下:α=acot[-A-B+√(A+B)2+2Acot(2θ+γ)-(tft)2](1)α=acot[?A?B+(A+B)2+2Acot(2θ+γ)?(tft)2????????????????????????????√](1)A≡tanθ-12[(tft)2+1]cotγ-tftcscγ(2)A≡tanθ?12[(tft)2+1]cotγ?tftcscγ(2)B≡12[(tft)2-1]cot(2θ+γ)(3)LΤΡ=hCcos(2θ+γ-α)(4)f0=hC[ttfcosα-csc(2θ+γ-α)](5)C≡csc(2θ+γ)ttfcscγ+cotγ-cot(2θ+γ-α)(6)B≡12[(tft)2?1]cot(2θ+γ)(3)LTP=hCcos(2θ+γ?α)(4)f0=hC[ttfcosα?csc(2θ+γ?α)](5)C≡csc(2θ+γ)ttfcscγ+cotγ?cot(2θ+γ?α)(6)cotα*=(tf/t)csc(2θ+γ)+cot(2θ+γ)(7)tanα*=1(tf/t)csc(2θ+γ)+cot(2θ+γ)(8)tanα?=1(tf/t)csc(2θ+γ)+cot(2θ+γ)(8)但是,以上的推導過程并不能計算出隱伏滑脫層的深度h’這一重要參數,為此,在(1)—(7)式基礎上進一步進行以下幾何推導:因為假設地層褶皺前后厚度不變,故∠URV=α2∠URV=α2由三角關系,得:LQU=LQV×tan(π2-α2)tanα+tan(π2-α2)=LQV×cotα2tanα+cotα2(10)LRU=LQU×tanα(11)假設A、B兩點位于地表,故R點的深度可以表示為:h’=h0+(LTP+f0)×sinα+LRU(12)計算結果h’即為隱伏滑脫層的深度。以上推導過程用VC++編制了程序ZB1.0。2區域地質背景在重慶東部發育高陡背斜—寬緩向斜相間排列格局(圖2),在萬縣—石壩從北西向南東依次出露的背斜包括茨竹亞背斜、龍駒壩背斜、方斗山背斜和齊岳山背斜,自北而南呈“S”形展布。這些NNE—NE走向的高陡背斜和其間開闊的箱狀向斜,共同構成了類似于阿爾卑斯山前侏羅山式褶皺帶的構造樣式。區內沿背斜翼部的局部地段發育有高角度逆斷層,多以構造破碎帶為特征,而在其他地段則沒有明顯的斷層發育標志;褶皺翼間角普遍為110°～115°,其變形樣式符合最大有效力矩準則。區域構造分析表明,上述構造是燕山期由南東向北西遞進推覆作用的結果。茨竹亞背斜位于方斗山背斜北東,一直是區內油氣勘探的重點區域之一,進行過多輪詳細的地震勘探和野外調查工作。我們選擇橫穿剖面路線進行了野外調查,對褶皺構造要素進行了系統測量,并進行了地震剖面解釋,因此選擇用茨竹亞背斜對上述斷展褶皺—滑脫斷層模式進行實例驗證。2.1斷展褶皺模型茨竹亞高陡背斜NW翼緩傾,SE翼陡傾。沿兩翼除局部出露構造破碎帶外,沒有明顯斷層出露標志,地震剖面顯示(圖3)其深部發育明顯的斷坪—斷坡式滑脫斷層,其下斷坪沿寒武系底部(震旦系頂部)發育,斷坡傾角約25°,向上切入中三疊統后消失(斷層擴展點在中三疊統內)。據此對地震剖面進行解釋,結果如圖3所示。茨竹亞背斜的地震剖面解釋結果(圖3)表明,斷坪—斷坡式滑脫斷層直接控制了上盤高陡背斜的發育,且斷層擴展點位于褶皺層中三疊統內,因此是一個典型的斷展褶皺實例,可以用圖1的模型進行分析。由地震解釋剖面結果(圖3)取得的主要參數如下:2θ=25°,γ=105°,h=2.3km,h0=4.0km,LAB=10.1km;tf/t默認為1,A點默認為地表,所以其深度默認為0km。將上述參數輸入軟件ZB1.0,計算結果如圖4所示。在圖4中,橫坐標為距A點的水平距離,縱坐標為地表以下的深度。因此,圖形的左上角A點的坐標為(0,0),斷層以及T、P、Q、R4點的相對位置分別用直線和點表示出來。由模型計算出的結果可知,h’=8.63km,與圖2中這一地區的地層柱狀圖進行對比,可以計算出該地區寒武系距地表的深度大約為8.0～8.7km。計算結果表明隱伏滑脫層大致位于寒武系的底部,與地震剖面解釋結果一致。α=45°,表明斷坡傾角中等。2.2在地-上剖面內表現出斷裂的特征在地震剖面D-D’北側,沿萬縣—恩施公路穿越茨竹亞斷展褶皺,實測完成茨竹亞背斜的正交剖面圖(圖5)。實測構造地質剖面進一步證實茨竹亞背斜面具有SE翼陡傾、而NW冀相對緩傾的特點。與地震剖面解釋不同的是,在背斜核部偏SE冀位置觀察到出露地表的構造破碎帶,斷層以約60°的傾角傾向NW。由于此處山頂地層已經出露至中三疊統巴東組,加之沿背斜軸部向NE方向,茨竹亞背斜表現出明顯的傾伏特征,因此可以肯定這個出露的斷層即是D-D’剖面處隱伏的斷層,即斷層出露是地表剝蝕造成的,其背斜—斷層組合仍是一個斷展褶皺。圖5中根據地層厚度推測獲得EF線,使其相當于模型(圖1)中褶皺的頂面。EF線的海拔為5.6km,該地區平均海拔為1.5km左右,因而計算出的最終結果要減去4.1km(5.6-1.5=4.1km)。從茨竹亞背斜的地質剖面(圖5)中提取出以下褶皺參數:2θ=23°,γ=76°,h=6.2km,h0=1.2km,LAB=24km。將這些參數輸入模擬軟件ZB1.0,得到的結果如圖6所示。結果顯示,隱伏滑脫層的深度約為12.2-4.1=8.1km(圖6)。與該地區地層柱狀圖(圖2(b))對比可知,其深度大致位于寒武系(8.0～8.7km)的底部,并且與由茨竹亞背斜地震剖面解釋參數計算出的結果是吻合的。α=29°(圖6),表明斷坡傾角中等。3討論3.1幾何模型的建立Marrett和Bentham提出的斷展褶皺幾何模型需要3個褶皺參數:后翼傾角2θ、翼間角γ、背斜的構造高度h,由此可以推導出隱伏斷層的斷坡傾角α、斷端點T到斷層滑距開始降低的點P的距離LTP和地層的壓縮量f0,然而,斷層深度這個關鍵要素卻無法給出。因此,本文在此數學模型的基礎上,根據各參數之間的幾何關系,發現除上述3個參數外,增加背斜的寬度LAB和斷端點T以上地層厚度h02個參數,在遵守二維平衡地質剖面的線長平衡和面積平衡準則的基礎上,即可通過幾何推導,計算出隱伏滑脫斷層的深度。進而利用基本幾何關系進行了詳細推導(公式(9)—(12)),并給出了演算結果(公式(12)),編制出模擬軟件ZB1.0進行實際過程演算和構造的理論模擬。本理論數學幾何模型的建立和推導都是基于以下條件:變形前后巖層厚度不變,水平巖層中不發生變形,變形前后巖層長度保持不變,傾斜巖層中的變形僅有平行層面的滑動。在應用過程中必須以滿足這些條件為前提,而實際上這些條件是平衡地質剖面分析的基本條件,對平衡地質構造剖面,可以進行深部隱伏斷層幾何形態與發育深度的估算。3.2斷展褶皺與斷彎褶皺的區別數學幾何模型及其模擬軟件ZB1.0是針對滑脫斷層—斷展褶皺定量幾何關系而開發的,因此,在應用和分析研究中,首先必須精確確定分析對象的成因模式為斷展褶皺。本文中分析的重慶茨竹亞高陡背斜的地震解釋剖面(圖3)已經證明其為滑脫斷層—斷展褶皺組合樣式,因此,實測構造剖面就可以在區域地質對比分析基礎上作進一步論證,并應用于上述數學幾何學分析。然而,在沒有深部構造資料解譯或深部數據品質較差且滑脫斷層出露地表(如圖5的情形)的情況下,如何判斷是斷展褶皺,還是斷彎褶皺呢?本文以斷層位移—距離圖解的方法對此進行探討,并以重慶茨竹亞高陡背斜為例作進一步的說明。由于地層沿斷層面滑動距離的變化規律不同,斷彎褶皺和斷展褶皺的斷層位移—距離圖解有著本質不同。斷彎褶皺(圖7(b))沿斷坪—斷坡—斷坪式滑脫斷層滑動,表現在位移—距離圖解上,隨距離(圖7(b)x軸,相對于斷端點R)減小,位移先是有一個穩定或略微增加的階段(沿下斷坪),然后減小直到與位移軸(y軸)相交,相交點即是斷端點R點。可見在位移—距離圖解上斷彎褶皺不會交于位移零點(圖7(b))。與斷彎褶皺的特征相反,斷展褶皺(圖7(a))的位移隨距離減小而減小,并在斷端點位移變為0,在位移—距離圖解上,會交于坐標軸原點(圖7(a))。在圖5所示的情況下,茨竹亞背斜的滑脫斷層由于剝蝕而出露地表,但位移—距離圖解曲線(圖8)具有明顯的階段性,且隨著距離的減小,位移也逐漸減小而趨近零,也即表示其斷端點R已經被一定程度剝蝕掉了。可見,位移—距離圖解可以用于區別斷展褶皺和斷彎褶皺。此外,斷展褶皺具體地說應該是指點斷尖(端)點處的褶皺樣式,而在此前形成的斷層上盤褶皺均會被后期褶皺形式疊加。如ChesterJS和ChesterFM的模型中強調下端為斷層轉折褶皺,上端為斷展褶皺,二者為復合褶皺;而Marrett和Bentham的模型為斷展褶皺和斷層滑脫褶皺的復合。可見,從構造樣式上分析,斷端點處發育的斷展褶皺比復合條件下形成的斷彎褶皺要簡單得多(對