斷展褶皺要素組合對(duì)隱伏滑脫層發(fā)育深度的限定

斷展褶皺要素組合對(duì)隱伏滑脫層發(fā)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(gòu)造區(qū)以發(fā)育擾動(dòng)及其相關(guān)褶皺為特征，地下滑脫擾動(dòng)的幾何特征制約了褶皺結(jié)構(gòu)。因此，出表面出現(xiàn)褶皺構(gòu)造因素是定量研究地下擾動(dòng)幾何風(fēng)格的重要途徑。關(guān)于這方面的研究成果,《構(gòu)造地質(zhì)雜志》(JournalofStructuralGeology)1997年曾發(fā)表專輯報(bào)導(dǎo)。斷層相關(guān)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(guò)對(duì)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(shù)的系統(tǒng)測(cè)量,計(jì)算了逆沖斷層的滑脫深度,并總結(jié)出定量分析斷彎褶皺與滑脫層關(guān)系的圖解模式;Laubsher根據(jù)瑞士侏羅山BalsthalKlus地區(qū)的Weissenstein斷展背斜研究,對(duì)背斜前、后翼傾角及軸面傾角等幾何參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,并計(jì)算出逆沖斷層的滑脫深度,總結(jié)出定量分析斷展褶皺的圖解模式;Marrett和Bentham根據(jù)斷滑褶皺作用的圖解模式對(duì)墨西哥北東、中東部大規(guī)模褶皺下隱伏滑脫斷層深度進(jìn)行了定量計(jì)算;周小軍等對(duì)擠壓盆地的單步臺(tái)階斷彎褶皺進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬?？梢?jiàn),盡管褶皺成因類型不同,對(duì)斷層樣式均可起到約束作用。然而,在如何選擇褶皺構(gòu)造要素來(lái)對(duì)斷層樣式進(jìn)行約束方面,前人的研究卻大相徑庭,得到的結(jié)論也有根本性分歧,主要原因在于研究主要是從獨(dú)立或選擇性的褶皺要素來(lái)對(duì)特定滑脫斷層幾何特征進(jìn)行約束。因此,如何根據(jù)野外實(shí)際運(yùn)用多要素組合來(lái)約束滑脫斷層發(fā)育深度是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的理論問(wèn)題。斷展褶皺是薄皮構(gòu)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(shí)或近于同時(shí)發(fā)生的。然而,前人給出的構(gòu)造模型略有差異,如ChesterJS和ChesterFM給出的模型是在穩(wěn)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(fù)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(fù)合,相對(duì)于斷滑褶皺和斷彎褶皺而言,斷展褶皺與斷層發(fā)育的關(guān)系更為密切,且野外特征和數(shù)學(xué)判別標(biāo)志明顯和易于識(shí)別,因此Marrett和Bentham的模型可以計(jì)算或分析在不同斷坡傾角下,就褶皺構(gòu)造要素與斷層幾何樣式和發(fā)育深度間的關(guān)系進(jìn)行研究,最有可能在尋找其內(nèi)在聯(lián)系方面取得突破。在華南川東—湘鄂西地區(qū),發(fā)育有典型的前陸薄皮構(gòu)造下形成的斷彎褶皺和斷展褶皺,在川東—重慶地區(qū),薄皮構(gòu)造由一系列NE—NNE向的隔擋式褶皺組成。區(qū)域構(gòu)造分析表明,上述構(gòu)造是燕山期由南東向北西擠壓力作用下,遞進(jìn)變形的結(jié)果。前人對(duì)褶皺要素與隱伏滑脫層幾何樣式的關(guān)系進(jìn)行過(guò)初步的定量分析及局部區(qū)域的地震解譯描述和測(cè)井解釋,然而,如何對(duì)隱伏滑脫層的深度及幾何樣式進(jìn)行定量研究一直是這一地區(qū)重要的科學(xué)問(wèn)題之一。這也正是區(qū)域深部構(gòu)造預(yù)測(cè)、深部構(gòu)造解譯及區(qū)內(nèi)的油氣勘探和開(kāi)發(fā)工作必不可少的理論基礎(chǔ)。因此,本文選擇斷展褶皺作為研究對(duì)象,在平衡地質(zhì)剖面基本原理的基礎(chǔ)上,首先從理論上分析給定地質(zhì)模型滑脫斷層不同發(fā)育深度幾何樣式與地表斷展褶皺幾何要素的關(guān)系,建立了滑脫斷層深度與地表出露褶皺要素的數(shù)學(xué)關(guān)系,用VC++6.0編制程序并進(jìn)行運(yùn)算和數(shù)值模擬,從而在理論上達(dá)到利用斷展褶皺組合要素參數(shù)對(duì)隱伏滑脫層深度及幾何樣式進(jìn)行約束的目的;將理論模型運(yùn)用于方斗山東北端茨竹亞背斜的研究,與地震剖面解譯進(jìn)行對(duì)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(shí)際,結(jié)果一致且具有合理性。1tf/t模型推導(dǎo)是依據(jù)二維(構(gòu)造正交剖面)平衡地質(zhì)剖面的原理,即巖層長(zhǎng)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(fā)生變形;(3)變形前后巖層長(zhǎng)度保持不變;(4)傾斜巖層中的變形僅有平行層面的滑動(dòng)。以斷坪—斷坡式滑脫斷層條件下的斷展褶皺為例建立地質(zhì)模型,在前人數(shù)學(xué)推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,計(jì)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(fā)生在上盤(pán)。T、P、Q、R4點(diǎn)位于上盤(pán)斷坡上;T為斷層擴(kuò)展端點(diǎn)(faulttip),在此點(diǎn)斷層位移為0;P為沿?cái)嗥聰鄬踊嚅_(kāi)始降低的點(diǎn),錯(cuò)動(dòng)前它位于圖中的Q點(diǎn),因此,PQ的距離就等于壓縮量f0;R為斷坡與下斷坪的轉(zhuǎn)折點(diǎn),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(kāi)始變傾斜的拐點(diǎn);t為斷坡在TQ兩點(diǎn)之間所切割地層的厚度;tf/t為地層發(fā)生褶皺前后厚度變化之比。為對(duì)隱伏滑脫層的深度及幾何樣式做出約束,需要首先測(cè)得斷展褶皺的以下要素參數(shù):褶皺的翼間角γ、背翼傾角2θ、褶皺的構(gòu)造高度(構(gòu)成背斜的最年輕地層隆起的高度)h、斷端點(diǎn)T以上地層的厚度h0、褶皺兩翼地層傾角在地表由平坦開(kāi)始變傾斜的拐點(diǎn)A和B之間的距離LAB。在這個(gè)模型里,tf/t的默認(rèn)值為1。這些要素通常可以在野外實(shí)際測(cè)量或在地震解釋剖面中獲得,為消除野外測(cè)量的誤差,可以沿正交剖面方向?qū)?gòu)造要素進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量,并運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行加權(quán)平均。前人對(duì)模型中斷坡的傾角α、TP的距離LTP和壓縮量f0進(jìn)行了推導(dǎo),結(jié)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(dǎo)過(guò)程并不能計(jì)算出隱伏滑脫層的深度h’這一重要參數(shù),為此,在(1)—(7)式基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行以下幾何推導(dǎo):因?yàn)榧僭O(shè)地層褶皺前后厚度不變,故∠URV=α2∠URV=α2由三角關(guān)系,得:LQU=LQV×tan(π2-α2)tanα+tan(π2-α2)=LQV×cotα2tanα+cotα2(10)LRU=LQU×tanα(11)假設(shè)A、B兩點(diǎn)位于地表,故R點(diǎn)的深度可以表示為:h’=h0+(LTP+f0)×sinα+LRU(12)計(jì)算結(jié)果h’即為隱伏滑脫層的深度。以上推導(dǎo)過(guò)程用VC++編制了程序ZB1.0。2區(qū)域地質(zhì)背景在重慶東部發(fā)育高陡背斜—寬緩向斜相間排列格局(圖2),在萬(wàn)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(kāi)闊的箱狀向斜,共同構(gòu)成了類似于阿爾卑斯山前侏羅山式褶皺帶的構(gòu)造樣式。區(qū)內(nèi)沿背斜翼部的局部地段發(fā)育有高角度逆斷層,多以構(gòu)造破碎帶為特征,而在其他地段則沒(méi)有明顯的斷層發(fā)育標(biāo)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(zhǔn)則。區(qū)域構(gòu)造分析表明,上述構(gòu)造是燕山期由南東向北西遞進(jìn)推覆作用的結(jié)果。茨竹亞背斜位于方斗山背斜北東,一直是區(qū)內(nèi)油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域之一,進(jìn)行過(guò)多輪詳細(xì)的地震勘探和野外調(diào)查工作。我們選擇橫穿剖面路線進(jìn)行了野外調(diào)查,對(duì)褶皺構(gòu)造要素進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量,并進(jìn)行了地震剖面解釋,因此選擇用茨竹亞背斜對(duì)上述斷展褶皺—滑脫斷層模式進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)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(gòu)造破碎帶外,沒(méi)有明顯斷層出露標(biāo)志,地震剖面顯示(圖3)其深部發(fā)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(fā)育,斷坡傾角約25°,向上切入中三疊統(tǒng)后消失(斷層擴(kuò)展點(diǎn)在中三疊統(tǒng)內(nèi))。據(jù)此對(duì)地震剖面進(jìn)行解釋,結(jié)果如圖3所示。茨竹亞背斜的地震剖面解釋結(jié)果(圖3)表明,斷坪—斷坡式滑脫斷層直接控制了上盤(pán)高陡背斜的發(fā)育,且斷層擴(kuò)展點(diǎn)位于褶皺層中三疊統(tǒng)內(nèi),因此是一個(gè)典型的斷展褶皺實(shí)例,可以用圖1的模型進(jìn)行分析。由地震解釋剖面結(jié)果(圖3)取得的主要參數(shù)如下:2θ=25°,γ=105°,h=2.3km,h0=4.0km,LAB=10.1km;tf/t默認(rèn)為1,A點(diǎn)默認(rèn)為地表,所以其深度默認(rèn)為0km。將上述參數(shù)輸入軟件ZB1.0,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在圖4中,橫坐標(biāo)為距A點(diǎn)的水平距離,縱坐標(biāo)為地表以下的深度。因此,圖形的左上角A點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,0),斷層以及T、P、Q、R4點(diǎn)的相對(duì)位置分別用直線和點(diǎn)表示出來(lái)。由模型計(jì)算出的結(jié)果可知,h’=8.63km,與圖2中這一地區(qū)的地層柱狀圖進(jìn)行對(duì)比,可以計(jì)算出該地區(qū)寒武系距地表的深度大約為8.0～8.7km。計(jì)算結(jié)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(jié)果一致。α=45°,表明斷坡傾角中等。2.2在地-上剖面內(nèi)表現(xiàn)出斷裂的特征在地震剖面D-D’北側(cè),沿萬(wàn)縣—恩施公路穿越茨竹亞斷展褶皺,實(shí)測(cè)完成茨竹亞背斜的正交剖面圖(圖5)。實(shí)測(cè)構(gòu)造地質(zhì)剖面進(jìn)一步證實(shí)茨竹亞背斜面具有SE翼陡傾、而NW冀相對(duì)緩傾的特點(diǎn)。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(gòu)造破碎帶,斷層以約60°的傾角傾向NW。由于此處山頂?shù)貙右呀?jīng)出露至中三疊統(tǒng)巴東組,加之沿背斜軸部向NE方向,茨竹亞背斜表現(xiàn)出明顯的傾伏特征,因此可以肯定這個(gè)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(gè)斷展褶皺。圖5中根據(jù)地層厚度推測(cè)獲得EF線,使其相當(dāng)于模型(圖1)中褶皺的頂面。EF線的海拔為5.6km,該地區(qū)平均海拔為1.5km左右,因而計(jì)算出的最終結(jié)果要減去4.1km(5.6-1.5=4.1km)。從茨竹亞背斜的地質(zhì)剖面(圖5)中提取出以下褶皺參數(shù):2θ=23°,γ=76°,h=6.2km,h0=1.2km,LAB=24km。將這些參數(shù)輸入模擬軟件ZB1.0,得到的結(jié)果如圖6所示。結(jié)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(qū)地層柱狀圖(圖2(b))對(duì)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(shù)計(jì)算出的結(jié)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(gè)褶皺參數(shù):后翼傾角2θ、翼間角γ、背斜的構(gòu)造高度h,由此可以推導(dǎo)出隱伏斷層的斷坡傾角α、斷端點(diǎn)T到斷層滑距開(kāi)始降低的點(diǎn)P的距離LTP和地層的壓縮量f0,然而,斷層深度這個(gè)關(guān)鍵要素卻無(wú)法給出。因此,本文在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)各參數(shù)之間的幾何關(guān)系,發(fā)現(xiàn)除上述3個(gè)參數(shù)外,增加背斜的寬度LAB和斷端點(diǎn)T以上地層厚度h02個(gè)參數(shù),在遵守二維平衡地質(zhì)剖面的線長(zhǎng)平衡和面積平衡準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,即可通過(guò)幾何推導(dǎo),計(jì)算出隱伏滑脫斷層的深度。進(jìn)而利用基本幾何關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)(公式(9)—(12)),并給出了演算結(jié)果(公式(12)),編制出模擬軟件ZB1.0進(jìn)行實(shí)際過(guò)程演算和構(gòu)造的理論模擬。本理論數(shù)學(xué)幾何模型的建立和推導(dǎo)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(fā)生變形,變形前后巖層長(zhǎng)度保持不變,傾斜巖層中的變形僅有平行層面的滑動(dòng)。在應(yīng)用過(guò)程中必須以滿足這些條件為前提,而實(shí)際上這些條件是平衡地質(zhì)剖面分析的基本條件,對(duì)平衡地質(zhì)構(gòu)造剖面,可以進(jìn)行深部隱伏斷層幾何形態(tài)與發(fā)育深度的估算。3.2斷展褶皺與斷彎褶皺的區(qū)別數(shù)學(xué)幾何模型及其模擬軟件ZB1.0是針對(duì)滑脫斷層—斷展褶皺定量幾何關(guān)系而開(kāi)發(fā)的,因此,在應(yīng)用和分析研究中,首先必須精確確定分析對(duì)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(jīng)證明其為滑脫斷層—斷展褶皺組合樣式,因此,實(shí)測(cè)構(gòu)造剖面就可以在區(qū)域地質(zhì)對(duì)比分析基礎(chǔ)上作進(jìn)一步論證,并應(yīng)用于上述數(shù)學(xué)幾何學(xué)分析。然而,在沒(méi)有深部構(gòu)造資料解譯或深部數(shù)據(jù)品質(zhì)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(duì)此進(jìn)行探討,并以重慶茨竹亞高陡背斜為例作進(jìn)一步的說(shuō)明。由于地層沿?cái)鄬用婊瑒?dòng)距離的變化規(guī)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(zhì)不同。斷彎褶皺(圖7(b))沿?cái)嗥骸獢嗥隆獢嗥菏交摂鄬踊瑒?dòng),表現(xiàn)在位移—距離圖解上,隨距離(圖7(b)x軸,相對(duì)于斷端點(diǎn)R)減小,位移先是有一個(gè)穩(wěn)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(diǎn)即是斷端點(diǎn)R點(diǎn)?？梢?jiàn)在位移—距離圖解上斷彎褶皺不會(huì)交于位移零點(diǎn)(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(diǎn)位移變?yōu)?,在位移—距離圖解上,會(huì)交于坐標(biāo)軸原點(diǎn)(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(diǎn)R已經(jīng)被一定程度剝蝕掉了。可見(jiàn),位移—距離圖解可以用于區(qū)別斷展褶皺和斷彎褶皺。此外,斷展褶皺具體地說(shuō)應(yīng)該是指點(diǎn)斷尖(端)點(diǎn)處的褶皺樣式,而在此前形成的斷層上盤(pán)褶皺均會(huì)被后期褶皺形式疊加。如ChesterJS和ChesterFM的模型中強(qiáng)調(diào)下端為斷層轉(zhuǎn)折褶皺,上端為斷展褶皺,二者為復(fù)合褶皺;而Marrett和Bentham的模型為斷展褶皺和斷層滑脫褶皺的復(fù)合?？梢?jiàn),從構(gòu)造樣式上分析,斷端點(diǎn)處發(fā)育的斷展褶皺比復(fù)合條件下形成的斷彎褶皺要簡(jiǎn)單得多(對(duì)