2. 东方地球物理公司, 河北涿州 072751;
3. 东方地球物理公司研究院, 河北涿州 072751;
4. 中国石油新疆油田公司勘探开发研究院, 新疆克拉玛依 834000
郭泊洋, 新疆乌鲁木齐市迎宾北一路27号东方地球物理公司乌鲁木齐分院，830026。Email：752676033@qq.com。2. BGP Inc., CNPC, Zhuozhou, Hebei 072751, China;
3. Geophysical Research Institute, BGP Inc., CNPC, Zhuozhou, Hebei 072751, China;
4. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay, Xinjiang 834000, China
盆地和山脉在沉积、构造及形成演化等方面存在耦合关系[1]。新生代以来，印度板块向欧亚板块俯冲碰撞产生的构造变形引起远程效应，致使北天山古造山带重新活动，强烈造山作用叠加于早期构造，在北天山山前与准噶尔盆地交汇处形成了现今的准噶尔盆地南缘(后文均以“准南缘”代称)前陆冲断褶皱带(图 1)，该一级构造单元属于北天山新生代变形扩展的一部分。自石炭纪末古亚洲洋闭合以来，准南缘先后经历了早二叠世断陷、中二叠世—三叠纪周缘前陆盆地、侏罗纪伸展断陷—压扭盆地、白垩纪—古近纪稳定陆内坳陷与新近纪—第四纪陆内前陆盆地等5个构造演化阶段[2-4]。现今地形是中生代以来在古造山带基础上发育强烈变形的叠合性构造所致。新生代构造活动对其陆内变形和油气运聚有重大影响[5]。因此，探索准南缘新生代以来的构造变形机制不仅对研究其构造形成演化及变形规律有重要意义，还可为该区油气勘探目标的选择与评价提供指导。
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图 1 准噶尔盆地南缘地质构造简图(据文献[13]和文献[55]修改) ①高泉背斜；②托斯台背斜；③卡因迪克背斜；④西湖背斜；⑤独山子背斜；⑥南安集海背斜；⑦清水河背斜；⑧齐古背斜；⑨昌吉背斜；⑩喀拉扎背斜；⑪霍尔果斯背斜；⑫玛纳斯背斜；⑬吐谷鲁背斜；⑭安集海背斜；⑮呼西背斜；⑯呼图壁背斜；⑰古牧地背斜。 |
二十世纪末以来，越来越多的学者针对准南缘构造变形开展研究，认为与大多数前陆冲断带一样，其宏观构造变形具有横向分带、分段，纵向分层及多期次、多层系变形等特征[6-13]。受地表及地下复杂条件和地震资料品质不太好的影响，前人对准南缘深层构造变形特征及其成因机制方面的认识存在较大差异。
针对准南缘楔顶带，存在不同认识，即控制构造形成的断裂末端是收敛于深部滑脱层还是切穿基底。杨迪生等[14]认为托斯台背斜属燕山期高角度走滑断裂控制的基底卷入构造，而席怡[15]和王勃[16]则认为该隐伏背斜的形成受控于深层构造楔，下断坪收敛于深部滑脱层之中。管树巍等[17]通过建立准南缘一排带运动学模型，认为其呈现典型构造楔模式，组成构造楔的前冲断层收敛于深部拆离层。
针对向盆地方向发育的褶皱带，在纵向滑脱系统方面存在不同认识。赵耀辉[18]和何海清等[19]认为山前背斜带纵向上具多滑脱层冲断叠置的构造样式，受古近系安集海河组泥岩和中—下侏罗统煤层两套滑脱层控制，浅、中、深层构造变形样式、强度明显不同。甄宇等[20]认为准南缘中段发育深、浅多层滑脱构造变形系统，中深层变形符合构造楔模式，浅层变形为薄皮推覆构造，其变形机制主要是通过基底滑脱层、中二叠统泥、页岩及下侏罗统煤层分层滑脱实现。邓起东等[21]认为霍玛吐背斜带是受侏罗系和古近系两套滑脱层控制的断层传播褶皱。杨庚等[22]则认为霍玛吐背斜带的形成受多套滑脱层控制，滑脱层分隔了上、下构造层变形，起到了屏蔽作用[12]，导致其上、下构造层变形样式的差异。Pichot等[23]认为霍玛吐背斜带浅、深层构造变形耦合受控于两套滑脱层的纵向组合。滑脱层的构造拆离作用实现了地壳大规模的缩短变形，这也是前陆冲断带形成的一种重要机制[24-25]。
从前人研究成果看，滑脱层是准南缘构造形成的主控因素之一，不仅制约其分层变形构造模式的形成与演化，也是造成深、浅层构造不协调的主要原因[26-27]。但研究多限于单一构造或某一构造带的定性—半定量研究，缺少区带级方面的研究成果，且滑脱层在微观层面的控制作用一直不太明确。断层相关褶皱理论为前陆冲断带构造变形特征定量化研究提供了基础，但经典构造几何学分析方法用于准南缘复杂构造区时具有一定的局限性，而符合运动学约束下的构造解释存在不确定性和多解性[28-29]。得益于定量化研究，Chamberlin[30]首次提出了平衡剖面技术，基于几何学原理，在垂直构造走向的剖面上，利用反演的方式将已变形的构造复原成合理的未变形状态[31]，其优势在于可以利用浅层构造表现出的几何学特征，通过划分等倾角区及轴面分析确定深层地震资料品质较差部位的构造形态、特征及滑脱层位置。该方法广泛用于构造变形量、变形机制研究[32-34]。
构造变形往往受到岩石力学性质和应力、应变的状态与速率等多种因素的影响。普林斯顿团队建立了逆冲构造的临界库伦楔模型[24, 35]，确定了前陆冲断带中构造楔形态与岩层中滑脱层力学性质的定量关系，然而该模型未考虑冲断带内部断裂及褶皱形态，在探究其变形特征及机制时存在一定的局限性，但该模型的建立为后续利用构造模拟方法研究冲断带构造变形奠定了力学基础。因此，需将构造几何学、运动学、岩石力学与变形机制相结合，通过构造模拟的方法研究褶皱冲断带构造变形特征、规律和机制[36-38]。
构造模拟是一种应用现代数学、物理学理论，以模拟实验的手段，通过再现地质构造的形成和发育过程，定量或半定量地研究地质构造成因的方法[39]。它主要包括物理模拟和数值模拟两类，常用于褶皱冲断带变形的相关研究[40-45]。其中物理模拟在材料选取及应力—应变分析方面存在局限性，数值模拟能很好地弥补这一点，可以更加广泛地设置不同岩石、地层的力学性质[46]，通过调用应力—应变环境变量[28]，定量分析地层性质差异对构造变形的影响及构造应力—应变特征[38]。
因地质体可被视为连续介质或不连续介质，数值模拟进而可细分为连续介质力学与非连续介质力学两种方法，前者包括有限元、有限差分及边界元；后者以离散元(Discrete Element Method，DEM)为代表。相较于连续介质力学方法，离散元法不论是在初始模型的颗粒生成还是在其内部颗粒间的接触关系方面，都更加强调随机性。通过模拟每一颗离散的颗粒反映整个冲断带宏观的运动过程，虽在宏观构造形态上具有相似性，但微观尺度上的颗粒接触关系决定了断层等一系列地质单元体的位置及规模，这更加符合自然界中的构造变形。大规模构造形态由板块间相互作用控制，而单个小构造则是由随机事件(同沉积、剥蚀等)共同作用导致[28]。同时，离散元法更加适用于构造变形中产生的断层及其相关褶皱的脆性、塑性变形的非连续力学行为的研究[38]。目前文献中尚未见该方法用于准南缘构造变形特征、机制及其形成与演化的研究。
准南缘自西向东被不同尺度的横断层切分为西、中、东三段[11, 13]，其中西段在独山子以西；中段为独山子以东至乌鲁木齐一带，在北天山山前发育多排近东西向出露地表的背斜带；东段为博格达山前(图 1)。在地层结构方面，准南缘发育前石炭系褶皱和前寒武系变质结晶双重基底[2]，其上几乎完整地保存了石炭系—第四系(图 2)陆相碎屑岩沉积建造。经多期构造演化叠加，纵向形成多套不同类型的滑脱层。前人在该区研究中发现先存构造、同沉积作用可能在变形过程中同样起到不同程度的控制作用。
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图 2 准噶尔盆地南缘地层综合柱状图 |
综上所述，本文采用离散元数值模拟方法，结合构造解析，通过控制变量法设计10组对比实验以探究滑脱层性质(强度、厚度、组合)与分布范围、同沉积作用和先存构造(古凸起、先存断裂)对准南缘构造变形的控制作用，并在明确控制因素基础上开展多参数、多元素组合实验，探究准南缘不同构造区带的变形过程及形成机制，旨在为该区复杂褶皱冲断构造地质特征的研究提供依据，进而指导其油气勘探。
2 实验方法与模型设计离散元数值模拟基本思想：将用于模拟地质体的材料内部视为多个离散单元[47]并置于弹性系统中，建立其接触关系(本文颗粒间接触力计算采用HertzMindlin接触模型[28])，设置合适的参数，根据牛顿第二定律模拟不同材料的运动学和力学行为[48]表征非连续介质破裂以及大尺度变形过程(图 3)。本文使用离散元数值模拟软件[28]完成实验，并基于实验结果讨论准南缘冲断带新生代构造变形的控制因素及机制。
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图 3 离散元方法原理(据文献[44]) (a)在设置的弹性系统中随机生成离散颗粒；(b)建立颗粒间接触关系及设定微观参数，令颗粒在自然状态下沉积；(c)据接触关系计算颗粒间作用力；(d)据颗粒所受合力利用牛顿第二定律计算其运动轨迹 |
离散元模拟中颗粒的细观参数控制颗粒材料的宏观响应，选取合适的细观参数才能获得较为可靠δn、δs分别为颗粒法向、切向间叠合量；Fn、Fs 分别为法向、切向接触力；Kn、Ks分别为法向、切向刚度系数；μ为颗粒间摩擦系数；F1、F2、F3分别为不同方向颗粒所受力；F为颗粒所受合力；m为颗粒质量；a为颗粒加速度；i=1，2，3。的模拟结果。本文在综合准南缘钻井、测井、岩石力学参数等资料及前人构造模拟双轴试验[28, 42]标定的细观参数基础上，确定了本次实验颗粒的细观参数(密度为2.5×103 kg/m3，剪切模量为2.9×109 Pa，泊松比为0.2，局部阻尼常数为0.4，重力加速度为9.8 m/s2，颗粒半径为60/80 m，内摩擦系数为0~0.8)及岩层颗粒间的粘结参数(Bond index)(表 1)。
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表 1 离散元数值模拟实验A~实验G参数 |
实验A和实验B的目的均是拟通过改变滑脱层内摩擦系数、地层厚度探究强度、厚度对构造变形的影响。实验B4~B6是在实验B1~B3基础上，将滑脱层厚度与上覆能干层厚度比均设置为1︰3，其余参数保持不变，继续探究厚度对构造变形产生的影响。
实验C和实验D的目的均是拟通过设置两套纵向叠置滑脱层进一步探究不同强度、不同厚度滑脱层组合对构造变形的影响。
实验E的目的是拟通过改变滑脱层长度探究其横向分布范围对构造变形的影响。
与实验E1对比，实验F的目的是拟通过改变同沉积地层厚度，探究同沉积厚度及其有无对构造变形的影响，其余参数均与实验E1相同。
实验G的目的是拟通过设置无先存构造、单一古凸起、单一先存断裂以探究先存构造对构造变形的影响。因先存断裂在后期变形中可能存在活化作用，故固定古凸起并打断其内部颗粒粘结。本实验中未设置滑脱层。
实验A~实验G初始模型中，除B4~B6外，长/高均设定为40 km /4 km，能干层内摩擦系数为0.3、密度为2.5×103 kg/m3，滑脱层密度2.2×103 kg/m3，其余能干层和滑脱层实验参数见表 1。
需要指出的是，滑脱层打断了其内部粘结，令其具备塑性能力。底板墙摩擦系数为0.8，左、右两侧挡板墙摩擦系数均为0.3，设置左侧挡板墙x方向挤压速度为2 m/s，时间步长为5.0×10-2 s，均自模型左侧沿x方向挤压10 km。记录运算步长分别为0、30000、60000和100000，分别对应挤压缩短量0(初始状态)、3、6和10 km，观察冲断褶皱带构造变形过程。
2 模型实验结果分析 2.1 滑脱层性质对比实验实验A结果如图 4所示，滑脱层厚度一定时，滑脱层内摩擦系数越小，其滑脱能力越强，变形传播距离越远。随着挤压程度的加强，逐渐形成多个滑脱褶皱/冲起构造。能干层颗粒粘结参数反映了不同岩石力学强度(相当于岩石的内聚力，具体表现在岩性差别方面)。粘结参数越大，岩石力学强度越大，越易形成断层。反之，则以形成褶皱为主。随着内摩擦系数的增大，变形由横向为主(图 4a、图 4b)逐渐转变为纵向为主(图 4c)，滑脱能力相对减弱，在挤压端形成多条前展式逆冲断层组合，从而形成叠瓦构造。
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图 4 实验A不同模型模拟结果与构造解释 (a)A1，滑脱层内摩擦系数为0；(b)A2，滑脱层内摩擦系数为0.1；(c)A3，滑脱层内摩擦系数为0.2 f代表褶皱；F代表断层，黑实线表示；数字代表形成先后。红色颗粒代表滑脱层；其余颜色颗粒代表能干层。图 5~图 10同。 |
实验B中B1~B3模型实验结果如图 5所示，随着挤压量的不断增大，呈现无序演化，形成多个滑脱褶皱。受模型右边界阻挡，易于发育不对称背斜。对比可以发现，单套滑脱层强度一定时，即其厚度达到一定程度(> 500 m)后，厚度的大小对滑脱能力基本没有影响，且对构造样式无明显控制作用。伴随着滑脱层厚度的逐渐增加，背斜幅度呈现逐渐减小的趋势(图 5c)。
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图 5 实验B不同模型B1~B3模拟结果与构造解释 (a)B1，能干层和滑脱层厚度分别为3500、500 m；(b)B2，能干层和滑脱层厚度分别为3000、1000 m；(c)B3，能干层和滑脱层厚度分别为2000、2000 m |
B4~B6模型实验结果如图 6所示。由图可知，冲断带构造样式形成和滑脱能力与实验B1~B3一致。但当滑脱层厚度同上覆能干层(沉积地层)厚度比一定时，滑脱层越厚，冲断带负载越大，挤压量一致时，其内部构造(背斜/断层) 发育数量越少。如当挤压量达到10 km，形成的背斜构造个数分别为7(图 6a)、4(图 6b)、2(图 6c)。
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图 6 实验B不同模型B4~B6模拟结果与构造解释 (a)B4，能干层和滑脱层厚度分别为1500、500 m；(b)B5，能干层和滑脱层厚度分别为3000、1000 m；(c)B6，能干层和滑脱层厚度分别为6000、2000 m |
实验C结果如图 7所示。由图可见，当两套滑脱层纵向叠置发育时，冲断带变形构造样式受控于深部滑脱层强度。
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图 7 实验C不同模型模拟结果与构造解释
(a)C1，上、下滑脱层内摩擦系数分别为0.5、0 m；(b)C2，上、下滑脱层内摩擦系数分别为0.5、0.1 m；(c)C3，上、下滑脱层内摩擦系数分别为0、0.5 m；(d)C4，上、下滑脱层内摩擦系数分别为0.1、0.5 m pu代表冲起构造，is代表叠瓦构造；黑色实线表示断层，黑色虚线代表滑脱断层可能传递到的位置。变形应变图中，蓝色、红色分别表示逆时针、顺时针剪切，颜色深浅表征了累积应变的大小。图 8~图 10同。 |
在“下弱上强”模型(C1、C2)中，上滑脱层内摩擦系数大，其上覆、下伏能干层变形一致。上滑脱层未起到滑脱(构造拆离)作用。随着进一步挤压，在10 km处分别形成3个(图 7a)和2个(图 7b)冲起构造。对应的变形应变图中可以清晰看到形成冲起构造的前冲断层和反冲断层。与模型A1、A2相比，模型C1、C2增大了颗粒间粘结参数，使得岩层向前逆冲阻力增大，形成反冲断层，而这也是导致滑脱褶皱与冲起构造样式差异的原因。
在“下强上弱”模型(C3、C4)中，随着挤压的增强，挤压端变形；受控于深部强滑脱层，形成多条前展式逆冲断层，组合形成叠瓦构造。当挤压6 km时，深部强滑脱层将来自挤压端的应力沿着变形所产生的断裂传递至浅部弱滑脱层；然后，变形则主要受弱滑脱层的强度控制，继续向盆地内部进行位移传递，进而吸收剩余位移量，形成背斜构造或断层。因此，该模型整体受两套滑脱层强度差异控制，呈现分层变形特点，并且其强度相差越大，分层变形特征越明显，变形应变图可以清晰体现这一点。模型C3 (图 7c)、C4 (图 7d)弱滑脱层之上构造形态差异及变形传递距离主要是由滑脱层内摩擦系数差异所致，这也印证了实验A所取得的认识。即滑脱层厚度一定时，滑脱层内摩擦系数越小，其滑脱能力越强，变形传播距离越远。反之，传播距离近，变形以纵向为主。
实验D结果如图 8所示。由图可见，滑脱层强度相同时，两套不同厚度滑脱层纵向叠加对滑脱能力没有明显控制作用。D1模型(图 8a)、D2模型(图 8b)在挤压10 km时，冲断带变形范围均处于10~34 km；而D3模型(图 8c)、D4模型(图 8d)则处于10~25 km。这同实验B结果一致，即单套滑脱层厚度对滑脱能力基本没有影响。但构造样式与实验B有所差别，即两套滑脱层纵向叠置层间变形存在差异。
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图 8 实验D不同模型模拟结果与构造解释 (a)D1，上、下滑脱层厚度分别为500、1000 m，上、下能干层厚度分别为1000、1500 m；(b)D2，上、下滑脱层厚度分别为1000、500 m，上、下能干层厚度分别为500、2000 m；(c)D3，上、下滑脱层厚度分别为500、1000 m，上、下能干层厚度分别为1000、1500 m；(d)D4，上、下滑脱层厚度分别为1000、500 m，上、下能干层厚度分别为500、2000 m |
实验C结果证实两套滑脱层纵向叠置发育时，冲断带构造变形样式受控于深部滑脱层强度。而实验D滑脱层内摩擦系数分别为0.1(D1、D2模型)和0.3(D3、D4模型)，前者随着挤压的进行，形成多个冲起构造；后者变形则主要集中在挤压端，为多条前展式逆冲断层组合形成的叠瓦构造。实验D同样与实验A滑脱层强度控制构造样式的认识相一致。但不同厚度滑脱层纵向叠置组合对构造样式具有一定程度的影响。当为“下薄上厚”组合(D1、D3模型)时，挤压产生的断层很难切穿厚层滑脱层，而是收敛于其中；然后，在厚层滑脱层内部发育新断层，进而造成其上、下能干层的构造形态差异，影响冲断带内部的构造样式。变形应变图(图 8a、图 8c)也可见这一点。当为“下厚上薄”组合(D2、D4模型)时，薄滑脱层未起到构造拆离作用，挤压产生的断层切穿薄滑脱层，冲断带内部构造形态及变形受控于深部滑脱层强度(图 8b、图 8d)，断层发育数量明显较“下薄上厚”组合少。
2.2 滑脱层分布范围对比实验实验E结果如图 9所示。由图可见，滑脱层横向分布范围控制了上覆能干层的变形范围，从而影响整个冲断带差异的形成与演化。当滑脱层在冲断带全区分布时，将来自山前的挤压位移量传递至盆地及更远处，整个冲断褶皱带变形范围可达到18 km(图 9a)；而当滑脱层在冲断带局部分布时，变形沿着滑脱层传递至其消失处后而无法再向盆地内传递应力，进而形成新的构造以吸收这部分位移量，产生多条出露地表的逆冲断裂，整体变形范围为15.6 km(图 9b)。同样挤压10 km，滑脱层全区分布时横向变形范围减少2.4 km。在挤压量为6 km时，E2模型(图 9b)应力传递到滑脱层边缘部位(20 km)，形成冲起构造；而E1模型(图 9a)20 km处并未形成构造，这进一步说明了挤压产生的变形沿着滑脱层继续向盆地内传递。
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图 9 实验E不同模型模拟结果与构造解释(a) E1；(b) E2 |
实验F结果如图 10所示。与E1模型模拟结果对比可见，加入同构造沉积层后，在其所覆盖区域未发育构造，同沉积层宽度控制了冲断带横向变形范围。同样挤压10 km，E1模型冲断带变形至28 km处，而实验F的三个模型冲断带变形均接近于40 km。随着同构造沉积层厚度的增大，抑制其下伏构造形成的作用愈发明显。在挤压10 km条件下，在同构造沉积层厚1000 m时(图 10a)，其下形成了一个低幅度背斜构造，也就是说在同构造沉积较薄时，下伏层中还是有可能形成低幅度构造。同时，这种抑制作用使来自山前的剩余挤压量继续沿着滑脱层向盆地内传递，在同构造沉积层消失的区域，形成冲出至地表的构造(如图 10a、图 10c的蛇头构造和图 10b的冲起构造)以吸收这部分挤压量，达到变形运动的平衡。
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图 10 实验F不同模型模拟结果与构造解释
(a)F1，横向12~30 km范围同沉积地层厚度为1 km；(b)F2，横向12~30 km范围同沉积地层厚度为2 km；(c)F3，横向12~30 km范围同沉积地层厚度为3 km ss代表蛇头构造；黑色矩形框代表微幅度背斜发育位置；黑色颗粒代表同构造沉积层。 |
需要说明的是，实验E和实验F中模型均设置两套滑脱层纵向叠置，即“下强上弱”“下薄上厚”组合，变形特征同时也符合前述基于滑脱层性质的实验。
2.4 先存构造对比实验实验G结果如图 11所示。由图可见，在先存构造发育的区域，随着挤压作用的进行，应力传递变形优先沿着先存构造(如图 11b单一先存古凸起和图 11c先存断裂)发育部位，进行应力传递和位移量吸收，并形成新构造。这表明先存构造对后期构造的形成、叠加具有影响。而构造样式受控于底部能干层内摩擦系数(摩擦系数为0.3)，均为源自挤压端的叠瓦构造样式，但冲断带整体构造形态则受先存构造发育位置的影响而略有差异。
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图 11 实验G不同模型模拟结果与构造解释 (a) G1；(b) G2；(c) G3 黑色颗粒代表先存古凸起；红色颗粒代表先存断裂；其余颜色颗粒代表能干层。 |
需要说明的是，实验过程中，还对古凸起的形态差异进行了对比。结果表明，不论先存构造是三角形、半球形还是梯形，实验结论均与上述一致，本文不再赘述。
3 准南缘新生代构造变形特征及变形机制本文综合前人研究成果，利用准南缘多口井的录井、测井数据和地表露头资料，结合最新二维地震资料，以断层相关褶皱理论为指导，根据准南缘冲断褶皱带西、中、东段共3条典型地震地质结构剖面(图 1中AA′、BB′和CC′测线)，应用本文方法开展多元素、多参数组合的离散元模拟实验，重构准南缘褶皱冲断带构造变形特征及变形过程，并据此讨论准南缘不同地区新生代构造变形特征及变形机制。
3.1 西段AA′测线位于准南缘西段(图 1)，由南至北横跨四棵树凹陷、车排子凸起两个二级构造单元，发育高泉及艾卡构造带两个三级构造单元。受北天山和车排子构造体系交汇影响，准南缘西段主要发育燕山期压扭—走滑及喜山期滑脱推覆断裂系统。高角度基底卷入走滑断裂控制了凹陷区三叠系—侏罗系沉积，凹陷区地层发育较完整。
自早二叠世以来，车排子凸起经历了4期构造隆升变形[49]，导致石炭系与侏罗系、白垩系之间呈角度不整合接触关系，缺失二叠系、三叠系。Ka6井钻探结果证实了这种地层接触关系(图 12)。
高泉低凸起受两条高角度基底卷入逆冲断层F1和F2及其伴生断层F3控制而形成。3个断层断距不一致表明该区具多期活动特征。断层上倾端均收敛于古近系泥岩中，揭示这些逆冲断层在喜山期仍有活动。因此，对于新生代变形来说，可视为先存断裂。该区自下而上发育中—下侏罗统煤系(厚400~500 m)、白垩系吐鲁谷群泥岩(厚300~500 m)、古近系安集海河组泥岩(厚100~500 m)三套滑脱层，岩性差异使三套滑脱层强度存在差异。安集海河组泥岩于高泉构造带向北逐渐减薄，基本不具备滑脱能力，表现为喜山期铲式滑脱断裂F4、F5在凹陷区及车排子凸起区不发育。深层为侏罗系和白垩系两套滑脱层纵向叠置组合，因构造拆离作用，深层喜山期变形自山前厚皮构造逐渐过渡为盖层滑脱薄皮构造，山前滑脱层未起到滑脱作用。
根据准南缘西段构造变形特征，参考AA′剖面，设计了长60 km、高8 km的初始模型(图 13)。能干层抗拉强度均为2.0×107 Pa、剪切强度均为4.0×107 Pa、内摩擦系数均为0.3。在靠近挤压端2 km、8 km处设置两条倾角为45°的先存断层，分别用于模拟控制高泉低凸起的两条南倾断层F1和F2，内摩擦系数均为0。在F1、F2断层上倾端右侧设置三套厚度为500 m的滑脱层，自下而上分别模拟侏罗系、白垩系、古近系滑脱层，其内摩擦系数分别为0、0.1、0。在x=40 km处设置高为2.2 km的单个三角形的先存古凸起用于模拟车排子凸起，内摩擦系数设为0并限制其运动。实验挤压7 km时，在15~58 km范围沉积厚约1 km同构造沉积层，再继续挤压至15 km，观察冲断带变形特征及变形过程。
模拟结果(图 13)揭示的冲断带新生代构造变形特征及过程符合地震剖面地质解释方案(图 12)。挤压端受控于高角度先存基底断层F1、F2，形成基底卷入厚皮构造。随着挤压量的增大，F1、F2逐渐活化，一部分位移量沿着F1断层传递至古近系安集海河组泥岩滑脱层，形成前展式铲式逆冲断裂F4、F5。另一部分位移量则沿着F2断层传递至侏罗系煤系滑脱层，而侏罗系煤系滑脱层与上覆白垩系吐谷鲁群泥岩滑脱层构成“下弱上强”叠置组合，因此应力沿着弱滑脱层传递位移量至车排子凸起处。受先存古凸起的影响，形成坡—坪式前冲逆断层F6，并伴随形成反冲逆断层F7，两者共端点收敛于白垩系吐鲁谷群泥岩中，组合形成构造楔样式。车排子凸起侏罗系及白垩系滑脱层基本未起到滑脱作用，因此应力无法再向盆地内传递，在车排子凸起处纵向叠加而形成前冲F8断裂及其伴生F9断裂控制的冲起构造(背斜)。整体变形自山前向盆地逐渐转换为盖层滑脱的薄皮构造，同沉积作用抑制了四棵树凹陷中心区构造的发育。
综上所述，利用离散元模拟重构准南缘西段新生代构造变形过程，揭示了先存断裂、古凸起、不同强度多套滑脱层的纵向叠置及同沉积作用共同控制了其形成与演化。
3.2 中段BB′测线位于准南缘中段(图 1)，由南至北横跨齐古断褶带、霍玛吐褶皱带、阜康凹陷、莫索湾凸起、东道海子凹陷五个二级构造单元，横向上还可细分为多个三级构造单元，但不同单位、学者划分方案不一，各区段间构造变形既有相似之处，也存在一定差异[12]。该区主要受北天山造山体系影响，平面上发育多个北西西—南东东向展布的地表构造(图 1)。就向前陆方向传递位移量来说，准南缘中段明显大于西段和东段[50]。地震地质解释结果(图 14)表明，朝着盆地方向，构造变形沿着中—下侏罗统煤系滑脱层已经传递至准噶尔盆地腹部阜康凹陷一带，形成多个盖层滑脱的薄皮构造。其中，呼东背斜呈现滑脱褶皱特征。受控于近水平滑脱断层F3，中—下侏罗统煤和泥岩在核部揉皱，厚度增加并伴随形成小尺度褶皱调节断层。由深至浅，背斜形态较为一致。至芳草湖构造、莫索湾凸起一带，滑脱推覆构造规模逐渐减小，分别发育芳草断背斜及中生代的走滑断裂F8。山前呈现基底卷入的厚皮构造特征，中生代及更古老的地层卷入变形并抬升至地表。齐古断褶带以北，二叠系、三叠系断层断距不一致及断开层位不同，证实这些断层具多期活动特征。
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图 14 准南缘冲断褶皱带中段典型地震地质结构剖面BB′ |
该区石炭纪—早二叠世为正断层控制的隆坳格局，中二叠世—三叠纪受北天山隆升影响，发生构造反转，发育逆断层。呼东地区深部断层控制了三叠系沉积，断层两盘三叠系厚度差异较大。早—中侏罗世为弱伸展环境下的稳定沉积。因此，就呼东地区而言，海西期—印支期古构造规模相对较小(图 14)。
根据准南缘中段典型剖面构造变形特征，参考BB剖面′，设计了长为40 km、高为5 km的初始模型(图 15)。能干层抗拉强度均为2.0×107 Pa、剪切强度均为4.0×107 Pa、内摩擦系数均为0.3。纵向上设置两套滑脱层，下滑脱层(厚度为300 m)在全模型分布，滑脱层内摩擦系数为0.3，模拟准南缘深部拆离层；上滑脱层(厚度为500~1000 m)于0~25 km范围分布，以15 km为界，厚度由1000 m减少至500 m，内摩擦系数为0.1，模拟中—下侏罗统煤系滑脱层。实验中沿x方向挤压10 km，观察冲断带变形特征及变形过程。
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图 15 准南缘冲断褶皱带中段典型剖面BB′离散元模拟结果 |
模拟结果(图 15)揭示的冲断带新生代构造变形特征及过程符合地震地质解释方案(图 14)。纵向两套滑脱层叠置呈“下强上弱”“下薄上厚”组合。挤压4 km时，挤压端形成多条前冲断层(如F1、F2)及其伴生反冲断层，断层不易切穿上滑脱层。随着挤压量的增大，断层逐渐搭接形成断裂带，于挤压端发育厚皮冲断构造。多余的位移量沿着坡—坪式断层F3，将挤压应力由深层强滑脱层传递至浅层中—下侏罗统弱滑脱层，向着内陆方向形成两个冲起构造，分别对应解释剖面中的呼东背斜及芳草湖断背斜。因能干层抗拉强度及剪切强度(粘结参数)较大，所以发育断层而不是褶皱(挤压10 km)。受两套滑脱层构造拆离作用，中段变形呈现出明显的分层特征。虽然在挤压过程中，中—下侏罗统滑脱层发生减薄现象，但结果表明滑脱层厚度对滑脱层能力没有明显影响，依旧可以作为应力传递的通道。
综上所述，利用离散元模拟重构准南缘中段新生代构造变形过程，揭示了两套不同强度、不同厚度的纵向叠置滑脱层控制了其形成与演化。
3.3 东段CC′测线位于准南缘东段(图 1)，由南至北横跨阜康断裂带、阜康凹陷两个二级构造单元。作为北天山和博格达山隆升的耦合产物，阜康断裂带同样具备前陆冲断带类似的结构及变形特征[11, 51-53]。该区滑脱层规模较准南缘西段、中段小[26]，因此以发育山前厚皮构造为主，向着内陆方向，逐渐转换为盖层滑脱的薄皮构造，但规模较小，为一中—新生代发育的构造变形体系，具有多期构造活动特征。早期构造受海西晚期—燕山期先存断层活动控制，晚期新生代以来的断层又对其进行了改造和叠加。
如CC′剖面(图 16)所示，山前冲断带主要受高角度基底卷入逆冲断层(如F1、F2)控制，多次造山活动致其多期活动，将中生界甚至古生界抬升、出露至地表，上盘形成多个褶皱构造。挤压环境中持续的俯冲作用使F2断层下盘地层发生强烈挠曲变形，形成宽缓低幅度的隐伏背斜并伴随形成断层F6、F7。朝着陆内方向，多余的挤压位移量沿着F2断层传递至三叠系小泉沟群泥岩滑脱层，然后沿着滑脱层进一步传递应力，形成上陡下缓的犁式滑脱断裂F5所控制的逆冲推覆构造。因滑脱层构造拆离作用，呈现出分层变形特征，滑脱层上、下构造形态存在明显差异。后期冲断带整体遭受统一剥蚀，最终形成现今该构造形态。
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图 16 准南缘冲断褶皱带东段典型地震地质结构剖面CC′ |
根据准南缘东段典型剖面构造变形特征，参考CC′剖面，设计了长为40 km、高为5 km的初始模型(图 17)。能干层抗拉强度均为2.0×107 Pa、剪切强度均为4.0×107 Pa、内摩擦系数均为0.3。在靠近挤压端2、8 km处设置两条倾角为45°的先存断层F1和F2，用于模拟山前南倾的基底断层，内摩擦系数均为0；在断层F2上倾端右侧设置一套厚度为500 m的滑脱层，内摩擦系为0.1，用于模拟三叠系小泉沟群泥岩滑脱层；实验沿x方向挤压14 km后停止，删除y方向5 km以上颗粒，用于模拟构造抬升后的剥蚀作用，观察冲断带变形特征及变形过程。模拟结果揭示的冲断带新生代构造变形特征及过程(图 17)符合地震地质解释方案(图 16)。由图可见，挤压7 km时，冲断带整体变形特征类似准南缘西段。山前先存断层F1、F2率先活化，基底被卷入变形并伴随反冲断层形成两个背斜构造。随着挤压量的增大，一部分位移量继续造成山前的构造抬升，多余的位移量则沿F2先存断层传递至三叠系小泉沟群泥岩滑脱层；应力沿着滑脱层F5继续向内陆传递，形成铲式滑脱断层，伴生的反冲断层构成冲起构造(背斜)。受滑脱层变形解耦作用，其上、下呈现出分层变形特征，F5断层下盘发育两条背冲断层(F6、F7)所控制的隐伏背斜。后期遭受统一夷平剥蚀，形成东段典型剖面现今构造形态。
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图 17 准南缘冲断褶皱带东段典型剖面CC′离散元模拟结果 |
综上所述，利用离散元模拟重构准南缘东段新生代构造变形过程，揭示了先存断裂及单套弱滑脱层共同控制了其形成与演化。
4 讨论与结论 4.1 讨论本文实验采用的离散元数值模拟方法能很好地模拟弹性形变和塑性形变[28, 54]。通过模型正演可以实现构造变形过程，显示剖面主要构造变形形态及特征，从而揭示构造主控因素和变形机制。本文利用此方法着重分析了滑脱层强度、厚度、组合、分布及同沉积作用和先存构造等对准南缘冲断褶皱带构造变形的作用，但实际上影响前陆地区构造及变形的因素远比实验更为复杂，如火山活动、挤压边界形态、挤压速率、应力差异、地温梯度及差异剥蚀等。限于目前技术条件，还很难定量模拟实验与研究。如准南缘西段模拟剖面并未模拟出地震地质结构剖面中的走滑断层，这是因为其由单一x方向的挤压应力造成，与形成走滑断层的应力场不同。东段剖面假设的统一剥蚀同阜康断裂带地表沟壑纵横形态存在一定出入，实际应为差异剥蚀。同时，因二维尺度还很难模拟冲断带沿走向的构造变形，设置不同元素时也无法准确确定其空间范围，故采用简化的地层、断层及古凸起产状模型，尽可能真实、合理地还原冲断带运动变形过程。虽然该模拟方法中模型存在一定程度的简化及类似，但仍可表征出冲断带构造几何学和运动学特征及变形机制，这在一定程度上验证了解释模型的合理性并可指导复杂区构造样式的构建，为前陆冲断带构造变形特征及变形机制研究提供了一种新方法。
4.2 结论(1) 在宏观构造特征认识基础上，利用基于离散元数值模拟方法开展准南缘构造几何学及运动学分析，进一步明确了准南缘新生代构造变形机制，即滑脱层性质(强度、厚度)及其组合关系控制了构造纵向叠置关系及构造样式；滑脱层横向分布及同沉积作用控制了冲断带横向变形范围；先存构造(古凸起、先存断裂)影响后期构造变形、构造纵向叠加。
(2) 依托离散元数值模拟实验，进一步明确了准南缘地区不同区带新生代以来的构造变形机制，即先存断裂、古凸起、三套不同性质滑脱层纵向叠置及同沉积作用共同控制了西段的构造形成与演化；“下强上弱”“下薄上厚”两套纵向叠置滑脱层控制了中段的构造形成与演化；先存断裂及单套较弱滑脱层控制了东段的构造形成与演化。
(3) 离散元数值模拟方法在准南缘冲断褶皱带构造变形特征及变形机制研究中的应用，有利于进一步发展前陆盆地褶皱冲断构造地质理论，这在一定程度上补充了前陆地区构造变形的研究方法。
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