地球物理学报  2015, Vol. 58 Issue (10): 3615-3626   PDF    
拉分盆地形成机制三维数值模拟——以海原断裂带老龙湾盆地为例
庞亚瑾, 张怀, 程惠红, 董培育, 王静静, 石耀霖    
中国科学院计算地球动力学重点实验室, 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
摘要:拉分盆地是走滑断层系中受拉伸作用形成的断陷盆地.一般在两条平行断层控制下发育.盆地形似菱形,几何形态主要受两条主控走滑断层错距和叠接长度影响.本文以青藏高原东北缘海原断裂带老龙湾拉分盆地第四纪所处的构造环境为基础,参考盆地周围断层几何分布,建立了三维有限元数值模型,模拟该拉分盆地的演化过程;进一步分析了断层力学性质、地壳分层结构等各因素对盆地形成和演化的影响.模拟结果显示,盆地地表沉降伴随有下地壳物质的上涌,此上涌对盆地地表沉降存在阻碍作用.各因素的影响具体表现为:(1)断层力学性质(弹性模量和黏滞系数)越弱,其对构造应力较低的传递效率导致盆地两端差异性运动越明显,从而形成较大的盆地地表沉降和明显的上地壳减薄.(2)平行主控断层的叠接长度反映盆地形成的拉伸作用范围,叠接长度越大,相同的差异性运动在单位面积形成的拉伸应力越小,盆地地表沉降较小.(3)下地壳流变性影响其物质的上涌量,下地壳黏滞系数越小,其对上部拉伸作用的响应越明显,上涌量越大,此上涌对上地壳沉降形成的阻碍作用也越明显.根据老龙湾拉分盆地所处的构造格局,将平行断层的叠接长度取20 km,当断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,参考该盆地第四纪构造演化历史,模拟得到的盆地第四纪下沉量与盆地内第四系沉积层厚度在规模上近似,下地壳黏滞系数取值在(2.5~5.0)×1021 Pa·s范围内时,盆地下沉量模拟结果与老龙湾拉分盆地第四系地层厚度吻合较好.
关键词拉分盆地     地表沉降     地壳分层结构     有限元数值模拟    
Three-dimensional numerical simulation of pull-apart basins: an example of the Laolongwan basin in the Haiyuan fault zone
PANG Ya-Jin, ZHANG Huai, CHENG Hui-Hong, DONG Pei-Yu, WANG Jing-Jing, SHI Yao-Lin    
Key Laboratory of Computational Geodynamics, College of Earth Sciences, Univerisity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: A pull-apart basin is formed by the extension in a strike-slip fault system, generally controlled by two parallel faults. Such a pull-apart basin is rhombic-shaped, whose geometry is determined by the distance and overlap between the two faults. There are many factors controlling the formation and evolution of pull-apart basins. Numerical simulation is an efficient way to explain the mechanism of pull-apart basin generation. This work studies the major factors that control the formation of pull-apart basins based on 3D finite element modeling.
As the formation and evolution of a pull-apart basin is a long geological process, we construct a 3D finite element visco-elastic model based on the tectonic setting during Quaternary of the Haiyuan fault zone, northeast of the Tibet plateau. In the numerical model, the two master faults are thin zones of weaker mechanical property. Furthermore, we analyze the effect of each factor, such as mechanical property of weak fault zones, layered structure of the crust and overlap of master parallel faults.
According to the simulation results, the extension of upper crust leads to surface subsidence in the basin and upwelling of lower crust. The upwelling to some extent hinders surface subsidence. The effects of all factors are summarized as follows: (1) The weaker faults transfer tectonic stress less efficiently, which can result in more obvious differences in movement, large surface subsidence and thinning of upper crust. (2) The overlap of two master parallel faults determines the area of extension, the longer overlap leading to weaker extensional stress and less surface subsidence. (3) The rheology of lower crust affects its upwelling, low viscosity of lower crust resulting in more sensitive response to extension in upper crust and large upwelling of lower crust which hinders surface subsidence more strongly. Based on the tectonic setting and the evolution during the Quaternary period of the Laolongwan pull-apart basin, we set up a model in which the overlap of faults is 20 km, viscosity of the fault is 1/10 of the surrounding rock. The simulated surface subsidence of the basin is similar to the sedimentary thickness during the Quaternary period. When the viscosity of lower crust in (2.5~5.0)×1021 Pa·s, the simulated surface subsidence accords well with the Quaternary sedimentary thickness.
The weaker fault zones and overlap of two master parallel faults all play significant roles in the formation of the pull-apart basin, controlling differential tectonic movement through the weak fault zones. The rheology of lower crust affects the surface subsidence of the pull-apart basin by its upwelling. As to the Laolongwan pull-apart basin during the Quaternary, we establish an optimal model according to the tectonic setting. The simulated surface subsidence matches well with the Quaternary sedimentary thickness, with the viscosity of lower crust ranging (2.5~5.0)×1021 Pa·s.
Key words: Pull-apart basin     Surface subsidence     Layered structure of crust     Finite element simulation    
1 引言

拉分盆地是走滑断层系中受拉伸作用形成的断陷盆地.最典型拉分盆地类型以死海拉分盆地为例,发育于间断的平行走滑断层系中,即左行左阶和右行右阶雁列断层系相对错动产生拉伸作用形成的盆地,多表现为菱形构造格局(Burchfiel and Stewart,1966Mann et al.,1983).Aydin和Nur(1982)通过对一系列规模为几十米到几十千米的菱形拉分盆地形状分析认为,随着主控断层位错量的增加,盆地长度和宽度同时增加,且盆地长、宽比基本为3左右(Aydin and Nur,1982Gürbüz,2010).

大型走滑拉分盆地常发育于大陆转换断层带和板内、板间的走滑断层带,并伴随有地震发生.板块边界的转换断层往往贯穿整个岩石圈,但板内平移断层一般仅局限在地壳范围内(Sylvester,1988).大型拉分盆地形成的驱动力主要来源于板间边界的相对运动所形成的拉伸作用或板内平行断裂系的相对平行拉伸构造运动.在构造应力作用下,拉分盆地边界水平滑移量可达几十千米,其形成所需时间高达数十万年至数百万年.在地质时间尺度范围,地壳呈现出黏性流变特性,相对于弹性效应占主导作用.岩石圈的分层流变结构,即脆性上地壳、柔性下地壳和软流层的相互耦合作用很大程度上控制了地壳的构造变形,如造山带、沉积盆地的形成和演化,岩石圈下层流变性质是大陆板块构造变形的主要控制因素(Bürgmann and Dresen,2008; Chen et al.,2013). 拉分盆地的形成演化同样受上、下地壳耦合作用影响.

拉分盆地形成和演化的数值模拟有助于我们更清晰地了解盆地形成的运动过程和动力学机理,针对于拉分盆地的数值模拟前人已开展了一系列的工作.Rafael等(1995)模拟三维弹性上地壳范围内拉分盆地的形成,分析平行断层间距及断层相对叠接长度对盆地几何形态的影响,并证实单纯的平行走滑断层带的相对错动不会产生拉伸作用进而形成盆地.但其模型驱动力源主要来自下地壳对上地壳底部的区域性剪切作用.根据大型拉分盆地所处的走滑断层带构造环境,Petrunin和Sobolev(2008)将两条平行走滑断层两侧的相对走滑运动作为盆地形成的主要驱动力,利用黏弹塑性有限元模型模拟死海拉分盆地在千万年地质时间尺度内的演化,结果显示盆地下沉量受岩石圈脆性层的拉伸运动和下部岩石圈韧性部分上涌流动共同作用.

在前人已有的工作基础上,考虑地壳分层结构耦合作用及地壳在地质时间尺度内的变形演化,本文采用三维黏弹性Maxwell模型,利用有限元方法模拟拉分盆地在地质历史时期的形成和演化过程,以青藏高原东北缘海原断裂带老龙湾拉分盆地为例,分析地壳分层结构耦合作用下拉分盆地形成及演化的基本物理规律和关键性控制参数.进一步探讨拉分盆地形成所必需的地质构造和地球动力学特征,如下地壳流变性质、断层带力学性质和断层空间分布特征对盆地形成和演化的影响.

2 模型描述 2.1 地质概况

海原断裂带位于青藏高原东北缘,是青藏、鄂尔多斯和阿拉善三个镶嵌块体之间的一条活动构造带.新生代,沿海原断裂带及其两侧地区,形成一系列总体走向为北西西的逆冲断层系.早更新世末、中更新世初,由于区域应力场的变化,该地区在已形成的新生代北西西向平行逆冲断层系基础上,发育了几条巨大的北西西向左旋走滑断裂(陈社发和邓起东,1985邓起东等,1987).海原活动断裂带在已有的褶皱和逆冲断层基础上产生左旋滑动,左旋走滑海原活动断裂走向为60°N—65°W,倾角近似直立,且左旋滑动最早可追溯至更新世(Burchfiel et al.,1991).Gaudemer等(1995)对东祁连山海原断裂带西部活动构造的研究表明逆冲或左旋走滑断层始于新生代晚中新世,在上新世—第四纪产生滑动分区.

由于海原断裂带的左旋滑动,区域内新生代盆地发育,并分布有不同规模的拉分盆地.其中最大规模的老龙湾盆地发育在老虎山和哈斯山隆起的左阶斜列部位,长约30~50 km,宽约20 km,呈菱形分布.受后期构造运动作用,此盆地已隆升变形,内部断裂和褶皱均较发育,由于地层和构造变形与周围地层的差异,盆地呈明显的菱形影像(田勤俭等,2000; 田勤俭等,2001).

图 1 研究区构造示意图(田勤俭等,2001) 矩形虚线框为本文模拟老龙湾盆地选取范围. Fig. 1 Schematic map showing tectonics of research area (Tian et al., 2001) Dashed box is the range of Laolongwan basin.
2.2 动力学方程

由于拉分盆地的动力学机制涉及到长时间尺度的演化问题,所以本次模拟选取黏弹性Maxwell模型模拟盆地的形成和演化过程.

三维黏弹性Maxwell体满足以下方程形式:

平衡方程为

几何方程为

Maxwell体应力-应变(本构)关系为

其中:

其中,σij 为应力张量,fi为体力项,ui为位移分量,εij为应变张量,为应变速率,为应力速率,[D]为弹性矩阵,E为弹性模量,υ为泊松比,η为黏滞系数,[Y]为黏性项矩阵.

2.3 拉分盆地几何模型

根据拉分盆地简单模型,即受两条平行的直立走滑断层作(左行)左阶叠接或(右行)右阶叠接形成的拉伸构造(Christie-Blick and Biddle,1985),参考青藏高原东北缘地壳三维速度结构探测结果(Liu et al.,2006; 刘明军等,2008)和老龙湾拉分盆地周围断层空间分布信息(田勤俭等,2001).本文建立长(X轴)160 km、宽(Y轴)80 km、深(Z轴)45 km的三维有限元模型,见图 2,模拟老龙湾拉分盆地在第四纪构造应力场作用下的演化过程,模型深度方向上,上地壳厚度为25 km、下地壳厚度为20 km.海原地震区的深地震反射剖面中折射波走时反演结果显示从地表到地壳10 km深处,海原断裂均处于陡立状态,随着深度增加倾向变缓,深部变缓很可能反映了该断裂在新生代早期受到强烈挤压而形成的逆冲推覆滑脱面的产状,而非后期构造断层的空间几何形态(Fan et al.,2004; 王海燕等,2013).因此模型中将断层选取为埋深为10 km的直立走滑断层,根据野外观测数据(田勤俭等,2001),选取两条平行断层间距为20 km,断层左阶叠接长度为20 km,见图 2.

图 2 三维有限元模型 绿色部分为上地壳,黄色部分为下地壳,两条红色狭窄区域为断层选取范围,箭头指向块体边界的运动方向,线AA′,BB′为数据分析选取的参考线. Fig. 2 3D finite element model Green part is upper crust. Yellow part is lower crust. Two thin zones are parallel weak faults. Arrow indicates relative motion of south block. Lines AA′ and BB′ are references for data analysis.
2.4 模型参数选取

利用青藏高原东北缘地震折射剖面P波和S波速度结构及泊松比结构(Liu et al.,2006; 刘明军等,2008; Xu et al.,2014),根据波速与地壳密度经验公式获得地壳密度分布(Christensen and Mooney,1995; 朱广生等,1995),进而计算得到弹性模量等地壳力学参数(表 1).Zang等(2005)通过岩石圈地震波速度结构、热结构和岩石圈岩石组成等数据计算得到鄂尔多斯地块及其周围三维岩石圈流变结构,结果显示鄂尔多斯地块西侧海原断裂带下地壳黏滞系数约为4×1020~3×1021 Pa·s;石耀霖和曹建玲(2008)利用实验室流变试验结果、以岩石圈温度和应变速率的最新研究成果为基础,计算中国大陆岩石圈等效黏滞系数,其中海原断裂带下地壳黏滞系数约为8.0×1020~5.0×1021Pa·s;根据以上结果,本次模拟研究地区下地壳黏滞系数选取范围为5.0×1020~21Pa·s.综上,模型中地壳力学参数取值见表 1(Christensen and Mooney,1995; 朱广生等,1995; Zang et al.,2005; Liu et al.,2006; 刘明军等,2008; 石耀霖和曹建玲,2008; Xu et al.,2014).

表 1 模型力学参数 Table 1 Mechanical parameters of model

地质和地球物理证据表明,相对于周围岩石,断层带为力学性质较弱的区域,因此震间蠕滑和同震滑动容易发生在断层带内(Chester and Logan,1986; Ben-Zion and Sammis,2003; Gudmundsson,2004). 由于断层带力学性质弱,其承受剪应力的能力降低,对应力的传递效率也降低.Hamiel和Fialko(2007)利用三维有限元方法模拟北安纳托利亚断层系统周围同震地表变形,表明断层厚度为几千米、弹性剪切模量为周围基岩的1/3时,数值结果与观测到的GPS、InSAR数据吻合效果最好.因此,本次模型将断层选取为厚度为1 km,通过降低黏弹性本构关系中黏滞系数和弹性模量来实现对断层软弱带的处理.

2.5 边界条件设定

根据断层走滑作用开始形成的时代及最大错距,大致求得海原断裂带自第四纪或中更新世初期以来的平均滑动速率为5.8~19.2 mm·a-1(邓起东等,1987),海原断裂带西侧毛毛山—老虎山段平均滑动速率约为10±3 mm·a-1(Gaudemer et al.,1995; Lasserre et al.,1999);受印度、亚欧板块碰撞和青藏高原造山作用影响,GPS结果显示海原断裂带南部整体向东运动,南部断裂呈现左旋向东的运动模式(Tapponnier and Molnar,1977;朱守彪和石耀霖,2007; Zhang et al.,2007).参考海原断裂带所处的构造环境,对模型中与断层面平行的南侧面(Y=0)施加沿X轴正方向,大小为1 cm·a-1的速度边界约束,使模型中两条平行断层产生左旋向东的走滑错动;对应北段刚性块体处的侧面(Y=80 km)沿X 、Y、Z方向均固定;模型东、西两个侧面(X=0、X=160 km)和底面(Z=-45 km)在垂向上(Z方向)速度约束为0,沿水平方向(X、Y方向)为自由滑动边界;模型顶面在各(X,Y,Z)方向上均为自由滑动边界.

基于有限元方法对模型进行网格剖分,采用四面体非结构化网格,考虑到模型中断层厚度较小,本文对模型中断层带附近进行了局部网格加密处理,断层带附近网格单元大小为200 m,远离断层带网格较稀疏,单元大小增至4000 m.模型节点总数为141945个,单元总数为765560个.

3 数值模拟结果与分析

根据拉分盆地所处的构造特征,本文通过一系列对比试验分析断层力学性质、平行断层叠接长度和下地壳黏滞系数等因素对拉分盆地形成、演化和几何形态的影响.

3.1 断层带力学性质的影响

断层带作为具有一定厚度的软弱带,其力学参数(如弹性模量、剪切模量和黏滞系数等)较周围基岩低,本次模拟通过降低断层带的力学性质黏滞系数和弹性模量来实现.断层带力学性质越弱,断层带弹性模量和黏滞系数的取值越小,在构造应力作用下断层带对应变的吸收作用就越强,其力学传递效率就越低,从而影响拉分盆地的整体形态.

3.1.1 断层带弹性模量的影响

在断层叠接长度、下地壳黏滞系数和断层带黏滞系数为定值时,本次研究分别计算了断层带弹性模量5种不同取值的模拟结果,来分析断层弹性模量对盆地形成的影响.由于黏弹性Maxwell体弹性变形在松弛时间范围内起主要作用,松弛时间是指物体受力变形,外力解除后材料恢复正常状态所需的时间,Maxwell体的松弛时间 τ 的计算公式为黏滞系数与弹性模量的比值,如公式(6).断层带的松弛时间大于5万年(见表 1),因此为分析断层弹性参数的影响,选取计算总时间小于断层带松弛时间,在此选3万年,时间步长为30年,公式(6)为

模拟结果表明,拉分盆地地表下沉伴随着下地壳物质的上升运动,盆地下部上、下地壳界面呈现向上弯曲,上地壳厚度变薄,见图 3a3b;盆地肩部隆起,对应其下部上、下地壳界面呈现下降趋势,此处上地壳厚度增加,见图 3c3dSims等(1999)通过物理试验探究底部塑性层对拉分盆地的影响,试验结果同样显示塑性层在盆地底界面存在上升运动.

图 3 断层不同弹性模量对应的地表与上、下地壳界面垂向位移对比(线AA′, BB′见图2E为断层周围基岩的弹性模量) Fig. 3 Comparison of vertical displacement on surface and interface between upper and lower crust with different elastic modulus of fault (Locations of AA′ and BB′ are shown in Fig.2, E is the elatic modulus of bed rock around faults)

断层带弹性模量对盆地地表沉降量影响较小,但对于盆地肩部隆起影响明显:弹性模量越小,盆地肩部隆起越大.断层弹性模量对盆地上、下地壳界面的垂向位移影响显著:弹性模量越小,盆地上、下地壳界面的垂向上升量越大,上地壳的减薄效应越明显.下地壳黏滞系数取定值时,断层弹性力学性质差异所引起的盆地上、下地壳界面的垂向位移差异说明断层弹性力学性质越弱,其对构造应力的传递效率越低,盆地两侧相对运动对盆地的拉伸作用和盆地地壳的减薄作用越强.较强的盆地上地壳拉伸驱动产生较大的下地壳物质上涌量.但不同程度的拉伸作用对盆地地表沉降影响甚微,在一定程度上说明下地壳上涌对盆地地表沉降存在阻碍作用,所以造成断层不同剪切系数取值对盆地地表沉降量作用不明显.

3.1.2 断层带黏滞系数的影响

由于在长时间尺度下,岩石呈现出黏性流变特性.所以对于拉分盆地在地质历史时期的演化过程,断层带黏滞系数的影响不可忽略.本次模拟分别计算了断层带黏滞系数4中不同取值对盆地演化的影响.由于断层带黏性松弛时间为万年尺度,在此选取计算总时间为40万年,时间步长为300年.

计算结果表明,断层带黏滞系数取值对盆地地表沉降量影响显著,而对盆地下部上、下地壳界面垂向位移影响较小.断层带黏滞系数越小,断层带内易产生黏性流动,其对构造应力的传递效率降低,盆地两侧差异性运动引起的拉伸作用越强,造成盆地地表沉降量越大;断层带不同黏滞系数取值对应的盆地地表沉降量差异明显,见图 4a4b.同样,断层带黏滞系数越小,上、下地壳界面垂向上升量也越小,但差异不明显,见图 4c4d.初步分析认为断层带松弛时间明显大于下地壳的松弛时间,由断层带内黏滞系数所引起的差异性运动和拉伸作用对下地壳存在一定的后滞作用,所以断层带不同黏滞系数对盆地上、下地壳的上涌运动影响较小.

图 4 断层不同黏滞系数对应的地表与上、下地壳界面垂向位移对比(线AA′, BB′见图 2η为断层周围基岩的黏滞系数) Fig. 4 Comparison of vertical displacement on surface and interface between upper and lower crust with different viscosity values of fault (AA′ and BB′ are shown in Fig.2, η is viscosity of bedrock around faults)
3.2 主控滑移断层叠接长度对盆地演化的影响

主控滑移断层叠接长度是影响盆地形成、演化和几何形态的重要因素,本文计算了模型中两侧主控断层间距为20 km,断层叠接长度分别为10 km、20 km、30 km的结果,分析不同主控断层叠接长度对盆地几何形态和空间分布的影响:主控断层叠接长度越大,盆地地表下沉量越小,盆地地表越平缓且水平分布范围越广;断层叠接长度为20 km和30 km所引起的盆地地表沉降量差异较小,断层叠接长度为10 km形成陡峭、狭窄的盆地,见图 5a5b.断层叠接长度为30 km引起的下地壳上涌量较小,见图 5c5d.综上可知,主控断层叠接长度对盆地规模和地表沉降量有重要的影响,主要原因在于断层不同重叠量影响差异性运动引起的拉伸力的作用范围,断层叠接长度越大,拉伸力的作用范围越广,对盆地内局部拉伸作用越小,从而形成宽缓、沉降量较低的盆地.

图 5 断层不同叠接长度对应的地表与上、下地壳垂向位移对比(线AA′, BB′见图2) Fig. 5 Comparison of vertical displacement on surface and interface of upper and lower crust with different overlap lengths of parallel faults(AA′ and BB′ are shown in Fig.2)

图 6为主控断层叠接长度分别为10 km,20 km,30 km,地表的垂向位移分布.根据垂向位移可以进一步分析盆地的几何形态呈以主控断层两端点连线为对角线的菱形构造,盆地总体上呈中心对称分布.主控断层叠接长度为10 km形成的拉分盆地地表沉降量大,盆地呈狭长分布;随着主控断层叠接长度增加,盆地地表沉降量降低,拉分盆地分布范围扩大;主控断层叠接长度为30 km时,盆地在接近断层角点部分出现两个沉降中心.从力学角度分析,断层引起的差异性运动所产生的拉伸力在断层角点处集中较为明显,即断层角点处沿x方向的水平拉伸作用强烈;当两角点距离足够大时,便可以分别在两角点处产生两个沉降中心.

图 6 断层不同叠接长度对应盆地几何形态对比 (a) 断层叠接长度为10 km对应的地表垂向位移结果;(b) 断层叠接长度为20 km对应的地表垂向位移结果;(c) 断层叠接长度为30km对应的地表垂向位移结果. Fig. 6 Comparision of basin geometry corresponding to different overlap lengths of faults (a) Vertical displacement on surface with 10 km overlap; (b) Vertical displacement on surface with 20 km overlap length; (c) Vertical displacement on surface with 30 km overlap length.
3.3 下地壳黏滞系数的影响

区域构造的长期演化机制主要受制于地壳的分层结构,力学强度较弱的柔性下地壳很大程度上控制了上地壳的变形(Bürgmann and Dresen,2008; Chen et al.,2013).考虑地壳分层结构上、下地壳的耦合程度,本次模拟计算了下地壳黏滞系数分别 为5.0×1020Pa·s 、1.0×1021Pa·s 、 2.5×1021Pa·s和5.0×1021Pa·s四组模型,其中断层弹性模量取值为周围基岩的1/10,断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,对比下地壳不同黏滞系数对上地壳变形即盆地下沉量的影响.模型计算总时间为60万年,计算时间步长为30年.

模拟结果表明,下地壳黏滞系数对盆地地表沉降量和上、下地壳物质上涌影响显著.下地壳黏滞系数越大,拉伸作用引起的上、下地壳界面垂向上升量越小,见图 7c7d,盆地地表沉降量越大,见图 7a7b.由于下地壳物质上涌的驱动力主要来源于盆地上地壳拉伸应力,当断层带性质和主控断层相对重叠量相同时,断层引起的差异性运动所导致的盆地的拉伸作用强度也相同.下地壳黏滞性系数越大,其流变性质越弱,下地壳物质上涌量随之减小;从上、下地壳物质上涌量的差异可以看出,下地壳物质上涌在一定程度上阻碍了盆地地表沉降,底部上涌量越小,对地表的阻碍作用就越弱,从而形成下地壳黏滞性系数越大,盆地地表下沉量越大的结果.

图 7 下地壳不同黏滞系数对应的地表与上、下地壳垂向位移对比 (线AA′, BB′见图2 ) Fig. 7 Comparison of vertical displacement on surface and interface of upper and lower crust with different viscosity values of lower crust (AA′ and BB′ are shown in Fig.2 )

图 8 下地壳不同黏滞系数地表位移分布 (a) η=5.0×1020 Pa·s地表垂向位移分布; (b) η=1021 Pa·s地表垂向位移分布; (c) η=2.5×1021Pa·s地表垂向位移分布;(d) η=5.0×1021 Pa·s地表垂向位移分布. Fig. 8 Vertical displacement on surface from modeling with different viscosity values of lower crust (a) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 5.0×1020 Pa·s; (b) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 1021 Pa·s; (c) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 2.5×1021Pa·s; (d) Vertical displacement on surface with lower crust viscosity of 5.0×1021 Pa·s.
3.4 模拟结果与老龙湾盆地地质信息对比

本文分别计算以上四组下地壳黏滞系数模型在60万年内的演化结果,由图 7可知,下地壳黏滞性系数越大,拉分盆地地表垂向沉降量越大,盆地分布范围更广.由于海原断裂带第四纪左旋走滑活动始 于早更新世末、中更新世初(Burchfiel et al.,1991),参考Gaudemer等(1995)老虎山断裂第四纪构造滑移信息,本文选取60万年时间近似老龙湾拉分盆地在第四纪的演化总时间.当断层弹性模量取值为周围基岩的1/10,断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,主控断层相对重叠量为20 km,下地壳黏滞性系数不高于1.0×1021Pa·s时,盆地内最大沉降量小于240 m,且大范围区域的地表沉降量约为230 m;下地壳黏滞系数在(2.5~5.0)×1021 Pa·s范围内时,盆地内最大沉降量约为270 m,大范围区域的地表沉降量约为250 m.由于老龙湾拉分盆地已经隆升变形,本文将盆地内第四系沉积层厚度作为盆地下沉量的参考依据.田勤俭等对海原断裂带老龙湾拉分盆地内地层沉积特征研究表明,拉分盆地内第四系沉积层厚度约为250 m,考虑到模型对于盆地演化速率和总时间的简化,本次模拟计算盆地沉降结果总体上与盆地实际沉积层厚度在规模上近似.

由于断层弹性剪切模量取值对盆地地表沉降影响不明显,且老龙湾拉分盆地断层相对重叠量根据断层构造信息确定大约为20 km,当断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,海原断裂带对应的下地壳黏滞系数在(2.5~5.0)×1021Pa·s范围内时,计算得到的盆地沉降量与老龙湾拉分盆地第四系沉积层厚度信息比较吻合.

4 结论与讨论

根据海原断裂带构造运动特征和拉分盆地分布,本文建立了三维黏弹性Maxwell模型模拟地壳分层结构下老龙湾拉分盆地在第四纪的演化,并通过对比模型下地壳黏滞系数、断层带弹性剪切模量、断层带黏滞系数和主控断层重叠量不同取值下的计算结果来分析各因素对盆地形成演化的影响,结果表明:

(1)地壳分层结构下,盆地形成过程中上地壳差异性运动引起的拉伸应力驱使盆地下地壳物质上涌,上升运动同时阻碍盆地地表沉降.

(2)断层带弹性模量和黏滞系数影响断层对构造应力的传递效率,断层性质越弱,断层对构造应力的传递效率越低,由于差异性运动引起的拉伸作用越强,盆地地表的沉降量越大.由于下地壳物质上涌对盆地地表下沉存在阻碍作用,断层的弹性模量对盆地沉降影响较小.断层带的黏滞系数对于盆地长时间演化作用明显,黏滞系数越小,断层带流变性质越强,较低的应力传递效率导致盆地拉伸作用明显,形成较大的盆地地表沉降量.由于断层带黏性作用相对于下地壳存在后滞效应,断层黏滞系数对下地壳上涌影响作用不明显.

(3)主控断层重叠量影响盆地几何形态和空间分布:主控断层间的重叠量越小,重叠区域的拉伸作用越明显,盆地下沉量也越大.但由于拉伸范围的限制,盆地的空间展布狭窄,当两条主控断层重叠量达到一定值时,断层角点处应力集中现象明显,从而形成两个盆地沉降中心.

(4)下地壳流变性质是控制地壳变形的重要因素,模型下地壳黏滞系数越小,下地壳流变性质越强,其上涌量越大,对盆地地表沉降的阻碍作用越明显,盆地地表下沉量越小.

本次模拟根据构造历史时期的平均滑动速率和总滑动历史来约束模型,计算得到与实际盆地沉积层厚度近似的拉分盆地地表沉降.根据海原断裂带老龙湾拉分盆地所处的构造格局,选取主控断层重叠量为20 km,忽略断层弹性模量对地表沉降的影响,当断层黏滞系数选取为周围基岩的1/10,下地壳黏滞性范围为(2.5~5.0)×1021 Pa·s时,计算所得的盆地下沉量与老龙湾盆地内第四系地层沉积厚度基本吻合.

在盆地演化过程中,由于区域拉伸作用盆地内发育产生一系列小型正断层和沿盆地边缘方向的走滑断层,边界走滑断层向盆地中心演化可能会引起盆地的消亡(Zhang et al.,1989).由于有限元数值模拟技术解决岩石破裂和断层发生过程是一个热点和难点问题,本文模型中运用黏弹性模型,未能模拟盆地内各类断层的产生和演化过程,从而忽略了断层演化对盆地的作用.

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和编辑部的大力支持!

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