地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (6): 2329-2344   PDF    
利用热运动学方法恢复构造隆升过程的探索
吴航1,2, 邱楠生1,2, 冯乾乾1,2, 常健1,2, 姜凯1,2, 张应鳞1,2, 吴世祥3     
1. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;
2. 中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249;
3. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083
摘要:构造隆升过程研究对矿产资源勘查及评价具有重要意义,是地质学家长期探索的关键科学问题之一.现有构造隆升过程的研究方法均具有一定的适用性和局限性,正反演方法之间难以建立定量关系.本文利用热运动学方法,通过离散元数值模拟,提取变形过程中离散单元的运动路径作为热年代学样品热史恢复的地质约束,实现了构造变形模拟和热年代学分析的定量耦合,在构造隆升研究中展现出巨大潜力.本文以川东地区多层滑脱褶皱作用作为研究对象,重点恢复了方斗山—齐岳山背斜在距今170~70 Ma内的隆升变形过程.热运动学分析表明:先存的齐岳山断裂串联了深部拆离面和浅部滑脱层,湘鄂西褶皱带在170~110 Ma开始形成;140~110 Ma间齐岳山断层由断展褶皱作用向断弯褶皱作用转化,齐岳山背斜开始发育,略早于东部的利川复向斜;约110~90 Ma,方斗山背斜发育,隔挡式褶皱带开始形成;约90~70 Ma,隔挡式褶皱规模逐渐增大,利川复向斜逐渐紧闭.正演模型建立、地温梯度计算、三维建模技术和应力演化分析是制约热运动学方法发展和完善的关键性因素.
关键词: 构造隆升      热运动学方法      川东地区      多层滑脱褶皱      离散元数值模拟     
Reconstruction of tectonic uplift process with thermo-kinematic method
WU Hang1,2, QIU NanSheng1,2, FENG QianQian1,2, CHANG Jian1,2, JIANG Kai1,2, ZHANG YingLin1,2, WU ShiXiang3     
1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
3. Petroleum Exploration & Production Research Institute, China Petroleum & Chemical Corporation, Beijing 100083, China
Abstract: As a key scientific issue for geological research, the reconstruction of tectonic uplift process is of great significance to the exploration and evaluation of mineral resources. The existing research methods have some applicability and limitations, and it is difficult to establish quantitative relationship between forward and inversion results. In this paper, we applied the thermal-kinematic method, which uses discrete element numerical simulation to record the motion paths of discrete elements during deformation and provides geological constraints for the thermal history reconstruction of thermochronological samples. This method achieved the quantitative coupling between tectonic deformation simulation and thermochronological analysis, and showed great potential in the research of tectonic uplift process. We focused on the multilayer detachment folding in the eastern Sichuan basin and reconstructed the uplift and deformation process of the Fangdoushan-Qiyueshan anticline within 170~70 Ma. The thermal-kinematic analysis showed that the pre-existing Qiyueshan fault connects the deep detachment surface and the shallow detachment layer. The western Hunan-Hubei fold belt germinated at 170~110 Ma. During 140~110 Ma, the fault-propagation folding gradually transformed into fault-bend folding. The Qiyueshan anticline began to develop, slightly earlier than the Lichuan synclinorium. From 110 Ma to 90 Ma, the Fangdoushan anticline developed and the ejective fold belt appeared. During 90~70 Ma, the scale of ejective folds gradually increased and the Lichuan synclinorium became tighter. The forward modeling establishment, geothermal gradient calculation, 3D modeling technology and stress evolution analysis are the key factors that restrict the development and improvement of the thermal-kinematic method.
Keywords: Tectonic uplift    Thermal-kinematic method    Eastern Sichuan basin    Multilayer detachment folding    Discrete element numerical simulation    
0 引言

构造隆升是构造运动的一个基本表现形式,是现代地球科学研究中的一个根本内容.它不仅是一个重要的地质基础理论问题,而且也与生产实践紧密联系.阐明构造隆升运动的过程和规律,对矿产资源勘查及评价具有重要的指导意义.准确恢复构造隆升的过程,包括时间、期次和性质等,一直是国内外地质学家长期探索的关键科学问题之一(崔盛芹, 2013).

目前,用于研究或反映地质体构造隆升过程的研究方法可以划分为正演和反演方法两大类,主要包括构造解析、平衡剖面技术、构造物理模拟、构造数值模拟和热年代学方法等等.其中,构造解析主要基于对地质构造的形态、产状及其组合形式的几何分析和空间分析,推测地质构造的隆升过程(贾小乐和何登发, 2014).平衡剖面技术是在封闭体系内,根据体积守恒、面积守恒或层长守恒原理,将变形后的剖面进行复原的半定量构造演化分析方法,在油气勘探领域已经得到广泛应用(范增辉等, 2018; 李长圣, 2019),该方法的优势在于仅需要地震剖面资料,并且能够利用浅层构造形态进行深部构造特征推测,但其劣势在于难以解析复杂褶皱断裂带的变形过程,定量效果较差(误差可达15%~20%,梅廉夫等, 2010).构造物理模拟是通过刚性或塑性材料在力的作用下发生变形来定性或半定量正演模拟构造变形过程的有效方法之一,适用于挤压、伸展、走滑、压扭和张扭等多种应力条件下的构造变形过程模拟(丁文龙等, 2010; Bonini et al., 2012; Dooley and Schreurs, 2012; Borderie et al., 2018),但是由于铺设技术的限制,常常需要简化地质模型,同时难以严格控制建模参数和定量研究局部构造(刘重庆等, 2013; 范绳等, 2015).构造数值模拟主要包括连续介质法(有限元、有限差分等)和非连续介质法(离散元)(李长圣, 2019),与构造物理模拟相比,构造数值模拟可以记录更多的变形数据,边界条件更容易设置,可重复性更高,但在数值建模、参数调试以及与实际构造匹配等方面还面临着很多挑战(Yamato et al., 2011; Fernandez and Kaus, 2014; Liu and Koyi, 2014).热年代学方法是一种建立在同位素年代学基础上,利用封闭温度理论反演矿物热历史,为地质事件提供定量年代学依据的技术,近年来被广泛应用于构造演化过程、剥蚀量恢复和断层活动等研究领域(Lock and Willett, 2008; Shen et al., 2009; 邱楠生等, 2010; Chang et al., 2012; Qiu et al., 2012; Guenthner et al., 2014; McQuarrie and Ehlers, 2017; Qiu and Liu, 2018).热年代学方法通过温度演化史间接反映构造活动,在热历史恢复时需要提供地质约束,严格的约束条件是恢复精度的重要保障.

鉴于现有方法均具有一定的适用性和局限性,多种方法的结合成为构造隆升研究的一个重要发展方向(梅廉夫等, 2010; 邓宾等, 2013),但目前正反演方法的联合应用尚处于探索阶段,正反演恢复结果难以建立定量耦合关系.在此背景下,本文尝试利用热运动学方法,实现构造物理模拟、离散元数值模拟和热年代学方法的定量耦合,并以我国页岩气勘探热点地区之一的川东地区作为研究对象,重点恢复距今170~70 Ma内方斗山—齐岳山背斜的隆升变形过程.

1 热运动学方法基本原理

热运动学方法(Thermo-kinematic Method)由哥伦比亚国家石油公司(Ecopetrol)的Andrés Mora博士研究团队提出(Almendral et al., 2015; Mora et al., 2015a),该方法基于有限元建模实现地质剖面赋温,通过构建FetKin程序将平衡剖面恢复软件2Dmove和热史恢复软件HeFTy联合,采用逐步逼近法使FetKin软件和HeFTy软件恢复的热史结果达到最大拟合,最终通过平衡剖面输出构造演化史、地层剥蚀量和变形速率,该方法已经在科迪勒拉山系和帕米尔山脉周缘的断褶带研究中取得了较好的应用效果(Mora et al., 2015a; Chapman et al., 2017).但是,由于有限元建模属于连续介质力学方法,需要将地质体分割成一系列靠节点相连的单元,通过建立节点关系方程式、施加边界条件和迭代求解计算来模拟地质变形,因此难以预测突发性的断裂活动(Mora et al., 2015b).此外,FetKin软件基于平衡剖面恢复进行地质剖面建模,本质上仍然缺乏正演地质约束,同时由于平衡剖面是一种半定量技术,FetKin程序研究结果的地质合理性和模拟精确性有待提高.

本文采用的热运动学方法是一种基于离散元数值模拟技术,将热年代学样品记录的热演化历史和构造活动的正演模拟结果进行联合以恢复构造隆升过程的研究方法.与FetKin程序相比,该方法真正意义上实现了热史反演与运动学正演的定量耦合,其核心技术是采用离散元方法DEM(Discrete Element Method)进行建模.DEM方法基于牛顿第二定律,其理论基础是Cundall和Strack(1979)提出的离散单元法,通过构建一个离散单元系统来模拟地质体,能够观测系统内颗粒介质在外力作用下的运动行为、相互作用(接触、黏结、重叠和破裂等)及其动力学特征(Cundall and Strack, 1979),因此该方法允许颗粒间产生大位移,能够更好地模拟剧烈变形,适用于模拟沉积地层的滑塌作用、断层作用、挤压增生和断层相关褶皱作用等多种非连续力学行为(Benesh et al., 2007; Liu and Koyi, 2013; Wenk and Huhn, 2013; 李长圣, 2019).与有限元方法相比,DEM方法在构造隆升研究方面具有独特的优势:①DEM方法利用离散单元进行建模,通过对不同单元群进行力学参数赋值来模拟沉积地层,这与构造物理模拟的建模原理是相近的,两种方法能够在相同尺度和变形机理上进行联合,理论更加成熟的构造物理模拟技术可以为离散元数值模拟提供构造变形过程的正演依据,提高数值模拟初期建模和参数调试的工作效率;②DEM方法能够弥补构造物理模拟在模型铺设、边界条件设置和定量研究中的不足,例如分析局部构造在隆升变形过程中的应力演化规律;③DEM方法能够记录颗粒单元在变形过程中的运动轨迹,可以反映对应样品在构造变形过程中深度和平面位置的变化,一方面可以为热史模拟提供地质运动学正演约束,使热史模拟结果更为收敛、更加符合变形规律,另一方面能够为热年代学测试的颗粒年龄分析提供地质依据.

应用热运动学方法恢复构造隆升过程的工作流程如图 1所示.首先,根据研究区的地质特征建立地质模型,开展热年代学样品采集.进一步地,通过反复调整实验模型和实验参数(相似比、岩性组合、地层厚度、断层倾角和力学参数等),使构造物理模拟结果、离散元数值模拟结果和实际地质剖面的变形特征逐渐逼近.并行地,进行采集样品的热年代学测试,获得样品的热年代学年龄数据,检验样品热年代学年龄分布规律是否与正演模拟的变形过程匹配.当满足上述条件时,进一步地提取离散元数值模型中与测试样品对应构造部位的离散颗粒的运动轨迹,结合地温梯度资料将其转化为热历史,并与测试样品反演获得的热史结果进行对比.通过反复对比和调试,使正演实验模拟的构造隆升历史与热年代学样品反演的降温历史不断逼近,实现正反演结果的定量耦合,最终得到研究区的构造隆升过程.

图 1 热运动学方法恢复构造隆升过程的工作流程 Fig. 1 Workflow of reconstructing tectonic uplift process using thermo-kinematic method
2 应用效果 2.1 研究区概况

川东地区位于扬子克拉通西部,北西边界为走向北北东、倾向南东的华蓥山断裂带,南东边界为广泛出露变质基底地层的雪峰隆起,北东边界为近北西—南东走向的南大巴山弧形造山带,南西边界为滇黔桂交汇地区(图 2a).川东地区北东—南西向长约600 km,北西—南东向宽约400 km,整体上表现为一个北北东—北东走向的、向北西略微凸出的弧形构造带,构造上由一系列相间排列的、断层切割的复背斜和复向斜组成(Yan et al., 2003; 胡召齐等, 2009; 梅廉夫等, 2010; 张岳桥等, 2010).川东地区出露地表的断层很少,主要断裂包括华蓥山断裂、齐岳山断裂、张家界—花垣断裂和南川—遵义断裂,其中华蓥山断裂和齐岳山断裂为先存断裂(梅廉夫等, 2010; 贾小乐, 2016).

图 2 川东地区构造地质简图. (a)地形和构造简图(据胡召齐等(2009)Yan等(2009)解国爱等(2013)修改);(b)区域地质剖面(据Dong等(2015)修改);(c)局部地质剖面(据Yan等(2009)修改). Fig. 2 Simplified geological map of the eastern Sichuan (a) Topographic and structural map (modified from Hu et al.(2009), Yan et al.(2009) and Xie et al.(2013)); (b) Regional geological section (modified from Dong et al. (2015); (c) Local geological section (modified from Yan et al.(2009)).

齐岳山断裂将川东地区划分为两个构造带:西带为川东褶皱带,宽约170 km,发育典型的薄皮隔挡式褶皱,背斜紧闭,褶皱轴面较陡立、西倾为主,断层以东倾为主,向斜宽缓平坦,主要出露侏罗纪和三叠纪地层;东带为湘鄂西褶皱带,宽约220 km,表现出厚皮隔槽式褶皱的特征(胡召齐等, 2009),自南东向北西地层褶皱程度逐渐减小,背斜隆升幅度逐渐降低(图 2b),出露地层也逐渐变新,卷入地层主要为南华系-三叠系,背斜核部主要出露南华系-奥陶系,向斜核部主要出露三叠系(图 2c).川东地区主要发育4套区域滑脱层,由深至浅依次是基底拆离层、下寒武统滑脱层、志留系滑脱层和三叠系滑脱层.

燕山期(约170~70 Ma)川东地区受太平洋板块俯冲作用的影响,发生大规模的、自南东向北西的逆冲推覆作用,这是川东复杂褶皱变形的主要形成时期(吴航等, 2019).喜马拉雅期,川东地区受太平洋板块俯冲和印度板块向欧亚板块碰撞挤入的双重影响,进一步隆升变形.川东地区中-新生代复杂的构造隆升变形使下古生界页岩经历了强烈的改造作用,对页岩气的富集与保存条件的研究具有重大意义(刘树根等, 2016).但是,受新生代沉积地层缺乏、地震资料有限和变形机制不明等因素的影响,川东地区中-新生代的构造隆升过程难以系统地研究和恢复.虽然学者们已经进行了大量的磷灰石裂变径迹和锆石(U-Th)/He的测试,但由于缺乏精细的地质约束,分析结果差异较大(梅廉夫等, 2010; 李双建等, 2011; 田云涛等, 2011; 王平等, 2012; 曹环宇等, 2016; 贾小乐, 2016).齐岳山断裂是川东地区隔槽式褶皱向隔挡式褶皱转化的重要枢纽(Yan et al., 2009; He et al., 2018; 吴航等, 2019),因此本次研究选取齐岳山断裂周缘的方斗山—齐岳山背斜(图 2c)作为重点研究对象,应用热运动学方法恢复其在170~70 Ma的隆升变形过程.

2.2 实验设计和测试样品

根据川东地区的地质特征,本次构造物理模拟和离散元数值模拟采用具有4套滑脱层(V1、V2、V3和Vb)的实验模型,自下而上分别模拟基底拆离层、下寒武统滑脱层、志留系滑脱层和三叠系滑脱层.物理模型和数值模型长度相似比均为2.0×10-6,即模型中1 cm对应地质原型的5 km.基底拆离面的深度约为21 km(Dong et al., 2015),加之川东褶皱带中-新生代的地层剥蚀量为3~4 km(邓宾等, 2009),因此认为变形前基底拆离面之上的地层厚度约为25 km,在模型中对应的厚度为5 cm,各单层厚度见图 3.构造物理模型中使用表面光滑的硬纸板模拟先存断层(齐岳山断层F1和华蓥山断层F2),离散元数值模型中通过墙命令(Wall)生成先存断层,断层倾角均为45°.断层F1铺设在基底拆离层和下寒武统滑脱层之间,断层F2顶底部分别终止于三叠系滑脱层和下寒武统滑脱层(图 3).齐岳山断裂以东志留系泥页岩砂质含量明显升高,滑脱作用减弱,强烈卷入变形,因此仅在齐岳山断裂西侧铺设.物理模型和数值模型总长120 cm,宽20 cm,厚5.8 cm,R1和R2的长度分别为70 cm和30 cm(图 3).

图 3 构造物理模拟和离散元数值模拟实验模型 Fig. 3 Experimental model of physical simulation and discrete element numerical simulation

构造物理模拟实验采用200万分子量的硅树脂模拟滑脱层,室温下黏度为1.0×104 Pa·s,密度为950 kg·m-3.将粒度50~70目、密度2600 kg·m-3的微玻璃珠(GB)铺设在硅树脂层上,模拟刚性岩层.由于层间滑脱层V1、V2和V3很薄,如果在数值建模时通过随机排列命令生成,颗粒直径将远小于1 mm,模拟运算时长将大大增加.通过不断调试颗粒直径及其排列方式,最终获得了比较理想的数值建模方案,即使用直径为2 mm的、单层的、均匀排列的颗粒生成滑脱层V1、V2和V3,其余地层则通过随机排列命令生成(颗粒孔隙度为25%),最终整个离散元模型共由7438个离散颗粒构成.结合已发表的数据(Liu and Koyi, 2013),通过反复调试刚性层和塑性层的刚度、黏度、黏结力和内摩擦系数,得到实验室尺度下离散元法模拟多层滑脱褶皱作用的理想力学参数(见表 1),保证在相同尺度上对比研究构造物理模拟实验和离散元数值模拟实验的变形特征.

表 1 离散颗粒的力学参数 Table 1 Mechanical properties of discrete particles

低温热年代学数据表明,川东地区主要形成时期约为距今170~70 Ma(梅廉夫等, 2010; 李双建等, 2011; 石红才等, 2014),考虑到喜山期川东地区开始受到印度板块和欧亚板块碰撞作用的影响,构造应力场分布特征复杂,因此本次实验仅模拟距今170~70 Ma内,川东地区(剖面AA′,图 2b)在来自南东方向的挤压应力作用下产生的构造变形过程.平衡剖面恢复结果显示,川东地区整体缩短量约为140 km,缩短率为1~2 mm·a-1(Li et al., 2015; He et al., 2018),考虑到挤压端的雪峰隆起的褶皱程度更加剧烈,本次模拟设定的最大挤压缩短率为30%,即剖面长度由600 km缩短到420 km,符合实际地质特征的理想挤压缩短率则根据实验变形特征进一步判定.基于已开展的模拟实验(吴航等, 2019),本次构造物理模拟实验和离散元数值模拟实验采用的挤压速率为0.4 mm/min.

本次研究采集了3个野外侏罗系砂岩样品进行了磷灰石裂变径迹和锆石(U-Th)/He测试,同时收集了3个已发表的样品数据,样品基本信息见表 2,平面位置见图 2a,剖面投影位置见图 2c.磷灰石裂变径迹测试采用外探测器法,在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室进行,测试结果见表 3.锆石(U-Th) /He测试在澳大利亚墨尔本大学实验室完成,每个样品测试3个颗粒,测试结果见表 4.

表 2 热年代学样品基本信息表 Table 2 Details of the thermochronology samples
表 3 磷灰石裂变径迹测试结果 Table 3 AFT analysis results of the samples
表 4 锆石(U-Th) /He测试结果 Table 4 ZHe analysis results of the samples
2.3 热运动学分析

通过构造物理模拟实验和离散元数值模拟实验,恢复燕山期(约170~70 Ma)川东地区在自南东向北西的逆冲推覆作用下的构造变形过程.通过反复调试数值模型中塑性层和刚性层的刚度、黏度和黏结力等力学参数(表 1),使构造物理模拟实验的变形过程与离散元数值模拟实验的变形特征逐渐逼近,最终结果如图 4图 5所示.当模型缩短率达到30%时,变形特征(图 4h图 5h)与实际地质剖面特征(图 2b)非常相似,沿挤压方向依次可以划分出高隆区、隔槽区、转换区、隔挡区和未变形区共5个构造区,分别对应雪峰隆起、湘鄂西褶皱带、齐岳山背斜(转换带)、川东褶皱带和川中凹陷.齐岳山断层(QYF)西侧的隔挡式褶皱带发育5~6个紧闭的背斜,其东侧的隔槽式褶皱带由两个复背斜和一个复向斜构成.齐岳山断层串联了深部和浅部的滑脱层,是隔槽式褶皱向隔挡式褶皱过渡的重要转换带,齐岳山背斜及其东西两侧的褶皱形态和断层发育特征与局部地质剖面(图 2c)比较类似,但模拟实验中齐岳山背斜的隆起幅度更高.

图 4 构造物理模拟实验剖面变形特征(修改自吴航等(2019)). S代表模型缩短率 Fig. 4 Cross-sections photographs of sequential deformation of physical modeling (modified from Wu et al.(2019)). S is the shortening ratio of the model
图 5 离散元数值模拟实验剖面变形特征. S代表模型缩短率 Fig. 5 Cross-sections photographs of sequential deformation of PFC modeling. S is the shortening ratio of the model

采集和收集的热年代学样品的磷灰石裂变径迹年龄主要集中在60~90 Ma(表 3),锆石He年龄主要集中在130~170 Ma(表 4),沿挤压方向没有明显的递变规律.基于这些热年代学参数开展热史模拟,模拟结果表明距今170~70 Ma内样品的降温程度与70 Ma至今的地温变化程度大体相同,考虑到三叠纪以来川东地区的古地温梯度由30~38 ℃/km降低至20~23 ℃/km(朱传庆等, 2017),推测样品在170~70 Ma内的隆升幅度应略小于总隆起高度的一半.由于距今70 Ma时各个样品的地层温度大体为70~90 ℃(图 6),即埋深约为2.0 km,对比后发现挤压缩短率为25%时隔挡式褶皱的隆升幅度(图 4f图 5f)与170~70 Ma样品的降温幅度较为吻合(图 6),因此认为缩短率为25%时的正演模拟结果反映了70 Ma时川东地区的变形程度.最佳热史路径显示样品RXZ-2、No.9、JN-1、JL-1、LC-2和X5的初始隆升时间分别为90 Ma、100 Ma、103 Ma、132 Ma、118 Ma和140 Ma(图 6),与正演模拟的变形规律并不完全匹配,可接受路径区域较宽,恢复结果误差较大,需要进一步检验.

图 6 热运动学分析前后的热史结果对比 Fig. 6 Comparison of thermal history results before and after thermo-kinematic analysis

为了检验正演模拟的变形规律与样品反演的热史是否匹配,在数值模型中选取与样品构造部位相对应的颗粒,提取其在变形过程中的运动路径(图 7),并通过古地温梯度(30~33 ℃/km,朱传庆等(2017))将其转化为温度路径(图 8).因为离散元数值模型中的颗粒直径(1~2 mm)远大于构造物理模拟使用的微玻璃珠(200~300 μm),更难发生滚动,导致数值模型中齐岳山背斜的隆起幅度更大,隔挡式褶皱的隆升高度较低,因此在温度路径转化过程中保留了颗粒的运动趋势(图 7),并根据缩短率为25%时构造物理模拟实验的变形程度(图 4f),对提取颗粒的隆起高度进行修正(图 8).结果表明,样品RXZ-2、No.9、JN-1、JL-1、LC-2和X5的初始隆升时间分别为90 Ma、90 Ma、110 Ma、142 Ma、138 Ma和138 Ma,开始隆升时的温度分别为125 ℃、125 ℃、120 ℃、140 ℃、135 ℃和135 ℃(图 8),年龄读取误差为±3 Ma,温度计算误差为±5 ℃.对比运动路径转化获得的温度路径和热年代学样品反演的热历史,可以发现正演温度路径(红色)几乎整段位于反演的最佳热史路径(紫色)区域内(图 6),这表明正演隆升历史与反演的降温历史基本吻合.自此,完成了反演热历史对正演变形史的检验.进一步地,将正演温度路径作为热史反演的构造运动学约束,重新进行热史模拟(由于引用样品无法取得原始数据,难以再次模拟,因此仅将运动学约束标注在原有热史图上),获得了更为收敛、更为符合变形规律的隆升-降温历史(图 6).自此,完成了正演变形历史对反演热历史的定量约束.

图 7 提取的样品运动路径 Fig. 7 Extracted motion paths of the samples
图 8 正演模拟获得的温度路径 Fig. 8 Temperature paths obtained by forward modeling

上述热运动学分析表明,距今170~70 Ma,受太平洋板块俯冲作用的影响川东地区经历了自南东向北西的逆冲推覆作用,发生了复杂的多层滑脱褶皱作用并形成了典型的“侏罗山式”褶皱.先存的齐岳山断裂串联了深部拆离面和浅部志留系滑脱层,导致隔槽式褶皱向隔挡式褶皱转化(图 45).这一转化过程发生在140~110 Ma之间,表现为齐岳山断层上盘地层逐渐增厚,深部地层逐渐向浅部逆冲,断展褶皱作用逐渐向断弯褶皱作用过渡.隔槽式褶皱形成于170~110 Ma,而隔挡式褶皱在110~90 Ma开始发育.先存齐岳山断层对于水平位移和垂直位移的传递速率影响着方斗山—齐岳山背斜乃至整个川东地区的隆升变形过程:约140~110 Ma,齐岳山断层上盘以垂直位移为主,齐岳山背斜迅速隆升(图 8,样品JL-1),其初始隆升时间(142 Ma)略早于利川复向斜(图 8,样品LC-2和X5);距今约110 Ma开始,齐岳山断层向西侧传递水平位移(图 8,样品JN-1),表现为齐岳山断背斜的增宽和隔挡式褶皱带的发育;约90~70 Ma,随着隔挡式褶皱规模逐渐增大(图 8,样品RXZ-2和No.9),水平位移向西传递的阻力变大,利川复向斜逐渐紧闭,隆升速率加快(图 8,样品LC-2).距今170~70 Ma间,川东褶皱带隆升约为1.3 km,齐岳山背斜隆升超过2 km,利川复向斜隆升高度小于齐岳山背斜,但也大于1.7 km.受递进变形作用的影响,川东地区各个构造部位的初始隆升时间跨度可达80~100 Ma,湘鄂西褶皱带的隆升高度明显大于川东褶皱带.受先存断裂的影响方斗山—齐岳山背斜的隆起幅度明显大于邻区.研究表明,川东地区复杂的褶皱变形是沉积地层在多套区域滑脱层和深切基底的先存断裂的共同控制下发生逆冲推覆作用和多层滑脱褶皱作用的结果,先存齐岳山断裂连接了深部和浅部的滑脱层,基底拆离面—齐岳山断裂—志留系滑脱层的阶梯体系成为了川东地区大型断弯褶皱作用的逆冲活动面,造就了川东地区独特的褶皱变形特征.

3 存在问题与讨论

本文应用热运动学方法,通过离散元数值模拟技术,实现了构造变形模拟和热年代学测试的定量耦合,使正演模拟实验的变形过程可以被热年代学样品年龄标定,热年代学样品反演的热历史可以被正演隆升路径约束,最终获得更为精确、更为合理的构造隆升历史.但是,由于热运动学分析需要多种正反演方法的定量耦合,每种方法又具有各自的适用性和局限性,热运动学方法应用过程中可能出现一些问题,从而影响构造隆升历史的恢复精度.

3.1 正演模型的建立

热运动学方法的应用基础是建立符合地质特征的正演模型.但是,构造物理模拟和数值模拟实验模型常常是对实际地质构造的简单化和理想化处理.前人已经通过构造物理模拟实验对川东地区的变形过程和形成机制进行了研究(刘重庆等, 2013; 解国爱等, 2013),由于川东地区层间滑脱层的厚度均未超过1500 m,在构造物理模型中的相应厚度很薄(小于3 mm),已有技术难以在刚性材料中铺设多套层间薄层的硅树脂,因此前人主要通过增大层间滑脱层的厚度(刘重庆等, 2013)或采用坡坪式的断层(解国爱等, 2013)模拟多个不同深度的滑脱面,最终导致模拟结果与实际变形特征相似度较低.已有的数值模型(张小琼等, 2013, 2015)也因为没有预设先存华蓥山断裂和足够的滑脱面,无法模拟出明显的分层滑脱特征,难以与实际剖面或构造物理模拟结果进行定量对比.虽然本次研究建立了具有4套滑脱层和2个先存断层的复杂正演模型,通过薄膜分离技术(专利号:201811613130.7)实现了多套层间薄层滑脱层的铺设,并结合离散元数值模拟和热年代学测试对模拟结果进行了定量约束,显著提高了模拟结果与地质剖面的相似度,但是该建模方法(图 3)仍然无法模拟出岩性和地层厚度的横向变化,在分析单一构造时可能会导致模拟结果中断层的倾向、断距或褶皱幅度与实际构造存在偏差.因此,不断革新建模技术并完善正演模型是提高热运动学分析精确性和适用性需要攻克的关键问题之一.

3.2 离散单元粒径的选取

热运动学分析中,保证构造物理模拟和离散元数值模拟在同一尺度上进行建模,能够提高对比研究的效率.本次研究虽然实现了物理模型和数值模型的尺寸一致(图 3),但难以保证两种模型颗粒材料的粒径相同.一方面,由于构造物理模拟中使用的石英砂或微玻璃珠的粒径一般小于300 μm,如果在离散元建模中生成如此小的颗粒,模拟运算量将大大提高,甚至导致程序报错;另一方面,虽然增大离散单元粒径可以提高模拟效率,但是增大后的颗粒显然比石英砂或微玻璃珠更难发生侧向滚动,必然导致构造物理模拟和离散元数值模拟的变形结果出现偏差.本次研究通过颗粒随机排列和均匀排列的方式对川东地区进行离散元建模,既提高了运算效率又保证了物理模型和数值模型的力学特性近似.但是,由于离散颗粒粒径仍然远大于使用的微玻璃珠,导致离散元模拟实验中齐岳山背斜的隆起幅度更大,隔挡式褶皱的隆升高度更低.由于仅使用单层均匀排列的颗粒生成层间滑脱层,造成分层滑脱现象和滑脱层增厚效果明显弱于构造物理模拟实验.此外,在热运动学分析中保留颗粒的运动趋势,并通过构造物理模拟结果对颗粒的隆起高度进行修正,这必然增大实验误差.飞速发展的高性能计算技术为上述问题的解决创造了有利条件,相信未来离散元数值模拟技术可以适用于大尺度构造演化和复杂微小形变的定量研究,逐步替代构造物理模拟在热运动学分析中的作用.

3.3 古地温梯度的选取

使用古地温梯度将提取的运动路径转化为温度路径是热运动学分析中的关键环节之一.前人通过镜质体反射率测试计算出170~70 Ma川东地区的古地温梯度为30~33 ℃/km(朱传庆等, 2017)或22~28 ℃/km(曹环宇等, 2016),二者差异较为明显.本次研究在选用古地温梯度为30~33 ℃/km的基础上,推导出缩短率为25%时的模拟结果可以反映距今70 Ma时川东地区的变形特征,随后提取离散单元运动路径(图 7)并再次进行了热史模拟(图 6).但是,以样品RXZ-2为例,如果选用地温梯度为22~28 ℃/km作为输入条件,那么样品RXZ-2在170~70 Ma隆升了约1.8 km,将明显大于本次研究的计算结果(约1.3 km),那么缩短率为27%时的模拟结果则可以代表距今70 Ma时的变形特征.因此,虽然本次研究认为当古地温梯度为30~33 ℃/km时,转化后的温度路径(图 8)与未进行热运动学分析前样品的最佳热史路径的降温趋势比较吻合(图 6),但这种结论并不严谨,进行大量镜质体反射率测试并恢复古地温梯度对于进一步提高热运动学分析的精确性和合理性是非常必要的.

3.4 构造应力场演化

样品热历史显示,川东地区中-新生代经历了“快-慢-快”的三段式降温过程(这里的“快”和“慢”是相对性描述).目前,川东地区第一期快速隆升降温的动力学机制已经基本达成共识,即晚侏罗世到白垩纪(约170~70 Ma)太平洋板块向欧亚大陆俯冲,产生自南东向北西的挤压应力,导致川东地区的递进变形作用(Liu et al., 2005; Dong et al., 2015; Li et al., 2015).70 Ma以来的构造应力场演化特征尚未明确,一些学者认为华南板块晚白垩世-中新世(约70~30 Ma)发生了构造反转,导致川东地区的缓慢隆升降温(丁道桂等, 2007),并且根据伸展构造的发育程度推测只有湘鄂西褶皱带受到了构造反转的影响,并没有波及到川东褶皱带(袁玉松等, 2010; 邹玉涛等, 2015).多数学者推测川东地区约30 Ma以来的快速隆升是由于喜山运动导致的(梅廉夫等, 2010; 王平等, 2012; 邓宾等, 2013; 石红才和施小斌, 2014; 曹环宇等, 2016).考虑到70~30 Ma间的南东方向的挤压应力强度、持续时间和影响范围难以判定,30 Ma以来的构造应力场方向又发生明显变化,因此本次实验采用的正演模型并不适用于模拟70 Ma至今的构造变形过程,本次热运动学分析仅能定量恢复研究区在距今170~70 Ma内的构造隆升过程.已有研究表明,太平洋板块与欧亚板块之间聚敛速率在晚白垩世到始新世期间由120~140 mm·a-1逐渐减小为30~0 mm·a-1,期间伴随着聚敛方向的改变,随后在渐新世到早中新世又逐渐增加到70~110 mm·a-1(Northrup et al., 1995),与川东地区“快-慢-快”的隆升过程完全匹配,这可能为70 Ma以来川东地区的构造应力场研究提供了新的思路.明确研究区的构造应力场演化规律是建立合理地质模型并开展热运动学研究的关键.由于太平洋板块俯冲产生的应力场与后期喜山运动陆陆碰撞的挤压应力在川东地区发生斜交,应用热运动学方法研究这一问题需要在剖面实验的基础上开展三维建模,这有利于提高热运动学方法探究复杂应力演化地区隆升变形过程的能力,也是热运动学方法发展完善的主要方向之一.

4 结论

热运动学方法作为一种构造隆升过程研究的新方法,实现了构造物理模拟、离散元数值模拟和热年代学测试等多种正反演方法的定量耦合.本文以川东地区的方斗山—齐岳山背斜为重点研究区,通过热运动学方法恢复了研究区在距今170~70 Ma内的构造隆升过程.结果表明先存的齐岳山断裂串联了深部拆离面和浅部的志留系滑脱层,140~110 Ma隔槽式褶皱逐渐向隔挡式褶皱转化.隔槽式褶皱在170~110 Ma形成,而隔挡式褶皱在110~90 Ma开始发育.约140~110 Ma,齐岳山背斜开始发育,略早于利川复向斜.约110~90 Ma,齐岳山背斜增宽和隔挡式褶皱带形成.约90~70 Ma,隔挡式褶皱规模的逐渐增大,利川复向斜逐渐紧闭.虽然热运动学方法在川东地区取得了较好的应用效果,但在二维/三维建模、古地温梯度选取和构造应力场演化分析等方面仍需要进一步深化和完善.

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