用物理模拟实验研究走滑断裂和拉分盆地

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1、第9卷第1期2003年3月地质力学学报JOURNALOFGEOMECHANICSVol19No11Mar.2003文章编号:100626616(2003)0120001213用物理模拟实验研究走滑断裂和拉分盆地周永胜,李建国,王绳祖(中国地震局地质研究所,中国地震局构造物理开放实验室,北京100029)摘要:本文按照下地壳和岩石圈地幔塑性流动控制上地壳构造变形的思想,采用脆延性双层模型,在考虑模型相似性的条件下,通过延性层流动驱动脆性层进行走滑断裂和拉分盆地模拟实验。实验结果表明,在左行走滑阶段发育两条“S”型左行右阶断裂带;在右行走滑改造阶段,早期左行右阶断裂带被改造为“Z”

2、型右行右阶断裂带。走滑断裂发育过程中共有三种类型的拉张伸展:(1)“S”型破裂逐渐伸展,形成多个菱形盆地;(2)几个相邻的斜列“S”型断裂在剪切作用下端部被错断连通,形成“地堑—地垒”构造;(3)在右行走滑阶段,沿右行右阶断裂拉张形成拉分盆地。先存的上隆拱张断裂限制了走滑断裂的位置和方向。脆性层强度对走滑断裂的形成和发展具有约束作用,脆性层结构对脆延性的层间耦合作用和走滑断裂特征具有显著影响。关键词:走滑断裂;拉分盆地;塑性流动;物理模拟中图分类号:P54212,P554文献标识码:A0引言许多大陆裂陷盆地形成于走滑环境[1],如山西地堑[2,3]。与拉张裂陷盆地相比,走滑型盆地同

3、时受走滑断层和正断层控制,其形成演化历史比较复杂[4～8]。物理模拟实验是研究走滑型盆地的有效方法之一。有关走滑断裂和拉分伸展的模拟实验比较多[9～19],这些模拟实验无论是脆性单层还是脆延性双层,走滑驱动力主要来源于模型底部活动板的相对走滑运动,走滑带范围被底部活动板的位置限定,即使有延性层,也仅起到调节和缓冲作用[20]。众多研究表明,岩石圈下层塑性流动是大陆板内构造变形的主要控制因素[21,22]。以多层构造和下层塑性流动为驱动进行的模拟实验,如挤压褶皱[23]、塑性流动网络[24,25]、地幔上隆和裂陷伸展[26],为模拟走滑断裂和拉分盆地提供了新的思路。本文利用延性层流动

4、作为走滑驱动力,代替模型底部活动板,通过对走滑断裂形成与改造的研究,讨论走滑型盆地的形成与演化。收稿日期:2001204205基金项目:地震科学联合基金项目(编号:196065);中国地震局地质研究所论著:2002B0023作者简介:周永胜(19692),男,博士,中国地震局地质研究所副研究员,主要从事高温高压实验和构造物理模拟研究。2地质力学学报20031模型设计本模型主要强调延性下层流动对脆性上层的牵引和控制作用,因此,沿用了李建国等[24,25]和周永胜等[26]的模型,把岩石圈多层构造模型简化为脆性上层和延性下层,忽略各层中的细层。延性层采用粘度可调的塑化松香,脆性层采用强

5、度极小的松散玉米粉,并且对有关参数进行了测定[27]。在模型中,模型底板为完整玻璃,两侧固定,两端各设置两个玻璃槽,充填延性物质后即成为“高原”,通过两个对角方向“高原”的流动力驱动延性层实现走滑(图1)。走滑带的位置不受底板限制,完全由“高原”驱动力的大小和方向决定。为了保证两端驱动力趋于均衡,要求两个“高原”大小相等,这样走滑带基本位于模型中部,减小了边界影响。模型相似性参照李建国等[24,25]和周永胜等[26],得出如下相似参数(表1)。下面各模型中有关符合的物理含义为:L模型长度、W模型宽度、hb脆性层厚度、hd延性层厚度、C0脆性层内聚强度、η延性层粘度、T温度、q空气

6、相对湿度、τ时间。图1走滑断裂模拟实验装置图Fig11Experimentalapparatusonmodelsofstrike2slipfaultD+B模型主体中的延性层和脆性层;P驱动延性层流动的“高原”;箭头为延性层流动方向上:平面图;下:剖面图表1模型相似参数3Table1Thesimilarparametersofmodels粘度ΠPa1s和配比ΠPΠR线长比时间相似比时间对比ΠMaΠh速度相似比脆性层强度比1164×103(1Π315)～6130×104(1Π5)5×1063189×1010～1101×1094144～01121129×10-4～4195×10-

7、32137×107注:时间对比MaΠh表示模型中1小时相当于实际地质时间数ΠMa。PΠR表示松节油Π松香。第1期周永胜等:用物理模拟实验研究走滑断裂和拉分盆地32走滑断裂模拟实验与结果分析211左行走滑断裂特征及其应力场21111左行走滑断裂特征在左行走滑阶段,通过模型对角“高原A、B”驱动延性层向相反方向流动,牵引脆性层形成走滑断裂(图2a)。走滑断裂F1首先出现于“高原A”前面,从模型边界向内部逐渐扩展,断裂由不连续的右斜列“S”型小断裂组成。随着延性层流动,在