雁列构造是走滑断层存在的充分判据？——来自平面砂箱模拟实验的启示

图 １ 黄骅盆地实验模型装置示意图（据周建勋等，１９９９） （ａ）顶 面 结 构 ；（ｂ）侧 面 结 构
Ｆｉｇ．１ ＳｋｅｔｃｈｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｌｓｆｏｒＨｕａｎｇｈｕａＢａｓｉｎ（ａｆｔｅｒＺｈｏｕＪｉａｎｘｕｎｅｔａｌ．，１９９９）
１．２ 模 型 Ⅱ ：模 拟 焉 耆 盆 地 的 基 底 均 匀 收 缩 斜 向 挤 压实验
实验 模 型 来 源 于 焉 耆 盆 地，焉 耆 盆 地 的 雁 列 断 层主要分布于博湖坳陷。对于焉耆盆地这类构造格 局（图 ４ｂ）（周建 勋 等，２００２），实 验 将 模 型 的 变 形 方 向设计为近 ＳＷＮＥ向的对冲挤压，将模型刚性边 界 几何形态理 想 化 为 规 则 形 状。 实 验 模 型 如 图 ２ａ、ｂ 所示，在光滑的砂箱 底 面 两 侧 分 别 铺 设 无 伸 缩 性 平
20023讨论与结论从模型模拟黄骅盆地的曲折边界基底均匀伸展实验模型和模型模拟焉耆盆地的基底均匀收缩斜向挤压实验模型的实验结果看图3a4a模型模拟黄骅盆地的曲折边界基底均匀伸展实验模型形成了拉张型雁列构造组合模型模拟焉耆盆地的基底均匀收缩斜向挤压实验模型形成了挤压型雁列构造组合两个实验都形成了雁列构造
面斜角为 ４５°的 帆 布 各 一 块，两 块 帆 布 中 间 缝 有 弹 性较好 的 橡 皮，橡 皮 在 无 应 力 状 态 下 水 平 长 度 为 ４０ｃｍ，两块帆布两端分别固定于两侧的活动挡板 底 端 ，在 两 块 帆 布 上 分 别 放 置 两 个 聚 苯 塑 料 块 ，用 以 模 拟 刚 性 边 界，然 后 将 橡 皮 拉 伸 １６ ｃｍ。 铺 设 厚 度 ５ｃｍ的砂层，以 黑 砂 为 分 层 标 志。两 侧 活 动 端 分 别 回放 ７ｃｍ后（共回放 １４ｃｍ），实验结 束。实 验时 间 为 ２９分钟。
实验模型来源于黄骅盆地。模型的变形方向设 计为近 ＳＮ向南侧 单 侧 伸 展，模 型 底 面 裂 陷 区 域 边 界形态按黄骅盆地 实 际 边 界 设 定，模 型 涉 及 范 围 是 黄骅盆地构 造 格 架 图 （图 ３ｂ）（周 建 勋，１９９９）中 虚 线以东区域。实验模型如图 １ａ、ｂ所示，在光滑的 砂 箱底面两侧分别铺 设 无 伸 缩 性 的 帆 布 各 一 块，两 块 帆布中间缝有弹性 较 好 的 橡 皮，帆 布 与 橡 皮 的 边 界 形状按照盆地实际 边 界 形 态 设 定，两 块 帆 布 两 端 分 别固定于两侧的挡 板 底 端，在 两 块 帆 布 上 分 别 放 置 两个按照盆地实际 边 界 形 态 制 定 的 聚 苯 塑 料 块，用 以模拟刚性边界。然后铺设厚度 ５ｃｍ的砂层，以 黑 砂为 分 层 标 志。 南 侧 活 动 端 拉 伸 ５ｃｍ 后，实 验 结 束。
收 稿 日 期 ：２００３０６１９；改 回 日 期 ：２００３１０２４ 基 金 项 目 ：本 项 研 究 由 国 家 自 然 科 学 基 金 （４９８７２０６８）资 助 ． 作 者 简 介 ：朱 战 军 （１９７１），男 ，工 程 师 ，统 招 在 读 博 士 研 究 生 ，地 质 资 源 与 地 质 工 程 专 业 ．Ｅｍａｉｌ：ｚｈｕｚｈａｎｊｕｎ７１＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ
然而，在 针 对 黄 骅 盆 地 所 设 计 的 曲 折 边 界 基 底 均匀伸展模型和针对焉耆盆地所设计的基底均匀收 缩斜向挤压模型的 砂 箱 实 验 模 拟 结 果，给 出 了 雁 列 构造另外的成因 启 示。 本 文 根 据 以 上 实 验 结 果，对 雁列构造成因和意义进行深入探讨。
１ 模型设计
周建勋等，２００２）。 实 验 材 料 为 经 过 筛 选 的 松 散 石 英砂，粒径 ３００～６００μｍ，力 学 性 质 符 合 库 仑 准 则， 内摩擦角 约 为 ３１°。 基 于 对 相 似 性 原 理 的 考 虑，变 形 速 率 为 ３００～８００转 ／分 钟，速 度 约 合 ０．５０００～ ０．８０００ｍｍ／ｓ。实验 过 程 采 用 相 机 拍 摄 记 录。 实 验 是 在 石 油 大 学 （北 京 ）构 造 物 理 模 拟 实 验 室 进 行 。 １．１ 模型Ⅰ：模拟黄骅盆地的曲折边界基底均匀 伸 展实验
程 具 有 重 要 控 制 作 用 （ＢｕｒｃｈｆｉｅｌａｎｄＳｔｅｗａｒｔ，１９６６）， 同时作为构造变形的指向标志深受构造地质工作者 的高度重视。
Ｒｉｅｄｅｌ（１９２９）最早用物 理 模 拟 实 验 的 方 法 研 究 雁列构造的成因问 题，通 过 基 底 走 滑 变 形 在 盖 层 中 重现了雁列构造，据 此 认 为 雁 列 构 造 是 由 边 界 的 张 剪、纯剪或压剪作用而成。Ｇａｍａｎｄ（１９８７）的 物理 模 拟实验也得到类 似 结 果。 许 多 学 者 （黄 庆 华，１９７４； 王 维 襄 ，１９８１；谢 新 生 和 阮 小 平 ，１９９４）对 上 述 成 因 观 点从力学分析的 角 度 进 行 了 论 证。 多 年 来，雁 列 构 造成因问题似乎已 经 得 到 很 好 的 解 决，雁 列 构 造 被 作为走滑作用的结 果、并 作 为 走 滑 断 层 的 判 据 加 以 运用。例如对于我国东部黄骅盆地中出现的一系列 近 ＥＷ 向 的 雁 列 断 层 组 合 （如 图 ３ｂ示 ）（周 建 勋， １９９９），许多学者 （李 鹏 举 等，１９９５；漆 家 福 等，１９９５； 杨 桥 等 ，１９９３；赵 重 远 ，１９８４）均 据 此 认 为 该 盆 地 具 有 右行走滑性质，并 存 在 一 些 基 底 走 滑 断 层。 又 如 对 于我 国 西 部 的 焉 耆 盆 地，许 多 学 者 （陈 文 学 等，
实验结果照片显 示 （图 ３ａ）（周 建 勋 等，１９９９）： 实验模型在同一伸展过程形成不同走向的正断层， 在海岸带位置明显 呈 现 构 造 上 的 不 连 续 性，且 其 两 侧断层走向具有明显的偏转。模型边界断层轮廓完
整 出 现 ，南 侧 埕 宁 边 界 断 层 出 现 断 距 较 大 ，埕 宁 隆 起 附近的断层转 向 现 象 明 显。 北 部 以 ＮＥＥ向 断 层 为 主、中部为近 ＥＷ 向断层、南部 则 以 ＮＥ向 断 层 为 主 的格局。北部还 出 现 ＮＥＥ向 断 层 和 平 行 边 界 的 近 ＥＷ 西向断 层，裂 陷 北 部 的 ＮＷＷ 向 断 层 明 显。 在 实验模型南部斜 向 伸 展 区 域 出 现 一 些 近 ＥＷ 向、垂 直于构造应 力 的 雁 列 构 造 组 合，同 时 形 成 近 ＳＮ向 的构造不连续带。
图 ３ 模型Ⅰ实验结果与黄骅盆地实际构造格架的对比（据周建勋，１９９９） （ａ）实 验 结 果 解 释 图 ；（ｂ）实 际 构 造 格 架 图
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｏｆｍｏｄｅｌ（１）ａｎｄｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＨｕａｎｇｈｕａｂａｓｉｎ （ａｆｔｅｒＺｈｏｕＪｉａｎｘｕｎ，１９９９）
第 ２期
朱 战 军 等 ：雁 列 构 造 是 走 滑 断 层 存 在 的 充 分 判 据 ？
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中形成两 组 不 同 走 向 的 逆 冲 断 裂 （带 ）。 一 组 是 与 刚性边界基本平行的逆断层，呈近 ＥＷ 走向，该组断 层与挤压应力作用方 向 呈 ４５°，沿 走 向 延 伸 较 长，规 模较大，在模型两侧 区 域 因 砂 层 与 玻 璃 摩 擦 而 发 生
第 ２期
朱 战 军 等 ：雁 列 构 造 是 走 滑 断 层 存 在 的 充 分 判 据 ？
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２００１；郭召杰等，１９９５；张 永 华，２０００）根 据 盆 地 博 湖 坳陷 存 在 的 ＮＷ 向 雁 列 褶 皱 隆 起 带 （如 图 ４ｂ示 ） （周建勋等，２００２），认 为 该 盆 地 为 左 行 压 剪 性 盆 地， 并据此推断盆地南北两侧边界断层具有走滑性质。
弯 曲 ，成 为 主 控 断 层 组 ；另 一 组 是 与 挤 压 方 向 近 于 垂 直的雁列构造 组 合，呈 ＮＷ 走 向，被 与 刚 性 边 界 基 本平行的近 ＥＷ 向 主 控 断 层 组 分 隔 成 带 状，沿 走 向 延 伸 较 短 ，规 模 较 小 ，成 为 受 控 断 层 组 。
１４４Leabharlann 第 ２８卷 图 ２ 焉耆盆地实验模型装置示意图 （ａ）顶 面 结 构 ；（ｂ）侧 面 结 构
Ｆｉｇ．２ ＳｋｅｔｃｈｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｌｓｆｏｒＹａｎｑｉｂａｓｉｎ
２ 实验结果
２．１ 模型 Ⅰ 实 验 结 果 （模 拟 黄 骅 盆 地 的 曲 折 边 界 基底均匀伸展实验）
摘 要：多年来，雁列构造被作为走滑作用的结果、并 得 到 物 理 模 拟 实 验 模 型 的 支 持，通 常 作 为 走 滑 断 层 的 判 据 加 以运用。本文根据针对黄骅盆地所设计的曲折边界基底均匀伸展模型和针对焉耆盆地所设计的基底均匀收缩斜 向挤压模型的砂箱实验结果，给出了雁列构造另外 的 成 因 解 释。 认 为 雁 列 构 造 的 成 因 并 非 局 限 于 基 底 走 滑 作 用， 基底均匀变形条件下的斜向伸展或斜向挤压作用均可形成雁列构造，因此雁列构造 不 能 作 为 走 滑 断 层 存 在 的 充 分 判据。 关 键 词 ：雁 列 构 造 ；走 滑 断 层 ；砂 箱 模 拟 ；构 造 物 理 中 图 分 类 号 ：Ｐ５５４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１１５５２（２００４）０２０１４２０７
研究表明砂箱实验是研究盆地构造形成机制的 有效手 段 （ＫｅｅｐａｎｄＭｃＣｌａｙ，１９９７；ＭｃＣｌａｙ，１９９５ａ、 ｂ），因此本文研究 采 用 了 砂 箱 实 验 方 法。 实 验 采 用 长 ×宽 ×高 为 １５０ｃｍ ×４０ｃｍ×２０ｃｍ 的 砂 箱 实 验 装置。砂箱两侧为 便 于 观 察 的 透 明 玻 璃，砂 箱 两 端 为由马达驱动的活动档板。模型既可以单侧活动， 也可以双侧活动，模 型 刚 性 边 界 由 特 定 形 状 的 聚 苯 塑料块 构 成 倾 角 为 ６０°的 边 界 断 层。 橡 皮 的 变 形 （伸展或收 缩 ）用 以 模 拟 在 强 烈 变 形 地 区 刚 性 地 块 所发生的基底变形（伸展或收 缩）（邓 晋 福 等，１９９５；
卷 （Ｖｏｌｕｍｅ）２８，期 （Ｎｕｍｂｅｒ）２，总 （ＳＵＭ）１０１ 页 （Ｐａｇｅｓ）１４２～１４８，２００４，５（Ｍａｙ，２００４）
大地构造与成矿学
ＧｅｏｔｅｃｔｏｎｉｃａｅｔＭｅｔａｌｌｏｇｅｎｉａ
雁列构造是走滑断层存在的充分判据？
———来自平面砂箱模拟实验的启示
朱战军，周建勋
（石油大学·北京 资源与信息学院，北京 １０２２００）
０ 引 言
雁列 构 造 是 地 壳 中 一 种 常 见 的 构 造 形 式，它 是 由一系列走向大致平行的断层或褶皱斜向排列而成 的构造组合。按照雁列断层的错列方向与运动方向 的 关 系 ，雁 列 构 造 可 分 为 两 种 类 型 ：当 雁 列 断 层 受 区 域应力作用，其剪切 错 动 方 向 与 雁 列 断 层 排 列 方 向 一 致 时 ，雁 列 部 位 应 力 呈 拉 张 状 态 ，称 为 拉 张 型 雁 列 构造；而当剪切错 动 方 向 与 雁 列 断 层 排 列 方 向 相 反 时 ，雁 列 部 位 应 力 呈 挤 压 状 态 ，称 为 挤 压 型 雁 列 构 造 （马文涛等，１９９５）。从 褶 皱 与 断 裂 组 合 形 式 的 微 观 变化上区分，雁列构造存在 ３种类型：雁列断层呈左 阶排列，平行断层方向的 剪 应 力 为 右 型，称 为 ＬＲ型 雁 列 构 造 ；雁 列 断 层 呈 左 阶 排 列 ，平 行 断 层 的 剪 应 力 亦为左 型，称 为 ＬＬ１型 雁 列 构 造；在 与 ＬＬ１型 相 同 的力学条件下四周 增 加 法 向 压 力，类 似 于 一 种 围 压 条件下的 雁 列 断 层 称 为 ＬＬ２型 雁 列 构 造 （刘 力 强 等，１９９８）。雁 列 构 造 不 但 对 盆 地 的 形 成 和 成 矿 过
２．２ 模型 Ⅱ 实 验 结 果 （模 拟 焉 耆 盆 地 的 基 底 均 匀 收缩斜向挤压实验）
实验结果照 片 显 示 （图 ４ａ）：该 模 型 边 界 断 层
呈近 ＮＷＷ 走向，与 由 聚 苯 塑 料 块 模 拟 的 刚 性 边 界 基本平行，轮廓清 晰、完 整 出 现，在 模 型 边 界 区 域 由 于砂体与玻璃的摩擦而发生弯曲。在同一挤压过程