地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 840-852
引用本文
刘源, Konietzky Heinz. 基于离散元方法对走滑拉分盆地演化及次级断裂扩展过程研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 840-852.
LIU Yuan, KONIETZKY Heinz. PARTICLE-BASED MODELING OF CRACK PROPAGATION DURING PULL-APART BASIN DEVELOPMENT[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 840-852.
基于离散元方法对走滑拉分盆地演化及次级断裂扩展过程研究
刘源1,2 , Konietzky Heinz2     
1. 长安大学地球科学与资源学院 陕西 西安 710054;
2. Geotechnical Institute, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg 09599, Germany
摘要:拉分盆地是一种与走滑断裂带密切相关的特殊拉张构造,因其重要的构造意义,及其与火山活动、中小地震群集、特殊的成矿作用间的伴生关系而受到研究者的高度重视。关于拉分盆地的形成演化过程,已有较多的研究成果,但是由于研究手段的限制,缺少对盆地演化中次级断裂扩展过程的研究。基于离散元的数值计算方法是研究断裂扩展方式的理想方法。本文采用基于离散元的颗粒流方法,揭示纯走滑拉分盆地发育过程中的断裂扩展和连接过程,为拉分盆地演化机理和断裂扩展提供新的研究方法。同时,根据主走滑断层与块体运动方向的夹角不同,建立不同的张扭性拉分盆地模型,系统研究张扭性盆地的断裂扩展和演化机理。将上述理论研究结果与死海盆地等经典拉分盆地实例相结合,探讨了死海盆地、土耳其Cinarcik盆地、哥伦比亚El Paraiso盆地等的形成演化机理和断裂扩展方式。
关键词数值模拟    拉分盆地    张扭性盆地    断裂扩展    离散元方法    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.069     文章编号:1006-6616(2019)05-0840-12
PARTICLE-BASED MODELING OF CRACK PROPAGATION DURING PULL-APART BASIN DEVELOPMENT
LIU Yuan1,2 , KONIETZKY Heinz2     
1. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710054, Shannxi, China;
2. Geotechnical Institute, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg 09599, Germany
Abstract: Pull-apart basins are extensional structures which are closely related to strike-slip faults. Pull-apart basins have received considerable attention from geologists because of its significant tectonic meaning and the associations with volcanism, earthquake swarms, and special mineralization. Although numerous studies have contributed to the current understanding of pull-apart basin evolution, pull-apart basin development concentrating on crack propagation and coalescence is lacking because of the limitations of the previous methods. A particle-based approach, which is based on Discrete Element Method (DEM), can be successfully used to simulate crack propagation during pull-apart basin development for pure strike-slip. Transtensional models are also set up to investigate basin development and crack propagation in transtentional systems, with different angles between the master strike-slip faults and the motion direction in each system. Modeling results are compared with natural examples worldwide such as the Dead Sea basin, Cinarcik basin in Marmara Sea, and El Paraiso basin in SW Colombia et al. This research provides new method and view to study the evolution of pull-apart basins and the propagation and coalescence of the related strike-slip faults.
Key words: numerical modeling    pull-apart basins    transtensional basins    crack propagation    Discrete Element Method    
0 引言

走滑断裂带因其重要的构造意义和与大地震之间的紧密联系,而受到地质学家和地震学家的高度关注[1]。拉分盆地是在走滑断裂带的某些不连续部分或雁行式走滑断裂带之间相互重叠错列部分,由于走滑断裂带的滑移而引起横向拉张作用所产生的构造坳陷。与狭窄的走滑断裂带本身以及遭受剥蚀作用的构造挤压脊相比,拉分盆地的形成演化可以为走滑断裂带的运动方向、活动时间、最小位移等研究提供重要信息[2]。此外,拉分盆地中常常伴有强烈的火山活动、中小地震群集和特殊的成矿作用,因而受到研究者的高度重视。

实例整合(compilation of published data)、物理模拟(experimental studies)、数值模拟(numerical studies)是研究拉分盆地形成演化规律的三种主要方法。尽管基于这些研究方法得到了很多拉分盆地形成演化规律的认识,但是由于研究手段的限制,缺少对走滑拉分盆地发育过程中次级断裂的形成、扩展、连接过程的研究。实例整合研究通过收集世界各地拉分盆地资料,概括总结拉分盆地的长宽比、几何形态、主走滑断层与边界断层的夹角等参数来推测盆地的发展过程[2-5],很难揭示盆地的演化过程中次级断裂的扩展过程;物理模拟只是大致解译了盆地演化过程中次级断裂的发育和分布情况[6-9],拉分盆地内次级断裂的发展演化过程,亟待精确研究;由于计算机技术的发展,数值模拟方法成为近些年来拉分盆地理论研究的主要手段之一,尽管数值模拟为拉分盆地的形成演化研究提供了新的认识[10-14],但是已有的数值模拟都是基于连续元方法的模拟,由于受连续元数值计算方法本身的限制,模型不能发生破裂或者断裂,难以直接用于计算和模拟具体的破坏形式和断裂发展的整个过程。因此缺乏对拉分盆地发育过程中次级断裂扩展演化的研究。

基于离散单元法(DEM)的数值计算方法,可以直观地模拟和展示出盆地演化过程中的断裂形成、扩展和连接过程,被首次用来研究拉分盆地演化机理和断裂扩展过程。文章采用基于离散元的二维颗粒流数值计算方法(PFC2D)对不同初始条件的拉分盆地形成演化展开详细研究,讨论纯走滑拉分盆地和张扭性拉分盆地的演化过程及其次级断裂的形成、扩展和连接过程。同时,将上述理论研究与国内外拉分盆地实例相结合,探讨拉分盆地的形成演化机理。

1 拉分盆地演化的国内外研究现状

“拉分盆地”这一概念最早是由Burchfiel和Stewart在1966年研究美国加利福尼亚死谷盆地时提出[15]。从那以后,越来越多的研究者开始通过实例整合、物理模拟以及数值模拟对拉分盆地形成演化规律进行研究。国内外研究程度较高的拉分盆地主要分布在美国加利福尼亚、哥伦比亚,新西兰,土耳其,日本,中国等的大型走滑断裂带上[15-24]

根据初始主走滑断层运动学不同,本文将拉分盆地分为两种:①纯走滑(pure strike-slip)拉分盆地,又称经典拉分盆地,其初始主断层都是纯走滑断层,主走滑断层与两侧块体之间的相对运动方向平行;②张扭性(transtensional)拉分盆地,其主走滑断层与两侧块体相对运动方向斜交并有一定的伸展分量。

1.1 纯走滑拉分盆地

基于不同的研究方法,结合纯走滑拉分盆地的实例研究,相关学者先后提出了几种不同的纯走滑拉分盆地形成演化模式(图 1)。

图 1 纯走滑拉分盆地形成演化过程总结 Fig. 1 Summary of previous models for pull-apart basin development

(a) 主走滑断层被拉开的简单模型(图 1a)。这种模型认为盆地形成于不连续的平行走滑断层之间,并发展演化成菱形盆地[25-26]。新形成的边界断层为正断层,且与主走滑断层近直交。在盆地发育过程中,主走滑断层的隔离量S(盆地宽度)保持不变,而其重叠量O(盆地长度)不断增大。这种模型被用来解释死海断裂系中的拉分盆地演化[27]

(b) 从剪切盒实验得到的变形模型(图 1b)。Koide和Bhattacharji根据剪切盒实验结果提出,拉分盆地的形成类似于粘土实验中在走滑断层走滑作用过程中产生的雁列式张性破裂[28]

(c) 基于弹性位错理论的演化模型(图 1c)。根据弹性位错理论建立数学模型,Rodgers[10]提出拉分盆地的演化模式取决于主断层之间的重叠量、隔离量,以及主断层的顶部是否切穿地表。与简单模型不同的是,新形成的边界正断层与主断层斜交。他的模型还给出了拉分盆地中沉积中心的分布,以及沉积中心随着走滑作用发生迁移的过程。

(d) 相邻拉分盆地的连通模型(图 1d)。通过总结世界各地62个拉分盆地的几何形状,Aydin和Nur提出拉分盆地的长宽比达到3左右时,拉分作用停止。同时,他们认为一组走滑断层平行错列时,拉分盆地的长度随主断层位移量的增加而增大,最后数个小的拉分盆地连通形成一个大的拉分盆地,盆地宽度随之增大[3]

(e) Mann等提出的拉分盆地演化模型(图 1e)。Mann等[2]通过总结和观察世界各地研究程度较高的古拉分盆地以及现今正在活动的拉分盆地提出新的模型。他们认为自然界的拉分盆地不是突然出现的,而是随着时间的推移从一个阶段慢慢演化到下一个阶段,包括从纺锤状盆地、反Z型盆地(右行走滑作用形成反Z型,左行走滑作用形成反S型)、菱形盆地演化到长菱形盆地。

关于纯走滑拉分盆地的形成演化,虽然已经有了上述诸多成果发表,但是对国内外研究成果梳理分析发现,由于研究手段的限制,缺少对走滑拉分盆地发育过程中次级断裂的形成、扩展、连接过程的研究。走滑拉分盆地次级断裂的演化过程,是深入了解走滑断裂带的次级断裂形成和连通的窗口,可为研究大型走滑断裂的形成贯通过程和地震活动性提供了新的方法和思路。采用何种方法揭示拉分盆地发育过程中内部次级断裂的形成演化过程,一直是研究的难点。

1.2 张扭性拉分盆地

对于张扭性拉分盆地,相关学者通过物理模拟[6, 29-30]、三维连续元数值模拟[31-32]对其形成演化进行了初步研究。Wu等[6]的砂箱实验和ten Brink等[31]的数值模拟都显示,与纯走滑拉分相比,主走滑断层与块体运动方向若存在很小的夹角(5°)都可能造成盆地宽度变大2~3倍。Wu等[6]基于砂箱实验建立了纯走滑和张扭性盆地两种模型,将模拟结果与死海断裂系统的拉分盆地进行对比,探讨了纯走滑拉分盆地和张扭性盆地的形成演化区别。虽然已经取得了不少成果,但是缺少对张扭性盆地演化和断裂扩展的深入系统研究,如张扭性盆地演化中的断裂扩展问题、张扭性盆地的主走滑断层与块体运动方向的夹角对断裂扩展和盆地形态的影响等。

2 基于离散元方法的数值模拟 2.1 离散元方法基本原理

建立在传统的连续介质力学基础上的数值计算方法难以直接用于计算和模拟材料具体的破坏形式和破坏的整个过程,但是离散单元法(DEM)在这方面显示出巨大的生命力。因此,本研究采用基于离散单位法的数值计算方法,即二维颗粒流模型(PFC2D)[33],来模拟不同初始条件下拉分盆地发展过程中的断裂演化问题,即基于离散单元法的二维颗粒流模型(PFC2D)[33]。离散单元法是一种模拟非连续介质的计算方法,自Cundall和Strack 20世纪70年代提出以来[34],在岩石力学、土力学、结构分析等领域数值模拟中得到广泛应用和长足发展。基于离散元的颗粒流程序(PFC)由美国Itasca软件公司开发,它可以模拟颗粒间的相互作用问题、固定力学大变形问题、断裂问题等,已经成为解决岩石力学问题的一种重要的数值方法。与具有整体性的连续元模型不同,PFC是由很多小的颗粒体组成的(图 2)。颗粒体和颗粒体之间通过联结力和摩擦力相连接,当颗粒体和颗粒体之间的拉力或者剪切力超过其抗拉强度或者抗剪强度的时候(图 2d2e),颗粒体间的连接会断开,模型本身就会发生破坏和断裂,因此颗粒流方法可以直观地模拟断裂的发生、扩展和连接。

a—PFC2D模型(其中Fault A和Fault B是预定义的初始主走滑断层,Circle C位于初始断裂形成点,Ball D为颗粒体D所在位置);b—放大的颗粒体连接方式示意图;c—a中黑框部分的放大图;d—颗粒体间正向接触力示意图;e—颗粒体间切向接触力示意图 图 2 二维颗粒流模型(PFC2D)示意图[35] Fig. 2 Simplified sketch map of the PFC2D model[35]

但是基于离散元的数值计算方法在地质学中的应用却很少,主要是因为离散单元法相对连续元方法来说较难,且参数难以确定。此外,工程中的模型尺度通常较小,地质模型的尺度往往比岩石力学中的物理模型尺度大很多倍。用PFC来模拟地质作用过程,首先要解决的难点就是尺度问题和参数问题。研究中将岩石力学中常用的离散元模拟软件PFC应用到地质模型中,直观地模拟拉分盆地形成演化过程中断裂的发生、扩展和连接,为研究拉分盆地形成演化提供新的方法和视角。

2.2 尺度问题和参数研究

前已述及,用离散元方法来模拟地质作用过程,首先要解决的难点就是尺度问题和参数问题。然后通过大量试验模型,找到模型尺度、颗粒体大小、力学参数及模拟结果之间的关系,建立了尺度独立(scale-independence)的数值模型。即模型尺度、颗粒体大小及力学参数等比例缩小之后,其盆地演化、断裂发展、应力应变曲线与大模型的相应模拟结果基本一致,这样就可以用小尺度的模型来模拟大尺度的地质问题了。然后,建立大量的试验模型或预测模型,将模拟结果与已有的野外实测物理模拟和数值模拟结果作对比,确定其基本参数。关于尺度问题和参数研究,本文作者在之前的研究中已有详细报道[35],此处不再细述。

2.3 数值模型的建立

采用基于离散元的二维颗粒流方法PFC,建立尺度独立的数值模型(图 2a)[35],对不同初始条件下拉分盆地的形成演化和断裂扩展开展详细研究。根据初始主走滑断层运动学不同,选择两种不同的拉分盆地:①纯走滑拉分盆地,又称经典拉分盆地,其初始主断层都是纯走滑断层,主走滑断层与两侧块体之间的相对运动方向平行;②张扭性拉分盆地,其主走滑断层与两侧块体相对运动方向斜交并有一定的伸展分量。

根据拉分盆地的初始主断层几何学排列的不同,研究纯走滑拉分盆地发育中次级断裂的演化过程。拟建立三种端元模型(图 3),来展示纯走滑拉分盆地的形成演化及次级断裂的产生、扩展和连接过程:30° underlapping(图 3a,未重叠错列)模型;90° non-overlapping(图 3b,中间情况)模型;150° overlapping(图 3c, 重叠错列)模型。

图 3 根据初始主断层几何学不同建立的三种纯走滑拉分盆地端元模型[35] Fig. 3 Pull-apart basin models with three representative initial strike-slip fault patterns[35]

此外,选择相同的初始主走滑断层几何学模型(30° underlapping model),对纯走滑拉分盆地、5°以及10°张扭性拉分盆地进行比较研究。即根据拉分盆地的初始主断层运动学不同,建立三种模型:①纯走滑模型,主走滑断层与块体运动方向平行,即主断层仅有走滑运动(图 4a);②5°张扭性模型,主走滑断层与块体运动方向有一定的夹角(5°),即不仅有沿主断层的走滑运动,还有垂向拉伸分量(图 4b);③10°张扭性模型,主走滑断层与块体运动方向有一定的夹角(10°),即不仅有沿主断层的走滑运动,还有垂向拉伸分量(图 4c)。

图 4 根据初始主断层运动学不同建立的三种拉分盆地模型 Fig. 4 Pull-apart basin models with three different initial strike-slip fault kinematics
3 纯走滑拉分盆地 3.1 盆地演化及其断裂扩展过程 3.1.1 30° underlapping模型

30° underlapping模型的盆地和断裂演化过程如图 5a所示。初始裂纹或者称之为初始断裂(first cracks)出现在主走滑断层尖端。随后,初始断裂扩展并与主走滑断层连接,形成纺锤状(spindle-shaped)的坳陷区。随着走滑作用继续进行,盆地边界断层(basin sidewalls)出现,形成反Z型(lazy-Z-shaped)盆地。在右阶右行走滑作用中,形成的是反Z型盆地,反之,左阶左行走滑作用过程中形成的是反S型(lazy-S-shaped)盆地。当走滑拉分作用继续发生,盆地边界断层会向外移动,盆地长度增大,形成菱形(rhomboidal)盆地。如果走滑拉分作用持续进行,盆地继续发育,最后演变成拉长的菱形(stretched rhomboidal)盆地。

图 5 三种纯走滑拉分盆地端元模型的断裂扩展和盆地演化过程[35] Fig. 5 Crack propagation and basin development for models with 30° underlapping, 90° non-overlapping, and 150° overlapping, respectively[35]
3.1.2 90° non-overlapping模型

90° non-overlapping模型的盆地演化和断裂扩展过程如图 5b所示。在应力达到峰值之前,最大拉张力位于主走滑断层的尖端。当应力达到峰值时初始断裂开始发育于主走滑断层尖端。随着走滑拉分量增大,初始断裂扩展,同时,发育有与初始断裂近平行的次级断裂。走滑位移量继续增大,初始断裂与主断层连接,形成菱形坳陷区。此后,当走滑作用进一步进行,盆地边界断层形成并向外扩展,菱形拉分盆地发育成拉长的菱形盆地。

3.1.3 150° overlapping模型

150°overlapping模型的盆地演化和断裂扩展模拟结果见图 5c。在峰值应力达到之前,即初始破裂形成之前,最大拉张力集中于两个主断层的尖端。当达到峰值应力时,初始断裂形成于两个主断层尖端。随着走滑位移的增加,初始断裂进一步发育和扩展,并与主断层连接,形成菱形沉降区。走滑拉分作继续进行,盆地边界断层形成并向外扩展,菱形拉分盆地长度增加,发育成拉长的菱形盆地。重叠错列模型的断裂演化和盆地发育过程与中间模型很相似。

3.1.4 应力-变形曲线(Stress-Deformation behavior)

在模拟过程中监测了初始断裂形成点Circle C附近的正应力(σ11σ22)和剪应力(σ12)(图 2a2c),因此最大主应力(σ1)可以根据等式(1)算得。

$ {\sigma _1} = \frac{{{\sigma _{11}} + {\sigma _{22}}}}{2} + \frac{1}{2}\sqrt {{{\left( {{\sigma _{11}} - {\sigma _{22}}} \right)}^2} + 4\sigma _{12}^2} $ (1)

相对位移(εx*)由等式(2)定义。

$ \varepsilon _x^* = \frac{{{U_x}}}{d} $ (2)

其中,Ux是颗粒体D在水平方向上的位移(图 2a2c),d指的是两个主断层的隔离量(fault seperation)。相对位移(εx*)定义为水平位移与主断层隔离量之比。

30° underlapping、90° non-overlapping以及150° overlapping三种纯走滑模型的最大主应力(σ1)和相对位移(εx*)之间的关系,即应力-变形曲线(σ1-εx* curve)如图 6所示。可以看出三种端元模型具有相似的应力-变形曲线,并且当最大主应力值达到峰值的时候,即初始断裂开始形成的时候,它们具有相似的相对位移。对于每一个模型来说,当相对位移εx*约为0.035左右时,初始断裂开始产生。

图 6 三种纯走滑拉分盆地端元模型的最大主应力(σ1)与相对位移(εx*)关系图[35] Fig. 6 Major principal stress σ1 versus relative extension εx* for the three representative models[35]
3.2 模拟结果与野外实例对比

分析模拟结果可知,30° underlapping模型揭示了拉分盆地从纺锤状发展到反Z型,再到菱形及拉长的菱形盆地这一演化过程。而90° nonoverlapping和150° overlapping模型则直接形成菱形盆地,没有经历纺锤状和反Z型盆地演化阶段。如果走滑作用持续进行,三种端元模型最终都能形成长菱形盆地。

因此,纺锤状拉分盆地的初始主走滑断层是underlapping的,发育于哥伦比亚Algeciras断裂上的El Paraiso盆地就是典型的纺锤状盆地(图 7a)。反Z型拉分盆地的主走滑断层的初始状态也是underlapping排列的,El Paraiso盆地南西的Algeciras盆地是反Z型盆地(图 7a)。而位于哥伦比亚南西El Cedro断层和Pitalito断层之间的Pitalito盆地,其盆地长度和宽度都接近10 km,为菱形盆地(图 7b)[36],它可能起源于不同的初始主断层状态,即初始主走滑断层可能为underlapping、nonoverlapping或者overlapping错列。著名的死海盆地长约132 km,宽约7~10 km(图 7c)[37]。其盆地长度大大超过宽度,是典型的长菱形盆地,它也可能起源于不同的初始主断层状态。

a、b—哥伦比亚Algeciras断裂上纺锤状(El Paraiso盆地)、反Z型(Algeciras盆地)、菱形(Pitalito盆地)拉分盆地简图(改编自Velandia等[36]);c—基于SRTM digital elevation model的死海盆地简图(from https://www2.jpl.nasa.gov/srtm/; http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp) 图 7 拉分盆地实例[35] Fig. 7 Examples of pull-apart basins in nature[35]
3.3 菱形拉分盆地的起源问题

对于菱形拉分盆地的起源,学术界一直存在争论。这里的菱形盆地泛指上文提到的菱形、长菱形及拉长的菱形盆地。Mann等[2]通过总结和研究世界各地研究程度较高的拉分盆地提出拉分盆地的演化过程,即拉分盆地的演化是一步一步进行的,包括从最开始的纺锤状发育到反Z型,再演化到菱形及长菱形盆地。因此,他们认为相对于纺锤状和反Z型盆地来说,菱形盆地及长菱形盆地是拉分盆地发育的较成熟阶段,菱形盆地都经历了纺锤状和反Z型盆地演化阶段。而近年来,越来越多的研究者提出不同的观点,即有些菱形拉分盆地是直接形成的,没有经历纺锤状和反Z型演化阶段[14]

根据笔者数值模拟结果,菱形拉分盆地可以从underlapping模型演化而来,这种菱形盆地经历了纺锤状和反Z型盆地演化阶段(图 5a)。但是由nonoverlapping和overlapping模型形成的菱形盆地不是从纺锤状和反Z型盆地演化而来的,他们是直接形成的菱形盆地(图 5b5c),因此不能根据其菱形形态推测其是否是成熟盆地。

那怎么判断菱形拉分盆地的起源,即怎么判断其是否经历了纺锤状和反Z型演化阶段?我们选择研究程度较高的死海盆地为例,死海盆地是典型的长菱形盆地(图 7c),位于阿拉伯板块和非洲板块之间的左行走滑转换边界带上[37]。通过对比走滑盆地两侧前新生代沉积物和老的基底杂岩的错移,得出死海盆地系统大致左行走滑位移了105 km[38-39],死海盆地的长度(132 km)大于其走滑位移量(105 km)。根据笔者模拟结果,如果死海断裂系统从未重叠错列状态(underlapping)发育而来,其盆地长度不可能大于走滑位移量;只有当死海断裂系统最初就是重叠错列的(overlapping),其盆地长度才可能大于其总走滑位移量。因此,认为长菱形的死海盆地没有经历过纺锤状和反Z型盆地演化阶段,其形成最初即是菱形形态。这个结论与Katzmann等[12]和van Wijk等[14]通过连续元数值模拟对死海盆地的认识是一致的。

因此,可以通过比较菱形盆地的长度和走滑断层的位移量,来判断菱形盆地的起源及其演化过程。如果菱形盆地长度大于走滑位移量,则其起源于overlapping断层系统,没有经历过纺锤状和反Z型盆地演化阶段。如果菱形盆地长度小于走滑位移量,则其来源于underlapping断层系统,且经历了纺锤状和反Z型盆地演化阶段,是比较成熟的拉分盆地。

3.4 估算形成拉分盆地的最小位移和时间

分析模拟结果发现,三种不同端元模型具有相似的应力-变形曲线(图 6)。当应力值达到最大时断裂出现,三种模型在这个点的相对位移(εx*)非常接近,约为0.035左右(Point P,图 8)。随着走滑位移继续,初始断裂开始扩展,Point M就是这个阶段的例子。当走滑位移量继续增大,三种端元模型都在相对位移(εx*)达到0.155左右(Point Q,图 8),初始断裂与主断层连通,形成初始坳陷区。通过改变主断层的隔离量和重叠量,笔者建立了很多测试模型,也都得到了这个结果,因此这个模拟结果很有意义。对于现今正在发育的拉分盆地(active pull-apart basin),虽然不知道其处于什么演化阶段,但是它的演化阶段至少在初始坳陷区形成(Point Q)之后,因此其相对位移(εx*)大于0.155,而此处的相对位移指的是走滑位移量与主断层隔离量之比。将这个结论应用到正在活动的拉分盆地实例中,可以推测形成这些拉分盆地所需的最小位移,如果通过地质调查资料知道了沿着盆地主走滑断层的滑动速率,就可以大致计算此盆地形成所需的最小时间,由此来推测盆地的最小时代。研究收集汇总了世界各地研究程度较高的活动拉分盆地的基本地质资料(见Liu等[35]的Table S2),最后四列是通过上述模拟结果计算的初始断裂和初始坳陷形成所需的位移和时间,将形成初始坳陷所需要的最小时间作为盆地的最小形成时代,其结果与通过地质手段得到的盆地时代大致是一致的。

a—三种纯走滑拉分盆地发育过程中的代表性节点(Piont O:初始点;Point P:应力值达到峰值时(相对位移εx*≈0.035),初始断裂开始发育;Point Q:相对位移εx*约为0.155时,初始坳陷形成;Point M:介于P点和Q点之间的任一节点);b—最大主应力(σ1)与相对位移(εx*)曲线图;c—以El Paraiso盆地为例计算的此活动拉分盆地形成所需的最小位移和最小时间 图 8 三种纯走滑拉分盆地发育过程中的代表性节点及对盆地形成所需的最小位移和最小时间的估算示例[35] Fig. 8 Simplified sketch of the important evolution points during pull-apart basin development for the three models and the estimated maximum displacement and time for the El Paraiso basin calculated from the modeling results[35]
4 张扭性拉分盆地 4.1 盆地演化及其断裂扩展过程

除了经典的纯走滑拉分盆地,笔者也对张扭性拉分盆地的盆地演化和断裂扩展过程进行了详细的研究。张扭性盆地是指主走滑断层与块体运动方向有一定的夹角,即不仅有沿主断层的走滑运动,还有垂向拉伸分量。选择underlapping模型为例,将张扭性盆地的模拟结果与纯走滑拉分盆地进行了对比。同时,通过改变张扭性盆地主走滑断层与块体运动方向的夹角(后文简称夹角),来研究此夹角对张扭性盆地断裂扩展和盆地形态的影响。

主走滑断层与块体运动方向间的夹角对断裂和盆地形成演化过程的影响如图 9所示。图 9a展示的是纯走滑拉分盆地的演化过程,上一章已经详细描述了,这里不再赘述。图 9b是夹角为5°的张扭性盆地(图 9b①)的演化过程:初始断裂形成于主断层尖端,随着走滑拉分作用继续,初始断裂扩展并以50°与块体运动方向斜交(图 9b②)。当初始断裂发育到一定阶段时即停止扩展,新的断裂开始形成,包括在初始断裂与主断层的相交处,主断层分化出两条次级断裂,他们分别与块体运动方向以20°和40°斜交,此外另一条新断裂以43°与块体运动方向斜交(图 9b③)。当位移继续增加,主断层扩展并与次级断裂连通,形成一个倾斜的纺锤状坳陷区,与此同时,与块体运动方向43°斜交的新断裂扩展连通,形成一条贯穿的对角线断裂(cross-basin fault),这条对角线断裂将坳陷区分为两部分(图 9b④)。据模拟结果推测这两个区域(area A和area B)具有不同的沉降大小,因此5°张扭性盆地模型可能形成了两个沉积中心,这个结论也得到了砂箱实验的验证[6]。随着走滑位移持续,盆地边界断层形成并向外扩展,形成斜的反Z型盆地。位移进一步增大,盆地不仅长度增加,其宽度也逐渐增大,形成一个斜的、宽的、对称的菱形张扭性拉分盆地(图 9b⑤),这种张扭性拉分盆地比纯走滑拉分盆地更宽[35, 40]

a—纯走滑模型; b—5°张扭性模型; c—10°张扭性模型 图 9 纯走滑拉分盆地和张扭性拉分盆地的断裂扩展和盆地演化过程对比图[40] Fig. 9 Comparison of crack propagation and basin development for pure strike slip model, 5° transtensional model, and 10° transtensional model[40]

图 9c展示了夹角为10°的张扭性盆地(图 9c①)的发育过程和断裂演化。初始断裂也形成于主断层尖端,不过其与块体运动方向的夹角增大到65°~75°(图 9c②)。当初始断裂扩展到一定阶段时即停止发育,而在两条初始断裂之间开始发育一条与块体运动方向呈27°斜交的新断裂(图 9c③)。随着走滑位移持续,这条新断裂扩展并与主断层连接,形成一条贯通的大断裂(throughgoing fault),也称对角线断裂(图 9c④),这条断裂以走滑作用为主。随着走滑拉分继续进行,沿着这条对角线断裂形成初始坳陷区,坳陷区的边界即为边界正断层。如果走滑位移继续增大,则盆地长度和宽度不断增加(图 9c⑤)。

为了研究主走滑断层与块体运动方向的夹角对张扭性盆地演化过程和断裂扩展的影响,笔者还建立了更多不同夹角的张扭性盆地模型,包括15°和20°张扭性盆地。模拟结果显示15°和20°张扭性盆地的次级断裂演化和盆地发育过程与10°张扭性盆地相似,因此不再单独列出。

4.2 模拟结果与野外实例对比及其构造意义

5°张扭性模型揭示了张扭性盆地从纺锤状到反Z型再到菱形、长菱形盆地的演化过程,其整体盆地演化历史与纯走滑拉分盆地的演化相似[35, 40]。然而,将纯走滑模型稍作改变,即将主走滑断层与块体运动方向的夹角从0°增加到5°,其断裂样式和盆地几何形态发生了明显变化(图 9a9b),从纯走滑盆地到5°张扭性盆地,次级断裂发育的更加弥散(diffuse),同时盆地宽度增加。在5°张扭性盆地中一条贯通的对角线断裂将坳陷区分为两部分,而纯走滑盆地中没有发育贯通的对角线断裂。纯走滑盆地只有一个沉积中心,而5°张扭性盆地发育两个沉积中心,且其盆地宽度更大。这个模拟结论与以往物理模拟[6]和三维弹性模型[22]的研究结果是一致的。奥地利的维也纳盆地(Vienna basin)是典型的5°张扭性盆地[6, 41-42],其盆地形态与5°张扭性盆地的模拟结果相似。

从5°张扭性盆地到10°张扭性盆地,盆地形态和断裂样式发生了很大改变。主走滑断层与块体运动方向的夹角从5°稍微增大到10°,初始断裂变陡,其与块体运动方向的夹角从50°增加到60°~70°。之后,一条新的较缓的断层(27°)出现,并与主走滑断层连通,形成一条贯通的对角线断裂,坳陷区沿着这条大断裂发育。当主走滑断层与块体运动方向的夹角继续增加到15°甚至20°,次级断裂的发育和盆地演化方式均类似于10°张扭性盆地。Cinarcik盆地位于土耳其Marmara海,是一个斜的菱形盆地,其长度和宽度分别为50 km和20 km左右[43]。其主走滑断层(Fault C和Izmit Fault)走向均为90°(图 10),但是Anatolia-Eurasia块体运动方向是260°[43-45],主断层走向与块体运动方向间夹角为10°,因此Cinarcik盆地是典型的10°张扭性盆地。Cinarcik盆地北部发育一条贯通的大断裂,将主走滑断层连通起来,而其南部边缘发育一系列小的正断层[22, 43]。Cinarcik盆地的断裂形式与文中10°张扭性盆地模拟结果具有相似性,即都发育一条贯通的对角线断裂,且这条断裂以走滑运动为主,盆地边界发育边界正断层。不过,在该文的模型里,对角线断裂发育于盆地中间,而Cinarcik盆地的贯通大断裂发育于盆地北部(图 10),这个差异可以用数值模型具有均质性和偏理想化而野外实例的基底可能具有差异性来解释。

图 10 土耳其Marmara海走滑拉分盆地系统构造简图(改编自Armijo等[43]) Fig. 10 Simplified structural map of pull-apart basins in the Marmara Sea, Turkey (after reference [43])
5 主要结论

基于离散元方法的颗粒流模型首次被用来模拟走滑拉分盆地的形成演化和次级断裂的发育扩展过程。文章采用离散元数值模拟方法对不同初始条件下的拉分盆地形成演化展开详细研究,包括纯走滑拉分盆地和张扭性拉分盆地两大类。通过对三种代表性的纯走滑拉分盆地的演化过程及次级断裂的形成、扩展和连接过程研究,揭示了菱形拉分盆地的起源问题,给出了计算拉分盆地形成的最小位移和最小时间的方法,为拉分盆地的形成演化过程提供了新的研究思路和方法。此外,通过对不同的张扭性盆地的模拟研究,探讨了主走滑断层与块体运动方向的夹角对张扭性盆地的断裂扩展和盆地形态的影响。并将上述理论研究与死海盆地等经典拉分盆地实例相结合,讨论具体拉分盆地的形成演化机理,得出了以下主要结论。

(1) 菱形拉分盆地可能是从纺锤状和反Z型盆地演化而来,也可能是直接形成并未经历纺锤状和反Z型盆地演化阶段。通过比较盆地长度和沿着走滑断裂带的位移量,可以推测菱形拉分盆地的起源。拉分盆地的现今形态是由其初始主走滑断层的几何排列形式和其所处的演化阶段共同决定的。

(2) 根据模拟结果,提出了估算拉分盆地的最小位移和最小时代的方法,将此估算方法应用到世界各地研究程度较高的拉分盆地,其计算结果与地质资料得到的盆地时代是一致的。此方法适用于现今仍在活动的拉分盆地。

(3) 从纯走滑到不同程度的拉张走滑作用,其次级断裂的发育和拉分盆地的形态不尽相同。从纯走滑盆地到5°张扭性盆地,次级断裂发育的更加弥散,同时盆地宽度增加,沉积中心也由一个变成两个。当主走滑断层与块体运动方向的夹角达到10°及以上时,盆地内部发育一条贯通的对角线断裂,此断裂以走滑活动为主,而边界正断层位于盆地两侧边界。

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