龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验.pdf

高 校地质学报Geological Journal of China Universities2023 年 8月，第 29 卷，第 4 期，617-629页August 2023，Vol.29，No.4，pp.617-629 收稿日期：2021-12-10；修回日期：2022-03-07基金项目：国家自然科学基金项目（41927802）；国家油气重大专项（2016ZX05003001 和 2017ZX05008001）联合资助作者简介：葛家成，男，1996 年生，硕士研究生，构造地质学专业；E-mail: *通讯作者：贾东，男，1960 年生，教授，博士生导师，主要从事含油气盆地构造和活动构造研究；E-mail:龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验葛家成1，贾 东1*，尹宏伟1，闫 兵2，陈竹新3，范小根1，杨 双1，崔 键1，钟 城11.南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2.河海大学 海洋学院，南京 210098；3.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083 摘要：在青藏高原东缘北东向龙门山断裂带西北约150 km的松潘甘孜块体东部，存在一条北东向，具有右旋逆冲活动特征的龙日坝断裂带，由于其特殊的地理位置，目前已引起广泛关注。为了研究这两条性质相似断层带间的相互关系，文章根据该区域实际地质情况和相似性原理设计三组物理模拟实验，重点考虑碧口块体和底部滑脱层的影响，并运用粒子速度场成像技术监测表面变形。实验模型显示，在东西向挤压应力下发育了北东走向以逆冲为主兼右行走滑分量的龙门山断裂带和龙日坝断裂带以及南北走向的岷山隆起带。根据实验结果得出认识：只有在碧口块体的作用下，才会沿滑脱层边界发育断层，而不是在滑脱层内部形成弧形断层；龙门山断裂带与龙日坝断裂带在深部滑脱层相连，可能是一组同期发育的倾向相反的断层。该研究结果显示，在碧口块体影响下断裂带的发育过程，为理解龙门山断裂带和龙日坝断裂带相互关系提供了一种可能的构造模式。关键词：青藏高原东缘；物理模拟；龙日坝断裂带；龙门山断裂带；碧口块体 中图分类号：P542+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7493（2023）04-617-13Physical Analogue Modeling Research on the Relationship Between Longmenshan Fault Zone and Longriba Fault Zone GE Jiacheng1，JIA Dong1*，YIN Hongwei1，YAN Bing2，CHEN Zhuxin3，FAN Xiaogen1，YANG Shuang1，CUI Jian1，ZHONG Cheng11.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China；2.College of Oceanography,Hohai University,Nanjing 210098,China；3.Exploration and Development Research Institute，PetroChina,Beijing 100083,ChinaAbstract:In the eastern part of Songpan-Ganzi block about 150 km northwest of Longmenshan fault zone in the eastern Tibetan Plateau,there is a NE-trending Longriba fault zone featured with dextral transpressive shearing.Due to its special geographical location,it has attracted widespread attention.In order to study the relationship between these two similar fault zones,three groups of physical analogue modeling are designed according to the actual geological conditions of the region and the similarity principles.The influence of the Bikou terrane and the bottom detachment is mainly considered,and the Particle Image Velocimetry is used to monitor the surface deformation.The experimental model shows that NE-trending Longmenshan fault zone DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2021119引用格式：葛家成，贾东，尹宏伟，闫兵，陈竹新，范小根，杨双，崔键，钟城.2023.龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验研究J.高校地质学报，29（4）：617-629葛家成高校地质学报2 9 卷 4 期618and Longriba fault zone with thrust and right-lateral strike-slip component and Minshan uplift zone with north-south strike are developed under EW compression stress.According to the experimental results,we conclude that only with the existence of the Bikou terrane,faults develop along the boundary of the detachment,otherwise arc faults develop within the detachment layer.The Longmenshan fault zone is connected with the Longriba fault zone in the deep detachment to form a pop-up structure.The results of this study show the development process of fault zone under the influence of Bikou terrane,and provide a possible structural model for understanding the relationship between Longmenshan fault zone and Longriba fault zone.Key words:eastern Tibetan Plateau;analogue modeling;Longmenshan fault zone;Longriba fault zone;Bikou terraneCorresponding author:JIA Dong,Professor;E-mail:龙日坝断裂带位于青藏高原东缘，松潘甘孜块体内，距离青藏高原东部边界龙门山断裂带约150 km，与龙门山断裂带基本平行（图 1）（Guo et al.,2015;徐锡伟等，2008）。龙日坝断裂带的发现为理解青藏高原东缘的应变分配和隆升机制提供了新的思路，然而其构造成因和深部结构仍存在争议，徐锡伟等（2008）认为龙日坝断裂带是龙门山断裂带的后展式推覆构造带，Guo 等（2013）和郭晓玉等（2014）根据深反射地震剖面认为龙日坝断裂带与龙门山断裂带倾向相同，Ansberque 等（2018）推测龙日坝断裂带可能是龙门山断裂带的反冲断层。龙门山断裂带是北东走向以逆冲为主兼右旋走滑分量，倾向北西，存在分段活动性（Burchfiel et al.,1995;Jia et al.,2006）。因此研究龙日坝断裂带和龙门山断裂带的相互关系有助于深入探讨青藏高原东缘活动构造变形与运动学模型。对于龙门山断裂带和龙日坝断裂带的相互关系，前人通过不同的方法进行了研究，姚琪等（2012）通过数值模拟的方法模拟了低速低阻层控制下的龙门山断裂带和龙日坝断裂带。Li 等（2018）通过断层活动性、构造同沉积和热年代学证据提出了龙门山龙日坝和龙日坝岷山的应变分配模型。虽然这些方式考虑到了断裂带的相互关系，但存在各自的局限性。数值模拟只能反映深部结构的二维关系，应力分配模型只能反应地表断裂带的相互关系却不能反应深部结构关系，而物理模拟实验可以将深部结构和表面断裂结合起来。物理模拟实验是在实验室条件下选用合适的材料（Reber et al.,2020），通过相似性把自然界模型缩小到实验模型尺度，在实验室内直观的观察构造变形过程，分析构造变形机制或验证模型假说并提出新的模型的重要手段（Graveleau et al.,2012）。因此本文结合该区域地质背景和研究现状，运用物理模拟实验的研究手段，通过粒子速度场成像技术（Particle Image Velocimetry，PIV）记录和分析实验模型表面发育过程。本文共设计了三组物理模拟实验，分析碧口块体和滑脱层的影响，研究龙门山断裂带和龙日坝断裂带的相互关系，并根据实验结果提出一种可能的构造模式。1 地质背景研究区构造主要包括有龙门山断裂带、岷山构造带、东昆仑断裂带以及龙日坝断裂带。构造单元主要包括松潘甘孜块体、四川盆地和碧口块体（图 1），徐锡伟等（2008）将松潘甘孜块体以龙日坝断裂为界，分为龙门山次级块体和阿坝次级块体。龙门山断裂带长大约 500 km，宽 3050 km，北起秦岭山脉的米仓山隆起，南至康滇隆起，整体走向北东，倾向北西，根据构造变形特征被分为南北两段（Jia et al.,2006;Li et al.,2010;贾东等,2003）。龙门山南段大致为宝兴至安县一带，地形陡峭，在 50 km 的水平距离内海拔从青藏高原5000 m 骤降至四川盆地 600 m，新生代前锋褶皱冲断带复杂，吸收了较大的缩短量，地壳缩短近40 km；而龙门山北段大致为安县至广元一带，海拔仅有 2300 m，地形梯度远小于南段，冲断前锋构造较简单，吸收缩短量较小，仅有不到 10 km（Hubbard et al.,2010;贾东等，2003，陈竹新等，2005）。岷山为南北走向的隆升区域，东侧边界是走向北北西，倾向向西的逆冲兼左行走滑分量的虎牙断层（周荣军等，2006），和 2017 年的九寨沟地619葛家成等：龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验4 期震的发生揭示的一条潜在的连接东昆仑断裂末端和虎牙断裂的左旋走滑的九寨沟断裂（Zhao et al.,2018;张岳桥等,2018）；西侧边界是走向近南北，倾向向西的岷江断裂（Kirby et al.,2000）。Li 等（2019）和陈国光等（2007）根据地貌、地质构造、地震资料等认为龙门山南段至岷山是现今的主要活动边界。龙日坝断裂带是一条位于龙门山断裂带西北侧约 150 km 的北东走向右旋逆冲断裂带，根据地貌特征该逆断层倾向北西，然而龙日坝断裂带的深部结构仍存在争议。徐锡伟等（2008）认为龙日坝断裂带是晚第四纪以来由龙门山断裂带中南段向北西（后陆方向）发育后展式推覆构造系统时形成的。Guo 等（2015）认为龙日坝断裂带作为扬子板块的最西边界而不是龙门山断裂。热年学的研究发现在 1510 Ma 龙日坝断裂带存在快速隆升的现象（Ansberque et al.,2018），龙门山断裂带在 2530 Ma 和 1015 Ma 存在快速隆升事件（Wang et al.,2012）。通过过龙门山中段北西南东向深地震测深研究发现，龙门山断裂带及其以西至龙日坝断裂带地区地壳厚度明显大于四川盆地地壳厚度和龙日坝断裂带以西地区地壳厚度（郭晓玉等，2014）。碧口块体以楔形地块嵌于四川盆地（扬子块体）、松潘甘孜块体和秦岭大别造山带之间（秦克令等，1992）。其基底核杂岩为新元古界碧口群火山岩系和横丹群浊积岩系,碧口群火山岩系由变火山熔岩、变凝灰岩和中级变质的侵入岩体构成，是一套弧火山岩系，上覆较薄中生界沉积盖层（刘鹤等，2008）。碧口块体主体出露的是前寒武的结晶基底，部分上覆较薄沉积盖层，这与相邻块体以沉积岩为主的岩性明显不同。在物理模拟实验中，受到变形时岩石沉积序列内的火成岩相对于周围地层被通常假定为刚性（Carbonell et al.,2016;Villarroel et al.,2020），由于先存障碍是影响褶皱冲断带发育过程的重要因素之一，先存障碍会影响深部结构和增生楔形态（Carbonell et al.,2016），先存障碍的斜坡倾角会影响上盘可容空间样式（Bonini et al.,2000），先存障碍的走向会影响褶皱冲断带的构造方向（Villarroel et al.,2020）。因此考虑位于构造转换带之间的碧口块体作为先存障碍图1 青藏高原东缘活动大地构造区域图，GPS速度场矢量相对于华南块体（改自Zhang et al.,2010;张岳桥等,2018）Fig.1 An active tectonics map of eastern margin of Tibetan Platen,GPS velocity vectors are relative to the South China block逆冲断层走滑断层龙门山断裂带虎牙断裂岷江断裂九寨沟断裂成都安县广元宝兴岷 山 隆 起06200海拔高度(m)四川盆地松潘甘孜块体34N32N30N108E106E104E102E100E10 mm year-1碧口块体秦岭-大别造山带东昆仑断裂龙日坝断裂鲜水河断裂高校地质学报2 9 卷 4 期620影响了该区构造演化过程。根据地球物理资料，在松潘甘孜块体下 20 km 左右存在广泛分布的低速低阻层（图 2；Li et al.,2009;Wang et al.,2007)，分布范围东至较硬的四川盆地，西侧在龙日坝断层以西，北侧至少至东昆仑断裂，即在松潘甘孜块体下 20 km 处存在广泛分布的滑脱层（图 2）。对于碧口块体处有大地电磁数据显示，碧口块体整体表现为高电阻率特征，但细节上显示在 20 km 处存在低电阻率特征（Sun et al.,2020；闵刚等，2017），说明碧口块体在 20 km处可能存在滑脱层。2 模型设计本文的实验在南京大学物理模拟实验室内完成。实验的目的是探讨研究区内先存障碍对于自然界中断层褶皱在挤压变形过程中的影响。通常在物理模拟实验中使用干燥石英砂来模拟脆性地层，硅胶来模拟塑性地层（Reber et al.,2020）。在实验中的硅胶在较小应变速率的条件下，可以认为硅胶的流变学性质近似符合牛顿流体（Ventisette et al.,2021;Weijermars et al.,1986）。本实验中使用石英砂和硅微粉按照质量比 5：1 混合，增加材料的内聚力，来模拟较硬的先存障碍（Henriquet et al.,2020）。本实验中使用的干燥石英砂内聚力 C069 Pa，内摩擦系数 00.71，石英砂和硅微粉的混合材料的内聚力 C1221.7 Pa，内摩擦系数 10.78，使用的硅胶在室温下测量的粘度系数 m3104 Pas，密度 987 kg/m3。在物理模拟实验中，实验模型和自然模型需要满足几何学，运动学和动力学的相似（Graveleau et al.,2012;Hubbert,1937）。在我们的实验中，实验模型中的 1 cm 对应自然界模型 10 km，即 L*=110-6，对于脆性满足库伦破裂准则的材料来说，实验模型和自然模型的相似性满足以下关系：*=*g*L*（1）公式中的*，*，g*，L*的分别对应应力，密度，重力加速度，长度的实验模型和自然界的比值。对于韧性材料来说，实验模型和自然模型的相似性需满足 Rm数值在同一数量级（Weijermars et al.,1986），本实验和自然原型的 Rm比值为 0.92 符合相似性原则。Rm=ghv2（2）其中 表示密度，g 表示重力加速度，h 表示韧性层厚度，表示韧性流变层粘度系数，v 表示层状流体顶、底面相对滑动速率，在实验中可以近似认为是挤压速率（Bonini,2003）。为研究碧口块体以及滑脱层分布范围对于该地区构造的影响，共设计了三组模型（图 3a）。用石英砂和硅微粉的高内聚力混合材料来模拟较硬的碧口块体，用硅胶模拟滑脱层。四川克拉通作为青藏高原向东扩展方向上的阻挡物，对于高原的挤出作用确实起到重要影响，为了突出这个阻挡作用，在实验中，盆地区深部并无塑性滑脱层，这样的实验设置能够较好地模拟四川克拉通的阻挡作用。实验模型如图 3 所示，在 60 cm40 cm 的实验箱内铺设2.5 cm 厚的实验模型，两侧固定玻璃板，一侧固定亚克力板，另一侧有可移动的亚克力挡板，其中可移动挡板部分裁空（图 3b），为了减少侧面摩擦和阻挡作用对实验模型的影响，按照松潘甘孜块体的边界条件铺设硅胶的范围，铺设北东走向的硅胶边界，即一个上底为 40 cm，下底为 30 cm，高为图2 宽角反射和折射数据（改自Li et al.,2009）（图中数字为波速度，单位km/s）Fig.2 Wide-angle reflection and refraction data(modified after Li et al.,2009)壤口02040km上地壳WMFPGF低速层黑水汶川灌县成都简阳5005506006507007505.95.95.95.85.85.85.65.66.06.06.06.06.06.06.16.16.16.16.46.46.46.36.3松潘甘孜块体龙门山断裂带四川盆地621葛家成等：龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验4 期（a）三种实验模型设计，底层硅胶区域对应低速低阻层，代表松潘甘孜块体，高内内聚力块体对应碧口块体，石英砂部分对应四川盆地。模型未考虑高内聚里块体影响，模型与模型不同之处在于硅胶是否分布于高内聚力块体下面（b）实验模型与移动推板（c）模型中对应不同地区的应力强度剖面图图3 实验模型示意图Fig.3 Sketch illustrating the analogue modelling setup硅胶石英砂石英砂石英砂60401040300.50.51.5从西向东挤压40cm硅胶石英砂高内聚力块体石英砂石英砂1040301010高内聚力块体硅胶石英砂高内聚力块体石英砂石英砂1040301010(a)(b)(c)0122.500.522.500122.510cm移动推板模型模型模型深度/cm深度/cm深度/cm四川盆地应力强度/Pa30020010003002001000300200100碧口块体应力强度/Pa松潘甘孜应力强度/Pa单位/cm高校地质学报2 9 卷 4 期62230 cm 的直角梯形范围的硅胶，硅胶对应于底部低速低阻层。模型里其余部分均通过撒下干燥石英砂，然后用刮板刮平的方式铺设材料，模型每隔 5 mm 铺设物理参数相同的彩砂，方便观察实验结果内部变形特征。模型在硅胶右上角位置裁去 10 cm10 cm 的等腰直角三角形，并用混合材料在裁去部分铺设 2 cm 厚的块体，模拟较硬的碧口块体，上覆 0.5 cm 的干燥石英砂，模拟碧口块体上的沉积盖层，其余部分均按照模型的方式铺设干燥石英砂。模型与模型相似，区别是硅胶的铺设范围分布在较硬块体下，探究下部软弱层的分布范围对该处构造变形的影响，因此在 0.5 cm 厚的硅胶上铺设一 1.5 cm 厚的 10 cm10 cm 的等腰直角三角形块体。所有的实验均以 0.0017 mm/s 的速度推动挡板，对应实际松潘甘孜块体内部的 10 mm/yr的移动速率(Gan et al.,2007)和东昆仑断裂的走滑速率 10 mm/yr，实验挤压距离 15 cm，一组实验时间为 23.5 h（具体相似性见表 1）。实验模型表面速度场变化通过粒子速度场成像技术（Particle Image Velocimetry，PIV）监测，PIV结果可以更好的识别正在活动的断层和断层性质以及速度场，从而对实验过程分析和解释，可以帮助认识和理解实验模型的运动学过程（沈礼等,2012）。本实验中每隔 5 min 拍摄一次顶部照片，记录实验过程，然后利用 Micro Vec 和 Tecplot 对图片经处理，得到速度场和应变等信息。3 实验结果模型演化结果如图 4 所示，在仅有硅胶滑脱层的实验模型中，实验结果显示断层整体呈前展式发育并形成了与硅胶边界相关的弧形边界。当缩短量为 1.05 cm 时，在靠近推板处形成由断层 F1 和反冲断层 B1 形成的冲起构造（pop-up），东西向断层 S1。在 PIV 分析中（图 4-a-3）可以明显看到x 轴挤压应变集中在 F1 和 B1 处，主要应变为挤压应变，剪切量较小，S1 为左行走滑断层。当缩短量为 3.5 cm 时，受底部硅胶范围影响，开始沿硅胶侧面边界发育一组新的北东走向断层 F2 和 B2以及硅胶内部的断层 F3，F3 随后发育逐渐与 F2相连，形成向前进方向凸起的弧形断层，北部继续发育东西走向走滑断层 S1。PIV 分析（图 4-b）显示此时F2与F3断层为逆断层，F2含右旋剪切分量，F3 含左旋剪切分量。当缩短量为 6.5 cm 时，断层继续向前发育，形成一组新的断层 F4 和 B3，F4与 F2 相连，但较 F2 隆升较小，S1 继续发育与 F4相连，图 4-c-3 显示此时应变集中在新产生的断层F4 和 B3，说明此时 F4 和 B3 为活跃断层，之前的断层进入不活跃状态。模型最终形成弧形边界（图 4-d），并且变形主要集中在弧形边界和北部走滑断层。模型演化结果如图 5 所示，模型由硅胶滑脱层和高内聚力块体共同约束和控制边界条件，硅胶未在高内聚力块体下分布，最终形成弧形边界凸起偏向北侧，弧形南侧边界与硅胶南侧边界相似。当缩短量为 0.71 cm 时，首先在靠近推板的位置形成一组逆冲断层 F1 和 F2 组成的冲起构造，东西向断层 S1，根据 PIV 分析结果（图 5-a-3），F1 和B1 主要为挤压应变，剪切应变较小，S1 为左行走滑断层，这与模型现象相类似。当缩短距离达到 5.05 cm 时，同样沿硅胶边界形成一组北东向断层 F2 和 B2 组成的冲起构造，硅胶内部则发育多处较小的断层（如 B3），北部持续发育走滑断层S1，并且断层 F2 沿着硅胶边界向前发育，然后在高内聚力块体前走向逐渐变为南北向，这与模型有差别，F2 并没有和硅胶内部发育断层相连接而是沿着硅胶边界向前发育。图 5-b 显示断层 F2 为逆冲断层含右旋走滑分量，应变主要在 F2，B2 集中，硅胶范围内部断层吸收少量应变。当缩短量为 8.77 cm 时，变形继续在硅胶边界和硅胶内部集中，但内部断层吸收应变显著增大（图 5-c-3），导致断层 F2 继续活动，同时发育断层 F3，S1 继续表1 实验模型与自然模型的物理参数与相似性Table 1 Analogue material parameters and scaling ratios of experiment model and natural model参数模型自然模型/自然（比值）密度b,kg m-3135024000.56密度d,kg m-398727000.37黏度,Pa s3104410207.510-17长度L,m0.011000010-6重力加速度g,m s-29.819.811时间t23.5 h15 Ma1.7910-10速度v0.0017 mm/s10 mm/yr5.6103Rm4.75.10.92623葛家成等：龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验4 期S=1.05cmS1S=3.5cmS=6.5cmS=15cm模型变形过程速度场图小大Exx-20200Exy-20200F1B1B1 F1F2F3B2B3S1F4S1F1B2F2F3F4F1B1S1F2F3B2a-1a-2a-3a-4b-1b-2b-3b-4c-1c-2c-3c-4d-1d-2d-3d-4a-d对应不同缩短量的实验阶段、1-4对应不同时期模型变形结果，PIV分析的速度场，Exx，Exy（Exx反映了该时期水平挤压应变，Exx数值为正代表着挤压；Exy反映了该时期剪切应变，Exy数值为正代表着右旋剪切）图4 实验模型演化过程Fig.4 Evolution of the experimental model 1 发育，但是 S1 东侧走滑变形显著减小（图 5-c-4）。模型最终应变集中在弧形边界 F2，边界始终呈圆滑弧形。模型演化结果如图 6 所示，模型同样由硅胶滑脱层和高内聚力块体共同约束和控制边界条件，不同点在于硅胶分布在高内聚力块体之下。与模型、相类似，首先在靠近推板的地方发育了一组逆冲断层 F1 和 B1 组成的冲起构造，走滑断层 S1。然后变形沿硅胶边界快速传播，发育一组沿硅胶边界的 NE 向断层 F2 和 B2。断层 F2 沿硅胶边界发育，末端传递至高内聚力块体右侧终止。随着挡板继续挤压，在硅胶范围内部开始收缩并隆升，形成一组新的冲起构造并逐渐收缩至硅胶范围内整体向前移动，整体为乱序逆冲式发育模式，该实验模型结果与实际地质情况最为相似，因此结合PIV 结果进行分析并详细讨论该实验中各断层性质及发育情况。模型实验结果 PIV 分析如图 6 所示，。在实验开始时，当缩短量到达 0.5 cm 时，靠近推板处便产生近南北走向逆冲断层 F1，以及与其相对应的一条倾向相反的反冲断层 B1，形成了冲起构造，在挡板缺失处形成东西走向的走滑断层 S1，根据图 6a，可明显看出断层 F1 和 B1 为挤压应变，S1为左行走滑断层，模型、均出现了相似的情况。当缩短量到达 4.79 cm 时，新的断层 F2 和 B2 发育，破裂变形开始快速沿硅胶边界向前传递至高内聚力块体西侧，此时发育的北东走向逆冲走滑断层 F2和与其倾向相反的反冲断层 B2 形成了冲起构造。根据图 6b 显示，断层 F2 和 B2 含有右旋走滑分量和逆冲分量，断层 F2 和 B2 沿北东向发育一直到高内聚力块体西侧，走向改变为南北向，同时在硅胶边界北侧继续发育东西走向的左行走滑断层 S1。高校地质学报2 9 卷 4 期624当缩短量为 7.85 cm 时，断层 F2 继续向北东方向发育，断层末端破裂传递进入高内聚力块体东侧，这与模型相异，断层 F2 新发育部分明显活动量较小，根据图 6-c-4 可以看出末端断层的性质为含右旋走滑的逆冲断层，但主要应变集中在 F2 的南段和南北走向的 F3。左旋走滑断层 S1 继续发育，并由近南北向的逆冲断层 F3 相连 F2 与 S1。新发育一条左旋走滑断层 S2，与 S1 性质相似。速度场（图 6-c-2）在断层 B2 处骤降，在 B2 和 F2 之间速度场较为稳定,越过 F2 后，速度场变的几乎消失。当缩短距离为 15 cm 时，缩短量主要在硅胶覆盖部分集中，断层 F2 整体活动，根据图 6-c 和图 6-d 可以看出断层 F2 分段活动的特性，南段活动性强于北段活动性，北段断层破裂进入高内聚力块体右侧。两条模型实验结果的剖面结果如图 7 所示，反冲断层 B2 和逆断层 F2 在硅胶滑脱层相连，两条断层倾向相反，形成冲起构造，后续挤压过程中发育的 F4 和 B3 以 B3 反冲为主。缩短量主要集中在硅胶滑脱层分布的区域内，东侧部分几乎未发生变形。高内聚力块体发生向东倾向的隆升，块体西侧部分因阻挡作用同样发生隆升。4 分析与讨论模型和模型均与青藏高原东缘没有很好的相似性。模型形成了弧形边界，无法与实际地质情况相对应，模型形成的边界虽然与龙门山断裂带有一定的相似性，但是对于岷山区域和龙门山北段的性质相差甚远。模型虽然与地质原型有一定的差异，但整体上更为符合实际地质情况，因此对模型进行深入分析（图 7）。本文的试验结果表明先存障碍对于侧向结构边界断层发育有促进作用，对比模型和模型，模型和模型，只有硅胶时，断层的发育符合前展式断层模型，由于硅胶的边界和侧向摩擦导致变形s=0.71cms=8.77cms=5.05cms=15cmF1B3F3B2F2S1F1F2B2B3S1F1F2B2B3F3S1F1B1S1速度场图小大Exx-20200Exy-20200模型变形过程a-1a-2a-3a-4b-1b-2b-3b-4c-1c-2c-3c-4d-1d-2d-3d-4a-d对应不同缩短量的实验阶段、1-4对应不同时期模型变形结果，PIV分析的速度场，Exx，Exy图5 实验模型演化过程Fig.5 Evolution of the experimental model 625葛家成等：龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验4 期逐渐向前传递时，形成向挤压前进方向突起的弧形断层（图 4c）。而高内聚力块体的存在使得变形在硅胶边界集中并沿边界发育了一条快速破裂的北东走向逆冲为主兼右旋走滑断层 F2（图 8a）。模型与模型相比，模型在高内聚力块体下铺有硅胶，在块体西侧发育断层逆冲断层 F3，在块体东南侧发育较弱的含右行走滑分量的逆冲断层。Villarroel 等（2020）的研究显示先存障碍会影响褶皱冲断带的结构模型和演化过程，会让应变在块体的边界集中。模型隆升边界是从北东向偏西转为近南北向，这是高内聚力块体阻挡作用导致的块体西侧区域隆升。在该研究区域中，存在与实验结果相符的地质现象，龙门山南段和岷山隆起是现今松潘甘孜块体活动边界（Li et al.,2019），龙门山南段峰顶沿北东走向偏西到岷山隆起（Burchfiel et al.,2008）。龙门山断裂带存在南北分段的特征，在新生代龙门山断裂带南段变形强烈而北段变形较弱（Jia et al.,2006;陈竹新等,2005）。根据实验结果的启示，底部滑脱层的分布范围和碧口块体共同影响了现今龙门山断裂带构造特征，滑脱层和碧口块体共同作用将变形传递到滑脱层边界并导致了现今龙门山断裂带南北分段的构造特征，让现今龙门山南段和岷山区域是松潘甘孜块体主要的活动区域。碧口块体的阻挡作用使得应力在岷山区域集中，导致南北向的岷山隆升（图 8c），发育了近南北向的岷江断裂、虎牙断裂等。汶川地震揭示了一条快速破裂的含右旋走滑的逆冲断层（Xu et al.,2009）（图 8b），断层破裂从龙门山南段传入龙门山北段，这一现象和实验结果十分吻合。根据 GPS 数据，现今松潘甘孜块体以龙日坝断裂带为界线，该断裂带以西的移动速率是向东移动 10 mm/yr，而经过龙日坝断裂带，移动速率突变为 6 mm/yr 并且方向发生改变，至龙门山断裂带区域，观测到的位移速率则减少至 3 mm/yr（Gan et al.,2007）。在模型的速度场（图 6c）中，可以观察到向东挤压的水平速度场，在断层 B2 和 F2 处分别发S=0.5cmS=4.79cmS=7.85cmS=15cmF1B1S1F1S1F2B2S1F1F2B2S2F3F1S1S2B3B2F2F3F4B4S3速度场图小大Exx-20200Exy-20200模型变形过程a-1a-2a-3a-4b-1b-2b-3b-4c-1c-2c-3c-4d-1d-2d-3d-4a-d对应不同缩短量的实验阶段、1-4对应不同时期模型变形结果，PIV分析的速度场，Exx，Exy图6 实验模型演化过程Fig.6 Evolution of the experimental model 高校地质学报2 9 卷 4 期626al.,2018），龙门山断裂带同样在 1015 Ma 存在快速隆升的现象（Wang et al.,2012），意味着龙门山断裂带与龙日坝断裂带可能存在同时隆升，这与模型结果出现的冲起构造很好的吻合，显示这一对断层同期发育，龙日坝断裂带是龙门山断裂带的反冲断层。龙门山断裂带以西至龙日坝断裂带地区地壳厚度大于四川盆地和龙日坝断裂带以西地区的地壳厚度，同时该区域地势起伏平缓（郭晓玉等,2014）。地势起伏平缓的隆升现象与实验结果相符合，龙日坝断裂与龙门山断裂为冲起构造解释了该区域相对两边平缓的升高的现象。因此，根据实验结果认为龙日坝断裂带和龙门山断裂可能是一组同期断层，断层底部可能在深部滑脱层相连（图8d）。虽然在断层性质，发育模式，速度场变化上和实际地质情况有较好的对应关系，但是实验模型仍存在局限性。（1）实验模型是对地质原型的简化，鉴于实验模型铺设和实验设备，无法考虑到实际地质情况复杂的不均一性和多期构造的影响。（2）地质过程中除了构造运动导致的构造特征变化，沉积、剥蚀作用和地壳均衡等也是重要的影响因素，但本实验中未能还原实际情况下复杂的交互过程。（3）对于研究区域深部结构与性质以及隆升机制仍存在较大争议，该模型的简化建立在已有地质和地球物理证据之上，实验结果对该地区构造特征有一定的借鉴意义，但仍有待更多的研究去完善该去地区深部结构特征。5 结论本文通过设计三组物理模拟实验，研究龙门山断裂带与龙日坝断裂带的相互关系，运用了 PIV 技术对实验模型结果进行量化分析，并将分析结果和实际地质情况进行对比，得到可能的构造模式，综合实验与实际地质情况，本文得到以下认识。（1）只有在碧口块体分布在滑脱层上时，实验的结果与北东走向龙门山断裂带和平行的龙日坝断裂带，近南北向的岷江、虎牙断裂等和岷山隆升等地质现象相近，说明了碧口块体的存在以及滑脱层的分布范围在该区域的构造演化中起到重要的影响作用。（2）实验结果显示沿边界发育一组同期形成的S=15.00cmF1S1S2B3B2F2F3F4B4S3L1L2L1L2F1 B3F4B2F3F2F1 B3B2F4F2ABC图7(A)实验模型结果，虚线L1和L2对应剖面位置(B)虚线L1处剖面结果(C)虚线L2处剖面结果Fig.7(A)Experimental model III results,dash line L1 and L2 corresponding cross-section position(B)cross-section of dash line L1(C)cross-section of dash line L2生明显速度的大小和方向的改变，速度场从较大的正东向，转变为较小的东南向，越过 F2 后则减小至几乎为0。此现象和观测到的青藏高原速度场相类似，说明实验模型边界条件设计的合理性。在模型边界断层发育过程中，形成了冲起构造（pop-up），边界是一组北东向的逆断层。其中断层 F2 与龙门山断裂带相吻合，是一条北东走向以逆冲为主兼右行走滑分量断层，而断层 B2 在平面与龙日坝断裂相似，是北东走向以右行走滑为主兼逆冲分量的断层，并与龙门山断裂带相平行，实验模型中两条断层倾向相反。龙日坝断裂带的深部结构目前仍存在争议，主要存在两种观点，一种认为龙日坝断裂带是由龙门山断裂带后展式发育的，与龙门山断裂带深部倾向相同，均是北西倾向（徐锡伟等,2008）；另一种观点认为龙日坝断裂带深部是与龙门山断裂带深部倾向相反的反冲断层（Ansberque et al.,2018）。龙日坝断裂区域在 1015 Ma 的发生了快速隆升（Ansberque et 627葛家成等：龙门山断裂带与龙日坝断裂带相互关系的物理模拟实验4 期图8(a)实验三结果简图，虚线框区域对应图b（b）青藏高原东缘构造简图，红色断层为汶川地震破裂断层(Xu et al.,2009)，蓝色线为图c，图d的对应