通过野外数据与类比砂箱模拟相结合的方法探究突出-凹进交界处的运动学历史

摘要

褶皱-逆冲带的运动学演化历史通常基于对突出部内高级变质岩的详细研究。我们通过研究突出部-凹入部交界区域，提出了一种理解褶皱-逆冲带的新方法。我们采用详细的断层分析与实验性砂箱模拟相结合的方法，对常被忽视的上地壳岩石进行分析。

摘要

在褶皱冲断带中，突出带与凹入带之间的交接区域可能保存着揭示整体运动学历史的关键线索。这些交接区域的变形历史在冲断层从突出带延伸至相邻凹入带的地区保存得最为完好。本研究以美国西部的塞维尔褶皱冲断带（Sevier fold-thrust belt）中犹他州北部的利明顿横向构造带（Leamington transverse zone）为例，考察这样一个交接区域。该区域的变形主要通过断层作用和碎裂流（cataclastic flow）实现。本文介绍了一种研究此类断层模式的实验方案，以更深入地理解该地区构造演化的运动学历史。断层数据辅以类比砂箱实验进行补充。研究表明，详细来看，上覆冲断层内的变形可能并不直接反映下伏基底构造的形态。我们证明，这种野外与实验相结合的研究方法简便易行、易于获取，相较于计算机模拟等成本更高的方法，能够提供更详细的地壳变形信息。此外，砂箱模型还有助于解释这些构造细节形成的原因和机制。该方法可广泛应用于上地壳岩石保存良好的各类褶皱冲断带，也可根据需要调整用于研究通过弹性-摩擦机制发生变形的上地壳其他区域。最后，这种综合方法有助于进一步揭示褶皱冲断带如何维持临界锥形（critical-taper）状态，并为自然资源勘探提供潜在目标区的依据。

引言

褶皱冲断带由突出段（或称段落）组成，相邻突出段中的冲断层在后缩区或横向带处发生解耦^1,2,3。从突出段向后缩区的过渡可能极为复杂，涉及多种构造组合，可能为理解褶皱冲断带的演化提供关键线索。本文通过多尺度野外数据与砂箱模型相结合的方法，系统研究了一个突出段-后缩区交界部位，以深入理解褶皱冲断带内变形的调节机制。

犹他州中部段与利明顿横断带的交界处是一个理想的天然实验室，可用于研究突出部-凹陷部交界带，原因如下（图1）。首先，该段出露的岩石连续无间断地延伸进入横断带⁴，因此变形模式可以被连续追踪，并在交界处进行对比。其次，这些岩石基本上为单矿物组成，因此断层模式的变化并非由岩层内部非均质性所致，而是反映了研究区域整体的褶皱和逆冲作用⁴。第三，弹性-摩擦机制（如碎裂流）在整个野外区域促进了变形，使得中尺度断层模式可进行直接比较⁴。最后，整个段落和横断带范围内的总体运移方向保持连续，因此缩短方向的变化并未影响保存下来的变形模式⁴。上述所有因素共同减少了可能影响该段与横断带变形过程的变量数量。因此，我们推断，所观察到的构造主要是在基底几何形态变化的影响下形成的⁵。

方案

1. 大尺度野外数据的采集

1. 在开展野外工作之前，利用航拍照片/地形图识别山脉的整体走向（以现代山脊线为界）、横向带、断层及其他宏观尺度的线性构造（图2）。
   1. 使用相同比例尺的地形图和航拍照片，以便直接对比各种构造模式。建议采用1:24,000比例尺的地图和照片。
2. 在用于野外工作的地图（航拍照片和/或地形图）上标注并突出显示宏观尺度的地质特征。在航拍照片上，利用植被分布的明显变化来识别宏观特征，因为植被格局反映了下伏基岩的构造。在地形图上，利用地形的显著变化，例如陡峭悬崖、狭长山谷以及水系格局的快速变化，来识别宏观尺度的地质特征。
3. 在野外工作中，将地图上的这些构造模式与自然界中观察到的宏观特征进行相互验证，并确保相应地修正野外地图。
4. 沿宏观尺度的横向带对野外工作区域进行划分。

2. 中尺度野外数据的采集

1. 在每个横向区域边界范围内进行野外分析。
2. 确定整个研究区中尺度断层的均质性尺度。方法是沿垂直和平行于整体大尺度构造的方向测量所有长度大于 3 cm 的断层。当沿测线断层模式开始重复出现时，该位置即定义为均质性尺度。
   注意：选择 3 cm 作为最小截断值，是因为小于 3 cm 的断层可能难以准确测量。
3. 根据已确定的均质性尺度，在整....

结果

根据现代山脊走向，利用航拍照片将野外区域划分为四个区域（1-4）（图2）。在这四个区域之间对比了多尺度断层数据。假设这些走向变化反映了下伏基底的几何形态，则斜向斜坡位于区域2和区域3内，这两个区域的山脉走向相对于塞维尔褶皱冲断带呈斜交关系。在全部四个区域中，我们发现中尺度断层保存了一种贯穿性且中尺度上均一的变形组构（即，立方米级岩石尺度），并能代表大于该立方米尺度样点范围的区域特征（图4）^4,16。此外，表1所示的微尺度变化并未反映在断层格局的整体特征中。因此，可在所有四个区域之间直接对比中尺度断层组（图5）。简而言之，我们发现中尺度断层组可定义为共轭-共轭断层组，并随岩层产状发生旋转，这意味着缩短方向也随之旋转。这一模式表明中尺度断层形成较早，且不同组合的断层组有助于调节褶皱形态。更详细地，我们发现每个区域内的断层格局具有独特性——区域2与区域3相似，区域1与区域4相似（图6

讨论

Sevier 逆冲断层带的美国犹他州中部段及其北部边界——Leamington 横向构造带，是研究突出-后缩构造交界区的理想天然实验室（图1）。沿该交界区，物质运移方向保持恒定，逆冲岩片在交界处连续无间断，因此唯一变量为下伏基底的几何形态⁵。

本文介绍了一种通过结合野外采集的多尺度断层数据与推挤块体砂箱模型来分析此类显著-隐伏接触带的方法，该砂箱模型可复现研究区的大尺度几何形态。砂箱模型实验所代表的变形时间周期长于中尺度断层组——我们假设最年轻的断层组 accommodated（适应）了所观察到的褶皱几何形态。因此，将砂箱模型与断层组数据结合，可用于追踪逆冲岩片的变形过程，并确定下伏基底几何形态的细节。

为使该综合方法取得成功，需在野外和沙箱实验中采取以下关键步骤。对于野外部分，关键在于确定断层均质性的尺度——在不同尺度上保存的断层组无法直接对比。此外，需测量大量断层样本（≥30组断层），以确保获得具有统计可靠性的数据集⁹此外，应远离层理面等非均质性.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
纤维板	任意	不适用
表面清漆	任意	不适用
环氧树脂	Epoxy technology	组分 A 和 B：301-2 2LB	最好预热至 80º - 125º。若无法预热，仍可固化，但需 1 周时间，而非 1 天。
松木斜坡板	任意	不适用
美纹纸胶带	任意	不适用
兔耳接头	任意	不适用
沉头紧固件	任意	不适用
砂纸	任意	不适用
儿童用沙	任意	不适用	最好使用粒径均一的沙，粒径约 0.5 mm
食用色素	任意	不适用	建议使用单一颜色，且为深色
塑料网/格栅	任意	不适用
方形截面钉	任意	不适用
曲柄螺钉	任意	不适用
曲柄手柄	任意	不适用
金属薄板	任意	不适用
分隔条	任意	不适用