准噶尔盆地南缘西部多排断褶带实验模拟与因子分析

摘 要：准噶尔盆地南缘发育多排断褶带，具有南北分带，上下分层的特点。侏罗系的煤层和古近系的泥岩层是两个软弱岩层，根据后缘挤压、前缘双层滑脱的模式论文设计了四组物理模拟实验，模拟了多排断褶带的发育情况。实验结果表明滑脱层以上的地层越厚，滑脱层越显塑性越容易滑脱，滑脱层越厚越容易滑脱。在此基础上笔者提取了四组实验的数据，建立相关矩阵，采用因子分析法，对相关矩阵的结构进行分析。认为该区域断层发育受两大因素控制，第一类：盖层厚度和滑脱层厚度的综合影响；第二类：基底存在和滑脱层性质的综合影响。第一、二排背斜带发育受第一类因素控制，第三排背斜带处于两类因素控制的过渡带，第四排背斜带发育受第二类因素控制。侏罗系煤层的存在为第四、第五排背斜的形成创造了条件。

关键词：准噶尔盆地南缘 多排断褶带 物理模拟 因子分析 相关矩阵

中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

0. 引言

近年来，构造物理模拟实验在油气盆地构造研究方面取得了显著成效。构造物理模拟实验为油气盆地构造的形成过程和成因机制研究提供了基础依据，在区域构造和局部构造分析基础上，通过物理模拟方法再现构造形成过程，建立合理的构造解释模型已经成为一种有效的研究思路。前人对准噶尔盆地南缘构造变形特点及变形的主控因素开展了深入研究，但对于该地区的研究还处于定性解释和物理模拟验证阶段，在一定程度上对构造解释模型的建立缺乏准确性。因子分析方法在地质学中的应用主要集中在地球化学、沉积相研究和矿物岩石学等方面。笔者将其应用到构造地质学中，首先通过设计物理模拟实验再现了准噶尔盆地南缘多排断褶带的发育情况，再试图通过实验数据分析、定量的探讨控制该区构造带发育的因素。

1. 准噶尔盆地南缘构造概况

准噶尔盆地南缘东西长约500 km，南北宽约100 km，是地层发育齐全、构造变形独具特色的地区。由于边界条件和各期构造作用的方式、应力方向不尽相同，在南缘地区的不同地段构造变形特点具有显著差异，大致以乌鲁木齐为界分为东、西两个构造带。其中，南缘西部构造带发育多排褶皱-断裂带组合，平面上呈斜向“瓦垅”状构造 （图1） [1]。这种斜列的瓦垅构造带主干断裂为天山北缘断裂，分支构造为压扭性断层和褶皱。剖面上为隔挡式褶皱，即背斜紧闭、向斜开阔。燕山期以来，特别是喜山期右行压扭应力作用下，中、新生代地层沿侏罗系煤层和古近系高塑性泥岩层发生滑脱并弯曲形成了5个断裂背斜构造带。综合前人研究成果，我们认为准噶尔盆地南缘西部构造模式属于后缘挤压、前缘双层滑脱模型（图2）。

图1 准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带纲要图（据于福生等，2009）[2]

（1）-逆断层； （2）-平移断层； （3）-褶皱及编号； （4）-剖面位置及编号； （5）-分带界线； （6）-分带编号：Ⅰ—第一排背斜—冲断带； Ⅱ—第二排背斜—冲断带； Ⅲ—第三排背斜—冲断带； Ⅳ—第四排背斜—冲断带

图2 准噶尔盆地南缘西部后缘挤压、前缘双层滑脱变形模式

2. 物理模拟实验

前人对准噶尔盆地南缘的野外考察认为，沉积盖层中的两个滑脱层分别为：侏罗系的煤层和白垩系-古近系的泥岩层。地层下部，侏罗系煤层影响着较深部位地层的构造发育，而地层上部的泥岩层影响着较浅部位地层的构造发育。本实验以后缘挤压、前缘双层滑脱模式为理论依据，设计了四组挤压变形模拟实验。

2.1 实验设备与材料

模型设计：砂箱规格为78cm（长） 30cm（宽），模型砂层高度因不同组实验所设计的滑脱层厚度和盖层厚度不同而异，模型的横向比例尺约为1：8.4万。实验底部为刚性基底，单侧马达驱动挤压，设定挤压速率为3mm/min（图3），实验没有设定固定的挤压量，砂层收缩至产生6-7条前展式逆冲断层时停止。

实验选用模拟地层的材料为干燥松散的黄色石英砂（粒径0.2～0.5mm），从力学性质上讲，它是国内外通用的模拟地壳浅层次脆性构造变形的材料。滑脱层则选取玻璃粉、食盐等物理形态上与石英砂差距不大的材料。设计了四组实验，其中第一组实验为砂层与玻璃粉互层，单砂层厚度为0.6cm，玻璃粉单层厚度为0.3cm，从下至上依次为石英砂（2层）—玻璃粉（1层）—石英砂（3层）—玻璃粉（1层）—石英砂（2层）；第二组实验为为砂层与玻璃粉互层，单砂层厚度为0.6cm，玻璃粉单层厚度为0.5cm，从下至上依次为玻璃粉（1层）—石英砂（2层）—玻璃粉（1层）—石英砂（3层）—玻璃粉（1层）—石英砂（2层）；第三组实验为食盐与砂层互层，单砂层厚度为0.6cm，食盐层单层厚度为0.5cm，从下至上依次为食盐（1层）—石英砂（2层）—食盐（1层）—石英砂（3层）—食盐（1层）—石英砂（2层）；第四组实验为食盐与砂层互层，单砂层厚度为0.6cm，食盐层单层厚度为0.5cm，从下至上依次为石英砂（2层）—食盐（1层）—石英砂（3层）—食盐（1层）—石英砂（2层）。

图3 挤压变形砂箱剖面物理模拟实验设计示意图

2.2 实验过程与结果

各组实验在以上设计条件下都具有可重复性，能得到相同的实验数据。在此，笔者仅对第四组实验结果进行对比阐述。

马达启动后砂层首先弯曲形成褶皱，当收缩率（SR）为1.3%时，开始形成第一条逆冲断层F1，由于离推覆体近、应力集中而且大，断层F1切穿整个模型（图4A）。当收缩率（SR）为5.1%时在F1前方形成逆冲断层F2，同时在F1上盘形成与F1倾向相反的断层F3，上盘构成一楔状体（图4B）。当收缩率（SR）为6.7%时，在F2前方形成逆冲断层F4（图4C），该断层倾角比F1小并收敛于F1。可见两滑脱层已断开，力从下部滑脱层往上传递，而下部滑脱层以下地层平直。继续挤压，当收缩率（SR）为11.5%时，可见上下两滑脱层均有滑脱形成逆冲断层F5和F6的现象，而滑脱层之间的砂层仅出现弯曲而未错断（图4D）。再进一步，当收缩率（SR）为20%时，之前形成的断层F5和F6已经合二为一，并在更远的前端形成滑脱断层F7和F8（图4E），F7 的断距大于F8，F8之下砂层平直说明应力在两滑脱层传播。持续的挤压至收缩率（SR）为24.1%时，F7和F8逆冲于同一断层面之上，在大断层上盘形成了一个反向的冲断层F9（图4F）。

图4 挤压变形模拟实验过程

3 实验结果数据分析

不同的模型设计控制因素不同，其实验结果也有所差异，但是在相似模型条件下产生的实验数据存在一定相关性[3]。将这些蕴含信息的数据进行分析，能得到这些控制变量与实验结果之间定量或半定量的关系。

3.1 理论准备

因子分析法是指从研究指标相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些信息重叠、具有错综复杂关系的变量归结为少数几个不相关的综合因子的一种多元统计分析方法[3]。笔者将其应用到构造地质学中，探讨控制断层发育的各种因素之间的关系，试图将这些因素归类，为构造物理模拟实验设计定量分析研究提供理论依据。

因子分析的理论依据读者可以查阅相关文献[3，4]，在此主要涉及以下几个主要公式：

① 各变量之间的相关矩阵R= 及其特征值；

② 正交变换矩阵T，因子载荷矩阵；

③ 因子得分矩阵；

3.2 因子分析

由于四组实验设计的盖层（滑脱层之上地层）厚度、滑脱层厚度、滑脱层性质（两种不同属性的滑脱层材料）以及模型底部是否存在滑脱基底等控制因素不同，将盖层厚度、滑脱层厚度、滑脱层性质和先存基底作为变量。实验1—以滑脱层厚度与上覆盖层厚度的比例与其他实验相区别，设上覆盖层厚度为实验变量x1；实验2—其滑脱层厚度与实验1相区别，以滑脱层的厚度为实验变量x2；实验3—模型下部设计有基底与实验1和实验4相区别，以基底的存在作为实验变量x3；实验4—滑脱层所用的材料属性与实验1、实验2相区别，并以材料属性（或滑脱层的性质）作为实验变量x4。实验中从推覆方向起，由近及远产生的前展式断层（表1中的，相当于图4中朝挤压方向逆冲的断层）作为样品断层，以断层发育时的实验收缩率和实验解释剖面与地震解释剖面相似度最高时的实验收缩率作为观察数据点，将四组实验数据建立一个数据表（表1）。从数据表趋势线（表1右）不难发现，数据点与变量之间存在着一些关系。笔者是希望通过因子分析根据相关性大小将变量分组，每组变量就共同代表了对相关数据的影响。

表1 挤压变形模拟实验数据表及数据趋势线

x1

x2

x3

x4

f1

4.5

1.7

1.2

1.3

f2

7.8

5.2

4.6

5.1

f3

11.9

9.6

5.4

6.7

f4

20.9

16.3

9.4

11.5

f5

26.8

24.5

21.4

20.0

f6

39.7

30.7

27.5

24.1

将表1中的数据整理建立变量与样品的原始矩阵X：；

矩阵X标准化得到矩阵X1：；

从而依据相关矩阵公式①得出矩阵X1的相关矩阵R，相关矩阵R的特征向量矩阵A及其特征值向量b。

，，

，；

令，，A*即为因子载荷矩阵。A*的列对应于四个变量（x1，x2 ，x3 ，x4），行对应于四个公因子（Y1 ，Y2 ，Y3 ，Y4）。矩阵A*中的每一列分别与b中的元素对应。将A*按照特征值从大到小排列得到矩阵A**，矩阵A**中变量x在因子Y上的得分集中在x1处，因此需要对矩阵A**进行旋转。

将因子载荷矩阵A**正交变换后得到旋转后的因子载荷矩阵B0（其中正交变换矩阵T是通过矩阵分析软件得到）。又有，根据公式③得到因子得分矩阵F，将F归一化得到新的因子得分矩阵E，这样我们就可以结合物理实验和实际地质情况对矩阵ET进行分析。

， ；

旋转后的因子载荷矩阵B0中，变量x1和x2在因子Y1上的得分较高（），变量x3和x4在因子Y2上得分较高（），因此研究区控制断层发育的因素分为两大类（即Y1和Y2）。第一大类：断层发育受盖层厚度和滑脱层厚度的综合控制；第二大类：断层发育受软弱基底的存在和滑脱层性质的综合控制。矩阵ET的列对应于公因子Y1 、Y2 、Y3 、Y4，行对应于表1中的f1、f2、f3、f4、f5、f6，矩阵中的数值即断层f在公因子Y上的得分。因为研究区控制断层发育的因素已经分为Y1和Y2两类，所以我们只需要对矩阵ET的前两列进行分析。

4 物理模拟与数值分析结果讨论

将实验结果与构造变形模式图对比，断层F1、F2（表1中的f1、f2）大至与第一排背斜带（NO.1）对应，断层F4（表1中的f3）大至与第二排背斜带（NO.2）对应，断层F5、F6（表1中的f4）大至与第三排背斜带（NO. 3）对应，断层F7、F8（表1中的f5）大至与第四排背斜带（NO.4）对应（图5）。

实验数据分析得到的矩阵ET中，Y1和Y2列是控制断层发育的公因子，在行方向断层f1、f2、f3、f4在Y1上的得分较高（>0.5），断层f4、f5、f6在Y2上的得分较高（>0.5）。由此可见，第一、二、三排背斜带主要受第一类因素控制，即断层发育样式受盖层厚度和滑脱层厚度控制；第四排背斜带主要受第二类因素控制，即断层发育主要受上部滑脱层控制。第三排背斜带在两个因素上的得分相当，说明第三排背斜带在两种控制因素下处于过渡带，在局部地区受到了上部滑脱层的控制。

以上分析结合主波长理论证明了滑脱层越厚越容易滑脱，即褶皱发育及断层的产生所需要的收缩量就越小；滑脱层以上的地层越厚，滑脱层越显塑性，越容易滑脱。侏罗系煤层的存在为上覆地层提供了滑脱基底。侏罗系以上地层内部存在的滑脱层为离盆地边界较远的第四、五排背斜带的形成创造了条件。

图5 挤压变形模拟实验结果

5 结论

（1）准噶尔盆地南缘西部多排断褶带发育主要受两类因素控制：第一类：盖层厚度和滑脱层厚度，第二类：软弱基底的存在和滑脱层性质；（2）滑脱层以上的地层越厚，滑脱层越显塑性越容易滑脱，滑脱层越厚越容易滑脱；（3）第一、二排背斜带发育受第一类因素控制，第三排背斜带处于两类因素控制的过渡带，第四排背斜带发育受第二类因素控制；（4）侏罗系煤层的存在为第四、第五排背斜的形成创造了条件。

参考文献

[1] 王伟锋，，陆诗阔， 等. 准噶尔盆地构造分区和变形样式[J]. 地震地质， 1999， 21（4）：

[2] 于福生，李国志， 等. 准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带变形特征及成因机制模拟[J]. 大地构造与成矿学. 2009， 33（3）： 386～395.

[3] 康永尚， 沈金松， 谌卓恒. 现代数学地质[M]. 北京： 石油工业出版社， 2005： 67～86.

[4] 徐振邦，娄元仁. 数学地质基础[M]. 北京： 北京大学出版社， 1994.