四川盆地南部罗关山背斜的形成：薄皮褶皱-逆冲带中多个分离层的作用

《Journal of Structural Geology》：Genesis of the Luoguanshan anticline, southern Sichuan Basin: Role of multiple detachment layers in a thin-skinned fold-thrust belt

　　

Mou Yicheng | Lu Renqi | Pei Yangwen | Liu Yiduo | Liu Guanshen | Wei Yongbo

中国地震局地质研究所地震动力学与预测国家重点实验室，北京，100029，中国

摘要

理解褶皱-逆冲带中多层剥离系统的运动演化和力学相互作用仍然是构造地质学中的一个基本挑战。为了研究这些过程，我们重点关注了四川盆地南部的泸州地区——这是一个典型的薄皮褶皱-逆冲带，其特征是NE-SW走向的、呈扫帚状的狭窄背斜和宽阔向斜。基于与断层相关的褶皱理论，我们解释了横跨罗关山背斜的三个高分辨率地震反射剖面，并进行了二维运动建模。这些分析描绘了一个力学模型，在该模型中，变形由三个主要的剥离层垂直划分：（1）寒武纪基底剥离层控制缩短；（2）中志留纪剥离层调节断层位移；（3）三叠纪上层剥离层容纳残余应变。我们的结果表明，随着应变的增加，构造样式逐渐演变，从初始的深部剥离褶皱发展到断层弯曲褶皱，最终形成局部双折构造。应变分析进一步表明，次级断层作用主要发生在褶皱轴面上。这一综合模型不仅解决了四川盆地南部内部的运动学争议，还为全球薄皮、多层剥离造山系统的应变分配和构造演化提供了更精细的框架。

引言

尽管在阿尔卑斯-喜马拉雅造山带、落基山脉、比利牛斯山脉和其他地区普遍存在多层剥离褶皱-逆冲带（Burchfiel等人，1995年；Koyi等人，2021年；McMechan，2023年；Butler等人，2025年），但控制其运动规律和力学相互作用的因素仍然缺乏定量研究，这限制了我们预测其构造形态的能力。脆性层和塑性层之间的结合通常会导致一个或多个剥离层（Davis和Engelder，1985年；Verschuren等人，1996年；Homza和Wallace，1995年；Najafi等人，2014年），这些剥离层决定了薄皮褶皱-逆冲带的演化。特别是在关于薄皮褶皱-逆冲带的研究中（Chapple，1978年；Rodgers，1991年；Poblet和McClay，1996年；McClay等人，2011年；Poblet和Lisle，2011年），多层剥离系统因其复杂性和重要性而成为研究热点（Mitra，2003年；Mount，2014年；Santolaria等人，2015年；Curzi等人，2024年）。与多层剥离系统相关的构造样式和变形过程已经通过野外调查、构造解释、沙盒实验和地下地震分析（Mitra，2003年；Corredor等人，2005年；Sherkati等人，2005年；Briggs等人，2006年；Massoli等人，2006年；Chapman和McCarty，2013年；Schori等人，2015年）、沙盒实验（Blay等人，1977年；Verschuren等人，1996年；Couzens-Schultz等人，2003年；Massoli等人，2006年；Pichot和Nalpas，2009年；Konstantinovskaya和Malavieille，2011年；Santolaria等人，2015年；Farzipour-Saein和Koyi，2016年；Pei等人，2022年；Mou等人，2023a，Mou等人，2023b）以及数值建模（Feng等人，2015年；Miao等人，2022年）进行了详细研究（关键参考文献的详细总结见表S1）。这些研究表明，基底剥离层影响薄皮褶皱-逆冲带的变形过程和构造演化。剥离层与上覆层之间的相对较弱摩擦力在滑动过程中降低了压缩应力场，使得上覆层能够沿着剥离面滑动（Tang等人，2008年）。褶皱的变形还受到剥离层塑性流动的侧向增厚的影响（Tang等人，2008年）。

四川盆地是中国主要的页岩气勘探区域（Gu和Wang，2014年；Zhu等人，2015年；Ma和Xie，2018年；Liu等人，2018年；Zhao等人，2018年）。其构造特征、变形过程和构造机制（图1a和b）一直是许多研究的重点（Zhong等人，2014年；Gao等人，2016年；Liu等人，2017年，2021年；Zhao等人，2018年；Li等人，2019年；Zhang等人，2021年；Miao等人，2022年）。薄皮的四川南部褶皱-逆冲带是盆地内变形最强烈的区域（Wei，2019年）。通过地震解释和离散元模拟（Feng等人，2015年；Xu等人，2024年）研究了该褶皱-逆冲带的变形模式和机制，并将其与区域构造历史进行了对比（Yan等人，2003年；Li等人，2015年，2021a；Gu等人，2021年）。

虽然先前的研究已经认识到剥离层在四川南部褶皱-逆冲带变形过程中的关键作用，但关于其构造样式和运动演化的系统理论框架仍然缺乏。在这项研究中，我们应用与断层相关的褶皱理论来定量解释高分辨率的三维（3D）地震反射数据。我们还采用了2DMove数值模拟和正射校正来阐明四川南部褶皱-逆冲带的运动演化。这项研究旨在阐明四川盆地南部受多层剥离层限制的构造样式和构造演化，从而为全球薄皮造山系统的应变分配和构造演化提供新的见解。

章节摘录

地质背景

四川盆地及其周边的造山带是理解大陆构造的关键区域。盆地本身面积约为180,000–230,000平方公里，其形状为菱形，受到周围断层系统和造山带的构造限制。其东缘由齐岳山断层清晰界定，该断层将盆地与四川东部褶皱带的陡峭构造带分隔开来。向南，盆地

三维地震反射和钻探数据

该三维地震数据集来自中国石油西南油气田公司，涵盖了泸州地区Lu 203井的页岩气开采区域。该三维地震数据集的主频率约为25赫兹。根据Widess的标准（Widess，1973年），三维地震反射剖面的垂直分辨率约为波长的1/8。考虑到四川南部地区的平均覆盖层速度约为

高分辨率地震剖面的解释

在泸州地区，地图视图中的构造主要由次紧背斜和缓向斜组成，形成了分区的褶皱模式（Qin等人，2013年；Ma和Xie，2018年；Wei，2019年；Gu等人，2021年；Guo等人，2021年；Zhang等人，2021年；Luo等人，2022年；Shi等人，2022年；Lu等人，2024年）。在这些背斜的核心区域，断层发育良好，并延伸至多个剥离层，包括寒武纪蒸发岩、志留纪泥岩和三叠纪蒸发岩（Gu

基于断层弯曲的褶皱模型

原始的水平层长度为5公里，两条逆冲断层f1和f2尚未发生滑动（图5a）。在逆冲断层f1的悬壁处施加了一个100米的缩短断层弯曲（图5b）。下层被断层错动，上层发生弯曲，形成了断层弯曲褶皱。褶皱的前臂长度为170米，后臂长度为500米。褶皱的曲率在断层弯曲处最大，逐渐向后臂减小

构造样式的确定和解释的验证

综合地震解释（图2、图3、图4）和正向建模（图5、图6）在基于断层相关的褶皱框架内（Suppe，1983年；Shaw等人，2005年）表明，罗关山背斜的构造样式以断层弯曲褶皱为主，剥离褶皱起次要作用。

为了从几何角度定量评估这一解释，基于经典的断层弯曲理论建立了背斜的理论模型（图7）

结论

通过对泸州地区罗关山背斜结构的三维地震反射剖面的详细解释和正向建模，本研究系统地分析了其构造演化和动态机制，揭示了由多层剥离系统控制的变形特征。研究得出以下主要结论：

(1)

多层剥离对构造样式的控制：泸州地区的特点是低角度的盖层岩石

CRediT作者贡献声明

Mou Yicheng：概念化、数据管理、正式分析、调查、方法论、软件、撰写——初稿。Lu Renqi：概念化、资金获取、资源协调、监督、撰写——审阅与编辑。Pei Yangwen：概念化、资源协调、监督。Liu Yiduo：撰写——审阅与编辑。Liu Guanshen：数据管理、项目管理、资源协调、验证。Wei Yongbo：调查、可视化。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了中国地震局地质研究所基础研究基金（IGCEA2406，2504）和中国地震局地质研究所地震动力学与预测国家重点实验室（编号LEDF2025A02）的财政支持。作者们衷心感谢编辑、匿名审稿人以及Soumyajit Mukherjee（IIT Bombay）提出的宝贵意见和建设性建议，这些意见对研究大有帮助