摘要：2025年是《地质力学学报》创刊30周年，期刊设置了创刊30周年纪念专栏， 2025年第1期的创刊30周年纪念专栏共发表3篇文章，现为大家推送第二篇文章——杨庚等作者的《准南逆冲褶皱带霍−玛−吐逆冲岩席发育力学机制与模拟实验》。

编者按：2025年是《地质力学学报》创刊30周年，期刊设置了创刊30周年纪念专栏， 2025年第1期的创刊30周年纪念专栏共发表3篇文章，现为大家推送第二篇文章——杨庚等作者的《准南逆冲褶皱带霍−玛−吐逆冲岩席发育力学机制与模拟实验》。

作者：杨庚, 陈竹新, 鲁雪松, 张欲清

摘要: 逆冲岩席发育的力学机制厘定是认识冲断带变形过程的基础与难点。文章以准南冲断带为研究实例，结合力学模型与物理模拟对逆冲岩席发育的力学机制进行探讨。依据地质调查、地震资料解释和钻井资料证实霍−玛−吐背斜核部和南翼发育有逆冲断层，断层向南延伸到第一排背斜之下，并形成广泛分布的霍−玛−吐逆冲席体，席体内部基本上无构造变形。霍−玛−吐构造带的钻井资料显示准南逆冲带前缘逆冲断层及滑脱断层均发育在流体压力系数较高的异常超压层中，说明该逆冲岩席属于强干变形席体、弱滑脱断层组合。根据玛纳斯构造带的钻井实测地层压力计算出逆冲断层的上下盘压力系数明显不同，且逆冲断层上盘的流体压力系数在逆冲断层处急剧降低，说明上盘逆冲岩席底部为弱滑脱层，有效分隔了上、下盘流体压力系统。文章依据地震剖面和钻井资料标定获得的霍−玛−吐逆冲岩席变形几何学特征，建立了后缘挤压下逆冲席体变形的简化力学模型，并计算出逆冲席体后缘水平挤压应力与垂直方向的重力比值与逆冲席体几何参数及断层摩擦系数和断坡角之间的数学关系式，分别给出了无流体超压的逆冲席体和含有流体超压滑脱层逆冲席体的数学关系式。为了验证力学模型可靠性，对准南逆冲带中的霍−玛−吐逆冲席体发育特征进行了物理模拟实验研究。结果证实该类型的刚性逆冲席体变形规律前缘逆冲断层发育样式符合地震剖面的构造解释认识，也佐证了简化的力学模型符合实际地质情况。实验结果表明逆冲席体底部大位移是多地段同时发生的小范围位移累积而成大位移，为认识造山带内推覆体或造山带前缘逆冲席体大规模远距离推覆问题提供了理论依据。

关键词：准南逆冲褶皱带；霍−玛−吐逆冲岩席；构造超压；力学模型；物理模拟实验

图件及说明

图 1 准噶尔盆地南缘逆冲褶皱带地质简图

准噶尔盆地南缘逆冲褶皱构造带从南向北依次发育3排逆冲褶皱构造带(图1)：第1排为准噶尔盆地南缘山前构造逆冲带，主要由齐古−喀拉扎−昌吉构造带组成；第2排为霍尔果斯−玛纳斯−吐谷鲁（霍−玛−吐）构造带，由霍尔果斯背斜、玛纳斯背斜及吐谷鲁背斜及其前缘逆冲断层组成，为山前规模最大的变形单元，地面背斜走向近东西向，北翼稍陡，南翼宽缓；第3排为呼图壁−安集海−独山子（呼−独−安）构造带，为宽缓低幅度多个背斜组成，图中只显示安集海背斜(图1a)。

图 2 准南逆冲褶皱带实测地层压力与深度及流体压力系数关系图。准南逆冲带钻井实测压力数据

地震剖面显示霍−玛−吐背斜带的变形集中在霍−玛−吐逆冲断层及逆冲断层前端部，霍−玛−吐逆冲岩席表现为整体移动的刚性变形，霍−玛−吐逆冲岩席之下也发育有早期变形构造。霍−玛−吐逆冲断层主要沿古近系安集海河组泥岩发育，钻井资料证实该层存在异常高压（图2）。

图 3 玛纳斯背斜钻井地层压力与深度及孔隙流体压力系数关系图

以玛纳斯背斜钻井实测数据为例，对钻井实测地层压力数据详细分析后，发现霍−玛−吐逆冲断层可控制断层上下盘超压层中的流体压力。如对MN002井在2400~2580 m井段古近系紫泥泉子组采用模块式地层测试方法（Modular drillstem test，简写为MDT）实测的地层压力数据与深度进行回归分析（图3a），结果表明MN002井异常超压层中明显存在2个压力系统，即2个不同斜率的拟合直线，而分割这2个压力系统的是断层，即异常超压层内存在逆冲断层，断层深度大约在井深2430 m。

图 4 霍−玛−吐逆冲岩席简化力学模型

准南逆冲带主要受天山方向的挤压应力作用，根据地震剖面及地表观察，霍–玛–吐逆冲岩席前缘发育中等倾角逆冲断层（断坪），中后缘逆冲断层为近水平展布（断坪），文章把该类型逆冲断层简化为图4中剖面的力学模型，在不考虑横向变化的情况下。

图 5 不同流体压力系数下，水平挤压应力与重力比值 (σxx/ρgh) 与断层摩擦系数 (μb) 之间关系，假设断坡角度β=30°，L/h=5

如取μb≈0.4，L/h≈5，β=30°，λ=0.4，从方程（5）得出σxx/ρgh≈1.68，即构造挤压应力大约是静岩应力的2倍（图5）。如果不考虑流体压力，即λ=0，从方程（5）得出σxx/ρgh≈2.6（表1），说明静水流体压力时就比不考虑流体压力，需要的水平挤压压力值相对减少0.63倍，就可以较小的挤压力致使逆冲席体上盘发生运动。

图 6 霍−玛−吐逆冲席体及逆冲断层物理模拟实验图（未变形模拟层初始厚度 hr=2.7 cm）

G1、G2和G3为三期不同时间的生长地层

在该物理实验模型中，考虑了实际地质结构中含滑脱层的变形特征，及逆冲过程中发育的生长地层对逆冲断层发育的影响。含有流体压力的滑脱断层以硅胶层（图6中深色部分）来表示，石英砂模拟沉积盖层及生长地层。详细模拟方法及参数参见陈竹新等（2019）。为了模拟出霍−玛−吐逆冲断层发育并出露地表这一特点，模拟实验中将该处作为硅胶层尖灭的边界点进行处理（图6）。

图 7 霍−玛−吐逆冲断层物理模拟实验剪切应变图（等值线表示）和位移矢量图（点划线表示）（hr=2.7cm）

挤压逆冲构造在无滑脱层存在情况下（或者说逆冲断层沿基底滑脱面），随着逆冲作用进行，逆冲块体变形以整体变形为主，逆冲断层从基底一直错断到地表，如图6和图7中左侧逆冲断层F1及逆冲席体。逆冲断层发育过程中，古近系安集海河组页岩在构造挤压中作为超压层，最容易发育为断层滑脱层，并假设在逆冲断层前缘发育有生长地层G1、G2和G3。当挤压缩短量为3 cm时，未变形原始模型（图6a）挤压成图6b的变形模型。

文章结论

（1）准南逆冲褶皱带霍−玛−吐逆冲岩席及逆冲断层为强干逆冲席体/弱滑脱断层组合，逆冲席体内部基本无变形，构造席体主要沿着异常超压地层发生滑脱变形。钻井实测数据给出霍−玛−吐逆冲断层的孔隙流体压力系数多数在0.8~1之间。玛纳斯背斜钻井MDT测压数据证实超压层中发育的逆冲断层能分割了断层上下盘地层压力，造成上下盘超压层的流体压力系数出现差异。

（2）根据霍−玛−吐逆冲岩席变形的弹性力学简化几何组合模型，即矩形块体加三角形块体模型，建立了后缘挤压应力与垂向方向的重力值比值与断层摩擦系数，断坡角和逆冲席体长度与厚度比数学关系式，并计算出后缘挤压应力与垂向方向重力比值会随着断层面的流体压力系数增加而发生显著降低，说明逆冲席体的位移作用主要取决于断层滑脱面的流体压力和断层摩擦系数及断坡角度。

（3）物理实验模型证实霍−玛−吐挤压逆冲构造是在存在异常压力情况下发生的滑脱作用，霍−玛−吐逆冲席体表现相对刚性，滑脱层相对较弱，属于强干逆冲席体/弱滑脱断层组合。随着持续挤压作用，逆冲席体变形主要集中在逆冲断坡前缘及逆冲席体后缘。依据物理模拟实验计算出变形过程中的剪切应变图显示出剪切应变最大值呈多点集中在滑脱层之上，反映了逆冲席体底部大位移是多地段同时发生的小范围位移累积而成大位移。

引用格式

杨庚，陈竹新，鲁雪松，等，2025. 准南逆冲褶皱带霍−玛−吐逆冲岩席发育力学机制与模拟实验[J]. 地质力学学报，31（1）：8−23 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023074

YANG G，CHEN Z X，LU X S，et al.，2025. Mechanics and analog modeling of the Huo-Ma-Tu thrust sheet in the southern Junggar Basin fold and thrust belt[J]. Journal of Geomechanics，31（1）：8−23 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023074

来源：地质力学学报