四川盆地西南部自流井背斜多期构造变形的构造解析与数值模拟及其对含盐-褶皱冲断带变形传播的启示（Tectonophysics）

刘嘉伟
2025年06月27日 文章

褶皱-冲断带作为造山带与沉积盆地之间的重要构造单元，蕴含着丰富的构造变形信息。在长期而复杂的演化过程中，挤压变形是如何向变形前缘传递，以及软弱滑脱层（如盐岩）的空间展布及属性特征如何影响构造前缘的发育，仍需进一步深入研究。位于四川盆地西南部的自流井背斜，处于川东南褶皱-冲断带向北西方向传递的变形前缘，是研究含盐褶皱-冲断带前缘变形特征以及变形传播机理的重要实例。本研究基于高精度三维地震资料，采用面积-深度-应变（Area-Depth-Strain, ADS）定量分析方法（Eichelberger et al., 2015），对自流井背斜的变形期次及其构造缩短量进行了厘定。在此基础上，利用离散元数值模拟实验（ZDEM 软件，Li, 2019; Morgan, 2015），重建了该背斜的形成与演化过程，揭示了滑脱层尖灭对变形传播的控制机制，从而进一步深化了对含盐前陆褶皱-冲断带变形前缘构造演化规律的认识。 研究表明，该地区主要经历了加里东期、印支期、燕山–喜玛拉雅期三期显著的构造缩短事件。离散元模拟实验有效再现了自流井背斜的形成过程，其中寒武系膏盐底滑脱层在挤压变形过程中起到了重要的润滑作用，促进了构造变形从造山带快速向盆地内部传播。加里东期的挤压促使自流井背斜雏形初步形成，随后在持续的强烈挤压作用下，构造幅度逐步增大。然而，在构造叠加过程中也形成了两个具有时间差异的亚变形区。同时，受中浅滑脱层影响，整体构造表现出一定的分层结构特征。

Liu, J., Rao, G., Bai, S., Xiong, X., Zhang, J., Yang, W., Yin, C., Zhong, Y., Tang, P., Qiu, J., Gao, L., 2025. Structural analysis and numerical modeling of multi-stage tectonic deformation in the Ziliujing anticline, SW Sichuan Basin, China: Implications for deformation propagation in salt-bearing fold-and-thrust belts. Tectonophysics 908, 230760.https://doi.org/10.1016/j.tecto.2025.230760

题目

四川盆地西南部自流井背斜多期构造变形的构造解析与数值模拟及其对含盐-褶皱冲断带变形传播的启示

作者

刘嘉伟1, 饶刚12*, 白森3, 熊小林3, 张金武3, 杨文雄1, 尹超1, 钟雅琪1, 唐鹏程4, 邱建华5, 高麟6

  1. 西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500，中国
  2. 中国石油天然气集团公司（CPCIF）山前带油气地球物理勘探技术重点实验室，南方石油大学，成都 610500，中国
  3. 中国石油天然气集团公司（CNPC）长城钻井公司四川页岩气部，魏源 642450，中国
  4. 中国石油杭州地质研究所，杭州 310023，中国
  5. 中国石化无锡石油地质研究所，无锡 214126，中国
  6. 山东黄金地质矿产勘探有限公司，烟台 261400，中国

摘要

Investigating the multi-stage tectonic evolution of fold-and-thrust belts (FTBs) remains a significant challenge. In particular, the evolution of its internal structures and the mechanisms that govern deformation propagation require further research. This study focuses on the Ziliujing anticline located in the southwestern Sichuan Basin, China. It provides an in-depth analysis of the structural development and evolution of the frontal zone of the SW Sichuan FTB, which has propagated from the southeast to the northwest. Through detailed interpretation of seismic reflection profiles and quantitative area-depth-strain (ADS) analysis, we have identified three distinct stages of tectonic shortening corresponding to the Caledonian, Indosinian, and Yanshan-Himalayan orogenic periods. These findings are consistent with the established history of regional tectonic evolution. Furthermore, discrete-element numerical simulations demonstrate that the pinch-out of the basal décollement exerts a significant influence fault development and the formation of overlying fold patterns during multi-stage tectonic deformation. During the initial phase, deformation progressively propagates forward until it reaches the tip of the décollement, where subsequent deformation becomes predominantly localized. The decoupling effect induced by the intermediate décollement facilitates the continued forward propagation of underlying deformation. These insights contribute to a deeper understanding of the multi-stage compressional deformation of salt-bearing fold-thrust belts and the critical factors governing the propagation of deformation from mountain ranges to basins.

图1. (a) 四川盆地的构造分区图。 (b) 四川盆地西南部魏源和紫柳井背斜的简化地质图（改编自张等，2023）。(c) 基于地震反射剖面解释得到的区域地质剖面图（改编自贾等，2020）。需注意，自流井背斜位于四川盆地东南部FTB的西北部前缘。
图3. Ziliujing背斜（见图1c所示位置）A-A′剖面的ADS分析。（a）在两个子区域（A1和A2）内共识别并标注了24个地层。(b) 和 (d) 展示了两个背斜（标记为 1 和 2）的面积-高度图，表明前生长地层（呈现线性模式）与同构造生长地层（随着高度增加，面积呈现下降趋势）明显分离。 (c) 和 (e) 分别显示了相应背斜的高度函数下的缩短量。
图4. 芝留井背斜（见图1c所示位置）B-B′剖面的ADS分析。(a) 同样，在两个子区域（分别标记为B1和B2）内共标注了24个地层。 (b) 和 (d) 展示了背斜1和背斜2的面积-高度图，表明线性前生层与同构造生层之间存在分离。 (c) 和 (e) 分别给出了高度函数下的缩短量。
图5. 芝留井背斜（见图1c所示位置）C-C′剖面的ADS分析。(a) 在两个子区域（C1和C2）内共标注了24个地层。 (b) 和 (d) 展示了子区域1和2的面积-高度图，表明线性前生层与同构造生层之间存在分离。 (c) 和 (e) 分别展示了高度函数下的缩短量。
图7. 本研究中的模型设置包括：(a) 具有1.5度基底倾角的初始配置；以及(b) 总缩短15公里后多阶段结构演化的代表性结果。详见表2和表3中实验1至5中测试的详细粒子参数和变量。
图8. 三个实验（1–3）中不同基底脱离分布的结果。（a）在实验1中，基底脱离最初在距右边界30公里处形成。（b）在实验2中，整个实验区域内存在连续的基底脱离。（c）在实验3中，不存在基底脱离。
图9. 实验1和实验5中分别使用（a）和不使用（b）中间层的实验对比。其中，实验5未包含中间层的剥离及其上覆地层。

结论

By integrating structural analysis of seismic reflection profiles with numerical simulations, we have drawn the following conclusions. (1) Our ADS analysis confirms that the Ziliujing anticline, as a superimposed structure, has experienced multi-stage tectonic shortening during the Caledonian, Indosinian, and Yanshan-Himalayan orogenic periods. (2) The presence of the Middle-Lower Cambrian detachment layer, composed primarily of gypsum and salt, facilitated the northwestward propagation of compressional deformation originating from the SE Sichuan FTB during the Caledonian period. This deformation rapidly reached its leading edge in the Ziliujing anticline. (3) The development of the Ziliujing anticline is predominantly influenced by the pinch-out of the Cambrian salt detachment. Detailed structural analysis indicates a sequential evolution of internal structures at the deformation front. Upon reaching the pinch-out, subsequent deformation tends to localize there.

致谢

我们感谢Alan G. Nunns允许使用StructureSolverTM软件（https://www.structuresolver.com/）。作者使用ZDEM软件（https://geovbox.com/en/）进行模拟实验。我们感谢莱斯大学的Julia Morgan提供其离散元代码（RICEBAL v5.4）及后处理脚本和算法，这些工具已被用于处理并展示本研究中呈现的模型输出结果。我们对编辑和审稿人提供的建设性反馈表示感谢，这些反馈显著提升了本文的清晰度。我们还从与闫兵（Bing Yan）和 汪仁富博士的深入讨论中获益良多。本研究得到国家自然科学基金（编号：42272271）、 the Open Fund from SinoProbe Laboratory, CAGS (No. SinoProbe Lab 202213)及四川省自然科学基金（编号：2022NSFSC0212）的支持。

参考文献

限于篇幅，参考文献详见：Liu, J., Rao, G., Bai, S., Xiong, X., et al. 2025. Structural analysis and numerical modeling of multi-stage tectonic deformation in the Ziliujing anticline, SW Sichuan Basin, China: Implications for deformation propagation in salt-bearing fold-and-thrust belts. Tectonophysics 908, 230760. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2025.230760