基于离散元方法对拉分盆地演化中次级断裂扩展过程研究

Pull-apart basins are extensional structures which are closely related to strike-slip faults. Pull-apart basins have received considerable attention from geologists because of its significant tectonic meaning and the associations with volcanism, earthquake swarms, and special mineralization. Although numerous studies have contributed to the current understanding of pull-apart basin evolution, pull-apart basin development concentrating on crack propagation and coalescence are lacking because of the limitations of the previous methods. A particle-based approach, which is based on Discrete Element Method (DEM), can be successfully used to simulate crack propagation during pull-apart basin development for pure strike-slip. Transtensional and transpressional models are also set up to investigate basin development and crack propagation in transtentional and transpressional systems, respectively, with different angles between the master strike-slip faults and the motion direction in each system. Modeling results are compared with natural examples worldwide such as the Dayingshui and Ganyanchi basins along the Haiyuan fault, to study the basin development and crack propagation. This research provides new method and view to study the evolution of pull-apart basins and the propagation and coalescence of the related large strike-slip faults.

拉分盆地是一种与走滑断裂带密切相关的特殊拉张构造，因其重要的构造意义，及其与火山活动、中小地震群集、特殊的成矿作用间的伴生关系而受到研究者的高度重视。关于拉分盆地的形成演化过程，前人已经取得了较多的成果，但是由于研究手段的限制，缺少对盆地演化中次级断裂扩展过程的研究。基于离散元的数值计算方法，是研究断裂扩展方式的理想方法。本项目拟采用基于离散元的颗粒流方法，揭示纯走滑拉分盆地发育过程中的断裂扩展和连接过程，为拉分盆地演化机理和断裂扩展提供新的研究方法。同时，根据主走滑断层与块体运动方向的夹角不同，建立不同的张扭性和压扭性拉分盆地模型，系统研究张扭性盆地和压扭性盆地的断裂扩展和演化机理。将理论研究结果与海原断裂带大营水盆地和干盐池盆地等国内外拉分盆地实例相结合，揭示这些拉分盆地的演化机理和断裂扩展方式，为研究大型走滑断裂带的形成贯通及其构造演化过程提供新的思路，同时完善和验证理论模型。

拉分盆地是在走滑断裂带的某些不连续部分或雁行式走滑断裂带之间相互重叠错列部分，由于走滑断裂带的滑移而引起横向拉张作用所产生的构造凹陷。与狭窄的走滑断裂带本身以及遭受剥蚀作用的构造挤压脊相比，拉分盆地的形成演化可以为走滑断裂带的运动方向、活动时间、最小位移等研究提供重要信息，因而受到研究者的高度重视。采用物理模拟、数值模拟、实例研究等手段，前人已经对拉分盆地的形成演化过程积累了较多的研究成果。但是已有的数值模拟多是基于连续元计算方法，缺乏对盆地演化中次级断裂扩展过程的研究。本项目采用基于离散元的颗粒流方法，开展了纯走滑拉分盆地、张扭性拉分盆地、复合拉分盆地的演化过程和断裂扩展方式的数值模拟和理论研究，系统分析了不同类型拉分盆地的演化机理和次级断裂扩展过程，得出如下重要结论：(1) 纯走滑拉分盆地的形状取决于初始主断层的几何学和盆地所处的演化阶段，初始未重叠模型揭示了纯走滑拉分盆地从纺锤状发展到反Z型再到菱形及长菱形盆地的演化过程，而初始重叠模型则直接形成菱形盆地。(2) 从纯走滑盆地到5°张扭性盆地，次级断裂发育的更加弥散，同时盆地宽度增加。从5°张扭性盆地到10°张扭性盆地，盆地内次级断层从弥散型变成一条贯通的对角线断裂，坳陷区沿着这条对角线断裂发育。因此张扭性盆地形态和断裂样式受主走滑断层与块体运动方向的夹角的影响。(3) 首次对发育于多条雁行式走滑断裂系统中的复合拉分盆地进行系统的数值模拟研究，提出影响复合拉分盆地形态和构造演化的主要因素包括初始主走滑断裂几何学、走滑断裂的运动学、以及走滑位移量（由盆地所处的演化阶段决定）等。将数值模拟结果与死海盆地、死海断裂带南段Gulf of Aqaba盆地、北安纳托利亚断裂带Marmara Sea盆地等国内外走滑拉分盆地实例作对比，探讨了这些拉分盆地的演化机理和断裂扩展方式，完善和验证了理论模型，为研究大型走滑断裂带（尤其是活动走滑断裂和海底走滑断层系统）的形成贯通提供了新的思路，同时对认识大型走滑断裂的发展演化过程具有重要的理论意义。