斜向挤压作用（oblique compression）是指先存构造走向与区域挤压方向斜交的挤压作用（朱战军等，2003），与普通挤压作用（无先存构造）相对应。在多期构造作用叠加的情况下，由于前一期构造作用形成的构造（如断裂、褶皱、古隆起等）均可作为后续构造作用的先存构造，且区域构造作用方向会不断发生演变。因此斜向挤压作用应该是普遍存在的，尤其是经历多次构造运动的中国地区。

在构造作用过程中，先存构造必然会对构造变形产生影响（童亨茂等，2009; Tong Hengmao et al.，2010）。在斜向挤压作用条件下，会形成与区域挤压作用方向斜交的构造（褶皱和断裂）及一系列方向多变的构造组合，因此无法通过构造走向直接判断挤压作用方向。然而，如何对斜向挤压构造进行构造解析来确定区域挤压作用方向的研究，在国内外很少有文献涉及，在很多工作中，经常直接用构造的走向来确定区域挤压应力方向，导致对区域构造演化阶段和各阶段区域构造作用方向的不当认识。因此，在斜向挤压变形区如何正确地确定构造变形期次和各期次的区域构造作用方向是一个亟待解决的基础科学问题。本文以四川盆地西南部的威远背斜为例，来阐述如何利用构造解析的思想来解剖斜向挤压作用下的叠加变形，包括挤压构造作用期次和挤压作用方向，并探讨斜向挤压的构造变形特征和规律。

威远地区（地理范围上包括了威远背斜、204背斜和自流井背斜，主体为威远背斜）位于四川盆地西南部，油气资源丰富。威远背斜的形成过程和机制是研究本地区油气生成、运移和聚集成藏的重要基础，前人也对这方面做了很多研究（宋文海，1996; 徐炳高，1997; 刘顺，2001; 刘树根等，2008; 高金尉，2012; 谷志东等，2012; 喻颐等，2013; 梅庆华，2015），但主要由于前述的原因，目前仍存在较大争议。

关于威远背斜形成机制，存在以下三种认识:① 认为威远背斜的形成主要受控于基底先存断裂的反转活动，挤压作用方向为NW-SE向（刘顺，2001）; ② 认为威远背斜的形成主要受控于基底古隆起的隆升活动，挤压作用方向为NW-SE向和NE-SW向（宋文海，1996; 徐炳高，1997）; ③ 认为威远背斜的形成主要受控于基底逆冲叠瓦构造的前展活动，挤压方向为NW-SE向（高金尉，2012; 梅庆华，2015）。关于威远背斜的形成过程及时代，主要有以下两种认识:① 认为威远背斜形成于喜山期，是新构造运动的直接产物（刘顺，2001; 刘树根等，2008; 高金尉，2012; 梅庆华，2015），持此观点的学者主要利用了磷灰石裂变径迹分析方法（刘树根等，2008; 高金尉，2012; 梅庆华，2015）; ② 认为威远背斜在燕山期或者更早时期便已具备雏形或初具规模，喜山期定形（宋文海，1996; 徐炳高，1997; 谷志东等，2012; 喻颐等，2013），持此观点的学者主要利用了沉积响应分析（徐炳高，1997）和构造解析方法（谷志东等，2012; 喻颐等，2013）。

除了斜向挤压基础理论缺乏认识外，存在上述争议的原因还在于:① 威远地区的部分侏罗系及其上地层已经被剥蚀掉，恢复本区燕山期之后的古构造演化存在很大困难，只能通过一些间接的方法来对背斜的形成演化进行分析; ② 以前该地区缺乏连片三维地震资料，系统的精细构造解析缺乏资料基础; ③ 威远地区的断裂发育程度低，属于弱构造变形区，因此对其构造变形过程及机制的精细研究确实存在难度，需要进行综合分析才能解决上述争议。

本文利用该地区新处理的连片三维地震资料、基于地震属性特征发现的共轭“X”剪切破裂、地貌特征和GPS速度场分布等信息，按照构造解析的思想和原则，把威远背斜及其东南部的自流井背斜作为整体进行构造解析，确定其主构造变形阶段及各阶段的区域构造作用方向，并用砂箱模拟实验进行验证。结果表明，威远地区的构造主要由燕山期和喜山期的斜向挤压作用叠加而形成，燕山期为近NS向的斜向挤压作用，为主变形期，喜山期为近EW向的斜向挤压作用，对其构造变形也有一定的贡献（约为30%），其中先存构造主要为NE向的威远基底古隆起和自流井背斜NEE向基底先存断裂。砂箱模拟实验结果成功地再现了威远地区构造（包括威远背斜和自流井背斜等构造）的形成和演化，验证了构造解析结果的合理性。

上述认识和成果不仅能够为威远地区油气的生运聚过程研究提供有效指导，还能为其他多期斜向挤压作用下的叠加变形区域的构造形成和演化分析提供借鉴。

1 地质概况

威远地区位于四川盆地南部，在区域构造位置上位于四川盆地川西南低缓构造区的北部（图1中的红框位置），其西（龙泉山以西）为川西坳陷低陡构造区，其东（华蓥山断裂带以东）为川南低陡构造区。

威远背斜为大型穹隆状背斜构造，长轴为NE—NEE向（图2），地表出露地层平缓，西北翼为缓坡带，地层倾角为3°~5°，东北翼稍陡，倾角8°~9°。背斜核部出露下三叠统嘉陵江组，向外依次出露中三叠统雷口坡组和上三叠统须家河组，翼部出露侏罗系。从基底至地表，研究区地层层序依次为震旦系、寒武系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系。受加里东期运动影响，本区缺失泥盆系和石炭系，志留系也仅残存龙马溪组下统。威远地区地表出露断层断距较小，多收敛于嘉陵江组内，断层走向为NNE—NEE和NNW—NWW向（图2）。

2 威远地区形成演化的构造解析

早古生代末期，受加里东期运动的影响，乐山-龙女寺古隆起形成，威远地区位于此古隆起的东南斜坡上，二叠纪之前，本区为自北西向南东倾斜的古侵蚀斜坡（喻颐等，2013），使得本区泥盆系和石炭系缺失，志留系（仅残存龙马溪组）为一北西薄、南东厚的楔状体。而上覆二叠系至侏罗系在本区厚度十分均一（图3），属于克拉通盆地沉积，这说明二叠系沉积前古隆起已被剥蚀夷平（梅庆华，2015）。

2.1 构造变形特征及其解析

通过对威远地区连片三维地震资料的系统分析，威远地区的构造变形特征如下:① 根据三维地震剖面分析，威远背斜及其东南部的自流井背斜，震旦系—侏罗系为协调变形（上下具有相同的褶皱形态，图3）; ② 威远背斜整体为NE走向，但其核部为NEE走向，与自流井背斜的走向基本一致（图2）; ③ 威远背斜以南的区域，构造线走向由威远背斜的NE向转为NW向（图4），全区构造线的平均走向为NEE向; ④ 全区断层很少发育，但在自流井背斜区发育NEE向的逆断层（图3、图4）; ⑤ 威远背斜以东的204井区，存在近NS向延伸的低幅度背斜（图4）; ⑥ 威远背斜核部地形为低山，而其他地区（包括自流井背斜区）地貌上为平地。

通过对上述特征的构造解析表明，构造特征①指示威远背斜是在侏罗系沉积过程中或者沉积后（包括燕山期和喜山期）的挤压作用中形成的（前燕山期的构造变形可以忽略）; 构造特征②、③和④指示本区可能遭受近NS向的挤压构造作用; 构造特征⑤指示本区遭受近EW向的弱挤压构造作用; 构造特征⑥说明威远背斜很可能在喜山期发生了褶皱隆升作用:因为一般情况下，前喜山期形成的背斜地貌上表现为谷地（“向斜成山、背斜成谷”），喜山期发育和隆升的背斜由于未经受充分的差异剥蚀，在地貌上很可能表现为山地。另外，刘树根等（2008）、高金尉（2012）、梅庆华（2015）关于威远背斜磷灰石裂变径迹的分析进一步支持了这种观点。

根据上面的分析，可以确定威远背斜经历了近NS向的挤压作用和近EW向的弱挤压作用的变形叠加，但还有以下问题需要解决:① 威远地区近NS向和近EW向挤压作用的准确方位和作用时期的问题; ② 威远背斜构造线走向与挤压作用方向不协调的问题; ③ 不同时期的挤压作用对威远背斜构造变形的贡献大小问题。加里东期运动在本区的表现虽然比较显著，但主要表现为差异隆升，对构造变形没有显著的贡献，后面不再赘述。

2.2 共轭“X”剪切破裂的发现及主压应力方向的确定

通过对威远地区三维地震资料（包括地震属性）的精细构造分析，在下二叠统栖霞组底界的构造-曲率图（图5）上，发现204井区存在几个区域规模的、典型的共轭“X”剪切破裂构造。共轭“X”剪切破裂的角平分线方向可以准确地反映区域挤压作用方向（万天丰，2004）。通过对区内共轭“X”剪切破裂的角平分线方向的测量统计，确定该期构造作用的最大主应力方向为176°（近NS向）。

2.3 喜山期构造主压应力方向的确定

根据中国地区近期测定的GPS速度场分布（Wang Min et al.，2020），可以确定四川盆地现今地应力状态为近EW向挤压，即最大主应力方向为近EW向。考虑到:① 构造作用方向的继承性（童亨茂等，2013，2018），② 204低幅背斜的走向与近EW向挤压方向完全匹配，可以确定该区域喜山期的最大主应力方向总体为近EW向。

2.4 构造期次的厘定及构造成因分析

共轭“X”剪切破裂构造非常明确地指示该地区遭受近NS向的挤压构造作用，而喜山期的挤压构造作用方向为近EW向，与近NS向的挤压应力状态完全不匹配。因此，结合前面的构造解析可以推定，近NS向挤压作用属于燕山期，区域最大主压应力的平均方向为176°; 近NS向的204低幅度背斜形成于喜山期，区域最大主压应力方向为近EW向。

本图为构造图与曲率图叠加打光显示，光源来自北西侧; 曲率反映构造面弯曲程度; 断裂附近由于存在曲率突变出现光线明暗变化

This figure is a superimposed lighting display of the structure map and the curvature map; the light source comes from the northwest side; curvature reflects the curvature degree of the structural plane, and the light and shade change occurs near the fault due to curvature mutation

在近NS向的挤压作用下，威远背斜和自流井背斜的轴向却是NE和NEE向，这说明二者的形成应该是受基底先存构造的控制，是斜向挤压作用的结果。

根据重、磁力异常及钻探资料，威远背斜基底为一大型隆起，基底埋深仅3.3~3.8 km（徐炳高，1997），图3中所显示的威远背斜东南和西北两侧基底的地震反射特征存在显著差异，是两种岩性的表现，其分界处必然存在先存薄弱带。另外，根据高金尉（2012）的研究成果，隆起区基底发育有逆冲楔，是一个相对的薄弱带。该薄弱带在挤压作用下便会出现应变集中而造成隆起，但由于基底隆起带的走向与挤压方向不一致（斜向挤压），变形后构造线的走向主要受基底隆起带分布的控制。

自流井背斜区虽然没有基底先存构造的直接证据，然而，① 在自流井背斜区及其东南（图4的右下方）发育多条NEE走向的断层，且走向存在一定的差异; ② 自流井背斜与其东南的小型背斜呈雁行状排列，指示有走滑分量; ③ 构造线走向与挤压作用方向斜交。根据上述分析，推定自流井背斜及其东南区域存在基底先存断裂。在斜向挤压作用下，基底先存断裂复活而形成与挤压方向斜交的逆冲断层（有走滑分量）和断层相关褶皱。

因此，威远背斜的形成受控于NE走向的基底古隆起，而自流井背斜的形成受控于NEE走向的基底先存断裂，本区构造是斜向挤压作用的结果。

2.5 喜山期和燕山期对构造变形贡献量分析

通过解析构造解释发现，本区有两个近于正交的构造，即自流井背斜和204低幅背斜（图4）。由于它们的构造走向分别近垂直燕山期和喜山期的构造作用方向，因此这两个构造的应变量相对大小可以反映该地区两期构造变形贡献量的相对大小。

挤压构造变形量的相对大小（应变量）一般采用缩短率来表征。但是自流井背斜和204低幅背斜的缩短率都很小（根据图4中B—B′和C—C′两条图切剖面计算得出的缩短率量级为10^-4），直接测量计算缩短率会产生很大误差。考虑到自流井背斜和204低幅背斜的短轴长度近似，本文根据二者的背斜幅度来近似地表征构造变形量。

204低幅背斜为NS走向，可以确定是喜山期构造变形的产物。该背斜的幅度约为120~150 m。自流井背斜NEE走向，幅度约为300~350 m，走向与喜山期的构造作用方向近于平行; 自流井背斜区在地貌上为平地。这两方面的信息表明，自流井背斜的构造变形在喜山期应该很弱，主要是燕山期的贡献。这样，可以根据自流井背斜和204低幅背斜的变形幅度的比值（约为2.3~2.5）来大体确定燕山期和喜山期对本区构造变形的贡献比例，从而确定喜山期对本区构造变形的贡献率约为28.6%~30%。

2.6 斜向挤压叠加变形的解析结果

综合上述分析可以确定:① 威远地区的构造变形是燕山期和喜山期斜向挤压叠加构造作用叠加的结果（威远构造“背斜成山”也说明喜山期对威远背斜幅度的增加及其隆升具有贡献）; ② 威远地区构造主体形成于燕山期近NS向的斜向挤压作用过程中，喜山期的挤压作用对其有一定的改造作用，即燕山期的构造作用对该地区的构造变形作主要贡献（70%~71.4%），喜山期作次要贡献（28.6%~30%）; ③ 威远背斜不同区域（核部和斜坡）及以南区域构造线走向的差异是斜向挤压作用的结果。

3 砂箱模拟实验

构造物理模拟实验（也称砂箱模拟实验）是研究和模拟自然界地质构造变形特征、构造演化过程和成因机制的一种有效手段（McClay et al.，1987; Eisenstadt et al.，2005; Patton，2005），并被广泛地应用到盆地构造研究中（McClay，1990; McClay et al.，1995; Schultz，1999; 周建勋等，1999; Khalil et al.，2002; Dooley et al.，2003; Kennedy et al.，2004; Acocella et al.，2005）。

为了进一步明确威远地区构造的形成演化过程与成因机制，我们进行了相应的砂箱模拟实验。考虑到现有实验条件限制，无法在同一个实验模型内实现两期不同方向的叠加变形; 另外，在喜山期挤压作用过程中，新形成的构造只有204低幅背斜，但其变形很弱，难以通过砂箱模拟实验进行模拟。因此，本文只对威远地区燕山期构造变形进行模拟。下面对实验情况进行简要介绍和分析。

3.1 模型设计

实验模型范围如图4中绿框所示，主要模拟威远背斜及斜坡区和自流井背斜的形成演化。模型与实际地质体相似比例约为1.3×10^-5（1 cm代表0.77 km）。

实验利用预先拉伸（56 cm拉伸至72 cm）、与活动端相连的双层橡皮（单层1.0 mm厚）作为基底（图6a），威远背斜区（模型北侧）和自流井背斜区则采用（模型南侧）采用单层橡皮，分别来模拟这两个地区的基底薄弱带。在挤压变形模拟实验中，这种先存薄弱带的设计尚属首次。

模型的挤压作用方向按构造解析的结果设计（176°）。通过对模拟区域的应变量分析，构造变形强度从北向南逐渐减小，推断当时的挤压力来自北部，南部为被动挤压。因此，实验采用双向挤压模型（图6b）。

在反复试验的基础上，将双向挤压中靠近威远背斜的一侧（北侧）的挤压量设置为10 cm，挤压速率设置为0.25 cm/min，而靠近自流井背斜一侧（南侧）的挤压量设置为4 cm，挤压速率设置为0.1 cm/min，双向挤压时间为40 min。

在砂箱模拟实验中，松散石英砂已被证明是脆性变形很好的相似材料（McClay，1987，1990; McClay et al.，1995; Dooley et al.，2003; Acocella et al.，2005）。考虑到威远地区地层岩性主要为碳酸盐岩和碎屑岩，目的层龙马溪组页岩层，均属于脆性层，本实验选取40~80目松散石英砂作为实验材料。嘉陵江组和雷口坡组的膏岩层呈互层状分布，单层厚度按相似比例折算后小于0.5 mm，因此实验模型中未设置滑脱层。实验模拟震旦系及其以上的地层变形，不同层之间采用不同颜色的标志层分隔（图6b）。

3.2 实验过程与结果分析

在多次试验的基础上，按照图6所示的实验模型进行实验。在实验中，随着挤压作用的进行，威远背斜区和自流井背斜区逐渐发生褶皱变形和隆起，构造线的走向总体决定于先存薄弱带的方向，与挤压作用方向斜交; 褶皱内部存在次一级的微型褶皱断裂，延伸方向与主褶皱斜交; 威远背斜和自流井背斜间几乎没有发生变形，没有任何204低幅度背斜的踪迹。最终得到了图7所示的实验结果平面图。对比研究区构造图（图4），可以看出，砂箱模拟实验结果和威远地区的构造形态十分相似。实验结束后，我们对实验模型进行切片，将切片结果（图8）与对应的地震剖面进行对比（图9），二者的形态也比较相似。这验证了本文认识的合理性。

4 讨论与结论

本文的构造解析和砂箱模拟实验结果表明，斜向挤压作用条件下，可以形成不同方向的构造，在有先存构造的区域，新生构造的走向主要受先存构造延伸方向的控制，且与挤压作用方向斜交。那么，在斜向挤压构造作用区，便不能简单地用构造的走向来确定区域挤压作用方向，而必须采用构造解析的方法，综合各种构造变形特征来确定。在威远地区的构造解析中，共轭“X”剪切破裂的发现、地貌和构造特征关系的剖析、204低幅背斜（不受先存构造控制的褶皱）的识别等方面发挥了关键作用。

除了研究区所在的四川盆地，塔里木盆地、柴达木盆地、准格尔盆地等中国西部盆地，前中生代均经历过多次构造运动，而中-新生代总体是挤压构造背景，因此这些地区的斜向挤压作用及其叠加变形应是比较普遍的。威远地区是斜向挤压作用条件下叠加构造变形比较典型的实例，本文的研究可以对中国西部盆地构造演化的深化研究提供借鉴。

本文在对威远背斜进行构造解析时，未采用常用的层拉平和平衡剖面方法，这主要是因为威远背斜及其东南部自流井背斜区域的震旦系-侏罗系为协调变形，威远背斜是在侏罗系沉积过程中或者沉积后（包括燕山期和喜山期）的挤压作用中形成的是显而易见的，没有必要进行层拉平或制作平衡剖面。此外，由于威远背斜在两期挤压作用过程中仅发生褶皱变形，未形成规模较大的断层，而且后期喜山期的挤压作用只是增加了威远背斜的隆升幅度。因此，仅根据威远背斜的构造响应是无法厘定这两期构造作用的。但是根据其邻近构造（204低幅背斜和自流井背斜，以及共轭“X”剪切破裂）的响应却可以清晰地厘定出两期构造作用对威远背斜的影响，并进一步分析了两期挤压作用对威远背斜构造变形的贡献率。

本文通过对威远地区的构造解析以及砂箱模拟实验，得到了如下结论:① 斜向挤压作用所形成褶皱构造的走向与挤压作用方向斜交，不能简单地利用其走向来确定挤压作用方向; ② 威远背斜的形成受控于NE向基底古隆起，而自流井背斜的形成受控于NEE向基底先存断裂，二者的形成均受控于斜向挤压作用; ③ 威远背斜的主体构造是在燕山期近NS向挤压作用下形成的，喜山期近EW向的挤压作用对其构造变形也有一定的贡献（约为30%）。

参考文献