褶皱逆冲带中反冲断层的发育条件及演化特征：以物理模拟实验为例

Forming and Evolution of Back Thrusts in a Fold-and-Thrust Belt： A Study on Sandbox Analogue Modelling

摘要

前陆褶皱-逆冲带的形成和扩展在造山带演化过程中起着至关重要的调节作用。反冲断层对整个挤压系统的调节和变形量的吸收等也起到重要作用。本文选取了十六套聚焦于造山带前陆系统或前陆与腹陆过渡带强烈挤压区域的砂箱物理模拟实验，通过梳理不同设置之下展示出的构造扩展过程及样式，分析其中反冲断层（及组合）的形成条件、形成位置和扩展过程，为今后的实验中对于反冲断层的模拟，以及基于反冲断层的活动而展开的构造探讨等提供支撑。基于上述研究得到的主要认识包括：（1）反冲断层更易在前冲断层的根部附近形成，若反冲断层随前冲断层的上盘整体上移，则新生反冲断层易在早期反冲断层的下盘形成；而当早期反冲断层不随前冲断层的上盘运动时，早期反冲断层的下盘不再有足够的空间，此时新生反冲断层大多位于其上盘；（2）明显的空间阻挡使得反冲断层组合更易以后展式的方式向整个逆冲系统的腹陆方向扩展；（3）足够厚的强滑脱面可以为变形量提供充足的向前陆传递的条件；（4）在同一挤压背景下，滑脱面在一定程度上可以部分解耦其上、下的变形，使变形呈现出在被滑脱面软隔挡的不同层次内交替变形、递次前展式扩展特征。

Abstract

Back thrusts （BTs） play a crucial role in the evolution of fold-and-thrust belts （FTBs）， particularly in accommodating and distributing deformation. To clarify the structural style， initiation， and progressive evolution of back thrusts—and to provide insights relevant to active fault studies—we collected and reanalyzed 16 published sandbox analogue models. These models varied in their experimental parameters， including the material and thickness of detachments， number of detachment layers， velocity and direction of the baffle， and stages of deformation. Our findings are as follows： （1） Back thrusts preferentially initiate from the root zone of a fore thrust （FT）. If an earlier BT migrates together with the FT， a new BT will form at the former location of the earlier BT， which then becomes the new footwall of the earlier BT. Conversely， if an earlier BT remains stationary relative to the hanging wall of the FT， the footwall space becomes restricted， leading to the formation of a new BT within the hanging wall of the earlier BT. （2） Available space is a critical factor controlling the progression of BT groups. Significant spatial restrictions lead to out-of-sequence propagation， whereas ample space favors in-sequence development. （3） A strong detachment layer with enough thickness facilitates forward and preferential transmission of deformation until a structural barrier is encountered. （4） Detachments act as soft barriers that decouple deformation above and below， promoting alternating development of structures at different but adjacent structural levels.

Graphical abstract

关键词

反冲断层 / 砂箱模拟 / 形成条件 / 演化过程

Key words

back thrust / sandbox modelling / forming condition / evolution progress

0 引 言

作为腹陆与前陆盆地的动态枢纽，前陆褶皱-逆冲带的形成和扩展在造山带演化过程中起着至关重要的调节作用，随着此间应变量的累积与释放，尤以破坏性地震的发生最为直观，并会造成一定的人员和财产损失^{［1 - 16］}。针对前陆褶皱-逆冲带的演化过程，大量研究聚焦于前冲断层、及以前冲断层为主要格架构建出的逆冲叠瓦扇和双重逆冲构造等，然而反冲断层的形成和扩展（包括作为构造楔模型中的顶板逆冲断层等）对整个挤压系统的调节和变形量的吸收等也常起到重要作用^［16-20］。以西南天山前缘为例，受控于天山向南北两侧的扩展，西南天山西段喀什前陆冲断带现今的变形前缘为喀什背斜，其生长变形就主要受控于区域主滑脱面喀什盆地边界断裂之上最前缘的反冲断层^［8］。

砂箱模拟是地质学经典的正演研究方法，利用物性已知的材料模拟自然界地层和岩体等，通过施加力使材料产生形变，模拟挤压、伸展和走滑等构造的形成过程^{［21 - 32］}。砂箱模拟实验的雏形诞生于19世纪初，地质学家Hall^［33］将挡板置于黏土两侧，通过简易螺旋千斤顶自两侧对粘土进行水平推挤，模拟了苏格兰东海岸的褶皱构造。近40年来，基于（1）包括几何、时间（速度）和应力相似比等在内的相似性原则、（2）对于影响构造变形因素的选择原则、（3）分解原则、（4）模拟过程中的逐步近似原则和（5）对于结果分析的统计原则等^{［27， 34 - 37］}，砂箱物理模拟实验可以为研究区域的动态构造变形过程提供切入点，围绕造山系统的挤压变形，以砂箱模拟为突破口，也展开了丰富的研究^{［27， 38 - 50］}。与对于地质实例的探讨类似，在针对挤压环境下模拟实验结果的解译中，反冲断层的形成多被解释为前冲的逆冲系统中指向腹陆的次级变形，少有深入的解析，故而也就缺少对于反冲断层的形成条件、形成位置及扩展过程等的详细的梳理。而如前文所述，反冲断层在类似喀什背斜等前陆冲断带中的活动值得得到更多关注。

出于上述原因，本文梳理了已发表的部分挤压型砂箱构造物理模拟中反冲断层的形成及扩展过程，为今后的实验中对于反冲断层的模拟，以及基于反冲断层的活动而展开的构造探讨等提供支撑。

1 砂箱模型的设置与选择

1.1 砂箱模型的设置

砂箱构造物理模拟是地质学经典的正演研究方法，利用物性已知的材料（如石英砂、玻璃珠、硅胶等）模拟自然界地层和岩体等，通过施加力使材料产生形变，模拟挤压、伸展和走滑等构造的形成过程^{［21 - 29， 45， 51 - 53］}。砂箱模拟实验的雏形诞生于19世纪初^［33］，近40年来，围绕造山系统的挤压变形，以砂箱模拟为突破口，也展开了丰富的研究^{［21， 27， 29， 44 - 46， 54］}。随着流体力学等学科和相关技术的发展，砂箱模拟的实验过程和模型解译方法日趋完善，尤以复杂的前陆褶皱-逆冲带为代表，为探讨模型和对比实际地质过程中逆冲系统的形成、扩展和演化等提供了更直观和更可靠的支撑。

在砂箱模型的设置中，常用材料是（染色）石英砂、玻璃珠和硅胶，其中石英砂和玻璃珠遵从莫尔-库仑破裂准则，分别用来模拟上地壳脆性岩石和弱滑脱面，硅胶在低速条件下属于牛顿流体，用来模拟滑脱层和塑性变形^{［45， 51］}。

1.2 本文对于砂箱模型的选择与分类

需要说明的是，为了控制不同模型的实验环境相对一致且稳定，本文分析的砂箱模型均来自中国地质大学（北京）地质过程与成矿预测全国重点实验室构造模拟实验室（图1），因此不同实验使用的材料性质基本一致（表1），相似比参数设置也具有相似性（表2）。本文选取了十六套挤压型砂箱构造物理模型，它们均聚焦于造山带前陆系统或前陆与腹陆过渡带的强烈挤压区域^{［36， 45， 52， 53， 55 - 57］}，不同模型之间的差异主要在滑脱面的材料、层数、厚度，挡板推挤的方向、速度，以及推挤过程是否分阶段等。虽然模型的设置有所差异，但在推挤的不同阶段均伴随有反冲断层的形成和扩展。为了描述方便，本文对选取的模型进行了重新清绘并统一将主推挤挡板设定在模型左侧（原始模型中推挤挡板在右侧的，此处做镜像处理，并未对原实验中其他数据进行修改），依据模型中滑脱面的层数和位置对模型重新编号：编号中第一位大写字母“M”代表“模型”，第二位数字代表滑脱面的层数，第三位小写字母d或m代表最下部的滑脱面位于模型的底部或中部（表3， 附表1， 附图1）。同时，按照实验过程中断层的形成顺序（不考虑其为前冲或反冲）将模型中的逆断层重新编号，在描述断层在水平方向上的空间位置时，首先计算反冲断层的前缘和根部距主推挤挡板的水平距离，进一步以推挤挡板所在位置为0，另一侧挡板或模型的末端所在位置为100%，用以描述反冲断层所在位置（附表1“形成位置”一列，附图1每个模型下方对应的彩色线段和百分比数值）。

2 实验呈现结果

2.1 未设置滑脱面模型

模型M0-1长60 cm，不设置滑脱面，均匀铺设6 cm厚石英砂（文献［36］中模型 1）。推挤单侧挡板，至模型缩短率达到5%时，模型长约56 cm，自模型底部向上形成前冲断层F1，且自F1底部约四分之一处形成指向腹陆的反冲断层F2，反冲断层的前端已超越前冲断层的根部，比其更靠近腹陆（图2（a））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约3.5 cm，位于靠近推挤挡板的前6.25%处。

2.2 单一滑脱面模型

模型M1d-1，M1d-2和M1m-1是设置了单一滑脱面的模型，滑脱面材料均选用硅胶。其中M1d-1和M1d-2的硅胶层设置于模型底部，且在模型的前陆、远离推挤挡板的一侧深部放置用于模拟刚性基底的泡沫板。M1m-1的硅胶层置于模型中部，上、下为石英砂（图2）。

2.2.1 单一底部滑脱面模型

模型M1d-1长60 cm，厚6 cm，靠近推挤挡板的左侧30 cm包括底部1 cm硅胶层及其上5 cm的石英砂，而在远离推挤挡板的30 cm，模型的下部3 cm为用于模拟刚性基底的泡沫板，其上覆盖3 cm厚的石英砂（文献［36］中模型 4）。缩短率达到20%时，模型长约48 cm，表现为两组成对的前冲和反冲断层。率先形成的是靠近推挤挡板的构造，自靠近挡板的硅胶层处先向上形成前冲断层F1，随后在其前部约三分之一处形成反冲断层F2。F1和F2基本固定后新生变形发生在了靠近泡沫板的位置，在靠近泡沫板处的硅胶层处形成前冲断层F3，最后在靠近F3根部向上发展出反冲断层F4（图2（b））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的16.67% ~ 20.83%处，反冲断层F4在水平方向上长约6 cm，位于靠近推挤挡板的35.42%~47.92%处。

模型M1d-2与模型M1d-1的设置类似，长60 cm，厚6 cm，分为左侧的硅胶和石英砂层及右侧的泡沫板和石英砂，不同之处在于左半部铺设的硅胶层更厚，为2 cm，其上石英砂层相应减薄，为4 cm（文献［36］中模型 6）。缩短率达到15%时，模型长约52 cm，表现为紧邻泡沫板的一组冲断带，由两条前冲断层和两条反冲断层组成。在推挤过程中，率先形成的是两条前冲断层F1和F2，它们相距较近，起始于较厚的硅胶层，随后在稍远离泡沫板的前冲断层根部约四分之一处，先后形成两条相距较近的反冲断层F3和F4，F3的位置更低（图2（c））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约8 cm，位于靠近推挤挡板的42.31% ~ 57.69%处，反冲断层F4在水平方向上长约7 cm，位于靠近推挤挡板的46.15% ~ 59.62%处。随着挡板的进一步推挤，当缩短率达到25%时，模型长约45 cm，原冲断带中反冲断层的条数有所增加且更为紧密，在F3和F4的下方形成新的反冲断层F5和F6。最后，在冲断带和左侧推挤挡板之间，自深部硅胶层孤立形成一条大型反冲断层F7，F7一直延伸至左侧推挤挡板处（图2（c））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的44.44% ~ 55.56%处，反冲断层F4在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的46.67% ~ 57.78%处，反冲断层F5在水平方向上长约6 cm，位于靠近推挤挡板的37.78%~51.11%处，反冲断层F6在水平方向上长约6 cm，位于靠近推挤挡板的40.00% ~ 53.33%处，反冲断层F7在水平方向上长约13 cm，位于靠近推挤挡板的前28.89%处。

2.2.2 单一中部滑脱面模型

模型M1m-1长60 cm，厚6 cm，设置中部单一滑脱面，自下而上包括：2.5 cm石英砂、1 cm硅胶和2.5 cm石英砂（文献［36］中模型 2）。挡板推挤时，虽然模型整体上发生了挤压变形，但铺设于中部的硅胶层在一定程度上起到了分割（解耦）滑脱面上、下构造变形的作用，下层自模型底部形成的逆断层向上扩展至硅胶层时难以进一步向上突破，而上层的逆断层也多自硅胶层向上扩展。在缩短率达到10%时，模型长约55 cm，率先形成的是硅胶层之上的一条（F1）和之下的两条（F2和F3）前冲断层，而后在硅胶层之下，自两条前冲断层的根部向腹陆扩展至推挤挡板和硅胶层的反冲断层F4（图2（d））。此时，反冲断层F4在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的前3.64%处。随着挡板的进一步推挤，当缩短率达到25%时，模型长约46 cm，早期形成的逆断层倾角增大、更为直立和紧密，前冲断层F3的倾向更是直接发生了反转，且在反转后形成了一定位错。在反冲断层F4之后形成的是沿硅胶层向上扩展的前冲断层F5，其位置相较F1-F4更远离推挤挡板，随后在硅胶层之下、F2的前缘形成前冲断层F6和F7，F7终止于硅胶层，且其终止位置靠近F5的根部。后续在F5的前缘、硅胶层之上先后形成了反冲断层F8和前冲断层F9（图2（d））。此时，反冲断层F4在水平方向上长约1 cm，位于靠近推挤挡板的前2.17%处，反冲断层F8在水平方向上长约3 cm，位于靠近推挤挡板的30.43% ~ 36.96%处。

2.3 双滑脱面模型

模型M2m-1、M2m-2、M2m-3、M2m-4、M2m-5、M2m-6和M2d-1是设置了双滑脱面的模型，M2m-1、M2m-2和M2m-3的主要设置基本一致，其内部及与其他模型的主要区别是设置了坡形角并改变其角度。其中M2m六个模型的双滑脱面置于模型中部，且双滑脱面分别选用硅胶和玻璃珠，M2d-1的下硅胶层设置于模型底部，且滑脱面材料均选用硅胶（图3）。

2.3.1 双中部滑脱面模型

模型M2m-1长60 cm，厚6.5 cm，设置中部双层滑脱面，自下而上包括：1.8 cm石英砂、0.2 cm硅胶、2 cm石英砂、0.5 cm玻璃珠和2 cm石英砂，在模型的推挤过程中通过抽吸等控制坡形角在10°左右（文献［55］中模型a_10）。缩短率达到5%时，下滑脱面（硅胶层）的上、下先后形成前冲断层F1和F2，其中F1自下滑脱面（硅胶层）向上扩展并切穿上部的弱滑脱面（玻璃珠层），F2起自模型底部向上扩展，但并未切穿硅胶层。挡板继续推挤，当缩短率达到10%时，模型长约53 cm，在F2的下端断层倾角较小处形成指向腹陆的反冲断层F3（图3（a））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的前3.77%处。

模型M2m-2与模型M2m-1的设置类似，长60 cm，厚6.5 cm，不同之处在于推挤过程中控制坡形角在17°左右（文献［55］中模型a_17）。缩短率达到10%时，形成了与M2m-1类似的硅胶层上、下两条前冲断层F1和F2，以及自F2根部形成的反冲断层F3。缩短率达20%时，沿着硅胶层之下、前冲断层F2的前缘，前展式依次形成了F4和F5，两条断层也均未切穿硅胶层。随着缩短率达到27%，模型长约44 cm，变形转移到硅胶层之上，在F5断端点的更前缘形成前冲断层F6，且向上延伸并切穿玻璃珠层（图3（b））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约1 cm，位于靠近推挤挡板的前2.27%处。模型推挤的最后阶段缩短率达到33%，模型长约40 cm，该阶段在硅胶层之下继续前展式形成F7，进一步连接了硅胶层之下叠瓦扇和之上前冲断层之间的变形，最后在硅胶层之上、自F6断坪与断坡过渡的区域形成反冲断层F8，并同样切穿玻璃珠层（图3（b））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的2.50%~7.50%处，反冲断层F8在水平方向上长约4 cm，位于靠近推挤挡板的40.00% ~ 50.00%处。

模型M2m-3与模型M2m-1和M2m-2的设置类似，长60 cm，厚6.5 cm，不同之处在于推挤进一步提升坡形角，将其控制在18°左右（文献［55］中模型a_18）。缩短率达到20%时，模型长约48 cm，形成了与M2m-2最终构造类似的样式，包括早期硅胶层之上的前冲断层F1、硅胶层之下的前冲断层F2、其上的反冲断层F3、前展式的F4和F5，以及后期在硅胶层上更前缘形成的前冲断层F6和其上反冲断层F7。此时，反冲断层F3在水平方向上长约1 cm，位于靠近推挤挡板的2.08% ~ 4.17%处，反冲断层F7在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的35.42% ~ 48.38%处（图3（c））。随着挡板的进一步推挤，当缩短率达到50%时，模型长约30 cm，逆冲系统中断层的密度有所增加，前期形成的逆断层倾角也逐渐变陡，在硅胶层之下、F5的前缘前展式形成了F8和F9，两条前冲断层向上均未切穿硅胶层，且F9的断端点到达了与此时滑脱面之上、最前缘前冲断层F6的断端点相对应的位置。随后在硅胶层之上前展式形成了前冲断层F10和F11，并在F11下断坪向断坡拐折处形成了反冲断层F12，F12向上切穿玻璃珠层直达模型表层。最后阶段，在硅胶层之下F9的前缘形成前冲断层F13，其前缘未切穿硅胶层，但几乎与硅胶层之上F11的根部相接（图3（c））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的前6.77%处，反冲断层F7在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的23.33% ~ 30.00%处，反冲断层F12在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的56.67% ~ 73.33%处。

模型M2m-4长70 cm，厚6 cm，设置中部双层滑脱面，自下而上包括：1.5 cm石英砂、1 cm硅胶、1.5 cm石英砂、0.5 cm玻璃珠和1.5 cm石英砂，在模型的右侧下半部用3 cm厚、左端为斜坡的泡沫板模拟刚性基底，其上覆盖3 cm厚的石英砂。在模型最底部的石英砂层之下垫设帆布，模型左侧为活动的推挤挡板，挡板的底部与泡沫板的顶部平齐，既此挡板近推动模型上部3 cm的材料，右侧第一块挡板紧挨模型并与模型底部平齐，为固定挡板，用于限制模型边界，在其右侧设置第二块向右拉伸的挡板，挡板的底部与模型下部的帆布相连接，挡板向右可带动帆布及其上的材料向右发生位移和形变。M2m-4/5/6的挡板和泡沫板设置一致，由于左侧活动挡板底端在模型底部之上3 cm处，右侧活动挡板底端与模型底部平齐，因此在描述这三个模型中下部（主要包括下部硅胶层至模型底部帆布之间的范围）反冲断层的位置时，以泡沫板左侧所在位置为0%，左侧活动侧挡板所在位置为100%。M2m-4设置两阶段实验：第一阶段左侧活动挡板以一定速度向右推挤，二阶段左侧挡板保持原推挤速度和方向，右侧活动挡板以左侧挡板推挤速率的4/3向右拉伸，从而带动模型底部的帆布及其上的材料向右滑动，此时右侧活动挡板的速度大于左侧（文献［56］中模型 1）。在模型M2m-4的一阶段推挤中，当缩短率达到4%时，模型长约67 cm，在硅胶层之上、靠近左侧推挤挡板处率先形成了前冲断层F1，F1向上切穿玻璃珠层直达模型表层，在F1切过玻璃珠的位置向腹陆方向形成反冲断层F2，而后在F1的前缘形成前冲断层F3（图3（d））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的前2.99%处。缩短率达到15%时进入第二阶段，左右两侧的活动挡板同时推挤/拉伸。当模型上层的缩短率达到22.7%时，上层长约54 cm，下层不含泡沫板总长约39 cm。在硅胶层之上，沿早期形成的F1和F3依次前展式形成F4 - F6，其中F1 - F4之间的间隔较为平均，F4和F5之间的间隔是前者的约两倍，F5和F6之间的间隔更大，F6的前缘已经到达泡沫板左端上部的相应位置。在F6基本固定以后，硅胶层之下靠近泡沫板左侧斜坡处形成前冲断层F7，而后在其根部形成反冲断层F8，F7和F8向上均切至但并未切穿硅胶层（图3（d））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约2 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前3.70%处，反冲断层F8在水平方向上长约3 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧7.69%处。随着二阶段持续推挤，当模型上层的缩短率达到37.1%时，上层长约44 cm，下层不含泡沫板总长约41 cm。该阶段变形主要集中在硅胶层之下、靠近泡沫板处。随着挡板的推挤，发育于F7根部的反冲断层F8随F7的上盘运动至靠近F7顶端处，而后在F7之上向根部依次发展出反冲断层F9 - F12，五条反冲断层基本等距分布，且顶端几乎均抵达硅胶层或前冲断层F6的断坡下部（图3（d））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约3 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前4.55%处，反冲断层F8在水平方向上长约3 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧7.18%处，反冲断层F9在水平方向上长约2 cm，位于模型下部靠近泡沫板的2.39% ~ 7.18%处，反冲断层F10在水平方向上长约2 cm，位于模型下部靠近泡沫板的4.78% ~ 9.57%处，反冲断层F11在水平方向上长约6 cm，位于模型下部靠近泡沫板的2.39% ~ 16.75%处，反冲断层F12在水平方向上长约3 cm，位于模型下部靠近泡沫板的9.57% ~ 16.75%处。

模型M2m-5与模型M2m-4设置类似，长70 cm，厚6 cm，不同之处在于二阶段右侧挡板的拉伸速度是左侧挡板推挤速率的2/3，此时右侧活动挡板的速度小于左侧（文献［56］中模型 2）。在一阶段推挤中，当缩短率达到6%时，模型长约66 cm。在硅胶层之上率先形成了前冲断层F1和反冲断层F2，且反冲断层切过玻璃珠层和F1并造成了其两侧F1的一定位错，但向下未切穿硅胶层（图3（e））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约4 cm，位于靠近推挤挡板的前6.06%处。缩短率达到15%时进入第二阶段，左右两侧的活动挡板同时推挤/拉伸。当模型上层的缩短率达到34.1%时，上层长约46 cm，下层不含泡沫板总长约39 cm。此阶段在F1的前缘以前展式在硅胶层之上扩展出F3 - F6，其中F6的下断坪位于硅胶层，上断坪位于玻璃珠层之上，下断坪与断坡之间的拐折点靠近泡沫板左侧的斜坡，断坡与上断坪的拐折点基本与泡沫板斜坡向平直区转换的位置对应，既F6的剖面形迹基本与模型底部和泡沫板左侧斜坡边界平行。包括F1在内的五条前冲断层自左侧推挤挡板至F6的断端点基本等距均匀分布。在硅胶层上变形基本固定后，硅胶层之下紧邻泡沫板斜坡形成前冲断层F7，并在F7上盘根部向上三分之一处形成反冲断层F8，F8向上至硅胶层处（图3（e））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约2 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前4.35%处，反冲断层F8在水平方向上长约4 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧10.25%处。随着二阶段持续推挤，当模型上层的缩短率达到37.1%时，上层长约44 cm，下层不含泡沫板总长约39 cm。在前期变形的基础上，在硅胶层之下、F7上盘根部和F8下盘，进一步扩展出与F8平行的反冲断层F9（图3（e））。此时，反冲断层F2在水平方向上长约2 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前4.55%处，反冲断层F8在水平方向上长约3 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧7.69%处，反冲断层F9在水平方向上长约2 cm，位于模型下部靠近泡沫板的5.13% ~ 10.25%处。

模型M2m-6与模型M2m-4和M2m-5的设置类似，长70 cm，厚6 cm，不同之处在于二阶段右侧挡板的拉伸速度与左侧挡板的推挤速度一致（文献［56］中模型 3）。在一阶段推挤中，当缩短率达到10.3%时，模型长约63 cm。在硅胶层之上率先形成了前冲断层F1和F2，并在F2自根部向上三分之一处形成指向腹陆的反冲断层F3，F3切穿F1，随后在F2前缘形成F4（图3（f））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的前3.17%处。缩短率达到17.7%时进入第二阶段，左右两侧的活动挡板同时推挤/拉伸。当模型上层的缩短率达到24.6%时，上层长约53 cm，下层不含泡沫板总长约39 cm。在硅胶层之上，随推挤F2与F4的间距有所缩短，基本与F1和F2的间距一致，而后在F4的前缘较远处形成前冲断层F5和F6，F5在水平方向上基本位于F4和泡沫板斜坡的中间位置，F6则靠近泡沫板斜坡位置。此后在硅胶层之下靠近泡沫板左侧斜坡处形成前冲断层F7，而后在其根部形成反冲断层F8并向上到达硅胶层附近（图3（f））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前3.77%处，反冲断层F8在水平方向上长约4 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧10.25%处。随着二阶段持续推挤，当模型上层的缩短率达到37.1%时，上层长约44 cm，下层不含泡沫板总长约38 cm。这一阶段在硅胶层之上的F6进一步向前陆远端扩展，断端点可达到泡沫板水平区域的内部。硅胶层之下，F8随推挤沿F7的上盘向上移动，并在其下、F7的上盘，形成平行于F8的F9和F10，三条反冲断层基本等距分布（图3（f））。此时，反冲断层F3在水平方向上长约2 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前4.55%处，反冲断层F8在水平方向上长约3 cm，位于模型下部靠近泡沫板左侧7.59%处，反冲断层F9在水平方向上长约2 cm，位于模型下部靠近泡沫板的5.06%~10.13%处，反冲断层F10在水平方向上长约3.5 cm，位于模型下部靠近泡沫板的6.33%~15.19%处。

上述M2m-4/5/6三个模型的不同之处在于二阶段右侧挡板的拉伸速度，它们模拟出的构造样式主体也基本一致，但是受控于二阶段挡板的活动，形成于模型底部泡沫板前的主前冲断层F7之上的反冲断层，间距与密度有所不同。M2m-4中二阶段右侧挡板的拉伸速度最快，带动底部帆布对材料的挤压也就越强，M2m-6次之，M2m-5最弱，在这样的前提下，M2m-4在F7之上形成五条等间距密集分布且相互平行的反冲断层，M2m-6形成了三条等间距分布反冲断层，M2m-5之上则只形成了两条反冲断层（图3（d）-（f））。此处的断层上侧为硅胶，下侧为帆布和模型底，右侧为泡沫板，可见在较为快速或明显的应力作用之下，若受到空间限制，更易形成紧密分布且构造极性一致的反冲断层组合。

2.3.2 底部—中部双滑脱面模型

模型M2d-1长60 cm，厚6 cm，设置双硅胶层滑脱面，分别位于模型的底部和中部，自下而上包括：0.4 cm硅胶、2.5 cm石英砂、0.6 cm硅胶和2.5 cm石英砂（文献［36］中模型 3）。缩短率达到5%时，模型长约57 cm，在靠近推挤挡板处，自上、下硅胶层上先后形成两条前冲断层F1和F2，两条前冲断层的倾角相近，在剖面上断层的根部和断端线也接近平齐。随后邻近F1根部位置向腹陆方向形成反冲断层F3（图3（g））。此时，上硅胶层之上的反冲断层F3在水平方向上长约3 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前5.26%处。当缩短率达到20%时，模型长约49 cm，F1 - F3的紧缩程度增加，而在远离它们的前陆，在上、下硅胶层上先后形成另外两条前冲断层F4和F5，上硅胶层之上F4的根部与下硅胶层之上F5的断端线位置相邻。随后在下硅胶层之上F2和F5之间的空白区域形成第三条前冲断层F6，并在F6和F5之间形成反冲断层F7。位于上、下硅胶层之间的四条逆断层，由左至右前冲断层F2、F6和F5基本等间距均匀分布，但竖直方向断层涉及的范围呈逐渐减少的趋势：F2上、下均切入硅胶层内，F6下部位于硅胶层内，上部硅胶层卷入较少，F5的上、下则基本没有硅胶层的卷入，反冲断层F7也基本只涉及石英砂层（图3（g））。此时，上硅胶层之上的反冲断层F3在水平方向上长约3 cm，位于靠近左侧推挤挡板的前6.12%处，下硅胶层之上的反冲断层F7在水平方向上长约2 cm，位于靠近推挤挡板的22.45%~26.53%处。

2.4 三滑脱面模型

模型M3d-1和M3d-2是设置了三滑脱面的模型，下滑脱面均设置于模型的底部，中、上滑脱面设置于模型中部，其中M3d-1中滑脱面选用两种不同材料，M3d-2中滑脱面材料均选用硅胶（图4）。

2.4.1 底部—中部三不同材料滑脱面模型

模型M3d-1长60 cm，厚6.1 cm，设置三层滑脱面，自下而上包括：0.3 cm硅胶、1.2 cm石英砂、0.2 cm硅胶、2.1 cm石英砂、0.2 cm玻璃珠和2.1 cm石英砂，实验中两挡板分阶段均匀推挤，两个主压应力夹角约为110°（文献［53］中模型 1-2）。实验结束后，垂直于第二阶段推挤方向、缩短率33%的剖面长约40 cm，其上可见三条反冲断层。结合实验过程中的观测资料和同一方向上与之平行的其他剖面可知，在早期阶段，率先在底部和中部硅胶层紧邻推挤挡板的位置形成两条前冲断层，其中底部硅胶层之上的F1向上扩展至中部滑脱面，与之相对地，中部滑脱面之上的F2向上传播穿过玻璃珠后到达模型表面，随后在底部和中部滑脱面之间、F1之下形成其分支前冲断层F3。后期形成三条反冲断层，第一条反冲断层F4形成于底部硅胶层之上、靠近模型的未变形端（前陆盆地）处，只产生较为轻微的位移；第二条反冲断层F5形成于中部硅胶层之上，其起始位置在竖直方向上基本与F4平齐，也较为靠近前陆，向上F5扩展至玻璃珠层并造成了玻璃珠层较大的位移，但并未完全切穿这一层，水平方向上，F5的长度是F4的三倍左右；第三条反冲断层F6形成于中部硅胶层，起点位于F5的下盘、中部硅胶层被F5扰动形成轻微挠曲处，F5沿硅胶层向腹陆扩展直至与早期的前冲断层F2相遇，并改造F2和附近的地层形成了相对紧闭的平卧或斜卧褶皱（图4（a））。此时，反冲断层F4在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的70.00% ~ 82.50%处，反冲断层F5在水平方向上长约12 cm，位于靠近推挤挡板的47.50% ~ 77.50%处，反冲断层F5在水平方向上长约21 cm，位于靠近推挤挡板的10.00% ~ 62.50%处。

2.4.2 底部—中部三硅胶滑脱面模型

模型M3d-2与模型M3d-1的设置类似，长60 cm，厚6.1 cm，不同之处在于三层滑脱面均为硅胶层，且两挡板同时推挤（文献［53］中模型 1-3）。实验结束后，垂直于单一推挤方向（与模型M3d-1所选择的剖面方向一致）、缩短率25%的剖面长约45 cm，其上可见三条反冲断层。结合实验过程中的观测资料和同一方向上与之平行的其他剖面可知，反冲断层F1可能是该剖面中最先形成的断层，起始于底部硅胶层，位于距推挤挡板存在一定距离处，向上扩展切穿中部硅胶层但并未到达上部硅胶层。随后在F1的下盘、自底部硅胶层后展式形成两条平行的小型前冲断层F2和F3，并且F2切过F1，使F1的上部沿其上盘发生位错，F3之上形成反冲断层F4，F2 - F4的断端点均在中部硅胶层附近，并未切穿。后期在稍远离F1 - F4、靠近前陆处，沿底部滑脱面、靠近F1起点处形成大型前冲断层F5，向上传播至上部硅胶层之上，在F5根部、向下靠近底部硅胶层的断坪-断坡拐折处，形成指向腹陆的反冲断层F6，F6向上切过中部硅胶层（图4（b））。由于反冲断层F1和前冲断层F5的起点邻近，且F1已被前冲断层F2切割，因此随着左侧挡板的进一步推挤、或者在与本剖面平行的其他剖面上，或可见早期反冲断层F1的下半段发生构造反转。此时，被截断的反冲断层F1两端在水平方向上总长约8 cm，位于靠近推挤挡板的6.67% ~ 24.44%处，反冲断层F4在水平方向上长约3 cm，位于靠近推挤挡板的2.22% ~ 8.88%处，反冲断层F6在水平方向上长约7 cm，位于靠近推挤挡板的28.89% ~ 44.44%处。

需要说明的是，上述两个三滑脱面模型中展示的剖面样式，是模型在经历了两个近直交方向的挤压后垂直于单一主压应力方向展现的样式，虽然仍可以较为清晰地展示垂直于主压应力方向的主体构造样式，但是非共轴构造叠加仍会对断层的位置和形态产生干扰。

2.5 四滑脱面模型

模型M4d-1，M4m-1和M4m-2是设置了四层滑脱面的模型，由于原始实验设计时，仅聚焦于顶面的变形，因此只采集并保留了俯视视角的数据。其中M4d-1的下硅胶层设置于模型底部，且四滑脱面材料均选用硅胶。M4m-1和M4m-2的四滑脱面置于模型中部，且四滑脱面分别选用硅胶和玻璃珠（图4）。

2.5.1 底部—中部四硅胶滑脱面模型

模型M4d-1长75 cm，厚5 cm，设置四层滑脱面，自下而上包括：0.2 cm硅胶、0.6 cm石英砂、0.3 cm硅胶、0.8 cm石英砂、0.5 cm硅胶、1 cm石英砂、0.3 cm硅胶和1.3 cm石英砂（文献［45］中模型 2）。为方便概念描述，自下而上分别定义为第一至第四硅胶层。缩短率达到9.5%时，模型长约68 cm，沿四层硅胶靠近左侧推挤挡板处，自下而上准同时形成了四条前冲断层F1 - F4，其中中间两条断层的长度基本一致，上、下两条稍短，且起自第一至第三硅胶层的F1 - F3向上均扩展至但未切穿第二至第四硅胶层，起自第四硅胶层的F4向上扩展至模型表层并形成明显的表层形变。随后在这四条前冲断层的前陆方向稍远处，自第一硅胶层形成指向腹陆的反冲断层F5，F5向上切穿第二并到达第三硅胶层，终止于靠近F2断端点处，在模型深部与F2共同形成小型冲起构造。冲起构造可能对F2 - F4剖面上的形迹造成了扰动，使它们在石英砂层内沿倾向发生一定程度的拐折（图4（c））。此时，反冲断层F5在水平方向上长约7 cm，位于靠近推挤挡板的11.76% ~ 22.06%处。随着挡板的进一步推挤，当缩短率达到25.1%时，模型长约57 cm，早期形成的F1 - F4均进一步扩展到第四硅胶层，其中F1在切穿第三硅胶层后与F2汇合并进一步向前陆大幅扩展，且在沿第四硅胶层滑动的过程中前展式向上形成两个小型上断坡（F2和F6）。而早期的反冲断层F5在这一过程中发生了构造反转，原始在断坪之上向腹陆滑动的上盘，在持续推挤之下反转为向前陆扩展，并沿第一硅胶层形成较为宽阔的下断坪，在竖直方向上对应于F6断端点的位置向上拐折为断坡，至达到第四硅胶层后再次拐折为上断坪（F7）。在断坡与上断坪的拐折点处形成反冲断层F8，切穿第四硅胶层并进一步扩展（图4（c））。此时，反冲断层F8在水平方向上长约5 cm，位于靠近推挤挡板的57.89% ~ 66.67%处，保留下来的原反冲断层F5指向腹陆的断坡在水平方向上长约4 cm，位于靠近推挤挡板的10.53% ~ 17.54%处。

2.5.2 底部—中部四不同材料滑脱面模型

模型M4m-1和M4m-2彼此是重复实验，但与前述模型不同，呈现的是实验推挤过程中模型顶部的构造样式，下述两个模型的变形时均为俯视图尺度相对位置的描述。两模型长60 cm，宽40 cm，厚4.6 cm，四滑脱面置于模型中部，自下而上定义为第一至第四滑脱面，包括：0.3 cm石英砂、0.2 cm硅胶（第一滑脱面）、0.5 cm石英砂、0.3 cm玻璃珠（第二滑脱面）、0.6 cm石英砂、0.5 cm第三滑脱面、0.9 cm石英砂、0.3 cm硅胶（第四滑脱面）和1 cm石英砂，其中0.5 cm厚的第三滑脱面在模型左侧35 cm和右侧25 cm分别采用硅胶和玻璃珠铺设（图4（d）-（f））。实验通过两块推挤挡板进行两阶段双向推挤：顶部俯视视角上，右侧挡板置于模型右边界下部30 cm，左上侧挡板放置于模型上边界左侧30 cm，并以10°与上边界斜交，当电机向下推挤模型上边界时，通过左上挡板后真实作用于模型内部主压应力方向发生转折，作用力也稍有减小，既实验模拟了相交约80°的两个主压应力方向。在推挤过程中，第一阶段两挡板同时推挤，第二阶段左上挡板停止推挤，仅保留右侧挡板推挤，模型上边界向下推挤2.8 cm，既垂直于左上活动挡板方向推挤约2.76 cm，两阶段右侧挡板共推挤13.3 cm，一阶段结束、左上挡板停止推挤时右侧挡板的推挤量约占总量的10%。需要说明的是，由于M4m-1和M4m-2两模型仅提供了顶部的构造样式，因此无法准确描述断层的空间位置，在描述左上挡板推挤形成的断层位置时，垂直于挡板中心做线段至模型的下边界，全线长约38 cm，以此线为标尺计算和讨论断层在模型表面的所在位置。此外，受控于右侧推挤挡板而形成的断层，在描述其位置时对标过右侧挡板中心并与之垂直的线段。同时，由于右侧挡板与第三滑脱面材料变化的界限平行，在描述早期阶段受控于右侧挡板的断层时，以推挤挡板所在位置为0%，分别以模型左边界和第三滑脱面物性变化处为100%，描述断层位置（图4（d））。

在第一阶段推挤结束、二阶段开始、右侧挡板累积推挤达5 cm后时（该方向缩短率约为8.33%），模型M4m-1受控于左上挡板的变形已固定，受控于右侧挡板的断层形迹在模型表面也较为清晰（文献［57］中模型 1）。率先形成的是受控于右侧挡板、模型表面构造迹线与之近平行的反冲断层F1，断层迹线在水平方向上大致位于右侧挡板和第三滑脱层物性变化处中间。随后在模型的左上，受控于该侧的推挤，自挡板至推挤方向依次形成三条反冲断层F2 - F4，三条断层在表面基本等距分布，在两挡板控制下的构造叠加处形成与F4相连但方向发生拐折的反冲断层F5。在F4和F5形成后，第一阶段推挤结束，二阶段推挤只保留右侧挡板的推挤，在F1和第三滑脱层物性变化处中间，形成前冲断层F6（图4（e））。此时，受控于右侧挡板的反冲断层F1，相对于模型的整体长度，位于靠近右侧挡板的20.00%处，相对于第三硅胶层物性变化处，位于靠近右侧挡板的55.00%处；受控于左上侧推挤挡板的反冲断层F2位于靠近左上挡板的5.33%处，F3位于靠近左上挡板的13.33%处，F4位于靠近左上挡板的26.67%处。

模型M4m-2是模型M4m-1的重复实验（文献［57］中模型 2）。第一阶段推挤结束时，左上挡板推挤约2.76 cm，右侧挡板推挤约1.3 cm，该方向缩短率约为2.12%。在这一阶段，受控于右侧挡板的变形率先在模型表面展露形迹，在紧邻挡板处形成前冲断层F1，更前缘F1和第三滑脱层物性变化处的中间位置，形成两条反冲断层F2和F3。F2和F3的中下段走向基本一致，并于F1平行，另一端两断层相遇后合并为一条断层，且走向发生近90°的拐折在靠近右侧挡板的上顶端处消失。随后受控于左上挡板形成反冲断层F4，F4在走向上可分为左、中、右三段，中段走向与挡板基本平行，中段两侧断层走向发生向挡板方向的大角度拐折。无论是左侧F4，还是右侧F2和F3合并后，都便显出沿走向明显拐折的断层形迹，很可能是由于挡板推挤造成了靠近挡板处物质的抬升，根据“V”字形法则判断，此时断层与坡面倾向一致，但断层面倾角小于坡形角，在视觉上形成了断层沿走向发生拐折的现象。此外，在F3和F4之间，形成了走向可能平行于两活动挡板夹角角平分线的小型前冲断层F5（图4（f））。此时，受控于右侧挡板的反冲断层F2，相对于模型的整体长度，位于靠近右侧挡板的17.04%处，相对于第三硅胶层物性变化处，位于靠近右侧挡板的42.19%处，反冲断层F3，相对于模型的整体长度，位于靠近右侧挡板的28.96%处，相对于第三硅胶层物性变化处，位于靠近右侧挡板的71.73%处；受控于左上侧推挤挡板的反冲断层F4位于靠近左上挡板的26.67%处。第二阶段只保留右侧挡板的推挤，推挤结束时右挡板总推挤量13.3 cm，该方向缩短率约为22.17%。此时受控于右侧挡板的大部分断层在模型表面已被推挤越过第三滑脱面的物性变化处：早期形成的F2和F3的下半段也逐渐合并为一条断层并就位于物性变化处在模型表层的相应位置，F5沿走向稍有扩展至与F4相连，且构造性质发生反转，并在其上盘形成分支断层F6。新生断层均受控于右侧推挤挡板并基本与之平行：前冲断层F7紧邻F3并位于其上盘，反冲断层F8位于更前缘，在沿走向传播的过程中向上切过第一阶段受控于左上挡板形成的F4并直达左上挡板，同时造成了F4在模型表面构造形迹的少量位错。在F8的下盘形成其次级的反冲断层F9，F9的左下端点位于F8和F4相交处与模型下边界的中间，右上端点位于F5与F7之间靠近第三滑脱面物性变化处。在F8上盘形成反冲断层F10，其长度和走向均与F9相近。F5、F9和F10的走向基本平行于两活动挡板夹角角平分线，可能对在这一区域双向构造叠加的响应。F10前缘形成反冲断层F11，F11的走向与F8平行，其下端点在模型下边界，上端点在水平方向上与F10的上端点平齐（图4（f））。此时，受控于右侧挡板，相对于模型的整体长度，反冲断层F2位于靠近右侧挡板的25.70%处，反冲断层F3位于靠近右侧挡板的27.84%处，反冲断层F8位于靠近右侧挡板的47.11%处，反冲断层F9位于靠近右侧挡板的44.97%处，反冲断层F10位于靠近右侧挡板的55.67%处，反冲断层F11位于靠近右侧挡板的59.96%处；受控于左上侧推挤挡板的反冲断层F4位于靠近左上挡板的26.67%处。

对比上述两个重复实验，在M4m-1变形后的俯视图中，左上侧自活动挡板向挡板的推挤方向依次呈现了三条几乎等间距的反冲断层；然而与之对应地，在M4m-2变形后的俯视图中，受控于同样的推挤挡板、推挤速度和推挤长度，在挡板的前缘只呈现出一条反冲断层。推挤出的反冲断层数量不同，但两次实验的设置一致因此具有可对比性，观察发现，尽管M4m-2只形成一条反冲断层，但是该断层沿走向的断层形迹可以近似看作M4m-1中三条反冲断层的包络线（图4（g）中的蓝线）。虽然M4m-1中F4右半段的位置更靠近前陆，但是这很可能是受到了F4右侧、加持于左上和右侧挡板所控制的构造域之间的F5的影响，若忽略这一影响，则M4m-2中的单条反冲断层可视为M4m-1中三条反冲断层在俯视视角上沿走向的包络线，其实际的位错量也有可能近似于三条反冲断层的累积位错量。

值得注意的是，上述两个在模型中部设置四层滑脱面的模型只展示了俯视视角的构造样式，故而无法清晰看到剖面上构造的形成和扩展情况，而俯视视角仅代表了模型表层，结合模型铺设中的四层硅胶及其本身的易滑脱性，可以推测在该模型深部、中部和浅层未至模型表面处应有更复杂的构造表现。

3 反冲断层在不同砂箱模型中的形成规律

以上针对反冲断层讨论的很多模型在地质事实中都可以找到相应的实例。如M1d-2中足够厚的滑脱层使得变形更易向前陆盆地内扩展，直至遇到刚性基底。这与西昆仑山前和田前陆冲断带的变形一直沿深部滑脱层向前深入塔里木盆地腹地，传播至麻扎塔格褶皱-逆冲带十分相似^［58］；再如M2m-2和M2m-3等双滑脱面模型中，在变形前缘的前冲断层上盘形成了小型反冲断层，与西南天山前陆褶皱-逆冲带的构造样式极为相似^［8］。因此，本文中针对反冲断层形成和演化的系统整理和归纳对于针对反冲断层的模型设计和进一步讨论反冲断层对整个挤压系统的调节和变形量的吸收等奠定了良好的基础。

然而，受实验材料和实验设置等方面的限制，仍有两点需要说明：（1）玻璃珠在砂箱实验中常用于模拟弱滑脱层，尤其在同时铺设硅胶和玻璃珠的模型中，后者起到的滑脱作用相对于硅胶层更不明显，穿过玻璃珠层，更多的变形是形成类似于劈理折射的倾角拐折的现象，而不是明显的断坡-断坪拐折或者阻挡构造向上扩展等；（2）各模型的底部挡板类似于少数模型中为模拟刚性基底而放置的泡沫板，起到了硬隔挡作用，虽然底部挡板与推挤之下模拟出的主压应力的方向是平行，但在很多底部未铺设滑脱面的模型中其上仍可以形成类似于下断坪的构造样式，既一定程度上双中部滑脱面模型和底部铺设滑脱面的三滑脱面模型形成的构造样式存在很多相似，具有一定的可对比性。

3.1 反冲断层与前冲断层的关系及对比

在不同滑脱面设置的模型中，断层的形成具有一定普遍规律：无滑脱面的模型M0-1^［36］第一条反冲断层形成于主前冲断层根部向上约四分之一处（图5（a））；单一滑脱面模型M1d-1^［36］中两条反冲断层形成于两条主前冲断层根部向上约三分之二和六分之一处（图5（b）），M1d-2^［36］中四条紧邻的反冲断层集中形成于主前冲断层的中部（图5（c））；双滑脱面模型M2m-1/2/3^［55］中两条反冲断层分别形成于一系列前冲断层中最靠近腹陆一条的根部，和主前冲断层下断坪-断坡拐折处（图5（d）-（f）），M2d-1^［36］中的两条反冲断层则形成于早于其形成的前冲断层的根部（图3（g））。上述模型的设置不同，但在实验早期均以前冲断层的形成为主要变形，而后期形成的不同尺度的反冲断层也几乎普遍形成于主前冲断层上盘（根部）。尤以M1d-2为例，该模型中早期形成了两条相邻的主前冲断层，随后在稍靠近腹陆一条的根部约四分之一处自下而上依次形成了两条相邻的反冲断层F3和F4，它们随着前冲断层的上盘一起向上运动，后期依旧按照自下至上的顺序，在前冲断层靠近根部、F3和F4的原始位置形成反冲断层F5和F6，并且四条反冲断层几乎等距分布（图2（c））。上述现象可能暗示了：反冲断层易先在前冲断层的根部附近形成并吸收变形量，若反冲断层随前冲断层的上盘整体上移，则新生反冲断层易在其上移前的原始位置，也就是上移后早期反冲断层的下盘形成；而当早期反冲断层不随前冲断层的上盘运动时，早期反冲断层的下盘不再有足够的空间，此时新生反冲断层大多位于其上盘。

同时，本文中选取梳理的是既形成了前冲断层也形成了反冲断层的模型，将这些模型中两个方向的逆断层作对比，会发现反冲断层的突破能力相对较弱。以M3d-1^［53］为例：前冲断层F2和反冲断层F5均发育在中部硅胶层之上，在它们进一步向上扩展的过程中，F2切穿了上部的玻璃珠层后已到达模型表层，而F5在遇到弱滑脱面玻璃珠以后使其发生了强烈的层内褶皱变形，但并未完全突破该层（图4（a））。在其他模型中，当反冲断层向上遇到强滑脱层硅胶时也很少突破硅胶层甚至使硅胶层发生明显的变形，最突出的表现是沿硅胶层发生倾角变化形成上断坪。同样在M3d-1中，晚期变形较为明显的反冲断层F6在石英砂层中遇到早期前冲断层F2时，没有将F2和石英砂切穿，而是使它们发生褶皱变形（图4（a））。因此，反冲断层表现出的突破能力相对于前冲断层明显较弱。其原因可能是：（1）大部分反冲断层作为（主）前冲断层的次级断层，分配吸收变形量等方面的能力本就相对较弱；（2）在单侧推挤且推挤方向上不存在明显阻挡的前提下，前冲断层上盘的运动方向与主压应力的构造极性（活动挡板的推挤方向）是一致的而反冲断层上盘的运动方向相对整体构造极性是相反或活动较弱的，因此前冲断层的构造表现更为明显。

3.2 反冲断层组合的扩展和演化

具有可对比性的模型M2m-4/5/6^［56］在二阶段右侧挡板不同拉伸速度的控制下，模拟出了与之相对应的反冲断层间距和密度（图3（d）-（f））。进一步观察可以发现，无论反冲断层的密度如何，最先形成的始终是最靠近模型中泡沫板（前陆方向）的一条，而后的新生断层位于其下盘，是向整个逆冲系统腹陆方向依次形成的后展式反冲断层。然而，另一套重复实验模型M4m-1/2^［57］虽然只展示了俯视视角，但无论是M4m-1中受控于左上挡板，自腹陆向前陆依次形成的F2、F3和F4，还是M4m-2中受控于右侧挡板，依次形成的F2、F3、F8、F10和F11（图4（e）-（f）），均表现出自腹陆向前陆前展式扩展的特征。上述两套模型展现出了几乎完全相反的反冲断层组合扩展方式，其主要原因可能在于空间限制。在表现出后展式扩展的模型中，反冲断层组合的下侧为帆布和模型装置的底板，右侧为用于模拟刚性基底的几乎不可变形泡沫板，二者起到硬隔挡作用，组合的上侧为一硅胶层，具有软隔挡的效果，这样的设置使得反冲断层形成后没有进一步向前扩展的空间，而是在其下盘继续形成新生断层，既后展式扩展。而在前展式扩展的模型中，除了反冲断层底部分层铺设的不同材料层以外，断层在水平和向上的方向上均不存在空间限制，这为断层向前和向上的扩展提供了空间基础，也就更易发生前展式扩展。

在个别情况下，即使没有充足前陆和顶部的空间限制，早期的变形也可能发生在靠近整个逆冲系统前缘的位置，如本文中描述的模型M1d-2^［36］，与之设置相似的M1d-1提供了可能的原因（图2（b）-（c））。实际上，包括M1d-1在内，本文描述的大部分模型的逆冲系统整体都呈现出前展式扩展的特征，但M1d-2的早期变形却率先形成在模型中部靠近前陆处，基本固定了整个系统变形前缘的大致位置。这一现象的主要原因在于滑脱面的厚度，模型M1d-2整体厚6 cm，而底部硅胶层厚2 cm，其他模型的厚度大致设置在4.5 ~ 6 cm，单一硅胶层厚在0.2 ~ 1 cm（表3），因此M1d-2是本文描述的模型中硅胶层最厚且单一硅胶层占比最高的一个。进一步将它与M1d-1对比，M1d-1整体厚6 cm，底部硅胶层厚1 cm，其他设置两模型一致。对比可知，当M1d-2的强滑脱面硅胶层足够厚时，可以为变形提供充足的向前陆传递的条件，直至遇到泡沫板（刚性基底）的硬隔挡才会转变为向上突破。在构造应力保持稳定的前提下，这样的突破也基本固定了逆冲系统变形的前缘，前缘位置靠近泡沫板阻挡处。

3.3 滑脱面对断层系统的影响

通过对砂箱构造物理模拟实验的梳理，我们发现在大多数情况下，反冲断层更易依托于前冲断层形成并吸收变形（前文3.1已详述）。在这样的前提下，滑脱面对断层形成和演化的影响是共同作用于前冲断层和反冲断层所组成的不同断层组合及断层系统的。如前文3.2中提及的软隔挡作用：将视角由反冲断层扩大到包含前冲和反冲断层的整个逆冲系统，可以发现：（1）布设有滑脱面的模型，如图6（a）-（c）在竖直方向上往往在起到软隔挡效果的滑脱面之下，断层的分布相较之上更为密集，但沿倾向的延伸情况稍差，其原因可能是滑脱面之下受到空间和载荷的影响，逆断层不易在竖直方向扩展，而以形成更多断层，或是在接触滑脱面以后沿倾向发生明显的倾角拐折，形成上断坪或顶板逆冲断层等方式吸收变形量；相对地，在滑脱面之上，在没有更多阻挡的情况下断层更易扩展，从而突破至模型表面或到达表面附近，并形成较为明显的表层形变。（2）在模型的前陆方向设置有硬隔挡泡沫板的模型（e.g.，图3（d）-（f）， M2m-4/5/6图6（d）-（e）， M1d-2、M2m-4），在泡沫板所属的层位早期变形往往发生在靠近泡沫板处，在主构造应力不再做出明显调整的情况下，该变形基本固定了这一水平层位变形的前缘。

除此之外，滑脱面除了以软隔挡的形式，影响断层的扩展方向和断层组合的扩张方式外，还会在变形过程中起到部分解耦的作用。在设置有滑脱面的模型中：模型M1m-1^［36］中前冲断层F1、F5和F9形成于中部硅胶层之上，按时间顺序在它们之间的F2 - F3和F6 - F7则形成于中部硅胶层之下（图7（a））；M2d-1^［36］中前冲断层F1和F4形成于中部硅胶层之上，按时间顺序在它们之间的F2、F5和F6则形成于中部硅胶层之下、底部硅胶层之上；M2m-3^［55］中虽然中部硅胶层之下的前冲断层整体形成了叠瓦扇，但它们也是与硅胶层之上的前冲断层交替形成的（图7（c））；同样地，M3d-1^［53］前冲断层发育较少，但仅有的三条前冲断层依旧是按照底部、中部、底部的顺序交替形成的（图7（e））。上述在中部设置有滑脱层的模型中，受到活动挡板的推挤，以前冲断层为代表的变形普遍是在滑脱面的上、下交替形成和扩展的。与前冲断层类似，在实验中反冲断层也普遍展现出于滑脱面上、下交替形成的特征。模型M1m-1^［36］中的两条反冲断层F4和F8先后分别形成于中部硅胶层之下和之上（图7（a））；M2m-2和M2d-1^{［36， 55］}中的反冲断层展示了相似的规律（图7（b）， （d））；M2m-3^［55］中早期反冲断层F3形成于中部硅胶层之下，虽然实验中期和晚期反冲断层均形成在硅胶层之上（图7（c）），但如上节所述，交替形成的前冲断层在硅胶层之下形成了叠瓦扇，使得此处几乎没有空间再吸收变形量，而是在载荷更小、竖直方向上空间更充裕的滑脱面之上继续发生变形。综上可知，在同一挤压背景下，滑脱面在一定程度上可以部分解耦其上、下的变形，竖直方向上传递的变形受到滑脱面的软隔挡而转为向前传递，造成了滑脱面上、下推挤速率和应力状态等的不一致，此时受到整体挤压构造应力的作用，为平衡滑脱面上下的状态，另一层会开始吸收更多的变形，如此交替，使得无论是前冲断层还是反冲断层，呈现出在被滑脱面软隔挡的不同层次内交替变形、递次前展式扩展特征。

值得注意的是，以上分析的前提是不同层位滑脱面之间具有一致或相近的物理性质。当滑脱面之间存在明显的能干性差异时，情况可能会有所不同。以前文中描述的M3d-1为例（图4（a）），该模型的中部、下部滑脱面均为硅胶层，而上部滑脱面以能干性相对稍强的玻璃珠铺设。当前冲断层F2和反冲断层F5延伸不硅胶层向上不断向模型的浅层扩展至玻璃珠层时，由于玻璃珠相对硅胶层能干性强，在此模型中并无法显示出软隔挡的作用，而是随着推挤作用的增强逐渐被突破并发生位错。

4 结论

基于对部分已发表的挤压型砂箱构造物理模拟中反冲断层的形成及扩展过程进行了梳理，本文得出以下主要认识：

（1）受方向统一的构造主压应力作用，反冲断层易在前冲断层的根部附近形成并吸收变形量，反冲断层随前冲断层的上盘整体上移后新生反冲断层易在早期反冲断层的下盘形成；而当早期反冲断层的下盘不再有足够的空间时新生反冲断层易形成于其上盘。

（2）空间因素对反冲断层组合的扩展方式起到了重要作用，当变形受到明显的空间阻挡，反冲断层多表现为在其下盘继续形成新生断层，以后展式扩展；当不存在明显的空间限制时，更易以前展式扩展。

（3）当滑脱面的滑脱能力强时，可以为变形提供充足的向前陆传递的条件，直至遇到阻挡才会改变变形传递的方向。

（4）在同一挤压背景下，滑脱面在一定程度上可以部分解耦其上、下的变形，使断层，呈现出在被滑脱面软隔挡的不同层次内交替变形、递次前展式扩展特征。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42202252)

新疆维吾尔自治区天山英才项目(2023TSYCCX0097)

国家重点研发计划项目(2022YFC3003700)