川东北地区构造上即处于上扬子板块北缘与南秦岭板块交接部位，亦处于米仓山构造带和大巴山构造带的叠加部位。其特殊的大地构造位置吸引了大量学者进行构造变形与演化的研究(魏显贵等，1997；杜思清等，1998；罗开平等，2003；刘树根等，2006)，研究者普遍认为米仓山山前发育3套构造层：下部为基底冲断构造，中部受控于震旦系和嘉陵江组—雷口坡组滑脱层，表现为被动顶板双重构造，上部呈现原地抬升的单斜构造(吴世祥等，2006a，2006b；李岩峰等，2008；吴磊等，2011；文竹等，2013)；还有学者认为米仓山山前东段构造主要受晚三叠世—早侏罗世、晚侏罗世—早白垩世两期构造事件影响(董树文等，2006；施炜等，2007；武红岭等，2009；张忠义等，2009；张岳桥等，2010)。低温热年代学证据则表明米仓山在早白垩世以及新生代晚期发生强烈隆升(雷永良等，2009；常远等，2010；田云涛等，2010)，而大巴山则表现为具有多期构造隆升，由山向盆地波动传递的特点(沈传波等，2007，2008；李瑞保等，2010；徐长海等，2010；Tian et al.，2012)。然而，通南巴背斜处于川东北地区，与两侧的米仓山和大巴山构造带具有重要的耦合关系，目前对其认识不够深入，缺乏细致的构造几何学、运动学定量研究与分析。本文以覆盖通南巴背斜的三维地震资料为基础，运用断层相关褶皱理论和平衡复原等方法，精细刻画出通南巴背斜几何学与运动学特征，并建立构造模型，探讨其成因机制。

断层与褶皱在变形过程中的相互作用是研究岩石构造变形几何学与运动学的关键，其理论基础主要包括经典的断层转折褶皱(Suppe，1983)、断层传播褶皱(Suppe and Medwedeff，1984，1990；Mitra，1990)、滑脱褶皱(Poblet and McClay，1996)以及褶皱调节断层(Dahlstrom，1970；Serra，1977；Mitra，2002)，其余分支如构造楔、叠瓦构造、三角剪切、干涉构造等均是在前3个理论上发展起来的。本文主要涉及构造楔以及褶皱调节断层两种类型。构造楔是指具有明显的两个断坡或者一个断坡一个滑脱层中的断层，在楔型体的顶端合并，组成一个楔形三角形，并且上下断层滑移吸收楔形体顶端位移，从而形成褶皱(Medwedeff，1989)；构造楔最主要的特征是上下断层同时形成并且同时发生相向的位移。而褶皱调节断层主要指在岩层褶皱过程中，其应力的变化被随后的次生断层调节，从而形成断层。

通南巴背斜发育于米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的构造叠合部位，构造格局上受盆地基底构造形态、龙门山冲断带应力向南东传递、米仓山冲断带向南构造抬升以及大巴山冲断带向南西构造推覆的联合影响(图 1)。通南巴背斜构造形迹整体为北东方向，构造走向与米仓山冲断带斜交，斜切角约为30°，表现为一狭长的凸起，并在以北东方向凸起为主体的基础上叠加北西向构造。构造单元上属于米仓山前陆盆地中前陆隆起的一部分(吴世祥等，2006a)。通南巴背斜早期受到北东东向米仓山造山带的控制，其北东段表现为复背斜以及叠加褶皱特征，表明后期受到南大巴山逆冲推覆带影响(董树文等，2006，2010；施炜等，2007；武红岭等，2009；张岳桥等，2010)。

图 1(Figure 1)

图 1 通南巴背斜区域地质概况图 Fig. 1 Regional tectonic map of Tongnanba anticline

通南巴地区沉积充填完整，在前震旦系结晶基底上发育震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系以及白垩系多套地层，沉积厚度超过10 000 m。其中，晚三叠世之前沉积环境为海相沉积，中三叠世以后转变为陆相沉积。通南巴构造带背斜轴部出露最老的地层为侏罗系上沙溪庙组，向斜最新地层为白垩系。根据前人对四川盆地北部不整合面研究(李启桂等，2010；文竹等，2012；武赛军等，2015)，米仓山前通南巴地区主要发育5个构造地层层序(图 2)，分别为：基底构造层、震旦系构造层、下古生界构造层、二叠系—中三叠统构造层和上三叠统—白垩系构造层。基底构造层以变质岩和侵入岩为特征，自晋宁运动和澄江运动后，基底固结基本完成，表明四川盆地北部开始进入稳定的台地发展阶段(汪泽成等，2002)；震旦系构造层是四川盆地铜湾运动的产物，导致了震旦系灯影组白云岩中发育大量溶蚀孔洞。下古生界构造层代表四川盆地进入稳定深水沉积时期，沉积了寒武系和志留系暗色泥岩。进入泥盆纪后，四川盆地整体抬升使米仓山前通南巴地区缺失泥盆系与石炭系，导致二叠系直接覆盖在志留系之上。二叠系—中三叠统构造层代表四川盆地北部进入相对稳定的海相沉积期，沉积了厚层中二叠统—中三叠统海相碳酸盐岩，是目前四川盆地北部主要的石油天然气产层(谢邦华等，2007)，上三叠统—白垩系构造层是印支运动的产物，四川盆地从此由海相转为陆相，海水全部退出四川盆地，露头上以上三叠统须家河组砂岩平行不整合覆盖在中三叠统雷口坡组白云岩之上。通南巴地区同时发育多套滑脱层，包括：前震旦系变质岩深部滑脱层、下寒武统泥岩滑脱层、志留系泥岩滑脱层、三叠系嘉陵江组膏岩滑脱层(膏盐层主要发育于嘉陵江组二段、四段、五段)(金之钧等，2006；李辛子等，2013)，这些滑脱层的发育影响了米仓山前通南巴地分层滑脱构造变形的格局。

图 2(Figure 2)

图 2 区域综合地层柱状图 Fig. 2 Regional stratigraphic column

通南巴背斜构造带轴长90～100 km左右，幅度为1 100～1 750 m。背斜受多期次、多方向构造叠加而成，并且表现为上下分层，东西分段特征。前人根据通南巴背斜构造圈闭样式以及断裂展布特征，将通南巴背斜构造带划分为南阳场断鼻构造、涪阳坝断块构造和黑池梁段背斜构造(罗开平等，2003；吴世祥等，2006a，2006b)。在此基础上，笔者结合地震剖面的褶皱形态以及深部断裂特征，将通南巴背斜构造带划分为西南段、中段以及东北段。

根据地表露头信息，通南巴背斜西南段核部出露上侏罗统蓬莱镇组，背斜浅表南翼地层约为18°，北翼地层约为14°，整体呈对称式背斜。从地震剖面上看，通南巴背斜形态规整(图 3a)，但通过轴面分析，我们发现背斜轴面分别终止于雷口坡组底部以及志留系底部，背斜的高点也相应地发生了两次迁移，表明背斜上、中、下构造层变形不一致，表现为多层滑脱变形特征(图 3b、图 3c)。钻井资料证实三叠系嘉陵江组膏盐层在研究区主要发育于二段(T₁j²)以及于四段—于五段(T₁j⁴-T₁j⁵)，岩性为硬石膏盐岩、砂屑白云岩以及灰岩互层。以三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层和志留系泥岩局部滑脱层为界，上部构造层表现为对称的隆状背斜，南北两翼地层倾角以及地层厚度基本保持一致，并且发育沿膏盐层滑脱的北西向反冲断层；中部构造层变现为近平顶状背斜，但南翼倾角相对更大；而下部构造层则表现为非对称的平顶箱状背斜，地层厚度顶薄翼厚，北翼宽缓，南翼陡窄并且发育一条逆冲断层，向上断入嘉陵江组地层，可能消失于嘉陵江组膏盐滑脱层中，向下则可能断开前震旦系地层。下部构造层的几何学形态往往与深部的断层几何学特征息息相关，通过分析下部构造层的背斜、向斜轴面的个数以及生成原因，认为深部构造楔的发育控制了下部构造层的几何学特征。该构造楔由F₁断裂和前震旦系滑脱层(充当反冲断层)相互连接组合楔形三角形，楔端点位于前翼向斜轴面的位置，位移由北西向南东传递。

图 3(Figure 3)

图 3 通南巴背斜西南段地震剖面解释结果(剖面位置见图1A-A′) Fig. 3 Seismic interpretation along southwest segment of Tongnanba anticline(see profile location A-A′ on Fig. 1)

通南巴背斜中段构造变形明显强于西南段，并且表现出典型的多层变形特征(图 4a)。同样受控于三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层和志留系泥岩局部滑脱层，上部构造层整体表现为地层北东倾的单斜形态，并且向南西方向逐渐变平。浅表地层倾角在6°～13°之间，后缘出露中三叠统沙溪庙组，前缘出露白垩系。受到三叠系嘉陵江组膏盐层的调节，中-下部构造层发育复背斜，北高，南低，褶皱幅度中等。在单个复背斜的前翼均发育断距较小的次级断层，但通过地震剖面无法确定断层上下端点的终止位置，可能向上终止于嘉陵江组膏盐层中，以及向下终止于构造楔拐点(图 4b与图 4c虚线部分)。同样根据轴面分析，解释出深部发育双构造楔，该双构造楔由F₁断层、 F₂断层以及前震旦系滑脱层(充当反冲断层)组成，两个构造楔的拐点分别控制了复背斜的两个背斜轴面，两个楔端点分别对应复背斜前翼的两个向斜轴面。

图 4(Figure 4)

图 4 通南巴背斜中段地震剖面解释结果(剖面位置见图1B-B′) Fig. 4 Seismic interpretation along middle segment of Tongnanba anticline(see profile location B-B′ on Fig. 1)

通南巴背斜构造带的东北段受到米仓山前缘基底逆冲推覆作用的影响，整体出现构造抬升现象，亦是通南巴构造带中构造隆升幅度最高的部位，同时又受到南大巴山西段挤压应力叠加改造的影响，导致东北段构造变形特征十分复杂(图 5a)。从地震反射剖面上看，东北段同样表现出明显的多层滑脱变形特征，上部构造层褶皱作用中等，地层相对连续，但沿三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层，仍发育较多由山向盆，由北西向南东的逆冲断层。中部构造层被北东向以及北西向断层大规模错断，断距近千米，褶皱强烈，同时在靠山的区域，膏岩层的构造增厚现象明显。而下部构造层反而表现出相对较弱的构造变形特征，通过轴面分析，解释出发育具有3个背斜高点的低幅度复背斜，以及两条发育与复背斜前翼的小断距断层。虽然变形复杂，但仔细分析轴面成因，同样可以解释出深部发育3个构造楔。其特征是由F₁、 F₂、 F₃前震旦系滑脱层(充当反冲断层)组成，形成具有3个楔端点的复合构造楔，每个构造楔的拐点对应复背斜的每个背斜高点，每个楔端点则对应复背斜每个前翼的向斜轴面。

图 5(Figure 5)

图 5 通南巴背斜东北段地震剖面解释结果(剖面位置见 图1C-C′) Fig. 5 Seismic interpretation along northeast segment of Tongnanba anticline(see profile location C-C′ on Fig. 1)

除主体北东向构造以外，通南巴背斜构造带还发育大规模的近东西向—北西向展布的构造，它们的形成受到大巴山弧形构造带向盆地推覆的直接影响(黄继钧，2000；罗寿兵等，2007；姜复东等，2008；樊靖宇等，2009)。因此，分析通南巴背斜北东—南西向的几何学特征具有重要意义，可以进一步认识大巴山构造带对通南巴背斜形成的影响。

结合地表地层与产状，钻井资料以及地震剖面信息，笔者选取三维测线中的一条过井的北东—南西向地震测线(图 6a)，对其进行精细的构造解释。纵向上，通南巴背斜表现为明显的多层滑脱特征，以三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层为界，受膏盐层的调节，以上岩层变形相对较弱，发育一系列次级褶皱以及一定数量的反冲断层，表现为被动变形特征。而以下的岩层则变形相对较强，在靠山的位置发育一系列以三叠系嘉陵江组膏盐层为顶板、志留系泥岩层为底板，以及以志留系泥岩层为顶板、下寒武统泥岩为底板的双重构造，致使膏盐层构造增厚(图 6b、图 6c)。下寒武统泥岩滑脱层以下的岩层则变形微弱，地层平整，仅受前震旦滑脱层影响而形成褶皱，且无断裂发育。横向上，通南巴背斜分段性特征明显可见，西南段褶皱幅度以及强度较小，仅在陈家坝地区发育“y”字型断裂。中段则发育一系列的次级小褶皱以及小规模的逆冲和中等规模的反冲断层。东北段变形最强烈，褶皱幅度大，大量断裂发育，表现出明显的叠加现象，后期大巴山西段近东西向应力构造叠加于早期米仓山东段近东西向应力之上，地表表现为构造轴线发生明显的变化，而地下则表现为明显的薄皮构造，中部构造层发育一系列双重构造和叠瓦构造，使地层明显加厚，并导致嘉陵江组以上地层被动变形褶皱。

图 6(Figure 6)

图 6 通南巴背斜北西向构造地震剖面解释结果(剖面位置见 图1 D-D′) Fig. 6 Seismic interpretation along NE trend of Tongnanba anticline(see profile location D-D′ on Fig. 1)

对覆盖背斜西南段、中段以及东北段骨干剖面以及联络线的上、中、下构造层分别进行平衡剖面复原，并计算每层的缩短量/率(表 1)，从垂直于背斜轴迹的剖面缩短率可以看出，北西—南东向整体的缩短率从西南段到中段再到东北段逐渐增大，以三叠系嘉陵江组膏盐层以上的上构造层为例，南段缩短量约在0.35 km(1.5％)左右，中段在0.73 km(3.1％)左右，而东北段达1.28 km(5.4％)。纵向上来看，不同构造层表现出不同的缩短率，除了L340测线，其余测线中部构造层的缩短率均大于上下两层，并且缩短率的差异越靠近东北段越大，这种现象的出现表明了多层滑脱变形特征。

表 1(Table 1)

表 1 通南巴背斜分层分段构造缩短量/率统计表Table 1 Tectonic shortening amount/rate of Tongnanba anticline across different structural layers and segments L340 L640 L1260 L1580 L2200 L2500 Trace710 上构造层 0.35 km (1.5％) 0.37 km (1.6％) 0.34 km (1.45％) 0.73 km (3.1％) 0.99 km (4.2％) 1.28 km (5.4％) 1.58～3.3 km (2.2％～4.6％) 中构造层 0.7 km (3.0％) 0.8 km (3.4％) 0.99 km (4.2％) 1.44 km (6.1％) 3.95 km (16.3％) 3.01 km (15.2％) 5.32～7.91 km (7.4％～11.0％) 下构造层 0.83 km (3.5％) 0.78 km (3.3％) 0.82 km (3.5％) 1.39 km (5.9％) 2.25 km (9.5％) 2.25 km (9.5％) 2.16～5.04 km (3.0％～7.0％) 三维骨干剖面(L)长度均为23.658 km， 联络线(Trace)为71.935 km

表 1 通南巴背斜分层分段构造缩短量/率统计表 Table 1 Tectonic shortening amount/rate of Tongnanba anticline across different structural layers and segments

断层相关褶皱以及褶皱相关断层理论(准确的说，褶皱调节断层应为“褶皱相关断层”理论的一部分)的提出至今已经得到深入的研究以及广泛的应用(卢华复等，2000；何登发等，2005；邬光辉等，2007)，然而在自然界中，岩层的褶皱过程很难受单一模型的影响，其褶皱变形往往伴随着其中两者，甚至三者的混合。

通南巴背斜主体构造形态便是构造楔与褶皱调节断层的混合。褶皱调节断层早在1916年在一篇研究滑脱褶皱的文章上被提出，随后很多学者都相继刻画出褶皱调节断层的特征(Douglas，1958；Dahlstrom，1970；Serra，1977)。褶皱调节断层的主要特征是具有较小的断距，通常褶皱调节断层在构造内部出现，很少与下部滑脱层连接(Mitra，2002)。这样的特征在通南巴背斜中、东北段清晰可见。褶皱调节断层有很多类型，包括背离向斜逆冲断层(out-of-syncline thrust)、指向背斜逆冲断层(into-anticline thrust)、楔入逆冲断层(wedge thrust)、前翼调节逆冲断层(forelimb accommodation thrust)、前翼调节剪切断层(forelimb shear thrust)、后翼逆冲断层(backlimb thrust)等。通南巴背斜主要为前翼调节逆冲断层的类型，其变形特征是前翼的不同地层在挤压过程中发生旋转，曲率的变化导致构造内部体积不守恒(二维上则表现为面积和层长不守恒)，不守恒问题则通过前翼小角度逆冲断层的发育得到解决(图 7)。

图 7(Figure 7)

图 7 前翼褶皱调节断层模型(据Mitra， 2002) Fig. 7 Model of forelimb fold-accommodation fault(from Mitra， 2002)

虽然通南巴背斜西南段、中段与东北段变形过程各有所异，但其运动学特征均表现出相似性。笔者以正演模型刻画出背斜运动的过程：首先F₁断层与滑脱层组成构造楔，滑脱层充当反冲断层，位移沿F₁断层向前传递，同时也沿反冲断层向后传递，楔端点沿滑脱层向前运动并且“楔开”地层，上覆岩层被动变形，形成背斜(图 8a、图 8b)，楔端点继续向前运动，背斜逐渐增大(图 8c)；之后，在第一个背斜的后翼，沿滑脱层又产生一条新的逆冲断层，且到达非活动轴面的位置开始发生转折，导致上覆地层褶皱变形，生成一个新的背斜轴面，断层转折后的产状与下伏断坡的产状大致相等，并且与第一个构造楔的反冲断层组成一个新的构造楔，此时的特点是前缘形成复背斜(图 8d)，具备两个背斜高点(图 8d中①与②)，复背斜的幅度、倾角等几何学特征受控于下伏构造楔的几何学特征；随后，挤压变形持续发生，受到前方刚性岩层的抵挡，位移无法继续向前传递，前翼向斜轴面固定，从而前翼旋转，导致前翼产生褶皱调节断层(图 8e、图 8f)。通南巴背斜西南段，中段与东北段分别发育的是单构造楔，双构造楔，以及三构造楔，对应发育单一背斜，复背斜以及具备3个高点的复背斜，在此正演模型中，笔者只给出发育两个构造楔的运动过程，如三构造楔情况，其运动过程的机制仍与此模型是一致的。

图 8(Figure 8)

图 8 通南巴背斜正演构造模型 Fig. 8 Forward Structural model of Tongnanba anticline

纵观研究区整体三维地震剖面，不难发现，通南巴背斜下部构造层前翼均发育断层(图 9)，似乎构造楔与断层传播褶皱模式都能够对其成因进行解释。但构造楔模型应变主要集中在构造楔内部，随着楔端点的不断向西南楔入，应变也会逐渐变大，但是位于构造楔上部的地层则是原地垂向抬升变形，应变微弱(图 10b)；断层传播褶皱应变主要集中在断层端点，在断层端点处形成三角剪切带，而背斜后翼应变相对较弱(图 10c)；同时通过对所有三维剖面的轴面分析，发现背斜所限定的轴面向下均终止于前震旦系滑脱面上，也就是构造楔的反冲断层上，而并非前翼的断层之上，表明背斜的成因并非受前翼断层控制，也就是非断层传播成因；最后，除了背斜西南段前翼断层的断距相对较大，且具备剪切特征，中段以及东北段前翼断层的断距都很小，并且这些断层均没有明显的迹象与上下的滑脱层相连。因此，综合这3个因素，合理解释通南巴背斜下部构造层成因应为构造楔模型以及褶皱前翼调节断层模型(图 11)，并且不同段发育不同个数的构造楔以及前翼调节断层。然而，根据已知的三维剖面，区内生产地层的发育并不明显，褶皱矢量法(Shaw et al.，1999)在该区剖面中也无法有效地应用，因此无法明确地判断构造楔的发育序列(前展式或后展式)。为了方便讨论，笔者在运动学模型中采用的是后展式的模型。

图 9(Figure 9)

图 9 通南巴背斜拟三维构造显示 Fig. 9 Pseudo three dimensional structure display of Tongnanba anticline

图 10(Figure 10)

图 10 通南巴背斜西南段构造应力特征 Fig. 10 Structure stress feature of the southwest segment of Tongnanba anticline

图 11(Figure 11)

图 11 通南巴背斜分段构造模型 Fig. 11 Structural model of Tongnanba anticline on different segment

虽然通南巴背斜下部构造层受控于构造楔以及褶皱调节断层的发育，特别是在西南段，构造楔以及褶皱调节断层甚至控制了整个背斜的几何学以及运动学特征，但在中段以及东北段，似乎构造楔以及褶皱调节断层的影响范围仅限于下部构造层，那么还有其它什么因素影响整个背斜的成因呢？根据三维地震剖面的构造特征分析，区内存在多套区域滑脱层：三叠系嘉陵江组二段、四段—五段膏盐滑脱层，志留系泥岩局部滑脱层，下寒武统泥岩滑脱层，以及前震旦系滑脱层。这些滑脱层的发育是控制背斜成因的另一个重要因素，导致整个通南巴背斜呈现分层变形特征。其中中-下寒武统泥岩滑脱层仅在东北段可见，可能由于该段受到剧烈的构造挤压，变形强烈，致使滑脱层在地震剖面上容易被识别，而在中段和西南段，由于变形强度相对较小，下寒武统泥岩与上、下地层统一变形，滑脱层作用几乎无法辨识，所以在中段和西南段，下寒武统泥岩是否充当滑脱层起到分层滑脱作用，还无法盖棺定论。

同时，前人把通南巴背斜形成的主要原因归结为北西—南东构造挤压阶段(J₂s—K)，米仓山向盆内一侧挤压，通南巴北北东向鼻状构造形成，以及北—西南构造改造阶段(E—Q)，大巴山向盆内逆冲推覆，横跨或叠加在早期北东和北东东向的构造上，使通南巴背斜复杂化，形成现今基本格局(董树文等，2006，2010；施炜等，2007；武红岭等，2009；张岳桥等，2010)。但具体的叠加方式，叠加影响范围认识不清楚。通过对北东—南西地震剖面的解释，笔者发现，通南巴背斜的构造叠加主要发生在背斜的东北段，而非前人理解的整个背斜发生叠加，而且叠加的区域集中在中部构造层，一系列的叠瓦和双重构造吸收了绝大部分的从南大巴山逆冲推覆而来的位移量，其余的较小的一部分位移量分配给了北西向，其断裂发育。同时构造叠加区域，志留系以下的下部构造变形十分的微弱，甚至没有明显的断层发育，表现出明显的薄皮构造，这与南大巴山构造变形特征一致。中部构造层叠瓦和双重构造的发育导致地层加厚，上部构造层被动褶皱变形，导致地表黑池梁构造高点的出现。

因此，通过综合讨论通南巴背斜的几何学和运动学特征，笔者认为通南巴背斜的成因至少受到以下3个方面因素的影响： 1)深部(前震旦系)构造楔和前翼褶皱调节断层的发育；2)多套滑脱层的发育和多层滑脱作用；3)主要集中在通南巴背斜东北段早晚两期的米仓山与南大巴山的叠加作用。

(1)深部(前震旦系)构造楔和前翼褶皱调节断层贯穿整个通南巴背斜。西南段、中段以及东北段依次发育一个、两个和3个构造楔。构造楔的几何学形态控制了通南巴背斜下部构造层的几何学特征。

(2)受控于三叠系嘉陵江组四段—五段膏盐滑脱层、志留系泥岩局部滑脱层以及前震旦系滑脱层，通南巴背斜分为上、中、下、深4套构造层，表现为多层滑脱变形特征。其中上部受膏盐调节，被动褶皱变形；下部受深部构造楔影响，变形相对较弱；而中部吸收最多的位移，构造变形最强烈，发育一系列次级褶皱和断层，局部可见双重构造。

(3)通南巴背斜晚期受到大巴山向西南推覆挤压的叠加作用，叠加作用主要发生在东北段。其中部构造层发育一系列双重构造和叠瓦构造，并导致上部构造层被动变形褶皱，而下构造层变形微弱。