地質(zhì)與地球物理結(jié)合的褶皺逆沖帶研究地質(zhì)觀測、地震剖面和重力測量的綜合方法在前陸褶皺沖斷帶的應(yīng)用以天山北麓呼圖壁河剖面為例

地質(zhì)與地球物理結(jié)合的褶皺逆沖帶研究地質(zhì)觀測、地震剖面和重力測量的綜合方法在前陸褶皺沖斷帶的應(yīng)用以天山北麓呼圖壁河剖面為例

1對前陸盆地變形的地質(zhì)與地質(zhì)意義有一定的認(rèn)識,引起文化研究。首先,冠褶皺帶是研究造山帶特征和發(fā)展的關(guān)鍵（花卉，1986；蘭科托等人，2002；托茲等人，2006）。構(gòu)造部位不僅是變形最嚴(yán)重的區(qū)域，而且前陸褶皺帶的不同層通常記錄了造山帶的主要發(fā)展過程（劉鶴峰等人，1994年；burchfiel等人，1999；lacobe等人，2007；王楚忠等人，2007；尹等人，2010）。近30年來，前陸褶皺帶的構(gòu)造幾何和運(yùn)動學(xué)朝代的定量化研究和開發(fā)（suppe，1983；jamon，1987；suppetal，1990；shaw等人，2005；李本良等，2010），在許多早期的褶皺帶中使用了各種理論和分析方法（齊登發(fā)等人，2005a，2005b；貝隆德等人，2007；王新等人，2002；fuetal，2003；王新偉等人，2006；楊明輝等人，2006；dauel等人，2007；abu等人，2007；kerisk等人，2007；au搜索：基于地表的野外作業(yè)，2007；楊明輝等人，2007；dauel等人，2007；胡曼尼等人，2007；a型地下通道，2007；kerisk等人，2007；a型地下通道，2007；楊明輝等人，2006；結(jié)果表明，這些地震剖面主要是由印度支那半島的褶皺和斷裂引起的。另一方面，由于缺乏有效的地表資料，許多地下結(jié)構(gòu)是基于表面數(shù)據(jù)的推測。隨著這項研究的深入，尤其是石油勘探在中國西北部開展。地震反射剖面也被應(yīng)用于我國前陸褶皺剖面的研究（楊庚等人，1996；劉志紅等人，2000；陸華福等人，2001年；王新等人，2002年；fuetal。2003；王新偉等人，2005；楊明輝等人，2006；dauel等人，2007；2007；hu伯特人，2007；2007；管理徐等人，2007；2007；2007；山西南部的特征。這些結(jié)果表明，在地震學(xué)家的基本分類以及地震剖面的形成和發(fā)展（楊庚等人，1996；劉志。2新生代的麻黃帶和一種特殊的構(gòu)造模式天山東西連綿約2500km,寬約250~350km,其最高峰超過7000m.塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地分別位于其南北兩側(cè).現(xiàn)代的天山地貌通常被認(rèn)為是由兩個階段的造山作用形成:一是古生代復(fù)雜的板塊俯沖、碰撞和增生(Windleyetal.,1990;爦engue56eretal.,1993;Gaoetal.,1998;Xiaoetal.,2004;Charvetetal.,2007;Wangetal.,2007;Wangetal.,2010);二是中、新生代的天山再次活動(Burchfieletal.,1999;Avouacetal.,1993;Tapponnieretal.,1977).新生代天山抬升剝蝕的初始年齡據(jù)裂變徑跡的數(shù)據(jù)推測大約為23~24Ma(Hendrixetal.,1994;Dumitruetal.,2001),但是在15Ma及11Ma具有加速剝蝕和沉積(Heermanceetal.,2007;Charreauetal.,2008).大地測量數(shù)據(jù),例如GPS測量,表明位于烏魯木齊至烏蘇段橫穿整個天山的現(xiàn)代縮短量為~5mm/a(Reigberetal.,2001;Wangetal.,2001;牛之俊等2007).其中,主要的縮短量被天山南北兩側(cè)的褶皺和逆沖帶所吸收(Avouacetal.,1993;Burchfieletal.,1999).天山北側(cè)烏魯木齊至烏蘇一帶出露的褶皺形成三條褶皺帶,然而,這些褶皺并不連續(xù),單個背斜形成類似于穹隆褶皺的構(gòu)造(圖1).本研究區(qū)位于呼圖壁河附近區(qū)域,其中兩排褶皺在該區(qū)出露,北側(cè)為呼圖壁背斜,南側(cè)為齊古背斜.前者核部為第三系,伴隨北向逆沖斷層;后者核部為上侏羅統(tǒng)(圖2).沉積相研究及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示準(zhǔn)噶爾盆地南緣中、新生界地層均為陸相地層(Hendrixetal.,1992;新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993),但是天山基底為石炭系火山沉積巖或海相沉積巖,整個中、新生界地層的陸相碎屑的泥巖、砂巖和礫巖~10km厚,顯示了快速的沉積過程(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993).本研究集中在沿呼圖壁河的盆山結(jié)合帶及準(zhǔn)噶爾盆地南緣的變形區(qū)域(圖2).3呼圖河3.1巖石學(xué)和變形傳播呼圖壁河剖面大致沿著該河流從準(zhǔn)噶爾盆地向南延伸到北天山內(nèi)部(圖2).從天山流向盆地的河流切割剝蝕,提供了良好的地質(zhì)露頭.天山南側(cè)出露石炭系火山碎屑巖及海相沉積巖,地層向北逐漸變新,至盆地中僅出露新生代地層.研究區(qū)內(nèi)二疊系缺失,三疊系僅出露于天山內(nèi)部東側(cè)(圖2),它由礫巖及紅色的泥巖和砂巖組成.侏羅系的地層廣泛出露于天山北側(cè),由陸相的礫巖、砂巖和泥巖組成,其中所含煤層成為天山北緣煤礦的主要來源.白堊系地層由紫泥泉子組紫紅色砂巖、泥巖和東溝組厚層礫巖組成.新生界為含礫砂巖和泥巖,厚度約為4km,說明了快速的剝蝕和沉積速率.較為特別的是西域組,為一套磨圓和分選都較差的礫巖,其下的獨(dú)山子組砂巖和泥巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲饔蚪M的含礫砂巖及礫巖,該組礫巖的年齡起初存在爭議和不同的看法,最近的研究表明該組地層具有穿時的特征,區(qū)域上其底部年齡越往盆地方向越年輕,因此不可能代表一個構(gòu)造或者是一個氣候事件,相反它可能代表了天山北緣與向北傳遞楔形變形相關(guān)的礫巖(Charreauetal.,2009),變形向北的傳播過程中,與之相關(guān)的礫巖沉積向北越來越新.該礫巖出露于研究區(qū)北側(cè)吐古魯背斜的周緣及南側(cè)齊古背斜的北翼(圖2).吐古魯背斜在平面上顯示為一個具有東西長條狀的穹隆構(gòu)造,核部為第三系,兩翼邊緣為西域組,西域組也分布于該褶皺的東緣,證實了其穹窿構(gòu)造的特征,該褶皺在往東的呼圖壁河附近并沒有出露于地表(圖2).沿著呼圖壁河,首先出露的構(gòu)造是一組單斜的地層,這些地層較為連續(xù),從西域組一直到侏羅系,該套沉積巖層向北傾斜,形成了齊古背斜的北翼.齊古背斜的核部為上侏羅統(tǒng),核部有紅色齊古組泥巖和砂巖互層組成,而其南翼的傾角較緩(圖3),南翼與更南側(cè)的北傾地層組成一個寬緩的向斜(圖2).在剖面的南端,侏羅系地層不整合覆蓋在石炭系的基底之上,侏羅系的傾角較緩,而下覆石炭系砂巖具有直立的劈理,顯示了不同的巖石單元(圖4),這說明了侏羅系與山體基底的沉積接觸關(guān)系.3.2地表剖面位置及重力測量除地表的數(shù)據(jù)外,本研究也利用地球物理數(shù)據(jù)約束剖面的地下結(jié)構(gòu).石油地震剖面廣泛分布于準(zhǔn)噶爾盆地,獲得的原始地震剖面位于呼圖壁河北部盆地內(nèi)(圖2),但是盆山結(jié)合帶缺少數(shù)據(jù),因此,對于該剖面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同方法的約束,北側(cè)盆地中主要利用地震剖面,而南側(cè)采用了重力學(xué)的約束方法.原始地震剖面的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,其縱坐標(biāo)采用的是雙程走時,因此需要把時間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為深度坐標(biāo).利用了Matlab處理圖像的功能,編寫程序處理地震位圖(附圖1),該程序先計算該剖面深度與雙程走時之間的對應(yīng)關(guān)系,得出兩者之間的關(guān)系式.通過該關(guān)系式可以計算剖面圖像中每一個點的對應(yīng)深度,因此,相當(dāng)于圖像的橫坐標(biāo)不變,縱坐標(biāo)拖拽到相應(yīng)的深度位置.通過計算和圖像處理,得到以深度為縱坐標(biāo)的地震反射剖面,圖5中顯示的是以深度為縱坐標(biāo)的同相軸剖面圖,利用地表測量得到構(gòu)造數(shù)據(jù)、1∶20萬地質(zhì)圖及鉆井分層數(shù)據(jù),可以很好地約束呼圖壁河剖面盆地內(nèi)的深部結(jié)構(gòu),它顯示了該剖面最北側(cè)變形較弱,地層具有較寬緩的褶皺,變形較為強(qiáng)烈的區(qū)域在吐古魯背斜,斷層發(fā)育在背斜的核部,具有約百米寬的斷裂帶,斷層北側(cè)的地層產(chǎn)狀基本水平,南側(cè)地層南傾約30°,該結(jié)構(gòu)與斷層彎曲褶皺具有類似的特征(Suppe,1983),其上部的斷坡部分可能已被剝蝕.吐古魯背斜的南翼根據(jù)地震剖面顯示了一個向斜構(gòu)造,向斜翼間角較為寬緩.呼圖壁河剖面南部的構(gòu)造形態(tài)通過地表的觀測約束,所測量的地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)顯示齊古背斜的北翼陡而南翼緩,這種不對稱褶皺顯示了北向逆沖的極性,由于地表沒有觀測到斷層,推測是古生界基底的斷裂向上延伸而在蓋層中形成褶皺,但是南側(cè)的深部結(jié)構(gòu)缺乏地震剖面的數(shù)據(jù).為了系統(tǒng)地研究天山北緣與準(zhǔn)噶爾盆地接觸耦合地帶的深部結(jié)構(gòu)特征與構(gòu)造演化歷史,在研究區(qū)布設(shè)了一條近NE-SW向的高精度重力位場測量剖面.該剖面自南西向北東方向跨越了齊古背斜與吐谷魯背斜等地質(zhì)構(gòu)造單元,全長約70km,沿剖面布設(shè)了約100個高精度重力測點,平均點距為700m.所有測點采用CG-5高精度重力儀進(jìn)行三次重復(fù)觀測,重力測量誤差在0.005mGal以內(nèi).在每一個重力測點均采用Magellen移動式GPS機(jī)進(jìn)行不小于1min的靜態(tài)觀測,并對所測得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行后期差分處理以保證高程誤差小于20cm.對在野外測得的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了正常場改正、高度改正、中間層改正與地形改正,得到了測點的布格異常重力值(圖6a).其中,中間層改正利用公式(1)進(jìn)行:地形改正由兩部分組成,其中0~50m范圍內(nèi)的近區(qū)地改由野外結(jié)合地形圖估計的10個扇形區(qū)域組成,每一個扇形區(qū)域的平均值對應(yīng)需要校正的布格異常值(Hammer,1939);50~167km的中、遠(yuǎn)區(qū)地形改正根據(jù)SRTM數(shù)據(jù)(90m精度)在Geosoft軟件中利用地改模塊計算獲得(Marteletetal.,2002).由圖6可見,剖面沿線的布格重力異常形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的變化特征.在測線北段的準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部,布格重力異常曲線變化平緩,在-120~-125mGal范圍內(nèi)小幅度波動.自準(zhǔn)噶爾盆地南緣至齊古背斜北側(cè),布格重力異常由-125mGal陡降至-142mGal,之后向南又逐漸增高至-118mGal.在天山山系北部地域,布格重力異常值由-118mGal向南逐步下降,在剖面南段降至-136mGal,且其形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的高頻抖動特征.3.3層序密度和波速為了獲得該研究剖面區(qū)域的密度結(jié)構(gòu)特征,利用已知的速度與密度關(guān)系的經(jīng)驗公式(2)把已有的速度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為初始密度結(jié)構(gòu)模型(Gardneretal.,1974):地震P波的波速來自于鉆孔中的原位測量(表1).從上至下,第四系的沉積物由松散的礫巖和砂巖組成(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993),這一層并沒有波速資料,但是早期的重力區(qū)域調(diào)查顯示該層的平均密度為2.0g/cm３(江遠(yuǎn)達(dá),1983).位于第四系和新近系交界處的西域組由礫巖組成,礫石主要由古生代巖石組成,由于孔隙度的原因,其密度值應(yīng)該比基底巖石的密度小,利用密度2.4與2.5g/cm３都進(jìn)行了正演模擬的嘗試,使用2.4g/cm3時,重力模擬在盆地內(nèi)部很難擬合,采用平均值2.5g/cm3時,盆地中的模擬很容易擬合,因此采用了后者.古近系與新近系地層很相似,都是泥巖和砂巖互層,夾礫巖,根據(jù)波速計算結(jié)果,將其合并取平均值為2.4g/cm3.白堊系東溝組主要由礫巖組成,固結(jié)較好,計算的密度值為2.57g/cm3.吐古魯組由泥巖夾砂巖組成,波速計算得出的密度值為2.5g/cm3.中、上侏羅統(tǒng)具有相似的砂巖組成,將其合并,密度值為2.51g/cm3.下侏羅統(tǒng)為砂巖夾礫巖(Chenetal.,2011),密度為2.54g/cm3.三疊系地層出露并不完整,由礫巖和紅色泥巖組成,平均密度值為2.55g/cm3.根據(jù)波速值推算、本研究的實驗室測量和前人研究(江遠(yuǎn)達(dá),1983;左龍憑等,1999),天山基地的的密度值采用2.6g/cm3.總體上,用于重力模擬的密度值與P波速度及前人研究結(jié)果一致.在此基礎(chǔ)上,沿著呼圖壁河剖面,地層的密度作為已知值,密度界面的幾何結(jié)構(gòu)作為變量,利用Geosoft-GMSYS人機(jī)交互式軟件模擬和擬合.深部結(jié)構(gòu)的邊界條件根據(jù)前人地震反射剖面,研究區(qū)內(nèi)存在兩條深反射剖面,一是沿著天山中段的瑪納斯河剖面(Wangetal.,2004),二是天山西段的奎屯河剖面(Zhaoetal.,2003),本研究選擇離呼圖壁河剖面約50km的瑪納斯剖面的深部數(shù)據(jù)(Wangetal.,2004).剖面北部的吐古魯背斜顯示了明顯的重力負(fù)異常,這是由于較重的西域組的缺失.向南重力異常值降低,可能是區(qū)域重力作用和沉積層厚度的變化.南側(cè)齊古背斜顯示出正異常值,而且向南增大,這主要受基底-沉積蓋層界面向南不斷變淺的影響,在天山內(nèi)部,重力值向南變小,這主要受到區(qū)域重力異常的控制,例如莫霍面的變化.山體內(nèi)部的重力異常值不是太平滑,可能是由于地形陡峭的影響.結(jié)合地表構(gòu)造觀測、地震反射剖面、重力測量和鉆井資料,得到一條綜合地質(zhì)剖面(圖7a).從地震反射剖面可以看出,齊古背斜南翼的下方具有產(chǎn)狀較陡的反射面,此反射面與向斜不協(xié)調(diào),在此將其解釋為一斷坡,該斷坡無法直接向上延伸,與上覆地層形成斷彎褶皺.其北側(cè)斷坡通過平行于地層的斷坪,可以連接吐古魯背斜核部的斷層,從而形成斷坡-斷坪-斷坡的經(jīng)典構(gòu)造(圖7a).將該剖面利用軟件將其恢復(fù)成原始水平狀態(tài),首先根據(jù)斷裂分成不同的部分,然后利用斜剪切技術(shù)將各個部分的褶皺展平,最后將各個部分拼接(附圖2).結(jié)果顯示該剖面是一條平衡剖面(圖7b).此外,通過比較原始剖面和平衡后的剖面,可以計算呼圖壁河剖面的縮短量,其主要變形位于吐古魯背斜和齊古背斜,縮短量為4.8km,整個剖面長67.8km,縮短率約為7%(圖7b).4逆沖斷層和南翼地層本研究通過地表觀測,地震剖面和重力測量約束了呼圖壁河剖面的幾何結(jié)構(gòu).地震剖面的解釋和時-深轉(zhuǎn)換都具有較為可靠的實際速度數(shù)據(jù)約束,地震剖面解釋結(jié)合地表構(gòu)造觀測數(shù)據(jù)和鉆井?dāng)?shù)據(jù),很好地約束了剖面盆地部分的幾何結(jié)構(gòu),利用構(gòu)造觀測和重力剖面較好地約束了南側(cè)盆山結(jié)合帶的地質(zhì)結(jié)構(gòu).重力測量及模擬通過多方面保證其可靠性,首先是精確的野外重力測量,每個測量點都具有三次測量值,兩者間的誤差均小于0.005mGal;其次DGPS測量保證了空間位置上的精確,地震反射得到的莫霍面結(jié)構(gòu)除去了最為重要的區(qū)域重力異常(Wangetal.,2004).瑪納斯河位于呼圖壁河西~50km,本文認(rèn)為兩者有相同的深部特征,因為天山及兩側(cè)盆地的構(gòu)造線為近東西向(Avouacetal.,1993),所以沿著東西向的構(gòu)造變化較小.該重力剖面的南側(cè)數(shù)據(jù)較為分散,可能是由于地形陡峭和淺部地質(zhì)體密度高頻變化所致,這指示在復(fù)雜山體中需要更為準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)和詳細(xì)的工作.該剖面的構(gòu)造主要由吐古魯背斜和齊古背斜組成.吐古魯背斜的結(jié)構(gòu)具有東西向不均一性,吐古魯背斜中段核部出露地表,并伴隨著逆沖斷層和陡立的第三紀(jì)地層,逆沖斷層在前人研究中被解釋為一個近似的斷展褶皺(見Burchfiel等(1999)中的圖6),然而在該背斜東側(cè)的地表和地下數(shù)據(jù)顯示,該背斜的變形向東側(cè)變?nèi)?在地表并沒有出露,地震數(shù)據(jù)顯示該區(qū)地層產(chǎn)狀較緩,該褶皺核部的斷層通過斷坪與深部切割基底的斷坡相連接.吐古魯背斜向南以一個寬緩的向斜與齊古背斜連接,齊古背斜是一個不對稱褶皺,說明了核部存在隱伏的南傾斷層,該背斜的南翼地層以角度不整合覆蓋在古生界基底之上(圖7).Avouac等(1993)在該區(qū)提出兩種可能的變形模式:一是齊古背斜之下存在復(fù)雜的雙沖構(gòu)造;二是變形量較小的單一逆沖斷層,然而在本研究和前人的研究中并不存在能夠平衡該強(qiáng)烈擠壓變形的反沖構(gòu)造,因此,較為合理的解釋是變形量較小的基底斷層導(dǎo)致蓋層的褶皺(圖7).本研究顯示天山北緣的侏羅系地層可以從準(zhǔn)噶爾盆地中連續(xù)過渡到天山內(nèi)部,天山與準(zhǔn)噶爾盆地的接觸帶具有多樣性的特征,不僅具有天山基底逆沖到準(zhǔn)噶爾盆地之上的構(gòu)造特征,例如金鉤河、奎屯河附近(Charreauetal.,2008;Lietal.,2009),也存在本研究顯示的沉積蓋層以不整合覆蓋在天山基底之上的沉積接觸特征.因此,傳統(tǒng)意義上的天山北側(cè)并不存在連續(xù)的天山北緣斷裂.利用本研究所得到的4.8km的縮短量,計算得出整條剖面的縮短率約為7%,按照霍爾果斯生長地層的年齡大約開始于10Ma(Charreauetal.,2008,2009),即新生代天山變形向盆地內(nèi)傳播的年齡,得到縮短速率為0.48mm/a,這與通過現(xiàn)代GPS測量的橫跨天山的速率~1mm/a(牛之俊等,2007)吻合,因為天山一部分的縮短量被天山內(nèi)部及南側(cè)所吸收.對比天山北緣其他剖面的研究,例如金鉤河剖面,其縮短量至少約為10km(Charreauetal.,2008;Lietal.,2011),這說明了天山北緣不僅盆山結(jié)合帶存在構(gòu)造的多樣性,