吐哈大河沿地区断层演化规律与构造应力分析

2022-09-12

断层活动受构造应力的控制, 利用各种地质构造形变痕迹进行反推, 仍是确定构造应力方向时广为采用、较为准确的重要方法[1,2], 但需要以细致的野外工作为基础;同时要求盆内及周缘有良好的露头, 因此在盆地范围内开展工作时会受到很大限制。之后, 各位学者提出了通过断层活动研究构造应力, 李勤英等提出了用断层活动速率研究断层活动情况[3], 周宁丰等讨论了断层应力分析方法在应用上的局限性[4], 佟彦明等提出了通过平衡剖面确定构造应力的方法[5]。雷宝华对断层活动的方法进行了总结[6]。

吐哈盆地在大地构造格架中位于哈萨克斯坦板块的东南部, 处在哈萨克斯坦、西伯利亚和塔里木板块的拼贴交汇地带, 其演化发展与上述三大板块的作用息息相关。大河沿研究区位于吐哈盆地西北部, 区域构造位置位于台北凹陷、布尔加凸起和科牙依凹陷的交汇部位 (图1) , 是吐哈盆地构造最为复杂的地区, 受力复杂, 断褶构造极其发育。区块主要发育新近系、古近系、中下侏罗统、中上三叠统、中下二叠统和石炭系地层[7]。

1 断层平面展布

根据地震剖面解释的结果, 通过对大河沿研究区内9条地震剖面进行断层组合, 综合相关资料绘制了二叠系、三叠系、侏罗系、古近系的断层平面展布图, 如图2:

大河沿研究区内断裂十分复杂, 主要断层均为逆断层, 少量逆平移断层。这些断层主要受南北造山带等挤压应力作用而形成, 多为基底卷入的、多期继承性活动的逆冲断层。走向以近东西向、北东向和北西向为主 (图2) 。

二叠系共15条断层, 走向主要为近东西向和北东向, 主要分布在研究区南部和西部, 格局简单。三叠系共18条断层, 这一时期断层展布的最大特点是研究区北部断层出现, 增加了桃树园2、3、4号断层, 及其之间的小断层。这些新断层走向多为北东向和北西向, 树园2、3、4号主要断层为北东走向, 其余小断层为北西向, 推测受次一级剪切力而形成。侏罗系共18条断层, 除保留三叠纪主要断层格局外, 布尔加凸起上形成了近东西向的小断层。古近系共18条断层, 断层展布和特点与侏罗纪时期基本相似, 仅西部的个别小断层消失。

由断裂系统可以看出, 大河沿研究区总体处于变形剧烈的构造应力集中区, 总的构造主应力方向有南北向挤压力、北西—南东向挤压力, 北东—南西向力挤压力。

2 断层活动分析

断层活动分析有多种方法:生长指数法、古落差法、断层活动速率法、滑距法和断层位移—长度关系分析法等[6]。考虑到大河沿研究区位于西部挤压应力地区, 且剥蚀较为严重, 故采用古落差法进行统计。

每一时期的古落差即为该时期的断层活动量, 由断层活动量比时间跨度即为断层活动速率。由于研究区内全部缺失P1、T1、J3和K地层, 将二叠纪到第四纪分为以下五个时间段:P2-T1, T2-3, J-K, E, N-Q, 以研究区两条主要的断层为例进行分析:

2.1 科牙依4号断层

位于研究区西部, 是布尔加凸起与科牙依凹陷的边界, 东西—北东走向, 倾向南—南东, 延伸超过28km, 最大断距超过1300m, 倾角大于50°。断层上盘处于持续抬升状态, 仅在古近纪与新近纪少量沉积;断层下盘沉积相对完整, 缺失P1、T1、J2、J3和K。

该断层为晚海西期以来多期活动的断层, 从二叠纪开始活动, 三叠纪活动剧烈, 断层活动量达到1150m, 活动速率达32.86m/Ma, 侏罗纪断层活动减弱, 古近纪活动最弱, 到新近纪又开始剧烈活动, 甚至超过三叠纪, 断层活动量达到1100m, 活动速率达47.83m/Ma, 为喜山运动剧烈的造山活动所致 (表1) 。

2.2 桃树园3号断层

位于研究区北部, 树1井钻遇, 是卡拉图凸起与布尔加凸起的边界, 由东、西两段断层共同组成。西部分支为主要部分, 延伸长度达34km, 走向北东—南东—北东, 倾向北西—北东—北西;东部分支相对较小, 延伸9km, 走向南东, 倾向北东。最大断距超过1300m, 倾角大于60O。

该断层自印支期以来长期活动, 形成于三叠纪, 活动稳定且活动量小, 平均活动量在100m左右。断层东部分支比西部分支活动普遍剧烈, 尤其在新近纪断层活动量达到900m, 活动速率最大达39.13m/Ma (表2) 。

结合其余断层活动情况可以看出, 研究区内断层自晚海西期或印支期开始活动, 燕山期活动减弱, 早喜山期活动最弱, 到中、晚喜山期断层活动迅速增强, 活动量与活动速率均达到最大。

3 断裂演化规律

3.1 晚海西期, 大河沿地区受南北向挤压应力场及布尔加凸起隆升的影响, 应力主要集中在西部和东南部区域, 形成了一系列近东西向和北东向的断层, 东南部的布尔加2号及其伴生断层、西部的科牙依4、5、6号等断层都已经形成, 奠定了研究区内断裂系统的格架, 同时生成一系列小断层, 如布尔加5号、科牙依4号与科牙依6号断层之间的两条北北西向小断层, 还有布尔加2号及其两条伴生断层西部的两条北北东向小断层, 这4条小断层为南北挤压应力所诱导的次一级构造应力挤压剪切而形成。

3.2 印支期主要应力场由南北向转变为北西—南东向。一方面, 已经形成的断层继续活动发展, 如布尔加2号及其伴生断层, 科牙依4、5、6号断层继续活动。另一方面, 在研究区东北部形成新的断层, 主要有桃树园2、3、4号断层, 走向主要为北东向。

3.3 燕山期挤压应力减小, 再次变为南北向挤压力, 这一时期断层分布的最大特点就是布尔加凸起上近东西向的断层取代了南北向的断层开始活动。但由于应力减弱, 断层的活动也明显变弱, 如桃树园2、3、4号断层及科牙依4、5、6号断层虽然都在持续活动, 但活动量变小, 此外一些小断层停止了活动。

3.4 中晚喜山期断层的主要活动区域在研究区的东北部和南部。北东—南西向的强烈挤压力使桃树园3号、桃树园4号等断层再次明显的活动, 造成桃树园3号断层北部地层强烈抬升, 形成卡拉图凸起;另外, 南部的布尔加2号伴生Ⅰ、Ⅱ断层活动加强, 向西延伸, 形成断层的北西走向部分。此外研究区西部的小断层停止活动。

4 结语

4.1 大河沿研究区主要受南北挤压应力, 在不同时代表现有所差异。二叠纪研究区开始活动, 受南北向挤压应力;三叠纪应力场由南北向转变为北西—南东向, 构造活动相对平稳;侏罗纪继续受南北向挤压应力场作用, 构造活动小;古近纪构造活动最小;新近纪到第四纪受北东—南西向挤压应力, 构造活动剧烈, 达到最强。

4.2 晚海西运动奠定了研究区内部各构造单元的构造格局, 这次运动主要体现了“南强北弱”的特点;印支运动变为“南弱北强”的特点;早燕山运动整体较弱, 呈现出“西强东弱”的特点;晚喜山运动是大河沿研究区最为重要的一次挤压褶皱作用, 表现为使卡拉图凸起地层褶皱明显, 桃树园3号断层、布尔加2号等断层活动剧烈。

摘要：为明确大河沿研究区构造应力特征与规律, 通过对大河沿地区断裂系统的研究, 绘制了二叠系—古近系4幅断层平面展布图, 依据古落差法计算了主要断层的活动量与活动速率, 确定了大河沿研究区主要应力为南北向挤压应力, 二叠纪南北向挤压应力主要表现为在研究区南部和西部, 形成近东西向与北东向断层;三叠纪应力变为北西—南东挤压, 表现为已形成的断层继续活动和东北部形成新的近北东走向的断层;侏罗纪应力减小, 并变回南北向挤压力;古近纪活动十分微弱;新近纪北东—南西向挤压力最强, 使东部断层再次活动。

关键词：大河沿,断层活动,构造应力,演化规律