新疆吉木薩爾大龍口背斜核部露頭構(gòu)造樣式研究

路 成，李曉劍，路順行，劉德智，賈凡建

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046;2.中國(guó)石化勝利油田分公司西部新區(qū)研究院，山東 東營(yíng) 257022)

0 引言

構(gòu)造樣式的研究具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用，如在大地構(gòu)造學(xué)中應(yīng)用構(gòu)造樣式可以區(qū)分盆地類型(劉和甫，1995;賈承造等，2014)，在中小尺度“狹義”構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用構(gòu)造樣式可以劃分構(gòu)造圈閉類型等(何發(fā)岐等，1995)，特別是在山前帶，由于地面條件復(fù)雜和地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致地震資料品質(zhì)差，因此地震資料處理和解釋必須依托構(gòu)造樣式的指導(dǎo)(楊云嶺，2003;宋桂橋等，2012;王華忠等，2013)。

前人對(duì)于構(gòu)造樣式的研究非常重視，取得了大量成果。但對(duì)構(gòu)造樣式的研究，一是大部分集中于含油氣盆地的地震資料的解釋(劉和甫，1993;馮建輝等，2000;夏斌等，2006;楊克繩，2009;李丕龍等，2010)，針對(duì)野外地質(zhì)露頭較少的問題;二是主要著眼于大中尺度(幾千米，甚至更大)的構(gòu)造樣式(肖志明，1991;蔡學(xué)林等，1992;溫聲明等，2006;黃學(xué)猛等，2009;范迪富等，2011)，中小尺度(幾百米，甚至更小)的很少。小型構(gòu)造在許多細(xì)節(jié)上是大型構(gòu)造的天然模型，是研究區(qū)域構(gòu)造的基礎(chǔ)(宋鴻林，2001)。

新疆吉木薩爾大龍口二疊系—三疊系露頭剖面作為該區(qū)的典型剖面，前人開展了大量地層方面的研究(李永安等，2003;龐其清等，2004)，但是構(gòu)造方面的研究資料較少。該剖面的中段為大龍口背斜的核部區(qū)，露頭構(gòu)造現(xiàn)象特征清晰，是針對(duì)野外地質(zhì)露頭研究中小尺度構(gòu)造樣式的理想場(chǎng)所。為此，本次研究就大龍口背斜核部露頭的構(gòu)造特征和構(gòu)造樣式進(jìn)行重點(diǎn)剖析。

1 地質(zhì)背景

大龍口背斜地理上位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州吉木薩爾縣三臺(tái)鎮(zhèn)轄區(qū)，大龍口二疊系—三疊系露頭剖面位于三臺(tái)鎮(zhèn)大龍口溝和東大溝中，背斜核部位于喇嘛昭村與大龍口水庫(kù)之間。

大龍口背斜構(gòu)造上位于準(zhǔn)噶爾盆地東南緣、天山造山帶博格達(dá)山前沖斷帶大龍口地區(qū)(圖1a)。露頭剖面的背斜核部位于中二疊統(tǒng)蘆草溝組之中，背斜兩翼地層從中二疊統(tǒng)蘆草溝組依次過渡到上二疊統(tǒng)和中生界三疊系，均為連續(xù)沉積的砂泥巖剖面。背斜核部的南部發(fā)育有1條逆斷層——大黃山斷裂。研究區(qū)處于背斜核部(圖1 b、c)，卷入變形的地層為中二疊統(tǒng)蘆草溝組，巖性主要為灰色、深灰色泥頁巖夾薄層灰色粉細(xì)砂巖。該露頭點(diǎn)出露良好、構(gòu)造現(xiàn)象發(fā)育(圖2a)，是開展露頭構(gòu)造研究的絕佳地點(diǎn)。

圖1 大龍口背斜核部露頭位置圖(a)區(qū)域構(gòu)造位置圖;(b)大龍口地區(qū)地質(zhì)圖;(c)大龍口背斜地質(zhì)剖面圖Fig.1 Location map showing outcrop of the Dalongkou anticline core(a)Regional tectonic map;(b)Geological map of the Dalongkou area;(c)Geological profile of the Dalongkou anticline

2 構(gòu)造特征分析

2.1 不同巖性地層的構(gòu)造變形差異性

圖2是大龍口背斜核部的構(gòu)造特征剖面。其中，圖2a為野外露頭照片，其淺色部分為砂巖，深色部分為泥頁巖;圖2b是露頭對(duì)應(yīng)的地質(zhì)剖面圖;圖2c、圖2d分別為北部和南部的局部放大素描圖。從圖中可以看到，在同樣的應(yīng)力作用下，以砂巖為主的地層(即強(qiáng)硬層或稱強(qiáng)干層)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，而以泥頁巖為主的地層(即軟弱層或稱非強(qiáng)干層)變形明顯復(fù)雜，發(fā)生了強(qiáng)烈褶曲，使巖石的原始層理已經(jīng)難以識(shí)別(圖 3a、b)。

2.2 軟弱層構(gòu)造變形的不穩(wěn)定性

大龍口背斜核部露頭剖面上，在泥頁巖發(fā)育的剖面南端，西坡地層整體北傾，巖層變形不強(qiáng)，而其對(duì)面的東坡地層則整體近于直立，發(fā)生強(qiáng)烈褶曲(圖3c、d)。二者并不是一般認(rèn)為的簡(jiǎn)單對(duì)稱關(guān)系，充分體現(xiàn)了軟弱層發(fā)育區(qū)構(gòu)造樣式不穩(wěn)定、變化快的特征。這2個(gè)特征表明，在相同應(yīng)力作用下，強(qiáng)硬層不易發(fā)生變形，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單;而軟弱層抵抗外力能力較差、不穩(wěn)定，變形往往比較復(fù)雜，構(gòu)造樣式變化快。

2.3 褶皺相關(guān)斷層與調(diào)節(jié)構(gòu)造發(fā)育

大龍口背斜核部露頭剖面上，褶皺相關(guān)斷層(鄔光輝等，2007;鄧洪菱等，2009;De Sitter，1964;Mitra，2002;)與調(diào)節(jié)構(gòu)造(孟憲剛，1997;熊偉，2005;孫思敏，2007;王有智等，2009;勞海港等，2010)發(fā)育，并具有其特殊性。在背斜的北翼，由于砂巖條帶發(fā)育，變形以脆性破裂為主(圖4a)。斷層逆沖方向與褶皺擠壓方向一致，并且斷距十分有限，應(yīng)該是地層褶皺時(shí)形成的次級(jí)調(diào)節(jié)性斷層，屬于褶皺相關(guān)斷層。斷塊自翼部向核部層層楔入，形成一種獨(dú)特的構(gòu)造樣式。這一現(xiàn)象說明，當(dāng)?shù)貙邮艿綌D壓應(yīng)力發(fā)生褶皺時(shí)，如果兩翼巖層能干性較強(qiáng)，可以在遞進(jìn)變形過程中發(fā)育由兩翼向核部沖斷、規(guī)模有限的逆沖斷層來調(diào)節(jié)整體變形。

圖2 大龍口背斜核部構(gòu)造剖面圖Fig.2 Geological profiles showing structures of the Dalongkou anticline core

在背斜的核部，發(fā)育1對(duì)背沖斷層，斷層的公共盤被向上推舉“彈出”(圖4b)。其中斷層F1將次級(jí)背斜錯(cuò)段，斷距較小，推斷該背沖構(gòu)造屬于主體褶皺演化后期的產(chǎn)物，不同于一般意義上的“沖起構(gòu)造”，形成一種獨(dú)特的構(gòu)造樣式。

在剖面中還可以見到“背斜馱向斜”的不協(xié)調(diào)構(gòu)造現(xiàn)象(圖4b)。上部的向斜和下部的背斜都以砂巖為主，地層整體彎曲，二者形態(tài)完整且互不影響。而夾于其間的泥頁巖層段則強(qiáng)烈揉皺，局部發(fā)育了柔流構(gòu)造，地層有明顯的減薄、增厚現(xiàn)象，說明軟弱巖層在變形中發(fā)生了塑性流動(dòng)。

3 構(gòu)造樣式與發(fā)育模式

構(gòu)造樣式的概念內(nèi)涵豐富，很多學(xué)者在使用這個(gè)術(shù)語時(shí)較隨意。到目前為止，學(xué)界還沒有對(duì)構(gòu)造樣式進(jìn)行系統(tǒng)分類研究。一般來說，不同的學(xué)者會(huì)依據(jù)所研究對(duì)象——地質(zhì)體的規(guī)模和特點(diǎn)進(jìn)行不同的分類。如有的學(xué)者根據(jù)地球動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造變形特征劃分為伸展構(gòu)造樣式、壓縮構(gòu)造樣式、走滑構(gòu)造樣式和反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式(劉和甫，1993;何發(fā)岐等，1995);有的學(xué)者在研究盆地構(gòu)造樣式時(shí)，按照盆地基底是否卷入劃分為基底卷入型和蓋層滑脫型兩大類(胡望水等，2002)等。這樣的分類應(yīng)該屬于構(gòu)造樣式的一級(jí)分類，每一類別的構(gòu)造樣式花樣繁多，多數(shù)沒有固定的名稱、幾何形態(tài)和發(fā)育模式。然而，按照形成機(jī)制的因果關(guān)系和主從關(guān)系劃分的“斷層相關(guān)褶皺”(Suppe，1983，1985，1990，1992;Mitra，1990，2003)和“褶皺相關(guān)斷層”構(gòu)造深化、細(xì)化了這個(gè)問題。從上述大龍口背斜核部露頭的構(gòu)造特征來看，大龍口背斜核部發(fā)育的是“褶皺相關(guān)斷層”構(gòu)造，主要有3種構(gòu)造樣式類型。

圖3 大龍口背斜核部軟弱層地層變形特征Fig.3 Deformation characteristics of weak layers at the core of the Dalongkou anticline

3.1 “褶翼楔入組”構(gòu)造樣式

Mitra將“褶皺相關(guān)斷層”構(gòu)造歸納為4大類8種不同的具體類型。其中將楔入逆沖斷層大類又進(jìn)一步分為樞紐楔入逆沖和翼部楔入逆沖(鄧洪菱等，2009;Mitra，2002)。前人研究認(rèn)為，逆沖作用依次切穿強(qiáng)硬層向上擴(kuò)展，將斷層滑動(dòng)位移轉(zhuǎn)移到相鄰的發(fā)育在軟弱巖層中的順層逆沖斷層中(鄧洪菱等，2009;Cloos，1964)，從而表現(xiàn)出典型的斷坪－斷坡幾何學(xué)結(jié)構(gòu)。楔入逆沖斷層的逆沖方向通常與彎滑褶皺作用順層滑動(dòng)方向協(xié)調(diào)一致(鄧洪菱等，2009)。

上述大龍口背斜核部露頭也發(fā)育翼部楔入逆沖構(gòu)造。其特點(diǎn)是在背斜的翼部出現(xiàn)1組逐步向上收斂或近于平行的逆沖斷層，但它與Mitra和Cloos提出的經(jīng)典模式有所不同(圖4a)。一是楔入逆沖斷層成組出現(xiàn)，二是楔入逆沖斷層與巖層的交角較大，三是斷層滑動(dòng)位移沒有轉(zhuǎn)移到發(fā)育在軟弱巖層中的順層逆沖斷層中。其發(fā)育模式是：當(dāng)巖層受到擠壓應(yīng)力作用時(shí)，在遞進(jìn)變形過程中，隨著褶皺作用逐漸增強(qiáng)，擠壓應(yīng)力超出兩翼巖石的抗壓(抗剪)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在背斜的兩翼形成對(duì)稱的、由兩翼向核部沖斷的楔入逆沖斷層組，斷塊猶如一個(gè)個(gè)楔子楔入背斜的核部，起到變形的調(diào)節(jié)作用，這種構(gòu)造樣式可以稱為“褶翼楔入組”構(gòu)造樣式(圖5)。

3.2 “類沖起”構(gòu)造樣式

沖起構(gòu)造是逆沖斷層與同時(shí)形成的反沖斷層圍限部位，因強(qiáng)烈擠壓而上沖，形成變形強(qiáng)烈的隆起構(gòu)造。典型的沖起構(gòu)造主要表現(xiàn)為沖斷層兩側(cè)地層近于水平，沖斷層之間的隆起為背斜形態(tài)。即當(dāng)水平巖層受到水平擠壓應(yīng)力作用時(shí)，巖層破裂形成1對(duì)背沖斷層，其公共盤逐漸抬升并發(fā)生彎曲，而下降盤相對(duì)不活動(dòng)，保持近水平，從而形成沖起構(gòu)造(圖6b)。通常還有一種情況是，當(dāng)水平巖層受到水平擠壓應(yīng)力作用時(shí)，巖層發(fā)生彎曲形成背斜，在背斜核部由于局部拉張形成次級(jí)正斷層，產(chǎn)生頂部陷落(圖6a)。

圖4 大龍口背斜核部與翼部的構(gòu)造變形特征Fig.4 Structural deformation characteristics of the core and wings of the Dalongkou anticline

圖5 “褶翼楔入組”構(gòu)造樣式和發(fā)育模式Fig.5 Tectonic style and development pattern of the“Limb Wedge Group Structure”

上述大龍口背斜核部露頭發(fā)育2條背沖斷層(圖4b)，但它既不是典型的沖起構(gòu)造，更不是通常的頂部陷落，而是“類沖起構(gòu)造”(圖6c)。其特點(diǎn)是上下盤地層都發(fā)生了彎曲變形，以與經(jīng)典的沖起構(gòu)造相區(qū)別。其發(fā)育模式是：當(dāng)?shù)貙釉馐軘D壓時(shí)，首先彎曲形成背斜，隨著進(jìn)一步的擠壓變形，在背斜的核部區(qū)域，為了調(diào)節(jié)變形可以形成背沖斷層，使斷塊沖起形成“類沖起構(gòu)造”。

圖6“類沖起”及其相似構(gòu)造樣式和發(fā)育模式Fig.6 Tectonic style and development pattern of“Similar Pop-up Structure”and likenesses

3.3 “分離反向褶曲”構(gòu)造樣式

上述大龍口背斜核部露頭還發(fā)育“背斜馱向斜”的不協(xié)調(diào)構(gòu)造現(xiàn)象(圖4b)，即“分離反向褶曲”構(gòu)造樣式。其特點(diǎn)是：中間軟弱層變形強(qiáng)烈，發(fā)生了塑性流動(dòng)，發(fā)育了柔流構(gòu)造，起到了上下隔離的作用，使得構(gòu)造形態(tài)上部的(向斜)與下部的(背斜)不一致甚至完全相反。一般來說，當(dāng)一套強(qiáng)硬層受到水平擠壓應(yīng)力而發(fā)生彎曲時(shí)，通常會(huì)同向褶曲而形成平行褶皺。而當(dāng)強(qiáng)硬層中間夾有一定厚度的軟弱巖層時(shí)，巖石的層間滑動(dòng)往往會(huì)在轉(zhuǎn)折端形成“虛脫”現(xiàn)象，軟弱層便會(huì)充填其中，形成“頂厚翼薄”的填補(bǔ)構(gòu)造(杜思清等，1987)(圖7)。“分離反向褶曲”構(gòu)造的發(fā)育模式是，在背斜核部隨著擠壓的加強(qiáng)，在中間的軟弱層產(chǎn)生了塑性滑動(dòng)，“頂厚翼薄”的填補(bǔ)構(gòu)造會(huì)進(jìn)一步變形錯(cuò)位，使得下部的背斜與側(cè)翼的局部向斜迭加在一起，形成以塑性軟弱層為界的上下分層的“分離反向褶曲”構(gòu)造樣式(圖7)。

圖7 “分離反向褶曲”構(gòu)造樣式和發(fā)育模式Fig.7 Tectonic style and development pattern of“Separation Reverse Fold Structure”

4 結(jié)論

(1)巖層能干性對(duì)構(gòu)造變形具有重要影響。在同一應(yīng)力背景下，不同能干性巖層變形特征差異較大。軟弱層常常成為斷裂構(gòu)造的發(fā)起點(diǎn)、終止點(diǎn)或不協(xié)調(diào)構(gòu)造的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)變形具有控制作用。準(zhǔn)噶爾盆地的軟弱層(也是構(gòu)造滑脫層)主要有6套：P2l－h(huán)、J1b、J2x、K1tg、E2－3a、N1t(董臣強(qiáng)等，2007)。研究涉及這些地層的構(gòu)造解析時(shí)，要特別注意軟弱層在構(gòu)造變形中的作用。

(2)大龍口背斜核部露頭發(fā)育3種構(gòu)造樣式類型。盡管隨著“斷層相關(guān)褶皺”和“褶皺相關(guān)斷層”理論的發(fā)展與應(yīng)用(杜菊民等，2004;何登發(fā)等，2005;邵雨等，2005;吳紅華等，2010)，前人對(duì)擠壓地區(qū)構(gòu)造樣式進(jìn)行過大量研究(劉和甫等，1994;湯良杰，1994;Stewart等，2000;湯良杰等，2003;李蘭斌等，2012)，特別對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣的構(gòu)造樣式也做過很多分析(韓曉黎等，2001;孫自明等，2004;汪新偉等，2005;王磊等，2007;肖立新等，2012)。但是，大龍口背斜核部露頭的“褶翼楔入組”、“類沖起”和“分離反向褶曲”3種構(gòu)造樣式具有明顯特殊性，它不僅豐富了現(xiàn)有的構(gòu)造樣式類型，而且對(duì)山前帶(包括準(zhǔn)噶爾盆地南緣)構(gòu)造研究，特別是對(duì)山前帶地震資料的構(gòu)造解釋具有指導(dǎo)意義。

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