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.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830046;2.中國石化勝利油田分公司西部新區(qū)研究院，山東 東營 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，由于地面條件復雜和地下結(jié)構(gòu)復雜，導致地震資料品質(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(楊云嶺，2003;宋桂橋等，2012;王華忠等，2013)。

前人對于構(gòu)造樣式的研究非常重視，取得了大量成果。但對構(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;蔡學林等，1992;溫聲明等，2006;黃學猛等，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，是針對野外地質(zhì)露頭研究中小尺度構(gòu)造樣式的理想場所。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)造樣式進行重點剖析。

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鎮(zhèn)轄區(qū)，大龍口二疊系—三疊系露頭剖面位于三臺鎮(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之間。

大龍口背斜構(gòu)造上位于準噶爾盆地東南緣、天山造山帶博格達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砂巖。該露頭點出露良好、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。

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(即強硬層或稱強干層)構(gòu)造相對簡單，而以泥頁巖為主的地層(即軟弱層或稱非強干層)變形明顯復雜，發(fā)生了強烈褶曲，使巖石的原始層理已經(jīng)難以識別(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，而其對面的東坡地層則整體近于直立，發(fā)生強烈褶曲(圖3c、d)。二者并不是一般認為的簡單對稱關(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個特征表明，在相同應(yīng)力作用下，強硬層不易發(fā)生變形，構(gòu)造相對簡單;而軟弱層抵抗外力能力較差、不穩(wěn)定，變形往往比較復雜，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)該是地層褶皺時形成的次級調(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，形成一種獨特的構(gòu)造樣式。這一現(xiàn)象說明，當?shù)貙邮艿綌D壓應(yīng)力發(fā)生褶皺時，如果兩翼巖層能干性較強，可以在遞進變形過程中發(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將次級背斜錯段，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。

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，很多學者在使用這個術(shù)語時較隨意。到目前為止，學界還沒有對構(gòu)造樣式進行系統(tǒng)分類研究。一般來說，不同的學者會依據(jù)所研究對象——地質(zhì)體的規(guī)模和特點進行不同的分類。如有的學者根據(jù)地球動力學性質(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);有的學者在研究盆地構(gòu)造樣式時，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、細化了這個問題。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)。前人研究認為，逆沖作用依次切穿強硬層向上擴展，將斷層滑動位移轉(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：當巖層受到擠壓應(yīng)力作用時，在遞進變形過程中，隨著褶皺作用逐漸增強，擠壓應(yīng)力超出兩翼巖石的抗壓(抗剪)強度時，就會在背斜的兩翼形成對稱的、由兩翼向核部沖斷的楔入逆沖斷層組，斷塊猶如一個個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形成的反沖斷層圍限部位，因強烈擠壓而上沖，形成變形強烈的隆起構(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)。即當水平巖層受到水平擠壓應(yīng)力作用時，巖層破裂形成1對背沖斷層，其公共盤逐漸抬升并發(fā)生彎曲，而下降盤相對不活動，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，當水平巖層受到水平擠壓應(yīng)力作用時，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?shù)貙釉馐軘D壓時，首先彎曲形成背斜，隨著進一步的擠壓變形，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。其特點是：中間軟弱層變形強烈，發(fā)生了塑性流動，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，當一套強硬層受到水平擠壓應(yīng)力而發(fā)生彎曲時，通常會同向褶曲而形成平行褶皺。而當強硬層中間夾有一定厚度的軟弱巖層時，巖石的層間滑動往往會在轉(zhuǎn)折端形成“虛脫”現(xiàn)象，軟弱層便會充填其中，形成“頂厚翼薄”的填補構(gòu)造(杜思清等，1987)(圖7)?！胺蛛x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，在中間的軟弱層產(chǎn)生了塑性滑動，“頂厚翼薄”的填補構(gòu)造會進一步變形錯位，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、終止點或不協(xié)調(diào)構(gòu)造的轉(zhuǎn)折點，對變形具有控制作用。準噶爾盆地的軟弱層(也是構(gòu)造滑脫層)主要有6套：P2l－h(huán)、J1b、J2x、K1tg、E2－3a、N1t(董臣強等，2007)。研究涉及這些地層的構(gòu)造解析時，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)，前人對擠壓地區(qū)構(gòu)造樣式進行過大量研究(劉和甫等，1994;湯良杰，1994;Stewart等，2000;湯良杰等，2003;李蘭斌等，2012)，特別對準噶爾盆地南緣的構(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，而且對山前帶(包括準噶爾盆地南緣)構(gòu)造研究，特別是對山前帶地震資料的構(gòu)造解釋具有指導意義。

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