柴達(dá)木盆地北緣東段石炭紀(jì)至白堊紀(jì)構(gòu)造演化模式及地層缺失原因探討

商琳，戴俊生，夏瑞杰，王鋒，葉志達(dá)

1) 中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島， 266580； 2) 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津， 300451； 3) 中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，新疆庫爾勒， 841000

內(nèi)容提要: 為了明確柴達(dá)木盆地北緣東段石炭紀(jì)至白堊紀(jì)盆地演化歷史，分析石炭系—侏羅系缺失的原因，本文重新確定了石炭系和侏羅系殘余地層分布范圍，并根據(jù)平衡剖面恢復(fù)和斷裂落差計(jì)算，分析了主要斷裂的活動特征，提出了柴北緣東段石炭紀(jì)至白堊紀(jì)的構(gòu)造演化模式。應(yīng)用有限單元法模擬了柴北緣東段印支期(三疊紀(jì))、燕山早期(早—中侏羅世)、燕山晚期(晚侏羅世—白堊紀(jì))的應(yīng)力場，對構(gòu)造演化模式加以驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：柴北緣東段自石炭紀(jì)至白堊紀(jì)經(jīng)歷了石炭紀(jì)—二疊紀(jì)伸展、三疊紀(jì)擠壓褶皺、早—中侏羅世斷陷、晚侏羅世—白堊紀(jì)早期擠壓坳陷和白堊紀(jì)末擠壓反轉(zhuǎn)五個構(gòu)造演化階段。三疊紀(jì)，柴北緣東段在印支期發(fā)育兩排近東西走向的背斜凸起，造成石炭系—二疊系在各地區(qū)遭受不同程度的剝蝕；侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)早期，歐南地區(qū)為繼承性隆起區(qū)，未完全接受沉積；白堊紀(jì)末，受燕山晚期旋回影響，構(gòu)造反轉(zhuǎn)，逆沖斷裂復(fù)活，綠梁山、錫鐵山、埃姆尼克山、歐隆布魯克山等主要山體隆升，遭受剝蝕。

長期以來眾多學(xué)者對柴達(dá)木盆地的演化作了大量研究，對于柴達(dá)木中生代盆地性質(zhì)有較大爭議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為柴達(dá)木盆地中生代為擠壓型或前陸盆地(車自成，1986；夏文臣等，1998)。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為柴達(dá)木中、新生代盆地經(jīng)歷了早期拉張斷陷后期擠壓坳陷兩個階段；而對于拉張斷陷時期， 顧樹松等(1990)、王鴻禎等(1990)、黃漢純等(1996)認(rèn)為是侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)，金之鈞等(2004)、孫國強(qiáng)等(2004)、湯良杰等(2004)、汪勁草等(2007)則認(rèn)為早—中侏羅世為伸展裂陷階段。

同時受勘探程度和研究程度的限制，對于柴達(dá)木盆地北緣(簡稱"柴北緣")東段古生代—早中生代局部的盆地演化研究的相對較少(湯良杰等，1999)。柴北緣東段勘探程度較低，地震測網(wǎng)密度低，品質(zhì)較差，導(dǎo)致前人對于柴北緣地層分布的認(rèn)識存在一定的問題。多位學(xué)者認(rèn)為歐南凹陷殘留較厚的石炭系和侏羅系 (李守軍等，2000；陳志勇等，2005；萬傳治等，2006；甘貴元等，2006；馬寅生等，2012)，但最新的鉆井資料表明歐南凹陷上侏羅統(tǒng)不整合于元古宙之上，缺失了石炭系和中—下侏羅統(tǒng)。

考慮到石炭系、中—下侏羅統(tǒng)烴源巖對于柴達(dá)木盆地油氣勘探的重要性，目前迫切需要對柴北緣東段石炭紀(jì)—白堊紀(jì)構(gòu)造演化重新認(rèn)識。

1 柴北緣東段地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地及周邊山區(qū)位于古亞洲洋和特提斯洋的接合部位，夾于祁連山和唐古拉山之間，屬于青藏高原北部，其地勢高峻，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，其西以阿爾金斷裂為界與塔里木盆地相接(戴俊生等，2003)。本次研究的柴北緣東段西起魚卡東到德令哈，前人的研究表明研究區(qū)為北西向北沖斷裂組成的隆—坳、凹—凸相間的構(gòu)造格局，主要受北緣壓扭斷裂體系控制。平面上各斷裂均呈"反S型"狀展布，由北而南成帶狀排列，并有向西北端收斂向東南方向發(fā)散的趨勢，由西向東有由NWW到 EW延伸的特點(diǎn)(湯良杰等，2002；袁亞娟等，2010)，主要由祁連山南緣斷裂、歐北斷裂、歐南斷裂、埃北斷裂、埃南斷裂、綠南斷裂等一系列山前斷裂組成(圖1)，以逆沖為主，伴隨走滑作用。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣東段位置圖 Fig．1 Location of the eastern section of North Qaidam

2 殘余地層分布特征

2．1 石炭系沉積特征

石炭紀(jì)的柴達(dá)木盆地是以淺海碳酸鹽巖沉積為主的裂谷盆地，柴北緣東段石炭系為淺海碳酸鹽臺地相沉積及以扇三角洲、辮狀河三角洲為主的海陸過渡相沉積(廖黔渝，2010)，廣泛分布于歐龍布魯克山、綠梁山、錫鐵山、埃姆尼克山、牦牛山等地。研究區(qū)石炭系發(fā)育齊全，可對比性較好，自下而上發(fā)育下石炭統(tǒng)穿山溝組(C1ch)、城墻溝組(C1c)、懷頭他拉組(C1h)，上石炭統(tǒng)克魯克組(C2k)、扎布薩尕秀組(C2zh)(圖2)。石炭系與上覆地層和下伏地層都呈角度不整合接觸，石炭系內(nèi)部上石炭統(tǒng)與下石炭統(tǒng)呈平行不整合接觸，各組內(nèi)部整合接觸。穿山溝組主要見于穿山溝和城墻溝地區(qū)，主要由碳酸鹽巖(灰?guī)r、生物灰?guī)r)組成，夾少量鈣質(zhì)頁巖、粉砂巖，顏色為灰、灰黑色。城墻溝組見于城墻溝、穿山溝等剖面，主要為砂質(zhì)灰?guī)r、生物灰?guī)r、灰色泥巖。懷頭他拉組下段為砂巖、灰?guī)r段，中段為灰?guī)r段， 上段為灰?guī)r夾砂、頁巖段，主要分布于石灰溝、城墻溝、穿山溝、德令哈凹陷、霍布遜凹陷等地區(qū)?？唆斂私M主要見于歐隆布魯克山北坡和懷頭他拉地區(qū)，巖性以灰、灰黑色灰?guī)r、砂巖、含礫砂巖、泥頁巖、碳質(zhì)泥巖為主，夾薄煤層。扎布薩尕秀組見于石灰溝、扎布薩尕秀等剖面及尕丘1井，巖性為灰、灰黑色厚層狀生物灰?guī)r、灰?guī)r，夾粉砂巖，碳質(zhì)泥巖等。

圖2 柴達(dá)木盆地北緣東段石炭系地層對比剖面 Fig．2 The stratigraphic correlation of Carboniferous in the eastern section of North Qaidam

2．2 侏羅系沉積特征

侏羅系各階段是連續(xù)沉積的(陳志勇等，2005)，為一套河湖沼澤含煤沉積，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、礫巖及煤層為主，自下而上發(fā)育下侏羅統(tǒng)小煤溝組(J1x)、中侏羅統(tǒng)大煤溝組(J2d)、上侏羅統(tǒng)采石嶺組(J3c)和紅水溝組(J3h)。侏羅系與下伏古生界或基巖呈角度不整合接觸，侏羅系各組之間呈整合接觸(金振奎等，2006)。

圖3 柴達(dá)木盆地北緣東段侏羅系地層對比剖面 Fig．3 The stratigraphic correlation of Jurassic in the eastern section of North Qaidam

通過研究區(qū)侏羅系地層對比(圖3)，認(rèn)為下侏羅統(tǒng)小煤溝組地層主要分布在柴達(dá)木盆地西部，在東段小煤溝組分布較局限，僅在大煤溝、綠草山剖面見小煤溝組發(fā)育。

中侏羅統(tǒng)分布范圍較下侏羅統(tǒng)發(fā)生了很大變化，大煤溝組1～3段(自下而上為J2d1、J2d2、J2d3)僅在大煤溝、綠草山和紅山剖面發(fā)育，推測大煤溝組1～3段分布局限于紅山凹陷。大頭羊剖面從大煤溝組第3段開始發(fā)育，沉積物為大套礫巖，分析此時大頭羊剖面靠近盆地邊界。從大煤溝組4～7段(自下而上為J2d4、J2d5、J2d6、J2d7)分布穩(wěn)定，各剖面都見出露，推測從大煤溝組第四段沉積期開始，湖盆擴(kuò)展到整個柴北緣東段?；ㄊ瘻稀W南、達(dá)達(dá)肯烏拉山、埃南等剖面自大煤溝組第5段才開始發(fā)育，且底部發(fā)育大套礫巖，與下伏古生界或基巖呈角度不整合接觸，推測這些剖面距物源較近。

上侏羅統(tǒng)與上覆白堊系呈整合或平行不整合接觸，在圓頂山、大煤溝、花石溝、達(dá)達(dá)肯烏拉山等剖面及歐1井都有發(fā)育，下部為灰黃色砂礫巖，中部為灰綠色、灰紅色泥巖，上部為大套灰紅色泥巖，分布范圍較中侏羅統(tǒng)略有擴(kuò)大。

2．3 石炭系、侏羅系殘余分布

通過野外露頭及鉆井石炭系地層對比，結(jié)合地震層位標(biāo)定追蹤，確定了石炭系、侏羅系殘余地層分布范圍(圖4)。石炭系主要分布在綠梁山—紅山—錫鐵山—?dú)W南凹陷一線以南和以北地區(qū)，德令哈凹陷、霍布遜凹陷殘留厚度大范圍廣的石炭系，魚卡凹陷、歐南凹陷缺失了石炭系(圖4a)。侏羅系小煤溝組在柴北緣東段分布于紅山、小柴旦及綠梁山南側(cè)地區(qū)(圖4b)；中侏羅統(tǒng)分布范圍向東擴(kuò)展，呈NW轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰W向展布，歐南凹陷沒有中侏羅統(tǒng)分布(圖4c)；上侏羅統(tǒng)廣泛分布于魚卡、紅山、德令哈、霍布遜等凹陷(圖4d)，厚度也有所增大，歐1井鉆探結(jié)果顯示歐南凹陷殘留較厚的上侏羅統(tǒng)。

圖4 柴達(dá)木盆地北緣東段石炭系和侏羅系殘余分布圖Fig. 4 Distribution of relic Carboniferous and Jurassic in the eastern section of North Qaidam (a) 石炭系；(b) 下侏羅統(tǒng)；(c) 中侏羅統(tǒng)；(d) 上侏羅統(tǒng) (a) Carboniferous; (b) Lower Jurassic; (c) Middle Jurassic;(d) Upper Jurassic

3 斷裂活動特征

3.1 平衡剖面分析

根據(jù)新的鉆井資料和野外露頭資料，重新對地震剖面進(jìn)行層位標(biāo)定追蹤，為了分析各期構(gòu)造運(yùn)動對盆地的影響，選則了關(guān)鍵地震測線編制了構(gòu)造演化剖面。由于研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，抬升剝蝕嚴(yán)重，造成剖面無法平衡，因此在編制構(gòu)造演化剖面過程中利用地層結(jié)構(gòu)外延、斷層切割關(guān)系和褶皺變形特征等地層要素特點(diǎn)恢復(fù)了被剝蝕前的地層形態(tài)，估算了關(guān)鍵時期的剝蝕厚度。為了較為全面的反映研究區(qū)的構(gòu)造演化過程，以橫穿研究區(qū)的CDM97472-NE493．4測線構(gòu)造演化剖面(圖5)為例來進(jìn)行說明，剖面位置見圖1。

由圖5可知，石炭系沉積后侏羅系沉積前，盆地整體遭受抬升剝蝕，柴北緣東段逆沖斷裂強(qiáng)烈活動伴生褶皺，歐南地區(qū)凸起形成，古生界剝蝕殆盡；南部的霍布遜凹陷抬升相對較弱，石炭系及下伏古生界仍有殘留。早—中侏羅世，盆地處在伸展環(huán)境，歐南地區(qū)凸起向北縮小，至晚侏羅世—白堊紀(jì)，霍布遜凹陷與歐南凹陷連成一片，沉降中心位于歐南一帶。白堊紀(jì)，盆地受到燕山晚期旋回的影響，逆沖斷裂復(fù)活，歐隆布魯克山、埃姆尼克山等山脈開始微弱隆升，白堊系頂部遭受剝蝕。新近紀(jì)至第四紀(jì)，盆地遭受強(qiáng)烈擠壓，歐隆布魯克山、埃姆尼克山等山脈在逆沖推覆的同時大幅度抬升，造成中生界、古生界乃至盆地基底遭受剝蝕；山前地區(qū)盆地受擠壓大幅度拗陷，接受巨厚的新近系和第四系沉積。

圖5 柴達(dá)木盆地東部構(gòu)造演化剖面Fig. 5 Tectonic evolution sections in the eastern Qaidam Basin

地震資料解釋及平衡剖面復(fù)原結(jié)果表明，柴北緣主要斷裂形成與演化主要有3種類型：①持續(xù)活動斷裂，這類斷裂兩盤各層位厚度具有明顯差異(圖6a)，在盆地形成演化過程中一直活動，對盆地演化具有決定作用，如埃南斷裂、綠南斷裂等；②早期形成后期不活動斷裂，斷裂兩盤深部老地層具有明顯位移，向上并未切穿淺部新地層(圖6b)，斷裂在盆地形成初期發(fā)育，后期活動性減弱甚至停止活動，如歐南凹陷、霍布遜凹陷深部斷裂；③晚期發(fā)育斷裂，這類斷裂兩盤深部老地層厚度相差不大，只在淺部新地層兩盤厚度有明顯差異(圖6c)，主要為新生代發(fā)育斷裂，如陵間斷裂。

3.2 斷裂落差分析

柴北緣發(fā)育了眾多的斷裂多數(shù)屬于生長斷裂，這些生長斷裂的活動，導(dǎo)致了地殼的抬升與下陷，控制著盆地的形成和演化。筆者應(yīng)用斷裂古落差法研究了柴北緣主要斷裂的性質(zhì)和活動強(qiáng)度。

生長斷裂的落差可以表示為兩盤地層的厚度差，即：斷裂落差(D)=下盤厚度(H)-上盤厚度(h)。若D>0，說明斷裂表現(xiàn)為逆斷裂性質(zhì)，若D<0，則表現(xiàn)為正斷裂性質(zhì)。由于地層剝蝕嚴(yán)重，對于印支期和燕山早期而言，只能計(jì)算埃姆尼克山東側(cè)、小柴旦等地區(qū)的斷裂落差值，上升盤地層缺失地區(qū)只能用下降盤厚度代替斷裂落差。通過計(jì)算斷裂各時期平均落差(圖7)認(rèn)為：柴北緣主要斷裂在印支期表現(xiàn)為逆斷裂，埃南斷裂活動性最強(qiáng)，其次為綠南斷裂；燕山早期(早—中侏羅世)，斷裂平均落差減小，并表現(xiàn)為正斷裂，推測柴北緣在侏羅紀(jì)處于拉張環(huán)境，埃北斷裂、歐南斷裂活動性較強(qiáng)，其余斷裂趨于停止；燕山晚期(晚侏羅世—白堊紀(jì))，各條斷裂平均落差明顯增大，斷裂活動性都不同程度的增強(qiáng)，表現(xiàn)為逆斷裂，柴北緣東段在這一時期轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓環(huán)境。

4 構(gòu)造演化模式及地層缺失原因探討

根據(jù)殘余地層特征、平衡剖面復(fù)原結(jié)果以及斷裂活動規(guī)律，建立了柴北緣東段自石炭紀(jì)至白堊紀(jì)的構(gòu)造演化模式(圖5)。

圖6 不同類型斷裂特征Fig. 6 Characteristics of different types of faults (a) 持續(xù)活動斷裂；(b) 早期形成后期不活動斷裂；(c) 晚期發(fā)育斷裂 (a) continued active fault; (b) early active fault; (c) advanced active fault

圖8a為石炭紀(jì)—二疊紀(jì)伸展作用階段，石炭紀(jì)柴北緣東段經(jīng)歷了一個完整的海進(jìn)—海退沉積旋回，石炭系屬較穩(wěn)定的準(zhǔn)臺地型或海陸交互相建造(湯良杰等，1999；萬傳治等，2006)。石炭紀(jì)—二疊紀(jì)柴達(dá)木盆地是繼承性的連續(xù)沉積盆地(楊超等，2010)，二疊紀(jì)基本保持了石炭紀(jì)的海域，石炭系與二疊系地層在沉積期廣泛分布于柴北緣地區(qū)，是一套平面展布較為廣泛的沉積蓋層。

圖8b為三疊紀(jì)擠壓褶皺抬升階段，印支構(gòu)造運(yùn)動期間，柴達(dá)木地塊與華北地塊發(fā)生陸間拼合，柴北緣整體處于隆升狀態(tài)，在NNE—SSW方向的擠壓作用下發(fā)育近東西走向逆沖斷裂，并伴生相關(guān)褶皺。根據(jù)地層對比發(fā)現(xiàn)石炭系缺失區(qū)域周圍，如歐南凹陷南北兩側(cè)的穿山溝、城墻溝剖面石炭系以碳酸鹽巖臺地沉積為主，邊緣相不發(fā)育，由此認(rèn)為這些地區(qū)在沉積期接受了石炭系沉積。根據(jù)剝蝕區(qū)范圍(圖4a)，推測研究區(qū)在三疊紀(jì)發(fā)育兩排近東西走向背斜凸起，造成石炭系—二疊系在各地區(qū)遭受不同程度的剝蝕。

圖7 柴北緣主要斷裂平均落差Fig. 7 Average fault throw of the major faults in the eastern Qaidam Basin

圖8c、d為早—中侏羅世伸展斷陷階段，燕山運(yùn)動早期，柴達(dá)木盆地處在兩次強(qiáng)烈擠壓碰撞之間的相對松馳伸展環(huán)境(王信國等，2006)，構(gòu)造反轉(zhuǎn)，在祁連山南緣、歐南、綠梁山地區(qū)發(fā)育多條近東西走向正斷裂。下侏羅統(tǒng)沉積主體在柴達(dá)木盆地西部(陳志勇等，2005；徐鳳銀等，2006)，柴北緣東段只在小柴旦及紅山地區(qū)接受了下侏羅統(tǒng)沉積。大煤溝剖面(剖面位置見圖1)，下侏羅統(tǒng)小煤溝組復(fù)成分礫巖，棱角狀分選磨圓差，為近物源沉積，推測早侏羅世盆地邊界在大煤溝附近，小柴旦以東地區(qū)為繼承性的隆起區(qū)，未接受沉積(圖8c)。中侏羅世，由于阿爾金山隆升，柴達(dá)木盆地沉積中心由柴西向東南方向遷移，向東擴(kuò)展至整個祁連山山前(張守仁等，2000)；伸展作用逐漸增強(qiáng)，盆地邊界向北向南擴(kuò)展，柴北緣東段形成了北斷南超的斷陷盆地。歐南地區(qū)周邊大煤溝、花石溝以及達(dá)達(dá)肯烏拉山剖面(剖面位置見圖1)，大煤溝組第五段才開始接受沉積，且出露的地層為一套近源快速堆積的沉積物，考慮到距離北部祁連山和南部柴南隆起物源區(qū)較遠(yuǎn)，認(rèn)為歐南地區(qū)為物源區(qū)，未接受中侏羅統(tǒng)沉積(圖8d)。

圖8e為晚侏羅世—白堊紀(jì)早期擠壓坳陷階段，晚侏羅世開始，伸展作用逐漸減弱，斷層的張性活動趨于停止，應(yīng)力場逐漸由拉張轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓，但在上覆地層負(fù)荷作用下，柴北緣依然保持了持續(xù)下降接受沉積的構(gòu)造環(huán)境，形成了一套紅色磨拉石堆積(金之鈞等，2004)，具有擠壓坳陷型盆地特征，綠梁山南側(cè)尕丘地區(qū)開始接受沉積；上侏羅統(tǒng)與白堊系在盆地內(nèi)部大部分地區(qū)表現(xiàn)為整合接觸，表明晚侏羅世至白堊紀(jì)早期為連續(xù)沉積階段。據(jù)歐1井鉆探情況，歐南地區(qū)上中侏羅統(tǒng)發(fā)育較粗的厚層沖積扇—河流相沉積，認(rèn)為歐南地區(qū)凸起范圍向北縮小，凸起南部已開始接受沉積，凸起北部仍為物源區(qū)。

圖8 柴北緣東段盆地演化模式Fig. 8 Basin evolution of the eastern section of North Qaidam (a) 石炭紀(jì)—二疊紀(jì)；(b) 三疊紀(jì)；(c) 早侏羅世；(d) 中侏羅世；(e) 晚侏羅世—白堊紀(jì)早期；(f) 白堊紀(jì)末 (a) Carboniferous—Permian; (b) Triassic; (c) Early Jurassic; (d) Middle Jurassic; (e) Late Jurassic—Early Cretaceous; (f) the end of Cretaceous

圖8f為白堊紀(jì)末期擠壓山體隆升階段，柴北緣受到燕山晚期旋回的影響，構(gòu)造反轉(zhuǎn)，逆沖斷裂復(fù)活，古近系與下伏白堊系和侏羅系呈角度不整合接觸。柴北緣地區(qū)開始發(fā)生明顯的隆升作用，綠梁山、錫鐵山、埃姆尼克山、歐隆布魯克山隆升，受擠壓作用和氣候的共同影響，盆地發(fā)生萎縮。全吉山等近N—S走向構(gòu)造開始隆升，造成白堊系及侏羅系在各地區(qū)遭受不同程度的剝蝕，中生代盆地演化終止。

5 應(yīng)力場數(shù)值模擬驗(yàn)證

柴達(dá)木盆地北緣東段自石炭紀(jì)至白堊紀(jì)主要經(jīng)歷了印支運(yùn)動、早期燕山運(yùn)動、晚期燕山運(yùn)動三期構(gòu)造運(yùn)動(湯良杰等，1999)，這三期構(gòu)造應(yīng)力場的演化對柴北緣盆地演化起到了決定性的作用，為了驗(yàn)證柴北緣構(gòu)造演化模式，對這三期構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

柴達(dá)木地塊與華北地塊之間在印支期發(fā)生陸間拼合(吳漢寧等，1997)，造成柴北緣東段處于近NNE—SSW向的強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力場；侏羅紀(jì)西北地區(qū)處在兩次強(qiáng)烈擠壓碰撞之間的相對松馳伸展環(huán)境(湯良杰等，2004；王信國等，2006)，位于柴達(dá)木地塊與華北地塊之間的柴北緣地區(qū)處于近N—S向的陸內(nèi)拉張應(yīng)力場；白堊紀(jì)末盆地受到燕山晚期旋回影響，柴達(dá)木地塊在南、北兩側(cè)碰撞作用的影響下柴北緣總體處于NNE—SSW擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(張明利等，2005；呂寶鳳等，2011)。

5.1 模擬方法

應(yīng)力場模擬主要采用有限單元方法，建立地質(zhì)模型并劃分網(wǎng)格進(jìn)而計(jì)算每個單元內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變值(Hicks et al.，1996；王紅才等，2002；張勝利，2010；戴俊生等，2011)，具體步驟如下：

(1)建立地質(zhì)模型。根據(jù)斷層活動性分析及地層沉積特征，建立各時期活動斷裂先存的模型；將斷層處理成具有一定寬度的斷裂帶。依據(jù)實(shí)際情況，將不同區(qū)塊賦以特定的力學(xué)參數(shù)，選用的力學(xué)參數(shù)來源于巖石力學(xué)試驗(yàn)。

(2)確定邊界條件。根據(jù)聲發(fā)射古應(yīng)力測試結(jié)果及前人研究成果(張明利等，2005)，通過反復(fù)模擬試驗(yàn)，直至模型壓縮量和伸展量與構(gòu)造解析結(jié)果一致，最終確定印支期模型南、北邊界施加60MPa擠壓應(yīng)力；燕山早期模型南、北邊界施加5MPa的拉張應(yīng)力；燕山晚期模型南、北邊界施加80MPa的擠壓應(yīng)力；在模型底面Z方向約束，滿足有限元分析要求。

(3)加載并輸出計(jì)算結(jié)果。對上述加載邊界條件的數(shù)學(xué)模型在ANSYS中求解，在后處理模塊中可得到印支期最大主壓應(yīng)力、最小主壓應(yīng)力、平面剪應(yīng)力較清晰的應(yīng)力分布云圖，模擬結(jié)果見圖9。

5.2 結(jié)果分析

在擠壓應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力的大小與分布決定了盆地的起伏形態(tài)(邱登峰等，2012)；在拉張應(yīng)力狀態(tài)下，張應(yīng)力越大巖石的張性破裂程度越高，繼續(xù)擴(kuò)展可以形成正斷層(Hasanpour et al.，2009; Cai Meifeng et al.，2009；Henderson et al.，2010)，這些區(qū)域也容易下陷接受沉積。在此主要分析印支期和燕山晚期的最大主應(yīng)力以及燕山早期的最小主應(yīng)力分布對構(gòu)造變形的影響。

柴北緣東段印支期最大主應(yīng)力(圖9a，負(fù)值代表壓應(yīng)力)在38.9～72.6 MPa之間，位于斷層北東盤的綠梁山、紅山、歐南地區(qū)最大主應(yīng)力出現(xiàn)高值區(qū)，應(yīng)力值大于50MPa，且分布穩(wěn)定，最大主應(yīng)力方向與邊界擠壓應(yīng)力方向一致，因此這些地區(qū)構(gòu)造活動相對較強(qiáng)，很容易在南北向擠壓力作用下發(fā)育近東西向背斜凸起，其中歐南地區(qū)高值區(qū)范圍最大，應(yīng)力值大于60MPa；斷層南西盤出現(xiàn)最大主應(yīng)力的低值區(qū)，這些地區(qū)容易形成低洼區(qū)。

柴北緣燕山早期最小主應(yīng)力(圖9b，正值代表張應(yīng)力)在1.54～13.4MPa之間，位于斷層走向轉(zhuǎn)換部位的小柴旦、紅山地區(qū)出現(xiàn)張應(yīng)力的高值區(qū)，應(yīng)力值大于5.8MPa；其次為位于斷層上盤的大柴旦、德令哈地區(qū)，應(yīng)力值在5.3～8.0MPa之間。張應(yīng)力的高值區(qū)容易形成低洼區(qū)，成為沉降中心。位于斷層上升盤的綠梁山、祁連山以及歐南地區(qū)，為張應(yīng)力的低值區(qū)，這些地區(qū)容易成為相對隆起區(qū)，沉積厚度較小或成為剝蝕區(qū)。

圖9 柴北緣東段應(yīng)力分布Fig. 9 Distribution of structural stress in the eastern section of North Qaidam (a) 印支期最大主應(yīng)力σ1(MPa)；(b)燕山早期最小應(yīng)力σ3(MPa)；(c)燕山晚期最大主應(yīng)力σ1(MPa)； (d) 印支期剪應(yīng)力σxy(MPa)；(e) 燕山早期剪應(yīng)力σxy(MPa)；(f) 燕山晚期剪應(yīng)力σxy(MPa) (a) The maximum stress of Indosinian (σ1, MPa); (b) the minimum stress of early Yanshanian(σ3, MPa); (c) the maximum stress of late Yanshanian(σ1, MPa); (d) the shear stress of Indosinian(σxy, MPa); (e) the shear stress of early Yanshanian (σxy, MPa); (f) the shear stress of late Yanshanian (σxy, MPa)

柴北緣燕山晚期最大主應(yīng)力(圖9c，負(fù)值代表壓應(yīng)力)在61.4～86.4MPa之間，位于斷層上盤的綠梁山、祁連山、歐隆布魯克山、錫鐵山、埃姆尼克山等山體處于最大主應(yīng)力的高值區(qū)，應(yīng)力值大于80MPa，柴北緣主要山體在燕山晚期應(yīng)力場作用下在白堊紀(jì)末期開始隆升。位于斷層下盤的大柴旦、德令哈、歐南等地區(qū)為最大主應(yīng)力的低值區(qū)，容易形成低洼區(qū)接受沉積。

印支期、燕山早期以及燕山晚期應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果顯示各時期應(yīng)力分布特征與盆地起伏形態(tài)基本對應(yīng)，驗(yàn)證了柴北緣東段石炭紀(jì)至白堊紀(jì)的構(gòu)造演化模式。同時，印支期和燕山晚期，柴北緣平面剪應(yīng)力方向?yàn)橛倚?圖9d，圖9f，負(fù)值代表右旋)，燕山早期，柴北緣平面剪應(yīng)力方向?yàn)檎w為左旋(圖9e，正值代表左旋)，因此研究區(qū)印支期和燕山晚期活動斷裂表現(xiàn)為壓扭性右旋走滑斷裂性質(zhì)，而燕山早期斷裂具有張扭性左旋走滑斷裂性質(zhì)。

6 結(jié)論

(1) 石炭系主要分布在綠梁山—紅山—錫鐵山—?dú)W南凹陷一線以南和以北地區(qū)，歐南凹陷、魚卡凹陷石炭系基本無殘留；下侏羅統(tǒng)僅分布于紅山、小柴旦及綠梁山南側(cè)地區(qū)；中、上侏羅統(tǒng)分布范圍向東擴(kuò)展，總體呈近EW向展布，歐南地區(qū)未有中侏羅統(tǒng)分布，除綠梁山南側(cè)、錫鐵山北側(cè)及歐隆布魯克山南側(cè)外，上侏羅統(tǒng)廣泛分布于柴北緣東段。

(2) 柴北緣東段斷裂的形成與演化主要有三種模式：持續(xù)活動斷裂、早期形成后期不活動斷裂、晚期發(fā)育斷裂。印支期和燕山晚期斷裂具有逆沖左旋走滑斷裂性質(zhì)，活動性較強(qiáng)，造成地層較強(qiáng)的抬升與剝蝕；燕山早期斷裂具有張扭性左旋走滑斷裂性質(zhì)，活動性較弱。

(3) 柴北緣東段自石炭紀(jì)至白堊紀(jì)經(jīng)歷了石炭紀(jì)—二疊紀(jì)伸展、三疊紀(jì)擠壓褶皺抬升、早—中侏羅世斷陷、晚侏羅世—白堊紀(jì)早期擠壓坳陷和白堊紀(jì)末擠壓山體隆升階段五個構(gòu)造演化階段。

(4) 柴北緣東段在沉積期接受了石炭系沉積，三疊紀(jì)擠壓碰撞造成逆沖斷裂活動并伴生相關(guān)褶皺是石炭系缺失主要原因；中—下侏羅統(tǒng)缺失主要受到古地理格局的控制，歐南、綠梁山一帶為印支期古凸起未完全接受沉積，上侏羅統(tǒng)地層缺失是古地理格局和后期抬升剝蝕共同作用的結(jié)果。