準南沖斷帶橫斷層形成機制及地質(zhì)意義

董 敏,趙 朔

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

準南沖斷帶位于準噶爾盆地與北天山的構(gòu)造結(jié)合部位，發(fā)育了四排近東西向平行排列的褶皺-逆沖斷層帶以及與之斜交或垂直的橫斷層。眾多學(xué)者對橫斷層開展研究，并取得大量研究成果。何登發(fā)等(1996)、賈承造等(2005)及汪新偉等(2007)對橫斷層的構(gòu)造分段作用進行了研究[1-3]；陳發(fā)景等(2004)、陶國亮等(2006)及徐懷民等(2008)探討了橫斷層對砂體展布及油氣成藏的影響作用[4-6]；王偉鋒等(2014、2015、2016)對龍門山斷裂帶橫斷層形成機制及控震作用進行了研究[7-9]。但針對準南沖斷帶橫斷層成因類型及地質(zhì)意義的研究相對較少。針對此，筆者對區(qū)內(nèi)橫向構(gòu)造系統(tǒng)進行了研究，利用地質(zhì)、地震剖面、布格重力異常、航磁異常等地球物理場等資料進行構(gòu)造綜合解釋，對橫斷層的地質(zhì)特征和成因類型進行了探討。除此之外，還利用橫斷層兩側(cè)地塊構(gòu)造活動性差異、天然地震余震的空間分布以及地貌和水系分布來解譯橫向構(gòu)造地質(zhì)意義。這一研究工作不僅對于了解北天山地區(qū)的構(gòu)造樣式、構(gòu)造發(fā)育機制等具有重要的理論意義，同時對研究構(gòu)造的控震作用等具有重要的實際意義。

1 準南沖斷帶橫斷層的確定

準南沖斷帶受強烈沖斷構(gòu)造變形作用，逆沖斷裂發(fā)育，構(gòu)造圈閉成排成帶分布。山前沖斷帶不僅發(fā)育大量與山系走向平行的逆沖斷裂，還廣泛發(fā)育近南北向的平移斷層。本次研究通過對區(qū)域地質(zhì)和遙感影像等資料分析，發(fā)現(xiàn)北天山地區(qū)發(fā)育多條北北東、北北西向地球物理異常帶或地震分布突變帶，經(jīng)證實，這些突變帶發(fā)育規(guī)模不等的橫向構(gòu)造。按照發(fā)育規(guī)模和影響范圍，這些橫向構(gòu)造可以分為三個級別[3]：一級橫向構(gòu)造為影響區(qū)域整體構(gòu)造的深大斷裂，如米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層和紅車-巴音溝東橫斷層，該類斷裂對北天山地區(qū)整體的構(gòu)造演化和構(gòu)造格局具有重要的控制作用，其分段作用使得橫斷層兩側(cè)區(qū)塊在構(gòu)造線展布、構(gòu)造變形方式和變形程度等方面明顯不同；二級橫斷層主要發(fā)育在基底卷入帶或蓋層滑脫帶內(nèi)，如頭屯河橫斷層，對構(gòu)造格局影響比一級橫斷層弱、但構(gòu)造樣式及變形強度與相鄰區(qū)塊比較仍有差異；三級橫斷層發(fā)育規(guī)模較小，主要調(diào)節(jié)局部構(gòu)造變形差異，如瑪納斯橫斷層、沙灣橫斷層等[3]。

1.1 地貌遙感與數(shù)字地形響應(yīng)特征

準南沖斷帶的橫斷層發(fā)育在造山帶內(nèi)，從衛(wèi)星影像圖上可以清楚的觀察到數(shù)條規(guī)模大小不一的橫斷層(圖1)。從東西向來看，橫斷層走向多垂直或近于垂直沖斷帶，沿區(qū)域整體構(gòu)造線呈現(xiàn)條帶狀，單條斷裂之間的距離較為規(guī)律，大致平行等間距分布；從南北向看，不同級別的橫斷層延伸距離在幾千米到幾十千米不等，呈現(xiàn)“成排分布”的特征，越靠近造山帶，推覆強度越強，橫斷層的數(shù)量也越多，規(guī)模也越大。

圖1 準南沖斷帶斷裂解釋及歷史地震分布

1.2 橫斷層的地球物理特征

上世紀八十年代以來，眾多學(xué)者就對北天山地區(qū)的構(gòu)造格架進行了研究，并且或多或少涉及到了橫向斷裂問題。關(guān)于橫向斷裂存在的證據(jù)大致為地球物理、衛(wèi)星影像和重磁3個方面。從這些資料可以清楚的看到(圖2a、2b)，北天山山界線附近存在兩條規(guī)模較大、延伸較長的近東西向展布重力梯度帶，以及多條北北東向次級重力梯度帶，驗證了該區(qū)兩條近東西向展布的逆沖大斷裂以及多條北北東向橫斷層的存在。通過分析準噶爾盆地及鄰區(qū)航磁異常平面分布特征，發(fā)現(xiàn)盆地外圍存在一個環(huán)狀低磁異常帶，而盆地內(nèi)部大部分地區(qū)顯示為中高磁異常，異常幅度在平面上變化相對較緩，只有局部地區(qū)顯示為中低磁異常，可以清楚的識別出北北東向和北北西向的兩條橫斷裂。

1.3 地震剖面響應(yīng)特征

地震資料經(jīng)過處理、解釋以后，可以對各種構(gòu)造現(xiàn)象進行識別研究。

從地震剖面上來看(圖2c)，橫斷層多屬于主斷裂的伴生斷層，其規(guī)模以及垂向位移量相對主斷裂較小。在地震剖面上主要表現(xiàn)為花狀或弱花狀走滑斷層，斷面呈高角度向深部延伸，斷面上緩下陡，同相軸明顯被錯斷，但其兩側(cè)地層產(chǎn)狀受橫斷層影響變化不大。

圖2 橫斷層地球物理和地震特征

2 北天山橫向斷層成因類型及特征

北天山地區(qū)已被證實的橫斷層主要有米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層、紅車-巴音溝東橫斷層、頭屯河橫斷層、三屯河橫斷層、石梯子橫斷層、塔西河橫斷層、南瑪納斯橫斷層、呼圖壁橫斷層、瑪納斯橫斷層、清水河橫斷層、安集海橫斷層、獨山子橫斷層、奎屯河橫斷層。根據(jù)橫斷層自身特征及其與北天山主逆沖斷裂帶之間的關(guān)系，認為這些橫斷層主要有兩種成因類型：①先存區(qū)域性橫斷層；②主斷裂逆沖差異調(diào)節(jié)斷層。

2.1 先存區(qū)域性斷層

在印度板塊和歐亞大陸強烈碰撞的影響下，準噶爾盆地南緣經(jīng)歷了多期擠壓兼扭動變形，發(fā)育近東西向的主逆沖斷裂、北北東和北北西向的橫斷層。早二疊世的裂谷盆地形成了半地塹(或地塹)與半地壘(或地壘)相間排列或穿插、交織的隆、坳構(gòu)造格局，它們常常一側(cè)或雙側(cè)受到正斷層系的控制。總體來看，裂谷帶的展布有2個優(yōu)勢方向，北東-北東東向和北西西向，其中以北東-北東東向更占優(yōu)勢一些：①米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層屬于先存型區(qū)域性斷裂，北東向的烏拉泊裂谷經(jīng)后期變形，形成米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層的先存構(gòu)造；②紅車-巴音溝東橫斷層屬于先存型區(qū)域性斷裂，北西向的車排子?xùn)|緣裂谷經(jīng)后期變形，形成紅車-巴音溝東橫斷層的先存構(gòu)造。這兩條斷裂在早-中二疊世就已形成，后來受燕山期、喜山期強烈的區(qū)域擠壓應(yīng)力場的作用，發(fā)育為橫斷層。

2.2 主斷裂逆沖差異調(diào)節(jié)斷層

程光鎖等[10]在北天山地區(qū)沿逆沖方向繪制了六條近南北向的區(qū)域平衡地質(zhì)剖面(表1)。從盆地平衡剖面的擠壓縮短量和縮短率結(jié)果可以看出，準南沖斷帶各段的運動速度和變形強度存在一定差異，地殼縮短量變化范圍7～13 km，縮短率變化范圍13%～22%，擠壓強度明顯不同。由于不同部位的變形幅度和位移各不相同，它們之間就會產(chǎn)生錯斷，即為沖斷帶發(fā)育的橫斷層。橫斷層的存在為這些塊體差異運動起到一定的調(diào)節(jié)作用，通過這些橫斷層，保持了沖斷帶橫向上總體縮短量沿走向漸變的關(guān)系。例如，單斜構(gòu)造之上的第一排背斜帶，其東段斷層的位移量基本全部被滑脫斷層及上覆的背斜所減緩和吸收，因而第一排背斜東段以北缺失第二排背斜；而西段隨著第一排背斜逐漸傾伏，有一部分位移量又開始向北傳遞，因而第二排背斜帶相應(yīng)開始出現(xiàn)[11]。因此，這三排背斜帶在走向上的規(guī)律反應(yīng)了橫斷層在背斜之間的差異調(diào)節(jié)作用。

表1 準噶爾盆地南緣中段地區(qū)平衡剖面的縮短量[10]

3 準南沖斷帶橫斷層形成機制

準噶爾盆地南緣印支初期以來受印度板塊的歐亞大陸強烈碰撞的影響，表現(xiàn)出明顯的走滑運動特征，根據(jù)盆地周緣造山帶與盆緣構(gòu)造帶的力學(xué)性質(zhì)和排列特征得出，準噶爾盆地南緣西部為右旋壓扭。張玉蘭等用大理石粉及食鹽材料開展了構(gòu)造物理模擬實驗初步模擬了準南沖斷帶的形成、演化過程[12]：準南沖斷帶在右行壓扭應(yīng)力的持續(xù)作用下依次形成了由四排逆沖斷裂組成的斷裂-背斜構(gòu)造帶，在剪切應(yīng)力的持續(xù)作用下，出現(xiàn)了與逆沖斷裂斜交的北北東、北北西向的張扭性斷裂構(gòu)造帶。橫斷層與主逆沖斷裂帶基本同步發(fā)育，根據(jù)橫斷層的規(guī)模大小，又分為區(qū)域性橫斷層和局部性橫斷層。區(qū)域性的橫斷層使得準噶爾盆地南緣整體呈現(xiàn)出東西分段的構(gòu)造特征，局部性的橫斷層使得每段的構(gòu)造變形更加復(fù)雜。不論區(qū)域性橫斷層還是局部性橫斷層均屬于主逆沖斷裂帶的伴生構(gòu)造，在控制準南地區(qū)地貌、地形、構(gòu)造、地震等特征方面扮演了重要的角色。

4 橫向斷層地質(zhì)意義

4.1 橫斷層造成兩側(cè)地塊構(gòu)造活動性差異巨大

斷裂帶兩側(cè)活動強度差異會導(dǎo)致兩側(cè)地形地貌、變形特征、構(gòu)造樣式等產(chǎn)生差異。以米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層為例，該斷裂使得北天山東段和中段構(gòu)造變形強度和樣式差異很大。中段主要發(fā)育三排背斜，為壓扭斜列構(gòu)造，從橫斷層向西延伸，背斜總體走向由北東東轉(zhuǎn)為北西西方向；東段也發(fā)育三排背斜，但從橫斷層向東延伸，背斜總體走向由北東向轉(zhuǎn)為北西，呈向北凸出的弧形展布，逆沖方向為北西向。在布格重力異常圖上，米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層西側(cè)從南向北重力梯度明顯逐漸增高，異常等由東向西逐漸稀疏；斷裂東側(cè)博格達山隆起向周圍重力梯度逐漸降低(圖2a)。

以紅車-巴音溝東橫斷層為界，北天山中段東西方向因擠壓應(yīng)力的差異及南北向橫斷層的影響分為兩個弧形逆沖塊，其中西逆沖塊逆沖推覆距離較大，但基底卷入帶較窄，構(gòu)造類型相對東逆沖塊較簡單，下構(gòu)造層為燕山期斷背斜，上構(gòu)造層為喜山期披覆背斜；東逆沖塊構(gòu)造變形強烈，因強烈擠壓推覆距離較小，基底卷入帶相對較寬，多發(fā)育兩翼對稱背斜(圖3)。

圖3 準南沖斷帶結(jié)構(gòu)剖面

4.2 橫向斷裂的控震作用

橫斷層在與主斷裂帶聯(lián)合發(fā)震和控制余震傳播方面扮演著重要角色。規(guī)模較大的橫斷層不僅可以與主斷裂帶聯(lián)合發(fā)震，而且能夠限制逆斷層型的地震余震的傳播[13]，大型橫斷層的斷裂帶變形強烈，能夠吸收部分巨大的地震能量從而使得地震波迅速衰減，能量減弱，進而終止余震的發(fā)生或者減弱余震強度。呼圖壁Ms6.2地震發(fā)生后，余震主要呈近東西向分布在準噶爾盆地南緣斷裂的北側(cè)，與準噶爾盆地南緣斷裂的走向一致。此次地震是石梯子橫斷層左行走滑與霍爾果斯-瑪納斯-呼圖壁斷裂帶逆沖活動引起[14]，隨后，塔西河橫斷層發(fā)生右行走滑，因此余震主要向西傳播且在塔西河橫斷層終止(圖4、5)。

圖4 新疆呼圖壁Ms6.2地震發(fā)震機制綜合示意圖[14]

圖5 新疆呼圖壁Ms6.2地震及余震震中分布和結(jié)構(gòu)剖面(改自中國地震局地球物理研究所)

5 結(jié)論

(1)根據(jù)地貌遙感、重、磁異常及地震剖面響應(yīng)，認為北天山地區(qū)發(fā)育13條橫斷層：即米泉-烏魯木齊-永豐橫斷層、紅車-巴音溝東橫斷層、頭屯河橫斷層、三屯河橫斷層、石梯子橫斷層、塔西河橫斷層、南瑪納斯橫斷層、呼圖壁橫斷層、瑪納斯橫斷層、清水河橫斷層、安集海橫斷層、獨山子橫斷層和奎屯河橫斷層。

(2)該區(qū)橫斷層兩種成因類型為：先存區(qū)域性斷裂和主斷裂逆沖差異調(diào)節(jié)斷層。先存區(qū)域性橫斷層包括米泉-烏魯木齊-永豐和紅車-巴音溝東斷裂，在早-中二疊世形成，后受燕山期、喜山期強烈的區(qū)域擠壓應(yīng)力場的作用，發(fā)育為橫斷層；主斷裂逆沖差異調(diào)節(jié)斷層由于在準南不同區(qū)域擠壓的縮短量和縮短率不一，擠壓強度明顯不同，不同部位的變形幅度和位移各不相同，之間產(chǎn)生錯斷發(fā)育橫斷層。

(3)橫斷層對主斷裂帶起到東西分段的作用，每段的地形地貌、構(gòu)造變形特征、地震活動性等具有明顯差異。