Question

构造演化阶段及动力学机制

Answer 1

为了研究构造的形成机制、动力作用方式和构造演化规律，在野外系统收集了各类节理5000余条，结合区域应力特征进行野外分期配套，并在室内采用求解主应力状态的应用程序，全部节理点应力状态由计算机自动恢复，同时，结合煤镜质组反射率各向异性的测定和典型断裂带岩石定向样的岩组分析，确定构造演化阶段，恢复各期古构造应力场。

通过点应力状态恢复，求得中间主应力轴σ₂近于直立（σ₂倾伏角为80°～90°），最大和最小主应力轴σ₁和σ₃近于水平（σ₁，σ₃倾伏角变化于0°～12°之间）。选用σ₁、σ₃水平尺码线做各期应力轨迹图，以反映各期应力在全区的变化趋势。根据构造形迹间的复合关系和从动力学及运动学方面对动力源、动力作用方式及其特点、运动机制、运动性质及动力作用路线的研究，结合区域构造分析，可将本区主要构造演化分为三个阶段，即印支期、燕山期和喜马拉雅期。与此相对照，形成了三期古构造应力场，这些方面的研究是认识控气构造及其网络发生发展的基础，也是厘定现今导气、阻气和储气构造的直接依据。

5.3.1 第一阶段——印支期

由图5.38可见，最大主应力σ₁作用于近南北方向，σ₁在全区的平均方位为NE8°。最小主应力σ₃在全区的平均方位为N100°。σ₁在北区北部和南北区的交界地带为南北向；在南区和北区南部，σ₁方向略偏转为北北东－南南西方向（σ₁在南区为NE10°，在北区南部为NE8°）。从全区来看，本期应力场分布比较均匀，全区未出现明显的应力集中与分散现象。

图5.38 印支期主应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态

从动力学角度分析，上述主应力来自因秦岭地槽的最终封闭和华南陆块的向北推挤作用，鄂尔多斯地块遭到了强大的由南向北的推挤力，动力作用方式以挤压为主，动力作用路线为南北向。因此产生一系列东西向展布的压性构造和南北向展布的张性构造。区内近东西向的褶皱等压性构造可能形成于这一时期。野外节理资料表明，这一时期也形成了北西向与北东向两组共轭剪节理。它们都为后期构造的发育奠定了一定基础。

5.3.2 第二阶段——燕山期

本期构造应力场的主要特征是，最大主应力σ₁处于南东－北西方向，平均为N307°，最小主应力σ₃处于北东－南西方向，平均为NE38°。应力碧樱在全区分布较均匀，应力集中与分散现象不明显，且主应力轴方位稳定。南区σ₁作用于N295°一线，北区σ₁作用于N306°一线。但应力在南北区之间的交界地带分布明显不均，由北向南，应力先分散后集中，且主应力方向变化较大，总体上σ₁作用于N320°一线（图5.39）。

图5.39 燕山期主应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态

此期的动力学特征是，随着库拉－太平洋板块对中国大陆施加的影响加剧，使得中生代已经发育起来的鄂尔多斯沉降盆地遭到强烈的侧向挤压和扭动，导致原沉降盆地上隆消失。动力源来自东南方向，动力作用方式仍为挤压作用，但在受到鄂尔多斯东缘近南北向的边界限定后，又使其发生左旋扭动。这样，由于动力作用路线及运动性质的改变，便在本区发育起一系列以左行压扭为特征的构造形迹。区内的F₁正断层和F₂逆断层在这时均应属压扭性逆断层，受此期应力影响，有可能使原印支期内已发育起来的东西和北东向构造因受挤压而产生不同程度的闭合，唯有原已存在的北西向构造因受张应力复合而开启。同时，还可能产生新的北西向张裂和近于悔困丛东西和南北方向的共轭剪节理。

这个时期的构造作用对本区影响最大，为了确定煤层中构造动力作用方式、性质及作用路线，也为了准确印证此期左旋扭动作用的存在，作者在南北两区各选择了两个采样点采集定向煤样，用显微光度计在无划道的正常镜质组区域分散颗粒上测定反射率值。同时，在象山矿边部于F₁断层带上采集定向岩样进行X射线岩组分析。

由近1600个反射率数据的测定结果表明：

1）区内各样品反射率具明显各向异性，其最大值为2.412，最小值为1.247，中间值为1.707。正性光率体和负性光率体都有，并和邻近地区所测数据也有较好的对应性（表5.12）。显然区内镜质组反射率正向光率体和负向光率体都有。说明区内镜质组反射率为两轴光性，系侧向挤压应力作用的结果。

表5.12 主反射率、双反射率值一览表

2）光率体长轴方位的最大值为54°，最小值为35°。平均值为44.5°，与区内北东向褶皱和断裂方位基本相同。由此恢复的古构造挤压应力方位为N140°，与燕山晚期区域应力场的挤压方向也基本吻合（表5.13，图5.40）。

表5.13 光率体长轴方位与主干构造走向方位对照表

图5.40 区内及邻近矿区煤层镜质组光率体水平截面分布图

3）平均反射率和最大反射率的变化与区内构造的复杂程度差异性相对应，越接近主要褶皱轴部其数值越大，而这里遭受的构造变动相对剧烈。最小值位于桑树坪矿所在地带，这里的构造相对比较简单。总的平均反射率由西向东有增大之势。而北东向构造的影响大体上也是由东向西减弱的。

上述三点表明，燕山期动力作用在煤层中有明显反映，因此煤层构造也主要形成于这一时期。

X射线岩组分析是在宏观构造变形研究的基础上进行矿物晶格变形研究的一种新方法。其原理可简述为在同一定向标本上采取一定量岩石制成粉晶，然后测量矿物各面网衍射强度值，并由计算机直接绘制粉晶曲线图，该图反映的矿物面网无变化，即说明矿物无定向性。其次是在同一标本上切制定向薄片，作X射线衍射分析。用得出的曲线图与粉晶曲线图上对应面网衍射强度进行对比。其值接近1（一般相差不大于5%），即认为矿物无定向性，反之则具定向性。此定向性一般是因构造挤压、剪切或压扭作用造成的。对比图5.41、图5.42可见，F₁断层带方解石和白云石矿物的许多面网峰值强度在两种曲线上有明显差异，对应面网衍射强度比值差均大于5%（表5.14）。这就说明了这两种矿物均具有明显或较明显的定向性。结合断层面大量发育的擦痕和节理构造特点，这种定向性是压扭作用的产物。

图5.41 象山沟口F₁断层面定向岩块粉晶X射线衍射曲线图

图5.42 象山沟口F₁断层面定向岩块薄片X射线衍射曲线图

表5.14 X射线衍射数据表

注：A为粉晶；B为定向岩块；①为具较明显定向性；②为具明显定向性。

以上分析进一步说明了本期构造变形的动力作用方式是以压和压扭作用为主。

5.3.3 第三阶段——喜马拉雅期

从图5.43反映的喜马拉雅期主应力轨迹图上可见，本期应力场的主要特征是：最大主应力σ₁，转为北东－南西向，全区平均方向为NE38°，最小主应力σ₃为北西－南东向，平均为N130°。该期应力场在全区分布不均，集中表现在应力场在南北区交界地带明显集中，σ₁迹线在此呈明显聚拢之势，导致这里的构造复杂化。就全区而言，σ₁方向变化不大，主导方位为NE40°，只是在北区北端略向北北东－南南西方向偏转，主导方位为NE23°—N203°。喜马拉雅期构造演化就动力学和运动学特征而言，又可分为古近－新近纪和第四纪两个时期。

图5.43 喜马拉雅期应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态

5.3.3.1 古近－新近纪时期

此期欧亚板块、太平洋板块和印度板块之间几乎同时发生了两起重大构造事件，一起是原向北北西方向运动的库拉－太平洋板块在库拉板块向北消亡后，太平洋板块转向北西西方向运动；另一起是澳大利亚－印度板块与欧亚板块碰撞制止了欧亚板块的逆时针旋转。同时，印度板块在碰撞后继续向北推挤，对中国大陆施加强大的右行压扭作用。黄汲清等也认为，新生代以来华北等地一系列右行张扭性断陷盆地的发生、发展以及现代地震的产生都和这一作用有密切关系。其他构造特征也显示出亚洲大陆相对于太平洋板块正作由南向北的运动。

第一起事件的动力作用方式以挤压为主，动力作用路线为由东至西的推挤，渭河断陷的产生即是这种动力作用的结果。

第二起事件较第一起影响更为深刻。此时平行于龙门山方向的挤压作用力遇到秦岭褶皱带时分解为一对左旋扭动力，而在鄂尔多斯东南缘则组成为右行扭动力偶，在这对力偶作用下，北东向构造显张性，北西向构造显压性（煤层褶皱的形成与此期有关），而东西向和北北东向构造或具压扭性，或具张扭性。但考虑到区域主张应力方向为北西－南东向，故本区扭性和压性作用应不是主要的（图5.44），而沿近南北向的拉张伸展作用和沿北西－南东向的拉张伸展作用开始起主导作用，这个时期在邻区形成了汾河地堑，使汾渭地堑系连为一体。

图5.44 新近纪区域应力场及局部应力场示意图

5.3.3.2 第四纪时期

第四纪以来，随着汾渭断陷盆地的大幅度拉伸作用，区内有些断层明显活动，地震活动、滑坡、水系变迁等现象非常普遍。牵动了早期已形成的各种构造形迹，使它们均发生不同程度的张裂。如作为北东向活断层代表的F₁大断层，不同程度地切穿和控制了第四系沉积，其上盘第四系厚度在禹门口一带仅100m，而在英山一带却可达400m；卫星照片还清楚地反映出受F₁影响的许多水系发生明显的右旋错位现象，北西向活断层在韩城县城及F₁断层上盘发育较多，在近三千年内相对错动距离约2m，每年活动速率为

韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律

这与马杏垣等所确定的华北板块同期移动速率大体一致，从区域上看，北东向及东西向活断层的活动速率可能较北西向更大，这样，若把第四系下限放在2Ma前，F₁断层第四系以来沿倾向水平位伸了479m，这个距离与F₁主断面以上阶梯状断层组平面组合宽度也大致相当。

按史牛坡断层产状计算，第四系地层平面拉伸距离约0.55m，这与韩城上峪口、西垣山、华子山、西北庄一带灰岩出露区所见的缝型裂隙张开宽度的平均值也很相近。

区内东西向断裂活动直接控制第四系沉积的例子不多，但参照本区西南邻近地区的东西向断层的活动特征，仍可说明本区此时的张裂活动幅度。如邻区的鲁桥－关山断裂，其上盘第四系厚度大于1200m，下盘约600m，如果和区内北东向活断层的活动幅度比较，东西向构造的活动幅度可能要较北东向或北西向更大。

图5.45 鄂尔多斯及其周缘地壳垂直形变速率图（1955～1986年）

等速率线单位：mm/a

（据国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）

由此可见，区内此期动力作用方式主要为拉张伸展，动力作用路线沿北西－南东向，其次为南北向以及由之所派生的北东－南西向。结果形成了一系列近东西向和北东向的正断层和北西向的传递断层，正断层均沿伸展方向呈阶梯状跌落、传递断层则由于北东和东西向正断层扩张速度的差异而产生，但也以张性或张扭性为主。区内多方向拉张伸展作用一直持续到现代，据近期大地测量成果可见，本区地壳垂直形变速率为2～7mm/a（图5.45），邻近地区的地壳垂直形变地质剖面也显示了较大幅度的沉降作用（图5.46），这些都是平面拉张伸展效应的直接依据，二者也有很好的对应关系。

图5.46 绥德—西安垂直形变（1976～1986年）地质剖面图

（据国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）

综合上述，区内在地史时期因多期多方向构造应力作用产生的多组构造形迹，从其最终显示的力学性质来看，北东—北北东向破裂构造应具张或张扭性质，近东西向构造具张性，北西向具张扭性，其他方向均具不同程度的压或压扭性。喜马拉雅期以来，煤层中虽也形成或继承发育一系列近东西和北西向褶皱，但均比较宽缓，沿其轴部和两翼，张性破裂复合是一重要构造特征。

伴随汾渭地堑系张裂伸展构造的广泛活动，致使全区各种构造形迹均受到不同程度地牵动而发生开启，尤以上述几组方向的破裂构造开启最甚。就南北区而言，南区更靠近汾河地堑和渭河地堑伸展系的交汇处，故破裂构造的伸展开启作用更强于北区。