Question

构造应力场初步分析

Answer 1

2.4.1构造应力场的基本概念

构造运动是在区域地球动力学背景下发生的，受到区域构造应力场的控制，同时在一定的区域形成了与区域应力场相适应的区域应变场。反过来，我们可以通过对某一次构造运动形成的区域应变场的分析，了解当时的区域应力场和地球动力学的特征。这种区域应变场的特征与要素可表现在许多方面，最直观的就是构造变形，如褶皱、断裂、节理、面理和线理等构造要素的几何学、运动学及动力学特征;常见的还有不整合的类型、特征、强弱与分布;岩浆活动(包括岩体、岩脉、火山活动等的区带、方向和活动性质等)、变质作用的强度、方向性等;构造变位的特征，如隆起、剥蚀强度、掀斜作用等;同构造期沉积盆地或坳陷(凹陷)性质、结构、方向、展布与充填特征等。

图2.53 应力状类型及其在平面上的表示图

箭头—水平应力轴方位，其长度反映应力值相对大小，与R值有关;应力状态圆圈中白色并指向外的箭头表示伸展应力轴及其相对值，黑色并指向内的箭头表示挤压应力轴及其相对值;应力状态圆圈中心的实心小圆圈表示伸展状态(σ₁垂直);中心为点表示走滑状态(σ₂垂直);中心为空心小圆圈表示挤压状态(σ₃垂直)

据近年来一些学者在许多典型地区的研究(D.Delvaux等，1995;Angelier，1991、1989)，构造运动的区域应变场与区域应力场表现出更多的复杂性与多样性。过去常常习惯于将区域应力场归结于单轴的挤压或伸展等，现在看来，区域应力场除了单轴的(或单纯的)挤压、伸展、走滑应力场之外，更多的是一种复合的应力场，如双轴或多轴(各轴向应力场强度不等或近似相等)挤压、伸展应力场、伸展兼走滑、走滑兼伸展、挤压兼走滑、走滑兼挤压应力场等(不同轴向的挤压、伸展、走滑的强度可不相等)(图2.53)。应力场的特征可用简化的应力场张量参数表示(Angelier，1991、1989):主应力轴σ₁(最大压应力)、σ₂(中间应力)、σ₃(最小压应力)和不同主应力轴应力差值的比率R=(σ₂－σ₃)/(σ₁－σ₃)，以及最大与最小主压应力值的比率(σ₃/σ₁)和岩石力学参数(强度)。

参考图2.12的应力状态类型及其在平面上的表示方法，主要根据准噶尔盆地南缘及其邻区不同构造运动所形成的构造变形、不整合类型与分布、隆起与剥蚀情况、同构造运动期沉积凹陷的发育特征等方面，初步建立了本区及邻区不同期次构造运动的区域应力场模式(图2.54)。

2.4.2海西运动中期的变形场与应力场

海西运动中期是准噶尔盆地南缘及邻区基底构造的主要形成时期，也是北天山及中天山构造格局重要的形成时期。在喀腊哈依特达坂—阿腊散断裂带以南，形成了中天山NW向构造带，褶皱、逆断层等压性、压扭性构造及相伴的扭断裂相继发育，随之，北天山造山带亦开始发育，形成一定规模的闭合—紧闭褶皱构造和伴生断裂。这些造山带的构造特征，以压性断块与基底逆冲为典型，表现为一系列倾向后陆彼此叠置的逆冲岩片，其间的地层夹块均被强烈变形，分布于中天山及北天山造山带中。喀腊哈依特达坂断裂带为该构造带的典型代表，具有显著的压性、压扭性块段与基底逆冲特征，位于伊林哈比尔尕山主峰以北，断裂带之间的地层夹块均被强烈挤压变形，形成冲断岩片和紧闭线状斜歪褶皱。

据江汉油田研究院研究(2005)，海西运动中期，基本完成了现今中天山的变形结果及北天山一定程度的构造形态。水平应力作用是从中天山开始并持续向北发展的，挤压作用是由南或SSW方向向北或NNE方向传递的，而且呈持续作用的方式进行。研究区最大主压应力迹线主体为SSW—NNE向，基本上是比较稳定的。反映区内构造运动主要来自中天山作用力的影响，反映压性构造走向的最小主应力所表明的区内主体构造线为NW、NWW向及EW方向，基本上具有稳定的分布。

2.4.3海西运动晚期的变形场与应力场

晚期海西运动包括三幕，分别发生于早二叠世末—中二叠世初期、中二叠世末期—晚二叠世初期和晚二叠世末—早三叠世初期;主要使准噶尔盆地早二叠世的裂谷期层序、中二叠世的坳陷期层序及晚二叠世的挤压挠曲阶段层序发生了不同程度的反转与挤压变形作用。这三幕构造运动的性质与特征大致相似，具有渐近、逐渐增强的特点。其中，北东向的裂谷－坳陷带及其层序的挤压反转作用要稍强一些;北西西向或近东西向的裂谷－坳陷带的挤压反转作用总体要弱一些，只是局部较强一些。从空间上看，以准西北地区和准西地区最为强烈，准南缘地区和准东地区相对变形要弱一些。如在准西地区的车排子凸起东缘、准西北地区的克夏断阶带，海西运动晚期形成了一系列的叠瓦状逆冲—推覆构造，这些构造带的走向由准西—准西北—准北地区，具有从近SN向—NE向—NEE向—近EW向的弧形变化特征，总体的构造走向以NE向为主。在盆地内偏西北部的玛湖凹陷及邻区，海西运动晚期也形成了明显的北东向褶皱变形带。在准噶尔南缘的柴窝堡地区，早二叠世的达坂城裂谷带遭受了一定程度的挤压反转作用，可能形成的古构造线为北东向褶皱及反转断层;在吉木萨尔南侧，可能形成了北西西向的宽缓褶皱，造成下仓房沟群与芦草沟组的不整合接触，其间缺失红雁池组;在盆地南缘中段的头道河子—清水河子南侧一带，下二叠统火山－碎屑岩建造的阿尔巴萨依组在该期发生较强烈构造变形，形成北西西向的褶皱、断裂带，其上可见为仓房沟群所不整合覆盖;在南缘东端的梧桐窝子凹陷南侧，类似于阿尔巴萨依组的下二叠统火山岩建造也形成了北东向的褶皱与断裂带。在准东克拉美丽山地区，二叠系形成了NW-NWW向的褶皱与断裂带，其上被三叠系或侏罗系不整合覆盖。

图2.54 准噶尔盆地南缘及邻区二叠纪—新生代构造运动的区域应力场模式综合图

注:箭头代表应力轴的方位，其大小反映了应力的相对大小;白色箭头表示伸展应力轴，黑色箭头表示挤压应力轴;实心圆圈代表伸展状态，空心圆圈代表挤压状态。

总体来看，晚期海西运动的构造应力场在准噶尔地区具有双向挤压的特征;主挤压应力方向可能为NWW—SEE向;次挤压应力方向可能为NNE—SSW向。由于盆地北侧的变形强烈，南侧相对较弱，所以推测主动力来源于北侧，特别是北西侧是主要动力来源。

2.4.4印支期的变形场与应力场

盆地南缘及邻区，印支运动包括两幕。印支期，准噶尔盆地南缘构造向盆地内部开始发育，但在发育规模上从西向东是有明显差异的。整体而言，在北天山西部印支期构造活动是比较弱的。而在北天山东部印支期构造表现较强，并逐渐过渡到柴窝堡凹陷及博格达山北缘。在柴窝堡凹陷从东到西，印支形成的构造的走向从NEE—NE向;形成了达坂城次凹中很多构造的雏形(如覆于侏罗系之下的东沟背斜、西沟下寺背斜、西沟东向斜、达连湖向斜和哈拉房子背斜等)，三葛庄宽缓背斜及其两翼的逆断层(组成背冲式构造组合)、永丰宽缓向斜及其两翼的逆断层(组成对冲式构造组合);还形成了分割柴窝堡构造带与米泉构造带的红雁池—柳树沟右行走滑—逆冲断层以及相伴的雁行排列的小褶皱等。

在准噶尔盆地的西部—西北部及邻区，印支期的构造变形也比较强烈。据研究，该地区的构造变形具有由西南部向东北部逐渐增强的特点:在四棵树凹陷的北部，印支运动形成了具有入字型特征的艾卡西断裂构造带的基本轮廓;在车排子凸起东缘和克—夏断阶带，海西晚期的逆冲—推覆构造带在该期又强烈活动，其中又以乌—夏断裂带活动最为强烈，形成了多排逆冲—褶皱构造。

这些印支期的构造变形特征和不同地区的差异性，反映南缘地区可能是在SE—NW向的挤压力作用下递进变形的产物，使得南缘地区西段挤压作用较弱、而东段挤压作用较强。南缘地区东段的野外调查表明，一组主应力为SE—NW方向的剪节理确定的主应力σ₁、σ₂、σ₃方向分别为330°∠22°、135°∠84°和240°∠6°;红雁池—柳树沟断层的擦痕及牵引褶皱构造组合也指示SE－NW方向的σ₁(江汉油田研究院，2005)。

在印支运动的NW—SE向挤压力作用下，作为北天山褶皱带南部边缘主干构造的博罗科努－阿其库都克深断裂带可能主要表现为右行走滑性质的活动;而北部边缘的主断裂带可能具有与红雁池—柳树沟断裂带类似的活动特征，主要表现为右行走滑－逆冲活动的性质。由于边缘断裂带走滑兼逆冲活动的分隔作用，因而造成了南缘中—西段印支期构造变形不太显著的特点。

印支运动NW－SE向挤压作用的动力来源推测一方面可能与本区北侧的蒙古—鄂霍茨克洋西段的早期碰撞作用有关，另一方面可能与本区东南侧的东昆仑地区阿尼玛卿洋的俯冲—碰撞作用、松潘—甘孜构造带的形成、可可西里—金沙江洋的闭合作用等有关。

2.4.5燕山运动早期的变形场与应力场

早期燕山运动包括3幕，分别发生于中侏罗世西山窑期末—头屯河期初、中侏罗世末—晚侏罗世初和晚侏罗世末—早白垩世初;3幕运动具有逐渐增强的特点，以最后一幕表现最为强烈。

早期燕山运动在南缘地区变形比较强烈。在南缘中段，北天山带此期得到了进一步的发展，从石场山前断裂带到拜辛德达坂—萨热塔克塔依南逆断层之间的北西西向逆冲断褶带进一步活动，使得一些边缘凹陷中沉积的侏罗系发生抬升、剥蚀，并脱离盆地主体，其上白垩系以上地层一般不发育(如阿什里、玛纳斯河上游等地);并开始继续向北、向准噶尔盆地推进，形成了山前第一排构造的雏形，第二排构造可能也开始有所显示。由独南背斜剖面可以看出侏罗纪末这次运动形成背斜的雏形，顶部晚侏罗世地层遭受剥蚀，更新世末再次活动，形成目前的独南剖面。该地区的南安集海背斜、乌拉斯台向斜、小安集海向斜等主要由三叠系—侏罗系组成，背斜走向为NEE向，与后期形成的褶皱带明显不协调，也应为该期形成。

在研究区东段南部(柴窝堡凹陷及其邻区)，由于博格达山在晚侏罗世开始强烈隆升，并开始向南北仰冲，加上柴窝堡凹陷南的北天山段继续向北挤压，使柴窝堡凹陷形成一种南北对冲的格局，在凹陷内开始形成近EW—NEE向的逆断层、逆冲断层，以及褶皱。这些褶皱作用开始叠加在印支期形成的近于北东向的较小规模的褶皱上，成为一种斜向的褶皱叠加改造格局。但大部分地区仍然以断裂作用为主。达坂城次凹受到南北双向的挤压作用，对冲和背冲构造发育。盐湖北断层和盐湖断层及其共同的下降盘、柴窝堡断层和柴湖断层及其共同的下降盘组成达坂城次凹两个对冲构造。而盐湖北断层和柴湖断层倾向相向，其共同的上升盘向上弯曲，发育为背冲构造。

在博格达北缘，由于博格达隆起并向北的仰冲，形成了环博格达山的半圆弧的构造带，该构造带以叠瓦状的形成从博格达基底卷入型构造向盆地内逐渐发展，并开始发展形成滑脱型构造。侏罗纪末—白垩纪初，博格达开始强烈隆升，向南北两缘发生仰冲，发育基底楔冲构造。表现为一系列倾向山体相互叠置的逆冲岩片，其间的地层变形为冲断岩片和紧闭型弧形斜歪褶皱，形成博格达北缘山前的第一、二排构造的雏形。

在四棵树凹陷，早期燕山运动形成了固尔图入字型断裂构造;同时使印支期开始发育的艾卡西入字型构造进一步被改造而加强;卡、因迪克雁列构造也开始发育;此外，高泉背斜带内的一些深层的基底卷入式构造也可能在该期开始发育。

在盆地腹部，最为典型的是车—莫低隆起开始形成;在盆地西北部的车排子凸起东缘—克夏断阶带，此时也再次发生了较强的冲断活动。

根据构造变形场分析，构造应力场特征主要表现为最大主压应力为NNW—SSE方向。江汉油田研究院(2005)通过对研究区剪节理的共轭角的求取，计算了差应力值，在北天山山前带差应力在100MPa左右，在博格达山北缘差应力变化较大，50MPa、100MPa到150MPa均有发育。但从总体变形强度来看，东段较强，中段到西段变形明显逐渐减弱。

该时期在NNW—SSE方向为主的强烈挤压作用下，南缘中—西段的山前边缘断裂带可能仍表现出明显的右行走滑—兼挤压逆冲、褶皱变形的构造特征。从固尔图与艾卡西入字型构造、卡因迪克雁列构造、北东东向的南安集海背斜、乌拉斯台向斜、小安集海向斜等与北西西向的头道河子—牛圈子主断裂的交切关系、北东东向的阿什里侏罗系褶皱束与北西西向的北天山断褶带的相互关系等都说明了这一点，这可能也是造成南缘地区该期变形东强西弱的原因之一。

总体来看，准南中—西段的山前边缘地区，印支期—燕山早期均具有明显的右行走滑—兼挤压逆冲的活动性质，并造成了东强西弱的构造变形、相应的地层切割关系和构造配套关系，这是南缘地区具有走滑变形的主要时期，可能也是奠定准噶尔盆地具有现今似菱形盆地外貌的原因(推测盆地东北侧的一系列边缘断裂带也具有类似的右旋压扭性特征);从此以后，准盆南缘中—西段地区才可能真正进入以逆冲—推覆构造为主的变形活动阶段。

燕山早期陆内挤压作用沿北天山继续向北推进扩展，以及博格达山隆升向北的仰冲推覆作用，具有明显的构造动力学模式，其运动的动力来源可能与本区北侧的蒙古—鄂霍茨克洋中—西段的闭合及南侧的班公湖—怒江洋的俯冲—碰撞作用有关。

2.4.6燕山运动晚期的变形场与应力场

晚期燕山运动包括两幕，分别发生于早白垩世末—晚白垩世初和晚白垩世末—古近纪初。总体看，晚期燕山运动在准噶尔盆地表现较弱，其中南缘地区和准东地区表现明显一些，北部地区表现更微弱。

主应力方向:柴富堡地区为NE—SN向;米泉地区为南北向;盆地腹部以南北向为主;盆地总体为SN—NNE向。在盆地边缘断裂活动为压性—压扭性，继承燕山运动早期特征，以盆缘向盆内逆冲、推覆递进。

2.4.7喜马拉雅运动的应力场

喜马拉雅运动包括古近纪末、中新世末、上新世末及更新世末。喜马拉雅运动是中新生代以来最强烈的一次构造运动，各类构造体系两次强烈活动，并以复合、联合的方式铸成了现今的构造格局。

主要应力方向以南北向为主，并具有强烈的压扭性特征。经盆地周边对比研究，认为盆地南缘的天山造山带以快速崛起和向北逆冲推覆，成为准噶尔盆地的主应力场特征。

在柴窝堡凹陷及其邻区，喜马拉雅期形成的构造，一方面继承了燕山期的特征，在凹陷内叠加南北对冲的格式，形成近东西向的逆断层、逆冲断层，及相伴的褶皱;另一方面又改造燕山期的构造原型，由于作用方式相近，导致原生构造幅度增大。博南断裂是继燕山期之后在喜马拉雅期再次发生滑覆—逆掩活动的典型例子。从博格达山南侧的重力滑动向南到柴窝堡凹陷的北缘转变为逆冲断裂，该断裂下盘还发育一系列伴生构造。在达坂城次凹中，喜马拉雅期南北双向的挤压使对冲和背冲构造得到加强，同时发育近东西向的逆冲—褶皱组合。相对于燕山期，达坂城次凹的构造环境在喜马拉雅期发生改变，使燕山期的构造样式发生了改造与叠加。以柴窝堡构造带为例，燕山期柴窝堡背斜为近东西向的基底卷入断褶构造带，而到喜马拉雅期，在其基底卷入的基础上叠加了有明显盖层滑脱的断褶构造，并显著改造了燕山期的断褶构造带，反映出构造发展的阶段性。

在博格达山北缘，由于博格达山的隆升向NW—N—NE方向继续发生叠瓦状逆冲，在加强、加大了环博格达山的弧形压性和压扭性构造带的同时，又形成了博格达山北缘山前的盖层滑脱构造带(第三排、第四排构造带)。

在西部的托斯台—四棵树凹陷地区，喜马拉雅期变形使托斯台构造带强烈变形、最终定型;并向北扩展到高泉背斜带、四棵树—西湖背斜带和卡因迪克背斜带;在四棵树凹陷西部，喜马拉雅期构造变形主要集中在南侧边缘的四固南断裂带附近，主要形成基底卷入型的、垂直逆冲断距很大的山前冲断层系，但向北侧的挤压扩展变形作用有限。

喜马拉雅期区域变形场的统一性，清楚地揭示了该区构造应力场的基本特征，主要表现为平面上的单轴强烈挤压，主压应力方向为NNE—SSW向或近南北向。江汉油田研究院(2005)通过研究区发现的剪节理的共轭角对差应力值的求取，发现喜马拉雅期差应力与燕山期相比明显增大。北天山山前断裂带差应力值可以达400MPa以上，环博格达隆起山前局部断裂带差应力值也可达到300MPa以上，区域上差应力值略低，仅在150～200MPa间。通过双晶求取的差应力值在北天山山前一般在250～300MPa之间，在博格达南北两缘，南缘在210～300MPa间，北缘在240～300MPa间，局部点的值略低一些。整体反映了在喜马拉雅期构造作用的强度要远大于燕山期的构造强度。

喜马拉雅期构造运动影响十分广泛且强烈，它主要与印度次大陆和欧亚大陆强烈碰撞、陆内俯冲和持续地向北推挤作用所引起的区域性近南北—北北东方向的挤压作用有关，由于陆内聚敛作用使南—北天山、博格达山等再度复活。它不仅使造山带形成逆冲断层和褶皱，同时产生冲断山前坳陷和挤压山间坳陷，并使其中的沉积物也都卷入褶皱和逆冲变形，而且也使早期存在的侏罗纪、白垩纪盆地遭受改造。本区构造变形的强度总体上具有由南向北减弱的趋势。