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《中国地震局地质研究所》 2017年
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北天山前陆盆地前缘西湖背斜带第四纪构造变形

王浩然  
【摘要】:西湖背斜带位于北天山独山子背斜以北的前陆盆地最前缘,前人对北天山的研究主要集中在第二、三排活动褶皱-逆断裂带,对第四排西湖背斜带尚无系统的研究。本文收集了5条横穿背斜带的地震反射剖面(由东而西编号分别为A、B、C、D、E),通过地震反射剖面解译背斜深部构造、识别滑脱面与生长地层,结合地表地质地貌填图、变形阶地地形测量与释光测年等,利用深浅结合的方法对西湖背斜带的褶皱类型、生长机制、几何学与运动学特征、变形量与变形速率等进行了研究,获得以下初步认识:(1)西湖背斜带的空间展布与几何学特征西湖背斜带地貌上西起托古里克莫墩村,东至奎屯河,由长约33km、宽约8.5km、隆起幅度100m的平缓褶皱组成。通过轴面填图法将地震反射剖面解译的褶皱轴面通过平行投影的方式投影到地表面以此圈定褶皱变形范围,背斜构造东西向变形长度超过47 km、南北向最大投影宽度约12 km,向东、西两侧投影宽度逐渐减小。在地表变形幅度小、构造样式简单、呈对称状产出。地震反射剖面解译结果显示背斜带深部构造样式相对较为复杂,除在西湖背斜核部发育一系列次级断层外,在其北侧发育一变形幅度较小的背斜(称之为西湖北背斜)。西湖背斜地形高点位于奎屯河以西约12 km处,向东变形幅度快速递减,向西减弱相对较慢,这与地震反射剖面解译结果及缩短量计算结果一致。(2)西湖背斜带的滑脱面深度、褶皱类型及生长机制在5条地震反射剖面上均可清晰地识别出一条控制西湖背斜带生长的近水平滑脱面,该滑脱面可能发育在侏罗系下部煤系地层内。利用面积-深度-应变分析法估算背斜带东部滑脱面深度在地表以下约7.2 km,滑脱面略微南倾,坡度2°;在西部略浅,滑脱面在地表以下约6.3 km,也略微南倾,倾角1°。尽管在地震反射剖面深部识别出了一系列次级断层,但其发育规模小,并未发现控制褶皱生长的主断坡。地震反射剖面在背斜两翼均发育生长地层,其倾角远离背斜核部渐小,其厚度向背斜核部呈楔状减薄。横穿背斜的河流阶地面均发生了拱曲变形,在背斜南翼发生了向南的反向掀斜;阶地越老,拱曲幅度越大,掀斜角度越大。这些变形特征表明西湖背斜带是一以翼旋转机制生长的滑脱褶皱。(3)西湖背斜带褶皱的起止时间背斜地表出露区东段地震反射剖面A、B、C中,生长地层起始位置基本相同,分别位于地下约1.95km、1.99km、2.01km处,表明该处褶皱起始的时间基本相同。该处所有横穿背斜的河流阶地面均发生了褶皱拱曲,表明背斜在地表出露区33km范围内现今仍在褶皱抬升中。背斜隐伏区西端地震反射剖面D、E中,生长地层起始位置位于地下3.7km处,在3.3km处可见上覆地层超覆在西湖背斜之上,上覆地层基本未发生变形,背斜已不在活动,认为背斜在西段隐伏区14km范围内已不再活动。西湖北背斜变形幅度远小于西湖背斜,两者生长地层产出位置基本相同,因此西湖北背斜变形起始时间应与西湖背斜相同,现今仍在活动中。西湖北背斜可能是北天山前陆盆地晚第四纪变形的最前缘。(4)西湖背斜带变形特征与缩短量、隆升量利用面积-深度-应变分析方法计算了西湖背斜的变形量,5条地震反射剖面A、B、C、D、E的缩短量依次为652±72m、1065±70m、778±52m、197±36m、134±31m。缩短量在背斜地形高点(地震反射剖面B附近)最大,沿走向向背斜东、西两端逐渐减小,向东递减更快,这表明地形高点也是构造高点。5条地震反射剖面计算的盈余面积依次为0.56km~2、0.36km~2、-0.34km~2、0.56km~2、0.52km~2。在地震反射剖面深部发育一系列次级断层,我们认为褶皱在变形过程中面积可能不守恒,盈余面积的产生是由外部物质流入或内部物质涌出造成的。在区域沉积速率相同并保持不变的情况下,dS/dH值在一定程度上反映了背斜缩短速率的变化。地震反射剖面A、B、C由生长地层计算的缩短速率dS/dt与沉积速率dH/dt的比值dS/dH分别为0.23±0.02、0.44±0.03、0.30±0.04,这可能表明背斜缩短速率在地形高点处最大,向东、西两端渐小。不同地震反射剖面上均发现层间应变值从深部向上逐渐减小,表明线长缩短量占总缩短量的比重从深部向上逐渐增大。前生长地层的背斜隆升量从深部向上逐渐增大,在生长地层起始位置发生拐折,之后逐渐减小,背斜最大隆升量约为942m。通过地震反射剖面A、B计算西湖北背斜平均缩短量分别为58±5m、133±35m,由外部物质流入产生的盈余面积为0.50 km~2、0.74 km~2。(5)西湖背斜带晚第四纪河流阶地变形研究区发育有3条横穿西湖背斜带的河流。这些河流在背斜区两岸发育了T3、T2和T1河流阶地面(由高而低),在向斜区基本不发育阶地。其中T3高阶地面发育最为连续,T2和T1阶地面在部分冲沟仅零星发育。在连续分布的阶地采集了粉砂透镜体样品进行光释光测年来限定其年龄。T3阶地面在东沟的细颗粒石英(4-11um)光释光年龄72.2±14.4ka,在中沟为77.5±11.6ka,两者在误差范围内一致,取其平均值74.8±13ka作为T3阶地面的年龄。T2阶地面粗颗粒石英(125-180um)光释光年龄0.6±0.1ka,~(14)C年龄660±30a,两者结果基本一致取其平均值0.63±0.07ka作为中沟T2阶地面的年龄。这些阶地面在背斜核部拔河高度最大,向两翼拔河高度渐小。横穿西湖背斜带的这些河流阶地面均发生了拱曲变形;阶地越老,拱曲幅度越大。利用差分GPS系统测量了这些连续分布的变形阶地面(地形测线由东向西编号1-9),高阶地面实测地形剖面与SRTM 30 m分辨率DEM地形数据结果吻合很好。采用面积守恒法计算了背斜不同构造位置阶地面变形量和变形速率。背斜东沟(东经84.66°)T3阶地面的缩短量和隆升量分别为15.0±2.1m、20.2±2.0m,相应的缩短和隆升速率分别为0.20±0.05mm/yr、0.27±0.05mm/yr。西湖背斜变形最大位置(3号测线,东经84.63°)T3阶地面缩短量、隆升量分别为47.7±6.8m、83.8±8.4m,相应的缩短、隆升速率分别为0.64±0.14mm/yr、1.12±0.23 mm/yr。4号测线(东经84.60°)T3阶地面缩短量、隆升量分别为43.8±6.2m、82.5±8.3m,缩短、隆升速率分别为0.59±0.13 mm/yr、1.10±0.26mm/yr。中沟(东经84.54°)T3阶地缩短量、隆升量分别为23.5±3.3m、56±5.6m,缩短、隆升速率分别为0.32±0.07mm/yr、0.75±0.15mm/yr;中沟T2阶地缩短量、隆升量分别为3.9±0.6m、7.7±0.8m,阶地年龄0.63±0.07ka,阶地形成以来背斜缩短速率6.2±1.1mm/yr、隆升速率12.2±1.8mm/yr。西沟(84.34°)T3阶地缩短量、隆升量分别为5.4±0.8m、12.1±1.2m,阶地形成以来背斜缩短速率0.07±0.02mm/yr、隆升速率0.16±0.03mm/yr。总体而言,西湖背斜最高阶地面T3的缩短量、隆升量及速率在构造高点最大,向东西两端渐小;全新世晚期T2阶地面变形速率可能剧增。(6)西湖背斜带侧向扩展方式西湖背斜地表地形剖面显示背斜地形高点位于奎屯河以西~12km,更靠近背斜东倾伏端。各地震反射剖面前生长地层的缩短量计算结果显示在地形高点位置背斜缩短量最大,向两侧减小,但向东减小更快。生长地层计算得到的地层缩短率(dS/dt)与地层沉积速率(dH/dt)比值dS/dH,地形高点以西dS/dH明显大于东侧,假定沉积速率不变的情况下,这反映背斜缩短速率西段大于东段。晚第四纪河流阶地面变形结果也反映了背斜变形量与速率西段大于东段。综上所述,我们认为西湖背斜自开始变形以来向西扩展的速率大于向东扩展的速率。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P534.63;P542

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