天山南北前陆盆地新生代变形与天山造山带的波动耦合

天山南北前陆盆地变形及与天山构造变动的关系一直备受关注.通过地震资料解释和地面地质调查,对它们的构造特点、构造样式、变形主控因素、变形时间和关系等进行了对比研究.两个前陆盆地新生代变形都表现出南北分带、东西分段和上下分层的特点.变形样式以压性为特点,既有基底卷入式变形,也有盖层滑脱式变形.这种变形的复杂性与软性地层的存在有密切关系.从变形时间上看,新生代两个盆地都经历了多期变形,且变形表现为从天山造山带向盆地内部逐渐变新.天山南北前陆盆地的变形动力学可用造山楔动力学模型代表,但其构造又明显表现出波的特点,据此提出了波动造山楔的概念,建立了天山两侧双波动楔模型.     

GPS研究天山现今变形与断层活动

利用1992~2006年间境内外天山地区近400个测站的GPS观测, 获取天山现今地壳运动速度场, 并借助二维弹性位错模型估算了区域内主要断层的活动速率. 结果显示天山地区北西走向的走滑断层(如塔拉斯-费尔干纳断裂)的滑移速率仅为1~4 mm/a, 而近东西走向、低倾角的山前主滑脱断层的滑动速率在西南天山达10~13 mm/a, 境外北天山为6~12 mm/a, 东天山为2~5 mm/a. GPS速度场显示天山南北向汇聚变形分布不均匀, 天山内部缩短变形相对较小, 其两侧山盆交接地带的变形占总汇聚变形的80%~90%. 研究认为天山压缩变形分布与两侧刚性地块沿主滑脱断层向天山下挤入活动有关, 有历史记录的7~8级大震多发生在主滑脱断层闭锁与蠕滑的交接部位. 主滑脱断层闭锁使弹性应变集中于山盆过渡带地壳盖层内, 通过周期性大震活动释放, 天山整体上作为一个楔状弹性地块, 整体抬升且向两侧持续扩展.     

西南天山-塔里木盆地结合带浅深构造关系 ——深地震反射剖面的初步揭露

盆山结合部的浅-深结构样式是进行陆内造山动力学研究与讨论的重要依据.2007年,在喀什东的天山与塔里木盆地之间的过渡带上,完成了一条近南北向的长度为121 km的主动源深地震反射剖面,显示出盆山结合部现今地壳尺度的构造格架.剖面南部呈现出10~12 km巨厚的沉积盖层,沉积盖层内发育滑脱断层;盆山结合部多排隆起构造以及天山山前上地壳显现出向北倾斜的断裂与地表地质观察吻合;盆山结合带展现出滑脱与逆冲推覆构造相关的断层褶皱;与塔里木盆地稳定沉积层相比,在南天山浅、中层地层受到强烈的变形改造,导致地层比较破碎,反射变弱、连续性较差;时间剖面上可以追踪到比较连续的Moho反射,从南向北有加深的趋势.深地震反射剖面揭露出的西南天山与塔里木盆地的这些浅-深构造,展现出塔里木盆地盖层向南天山滑脱与南天山向塔里木盆地逆冲推覆的特征,反映出陆内汇聚下的盆山耦合关系.     

塔里木盆地西南前陆构造分段及其成因

大量野外调查和地球物理资料构造解释发现, 塔里木盆地西南凹陷周边前陆盆地带具有沿前陆走向构造分段的规律性, 即在西昆仑-帕米尔和西南天山前陆发育了一系列相间分布的由山系向盆地逆冲的弧形推覆构造系统及由塔里木盆地西南凹陷向山系反冲的弧形反冲构造系统, 逆冲与反冲构造间以走滑或斜冲断层相隔; 塔西南凹陷基底的北东向隆起和凹陷与前陆构造分段具成因联系, 发现薄皮弧形推覆构造段对应基底构造上隆区(小于10 km), 塔里木盆地反冲构造段对应基底构造下凹区(大于8 km). 沿造山带走向隆升幅度和速率或变形格局的差异、前陆盆地多个沉降中心及巨厚沉积盖层、盆地基底构造中隆起带和凹陷带及前陆盆地沉积盖层中存在多层膏岩层等软弱层是塔西南盆地前陆构造分段产生的控制因素, 而晚第三纪以来西昆仑-帕米尔与西南天山再造山隆升与塔里木盆地基底构造深浅部不同耦合变形作用是塔里木盆地西南前陆构造分段的主因.     

中西部冲断带多尺度地球物理解释及其物理模拟实验

中西部冲断带形成于两古板块"镶嵌式"拼接成陆后的再冲断.多尺度地球物理资料解释表明,浅层构造变形具有"横向有序分带、垂向多属性分层、纵向差异分段"特征,深部构造变形表现为分层解耦和差异收缩,造山带与盆地的岩石圈在咬合冲断时强-弱层对置.本文利用物理模拟实验和延时摄影方法,基于"挤压-碰撞"模型正演了冲断带变形过程,实验结果表明:造山带仰冲盆地并相互拼接,前者冲起折返,后者前陆冲断;盆内滑脱层的存在会产生构造分层,上构造层的变形以断层相关褶皱为主,且扩展范围受控于滑脱层;上构造层的挤压缩短量比下构造层大,变形扩展更远;下构造层的变形以叠瓦构造和双重构造为主,其断层倾角由前陆向腹陆逐渐增大,断面由下凹变为上凸,断片由侧向叠置变为垂向叠置;高角度逆断层的变形经历了脆性变形、韧-脆性变形和韧性变形三个阶段.     

西南天山地表三维位移场及断层位错模型

利用1992—2012年间西南天山GPS观测和2003—2009年EnviSAT卫星InSAR图像,构建西南天山与塔里木盆地间(喀什坳陷)震间变形的三维位移场,约束区域内滑脱断层运动模型.结果显示:位于喀什坳陷基底与沉积盖层间埋深为12~18km的主滑脱断层进入西南天山(迈丹—喀拉铁克断裂带以北)沿高角度断坡深入天山底部至23~33km,并北倾1°~2°延伸至天山内部,从完全闭锁到自由蠕滑,滑动速率9~10mm·a-1.依据断层位错模型,1902年阿图什M8大地震可能从铁列克断层根部23km左右开始破裂,沿高角度断坡断层扩展25~30km的距离至科克塔木背斜南翼托特拱拜孜—阿尔帕雷克断裂.1902年阿图什地震可能导致阿图什背斜下方埋深2~12km的高角度断坡断层以2~3mm·a-1速率持续蠕滑,蠕滑过程释放的应力等价于一次Mw6.7左右的中强地震,西南天山及喀什坳陷基底滑脱断层控制了西南天山及前陆地带的现今变形和地震活动.     

基于GPS应变、地震应变率与震源应力场对帕米尔高原现今构造变形特征的分析

研究帕米尔高原的构造变形特征对于理解印度板块向北推挤过程中的应变分配方式以及应力转换模式具有重要的意义.本文利用区域GPS应变场、地震应变场与震源应力场分析帕米尔高原的构造形变特征.主要结论为:(1)该区域变形主要以NNW-SSE或近N-S向的挤压为主,在高原内部伴有明显的近ENE-WSW或E-W向拉张,应力方向在帕米尔高原与塔吉克盆地区域呈现逆时针旋转的趋势,而在塔里木盆地则显示几乎与帕米尔高原的一致的应力状态,这可能与两侧盆地块体的强度差异有关.(2)安德森断层参数A∅显示帕米尔高原北缘与西侧区域为逆断层应力状态,在高原内部为正断层应力状态,这与GPS应变的结果显示的应变主要集中在主帕米尔断裂与阿莱谷地附近而在高原内部应变较低是一致的,另外应力在喀喇昆仑断裂北段的方向基本平行于断层走向,以及断层北端较低的滑动速率,这说明了地壳挤压缩短可能是帕米尔高原主要的的构造变形特征,并不支持由于边界走滑断裂导致的应变分异或者块体挤出的模式.(3)综合考虑地震应变方向与SHmax从帕米尔北部NNW-SSE方向到天山北部的近N-S方向的转换,GPS应变方向在帕米尔高原两侧盆地都存在不同程度的旋转,应力场安德森参数A∅显示的应力状态以及SKS的结果显示的近ENE-WSW方向,我们认为印度板块向北推挤与天山造山带碰撞导致帕米尔高原不对称的径向逆冲是帕米尔高原现今构造变形的主要成因与构造模式.     

天山造山带基底结构的有限差分研究

利用横跨天山造山带的库尔勒-吉木萨尔地震宽角反射/折射剖面Pg震相, 通过三维有限差分方法对天山造山带的基底和盖层构造进行反演, 获得了上地壳的速度分布及构造. 根据速度结构可将此剖面划分为塔里木盆地北缘、天山造山带及准噶尔盆地南缘3个部分, 天山造山带内具有三隆四凹的构造格局. 塔里木盆地北缘基底速度横向变化不大, 埋藏深度约10 km. 天山造山带内速度横向变化较大, 其中焉耆盆地的基底深度约为6 km, 往北基底迅速变浅, 到中天山基底几乎出露地表. 库米什南部为一小的山间盆地, 最大基底深度约为3 km, 到库米什附近基底变浅并几乎出露地表. 塔里木盆地与天山之间的北轮台断裂为边界断裂, 断层落差达5 km左右. 吐鲁番盆地具有巨厚的沉积, 其基底深度约7 km. 天山与吐鲁番盆地的边界断裂为博罗科努断裂, 其特点是基底深度迅速变深, 断层落差达7 km左右. 进入准噶尔盆地, 基底深度约为8 km. 虽然库尔勒-吉木萨尔剖面的地形是不对称的(南部平缓, 北部起伏强烈), 但有限差分法所揭示的基底结构具有以中天山为轴南北对称的特点, 并与该剖面所揭示的深部结构协调一致, 预示着天山两侧的塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带的深部对冲. 但南侧的俯冲可能是更早的事件, 目前已经弱化; 而北侧的俯冲正方兴未艾, 致使博格达山快速隆升与吐鲁番盆地的快速沉降. 这种构造样式与横跨天山的另一条剖面, 即沙雅-布尔津剖面所揭示的岩石圈结构不同, 表明在这两条剖面之间可能存在重要的构造边界.     

西宁盆地浅层滑脱面与地震关系探讨

滑脱面空间特征的研究可以反映次级浅断裂与区域深断裂之间的构造关系, 在西宁盆地中, 第三纪地层在NNE向区域挤压应力作用下, 沿近NW向发生弯曲褶皱变形。 利用平衡剖面方法, 通过对垂直构造走向的一条剖面进行反演, 得到西宁盆地的滑脱面深度在4~5 km, 并向南倾, 与物探资料得到的盆地沉积盖层的底界位置和形态基本相同。 因此得出盆地沉积盖层的变形方式以柔皱褶曲为主, 并沿沉积盖层底界进行滑脱。 同时根据区域地震背景分析, 认为在西宁盆地浅滑脱的结构面不具备强震的发震条件。     

地质观测、地震剖面和重力测量的综合方法在前陆褶皱冲断带的应用：以天山北麓呼图壁河剖面为例

褶皱逆冲带的几何学研究是造山带研究的热点,但是无论是传统构造地质学方法还是地球物理学方法都在研究褶皱逆冲带几何特征时存在多解性.为了制约这种多解性,本文以天山北麓的呼图壁河剖面为列,介绍一种地质与地球物理相结合的研究方法.该方法首先沿呼图壁河剖面进行详细的地表观测,获取地表的构造地质数据形成初步的地质模型,其次结合地表构造和钻井分层数据,对收集到的石油地震剖面进行重新解释.然而,地震反射数据只分布在盆地内部,在盆山结合带缺失或者不清晰,因此对该剖面进行了重力测量并计算出布格重力异常.结合盆地各沉积地层和基底密度值,用重力正演方法模拟呼图壁河剖面的密度结构.研究结果显示沿呼图壁河剖面并不存在天山北缘断裂,盆地的沉积盖层可以从准噶尔盆地连续过度到天山内部并不整合覆盖在天山古生代基底之上.这一结果与西段金钩河剖面的天山基底逆冲到准噶尔盆地显然不同,说明了天山北缘盆山结合带构造的多样性.利用平衡剖面技术,恢复的呼图壁河平衡剖面缩短量约为4.8 km,对比前人研究,说明了天山北缘的缩短量沿东西方向存在显著的不均一性.本研究也说明这种构造地质与地震及非震地球物理相结合的方法可以广泛地被应用于褶皱逆冲带.     

地质观测、地震剖面和重力测量的综合方法在前陆褶皱冲断带的应用:以天山北麓呼图壁河剖面为例

褶皱逆冲带的几何学研究是造山带研究的热点,但是无论是传统构造地质学方法还是地球物理学方法都在研究褶皱逆冲带几何特征时存在多解性.为了制约这种多解性,本文以天山北麓的呼图壁河剖面为列,介绍一种地质与地球物理相结合的研究方法.该方法首先沿呼图壁河剖面进行详细的地表观测,获取地表的构造地质数据形成初步的地质模型,其次结合地表构造和钻井分层数据,对收集到的石油地震剖面进行重新解释.然而,地震反射数据只分布在盆地内部,在盆山结合带缺失或者不清晰,因此对该剖面进行了重力测量并计算出布格重力异常.结合盆地各沉积地层和基底密度值,用重力正演方法模拟呼图壁河剖面的密度结构.研究结果显示沿呼图壁河剖面并不存在天山北缘断裂,盆地的沉积盖层可以从准噶尔盆地连续过度到天山内部并不整合覆盖在天山古生代基底之上.这一结果与西段金钩河剖面的天山基底逆冲到准噶尔盆地显然不同,说明了天山北缘盆山结合带构造的多样性.利用平衡剖面技术,恢复的呼图壁河平衡剖面缩短量约为4.8km,对比前人研究,说明了天山北缘的缩短量沿东西方向存在显著的不均一性.本研究也说明这种构造地质与地震及非震地球物理相结合的方法可以广泛地被应用于褶皱逆冲带.     

中更新世以来北天山的向北扩展

利用深部地球物理结果与浅部地质调查结果进行对比,并基于DEM的地貌分析,研究了中更新世以来北天山向北扩展的造山过程.中更新世以来,北天山地壳中存在南倾的低角度滑脱面,滑脱面之上,逆断裂和褶皱带组成的山前活动构造带整体向北滑脱并缩短变形.中更新世早期,气候暖湿,基岩山脉剥蚀强烈,在山前形成了大规模的洪泛平原.中更新世中期以来,持续的构造活动一方面使山前盆地卷入变形,另一方面使盆地遭受分隔,天山北麓地壳以阶梯式的形式自南向北逐步抬升.中更新世中期约600 ka以来,气候越来越干旱,山前盆地地表仅遭受了轻微剥蚀,地壳抬升全部转换为自南向北的地表隆起,隆起的北部向天山靠拢,隆起的南部逐渐成为山系,与天山相连,北天山得以向北扩展.中更新世以来的掀斜隆起造成山麓至盆地高差达1000多米的坡面,为30 ka以来的河流下切提供了坡度条件,造成了深达300多米的河流强烈下切.     

米仓山楔入冲断构造模型低温热年代学证据及其意义

基于低温热年代学特征的构造重建（或解译）与浅部地表过程模型在诠释盆-山结构与演化过程中受到越来越广泛的重视与应用.青藏高原东缘米仓山-川北前陆盆山系统楔入冲断构造模型与浅部地貌建造（非）耦合的检验校正为米仓山造山带构造变形及其动力学模型研究提供了契机.基于稳态楔入冲断构造低温热年代学模型研究表明,米仓山-川北前陆盆-山结构带盆山地貌的建造和低温热年代学（磷灰石裂变径迹和（U-Th）/He）特征具有明显的耦合性,二者统一于（盆地向）具~4°古地貌斜坡的楔入冲断构造模型.现今米仓山地区低温热年代学不具有明显的海拔高程和年龄线性关系,但当古地貌具有~4°坡度时低温热年代学与古地貌具有明显的线性相关性,揭示晚白垩世米仓山东西段具有一致（或相似）的稳态抬升剥露特征,东西段剥露速率分别为0.05 mm/a 和0.03 mm/a.古地貌坡度与古地温梯度具有较好的相关性（R²=95%~98%）,相关古地温梯度（25~35 ℃/km）符合米仓山稳态剥露地质结构特征.米仓山造山带楔入冲断构造模型的发育可能受控于多套滑脱层系（尤其是深部和浅部滑脱层系）和扬子板块能干性基底对造山带盆地向扩展变形过程的阻挡作用.     

青海大通断裂带初步研究

青海大通断裂带是青藏高原北部压性盆地带内的一条NE向断裂,构成西宁盆地与大通城关盆地的边界。该断裂带主要由麻子营-庙沟断裂(F1)和老爷山-南门峡断裂(F2)2条次级断裂段构成,沿该断裂带有明显垂直断错的地貌现象。野外调查表明,断裂具有长期活动特征,基岩中发育10余米宽的断层破碎带,且沿断裂带一些地段有岩脉侵入。断裂最新活动表现为寒武纪地层逆冲到早第四纪砖红色砾石层之上,沿断层面发育数厘米厚的断层泥。但断层带上覆坡积黄土未被断错。断层泥测年(ESR)结果为(610±61)kaBP;上覆黄土测年(OSL)结果为(14.6±1.5)kaBP。根据测年结果和地质地貌现象判定该断裂带在中更新世有过明显活动。大通盆地内部地层以长轴NW向的褶皱变形为主,根据断层与褶皱变形的关系认为,在NEE向区域挤压应力作用下NE向的大通断裂是断层两侧褶皱带之间不同段落压缩不均匀而形成的横向撕裂。这一特征可能代表了青藏高原东北部一系列NE向断裂的共同特征。这些NE向断裂规模不大,被围限在活动块体内部,与褶皱和压性盆地轴向近垂直     

基于波形反演研究新疆天山中段震源深度分布特征

基于波形反演方法对新疆天山中段MS≥3.0地震震源深度进行反演,反演结果显示,新疆天山中段地震类型以逆断层或走滑断层为主,兼有少量的正断层.新疆天山中段震源深度呈现内部浅,盆山结合部位深的特点.同时由深度剖面显示,两大盆地与天山中段接触部位地震活动性都比较高,基本呈对称分布,存在南强北弱的活动特点.研究区地震发生的主要...     

包尔图断裂和硕—和静段晚第四纪以来的地质地貌证据

天山是典型的陆内造山带,对天山内部构造变形特征的探讨,有利于认识其变形过程和应变分配方式。目前,天山活动构造研究多集中于盆—山结合部位,然而,对于天山内部活动断裂的研究并不多见。本次研究主要聚焦于南天山与塔里木板块的分界断裂—包尔图断裂。通过遥感影像解译和野外地质调查发现,包尔图断裂是一条NWW走向的兼具逆冲性质的左旋走滑断裂,全长逾400 km,是一条区域性深大断裂。断裂控制了小尤路都斯盆地和现代河谷的形成,根据断裂几何展布可初步划分为东西2段,在和硕—和静段,断裂线性笔直,断错了晚第四纪以来的多期地貌面,最大垂直位错量为9.6～10.7 m,最小垂直位移量0.8～0.9 m;断裂晚更新世以来的水平滑动速率应与断裂东段库米什盆地的左旋滑动速率一致,约0.56 mm/a。断层最新活动断错水系T_1阶地,是一条全新世活动断层。     

青藏高原北缘基底结构的有限差分研究

拜城-大柴旦综合地球物理剖面横跨了塔里木盆地、阿尔金追山带和柴达木盆地.沿剖面进行了10次各2吨级TNT炸药的人工地震探测工作.本文利用沿剖面的Pg震相,使用有限差分方法对塔里木盆地、阿尔金造山带和柴迭木盆地的基底顶界面埋深及盖层的速度结构进行了反演,结果表明,不同的地质构造单元具有不同的基底结构形态与速度分布特点.塔里木盆地的基底及盖层速度分布相对平稳,表现出整体变形特征,但在库车与轮台之间,盆地的基底埋深及速度分布发生了明显的变化,深度差约2 km,速度差高达0.5 km/s.这种明显的、系统的速度差异,加之其它地质学与深部地球物理学证据表明,塔里木盆地的基底可能由构造特点不同的东西两个部分构成;阿尔金造山带的基底埋深与盖层速度分布变化较大,与造山带的强烈构造变形相联系1;在阿尔金造山带与塔里木盆地和柴达木盆地的接触部位基底及盖层介质均表现为高速异常,可能与深部高密度物质沿断裂向地壳内部迁移有关;柴达木盆地的基底与盖层呈"U"形分布,表现出强烈的内部变形特征.     

青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部深部地壳结构及其构造意义

青藏高原地壳变形加厚机制一直是地学界研究争论的热点问题.青藏高原目前仍然处在持续向外扩张之中,因此青藏高原的边界地带作为高原向外扩张的最前缘地区代表了高原最新的变形状态,是研究青藏高原地壳变形加厚的关键地区.本文以一条穿过青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部的深地震反射剖面为基础,结合前人地质、地球物理资料,通过细致的地质构造解译,获得青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部位地壳变形以壳内滑脱带为界上、下解耦.滑脱带位于壳内低速层的顶部,深度14~24 km.滑脱带之上的地壳部分以一系列南倾、北冲,并向下终止于滑脱带的逆冲断裂变形为主,指示了青藏高原向北的扩张方式;滑脱带之下的地壳以Moho面作为变形标志,指示了复杂的挤压缩短变形.据此我们推测上、下地壳的解耦缩短变形对青藏高原东北缘地壳的变形加厚起到了决定性的作用,甚至在整个青藏高原地壳的变形加厚过程中都起到了重要作用.     

库车坳陷深浅构造变形与地震关系浅析

通过研究库车地区的地震活动性 ,由地震分布的规律性推断可能的基底断裂 ,并分析了基底活动断裂与地表构造的对应关系、盖层变形和基底变形特征的差异及成因。结果表明 :1)地震震中分布揭示库车坳陷内对应东、西秋里塔格背斜带位置上 ,基底中发育东秋里塔格深断裂和南、北秋里塔格深断裂 ;另外 ,依奇克里克背斜和亚肯背斜位置上也存在对应的深断裂 ,这表明地表构造的形成受深部构造的控制。 2 )依奇克里克构造西端至东秋 5井连线位置上发育 1条NE向走滑断裂 ,在拜城西侧发 1条NW走向的活动断裂 ,这 2条切穿构造走向的活动断裂是库车坳陷构造分段的主因。 3)基底和盖层变形特征的差异主要源于二者之间介质特性的差异。盆地基底岩石圈强度非常高 ,决定了其变形以脆性破裂———地震活动为主 ;而盖层中沉积岩层强度较弱 ,且存在煤和膏盐等极软弱的薄层 ,在构造挤压作用下 ,可以产生黏性或塑性流动大变形及顺层无震滑脱     

焉耆盆地北缘断裂全新世滑动速率及地震危险性

天山是典型的陆内再生造山带,研究其现今内部断裂的变形特征和活动速率对于认识整个天山造山带的应变分配方式和变形过程具有重要意义。现今天山活动构造的研究大部分集中在天山两侧向盆地扩展的前缘部分,然而对于天山内部活动构造的定量化研究并不多见。该研究聚焦于南天山与其内部山间盆地之间的边界断裂——焉耆盆地北缘断裂,通过野外地质调查可将该断裂分为东西2段,其中东段逆冲断错了一系列山前洪积扇,形成了线性明显的陡坎地貌。通过利用高精度差分GPS对23组断层陡坎的测量,发现其垂向位移大致可分为1.9m、2.4m和3.0m 3组,推测单次地震的同震位移量为0.5~0.6m。其中保存于3.0m左右陡坎的地貌面为区域性地貌面,通过利用原地宇宙成因核素测定该地貌面的暴露年龄约为5ka,这与博斯腾湖沉积物所记录到冷暖气候交替的时间段相符,说明气候的冷暖变化控制了南天山前地貌面的形成和废弃。结合断层陡坎高度及地貌面年龄可得焉耆盆地北缘断裂东段5ka以来的倾滑速率为0.6~0.7mm/a,SN向的地壳缩短速率约为0.4mm/a,垂向滑动速率约为0.5mm/a。依据地震矩计算公式评估焉耆盆地北缘具有发生7.5级强震的可能性。该研究为认识现今天山的变形过程和变形方式提供定量化的数据支持,对于理解天山内部的强震发生地点和地震危险性具有重要的现实意义。