地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (2): 441-448   PDF    
准噶尔盆地古生代末大地构造动力学数值模拟
王延欣1,2, 侯贵廷1 , 刘世良2, 李乐1, 牛晓露1, 肖芳锋1     
1. 教育部造山带与地壳演化重点实验室,北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;
2. 中国石化集团新星石油有限责任公司,北京 100083
摘要: 大地构造动力学数值模拟是构造物理研究的重要方向.本文利用有限元数值模拟方法研究准噶尔盆地古生代末的构造应力场.根据准噶尔盆地西部岩墙群和准噶尔盆地内部及周边地区应力标志,确定了晚二叠世准噶尔地区最大主应力方向为NW-SE向,方位在295°左右,局部地区略有偏转.以实测古构造应力场为拟合标志,对S,engr和Allen提出的关于本地区演化的两种大地构造模式进行了构造应力场反演,从而为确定本地区晚二叠世比较合理的大地构造动力学机制提供限制.通过模拟对比发现,晚二叠世末准噶尔盆地可能处于张扭与压扭复合作用的大地构造动力学机制之下,即:盆地南北两侧的北天山断裂与额尔齐斯断裂为张扭性左行走滑断裂,而东西两侧的博格达山前断裂和达拉布特断裂是一对压扭性的右行走滑断裂系统,这两条断裂在晚二叠世准噶尔盆地古构造应力场的形成过程中起到了重要的作用.
关键词: 二叠纪末      构造应力场      中亚造山带      准噶尔盆地      张扭性和压扭性机制     
Numerical simulation of tectonic dynamics of the Junggar basin at the end of Paleozoic
WANG Yan-Xin1,2, HOU Gui-Ting1, LIU Shi-Liang2, LI Le1, NIU Xiao-Lu1, XIAO Fang-Feng1     
1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution; School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. SINOPEC Star Petroleum Co., Ltd., Beijing 100083, China
Abstract: Numerical simulation of tectonic dynamics is an important research issue of tectonophysics. Using the finite element numerical simulation method, the paleostress field of the Junggar Basin at the end of Paleozoic was studied in this paper. On the basis of the study of dike swarms in the west of the basin and systematical analysis of other stress indicators in the basin and adjacent area, we acquire that the major direction of the principal stress in the study area in the late Permian is NW-SE (dominant strike is 295°), with local direction deflects a little. With the observed palaeotectonic stress field as the criteria, a series of numerical simulations have been done based on the tectonic models proposed by S,engr and Allen, aiming to provide constraints on the geodynamical mechanisms for the study area at the end of Paleozoic.The results indicate that the Junggar basin might form under the composite effect of tenso-shear and compresso-shear mechanisms. The Ertix fault on the northern margin of the basin and the north Tianshan fault on the southern margin are both tenso-shear sinistral strike-slip faults, while the Darabut fault on the western margin and the Bogda piedmont fault on the eastern margin are more likely compresso-shear dextral strike-slip faults, which played important role in the formation of the palaeotectonic stress field of the Junggar basin in late Permian.
Key words: The end of Permian      Tectonic stress field      Central Asian Orogenic Belt      Junggar basin      Tenso-shear and compresso-shear mechanisms     
1 引 言

准噶尔盆地是一个形成于中、晚古生代的大型含油气盆地,位于中亚造山带的中南部,作为中亚造山带的一部分,其形成演化与中亚造山带的地质演化过程密切相关.目前关于中亚造山带的增生演化机制存在"多地体拼贴"、"单岛弧拼贴"、"多岛弧拼贴"等不同的演化模式,而不同演化模式对准噶尔盆地在晚二叠世的大地构造动力学背景做出了不同的解释,导致准噶尔盆地在石炭-二叠纪盆地属性问题上存在巨大争议:一种观点认为是前陆盆地[1~6],而另一种观点却认为是裂陷盆地[7~10].研究二叠纪准噶尔盆地及周边地区的大地构造动力学背景,对于确定二叠纪准噶尔盆地的属性具有直接意义,且对油气勘探开发具有重要指导作用.

目前已有学者[6, 11~14]对中亚造山带(或北疆地区)的增生机制、构造演化等问题进行了大量研究,提出了不同的构造演化模式,并对准噶尔地区在晚二叠世的大地构造动力学机制做了相应的描述.概括之,主要分为以下两种观点:盆地形成于区域性的走滑拉张作用[8, 11, 15];盆地形成于挤压作用机制[1, 6, 14, 16, 17].

不同的构造演化模式,在准噶尔盆地会具有不同的构造应力场表现.构造应力场作为大地构造动力学的重要组成部分,其求解过程也是一个正演与反演相结合的过程[18, 19].本文通过野外调查及资料整理,收集准噶尔地区在晚二叠世的构造应力标志,确定本地区在晚二叠世的地块性质和构造应力场特征,并以此为约束条件,利用有限元数值模拟方法来反演当时的古构造应力场,并与实测的应力标志进行对比验证,从而确定当时的大地构造动力学机制.

2 区域地质背景

准噶尔盆地位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块的结合部位,其西北部、东北部和南部分别发育北东、北西和近东西向的板块缝合线、岩石圈断裂和一系列地壳断裂,这些断裂除具有显著的挤压特征外,还显示走滑特点[3].盆地自石炭纪形成以来,先后经历了晚海西、印支、燕山和喜马拉雅运动,发育了多期断裂、褶皱构造.赵白根据盆地的构造特征及发展过程将盆地划分为8个一级构造单元[20, 21],即天山山前坳陷、沙奇隆起、昌吉坳陷、中央隆起、玛湖-中央坳陷、西北缘冲断带、三个泉隆起和乌轮古坳陷,这8 个一级构造单元进一步划分成27个二级构造单元(图 1).

图 1 准噶尔盆地构造及单元划分图(据文献[3, 19, 20]修改) Ⅰ-天山山前坳陷;Ⅱ-沙-奇隆起;Ⅲ-昌吉坳陷;Ⅳ-中央隆起;Ⅴ-玛湖-中央坳陷;Ⅵ-西北缘冲断带;Ⅶ-三个泉隆起;Ⅷ-乌轮古坳陷.Ⅰ 1,Ⅰ 2,Ⅰ3-阜康冲断带、博格达山前弧形断折带、头屯河-托托背斜带;Ⅱ1,Ⅱ2,Ⅱ3,Ⅱ4,Ⅱ5-五彩湾凹陷、帐北断褶带、大井凹陷、吉姆萨尔凹 陷、奇台凸起;Ⅲ1,Ⅲ2-阜康北凹陷、石河子北凹陷;Ⅳ1,Ⅳ2,Ⅳ3,Ⅳ4,Ⅳ5-白家海凸起、东道海子凹陷、马桥凸起、莫北凹陷、中拐凸起;Ⅴ1,Ⅴ2,Ⅴ3-玛湖凹陷、达巴松凸起、中央凹陷;Ⅵ1,Ⅵ2,Ⅵ3,Ⅵ4-夏-红逆冲带、克-乌逆冲带、红-车逆冲带、车排子凸起;Ⅶ1,Ⅶ2,Ⅶ3,Ⅶ4,Ⅶ5-滴水泉-三南凸起、陆南隆凹带、陆南背斜带、陆顶凹陷、石英滩凸起;Ⅷ1,Ⅷ2-红岩断阶、索索泉凹陷 Fig. 1 Tectonic element subdivisions in Junggar basin(after references[3, 19, 20])

准噶尔盆地经历了盆地基底发育和盆地发育两大阶段.在准噶尔盆地周缘发现的时代最古老的岩石是早奥陶世的变质岩[22].王友学等[23]的研究表明准噶尔盆地基底的泊松比为0.25~0.27,据此推测盆地基底为基性或超基性的前寒武结晶基底,而赵俊猛等根据地震数据与重磁联合反演的结果推测,准噶尔盆地的基底是由早-中古生代洋壳物质构成的"槽型"基底,但不排除其中存在时代相对古老的小陆块[24].所以,目前关于准噶尔盆地是否存在前寒武结晶基底,存在巨大争论[2, 7, 11, 12, 23~25].寒武系-泥盆系主要为海相和海陆交互相的碳酸盐岩、碎屑岩和火山岩建造,均有不同程度的变质,成为盆地的直接基底.晚石炭世以来盆地开始形成,盆地内充填了海陆交互相夹大陆喷发相的上石炭统和二叠系至第四系的陆相沉积盖层.

3 准噶尔盆地晚二叠世古构造应力场的确定

构造应力场就是在一个空间范围内的构造应力分布,一般分为现代构造应力场和古构造应力场[26].

岩墙群是岩浆快速侵位到现存破裂系统形成的,其形态是受先存破裂系统决定的,能直观地反映其破裂系统的形成机制,是最理想的古应力场拟合标志.准噶尔西部地区,尤其是包古图地区与克拉玛依北岩体内岩墙群密集排列,数量有上千条.这些岩墙在宏观上稳定延伸,单条岩墙延伸长度不大,局部地区存在"追踪张"形态,其走向代表岩墙侵位时的最大主压应力方向[27~30],而且它们均未发生明显的变形、变质,可以利用它们为构造应力标志对准噶尔盆地的古构造应力场进行反演研究.

K-Ar同位素测年结果表明这些岩墙群大部分侵位于二叠纪[31].对二叠纪岩墙走向进行统计,大部分岩墙走向在NW290°左右(图 2).

图 2 准噶尔盆地西部二叠纪岩墙群走向玫瑰图 Fig. 2 Strike rose diagram of the Permian dike swarms in the west of the Junggar basin

此外,新疆北山地区张性岩墙群走向以NW-SE为主,且平均走向为326°;阜康至天山地区与托里乡南羊圈沟地区石炭系中发育的断层及擦痕研究表明,二叠纪时阜康至天山地区的最大主应力方向为320°,南羊圈沟地区最大主应力方向为310°;最大主压应力方向皆指示NW-SE 向[31].陈发景等[9]对准噶尔盆地不同时期(二叠纪到第四纪)、不同地区(包括车排子地区、柴窝堡地区、玛纳斯地区、准西北地区、准东地区、准东北地区及盆地腹部)的构造应力场进行了一次全面的调查,获得海西期末准噶尔盆地最大主应力方向为NW-SE 向,这与我们在准西所获得的最大主压应力方向一致.综合上述研究成果,本文得到了二叠纪末准噶尔盆地的实测古构造应力场图(图 3).根据准噶尔盆地内部、西北缘和南缘各种构造应力标志,确定了二叠纪末准噶尔地区构造应力场的整体方向为NW-SE 向,方位为290°左右,只在乌鲁木齐、阜康、柴窝堡等局部地区略有偏转,方位在310°~320°左右.接下来的讨论中,将以此为拟合标志,对基于不同构造演化模型模拟得到的应力分布情况进行评价,以期获得与实际最相吻合的大地构造动力学机制.

图 3 准噶尔盆地二叠纪末应力场分布图应力标志:红色为本文在准噶尔盆地西部所测的最大主应力方向;录色为肖芳锋等所测得的最大主应力方向[27];黑色为陈发景等 所获得的最大主应力方向[9];数字编号为构造应力实测点编号 Fig. 3 Stress field distributions in the Junggar basin at the end of Permian
4 模拟结果及分析

本文将分别选取Şengö和Allen 提出的准噶尔盆地二叠纪演化的地质模型,按照① 建立地质模型-②建立几何模型-③建立力学模型-④模拟结果分析四个步骤,对不同地质模型的古构造应力场进行模拟,以实测古应力场为拟合标志,对模拟结果进行评价.大量的野外测量发现大陆内部的差应力值的大小一般不超过50 MPa[30, 32~36],所以在下面所有的模拟过程中,所取的应力大小皆在0~50 MPa之间.研究区内部的沉积覆盖区的岩石密度为2400kg/m3,弹性模量为30GPa,泊松比为0.23[37].岛弧分布区的岩石密度为2500kg/m3,弹性模量为40GPa,泊松比为0.25[38].将模拟区域适当放大,以减小模拟过程中的边界效应.不同模型之间的区别在于其几何模型的不同和受力方式的差异.

Şengö等和Allen等支持"单岛弧模式"[8, 11, 12, 15, 39~41],认为阿尔泰造山带是由科普恰克岛弧(Kipchakarc)在显生宙走滑堆叠形成的,而准噶尔盆地、阿拉考盆地和吐鲁番盆地则是在这一演化过程中受张扭性构造作用形成的.但是关于准噶尔盆地的具体形成过程,二人存在不同的观点.

4.1 基于Şengö演化模式的模拟结果及分析

Şengö等[11]认为震旦纪东欧克拉通和西伯利亚克拉通沿现在的北侧边界连接在一起.寒武纪科普恰克岛弧开始从联合古陆上裂离,并最终在泥盆纪从两个克拉通上裂解出来.到早泥盆世时,科普恰克岛弧南端与乌拉尔南部岛弧发生碰撞,导致整个岛弧中部的俯冲增生作用停止,并发育了大型走滑断裂,同时沿走滑断裂开始发生堆叠拼贴.从石炭纪-早二叠世期间,东欧克拉通相对于安加拉克拉通进行右旋剪切,同时伴随挤压作用.二叠纪晚期,阿尔泰造山带进入了最后一次演化过程,同时其剪切方向发生了反转,主要原因可能是东欧克拉通相对于安加拉克拉通向东、向南运动造成的.这次反转过程伴随有横穿将来的西伯利亚盆地的伸展作用.同时,在这种张扭性构造作用下,阿拉考盆地、准噶尔盆地及吐鲁番盆地开始形成.

根据Şengö的研究表明,准噶尔盆地、吐鲁番盆地及阿拉考盆地的基底主要由阿尔泰造山带俯冲增生杂岩构成[11, 40].晚二叠世,阿尔泰造山带在后期的岩浆侵入等构造作用下固结成块[8].受东欧克拉通与西伯利亚板块运动方式影响,盆地北侧的额尔齐斯断裂和南侧的北天山断裂发生左行走滑运动,导致三大盆地的裂陷张开,同时发生遍及全区的陆相沉积作用(图 4).

图 4 晚二叠世研究区地质模型(据文献[11]修改) Fig. 4 Geologic model of the study area at the end of Permian (after reference [11])

由上述模式分析,晚二叠世准噶尔盆地处于左旋张扭性大地构造环境中,由此本文设计南、北两侧的北天山断裂和额尔齐斯断裂为主要的张扭性受力边界,分别施加了45MPa的张力和30MPa的剪切力,东西两侧为自由边界.该模式下的应力场计算结果显示,准噶尔盆地南北两侧施加左行剪切力和/或拉张力,虽然在一定的边界条件下模拟结果与实测结果之间比较协调,在准噶尔盆地西部、中部及北部都获得的了较理想的结果,但是在阜康及乌鲁木齐地区,模拟的最大主应力方向与实测值之间始终相差悬殊(夹角在45°~90°),且在多次模拟中自始至终没有改善,因为我们认为此种大地构造动力学模式不能很好的解释晚二叠世准噶尔地区古构造应力场的形成机制.代表性模拟结果见图 5.

图 5 基于Şengö演化模式的代表性模拟结果图中蓝色双箭头代表最大主应力方向,黑色双箭头代表最小主应力方向,红色线条代表主应力性质发生了反转;叉号表示固定边界,单箭头表示施加应力,单箭头粗细表示应力相对大小. Fig. 5 Representative simulation result based on the tectonic model proposed by Şengö
4.2 基于Allen演化模式的模拟结果及分析

准噶尔盆地四周被大型断裂围限:北侧的额尔齐斯断裂,南侧的北天山断裂,西侧的达拉布特断裂及东侧的博格达山前断裂.根据南北两侧断裂两盘发育小构造的拖拽现象推测这两条断裂在晚二叠世发生过左旋运动[8],这与Şengö等[11].指出的在晚二叠世沿断裂发生过大规模的左旋位移相吻合.

Allen等[8]在Şengö等[11]提出的大地构造演化模式基础之上,对准噶尔盆地的形成机制进行了更为详细的解释.分析认为,准噶尔盆地、吐鲁番盆地及阿拉考盆地形成于区域性的张扭作用机制,主要的控制断裂也是盆地南北两侧的北天山断裂和额尔齐斯断裂,同时盆地东、西两侧的断裂也起到了重要的调节作用,其中,准噶尔盆地西北缘的达拉布特断裂为压扭性右旋走滑断裂,而东南缘的博格达山前断裂在二叠纪末转变为压扭性构造边界.在此基础上本文提出新的地质模型(图 6).根据该地质模型,准噶尔盆地的西南边界和东北边界设定为张扭性边界,分别施加15MPa的张力和15MPa的左旋剪切力;准噶尔盆地的西北缘设定为压扭性边界,分别施加15MPa的压力和15MPa的右旋剪切力;准噶尔盆地的东南缘设定为压性为主的压扭性边界,分别施加30 MPa的压力和15 MPa的右旋剪切力(图 7).

图 6 晚二叠世准噶尔盆地及邻区的 地质模型(据文献[8]修改) Fig. 6 Geologic model of the study area at the end of Permian (after reference [8])
图 7 基于Allen演化模式的代表性模拟结果 Fig. 7 Representative simulation result basedon the tectonic model proposed by Allen

根据古沉积相图将模型内部划分为3个构造单元并分别赋予三种不同的岩石类型:砂砾岩、页岩和碎屑岩,物性参数主要包括密度、弹性模量和泊松比(表 1).

表 1 力学模型物性参数表 Table 1 Physical property parameters usedin the mechanical model

利用ANSYS9.0 有限元数值模拟软件,根据上述地质模型和力学边界条件得到构造应力场的计算结果(图 7),准西、准西南、准中,尤其是乌鲁木齐与阜康地区计算得到的最大主应力方向与实测值之间的拟合度非常高(实测点1、6、7、8、9、10处),两者之间的夹角皆小于10°.虽然准噶尔盆地北部地区计算得到的最大主应力方向与实测结果之间的夹角大于10°(点2、3、4、5处),但是两者之间的夹角不超过20°,使得整个准噶尔盆地及周边地区的应力场计算结果与实测结果之间得到了较高的吻合程度,代表性模拟结果见图 7.这说明准噶尔盆地在二叠纪末的区域构造应力场是在张扭性西南和东北边界和压扭性西北和东南边界共同作用下形成的.

5 结 论

根据准噶尔盆地内部、西北缘和南缘各种构造应力标志,确定了二叠纪末准噶尔地区构造应力场的整体方向为NW-SE 向,方位为290°左右,只在乌鲁木齐、阜康、柴窝堡等局部地区略有偏转,方位在310°~320°左右.

通过模拟对比发现,晚二叠世末准噶尔盆地可能处于张扭与压扭复合作用的大地构造动力学机制之下,即:南北两侧的额尔齐斯断裂与北天山断裂为张扭性左行走滑断裂,而东西两侧的达拉布特断裂和博格达山前断裂是一对压扭性的右行走滑断裂系统,这两条断裂在晚二叠世准噶尔盆地古构造应力场的形成过程中起到了重要的作用.

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