地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (1): 75-87   PDF    
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
陈科1, GUMIAUX Charles2, AUGIER Romain2, 陈岩2, 梅岩辉1, 林伟3, 王清晨3    
1. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029;
2. 奥尔良大学地球科学系, 法国奥尔良 45071;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要: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.
关键词天山     褶皱逆冲带     构造观测     地震剖面     重力测量     多学科综合    
A multidiscipline method of geological survey, seismic profile and gravity measurement applied to fold-and-thrust belt:a case study along the Hutubi River in the northern piedmont of Tianshan
CHEN Ke1, GUMIAUX Charles2, AUGIER Romain2, CHEN Yan2, MEI Yan-Hui1, LIN Wei3, WANG Qing-Chen3    
1. Oil & Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029, China;
2. Institute of Geology, University of Orléans, Orleans 45071, France;
3. Institute of Geology and Geophysics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: Fold-and-thrust belts are hot topics in the research of orogens. However, the single geological or geophysical discipline often provides multisolutions on the geometry of a fold-and-thrust belt. We introduce here a multidisciplinary method combining geological and geophysical methods, take the Hutubi River section as a case to study the geometry of the fold-and-thrust belt in the northern piedmont of Tianshan. Firstly, we have carefully taken geological survey and got structural data on the surface. Secondly, petroleum seismic profile was re-interpreted based on the surface data and drilled wells. However, the seismic profile is absent in the contact zone between the mountain and the Junggar basin. We therefore carried out gravity measurements and forward modeling along this profile with the densities of the basement and sediments. The result shows that the northern flank fault of Tianshan doesn't exist along the Hutubi River profile, and the basin sediments could be continually followed from the basin to the mountain interior. This indicates that the tectonic structures in the contact zones between the mountain and the basin are variable, as the western section in the Jingou River section shows that the Tianshan basement thrusts northward on the basin sediments. Based on the balance-section technology, the restored section shows 4.8 km of shortening. Comparing with previous results, this indicates the heterogeneous deformation along the northern piedmont of Tianshan. It also implies that this multidisciplinary method could be widely used in the fold-and-thrust belt.
Key words: Tianshan     Fold-and-thrust belt     Structural observation     Seismic profile     Gravity measurements     Multidisciplinary    

1 引 言

前陆褶皱冲断带是研究造山带特征和演化的关键 (Vann et al., 1986; Lacombe et al., 2002; Tozer et al., 2006),因为该构造部位不仅是变形最为强烈的区域,而且前陆褶皱冲断带不同地层通常会记录造山带演化的主要过程 (刘和甫,1994, 1999,2000Burchfiel et al., 1999; Lacombe et al., 2007; 王清晨等, 2007; Yin et al., 2010 ).近30年来,前陆褶皱冲断带的构造几何学和运动学朝定量化研究发展 (Suppe, 1983; Jamison, 1987; Suppe et al., 1990; Shaw et al., 2005; 李本亮等,2010),各种理论和分析方法已经在许多前陆褶皱冲断带中 应用 (何登发等,2005,2005bBernard et al., 2007; Daёron et al., 2007; Charreau et al., 2008).然而各个造山带都有其独特的演化历史,相应的前陆盆地也有其特性,每种理论方法都有其局限性,不能用单一的变形理论模式去严格约束一个造山带的变形;相反,应该利用实际有效的地质与地 球物理数据为基础去研究一个褶皱冲断带 (McConnell et al., 1993; Nemcok et al., 2005).中亚地区的现代地貌基本都认为是由于印度—亚洲板块的碰撞所 引起的远程效应 (Tapponnier et al., 1979; Avouac et al., 1993; Yin, 2010).天山是中亚地区最主要的山脉,大部位于我国新疆地区,其北侧前陆褶皱逆冲带大致形成三排褶皱,提供了研究陆内变形的天然实验室.前人在20世纪80—90年代就已经开始研究准噶尔盆地南缘的褶皱和断裂 (朱海之等,1990),国外地质学家Burchfiel 和Molnar与中国地震局合作开展了活动构造方面的研究 (Molnar et al., 1994; Brown et al., 1998Burchfiel et al., 1999; 邓起东等,2000), Avouac et al. (1993) 通过被断层错段的阶地对前陆逆冲带的活动开展研究,刘和甫等(1994)也对天山两侧前陆盆地的构造变形和演化开展了研究,这些研究主要基于地表的野外工作,获取了地表详细的数据.但是,对于地下的几何结构却缺乏有效数据,因而大部分的地下结构都是基于地表数据的推测.随着研究的深入,特别是石油勘探在中国西北部的全面开展,地震反射剖面也被广泛应用于天山前陆褶皱冲断带的研究工作 (杨庚等,1996刘志宏等,2000卢华复,20012007汪新等2002Fu et al., 2003汪新伟等2005杨明慧等, 2006Daёron et al., 2007; Hubert-Ferrari et al., 2007; 管树巍等,2007漆家福,20082009Li et al., 2011).这些已经发表的地震剖面主要集中在天山南缘,天山北侧的研究还较薄弱,而且地震剖面解释而得出的缩短量有很大的差异,构造变形的模式也存在不同 (Avouac et al., 1993; Burchefiel et al., 1999; Li et al., 2011).这说明了无论是基于地质观察还是地震剖面,都会产生多解性而导致构造模式的不同.因此本文以天山北麓呼图壁河剖面为研究对象,在详细的构造地质观测和地震剖面解释的基础上,结合重力测量和模拟,研究天山新生代构造变形的特征并讨论其动力学意义.

2 地质背景

天山东西连绵约2500 km,宽约250~350 km, 其最高峰超过7000 m.塔里木盆地与准噶尔盆地分别位于其南北两侧.现代的天山地貌通常被认为是由两个阶段的造山作用形成:一是古生代复杂的板块俯冲、碰撞和增生(Windley et al., 1990; Sengör et al., 1993; Gao et al., 1998; Xiao et al., 2004; Charvet et al., 2007; Wang et al., 2007; Wang et al., 2010);二是中、新生代的天山再次活动 (Burchfiel et al., 1999Avouac et al., 1993; Tapponnier et al., 1977).新生代天山抬升剥蚀的初始年龄据裂变径迹的数据推测大约为23~24 Ma (Hendrix et al., 1994; Dumitru et al., 2001),但 是在15 Ma及11 Ma 具有加速剥蚀和沉积(Heermance et al., 2007Charreau et al., 2008).大地测量数据,例如GPS测量,表明位于乌鲁木齐至乌苏段横穿整个天山的现代缩短量为~5 mm/a (Reigber et al., 2001Wang et al., 2001;牛之俊等2007).其中,主要的缩短量被天山南北两侧的褶皱和逆冲带所吸收 (Avouac et al., 1993Burchfiel et al., 1999).天山北侧乌鲁木齐至乌苏一带出露的褶皱形成三条褶皱带,然而,这些褶皱并不连续,单个背斜形成类似于穹隆褶皱的构造(图1).本研究区位于呼图壁河附近区域,其中两排褶皱在该区出露,北侧为呼图壁背斜,南侧为齐古背斜.前者核部为第三系,伴随北向逆冲断层;后者核部为上侏罗统(图2).

图1 天山北麓乌鲁木齐至乌苏段构造地质简图.左下方地貌图显示了研究区在天山—准噶尔盆地—塔里木盆地系统中的位置(据1 ∶ 20万地质图修改) Fig.1 The geological map on the northern piedmont of Tianshan, from the Urumqi city to the Wusu city. The low left topography map show the study area in the Junggar-Tianshan-Tarim system (modified from geological maps of 1 ∶ 20000)

图2 呼图壁河地区构造地质图.图中注明了地震剖面的位置和重力测量点的位置 Fig.2 Structural map of the Hutubi River area. The location of the seismic profile and the gravity stations were indicated

沉积相研究及区域地质调查结果显示准噶尔盆地南缘中、新生界地层均为陆相地层 (Hendrix et al., 1992; 新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993),但是天山基底为石炭系火山沉积岩或海相沉积岩,整个中、新生界地层的陆相碎屑的泥岩、砂岩和砾岩~10 km厚,显示了快速的沉积过程(新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993).本研究集中在沿呼图壁河的盆山结合带及准噶尔盆地南缘的变形区域(图2).

3 呼图壁河剖面
3.1 呼图壁河剖面地质观测

呼图壁河剖面大致沿着该河流从准噶尔盆地向南延伸到北天山内部(图2).从天山流向盆地的河流切割剥蚀,提供了良好的地质露头.天山南侧出露石炭系火山碎屑岩及海相沉积岩,地层向北逐渐变新,至盆地中仅出露新生代地层.研究区内二叠系缺失,三叠系仅出露于天山内部东侧(图2),它由砾岩 及红色的泥岩和砂岩组成.侏罗系的地层广泛出露于天山北侧,由陆相的砾岩、砂岩和泥岩组成,其中所含煤层成为天山北缘煤矿的主要来源.白垩系地层由紫泥泉子组紫红色砂岩、泥岩和东沟组厚层砾岩组成.新生界为含砾砂岩和泥岩,厚度约为4 km,说明了快速的剥蚀和沉积速率.较为特别的是西域组,为一套磨圆和分选都较差的砾岩,其下的独山子组砂岩和泥岩逐渐转变为西域组的含砾砂岩及砾岩,该组砾岩的年龄起初存在争议和不同的看法,最近的研究表明该组地层具有穿时的特征,区域上其底部年龄越往盆地方向越年轻,因此不可能代表一个构造或者是一个气候事件,相反它可能代表了天山北缘与向北传递楔形变形相关的砾岩 (Charreau et al., 2009),变形向北的传播过程中,与之相关的砾岩沉积向北越来越新.该砾岩出露于研究区北侧吐古鲁背斜的周缘及南侧齐古背斜的北翼(图2).吐古鲁背斜在平面上显示为一个具有东西长条状的穹隆构造,核部为第三系,两翼边缘为西域组,西域组也分布于该褶皱的东缘,证实了其穹窿构造的特征,该褶皱在往东的呼图壁河附近并没有出露于地表(图2).沿着呼图壁河,首先出露的构造是一组单斜的地层,这些地层较为连续,从西域组一直到侏罗系,该套沉积岩层向北倾斜,形成了齐古背斜的北翼.齐古背斜的核部为上侏罗统,核部有红色齐古组泥岩和砂岩互层组成,而其南翼的倾角较缓(图3),南翼与更南侧的北倾地层组成一个宽缓的向斜(图2).在剖面的南端,侏罗系地层不整合覆盖在石炭系的基底之上,侏罗系的倾角较缓,而下覆石炭系砂岩具有直立的劈理,显示了不同的岩石单元(图4),这说明了侏罗系与山体基底的沉积接触关系.

图3 齐古褶皱显示北翼比南翼陡,褶皱的核部无断层伴生 Fig.3 The Qigu anticline shows its northern limb steeper than the southern one, without fault in its core

图4 下侏罗统角度不整合覆盖在具有直立劈理的石炭系之上 Fig.4 Lower Jurassic overlies unconformity on the vertical foliated Carboniferous
3.2 呼图壁河剖面地球物理数据获取及其形态特征

除地表的数据外,本研究也利用地球物理数据约束剖面的地下结构.石油地震剖面广泛分布于准噶尔盆地,获得的原始地震剖面位于呼图壁河北部盆地内(图2),但是盆山结合带缺少数据,因此,对于该剖面的结构进行了不同方法的约束,北侧盆地中主要利用地震剖面,而南侧采用了重力学的约束方法.

原始地震剖面的数据质量较高,其纵坐标采用的是双程走时,因此需要把时间坐标转化为深度坐标.利用了Matlab处理图像的功能,编写程序处理地震位图(附图1),该程序先计算该剖面深度与双程走时之间的对应关系,得出两者之间的关系式.通过该关系式可以计算剖面图像中每一个点的对应深度,因此,相当于图像的横坐标不变,纵坐标拖拽到相应的深度位置.通过计算和图像处理,得到以深度为纵坐标的地震反射剖面,图5中显示的是以深度为纵坐标的同相轴剖面图,利用地表测量得到构造数据、1 ∶ 20万地质图及钻井分层数据,可以很好地约束呼图壁河剖面盆地内的深部结构,它显示了该剖面最北侧变形较弱,地层具有较宽缓的褶皱,变形较为强烈的区域在吐古鲁背斜,断层发育在背斜的核部,具有约百米宽的断裂带,断层北侧的地层产状基本水平,南侧地层南倾约30°,该结构与断层弯曲褶皱具有类似的特征 (Suppe, 1983),其上部的断坡部分可能已被剥蚀.吐古鲁背斜的南翼根据地震剖面显示了一个向斜构造,向斜翼间角较为宽缓.

图5 地震反射剖面的同相轴,顶部为测量的地层产状(Chen et al., 2011) ,W1指示了齐古背斜钻井的位置 Fig.5 The CMP of the seismic profile, with the measured dip angles on the top (Chen et al., 2011), W1 indicates a drilling well on the Qigu anticline

呼图壁河剖面南部的构造形态通过地表的观测约束,所测量的地层产状数据显示齐古背斜的北翼陡而南翼缓,这种不对称褶皱显示了北向逆冲的极性,由于地表没有观测到断层,推测是古生界基底的断裂向上延伸而在盖层中形成褶皱,但是南侧的深部结构缺乏地震剖面的数据.

为了系统地研究天山北缘与准噶尔盆地接触耦合地带的深部结构特征与构造演化历史,在研究区布设了一条近NE-SW向的高精度重力位场测量剖面.该剖面自南西向北东方向跨越了齐古背斜与吐谷鲁背斜等地质构造单元,全长约70 km,沿剖面布设了约100个高精度重力测点,平均点距为700 m.所有测点采用CG-5高精度重力仪进行三次重复观测,重力测量误差在0.005 mGal以内.在每一个重力测点均采用Magellen移动式GPS机进行不小于1 min的静态观测,并对所测得的GPS数据进行后期差分处理以保证高程误差小于20 cm.

对在野外测得的重力数据进行了正常场改正、高度改正、中间层改正与地形改正,得到了测点的布格异常重力值(图6a).其中,中间层改正利用公式(1)进行:


其中,AB为布格异常值,gmes为测量值,gth为重力理论值,h为高程,ρB为中间层改正的密度,本研究中根据对天山基底的石炭系沉积岩及火山岩的密度测量,取2.6 g/cm3.

图6 二维正演重力剖面,莫霍面结构根据前人地震深反射剖面 (Wang et al., 2004).顶部曲线指示剖面高程;中部为地质体的重力异常拟合布格重力异常;底部为由重力模拟的地质模型 Fig.6 2-D forward gravity modeling and the Moho structure according to a deep seismic profile survey (Wang et al., 2004). The top panel indicates the topography profile. In the middle panel, the model gravity effect has been fitted to Bouguer anomaly data. The bottom panel shows the geological model for the gravity modeling

地形改正由两部分组成,其中0~50 m范围内的近区地改由野外结合地形图估计的10个扇形区域组成,每一个扇形区域的平均值对应需要校正的布格异常值(Hammer, 1939);50~167 km的中、远 区地形改正根据SRTM数据(90 m精度)在Geosoft 软件中利用地改模块计算获得(Martelet et al., 2002).

由图6可见,剖面沿线的布格重力异常形态呈 现出明显的变化特征.在测线北段的准噶尔盆地内部,布格重力异常曲线变化平缓,在-120 ~-125 mGal 范围内小幅度波动.自准噶尔盆地南缘至齐古背斜 北侧,布格重力异常由-125 mGal陡降至-142 mGal, 之后向南又逐渐增高至-118 mGal.在天山山系北部地域,布格重力异常值由-118 mGal向南逐步下降,在剖面南段降至-136 mGal,且其形态呈现出明显的高频抖动特征.

3.3 呼图壁河剖面沿线的密度结构

为了获得该研究剖面区域的密度结构特征,利用已知的速度与密度关系的经验公式(2)把已有的速度结构转化为初始密度结构模型 (Gardner et al., 1974):


地震P波的波速来自于钻孔中的原位测量(表1).从上至下,第四系的沉积物由松散的砾岩和砂岩组成(新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993),这一层并没有波速资料,但是早期的重力区域调查显示该层的平均密度为2.0 g/cm3(江远达,1983).位于第四系和新近系交界处的西域组由砾岩组成,砾石主要由古生代岩石组成,由于孔隙度的原因,其密度值 应该比基底岩石的密度小,利用密度2.4与2.5 g/cm3 都进行了正演模拟的尝试,使用2.4 g/cm3时,重力模拟在盆地内部很难拟合,采用平均值2.5 g/cm3时,盆地中的模拟很容易拟合,因此采用了后者.古近系与新近系地层很相似,都是泥岩和砂岩互层,夹砾岩,根据波速计算结果,将其合并取平均值为2.4 g/cm3. 白垩系东沟组主要由砾岩组成,固结较好,计算的密度值为2.57 g/cm3.吐古鲁组由泥岩夹砂岩组成,波速计算得出的密度值为2.5 g/cm3.中、上侏罗统具有相似的砂岩组成,将其合并,密度值为2.51 g/cm3.下侏罗统为砂岩夹砾岩(Chen et al., 2011),密度为2.54 g/cm3.三叠系地层出露并不完整,由砾岩和红色泥岩组成,平均密度值为2.55 g/cm3.根据波速值推算、本研究的实验室测量和前人研究 (江远达, 1983; 左龙凭等,1999),天山基地的的密度值采用2.6 g/cm3.总体上,用于重力模拟的密度值与P波速度及前人研究结果一致.

表1 由P波波速计算并应用于二维正演模拟的密度值 Table 1 The densities of sedimentary layers for gravity modeling, calculated from seismic velocities of P-wave

在此基础上,沿着呼图壁河剖面,地层的密度作为已知值,密度界面的几何结构作为变量,利用Geosoft-GMSYS人机交互式软件模拟和拟合.深部结构的边界条件根据前人地震反射剖面,研究区内存在两条深反射剖面,一是沿着天山中段的玛纳斯河剖面 (Wang et al., 2004),二是天山西段的奎屯河剖面 (Zhao et al., 2003), 本研究选择离呼图壁 河 剖面约50 km的玛纳斯剖面的深部数据(Wang et al.,2004).剖面北部的吐古鲁背斜显示了明显的重力负异常,这是由于较重的西域组的缺失.向南重力异常值降低,可能是区域重力作用和沉积层厚度的变化.南侧齐古背斜显示出正异常值,而且向南增大,这主要受基底-沉积盖层界面向南不断变浅的影响,在天山内部,重力值向南变小,这主要受到区域重力异常的控制,例如莫霍面的变化.山体内部的重力异常值不是太平滑,可能是由于地形陡峭的影响.

结合地表构造观测、地震反射剖面、重力测量和钻井资料,得到一条综合地质剖面(图7a).从地震反射剖面可以看出,齐古背斜南翼的下方具有产状较陡的反射面,此反射面与向斜不协调,在此将其解释为一断坡,该断坡无法直接向上延伸,与上覆地层形成断弯褶皱.其北侧断坡通过平行于地层的断坪,可以连接吐古鲁背斜核部的断层,从而形成断坡-断坪-断坡的经典构造(图7a).

图7 (a) 根据地震剖面、重力测量、地表观测和钻井资料解释的地质剖面;(b) 将各层沉积盖层恢复至水平的平衡剖面 Fig.7 (a) Interpreted geological map based on seismic profile, gravity measurement, geological survey and a drilled well; (b) Balanced cross section by restored sedimentary layers to horizontal level

将该剖面利用软件将其恢复成原始水平状态,首先根据断裂分成不同的部分,然后利用斜剪切技术将各个部分的褶皱展平,最后将各个部分拼接(附图2).结果显示该剖面是一条平衡剖面(图7b).此外,通过比较原始剖面和平衡后的剖面,可以计算呼图壁河剖面的缩短量,其主要变形位于吐古鲁背斜 和齐古背斜,缩短量为4.8 km,整个剖面长67.8 km,缩短率约为7% (图7b).

4 讨论和结论

本研究通过地表观测,地震剖面和重力测量约束了呼图壁河剖面的几何结构.地震剖面的解释和时-深转换都具有较为可靠的实际速度数据约束,地震剖面解释结合地表构造观测数据和钻井数据,很好地约束了剖面盆地部分的几何结构,利用构造观测和重力剖面较好地约束了南侧盆山结合带的地质结构.重力测量及模拟通过多方面保证其可靠性,首先是精确的野外重力测量,每个测量点都具有三次测量值,两者间的误差均小于0.005 mGal;其次DGPS测量保证了空间位置上的精确,地震反射得到的莫霍面结构除去了最为重要的区域重力异常 (Wang et al., 2004).玛纳斯河位于呼图壁河西~50 km,本文认为两者有相同的深部特征,因为天山及两侧盆地的构造线为近东西向 (Avouac et al., 1993),所以沿着东西向的构造变化较小.该重力剖面的南侧数据较为分散,可能是由于地形陡峭和浅部地质体密度高频变化所致,这指示在复杂山体中需要更为准确的地形数据和详细的工作.

该剖面的构造主要由吐古鲁背斜和齐古背斜组成.吐古鲁背斜的结构具有东西向不均一性,吐古鲁背斜中段核部出露地表,并伴随着逆冲断层和陡立的第三纪地层,逆冲断层在前人研究中被解释为一个近似的断展褶皱(见Burchfiel等(1999)中的图6),然而在该背斜东侧的地表和地下数据显示,该背斜的变形向东侧变弱,在地表并没有出露,地震数据显示该区地层产状较缓,该褶皱核部的断层通过断坪与深部切割基底的断坡相连接.吐古鲁背斜向南以一个宽缓的向斜与齐古背斜连接,齐古背斜是一个不对称褶皱,说明了核部存在隐伏的南倾断层,该背斜的南翼地层以角度不整合覆盖在古生界基底之上(图7).Avouac等(1993) 在该区提出两种可能的变形模式:一是齐古背斜之下存在复杂的双冲构造;二是变形量较小的单一逆冲断层,然而在本研究和前人的研究中并不存在能够平衡该强烈挤压变形的反冲构造,因此,较为合理的解释是变形量较小的基底断层导致盖层的褶皱(图7).

本研究显示天山北缘的侏罗系地层可以从准噶尔盆地中连续过渡到天山内部,天山与准噶尔盆地的接触带具有多样性的特征,不仅具有天山基底逆冲到准噶尔盆地之上的构造特征,例如金钩河、奎屯河附近(Charreau et al.,2008; Li et al.,2009),也存在本研究显示的沉积盖层以不整合覆盖在天山基底之上的沉积接触特征.因此,传统意义上的天山北侧并不存在连续的天山北缘断裂.利用本研究所得到的4.8 km的缩短量,计算得出整条剖面的缩短率约为7%,按照霍尔果斯生长地层的年龄大约开始于10 Ma (Charreau et al, 2008,2009),即新生代天山变形向盆地内传播的年龄,得到缩短速率为0.48 mm/a, 这与通过现代GPS测量的横跨天山的速率~1 mm/a(牛之俊等,2007)吻合,因为天山一部分的缩短量被天山内部及南侧所吸收.对比天山北缘其他剖面的研究,例如金钩河剖面,其缩短量至少约为10 km (Charreau et al., 2008; Li et al., 2011),这说明了天山北缘不仅盆山结合带存在构造的多样性,在盆地内部的缩短量方面也具有东西向的差异.

本研究首次尝试使用地质与地球物理相结合的方法,综合应用地表观测、地震剖面、钻井资料和重力测量的结果,构建呼图壁河剖面并很好地控制了多解性.该剖面说明了天山北缘呼图壁河剖面南缘侏罗系盆地不整合覆盖在天山基底之上,结合前人研究,指示了天山北缘盆山结合带构造的多样性.利用平衡剖面技术,计算出呼图壁河剖面的缩短量为 4.8 km.本研究说明该综合地质和地震及非震地球 物理方法可以很好地应用于前陆褶皱冲断带的研究中.

致 谢 本研究得到法国BRGM的Guillaume Martelet研究员在重力模拟上的帮助,南京大学王胜利老师在地震剖面解释和“Matlab”程序上予以帮助,张永谦博士在论文的完成过程中对地球物理部分的成文有重要的帮助,在此一并表示感谢.

附录A 基于“Matlab”的地震反射剖面时-深转换

本研究中的地震剖面时-深转换由Matlab软件完成,其计算程序见下文.首先统计准噶尔盆地南缘多条地震剖面的速度,然后利用二次多项式拟合并获得双程走时与深度对应的关系式(附图1).依据该关系式,就能够计算地震剖面图像中的每一个像素点在垂向即深度上的位置,相当于将图像根据其深度坐标将其纵向拉长或缩短,但是横向上位置不变.下面计算程序中“%”之后注释为程序的说明.

附图1 由地震反射剖面中P波波速计算的双程走时与深度的相关关系,不同的符号代表了准噶尔盆地南缘不同的地震剖面,图中的公式由二次函数拟合形成 Appendix Fig.1 The relationship between the two-way travel time and the depth calculated from the P-wave velocities in the seismic reflected profiles. Different simples indicate distinct seismic profiles in the southern Junggar basin. The formula in this figure was fitted by a quadratic function
%section1 Name of this section
surfacesec=imread('section1_cut_surface.tif','tif');
section=imread('section1_cut.jpg','jpg');
S=size(surfacesec);
L=zeros(1,S(2));%L is the position of 0 in vertical
for a=1:S(2)%S(2)-1 is for the last column is empty
     limit=find(surfacesec(:,a)==0);
     L(a)=limit;
end
scale=S(2)/47.6526;%scale is the pixels of every kilometer in horizontal
vscale=5;%vscale is the scale of the vertical dimention metre/pixel
xx=(L(S(2))-L(1));%1785-540m, from N to S, the diff altitude
x=[153.617510469606,1493.59530314989, -31.8449294062414];%x is the coefficient of the 2ed polynomial for depth
for i=1:S(2)% loop for these columns
     for m=1:S(1)% loop for these rows
     if m     index=round(m/(xx)*(1785-540)/vscale);
     if index>0
     G(m,index)=section(m,i);% 50 gray correspond 1500m/s
     end
else
     t=(m-L(i))/392;
     index=round((x(1)*t^2+x(2)*t+x(3)+L(i)/(xx)*(1785-540))/vscale);
     if index>0
     G(index,i)=section(m,i);%190 is the pixels of each second in section1_drawlines
     end
     end
     end
end
imwrite(G,'depth.jpg','jpg')%imageshow(G)
附录B 呼图壁河平衡剖面

呼图壁河剖面的恢复用到专业的地质软件,首先将已经建立的剖面进行数字化(附图2a),每一条线段都代表一个独立的断层和地层界面,在剖面北侧为准噶尔盆地内部,因此将订线设在盆地没有变形的位置,其次,利用弯滑技术恢复北侧断层的错断 (Verrall, 1981; Withjack, 1993),将逆断层上盘下移,上覆地层通过斜剪切技术恢复(附图2b),然后把上下两盘的褶皱通过褶皱核部的订线展平,得到上下两盘近水平的两部分(附图2c);最后将上下两盘整体通过断层拼合,得到最后的平衡恢复剖面(附图2d).

附图2 呼图壁河剖面的恢复过程.(a)原始剖面,订线放在北侧未变形的盆地内部;(b)恢复北侧断层及褶皱;(c)恢复南侧背斜;(d)调节及组合北侧断层上下两盘地层 Appendix Fig.2 The processes of the restoration along the Hutubi River section.(a) The original cention with the pinline in the basin interior,(b) The northern part of fold and faults are stored,(c) The southern anticline is restored,(d) Adjust and build up the hanging wall and the foot wall of the northern fault
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