塔里木盆地巴楚褶皺帶構(gòu)造特征新解釋

塔里木盆地巴楚褶皺帶構(gòu)造特征新解釋

塔里木盆地內(nèi)的巴楚褶皺帶（高帶）是一個(gè)壓縮構(gòu)造帶，該褶皺帶由一系列斜帶nw和se組成。該構(gòu)造帶蘊(yùn)藏巨大的油氣資源,是盆地油氣勘探的前景區(qū)帶,是石油地質(zhì)學(xué)家和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家研究的熱點(diǎn)地區(qū)。近十年來,在巴楚褶皺帶內(nèi)部和斜坡區(qū)開展了大量的地球物理勘探和鉆井勘探,深部不同規(guī)模的巨型背斜構(gòu)造及其相伴生的構(gòu)造斜坡帶均顯示出喜人的油氣資源和勘探前景,也為研究該帶的擠壓褶皺作用提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。過去20年,塔里木盆地巴楚褶皺帶的構(gòu)造解釋積累了豐富的資料,該褶皺帶一直以來被視為斷隆構(gòu)造和走滑構(gòu)造的典型例子。盡管開展了大量的學(xué)術(shù)研究和油氣勘探,但有關(guān)該帶主要構(gòu)造特征的認(rèn)識仍存在很大的爭議,如主要斷裂的產(chǎn)狀和位置解釋存在很大的差異:從形成深部的雙重構(gòu)造的低角度逆沖斷層到完全切穿地層的高角度逆沖斷層。本研究基于巖石變形新理論,聚焦野外構(gòu)造解析和構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對塔里木盆地腹地巴楚隆起帶的構(gòu)造樣式進(jìn)行了全新的解釋,認(rèn)為巴楚褶皺帶是一個(gè)以褶皺變形為主的擠壓帶,帶內(nèi)部分構(gòu)造與大規(guī)模斷層作用幾乎無關(guān),不同規(guī)模的膝褶型拆離背斜塑造了該隆起帶的主體構(gòu)造形態(tài)。本文也從膝褶型褶皺幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)出發(fā),討論了膝褶型褶皺形成的力學(xué)機(jī)制。1關(guān)于古起落架的構(gòu)造屬性和沉積特征巴楚褶皺帶位于現(xiàn)今塔里木盆地腹地,是盆地內(nèi)次級構(gòu)造單元,按構(gòu)造區(qū)劃屬于塔里木盆地中央隆起區(qū)西段,北鄰柯坪斷隆,東接卡塔克隆起,北東過渡為阿瓦提斷陷,東南與塘古巴斯凹陷相連,向西南逐漸過渡為麥蓋提低緩斜坡(一般將巴楚隆起與麥蓋提低緩斜坡區(qū)簡稱巴麥地區(qū))。目前,巴楚褶皺帶的勘探程度和研究程度相對盆地內(nèi)其他勘探區(qū)域還比較低,尤其是褶皺帶兩側(cè)的大型斜坡區(qū)的勘探進(jìn)展緩慢,更多的油氣發(fā)現(xiàn)和突破僅局限于大型斜坡外圍的低緩或低隆起構(gòu)造區(qū)。隨著勘探實(shí)踐不斷的深入,對一些基本問題也有了較為深入的認(rèn)識:巴楚背斜構(gòu)造帶內(nèi)局部構(gòu)造的發(fā)育規(guī)模和展布均與“高角度斷裂”或“高角度斷裂帶”有關(guān),以背斜、“斷背斜”、“斷鼻”等基本構(gòu)造類型為主,這就是巴楚褶皺帶總體及局部構(gòu)造中常見的一種所謂“兩斷夾一隆”的構(gòu)造解釋,其中“兩斷夾一隆”中的兩斷層一般為高傾角逆斷層,其所構(gòu)成共軛夾角的鈍角角分線近于水平。對古隆起成因的看法各不相同,“隆起”及相伴的“斜坡(slope)”是沉積盆地內(nèi)最為普遍的現(xiàn)象之一,有學(xué)者提出了坡折或坡褶帶的概念,坡折帶(slopebreak)為一地貌學(xué)名詞,指地形坡度發(fā)生突變的區(qū)域或地帶。賈承造等根據(jù)地層、構(gòu)造的穩(wěn)定性和活動(dòng)性以及遭受剝蝕的期次和程度,將塔里木盆地古隆起分為3種類型:穩(wěn)定古隆起、殘余古隆起和活動(dòng)古隆起,并認(rèn)為巴楚隆起晚古生代以來長期發(fā)育,新生代強(qiáng)烈活動(dòng),屬于活動(dòng)古隆起。有學(xué)者基于對塔里木盆地的深部構(gòu)造和地球物理數(shù)據(jù)分析和總結(jié),認(rèn)為中央隆起之下的地殼曾發(fā)生底侵作用,導(dǎo)致隆起之下地殼減薄;也有學(xué)者認(rèn)為基底斷裂體系展布控制巴楚隆起基本形態(tài)和格架。這些源于深部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)似乎暗示巴楚隆起的形成受到了基底構(gòu)造的制約?；诼∑鹦纬蓵r(shí)代的差異,何登發(fā)等將塔里木盆地內(nèi)的隆起分為早古生代古隆起、晚古生代古隆起和早中生代古隆起等,進(jìn)而將塔里木盆地中央隆起分為疊加、塌陷和殘存3種類型,認(rèn)為塔中隆起存在整體升降和差異構(gòu)造變形,并據(jù)此將巴楚隆起進(jìn)一步劃分為巴楚早古生代低凸起和巴楚–民豐中生代古隆起。冉啟貴等從區(qū)域大地構(gòu)造角度,將塔里木盆地中央隆起視為“板塊匯聚作用或區(qū)域擠壓作用有關(guān)的隆起”,均屬于“與擠壓撓曲作用相關(guān)的前緣隆起”,并認(rèn)為擠壓型古隆起是板塊構(gòu)造活動(dòng)影響克拉通變形的系列產(chǎn)物。張抗根據(jù)克拉通盆地內(nèi)古隆起的位置,將其分為盆地內(nèi)部古隆起和盆地邊緣古隆起,其中盆地邊緣古隆起呈斜坡狀向盆地內(nèi)傾斜。并認(rèn)為盆地內(nèi)部古隆起由于兩側(cè)被生烴坳陷所圍限,具有更好的含油氣前景。汪澤成等從克拉通盆地演化角度出發(fā),將古隆起劃分為陸相含油氣盆地古隆起和海相古隆起,而海相古隆起可分為4種類型:繼承型、控沉積型、晚期定型(斷裂隆升和擠壓褶皺)和晚期改造型(斷塊和單斜),并強(qiáng)調(diào)海相古隆起具有發(fā)現(xiàn)大油氣田的地質(zhì)條件。何登發(fā)等根據(jù)塔里木盆地內(nèi)古隆起的幅度、面積、走向、形態(tài)等幾何要素,判別出塔里木盆地自震旦紀(jì)至今發(fā)育有多期古隆起,并認(rèn)為二疊紀(jì)末期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),對本區(qū)的古隆起演化影響最為強(qiáng)烈,該時(shí)期是巴楚隆起、塔中隆起和古城墟隆起構(gòu)成橫貫盆地中央大型隆起的重要時(shí)期,并強(qiáng)調(diào)巴楚隆起周緣為斷裂所圍限,具有斷隆的性質(zhì)。何登發(fā)等認(rèn)為隨著塔里木盆地區(qū)的海陸變遷,盆地性質(zhì)也從克拉通內(nèi)盆地向周邊斷陷或前陸坳陷盆地轉(zhuǎn)換,不同地質(zhì)歷史時(shí)期的隆起在縱向上相疊加,最終形成比較復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)。顯而易見,目前多數(shù)學(xué)者承認(rèn)巴楚隆起存在,且對油氣運(yùn)移、聚集和圈閉產(chǎn)生深刻影響,具有巨大的油氣資源前景,然而,由于巴楚地區(qū)露頭稀少、隆起區(qū)內(nèi)中生代地層的大面積缺失,就前中生代構(gòu)造演化過程、三疊紀(jì)末隆起性質(zhì)、現(xiàn)今巴楚隆起的構(gòu)造樣式及成因機(jī)制等基礎(chǔ)地質(zhì)問題仍存在很大爭議。下面總結(jié)目前針對巴楚隆起及其斜坡帶形成機(jī)制研究的幾種不同的認(rèn)識。1)沉積斜坡型:由于不同地區(qū)沉積速率差異從而造成地形坡度突變而形成,對碳酸鹽巖地區(qū)而言,主要發(fā)育于碳酸鹽巖臺地或生物礁體的邊緣,在地震剖面上一般與前積反射的頂部相對應(yīng),最為普遍的是構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈的盆地中構(gòu)造坡折帶往往控制了沉積坡折帶的發(fā)育。2)逆沖斷裂控制斜坡型:巴楚隆起為海西晚期形成的構(gòu)造古隆起,隆起構(gòu)造以高角度逆沖斷裂控制,古隆起形態(tài)與現(xiàn)今的隆起相似。3)混合斜坡型:塔里木盆地內(nèi)的隆起和相伴的斜坡主要形成于古生代(特別是寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)),且古生界斜坡可分為同沉積古斜坡、構(gòu)造斜坡和疊合斜坡;并根據(jù)斜坡沉積物補(bǔ)償特征,將斜坡分為上斜坡和下斜坡。4)基底卷入走滑擠壓斷裂斜坡型:巴楚隆起及其斜坡為基底卷入性走滑擠壓斷裂控制帶,且自奧陶系至全新世發(fā)生多期構(gòu)造活動(dòng),并認(rèn)為這種基底卷入型的構(gòu)造表現(xiàn)為逆沖和走滑斷裂的雙重特征,這種復(fù)合構(gòu)造源于板塊的斜向匯聚產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)。5)肖安成等通過斷裂疊加構(gòu)造研究,指出巴楚與柯坪地區(qū)曾隸屬同一大地構(gòu)造單元,巴楚隆起區(qū)的NW向斷裂體系向北延伸進(jìn)入柯坪褶皺沖斷帶,是同一構(gòu)造帶的延伸,主要形成于中新世至上新世。隨著對“坡褶帶”研究的不斷深入,“構(gòu)造坡褶帶”的概念和思想逐漸被部分石油地質(zhì)學(xué)者所推崇,提出陸相地層“構(gòu)造坡褶帶”的概念,并認(rèn)為“構(gòu)造坡褶帶”的展布樣式將在很大程度上決定了沉積體系和沉積層序的演化和發(fā)育,基準(zhǔn)面和地貌是通過影響可容納空間等來控制沉積作用的關(guān)鍵因素,在橫向上和縱向上具有一定規(guī)模的坡折帶才可能對地層的疊置樣式及沉積體系的發(fā)育和演化產(chǎn)生明顯的影響,坡折帶又可以通過與其他因素如基準(zhǔn)面、沉積物供給等的相互影響來控制構(gòu)造與沉積。“構(gòu)造坡褶帶”的概念更多地強(qiáng)調(diào)同沉積構(gòu)造長期活動(dòng)引起的沉積斜坡明顯突變的地帶,值得注意的是這些學(xué)者認(rèn)為形成“構(gòu)造坡褶帶”的基本構(gòu)造樣式是斷裂和撓曲,因此,“構(gòu)造坡褶帶”普遍被解釋為斷裂坡褶帶和撓曲坡褶帶。從上述研究進(jìn)展總結(jié)不難看出,對塔里木盆地巴楚隆起的構(gòu)造及其演化解釋的差異主要集中于斜坡性質(zhì)和隆起內(nèi)的構(gòu)造樣式的解釋。這些不同的解釋方案,總結(jié)如圖1所示,無論是隆起邊緣,還是隆起內(nèi)部,高角度逆沖斷裂構(gòu)造均被認(rèn)為是控制隆起構(gòu)造格架的重要而且是唯一的構(gòu)造樣式。由于可供野外觀測的露頭有限,幾乎所有二維地震測線都沒有穿越野外露頭,因此露頭區(qū)的地質(zhì)調(diào)查資料與地震資料之間的直接銜接相對較弱,因此,我們希望通過有限的野外地質(zhì)露頭的精細(xì)描述和相應(yīng)的構(gòu)造物理模擬,為解釋該區(qū)深部構(gòu)造樣式提供基礎(chǔ)和直接的信息。2野外構(gòu)造觀測巴楚褶皺帶內(nèi)的構(gòu)造樣式解釋和構(gòu)造變形演化的厘定,主要依賴于地震勘探方法和鉆井資料,而對地表露頭的詳細(xì)構(gòu)造觀測和解析則相對薄弱,這在一定程度導(dǎo)致人們對構(gòu)造樣式認(rèn)識的偏差,當(dāng)然這也與本區(qū)地表巖石露頭稀少有關(guān)。從現(xiàn)今的衛(wèi)星遙感圖解譯(圖2),可以清晰地識別出巴楚地區(qū)是塔里木盆地中央沙漠區(qū)唯一出露巖石的區(qū)域。針對這些露頭開展詳細(xì)的構(gòu)造觀測是認(rèn)識該區(qū)基本構(gòu)造樣式的唯一窗口,也將為地球物理資料解釋提供基本的依據(jù)和參考。研究區(qū)出露的巖石露頭自東向西分別為:良里塔格山、別里塔格山、瓦吉里塔格山、小海子水庫旁的瑪扎山、大坂塔格山以及位于巴楚縣南部的瑪扎塔格山-鳥山-古董山,這些出露在沙漠中的古生代和新生代地層為我們進(jìn)行構(gòu)造觀測提供了主要對象。本研究結(jié)合衛(wèi)星遙感圖和數(shù)字高程解析圖像(圖2和3),分別對這些露頭和剖面進(jìn)行較詳細(xì)的野外構(gòu)造觀測和解析(構(gòu)造要素投圖采用等面積下半球投影)。這些出露地表的地層基本呈NW走向,規(guī)模不大,其中良里塔格山和大坂塔格山呈雁行狀排列,以良里塔格山規(guī)模最大,其他露頭,如小海子旁的瑪扎山和瓦吉里塔格山,以出露大量火成巖及少量地層為特征。2.1共同構(gòu)造形態(tài)的確立該露頭區(qū)主要由良里塔格山主體和圍繞該山的大小不等的小山組成,最高峰海拔1500m,山體大致走向?yàn)镹W—SE向(圖3)。良里塔格山出露地層主要為奧陶系灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r地層;對觀測點(diǎn)地層產(chǎn)狀平面投圖,顯示出顯著的地層傾角分帶性特征(圖3和4)。根據(jù)地層傾角變化特征,大致可將這個(gè)小面積區(qū)域及附近分為A,B,C,D和E五個(gè)區(qū)帶(圖3(b)),A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)域內(nèi)地層近水平小于10o,而B和D區(qū)域內(nèi)的地層突變?yōu)楦呓嵌?大于25°),每個(gè)區(qū)域內(nèi)地層傾角相對穩(wěn)定,這種平面上地層傾角的突然變化表現(xiàn)出膝褶和膝褶型褶皺(kink-stylefold)的基本特征,或被部分學(xué)者稱為“angularfold”。剖面幾何形態(tài)進(jìn)一步揭示了這一構(gòu)造形態(tài),從剖面幾何形態(tài)可見(圖4),該膝褶型褶皺的左旋翼(西南翼)寬度明顯大于右旋翼(東北翼),構(gòu)成共軛膝褶帶樣式,且所夾持的背斜構(gòu)造頂面地層近于水平,高角度傾斜地層僅出現(xiàn)在膝褶帶內(nèi)部。各觀測點(diǎn)構(gòu)造要素統(tǒng)計(jì)分析如圖4(a)所示,褶皺軸和膝褶軸產(chǎn)狀大致相當(dāng),NNW低角度傾伏,部分膝褶帶內(nèi)地層面上發(fā)育有微弱的傾向擦痕,暗示層間的滑動(dòng),褶皺兩側(cè)的膝褶型翼形成了寬闊型褶皺(圖3和4)。良里塔格山另一重要構(gòu)造樣式為脆性斷裂構(gòu)造,脆性斷裂為低角度斷層,發(fā)生在低角度(平均地層傾角小于15o)的地層中(圖5)。這些脆性斷裂主要發(fā)育在膝褶帶的翼部和膝褶外側(cè)地層中,而褶皺核部未觀測到斷裂構(gòu)造;這些斷層與柯坪構(gòu)造帶走向基本一致,與褶皺帶走向呈高角度切割。這種切割關(guān)系表明脆性逆沖構(gòu)造晚于良里塔格膝褶型褶皺變形,并改造這些褶皺,這些出露地表的逆沖斷裂構(gòu)造可能與柯坪構(gòu)造帶同期或同屬于一個(gè)逆沖體系。2.2膝關(guān)節(jié)關(guān)鍵構(gòu)造模型的建立別里塔格山位于良里塔格山以西10km處,該山系NW-SE向延伸近25km,出露地表350~500m。野外觀測點(diǎn)主要集中在西北端(圖6(a))。別里塔格山主要出露奧陶系中-薄層灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r地層,和順層就位的基性巖床。觀測點(diǎn)地層產(chǎn)狀平面投圖顯示出地層產(chǎn)狀顯著的分帶性,如圖6(b)所示,觀測區(qū)被分為A,B,C三個(gè)區(qū)域,A和C區(qū)域內(nèi)的地層傾角明顯高角度,B區(qū)域內(nèi)的地層近于水平。圖6(c)精細(xì)表達(dá)了地層產(chǎn)狀突變和分帶特征,A區(qū)的高傾角地層突變?yōu)锽區(qū)的近水平地層區(qū)域,且地層傾角的分帶性與地形高程變化基本一致(圖6(b)和(c));卷入褶皺變形的地層平面幾何形態(tài)顯示出膝褶型褶皺特征,沒有觀測到脆性斷裂。構(gòu)造剖面表達(dá)出褶皺兩翼地層明顯的高角度傾斜(圖6(b)),褶皺頂部地層水平或近于水平(圖6(b)和(c)),呈現(xiàn)出緊閉膝褶型褶皺樣式,膝褶帶內(nèi)陡立地層投影顯示褶皺平均走向?yàn)镹NW—SSE。綜合在別里塔格地區(qū)的所有觀測點(diǎn),結(jié)合過該區(qū)的地震主測線L02(地震剖面上信息質(zhì)量非常差),基于經(jīng)典膝褶變形模型,恢復(fù)的構(gòu)造樣式如圖7所示。褶皺呈現(xiàn)大型共軛膝褶帶特征,膝褶帶內(nèi)地層傾角為高角度,自淺部向深部兩條膝褶帶邊界匯聚,交于一點(diǎn),地表褶皺頂冠向上突起,深部呈現(xiàn)V形褶皺(圖7)。2.3陡立地層上普遍發(fā)生的擦痕大坂塔格山位于圖木舒克市以西,出露的地層為奧陶系薄層和中層灰?guī)r、白云巖、含硅質(zhì)條帶灰?guī)r,露頭近南北向延伸,延伸長度約50km(圖8(a)),海拔達(dá)到1500m。北段山脈主要由向東高角度傾斜的奧陶系薄層灰?guī)r形成,平均地層傾角62o(圖8(a)和(b))。這些陡立地層面上普遍發(fā)育傾向擦痕(圖8(d)),階步方解石充填方式暗示這些陡立地層間發(fā)生了普遍的上盤向上的層間滑動(dòng)。南端山脈主體為一緊閉褶皺(圖9)和兩側(cè)一系列寬緩褶皺形成,褶皺走向NNW-SSE,褶皺核部地層近于直立(75o~90o)(圖9(a)和(b)),向兩翼逐漸過渡為高角度背傾(20o~50o),遠(yuǎn)離褶皺核部,地層傾角基本小于15o。這樣一個(gè)幾何樣式類似于箱式褶皺發(fā)生突起作用(box-shapedlift-offfold),即這一構(gòu)造樣式可能是膝褶型褶皺,是持續(xù)擠壓應(yīng)變形成的緊閉褶皺(圖9(c))。綜合野外觀測分析認(rèn)為,大坂塔格山出露的陡立地層為膝褶帶內(nèi)地層,從擦痕運(yùn)動(dòng)學(xué)指示分析暗示這些東傾地層為右旋膝褶帶。大坂塔格山南段出露的緊閉褶皺為膝褶型拆離褶皺后期應(yīng)變的產(chǎn)物。由于缺乏精確的地層厚度和角度變化測量,所以很難較精確地解釋拆離面的深度和縮短量。2.4層奧陶系中的單面山體巴楚地區(qū)除出露上述較大面積古生代巖層外,還零星出露很小規(guī)模的單面山,這些單面山地層具有高或中等角度傾角,統(tǒng)一傾斜向特征。距離柯坪逆沖帶最近的單面山出露在巴楚縣北2km三岔口鎮(zhèn),主要巖性為中~薄層奧陶系灰?guī)r、含泥灰?guī)r和白云巖,夾硅質(zhì)條帶;地層傾向北東,傾角平均37°(圖10)。圖木舒克市以西沙漠地區(qū)大量出露高角度傾斜地層組成的單面山體,這些單面山體主要出露在古生代薄層灰?guī)r中,這些薄層主要為灰?guī)r、白云巖和泥灰?guī)r,單層厚度統(tǒng)計(jì)分析顯示厚度差異性顯著(圖10(c)),暗示這些巖層分層作用明顯,各向異性顯著。根據(jù)我們對良里塔格、大坂塔格和別里塔格山膝褶型褶皺的觀測,膝褶帶發(fā)育的地層普遍為薄層~中厚層狀地層,且地層巖性變化較大(如良里塔格山主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖互層),膝褶帶內(nèi)地層傾角中等或高角度傾斜,因此,我們解釋巴楚地區(qū)沙漠零星出露的這些單面山可能為膝褶變形帶內(nèi)的傾斜地層。2.5地表露頭褶皺型構(gòu)造非控性構(gòu)造基于對巴楚地區(qū)出露地層的野外構(gòu)造觀測和解析,基本認(rèn)識如下。巴楚地區(qū)古生代地層露頭主要構(gòu)造樣式為褶皺變形,這些褶皺變形以膝褶型背斜或單膝褶帶變形為主(圖11),也有少量彎滑褶皺和低角度逆斷層。出露地表的斷裂構(gòu)造主要為小規(guī)模逆沖(良里塔格山),發(fā)育于褶皺翼部或翼部外側(cè),為調(diào)節(jié)斷裂或柯坪體系的產(chǎn)物,而非主控?cái)嗔褬?gòu)造,褶皺核部未觀測到斷層(至少在地表未觀測到);可以推測褶皺變形與斷裂構(gòu)造沒有必然的聯(lián)系。巴楚地區(qū)沙漠中零星出露的單面山可能為膝褶帶內(nèi)部高角度傾斜的地層。膝褶型褶皺發(fā)育的地層普遍具有如下特征:單層為中層或薄層,地層巖性變化較大,表現(xiàn)出顯著的各向異性和地層分層特征。巴楚地區(qū)褶皺變形與逆沖斷裂構(gòu)造的切割關(guān)系暗示巴楚褶皺變形應(yīng)早于柯坪逆沖構(gòu)造帶。3力方向利用共軛膝褶帶樣式可以估算局部或區(qū)域應(yīng)力場方向。根據(jù)最大有效力矩準(zhǔn)則(maximumeffectivemomentcriterion),Zheng等認(rèn)為最大擠壓應(yīng)力(σ1)應(yīng)出現(xiàn)在共軛膝褶帶鈍角角平分線方向上,而中間主應(yīng)力(σ2)應(yīng)在層面與共軛膝褶帶相交軸方向上,最小主應(yīng)力方向與σ1和σ2定義的平面垂直。最大有效力矩準(zhǔn)則理論計(jì)算結(jié)果指示膝褶帶邊界與最大主擠壓應(yīng)力軸σ1之間的理論夾角為54.7°(圖12)。理論計(jì)算和自然界統(tǒng)計(jì)一致表明這個(gè)角度范圍為45°~65°[37,39,46,47,48,49,50]?；谏鲜隼碚?巴楚褶皺帶3個(gè)區(qū)域野外露頭觀測計(jì)算的古應(yīng)力方向如圖12所示。在良里塔格背斜區(qū),最大擠壓應(yīng)力位于北東象限,與膝褶帶邊界夾角為53o~64o;別里塔格和大坂塔格褶皺區(qū),最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E—SW向,與膝褶帶邊界夾角為48o和54o。與利用古地磁數(shù)據(jù)估算的主擠壓應(yīng)力方向?yàn)镹E—SW一致(來源于瑪扎塔格山中新世烏恰組的砂巖和泥巖)。野外構(gòu)造解析和應(yīng)力、應(yīng)變分析一致表明,巴楚隆起區(qū)內(nèi)存在膝褶型褶皺變形樣式。單純的依靠地質(zhì)構(gòu)造觀測和低品質(zhì)二維地震波反射資料解釋無法厘定巴楚褶皺帶內(nèi)復(fù)雜的構(gòu)造式樣,因此需要設(shè)計(jì)物理模擬反演和揭示層狀巖石發(fā)生膝褶型褶皺變形的條件、變形演化序列、與脆性斷裂關(guān)系等。4國家機(jī)械對膝關(guān)節(jié)和外部結(jié)構(gòu)的影響構(gòu)造變形是應(yīng)力場作用的結(jié)果,但是現(xiàn)今采集和觀察到的大量地質(zhì)信息和實(shí)例是構(gòu)造地質(zhì)演化最終結(jié)果和其中的某一幕,過程早已缺失或被后一幕構(gòu)造演化所替代。因此,合理而又現(xiàn)實(shí)的研究途徑是利用物理模擬實(shí)驗(yàn)方法再現(xiàn)和論證這些重要的構(gòu)造形跡和過程。物理模擬就是用模型來近似地再現(xiàn)地質(zhì)體受力、變形乃至破壞的過程,以追溯構(gòu)造樣式的演化過程,并預(yù)測未來。構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被證明是研究盆地內(nèi)部構(gòu)造的有效工具。對于自然界和物質(zhì)材料普遍發(fā)生的膝褶變形樣式,一般認(rèn)為是應(yīng)力平行作用于層狀變形體的產(chǎn)物。許多學(xué)者也針對這一構(gòu)造樣式開展了理論模擬實(shí)驗(yàn)工作,探討膝褶變形的機(jī)制和過程問題[37,39,44,53,54,55,56,57]。Zheng等從理論層面第一次論證了自然界和實(shí)驗(yàn)條件下膝褶帶與形成膝褶帶構(gòu)造的最大主應(yīng)力之間的理論關(guān)系,并理論計(jì)算認(rèn)為共軛膝褶帶鈍角角平分面方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向,理論值為54.7°,這與我們在巴楚地區(qū)觀測和估算的結(jié)果完全吻合。巴楚地區(qū)應(yīng)力體系和共軛膝褶帶角度分析顯示(圖12),最大主應(yīng)力與共軛膝褶帶邊界之間的夾角介于“45°~64°”,符合最大有效力矩準(zhǔn)則理論和統(tǒng)計(jì)范圍。因此,我們認(rèn)為巴楚地區(qū)的褶皺變形過程或形成膝褶的階段是受控于最大有效力矩準(zhǔn)則的?；趯ρ芯繀^(qū)沉積巖性的認(rèn)識,利用模擬相似性約束實(shí)驗(yàn)體物理性質(zhì)和應(yīng)力條件下,再現(xiàn)構(gòu)造變形樣式和過程,對比分析脆性破裂(主要為逆沖斷裂)、褶皺變形、膝褶帶構(gòu)造的形成、轉(zhuǎn)換、相互控制與關(guān)系以及演化過程。4.1沙層的擠壓試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)測試條件參見文獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)材料為:黃油,厚1cm;黏土,10層總厚5cm;沙層,厚4cm。實(shí)驗(yàn)的擠壓速率為0.1mm/min,單側(cè)位移10cm。照相間隔8min。4.2膝關(guān)節(jié)褶型骨折演化模式實(shí)驗(yàn)中設(shè)置厚度均勻的底面滑脫層(圖13(a)),模擬過程顯示在變形體邊界首先發(fā)育膝褶型拆離褶皺(圖13(b))。典型膝褶型拆離褶皺會(huì)伴隨深部塑性物質(zhì)的流動(dòng)在能干層的中央位置發(fā)生(圖13(b)和(c)),其側(cè)旁次級拆離褶皺在深部表現(xiàn)出膝褶型褶皺樣式,但在淺部或向上逐漸過度為彎滑褶皺樣式(圖13(c)),伴隨彎滑褶皺的發(fā)育在層間出現(xiàn)層間空隙(圖13(c)),這些層與層之間的拆離或剝離現(xiàn)象可能緣于上部覆蓋物壓實(shí)作用較小所致。伴隨應(yīng)變的進(jìn)一步積累,中央部位的次級拆離核部緊閉,且向上突起,次級褶皺背斜頂部地層發(fā)生反向倒轉(zhuǎn)(圖13(d)),同時(shí)在拆離面附近發(fā)生斷層穿層切割,并進(jìn)入上部地層,即形成斷層突破。另一條較大規(guī)模斷裂在拆離褶皺翼部發(fā)育,對褶皺進(jìn)行破壞作用。大量塑性物質(zhì)在能干層中央褶皺帶之下聚集呈“穹窿狀”(圖13(d)和(e))。對褶皺發(fā)育過程的垂向應(yīng)變進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),垂向應(yīng)變量超過110%,褶皺化過程導(dǎo)致大規(guī)模的垂向隆升(圖13(b)~(d))。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析以及與我們以往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比,對膝褶型拆離褶皺和斷裂構(gòu)造形成機(jī)制的基本認(rèn)識如下:1)擠壓變形環(huán)境中,變形體在兩側(cè)(構(gòu)造變形的邊界或盆地的邊界)首先形成低角度逆沖體系(普遍低于30o)和相關(guān)的褶皺變形區(qū),隨應(yīng)變的持續(xù),在變形體的中央部位發(fā)育高角度變形帶,該變形帶具有典型的類膝褶帶和共軛膝褶帶特征,并形成膝褶型隆起或彎滑褶皺;2)形成的共軛膝褶,其夾角基本穩(wěn)定于105°~120°之間;3)形成膝褶型褶皺的有利條件是存在較厚的基底滑脫單元,誘發(fā)拆離褶皺的位置可能如拆離面的斜坡帶、塑性物質(zhì)匯聚抬升部位等;4)應(yīng)變集中或持續(xù)擠壓縮短應(yīng)變體制導(dǎo)致拆離褶皺緊閉,核部地層近于直立或倒轉(zhuǎn),甚至抬升或隆升;5)持續(xù)擠壓縮短變形體制,將導(dǎo)致逆沖斷裂體系發(fā)育,并調(diào)節(jié)褶皺應(yīng)變,其一為發(fā)育在拆離褶皺翼部的斷裂,其二為發(fā)育于深部的拆離面或滑脫面,且突破拆離面切穿上覆地層的逆沖斷裂,這兩類斷裂都對拆離褶皺進(jìn)行改造和破壞。在低擠壓速率情況下,深部的膝褶型拆離褶皺向上遞變?yōu)閺澔鸟薨?而在應(yīng)變的晚期,斷層調(diào)節(jié)作用顯示出側(cè)翼斷裂逐漸連通,向下切割下部地層,并與底面滑脫層單元連通(圖13和14),這個(gè)演化序列我們總結(jié)為圖14:膝褶型褶皺的形成早期如箱狀褶皺的樣式,是擠壓變形的產(chǎn)物;隨后的變形增強(qiáng),將導(dǎo)致次級斷裂的發(fā)育,次級斷裂或伴生斷裂主要發(fā)育于褶皺的翼部,并引起背斜突起;斷裂對膝褶型背斜的深