天山北緣早第四紀(jì)構(gòu)造變形與河流遷移

天山北緣早第四紀(jì)構(gòu)造變形與河流遷移

受印度板塊與歐亞板塊碰撞和持續(xù)聚集的影響，泰山的強(qiáng)烈變形導(dǎo)致了泰山的高度變形和地殼的縮短，并在山的南北兩側(cè)形成了一系列沖毀洪架。從南到北，從北到南發(fā)育了三組褶皺沖孔帶[2.6]。這種結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與廢物的地形和水環(huán)境密切相關(guān)。過(guò)去，他們討論了新結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與水系變化之間的關(guān)系。據(jù)估計(jì)，地下水、擾動(dòng)和構(gòu)造高度變化是導(dǎo)致第四紀(jì)河流變化的可能因素[7.9]。筆者于2001—2003年對(duì)天山北麓第三排構(gòu)造帶以及附近河流流域進(jìn)行了野外考察,利用二維反射地震剖面以及地表地質(zhì)考察結(jié)果,研究第三排構(gòu)造帶獨(dú)山子背斜和安集海背斜的構(gòu)造幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,確定了該區(qū)新生代構(gòu)造變形時(shí)間和變形量,并結(jié)合遙感影像研究,提出奎屯河和安集海河河流的改道與新構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系.1合山-宜川沖斷-安集海褶皺沖斷帶天山地區(qū)新生代的構(gòu)造復(fù)活使得山體快速向南北兩側(cè)擴(kuò)展,天山北緣的前陸盆地內(nèi)形成了3排褶皺沖斷帶,其間由向斜分隔,分別是南部山麓沖斷帶、霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯褶皺沖斷帶以及獨(dú)山子—安集海褶皺沖斷帶(圖1).第三排褶皺沖斷構(gòu)造帶自西向東由獨(dú)山子、哈拉安德和安集海背斜組成(圖2),地貌上表現(xiàn)為走向近EW,長(zhǎng)約80km,寬約8km的長(zhǎng)條狀山體,平均海拔600～1200m.從橫向上看,安集海背斜向南依次是第二排構(gòu)造帶中的霍爾果斯背斜和第一排山麓沖斷帶,而獨(dú)山子背斜向南則只是第一排山麓沖斷帶中的托斯臺(tái)背斜構(gòu)造.2維構(gòu)造剖面筆者對(duì)獨(dú)山子和安集海地區(qū)的斷層褶皺類型和變形方式進(jìn)行了研究,根據(jù)二維反射地震剖面并綜合地表地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù),依據(jù)斷層褶皺相關(guān)理論分別對(duì)天山北麓第三排褶皺沖斷帶中的獨(dú)山子背斜和安集海背斜建立了二維構(gòu)造剖面.構(gòu)造剖面是由二維反射地震剖面經(jīng)過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換而成的深度剖面.筆者對(duì)這兩個(gè)構(gòu)造剖面做了平衡分析以檢驗(yàn)解釋的合理性,并討論了天山北麓第三排褶皺帶新生代構(gòu)造變形特征、變形起始時(shí)間和構(gòu)造縮短率.2.1獨(dú)山子背斜平衡恢復(fù)獨(dú)山子背斜長(zhǎng)約16km,寬約6km,在地貌上呈南翼緩、北翼陡的不對(duì)稱形態(tài).據(jù)野外剖面及地震資料分析,該背斜構(gòu)造卷入的地層有侏羅系、白堊系、古近—新近系和第四系,其中背斜核部出露的最老地層為新近系的塔西河組(N1t),兩翼為新近系的獨(dú)山子組(N1-2d)和第四系(Q).背斜地表形態(tài)簡(jiǎn)單,背斜南翼長(zhǎng)而寬緩,從核部附近30°左右的傾角向南逐漸減小直至近水平.背斜北翼向北陡傾,山前下伏地層發(fā)育了一條南傾的主逆沖斷層F1,近EW走向,在此主逆沖斷層附近北翼地層發(fā)生倒轉(zhuǎn),地層向南傾、傾角80°左右,最后與北側(cè)的第四紀(jì)地層相接.根據(jù)褶皺下伏斷層的幾何形態(tài),認(rèn)為獨(dú)山子背斜是一個(gè)典型的斷層擴(kuò)展褶皺,主逆沖斷層F1是南傾的鏟狀逆斷層,傾角30°～60°.野外的觀察記錄還顯示奎屯河兩岸背斜上覆沉積物和河谷兩側(cè)階地都已發(fā)生和緩的褶曲變形,河谷口河床展寬,沖積扇被褶皺,發(fā)育了一系列斷層崖,說(shuō)明獨(dú)山子背斜仍在活動(dòng)之中.筆者運(yùn)用面積平衡法對(duì)獨(dú)山子構(gòu)造剖面進(jìn)行平衡恢復(fù)(圖3),以塔西河組(N1t)底為標(biāo)志,剖面現(xiàn)今長(zhǎng)度23.23km,原始長(zhǎng)度27.57km,剖面的最小縮短量4340m,縮短率為(27.57～23.23)/27.57×100%=15.74%.通過(guò)檢驗(yàn)變形剖面與復(fù)原剖面的線長(zhǎng)(表1),發(fā)現(xiàn)線長(zhǎng)誤差在-3.55%～-0.15%之間,符合平衡校驗(yàn)-5%～5%的誤差范圍要求.2.2地震剖面位置和剖面位置安集海背斜位于第三排構(gòu)造帶東端,近EW走向,背斜長(zhǎng)約26km,寬約6km,背斜南翼南傾15°～25°,北翼北傾20°～40°.雖然整體上也是南翼地層較緩、北翼地層略陡的不對(duì)稱背斜,北翼下伏地層發(fā)育了一條南傾近EW向的主沖斷層F2,未出露地表,傾角15°～25°.該背斜核部出露的最老地層為新近系的獨(dú)山子組中上部,兩翼為新近系的獨(dú)山子組上部和第四系.安集海背斜并未有地層倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,背斜的隆升幅度和褶皺強(qiáng)度弱于獨(dú)山子背斜.李忠權(quán)等曾對(duì)安集海剖面做過(guò)平衡剖面檢驗(yàn),筆者對(duì)地震剖面進(jìn)行了恢復(fù)(圖4),以塔西河組(N1t)底為標(biāo)志,剖面現(xiàn)今長(zhǎng)度16km,原始長(zhǎng)度17.24km,剖面最小縮短量1240m,縮短率為(17.24～16)/17.24×100%=7.2%.通過(guò)檢驗(yàn)變形剖面與復(fù)原剖面的線長(zhǎng)(表1),發(fā)現(xiàn)線長(zhǎng)誤差在-3.33%～1.50%之間,符合平衡校驗(yàn)-5%～5%的誤差范圍要求.2.3層序界面不協(xié)調(diào)性以獨(dú)山子背斜為代表的第三排構(gòu)造帶,主要構(gòu)造樣式為斷層擴(kuò)展褶皺(圖5).主斷層一般是沿侏羅系滑脫斷層向上擴(kuò)展,沒(méi)有突破到地表.以獨(dú)山子背斜為例,地層前后南北兩翼變形強(qiáng)烈,南翼緩,北翼陡,北翼出現(xiàn)地層倒轉(zhuǎn),斷層未向上擴(kuò)展至塔西河組,侏羅系內(nèi)臺(tái)階狀斷層不斷向盆內(nèi)擴(kuò)展,形成獨(dú)山子背斜深層構(gòu)造雛形,后期在持續(xù)的擠壓作用下,獨(dú)山子斷層沿早期斷坡背斜的后翼向上突破,形成規(guī)模較大的斷層擴(kuò)展褶皺.斷層上下構(gòu)造表現(xiàn)出明顯的不協(xié)調(diào)性.獨(dú)山子背斜縮短率為15.74%,以侏羅系基底為準(zhǔn)估算出背斜平均隆升高度3300m左右;安集海背斜縮短率為7.2%,以侏羅系基底為準(zhǔn)估算出背斜平均隆升高度2100m左右.從幾何變形程度和構(gòu)造隆升幅度上對(duì)比,獨(dú)山子背斜均大于位于其東部的安集海背斜.獨(dú)山子背斜南翼緩北翼陡,甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn),安集海背斜呈南緩北陡的不對(duì)稱形態(tài),但褶皺程度弱于獨(dú)山子背斜,哈拉安德背斜位于以上兩背斜之間,褶皺程度和地表斷層作用均很弱.3內(nèi)古河道遺跡彭希齡和鄧啟東等都描述過(guò)天山北緣河流河道的橫向變遷,對(duì)于河道變遷的原因,彭希齡等認(rèn)為是由于晚更新世以來(lái),第三排背斜帶持續(xù)隆升的結(jié)果.史興民等則認(rèn)為河流地貌的改變與地下水的賦存狀態(tài)和循環(huán)方式相關(guān),不同地貌單元的組成物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響著河流的流向.安集海河和金溝河古河道與現(xiàn)今相比已經(jīng)發(fā)生了很大的變化.從衛(wèi)星遙感圖(圖6)上可以清晰地看出,古金鉤河曾經(jīng)從現(xiàn)在的安集海河谷穿越安集海背斜向北流去,野外也能觀察到古河道留下的大量遺跡,而現(xiàn)代的金鉤河水在穿越霍爾果斯背斜后流向東北,并繞過(guò)安集海背斜朝沙灣方向流去.古安集海河曾經(jīng)在安集海背斜和哈拉安德背斜之間流過(guò),而現(xiàn)今的安集海河道向東移動(dòng),奪取了原金鉤河的下游河道流入安集海鎮(zhèn)附近的平原地帶.筆者認(rèn)為,金鉤河和安集海河道向東的遷移與第三排背斜帶東西段的不均衡隆升有關(guān).根據(jù)獨(dú)山子背斜與安集海背斜的烏蘇群礫石層都發(fā)生變形,并且都與下伏西域組和獨(dú)山子組之間呈不整合接觸關(guān)系,可認(rèn)為它們形成時(shí)間相近,形成于早更新世末、中更新世初期間.但獨(dú)山子背斜的隆升幅度明顯大于安集海背斜,這種構(gòu)造隆升幅度的相對(duì)強(qiáng)弱,造成了河流橫向上的向東遷移.此外,位于第三排構(gòu)造帶西端的奎屯河也發(fā)生過(guò)幾次河流改道,古河道位于現(xiàn)今河道以西,曾流經(jīng)謝家口子和哈里排特等處.奎屯河的河道向東變遷與獨(dú)山子背斜西北部的西湖隆起幅度的不斷增加有關(guān).獨(dú)山子背斜與哈拉安德背斜之間巨大的沖積扇上保留了古河道遺跡,鄧起東等認(rèn)為奎屯河在某一時(shí)期曾沿這一冰水沖洪積扇發(fā)育.從河流階地的發(fā)育來(lái)看,北天山地區(qū)主要發(fā)育了Ⅲ級(jí)河流階地,而在第三排褶皺沖斷構(gòu)造隆升的地區(qū),河流階地發(fā)育的級(jí)數(shù)往往增多,如奎屯河發(fā)育了Ⅵ級(jí)階地.各個(gè)河流階地相對(duì)于構(gòu)造隆升的響應(yīng)不只表現(xiàn)在河流階地發(fā)育的級(jí)數(shù)增加上,還表現(xiàn)在階地均已發(fā)生變形,河流階地面反傾,且大多數(shù)河流階地面的縱向上的形態(tài)與相應(yīng)的背斜的形態(tài)一致,這些都是河流受第四紀(jì)構(gòu)造隆起的影響的證據(jù).4獨(dú)山子背斜和安集海背斜二維反射剖面的對(duì)比分析根據(jù)Suppe提出的生長(zhǎng)斷層轉(zhuǎn)折褶皺和生長(zhǎng)地層、生長(zhǎng)三角的概念與識(shí)別方法,可以確定第三排構(gòu)造的形成時(shí)間.生長(zhǎng)地層是指在褶皺發(fā)育過(guò)程中,位于剝蝕面或局部剝蝕面以下接受同構(gòu)造沉積物形成的沉積序列.由于生長(zhǎng)地層可能記錄褶皺生長(zhǎng)的全過(guò)程,因此,分析同構(gòu)造沉積物的結(jié)構(gòu)、識(shí)別生長(zhǎng)地層可以認(rèn)識(shí)褶皺生長(zhǎng)的過(guò)程,為分析構(gòu)造形成時(shí)間提供證據(jù).一般認(rèn)為生長(zhǎng)地層的時(shí)代就是構(gòu)造形成的時(shí)代獨(dú)山子背斜地震剖面上西域礫巖顯示為明顯的生長(zhǎng)地層,天山北緣獨(dú)山子背斜的西域礫巖底部的磁性地層學(xué)年齡為2.58Ma左右,而根據(jù)筆者對(duì)獨(dú)山子背斜古近—新近系樣品的裂變徑跡分析,裂變徑跡t-T模擬曲線上主要顯示2Ma的更新世年齡,表明其形成時(shí)間可能與西域礫巖的沉積時(shí)期相近,主要形成于2Ma以來(lái).由于印-藏碰撞的遠(yuǎn)距離構(gòu)造效應(yīng),使得天山自新生代以來(lái)再度復(fù)活,構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng),形成再生造山帶,天山兩側(cè)開(kāi)始發(fā)育與再生造山帶相關(guān)的再生前陸盆地.印度板塊與亞歐板塊的碰撞以及引起的陸推擠作用導(dǎo)致的新生代變形及地殼縮短使天山北麓準(zhǔn)噶爾南緣發(fā)育了3排褶皺沖斷帶,對(duì)第三排構(gòu)造中獨(dú)山子背斜和安集海背斜的地震剖面的平衡分析可知,盡管兩者形成時(shí)間相近,獨(dú)山子背斜的縮短量和縮短速率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安集海背斜.這種構(gòu)造變形的差異可能由于安集海背斜由其南部第二排構(gòu)造霍爾果斯背