姜顏良，吳孔友，李天然，孫文潔，紀(jì)杰，劉芋杰，張冠杰，董文馨

（中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

造山帶內(nèi)的大型斷裂構(gòu)造，特別是盆緣斷裂，是了解造山過程的重要窗口[1-10]，也是解析盆地形成與演化的重要對象?？死利悢嗔褞侵衼喸焐綆|準(zhǔn)噶爾地區(qū)的一級邊界斷裂帶，是野馬泉島弧與哈爾里克島弧之間的拼貼邊界[11]，控制和影響了準(zhǔn)噶爾盆地東北緣的形成和演化。由于多期構(gòu)造運動的疊加，逆沖推覆劇烈，造成地震資料解釋精度低，嚴(yán)重制約著油氣勘探進(jìn)程。前人主要從克拉美麗蛇綠混雜巖帶及其兩側(cè)的礦物組成、生物化石和年代學(xué)等角度，對克拉美麗斷裂帶的活動期次、活動方式等進(jìn)行了研究[12-14]，但對演化過程中不同構(gòu)造階段的構(gòu)造變形特征及野外露頭等研究偏少，關(guān)于克拉美麗斷裂帶的形成與演化仍存在許多認(rèn)識上的分歧[11-14]。

為此，本次研究綜合利用野外踏勘、分形維數(shù)、平衡剖面恢復(fù)等方法，結(jié)合前人研究成果，開展了準(zhǔn)噶爾盆地克拉美麗斷裂帶地質(zhì)特征、變形機制及成因演化研究。研究成果對理解準(zhǔn)噶爾盆地東北緣的造山過程和演化歷史、恢復(fù)成盆階段，以及為后續(xù)油氣勘探提供了理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

中亞造山帶夾持在東歐、西伯利亞、塔里木—華北克拉通之間，是全球規(guī)模最大的顯生宙增生造山帶[12]。研究區(qū)克拉美麗斷裂帶位于準(zhǔn)噶爾盆地東北緣，是由克拉美麗深大斷裂和清水—蘇吉泉大斷裂以及周圍的破碎帶、侵入體等組成的寬2～10 km，脆、韌性變形混雜交織的復(fù)雜斷裂帶（見圖1）。該斷裂帶是中亞造山帶的重要組成部分，前寒武紀(jì)以來經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的構(gòu)造運動，晚古生代是該區(qū)最重要的板塊碰撞、陸內(nèi)造山運動時期，主要表現(xiàn)為巖漿島弧和増生雜巖等地質(zhì)體間的碰撞拼貼[15-16]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣地質(zhì)簡圖

從區(qū)域地質(zhì)背景、鉆井資料及地層的出露情況看，東準(zhǔn)噶爾克拉美麗斷裂帶地區(qū)發(fā)育的最古老地層為志留系（S），主要分布于克拉美麗深大斷裂北側(cè)及庫普斷裂附近，是一套淺海相碎屑巖、火山碎屑巖夾石灰?guī)r沉積。斷裂帶兩側(cè)主要出露泥盆系（D）和石炭系（C），屬于濱?！獪\海相碎屑巖系和島弧伸展背景下的火山巖系（見圖1）。泥盆系廣泛分布著卡拉麥里組（D2k）和平頂山組（D2p）。其中，卡拉麥里組以鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖為主，平頂山組主要巖性為玄武玢巖、安山玢巖、凝灰砂巖。石炭系主要分布于克拉美麗斷裂帶內(nèi)部。石炭系下統(tǒng)主要分布著松喀爾蘇組（C1s）、塔木崗組（C1t）地層，為一套海陸過渡相沉積巖；上統(tǒng)分布著巴塔瑪依內(nèi)山組（C2b）、六棵樹組（C2l）等地層，以下部大量發(fā)育火山巖、上部海相地層廣布為特點。斷裂帶西南側(cè)出露較大范圍陸相二疊系（P）—侏羅系（J），局部出露三疊系（T）、白堊系（K）、古近系（E）和第四系（Q），由山向盆地層基本上展現(xiàn)出由老到新的展布規(guī)律。

研究區(qū)內(nèi)火山活動較為頻繁，形成多期次火山巖序列，從超基性巖到堿性巖均有分布。巖漿巖以酸性侵入巖為主，主要分布于克拉美麗深大斷裂北側(cè)，巖性主要為正長花崗巖、鉀長花崗巖、二長花崗巖和黑云母堿性花崗巖，常以脈狀、不規(guī)則巖株、巖基狀產(chǎn)出。主要有野馬泉巖體、老鴨泉巖體、貝勒庫都克巖體、黃羊山巖體等（見圖1），巖性以黑云母堿性花崗巖和正長花崗巖為主。

2 斷裂帶幾何學(xué)及平面展布特征

2.1 幾何學(xué)特征

研究區(qū)野外踏勘發(fā)現(xiàn)：褶皺、斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，縱橫交錯，相互切割，具有成因聯(lián)系；斷層產(chǎn)狀陡傾，存在晚期斷層切割早期斷層、晚期斷層切割改造早期褶皺等構(gòu)造現(xiàn)象（見圖2。地層中符號所指地層以不整合為界）。

圖2 克拉美麗斷裂帶信手剖面

不同剖面中斷裂帶顯示的空間變化規(guī)律不同，具有明顯多期次性；斷層發(fā)育的密集程度也有較大的差異，A—A′，B—B′，C—C′剖面中斷層發(fā)育密集程度明顯比D—D′高，顯示了克拉美麗斷裂帶NW和SE方向斷層發(fā)育密集程度的分段特征。克拉美麗深大斷裂為NWW 走向，斷面向 NE 陡傾，傾角在 70°～80°，橫穿整個準(zhǔn)噶爾東部地區(qū)，并向WN方向繼續(xù)延伸，為一條巖石圈尺度長期活動的高角度壓扭性深大斷裂，該斷裂規(guī)模巨大，長度超過300 km，地貌為寬100～400 m的溝谷，并形成寬闊破碎帶，第四系覆蓋嚴(yán)重；清水—蘇吉泉大斷裂位于克拉美麗深大斷裂北側(cè)，長度超過100 km，走向 NW，傾向 NE，傾角 50°～80°，與克拉美麗深大斷裂近乎平行展布，地貌呈明顯的負(fù)地形和溝谷狀：兩者共同組成克拉美麗脆-韌性剪切帶，其余斷裂整體上是這2條斷裂在走滑運動下產(chǎn)生的派生構(gòu)造。

2.2 斷裂系統(tǒng)平面展布特征

由于研究區(qū)晚古生代以來經(jīng)歷了多期強烈的構(gòu)造運動，克拉美麗斷裂帶發(fā)育各種斷裂體系，從殼層的深大斷裂至區(qū)域的剪切破裂均有分布，構(gòu)成了復(fù)雜而密集的斷裂網(wǎng)。從斷層平面展布（見圖3）可見，斷層不同部位具有不同的構(gòu)造樣式和平面組合特征。斷裂帶大致以黃羊山巖體為界，NW向末端呈馬尾狀，伴生與派生的斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，且方位多變，不同方位斷層性質(zhì)不同；NW向和SE向的斷裂發(fā)育密集程度表現(xiàn)出明顯的分段性，反映了大型斷裂帶周緣較為復(fù)雜的斷層組合。根據(jù)斷裂的長度規(guī)模，斷裂劃分為一級斷裂（大于 200 km）、二級斷裂（60～200 km）和三級斷裂（小于60 km）。對研究區(qū)不同級別斷裂走向進(jìn)行玫瑰花圖統(tǒng)計（見圖3。圖中半徑標(biāo)值為斷裂條數(shù)），結(jié)果表明：NW，NWW，NNE和近EW是各級斷裂走向的優(yōu)勢方位，以NWW，NW向斷裂規(guī)模最大，包括了所有一級斷裂和二級斷裂；斷層性質(zhì)主要為走滑斷層和逆沖斷層，表明NWW向的走滑斷層和逆沖斷層的空間展布和發(fā)育規(guī)模在研究區(qū)占據(jù)優(yōu)勢，構(gòu)成了研究區(qū)的主體構(gòu)造格架；正斷層則切割次級斷層，多呈NNW向展布。整體上，各種斷裂及夾持的旋轉(zhuǎn)塊體展布特征及力學(xué)性質(zhì)基本符合Harding的右旋走滑應(yīng)力模式及Aydin等[17-18]提出的簡單剪切模式。

圖3 克拉美麗斷裂帶不同層次斷裂平面展布及走向玫瑰花圖

2.3 斷裂系統(tǒng)分形特征

在斷裂構(gòu)造的研究中，分形維數(shù)值可定量描述構(gòu)造的復(fù)雜程度，分形維數(shù)值越高，斷裂構(gòu)造越復(fù)雜，主斷裂的分支斷裂就越多，區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育程度越高[19-21]。分形維數(shù)值是斷層數(shù)量、規(guī)模、發(fā)育程度、組合方式、演化程度及動力學(xué)機制的綜合體現(xiàn)[17]。因此，可以運用分形維數(shù)來定量表征斷裂構(gòu)造在空間的分布和幾何結(jié)構(gòu)特征。

由于計盒維數(shù)模型算法簡單，容易借助Arc GIS軟件中的“創(chuàng)建魚網(wǎng)”模塊實現(xiàn)，同時獲得的計盒維數(shù)值與工區(qū)的尺度大小無關(guān)，可以客觀地表示復(fù)雜斷裂形跡的無標(biāo)度性，方便不同層位、不同單元的斷裂進(jìn)行對比[20]；因此，本文利用分形維數(shù)中的計盒維數(shù)模型對克拉美麗斷裂帶及周緣斷裂進(jìn)行分形特征研究。

計盒維數(shù)可定義為

式中：D為計盒維數(shù)；Nr為與幾何形跡相交的非空網(wǎng)格數(shù)；r為覆蓋幾何形跡的正方形網(wǎng)格邊長，km。

式（1）可以變換成N（r）與r之間呈冪定律分布的形式：

式中：N（r）為包含幾何體邊長為r的正方形盒子數(shù)；C為常數(shù)。

將式（2）兩邊分別取對數(shù)，得：

由式（3）可知，若用最小二乘法擬合，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，lg N（r）-lg r呈線性關(guān)系，則研究對象具有分形特征，直線的斜率就代表了計盒維數(shù)D值。

由于克拉美麗斷裂帶構(gòu)造方式和作用強度的差異影響以及地質(zhì)構(gòu)造的不同，斷層的分布及發(fā)育密集程度在平面上表現(xiàn)出較強的分段性（見圖3），大致以黃羊山巖體為界，可劃分為東段和西段。為驗證這種分段性，根據(jù)式（3）對克拉美麗斷裂帶東段和西段的斷裂分別用邊長1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 km的魚網(wǎng)覆蓋，進(jìn)行計盒維數(shù)（分形維數(shù)）的計算。根據(jù)計算統(tǒng)計結(jié)果，對lg r和lg N（r）作一元線性回歸分析，結(jié)果如圖4（圖中直線斜率即斷裂構(gòu)造分形維數(shù)）所示。

圖4 克拉美麗斷裂帶東西段斷裂構(gòu)造分形維數(shù)計算

由圖4可知：克拉美麗斷裂帶東段和西段各個方向上斷裂構(gòu)造的lg r與lg N（r）呈明顯的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）均超過0.99，表明研究區(qū)斷裂構(gòu)造在1～6 km標(biāo)度區(qū)間內(nèi)具有良好的分形分維特征。東段分形維數(shù)為0.966，西段分形維數(shù)為1.109。東段與西段的分形維數(shù)值不一致，且相差較大，證明了克拉美麗斷裂帶的東、西分段特征；西段分形維數(shù)值大于東段，表明西段斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度高于東段，這也與東準(zhǔn)噶爾克拉美麗碰撞造山時期西強東弱的特點[20-21]相吻合。

3 克拉美麗斷裂帶運動學(xué)特征

克拉美麗斷裂帶長期活動，產(chǎn)狀較陡，深切地幔，是構(gòu)造、巖漿和成礦等作用密集活躍的地帶之一。

據(jù)野外考察，克拉美麗斷裂帶表現(xiàn)出典型的脆-韌性右旋走滑剪切性質(zhì)。斷裂帶內(nèi)巖性以片理化砂巖、千枚巖化砂巖、凝灰質(zhì)砂巖為主，原始地層產(chǎn)狀被透入性劈理所置換，巖石發(fā)生強烈的片理、劈理（見圖5a，5b。圖中箭頭為相對位移方向，圖5f同）及糜棱巖化，在相對較淺的地層上，劈理面向上散開，表現(xiàn)出花狀構(gòu)造的特點，具有強烈的聚斂性走滑構(gòu)造帶韌性變形的特征。在斷裂帶較強硬的淺變質(zhì)砂巖和火山巖露頭上，則主要呈現(xiàn)脆性變形特征，發(fā)育典型的“X”形共軛剪節(jié)理（見圖5c），也存在代表脆性變形的張節(jié)理和具有石英填充的張裂脈，石英脈多呈雁行狀定向排列（見圖5d），說明曾發(fā)生過韌性剪切。

圖5 克拉美麗斷裂帶野外露頭特征

在克拉美麗脆-韌性剪切帶的石炭系下統(tǒng)松喀爾蘇組地層中發(fā)育明顯的剪切帶S-C組構(gòu)（由面理（S面理）和剪切帶（C面理）組成。S面理和C面理以一定角度相交，銳角指示剪切帶內(nèi)的剪切指向）（見圖5a。其中箭頭表示相對位移方向，圖5b，5f同），指示了剪切帶右旋剪切性質(zhì)；同時可見剪切帶內(nèi)發(fā)育的劈理控制著壓扁方向，與應(yīng)變橢球體的S1S2面（S2方向經(jīng)過S1與S3交叉點且垂直于紙面）方位一致的現(xiàn)象（見圖5b），劈理方向沿最大拉伸應(yīng)變方向（S1）排列，垂直于最小拉伸應(yīng)變方向（S3），與主斷面所交銳角尖端指示同側(cè)盤相對運動方向，指示了克拉美麗斷裂帶右旋走滑活動性質(zhì)。

斷裂帶內(nèi)見斷層擦痕、摩擦鏡面（見圖5e）等斷層識別標(biāo)志，同時可見眾多構(gòu)造透鏡體（見圖5f），相鄰構(gòu)造透鏡體呈左階定向斜列展布，旋向為右旋，也指示了克拉美麗斷裂帶右旋走滑活動性質(zhì)。

斷裂帶內(nèi)部巖石遭受強烈擠壓作用，破碎嚴(yán)重，無明顯層面，可見走滑構(gòu)造帶對蛇綠巖套中輝長巖、輝綠巖的改造——強烈的糜棱巖化（見圖5g）。這些巖石形成于強烈的構(gòu)造應(yīng)力背景下，指示了克拉美麗斷裂帶為壓扭性應(yīng)力狀態(tài)下形成的聚斂性走滑斷裂帶。在下石炭統(tǒng)松喀爾蘇組地層中可見面理化碳質(zhì)泥巖被傾向相反的一組脆性逆沖斷層所切割，構(gòu)成沖起構(gòu)造（見圖5h），沖起帶中心發(fā)育韌性剪切。在泥盆系卡拉麥里組內(nèi)部可見連續(xù)褶皺及逆沖斷層組合疊加在早期面理化帶之上（見圖5i）。這些現(xiàn)象都指示了早期脆-韌性走滑剪切帶形成之后又被疊加了脆性逆沖活動。

野外地質(zhì)踏勘對克拉美麗脆-韌性剪切帶內(nèi)和周緣的劈理以及“X”形共軛剪節(jié)理產(chǎn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)觀察與追蹤實測，發(fā)現(xiàn)由南向北，劈理面產(chǎn)狀呈規(guī)律性變化：南部劈理北傾，傾角介于20°～60°；北部劈理南傾，傾角介于50°～70°；在清水—蘇吉泉斷裂周圍的劈理面傾角明顯變陡，近于80°～90°。從剪節(jié)理玫瑰花圖（見圖6，其中半徑標(biāo)值為節(jié)理條數(shù)）可以看出存在明顯的“X”形共軛節(jié)理：一組走向約20°，傾角直立；另一組走向約140°，傾角直立；剪節(jié)理的銳角平分線方向絕大部分為NNW方向，僅少數(shù)為SW向，可判斷區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力為NNW向。

圖6 “X”形共軛剪節(jié)理玫瑰花圖

4 克拉美麗斷裂帶的形成演化

克拉美麗斷裂帶經(jīng)歷了多階段、多期次的構(gòu)造演化歷史，表現(xiàn)出巨大的規(guī)模與強烈的活動特征。海西運動中晚期，準(zhǔn)噶爾盆地向北與西伯利亞板塊發(fā)生碰撞彌合，北部克拉美麗山作為陸陸碰撞的陸緣增生部分向南逆沖，發(fā)育NW向的克拉美麗深大斷裂和眾多褶皺[22-26]。印支運動早期，塔里木板塊與歐亞大陸多次碰撞，準(zhǔn)噶爾盆地與周緣板塊基本完全拼貼，多板塊的共同作用，派生出的扭應(yīng)力造成了西伯利亞板塊與準(zhǔn)噶爾盆地相對滑動[24-25]，研究區(qū)受此影響，發(fā)育走滑斷裂。印支—燕山運動時期，西伯利亞板塊受到來自南部準(zhǔn)噶爾盆地擠壓，使得克拉美麗山繼續(xù)隆起，此時博格達(dá)山也發(fā)生了快速隆升向北推覆，研究區(qū)持續(xù)受到強烈的區(qū)域壓扭作用[12-13，24-26]，克拉美麗斷裂帶發(fā)生強烈的右旋走滑活動[27]，改造了海西運動晚期的構(gòu)造格局，野外露頭中觀察到的走滑斷層切割褶皺現(xiàn)象就是很好的佐證。白堊紀(jì)研究區(qū)處于穩(wěn)定的陸內(nèi)坳陷時期[28]。喜馬拉雅運動時期，受到了印度板塊與歐亞大陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響，西伯利亞板塊與準(zhǔn)噶爾盆地再次發(fā)生擠壓碰撞[9，22-24]，在近南北向水平構(gòu)造擠壓作用下，克拉美麗山持續(xù)隆升，早期的逆沖斷層重新活動，并形成新的低角度逆沖斷層，切割了之前形成的走滑斷層，強烈改造了燕山期的構(gòu)造格局。從野外露頭中觀察到的逆沖斷層切割走滑斷層、連續(xù)褶皺及逆沖斷層疊加在早期面理化帶之上等現(xiàn)象，可以很好地證實這一點。

根據(jù)E—E′剖面（見圖1）的地震解釋方案進(jìn)行平衡演化剖面恢復(fù)，繪制了包括石炭紀(jì)末期至侏羅紀(jì)末期的剖面構(gòu)造特征（見圖7）。在前人認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查中觀察到的現(xiàn)象認(rèn)為：克拉美麗斷裂帶形成于石炭紀(jì)，在石炭紀(jì)及二疊紀(jì)主要表現(xiàn)為逆沖斷裂性質(zhì)，石炭紀(jì)末與二疊紀(jì)末之間的縮短量相對較大，也反映出擠壓為主的應(yīng)力背景；在三疊紀(jì)，應(yīng)力背景發(fā)生變化，克拉美麗斷裂帶發(fā)生右旋走滑運動，在早期的逆沖斷裂基礎(chǔ)上發(fā)生了走滑運動，同時派生了分支斷裂，在剖面上表現(xiàn)為花狀構(gòu)造；侏羅紀(jì)時期，克拉美麗斷裂帶的右旋走滑作用持續(xù)增強，分支斷裂發(fā)育，其花狀分支控制了侏羅紀(jì)沉積，而白堊紀(jì)構(gòu)造較穩(wěn)定；到了古近紀(jì)及新近紀(jì)，隨著喜馬拉雅運動，早期斷裂逆沖復(fù)活，形成新的逆沖斷裂，盆地整體向南掀斜。

圖7 克拉美麗斷裂帶平衡演化剖面（E—E′）恢復(fù)

綜合分析認(rèn)為：克拉美麗斷裂帶的第1次強烈擠壓主要發(fā)生在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)，形成多條向北傾斜、近乎平行展布的逆沖斷裂，從南向北依次為克拉美麗深大斷裂和清水—蘇吉泉斷裂。由于克拉美麗洋的關(guān)閉是自西向東的，西側(cè)的擠壓先于且強于東側(cè)[19，25]，因此，在克拉美麗深大斷裂的NW向末端發(fā)育了次級逆沖斷層。在三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)時期，構(gòu)造應(yīng)力由逆沖擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向的走滑剪切作用，克拉美麗深大斷裂及清水—蘇吉泉斷裂均發(fā)生右旋走滑，形成了大量派生構(gòu)造，其中早期的克拉美麗深大斷裂西北側(cè)的次級斷裂在走滑作用的影響下，與克拉美麗深大斷裂相交，形成了馬尾狀構(gòu)造。第2次南北向強烈擠壓發(fā)生在喜山期，隨著印度板塊與歐亞板塊強烈碰撞，在近南北向水平構(gòu)造擠壓作用下，克拉美麗山持續(xù)隆升，早期的逆沖斷裂重新活動，并形成新的低角度逆沖斷裂，切割了之前形成的走滑斷裂，造就了現(xiàn)今的地質(zhì)面貌。

5 結(jié)論

1）結(jié)合前人研究，并對克拉美麗斷裂帶的野外地質(zhì)特征、幾何學(xué)及運動學(xué)特征進(jìn)行分析，認(rèn)為克拉美麗斷裂帶是一條至今仍在活動的脆-韌性右旋壓扭斷裂帶，具有分段性及多期活動性，發(fā)育大量派生構(gòu)造，其展布及力學(xué)性質(zhì)符合Harding應(yīng)變橢圓模式。

2）對克拉美麗斷裂帶及鄰區(qū)斷裂系統(tǒng)進(jìn)行了分形維數(shù)定量分析。結(jié)果表明，研究區(qū)斷裂構(gòu)造在1～6 km標(biāo)度區(qū)間內(nèi)具有很好的分形分維特征。東段與西段的分形維數(shù)值不一致，西段的分形維數(shù)值大于東段，且相差較大，證實了克拉美麗斷裂帶的東、西分段特征和準(zhǔn)噶爾東北緣碰撞造山時期西強東弱的特點。

3）克拉美麗斷裂帶形成于石炭紀(jì)，經(jīng)歷了擠壓—走滑—擠壓的復(fù)合應(yīng)力背景：擠壓主要發(fā)生在海西中晚期及喜山期；右旋走滑始于印支期，燕山期最為強烈，兼具走滑與逆沖2種性質(zhì)；存在晚期擠壓構(gòu)造改造、破壞早期走滑構(gòu)造的現(xiàn)象。