构造演化及动力学

构造演化阶段及动力学机制~

为了研究构造的形成机制、动力作用方式和构造演化规律，在野外系统收集了各类节理5000余条，结合区域应力特征进行野外分期配套，并在室内采用求解主应力状态的应用程序，全部节理点应力状态由计算机自动恢复，同时，结合煤镜质组反射率各向异性的测定和典型断裂带岩石定向样的岩组分析，确定构造演化阶段，恢复各期古构造应力场。
通过点应力状态恢复，求得中间主应力轴σ2近于直立（σ2倾伏角为80°～90°），最大和最小主应力轴σ1和σ3近于水平（σ1，σ3倾伏角变化于0°～12°之间）。选用σ1、σ3水平线做各期应力轨迹图，以反映各期应力在全区的变化趋势。根据构造形迹间的复合关系和从动力学及运动学方面对动力源、动力作用方式及其特点、运动机制、运动性质及动力作用路线的研究，结合区域构造分析，可将本区主要构造演化分为三个阶段，即印支期、燕山期和喜马拉雅期。与此相对照，形成了三期古构造应力场，这些方面的研究是认识控气构造及其网络发生发展的基础，也是厘定现今导气、阻气和储气构造的直接依据。
5.3.1 第一阶段——印支期
由图5.38可见，最大主应力σ1作用于近南北方向，σ1在全区的平均方位为NE8°。最小主应力σ3在全区的平均方位为N100°。σ1在北区北部和南北区的交界地带为南北向；在南区和北区南部，σ1方向略偏转为北北东－南南西方向（σ1在南区为NE10°，在北区南部为NE8°）。从全区来看，本期应力场分布比较均匀，全区未出现明显的应力集中与分散现象。

图5.38 印支期主应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态
从动力学角度分析，上述主应力来自因秦岭地槽的最终封闭和华南陆块的向北推挤作用，鄂尔多斯地块遭到了强大的由南向北的推挤力，动力作用方式以挤压为主，动力作用路线为南北向。因此产生一系列东西向展布的压性构造和南北向展布的张性构造。区内近东西向的褶皱等压性构造可能形成于这一时期。野外节理资料表明，这一时期也形成了北西向与北东向两组共轭剪节理。它们都为后期构造的发育奠定了一定基础。
5.3.2 第二阶段——燕山期
本期构造应力场的主要特征是，最大主应力σ1处于南东－北西方向，平均为N307°，最小主应力σ3处于北东－南西方向，平均为NE38°。应力在全区分布较均匀，应力集中与分散现象不明显，且主应力轴方位稳定。南区σ1作用于N295°一线，北区σ1作用于N306°一线。但应力在南北区之间的交界地带分布明显不均，由北向南，应力先分散后集中，且主应力方向变化较大，总体上σ1作用于N320°一线（图5.39）。

图5.39 燕山期主应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态
此期的动力学特征是，随着库拉－太平洋板块对中国大陆施加的影响加剧，使得中生代已经发育起来的鄂尔多斯沉降盆地遭到强烈的侧向挤压和扭动，导致原沉降盆地上隆消失。动力源来自东南方向，动力作用方式仍为挤压作用，但在受到鄂尔多斯东缘近南北向的边界限定后，又使其发生左旋扭动。这样，由于动力作用路线及运动性质的改变，便在本区发育起一系列以左行压扭为特征的构造形迹。区内的F1正断层和F2逆断层在这时均应属压扭性逆断层，受此期应力影响，有可能使原印支期内已发育起来的东西和北东向构造因受挤压而产生不同程度的闭合，唯有原已存在的北西向构造因受张应力复合而开启。同时，还可能产生新的北西向张裂和近于东西和南北方向的共轭剪节理。
这个时期的构造作用对本区影响最大，为了确定煤层中构造动力作用方式、性质及作用路线，也为了准确印证此期左旋扭动作用的存在，作者在南北两区各选择了两个采样点采集定向煤样，用显微光度计在无划道的正常镜质组区域分散颗粒上测定反射率值。同时，在象山矿边部于F1断层带上采集定向岩样进行X射线岩组分析。
由近1600个反射率数据的测定结果表明：
1）区内各样品反射率具明显各向异性，其最大值为2.412，最小值为1.247，中间值为1.707。正性光率体和负性光率体都有，并和邻近地区所测数据也有较好的对应性（表5.12）。显然区内镜质组反射率正向光率体和负向光率体都有。说明区内镜质组反射率为两轴光性，系侧向挤压应力作用的结果。

表5.12 主反射率、双反射率值一览表

2）光率体长轴方位的最大值为54°，最小值为35°。平均值为44.5°，与区内北东向褶皱和断裂方位基本相同。由此恢复的古构造挤压应力方位为N140°，与燕山晚期区域应力场的挤压方向也基本吻合（表5.13，图5.40）。

表5.13 光率体长轴方位与主干构造走向方位对照表


图5.40 区内及邻近矿区煤层镜质组光率体水平截面分布图

3）平均反射率和最大反射率的变化与区内构造的复杂程度差异性相对应，越接近主要褶皱轴部其数值越大，而这里遭受的构造变动相对剧烈。最小值位于桑树坪矿所在地带，这里的构造相对比较简单。总的平均反射率由西向东有增大之势。而北东向构造的影响大体上也是由东向西减弱的。
上述三点表明，燕山期动力作用在煤层中有明显反映，因此煤层构造也主要形成于这一时期。
X射线岩组分析是在宏观构造变形研究的基础上进行矿物晶格变形研究的一种新方法。其原理可简述为在同一定向标本上采取一定量岩石制成粉晶，然后测量矿物各面网衍射强度值，并由计算机直接绘制粉晶曲线图，该图反映的矿物面网无变化，即说明矿物无定向性。其次是在同一标本上切制定向薄片，作X射线衍射分析。用得出的曲线图与粉晶曲线图上对应面网衍射强度进行对比。其值接近1（一般相差不大于5%），即认为矿物无定向性，反之则具定向性。此定向性一般是因构造挤压、剪切或压扭作用造成的。对比图5.41、图5.42可见，F1断层带方解石和白云石矿物的许多面网峰值强度在两种曲线上有明显差异，对应面网衍射强度比值差均大于5%（表5.14）。这就说明了这两种矿物均具有明显或较明显的定向性。结合断层面大量发育的擦痕和节理构造特点，这种定向性是压扭作用的产物。

图5.41 象山沟口F1断层面定向岩块粉晶X射线衍射曲线图


图5.42 象山沟口F1断层面定向岩块薄片X射线衍射曲线图


表5.14 X射线衍射数据表

注：A为粉晶；B为定向岩块；①为具较明显定向性；②为具明显定向性。
以上分析进一步说明了本期构造变形的动力作用方式是以压和压扭作用为主。
5.3.3 第三阶段——喜马拉雅期
从图5.43反映的喜马拉雅期主应力轨迹图上可见，本期应力场的主要特征是：最大主应力σ1，转为北东－南西向，全区平均方向为NE38°，最小主应力σ3为北西－南东向，平均为N130°。该期应力场在全区分布不均，集中表现在应力场在南北区交界地带明显集中，σ1迹线在此呈明显聚拢之势，导致这里的构造复杂化。就全区而言，σ1方向变化不大，主导方位为NE40°，只是在北区北端略向北北东－南南西方向偏转，主导方位为NE23°—N203°。喜马拉雅期构造演化就动力学和运动学特征而言，又可分为古近－新近纪和第四纪两个时期。

图5.43 喜马拉雅期应力轨迹图

1—矿区边界线；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—地层压缩方向；5—点应力状态
5.3.3.1 古近－新近纪时期
此期欧亚板块、太平洋板块和印度板块之间几乎同时发生了两起重大构造事件，一起是原向北北西方向运动的库拉－太平洋板块在库拉板块向北消亡后，太平洋板块转向北西西方向运动；另一起是澳大利亚－印度板块与欧亚板块碰撞制止了欧亚板块的逆时针旋转。同时，印度板块在碰撞后继续向北推挤，对中国大陆施加强大的右行压扭作用。黄汲清等也认为，新生代以来华北等地一系列右行张扭性断陷盆地的发生、发展以及现代地震的产生都和这一作用有密切关系。其他构造特征也显示出亚洲大陆相对于太平洋板块正作由南向北的运动。
第一起事件的动力作用方式以挤压为主，动力作用路线为由东至西的推挤，渭河断陷的产生即是这种动力作用的结果。
第二起事件较第一起影响更为深刻。此时平行于龙门山方向的挤压作用力遇到秦岭褶皱带时分解为一对左旋扭动力，而在鄂尔多斯东南缘则组成为右行扭动力偶，在这对力偶作用下，北东向构造显张性，北西向构造显压性（煤层褶皱的形成与此期有关），而东西向和北北东向构造或具压扭性，或具张扭性。但考虑到区域主张应力方向为北西－南东向，故本区扭性和压性作用应不是主要的（图5.44），而沿近南北向的拉张伸展作用和沿北西－南东向的拉张伸展作用开始起主导作用，这个时期在邻区形成了汾河地堑，使汾渭地堑系连为一体。

图5.44 新近纪区域应力场及局部应力场示意图

5.3.3.2 第四纪时期
第四纪以来，随着汾渭断陷盆地的大幅度拉伸作用，区内有些断层明显活动，地震活动、滑坡、水系变迁等现象非常普遍。牵动了早期已形成的各种构造形迹，使它们均发生不同程度的张裂。如作为北东向活断层代表的F1大断层，不同程度地切穿和控制了第四系沉积，其上盘第四系厚度在禹门口一带仅100m，而在英山一带却可达400m；卫星照片还清楚地反映出受F1影响的许多水系发生明显的右旋错位现象，北西向活断层在韩城县城及F1断层上盘发育较多，在近三千年内相对错动距离约2m，每年活动速率为

韩城矿区煤层气地质条件及赋存规律

这与马杏垣等所确定的华北板块同期移动速率大体一致，从区域上看，北东向及东西向活断层的活动速率可能较北西向更大，这样，若把第四系下限放在2Ma前，F1断层第四系以来沿倾向水平位伸了479m，这个距离与F1主断面以上阶梯状断层组平面组合宽度也大致相当。
按史牛坡断层产状计算，第四系地层平面拉伸距离约0.55m，这与韩城上峪口、西垣山、华子山、西北庄一带灰岩出露区所见的缝型裂隙张开宽度的平均值也很相近。
区内东西向断裂活动直接控制第四系沉积的例子不多，但参照本区西南邻近地区的东西向断层的活动特征，仍可说明本区此时的张裂活动幅度。如邻区的鲁桥－关山断裂，其上盘第四系厚度大于1200m，下盘约600m，如果和区内北东向活断层的活动幅度比较，东西向构造的活动幅度可能要较北东向或北西向更大。

图5.45 鄂尔多斯及其周缘地壳垂直形变速率图（1955～1986年）

等速率线单位：mm/a
（据国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）
由此可见，区内此期动力作用方式主要为拉张伸展，动力作用路线沿北西－南东向，其次为南北向以及由之所派生的北东－南西向。结果形成了一系列近东西向和北东向的正断层和北西向的传递断层，正断层均沿伸展方向呈阶梯状跌落、传递断层则由于北东和东西向正断层扩张速度的差异而产生，但也以张性或张扭性为主。区内多方向拉张伸展作用一直持续到现代，据近期大地测量成果可见，本区地壳垂直形变速率为2～7mm/a（图5.45），邻近地区的地壳垂直形变地质剖面也显示了较大幅度的沉降作用（图5.46），这些都是平面拉张伸展效应的直接依据，二者也有很好的对应关系。

图5.46 绥德—西安垂直形变（1976～1986年）地质剖面图

（据国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）
综合上述，区内在地史时期因多期多方向构造应力作用产生的多组构造形迹，从其最终显示的力学性质来看，北东—北北东向破裂构造应具张或张扭性质，近东西向构造具张性，北西向具张扭性，其他方向均具不同程度的压或压扭性。喜马拉雅期以来，煤层中虽也形成或继承发育一系列近东西和北西向褶皱，但均比较宽缓，沿其轴部和两翼，张性破裂复合是一重要构造特征。
伴随汾渭地堑系张裂伸展构造的广泛活动，致使全区各种构造形迹均受到不同程度地牵动而发生开启，尤以上述几组方向的破裂构造开启最甚。就南北区而言，南区更靠近汾河地堑和渭河地堑伸展系的交汇处，故破裂构造的伸展开启作用更强于北区。

一、地壳地质特征
根据初始地壳模型(崔作舟等，1995)，利用纵波速度vP与密度的经验转换公式等，将初始地壳-上地幔速度转换成密度值，剖面向两端各延长数十千米。去掉区域背景场，反演了地壳上地幔结构，推测基底起伏形态，拟合莫霍面。北祁连造山带内结晶基底为隆起区，两侧盆地如酒泉盆地和哈拉湖地区为基底凹陷区。镜铁山至金塔之间基底的平均地震波速度较高，这是由于沉积层较薄，主要反映了结晶基底的速度值。镜铁山至金塔之间基底埋深浅，并在深部相连，这一特点在深源磁性分布反演中也得到了证实。北祁连西段古元古界北大河群具有重力高、磁力高和速度高的三高的地球物理特征。
北祁连西段处于软流圈上隆、地幔岩石圈减薄部位。中地壳存在较厚的低速层，上地壳相对速度较高，这可能是由于上地壳内基性成分较高所致。北祁连西段几条广泛发育的铁镁—超铁镁质岩带可能与此有关。北祁连构造带地壳厚度较大，为60km左右。该区地壳可划分为上、中、下3层。
北祁连西段的莫霍面是由北向南逐渐加深的，南北大约相差3～5km。
上地幔顶部纵波速度在北祁连西段下面为8.10km/s。面波三维速度结构资料表明(安昌强等，1993)，上地幔低速层的速度为4.10～4.30km/s，上地幔低速层的顶界埋深为74km。这就是说上地幔盖层厚度较小，仅为10～20km。直到深达200km的上地幔，低速层的速度值仍未回返，可见其厚度较大，至少不小于120km。由此可见，该区具有活动的上地幔和活动的地壳。这可能正是祁连山地区急剧隆升的重要因素之一。软弱的上地幔也吸收了印度板块向北推移产生的压应力，构成了青藏高原的北界。上隆的软流圈，减薄的岩石圈地幔，伸入岩石圈的断裂构成了幔源物质向上运移的条件和通道。地表广泛出露的祁连山区加里东期铁镁—超铁镁质岩带证实了这种推测。
地球动力学模型(图1-3)反映了主要构造单元的运动学过程，以及地壳的缩短增厚变形状态。印度板块向北为主，欧亚板块向南为辅的双向挤压，软流圈上隆等是祁连山大陆岩石圈变形的主要力源。挤压作用主要发生在地壳中，地表表层以逆冲走滑运动和滞后的伸展构造为主。构成了岩石圈最新变形的力学系统，祁连山正是在这种动力学环境中于新生代晚期隆起的(毛景文等，2003)。

图1-3 北祁连西段多金属成矿带深部地球物理背景示意图(据毛景文等，2003)

二、构造演化阶段
阶段1大陆裂谷构造演化阶段(冯益民，1997)
近年来，国内外学者对超级联合大陆(super continent)的研究揭示，曾存在一个新元古代超级大陆，时限1050～700Ma。古中国大陆出现的时限与此相当(黄汲清等，1979)。而沿北祁连-北秦岭的大陆裂谷作用正是在此之后(夏林圻等，1991;冯益民等，1996;陈炳蔚等，1996)。这次大陆裂谷作用生成震旦纪—早中寒武世的双峰式火山岩(夏林圻等，1991)。并伴有白银、郭米寺等铜多金属块状硫化物矿产的形成(彭礼贵等，1995;邬介人等，1994)。
晚寒武世是大洋裂谷的萌生期。与大陆裂谷发展同时或稍后，在拉脊山一带形成陆内裂谷。
阶段2洋底扩张及沟弧盆体系大洋盆地演化
祁连造山带的板块构造体制是在大陆裂谷的基础上发展演化而成的。大约在晚寒武世—早奥陶世时，沿北祁连的黑河河谷一带形成初始大洋裂谷系，川刺沟蛇绿岩底部变质橄榄岩中交代型金云母的发现(夏林圻等，1996)为此提供了佐证，到早中奥陶世，已形成完整的沟弧盆体系，出现了以玉石沟-川刺沟蛇绿岩为代表的洋中脊型蛇绿岩，以大岔大坂蛇绿岩为代表的岛弧扩张脊型蛇绿岩，及以塔墩沟蛇绿岩、老虎山蛇绿岩为代表的弧后扩张脊型蛇绿岩(冯益民等，1996);在洋中脊型蛇绿岩带与岛弧扩张脊型蛇绿岩带之间出现了该期的俯冲杂岩带(冯益民等，1996;WuHetal.，1993)。在永登石灰沟一带出现了成熟岛弧(夏林圻等，1991)。上述岩石记录为祁连山曾存在完整的沟弧盆体系和成熟大洋提供了有力的证据。
阶段3造山作用
祁连山从早中奥陶世开始经历了俯冲造山、碰撞造山和陆内造山作用。俯冲造山开始于460Ma或更早，可以追溯到495Ma(FengYiminetal.，1996)。俯冲造山的结果是在北祁连形成岛弧及岛弧山链，并造就了晚奥陶世残留洋盆和中祁连北缘的陆缘裂谷———红沟陆缘裂谷，其中有以铜为主的块状硫化物矿床生成(冯益民等，1996;邬介人等，1994)。
碰撞造山发生于志留纪—泥盆纪，可以分成碰撞造山带形成期和抬升期。第一阶段主要发生在中晚志留世，残留海盆封闭，两侧刚性大陆碰撞，新生的碰撞造山带形成;第二阶段主要发生在泥盆纪，造山带抬升，磨拉石形成。
这次碰撞造山作用，在中南祁连地区引起陆表海沉积的褶皱。除此而外，在整个祁连地区，还引起壳内酸性深成岩浆活动，形成造山期花岗岩类侵位。

一、存在于祁连洋中的古陆块

大量的区域地质成果表明：华北古陆西南边缘及邻区的构造格局，是由古陆块与古造山带组成的拼贴构造（镶嵌构造）图案（图12-1）。从板块构造观点出发，古造山带就是古大洋消失的位置，所以才有“到造山带中去寻找消失了的海洋”的地质思维。本区的祁连造山带中，就有古祁连洋的踪迹。该祁连洋可能属古太平洋的一部分，从地球历史演化来看，最初形成的古陆核，面积一般较小，零星散布于古大洋之中。在古元古代末期，才广泛形成陆壳，其面积已占全球表面积的30%左右，这种洋陆面积之比一直维持至今。研究表明，古元古代以前大地热流值高，地壳刚性程度差，壳幔分异明显，火山活动是主要的，所形成的钙碱性火山物质——绿岩带（相当于现今的岛弧建造，金性春，1984），添加于古陆核边缘，这是古陆增长的最主要的方式。就本区龙首山古陆而言，最早的形成时代可追索到中太古代。中太古代以前陆壳的增长方式是否就是绿岩带拼贴，这还须研究，但中太古之后古陆核周围沉积分异和火山作用是古陆地壳增长与成熟的主要方式，这些火山－沉积岩的形成本身也表明龙首山古元古代以前就存在大陆边缘，到中元古代，这种大陆边缘还继续存在，蓟县纪本区形成第一次裂谷构造，这种具伸展性质的大陆边缘，称之为“被动大陆边缘”。柴达木古陆太古宙是否存在，尚无充足证据，湟源岩群有人认为其最早可追溯到新太古代，但古元古代是柴达木古陆的主要形成时期已是大家都公认的。中元古代柴北缘存在洋岛型蛇绿岩及岛弧型混杂堆积，表明其已具活动大陆边缘性质。上述两类不同性质大陆边缘的认定，暗示华北古陆和柴达木古陆自古以来就是存在于古大洋里的两个陆块。古地磁学研究也支持这种认识。在寒武纪，二者相距大于4000km，并且位置正好与现在相反。两大陆之间的大洋称之为“祁连洋”。

图12-1　华北古陆西南缘及邻区拼贴镶嵌状构造图案

Ⅰ—准噶尔陆块；Ⅱ—吐鲁番—哈密陆块；Ⅲ—伊犁陆块；Ⅳ—塔里木陆块；Ⅴ—柴达木陆块；Ⅵ—松潘陆块；Ⅶ—扬子陆块；Ⅷ—中朝陆块

二、早古生代祁连洋的构造格架

早古生代或者说新元古代以来，祁连洋向华北古陆及柴达木古陆作“双向俯冲”。考虑到华北古陆向北漂移，且有不同程度的旋转（殷鸿福、彭元桥，1997），故认为祁连洋早古生代是近经向展布的，上述两大陆块对峙于祁连洋的东西两侧。祁连洋双向俯冲，在华北古陆边缘形成了白银—清水—昌马陆缘弧，北祁连次生洋及白银北—永登石灰沟—走廊南山洋壳型岛弧（洋内弧）及河西走廊海盆，也形成了两条混杂岩带；在柴达木古陆边缘形成了中祁连离散型岛弧地体，南祁连弧后盆地，也使得大陆边缘的许多碎块裂入祁连洋中（北祁连西部微陆块）。上述不同阶段构造配置见图2-1、图7-1。

三、北祁连缝合带的形成

早古生代晚期，由于华北古陆与中祁连—柴达木古陆相互靠近，祁连洋消失，陆块、地体、岛弧相互碰撞、拼合，在泥盆纪早期形成不对称的科帕构造。上述岛弧、地体等呈岩片形式逆冲推覆拼贴在一起，形成北祁连缝合带，缝合带形成时蛇绿岩定位于岛弧或活动大陆边缘之上，这正是科迪勒拉造山带的主要特征。晚古生代以来，由于板块缝合带的北推而发生左形走滑，是阿尔金断裂的主要活动期。

四、构造演化的地球动力学

华北古陆及柴达木古陆的形成与漂移，受控于地幔的不均一性（张本仁，1994），并可能溯源于行星的星子堆积成因造成的地球原始不均一性（欧阳自远，1994），在充分考虑地球之外宇宙星体对地球的吸引与冲击作用条件之后，人们逐渐把探求地球板块运动的原动力的目光投向地球内部，投向核幔交界处（Maruyama.S,1994）。地幔深处上升的地幔柱流引起全球地幔对流，进而拖曳软流圈之上的陆块作全球规模的有序的移动及开裂、汇聚、造山俯冲。上述第一种假设，是早期陆核形成与扩展、拼贴与增生的主要原动力，而上述第二种情形应是中元古代以来刚性地壳漂移、俯冲、碰撞的主要原动力。上述两种原动力，也是本区陆块运动的主要动力。在元古代，华北古陆龙首山带为被动陆缘，柴北缘受祁连洋的俯冲作用影响，属活动陆缘，到早古生代，祁连洋双向俯冲，华北古陆西南缘及中祁连—柴北缘均为活动陆缘，因此，早古生代末以前，本区属俯冲造山，造山作用以热能为主；早古生代末，两陆块发生碰撞，形成科帕构造，为碰撞造山，造山作用以机械能为主。随后的造山多为陆内造山、以A型俯冲作用为主，造山作用也以机械能为主。早古生代末以前的板块运动过程见图2-1、图7-1。图中也反映了本区成矿系统的形成和演化。这种将板块运动地球动力学演化与成矿系统联系起来研究，是近年来国际地学界所关注的前沿问题之一。

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比质丁溴： 构造地质学是研究地壳或岩石圈的地质构造,主要是指组成地壳的岩层在内 外动力的地质作用下发生的变形,从而形成褶皱 断层 节理 劈理.....包括研究构造的几何学 运动学 动力学,以及构造发育 演化的历史分析.

乡宁县15124367438： 天体物理知识 - ？
比质丁溴： 天体物理学就是运用物理、数学、化学等方面的理论和方法研究宇宙中天体的起源、演化和死亡.主要包括天体的形态,内部结构,物理状态,化学成分,相互关系等.一般可以分为两个方面: (1) 实测天体物理:天体的观测方法和观测手段...