准南冲断带横断层形成机制及地质意义

董 敏,赵 朔

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

准南冲断带位于准噶尔盆地与北天山的构造结合部位，发育了四排近东西向平行排列的褶皱-逆冲断层带以及与之斜交或垂直的横断层。众多学者对横断层开展研究，并取得大量研究成果。何登发等(1996)、贾承造等(2005)及汪新伟等(2007)对横断层的构造分段作用进行了研究[1-3]；陈发景等(2004)、陶国亮等(2006)及徐怀民等(2008)探讨了横断层对砂体展布及油气成藏的影响作用[4-6]；王伟锋等(2014、2015、2016)对龙门山断裂带横断层形成机制及控震作用进行了研究[7-9]。但针对准南冲断带横断层成因类型及地质意义的研究相对较少。针对此，笔者对区内横向构造系统进行了研究，利用地质、地震剖面、布格重力异常、航磁异常等地球物理场等资料进行构造综合解释，对横断层的地质特征和成因类型进行了探讨。除此之外，还利用横断层两侧地块构造活动性差异、天然地震余震的空间分布以及地貌和水系分布来解译横向构造地质意义。这一研究工作不仅对于了解北天山地区的构造样式、构造发育机制等具有重要的理论意义，同时对研究构造的控震作用等具有重要的实际意义。

1 准南冲断带横断层的确定

准南冲断带受强烈冲断构造变形作用，逆冲断裂发育，构造圈闭成排成带分布。山前冲断带不仅发育大量与山系走向平行的逆冲断裂，还广泛发育近南北向的平移断层。本次研究通过对区域地质和遥感影像等资料分析，发现北天山地区发育多条北北东、北北西向地球物理异常带或地震分布突变带，经证实，这些突变带发育规模不等的横向构造。按照发育规模和影响范围，这些横向构造可以分为三个级别[3]：一级横向构造为影响区域整体构造的深大断裂，如米泉-乌鲁木齐-永丰横断层和红车-巴音沟东横断层，该类断裂对北天山地区整体的构造演化和构造格局具有重要的控制作用，其分段作用使得横断层两侧区块在构造线展布、构造变形方式和变形程度等方面明显不同；二级横断层主要发育在基底卷入带或盖层滑脱带内，如头屯河横断层，对构造格局影响比一级横断层弱、但构造样式及变形强度与相邻区块比较仍有差异；三级横断层发育规模较小，主要调节局部构造变形差异，如玛纳斯横断层、沙湾横断层等[3]。

1.1 地貌遥感与数字地形响应特征

准南冲断带的横断层发育在造山带内，从卫星影像图上可以清楚的观察到数条规模大小不一的横断层(图1)。从东西向来看，横断层走向多垂直或近于垂直冲断带，沿区域整体构造线呈现条带状，单条断裂之间的距离较为规律，大致平行等间距分布；从南北向看，不同级别的横断层延伸距离在几千米到几十千米不等，呈现“成排分布”的特征，越靠近造山带，推覆强度越强，横断层的数量也越多，规模也越大。

图1 准南冲断带断裂解释及历史地震分布

1.2 横断层的地球物理特征

上世纪八十年代以来，众多学者就对北天山地区的构造格架进行了研究，并且或多或少涉及到了横向断裂问题。关于横向断裂存在的证据大致为地球物理、卫星影像和重磁3个方面。从这些资料可以清楚的看到(图2a、2b)，北天山山界线附近存在两条规模较大、延伸较长的近东西向展布重力梯度带，以及多条北北东向次级重力梯度带，验证了该区两条近东西向展布的逆冲大断裂以及多条北北东向横断层的存在。通过分析准噶尔盆地及邻区航磁异常平面分布特征，发现盆地外围存在一个环状低磁异常带，而盆地内部大部分地区显示为中高磁异常，异常幅度在平面上变化相对较缓，只有局部地区显示为中低磁异常，可以清楚的识别出北北东向和北北西向的两条横断裂。

1.3 地震剖面响应特征

地震资料经过处理、解释以后，可以对各种构造现象进行识别研究。

从地震剖面上来看(图2c)，横断层多属于主断裂的伴生断层，其规模以及垂向位移量相对主断裂较小。在地震剖面上主要表现为花状或弱花状走滑断层，断面呈高角度向深部延伸，断面上缓下陡，同相轴明显被错断，但其两侧地层产状受横断层影响变化不大。

图2 横断层地球物理和地震特征

2 北天山横向断层成因类型及特征

北天山地区已被证实的横断层主要有米泉-乌鲁木齐-永丰横断层、红车-巴音沟东横断层、头屯河横断层、三屯河横断层、石梯子横断层、塔西河横断层、南玛纳斯横断层、呼图壁横断层、玛纳斯横断层、清水河横断层、安集海横断层、独山子横断层、奎屯河横断层。根据横断层自身特征及其与北天山主逆冲断裂带之间的关系，认为这些横断层主要有两种成因类型：①先存区域性横断层；②主断裂逆冲差异调节断层。

2.1 先存区域性断层

在印度板块和欧亚大陆强烈碰撞的影响下，准噶尔盆地南缘经历了多期挤压兼扭动变形，发育近东西向的主逆冲断裂、北北东和北北西向的横断层。早二叠世的裂谷盆地形成了半地堑(或地堑)与半地垒(或地垒)相间排列或穿插、交织的隆、坳构造格局，它们常常一侧或双侧受到正断层系的控制。总体来看，裂谷带的展布有2个优势方向，北东-北东东向和北西西向，其中以北东-北东东向更占优势一些：①米泉-乌鲁木齐-永丰横断层属于先存型区域性断裂，北东向的乌拉泊裂谷经后期变形，形成米泉-乌鲁木齐-永丰横断层的先存构造；②红车-巴音沟东横断层属于先存型区域性断裂，北西向的车排子东缘裂谷经后期变形，形成红车-巴音沟东横断层的先存构造。这两条断裂在早-中二叠世就已形成，后来受燕山期、喜山期强烈的区域挤压应力场的作用，发育为横断层。

2.2 主断裂逆冲差异调节断层

程光锁等[10]在北天山地区沿逆冲方向绘制了六条近南北向的区域平衡地质剖面(表1)。从盆地平衡剖面的挤压缩短量和缩短率结果可以看出，准南冲断带各段的运动速度和变形强度存在一定差异，地壳缩短量变化范围7～13 km，缩短率变化范围13%～22%，挤压强度明显不同。由于不同部位的变形幅度和位移各不相同，它们之间就会产生错断，即为冲断带发育的横断层。横断层的存在为这些块体差异运动起到一定的调节作用，通过这些横断层，保持了冲断带横向上总体缩短量沿走向渐变的关系。例如，单斜构造之上的第一排背斜带，其东段断层的位移量基本全部被滑脱断层及上覆的背斜所减缓和吸收，因而第一排背斜东段以北缺失第二排背斜；而西段随着第一排背斜逐渐倾伏，有一部分位移量又开始向北传递，因而第二排背斜带相应开始出现[11]。因此，这三排背斜带在走向上的规律反应了横断层在背斜之间的差异调节作用。

表1 准噶尔盆地南缘中段地区平衡剖面的缩短量[10]

3 准南冲断带横断层形成机制

准噶尔盆地南缘印支初期以来受印度板块的欧亚大陆强烈碰撞的影响，表现出明显的走滑运动特征，根据盆地周缘造山带与盆缘构造带的力学性质和排列特征得出，准噶尔盆地南缘西部为右旋压扭。张玉兰等用大理石粉及食盐材料开展了构造物理模拟实验初步模拟了准南冲断带的形成、演化过程[12]：准南冲断带在右行压扭应力的持续作用下依次形成了由四排逆冲断裂组成的断裂-背斜构造带，在剪切应力的持续作用下，出现了与逆冲断裂斜交的北北东、北北西向的张扭性断裂构造带。横断层与主逆冲断裂带基本同步发育，根据横断层的规模大小，又分为区域性横断层和局部性横断层。区域性的横断层使得准噶尔盆地南缘整体呈现出东西分段的构造特征，局部性的横断层使得每段的构造变形更加复杂。不论区域性横断层还是局部性横断层均属于主逆冲断裂带的伴生构造，在控制准南地区地貌、地形、构造、地震等特征方面扮演了重要的角色。

4 横向断层地质意义

4.1 横断层造成两侧地块构造活动性差异巨大

断裂带两侧活动强度差异会导致两侧地形地貌、变形特征、构造样式等产生差异。以米泉-乌鲁木齐-永丰横断层为例，该断裂使得北天山东段和中段构造变形强度和样式差异很大。中段主要发育三排背斜，为压扭斜列构造，从横断层向西延伸，背斜总体走向由北东东转为北西西方向；东段也发育三排背斜，但从横断层向东延伸，背斜总体走向由北东向转为北西，呈向北凸出的弧形展布，逆冲方向为北西向。在布格重力异常图上，米泉-乌鲁木齐-永丰横断层西侧从南向北重力梯度明显逐渐增高，异常等由东向西逐渐稀疏；断裂东侧博格达山隆起向周围重力梯度逐渐降低(图2a)。

以红车-巴音沟东横断层为界，北天山中段东西方向因挤压应力的差异及南北向横断层的影响分为两个弧形逆冲块，其中西逆冲块逆冲推覆距离较大，但基底卷入带较窄，构造类型相对东逆冲块较简单，下构造层为燕山期断背斜，上构造层为喜山期披覆背斜；东逆冲块构造变形强烈，因强烈挤压推覆距离较小，基底卷入带相对较宽，多发育两翼对称背斜(图3)。

图3 准南冲断带结构剖面

4.2 横向断裂的控震作用

横断层在与主断裂带联合发震和控制余震传播方面扮演着重要角色。规模较大的横断层不仅可以与主断裂带联合发震，而且能够限制逆断层型的地震余震的传播[13]，大型横断层的断裂带变形强烈，能够吸收部分巨大的地震能量从而使得地震波迅速衰减，能量减弱，进而终止余震的发生或者减弱余震强度。呼图壁Ms6.2地震发生后，余震主要呈近东西向分布在准噶尔盆地南缘断裂的北侧，与准噶尔盆地南缘断裂的走向一致。此次地震是石梯子横断层左行走滑与霍尔果斯-玛纳斯-呼图壁断裂带逆冲活动引起[14]，随后，塔西河横断层发生右行走滑，因此余震主要向西传播且在塔西河横断层终止(图4、5)。

图4 新疆呼图壁Ms6.2地震发震机制综合示意图[14]

图5 新疆呼图壁Ms6.2地震及余震震中分布和结构剖面(改自中国地震局地球物理研究所)

5 结论

(1)根据地貌遥感、重、磁异常及地震剖面响应，认为北天山地区发育13条横断层：即米泉-乌鲁木齐-永丰横断层、红车-巴音沟东横断层、头屯河横断层、三屯河横断层、石梯子横断层、塔西河横断层、南玛纳斯横断层、呼图壁横断层、玛纳斯横断层、清水河横断层、安集海横断层、独山子横断层和奎屯河横断层。

(2)该区横断层两种成因类型为：先存区域性断裂和主断裂逆冲差异调节断层。先存区域性横断层包括米泉-乌鲁木齐-永丰和红车-巴音沟东断裂，在早-中二叠世形成，后受燕山期、喜山期强烈的区域挤压应力场的作用，发育为横断层；主断裂逆冲差异调节断层由于在准南不同区域挤压的缩短量和缩短率不一，挤压强度明显不同，不同部位的变形幅度和位移各不相同，之间产生错断发育横断层。

(3)横断层对主断裂带起到东西分段的作用，每段的地形地貌、构造变形特征、地震活动性等具有明显差异。