一、地壳分层结构
沙雅-巴音布鲁克-克拉玛依-布尔津深地震宽角反射/折射测深剖面近垂直横穿塔里木北缘天山褶皱带、准噶尔地块以及阿尔泰隆起区南缘几个重要大地构造单元和分界线,沿剖面地壳结构变化较大。 这些结构上的差异反映了不同构造单元的特征差异,也反映了它们在地质史上的活动特征和动力学过程。 图5-1给出了测线的位置,炮点的位置和研究地区的构造概况。
从各炮点的一维速度-深度模型(图5-42)和二维地壳结构剖面(图5-43a,b),可以发现该区地壳的分层结构性质以及不同的构造单元之间结构上的差异。 该区地壳纵向以C3界面为标志分为上部地壳和下部地壳。 上部地壳的厚度为32～35km,沿剖面变化不大,在塔里木与天山的接触带附近有增厚的趋势,约为37km左右。 天山下不能有效识别出明显的C3界面,显示出下地壳在塔里木地块和准噶尔地块向天山下方挤压插入时遭受变形的迹象。 除结晶基底外,上地壳还有C1和C2两个反射界面,它们分别以反射震相P1和P2为标志。
图5-42 探测剖面一维速度深度模型图
根据Pg震相,利用不同的方法,如时间项方法、有限差分反演方法和界面与速度联合反演,所得到的沿剖面基底结构的变化趋势是一致的(图5-44a,b,c),剖面北端阿尔泰隆起区结晶基底最浅,0.4～1.5km,从布尔津开始,向南进入准噶尔盆地后基底逐渐加深,基底深度变化的位置与额尔齐斯断裂一致表明该断裂切割到基底。 乌尔禾、克拉玛依一带基底深度为4km左右,克拉玛依向南急剧加深。 基底最深处发生在北天山与准噶尔接触带奎屯附近,达10～12km深,形成明显的天山山前断陷。 进入北天山后,结晶基底陡然变浅,其深度为2～4km,基底深度陡变发生在依连哈比尔尕山山前,显示出明显的基底断裂存在,与博罗科努-阿其克库都克断裂一致。 天山内部结晶基底呈起伏变化,那拉提附近变化明显。 向南经库尔勒断裂后,结晶基底又陡然加深至6～8km,形成库车山前坳陷。
C1界面深度为13～18km,沿剖面变化缓和,准噶尔盆地内C1界面深度为15km左右。 向北在600桩号,乌尔禾至黑山头间,稍微隆起后渐渐加深,经过额尔齐斯断裂进入阿尔泰隆起区后深至18km左右。 自准噶尔盆地向南C1界面平缓,天山下未见加深反而略有隆起,深度为13km左右。 过库尔勒断裂进入库车山前坳陷后缓慢加深至15km左右。 C2界面沿剖面变化较C1界面明显。 准噶尔盆地内其深度约为23km,相对平缓。 向北在600桩号,乌尔禾与黑山头间,略为隆起,通过额尔齐斯断裂进入阿尔泰褶皱系后渐渐加深至29km左右。 向南进入天山后,C2界面被地壳深断裂分割。 以那拉提断裂为界,北侧其深度为26～27km,南侧抬升至20km深度左右。 过库尔勒断裂进入库车山前坳陷后又逐渐加深至25km左右。
图5-43 阿尔泰-天山探测剖面二维地壳结构图
沿剖面不同构造单元之间地壳厚度变化明显,主要是下地壳厚度变化引起的。 塔里木地块北缘的地壳厚度约为46km,向着天山下方迅速加厚,增至52 ～54km。 中天山下保留着50km左右厚的地壳,显示出最近一次挤压变形前天山下地壳厚度的特点。 准噶尔盆地地壳相对较薄,约为46～47km。 在与北天山的接触带上,地壳陡然加厚,迅速增至54～56 km,显出向北天山下插入的迹象。 由准噶尔盆地向阿尔泰褶皱区地壳缓慢增厚至55km左右。8～10km厚的壳幔过渡带发生在天山隆起区和阿尔泰褶皱区的南缘,在准噶尔盆地内没有发现明显的壳幔过渡带,反映了稳定地块和活动隆起区地壳结构上的差异。
图5-44(a) 探测剖面Pg波时间项结果图
图5-44(b) 有限差分反演得到的探测剖面结晶基底构造图
图5-44(c) 界面和速度联合反演得到的基底结构图
二、地壳速度结构
沿剖面壳内层间速度和地壳平均速度的变化,反映了不同构造单元间地壳结构和成分的差异。 图5-42、图5-43(a)给出了沿剖面各炮点不同方向Pm走时曲线反映出的地壳平均速度。 准噶尔地块的地壳平均速度为6.4～6.5km/s,其中部的地壳平均速度高达6.5～6.8km/s,显示出地壳相对较“硬”的性质。 天山地壳平均速度只有6.1km/s左右,考虑到天山的隆起,那么天山地壳平均速度偏低是显著的,反映了天山地壳相对“软”的特点。 阿尔泰隆起区地壳平均速度为6.3～6.4km/s。
结晶基底至C1界面的地壳速度为6.0～6.2km/s。 但在天山下,这一层发育着低速层(体),速度低于6.0km/s,位于天山两侧,特别是南天山哈里克山-沙雅段,深8～12km处发育着5.7 ～5.9km/s的低速异常层,形态特征和所处位置提示了该低速异常层具有拆离带的滑脱性质,对应北天山依连哈比尔尕山—奎屯也有类似的构造,但形态规模较小。 天山中部地壳低速层的发育是导致天山地壳平均速度偏低的主要原因之一,它反映了天山地壳组成与塔里木地块和准噶尔地块的差异。 C1界面和C2界面间地壳速度为6.2～6.4km/s,天山下为6.0km/s～6.2km/s,准噶尔地块高达6.4～6.6km/s。 C2界面和C3界面间速度横向变化较大,在准噶尔地块内为6.7～6.8km/s,进入阿尔泰隆起区后为6.4～6.5km/s。 天山下不能识别明显的C3界面,在对应的深度范围内为6.2～6.4km/s。 下部地壳的速度在准噶尔地块内为7.0～7.4km/s,阿尔泰隆起区为6.7～7.4km/s,天山为6.4～7.2km/s。 显示了中部地壳、下地壳准噶尔地块与两侧,特别是天山隆起区地壳介质性质的巨大差异。 天山下,上地幔顶部60 ～68km深度范围内存在着一个特殊的低速度区,速度值为6.8～7.2km/s。它在解释天山形成的动力学过程方面有特殊重要的意义。
三、上部地壳Q值结构和波速比
图5-45给出了根据Pg震相,利用WKBJ方法反演得到的沿剖面上地壳Q值分布。 从图中可以看出,天山下上部地壳的Q值也明显低于准噶尔地块和塔里木地块北缘,它从另一个角度也反映了天山地壳较之塔里木地块地壳和准噶尔地块地壳相对“软”的特征。
图5-46给出了根据S波资料得到的沿剖面波速比的分布。 一个明显的特点是天山下地壳波速比Vp/Vs显著高于塔里木地块和准噶尔地块。 考虑到前面所述天山下P波速度低于塔里木和准噶尔地块的事实,那么天山下高的Vp/Vs,进一步说明了这一地区地壳相对“软”的特征。
四、主要地壳深断裂
从图5-43(a)可以看出,沿剖面在不同构造单元的接触带上存在着明显的地壳深断裂,它与浅部断裂一起形成了由浅至深复杂的组合关系,它们控制了这些重要构造单位间的接触和运动方式。
图5-45 探测剖面上地壳Q值结构图
图5-46 探测剖面二维波速比及泊松比剖面
1)库尔勒地壳深断裂。 在塔里木与天山的接触带库尔勒断裂附近,剖面桩号110～120处,地壳结构变化明显。 两侧地壳主要界面活动显著,速度结构差异明显,存在着地壳深断裂。 它延伸到下地壳,直至莫霍面并有继续向下延伸的迹象。
2)那拉提-尼勒克地壳深断裂。 在剖面桩号250左右,天山内部,C2界面以下地壳界面错断明显,莫霍面变化,两侧速度结构差异明显,显示出存在地壳深断裂迹象。 它与浅部那拉提断裂、尼勒克断裂一起构成在这个范图内复杂的深浅断裂组合关系。
3)博罗科努-阿其克库都克地壳深断裂。 这也是一条主要的准噶尔地块与天山接触带地壳深断裂,位于剖面桩号320 ～350之间。 壳内界面深度陡变或错断明显,向下延伸到莫霍面甚至更深,是地壳速度变化的一个分界。 其北侧地壳速度较高,南侧明显偏低。 地壳厚度两侧变化明显,北侧约为47km,南侧陡然加深至55km左右。 图5-47是Pm震相的射线方程偏移结果。 从偏移的结果看这条地壳深断裂也是明显的。
图5-47 Pm震相射线方程偏移图
4)额尔齐斯地壳深断裂。 位于剖面桩号720～750之间。 两侧地壳界面和地壳速度变化比较明显。 在图5-47上也有明显显示。
乌尔禾地壳深断裂。 剖面桩号610左右也存在着一个地壳结构变化明显的带,从图5-48上也可以看出莫霍面在这里发生了突然的变化。
五、天山地壳动力学意义
综上所述,天山地壳平均速度偏低,中部地壳分布着低速度值,Vp/Vs值高以及上部地壳Q值偏低都表明了天山地壳相对较“软”。 它被“挟持”在两个地壳较“硬”的塔里木地块和准噶尔地块之间。 天山下特殊的Pm’反射震相所代表的界面位于天山下65-68km深度范围内。 在60～68km深度区间内出现的天山上地幔顶部局部低速(6.8～7.2km/s)异常体,与围岩形成的1km/s的速度差,同下地壳、壳幔过渡带速度值相近。 它可以被解释为在印度板块向北推挤的作用下,塔里木地块向北挤压并插入天山下,而其北缘又受到较“硬”的准噶尔地块的阻挡而形成的“痕迹”。 从由Pm和Pm’震相的走时和平均速度所构制的莫霍面以及Pm’反射面形态图(图5-48)上可以清楚地看到塔里木地块插入天山下的迹象。这种碰撞插入至少在下地壳范围内就存在。 天山明显的壳幔过渡带的存在和C3界面的缺失,也暗示了在这种动力过程下,天山下部地壳遭受的变形。 它导致了地壳缩短,天山隆起,同时塔里木地块和准噶尔地块下地壳的物质被带入天山下,形成天山下特殊的“双下地壳”结构。 图5-49给出了这样一个动力过程的示意图。 为了从重力的角度说明这一模型的合理性,从图5-49的模型出发计算它的布格重力异常响应,并与观测结果相比较。 可以发现除北部地区由于模型分块数量的限制难以反映出细节外,基本走势是一致的,尤其是与天山附近的地壳结构符合得很好(图5-50)。
图5-48 Pm和Pm′反射界面形态
图5-49 天山地壳动力学模型图
图5-50 探测剖面密度结构示意图