鄧妤婷 何登發(fā) 張奎華 齊雪峰

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院 北京 100083；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院 山東東營 257015；3.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083）

準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于天山山前，經(jīng)歷了多期的構(gòu)造擠壓運(yùn)動(dòng)（孫自明等，2004；陳發(fā)景等，2005；陳書平等，2007；何登發(fā)等，2018；朱明等，2020）。在準(zhǔn)南發(fā)育3 排褶皺沖斷帶，這3 排背斜帶通過深部侏羅系的滑脫層向盆地內(nèi)逐步延伸。前人對第一排褶皺沖斷帶（管樹巍等，2006；汪新偉等，2007；于福生等，2009；馬德龍等，2019）和第二排褶皺沖斷帶（方世虎等，2007；管樹巍等，2010；李本亮等，2012；馬德龍等，2018；周小軍等，2020）的研究成果較為豐富。研究結(jié)果表明，山前帶的位移量大部分在前兩排褶皺帶中吸收或以構(gòu)造反沖的形式消減，山前的位移量達(dá)2 000～5 000 m。第三排褶皺沖斷帶（如呼圖壁背斜等）在地表沒有出露。通過前人物理模擬實(shí)驗(yàn)（張希晨等，2020）可知，呼圖壁背斜主要發(fā)育兩套垂向疊置的構(gòu)造層，下部為石炭—二疊系的基底古隆起，上部侏羅系及上覆地層的滑脫背斜的發(fā)育受制于基底古構(gòu)造的影響，對上覆地層的變形起著控制作用。前人對準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前褶皺—沖斷帶的研究主要局限于第一、二排構(gòu)造帶（如霍—瑪—吐背斜帶），對呼圖壁背斜形成的過程認(rèn)識還不夠清晰，對呼圖壁背斜形成的成因機(jī)制沒有很好的說明，譬如：呼圖壁背斜是一期形成的產(chǎn)物還是多期運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果，呼圖壁背斜的運(yùn)動(dòng)與天山的隆起有沒有對應(yīng)關(guān)系等問題還未解決。

因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對呼圖壁最新的三維地震資料進(jìn)行精細(xì)地刻畫分析，結(jié)合鉆井測井和周緣露頭資料，對呼圖壁背斜進(jìn)行構(gòu)造地質(zhì)研究，并依據(jù)面積—深度法（ADS 法）對滑脫背斜的滑脫層和縮短量進(jìn)行定量分析。根據(jù)分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析滑脫背斜分層變形機(jī)制，最終得出呼圖壁背斜的構(gòu)造地質(zhì)發(fā)育歷史，這將對油氣資源開發(fā)具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

天山造山帶位于中亞造山帶的最南端，是研究陸內(nèi)造山變形的重要部位（李錦軼等，2006）。由于晚新生代南部塔里木盆地和印度板塊的俯沖作用，在天山造山帶的北側(cè)發(fā)育了3 排逆沖—斷裂背斜帶，記錄了準(zhǔn)噶爾盆地南緣褶皺沖斷發(fā)育的過程。其中呼圖壁背斜位于天山造山帶北側(cè)的第三排背斜帶的東部，靠近烏魯木齊，地表由第四系覆蓋沒有明顯出露。受印度—?dú)W亞板塊碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)影響，山前背斜帶發(fā)育的主要時(shí)間在古近紀(jì)到第四紀(jì)，隨著擠壓應(yīng)力向北逐漸傳遞，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前帶地區(qū)形成了不同類型的滑脫構(gòu)造樣式，深部的滑脫層發(fā)育在上三疊統(tǒng)下部或下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組的煤層中，淺層的滑脫構(gòu)造主要受控于白堊系連木沁組的泥巖、古近系安集海河組的泥巖和新近系塔西河組的泥巖中（董臣強(qiáng)等，2007）。

通過前人精細(xì)的地震資料解析和構(gòu)造解釋（丁玉才等，2021），認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地南緣褶皺沖斷帶上發(fā)育4 種類型的背斜形態(tài)組合關(guān)系，呼圖壁背斜為繼承型復(fù)式背斜，其特點(diǎn)是深淺層的構(gòu)造高點(diǎn)一致，在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期的位移量較小，大部分的位移吸收消減在第一、二排山前帶中。從整個(gè)準(zhǔn)噶爾盆地南緣的構(gòu)造演化特征來看（何登發(fā)等，2005），隨著石炭紀(jì)晚期北天山洋盆的逐漸閉合，海水退出，原先的海相沉積變?yōu)檫^渡相，到早二疊世，演變?yōu)榍瓣懪璧氐暮喑练e；三疊紀(jì)時(shí)期，盆地進(jìn)入坳陷沉積階段，沉積了厚層泥巖；早侏羅世時(shí)期呼圖壁地區(qū)處于弱伸展背景，沉積范圍相比三疊紀(jì)有所減小，到中侏羅統(tǒng)沉積末期，盆地沉積環(huán)境反轉(zhuǎn)，由伸展向擠壓轉(zhuǎn)變，在呼圖壁地區(qū)表現(xiàn)為燕山運(yùn)動(dòng)晚期擠壓背斜開始形成；白堊紀(jì)構(gòu)造較為穩(wěn)定，依然以湖盆發(fā)育為主；構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的時(shí)期主要在盆地進(jìn)入古近紀(jì)之后，受到邊界斷裂的影響，南緣處于壓扭構(gòu)造環(huán)境，以粗碎屑沉積物為主，最終在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期呼圖壁背斜的形態(tài)基本定型。

呼圖壁背斜整體是東西走向的較為寬緩的背斜（圖1，圖4），以石炭系為基底，其上發(fā)育二疊系斷陷結(jié)構(gòu)，兩者不整合接觸；到三疊紀(jì)晚期地層基本夷平，在其上部發(fā)育侏羅系，其中西山窯組為廣泛發(fā)育的煤層，是良好的區(qū)域?qū)訉Ρ葮?biāo)志，侏羅系頂部的喀拉扎組含礫石，與白堊系底部的吐谷魯群不整合接觸（圖3）；白堊系和古近系沉積時(shí)期，清水河組中-下部以砂質(zhì)巖性為主，紫泥泉子組和東溝組主要為泥巖和砂巖互層，安集海河組以泥巖為主，具有穩(wěn)定的坳陷沉積特征，沉積環(huán)境以湖相沉積為主，石膏質(zhì)泥巖較為發(fā)育，在擠壓應(yīng)力背景下容易發(fā)生滑脫；新近系主要為山前沉積，沉積環(huán)境變?yōu)楹恿飨喑练e，沙灣組以粉砂巖為主，部分存在砂礫巖，塔西河組中-下部以泥巖、粉砂巖為主，顏色為灰綠色，顯示弱還原環(huán)境，獨(dú)山子組—第四系上部砂礫巖較為發(fā)育，在地震剖面上顯示礫石的雜亂反射特征。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣前陸沖斷帶大地構(gòu)造位置Fig.1 The tectonic location of the foreland impulse zone at the southern edge of the Junggar Basin

圖3 呼探1 井地層柱狀圖Fig.3 Histogram of the stratigraphic of Hutan1 well

2 面積—深度法原理及應(yīng)用

面積—深度法（ADS 方法）最初是由Epard and Groshong（1995）建立的，它允許地層在變形的過程中層長和厚度發(fā)生變化，因此被廣泛應(yīng)用。面積—深度法通過測量每一套地層的多余面積與對應(yīng)參考面的距離，得出一組坐標(biāo)數(shù)，將其投影到面積—深度圖上，存在良好的線性關(guān)系，通過計(jì)算關(guān)系線的斜率和截距，可以預(yù)測滑脫面的深度和計(jì)算滑脫面的縮短量，是根據(jù)淺層信息去研究深部變形的有效方法。應(yīng)用到實(shí)際的地震剖面中，ADS 方法可以量化構(gòu)造樣式，如利用多個(gè)層位的多余面積（標(biāo)志層之上的面積）可以確定邊界位移、位移速率和層間平行應(yīng)變（LPS）等，從運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以看出（圖2），變形單元的多余面積在面積深度圖上呈現(xiàn)直線型，其斜率為滑脫斷層的位移量（以深度為橫軸，多余面積為縱軸的情況下），橫截距為基底滑脫面到標(biāo)志層的高度。但通常來說，數(shù)據(jù)點(diǎn)不會(huì)完美的落在一條上，需要用最小二乘法來擬合出最佳曲線。同時(shí)，對于生長地層來說，ADS 法也能清晰的將其與前生長地層區(qū)分出來。在呼圖壁背斜地區(qū)，該剖面的水平基準(zhǔn)面有一個(gè)輕微的傾斜角度，所以ADS 法中深度的測量，是通過測量左右兩邊不同深度的平均值得出的。

圖2 面積—深度法示意圖（據(jù)Epard and Groshong，1993 修改）Fig.2 Schematic of the area-depth method（modified from Epard and Groshong，1993）

通過對呼圖壁三維地震反射資料進(jìn)行地層標(biāo)定和構(gòu)造解釋（圖1），在用上述的方法對呼圖壁背斜進(jìn)行多余面積的計(jì)算和距離的測量，從面積—深度圖上可以看出（圖4b），其計(jì)算出來的滑脫深度位于三疊系地層中。這里計(jì)算出來的滑脫深度稱為視滑脫面。由于侏羅系煤層作為塑性物質(zhì)從向斜流入背斜導(dǎo)致向斜構(gòu)造之上的多余面積大于原始構(gòu)造之上的多余面積，如在圖4 中就表現(xiàn)為點(diǎn)R570明顯不在擬合直線上，這部分多余的面積就是物質(zhì)流入造成的，因此最后就會(huì)計(jì)算出過深的滑脫深度。雖然該面積—深度圖給出的滑脫面深度可能過于深，但面積—深度圖得出的位移量和應(yīng)變值是準(zhǔn)確的；因?yàn)樾甭手慌c褶皺區(qū)間內(nèi)的幾何關(guān)系有關(guān)，與滑脫面深度無關(guān)。從圖4 中可以計(jì)算出3 條過截距的擬合直線的位移量，地層發(fā)生的位移量從下到上逐漸減小，兩條面積—深度線之間的位移差就是增量位移。從圖中可以看出，同一構(gòu)造活動(dòng)造成的斷層運(yùn)動(dòng)，在面積—深度圖上可以擬合成一條直線，它們的位移量是相同的；在第一期斷層活動(dòng)產(chǎn)生了0.67 km 的斷層位移的過程中，由于背斜頂部的沉積物供應(yīng)速率達(dá)不到構(gòu)造抬升需要的足夠物質(zhì)沉積速率，沉積盆地處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，導(dǎo)致在背斜翼部安集海河組中形成地層超覆，在面積—深度圖上，代表第一期和第二期位移之間產(chǎn)生的構(gòu)造，兩期位移的位移量之差為0.18 km。上部滑脫背斜的滑脫面根據(jù)圖示深度可以定位到紫泥泉子組上部的泥巖段，上部滑脫層的位移量為0.49 km。

生長地層是在背斜隆起的過程中沉積的一套地層，記錄了背斜發(fā)育的過程。在已知地層的沉積年齡的情況下，可以根據(jù)生長地層計(jì)算位移速率。生長地層在面積—深度圖中明顯顯示出擬合直線的斜率為負(fù)值，表明在背斜發(fā)育過程中，生長地層的多余面積是逐漸減小的。為了更好的刻畫生長地層的ADS 曲線，本文選取了呼圖壁東側(cè)的一條上覆的生長地層成像較為清晰的地震剖面，可以很好的對生長地層的層位進(jìn)行約束。

從解釋的結(jié)果來看（圖5），生長地層發(fā)育在古近紀(jì)和新近紀(jì)的地層當(dāng)中，其中在新近紀(jì)地層中，生長地層厚度較薄，主體發(fā)育在安集海河組內(nèi)部，說明在古近紀(jì)晚期至新近紀(jì)初期，呼圖壁地區(qū)有一期構(gòu)造活動(dòng)，活動(dòng)強(qiáng)度并不強(qiáng)烈；從新近紀(jì)的中期開始，即在塔西河組沉積地層的中上部，生長地層一直發(fā)育到第四紀(jì)，一開始生長地層的縮短速率是比較大的，隨著地層的生長，構(gòu)造活動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，縮短速率逐漸減小，對應(yīng)圖5 當(dāng)中的塔西河組（N1t）至獨(dú)山子組（N2d）段的地層；而到第四紀(jì)的地層沉積時(shí)期，隨著距參考面的深度逐漸向上增大，多余面積明顯變化的更快，表明在獨(dú)山子組沉積末期到第四系沉積時(shí)期，發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓。從東西兩條地震剖面解釋的結(jié)果來看，東部背斜運(yùn)動(dòng)的位移量更大，約1 210 m；而西部背斜最大位移量只有670 m。從圖4 也可以看出，平行層應(yīng)變向上變小，變化范圍從-6%～-2%之間，基本可以看作層長是守恒的。

圖4 呼圖壁背斜西側(cè)ADS 法Fig.4 Hutubi anticline west side ADS method

圖5 呼圖壁背斜東側(cè)ADS 法Fig.5 Hutubi anticline east side ADS method

3 討 論

從上述結(jié)果可知，呼圖壁背斜的形成是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果。最早可以在呼圖壁西背斜剖面的紫泥泉子組和安集海河組內(nèi)部找到地層超覆的構(gòu)造標(biāo)志，證明在呼圖壁地區(qū)從古近紀(jì)初期就已經(jīng)發(fā)生了構(gòu)造活動(dòng)，表明第一期構(gòu)造的起始時(shí)間為晚白堊世—早古新世，第二期的生長地層發(fā)育在中新世早期，相當(dāng)于沙灣組地層沉積時(shí)期。這一結(jié)論與陳竹新（陳竹新等，2018）通過模擬偽深度域剖面所作的面積—深度關(guān)系圖的結(jié)果相對應(yīng)。但是，由于天山在新生代以來經(jīng)歷了強(qiáng)烈的隆升，呼圖壁背斜上第四系生長地層部分可能遭受了破壞，導(dǎo)致精確的厘定呼圖壁背斜中生代—新生代發(fā)育的起始時(shí)間變得困難。因此要想討論呼圖壁背斜的構(gòu)造變形時(shí)間，不能離開對北天山的變形期次和時(shí)間的分析研究。前人（楊庚等，2012）通過對北天山北緣霍爾果斯地震剖面的精細(xì)解釋得出了的北天山北緣的構(gòu)造隆升結(jié)果，認(rèn)為在天山的北緣，第四紀(jì)之前發(fā)生兩次變形，北天山的縮短從25 Ma 就已經(jīng)開始了，第一次變形最早可以追溯到中新世塔西河組內(nèi)部，第二次構(gòu)造變形相對應(yīng)的在準(zhǔn)南地區(qū)形成第四系西域組底界不整合面，時(shí)間從新近紀(jì)末期到第四紀(jì)初期。根據(jù)他們對生長地層的厘定，中新世末期到早更新世是準(zhǔn)南加速變形的時(shí)期，與本文中的解釋結(jié)果可以很好的對應(yīng)。同時(shí)，前人做了關(guān)于準(zhǔn)噶爾盆地南緣中生界—新生界碎屑鋯石的U-Pb 年齡（李忠等，2012）；根據(jù)他們做的結(jié)果，天山造山有兩期從弱到強(qiáng)的變形過程，分別是晚侏羅—早白堊世時(shí)期和晚白堊世末期—新近紀(jì)，且在新近紀(jì)（23 Ma）以來，物源碎屑鋯石的年齡趨于一致，說明新近紀(jì)以來是天山的強(qiáng)烈隆升時(shí)期。也有人通過沉積學(xué)方法（方世虎等，2006；高志勇等，2016）來探討中新生代天山的隆升；主要是通過準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系碎屑組合特征來研究天山的隆升和構(gòu)造分異活動(dòng)，結(jié)果表明，晚侏羅—早白堊世天山開始分異，構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)。磷灰石裂變徑跡也記錄了天山隆升的歷史（郭召杰等，2006），熱模擬結(jié)果表明，中生代—新生代天山有兩期隆升事件，分別發(fā)育在晚侏羅—早白堊世和漸新世。

從過呼圖壁背斜南北走向的山前帶地震剖面來看（圖6），在齊古背斜處侏羅系頂部缺失喀拉扎組，白堊系下統(tǒng)與侏羅系上統(tǒng)呈角度不整合接觸關(guān)系，表明在侏羅系沉積末期有構(gòu)造的抬升剝蝕作用，天山開始構(gòu)造擠壓運(yùn)動(dòng)，在山前形成沖斷帶，齊古背斜斷層沖斷到白堊系底部就停止了，構(gòu)造經(jīng)歷由強(qiáng)到弱的過程，并且構(gòu)造活動(dòng)是從南向北逐步傳遞的，南部的構(gòu)造變形強(qiáng)，而北部的構(gòu)造變形弱，呼圖壁背斜就正好處于強(qiáng)弱變形的轉(zhuǎn)換帶，對了解北天山的構(gòu)造隆升有重要意義。

圖6 南北向過呼圖壁背斜地震解釋剖面（測線位置見圖1）Fig.6 North-south cross-Hutubi anticline seismic interpretation profile（seismic profile shown in Fig.1）

根據(jù)前文敘述討論，可以得出以下認(rèn)識：1）準(zhǔn)噶爾盆地南緣在早白堊世時(shí)期發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生南北向的擠壓應(yīng)力，天山開始剝蝕隆升，這一時(shí)期擠壓應(yīng)力還未傳遞到呼圖壁；2）從晚白堊世開始，天山開始隆升，在山前形成沖斷—褶皺，第一排和第二排背斜帶開始形成，少部分未被吸收和消減的應(yīng)力傳遞到呼圖壁地區(qū)，形成第一次擠壓構(gòu)造；3）天山強(qiáng)烈造山擠壓開始于中新世（20～15 Ma），造成了山前的擠壓隆升變形，中新世晚期（7 Ma），擠壓應(yīng)力持續(xù)向盆地內(nèi)傳遞，在應(yīng)力傳遞的過程中，形成反沖“背馱盆地”（圖6）和呼圖壁背斜；4）天山造山運(yùn)動(dòng)在第四紀(jì)存在復(fù)活期，并且在天山新生代復(fù)活之后，又以周期性的方式再次隆升，在構(gòu)造隆升事件之間還有持續(xù)時(shí)間較長的構(gòu)造穩(wěn)定期。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)ADS 法擬合曲線的結(jié)果，呼圖壁背斜主要發(fā)育3 套滑脫斷層系統(tǒng)：深部的滑脫層位于侏羅系西山窯組和八道灣組的煤層中；淺部的滑脫層在呼圖壁背斜的西側(cè)和東側(cè)表現(xiàn)不同，在西部背斜上滑脫層發(fā)育在塔西河組的泥巖，而在東部背斜上滑脫層發(fā)育在連木沁組和勝金口組的厚層泥巖中，這些滑脫斷層在垂向上疊置。

（2）齊古—呼圖壁背斜的構(gòu)造變形形式主要受到廣泛發(fā)育的侏羅系煤層作為底部滑脫層的控制作用，石炭系基底及其上發(fā)育的二疊系斷陷構(gòu)造影響和制約著呼圖壁背斜的發(fā)育，對變形起到定形、定位的作用。在東側(cè)背斜內(nèi)部局部發(fā)育有調(diào)節(jié)斷層，斷層底部與白堊系連木沁組和勝金口組的滑脫面相連，也對呼圖壁背斜的形態(tài)產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。

（3）呼圖壁背斜的主要成型時(shí)間在第四系更新世時(shí)期，呼圖壁的縮短量從西向東逐漸增大，位移量670 m 到1 210 m，大部分位移量被天山山前的背斜帶所吸收，這一小部分滑移量傳遞到了盆地。

（4）根據(jù)生長地層的發(fā)育特征，結(jié)合前人的一些研究結(jié)果，認(rèn)為呼圖壁背斜發(fā)育經(jīng)歷了幕式構(gòu)造縮短作用，第一次構(gòu)造擠壓發(fā)生在漸新世晚期—中新世，表現(xiàn)為在安集海河組和沙灣組內(nèi)ADS 法算出多余面積的減小，且西側(cè)背斜發(fā)育的時(shí)間較東側(cè)早；第二次擠壓運(yùn)動(dòng)發(fā)生在中新世晚期—上新世；第三次擠壓最為強(qiáng)烈，從早更新世開始（2 Ma）并且在更新世之后有加速隆升的趨勢，對應(yīng)著天山造山帶在印歐板塊碰撞后產(chǎn)生的遠(yuǎn)程響應(yīng)。