準噶爾盆地西緣車排子凸起構(gòu)造演化及斷層形成機制

董大偉， 李 理，王曉蕾，趙 利

1.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 266555 2.勝利油田分公司東辛采油廠，山東 東營 257061

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準噶爾盆地西緣車排子凸起構(gòu)造演化及斷層形成機制

董大偉1， 李 理1，王曉蕾2，趙 利1

1.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 266555 2.勝利油田分公司東辛采油廠，山東 東營 257061

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景，采用現(xiàn)今構(gòu)造靜態(tài)描述與構(gòu)造演化過程剖析相結(jié)合的研究思路，分析了車排子凸起的幾何學(xué)與運動學(xué)特征，剖析了車排子凸起的構(gòu)造演化過程，探究了構(gòu)造演化過程控制下不同類型斷層的形成機制。結(jié)果表明：車排子凸起之上發(fā)育兩套斷裂系統(tǒng)，即海西--印支期形成的斷穿石炭系--白堊系底的逆斷層，喜馬拉雅期形成的斷穿白堊系、古近系和新近系的正斷層。車排子凸起構(gòu)造演化過程可以劃分為強烈隆升剝蝕階段(C3--J)、緩慢沉降階段(K--E)、局部伸展階段(N--Q)3個階段，這3個階段的構(gòu)造應(yīng)力背景具有差異性，導(dǎo)致不同階段形成的斷裂體系和地層厚度差異性明顯。C3--J時期，車排子凸起處于向東推覆的逆沖褶皺帶上，發(fā)育向東逆沖的紅車斷裂帶和斷穿石炭系--白堊系底的逆斷層，無地層沉積；K--E時期，紅車斷裂帶的右旋壓扭活動使車排子凸起處于逆沖楔頂部帶，受北東向擠壓，先期逆斷層有的繼承性持續(xù)發(fā)育，有的停止發(fā)育，還有的發(fā)育一段時間后停止發(fā)育，并形成盲沖斷層，地層從南東向北西沉積尖滅；N--Q時期，北天山向北強烈擠壓隆升的作用使車排子凸起處于前緣隆起帶，一些逆斷層發(fā)生負反轉(zhuǎn)，同時在N--Q發(fā)育大量正斷層，受凸起向南傾作用，地層南厚北薄。

準噶爾盆地；車排子凸起；紅車斷裂帶；斷層；斷層發(fā)育機制

0 前言

準噶爾盆地西緣車排子凸起具有雙向供油、復(fù)式輸導(dǎo)的優(yōu)越油氣源條件，多期構(gòu)造運動疊加形成了多種類型圈閉，從而具備形成大中型油氣田的地質(zhì)條件。前人[1-5]研究認為斷層是控制研究區(qū)油氣成藏的關(guān)鍵因素。針對車排子凸起的構(gòu)造特征，國內(nèi)部分學(xué)者進行了相關(guān)研究，認為車--莫古隆起是燕山運動在準噶爾盆地腹部形成的低幅度隆起，后經(jīng)喜馬拉雅山運動盆地的調(diào)整改造，整體上北翹南傾，經(jīng)白堊紀及新生代沉積充填，在地震數(shù)據(jù)解釋的剖面上已經(jīng)沒有明顯隆起的形態(tài)，是標準的掀斜型古隆起[6]；侏羅系開始的壓扭作用在腹部形成的古隆起呈NE--SW向，自車排子隆起南端奎屯一帶，向NE分兩支撒開，這兩支均向南西抬升，收斂于車排子南側(cè)，構(gòu)成以車排子隆起南端為砥柱的旋卷構(gòu)造[7]。前人[6-8]對于車排子凸起的形成機制作出了解釋，但是對于車排子凸起之上的斷層性質(zhì)、展布規(guī)律和形成機理等問題未作過多的研究。筆者綜合應(yīng)用地震、鉆測錄試等資料，分析車排子凸起的幾何學(xué)與運動學(xué)特征，剖析車排子凸起構(gòu)造演化過程，探究構(gòu)造演化過程控制下的不同類型斷層形成機制，對于指導(dǎo)研究區(qū)油氣勘探具有重要的實踐意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

準噶爾盆地位于新疆北部，夾持于天山造山帶與阿爾泰造山帶之間，兩側(cè)被東、西準噶爾構(gòu)造帶所限，平面形態(tài)呈南寬北窄的三角形，總面積約1.3×105km2。準噶爾盆地西北緣位于準噶爾盆地與哈薩克斯坦板塊交界處(圖1)。

1.走滑斷層；2.逆沖斷層；3.板塊邊界；4.北天山縫合帶；5.南天山縫合帶；6.研究區(qū);7.陸緣構(gòu)造巖漿活動帶。據(jù)文獻[9-10]修編。圖1 準噶爾盆地及鄰區(qū)大地構(gòu)造單元圖Fig.1 Tectonic map of Junggar basin and its adjacent units

車排子凸起位于準噶爾盆地西北緣的南端，是隸屬于準噶爾盆地西部隆起的次一級構(gòu)造單元，紅車斷裂帶為其東部邊界，南部一系列NNE走向的斷裂為其南部邊界，其東臨昌吉凹陷和中拐凸起，南臨四棵樹凹陷和伊林黑比爾根山，西面及西北面為扎伊爾山，北面與克--夏斷褶帶相接，面積約為1.08×104km2。車排子凸起平面上呈倒三角形，其主體走向為NW--SE至EW向。車排子凸起隆升不均衡，總體上在西北部扎伊爾山前隆起最高，向東部、南部及東南部隆起幅度逐漸降低，至東南部奎屯-安集海一帶隱伏消失。紅車斷裂帶為車排子凸起的邊界，將車排子凸起與昌吉凹陷分隔，走向近NS。斷裂帶內(nèi)十分發(fā)育基底斷裂，剖面上斷面西傾，上陡下緩，深部斷裂斷距大、淺層斷距小，為車排子凸起區(qū)的主斷裂體系，此外在斷裂帶內(nèi)還發(fā)育眾多后期的EW向正斷層。凸起主體覆蓋在石炭系基底之上，自下而上發(fā)育了白堊系下統(tǒng)吐谷魯群(K1Tg)，古近系(E)，新近系沙灣組(N1s)、塔西河組(N1t)、獨山子組(N2d)及第四系(Q)；另外，凸起東部局部地區(qū)(紅車斷裂帶上下盤附近)以及凸起之上部分溝谷帶發(fā)育二疊系、三疊系、侏羅系(圖2)。

圖2 車排子凸起區(qū)域構(gòu)造背景Fig.2 Regional tectonic background in of Chepaizi uplift

2 車排子凸起構(gòu)造特征

隸屬于中石化的西緣區(qū)塊內(nèi)沒有較大規(guī)模的斷層發(fā)育，斷層的斷距和延伸都較小。車排子凸起上大體可以劃分為深淺兩套斷層系統(tǒng)：深部斷層系統(tǒng)為一系列逆沖及逆掩斷層，在海西--印支期形成，后期持續(xù)活動，主要是從石炭系斷至白堊系底部；淺部斷層系統(tǒng)為張性正斷層，在喜馬拉雅期形成，主要發(fā)育在白堊系至新近系，也有一些斷層斷至地表。研究區(qū)內(nèi)石炭系斷層系統(tǒng)主要由一系列NE、NW展布的斷層組成(圖3a)。新近系斷層系統(tǒng)F1、F2主斷層為繼承性發(fā)育斷層，走向NNE，低級序斷層以NW、NEE走向為主(圖3b)。

深部斷裂系統(tǒng)主要在海西晚期形成，主要在石炭系中發(fā)育，在車排子凸起主體部位以NE、NW向斷層為主，斷層延伸一般較大，在平面上主要為網(wǎng)格狀和斜交式(圖3a)，剖面上斷層傾角小，發(fā)育多止于石炭系頂，一些也發(fā)育到白堊系(圖4)。淺部斷裂系統(tǒng)主要發(fā)育為走向NW--SE向的正斷層，平面上多成雁列式和平行式(圖3b)，剖面上斷層傾角陡(65°～85°)，斷距一般不大，斷開層位較多，斷層傾角大，一般為板式(圖4)。

a.石炭系；b.新近系。圖3 車排子凸起東北部斷裂系統(tǒng)圖Fig.3 Fault system diagram of northeastern Chepaizi uplift

圖4 車排子凸起東北部斷裂發(fā)育圖Fig.4 Fault development diagram of northeastern Chepaizi uplift

3 車排子凸起的構(gòu)造演化

3.1 運動學(xué)特征分析

結(jié)合前人研究成果[11-15]，對圖2中A--A’剖面利用平衡剖面法進行構(gòu)造復(fù)原[16-19](圖5)，并統(tǒng)計各時期伸展量(圖6)。結(jié)果表明,不同沉積時期車排子凸起的構(gòu)造伸展與壓縮差異性明顯，從而導(dǎo)致地層沉積厚度呈規(guī)律性變化。二疊紀沉積時期，車排子凸起強烈隆升并向東側(cè)昌吉凹陷擠壓，構(gòu)造壓縮1.7 km，導(dǎo)致紅車斷裂大規(guī)模逆沖推覆，其下降盤昌吉凹陷二疊系沉積厚度超過8 km，而四棵樹凹陷地區(qū)無沉積(圖5b)；三疊紀沉積時期，車排子凸起構(gòu)造擠壓活動減弱，構(gòu)造壓縮0.3 km，相應(yīng)地昌吉凹陷三疊系沉積厚度減薄至2.0 km，西側(cè)四棵樹凹陷沉積少量地層(圖5c)；侏羅紀沉積時期，車排子凸起構(gòu)造擠壓活動再次加強，構(gòu)造壓縮約0.5 km，昌吉凹陷地層沉積約2.0 km，四棵樹凹陷也有地層沉積(圖5d)；白堊紀沉積時期，車排子凸起構(gòu)造擠壓活動再次減弱，構(gòu)造壓縮約0.2 km，凸起上開始有沉積，沉積中心偏向東側(cè)，昌吉凹陷三疊系沉積不到2 km，西側(cè)四棵樹凹陷沉積少量地層(圖5e)；古近紀時期，車排子凸起構(gòu)造擠壓活動持續(xù)減弱，構(gòu)造壓縮約0.1 km，凸起上沉積范圍縮小，沉積量小(圖5f)；新近紀沙灣組時期，車排子凸起構(gòu)造活動由擠壓轉(zhuǎn)換為伸展，伸展量為0.02 km，剖面上昌吉凹陷與四棵樹凹陷沉積持平(圖5g)；新近紀塔西河組沉積以來，車排子凸起持續(xù)伸展，構(gòu)造伸展量為0.05 km，剖面上四棵樹凹陷沉積厚度超過昌吉凹陷(圖5h)。因此，可以推斷車排子凸起經(jīng)歷了2期大的構(gòu)造運動，P--E時期的構(gòu)造擠壓和N1s--Q時期的構(gòu)造伸展。

剖面位置見圖1。圖5 過車排子凸起東西向剖面(A--A’)構(gòu)造演化特征Fig.5 Structural evolution of western and eastern profile of Chepaizi uplift

3.2 構(gòu)造演化史分析

根據(jù)前文對車排子地區(qū)斷層幾何學(xué)、運動學(xué)特征以及平衡剖面的分析成果，再結(jié)合前人對準噶爾盆地車排子地區(qū)地層沉積的研究成果[15-20]，筆者將車排子地區(qū)構(gòu)造演化過程分為以下3個階段：

1)強烈隆升剝蝕階段(C3--J)：車排子凸起受東西向擠壓應(yīng)力場作用，紅車斷裂帶向東逆沖。該階段車排子凸起上發(fā)生強烈剝蝕，導(dǎo)致缺失上石炭統(tǒng)到侏羅系，僅在局部以溝谷充填的形式沉積了少量侏羅系。但在其西北側(cè)的四棵樹凹陷和東側(cè)的昌吉凹陷形成前陸盆地，沉積了巨厚的地層。其中，四棵樹凹陷的三疊系和昌吉凹陷的二疊系成為車排子凸起主要的烴源巖。

2)緩慢沉降階段(K--E)：紅車斷裂帶處于右旋壓扭應(yīng)力場，車排子凸起上發(fā)育正斷層或逆斷層。該階段，白堊系從南東向北西以角度不整合形式超覆于石炭系基底之上；古近系從南南東向北北西以平行不整合的方式覆蓋在白堊系之上，整個階段沉積速率低。

3)局部伸展階段(N--Q)：車排子凸起處于前陸盆地斜坡帶區(qū)，發(fā)育近東西向正斷層；新近系和第四系從南向北超覆，整體沉積速率較快。

圖6 過車排子凸起剖面伸展量柱狀圖Fig.6 Histogram of extension amount cross Chepaizi uplift section

a.C3--J時期大地構(gòu)造背景；b.過車排子地區(qū)地震剖面。圖7 車排子凸起C3--J時期構(gòu)造格局Fig.7 Structural layout in C3-J of Chepaizi uplift

4 斷層形成機制

4.1 強烈隆升階段(C3--J)斷層形成機制

從石炭紀沉積晚期開始，準噶爾盆地西北緣造山帶向南東推覆，此時受北天山阻擋作用，車排子地區(qū)向E逆沖擠出，形成NS走向的紅車斷裂帶，并使得車排子地區(qū)強烈隆升形成凸起，其東側(cè)昌吉凹陷對應(yīng)發(fā)育形成前陸盆地(圖7a)。二疊紀、三疊紀、侏羅紀沉積時期，車排子凸起始終處于逆沖褶皺帶部位，發(fā)生剝蝕作用，并缺失該時期地層。而昌吉凹陷沉積了巨厚的三疊紀--侏羅紀地層(圖7b)。

該時期，車排子凸起上主要發(fā)育逆沖斷層。從石炭系發(fā)育的斷層幾何學(xué)、運動學(xué)特征可以看出，處于逆沖褶皺帶上的逆沖斷層以疊瓦沖斷形式發(fā)育，其發(fā)展順序不定。紅車斷裂帶是凸起邊界一級斷裂，控制其逆沖隆升。從恢復(fù)的構(gòu)造平衡剖面上可以看出，紅車斷裂帶是以前展式發(fā)育向盆延伸(圖5)。

4.2 緩慢沉降階段(K--E)斷層形成機制

從白堊紀開始，北天山斷裂帶(F1)、烏倫古南--克拉美麗斷裂帶(F2)發(fā)生右行走滑活動(圖8)，兼有擠壓應(yīng)力。在邊界斷裂帶活動所產(chǎn)生的右行壓扭應(yīng)力場中，壓性結(jié)構(gòu)面(S) 呈NEE向或弧形展布，它們由奎莫凸起、莫北凸起和陸南--滴南凸起組成，成為一“S”形展布的隆起帶[7-8]。下伏基底斷裂對上覆構(gòu)造層扭動的影響在車排子凸起表現(xiàn)得尤為清楚，該時期紅車斷裂帶表現(xiàn)為右行壓扭，導(dǎo)致車排子凸起不斷隆升，在整個車-莫隆起帶隆升最高。壓扭活動中，壓性結(jié)構(gòu)面的發(fā)育也“遷就”這一基底凸起，似以其為“砥柱”開始發(fā)育。除上述奎莫凸起--莫北凸起--陸南--滴南凸起構(gòu)成的隆起帶外，還形成了一支呈NNE向的達南凸起，達南凸起也向南收斂于車排子凸起以東，明顯指示出車排子凸起這一古老基底凸起的作用。

凸起單元： 1.車排子凸起；2.奎莫凸起；3.達南凸起；4.莫北凸起；5.石英灘凸起；6.三個泉凸起；7.基東凸起；8.石東凸起；9.陸南--滴南凸起；10.白家海凸起；11.帳北隆起；12.黃草湖凸起；13.黑山凸起。主要斷裂帶：F1.北天山斷裂帶；F2.烏倫古南--克拉美麗斷裂帶；F3.三個泉斷裂帶；F4.紅車斷裂帶；F5.滴水泉南斷裂。據(jù)文獻[7]修編。圖8 白堊紀--古近紀時期準噶爾盆地構(gòu)造背景Fig.8 Structural background of Junggar basin in Cretaceous-Paleogene

該階段，車排子凸起構(gòu)造單元處于前陸盆地系統(tǒng)的逆沖楔頂部帶。由于凸起邊界斷裂紅車斷裂的右旋壓扭作用，使得凸起處于NE向擠壓作用。這種擠壓作用使得凸起南東部構(gòu)造沉降量大，北西沉降量小，白堊系--古近系向NW超覆。這是因為，在紅車斷裂壓扭活動中的東西擠壓分量使得扎伊爾山向東推覆抬升，地層西薄東厚；其南北向走滑分量使得凸起北部處于剪切運動的指向區(qū)，地面隆升，南部處于逃逸區(qū)，地面下降。在這種擠壓和走滑分量疊合的控制下，車排子凸起南東部沉降量大，地層沉積厚；北西部沉降量小，地層逐漸向NW沉積尖滅。該時期，凸起上F1和F2斷層繼承性逆沖發(fā)育，早期發(fā)育的逆斷層部分終止，形成盲沖斷層。

4.3 局部伸展階段(N--Q)斷層形成機制

新近紀以來，車排子凸起完全處于北天山--四棵樹凹陷前陸盆地構(gòu)造域。北天山強烈隆升向N逆沖，車排子凸起位于前陸盆地斜坡帶附近，凸起向南掀斜，來自NW、N、NE部的物源在車排子凸起沉積了沙灣組、塔西河組、獨山子組等地層；由于喜馬拉雅運動，新特提斯構(gòu)造域產(chǎn)生強大擠壓應(yīng)力，北天山強烈隆升，并向準噶爾盆地沖斷，巨大的構(gòu)造負荷產(chǎn)生，準南緣再次撓曲下沉，車排子凸起完全處于北天山--四棵樹凹陷前陸盆地構(gòu)造域(前陸盆地斜坡帶)，凸起向東南掀斜產(chǎn)生。由于前陸盆地壓陷撓曲形成一系列發(fā)育于中、新生代地層中近EW向正斷層；在NS向擠壓、EW向伸展作用下，F(xiàn)1和F2斷層發(fā)生負反轉(zhuǎn)。

根據(jù)前陸盆地壓陷撓曲理論[21]，北天山向N逆沖過程中，除了發(fā)育天山山前逆沖斷層，北天山塊體的重力作用迫使四棵樹凹陷下陷、發(fā)育成前緣外，處于前緣隆起部位的車排子凸起發(fā)生隆升掀斜。根據(jù)過天山山前斷裂、四棵樹凹陷、車排子凸起大剖面來看，二疊系底的地層傾角約4.4°，新近系底的地層傾角為1.5°～1.9°，表明：在P--E沉積時期，地層掀斜2.5°～2.9°；在N--Q沉積時期，地層掀斜1.5°～1.9°；新近系以來地層向南掀斜速度是之前的7.3倍。正是由于地層的這種快速掀斜，蓋層發(fā)生引張，使得車排子凸起上發(fā)育走向與擠壓方向垂直的正斷層(圖9)。

圖9 N--Q時期車排子凸起向南撓曲機制Fig.9 Flexure mechanism of Chepaizi uplift in N-Q

5 結(jié)論

通過綜合分析車排子凸起的構(gòu)造特征、構(gòu)造演化史和各演化階段斷層的形成機制，得出以下結(jié)論：

1)車排子凸起之上發(fā)育不同性質(zhì)、不同級別斷層200余條，縱向上可分為海西--印支期形成的逆斷裂和喜山期形成的正斷裂兩套主要斷裂系統(tǒng)，平面斷裂呈NE、NW等不同方向，低序級斷裂均終止于F1、F2兩條主斷裂之上，從而組成不同的樣式。

2)車排子凸起構(gòu)造發(fā)育可分為3個階段，即：強烈隆剝蝕升階段(C3--J)、緩慢沉降階段(K--E)、局部伸展階段(N--Q)。不同構(gòu)造演化階段區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場具有明顯差異性，從而形成了不同的斷裂系統(tǒng)。

3)C3--J時期，研究區(qū)處于車排子凸起向E推覆的逆沖褶皺帶上，發(fā)育近NS走向的紅車斷裂帶，斷穿石炭系--白堊系底的逆斷層，無地層沉積，構(gòu)造線近SN；K--E時期，紅車斷裂帶的右旋壓扭活動使車排子凸起處于逆沖楔頂部帶，受NE向擠壓，先期逆斷層有的繼承性持續(xù)發(fā)育，有的停止發(fā)育，還有的發(fā)育一段時間后停止發(fā)育，并形成盲沖斷層，地層從南東向北西沉積尖滅，構(gòu)造線轉(zhuǎn)變?yōu)镹E--SW；N--Q時期，北天山向N強烈擠壓隆升的作用使車排子凸起處于前緣隆起帶，一些逆斷層發(fā)生負反轉(zhuǎn)，同時在N--Q發(fā)育大量正斷層，受凸起向南傾作用，地層南厚北薄，構(gòu)造線轉(zhuǎn)為EW。

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Structural Evolution and Dislocation Mechanism of Western Margin Chepaizi Uplift of Junggar Basin

Dong Dawei1,Li Li1,Wang Xiaolei2,Zhao Li1

1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266555,Shandong,China2.OilProductionPlantofDongxin,ShengliOilfieldCompany,Sinopec,Dongying257061,Shandong,China

Depending on the geographical background, the author discusses the structural evolution combined with the present static structural description. The features of geometry and kinematics of Chepaizi uplift are analyzed, as well as its structural evolution process. The different types of dislocation mechanisms are studied for their structural evolution. The results show that there were two fault systems developed on Chepaizi uplift, namely the reverse fault of Carboniferous-Cretaceous formed during Haixi-India period，and the normal fault of Cretaceous-Third system formed in Himalayan period. The structural evolution of Chepaizi uplift can be divided into three periods: C3-J, K-E, and N-Q. The structural stress background of the three periods have some differences. This resulted in the significant differences of the fault systems and their geographical depths. In the stage of C3-J, located in the eastward nappe thrust fold belt, Chepaizi uplift thrust into the east thrust Hongche fault belt without stratigraphic deposition.In the stage of K-E, due to the right-handed rotary pressing and twisting of the Hongche fault belt, Chepaizi salient was pressed onto the top belt of the thrust wedge from the northeast direction. Some of the earlier thrust faults developed successively and sustainably, and some of them stopped developing, while some others developed intermittently and formed a blind thrust. The stratum layouts from northeast to northwest in this period.In the stage of N-Q, due to the northward pressing and uplifting of North Mount Tianshan, Chepaizi salient was pushed into the front uplift belt, and resulted in the occurrence of the negative reversal to some thrust faults. A plenty of normal faults were developed in the stage of N-Q. Affected by the southward inclining salient, the stratum presents thick in the south and thin in the north.

Junggar basin; Chepaizi uplift; Hongche fault zone; fault; fault development mechanism

10.13278/j.cnki.jjuese.201504116.

2014-11-20

國家自然科學(xué)基金項目(40772132)

董大偉(1984--)，男，博士研究生，主要從事地質(zhì)學(xué)方面研究，E-mail:18105468200@163.com

李理(1967--)，女，教授，博士，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方面研究，E-mail:lilywmwys@upc.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504116

P542；P618.13

A

董大偉，李理，王曉蕾，等.準噶爾盆地西緣車排子凸起構(gòu)造演化及斷層形成機制.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(4):1132-1141.

Dong Dawei,Li Li,Wang Xiaolei,et al. Structural Evolution and Dislocation Mechanism of Western Margin Chepaizi Uplift of Junggar Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1132-1141.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504116.