準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶構(gòu)造特征及物理模擬實(shí)驗(yàn)

李 蕭，勞海港，胡秋媛，趙 利

(1.中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營 257000； 2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；3. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

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準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶構(gòu)造特征及物理模擬實(shí)驗(yàn)

李 蕭1，勞海港2，胡秋媛1，趙 利3

(1.中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營 257000； 2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；3. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

依據(jù)大量地震勘探資料，對準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶的構(gòu)造特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并將其構(gòu)造演化劃分為碰撞前陸盆地、前陸盆地逆沖推覆、陸內(nèi)拗陷逆沖褶皺、陸內(nèi)拗陷抬升剝蝕和覆蓋定型5個(gè)階段。在此基礎(chǔ)上，采用構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法對研究區(qū)典型剖面晚石炭世以來的構(gòu)造演化進(jìn)行了正演模擬，取得了與實(shí)際地質(zhì)情況較高的吻合度。模擬結(jié)果表明，烏夏斷裂帶經(jīng)歷了由前陸盆地“前展式”逆沖向陸內(nèi)拗陷“后展式”逆沖的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，NW-SE向擠壓應(yīng)力場的控制是烏夏斷裂帶形成、演化的根本原因，其主要受控于板塊活動及造山帶、邊界控盆斷裂的活動等關(guān)鍵因素。

構(gòu)造特征；物理模擬實(shí)驗(yàn)；烏夏斷裂帶；準(zhǔn)噶爾盆地西北緣

前陸沖斷帶指處于盆地與造山帶間，由造山帶向盆地大規(guī)模逆掩推覆的沖斷系統(tǒng)[1-2]。近年來，前陸沖斷帶已成為我國中西部油氣勘探的重點(diǎn)，勘探力度逐步增大。烏夏斷裂帶地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣前陸沖斷帶東段，為盆地西北緣中構(gòu)造活動最強(qiáng)烈的地帶，具有典型的逆沖推覆性質(zhì)。前人針對烏夏斷裂帶的構(gòu)造特征、沉積模式、油氣聚集及成藏等方面進(jìn)行了研究[3-7]，但由于前陸沖斷帶受多期造山運(yùn)動改造，構(gòu)造變形復(fù)雜，對其構(gòu)造演化及形成機(jī)制的認(rèn)識仍存在分歧，尤其缺少一定的實(shí)際變形支持。構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)再現(xiàn)盆內(nèi)各種構(gòu)造形跡的重要方法，可以直觀、有效地反映前陸沖斷帶的變形過程及構(gòu)造發(fā)育特征，進(jìn)而為其動力學(xué)機(jī)制的研究提供重要依據(jù)。因此，筆者基于烏夏斷裂帶構(gòu)造特征研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，對其典型剖面的發(fā)育演化進(jìn)行了正演模擬，以期獲得對該區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造發(fā)育演化的合理解釋。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

烏夏斷裂帶地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣前陸沖斷帶東段，北抵哈拉阿拉特山，南接瑪湖凹陷(圖1)，自晚石炭世起，經(jīng)歷海西晚期、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動持續(xù)發(fā)育，形成了獨(dú)具特色的構(gòu)造形態(tài)。依據(jù)構(gòu)造位置、基底特征的不同，可將烏夏斷裂帶自北向南劃分為山前隆起區(qū)、烏夏沖斷帶和南部斜坡帶3個(gè)構(gòu)造單元，整體呈現(xiàn)“南北分帶”的構(gòu)造格局(圖1)。其中，山前隆起區(qū)以擠壓逆沖為主，變形強(qiáng)度大，地層嚴(yán)重剝蝕，保存有多期不整合面；中部沖斷帶斷展褶皺發(fā)育，除頂部地層遭受剝蝕外，整體保存較好；南部斜坡帶變形微弱，地層發(fā)育齊全，石炭系—第四系保存相對完整。

2 烏夏斷裂帶構(gòu)造特征

2.1 斷裂特征

烏夏斷裂帶是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣中典型的大型疊瓦沖斷系統(tǒng)，由多條近NE向和NEE向弧形逆斷層及逆掩斷層組成。大量地震勘探資料表明，烏夏斷裂帶平面上多呈NE向、NEE向延伸，均出現(xiàn)不同程度的弧形，主斷裂弧形幅度小，次級斷裂弧形幅度大，弧頂凸向盆內(nèi)，斷面傾向盆外；剖面上傾向NW、NNW，沖斷面多為上陡下緩，常呈逆沖疊瓦狀向深部收斂；同時(shí)，上盤沉積厚度明顯小于相應(yīng)的下盤，且上盤一般為連續(xù)沉積，表明斷裂活動具有典型的“同生性”。

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)斷裂規(guī)模及其控盆作用，可將烏夏斷裂帶自西向東劃分為烏爾禾斷裂、夏子街?jǐn)嗔?、夏紅斷裂3條一級斷裂，均為主要控盆斷裂，其下又包含一系列控制次級構(gòu)造形成的二級斷裂。表1詳細(xì)討論了研究區(qū)3條一級斷裂的構(gòu)造特征。

2.2 構(gòu)造演化分析

烏夏斷裂帶既繼承了準(zhǔn)噶爾盆地晚古生代以來疊合盆地的特點(diǎn)[8-9]，又有其獨(dú)特的構(gòu)造變形特征。依據(jù)區(qū)域典型剖面的地震勘探成果，結(jié)合構(gòu)造演化特征及前人研究成果，筆者認(rèn)為，自晚石炭世之后，烏夏斷裂帶經(jīng)歷了5個(gè)演化階段。

2.2.1 碰撞前陸盆地階段(C3)

晚石炭世，伴隨西準(zhǔn)噶爾洋殼NW向俯沖、消減于哈薩克斯坦板塊，洋盆完全閉合，陸陸發(fā)生碰撞(圖3a)，產(chǎn)生達(dá)爾布特?cái)嗔?，盆地西北緣隆起成陸，開始出現(xiàn)強(qiáng)烈的碰撞造山運(yùn)動。

2.2.2 前陸盆地逆沖推覆階段(P)

晚石炭世洋盆閉合，但地殼深部的洋殼仍繼續(xù)俯沖、消減。早二疊世，哈山作為烏夏斷裂帶北緣推覆特征最明顯的推覆構(gòu)造之一，已初見雛形，為烏夏斷裂帶NW向擠壓變形提供了動力來源，同時(shí)伴隨廣泛的火山活動。

中二疊世，深部洋殼的俯沖、消減已趨于停止，火山活動趨于停息，地殼趨于穩(wěn)定[10-11]，研究區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈逆沖推覆，前陸盆地持續(xù)發(fā)育至高峰，達(dá)爾布特?cái)嗔褳檠芯繀^(qū)在北緣的控盆斷裂。造山帶持續(xù)SE向強(qiáng)烈推進(jìn)擠壓，在山前依次前展式發(fā)育了一系列NE向斷裂(圖3b)，如烏爾禾南斷裂、夏5井?dāng)嗔选?/p>

2.2.3 陸內(nèi)拗陷逆沖褶皺階段(T)

進(jìn)入三疊紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地整體抬升，盆地進(jìn)入整體陸內(nèi)拗陷階段，受印支運(yùn)動影響，由NW-SE向擠壓轉(zhuǎn)為近SN向擠壓，并伴有左旋剪切，在烏夏斷裂帶自南向北后展式發(fā)育了一系列近EW向斷裂(圖3c)，如夏21井?dāng)嗔?、?0井?dāng)嗔褨|段、烏蘭林格斷裂等。同時(shí)，二疊紀(jì)形成的NE向斷裂持續(xù)逆沖推覆，并伴隨大規(guī)模褶皺發(fā)育。三疊紀(jì)末，受SN向強(qiáng)烈擠壓和重新活動的達(dá)爾布特?cái)嗔延绊懀逼碌貛С掷m(xù)隆起，哈山形成。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶構(gòu)造綱要Fig.1 Tectonic pattern of the Wuxia fault belt on the northwestern margin of Junggar Basin表1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶各一級斷裂構(gòu)造特征Table 1 Characteristics of first-order faults in the Wuxia fault belt on the northwestern margin of Junggar Basin

斷裂名稱次級斷裂斷裂產(chǎn)狀走向傾向傾角滑脫面平面形態(tài)剖面形態(tài)斷距主要活動時(shí)期烏爾禾斷裂 百烏斷裂、烏爾禾斷裂、烏南斷裂NENW上部50°～60°；下部10°～20° 呈勺形(圖2a，b) 斷裂呈弧形，整體近平行排列 上陡下緩呈鏟式，為逆掩斷層(圖2a，b) 剖面斷至三疊系，自下而上逐漸減小，下部斷距大者可達(dá)750m，上部僅50m晚二疊世—晚三疊世夏子街?jǐn)嗔?夏10井?dāng)嗔?、?1井?dāng)嗔选⑾募t北斷裂近EW近N35°～55° 呈勺形(圖2c)；石炭系和二疊系推移距離逐漸增大，可達(dá)15km 斷裂呈弧形，夏紅北斷裂為前鋒斷層，與烏南斷裂相接，整體近平行排列 剖面呈坡坪式，具平緩的“躺椅”形態(tài)；夏21井?dāng)嗔雅c夏紅北斷裂強(qiáng)烈擠壓破碎呈“反Y”字形，均為逆掩斷層(圖2c) 斷裂西部斷至二疊系，東部斷至三疊系，斷距下大上小，下部斷距大者可達(dá)500m，上部僅為75m三疊紀(jì)夏紅斷裂 夏紅南斷裂、夏59井?dāng)嗔选⑾?井?dāng)嗔袾EENNW25°～50° 呈舒緩波狀(圖2d)；石炭系—二疊系長距離逆掩推覆，平均推移距離達(dá)14km 斷裂呈弧形，整體近平行排列 整體以低角度逆沖為主，斷面前部陡、中部平、尾部向深處逐漸收斂為一條(圖2d) 斷裂西部斷至二疊系頂部，中部斷至侏羅系，東部斷至三疊系；二疊系斷距下大上小，1400～300m晚二疊世—晚三疊世

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶典型剖面構(gòu)造特征 剖面位置見圖1。Fig.2 Characteristics of typical profiles of the Wuxia fault belt on the northwestern margin of Junggar Basin

2.2.4 陸內(nèi)拗陷抬升剝蝕階段(J-K)

燕山運(yùn)動早中期，為準(zhǔn)噶爾西北緣陸內(nèi)拗陷的消亡期，而烏夏斷裂帶仍有繼承性活動，夏59井?dāng)嗔言诖穗A段發(fā)育。早—中侏羅世，除哈山部分區(qū)域處于較高地勢，全區(qū)穩(wěn)定下沉，具有明顯的超覆特征(圖3d)。白堊紀(jì)時(shí)，受燕山運(yùn)動晚期影響，構(gòu)造活動較弱，除哈山主體仍有抬升外，烏夏斷裂帶斷裂和褶皺基本停止。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶構(gòu)造演化示意Fig.3 Tectonic evolution of the Wuxia fault belt on the northwestern margin of Junggar Basin

2.2.5 覆蓋定型階段(N-Q)

至新生代時(shí)，整體平穩(wěn)充填，自SE向NW低角度超覆，由南向北逐漸尖滅，研究區(qū)構(gòu)造覆蓋定型(圖3e)。

3 烏夏斷裂帶構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)備

模擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c構(gòu)造原型、模型材料與實(shí)際地層間均要遵循相似性原理[12-13]。本次實(shí)驗(yàn)采用中國石油大學(xué)(華東)自行研制的DGU-Ⅰ型地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，注液方式為平流泵自動注液。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件與模型設(shè)計(jì)

依據(jù)前述的構(gòu)造演化分析，將物理模擬實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)置為：地質(zhì)時(shí)期——晚石炭世(C3)以來；動力來源——板塊活動及造山帶、邊界控盆斷裂活動產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力場；演化過程——晚石炭世以來的持續(xù)擠壓、隆升?？紤]上述地質(zhì)要素基礎(chǔ)上，依據(jù)相似性原理，選擇研究區(qū)典型NW-SE向剖面(C-C’，見圖2)，設(shè)計(jì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)如下。

圖4 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)條件示意Fig.4 Physical modeling for tectonic evolution

實(shí)驗(yàn)砂體尺寸長80 cm，寬20 cm，高15 cm(圖4)。為便于觀察，用黃色天然石英砂模擬地層，染色的石英砂模擬地質(zhì)界線，模型相似系數(shù)為3.6×10-6。與隆起區(qū)/造山帶相比，斷陷區(qū)/拗陷區(qū)具有“下強(qiáng)上弱”的流變學(xué)特征[14]?；诖耍瑢?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥髠?cè)鋪設(shè)15 cm厚的石英砂，右側(cè)底部鋪設(shè)8 cm厚的聚苯乙烯泡沫基底(預(yù)設(shè)一定角度以實(shí)現(xiàn)深部的俯沖、消減)，上部鋪設(shè)7 cm厚的石英砂(圖4)，通過兩側(cè)平流泵提供力源。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)過程

本次構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是在著重考慮邊界擠壓、深部俯沖2大因素對逆沖構(gòu)造形成、演化影響的基礎(chǔ)上而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果需從統(tǒng)計(jì)的角度綜合評價(jià)，因此在不斷修正、改進(jìn)過程中共進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)，此處僅選擇擬合程度最高的一組分析、討論。

依據(jù)區(qū)域構(gòu)造演化分析，實(shí)驗(yàn)采用雙向擠壓的方式模擬烏夏斷裂帶的擠壓逆沖活動，施力大小通過平流泵中的蒸餾水流速控制。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)72 min，時(shí)間相似比為2.86 Ma/min。其中，兩側(cè)平流泵推進(jìn)的速度依次為0.21 cm/min(0～7 min)，0.25 cm/min(8～23 min)，0.13 cm/min(24～41 min)，0.08 cm/min(42～60 min)，0.05 cm/min(61～72 min)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)地質(zhì)模型的設(shè)計(jì)要求，烏夏斷裂帶典型剖面晚石炭世以來的構(gòu)造演化過程在構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)中均獲得再現(xiàn)[15]。圖5a為初始狀態(tài)，伴隨持續(xù)的擠壓作用，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至10 min時(shí)砂體右側(cè)開始發(fā)育逆沖斷層①，傾向NW，斷面上陡下緩(圖5b)，對應(yīng)中晚二疊世研究區(qū)山前發(fā)育的夏10井?dāng)嗔盐鞫危?3 min時(shí)，逆沖斷層①持續(xù)活動，同時(shí)在其北西側(cè)發(fā)育逆沖斷層②，產(chǎn)狀與斷層①基本一致(圖5c)，對應(yīng)研究區(qū)NE向發(fā)育的夏紅北斷裂。伴隨斷層的持續(xù)逆沖活動，研究區(qū)地層開始出現(xiàn)大規(guī)模褶皺變形，30 min時(shí)，斷層②北西側(cè)地層大幅度褶皺隆升(圖5d)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至41 min，斷層①與斷層②之間發(fā)育逆沖斷層③，對應(yīng)三疊紀(jì)開始活動的夏21井?dāng)嗔眩煌瑫r(shí)，褶皺地帶持續(xù)擠壓、隆升，哈山形成。實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行至72 min，除隆起部位有少量抬升外，剖面基本保持了前一階段的構(gòu)造特征(圖5e)。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣 烏夏斷裂帶構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)過程Fig.5 Simulation process of tectonic evolution of the Wuxia fault belt on the northwestern margin of Junggar Basin

已有研究資料表明，中寒武世—早石炭世，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣位于準(zhǔn)噶爾古地塊西北部的被動大陸邊緣。伴隨西準(zhǔn)噶爾洋殼NW向俯沖、消減，陸陸碰撞，洋盆閉合，深部洋殼俯沖持續(xù)進(jìn)行[16]；直至中晚二疊世，達(dá)爾布特?cái)嗔殉蔀檠芯繀^(qū)主要的控盆斷裂，造山帶持續(xù)向盆內(nèi)強(qiáng)烈擠壓，這些均為研究區(qū)擠壓變形提供了強(qiáng)大的NW-SE向動力來源。構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述因素的主控作用，中晚二疊世山前發(fā)育的逆沖斷層①——夏10井?dāng)嗔盐鞫?，到其北西?cè)發(fā)育的逆沖斷層②——夏紅北斷裂，研究區(qū)處于前陸盆地的前展式逆沖階段。進(jìn)入三疊紀(jì)，受印支運(yùn)動影響產(chǎn)生的近SN向擠壓應(yīng)力場，一方面派生出NW-SE向的擠壓應(yīng)力場，促使前期發(fā)育的逆沖斷層①、②持續(xù)活動；另一方面導(dǎo)致逆沖斷層①、②間發(fā)育逆沖斷層③——夏21井?dāng)嗔?。至此，研究區(qū)由前陸盆地的“前展式”逆沖階段向陸內(nèi)拗陷的“后展式”逆沖階段轉(zhuǎn)變。進(jìn)入侏羅紀(jì)，研究區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)度明顯減弱，構(gòu)造變形基本定型。

4 結(jié)論

(1)烏夏斷裂帶是一組具有逆沖推覆性質(zhì)的斷裂帶，由多條弧形逆斷層及逆掩斷層組成。平面上斷裂多呈NE向、NEE向延伸，均呈不同程度的弧形，近平行排列；剖面上傾向NW、NNW，沖斷面為勺形或舒緩波狀，常呈逆沖疊瓦狀向深部收斂。斷裂構(gòu)造活動強(qiáng)烈，以晚二疊世—晚三疊世活動為主，多表現(xiàn)為逆沖/逆掩斷層性質(zhì)，且斷層相關(guān)褶皺發(fā)育。

(2)烏夏斷裂帶自晚石炭世構(gòu)造演化可分為5個(gè)階段，包括晚石炭世后碰撞前陸盆地階段、二疊紀(jì)前陸盆地逆沖推覆階段、三疊紀(jì)陸內(nèi)拗陷逆沖褶皺階段、侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)陸內(nèi)拗陷抬升剝蝕階段和新生代覆蓋定型階段。

(3)烏夏斷裂帶典型剖面晚石炭世以來的構(gòu)造演化過程，在構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果中均獲得再現(xiàn)。斷層的發(fā)育演化序列表明，烏夏斷裂帶經(jīng)歷了由前陸盆地“前展式”逆沖向陸內(nèi)拗陷“后展式”逆沖的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，北西—南東向擠壓應(yīng)力場為烏夏斷裂帶形成、演化的主控因素，板塊活動及造山帶、邊界控盆斷裂的活動為其提供了重要的動力來源。

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(編輯 徐文明)

Tectonic evolution and its physical simulation of Wuxia fault belt in the northwestern margin of Junggar Basin

Li Xiao1, Lao Haigang2, Hu Qiuyuan1, Zhao Li3

(1.DepartmentofOil&GasEngineering,ShengliCollegeofChinaUniversityofPetroleum,Dongying,Shandong257000,China; 2.CollegeofMiningEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan,Hebei063009,China; 3.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

The tectonic characteristics of the Wuxia fault belt in the northwestern margin of the Junggar Basin were systemically studied based on a large number of 3D seismic data. The study area has experienced five tectonic evolution periods, including the collision of foreland basin, thrust-nappe structure of foreland basin, thrusting fold of interior depression, uplift and denudation of interior depression, and cover setting. The forward modeling of the tectonic evolution of some typical profiles ever since the Late Carboniferous fit well with actual geological conditions. The results showed that the Wuxia fault belt transformed from the thrust with piggy back in foreland basin to thrusting with overstep in the interior depression. Experimental results also indicated that the formation and development of Wuxia fault belt were mainly controlled by the NW-SE oriented compressive stress field, which was mainly affected by some key factors such as plate activities, orogenic belts, and frontier basin-controlling faults.

tectonic characteristics; physical simulation experiment; Wuxia fault belt; northwestern margin of Junggar Basin

1001-6112(2017)04-0567-06

10.11781/sysydz201704567

2017-01-25；

2017-05-31。

李蕭(1987—)，碩士，助教，從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：136930394@qq.com。

勞海港(1978—)，博士，講師，從事盆地構(gòu)造解析研究。E-mail:haigang1609@126.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40772132)和中國石油大學(xué)勝利學(xué)院重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(KY2015013)資助。

TE121 .2

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