博格達(dá)山西緣三葛莊凸起多期構(gòu)造變形及其對博格達(dá)山隆升的響應(yīng)

梁鑫鑫， 陳 石， 陳書平， 袁浩偉， 梁媛媛， 宋興國

(中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 102249)

柴窩堡凹陷夾于博格達(dá)基底楔沖構(gòu)造系與北天山構(gòu)造區(qū)之間，面積3 683.7 km2，物探資料顯示南北邊界均為隱伏大斷裂，現(xiàn)今被第四系所覆蓋。其凹陷中心在柴窩堡湖一帶,整體呈東西向延伸，凹陷在石炭系基底之上發(fā)育，沉積裝填了二疊系至新生界的厚層地層，其中中新生界厚度大于5 000 m。目前該凹陷也是準(zhǔn)噶爾盆地南緣油氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地大地構(gòu)造位置和地質(zhì)簡圖Fig.1 Geotectonic location and schematic geological map of the Junggar Basin

柴窩堡凹陷位于特殊的大地構(gòu)造位置，是夾持在北天山和博格達(dá)山之間的山間盆地，凹陷的構(gòu)造變形和沉積充填記錄了周緣山系長期而復(fù)雜的構(gòu)造演化過程。迄今為止，前人對準(zhǔn)噶爾盆地南緣、北天山、博格達(dá)山及柴窩堡凹陷的構(gòu)造演化進(jìn)行過大量的研究，但是仍然沒有形成共識。三葛莊凸起是柴窩堡凹陷內(nèi)的重要構(gòu)造單元，該凸起分隔永豐次凹和達(dá)坂城次凹，且北部與博格達(dá)山相接，表明三葛莊凸起的形成原因與博格達(dá)山的隆升有密切聯(lián)系。博格達(dá)山是東天山的分支山系，被認(rèn)為是新疆北部重要的陸內(nèi)造山系，目前對于博格達(dá)山的初始隆升過程，到現(xiàn)在仍然沒有達(dá)成統(tǒng)一觀點。依據(jù)磷灰石裂變徑跡、地層學(xué)和重礦物的研究結(jié)果,有學(xué)者認(rèn)為博格達(dá)山的隆升時間為晚侏羅世末—早白堊世初[1-3]；也有學(xué)者根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地南緣和吐-哈盆地北緣的沉積物延伸方向,認(rèn)為博格達(dá)山在早侏羅世已隆起成山[4-6]；還有學(xué)者根據(jù)吐-哈盆地北緣中生代不同時期沉積物擴(kuò)散方式,認(rèn)為博格達(dá)山初始隆升時間為早中侏羅世[7-8]；Chen等[9]通過多期褶皺變形證據(jù)認(rèn)為博格達(dá)山在早中生代三疊系開始隆起并分隔準(zhǔn)噶爾盆地和吐-哈盆地；Wang等[10]通過沉積相分析，結(jié)合古水流認(rèn)為博格達(dá)山的初次隆升發(fā)生在晚二疊世；還有許多學(xué)者根據(jù)博格達(dá)山石炭紀(jì)火山巖系構(gòu)造屬性、韌性剪切帶發(fā)育時間及東天山造山帶地層接觸關(guān)系等，認(rèn)為博格達(dá)山初始隆升時間發(fā)生在晚石炭世[11-17]。對三葛莊凸起構(gòu)造演化的研究不僅對柴窩堡凹陷的形成原因至關(guān)重要，甚至對博格達(dá)山的初始隆升時間具有重要意義。本文在充分利用柴窩堡地區(qū)最新勘探資料，消化前人研究成果基礎(chǔ)上，利用平衡剖面技術(shù)和剖面的角度不整合，恢復(fù)了三葛莊凸起的構(gòu)造演化過程，探討其成因以及該凸起變形期次對博格達(dá)山隆升過程的響應(yīng)。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾地塊作為中亞造山帶重要組成部分[圖1(a)]，北西以西準(zhǔn)噶爾山系為界，北東為阿爾泰造山帶，南接天山造山帶[圖1(b)]。準(zhǔn)噶爾盆地是新疆北部的大型含油氣盆地，整體呈三角形，面積約13×104km2。

博格達(dá)山位于北天山東部，處于東、西天山過渡帶內(nèi)，呈條帶狀分布，東西向延伸數(shù)百公里，南北寬達(dá)數(shù)十千米[18]。其橫穿準(zhǔn)格爾盆地與柴窩堡盆地、吐-哈盆地，通常作為劃分盆地的天然屏障。從地理位置來看，博格達(dá)山西南緊接依連哈比爾尕山，東北遙望阿爾泰-克拉美麗造山帶，周圍被準(zhǔn)噶爾盆地所包圍，呈現(xiàn)地塊與造山帶鑲嵌、盆地與山脈共存的構(gòu)造格局[19][圖1(b)]。從板塊構(gòu)造來看，博格達(dá)山地區(qū)隸屬于中亞增生型造山帶上發(fā)育起來的準(zhǔn)噶爾盆地[20]，位于東歐克拉通板塊、西伯利亞古板塊以及塔里木古板塊之間的三角地帶，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜?，F(xiàn)今的博格達(dá)山地形上表現(xiàn)為一向北突出的弧形背斜，周圍被斷裂帶所限制[21]，山體核部暴露中-上石炭統(tǒng)地層，兩翼近似對稱性的發(fā)育二疊紀(jì)以來的地層，尤其新生代以來地層剝蝕嚴(yán)重，呈零星狀分布。

研究區(qū)域位于新疆烏魯木齊市東南的柴窩堡盆地，柴窩堡盆地是位于準(zhǔn)噶爾盆地南部東段的一個次級構(gòu)造單元，夾持于博格達(dá)構(gòu)造帶與伊連哈比爾尕構(gòu)造帶之間，呈東西向延伸的長條狀，是在海西期褶皺巖系基礎(chǔ)上發(fā)育起來的一個山間盆地。東西長約115 km，南北寬約35 km，面積超過4 000 km2。盆地劃分為三個一級構(gòu)造單元，即永豐次凹、三葛莊次凸和達(dá)坂城次凹(圖2)。

圖2 柴窩堡凹陷構(gòu)造單元圖Fig.2 Tectonic unit map of Chaiwopu sag

三葛莊凸起位于柴窩堡凹陷中部，夾持于永豐次凹與達(dá)坂城次凹之間，總體為一北東向延伸、北高南低的凸起。三葛莊凸起隨柴窩堡盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造事件，受北側(cè)博格達(dá)山和南側(cè)伊連哈比爾尕山共同控制，凸起核部地層由破碎嚴(yán)重的石炭系構(gòu)成，地震資料上雜亂反射，內(nèi)部沒有明顯的反射層，蓋層包括二疊系、侏羅系和新生代地層。

2 三葛莊凸起構(gòu)造特征

三葛莊凸起平面上呈北東向展布，核部由南向北逐漸變窄，構(gòu)造較為簡單。Z03-CWP-553.52剖面(圖3)南北向橫穿三葛莊凸起，剖面位置見圖2(L1)。如圖2可知，三葛莊凸起總體北高南低，基底由破碎嚴(yán)重的石炭系構(gòu)成，北部石炭系直接出露地表，新生界以下只有少量侏羅系直接覆蓋在基底之上。新生界由北向南逐漸加厚呈楔狀沉積，新生界上超于下伏地層，且剖面南部可識別出陡立的逆沖斷層，這些斷層形成于新生代，表明新生代三葛莊凸起受伊連哈比爾尕山抬升影響，南部發(fā)生擠壓沉降，從而有現(xiàn)今楔形沉積的新生界。

在石炭系基底發(fā)育兩條較大的北傾基底卷入逆斷層，這兩條斷層形成于博格達(dá)山向南的擠壓，規(guī)模較大、深入基底，斷層在新生界之下尖滅，說明博格達(dá)山對三葛莊凸起的控制作用主要在新生代以前，新生代之后并沒有對三葛莊凸起有明顯的控制作用。

三葛莊凸起北部與博格達(dá)山?jīng)_斷相關(guān)的斷層的活動時間以及新生界向博格達(dá)山方向超覆都可以推測三葛莊凸起是博格達(dá)山向西的延伸段，隨博格達(dá)山的隆起一起抬升，但是在新生代伊連哈比爾尕山抬升導(dǎo)致三葛莊凸起南部發(fā)生擠壓沉降，沉積新生界將博格達(dá)山的西段掩蓋。

圖3 三葛莊凸起L1(測線Z03-CWP-553.52)地震剖面和結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Seismic profile and structural profile of L1 (line Z03-CWP-553.52) of Sangezhuang Uplift

三葛莊凸起位于柴窩堡盆地中部，分隔永豐次凹與達(dá)坂城次凹。研究三葛莊凸起與周緣構(gòu)造單元的關(guān)系對揭示三葛莊凸起的形成有著重要的指導(dǎo)作用。選取穿過永豐次凹與三葛莊凸起的C-89-1、過三葛莊凸起和達(dá)坂城次凹的C-89-4-1A和C-86-4-E15三條剖面，剖面位置見圖2(L2)，將三條剖面組合為聯(lián)合大剖面，對三葛莊凸起和位于其兩側(cè)的永豐次凹和達(dá)坂城次凹之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

從剖面上可以看到三葛莊凸起變形程度很大(圖4)，在三葛莊周緣發(fā)育大量的基底卷入逆斷層，從地層剝蝕的情況不難發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)鄬佣荚谛律郧鞍l(fā)育活動。兩側(cè)凹陷沉積地層在與三葛莊凸起接觸部位大幅度抬升，在三葛莊凸起西北部永豐次凹中可以識別出上二疊統(tǒng)與三疊系呈小角度不整合，在達(dá)坂城次凹西部也發(fā)現(xiàn)上二疊統(tǒng)在靠近三葛莊凸起逐漸減薄,并被上覆三疊系底界反射軸削截表現(xiàn)為大角度不整合接觸(圖5)，而三葛莊凸起則是新生界直接覆蓋在石炭系之上，推斷三葛莊凸起的形成應(yīng)該在晚二疊紀(jì)之后。

圖5 不整合示意圖Fig.5 Unconformity diagram

在地震剖面上可以看到中上三疊統(tǒng)被斷層切穿導(dǎo)致斷層兩側(cè)厚度差異，中上三疊統(tǒng)反射軸被上覆侏羅系底界反射軸削截呈小角度不整合接觸[圖4、圖5(b)]，揭示了在侏羅系沉積之前柴窩堡盆地受到擠壓抬升導(dǎo)致三疊系被剝蝕，剝蝕量較小。在三葛莊凸起與達(dá)坂城次凹的接觸部位有少量侏羅系在三葛莊凸起發(fā)育(圖5)，侏羅系沉積后，受逆沖斷層控制，斷層上盤地層抬升被剝蝕，下盤殘留的侏羅系在三葛莊凸起得以保存，由此可見侏羅紀(jì)時期柴窩堡盆地的沉積范圍很廣。

圖4 三葛莊凸起L2(測線C-89-1、C-89-4-1A和C-86-4-E15)地震剖面和結(jié)構(gòu)剖面Fig.4 Seismic profile and structural profile of L2 (line C-89-1, C-89-4-1A and C-86-4-E15) of Sangezhuang Uplift

新生代地層的分布范圍較廣，三葛莊凸起及兩側(cè)凹陷均有分布。新生界與下伏地層向三葛莊凸起逐漸減薄的分布形式不同，三葛莊凸起發(fā)育的新生界由北向南逐漸增厚，在和達(dá)坂城次凹接觸部位的新生界厚度要大于達(dá)坂城次凹內(nèi)現(xiàn)存新生界，在永豐次凹和三葛莊凸起接觸部位新生界底界與下伏的二疊系以及三疊系呈大角度的不整合接觸，達(dá)坂城和三葛莊接觸部位新生界與下伏地層的角度不整合與西邊的永豐次凹對應(yīng)的角度不整合相比要平緩很多[圖4、圖5(a)]，并且東部新生界只和侏羅系和三疊系接觸，表明在新生界沉積之前三葛莊凸起整體抬升，但是西邊的變形程度更強，導(dǎo)致二疊系也遭受剝蝕被新生界覆蓋。橫向上，永豐凹陷南部的新近系最大厚度可達(dá)3 000 m，達(dá)坂城凹陷南部新生界厚度為2 000 m左右，并向東迅速減薄，說明三葛莊凸起被改造為南傾的斜坡，新生界向北超覆于整個隆起之上(圖3)，說明達(dá)坂城凹陷和永豐凹陷在此期已經(jīng)連通共同接受沉積[22]。

圖6 三葛莊凸起構(gòu)造演化圖Fig.6 Structural evolution of the Sangezhuang Uplift

3 三葛莊凸起演化特征

斷層的活動特征可反映于研究區(qū)的伸展量與壓縮量。平衡剖面技術(shù)是研究斷層活動特征的重要手段，其基本原則是地層層長在變形過程中始終守恒[23]。通過逐層回剝可以恢復(fù)各構(gòu)造演化階段的地質(zhì)剖面，以明確各時期區(qū)內(nèi)斷層的活動與演化特征。自中生代以來，三葛莊凸起發(fā)生了多期構(gòu)造事件，這幾期構(gòu)造事件的產(chǎn)生影響了整個研究區(qū)。通過對整個柴窩堡凹陷三期不整合的研究，厘定了3期自中生代以來的構(gòu)造變形事件，研究區(qū)在中-新生代時期一共發(fā)生了二疊紀(jì)-三疊紀(jì)、晚三疊世、侏羅紀(jì)-古近紀(jì)之間三期構(gòu)造變形。

選取研究區(qū)過永豐次凹與三葛莊凸起的C-89-1、過三葛莊凸起和達(dá)坂城次凹的C-89-4-1A和C-86-4-E15三條剖面組合為聯(lián)合剖面，經(jīng)地震追層、斷層解釋和時深轉(zhuǎn)換后，采用平衡剖面技術(shù)，根據(jù)對三葛莊的變形特征分析，得到其構(gòu)造平衡演化剖面(圖6)。

地震剖面上，三葛莊凸起兩側(cè)殘留的二疊系厚度基本一致，古生界的產(chǎn)狀和結(jié)構(gòu)也相似，說明三葛莊凸起在二疊紀(jì)末期之前并未形成，而上二疊統(tǒng)與三疊系之間的不整合指示了三葛莊凸起的形成的開始。因此在三疊系沉積之前，該區(qū)域基本處于穩(wěn)定沉積階段。

二疊系沉積末期三葛莊凸起向永豐次凹發(fā)生強烈的沖斷作用，產(chǎn)生一系列的逆斷層，導(dǎo)致三葛莊凸起西北部被抬升很高，以致三葛莊西北部二疊系和石炭系遭受嚴(yán)重剝蝕，靠近達(dá)坂城次凹附近隆升幅度小，剝蝕量較小。

三疊紀(jì)時期柴窩堡凹陷進(jìn)入相對平靜的構(gòu)造時期，沉積了大范圍三疊系，三疊系沉積之后柴窩堡凹陷又遭受擠壓，早期斷裂再次活動造成三葛莊凸起隆升，三葛莊凸起覆蓋的三疊系被剝蝕，形成侏羅系與三疊系之間的不整合面。

侏羅紀(jì)時期，三葛莊凸起被侏羅系所覆蓋，侏羅系沉積之后的構(gòu)造變形導(dǎo)致了三葛莊凸起上侏羅系被嚴(yán)重剝蝕，只在東南緣靠近達(dá)坂城次凹的地方還殘留有侏羅系。

新生界沉積時期，東部的達(dá)坂城次凹和三葛莊次凸相對沉積厚度較大，并向永豐次凹逐漸減薄，新生代時期靠近達(dá)坂城次凹斷裂再次活動對三葛莊凸起進(jìn)行改造。

4 三葛莊凸起成因探討及其對區(qū)域構(gòu)造背景的響應(yīng)

自石炭紀(jì)以來，準(zhǔn)噶爾南緣經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，其中具有重要影響的構(gòu)造事件有晚海西期、印支期、燕山期和喜山期，形成了多個重要的沉積間斷和不整合面，主要包括石炭系/二疊系、二疊系/三疊系、三疊系/侏羅系、侏羅系/白堊系、白堊系/古近系、古近系/新近系等地層之間的各個不整合面[24-27]。

前文提到三葛莊凸起蓋層發(fā)育三個不整合面，包括三疊系底部不整合，侏羅系底部不整合以及古近系底部不整合，表明三葛莊凸起經(jīng)歷了多期次，且構(gòu)造變形強度各不相同的構(gòu)造運動。三葛莊凸起作為柴窩堡凹陷的一個次級構(gòu)造單元，與柴窩堡凹陷共同經(jīng)歷多期構(gòu)造運動。依據(jù)前述的地震剖面解釋成果及演化剖面分析，結(jié)合前人積累的資料，認(rèn)為三葛莊凸起的形成與石炭紀(jì)以來研究區(qū)以及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的變化有著密切的聯(lián)系，作為博格達(dá)山西段延伸，這幾個不整合必然與博格達(dá)山的隆升有緊密的因果關(guān)系。前人對博格達(dá)山隆升時間的研究雖然意見不同，但是不同觀點中的隆升時間在三葛莊凸起的幾期不整合中都有較好的體現(xiàn)。

自加里東運動期以來，準(zhǔn)噶爾盆地經(jīng)歷了多期復(fù)雜的裂陷洋盆發(fā)育、板塊對接、拆離-俯沖-碰撞和基底楔沖作用，形成多環(huán)境、多類型的構(gòu)造體系和變形特征[26, 28-29]。在海西期完成板塊拼合以后，準(zhǔn)噶爾南緣東段開始進(jìn)入大陸構(gòu)造發(fā)展階段，并一直處于陸內(nèi)變形、褶皺和破裂過程。

博格達(dá)地區(qū)自晚石炭世形成陸內(nèi)裂谷以后,一直到中二疊世,都以拉張環(huán)境下的沉積為主[11-12, 30]。中二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地的構(gòu)造演化逐漸減弱，柴窩堡坳陷、博格達(dá)地區(qū)與準(zhǔn)噶爾南緣屬于同一個沉積盆地，具有相同的物源和大致相似的沉積充填序列。中二疊統(tǒng)大河沿組雖然為粗粒碎屑沉積,但是火山巖分布廣泛,因而該套組合仍為伸展拉張環(huán)境中的產(chǎn)物[31]。

晚二疊世，博格達(dá)地區(qū)發(fā)生了短暫的沉積間斷和區(qū)域性抬升，但是此次抬升并未造成大幅度隆起和褶皺。準(zhǔn)噶爾盆地總體特征為盆地內(nèi)部以整體抬升或小幅度差異升降削蝕夷平為主，而古地貌的差異不大；盆地邊緣差異升降比較明顯，上二疊統(tǒng)基本缺失。在博格達(dá)山前下倉房溝群泉子街組發(fā)育一套磨拉石建造[32]，礫石成分主要為火山巖，分選、磨圓差，結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地南緣晚二疊世的構(gòu)造背景可以說明博格達(dá)山在晚二疊世就已經(jīng)隆升，三葛莊凸起作為博格達(dá)山的西部延伸段也一起隆升，從而造成研究區(qū)晚二疊系的剝蝕。晚二疊世博格達(dá)地區(qū)并未發(fā)生強烈的褶皺隆升，所以在夷平之后很快就接受三疊系沉積。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣在三疊紀(jì)繼承了晚二疊世的坳陷沉積特征，同時范圍也有所擴(kuò)展，并逐漸演化為中新生代內(nèi)陸盆地。在盆地南緣三疊系發(fā)育較全，地層出露也良好。受到印支運動的影響，博格達(dá)地區(qū)晚三疊世再次遭受了強烈的擠壓運動，造成了古博格達(dá)山的隆升與剝蝕，形成了柴窩堡凹陷的三疊系/侏羅系之間的不整合。

經(jīng)過晚三疊世的造山與夷平作用之后，早中侏羅世，整個準(zhǔn)噶爾盆地處于區(qū)域伸展及緩慢沉降期，此時博格達(dá)山處于水下接受沉積[21]，中晚侏羅世受燕山運動作用，盆地開始進(jìn)入?yún)^(qū)域擠壓構(gòu)造背景，差異升降運動在盆內(nèi)和盆緣逐漸增強。晚侏羅世，北疆地區(qū)整體隆升，博格達(dá)山開始強烈隆升，分隔了準(zhǔn)噶爾盆地南緣的昌吉凹陷與柴窩堡凹陷。受博格達(dá)山強烈隆升的影響，三葛莊凸起也隨之隆升，在靠近永豐次凹部位抬升較高，造成侏羅系以及三疊系、二疊系，甚至石炭系遭受剝蝕，僅在凸起兩側(cè)殘留少量侏羅系。

新生代時期，北天山及博格達(dá)山持續(xù)隆升，柴窩堡坳陷總體處于天山隆起區(qū)，具有陸內(nèi)褶沖盆地的性質(zhì)，僅在低洼處局部充填了厚度不大的古近系、新近系和第四系。三葛莊凸起夾持在伊連哈比爾尕山與博格達(dá)山之間，受伊連哈彼爾尕山在新生代的強烈隆升[33]，致使三葛莊凸起向伊連哈比爾尕山逆沖前方(向北)發(fā)生擠壓沉降作用，沉積了由南向北逐漸減薄的楔狀新生代地層。

5 結(jié)論

(1) 三葛莊凸起的形成受到三期構(gòu)造抬升影響：晚二疊世、晚三疊世和新生代早期的構(gòu)造運動，新生代時期的構(gòu)造運動對三葛莊凸起起到改造作用。

(2) 三葛莊凸起經(jīng)歷三期構(gòu)造運動，受構(gòu)造運動控制，三葛莊凸起形成三個角度不整合，包括三疊系底部不整合，侏羅系底部不整合以及古近系底部不整合。

(3) 三葛莊凸起是博格達(dá)山向西的延伸段，其演化過程可以反應(yīng)博格達(dá)山的演化。晚二疊世博格達(dá)山初次隆升，三葛莊凸起隨之抬升，造成三疊系底部不整合。受到印支運動的影響，博格達(dá)地區(qū)晚三疊世又遭受了強烈的擠壓運動，在三葛莊凸起表現(xiàn)為三疊系與侏羅系之間的角度不整合。新生代時期博格達(dá)山及北天山的持續(xù)隆升導(dǎo)致三葛莊凸起南部發(fā)生擠壓沉降，沉積新生界將博格達(dá)山的西段掩蓋。