準(zhǔn)噶爾盆地南緣上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)地層不整合成因和構(gòu)造演化意義——齊古斷褶帶剖面的啟示

周彥希, 關(guān)旭同, 周天琪, 周家全

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；2.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

準(zhǔn)噶爾盆地是一個(gè)長期發(fā)育、多期構(gòu)造疊合的大型內(nèi)陸盆地，其區(qū)域構(gòu)造研究不僅涉及恢復(fù)陸內(nèi)盆地在不同地球動(dòng)力學(xué)背景下的構(gòu)造變形、盆地屬性和構(gòu)造古地理，對(duì)于油氣資源勘探也具有重要的指導(dǎo)作用[1]。同位素年代地層學(xué)和沉積學(xué)研究揭示了準(zhǔn)噶爾盆地南緣(準(zhǔn)南地區(qū))上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)之間存在地層不整合，但究其成因，是由于氣候和地形因素造成的沉積過路，還是構(gòu)造活動(dòng)造成的地層剝蝕，現(xiàn)在仍存在爭(zhēng)議。部分學(xué)者根據(jù)準(zhǔn)南地區(qū)沉積序列特征，認(rèn)為上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)沖積扇相地層形成于構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定背景下氣候濕潤化，期間的沉積間斷與基準(zhǔn)面升降有關(guān)[2-4]；依據(jù)磷灰石裂變徑跡和重礦物研究結(jié)果，也有學(xué)者認(rèn)為上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)之間的角度不整合與蒙古-鄂霍茨克碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)控制下的天山北緣及鄰區(qū)的構(gòu)造隆起密切相關(guān)[5-6]。

準(zhǔn)噶爾盆地從形成至今經(jīng)歷了多期構(gòu)造疊合，逐步演化至現(xiàn)今的盆地格局。其中，印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)對(duì)于北天山造山帶和準(zhǔn)噶爾前陸盆地的形成起到至關(guān)重要的作用[7]。部分學(xué)者認(rèn)為準(zhǔn)南中生代構(gòu)造活動(dòng)是歐亞板塊邊緣構(gòu)造活動(dòng)遠(yuǎn)程效應(yīng)的體現(xiàn)，通常與南緣發(fā)生的區(qū)域構(gòu)造事件有關(guān)，主要包括晚三疊世-早侏羅世早期羌塘地塊與塔里木地塊之間的碰撞、晚侏羅世-早白堊世早期拉薩地塊拼合于歐亞板塊南緣、晚白堊世晚期科希斯坦弧與拉薩地塊之間的碰撞[6,8-9]。但是對(duì)于前新生代的盆地關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時(shí)期，特別是侏羅紀(jì)末-白堊紀(jì)初的構(gòu)造演化還存在爭(zhēng)議。

齊古斷褶帶位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段天山北麓，作為北天山山前重要的沖斷構(gòu)造，齊古斷褶帶地層展布特征和接觸關(guān)系的研究不僅對(duì)認(rèn)知準(zhǔn)噶爾盆地晚侏羅世-早白堊世沉積間斷的成因至關(guān)重要，也對(duì)該時(shí)期準(zhǔn)南地區(qū)構(gòu)造演化過程具有重要指示意義。以齊古斷褶帶上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)地層為研究對(duì)象，利用典型野外地質(zhì)剖面、二維地震勘探數(shù)據(jù)和無人機(jī)航拍影像，對(duì)地層接觸關(guān)系和不整合特征進(jìn)行分析，結(jié)合侏羅系-下白堊統(tǒng)重礦物不穩(wěn)定系數(shù)和地層厚度分布，分析準(zhǔn)南地區(qū)區(qū)域不整合的成因，探討其對(duì)準(zhǔn)南晚侏羅世-早白堊世構(gòu)造演化的啟示。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，周緣被北天山、扎伊爾山和阿爾泰山所圍限，整體形態(tài)呈現(xiàn)為近三角形，總面積達(dá)13×104km2，是中國大型富油氣盆地之一，地層以上古生界、中生界和新生界為主，盆地南緣的山前凹陷沉積了巨厚的中新生界地層[10]。準(zhǔn)南地區(qū)位于盆地與北天山的結(jié)合部位，是長期發(fā)育、多期疊合的繼承性構(gòu)造帶，西起烏蘇，東至烏魯木齊，南與依連哈比爾尕山相鄰，北至盆地腹部中央坳陷，由四棵樹凹陷、齊古斷褶帶、霍瑪吐背斜帶、呼安背斜帶和阜康斷裂帶5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成[圖1(a)]，總面積約為24 000 km2[11]。齊古斷褶帶位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北麓，西傍托斯臺(tái)，東鄰烏魯木齊河，南部的亞馬特拜辛德達(dá)坂大斷裂與伊林黑比爾根山相連。以齊古北斷裂為界，其北部與霍瑪吐背斜帶相連[圖1(a)]。

準(zhǔn)南地區(qū)從志留系到第四系地層均廣泛出露，志留系和泥盆系地層巖性主要包括硅質(zhì)泥巖、粉砂巖、花崗輝長巖和灰?guī)r等[圖1(b)]。其中，侵入體面積廣泛，石炭系、二疊系和三疊系地層褶皺變形強(qiáng)烈，巖性主要包括砂礫巖、灰?guī)r和泥巖-粉砂互層為主[12-13]。準(zhǔn)南侏羅系地層發(fā)育完整，厚度較大，自下而上分別是下侏羅統(tǒng)八道灣組和三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組及上侏羅統(tǒng)齊古組和喀拉扎組。八道灣組主要發(fā)育一套灰色礫巖夾砂泥巖沉積，三工河組和西山窯組屬于湖泊沼澤相的煤系地層，頭屯河組主要是河湖相雜色碎屑巖沉積[14]。侏羅紀(jì)上統(tǒng)包括齊古組和喀拉扎組，齊古組發(fā)育一套濱淺湖亞相紅色砂質(zhì)泥巖，喀拉扎組主要發(fā)育一套沖積扇相灰褐色礫巖夾砂礫巖沉積，與下白堊統(tǒng)清水河組不整合接觸，喀拉扎組礫石主要由再旋回沉積的古生代地層構(gòu)成[圖1(c)]，反映出天山隆升造成的快速剝蝕和近源沉積[4,15-16]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)綜合地層柱狀圖(根據(jù)文獻(xiàn)[4,16]修改)

2 齊古斷褶帶不整合特征

以齊古斷褶帶呼圖壁河?xùn)|側(cè)剖面[圖2(a)]為例，從南往北依次發(fā)育齊古向斜和齊古背斜構(gòu)造，侏羅系和白堊系地層構(gòu)成褶皺的主體。在最南端的齊古向斜南翼，喀拉扎組地層厚度約160 m，與上覆清水河組呈不整合接觸關(guān)系[圖2(b)、圖2(e)]。在齊古向斜北翼(即齊古背斜南翼)，喀拉扎組地層缺失，清水河組以不整合接觸關(guān)系疊覆于齊古組之上，在野外可見明顯的削截現(xiàn)象[圖2(c)、圖2(f)、圖3(a)]。整個(gè)齊古背斜的核部因剝蝕而缺失，在背斜北翼同樣可見清水河組直接不整合于齊古組之上，喀拉扎組地層完全缺失[圖2(d)、圖2(g)、圖3(b)]。齊古背斜兩翼的傾角不同，其南翼緩而北翼陡，呈現(xiàn)不對(duì)稱的褶皺形態(tài)，齊古背斜南翼地層傾角為32°，北翼地層傾角為45°。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣呼圖壁河剖面上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)野外露頭特征

圖3 齊古背斜上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)野外露頭

二維地震剖面位于齊古斷褶帶中段偏東的位置，接近野外調(diào)查的呼圖壁河剖面[圖1(b)]。在該剖面最南端的齊古向斜南翼，可見侏羅系和白堊系地層發(fā)育完整，其中清水河組不整合超覆在喀拉扎組之上，與野外觀察結(jié)果基本一致[圖4(a)]。齊古背斜南翼可見白堊系底部與上侏羅統(tǒng)的削截接觸關(guān)，侏羅系頂部的喀拉扎組地層缺失，白堊系清水河組直接不整合于齊古組之上。核背斜部和北翼的喀拉扎組被完全剝蝕，齊古組被部分剝蝕，清水河組直接不整合在齊古組之上[圖4(b)]。對(duì)比背斜兩翼，南翼的地層傾角相對(duì)北翼較緩，并且北翼齊古組遭受剝蝕的程度更嚴(yán)重。值得注意的是，現(xiàn)今的齊古背斜定形于新生代末期，但是地震剖面上可見兩條不重合的軸面，其中一條表現(xiàn)為白堊系及以上地層構(gòu)成的變形組合，另一條表現(xiàn)為侏羅系地層構(gòu)成的變形組合，反映出晚侏羅世和新生代兩期構(gòu)造活動(dòng)。在整個(gè)齊古斷褶帶，上侏羅統(tǒng)整體與下白堊統(tǒng)表現(xiàn)為不整合的接觸關(guān)系，但是在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的構(gòu)造樣式，反映出準(zhǔn)南晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)及其變形機(jī)制在區(qū)域上的空間分異。在齊古背斜以西的區(qū)域，山前背斜構(gòu)造多為斷背斜，第一排背斜帶的南翼被斷層抬升較高，不存在中侏羅統(tǒng)之上的地層；在斷背斜北翼，侏羅系頂部的喀拉扎組部分保留或者被完全剝蝕。在齊古背斜及以東的昌吉背斜，山前的背斜構(gòu)造較為完整，侏羅系和白堊系構(gòu)成背斜主體。在背斜南翼及其以南的向斜部位，喀拉扎組被部分剝蝕，清水河組不整合超覆其上；在背斜核部及北翼，喀拉扎組被完全剝蝕，清水河組不整合在齊古組之上。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古斷褶帶地震剖面

選取具有典型地質(zhì)現(xiàn)象的呼圖壁河剖面，使用無人機(jī)航拍獲得露頭的完整照片，通過Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行建模處理，得到露頭的三維模型，在獲取相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立標(biāo)準(zhǔn)化幾何模型，對(duì)地層厚度進(jìn)行推導(dǎo)。無人機(jī)航拍建模結(jié)果表明，齊古背斜核部的地層遭到嚴(yán)重剝蝕，由隆起變?yōu)榈屯莸匦巍Ｔ诒承眱梢砭嬖诳M地層的缺失，清水河組地層直接不整合超覆在齊古組地層之上(圖5)。其中，齊古組在背斜南翼的地層厚度均值為578 m，在北翼的地層厚度均值為471 m，反映出齊古組在背斜兩翼存在明顯的厚度差異，表明背斜在形成的時(shí)候呈現(xiàn)出南緩北陡的形態(tài)和自南向北的擠壓特征。

圖5 呼圖壁河剖面齊古背斜無人機(jī)航拍影像

3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)不整合成因

通過野外剖面地質(zhì)調(diào)查以及地震剖面分析，明確了準(zhǔn)南上侏羅統(tǒng)喀拉扎組與下白堊統(tǒng)清水河組的不整合接觸關(guān)系。重礦物不穩(wěn)定系數(shù)可以反映物源區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的活躍程度，借助準(zhǔn)南部分鉆井和露頭取樣所得的重礦物不穩(wěn)定系數(shù)，可以對(duì)準(zhǔn)南晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)間和過程進(jìn)行限制。磷灰石裂變徑跡顯示，準(zhǔn)南存在晚侏羅世-早白堊世的冷卻年齡，反映出在晚侏羅世-早白堊世時(shí)期存在構(gòu)造熱事件，造成天山北緣和準(zhǔn)南發(fā)生抬升[17-19]。通過對(duì)準(zhǔn)南多口鉆井以及露頭剖面采樣的重礦物組合進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其重礦物不穩(wěn)定系數(shù)在早-中侏羅世整體數(shù)值較低，從中侏羅世頭屯河組開始，不穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這一特征在晚侏羅世進(jìn)一步加強(qiáng)，準(zhǔn)南各地區(qū)的不穩(wěn)定系數(shù)均達(dá)到峰值。相反，早白堊世不穩(wěn)定系數(shù)迅速回落，呈現(xiàn)較低水平(圖6)，表明準(zhǔn)南在中侏羅世末期開始進(jìn)入構(gòu)造相對(duì)活躍的狀態(tài)，隨后構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)，在晚侏羅世最為強(qiáng)烈；早白堊紀(jì)準(zhǔn)南的構(gòu)造活動(dòng)急劇減弱，整體趨于穩(wěn)定。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系-下白堊統(tǒng)重礦物組合不穩(wěn)定系數(shù)

準(zhǔn)噶爾盆地作為陸內(nèi)盆地，其盆地演化及構(gòu)造活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)來源與板塊邊緣的構(gòu)造事件的相關(guān)，受到遠(yuǎn)程作用的影響[20]。晚侏羅世時(shí)期，可能影響準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造活動(dòng)的因素可能包括其西南部歐亞板塊南部的拉薩地塊碰撞拼合或者其東北部蒙古-鄂霍茨克洋的碰撞閉合[21-22]。位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部的戈壁阿爾泰地區(qū)在晚侏羅世時(shí)期并未表現(xiàn)出構(gòu)造活動(dòng)以及剝蝕特征，考慮到其距離蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造域比準(zhǔn)噶爾盆地更加鄰近，并且與天山地區(qū)具有相似的地殼結(jié)構(gòu)，但是并未受到蒙古-鄂霍茨克洋閉合碰撞事件的影響，因此準(zhǔn)噶爾盆地晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)的地球動(dòng)力學(xué)來源是蒙古-鄂霍茨克碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)很難成立。雖然，拉薩-羌塘地塊的碰撞拼合事件主體發(fā)生于早白堊世，但是這是把拉薩地塊作為單一塊體進(jìn)行考慮的結(jié)果，如果考慮到其分段性，在更早的晚侏羅世就已經(jīng)存在碰撞作用[23]。因此，準(zhǔn)南晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)來源更可能與歐亞板塊南部拉薩和羌塘地塊的碰撞拼合有關(guān)。

晚侏羅世時(shí)期，準(zhǔn)噶爾盆地處于擠壓的構(gòu)造背景，根據(jù)齊古斷褶帶上侏羅統(tǒng)的剝蝕特征，認(rèn)為準(zhǔn)南晚侏羅世以斷層的沖斷作用為主，形成斷層相關(guān)褶皺[6,9,16]。但是，沖斷作用在天山北緣的造山帶內(nèi)比較發(fā)育，古生代地層在盆山邊界多以斷層與中生代地層相接觸，山前的中下侏羅統(tǒng)地層也被沖斷抬升。在靠近盆內(nèi)的區(qū)域褶皺發(fā)育(如齊古背斜以上侏羅統(tǒng)或下白堊統(tǒng)為核部，盡管在地震剖面上可見背斜處發(fā)育多條斷層)，但是通過整體的構(gòu)造關(guān)系判斷，這些斷層應(yīng)為新生代構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物(圖4)；另外，晚侏羅世構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)度和規(guī)模都遠(yuǎn)小于新生代時(shí)期，其變形程度也應(yīng)弱于新生代，因此擠壓作用從造山帶傳遞到盆內(nèi)后，造成盆內(nèi)主要以褶皺變形為主[17]。結(jié)合覆蓋山前到盆內(nèi)的地震剖面進(jìn)行加密解釋，獲得了上侏羅統(tǒng)地層在準(zhǔn)南的厚度分布圖。其中，齊古組地層厚度在烏魯木齊-昌吉-呼圖壁一線達(dá)到最大，齊古斷褶帶以北厚度較小，表明晚侏羅世早期開始發(fā)生構(gòu)造變形，在盆內(nèi)形成背斜隆起[圖7(a)]。相比之下，喀拉扎組地層的分布范圍較齊古組明顯變小，表明盆地范圍急劇萎縮。地層厚度最大值對(duì)應(yīng)瑪納斯河石場(chǎng)與阜康水磨溝地區(qū)，與野外剖面露頭觀察的結(jié)果相符合，這意味著齊古斷褶帶山前區(qū)域喀拉扎組地層因構(gòu)造變形而遭受剝蝕，部分區(qū)域形成地表隆起，白堊系與上侏羅統(tǒng)之間的不整合最容易識(shí)別而范圍較為局限，背斜皺面向山前遷移[圖7(b)]。因此，上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)地層之間的角度不整合與構(gòu)造變形引起的剝蝕密切相關(guān)，而非沉積物過路作用引起的。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地南緣上侏羅統(tǒng)地層厚度等值線圖

4 區(qū)域不整合的構(gòu)造演化意義

二維地震剖面觀察到背斜兩翼的齊古組地層在產(chǎn)狀和剝蝕程度上具有明顯差別，北翼的地層較陡，遭受的剝蝕更為嚴(yán)重[圖4(b)]，這與呼圖壁河剖面兩翼地層產(chǎn)狀一致。地層變形后的幾何特征反映出齊古背斜在晚侏羅世發(fā)生了擠壓構(gòu)造變形，形成“北陡南緩”的不對(duì)稱背斜，說明后期的剝蝕作用在北翼的效果更為顯著。這種構(gòu)造變形表明擠壓的動(dòng)力源自南部的天山，與準(zhǔn)南和整個(gè)天山地區(qū)在晚侏羅世的構(gòu)造背景相符合[17,20]。

準(zhǔn)南地區(qū)晚侏羅世-早白堊世的構(gòu)造演化模式表明，自中侏羅世晚期起，天山及準(zhǔn)南地區(qū)從相對(duì)穩(wěn)定的坳陷狀態(tài)朝擠壓狀態(tài)過渡，但此時(shí)天山北緣山前帶尚未發(fā)生變形[圖8(e)、圖8(d)]。齊古組沉積時(shí)期，天山及準(zhǔn)南從拉張轉(zhuǎn)為擠壓狀態(tài)，在天山北緣構(gòu)造活動(dòng)開始發(fā)展，但是程度相對(duì)較弱，使天山發(fā)生緩慢抬升，逐漸形成顯著的正地形，在山前帶以北發(fā)育背斜隆起[圖8(c)]?？M沉積時(shí)期，天山的構(gòu)造活動(dòng)加劇，造山帶內(nèi)部擠壓沖斷作用增強(qiáng)，使得早期地層發(fā)生抬升和剝蝕，大量礫級(jí)粗碎屑在距離物源區(qū)很近的山前帶快速沉積。擠壓作用使得變形往盆地方向推進(jìn)，在山前帶形成凸起幅度較低的背斜[圖8(b)]。晚侏羅世末期，天山北緣的構(gòu)造活動(dòng)達(dá)到頂峰，前期形成的背斜隆起幅度持續(xù)增大；在干旱氣候的共同作用下，喀拉扎組地層遭到強(qiáng)烈剝蝕，甚至在背斜核部被完全剝蝕，形成區(qū)域不整合。白堊紀(jì)時(shí)期，天山北緣構(gòu)造活動(dòng)減弱，整體趨于穩(wěn)定，沉積范圍擴(kuò)大，清水河組超覆在上侏羅統(tǒng)的不整合面之上[圖8(a)]。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地南緣晚侏羅世-早白堊世構(gòu)造演化模式

5 結(jié)論

(1)準(zhǔn)南地區(qū)齊古斷褶帶存在上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)的地層角度不整合，不同地區(qū)不整合上下地層不同，山前大部分地區(qū)以喀拉扎組和清水河組的不整合為主，在齊古斷褶帶的齊古背斜和昌吉背斜處，喀拉扎組被完全剝蝕而缺失，齊古組直接與清水河組不整合接觸。

(2)準(zhǔn)南地區(qū)晚侏羅世擠壓構(gòu)造活動(dòng)的方向是自南向北，其動(dòng)力學(xué)來源是南部的天山地區(qū)，與準(zhǔn)南和整個(gè)天山地區(qū)在晚侏羅世的構(gòu)造背景相符合。上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)地層之間的不整合與構(gòu)造變形引起的剝蝕密切相關(guān)，其可能成因是歐亞板塊南部一系列地塊的拼合作用。

(3)準(zhǔn)南地區(qū)在晚侏羅世進(jìn)入擠壓的構(gòu)造背景，天山北緣的構(gòu)造活動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱的過程。齊古組沉積時(shí)期，天山北緣的構(gòu)造活動(dòng)主要是造山帶的沖斷作用，程度相對(duì)較弱，造成天山北緣緩慢抬升；喀拉扎組沉積時(shí)期，天山北緣構(gòu)造活動(dòng)和抬升加劇，山前帶發(fā)生變形，開始形成背斜的雛形；喀拉扎組沉積時(shí)期之后，天山北緣持續(xù)抬升，背斜的幅度增大，并且軸面向山前遷移，使得喀拉扎組沉積范圍明顯縮小并整體遭受暴露剝蝕，在齊古斷褶帶山前甚至完全缺失；白堊系沉積時(shí)期，天山北緣和準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造活動(dòng)減弱，清水河組超覆在上侏羅統(tǒng)地層之上，在區(qū)域上形成不整合。