呼圖壁背斜構(gòu)造模型和成因機制*

鄧妤婷 何登發(fā) 張奎華 齊雪峰

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院 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)造擠壓運動（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驗（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識還不夠清晰，對呼圖壁背斜形成的成因機制沒有很好的說明，譬如：呼圖壁背斜是一期形成的產(chǎn)物還是多期運動共同作用的結(jié)果，呼圖壁背斜的運動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行精細地刻畫分析，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—歐亞板塊碰撞遠程效應(yīng)影響，山前背斜帶發(fā)育的主要時間在古近紀到第四紀，隨著擠壓應(yīng)力向北逐漸傳遞，在準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（董臣強等，2007）。

通過前人精細的地震資料解析和構(gòu)造解釋（丁玉才等，2021），認為準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，其特點是深淺層的構(gòu)造高點一致，在喜馬拉雅運動期的位移量較小，大部分的位移吸收消減在第一、二排山前帶中。從整個準噶爾盆地南緣的構(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；三疊紀時期，盆地進入坳陷沉積階段，沉積了厚層泥巖；早侏羅世時期呼圖壁地區(qū)處于弱伸展背景，沉積范圍相比三疊紀有所減小，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)為燕山運動晚期擠壓背斜開始形成；白堊紀構(gòu)造較為穩(wěn)定，依然以湖盆發(fā)育為主；構(gòu)造活動強烈的時期主要在盆地進入古近紀之后，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，最終在喜馬拉雅運動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葮酥?，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，通過計算關(guān)系線的斜率和截距，可以預(yù)測滑脫面的深度和計算滑脫面的縮短量，是根據(jù)淺層信息去研究深部變形的有效方法。應(yīng)用到實際的地震剖面中，ADS 方法可以量化構(gòu)造樣式，如利用多個層位的多余面積（標志層之上的面積）可以確定邊界位移、位移速率和層間平行應(yīng)變（LPS）等，從運動學模型可以看出（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志層的高度。但通常來說，數(shù)據(jù)點不會完美的落在一條上，需要用最小二乘法來擬合出最佳曲線。同時，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)，該剖面的水平基準面有一個輕微的傾斜角度，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行地層標定和構(gòu)造解釋（圖1），在用上述的方法對呼圖壁背斜進行多余面積的計算和距離的測量，從面積—深度圖上可以看出（圖4b），其計算出來的滑脫深度位于三疊系地層中。這里計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，因此最后就會計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)變值是準確的；因為斜率只與褶皺區(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)造活動造成的斷層運動，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)育在古近紀和新近紀的地層當中，其中在新近紀地層中，生長地層厚度較薄，主體發(fā)育在安集海河組內(nèi)部，說明在古近紀晚期至新近紀初期，呼圖壁地區(qū)有一期構(gòu)造活動，活動強度并不強烈；從新近紀的中期開始，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，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)造活動逐漸趨于穩(wěn)定，縮短速率逐漸減小，對應(yīng)圖5 當中的塔西河組（N1t）至獨山子組（N2d）段的地層；而到第四紀的地層沉積時期，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，表明在獨山子組沉積末期到第四系沉積時期，發(fā)生了強烈的構(gòu)造擠壓。從東西兩條地震剖面解釋的結(jié)果來看，東部背斜運動的位移量更大，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)造運動產(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)造標志，證明在呼圖壁地區(qū)從古近紀初期就已經(jīng)發(fā)生了構(gòu)造活動，表明第一期構(gòu)造的起始時間為晚白堊世—早古新世，第二期的生長地層發(fā)育在中新世早期，相當于沙灣組地層沉積時期。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)育的起始時間變得困難。因此要想討論呼圖壁背斜的構(gòu)造變形時間，不能離開對北天山的變形期次和時間的分析研究。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解釋得出了的北天山北緣的構(gòu)造隆升結(jié)果，認為在天山的北緣，第四紀之前發(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)的在準南地區(qū)形成第四系西域組底界不整合面，時間從新近紀末期到第四紀初期。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南加速變形的時期，與本文中的解釋結(jié)果可以很好的對應(yīng)。同時，前人做了關(guān)于準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的變形過程，分別是晚侏羅—早白堊世時期和晚白堊世末期—新近紀，且在新近紀（23 Ma）以來，物源碎屑鋯石的年齡趨于一致，說明新近紀以來是天山的強烈隆升時期。也有人通過沉積學方法（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，結(jié)果表明，晚侏羅—早白堊世天山開始分異，構(gòu)造活動增強。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)造擠壓運動，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)歷由強到弱的過程，并且構(gòu)造活動是從南向北逐步傳遞的，南部的構(gòu)造變形強，而北部的構(gòu)造變形弱，呼圖壁背斜就正好處于強弱變形的轉(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，可以得出以下認識：1）準噶爾盆地南緣在早白堊世時期發(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）天山造山運動在第四紀存在復(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間在第四系更新世時期，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)育的時間較東側(cè)早；第二次擠壓運動發(fā)生在中新世晚期—上新世；第三次擠壓最為強烈，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)生的遠程響應(yīng)。