準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段山前復(fù)雜構(gòu)造變形特征及形成演化

郭文建 ，姜顏良 ，卞保力 ，袁波 ，張學(xué)才 ，吳孔友 ，孫文潔 ，李天然

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103；3.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

近年來(lái)，伴隨著油氣的大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)，位于天山造山帶兩側(cè)的準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地在中、新生代地層中相繼發(fā)現(xiàn)了大量的油氣資源，促使天山造山帶及兩側(cè)盆地的構(gòu)造演化史的研究成為熱點(diǎn)（王凱等，2019；付瑜等，2020；鄒陽(yáng)等，2020；朱明等，2020；于景維等，2021；梁則亮等，2022；何文軍等，2023）。準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段位于北天山山前，是受古生代以來(lái)多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造的大型再生前陸盆地，山前發(fā)育近東西向的3 排斷褶帶，油氣成藏條件優(yōu)越。雖然前人對(duì)南緣中段進(jìn)行了相關(guān)的研究（張玉蘭等，2003；汪新偉等，2005；況軍等，2006；漆家福等，2008；管樹(shù)巍等，2012；侯蓉等，2017；朱明等，2020；周妮等2020；甄宇等2020；梁則亮等，2022），但該區(qū)緊鄰山前，構(gòu)造變形錯(cuò)綜復(fù)雜，相互疊加，發(fā)育多重構(gòu)造樣式。整體上，學(xué)者們多針對(duì)單個(gè)背斜或單個(gè)斷褶帶進(jìn)行過(guò)研究（李本亮等，2012；管樹(shù)巍等，2012；侯蓉等，2017），而缺少對(duì)整個(gè)南緣中段3排斷褶帶變形差異性對(duì)比分析，對(duì)山前帶發(fā)育的3排構(gòu)造的形成時(shí)間也存在很大爭(zhēng)議。張玉蘭等（2003）、程光鎖等（2008）認(rèn)為第一排斷褶帶形成在燕山運(yùn)動(dòng)中晚期，而方世虎等（2004a，2004b）、郭召杰等（2006，2011）、張鳳奇等（2020）認(rèn)為第一排斷褶帶形成在新生代晚期，距今10～6 Ma。張玉蘭等（2003）認(rèn)為第二排斷褶帶形成于新近紀(jì)。程光鎖等（2008）將第二排斷褶帶的形成時(shí)間進(jìn)一步限定為上新世末期，并認(rèn)為早更新世末至中更新世強(qiáng)烈活動(dòng)。Sun 等（2004）、方世虎等（2007）則認(rèn)為第二排斷褶帶的形成時(shí)間不早于3 Ma，郭召杰等（2011）、張鳳奇等（2020）進(jìn)一步將第二排斷褶帶的形成時(shí)間限定在了距今2 Ma。程光鎖等（2008）認(rèn)為第三排斷褶帶形成于早更新世末，中更新世之前，現(xiàn)代仍活動(dòng)。郭召杰等（2011）、張鳳奇等（2020）將第三排斷褶帶的形成時(shí)間限定在了中更新世1 Ma 之后；Li 等（2010）、季軍良等（2010）進(jìn)一步將其形成時(shí)間限定在更新世以來(lái)約0.73 Ma。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前帶經(jīng)歷了長(zhǎng)期勘探，也走過(guò)許多曲折歷程。直到今天，高探1、呼探1 井超深層取得重大突破，也不能說(shuō)完全取得準(zhǔn)南山前帶的突破，油氣勘探還沒(méi)有探索出一條清晰的、類(lèi)似庫(kù)車(chē)山前的勘探之路。歸根到底歸結(jié)于構(gòu)造落實(shí)程度差，構(gòu)造演化沒(méi)有明確，這一問(wèn)題已成為困擾準(zhǔn)噶爾盆地南緣油氣勘探的核心問(wèn)題。因而，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段山前復(fù)雜構(gòu)造變形特征及形成演化過(guò)程有必要開(kāi)展系統(tǒng)而深入的研究。筆者綜合利用地震資料解釋、平衡剖面恢復(fù)等研究手段，結(jié)合前人研究，運(yùn)用斷層相關(guān)褶皺理論、斷層滑移距和伸展壓縮速率定量分析方法，分析了研究區(qū)的構(gòu)造變形特征和褶皺-沖斷帶相對(duì)形成時(shí)間，明確了山前復(fù)雜構(gòu)造的疊加特征及形成演化過(guò)程，對(duì)理解天山造山帶的演化歷史和指導(dǎo)研究區(qū)油氣地質(zhì)勘探具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于準(zhǔn)噶爾盆地南部，是指北天山山前狹長(zhǎng)地帶?，F(xiàn)今構(gòu)造上具有明顯的東西分段、南北分帶和垂向分層特征，大致以烏魯木齊（E 88°）為界，準(zhǔn)噶爾盆地南緣可以劃分為南緣東部和南緣西部2 個(gè)構(gòu)造帶（張玉蘭等，2003；張鳳奇等，2020）。南緣西部構(gòu)造帶又包括南緣中段和南緣西段構(gòu)造帶，其中南緣中段構(gòu)造帶位于烏魯木齊以西，東為阜康斷裂帶，西為四棵樹(shù)凹陷，東西長(zhǎng)約為200 km，寬為30～50 km，是本次研究的對(duì)象。

石炭紀(jì)末期的擠壓作用使研究區(qū)的古亞洲洋全面消亡，到了早二疊世早期，天山洋盆閉合，徹底結(jié)束了天山的古洋盆演化歷程，形成了南緣盆地的基底（徐學(xué)義等，2005；何登發(fā)等，2018；梁志錄等，2018；王國(guó)燦等，2019）。二疊紀(jì)—第四紀(jì)，研究區(qū)依次進(jìn)入了陸內(nèi)斷陷-坳陷-前陸盆地發(fā)展階段，經(jīng)歷了華力西期末、印支、燕山和喜山期的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加（徐學(xué)義等，2005；漆家福等，2008；何登發(fā)等，2018；王國(guó)燦等，2019）。燕山期以來(lái)，特別是喜山期在來(lái)自天山向北的擠壓應(yīng)力作用下，中生代、新生代地層沿三疊系、侏羅系煤層和白堊系、古近系高塑性泥巖層發(fā)生滑脫并彎曲形成褶皺，由于擠壓作用的持續(xù)進(jìn)行，共發(fā)育了由多個(gè)背斜帶和一系列逆沖斷層組成的3排斷褶帶（張玉蘭等，2003；朱明等，2020）。整體上看，這些斷褶帶平面上呈向北凸出的弧形，大致等間距平行于北天山山前帶（圖1）。地層發(fā)育上，石炭系為研究區(qū)的直接基底，基底之上依次沉積了二疊系至第四系。地層從古生界到新生界都有出露，以中生界的侏羅系、白堊系及新生界地層較為發(fā)育，多呈條帶狀平行于山前展布。其中，緊鄰山前地區(qū)主要發(fā)育二疊系和侏羅系，遠(yuǎn)離山前地區(qū)主要發(fā)育古近系、新近系和第四系。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段綜合地質(zhì)圖Fig.1 Comprehensive geological map of middle section of southern margin of Junggar basin

2 構(gòu)造變形特征

由于研究區(qū)經(jīng)歷了多期次、多性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的范圍、應(yīng)力作用方式不盡相同，再加上天山山體階段性隆升的影響,在南緣中段不同地區(qū)，不同層位的構(gòu)造變形樣式和活動(dòng)性各不相同。筆者選取橫跨南緣中段山前的2 條典型地震剖面，進(jìn)行構(gòu)造變形特征的研究。2 條典型地震剖面橫切了山前3 排構(gòu)造帶。其中，AA’剖面的昌吉背斜和BB’剖面的南瑪納斯背斜屬于第一排構(gòu)造，AA’剖面的呼圖壁背斜屬于第三排構(gòu)造，BB’剖面的瑪納斯背斜屬于第二排構(gòu)造。

2.1 褶皺構(gòu)造變形特征

從褶皺構(gòu)造的變形特征上看，屬于第一排構(gòu)造的昌吉背斜兩翼地層陡傾，傾角為60°～70°，整個(gè)背斜呈現(xiàn)微弱的南緩北陡特征，由于背斜被斷層強(qiáng)烈的切割改造，兩翼地層相互錯(cuò)開(kāi)，改變了背斜高點(diǎn)的原始位置，受斷層的影響，背斜兩翼地層厚度也不一致，核部地層剝蝕較嚴(yán)重（圖2a）。同屬第一排構(gòu)造的南瑪納斯背斜兩翼則明顯不對(duì)稱，南翼地層平緩，傾角約為10°～15°，北翼地層陡傾，并且從老地層依次向新地層傾角逐漸增大，可達(dá)60°以上；背斜的兩翼和核部地層遭受了嚴(yán)重的剝蝕，出露了較老的侏羅紀(jì)地層。第二排構(gòu)造的瑪納斯背斜，隆升幅度較大，兩翼產(chǎn)狀不一致，南翼地層傾角小于北翼，屬于典型的斜歪背斜。背斜在深淺層構(gòu)造形態(tài)上表現(xiàn)的不一致，淺層背斜兩翼較陡、深層則較緩；構(gòu)造高點(diǎn)也不一致，構(gòu)造高點(diǎn)在侏羅系之下都往南部偏移，頂部層系都向北偏移（圖2b）。第三排構(gòu)造的呼圖壁背斜，隆升幅度明顯變小，兩翼地層產(chǎn)狀較為平緩。形態(tài)上呼圖壁背斜的南北兩翼近似對(duì)稱，但有細(xì)微的差別，南翼傾角略小于北翼4°～5°。背斜在深淺層的構(gòu)造形態(tài)也不一致，與第二排背斜表現(xiàn)的現(xiàn)象相同，但背斜構(gòu)造高點(diǎn)與第二排背斜有明顯的不同，呼圖壁背斜的構(gòu)造高點(diǎn)在侏羅系之下都往北部偏移，之上構(gòu)造高點(diǎn)未發(fā)生偏移，近于直立。

圖2 南緣中段兩條典型地震剖面解譯圖（剖面位置見(jiàn)圖1）Fig.2 Interpretation map of two typical seismic profiles in middle section of south margin

總體上看，第一排背斜兩翼特別是北翼地層較為陡傾，構(gòu)造抬升幅度大，多以斷裂相伴生，受斷裂改造明顯。褶皺地層抬升遭受剝蝕嚴(yán)重，核部出露較老的侏羅紀(jì)地層。第二排背斜的構(gòu)造幅度最大，褶皺變形程度最明顯，但被斷層改造的程度低于第一排背斜，垂向上深淺層構(gòu)造形態(tài)不一致。第三排背斜是三排構(gòu)造中相對(duì)變形最弱的一排，背斜核部在地表沒(méi)有斷層出露,兩翼產(chǎn)狀相對(duì)較緩。3 排背斜兩翼都具有南緩北陡的不對(duì)稱式分布特征，均發(fā)育有南傾逆沖斷層；之間的向斜呈平坦開(kāi)闊狀，背斜與向斜相間分布呈現(xiàn)出隔檔式褶皺的組合特征。

2.2 復(fù)合疊加構(gòu)造變形特征

從復(fù)合疊加構(gòu)造變形特征上看，屬于第一排構(gòu)造的昌吉背斜南側(cè)受天山隆升產(chǎn)生的向北的強(qiáng)大擠壓應(yīng)力作用的影響，發(fā)育多條高角度逆沖斷層，剖面上形成逆沖疊瓦狀構(gòu)造。在向北推覆過(guò)程中，由于受到前方地層的阻擋，為了調(diào)節(jié)應(yīng)力的釋放，在反方向上誘發(fā)了眾多反沖斷層（褶皺調(diào)節(jié)斷層），向下與主逆沖斷層相交,形成大型的基底卷入型構(gòu)造楔（圖2a）。反沖斷層與正向逆沖斷層組合形成突發(fā)構(gòu)造，由于發(fā)育多級(jí)反沖斷層，因而也形成了多級(jí)突發(fā)構(gòu)造。正向高角度逆沖斷層呈現(xiàn)坡坪式斷層的形態(tài)，在前緣與古近系滑脫斷層相交，形成新的小型構(gòu)造楔，之間所夾的逆沖巖片長(zhǎng)度與斷層位移大致相當(dāng),斷夾塊呈復(fù)雜不規(guī)則的多邊形向上隆升,構(gòu)成了昌吉背斜的整體，是典型的背形堆垛式雙重構(gòu)造。昌吉背斜處疊加的復(fù)合構(gòu)造類(lèi)型涵蓋了堆垛式雙重構(gòu)造、構(gòu)造楔和突發(fā)構(gòu)造，并且疊加的復(fù)合構(gòu)造之間也相互疊置，錯(cuò)綜復(fù)雜，至少存在3 個(gè)斷層轉(zhuǎn)折褶皺的疊加，構(gòu)成基底卷入型斷裂體系。昌吉背斜底部的基底拆離斷層向前逆沖傳遞的過(guò)程中，在前緣發(fā)育典型的沖起構(gòu)造，在呼圖壁背斜處發(fā)育一組平行的斷層傾角大于60°的高角度逆沖斷層，再向北可見(jiàn)主逆沖斷層和反沖斷層交匯形成的逆沖三角構(gòu)造。除了在古近系和三疊系發(fā)育滑脫斷層外，白堊系也見(jiàn)順層滑脫斷層，其前緣向上高角度逆沖，但未沖出地表。

BB’剖面中（圖2b），南瑪納斯-瑪納斯背斜之間也發(fā)育有多條大型的正向逆沖斷層，緊鄰山前的大型的正向逆沖斷層相互疊置，構(gòu)成疊瓦狀構(gòu)造，在前緣與大型反沖斷層相交，之間所夾的復(fù)雜不規(guī)則多邊形斷夾塊呈向上隆升狀態(tài)，形成背形堆垛式雙重構(gòu)造，構(gòu)成了南瑪納斯背斜的整體。隱伏的東灣背斜處也發(fā)育多條相對(duì)小型的正向逆沖斷層，形成小型逆沖疊瓦狀構(gòu)造，交于中層和底層兩套滑脫斷層之間，組合形成了正常雙重構(gòu)造樣式。堆垛式雙重構(gòu)造構(gòu)成了山前基底卷入式大型構(gòu)造楔；前方的正常雙重構(gòu)造形成了相對(duì)小型的構(gòu)造楔，楔入到瑪納斯背斜南翼。從基底逆沖到瑪納斯背斜頂部沖出地表的霍瑪吐斷層，同樣作為逆沖疊瓦狀構(gòu)造的一部分，在前方與頂部古近系滑脫斷層相交，并發(fā)育多條分支斷層和反沖斷層，在中-淺部層系形成了小型構(gòu)造楔和“鱷魚(yú)嘴狀”構(gòu)造三角楔，此處的斷層位移超過(guò)逆沖巖片長(zhǎng)度，斷夾塊整體向前（前陸）傾,傾向與整體逆沖方向相同，構(gòu)成前傾雙重構(gòu)造（圖2b）。白堊系也發(fā)育滑脫斷層，其作為霍瑪吐斷裂的分支斷裂，在前緣繼續(xù)發(fā)育分支斷層，與霍瑪吐斷裂又組合成了相對(duì)小型的構(gòu)造楔，該構(gòu)造楔楔入到瑪納斯背斜南翼的中-上層系，其延伸的長(zhǎng)度比下部的構(gòu)造楔長(zhǎng)，這種現(xiàn)象很好的解釋了瑪納斯背斜深部和淺部背斜構(gòu)造高點(diǎn)不一致的現(xiàn)象。在瑪納斯背斜處發(fā)育垂向上明顯的3 層逆沖斷層構(gòu)造?；衄斖聰鄬記_出地表，發(fā)育分支斷層，形成了同向“y”字型逆沖斷層組合；中部發(fā)育“扇形”多級(jí)沖起構(gòu)造，改造著瑪納斯背斜的中部形態(tài)；受大型基底拆離斷層的滑脫影響，在瑪納斯背斜底部層系也形成了多條正向逆沖斷層和反沖斷層的組合，改造著背斜的底部形態(tài)。另外3 個(gè)大型順層滑脫斷層，在垂向上變形的程度也不同，自下而上弧度明顯增強(qiáng)，最頂部的順層滑脫斷層呈“碗”狀，平行于瑪納斯向斜地層。

整體上看，準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段以擠壓構(gòu)造樣式為主，基底拆離斷層、反沖斷層、逆沖疊瓦狀構(gòu)造等錯(cuò)綜復(fù)雜，相互疊置，形成了雙重構(gòu)造、突發(fā)構(gòu)造、構(gòu)造楔等復(fù)合構(gòu)造樣式，改造著3 排背斜構(gòu)造，形成了復(fù)雜的空間斷褶體系。受滑脫斷層向前滑脫的影響，瑪納斯背斜和呼圖壁背斜在遠(yuǎn)離山前地區(qū)發(fā)育，形成了典型的背斜緊閉、向斜開(kāi)闊的構(gòu)造發(fā)育特征。滑脫斷層的存在也使昌吉背斜-呼圖壁背斜、東灣背斜-瑪納斯背斜垂向上展現(xiàn)出明顯的分層特征。

綜合構(gòu)造變形特征分析，認(rèn)為南緣中段山前發(fā)育的三排構(gòu)造的變形程度具有明顯的差異性。第一排構(gòu)造屬于基底卷入型褶皺-沖斷帶；構(gòu)造主要受基底卷入型斷裂體系控制，各種類(lèi)型的復(fù)合構(gòu)造相互疊加，導(dǎo)致垂向分層不明顯；背斜抬升幅度較大，被斷層切割改造明顯，核部和兩翼地層剝蝕嚴(yán)重，屬于典型的斷彎褶皺。第二和第三排構(gòu)造屬于滑脫型褶皺-沖斷帶，主要受順層滑脫型斷裂體系控制，其中第二排背斜構(gòu)造形態(tài)最明顯，第三排背斜構(gòu)造變形程度最低。不同層系的滑脫斷層在前緣發(fā)育各個(gè)方向的分支斷層，切割改造著背斜的形態(tài)，使二、三排背斜垂向上具有明顯的分層特征。第三排背斜在中-深層系表現(xiàn)出微弱的斷彎褶皺的特征，中-淺層系表現(xiàn)出斷展褶皺的特征。整體上看第一排斷褶帶分層不明顯，第二排斷褶帶垂向上分為3 層，第三排斷褶帶垂向上分為2 層。垂向分層特征也表現(xiàn)在背斜構(gòu)造高點(diǎn)在頂、底部層系不一致。自南向北，3 排構(gòu)造變形強(qiáng)度整體表現(xiàn)為由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

3 斷層滑移距定量分析

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)構(gòu)造變形特征，筆者對(duì)上述2 條地震剖面解釋出來(lái)的斷層進(jìn)行了斷層滑移距定量分析。主要斷層的編號(hào)見(jiàn)圖2，斷層的滑移距統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 南緣中段斷層滑移距定量統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Quantitative statistical map of fault slip distance in middle section of south margin

AA’剖面顯示的不同斷層的滑移距相差較大，絕大部分?jǐn)鄬拥幕凭啾憩F(xiàn)出了“由深至淺”逐漸變小的發(fā)育特征。局部大斷裂如FA11 號(hào)斷裂（對(duì)應(yīng)霍瑪吐斷裂），存在較明顯的拐點(diǎn)特征（深藍(lán)色虛線和紫紅色虛線具有不同的斜率），其最大滑移距出現(xiàn)在三疊紀(jì)（T），可達(dá)6 000 m 以上，在白堊紀(jì)清水泉組（K1q）時(shí)期出現(xiàn)較明顯的拐點(diǎn)特征，推斷該類(lèi)斷裂具有多期活動(dòng)的特點(diǎn)，具有繼承性發(fā)育的特征。與AA’剖面類(lèi)似，BB’剖面絕大部分?jǐn)鄬拥幕凭嘁餐瑯颖憩F(xiàn)出了“由深至淺”逐漸變小的發(fā)育特征。局部大斷裂如的FB12 號(hào)斷裂（對(duì)應(yīng)霍瑪吐斷裂）和FB11 號(hào)斷裂，也存在較明顯的拐點(diǎn)特征。FB12 號(hào)斷裂（霍瑪吐斷裂）滑移距拐點(diǎn)兩側(cè)落差較大，可能是在頂部層系的古近系安集海河組滑脫層中?；衄斖聰嗔呀谒巾槍踊瑒?dòng)，又發(fā)育了多條分支斷層和反向逆沖斷層進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使頂部層系的滑移距表現(xiàn)的較?。灰仓甘玖硕嗥诖蔚臉?gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度不一致。

通過(guò)對(duì)2 個(gè)剖面斷層滑移距的定量分析，可以發(fā)現(xiàn)，南緣中段地區(qū)斷裂的滑移距總體是漸變的，“由深至淺”逐漸變小，具有繼承性發(fā)育的特點(diǎn)，很明顯這種滑移距特點(diǎn)受深淺層滑脫層分布的影響。部分主干斷裂滑移距存在一定的拐點(diǎn)，是斷裂多次活動(dòng)有力的證據(jù)。對(duì)比2 條剖面中相同的霍瑪吐斷裂滑移距發(fā)現(xiàn)，AA’剖面處的霍瑪吐斷裂滑移距整體比BB’剖面大很多，表明同一斷層滑動(dòng)的位移量自東向西逐漸減小，反映了準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造變形的東強(qiáng)西弱的特征。汪新偉等（2005）認(rèn)為這一現(xiàn)象可能與逆沖推覆構(gòu)造在推覆過(guò)程中主應(yīng)力面在平面上并非水平而是向東傾斜有關(guān)。由于AA’剖面靠近東部的博格達(dá)山，筆者認(rèn)為這種差異也可能與東部的博格達(dá)山隆升產(chǎn)生的北西向的擠壓分量作用有關(guān)。

由斷層滑移距定量分析認(rèn)為部分大斷裂（如霍瑪吐斷裂）具有多期活動(dòng)性，而這些大斷裂正是形成南緣中段斷層相關(guān)褶皺的主干斷裂。進(jìn)一步分析認(rèn)為，南緣中段發(fā)育的不同類(lèi)型的斷層相關(guān)褶皺之間應(yīng)該具有形成遞進(jìn)的演化關(guān)系，斷滑褶皺是最開(kāi)始的樣式，隨著擠壓位移的進(jìn)一步積累，逐漸演化成斷展褶皺；當(dāng)壓縮量進(jìn)一步增大，斷層突破褶皺繼續(xù)向前滑動(dòng)形成斷彎褶皺?，F(xiàn)今看到的距離盆山交界處較遠(yuǎn)的斷彎褶皺和斷展褶皺很可能是先前形成的斷滑褶皺隨著擠壓的進(jìn)行，逐漸演化形成的，如瑪納斯背斜、呼圖壁背斜。緊鄰山前的第一排背斜，由于研究區(qū)受快速?gòu)?qiáng)大的擠壓推擠作用，可能沒(méi)有經(jīng)歷上述的遞進(jìn)的演化過(guò)程，而是直接形成了斷彎褶皺，或者是這種遞進(jìn)的演化過(guò)程比較迅速，如昌吉背斜、南瑪納斯背斜等。

4 褶皺-沖斷帶相對(duì)形成時(shí)間分析

根據(jù)褶皺構(gòu)造幅度、斷層相關(guān)褶皺的發(fā)育及斷層滑移距的定量分析，總結(jié)3 排斷褶帶的褶皺和斷層沖斷的相對(duì)時(shí)間，以指導(dǎo)接下來(lái)的構(gòu)造演化。

由于第一排斷褶帶中的昌吉背斜和南瑪納斯背斜都表現(xiàn)出了很強(qiáng)褶皺變形，翼部地層陡傾，抬升幅度很大。通過(guò)斷層滑移距分析，發(fā)現(xiàn)第一排斷褶帶周?chē)拇蟛糠謹(jǐn)嗔训幕凭嗌畈繉酉刀急容^大，而淺部層系比較小，推斷第一排斷褶帶的昌吉背斜和南瑪納斯背斜早期很可能是先褶后斷?；状笮透呓嵌饶鏇_斷層也是繼承性發(fā)育，喜山期的強(qiáng)大擠壓作用，促使其向上逆沖與滑脫斷層相交后，構(gòu)成坡坪式逆沖斷層，這個(gè)過(guò)程作為昌吉背斜和南瑪納斯背斜的一翼才表現(xiàn)出邊斷邊褶的特征。大部分?jǐn)嗔训幕凭嗑憩F(xiàn)出“由深至淺”逐漸變小的發(fā)育特征可以證明之后發(fā)生的邊斷邊褶。局部大斷裂如FA11 號(hào)斷裂，斷層滑移距存在明顯的拐點(diǎn)特征，是多次活動(dòng)、邊斷邊褶的有力證據(jù)。昌吉背斜核部發(fā)育斷距相對(duì)較小的褶皺調(diào)節(jié)斷層，也證實(shí)了后期邊斷邊褶的特征。

第二、第三排斷褶帶屬于蓋層滑脫型褶皺-沖斷帶，褶皺變形程度和抬升幅度都比第一排小，第二排斷褶帶中的瑪納斯背斜具有明顯的斷彎和斷展褶皺特征，周?chē)臄鄬踊凭嗑憩F(xiàn)出“由深至淺”逐漸變小的發(fā)育特征，可以證明之后發(fā)生的邊斷邊褶。局部大斷裂如霍瑪吐斷裂，在第二排背斜頂部沖出地表，表現(xiàn)出了斷展褶皺的特征，斷層滑移距存在較明顯的拐點(diǎn)特征，也是多次活動(dòng)、邊斷邊褶的有力證據(jù)。屬于第三排斷褶帶的呼圖壁背斜在底部層系具有滑脫褶皺特征，褶皺幅度很低，受滑脫斷層影響，可能最初的時(shí)候表現(xiàn)為斷層先于褶皺的形成特征；中-淺部層系為斷展褶皺，具有邊斷邊褶的特征。

綜合分析認(rèn)為研究區(qū)山前發(fā)育的基底大型逆沖斷裂是先存斷裂，發(fā)育在早期，之后才隨構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行繼承性發(fā)育。基底卷入型褶皺-沖斷帶（第一排斷褶帶）是褶皺作用發(fā)生在逆沖斷裂之前，后期才表現(xiàn)出邊斷邊褶的發(fā)育?；撔婉薨?沖斷帶（第二和第三排斷褶帶）是沖斷作用和褶皺同時(shí)或沖斷作用先于褶皺形成，即褶皺的形成和發(fā)育過(guò)程都受到相應(yīng)逆沖斷裂的控制。

5 構(gòu)造演化史分析

前寒武紀(jì)以來(lái)，研究區(qū)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，晚古生代石炭紀(jì)是該區(qū)最重要的板塊拼貼碰撞和陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期（方世虎等，2004a，2004b；徐學(xué)義等，2005）。侏羅紀(jì)早期，準(zhǔn)平原化的天山地區(qū)處于板內(nèi)伸展作用階段（舒良樹(shù)等，2004）。高精度地震資料和巖漿活動(dòng)分析結(jié)果也顯示了早侏羅世該地區(qū)處于弱伸展環(huán)境（陳發(fā)景等，2005；何登發(fā)等，2018）。中侏羅世—晚侏羅世，受周緣板塊調(diào)整影響，盆地轉(zhuǎn)入擠壓應(yīng)力背景，造成腹部發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)（何登發(fā)等，2018），使得侏羅紀(jì)經(jīng)歷了伸展-擠壓的轉(zhuǎn)換旋回。陳正樂(lè)等（2006）通過(guò)隆升剝蝕和磷灰石裂變徑跡測(cè)年發(fā)現(xiàn)天山造山帶在晚中生代發(fā)生了顯著的構(gòu)造-熱事件作用，存在明顯地快速隆升現(xiàn)象，也證實(shí)了晚侏羅世，盆地轉(zhuǎn)入擠壓構(gòu)造背景。白堊紀(jì)，研究區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)甚微，為構(gòu)造穩(wěn)定發(fā)展階段（郭召杰等，2006；姜顏良等，2021）。古近紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地在地殼均衡撓曲作用下繼續(xù)發(fā)展（漆家福等，2008）。漸新世晚期，南緣擠壓構(gòu)造活動(dòng)開(kāi)始加強(qiáng)（侯蓉等，2017）。新近紀(jì)，受印度板塊和歐亞大陸板塊遠(yuǎn)程碰撞作用的影響，北天山開(kāi)始快速隆升，使南緣地區(qū)處于較強(qiáng)的擠壓應(yīng)力背景（賈承造等，2003；漆家福等，2008；侯蓉等，2017）。第四紀(jì)，喜山運(yùn)動(dòng)晚期的強(qiáng)烈造山作用，使盆地周邊處于劇烈的擠壓應(yīng)力背景下（賈承造等，2003；漆家福等，2008；侯蓉等，2017）。

在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)橫跨南緣中段的2 條典型地震解釋剖面（AA’和BB’剖面）進(jìn)行平衡剖面恢復(fù)（圖4、圖5）。從平衡演化剖面中可以看出，古生代石炭系為研究區(qū)直接基底，沉積基底穩(wěn)定，升降運(yùn)動(dòng)比較緩慢，AA’剖面基底處存在先存的古隆起構(gòu)造，導(dǎo)致之后沉積的二疊系、三疊系順勢(shì)披覆在先前形成的石炭系古隆起之上。早侏羅世，研究區(qū)處于伸展應(yīng)力背景，在伸展環(huán)境下發(fā)育了小型的高角度正斷層，控制著侏羅系的沉積。中侏羅世—晚侏羅世，研究區(qū)經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的擠壓作用，使靠近山前的地層發(fā)生褶皺變形，昌吉背斜和南瑪納斯背斜（第一排背斜）形成，伴隨著地殼快速抬升，地層遭受風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，致使背斜頂部的喀拉扎組（J3k）剝蝕殆盡露出中侏羅統(tǒng)（J2）?；紫却鏀嗔言诖舜螖D壓作用下，發(fā)生逆沖復(fù)活，切穿侏羅系，在三疊系中順層滑脫，BB’剖面中的三疊系滑脫斷層在前緣形成微弱的滑脫褶皺，形成瑪納斯背斜（第二排背斜）的雛形。早侏羅世，伸展作用形成的小型高角度正斷層也在擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，并延伸至逆沖斷裂之上。該時(shí)期發(fā)育的基底卷入式逆沖斷層剖面上構(gòu)成逆沖疊瓦狀構(gòu)造。石炭系，基底作為大型基底卷入型構(gòu)造楔由南向北楔入，使南緣沉積的地層發(fā)生明顯的掀斜，超覆在石炭系基底之上。白堊紀(jì)，研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，繼承了晚侏羅世的構(gòu)造面貌。

圖4 昌吉背斜-呼圖壁背斜平衡演化剖面（剖面位置見(jiàn)圖1 中的AA’）Fig.4 Equilibrium evolution profile of Changji anticline-Hutubi anticline (Profile position is shown as AA’ in Fig.1)

圖5 南瑪納斯背斜-瑪納斯背斜平衡演化剖面（剖面位置見(jiàn)圖1 中的BB’）Fig.5 Equilibrium evolution profile of south Manas anticline-Manas anticline (Profile position is shown as BB’ in Fig.1)

古近紀(jì)，由于印度板塊與歐亞大陸板塊的遠(yuǎn)程碰撞作用，導(dǎo)致天山再次隆升，南緣地區(qū)靠近山前的昌吉背斜和南瑪納斯背斜（第一排背斜）隆升幅度進(jìn)一步增加，構(gòu)造更加緊閉，核部地層抬升剝蝕嚴(yán)重。BB’剖面中的瑪納斯背斜（第二排背斜）形成明顯的輪廓。隨著擠壓的進(jìn)行基底逆沖推覆斷層傾角逐漸變緩，大型基底卷入型構(gòu)造楔的楔入使地層發(fā)生的掀斜超覆更加明顯。

新近系沉積時(shí)期，上新世是準(zhǔn)南前陸盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍的時(shí)期，受喜山運(yùn)動(dòng)的影響，北天山開(kāi)始大幅度隆升并向盆地內(nèi)部逆沖推覆，促使基底卷入型構(gòu)造楔繼續(xù)向前推進(jìn)，第一和第二排背斜的構(gòu)造隆升幅度和褶皺變形進(jìn)一步增強(qiáng)。為了調(diào)節(jié)擠壓過(guò)程中遇到的反沖阻力，反向逆沖調(diào)節(jié)斷層在褶皺內(nèi)部大量發(fā)育，吸收了大量的擠壓活動(dòng)量，第一排背斜頂部的表皮構(gòu)造的完整性被破壞，第二排背斜底部層系的核部地層被切割改造。此時(shí)期深部的基底卷入式斷裂突破侏羅系，在白堊系吐谷魯群中發(fā)生滑脫沖斷，基底逆沖推覆斷層不斷向前傳播，AA’剖面中的呼圖壁背斜（第三排背斜）的雛形也逐漸形成。

第四紀(jì)處于喜山運(yùn)動(dòng)晚期，再生前陸盆地發(fā)育劇烈，天山隆升劇烈，受巨大的擠壓應(yīng)力作用，南緣地區(qū)的第一排背斜變形強(qiáng)烈，地層縮短幅度明顯增大，兩翼地層變的更加陡傾，反沖斷層和小型構(gòu)造楔大量發(fā)育，改造著背斜的形態(tài)。AA’剖面白堊系滑脫層中發(fā)育的滑脫沖斷層繼續(xù)向前滑動(dòng)，在前方向上逆沖，使呼圖壁背斜（第三排背斜）形成明顯的輪廓；BB’剖面白堊系和古近系中的滑脫斷層在前方?jīng)_出地表，也發(fā)育了眾多反沖斷層改造著瑪納斯背斜的形態(tài)。筆者對(duì)AA’、BB’剖面的地層伸展壓縮量和伸展壓縮率了進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖6），對(duì)比發(fā)現(xiàn)AA’剖面的各個(gè)時(shí)期的地層縮短量和地層總縮短量都大于BB’剖面（圖6a），即AA’剖面所在位置遭受的來(lái)自南部天山隆升的擠壓程度更大，表現(xiàn)出從西向東逐漸增大的變化趨勢(shì)。與之前的斷層滑移距所表現(xiàn)出的構(gòu)造變形東強(qiáng)西弱的特征一致。從各個(gè)時(shí)期伸展壓縮量和伸展壓縮率可知喜山期是研究區(qū)構(gòu)造擠壓最為強(qiáng)烈的時(shí)期，特別是第四紀(jì)至今的構(gòu)造擠壓，2 個(gè)剖面的地層壓縮量都在5 km 以上，壓縮速率都在2.5 km/Ma 以上；侏羅紀(jì)末期的構(gòu)造擠壓也較為明顯，顯示了燕山晚期的較強(qiáng)運(yùn)動(dòng)。

圖6 AA’與BB’剖面地層壓縮量和壓縮速率圖Fig.6 Stratigraphic compression and compression rate maps of AA’ and BB’ sections

6 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)

構(gòu)造物理模擬是一種能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造變形過(guò)程，定量-半定量分析變形結(jié)果和地質(zhì)構(gòu)造成因機(jī)制的實(shí)驗(yàn)技術(shù)（陳竹新等，2018）。通過(guò)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)可以直觀分析不同應(yīng)力背景下形成的各類(lèi)構(gòu)造的形成演化過(guò)程，也可以預(yù)測(cè)實(shí)際地質(zhì)中可能出現(xiàn)的構(gòu)造；推測(cè)地震資料品質(zhì)較差的構(gòu)造變形特征，為地震資料解釋提供實(shí)驗(yàn)上的解譯模板，還可作為驗(yàn)證平衡剖面恢復(fù)合理性的手段。為了探究南緣中段山前帶構(gòu)造的變形機(jī)制，本節(jié)以圖2 中AA’地震剖面構(gòu)造解釋方案為地質(zhì)模型，進(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，以期很好的再現(xiàn)研究區(qū)山前斷褶帶的形成演化過(guò)程。

依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，按照相似性原理，本次實(shí)驗(yàn)采用力學(xué)性質(zhì)完全一致，不同顏色的干燥石英砂（粒徑為0.2～0.6 mm）（內(nèi)部摩擦力小、流動(dòng)性中等）模擬山前帶的沉積巖層，使用硅膠（內(nèi)部摩擦力極小、流動(dòng)性極強(qiáng)）模擬煤層及膏鹽巖滑脫層。實(shí)驗(yàn)沙箱規(guī)格為75 cm（長(zhǎng)）×25 cm（寬）×30 cm（高），鋪設(shè)三層硅膠模擬研究區(qū)發(fā)育的3 套滑脫層，地層總厚度設(shè)置為5 cm，相似比為5×10—6。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用單側(cè)擠壓，移動(dòng)端（左端）以特定的速率向右推進(jìn)，模擬自然界中的構(gòu)造擠壓，采用中等的擠壓速率（0.002 5 mm/s），整個(gè)過(guò)程不考慮沉積與剝蝕。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，選擇模擬效果較好的一組進(jìn)行說(shuō)明（圖7）。在擠壓距離為2 cm 時(shí)，第一排背斜形成，并在背斜的右側(cè)形成高角度逆沖斷層。當(dāng)擠壓距離達(dá)到4 cm 時(shí)，發(fā)育多條逆沖斷層，剖面上形成逆沖疊瓦狀構(gòu)造，底部滑脫斷層也在發(fā)育，第一排背斜的構(gòu)造幅度增大。擠壓距離為6 cm 時(shí)，高角度正向逆沖斷層發(fā)育反沖斷層，第一排背斜的構(gòu)造幅度進(jìn)一步增大。當(dāng)擠壓距離為9 cm 時(shí)，頂部層系發(fā)育順層滑脫斷層，部分逆沖斷層被頂部滑脫層阻擋，未向上傳播；滑脫斷層向前滑脫形成第二排背斜；第一和第二排背斜存在明顯的前翼陡后翼緩的特征。繼續(xù)擠壓，當(dāng)擠壓距離達(dá)到14 cm 時(shí)，第一排背斜構(gòu)造形態(tài)更加緊閉，第二排背斜構(gòu)造幅度增大，前緣的正向逆沖斷層向前逆沖，沿滑脫層傳播至地表形成第三排背斜的雛形。當(dāng)擠壓距離為16 cm 時(shí)，第三排背斜輪廓更加明顯，構(gòu)造幅度也進(jìn)一步增大，逆沖斷層和滑脫斷層相交疊加形成構(gòu)造三角楔；背斜之間的向斜呈明顯的開(kāi)闊狀，背斜則相對(duì)緊閉，剖面上形成隔槽式褶皺組合樣式，斷層平面上呈近乎平行的發(fā)育特征。

圖7 擠壓變形構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Physical Simulation Experiment Results of Compression Deformation Structure

根據(jù)以上對(duì)南緣中段典型地質(zhì)剖面進(jìn)行的構(gòu)造物理模擬發(fā)現(xiàn)，地層在單向擠壓應(yīng)力作用下，形成了3 排近乎平行的構(gòu)造帶，其中第一排及第二排的褶皺主要為后翼緩、前翼陡，并伴有地層倒轉(zhuǎn)的斷層相關(guān)褶皺特征，第三排褶皺初步形成，還未發(fā)生地層倒轉(zhuǎn)。這與實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象中南緣中段地區(qū)的三排構(gòu)造帶有很好的對(duì)應(yīng)性。斷層在滑脫層中向前傳播并沖出地表的現(xiàn)象也和霍瑪吐斷層具有較強(qiáng)的相似性，同時(shí)滑脫層上下的構(gòu)造差異性也通過(guò)構(gòu)造物理模擬進(jìn)行了還原。整體上看，該組構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象有較高的相似性，很好再現(xiàn)了研究區(qū)山前斷褶帶的形成演化過(guò)程。

7 結(jié)論

（1）南緣中段山前褶皺的發(fā)育受斷層的控制，第一排背斜受控于基底卷入型斷裂體系，第二、三排背斜受控于順層滑脫型斷裂體系，構(gòu)造具有形成遞進(jìn)的演化關(guān)系，相互疊加形成多種類(lèi)型的復(fù)合構(gòu)造樣式。3 排構(gòu)造的變化幅度相差較大，自南向北，變形強(qiáng)度整體表現(xiàn)為由強(qiáng)變?nèi)?；形態(tài)上整體呈南緩北陡的不對(duì)稱狀，垂向上具有明顯分層特征。

（2）斷層滑移距定量分析認(rèn)為，研究區(qū)斷層滑移距總體是漸變的，“由深至淺”逐漸變小，具有繼承性發(fā)育的特點(diǎn)。部分大斷裂滑移距存在明顯拐點(diǎn)，是斷裂多期次活動(dòng)的有力證據(jù)。主干斷裂滑動(dòng)位移量及地層縮短量自東向西逐漸減小，也反映了南緣中段構(gòu)造變形東強(qiáng)西弱的特征。

（3）研究區(qū)山前帶基底大型逆沖斷裂是先存斷裂，后期繼承性發(fā)育；基底卷入型褶皺-沖斷帶是褶皺作用發(fā)生在逆沖斷裂之前，后期才表現(xiàn)出邊斷邊褶特征；滑脫型褶皺-沖斷帶是沖斷作用和褶皺同時(shí)或沖斷作用先于褶皺形成。

（4）侏羅紀(jì)末期的較強(qiáng)烈的擠壓運(yùn)動(dòng)，使南緣第一排背斜形成，第二排背斜初具雛形；古近紀(jì)末期，受印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞作用的影響，第一排背斜隆升幅度增大，第二排背斜形成明顯的輪廓；新近紀(jì)末期，天山快速隆升，第一、二排背斜被斷層改造明顯，第三排背斜形成；第四紀(jì)-今，強(qiáng)大的擠壓作用使3排背斜被斷裂強(qiáng)烈改造。