准噶尔盆地南缘中段构造的平衡剖面研究.docx

1、2008年10月29卷5期：563-570地球学报ACTAGEOSCIENTICASINICAOct,200829(5):563-570准噫尔盆地南缘中段构造的平衡剖面研究程光锁山东地质科学实验研究院，山东济南250013摘要笔者以平衡削面理论为指导，利用平衡剖面反演技术,研究了准喝尔盆地南缘中段3条代表性剖面构造的几何学、运动学与发育史。研究表明准鸣尔盆地南缘中段山前冲断带构造变形强度由北到南整体表现为由弱变强，反冲断层位移逐渐增大、反冲断层所滑脱的层位亦逐渐加深。纵向上划分为基底卷入型郴皱一冲断带和滑脱型郴皱一冲断带；在横向上不同构造带之间通过相邻构造的变形样式和滑脱层位的渐变实现位移的传

2、递、转换和互补，从而保持精皱一逆冲断层累计缩短量沿走向有规律的渐变关系。关键词准踢尔盆地南缘；平衡剖面；构造运动学；稀皱一冲断带中图分类号：P542文献标识码:A文章绢号：1006-3021（2008）05-563X）8AStudyoftheBalancedSectionsoftheStructureintheCentralPartofSouthernJunggarBasinCHENGGuangsuoShandongGeosciencesandTestsInstitute,Jinan,Shandong250013AbstractBasedonthetheorybalancedsection,t

3、heauthorprobedintostructuralgeometry,kinematicsandstructuralhistoryofthreetypicalsectionsinthestudyareabyusingtheinversiontechniqueofbalancedsection.ItisshownIhatthefold-thrustzoneinthecentralpartofsouthernJunggarBasincanbelongitudinallydividedintotwoparts,namelythebasement-involvedbeltandthedcollem

4、entbelt.Thestructurehasthecharacteristicsthatdisplacementofthebackthrustincreasesandilsdetachedhorizondeepensgraduallyfromnorthtosouth.Inthelatitudinaldirection,theconversionofregionalshorteningstrainischangedregularlyduringthecompressionaldeformationthroughthetransferandcomplementarityofthedisplace

5、ment.KeywordssouthernJunggarBasin;balancedsection;structuralkinematics;fold-thrustzone平衡剖面技术是现代地学领域的一项重大成就,在构造地质、石油地质与勘探以及盆地模拟应用方面，被国内外地质学家和勘探学家作为一种模型解释的重要工具（刘光炎等，1995）。最早出版的一批平衡剖面是由研究加拿大落基山前陆地区的Bally等（1966）编制的。所谓平衡剖面是指可以把剖面上的变形构造通过几何学原则全部复原成合理的未变形状态的剖面。平衡剖面要求剖面线平行于构造运动方向，即垂直于构造带的走向，其基本约束条件是变形前后物质的守

6、恒（伍德华特等J991；刘学锋等,2004）。平衡剖面技术20世纪90年代已广泛应用于国内主要含油气盆地的研究（刘学锋等,1998；张功成等,1999；苏惠等,2000；颜丹平等,2003）0笔者在野外调查、以往成果以及最新的勘探资料的基础上,基于平衡剖面技术开展准嘻尔盆地南缘中段构造演化史研究,以此揭示山前断褶带、四棵树凹陷和昌吉凹陷构造的演化过程与发育历史，并通过缩短量和缩短速率的定量分析揭示深层本文由中国石油化工股份有限公司西部新区勘探指挥部资助项编号：XBKT2004KY03003）资助。收稿日期：2008-01-16；改回日期：2008-06-l3o责任编辑:刘志强。第一作者简介：程

7、光锁.男.1969年生，高级工程师，主要从事构造和矿产方面的研究:通讯地址：250013,山东省济南市历下区历山路52号；电话E-mailzchrngguanRsuo图1研究区及剖面位置图Fig.1Ixx?ationsofthestudyareaandcrosssectionsQ第四系；N-新近系；E-古近系；K-白票系;J-侏罗系;T-三登系；P.二柔系;C-石炭系;D-泥盆系;-独山子背斜;-哈拉安德背斜；安集海背斜;-霜尔果斯背斜;-玛纳斯背斜;吐谷将背斜;-南安集海背斜;-南玛纳斯背斜;-齐古背斜;昌吉背斜;I-齐古一呼图壁剖面；口-塔西河剖面；DI南玛纳

8、斯一玛纳斯剖面；N-宁家河剖面；V-金沟河剖面；VI-巴音沟一独山子剖面Q-Quatemary；N-Neogene；E-Paleogene；K-Cretaceous；J-Jurassic；T-Triassic；P-Permian；C-Carl>onifen)us；D-Dcvonian:-Dushanzhianticline；-Halaandcanticline；-Anjihaianticline；-Huoerguosianticline；-Manasianticline；-Tuguluanticline；(J)-Nananjihaianticline；-Nanmanasianticlin

9、e；-QiguanticlinejOO-Changjianticline；I-Qigu-llutubisection:II-Taxihcsection；ID-Nanmanasi-Manasisection；IV-Ningjiahesection；V-Jingouhesection;VI-Bayingou-Dushanzisection构造的活动强度及其对盆地演化。1区域地质概况准喝尔盆地南缘中段位于北天山北侧的准腐尔盆地南缘，东至乌鲁木齐以乌鲁木齐一福海隐伏断层为界，西至巴音沟，北部到安集海、呼图壁一带。构造单元为山前断褶带、四棵树凹陷和昌吉凹陷，为准喝尔盆地的二级单元。地表为构造显露、不同层

10、系地层变形明显、遭受不同程度剥蚀的分布地区。一般经历了从坳陷到变形改造、构造带向北扩展的发育过程。其开始发育于二叠纪，经历了海西晚期、印支期、燕山期和喜山期的叠加成盆作用和构造活动叠加与改造;但活动最剧烈并最终定型的是喜山期北天山向盆地方向的强烈逆冲一推挤作用（方世虎等,2005；哭孔友等,2005；何登发等,2005）。构造变形一般表现为靠近山前的逆冲一槽皱构造带活动期较早、多具有厚皮构造特点；向盆地北侧逐渐扩展，多具有薄皮构造特征;它们与南侧的造山带一起组成完整的逆冲一推覆构造系统（陈新等,2002；李铁军,2004）o研究区出露最老的地层为下石炭统沙大王组，由南向北、由老至新，依次出露自

11、石炭系以来的地层。其中，二登纪以来的地层属陆内沉积盖层,石炭系则为陆相盆地的基岩地层。二叠纪以来的沉积盖层出露较为完整，U前这些地区是准喝尔盆地南缘深层油气勘探的重要区块（罗晓容等,2004）（图I）。2平衡剖面复原方法及复原剖面选取从目前的研究现状来看,平衡剖面根据不同的地质情况采用岩层长度或面积、体积变形前后不变的原则，将变形剖面推演到原始沉积地层状态的剖面或从原始沉积地层剖面依据变形原理演绎到变形的剖面。平衡剖面应该是一条比较合理的剖面，但不定真实。因为它满足了大址合理的限制条件,因而也是更严谨的更接近真实的剖面。因此一条未作平衡检验的剖面是不可信的，一条难以平衡的剖面则是错误的，条平衡

12、的剖面能够反映可信度较高的地质构造C平衡地质剖面模拟方法有两种，一种为正演法另种为反演法。笔者采用反演法，所谓反演是从解释剖面出发将解释出的变形剖而退变形,在退变形的每一个阶段检验退变形的复原剖面在儿何学上的合理性，并通过不断修改原始解释剖面使最终解释结果在理论上具合理性，在实践上具有真实性。根据以上原理确定本区的工作原则为:选择剖面线:剖面的平衡方法要求剖面线平行于逆冲运动的方向,通常是用区域构造线的平均走向来确定。一般所选择剖面线要祇肖于主要断层、主体帮皱的走向；剖面中H要标志层（能干层）的长度保持一致,若标志层的长度不-致，则其中必有断层或滑脱面;断层一盘中的地层应在另一盘地层中找到对应

13、层，并沿同一断层的断距应相等;断层向上切割地层，般是老地层逆冲于新地层之上，断面-般向下变缓，最终交会于主滑移面上。前已述及，用于平衡剖面复原的地质剖面应尽可能平行于构造运动方向，即垂直于构造带的走向。且穿过要构造发育区，由此获得的构造演化剖面才能反映七要构造的发育史，相应的缩短量才能反映区域应力作用F的最大形变量。准唱尔盆地南缘中部构造发育期的区域应力场为近SN向，因此笔者选取与近EW向构造线近于垂直的SN向构造剖面作为平衡剖面夏原的原始剖面，同时考虑尽可能揭示区内主要构造；以相关的地震剖面解释为主结台地表出露地层情况，在准喝尔盆地南缘西部沿逆冲挤压方向编制了3条有代表性的近SN向区域平衡地

14、质剖而，即巴音沟一独山了地质剖面；南玛纳斯一玛纳斯地质剖而；齐占一呼图壁地质剖面用于平衡剖而复原及反演，同时参考塔西河地质剖面、宁家河地质剖面、金沟河地质剖面的数据（6条构造剖面的位置见图1）。其中，齐古一呼图壁和南玛纳斯一玛纳斯地质剖面线穿过山前断褶带和昌吉凹陷，巴音沟一独山子地质剖面穿过山前断褶带和四棵树凹陷。3典型剖面的平衡恢复与地质分析3.1齐古一呼图壁平衡剖面该剖面北段穿过呼图壁背斜、中段过吐谷鲁背斜、南段过齐古背斜和山前斜坡带;剖面中主要存在两个主滑脱面，上部主滑脱面为古近系安集海组底部泥岩，下部主滑脱面位于侏罗系下部（图2）。其中在齐占背斜处出露最老的地层为侏罗系，吐谷曾背斜处为

15、上更新统；主滑脱面为古近系安集海组泥岩内部。该剖面分为两个体系（部分）：齐占北断层为基底卷入式，几何形态为座椅状;南部和上部沿滑脱面的反冲断层共同构成冲断层楔形体（ThrustWedge），楔形体被齐占断层逆冲形成基底卷入式断展褶皱（Fault-PropagationFault），隆起背斜核部遭受剥蚀出露侏罗系地层；中部沿滑脱面前冲，在滑脱面上部形成宽缓向斜，构造样式为大型背冲型冲凹构造（PopDown）；北部在吐谷鲁背斜处切断上更新统出露地表,形成滑脱型断展褶皱，背斜顶部剥蚀较小，两翼产状相背；呼图壁背斜为顺层滑脱型断展褶皱，在侏罗系底部煤系地层滑脱，形成少量:的登瓦断片，大多仅切割侏罗系地

16、层;-条较大的逆冲断层冲断侏罗系、白垩系和古近系，形成宽缓的隐伏背斜;侏罗系底部滑脱面向南并没有和齐古北断层相连，而是沿煤系地层向南逐渐延伸。以侏罗系地层为标志层进行变形前后的剖面对比，变形后的剖面长度为68.50km,变形前的剖面长度为81.40km,地层总体变形缩短址12.90km.吐谷鲁背斜6.30km,齐古背斜及博尔通一清水河反冲断层6.20km；呼图壁背斜的逆断层断距和背斜隆起幅度均很小,约0.40km,缩短鼠为15.85%。3.2南玛纳斯一玛纳斯平衡剖面该剖面北段切过玛纳斯背斜，南段切过南玛纳斯断背斜及山前斜坡带，中段切过玛纳斯南向斜及其F方的隐伏的东湾背斜带（图3）。剖而玛纳斯背

17、斜处出露最老的地层为古近系安集海组，南玛纳斯背斜处出所大片的下白垩统地层。存在两个滑脱面，即古近系安集海组泥岩内部和下侏罗统底部含煤层内。断层沿安集海组泥岩滑脱面在玛纳斯背斜和南玛纳斯背斜处分别形成倾向相反的断展褶皱,中间形成大型背冲型冲凹构造，在玛纳斯背斜和南玛纳斯背斜处断展褶皱隆起抬升遭受剥蚀，在地表仅剩下上盘的下部单斜地层。而沿下侏罗统底部含煤岩系滑脱面也发育r一些断展槽皱，形成了又一层次的构造滑脱，两个滑脱面构成顶底板逆冲断层和夹在它们之间的逆冲登瓦断片，组成倾向后陆的双重:构造（DuplexStructure），中间的断片大小不一，前陆钉线前陆钉线L前陆钉线(a)现今地震地质解释剖血

18、(b)平衡剖面复原图图2齐古一呼图壁平衡地质剖面及反演图(剖面位置见图1I)Fig.2Qigu-Hutubibalancedgeologicalsectionsandinversions(forsectionlineseeFig.11)且位移量较小，断片内地层呈缓波状隆起，形成东湾隐伏背斜。在双重构造的后部，早期的逆断层为基底卷入式，切断侏罗系及下伏地层，和侏罗系上部的反冲地层组合成冲断层楔形体。在双重构造的前部继续沿下侏罗统底滑脱面向前逆冲形成多条分支盲逆冲断层，为前展式叠瓦扇。以白垩系地层为标志层进行变形前后的剖面对比，变形后的剖面长度为35.70km,变形前的剖面长度为44.70km,总

19、体地层缩短景：9.06km；其中玛纳斯背斜5.40km,变形缩短量为20.13%o玛纳斯背斛.(a)现今地震地质解释剖血由玛纳斯背削一前陆钉线图3南玛纳斯一玛纳斯平衡地质剖面图(剖面位置见图】ID)Fig.3Nanmanasi-Manasibalancedgeologicalsections(forsectionlineseeFig.1皿)(a)现今地震地质解祥剖面前陆钉线地衣剥蚀线'、独山了背斜/-4-6-8(b)平衡削血成原图图(a).(b)为同比例尺Fig(a).(b)lorthesamescale深度/km图4巴音沟一独山子平衡地质剖面图(剖面位置见图IV)Fig.4Bayin

20、gou-Dushanzibalancedgeologicalsections(forsectionlineseeFig.1VI)3.3巴音沟一独山子构造剖面该剖面北段切过独山子背斜和奄屯南背斜，南段切过巴音沟推覆构造(图4)。主滑脱面为下白垩统吐谷鲁群泥岩。该剖面构造样式较为丰富。根据平衡剖面制作、结合重力航磁资料解释，下部形成倾向后陆的双重构造，由3个叠瓦断片组成，登瓦断片逆冲位移逐渐向北减少;底板在前侏罗系呈低角度台阶式自巴音沟向北逆冲到奎屯南部，最北侧的奎对应编号剖面名称变形后长/km处原后K/km墙短做/km缩短率/%变化趋势VI巴音沟一独山子49.6057.207.6013.29小.

21、V金钩河48.8258.579.7516.34IV宁家河39.8550.9511.1021.78大1in南玛纳斯一玛纳斯35.7044.709.0620.13it塔西河49.0057.508.5014.781齐古一呼图壁河68.5081.4012.9015.85小对应编号剖面名称变形后长/km处原后K/km墙短做/km缩短率/%变化趋势VI巴音沟一独山子49.6057.207.6013.29小.V金钩河48.8258.579.7516.34IV宁家河39.8550.9511.1021.78大1in南玛纳斯一玛纳斯35.7044.709.0620.13it塔西河49.0057.508.5014.

22、781齐古一呼图壁河68.5081.4012.9015.85小表1准嘻尔盆地南缘中段地区平衡剖面的缩短Table1ShorteningsofbalancedsectionsinthecentralpartofsouthernJunggarBasin屯南背斜的形态为隐伏宽缓。主滑脱而在独山子背斜处切穿新生代地层，浅层为高陡断展背斜，冲向前陆的型式断层上部较陡，背斜发布于断层上盘并发育次级反向断层，为复杂的“Y”字形背冲冲起构造。剖面南部巴音沟逆冲推覆构造使石炭系推覆在新近系之上，造成白垩系以来的地层抬升剥蚀并与独山子逆冲断层沿滑脱面上方形成大型冲凹向斜构造。以侏罗系地层为标志层进行变形前后的剖面

23、对比，变形后的剖面长度为49.60km,变形前的剖面长度为57.20km,地层总体水平缩短量7.60km,其中独山子背斜4.43km；变形缩短量为13.29%。4构造运动学分析与讨论据邓起东等（1999）沿金沟河、宁家河、塔西河作了3条平衡剖面及其复原图，以独山子组（NM）顶面为标志，求得滑脱面（侏罗系底）以上的地壳缩短址分别为9.75km、ll.10km.8.50km。将此结果与前述的3条剖面相对比可知，准喝尔盆地南缘中段的地壳变形缩短量变化范围为7.0013.00km,缩短率约13%22%。缩短率的变化趋势是：中部地区玛纳斯和宁家河一带最大，由此向东、西两侧地壳水平总缩短量相对减少，呈渐变

24、关系（表1）o同时构造变形样式由西至东也存在渐变关系。从南安集海一南玛纳斯段发育反向逆冲断层形成对向冲凹断块、清水河子一齐古段发育的齐古楔入体、昌吉一喀拉扎段发育的喀拉扎三角带以及各段反冲断层所滑脱的层位，反映了反冲断层从西向东反冲的位移逐渐增大、反冲断层所滑脱的层位亦逐渐加深（占近系一中侏罗统一下侏罗统）的特征。在准喘尔盆地南缘中段平衡地质剖而及复原图的基础上选取第二排构造带的霍尔果斯一玛纳斯一吐谷鲁背斜带进一步编制了地层断距图解（图5）。3个背斜构造呈近于平行的错列状态，分别受其主干逆冲断层控制，并形成与逆冲断层相关的断展背斜；由断层上盘、卜盘切层线构成的地层断距图解可以清楚的看出，单条断

25、层都是中间地层断距最大，两侧逐渐减少、消失;但是3条主干断层首尾相互登置的地层断距部分相加，近似等于单条断层的最大断距，从而保持地层断距位移量基本一致。因此在3条断层之间形成了断层位移的互补、传递，并形成以向斜过渡的变换构造，各断层和褶皱的缩短量（构造变形量:总和）、断层位移总和应该相等或渐变，在断层的叠置部位，位移从一条断层转换到与之相邻的另一条断层之上，由此保持褶皱一逆冲断层缩短量（累计总位移）沿走向近似相等或渐变。对以上3条平衡地质剖面的反演、剖面缩短量、缩短率数据的分析以及霍尔果斯一玛纳斯一吐谷鲁背斜带断层地层断距图解分析表明，山前冲断带的冲断一推覆以前展式为主。在准嘴尔南缘中段，基底

26、卷入型褶皱一冲断带是最靠近山前的第一排构造，多形成基底断裂和厚皮构造，构造主要发育期为燕山期，并在此后的构造运动中表现很强的活动性，以隆起高、断裂褶皱极为发育为主要特征。此构造带北侧常发育深大断裂，活动时期早、长、断达层位高,断距大（如南安集海一齐古北断裂）。这些深大断裂自侏罗纪末期开始强烈活动，导致其南侧的褶皱一冲断带侏罗系沉积之后快速隆起上升，造成该构造带抬升幅度大、基岩埋藏浅，中生界地层广泛出籍地表。背斜构造多呈线型，两翼地层陡倾一直立，构造幅度大，多以断裂相伴。滑脱型褶皱一冲断带包括第二排、第三排构造带等,与基底卷入型裕皱一冲断带相比，其构造形成较晚，主要发育期为喜III晚期。这些构造

27、的地表出露地层较新，多为新生代地层;构造多为长轴背斜，深浅层构造形态不一致，浅层构造较陡、深层构造较缓。构造变形强度由南到北整体表现为由强变弱。由南向北构造高度逐渐下降、隆起幅度逐渐减小，最后变为平缓的潜伏背斜。第二排构造形成于上新世末至早更新世初，在早更新世末至中更新世又经历了强烈活动;第3排构造形成J早更新世末、中更新世之前，为现代活动构造。沿走向方向002004?06008?020406(1080.0/km20.0；(b)-立探尔果斯卜切地玛纳斯卜盘切层线:10.0-NN:EK崔尔米斯上盘切层线玛纳斯上盘切层线叶谷曾上盘切层线K"-J一J-TT.PP:图5霍尔果斯一玛纳斯一吐谷

28、件背斜带之间的断距分布与纵向变换构造Fig.5FaultdisplacementandverticaltransferstructureofIluocrguosi-Manasi-Tuguluoanticline(a)-平面构造纲要图;(b)-对应主断层的地层一断距图解(阴影部分为地层断距)(a)-simplifiedregionalgeologicalmap；(b)-strata-faultdisplacementofthemainfault(theshadowareasignifiesstratigraphicthrow)变形方式自南向北从拄瓦状逆冲向滑脱挤压过渡。5结论(1) 准嘴尔盆地南

29、缘中段的地壳变形缩短量变化范围为7.0013.00km,缩短率约13.0%22.0%。缩短率的变化趋势是：中部地区玛纳斯和宁家河一带最大，由此向东、西两侧地壳水平总缩短最逐渐减少。在该区构造的叠置部位，通过相邻构造的变形样式和滑脱层位的渐变实现位移的传递、转换和互补，从而保持横向上槽皱一逆冲断层累计缩短最沿走向有规律的渐变关系。(2) 准喝尔盆地南缘中段山前冲断带构造变形强度由北到南整体表现为由弱变强，反冲断层从不发育到向南反冲的位移逐渐增大、反冲断层所滑脱的层位亦逐渐加深；褶皱一逆冲断层带纵向可以划分成两类：基底卷入型褚皱一冲断带和滑脱型褶皱一冲断带，其中第一排构造带属于基底卷入型褶皱一冲断

30、带，构造带抬升幅度大、基岩埋藏浅，中生界地层广泛出露地表，背斜构造多伴随断裂,主要发育在燕山期。第二排、第三排构造带属于滑脱型褶皱一冲断带，构造多为长轴背斜，深浅层构造形态不致，浅层构造较陡、深层构造较缓,主要发育期为喜山晚期。致谢本文得到中国地质大学(北京)地学院汪新文以及中石化研究院汪新伟同志的大力支持和指导，谨此致谢！参考文献陈新，卢华复.舒良树，王忠民，张国清.2002.淮鸣尔盆地构造演化分析新进展J.高校地质学报，8(3):257267.邓起东，冯先居.张培震.1999.木齐山前坳陷逆断裂裙皱带及其形成机制J.地学前缘.6(4)：191-200.方此虎，徐怀民，宋岩，李建明.刘楼军，

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