准噶尔-北天山盆山过渡带构造变形特征

准噶尔-北天山盆山过渡带构造变形特征

本研究中的准噶尔-北天山过渡带是指北天山脉和准噶尔盆地南缘的过渡地带。这一部位发育大量逆冲断层和褶皱变形,因此一些学者也称之为北天山山前冲断带或冲断褶皱带。油气勘探揭示的盆地结构表明,准噶尔盆地南部边缘并非一个简单的冲断褶皱带,盖层滑脱逆冲断层及其相关褶皱之下往往还对应有深层的基底卷入断裂,山前断裂带也具有复杂的结构特征。本文利用油气勘探获得的地震资料和地面地质图资料,分析准噶尔-北天山盆山过渡带的基本构造特征。1断裂是构造变形的重要构造要素准噶尔-北天山盆山过渡带NWW走向,东西延伸长度约350~400km,南北影响宽度约50~80km。新疆地质调查部门编制的北天山地质图和油气勘探部门编制的准噶尔盆地南部构造图表明,准噶尔-北天山盆山过渡带发育有大量不同尺度的断层和褶皱,是一条强烈的变形带。图1是在综合分析地面地质图资料和盆地构造图、地震剖面资料基础上编制的准噶尔-北天山盆山过渡带构造简图,图2是根据地面地质图和盆地区地震剖面解释成果编制的区域构造剖面图,它们大致刻画出了这一区域的基本地质结构。在平面上(图1),准噶尔-北天山盆山过渡带分布有5~6个大致平行的NWW向-近EW向基底卷入主干断裂,这些断裂本身及断裂活动引起的断块和相关褶皱变形呈带状展布,而沿着断裂构造带走向不同区段的构造变形具有差异性,并且被NNE-NE向横向断层或变换构造带分割成6~7个具有不同变形特点的区段。在剖面上(图2),卷入断裂变形的地层从前石炭系结晶变质岩基底到盆地内部新近系(甚至第四系)沉积盖层,并且由于卷入变形岩层的能干性的差异,明显表现出分层性特点,自深而浅可以分为大致2~3个不同特征的变形层次。断裂是准噶尔-北天山盆山过渡带构造变形的重要构造要素。基底卷入的主干断裂在这一区域由南向北分“带”和由西向东分“段”,盖层滑脱断层则导致自深至浅分“层”。因此,从构造变形角度也可以认为准噶尔-北天山盆山过渡带是一条宽阔的断裂构造带。该断裂构造带包括不同尺度、各种类型的断层,其中以逆断层为主。图1中标注的基底卷入主干断层和分支断层所切割的盆地盖层在剖面上多显示为逆冲断层位移特征:在伊林黑比尔根山前基底卷入的主干断层走向NWW向、向南倾斜,由南向北的逆冲位移是盆地基底逆冲到沉积盖层之上;在博格达山南、北两侧的基底卷入主干断层总体走向为近EW向,环绕山体呈弧形展布,向山体核部倾斜;博格达山北缘基底卷入主干断层由南向北逆冲;博格达山南缘基底卷入主干断层由北向南逆冲。正断层主要发育在盆地深层二叠系层序中,包括NWW向和NNE向、NE向多组,一般其规模较小、延伸较短,但是部分NWW向基底卷入主干断裂是在继承盆地演化早期正断层基础上形成的。地面地质调查发现,在红山公园附近发育近南北走向的正断层。一组为NNW,NNE走向的断层具有走滑断层特征,属于NWW向-近EW向的逆冲断层位移引起的调节性断层或捩断层,如图1中的Tr1—Tr6断层等。其中,红车断层(隐伏,Tr1)和乌鲁木齐横向断层(Tr5)是准噶尔-北天山盆山过渡带中两条最重要的变换断层。此外,NWW向-近EW向主干基底卷入断层在演化过程中也有走向位移分量,这些断层在有些区段的地震剖面上表现为花状构造样式。准噶尔-北天山盆山过渡带基本结构的另一重要特征是具有明显的不对称性,即断裂构造带的不同“带”、“段”、“层”的构造变形特征有明显的差异,即使是同一“带”、同一“层”在不同“区段”的变形特征也有一定的差异。受断裂变形影响,中、浅层的沉积盖层还发育有一系列背斜构造(图1),它们是准噶尔-北天山盆山过渡带中、浅层盖层构造变形的重要组成部分,但是不同“带”的背斜变形也有明显的差异。2基岩断隆带和挠曲带根据基底卷入主干断裂的结构及两盘断块体的变形特征,准噶尔-北天山盆山过渡带由南向北可分为基岩断隆带、山前冲断挠曲带、分层变形叠置带等3个“带”。伊林黑比尔根山北麓断裂[图1中的(3),也称北天山山前大断裂]以南由基底卷入高角度逆冲断层引起隆升和复杂褶皱变形构成基岩断隆带;伊林黑比尔根山北麓断裂至齐古-托斯台断裂[图1中的(4)]下盘深陷带轴部由基底卷入逆冲断层及其两盘断块挠曲变形构成盆山过渡带的山前冲断挠曲带;齐古-托斯台断裂带下盘至盆地内部发育不同层次断层及其相关褶皱变形,深、浅层构造样式有明显差异但是垂向上叠置在一起构成分层变形叠置带(图2)。尽管沿着构造带走向不同区段的结构特征有一定的差异,但是同一条“带”的构造变形特点相似(图3,图4,图5)。博格达山两侧盆山过渡带的结构特征与伊林黑比尔根山山前盆山过渡带的结构特征类似,也具有分“带”特征,只是构造带的走向变为环绕博格达山呈近EW向变化,构造带宽度相对变窄,而且博格达山两侧的构造带具有对称分布特点。喀拉哈依特断裂带[图1中的(1)]是北天山与中天山之间的深断裂带,也被认为是准噶尔古陆块与伊犁古陆块之间的一条次级缝合带,沿该缝合带也有蛇绿岩分布。伊林黑比尔根山北麓断裂[图1中的(3)]也是一条总体上具有逆冲性质的深断裂带,是准噶尔陆块与北天山活动陆缘之间的分界线。这两条基底卷入主干断裂夹持的断块体上基本没有二叠系及更新的沉积地层,石炭系及更老的结晶变质岩层中发育基底卷入断层和强烈褶皱变形,并使整个断块体上升,因此这一构造带称为“基岩断隆带”。伊林黑比尔根山北麓断裂在平面上基本上呈线性延伸,并不是一条低角度逆冲断层,因此其南侧的基岩断隆带的逆冲造成的水平位移分量是有限的。从图3、图4、图5的构造剖面上可以看出,准噶尔盆地南缘深陷带并不位于山前断裂带附近,深陷带轴线至山前断裂带构成了有一定宽度的挠曲带。挠曲带也发育大量基底卷入逆冲断层,断层上盘可以是向盆地倾斜的单斜断块,也可以发育背斜构造。例如由南安集海背斜、南玛纳斯背斜、清水河鼻状构造、齐古背斜、昌吉背斜、南小渠子背斜、北小渠子背斜、西山背斜和喀拉扎背斜等构成的山前背斜构造带,石油勘探部门称之为第一排构造(图1)。这些背斜主要是由侏罗系及下伏地层组成,背斜一般具有南缓北陡特征,南翼20°~40°左右,北翼50°~70°左右。盆地边缘背斜北翼或逆冲断层下盘可以见到白垩系、古近系不整合在侏罗系褶皱之上,并由南向北地层依次变新构成单斜构造,总体上则构成了北天山基岩隆起与准噶尔盆地深陷区之间的挠曲变形带,因而成为“山前冲断挠曲带”。准噶尔盆地南部边缘还有两排NWW向-近EW向的背斜构造带。由独山子背斜、独山子南背斜、霍尔果斯背斜、玛纳斯背斜和吐古鲁背斜构成的背斜构造带在地表就能观测到,石油勘探部门称之为第二排构造带。地震勘探资料揭示,沿安集海—呼图壁一线还发育有一排背斜构造,包括安集海背斜、玛北背斜和呼图壁背斜等,石油勘探部门称之为第三排构造带。第二排构造在地表出露的背斜核部最老地层为古近系始-渐新统,两翼为新近系上新统和中-下更新统,背斜也多表现为南翼宽缓、北翼陡立甚至倒转的不对称褶皱特点,背斜核部或北翼还发育有向南倾斜的逆冲断层。第三排构造的背斜相对宽缓,地表一般没有地貌显示,地震资料揭示出背斜两翼产状一般为10°~20°,背斜核部也可以发育断层,但规模较小。第二、第三排构造中的背斜核部的侏罗系厚度明显加大,浅层虽然也发育逆冲断层,但这些逆冲断层主要发育在背斜翼部,并在古近系或侏罗系顺层滑脱消失,逆冲断层下盘的地层与逆冲断层上盘构成完整的背斜构造形态;背斜核部侏罗系之下的三叠系、二叠系似乎并没有受滑脱断层影响与侏罗系拆离开来,深层发育有产状较陡的基底卷入断裂,并使浅层背斜构造与深层断裂构造保持垂向联系。因此,这一构造带可以称之为“分层变形叠置带”。3盆山过渡带中段构造变形特征沿构造带走向自东向西准噶尔-北天山盆山过渡带被不同尺度的横向断层或构造变换带分割为若干区段。其中,近SN向的红车断裂和NE向的乌鲁木齐-阜康构造变换带是两条规模最大的横向断裂构造带,将准噶尔-北天山盆山过渡带分割为西、中、东3个变形“段”,各段之间在基底性质、变形特征上都有显著的不同。西段构造变形较简单。基岩断隆带由山前大断裂上盘的石炭系构成,与中段的基岩断隆带保持较好的连续性。山前冲断挠曲带相对较窄,山前大断裂下盘断块发育一系列分支的逆冲断层,断块顶面整体上仍然保持向盆地方向倾斜。盆地内部盖层厚度相对中段较小,但是盖层背斜变形与基底卷入断裂的分层变形叠置现象也很明显。西段的山前冲断挠曲带内部的结构复杂,特别是红车断裂附近,整体上为挠曲变形的基底断块受逆冲断层影响发育若干由三叠系、侏罗系构成的冲断背斜构造,向盆地方向倾斜的白垩系、古近系单斜层不整合在冲断背斜构造之上(图3a)。盆地内部发育的高泉背斜、西湖背斜、卡因迪克背斜等均为宽缓的平行褶皱,在侏罗系中滑脱,而背斜核部对应的深层发育有基底卷入断裂。从地震剖面上看,这些基底卷入断层向上主要影响到侏罗系,并且具有反转断层特征,其上盘往往有残留的二叠系,或二叠系厚度大于下盘的相应地层,显示在二叠系沉积时期具有正断层特征,而切割三叠系、侏罗系则表现为逆冲断层位移特征。准噶尔-北天山盆山过渡带中段最具代表性,其南北分带、上下分层的构造变形特征都非常清楚(图2,图3b)。山前大断裂上盘的基岩断隆带广泛出露石炭系,发育基底卷入的陡倾逆冲断层。山前大断裂下盘的冲断挠曲带相对较宽,基底断块顶面表现为中等角度倾斜的挠曲,其上覆盖的沉积地层表现为向盆地倾斜的单斜构造,由盆地边缘向盆地内部第四系松散沉积层之下依次出露三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和新近系等。冲断挠曲带上盖层发育的背斜构造有两类。一类是受挠曲带内部的基底卷入逆冲断层挤压影响或受逆冲断层位移消减影响使基岩断片之上的沉积地层形成的背斜构造。这种类型的背斜往往披覆在局部隆升的基底断片之上,或者说基岩隆起构成了背斜核部,如图2中的齐古背斜。另一类背斜是受基底断块挠曲变形影响产生的沉积盖层滑脱褶皱。基底断块挠曲变形导致上覆的沉积盖层内部发生层间滑动,沿侏罗系、古近系中的软弱岩层的层间滑脱形成倾向盆地的顺层滑脱逆冲断层,并诱导上覆沉积层形成滑脱褶皱构造,如图3b中挠曲带上白垩系、新近系形成的局部滑脱背斜。中段的第二排、第三排构造是典型的“分层变形叠置带”。如图3b中的霍尔果斯背斜构造,侏罗系及上覆地层构成完整的背斜,背斜核部侏罗系明显加厚,在侏罗系、古近系内部发育有顺层滑脱的逆冲断层,并导致背斜浅层形态表现为不对称特征;背斜核部深层对应的三叠系、二叠系及盆地基底卷入断裂变形,深层断层相对较陡,并具有先正后逆的正反转断层特征。图3b中的安集海背斜构造也是一个分层变形叠置构造,由于浅层的褶皱相对宽缓,并没有发育顺层滑脱的逆冲断层,浅层背斜与深层的基底卷入断裂的联系更紧密。中段的盖层厚度相对较大,垂向上侏罗系、古近系内部两个相对软弱岩层对变形分层起重要作用,以至有些部位甚至形成3~4层不协调的构造变形上、下叠置的现象。部分区段由于顺层滑脱的影响,也可以导致浅层的盖层滑脱背斜与深层的基底卷入断裂之间的位置有一定量的水平错动,但总体上浅层与深层在变形上还保持着联系。东段受博格达山隆起的影响与中段有明显的差异。博格达南麓断裂[图1,图4a中的断裂(6)]与伊林黑比尔根山北麓山前断裂[图1,图4a中的断裂(3)]背向倾斜、相向逆冲,其公共的下降盘断块构成了博格达山与伊林黑比尔根山之间的柴窝堡凹陷,这是准噶尔盆地东南边缘的一个相对独立的构造单元。博格达山南麓断裂是博格达山基岩断隆带与山前挠曲带的大致分界线,其南侧下盘的冲断挠曲带主要由石炭系、二叠系及基岩断块构成,断块顶面向南倾斜,其宽度明显小于伊林黑比尔根山北麓山前断裂下盘的挠曲带。柴窝堡凹陷内部发育有近EW向展布的背斜带,它们在结构上也具有分层变形叠置的构造特征,只是盖层的背斜主要由二叠系、三叠系和侏罗系构成,二叠系构成了背斜核部。由于柴窝堡凹陷的沉积盖层相对较薄,背斜深层的基底卷入断裂比中段更加清晰。博格达山北麓断裂[图1,图4b中的断裂(7)]大致构成博格达山基岩断隆带与北侧的冲断挠曲带的界线。博格达山北侧冲断挠曲带的构造变形相对复杂,一系列与山体平行的分支逆冲断层构成基底卷入的逆冲断裂系[图4b中主干基底断裂(7)和(8)之间的若干逆冲断层],并发育相关的褶皱构造,几乎所有沉积地层都可能卷入褶皱变形。受乌鲁木齐-阜康构造变换带影响,博格达山西北侧山前冲断挠曲带走向变为NE向,在冲断挠曲带背景上发育的背斜构造也表现为NE向,如妖魔山背斜、七道湾背斜等(图1,图5a)。博格达山北侧盆地内部的分层变形叠置构造带不如中段发育,但是在博格达山东北侧的乌鲁木齐-阜康构造变换带附近发育有一系列NE-NEE向盖层背斜,这些背斜核部的侏罗系相对加厚,深层也发育有基底卷入断裂(图5b中的古牧地背斜等)。西、中、东3个区段内部还可以划分出更次级的区段,各区段之间的构造变形样式既有相似之处,也有一定的差异。同一区段中同一排浅层背斜在平面上的连续性可以被变换断层或变换带有限地错开,或受横向变换断裂影响其局部轴向发生变化;而深层的基底卷入断裂的连续性可能只受区域性的变换断层影响,在各段内部保持较好的连续性。4深层变形层结构构造变形的分层特点主要表现在山前大断裂下盘的冲断挠曲带和盆地内部的分层变形叠置带中。大致以侏罗系煤层和古近系内部膏泥岩、盐膏层等软性层为滑脱层,可以将冲断挠曲带及盆地内部的构造变形分为2~3个变形层。其中,盆地基底卷入断裂是控制深层变形的主要构造要素,在侏罗系和古近系的相对软弱岩层是控制中、浅层构造变形的主要构造要素。不同层次的构造变形样式有明显差异,构成不协调构造变形;但是强变形带具有垂向叠置的特点,即深层的基底卷入断裂变形与浅层的盖层滑脱背斜叠置在一起。盖层中的软弱岩层在构造分层中起重要作用。不同区段的构造分层深度有一定的差异,分层界面也会有所变化,并且不同层次的构造变形也不是截然分开的,这也导致深、浅构造变形层的强变形带在垂向上的叠置。基底卷入断裂切割的沉积盖层和基岩断块一起发生断裂变形,构成了深层变形层。多数基底卷入断裂向上切割到侏罗系,也有部分基底卷入断裂可以一直切割到古近系或更浅的地层。在冲断挠曲带的基底卷入断裂一般为向主干基底断裂倾斜的逆冲断层,属于主干断裂的分支断层。盆地内部的基底卷入断裂倾角较陡,部分断层明显具有正反转断层的结构特征(图2—图5)。侏罗系、白垩系、古近系构成中层构造变形层,古近系和新近系构成浅层构造变形层。中、浅层构造变形以低角度逆冲断层和滑脱褶皱变形为主,而且逆冲断层主要发育在盖层背斜两翼。多数低角度逆冲断层在侏罗系底部或内部滑脱消失,亦有少数断层可以向深层延伸到二叠系或盆地基底不整合面上。中层构造变形层的基本构造样式为断滑褶皱或断展褶皱,浅层构造变形层则以褶皱变形为主。浅层褶皱与中层的断滑、断展褶皱有较好的耦合关系。背斜顶部可以发育小型正断层,两翼则可以发育层间滑动引起的低角度逆冲断层,但是与中层变形层不同,这些顺层的逆冲断层是褶皱变形引起的调节断层。从变形机制上看,中层变形层以逆冲断层变形为主导,逆冲断层主要是由南向北逆冲的,并发育与逆冲断层相关的断滑、断展褶皱;浅层变形层则是以褶皱变形为主导,发育与褶皱相关的正断层和顺层滑脱逆断层,顺层滑脱逆断层是由向斜轴部向两翼逆冲的。构造变形的分层性在乌鲁木齐以西和红车断裂带以东的变形中段的第二排、第三排构造表现尤为突出。由古近系及其以上地层组成的浅层褶皱构造层与由侏罗系和白垩系组成的中层冲断褶皱构造层耦合在一起,但是构造变形样式有明显的差异。在古近系中发育的顺层滑脱断层一般仅分布在背斜翼部,并有顺层滑脱的反冲断层发育。尽管这些顺层断层也可以导致背斜顶部或冲断挠曲带斜坡上发育小型的浅层断滑褶皱,但是宏观上的褶皱核部一般位于这些浅层滑脱断层下盘。侏罗系中顺层滑脱的逆冲断层可以切割到背斜核部,并形成复杂的逆冲断层组合,而且沿构造带走向构造样式的变化也相对明显。霍尔果斯背斜核部的侏罗系中发育多条低角度逆冲断层构成的铲式扇(图3b),而吐谷鲁背斜核部的侏罗系则发育相向逆冲断层构成的复杂逆冲三角带(图2)。不同区段、不同构造带的深层变形层也有一定的差异。基底卷入断裂在结构上可以显示花状构造特征。5晚二叠世-北私家车间边界准噶尔盆地的基底是古亚洲洋中的一个古陆块,华力西运动使古亚洲洋完成最后封闭并导致古亚洲造山区的形成。因此,真正意义上的准噶尔盆地是后华力西期的陆内盆地,准噶尔-北天山盆山过渡带构造是华力西运动晚期以来多次构造变形叠加的结果。如图2—图5等剖面所示的断裂结构记录了二叠纪以来准噶尔-北天山盆山过渡带至少经历了3期主要的构造变形过程,即早二叠世的伸展构造变形、晚侏罗世的基底卷入挤压构造变形和新近纪(上新世)的分层滑脱挤压变形。北天山—博格达—准噶尔南缘在晚古生代的构造属性存在颇多争议,但越来越多的证据表明总体上属于裂陷作用构造环境[9,10,11,12,13,14]。准噶尔盆地内部发育有大量控制下二叠统分布的基底断层,尽管受到后期构造变形叠加的影响,地震剖面上观测到的断层仍然保持高角度正断层特征,例如准东地区、柴窝堡凹陷内部控制石炭系和二叠系厚度分布的NE向和NWW向基底断层。准噶尔-北天山盆山过渡带的部分基底卷入断裂也是在早二叠世形成的,而且可能具有同沉积正断层或走滑正断层性质,对早二叠世沉积作用有一定的影响。在博格达山周边、安集海-昌吉凹陷都有残留二叠系下统分布,主要是一套包括凝灰岩、暗色泥岩、页岩的碎屑岩系,推测早二叠世的古盆地边界向南应该超覆到现今的伊林黑比尔根山。晚二叠世随着塔里木板块与准噶尔板块拼合碰撞导致伊林黑比尔根山隆起,准噶尔-北天山盆山过渡带才逐渐成为准噶尔盆地南缘边界构造带。准噶尔盆地充填的上二叠统、三叠系和侏罗系基本上属于连续沉积,不存在区域性不整合面,在区域上的沉积厚度也是渐变的,盆地构造变形相对弱。白垩系与下伏地层之间存在明显的区域角度不整合接触关系,盆地中的侏罗系、三叠系等构成的构造变形向上终止在白垩系底面的不整合面上。准噶尔-北天山盆山过渡带在上二叠统、三叠系、中-下侏罗统沉积过程中的构造活动并不强烈,甚至作为准噶尔盆地南部边缘的地貌反差也不大,侏罗系的煤系地层可能超覆到伊林黑比尔根山隆起上。晚侏罗世开始,近南北向的区域挤压作用加强,准噶尔-北天山盆山过渡带开始发育基底卷入式逆冲断层,并形成一些与基底卷入逆冲断层相关的褶皱构造。北天山山前大断裂在这一时期的活动相对更强烈,成为盆山过渡带重要的构造边界。其他基底卷入主干断裂也是在这一时期才演化成为连续的断裂带,并为最终导致准噶尔-北天山盆山过渡带具有构造分带特征而奠定基础。有两点值得思考和讨论:第一,晚侏罗世在区域挤压构造环境下发育的基底卷入断裂可能利用或继承了早二叠世形成的正断层;第二,晚侏罗世在区域挤压构造环境下发育的NWW向-近EW向基底卷入断裂可能具有一定的左旋走滑位移分量。在地震剖面上可以见到,一些基底卷入主干断层两盘的二叠系厚度有明显的差异,而三叠系、侏罗系的厚度差并不大,表明这些断层在三叠系沉积前就已存在,而在三叠系、侏罗系沉积过程中的活动性又不明显。部分晚侏罗世活动的基底卷入主干断层是利用早二叠世形成的断层面,并不意味着这些断层就是早二叠世正断层的重新活动。早二叠世正断层可能是断续散布的,晚侏罗世在区域挤压作用下使部分早二叠世正断层联通成为连续的基底卷入逆冲断层。准噶尔盆地中央部位在晚侏罗世发育一个NE-NEE向的古隆起(车-莫古隆起),这一古隆起应该是盆地周边深断裂带、基底主干断裂活动的同期构造变形。另一方面,准噶尔-北天山盆山过渡带中的NWW向-近EW向基底卷入主干断层基本上都是陡倾斜断层,在平面上的线性特征明显,而且白垩系、古近系沉积厚度分布显示晚侏罗世断裂活动并没有造成强烈的地貌反差。基于上述思考可以推断,准噶尔-北天山盆山过渡带NWW向-近EW向基底卷入断裂在晚侏罗世具有一定的左旋走滑位移分量,属于走滑逆断层。白垩纪—古近纪,准噶尔盆地在地