呼图壁背斜构造模型和成因机制*

邓妤婷 何登发 张奎华 齐雪峰

（1.中国地质大学（北京）能源学院 北京 100083；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院 山东东营 257015；3.中国石油勘探开发研究院 北京 100083）

准噶尔盆地南缘位于天山山前，经历了多期的构造挤压运动（孙自明等，2004；陈发景等，2005；陈书平等，2007；何登发等，2018；朱明等，2020）。在准南发育3 排褶皱冲断带，这3 排背斜带通过深部侏罗系的滑脱层向盆地内逐步延伸。前人对第一排褶皱冲断带（管树巍等，2006；汪新伟等，2007；于福生等，2009；马德龙等，2019）和第二排褶皱冲断带（方世虎等，2007；管树巍等，2010；李本亮等，2012；马德龙等，2018；周小军等，2020）的研究成果较为丰富。研究结果表明，山前带的位移量大部分在前两排褶皱带中吸收或以构造反冲的形式消减，山前的位移量达2 000～5 000 m。第三排褶皱冲断带（如呼图壁背斜等）在地表没有出露。通过前人物理模拟实验（张希晨等，2020）可知，呼图壁背斜主要发育两套垂向叠置的构造层，下部为石炭—二叠系的基底古隆起，上部侏罗系及上覆地层的滑脱背斜的发育受制于基底古构造的影响，对上覆地层的变形起着控制作用。前人对准噶尔盆地南缘山前褶皱—冲断带的研究主要局限于第一、二排构造带（如霍—玛—吐背斜带），对呼图壁背斜形成的过程认识还不够清晰，对呼图壁背斜形成的成因机制没有很好的说明，譬如：呼图壁背斜是一期形成的产物还是多期运动共同作用的结果，呼图壁背斜的运动与天山的隆起有没有对应关系等问题还未解决。

因此，本文在前人研究的基础上，对呼图壁最新的三维地震资料进行精细地刻画分析，结合钻井测井和周缘露头资料，对呼图壁背斜进行构造地质研究，并依据面积—深度法（ADS 法）对滑脱背斜的滑脱层和缩短量进行定量分析。根据分析得出的数据结果，分析滑脱背斜分层变形机制，最终得出呼图壁背斜的构造地质发育历史，这将对油气资源开发具有重要意义。

1 地质背景

天山造山带位于中亚造山带的最南端，是研究陆内造山变形的重要部位（李锦轶等，2006）。由于晚新生代南部塔里木盆地和印度板块的俯冲作用，在天山造山带的北侧发育了3 排逆冲—断裂背斜带，记录了准噶尔盆地南缘褶皱冲断发育的过程。其中呼图壁背斜位于天山造山带北侧的第三排背斜带的东部，靠近乌鲁木齐，地表由第四系覆盖没有明显出露。受印度—欧亚板块碰撞远程效应影响，山前背斜带发育的主要时间在古近纪到第四纪，随着挤压应力向北逐渐传递，在准噶尔盆地南缘山前带地区形成了不同类型的滑脱构造样式，深部的滑脱层发育在上三叠统下部或下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组的煤层中，浅层的滑脱构造主要受控于白垩系连木沁组的泥岩、古近系安集海河组的泥岩和新近系塔西河组的泥岩中（董臣强等，2007）。

通过前人精细的地震资料解析和构造解释（丁玉才等，2021），认为准噶尔盆地南缘褶皱冲断带上发育4 种类型的背斜形态组合关系，呼图壁背斜为继承型复式背斜，其特点是深浅层的构造高点一致，在喜马拉雅运动期的位移量较小，大部分的位移吸收消减在第一、二排山前带中。从整个准噶尔盆地南缘的构造演化特征来看（何登发等，2005），随着石炭纪晚期北天山洋盆的逐渐闭合，海水退出，原先的海相沉积变为过渡相，到早二叠世，演变为前陆盆地的湖相沉积；三叠纪时期，盆地进入坳陷沉积阶段，沉积了厚层泥岩；早侏罗世时期呼图壁地区处于弱伸展背景，沉积范围相比三叠纪有所减小，到中侏罗统沉积末期，盆地沉积环境反转，由伸展向挤压转变，在呼图壁地区表现为燕山运动晚期挤压背斜开始形成；白垩纪构造较为稳定，依然以湖盆发育为主；构造活动强烈的时期主要在盆地进入古近纪之后，受到边界断裂的影响，南缘处于压扭构造环境，以粗碎屑沉积物为主，最终在喜马拉雅运动晚期呼图壁背斜的形态基本定型。

呼图壁背斜整体是东西走向的较为宽缓的背斜（图1，图4），以石炭系为基底，其上发育二叠系断陷结构，两者不整合接触；到三叠纪晚期地层基本夷平，在其上部发育侏罗系，其中西山窑组为广泛发育的煤层，是良好的区域层对比标志，侏罗系顶部的喀拉扎组含砾石，与白垩系底部的吐谷鲁群不整合接触（图3）；白垩系和古近系沉积时期，清水河组中-下部以砂质岩性为主，紫泥泉子组和东沟组主要为泥岩和砂岩互层，安集海河组以泥岩为主，具有稳定的坳陷沉积特征，沉积环境以湖相沉积为主，石膏质泥岩较为发育，在挤压应力背景下容易发生滑脱；新近系主要为山前沉积，沉积环境变为河流相沉积，沙湾组以粉砂岩为主，部分存在砂砾岩，塔西河组中-下部以泥岩、粉砂岩为主，颜色为灰绿色，显示弱还原环境，独山子组—第四系上部砂砾岩较为发育，在地震剖面上显示砾石的杂乱反射特征。

图1 准噶尔盆地南缘前陆冲断带大地构造位置Fig.1 The tectonic location of the foreland impulse zone at the southern edge of the Junggar Basin

图3 呼探1 井地层柱状图Fig.3 Histogram of the stratigraphic of Hutan1 well

2 面积—深度法原理及应用

面积—深度法（ADS 方法）最初是由Epard and Groshong（1995）建立的，它允许地层在变形的过程中层长和厚度发生变化，因此被广泛应用。面积—深度法通过测量每一套地层的多余面积与对应参考面的距离，得出一组坐标数，将其投影到面积—深度图上，存在良好的线性关系，通过计算关系线的斜率和截距，可以预测滑脱面的深度和计算滑脱面的缩短量，是根据浅层信息去研究深部变形的有效方法。应用到实际的地震剖面中，ADS 方法可以量化构造样式，如利用多个层位的多余面积（标志层之上的面积）可以确定边界位移、位移速率和层间平行应变（LPS）等，从运动学模型可以看出（图2），变形单元的多余面积在面积深度图上呈现直线型，其斜率为滑脱断层的位移量（以深度为横轴，多余面积为纵轴的情况下），横截距为基底滑脱面到标志层的高度。但通常来说，数据点不会完美的落在一条上，需要用最小二乘法来拟合出最佳曲线。同时，对于生长地层来说，ADS 法也能清晰的将其与前生长地层区分出来。在呼图壁背斜地区，该剖面的水平基准面有一个轻微的倾斜角度，所以ADS 法中深度的测量，是通过测量左右两边不同深度的平均值得出的。

图2 面积—深度法示意图（据Epard and Groshong，1993 修改）Fig.2 Schematic of the area-depth method（modified from Epard and Groshong，1993）

通过对呼图壁三维地震反射资料进行地层标定和构造解释（图1），在用上述的方法对呼图壁背斜进行多余面积的计算和距离的测量，从面积—深度图上可以看出（图4b），其计算出来的滑脱深度位于三叠系地层中。这里计算出来的滑脱深度称为视滑脱面。由于侏罗系煤层作为塑性物质从向斜流入背斜导致向斜构造之上的多余面积大于原始构造之上的多余面积，如在图4 中就表现为点R570明显不在拟合直线上，这部分多余的面积就是物质流入造成的，因此最后就会计算出过深的滑脱深度。虽然该面积—深度图给出的滑脱面深度可能过于深，但面积—深度图得出的位移量和应变值是准确的；因为斜率只与褶皱区间内的几何关系有关，与滑脱面深度无关。从图4 中可以计算出3 条过截距的拟合直线的位移量，地层发生的位移量从下到上逐渐减小，两条面积—深度线之间的位移差就是增量位移。从图中可以看出，同一构造活动造成的断层运动，在面积—深度图上可以拟合成一条直线，它们的位移量是相同的；在第一期断层活动产生了0.67 km 的断层位移的过程中，由于背斜顶部的沉积物供应速率达不到构造抬升需要的足够物质沉积速率，沉积盆地处于欠补偿状态，导致在背斜翼部安集海河组中形成地层超覆，在面积—深度图上，代表第一期和第二期位移之间产生的构造，两期位移的位移量之差为0.18 km。上部滑脱背斜的滑脱面根据图示深度可以定位到紫泥泉子组上部的泥岩段，上部滑脱层的位移量为0.49 km。

生长地层是在背斜隆起的过程中沉积的一套地层，记录了背斜发育的过程。在已知地层的沉积年龄的情况下，可以根据生长地层计算位移速率。生长地层在面积—深度图中明显显示出拟合直线的斜率为负值，表明在背斜发育过程中，生长地层的多余面积是逐渐减小的。为了更好的刻画生长地层的ADS 曲线，本文选取了呼图壁东侧的一条上覆的生长地层成像较为清晰的地震剖面，可以很好的对生长地层的层位进行约束。

从解释的结果来看（图5），生长地层发育在古近纪和新近纪的地层当中，其中在新近纪地层中，生长地层厚度较薄，主体发育在安集海河组内部，说明在古近纪晚期至新近纪初期，呼图壁地区有一期构造活动，活动强度并不强烈；从新近纪的中期开始，即在塔西河组沉积地层的中上部，生长地层一直发育到第四纪，一开始生长地层的缩短速率是比较大的，随着地层的生长，构造活动逐渐趋于稳定，缩短速率逐渐减小，对应图5 当中的塔西河组（N1t）至独山子组（N2d）段的地层；而到第四纪的地层沉积时期，随着距参考面的深度逐渐向上增大，多余面积明显变化的更快，表明在独山子组沉积末期到第四系沉积时期，发生了强烈的构造挤压。从东西两条地震剖面解释的结果来看，东部背斜运动的位移量更大，约1 210 m；而西部背斜最大位移量只有670 m。从图4 也可以看出，平行层应变向上变小，变化范围从-6%～-2%之间，基本可以看作层长是守恒的。

图4 呼图壁背斜西侧ADS 法Fig.4 Hutubi anticline west side ADS method

图5 呼图壁背斜东侧ADS 法Fig.5 Hutubi anticline east side ADS method

3 讨 论

从上述结果可知，呼图壁背斜的形成是多期构造运动产生的结果。最早可以在呼图壁西背斜剖面的紫泥泉子组和安集海河组内部找到地层超覆的构造标志，证明在呼图壁地区从古近纪初期就已经发生了构造活动，表明第一期构造的起始时间为晚白垩世—早古新世，第二期的生长地层发育在中新世早期，相当于沙湾组地层沉积时期。这一结论与陈竹新（陈竹新等，2018）通过模拟伪深度域剖面所作的面积—深度关系图的结果相对应。但是，由于天山在新生代以来经历了强烈的隆升，呼图壁背斜上第四系生长地层部分可能遭受了破坏，导致精确的厘定呼图壁背斜中生代—新生代发育的起始时间变得困难。因此要想讨论呼图壁背斜的构造变形时间，不能离开对北天山的变形期次和时间的分析研究。前人（杨庚等，2012）通过对北天山北缘霍尔果斯地震剖面的精细解释得出了的北天山北缘的构造隆升结果，认为在天山的北缘，第四纪之前发生两次变形，北天山的缩短从25 Ma 就已经开始了，第一次变形最早可以追溯到中新世塔西河组内部，第二次构造变形相对应的在准南地区形成第四系西域组底界不整合面，时间从新近纪末期到第四纪初期。根据他们对生长地层的厘定，中新世末期到早更新世是准南加速变形的时期，与本文中的解释结果可以很好的对应。同时，前人做了关于准噶尔盆地南缘中生界—新生界碎屑锆石的U-Pb 年龄（李忠等，2012）；根据他们做的结果，天山造山有两期从弱到强的变形过程，分别是晚侏罗—早白垩世时期和晚白垩世末期—新近纪，且在新近纪（23 Ma）以来，物源碎屑锆石的年龄趋于一致，说明新近纪以来是天山的强烈隆升时期。也有人通过沉积学方法（方世虎等，2006；高志勇等，2016）来探讨中新生代天山的隆升；主要是通过准噶尔盆地南缘侏罗系碎屑组合特征来研究天山的隆升和构造分异活动，结果表明，晚侏罗—早白垩世天山开始分异，构造活动增强。磷灰石裂变径迹也记录了天山隆升的历史（郭召杰等，2006），热模拟结果表明，中生代—新生代天山有两期隆升事件，分别发育在晚侏罗—早白垩世和渐新世。

从过呼图壁背斜南北走向的山前带地震剖面来看（图6），在齐古背斜处侏罗系顶部缺失喀拉扎组，白垩系下统与侏罗系上统呈角度不整合接触关系，表明在侏罗系沉积末期有构造的抬升剥蚀作用，天山开始构造挤压运动，在山前形成冲断带，齐古背斜断层冲断到白垩系底部就停止了，构造经历由强到弱的过程，并且构造活动是从南向北逐步传递的，南部的构造变形强，而北部的构造变形弱，呼图壁背斜就正好处于强弱变形的转换带，对了解北天山的构造隆升有重要意义。

图6 南北向过呼图壁背斜地震解释剖面（测线位置见图1）Fig.6 North-south cross-Hutubi anticline seismic interpretation profile（seismic profile shown in Fig.1）

根据前文叙述讨论，可以得出以下认识：1）准噶尔盆地南缘在早白垩世时期发生构造反转，产生南北向的挤压应力，天山开始剥蚀隆升，这一时期挤压应力还未传递到呼图壁；2）从晚白垩世开始，天山开始隆升，在山前形成冲断—褶皱，第一排和第二排背斜带开始形成，少部分未被吸收和消减的应力传递到呼图壁地区，形成第一次挤压构造；3）天山强烈造山挤压开始于中新世（20～15 Ma），造成了山前的挤压隆升变形，中新世晚期（7 Ma），挤压应力持续向盆地内传递，在应力传递的过程中，形成反冲“背驮盆地”（图6）和呼图壁背斜；4）天山造山运动在第四纪存在复活期，并且在天山新生代复活之后，又以周期性的方式再次隆升，在构造隆升事件之间还有持续时间较长的构造稳定期。

4 结 论

（1）根据ADS 法拟合曲线的结果，呼图壁背斜主要发育3 套滑脱断层系统：深部的滑脱层位于侏罗系西山窑组和八道湾组的煤层中；浅部的滑脱层在呼图壁背斜的西侧和东侧表现不同，在西部背斜上滑脱层发育在塔西河组的泥岩，而在东部背斜上滑脱层发育在连木沁组和胜金口组的厚层泥岩中，这些滑脱断层在垂向上叠置。

（2）齐古—呼图壁背斜的构造变形形式主要受到广泛发育的侏罗系煤层作为底部滑脱层的控制作用，石炭系基底及其上发育的二叠系断陷构造影响和制约着呼图壁背斜的发育，对变形起到定形、定位的作用。在东侧背斜内部局部发育有调节断层，断层底部与白垩系连木沁组和胜金口组的滑脱面相连，也对呼图壁背斜的形态产生了相应的影响。

（3）呼图壁背斜的主要成型时间在第四系更新世时期，呼图壁的缩短量从西向东逐渐增大，位移量670 m 到1 210 m，大部分位移量被天山山前的背斜带所吸收，这一小部分滑移量传递到了盆地。

（4）根据生长地层的发育特征，结合前人的一些研究结果，认为呼图壁背斜发育经历了幕式构造缩短作用，第一次构造挤压发生在渐新世晚期—中新世，表现为在安集海河组和沙湾组内ADS 法算出多余面积的减小，且西侧背斜发育的时间较东侧早；第二次挤压运动发生在中新世晚期—上新世；第三次挤压最为强烈，从早更新世开始（2 Ma）并且在更新世之后有加速隆升的趋势，对应着天山造山带在印欧板块碰撞后产生的远程响应。