准噶尔盆地西缘车排子凸起构造演化及断层形成机制

董大伟， 李 理，王晓蕾，赵 利

1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266555 2.胜利油田分公司东辛采油厂，山东 东营 257061



准噶尔盆地西缘车排子凸起构造演化及断层形成机制

董大伟1， 李 理1，王晓蕾2，赵 利1

1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266555 2.胜利油田分公司东辛采油厂，山东 东营 257061

结合区域构造地质背景，采用现今构造静态描述与构造演化过程剖析相结合的研究思路，分析了车排子凸起的几何学与运动学特征，剖析了车排子凸起的构造演化过程，探究了构造演化过程控制下不同类型断层的形成机制。结果表明：车排子凸起之上发育两套断裂系统，即海西--印支期形成的断穿石炭系--白垩系底的逆断层，喜马拉雅期形成的断穿白垩系、古近系和新近系的正断层。车排子凸起构造演化过程可以划分为强烈隆升剥蚀阶段(C3--J)、缓慢沉降阶段(K--E)、局部伸展阶段(N--Q)3个阶段，这3个阶段的构造应力背景具有差异性，导致不同阶段形成的断裂体系和地层厚度差异性明显。C3--J时期，车排子凸起处于向东推覆的逆冲褶皱带上，发育向东逆冲的红车断裂带和断穿石炭系--白垩系底的逆断层，无地层沉积；K--E时期，红车断裂带的右旋压扭活动使车排子凸起处于逆冲楔顶部带，受北东向挤压，先期逆断层有的继承性持续发育，有的停止发育，还有的发育一段时间后停止发育，并形成盲冲断层，地层从南东向北西沉积尖灭；N--Q时期，北天山向北强烈挤压隆升的作用使车排子凸起处于前缘隆起带，一些逆断层发生负反转，同时在N--Q发育大量正断层，受凸起向南倾作用，地层南厚北薄。

准噶尔盆地；车排子凸起；红车断裂带；断层；断层发育机制

0 前言

准噶尔盆地西缘车排子凸起具有双向供油、复式输导的优越油气源条件，多期构造运动叠加形成了多种类型圈闭，从而具备形成大中型油气田的地质条件。前人[1-5]研究认为断层是控制研究区油气成藏的关键因素。针对车排子凸起的构造特征，国内部分学者进行了相关研究，认为车--莫古隆起是燕山运动在准噶尔盆地腹部形成的低幅度隆起，后经喜马拉雅山运动盆地的调整改造，整体上北翘南倾，经白垩纪及新生代沉积充填，在地震数据解释的剖面上已经没有明显隆起的形态，是标准的掀斜型古隆起[6]；侏罗系开始的压扭作用在腹部形成的古隆起呈NE--SW向，自车排子隆起南端奎屯一带，向NE分两支撒开，这两支均向南西抬升，收敛于车排子南侧，构成以车排子隆起南端为砥柱的旋卷构造[7]。前人[6-8]对于车排子凸起的形成机制作出了解释，但是对于车排子凸起之上的断层性质、展布规律和形成机理等问题未作过多的研究。笔者综合应用地震、钻测录试等资料，分析车排子凸起的几何学与运动学特征，剖析车排子凸起构造演化过程，探究构造演化过程控制下的不同类型断层形成机制，对于指导研究区油气勘探具有重要的实践意义。

1 区域地质背景

准噶尔盆地位于新疆北部，夹持于天山造山带与阿尔泰造山带之间，两侧被东、西准噶尔构造带所限，平面形态呈南宽北窄的三角形，总面积约1.3×105km2。准噶尔盆地西北缘位于准噶尔盆地与哈萨克斯坦板块交界处(图1)。

1.走滑断层；2.逆冲断层；3.板块边界；4.北天山缝合带；5.南天山缝合带；6.研究区;7.陆缘构造岩浆活动带。据文献[9-10]修编。图1 准噶尔盆地及邻区大地构造单元图Fig.1 Tectonic map of Junggar basin and its adjacent units

车排子凸起位于准噶尔盆地西北缘的南端，是隶属于准噶尔盆地西部隆起的次一级构造单元，红车断裂带为其东部边界，南部一系列NNE走向的断裂为其南部边界，其东临昌吉凹陷和中拐凸起，南临四棵树凹陷和伊林黑比尔根山，西面及西北面为扎伊尔山，北面与克--夏断褶带相接，面积约为1.08×104km2。车排子凸起平面上呈倒三角形，其主体走向为NW--SE至EW向。车排子凸起隆升不均衡，总体上在西北部扎伊尔山前隆起最高，向东部、南部及东南部隆起幅度逐渐降低，至东南部奎屯-安集海一带隐伏消失。红车断裂带为车排子凸起的边界，将车排子凸起与昌吉凹陷分隔，走向近NS。断裂带内十分发育基底断裂，剖面上断面西倾，上陡下缓，深部断裂断距大、浅层断距小，为车排子凸起区的主断裂体系，此外在断裂带内还发育众多后期的EW向正断层。凸起主体覆盖在石炭系基底之上，自下而上发育了白垩系下统吐谷鲁群(K1Tg)，古近系(E)，新近系沙湾组(N1s)、塔西河组(N1t)、独山子组(N2d)及第四系(Q)；另外，凸起东部局部地区(红车断裂带上下盘附近)以及凸起之上部分沟谷带发育二叠系、三叠系、侏罗系(图2)。

图2 车排子凸起区域构造背景Fig.2 Regional tectonic background in of Chepaizi uplift

2 车排子凸起构造特征

隶属于中石化的西缘区块内没有较大规模的断层发育，断层的断距和延伸都较小。车排子凸起上大体可以划分为深浅两套断层系统：深部断层系统为一系列逆冲及逆掩断层，在海西--印支期形成，后期持续活动，主要是从石炭系断至白垩系底部；浅部断层系统为张性正断层，在喜马拉雅期形成，主要发育在白垩系至新近系，也有一些断层断至地表。研究区内石炭系断层系统主要由一系列NE、NW展布的断层组成(图3a)。新近系断层系统F1、F2主断层为继承性发育断层，走向NNE，低级序断层以NW、NEE走向为主(图3b)。

深部断裂系统主要在海西晚期形成，主要在石炭系中发育，在车排子凸起主体部位以NE、NW向断层为主，断层延伸一般较大，在平面上主要为网格状和斜交式(图3a)，剖面上断层倾角小，发育多止于石炭系顶，一些也发育到白垩系(图4)。浅部断裂系统主要发育为走向NW--SE向的正断层，平面上多成雁列式和平行式(图3b)，剖面上断层倾角陡(65°～85°)，断距一般不大，断开层位较多，断层倾角大，一般为板式(图4)。

a.石炭系；b.新近系。图3 车排子凸起东北部断裂系统图Fig.3 Fault system diagram of northeastern Chepaizi uplift

图4 车排子凸起东北部断裂发育图Fig.4 Fault development diagram of northeastern Chepaizi uplift

3 车排子凸起的构造演化

3.1 运动学特征分析

结合前人研究成果[11-15]，对图2中A--A’剖面利用平衡剖面法进行构造复原[16-19](图5)，并统计各时期伸展量(图6)。结果表明,不同沉积时期车排子凸起的构造伸展与压缩差异性明显，从而导致地层沉积厚度呈规律性变化。二叠纪沉积时期，车排子凸起强烈隆升并向东侧昌吉凹陷挤压，构造压缩1.7 km，导致红车断裂大规模逆冲推覆，其下降盘昌吉凹陷二叠系沉积厚度超过8 km，而四棵树凹陷地区无沉积(图5b)；三叠纪沉积时期，车排子凸起构造挤压活动减弱，构造压缩0.3 km，相应地昌吉凹陷三叠系沉积厚度减薄至2.0 km，西侧四棵树凹陷沉积少量地层(图5c)；侏罗纪沉积时期，车排子凸起构造挤压活动再次加强，构造压缩约0.5 km，昌吉凹陷地层沉积约2.0 km，四棵树凹陷也有地层沉积(图5d)；白垩纪沉积时期，车排子凸起构造挤压活动再次减弱，构造压缩约0.2 km，凸起上开始有沉积，沉积中心偏向东侧，昌吉凹陷三叠系沉积不到2 km，西侧四棵树凹陷沉积少量地层(图5e)；古近纪时期，车排子凸起构造挤压活动持续减弱，构造压缩约0.1 km，凸起上沉积范围缩小，沉积量小(图5f)；新近纪沙湾组时期，车排子凸起构造活动由挤压转换为伸展，伸展量为0.02 km，剖面上昌吉凹陷与四棵树凹陷沉积持平(图5g)；新近纪塔西河组沉积以来，车排子凸起持续伸展，构造伸展量为0.05 km，剖面上四棵树凹陷沉积厚度超过昌吉凹陷(图5h)。因此，可以推断车排子凸起经历了2期大的构造运动，P--E时期的构造挤压和N1s--Q时期的构造伸展。

剖面位置见图1。图5 过车排子凸起东西向剖面(A--A’)构造演化特征Fig.5 Structural evolution of western and eastern profile of Chepaizi uplift

3.2 构造演化史分析

根据前文对车排子地区断层几何学、运动学特征以及平衡剖面的分析成果，再结合前人对准噶尔盆地车排子地区地层沉积的研究成果[15-20]，笔者将车排子地区构造演化过程分为以下3个阶段：

1)强烈隆升剥蚀阶段(C3--J)：车排子凸起受东西向挤压应力场作用，红车断裂带向东逆冲。该阶段车排子凸起上发生强烈剥蚀，导致缺失上石炭统到侏罗系，仅在局部以沟谷充填的形式沉积了少量侏罗系。但在其西北侧的四棵树凹陷和东侧的昌吉凹陷形成前陆盆地，沉积了巨厚的地层。其中，四棵树凹陷的三叠系和昌吉凹陷的二叠系成为车排子凸起主要的烃源岩。

2)缓慢沉降阶段(K--E)：红车断裂带处于右旋压扭应力场，车排子凸起上发育正断层或逆断层。该阶段，白垩系从南东向北西以角度不整合形式超覆于石炭系基底之上；古近系从南南东向北北西以平行不整合的方式覆盖在白垩系之上，整个阶段沉积速率低。

3)局部伸展阶段(N--Q)：车排子凸起处于前陆盆地斜坡带区，发育近东西向正断层；新近系和第四系从南向北超覆，整体沉积速率较快。

图6 过车排子凸起剖面伸展量柱状图Fig.6 Histogram of extension amount cross Chepaizi uplift section

a.C3--J时期大地构造背景；b.过车排子地区地震剖面。图7 车排子凸起C3--J时期构造格局Fig.7 Structural layout in C3-J of Chepaizi uplift

4 断层形成机制

4.1 强烈隆升阶段(C3--J)断层形成机制

从石炭纪沉积晚期开始，准噶尔盆地西北缘造山带向南东推覆，此时受北天山阻挡作用，车排子地区向E逆冲挤出，形成NS走向的红车断裂带，并使得车排子地区强烈隆升形成凸起，其东侧昌吉凹陷对应发育形成前陆盆地(图7a)。二叠纪、三叠纪、侏罗纪沉积时期，车排子凸起始终处于逆冲褶皱带部位，发生剥蚀作用，并缺失该时期地层。而昌吉凹陷沉积了巨厚的三叠纪--侏罗纪地层(图7b)。

该时期，车排子凸起上主要发育逆冲断层。从石炭系发育的断层几何学、运动学特征可以看出，处于逆冲褶皱带上的逆冲断层以叠瓦冲断形式发育，其发展顺序不定。红车断裂带是凸起边界一级断裂，控制其逆冲隆升。从恢复的构造平衡剖面上可以看出，红车断裂带是以前展式发育向盆延伸(图5)。

4.2 缓慢沉降阶段(K--E)断层形成机制

从白垩纪开始，北天山断裂带(F1)、乌伦古南--克拉美丽断裂带(F2)发生右行走滑活动(图8)，兼有挤压应力。在边界断裂带活动所产生的右行压扭应力场中，压性结构面(S) 呈NEE向或弧形展布，它们由奎莫凸起、莫北凸起和陆南--滴南凸起组成，成为一“S”形展布的隆起带[7-8]。下伏基底断裂对上覆构造层扭动的影响在车排子凸起表现得尤为清楚，该时期红车断裂带表现为右行压扭，导致车排子凸起不断隆升，在整个车-莫隆起带隆升最高。压扭活动中，压性结构面的发育也“迁就”这一基底凸起，似以其为“砥柱”开始发育。除上述奎莫凸起--莫北凸起--陆南--滴南凸起构成的隆起带外，还形成了一支呈NNE向的达南凸起，达南凸起也向南收敛于车排子凸起以东，明显指示出车排子凸起这一古老基底凸起的作用。

凸起单元： 1.车排子凸起；2.奎莫凸起；3.达南凸起；4.莫北凸起；5.石英滩凸起；6.三个泉凸起；7.基东凸起；8.石东凸起；9.陆南--滴南凸起；10.白家海凸起；11.帐北隆起；12.黄草湖凸起；13.黑山凸起。主要断裂带：F1.北天山断裂带；F2.乌伦古南--克拉美丽断裂带；F3.三个泉断裂带；F4.红车断裂带；F5.滴水泉南断裂。据文献[7]修编。图8 白垩纪--古近纪时期准噶尔盆地构造背景Fig.8 Structural background of Junggar basin in Cretaceous-Paleogene

该阶段，车排子凸起构造单元处于前陆盆地系统的逆冲楔顶部带。由于凸起边界断裂红车断裂的右旋压扭作用，使得凸起处于NE向挤压作用。这种挤压作用使得凸起南东部构造沉降量大，北西沉降量小，白垩系--古近系向NW超覆。这是因为，在红车断裂压扭活动中的东西挤压分量使得扎伊尔山向东推覆抬升，地层西薄东厚；其南北向走滑分量使得凸起北部处于剪切运动的指向区，地面隆升，南部处于逃逸区，地面下降。在这种挤压和走滑分量叠合的控制下，车排子凸起南东部沉降量大，地层沉积厚；北西部沉降量小，地层逐渐向NW沉积尖灭。该时期，凸起上F1和F2断层继承性逆冲发育，早期发育的逆断层部分终止，形成盲冲断层。

4.3 局部伸展阶段(N--Q)断层形成机制

新近纪以来，车排子凸起完全处于北天山--四棵树凹陷前陆盆地构造域。北天山强烈隆升向N逆冲，车排子凸起位于前陆盆地斜坡带附近，凸起向南掀斜，来自NW、N、NE部的物源在车排子凸起沉积了沙湾组、塔西河组、独山子组等地层；由于喜马拉雅运动，新特提斯构造域产生强大挤压应力，北天山强烈隆升，并向准噶尔盆地冲断，巨大的构造负荷产生，准南缘再次挠曲下沉，车排子凸起完全处于北天山--四棵树凹陷前陆盆地构造域(前陆盆地斜坡带)，凸起向东南掀斜产生。由于前陆盆地压陷挠曲形成一系列发育于中、新生代地层中近EW向正断层；在NS向挤压、EW向伸展作用下，F1和F2断层发生负反转。

根据前陆盆地压陷挠曲理论[21]，北天山向N逆冲过程中，除了发育天山山前逆冲断层，北天山块体的重力作用迫使四棵树凹陷下陷、发育成前缘外，处于前缘隆起部位的车排子凸起发生隆升掀斜。根据过天山山前断裂、四棵树凹陷、车排子凸起大剖面来看，二叠系底的地层倾角约4.4°，新近系底的地层倾角为1.5°～1.9°，表明：在P--E沉积时期，地层掀斜2.5°～2.9°；在N--Q沉积时期，地层掀斜1.5°～1.9°；新近系以来地层向南掀斜速度是之前的7.3倍。正是由于地层的这种快速掀斜，盖层发生引张，使得车排子凸起上发育走向与挤压方向垂直的正断层(图9)。

图9 N--Q时期车排子凸起向南挠曲机制Fig.9 Flexure mechanism of Chepaizi uplift in N-Q

5 结论

通过综合分析车排子凸起的构造特征、构造演化史和各演化阶段断层的形成机制，得出以下结论：

1)车排子凸起之上发育不同性质、不同级别断层200余条，纵向上可分为海西--印支期形成的逆断裂和喜山期形成的正断裂两套主要断裂系统，平面断裂呈NE、NW等不同方向，低序级断裂均终止于F1、F2两条主断裂之上，从而组成不同的样式。

2)车排子凸起构造发育可分为3个阶段，即：强烈隆剥蚀升阶段(C3--J)、缓慢沉降阶段(K--E)、局部伸展阶段(N--Q)。不同构造演化阶段区域构造应力场具有明显差异性，从而形成了不同的断裂系统。

3)C3--J时期，研究区处于车排子凸起向E推覆的逆冲褶皱带上，发育近NS走向的红车断裂带，断穿石炭系--白垩系底的逆断层，无地层沉积，构造线近SN；K--E时期，红车断裂带的右旋压扭活动使车排子凸起处于逆冲楔顶部带，受NE向挤压，先期逆断层有的继承性持续发育，有的停止发育，还有的发育一段时间后停止发育，并形成盲冲断层，地层从南东向北西沉积尖灭，构造线转变为NE--SW；N--Q时期，北天山向N强烈挤压隆升的作用使车排子凸起处于前缘隆起带，一些逆断层发生负反转，同时在N--Q发育大量正断层，受凸起向南倾作用，地层南厚北薄，构造线转为EW。

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Structural Evolution and Dislocation Mechanism of Western Margin Chepaizi Uplift of Junggar Basin

Dong Dawei1,Li Li1,Wang Xiaolei2,Zhao Li1

1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266555,Shandong,China2.OilProductionPlantofDongxin,ShengliOilfieldCompany,Sinopec,Dongying257061,Shandong,China

Depending on the geographical background, the author discusses the structural evolution combined with the present static structural description. The features of geometry and kinematics of Chepaizi uplift are analyzed, as well as its structural evolution process. The different types of dislocation mechanisms are studied for their structural evolution. The results show that there were two fault systems developed on Chepaizi uplift, namely the reverse fault of Carboniferous-Cretaceous formed during Haixi-India period，and the normal fault of Cretaceous-Third system formed in Himalayan period. The structural evolution of Chepaizi uplift can be divided into three periods: C3-J, K-E, and N-Q. The structural stress background of the three periods have some differences. This resulted in the significant differences of the fault systems and their geographical depths. In the stage of C3-J, located in the eastward nappe thrust fold belt, Chepaizi uplift thrust into the east thrust Hongche fault belt without stratigraphic deposition.In the stage of K-E, due to the right-handed rotary pressing and twisting of the Hongche fault belt, Chepaizi salient was pressed onto the top belt of the thrust wedge from the northeast direction. Some of the earlier thrust faults developed successively and sustainably, and some of them stopped developing, while some others developed intermittently and formed a blind thrust. The stratum layouts from northeast to northwest in this period.In the stage of N-Q, due to the northward pressing and uplifting of North Mount Tianshan, Chepaizi salient was pushed into the front uplift belt, and resulted in the occurrence of the negative reversal to some thrust faults. A plenty of normal faults were developed in the stage of N-Q. Affected by the southward inclining salient, the stratum presents thick in the south and thin in the north.

Junggar basin; Chepaizi uplift; Hongche fault zone; fault; fault development mechanism

10.13278/j.cnki.jjuese.201504116.

2014-11-20

国家自然科学基金项目(40772132)

董大伟(1984--)，男，博士研究生，主要从事地质学方面研究，E-mail:18105468200@163.com

李理(1967--)，女，教授，博士，主要从事构造地质学方面研究，E-mail:lilywmwys@upc.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504116

P542；P618.13

A

董大伟，李理，王晓蕾，等.准噶尔盆地西缘车排子凸起构造演化及断层形成机制.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):1132-1141.

Dong Dawei,Li Li,Wang Xiaolei,et al. Structural Evolution and Dislocation Mechanism of Western Margin Chepaizi Uplift of Junggar Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1132-1141.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504116.