地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (3): 313-323
引用本文
马超, 吴孔友, 裴仰文, 李天然. 准噶尔盆地东部构造特征及演化定量分析[J]. 地质力学学报, 2019, 25(3): 313-323.
MA Chao, WU Kongyou, PEI Yangwen, LI Tianran. QUANTITATIVE ANALYSIS OF TECTONIC CHARACTERISTICS AND EVOLUTION IN THE EASTERN JUNGGAR BASIN[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(3): 313-323.
准噶尔盆地东部构造特征及演化定量分析
马超 , 吴孔友 , 裴仰文 , 李天然     
中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580
摘要:准噶尔盆地东部地区经历了多期次的构造运动,其构造特征和形成演化机制对该地区的油气勘探和开发具有十分重要的指导意义。运用高分辨率的二维、三维地震、测井数据,优选十条地质格架剖面开展精细构造解释,刻画出不同构造单元的地质结构特征,建立了跨各个构造单元的地质解译模型。在精细构造解译的基础上,基于平衡剖面恢复原理,通过Midland Valley的3D MOVE功能模块对10条地质格架剖面进行构造恢复,并对其各地质时期构造缩短量和缩短速率进行定量表征。准噶尔东部地区缩短量及缩短速率统计分析表明,在东西方向上,三叠纪至侏罗纪缩短量(4.60~11.28 km)及缩短速率最大(0.12~0.20 mm/a),这一时期准东地区经历了强烈的东西向挤压构造变形;在南北方向上,二叠纪和新近纪末期缩短量(2.56~8.93 km、0.54~6.90 km)及缩短速率最大(0.05~0.15 mm/a、0.02~0.19 mm/a),这两个时期准东地区经历了强烈的南北向挤压构造变形。
关键词平衡剖面恢复    缩短量    缩短速率    构造演化    构造叠加    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.03.029     文章编号:1006-6616(2019)03-0313-11
QUANTITATIVE ANALYSIS OF TECTONIC CHARACTERISTICS AND EVOLUTION IN THE EASTERN JUNGGAR BASIN
MA Chao , WU Kongyou , PEI Yangwen , LI Tianran     
School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong China
Abstract: The eastern Junggar Basin has undergone multiple tectonic movements. Its tectonic characteristics, formation and evolution mechanism are of great guiding value for oil and gas exploration and development in this area. By using high-resolution 2-D and 3-D seismic and well logging data, ten geological framework sections were selected to carry out fine tectonic interpretation, and the geological characteristics of different tectonic units were described, and the geological interpretation model across each tectonic unit was established. On the basis of fine tectonic interpretation and under the guidance of balanced profile restoration, the sections of ten geological frameworks were reconstructed through the 3D MOVE function module of Midland Valley, and the amount and rate of tectonic shortening in each geological period were quantitatively characterized. The results show that in the East-West direction, the shortening amount (4.60~11.28 km) and the shortening rate (0.12~0.20 mm/a) from the Triassic to the Jurassic periods were the largest and the Junggar region experienced intense East-West compressional tectonic deformation during this period. In the North-South direction, the shortening amount (2.56~8.93 km, 0.54~6.90 km) and the shortening rate (0.05~0.15 mm/a, 0.02~0.19 mm/a) at Permian and the end of Neogene periods were the largest and the Jundong region underwent intense North-South compressional tectonic deformation.
Key words: balanced profile restoration    shortening amount    shortening rate    tectonic evolution    structural superposition    
0 引言

准噶尔盆地是一个复杂的大型叠加复合盆地[1-3],在东部地区已发现甘河子、三台、北三台、沙南、沙北、昌吉、火烧山、五彩湾等多个油气田以及吉木萨尔致密油藏,具有充足的油源条件和优越的油气运移条件[4]。盆地位于哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块及塔里木古板块的交汇部位[5-7],三面被古生代缝合线包围,面积约13×104 km2,平面上呈现隆凹相间、南北分带、东西分块的构造格局。准噶尔盆地东部自石炭纪以来经历多期构造运动,沉积中心发生多次迁移,地层遭受多期剥蚀[8-9],形成了较为复杂的断裂体系,燕山运动期断裂对油气藏分布具有明显的控制作用[10-12]。吴孔友等[13]将准噶尔盆地分为5个演化阶段:①碰撞—成盆阶段;②压陷—挠曲阶段;③挠曲—坳陷阶段;④坳陷—沉降阶段;⑤再生前陆盆地阶段。何登发等[14]研究认为准噶尔盆地经历了石炭纪断陷—拗陷、早二叠世断陷、中二叠世—三叠纪前陆盆地、侏罗纪伸展断陷—压扭盆地、白垩纪—古近纪陆内拗陷与新近纪—第四纪陆内前陆盆地等6个演化阶段,可归并为石炭纪、早二叠世—三叠纪、侏罗纪和白垩纪—第四纪4个不等时的伸展—聚敛旋回。吴庆福[15]将准噶尔盆地构造演化分为三个阶段:裂陷阶段(二叠纪沉积时期)、坳陷阶段(三叠纪—始新世末)、收缩—整体上隆阶段(中新世至今)。赵文红[16]研究利用主要目的层位的等厚图及演化剖面分析准东地区构造演化及变形特征,将准东地区构造演化划分为7个主要阶段:晚石炭世博格达裂谷及克拉美丽洋关闭阶段、早二叠世—晚三叠世一体化沉积阶段、三叠纪末“棋盘式”构造格局形成阶段、早侏罗世—晚侏罗世早期再次沉降阶段、侏罗纪末“棋盘式”构造格局加强并定型阶段、白垩纪抬升剥蚀阶段及古近纪—第四纪统一前陆盆地演化阶段。构造演化在一定程度上控制着生储盖组合的形成,影响着烃源岩的演化进程,控制着含油气系统的多期生烃和多期成藏,构成含油气系统的运聚、改造、和后期保存的关键时刻[17-18]

以往研究多数是依据理论分析来划分演化阶段,部分研究是根据不整合、等厚图及演化剖面来划分,目前对准噶尔盆地东部地区构造演化、定量评价方面欠缺相关研究,制约了油气构造演化划分。因此文章研究利用最新、高质量的二维、连片三维地震资料,对准东地区构造特征精细刻画,并通过Midland Valley的3D MOVE功能模块对优选地震剖面进行构造恢复,计算了各地质时期的构造缩短量和缩短速率并探讨其构造演化动力学机制,从定量计算的角度对准东地区构造演化进行研究。

1 地质背景

准噶尔盆地位于新疆北部,西北边界为扎伊尔山、哈山、准西北缘造山带,东北边界为阿尔泰造山带及克拉美丽造山带,南边界为博格达山及天山造山带,整体形状为三角形,东西向较长,南北向较窄(图 1a),大地构造位置上地处中亚造山带中南部哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块及塔里木古板块的交汇部位,属于哈萨克斯坦板块东延部分[19]

a—准噶尔盆地及周缘界山;b—准噶尔盆地构造单元划分(据新疆油田);c—准噶尔盆地东部地区构造格局及地质格架剖面位置 图 1 研究区构造背景及剖面位置 Fig. 1 Tectonic background and section location of the study area

准噶尔盆地构造单元可划分为西部隆起、乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、北天山山前冲断带及东部隆起6个一级构造单元,在平面上呈现棋盘式构造格局(图 1b)。

准东地区位于准噶尔盆地中央坳陷区与东部隆起区之间,内部可进一步细分为多个结构单元[20-22],分别为西部的阜康凹陷,北部的白家海凸起与东道海子凹陷,东部的北三台凸起与沙帐断褶带及吉木萨尔凹陷,南部的博格达山前阜康断裂带(图 1c)。隆起或凹陷的走向与相邻造山带走向大致平行[13],断裂带和褶皱广泛发育[23-26],发育的地层主要有石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)、古近系(E)及新近系(N),由于多次构造运动导致古近系及新近系有不同程度的遭受剥蚀。

2 地质结构特征

在准噶尔东部地区选取10条典型地质格架剖面(东西、南北向各5条),地震测线位置如图 1c所示,剖面上在各构造单元边界之间发育大型逆冲走滑断层。通过对10条骨架剖面的精细解释,建立了准东地区构造地质格架,为准东地区各构造单元间的结构关系分析奠定基础。以下选取两条典型地震剖面(东西向D-D′,南北向G-G′)分析其构造特征。

2.1 东西向地震剖面构造特征

剖面D-D′(图 2)依次切过阜康凹陷内部、东斜坡区、北三台凸起、沙帐断裂带、石树沟凹陷、黄草湖凸起等构造单元。在该剖面上可观察到该区域地势整体上呈现东高西低的特征,阜康凹陷的地层整体向西倾伏,自西向东倾角增大,地层厚度总体自阜康凹陷向黄草湖凸起由厚变薄,呈楔状;发育有石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)、古近系(E)、新近系(N),其中阜康凹陷、东斜坡区及北三台凸起地层比较完整,在沙帐断裂带部位可明显观察到白垩系(K)超覆在三叠系(T)之上,侏罗系(J)被部分削截,白垩系(K)与三叠系(T)呈角度不整合接触;在黄草湖凸起顶部可观察到古近系(E)超覆在二叠系(P)之上,两者呈角度不整合接触,说明黄草湖凸起部位构造变形更加强烈。在该剖面上发育有4个背斜、3个向斜,自北三台凸起向东的构造单元表现为较完整的褶皱特征。剖面上发育5条主要断裂(F1—F5),其中F1断裂位于阜康凹陷内,断裂非常陡,在三叠系(T)、侏罗系(J)中可观察到“花状”的分支断层,F1属于走滑断层;其余4条断裂F2—F5分别位于北三台凸、沙帐断裂带、黄草湖凸起部位,均表现为深部高角度逆冲断层,后期在逆冲断层的基础上叠加走滑断层的构造特征,可在剖面上观察到在二叠系(P)、三叠系(T)中多发育“花状”的断层。

a—原始地震剖面;b—构造解译方案 图 2 地质格架剖面D-D′地震解译(剖面位置见图 1c) Fig. 2 Seismic interpretation of geological section D-D′ (Section position is shown in Figure 1c)
2.2 南北向地震剖面构造特征

剖面G-G′(图 3)依次切过滴南凸起、白家海凸起及阜康凹陷东部斜坡。在该剖面上可观察到该区域地势整体上呈现北高南低的构造特征,褶皱构造较为发育。阜康凹陷东斜坡区的地层整体向北倾伏,自南向北倾角增大,地层厚度总体自阜康凹陷向滴南凸起由厚变薄;发育有石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)、古近系(E)、新近系(N),其中阜康凹陷东斜坡区地层比较完整连续,在白家海凸起及滴南凸起部位可明显观察到缺失古近系(E)和新近系(N),说明受构造运动影响,该凸起地区部分遭受剥蚀。在该剖面上主要发育有4个背斜、4个向斜。剖面上发育5条主要断裂F6—F10,其中F6、F7和F8断裂分别位于阜康凹陷内部和白家海凸起部位,这3条断裂陡并且在三叠系(T)、侏罗系(J)中发育“花状”分支断层,F6、F7及F8断裂属于走滑性质的断裂;F9和F10断裂位于滴南凸起南北两侧,在剖面上主要表现为高角度逆冲断层,后期在逆冲断层的基础上叠加走滑断层的构造特征,可在剖面上观察到在三叠系(T)、侏罗系(J)中多发育“花状”的断层。

a—原始地震剖面;b—构造解译方案 图 3 地质格架剖面G-G′地震解释(剖面位置见图 1c) Fig. 3 Seismic interpretation of geological section G-G′ (Section position is shown in Figure 1c)
3 构造演化及定量评价

在明确南北向、东西向10条地质格架剖面构造特征的基础上,运用平衡剖面方法[27-30],通过Midland Valley的3D MOVE功能模块,对地质格架剖面进行构造恢复(东西向4条、南北向5条),形成构造演化序列剖面,并对地质格架剖面各地质时期的构造缩短量和缩短速率进行定量表征,据此进行构造变形的期次划分。该模块是一个交互式的三维可视化软件,主要用于构造建模、构造恢复及正演模拟,软件包含弯滑去褶皱、斜剪切、断层平行流等算法,适用于任何构造沉积体系,如伸展构造体系、挤压逆冲褶皱、走滑构造体系等。3D MOVE中包含两大类恢复算法:第一类是非运动学恢复;第二类是运动学恢复;两者的区别在于是否考虑断层断距对恢复的影响。东西向剖面D-D′的构造演化序列图和构造变形定量评价图表分别为图 4图 5,南北向剖面G-G′的构造演化序列图和构造变性定量评价图表分别为图 6图 7

图 4 地质格架剖面D-D′构造演化图(剖面位置见图 1c) Fig. 4 Tectonic evolution of geological section D-D′ (Section position is shown in Figure 1c)

图 5 地质格架剖面D-D′缩短量和缩短速率 Fig. 5 Statistics of section D-D′ including shortening amount and shortening rate

图 6 地质格架剖面G-G′构造演化图(剖面位置见图 1c) Fig. 6 Tectonic evolution of geological section G-G′ (Section position is shown in Figure 1c)

图 7 地质格架剖面G-G′缩短量和缩短速率 Fig. 7 Statistics of section G-G′ including shortening amount and shortening rate
3.1 东西向地质剖面构造演化及定量评价

图 4可以看出在二叠系(P)沉积前至三叠系(T)沉积前属于比较稳定时期,沉积二叠系(P),发育少量逆断层;侏罗系(J)沉积前至白垩系(K)沉积前受到强烈构造挤压,地层抬升、褶皱发育明显、断层活动强烈,发育大型逆冲断层;古近系(E)沉积前至现今构造活动比较稳定,沉积白垩系(K)、古近系(E),结合地震剖面分析,在白垩纪之前阜康凹陷及东道海子凹陷地区地层较为平缓,白垩纪发生掀斜,并呈现出明显的东高西低的构造特征。

图 5中可以观察出剖面D-D′缩短量在侏罗系(J)沉积前和白垩系(K)沉积前产生了极大值(7.52~11.28 km),并在该时期产生缩短速率极大值(0.15~0.20 mm/a),而二叠系(P)沉积前至三叠系(T)沉积前及古近系(E)沉积前至现今的缩短量(0~1.88 km、1.25~5.02 km)和缩短速率(0~0.04 mm/a、0.05~0.06 mm/a)数值比较小,表明剖面D-D′在三叠纪(T)至侏罗纪(J)末期受到了强烈的东西向构造挤压。

3.2 南北向地质剖面构造演化及定量评价

图 6中可以观察出在三叠系(T)沉积前及现今的构造活动最强烈,地层被抬升,褶皱发育明显,断层活动,发育逆断层及走滑断层;侏罗系(J)沉积前至新近系(N)沉积前构造活动趋于稳定,沉积侏罗系(J)、白垩系(K)、古近系(E)地层,浅层发育有局部正断层。在东西向剖面上观察到的白垩纪地层掀斜,在南北向剖面上未出现明显特征,在一定程度上说明了白垩纪的主要应力方向为东西向挤压。

图 7中可以观察出剖面G-G′缩短量在三叠系(T)沉积前和现今产生了极大值(8.93 km、6.90 km),并且在该时期也产生了缩短速率极大值(0.15 mm/a、0.19 mm/a),表明剖面G-G′在二叠纪(P)和新近纪(N)末期受到了强烈的南北向构造挤压,而且二叠纪(P)的缩短量及缩短速率整体上大于新近纪(N)末期。

3.3 研究区构造变形定量评价及演化进程

分别对东西向4条演化剖面和南北向5条演化剖面定量计算并统计数据(表 1表 2)生成折线统计图(图 8图 9)。尽管东西向四条剖面缩短量存在差异,但呈现较为相似的趋势,4条剖面均在侏罗系(J)沉积前和白垩系(K)沉积前为极大值(4.60~11.28 km),并在这两个时期产生了缩短速率极大值(0.12~0.20 mm/a),表明准东地区在三叠纪(T)至侏罗纪(J)经历了强烈的东西向构造挤压;南北向5条剖面缩短量尽管也存在差异,但是整体呈现相似的趋势,5条剖面均在三叠系(T)沉积前和现今为极大值(2.56~8.93 km、0.54~6.90 km)并在这两个时期产生了缩短速率极大值(0.05~0.15 mm/a、0.02~0.19 mm/a),表明准东地区在二叠纪(P)和新近纪(N)末期经历了强烈的南北向构造挤压。

表 1 东西向剖面缩短量及缩短速率数据统计表 Table 1 Statistic dataset of shortening amounts (km) and shortening rates (mm/a) of E-W geological sections

表 2 南北向剖面缩短量及缩短速率数据统计表 Table 2 Statistic dataset of shortening amounts (km) and shortening rates (mm/a) of N-S geological sections

图 8 准东地区南北向地质格架剖面缩短量及缩短速率 Fig. 8 Statistics of the E-W geological sections, demonstrating shortening amounts and shortening rate

图 9 准东地区东西向地质格架剖面缩短量及缩短速率 Fig. 9 Statistics of the N-S geological sections, demonstrating shortening amounts and shortening rate

不同学者通过沉积物源[31]、磷灰石裂变径迹测试和热模拟结果[32]分析了准噶尔盆地的活动过程。结合已有分析,文章在平衡剖面恢复及定量评价的基础上,利用3D MOVE构建三维模型(图 10)。早二叠世新疆北部及邻区普遍转入碰撞后残留阶段,博格达山地区发生了广泛的岩浆侵入活动,准东地区受北天山造山带形成及南北方向的挤压应力[33](图 10a);早二叠世末期,博格达山受南北方向挤压力处于裂谷形成、发育期(图 10b),中晚二叠世,博格达山初始隆升,处于碰撞抬升阶段;三叠纪早期,南北向挤压力逐渐减弱,开始东西向挤压,至三叠纪中晚期,南北向挤压力进一步减弱,受西准噶尔造山带向盆地逆冲的作用,东西向挤压力加强(图 10c);在经过三叠纪过渡之后,侏罗纪开始接受稳定的东西向挤压力,而南北向的挤压力作用迅速减弱,在北天山山前断裂、克拉美丽山前断裂的右旋走滑应力作用的影响下,导致该区沉积地层形成北东向展布的背向斜构造,研究区南部等凹陷受自西向东的逆冲挤压,褶皱变形叠加在凹陷和凸起之上[18],由此可在地震剖面上观察到侏罗系广泛发育的负花状构造(图 10d);新近纪受喜马拉雅运动影响,北天山造山带和博格达造山带强烈隆升,向盆地产生逆冲推覆应力。基于以上地震剖面解释、和剖面恢复、缩短量及缩短速率定量计算及构建的三维演化模型进而划分的构造活动期次和准噶尔盆地整体构造运动及演化是相吻合的。

a—早二叠世;b—中二叠世;c—早三叠世;d—侏罗纪 图 10 准东地区早二叠世以来三维构造演化模型 Fig. 10 The 3D structural evolution models of eastern Junggar Basin since Early Permian
4 结论

(1) 结合地震、测井等资料,通过对十条地震剖面精细解译可观察到如下构造特征:准东地区石炭—二叠系普遍发育大型逆冲断层;三叠—侏罗系发育走滑断层,可在剖面上观察到多为“花状”构造;白垩—新近系发育正断层,可在剖面上观察到地堑、地垒等组合构造。

(2) 演化剖面定量计算表明:三叠纪(T)至侏罗纪(J)时期产生缩短量及缩短速率最大(4.60~11.28 km、0.12~0.20 mm/a),表明在该时期经历了强烈的东西向挤压;二叠纪(P)和新近纪(N)末期产生缩短量及缩短速率最大(二叠纪(P):2.56~8.93 km、0.05~0.15 mm/a;新近纪(N)末期:0.54~6.90 km、0.02~0.19 mm/a),表明在这两个时期经历了强烈的南北向挤压。

(3) 早二叠世至中二叠世末期受南北方向挤压构造应力,在造山带活动的影响,形成南北向褶皱构造;三叠纪早期至三叠纪中晚期所受南北方向挤压应力减弱,东西方向挤压应力开始加强;侏罗纪至白垩纪接受稳定的东西方向挤压构造应力,在山前断裂的走滑作用的影响下,形成近似东西向褶皱构造;准东地区“棋盘式”构造格局体现了该区多期次构造叠加的特征。

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