基于高密度地震反射和砂箱實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯背斜深層構(gòu)造解析

馬德龍, 袁劍英,張虎權(quán), 何登發(fā), 潘建國(guó), 潘樹(shù)新, 王宏斌, 魏東濤, 王彥君,,崔 鍵

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院,甘肅蘭州 730020; 2.中國(guó)石油油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730020; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院,北京 100083; 4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地調(diào)中心,陜西西安 710054;5.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210093)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣緊鄰北天山造山帶,發(fā)育完整的中新生代地層,記錄了北天山造山帶晚古生代以來(lái)完整的構(gòu)造-沉積演化歷史。尤其是新生代晚期受印度板塊與歐亞大陸碰撞及持續(xù)擠壓的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響,天山造山帶再次復(fù)活[1-3],并在準(zhǔn)噶爾盆地南緣形成一系列的褶皺沖斷帶[4-9],通過(guò)對(duì)地表及淺層生長(zhǎng)地層的識(shí)別、磁性地層年代的分析[10-16],取得了一批豐碩成果和地質(zhì)認(rèn)識(shí)。然而由于老地層埋深較大,深部構(gòu)造復(fù)雜、地表地勢(shì)起伏劇烈導(dǎo)致地震反射成像較差,以至于深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)分歧較大,運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律不清楚。筆者利用準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯背斜新采集的高密度三維地震反射,結(jié)合砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步認(rèn)識(shí)霍爾果斯背斜深部地質(zhì)結(jié)構(gòu),同時(shí)探討北天山山前構(gòu)造帶深淺層運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的差異性并分析其形成機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

天山全長(zhǎng)2 500 km,橫亙中國(guó)新疆和中亞地區(qū),平均海拔2 500 m,最高峰超過(guò)7 000 m。現(xiàn)今的地貌是在古生代天山基礎(chǔ)上,在新生代晚期復(fù)活形成[1-3]。準(zhǔn)噶爾盆地南緣褶皺沖斷帶位于天山北麓,在烏魯木齊以西發(fā)育3排近東西向構(gòu)造帶,自山向盆地方向依次為齊古斷褶帶、霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯背斜帶和獨(dú)山子—安集海背斜帶。復(fù)活的時(shí)間為23～24 Ma,并在15和11 Ma加速[15,17-19]。天山及周緣地殼平均縮短率約為6 mm/a,其中很大一部分被山前褶皺帶所吸收[4,20-21]。研究區(qū)位于山前第二排構(gòu)造帶上,平面上呈長(zhǎng)軸狀(圖1)。在地表和地震剖面中均可見(jiàn)逆沖斷層向北沖出地表(圖1(b)和圖2),上盤(pán)自北向南依次發(fā)育安集海河組、沙灣組、塔西河組,下盤(pán)地層被第四系覆蓋,深部發(fā)育較完整的中新生界(圖3)。

2 霍爾果斯背斜深部構(gòu)造特征

在霍爾果斯背斜地表可見(jiàn)向北逆沖的逆沖斷裂,該斷裂在地震剖面中斷面清晰,傾向朝南并逐漸滑脫收斂在4～5 km深度處(圖2, 剖面位置見(jiàn)圖1(b))。斷裂上盤(pán)發(fā)育南傾的單斜地層,且N2d具有典型的生長(zhǎng)地層特征,前人做過(guò)大量的基礎(chǔ)研究工作[15,19],在此不做贅述。在高密度三維深度域地震剖面中(圖2),背斜核部3～6 km深度可見(jiàn)明顯的地震同相軸交切關(guān)系,斷面傾向朝北。在背斜南翼6～9 km深度處同樣發(fā)育斷面南傾的逆沖斷裂,并在9～10 km深度處變平收斂。兩條逆沖斷裂在空間上構(gòu)成典型的構(gòu)造楔樣式(圖2),剖面中的層位引自鄰近地震工區(qū),數(shù)據(jù)可靠。在深度10 km以下的地震反射中,剖面南北兩側(cè)地震反射近于水平,中部(構(gòu)造楔南翼之下)同相軸下凹明顯,推測(cè)可能是早期的伸展斷陷在晚期發(fā)生弱反轉(zhuǎn)的結(jié)果(圖2)。

3 砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖Y(jié)果

根據(jù)研究區(qū)地層發(fā)育特征,按照其能干性的強(qiáng)弱進(jìn)行簡(jiǎn)化,設(shè)計(jì)初始實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷貙雍穸?圖3)。實(shí)際地質(zhì)特征與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的比例關(guān)系按照表1中的相似性參數(shù)進(jìn)行換算。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用120～150 μm石英砂和黑剛玉互層代表能干性地層,其內(nèi)摩擦角為29°～36°,力學(xué)性質(zhì)符合庫(kù)倫-摩爾破裂準(zhǔn)則,可以代表沉積地層中的脆性地層。用硅膠代表非能干性地層或滑脫層,其黏度為1.2×104Pa·s,在低應(yīng)變速率情況下符合牛頓流體行為,可以代表沉積地層中的塑性地層。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油集團(tuán)油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“三維動(dòng)態(tài)構(gòu)造控藏物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”完成,其構(gòu)造變形模擬實(shí)驗(yàn)裝置與國(guó)內(nèi)其他科研院所不同[22-23],配置了工業(yè)CT可以對(duì)變形過(guò)程和模擬內(nèi)部流體運(yùn)聚進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏奸L(zhǎng)度為25 cm,模型底部緊靠固定擋板處固定一塊長(zhǎng)度為10 cm的薄硬塑料板。按照簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷貙雍穸茸韵露弦来武佋O(shè)0.5 cm硅膠、1.5 cm石英砂、0.5 cm硅膠和2.0 cm石英砂(圖4)。擠壓速度為2 cm/h,縮短量為5 cm。在擠壓過(guò)程中每0.5 h加0.3 cm的同構(gòu)造沉積。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯背斜及鄰區(qū)地質(zhì)圖 Fig.1 Geological map of Huoerguosi Anticline and adjacent areas at the southern margin of Junggar Basin

利用工業(yè)CT對(duì)完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行掃描,結(jié)果如圖5所示,此次實(shí)驗(yàn)得到的雙層滑脫構(gòu)造模型與霍爾果斯背斜地震剖面具有很好的相似性。下部滑脫層發(fā)育斷層轉(zhuǎn)折褶皺與上部滑脫層內(nèi)發(fā)育的反沖斷層構(gòu)成了深層構(gòu)造楔。淺層滑脫層沖出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅韺?斷層上盤(pán)地層具有單斜特征,傾角向左逐漸變緩,具有生長(zhǎng)地層特征。值得注意的是,在淺層滑脫層沖出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅韺铀纬傻哪鏇_大斷裂下盤(pán),砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅憩F(xiàn)為單斜構(gòu)造特征,而在實(shí)際地震剖面中具有背斜形態(tài),這種差異可能與淺層逆沖大斷裂切割和破壞構(gòu)造反沖斷層上盤(pán)背斜的位置有關(guān)。由于淺層逆沖大斷裂形成時(shí)間相對(duì)于深部構(gòu)造楔形成時(shí)間較晚(實(shí)驗(yàn)過(guò)程和平衡演化剖面均證實(shí)),如果斷裂切割背斜核部或者北翼,那么逆沖斷裂下盤(pán)僅保留北翼單斜構(gòu)造(如實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退?,如果斷裂僅切割背斜的南翼,那么背斜的核部保存比較完整(如地震剖面所示)。至于背斜哪個(gè)部位被破壞而發(fā)育晚期逆沖大斷裂,可能與背斜應(yīng)力狀態(tài)和地層性質(zhì)有關(guān),實(shí)驗(yàn)室條件下很難模擬真實(shí)狀況,但構(gòu)造形態(tài)整體相似,可以反映出實(shí)驗(yàn)邊界條件和初始模型與實(shí)際地質(zhì)條件比較吻合。

圖2 霍爾果斯背斜地質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Geological structrue of Huoerguosi anticline

圖3 霍爾果斯背斜地層綜合柱狀圖及地層簡(jiǎn)化Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of Huoerguosi Anticline and its simplification for physical model

圖4 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Physical model of sandbox experiment

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

利用面積-深度-應(yīng)變的分析方法(area-depth-strain method,以下簡(jiǎn)稱(chēng)ADS方法)對(duì)霍爾果斯背斜地質(zhì)模型和構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。這種方法是通過(guò)將目的層相對(duì)深度和變形過(guò)程中產(chǎn)生的剩余面積進(jìn)行投影的方法來(lái)驗(yàn)證構(gòu)造解釋是否平衡,還能夠預(yù)測(cè)滑脫層的深度、位移量、變形速率和層間的應(yīng)變(圖6)。這種方法在滑脫褶皺[24-27]和斷層轉(zhuǎn)折褶皺[28-30]中的應(yīng)用取得了良好效果。本文中主要介紹與研究區(qū)實(shí)際情況相似的地層連續(xù)沉積型的ADS方法原理。

如圖6(a)所示,在剖面中任意選擇一條固定的參考面,并且在剖面中選出7個(gè)標(biāo)志層,將7個(gè)標(biāo)志層相對(duì)固定參考面的深度與標(biāo)志層變形后相對(duì)初始未變形多出的剩余面積進(jìn)行投影,如圖6(b)右側(cè)投影圖所示。圖中編號(hào)為1～3的地層(藍(lán)色)為前生長(zhǎng)地層,在不同位移量下前生長(zhǎng)地層投點(diǎn)始終保持一條直線,而直線斜率的倒數(shù)即為前生長(zhǎng)地層的位移量,直線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為滑脫層的深度。將生長(zhǎng)地層投點(diǎn)與交點(diǎn)相連,所得直線的斜率倒數(shù)為生長(zhǎng)地層(編號(hào)為4～9的地層)的位移量,可以明顯看出越晚沉積的生長(zhǎng)地層的位移量越小。

表1 實(shí)驗(yàn)材料物理參數(shù)及模型相似比

圖5 砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果CT掃描圖與地質(zhì)解譯圖Fig.5 CT image of sandbox physical model and geological interpretation

本文中對(duì)霍爾果斯背斜地質(zhì)模型(圖2)進(jìn)行平衡復(fù)原,得到霍爾果斯背斜構(gòu)造演化剖面(圖7)。早侏羅世霍爾果斯地區(qū)可能發(fā)育斷陷結(jié)構(gòu)[9,33],中晚侏羅世進(jìn)入坳陷階段,造成現(xiàn)今地震剖面上J2-3厚度在背斜南翼比北翼厚300～400 m(圖2),之后研究區(qū)進(jìn)入構(gòu)造穩(wěn)定階段,南北翼地層基本等厚,除E2-3a泥巖塑性地層在晚期構(gòu)造變形過(guò)程中出現(xiàn)局部厚度增加或減小的現(xiàn)象。新近紀(jì)以來(lái),研究區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造變形,形成了霍爾果斯背斜深部構(gòu)造楔和淺層斷層相關(guān)褶皺的疊加。

利用ADS方法對(duì)霍爾果斯地質(zhì)模型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)J2x-N1投點(diǎn)基本在同一條直線上,而N2和Q投點(diǎn)偏離直線明顯(圖8(a)),反映出J2x-N1可能具有前生長(zhǎng)地層特征,而N2和Q為生長(zhǎng)地層,這與地震剖面和野外露頭[12,15]上觀察到的現(xiàn)象吻合,同時(shí)利用ADS方法計(jì)算得到J2x-N1的位移量為2 306 m,與構(gòu)造演化剖面中根據(jù)層長(zhǎng)守恒的原理得到的J2x-N1的縮短2 429 m比較接近。將實(shí)驗(yàn)獲得的已知模型也用ADS方法計(jì)算,得到的位移量為4.98 cm(圖8(b)),與實(shí)際擠壓5 cm的誤差為0.4%,同時(shí)9～13標(biāo)志層投點(diǎn)偏離0～7所擬合出的直線,具有生長(zhǎng)地層特征,這也與實(shí)際模型相符,反映出該方法的可靠性。

圖6 ADS方法原理示意圖(據(jù)Schlische等)Fig.6 Schematic of theory of ADS method (After Schlische, et al[30])

圖7 霍爾果斯背斜構(gòu)造演化Fig.7 Structural evolution of Huoerguosi Anticline

圖8 地震地質(zhì)模型與物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果深度-面積曲線對(duì)比Fig.8 Contrast of area-depth curves between seismic model and physical model of sandbox experiment

5 討 論

通過(guò)地表生長(zhǎng)地層的識(shí)別和高精度磁性地層年代的限定,霍爾果斯背斜發(fā)育時(shí)間起始于12 Ma[11]。本文中獲得的霍爾果斯背斜深層構(gòu)造楔的地層縮短量為2 306 m,平均縮短率約為2 mm/a,低于前人天山南北地殼尺度的平均6 mm/a的縮短速率[20-21,31]。另外,通過(guò)該方法獲得生長(zhǎng)地層N2和Q的位移量為2 047 m,平均縮短速率為0.89 mm/a,同王勝利[15]和Charreau[19]等發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近,考慮到淺層地層剝蝕嚴(yán)重,生長(zhǎng)地層的縮短速率應(yīng)大于該數(shù)值,這也是與活動(dòng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家對(duì)研究區(qū)及相鄰區(qū)域通過(guò)河流階地變形測(cè)量得到的地殼縮短率3±1.5 mm/a[4]有差異的原因。對(duì)比淺層和深層構(gòu)造縮短率,發(fā)現(xiàn)深層構(gòu)造縮短率要比淺層縮短率小得多,這可能與準(zhǔn)噶爾盆地南緣發(fā)育多套塑性層而造成的層間剪切有關(guān)[32]。

近年來(lái)有學(xué)者提出早侏羅世天山及鄰區(qū)可能發(fā)育伸展斷陷[9,33],在初始實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)上,有針對(duì)性地預(yù)制硬塑料板以模擬早期可能發(fā)育先存斷陷。而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c地震剖面結(jié)構(gòu)形態(tài)相似。另外,在地震剖面中構(gòu)造楔南翼之下深度9～12 km處地震反射同相軸具有明顯的下凹特征,也反應(yīng)出早期可能發(fā)育斷陷,在后期的構(gòu)造演化過(guò)程中,該斷陷未發(fā)生或者發(fā)生較弱的反轉(zhuǎn)。

6 結(jié) 論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯背斜深部發(fā)育3套構(gòu)造層,分別為下侏羅統(tǒng)及下伏地層的斷陷結(jié)構(gòu)、下侏羅統(tǒng)滑脫層與安集海河組(E2-3a)滑脫層構(gòu)成深部構(gòu)造楔和安集海河組(E2-3a)滑脫層控制的上覆單斜沖斷構(gòu)造。

(2)霍爾果斯背斜地質(zhì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)演化過(guò)程受3方面因素控制,分別為早侏羅世斷陷結(jié)構(gòu)、下侏羅統(tǒng)和安集海河組(E2-3a)2套滑脫層以及晚新生代同構(gòu)造沉積。

致謝感謝南京大學(xué)崔鍵博士、中國(guó)石油油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊瑞祥工程師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予的幫助。