博格達山西緣三葛莊凸起多期構造變形及其對博格達山隆升的響應

梁鑫鑫， 陳 石， 陳書平， 袁浩偉， 梁媛媛， 宋興國

(中國石油大學(北京)地球科學學院， 北京 102249)

柴窩堡凹陷夾于博格達基底楔沖構造系與北天山構造區之間，面積3 683.7 km2，物探資料顯示南北邊界均為隱伏大斷裂，現今被第四系所覆蓋。其凹陷中心在柴窩堡湖一帶,整體呈東西向延伸，凹陷在石炭系基底之上發育，沉積裝填了二疊系至新生界的厚層地層，其中中新生界厚度大于5 000 m。目前該凹陷也是準噶爾盆地南緣油氣勘探開發的重要區域。

圖1 準噶爾盆地大地構造位置和地質簡圖Fig.1 Geotectonic location and schematic geological map of the Junggar Basin

柴窩堡凹陷位于特殊的大地構造位置，是夾持在北天山和博格達山之間的山間盆地，凹陷的構造變形和沉積充填記錄了周緣山系長期而復雜的構造演化過程。迄今為止，前人對準噶爾盆地南緣、北天山、博格達山及柴窩堡凹陷的構造演化進行過大量的研究，但是仍然沒有形成共識。三葛莊凸起是柴窩堡凹陷內的重要構造單元，該凸起分隔永豐次凹和達坂城次凹，且北部與博格達山相接，表明三葛莊凸起的形成原因與博格達山的隆升有密切聯系。博格達山是東天山的分支山系，被認為是新疆北部重要的陸內造山系，目前對于博格達山的初始隆升過程，到現在仍然沒有達成統一觀點。依據磷灰石裂變徑跡、地層學和重礦物的研究結果,有學者認為博格達山的隆升時間為晚侏羅世末—早白堊世初[1-3]；也有學者根據準噶爾盆地南緣和吐-哈盆地北緣的沉積物延伸方向,認為博格達山在早侏羅世已隆起成山[4-6]；還有學者根據吐-哈盆地北緣中生代不同時期沉積物擴散方式,認為博格達山初始隆升時間為早中侏羅世[7-8]；Chen等[9]通過多期褶皺變形證據認為博格達山在早中生代三疊系開始隆起并分隔準噶爾盆地和吐-哈盆地；Wang等[10]通過沉積相分析，結合古水流認為博格達山的初次隆升發生在晚二疊世；還有許多學者根據博格達山石炭紀火山巖系構造屬性、韌性剪切帶發育時間及東天山造山帶地層接觸關系等，認為博格達山初始隆升時間發生在晚石炭世[11-17]。對三葛莊凸起構造演化的研究不僅對柴窩堡凹陷的形成原因至關重要，甚至對博格達山的初始隆升時間具有重要意義。本文在充分利用柴窩堡地區最新勘探資料，消化前人研究成果基礎上，利用平衡剖面技術和剖面的角度不整合，恢復了三葛莊凸起的構造演化過程，探討其成因以及該凸起變形期次對博格達山隆升過程的響應。

1 地質背景

準噶爾地塊作為中亞造山帶重要組成部分[圖1(a)]，北西以西準噶爾山系為界，北東為阿爾泰造山帶，南接天山造山帶[圖1(b)]。準噶爾盆地是新疆北部的大型含油氣盆地，整體呈三角形，面積約13×104km2。

博格達山位于北天山東部，處于東、西天山過渡帶內，呈條帶狀分布，東西向延伸數百公里，南北寬達數十千米[18]。其橫穿準格爾盆地與柴窩堡盆地、吐-哈盆地，通常作為劃分盆地的天然屏障。從地理位置來看，博格達山西南緊接依連哈比爾尕山，東北遙望阿爾泰-克拉美麗造山帶，周圍被準噶爾盆地所包圍，呈現地塊與造山帶鑲嵌、盆地與山脈共存的構造格局[19][圖1(b)]。從板塊構造來看，博格達山地區隸屬于中亞增生型造山帶上發育起來的準噶爾盆地[20]，位于東歐克拉通板塊、西伯利亞古板塊以及塔里木古板塊之間的三角地帶，構造環境復雜。現今的博格達山地形上表現為一向北突出的弧形背斜，周圍被斷裂帶所限制[21]，山體核部暴露中-上石炭統地層，兩翼近似對稱性的發育二疊紀以來的地層，尤其新生代以來地層剝蝕嚴重，呈零星狀分布。

研究區域位于新疆烏魯木齊市東南的柴窩堡盆地，柴窩堡盆地是位于準噶爾盆地南部東段的一個次級構造單元，夾持于博格達構造帶與伊連哈比爾尕構造帶之間，呈東西向延伸的長條狀，是在海西期褶皺巖系基礎上發育起來的一個山間盆地。東西長約115 km，南北寬約35 km，面積超過4 000 km2。盆地劃分為三個一級構造單元，即永豐次凹、三葛莊次凸和達坂城次凹(圖2)。

圖2 柴窩堡凹陷構造單元圖Fig.2 Tectonic unit map of Chaiwopu sag

三葛莊凸起位于柴窩堡凹陷中部，夾持于永豐次凹與達坂城次凹之間，總體為一北東向延伸、北高南低的凸起。三葛莊凸起隨柴窩堡盆地經歷了多期構造事件，受北側博格達山和南側伊連哈比爾尕山共同控制，凸起核部地層由破碎嚴重的石炭系構成，地震資料上雜亂反射，內部沒有明顯的反射層，蓋層包括二疊系、侏羅系和新生代地層。

2 三葛莊凸起構造特征

三葛莊凸起平面上呈北東向展布，核部由南向北逐漸變窄，構造較為簡單。Z03-CWP-553.52剖面(圖3)南北向橫穿三葛莊凸起，剖面位置見圖2(L1)。如圖2可知，三葛莊凸起總體北高南低，基底由破碎嚴重的石炭系構成，北部石炭系直接出露地表，新生界以下只有少量侏羅系直接覆蓋在基底之上。新生界由北向南逐漸加厚呈楔狀沉積，新生界上超于下伏地層，且剖面南部可識別出陡立的逆沖斷層，這些斷層形成于新生代，表明新生代三葛莊凸起受伊連哈比爾尕山抬升影響，南部發生擠壓沉降，從而有現今楔形沉積的新生界。

在石炭系基底發育兩條較大的北傾基底卷入逆斷層，這兩條斷層形成于博格達山向南的擠壓，規模較大、深入基底，斷層在新生界之下尖滅，說明博格達山對三葛莊凸起的控制作用主要在新生代以前，新生代之后并沒有對三葛莊凸起有明顯的控制作用。

三葛莊凸起北部與博格達山沖斷相關的斷層的活動時間以及新生界向博格達山方向超覆都可以推測三葛莊凸起是博格達山向西的延伸段，隨博格達山的隆起一起抬升，但是在新生代伊連哈比爾尕山抬升導致三葛莊凸起南部發生擠壓沉降，沉積新生界將博格達山的西段掩蓋。

圖3 三葛莊凸起L1(測線Z03-CWP-553.52)地震剖面和結構剖面Fig.3 Seismic profile and structural profile of L1 (line Z03-CWP-553.52) of Sangezhuang Uplift

三葛莊凸起位于柴窩堡盆地中部，分隔永豐次凹與達坂城次凹。研究三葛莊凸起與周緣構造單元的關系對揭示三葛莊凸起的形成有著重要的指導作用。選取穿過永豐次凹與三葛莊凸起的C-89-1、過三葛莊凸起和達坂城次凹的C-89-4-1A和C-86-4-E15三條剖面，剖面位置見圖2(L2)，將三條剖面組合為聯合大剖面，對三葛莊凸起和位于其兩側的永豐次凹和達坂城次凹之間的關系進行分析。

從剖面上可以看到三葛莊凸起變形程度很大(圖4)，在三葛莊周緣發育大量的基底卷入逆斷層，從地層剝蝕的情況不難發現大部分斷層都在新生代以前發育活動。兩側凹陷沉積地層在與三葛莊凸起接觸部位大幅度抬升，在三葛莊凸起西北部永豐次凹中可以識別出上二疊統與三疊系呈小角度不整合，在達坂城次凹西部也發現上二疊統在靠近三葛莊凸起逐漸減薄,并被上覆三疊系底界反射軸削截表現為大角度不整合接觸(圖5)，而三葛莊凸起則是新生界直接覆蓋在石炭系之上，推斷三葛莊凸起的形成應該在晚二疊紀之后。

圖5 不整合示意圖Fig.5 Unconformity diagram

在地震剖面上可以看到中上三疊統被斷層切穿導致斷層兩側厚度差異，中上三疊統反射軸被上覆侏羅系底界反射軸削截呈小角度不整合接觸[圖4、圖5(b)]，揭示了在侏羅系沉積之前柴窩堡盆地受到擠壓抬升導致三疊系被剝蝕，剝蝕量較小。在三葛莊凸起與達坂城次凹的接觸部位有少量侏羅系在三葛莊凸起發育(圖5)，侏羅系沉積后，受逆沖斷層控制，斷層上盤地層抬升被剝蝕，下盤殘留的侏羅系在三葛莊凸起得以保存，由此可見侏羅紀時期柴窩堡盆地的沉積范圍很廣。

圖4 三葛莊凸起L2(測線C-89-1、C-89-4-1A和C-86-4-E15)地震剖面和結構剖面Fig.4 Seismic profile and structural profile of L2 (line C-89-1, C-89-4-1A and C-86-4-E15) of Sangezhuang Uplift

新生代地層的分布范圍較廣，三葛莊凸起及兩側凹陷均有分布。新生界與下伏地層向三葛莊凸起逐漸減薄的分布形式不同，三葛莊凸起發育的新生界由北向南逐漸增厚，在和達坂城次凹接觸部位的新生界厚度要大于達坂城次凹內現存新生界，在永豐次凹和三葛莊凸起接觸部位新生界底界與下伏的二疊系以及三疊系呈大角度的不整合接觸，達坂城和三葛莊接觸部位新生界與下伏地層的角度不整合與西邊的永豐次凹對應的角度不整合相比要平緩很多[圖4、圖5(a)]，并且東部新生界只和侏羅系和三疊系接觸，表明在新生界沉積之前三葛莊凸起整體抬升，但是西邊的變形程度更強，導致二疊系也遭受剝蝕被新生界覆蓋。橫向上，永豐凹陷南部的新近系最大厚度可達3 000 m，達坂城凹陷南部新生界厚度為2 000 m左右，并向東迅速減薄，說明三葛莊凸起被改造為南傾的斜坡，新生界向北超覆于整個隆起之上(圖3)，說明達坂城凹陷和永豐凹陷在此期已經連通共同接受沉積[22]。

圖6 三葛莊凸起構造演化圖Fig.6 Structural evolution of the Sangezhuang Uplift

3 三葛莊凸起演化特征

斷層的活動特征可反映于研究區的伸展量與壓縮量。平衡剖面技術是研究斷層活動特征的重要手段，其基本原則是地層層長在變形過程中始終守恒[23]。通過逐層回剝可以恢復各構造演化階段的地質剖面，以明確各時期區內斷層的活動與演化特征。自中生代以來，三葛莊凸起發生了多期構造事件，這幾期構造事件的產生影響了整個研究區。通過對整個柴窩堡凹陷三期不整合的研究，厘定了3期自中生代以來的構造變形事件，研究區在中-新生代時期一共發生了二疊紀-三疊紀、晚三疊世、侏羅紀-古近紀之間三期構造變形。

選取研究區過永豐次凹與三葛莊凸起的C-89-1、過三葛莊凸起和達坂城次凹的C-89-4-1A和C-86-4-E15三條剖面組合為聯合剖面，經地震追層、斷層解釋和時深轉換后，采用平衡剖面技術，根據對三葛莊的變形特征分析，得到其構造平衡演化剖面(圖6)。

地震剖面上，三葛莊凸起兩側殘留的二疊系厚度基本一致，古生界的產狀和結構也相似，說明三葛莊凸起在二疊紀末期之前并未形成，而上二疊統與三疊系之間的不整合指示了三葛莊凸起的形成的開始。因此在三疊系沉積之前，該區域基本處于穩定沉積階段。

二疊系沉積末期三葛莊凸起向永豐次凹發生強烈的沖斷作用，產生一系列的逆斷層，導致三葛莊凸起西北部被抬升很高，以致三葛莊西北部二疊系和石炭系遭受嚴重剝蝕，靠近達坂城次凹附近隆升幅度小，剝蝕量較小。

三疊紀時期柴窩堡凹陷進入相對平靜的構造時期，沉積了大范圍三疊系，三疊系沉積之后柴窩堡凹陷又遭受擠壓，早期斷裂再次活動造成三葛莊凸起隆升，三葛莊凸起覆蓋的三疊系被剝蝕，形成侏羅系與三疊系之間的不整合面。

侏羅紀時期，三葛莊凸起被侏羅系所覆蓋，侏羅系沉積之后的構造變形導致了三葛莊凸起上侏羅系被嚴重剝蝕，只在東南緣靠近達坂城次凹的地方還殘留有侏羅系。

新生界沉積時期，東部的達坂城次凹和三葛莊次凸相對沉積厚度較大，并向永豐次凹逐漸減薄，新生代時期靠近達坂城次凹斷裂再次活動對三葛莊凸起進行改造。

4 三葛莊凸起成因探討及其對區域構造背景的響應

自石炭紀以來，準噶爾南緣經歷了多期構造運動，其中具有重要影響的構造事件有晚海西期、印支期、燕山期和喜山期，形成了多個重要的沉積間斷和不整合面，主要包括石炭系/二疊系、二疊系/三疊系、三疊系/侏羅系、侏羅系/白堊系、白堊系/古近系、古近系/新近系等地層之間的各個不整合面[24-27]。

前文提到三葛莊凸起蓋層發育三個不整合面，包括三疊系底部不整合，侏羅系底部不整合以及古近系底部不整合，表明三葛莊凸起經歷了多期次，且構造變形強度各不相同的構造運動。三葛莊凸起作為柴窩堡凹陷的一個次級構造單元，與柴窩堡凹陷共同經歷多期構造運動。依據前述的地震剖面解釋成果及演化剖面分析，結合前人積累的資料，認為三葛莊凸起的形成與石炭紀以來研究區以及鄰區構造應力的變化有著密切的聯系，作為博格達山西段延伸，這幾個不整合必然與博格達山的隆升有緊密的因果關系。前人對博格達山隆升時間的研究雖然意見不同，但是不同觀點中的隆升時間在三葛莊凸起的幾期不整合中都有較好的體現。

自加里東運動期以來，準噶爾盆地經歷了多期復雜的裂陷洋盆發育、板塊對接、拆離-俯沖-碰撞和基底楔沖作用，形成多環境、多類型的構造體系和變形特征[26, 28-29]。在海西期完成板塊拼合以后，準噶爾南緣東段開始進入大陸構造發展階段，并一直處于陸內變形、褶皺和破裂過程。

博格達地區自晚石炭世形成陸內裂谷以后,一直到中二疊世,都以拉張環境下的沉積為主[11-12, 30]。中二疊世，準噶爾盆地的構造演化逐漸減弱，柴窩堡坳陷、博格達地區與準噶爾南緣屬于同一個沉積盆地，具有相同的物源和大致相似的沉積充填序列。中二疊統大河沿組雖然為粗粒碎屑沉積,但是火山巖分布廣泛,因而該套組合仍為伸展拉張環境中的產物[31]。

晚二疊世，博格達地區發生了短暫的沉積間斷和區域性抬升，但是此次抬升并未造成大幅度隆起和褶皺。準噶爾盆地總體特征為盆地內部以整體抬升或小幅度差異升降削蝕夷平為主，而古地貌的差異不大；盆地邊緣差異升降比較明顯，上二疊統基本缺失。在博格達山前下倉房溝群泉子街組發育一套磨拉石建造[32]，礫石成分主要為火山巖，分選、磨圓差，結合準噶爾盆地南緣晚二疊世的構造背景可以說明博格達山在晚二疊世就已經隆升，三葛莊凸起作為博格達山的西部延伸段也一起隆升，從而造成研究區晚二疊系的剝蝕。晚二疊世博格達地區并未發生強烈的褶皺隆升，所以在夷平之后很快就接受三疊系沉積。

準噶爾盆地南緣在三疊紀繼承了晚二疊世的坳陷沉積特征，同時范圍也有所擴展，并逐漸演化為中新生代內陸盆地。在盆地南緣三疊系發育較全，地層出露也良好。受到印支運動的影響，博格達地區晚三疊世再次遭受了強烈的擠壓運動，造成了古博格達山的隆升與剝蝕，形成了柴窩堡凹陷的三疊系/侏羅系之間的不整合。

經過晚三疊世的造山與夷平作用之后，早中侏羅世，整個準噶爾盆地處于區域伸展及緩慢沉降期，此時博格達山處于水下接受沉積[21]，中晚侏羅世受燕山運動作用，盆地開始進入區域擠壓構造背景，差異升降運動在盆內和盆緣逐漸增強。晚侏羅世，北疆地區整體隆升，博格達山開始強烈隆升，分隔了準噶爾盆地南緣的昌吉凹陷與柴窩堡凹陷。受博格達山強烈隆升的影響，三葛莊凸起也隨之隆升，在靠近永豐次凹部位抬升較高，造成侏羅系以及三疊系、二疊系，甚至石炭系遭受剝蝕，僅在凸起兩側殘留少量侏羅系。

新生代時期，北天山及博格達山持續隆升，柴窩堡坳陷總體處于天山隆起區，具有陸內褶沖盆地的性質，僅在低洼處局部充填了厚度不大的古近系、新近系和第四系。三葛莊凸起夾持在伊連哈比爾尕山與博格達山之間，受伊連哈彼爾尕山在新生代的強烈隆升[33]，致使三葛莊凸起向伊連哈比爾尕山逆沖前方(向北)發生擠壓沉降作用，沉積了由南向北逐漸減薄的楔狀新生代地層。

5 結論

(1) 三葛莊凸起的形成受到三期構造抬升影響：晚二疊世、晚三疊世和新生代早期的構造運動，新生代時期的構造運動對三葛莊凸起起到改造作用。

(2) 三葛莊凸起經歷三期構造運動，受構造運動控制，三葛莊凸起形成三個角度不整合，包括三疊系底部不整合，侏羅系底部不整合以及古近系底部不整合。

(3) 三葛莊凸起是博格達山向西的延伸段，其演化過程可以反應博格達山的演化。晚二疊世博格達山初次隆升，三葛莊凸起隨之抬升，造成三疊系底部不整合。受到印支運動的影響，博格達地區晚三疊世又遭受了強烈的擠壓運動，在三葛莊凸起表現為三疊系與侏羅系之間的角度不整合。新生代時期博格達山及北天山的持續隆升導致三葛莊凸起南部發生擠壓沉降，沉積新生界將博格達山的西段掩蓋。