断层活动与地层缩短共同确定构造变形期次——以吐哈盆地大河沿地区为例

构造变形期次对确定构造演化史有着重要的意义，目前确定构造变形期次的方法主要有两类，一是根据构造特征与构造变形痕迹进行分析，包括宏观与显微构造变形标志，以及 40Ar/39Ar法和热释光法构造年龄数据等；二是根据动力学特征进行分析，包括通过应变求取主应力方向进行分析，动力成因学分析和区域构造应力分析等[1-5]。这些方法都需要大量的野外地质资料，但受到野外环境影响和人工测绘的不准确出现较大误差，对分析结果有一定的影响。刘栋梁等学者通过地层缩短分析构造变形期次，地层缩短依赖平衡剖面的结果，绘制平衡剖面受剖面线方向限制，要求选择的最佳剖面应当平行于最大构造运移方向[6-15]。断层活动也可以反映构造变形活动，但仅代表该断层所在位置的构造活动。综上所述，为了准确分析构造变形，确定构造演化史，笔者提出通过地层缩短与断层活动共同确定一个地区的构造变形期次。

1 研究区概况

吐哈盆地位于哈萨克斯坦板块的东南部，处在哈萨克斯坦、西伯利亚和塔里木板块的拼贴交汇地带，其演化发展与上述三大板块的作用息息相关。大河沿地区夹持在北东-南西向展布的喀拉乌成山、托克逊凹陷和近东西向展布的博格达山之间。根据地层沉积和构造特征，将研究区分为两凸两凹（图1），即布尔加凸起、卡拉图凸起、托克逊凹陷和科牙依凹陷。研究区是吐哈盆地构造最为复杂的地区，受力复杂，断褶构造极其发育，残缺地层多，主要发育新近系、古近系、中下侏罗统、中上三叠统、中下二叠统和石炭系地层[17-18]。

2 研究区构造演化特征

制作平衡剖面是了解构造演化的重要手段，同时可以推断断层形成时期、地层沉积情况和各时期地层缩短情况等；一条测线的平衡剖面可以反映该测线所在位置构造演化情况，综合研究区内主要测线的演化剖面，可以分析整个研究区的构造演化史。下文以SN654测线为例进行分析。

三叠系沉积前，上二叠统仅在以南部沉积为主，向北逐渐变薄，此时断层仅发育于南部，布尔加2号断层及其两条伴生断层形成（图2）。侏罗系沉积前，断层几乎全部形成，托克逊凹陷持续沉积，而布尔加凸起抬升，导致上三叠统剥蚀。古近系沉积前的情况与三叠纪的沉积情况十分相似。古近纪的沉积平稳而均匀，布尔加2号断层短暂停止活动后，在古近系地层中发生走滑，继续活动。新近纪到第四纪，构造运动主要集中在北部，桃树园3号断层北部活动剧烈，受到强烈的推挤力，形成卡拉图凸起，新近系与第四系的地层遭受剥蚀。

图1 大河沿地区构造单元

图2 大河沿研究区SN654演化剖面

2.1 断层活动分析

断层活动分析有生长指数法、古落差法、断层活动速率法、滑距法和断层位移-长度关系分析法等。考虑到研究区位于西部受挤压应力地区，且剥蚀较为严重，故采用古落差法进行统计。

由演化剖面中每期的断层上下盘古厚度（包括剥蚀厚度）可以得到断层的古落差，每一时期的古落差即为该时期的断层活动量，由断层活动量比时间跨度即为断层活动速率。由于研究区内全部缺失P1、T1、J3和K地层，将二叠纪到第四纪分为以下五个时间段：P2-T1，T2-3，J-K，E，N-Q。SN654测线主要经过两条大断层：布尔加2号断层与桃树园3号断层。

2.1.1 布尔加2号断层

断层位于研究区东南部，是布尔加凸起和托克逊凹陷的边界断层，北西-北东走向，倾向北东-北西，主断层延伸长度超过33 km，最大断距超过2 300 m，倾角大于50°。该断层南边还有两条性质相同的伴生断层。

该断层为晚海西期以来多期活动的断层，形成于二叠纪，一直到新近纪都有活动。断层在二叠纪开始活动，此时延伸较小，在东部未延伸到 SN654测线的位置，三叠纪活动平稳，到侏罗纪以后活动相对减弱，新近纪活动迅速增强，最大活动量达到900 m，活动速率最大到39.13 m/Ma，且断层西部比东部活动剧烈（图3，表1）。

图3 布尔加2号断层各期垂向活动量

表1 布尔加2号断层活动速率 m/Ma

2.1.2 桃树园3号断层

断层位于研究区北部，树1井钻遇，是卡拉图凸起与布尔加凸起的边界，由东、西两段断层共同组成。西部分支为主要部分，延伸长度达34 km，走向北东-南东-北东，倾向北西-北东-北西；东部分支相对较小，延伸9 km，走向南东，倾向北东。最大断距超过1 300 m，倾角大于60°。

该断层自印支期以来长期活动，形成于三叠纪，活动稳定且活动量小，平均活动量在100 m左右。断层东部分支比西部分支活动普遍剧烈，尤其在新近纪断层活动量达到900 m，活动速率最大达39.13 m/Ma（图 4，表 2）。

图4 桃树园3号断层各期垂向活动量

表2 桃树园3号断层各时期活动速率 m/Ma

断层活动在一定程度上代表构造活动，结合研究区其余断层活动情况可以看出，新近纪北部构造变形最为剧烈。从图3和表1来看，三叠纪，布尔加2号断层古落差大，活动速率也较大，这是由于布尔加2号断层是科牙依凹陷与布尔加凸起的边界，凹陷内接受沉积、凸起上未沉积所导致，所以不能单独有断层活动决定变形强弱，实际上三叠纪变形相对较弱。

2.2 断层缩短率的计算

通过平衡剖面恢复可以得到各演化阶段剖面的构造形态和长度。根据剖面的长度数据可计算出各阶段的线应变，再根据地层时代得出应变速率数据。缩短率为某时期剖面的缩短量与总缩短量的比值；缩短速率为某时期剖面的缩短量与对应的时间跨度的比值。以大河沿研究区SN654测线为例，具体计算结果如表3。

表3 大河沿研究区SN654测线各时期剖面缩短数据

SN654测线现今剖面长度为45 km，晚二叠纪以来剖面的总缩短量为13 km，总缩短率为22.4%。从计算结果中可以看出，剖面缩短最大且最快的时期主要为新近纪-第四纪，最大缩短率为46%，缩短量为6 km，缩短速率达26.09 cm/ka；其次为中晚三叠世；剖面缩短最小、最慢的时期为古近纪，缩短率仅为4%，缩短量为0.5 km，缩短速率仅为1.19 cm/ka。

结合研究区其他测线的缩短率可以看出，新近纪构造变形最为剧烈，且东西向剖面总缩短率比南北向剖面缩短率小，平均仅为 21.4%，可以看出研究区主应力方向为南北向挤压应力。

3 断层活动与地层缩短确定构造演化

总体来说，研究区整体受晚喜山运动的影响最剧烈，即新近纪到第四纪活动最剧烈，其次是三叠纪的印支运动，受挤压应力相对较弱的时期为侏罗纪-白垩纪和古近纪。

从断层活动性分析来看，断层活动最剧烈的时期为新近纪-第四纪。布尔加2号断层侏罗纪活动也较为剧烈，这是由于布尔加2号断层是布尔加凸起与托克逊凹陷的边界断层，这一时期布尔加凸起继续抬升，托克逊凹陷继续接受沉积导致古落差大，而从缩短速率则不能得出侏罗纪断层活动剧烈。因此，单纯考虑断层活动性不能判断整个区域的构造变形期次，却对局部分析很有利。

从地层缩短率可以看出，新近纪-第四纪地层活动最为剧烈，但单从缩短速率考虑无法细致地描述局部活动，不利于后期评价油气圈闭和确定井位。故两种手段结合可以取长补短，综合地描述构造运动。

4 构造变形对凹凸构造格局的影响

研究区的现今构造格局于晚海西期形成雏形，经印支期发展，又经过燕山期与喜山期的局部改造最终定型。

4.1 科牙依凹陷

科牙依凹陷位于研究区西部，晚海西期受南北向挤压应力的作用形成雏形。北部受科牙依5号和6号断层共同作用的影响，断层上盘抬升剥蚀。南部受科牙依4号断层控制，与布尔加凸起相邻，其断层上盘为布尔加凸起，下盘为科牙依的残存凹陷，残留了二叠系到古近系相对较全的沉积地层，中晚燕山期地层超缺，构造变形相对平稳。

4.2 托克逊凹陷

托克逊凹陷位于研究区东南部，该凹陷在研究区的部分较小，主要受布尔加2号断层控制，自海西期形成雏形，自二叠纪开始一直接受沉积，沉积地层较完整。古近纪布尔加2号断层停止活动，新近纪布尔加2号断层再次活动，沿古近系地层发生滑脱。

4.3 布尔加凸起

布尔加凸起在研究区占很大面积，桃树园3号断层是布尔加凸起的北部边界，布尔加2号与科牙依4号断层分别为其东南边界和西南边界，且分割托克逊凹陷和科牙依凹陷。该凸起东南与托克逊凹陷断层接触，西北向科牙依凹陷斜坡过渡。布尔加凸起一直处于构造高位，大部分地区缺失二叠系和中生界，古近系直接不整合于石炭系之上；仅在晚印支期和早燕山期沉积了中三叠统和下侏罗统，一直到燕山运动末期。随着布尔加2号与桃树园3号断层活动减弱，该凸起在北部沉积了新生界地层；而在凸起西南部，科牙依4号断层活动一直较强，断层上盘即布尔加凸起西南部一直隆起剥蚀，最终石炭系出露到地表。

4.4 卡拉图凸起

卡拉图凸起位于研究区北部，北邻博格达山，属于现今山前带。该凸起在中二叠世与布尔加凸起复合在一起，晚二叠世又表现为东北方向倾没的斜坡，这种格局延续到早侏罗世，中侏罗世西山窑组沉积期才抹平，成为台北凹陷的西延部分，中晚燕山期又成为布尔加凸起的北半部，第三纪与托克逊、台北凹陷合为一体；晚喜山期伴随着博格达山的逆冲复活，形成高陡断褶带。

5 结论

（1）研究区主要构造变形期次为二叠纪到新近纪。二叠纪开始变形，新近纪构造变形最强，古近纪几乎无变形。

（2）晚海西运动主要体现了“南弱北强”的特点，科牙依凹陷与托克逊凹陷自二叠纪形成并接受沉积；印支运动继承了“南弱北强”的特点，布尔加凸起强烈抬升；燕山运动在本区构造变形较弱；晚喜山运动是大河沿研究区最为重要的一次挤压褶皱作用，卡拉图凸起形成。

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