温宿凸起构造几何学与运动学特征

陈槚俊，何登发，孙方源，何磊

（中国地质大学 能源学院，北京 100083）

塔北隆起构造属性问题的讨论经历了漫长的过程，从早期认为的残余岛弧[1-2]到叠加在古生代古隆起之上的中生代库车周缘前陆盆地的前隆[3-7]，到残余古隆起或改造古隆起[8-10]。温宿凸起位于塔北隆起西段，西接柯坪冲断带，是板内构造变形的典型实例。因此，对温宿凸起的研究有助于加深陆内构造变形的理解，也有助于确定塔北隆起奥陶系岩溶系统发育情况，正确认识该地区油气成藏规律，对油气勘探具有一定的指导意义。

温宿凸起被定义为位于阿瓦提凹陷北部的北东—南西向延伸古隆起，是一个长期发育的继承性隆起，属于塔里木盆地古生代克拉通盆地的一部分。文献［8］对温宿凸起的北部边界断裂，即温宿北断裂做了详细论述，并建立了温宿凸起的一种构造演化模式。然而很少有研究聚焦在温宿凸起的构造演化方面，目前温宿凸起是整个塔北地区研究最薄弱的构造带，且解释方案多样，尤其是对沙井子断裂深部结构的认识非常薄弱，存在诸多问题，导致了对温宿凸起的演化过程认识模糊不清，更难以定量分析该构造带的情况。

断层相关褶皱理论建立了断层形态与褶皱形态之间的几何学关系以及断层滑动与褶皱发育的运动学模型，这种断层与褶皱的定量关系成为了前陆褶皱-冲断带构造解释以及正、反演模拟技术中平衡剖面方法的重要基础[11-14]。生长地层通常记录了同沉积构造的活动起止时间、活动强度以及构造发展演化过程[15-18]。大量实例证明，断层相关褶皱理论适用于多种不同构造环境，尤其是在挤压构造环境。

本文基于大量地震、钻井、测井资料，1∶500 000地质图以及数字高程模型，以断层相关褶皱理论为指导，结合凸起周缘的地质结构，对温宿凸起进行精细构造解析，探讨温宿凸起几何学与运动学模型，重新认识沙井子断裂几何学与运动学特征，厘定温宿凸起构造演化阶段，提供一种合理的解释方案。

1 地质背景

温宿凸起属于塔北隆起西段，位于塔里木盆地西北缘，柯坪冲断带与轮台—英买力低凸起之间，北邻乌什凹陷，南邻阿瓦提凹陷（图1a）。温宿凸起的形成由两条边界断层控制，即北缘的温宿北断裂和南缘的沙井子断裂；温宿北断裂为乌什凹陷与温宿凸起的边界，沙井子断裂被认为是阿瓦提凹陷与温宿凸起的南部边界（图1）。凸起带大部分地区被第四系所覆盖（图2），西南缘以阿恰断裂及印干断裂为界，与柯坪冲断带相连，出露古生界、震旦系及阿克苏片岩，东北缘与喀拉玉尔滚转换带相连，出露古近系与新近系；乌什凹陷以北的南天山造山带出露中生界。

温宿凸起核部地层主要由前震旦系组成，上部披覆新近系和第四系。温参1井是温宿凸起上的一口参数井，该井钻穿第四系和新近系之后，钻遇的地层依次是下奥陶统蓬莱坝组、上寒武统下丘里塔格组、中寒武统阿瓦塔格组和前震旦系阿克苏片岩。古生界各组之间都为不整合接触。温宿凸起北部乌什凹陷主要沉积盖层为中生界和新生界，其中，下白垩统与下三叠统、古近系与下白垩统、新近系与古近系以及第四系与新近系之间均为不整合接触，反映了乌什凹陷在中生代和新生代经历了多期次的构造运动。而南部阿瓦提凹陷几乎完整地沉积并保留了自古生代以来的沉积序列。

北部边界断裂，即温宿北断裂表现为高角度冲断，断面南倾、高陡，倾角可达60°～80°；水平位移量较小，垂向断距较大，断裂活动起始于早奥陶世末期[8]。而沙井子断裂可能存在多套断裂体系[19-20]，文献［8］认为该断裂是作为温宿北断裂的反向调节断层逐渐发育而来的，海西运动晚期是该断裂的主要活动时期；文献［9］解释出一种深部楔状冲断构造，形成于奥陶纪末—志留纪初。来自沙井子断裂带的断层泥以及第四系砂土热释光年龄数据良好地记录了沙井子断裂晚期的断裂活动[21]。

图1 塔北古隆起构造单元划分（a）及古生界顶面构造（b）（图1a据文献［8］）

图2 温宿凸起及周缘地质简图及测线位置分布

2 温宿凸起几何学特征

温宿凸起平面上呈北东—南西向展布（图1b，图2），核部面积自西南向东北逐渐减小，并经喀拉玉尔滚转换带逐渐过渡到轮台低凸起和英买力低凸起，而该凸起西南缘与柯坪冲断带相连，整体呈北东—南西向的梯形构造带。剖面上，温宿凸起为一个由两条主边界断层控制的大型锥状凸起（图3—图5），北缘为南倾的温宿北断裂，其东端与喀拉玉尔滚横向断裂斜接，西部延入柯坪断垄后消失，整体呈北东—南西走向。

温宿凸起沿走向可分为西南和东北两段，大致以出露的古牧别孜断裂为标志。温宿北断裂以及沙井子断裂为多期冲断的逆冲断裂，钻井资料显示核部仅在沙井子断裂上盘残留了部分古生界，前震旦系阿克苏片岩出露地表。

2.1 沙井子断裂

沙井子断裂通常被认为是分隔阿瓦提凹陷和温宿凸起的边界断裂，其与温宿北断裂是塔里木盆地研究较薄弱的大型断裂。文献［19］根据系统、精细的地震资料解释，沙井子构造带存在3套断裂体系：深部楔状冲断构造、狭义沙井子断裂和浅部的伸张构造；认为深部楔状冲断构造形成于志留纪—泥盆纪，由北西倾向的主冲断层和南东倾向的反冲断层形成构造楔。然而根据断层相关褶皱理论，这种解释方案在运动学上是不平衡的。沙井子断裂上盘保留的古生界倾角远大于断层下盘发生膝褶的地层（图4，图5），倾角不一致的现象只用断层转折褶皱模型无法解释，而这种构造形态符合断层传播褶皱模型特征。因此本次研究认为沙井子断裂是一条逐渐沿前震旦系滑脱层向上传播而发育的断裂，断层上盘发育断层传播褶皱，导致了褶皱前翼地层变陡，这是该断裂早期表现出的特点，晚期由于断层端点向上传播至新近系吉迪克组膏盐岩滑脱层，沙井子断裂转变为连接上下两套滑脱层的连接断层，以断层转折褶皱模式继续活动，温宿凸起前后翼所对应的膝褶带是断裂模型发生改变的有力证据（图3，图4）。需要说明的是利用这种方法识别的沙井子断裂主要指后期活动的边界断裂，剖面上也发现了在凸起南部古生界膝褶带处同相轴的不连续或趋势的变化，在凸起东段一些后期改造薄弱的地区表现尤为明显（图4），表明沙井子主断裂前方存在早期活动的断裂，褶皱的形态仍表现为断层传播褶皱模式。另外沙井子断裂东北段在晚期还存在较大的走滑分量，导致沙井子断裂东段新生界内发育负花状构造；正断裂在平面上呈右步雁列状排列，构成左旋张扭性断裂系统。结合前人对柯坪冲断带的一些研究，沙井子断裂构造带的构造演化历史最早可以追溯到奥陶纪末—志留纪，但只作为反向调节断裂，之后经历了二叠纪末—三叠纪、白垩纪、古近纪、新近纪和第四纪多期构造运动[22-23]。

图3 温宿凸起西段剖面（剖面位置见图2）

图4 温宿凸起东段剖面（剖面位置见图2）

图5 温宿凸起东段剖面（剖面位置见图2）

2.2 温宿北断裂

温宿凸起边界断裂的形态没有统一的认识。关于温宿北断裂，文献［8］基于重磁场与反射地震剖面清楚地识别了温宿北—野云沟断裂（图3—图5），将此作为塔北隆起的北边界。该断裂西南段切穿新生界，地层的错断现象使断裂上部形态显示清楚，而断裂下部的形态只能依据断层相关褶皱理论进行分析。

南天山逆冲带的变形在东、西两段表现出不同的形式，温宿北断裂在西段断穿新生界，东段收敛于新近系滑脱层，表明喜马拉雅运动期温宿北断裂仍有活动。在温宿凸起西段，温宿北断裂断穿新生界，表明南天山逆冲挤压作用传递至温宿凸起，温宿北断裂作为反向调节断层仍有活动，但新生界断距较小，为小规模断裂活动。而在温宿凸起东段，由于新近系吉迪克组厚层泥岩滑脱层的存在，地层被划分为上、下两套构造变形系统，下伏古生界—中生界逆冲断片呈构造楔的形式楔入乌什凹陷内，而新生界沿滑脱层仰冲形成古牧别孜断裂，乌什凹陷东段表现为背驮式构造形态。该塑性岩层分布的区域，断裂具上、下两套断裂系统，其中，下部表现为南北向相向冲断的断裂系统，温宿北断裂自南向北逆冲；上部新近系内发育自北向南的滑脱冲断系统，即古牧别孜断裂。这一构造特征可能与阿瓦提凹陷、温宿凸起、乌什凹陷与南天山造山带之间不同地质时期主应力作用方向上的差异有关；该断裂系统控制了乌什凹陷与温宿凸起的形成演化。

2.3 温宿凸起分段特征

温宿凸起东、西两段的主要构造样式并无太大的差异，但在构造变形程度以及边界断裂特征上明显不同。温宿凸起西段平面上分布面积较大，范围更广，宽度达75.19 km，剖面结构上在该凸起核部以及南天山冲断带表现为强烈变形。沙井子断裂西段及其派生的反冲断裂在晚期具有较大的缩短量，而且核部披覆的新生界厚度明显比东段薄，层内还发育较多小断裂，表明西段核部褶皱抬升的高度比东段大，构造变形更加强烈。温宿凸起南翼发育新生界生长地层，西段仅第四系可识别明显的生长地层结构（图4中①号剖面），而东段新近纪晚期也发育生长地层，根据生长地层中的生长轴面，认为晚新生代以来沙井子断裂存在两期构造挤压运动。乌什凹陷中生界和新生界层位深度明显要高于阿瓦提凹陷内的层位深度，这可能与整个库车坳陷多期次的构造隆升有关，乌参1井揭示的白垩系底、古近系底和第四系底区域不整合面印证了这一点。

东段所表现的主要构造样式基本一致，然而构造变形的强度较弱，尤其是新生代的变形强度。沙井子断裂上部发育左旋走滑正断裂体系，沙井子断裂的倾角有变缓的趋势，凸起核部隆升的幅度也在减小，新生界内生长地层内部结构不明显，表明温宿凸起核部构造变形很小，新生代来自南天山的逆冲作用基本没有位移传递过来。阿瓦提凹陷内构造变形很弱，而在温宿凸起中部，寒武系滑脱面之上发育小型断层传播褶皱（图4中②号剖面），从褶皱轴面以及不整合面的分析来看，变形发生在白垩纪，断层位移量较小。温宿北断裂由于东段新近系吉迪克组厚层泥岩塑性较强，温宿北断裂收敛于滑脱层内，并没有切穿新生界。而乌什凹陷内新近系滑脱层也由于温宿凸起褶皱北翼膝褶带扩展的影响，向南仰冲至地表，形成古牧别孜断裂。来自南天山逆冲带的多个古生界—中生界逆冲断片呈堆垛式叠置，导致了北缘地层的抬升。从整体上来看，东段的构造变形较弱，体现在凸起核部新生界较西段厚，褶皱抬升幅度较小。

3 温宿凸起运动学特征

温宿凸起南、北两侧地层厚度相差较大，阿瓦提凹陷内部沉积序列比较完整，而在温宿北断裂附近发育多个不整合面，下古生界灰岩顶面之上发育中—上奥陶统底部不整合、石炭系底部不整合、三叠系底部不整合、侏罗系底部不整合、白垩系底部不整合、古近系底部不整合以及第四系底部不整合，表明温宿凸起经历了多期次，且构造变形强度各不相同的构造运动。本文根据断裂两侧地层厚度的变化趋势、断层所切割的地层、层序间的相互关系、断层相关褶皱样式、产状以及旁侧小断裂的性质等多种因素来综合分析断裂的演化规律。地震剖面上，残留的震旦系、寒武系—下奥陶统等古生界层序在断层两侧的厚度基本一致，其亚层序的产状与结构也相似，说明温宿北断裂在早奥陶世之前尚未形成，而中—上奥陶统底部与下奥陶统的不整合面指示了温宿北断裂活动的开始。因此在寒武系沉积之前乃至下奥陶统沉积前，该区域基本处于稳定沉积阶段（图6）。

图6 温宿凸起平衡演化剖面

中—晚奥陶世，由于塔里木南缘的挤压，北昆仑洋、阿尔金洋的俯冲消减与关闭，中昆仑地体与塔里木地体相碰撞导致位移向北传递。在整个塔北地区的基底形成滑脱面[8]，沿滑脱面形成一系列由南向北逆冲的断层及其相关褶皱，从断层几何学分析来看，温宿北断裂最初沿滑脱层逐渐向上传播，形成断层传播褶皱，且持续的挤压导致褶皱前翼发生突破。

志留纪前，沙井子断裂可能已经作为温宿北断裂的反向调节断层而形成，但断裂规模很小。乌什凹陷内未发生明显的构造运动，石炭系与下伏层序的不整合指示了乌什凹陷在志留纪—泥盆纪发生了区域隆升，造成了志留系—泥盆系的缺失，表明处于乌什凹陷及温宿凸起的基底开始隆升，可能为基底构造楔形式，以温宿北断裂的基底滑脱面为反冲断裂，将温宿凸起与乌什凹陷的地层抬高，并且形成阿瓦提凹陷北缘的向斜转折端。泥盆纪末期，温宿北断裂活动强度变小甚至停止。

石炭纪—二叠纪，温宿凸起主要的应力来源发生改变，南天山洋盆的剪刀式闭合以及伊犁—中天山地体与塔里木地块拼合成为了塔北隆起及周缘断裂系发育的主要动力机制[4]。来自北缘的应力使得沙井子断裂成为主要的活动断裂，沙井子断裂上盘的古生界倾角较下盘大，为典型的断层传播褶皱模式；而且该时期的构造活动较强，导致了温宿凸起核部大量地层剥蚀。同时，乌什凹陷内三叠系与下伏层序的不整合指示乌什凹陷内部也发生了构造隆升，成因可能也与基底构造楔的活动有关。阿瓦提凹陷一直处于稳定的沉积状态，沉积并保留了石炭系和二叠系，此时温宿凸起的基本形态已经形成。

中生代印支—燕山运动期，北塔里木区处于挤压高峰期之后的松弛时期，褶皱、逆冲、隆升逐渐被剥蚀、沉积与沉陷作用所取代。欧亚大陆南缘新特提斯洋的演化成为影响塔里木地区间歇性伸展-聚敛并以伸展环境为主体的主要因素。该时期的构造活动很弱，大部分断裂都处于调整阶段，整个温宿凸起构造演化缩短量很小，局部区域形成白垩系与下伏地层之间的不整合。

乌参1井所揭示的侏罗系缺失指示了乌什凹陷在中生代也具有构造隆升现象，推测基底构造楔仍有活动，不仅造成了乌什凹陷及温宿凸起地层的缺失，也使得阿瓦提凹陷北缘的向斜转折端延伸至古近系，而这个转折端所影响的地层反映了基底构造楔活动的结束时间。另外乌什凹陷内残留部分下白垩统，表明了基底构造楔的抬升幅度不大。与此同时，阿瓦提凹陷内部发育小规模断层传播褶皱（图4中②号剖面）。该传播褶皱以寒武系为滑脱层，褶皱轴面较陡，轴面一直延伸至古近系，其中白垩系顶部可识别小范围的削截面，指示了该传播褶皱两期构造变形，第一期发生在白垩纪，第二期发生在古近纪末期。

古近纪，即燕山运动晚期，断裂活动不强烈，主要是沙井子断裂仍在小规模活动，且断裂发育模式从早期断层传播褶皱模式转变为断层转折褶皱模式，褶皱前翼发生突破，导致了温宿凸起核部古近系的抬升与剥蚀，并且在凸起北翼形成小型膝褶带，而位于向斜轴面北部的乌什凹陷内保留了古近系，表明基底构造楔在古近纪末期已经停止活动。

新近纪至今，沙井子断裂仍在活动，且断裂向上归敛于新近系吉迪克组滑脱层。根据褶皱前翼识别的生长地层判断（图3—图5），第四纪断裂活动强烈。沙井子断裂在新生代的活动具有明显的分段性，西段生长地层内部结构明显，生长轴面产状较陡，褶皱幅度抬升幅度很大，凸起核部新生界厚度很小。而东段很难识别明显的生长地层，褶皱抬升幅度较小，凸起核部的新生界厚度与阿瓦提凹陷内没有太大的差别，表明沙井子断裂在东段活动较弱。据缩短量的统计可知，晚新生代的构造缩短量超过总缩短量的50%，然而大部分的位移并不是由温宿凸起所吸收，南天山逆冲带的造山作用日趋增强。来自北部的持续、逐渐增强的挤压作用使得南天山前乌什凹陷乃至整个库车坳陷发生强烈变形，下伏古生界—中生界逆冲断片逐渐叠置，造成了地层的重复、增厚与抬升。

4 讨论

从平衡剖面角度分析，温宿凸起核部如此大的构造抬升量难以用两条边界断层的活动来解释，这种现象可能与基底的抬升有关。阿瓦提凹陷与沙井子断裂交汇处的古生界、中生界及古近系存在一个向斜转折端，转折端北边的地层也发生抬升，且抬升的幅度与乌什凹陷内地层抬升的幅度大体相当，两者的基底隆升极有可能是同时形成的，而且也与断层相关褶皱理论的几何学分析结果一致，基底滑脱层之下的构造楔模型就此提出。温宿凸起基底的隆升是存在的，可能与西缘柯坪地区有一些联系。

前人有研究认为，阿瓦提凹陷北缘的向斜转折端为原有的断层转折点形成的，然而这种构造模型无法解释温宿凸起区域极高的褶皱抬升幅度，本次研究认为基底构造楔的多期活动才能合理解释这种现象，且通过正演模拟也证实了该方案的合理性。基岩滑脱层之下可能存在一个大型构造楔，构造楔的活动导致了温宿凸起以及乌什凹陷地层的抬升剥蚀。根据乌什凹陷志留系—泥盆系的缺失推断构造楔的活动起始于志留纪，中生界厚度较乌什凹陷薄，表明存在多期运动，至古近纪末期停止活动，依据是向斜轴面向上只延伸至古近系，表明发生褶皱的地层只涉及古近系及以下地层。

5 结论

（1）温宿凸起是经历多期构造运动的继承性构造，形成受控于沙井子断裂、温宿北断裂以及基底隆升，平面上呈西南宽、东北窄的梯形展布，剖面上呈两条边界断层控制的锥状凸起。

（2）沙井子断裂是一条多期活动断裂，且断裂发育模式复杂。早期是一条由基岩滑脱面向上传播形成的断裂，以断层传播褶皱模式发育，断层端点逐渐向上传播直至切穿地表，晚期转变为断层转折褶皱模式，新生代晚期沙井子断裂作为基岩滑脱面与新近系滑脱层的连接断层，新生界生长地层详细记录了断裂晚期的活动。

（3）温宿凸起的构造演化阶段主要分为4个时期，依次是早奥陶世末期—志留纪初雏形期，石炭纪—二叠纪构造定型期，中生代松弛期和中晚新生代强烈改造期。温宿凸起带的演化模式相对复杂，雏形期受温宿北断裂控制，定型期受沙井子断裂以及基底构造楔控制，松弛期断裂活动较弱，强烈改造期主要受沙井子断裂控制。温宿凸起及其周缘地区总构造缩短量约35.40 km.

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