基于高密度地震反射和砂箱实验的准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜深层构造解析

马德龙, 袁剑英,张虎权, 何登发, 潘建国, 潘树新, 王宏斌, 魏东涛, 王彦君,,崔 键

(1.中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州 730020; 2.中国石油油藏描述重点实验室,甘肃兰州 730020; 3.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083; 4.中国地质调查局西安地调中心,陕西西安 710054;5.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210093)

准噶尔盆地南缘紧邻北天山造山带,发育完整的中新生代地层,记录了北天山造山带晚古生代以来完整的构造-沉积演化历史。尤其是新生代晚期受印度板块与欧亚大陆碰撞及持续挤压的远程效应影响,天山造山带再次复活[1-3],并在准噶尔盆地南缘形成一系列的褶皱冲断带[4-9],通过对地表及浅层生长地层的识别、磁性地层年代的分析[10-16],取得了一批丰硕成果和地质认识。然而由于老地层埋深较大,深部构造复杂、地表地势起伏剧烈导致地震反射成像较差,以至于深部地质结构认识分歧较大,运动学规律不清楚。笔者利用准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜新采集的高密度三维地震反射,结合砂箱构造物理模拟实验,进一步认识霍尔果斯背斜深部地质结构,同时探讨北天山山前构造带深浅层运动学规律的差异性并分析其形成机制。

1 地质背景

天山全长2 500 km,横亘中国新疆和中亚地区,平均海拔2 500 m,最高峰超过7 000 m。现今的地貌是在古生代天山基础上,在新生代晚期复活形成[1-3]。准噶尔盆地南缘褶皱冲断带位于天山北麓,在乌鲁木齐以西发育3排近东西向构造带,自山向盆地方向依次为齐古断褶带、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁背斜带和独山子—安集海背斜带。复活的时间为23～24 Ma,并在15和11 Ma加速[15,17-19]。天山及周缘地壳平均缩短率约为6 mm/a,其中很大一部分被山前褶皱带所吸收[4,20-21]。研究区位于山前第二排构造带上,平面上呈长轴状(图1)。在地表和地震剖面中均可见逆冲断层向北冲出地表(图1(b)和图2),上盘自北向南依次发育安集海河组、沙湾组、塔西河组,下盘地层被第四系覆盖,深部发育较完整的中新生界(图3)。

2 霍尔果斯背斜深部构造特征

在霍尔果斯背斜地表可见向北逆冲的逆冲断裂,该断裂在地震剖面中断面清晰,倾向朝南并逐渐滑脱收敛在4～5 km深度处(图2, 剖面位置见图1(b))。断裂上盘发育南倾的单斜地层,且N2d具有典型的生长地层特征,前人做过大量的基础研究工作[15,19],在此不做赘述。在高密度三维深度域地震剖面中(图2),背斜核部3～6 km深度可见明显的地震同相轴交切关系,断面倾向朝北。在背斜南翼6～9 km深度处同样发育断面南倾的逆冲断裂,并在9～10 km深度处变平收敛。两条逆冲断裂在空间上构成典型的构造楔样式(图2),剖面中的层位引自邻近地震工区,数据可靠。在深度10 km以下的地震反射中,剖面南北两侧地震反射近于水平,中部(构造楔南翼之下)同相轴下凹明显,推测可能是早期的伸展断陷在晚期发生弱反转的结果(图2)。

3 砂箱实验模型及结果

根据研究区地层发育特征,按照其能干性的强弱进行简化,设计初始实验模型地层厚度(图3)。实际地质特征与实验模型之间的比例关系按照表1中的相似性参数进行换算。实验过程中用120～150 μm石英砂和黑刚玉互层代表能干性地层,其内摩擦角为29°～36°,力学性质符合库伦-摩尔破裂准则,可以代表沉积地层中的脆性地层。用硅胶代表非能干性地层或滑脱层,其黏度为1.2×104Pa·s,在低应变速率情况下符合牛顿流体行为,可以代表沉积地层中的塑性地层。实验在中国石油集团油藏描述重点实验室“三维动态构造控藏物理模拟实验平台”完成,其构造变形模拟实验装置与国内其他科研院所不同[22-23],配置了工业CT可以对变形过程和模拟内部流体运聚进行动态监测。实验模型初始长度为25 cm,模型底部紧靠固定挡板处固定一块长度为10 cm的薄硬塑料板。按照简化后的实验模型地层厚度自下而上依次铺设0.5 cm硅胶、1.5 cm石英砂、0.5 cm硅胶和2.0 cm石英砂(图4)。挤压速度为2 cm/h,缩短量为5 cm。在挤压过程中每0.5 h加0.3 cm的同构造沉积。

图1 准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜及邻区地质图 Fig.1 Geological map of Huoerguosi Anticline and adjacent areas at the southern margin of Junggar Basin

利用工业CT对完成的实验模型进行扫描,结果如图5所示,此次实验得到的双层滑脱构造模型与霍尔果斯背斜地震剖面具有很好的相似性。下部滑脱层发育断层转折褶皱与上部滑脱层内发育的反冲断层构成了深层构造楔。浅层滑脱层冲出实验模型表层,断层上盘地层具有单斜特征,倾角向左逐渐变缓,具有生长地层特征。值得注意的是,在浅层滑脱层冲出实验模型表层所形成的逆冲大断裂下盘,砂箱实验模型表现为单斜构造特征,而在实际地震剖面中具有背斜形态,这种差异可能与浅层逆冲大断裂切割和破坏构造反冲断层上盘背斜的位置有关。由于浅层逆冲大断裂形成时间相对于深部构造楔形成时间较晚(实验过程和平衡演化剖面均证实),如果断裂切割背斜核部或者北翼,那么逆冲断裂下盘仅保留北翼单斜构造(如实验模型所示),如果断裂仅切割背斜的南翼,那么背斜的核部保存比较完整(如地震剖面所示)。至于背斜哪个部位被破坏而发育晚期逆冲大断裂,可能与背斜应力状态和地层性质有关,实验室条件下很难模拟真实状况,但构造形态整体相似,可以反映出实验边界条件和初始模型与实际地质条件比较吻合。

图2 霍尔果斯背斜地质结构Fig.2 Geological structrue of Huoerguosi anticline

图3 霍尔果斯背斜地层综合柱状图及地层简化Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of Huoerguosi Anticline and its simplification for physical model

图4 构造物理模拟实验模型Fig.4 Physical model of sandbox experiment

4 运动学特征

利用面积-深度-应变的分析方法(area-depth-strain method,以下简称ADS方法)对霍尔果斯背斜地质模型和构造物理模拟实验模型进行运动学分析。这种方法是通过将目的层相对深度和变形过程中产生的剩余面积进行投影的方法来验证构造解释是否平衡,还能够预测滑脱层的深度、位移量、变形速率和层间的应变(图6)。这种方法在滑脱褶皱[24-27]和断层转折褶皱[28-30]中的应用取得了良好效果。本文中主要介绍与研究区实际情况相似的地层连续沉积型的ADS方法原理。

如图6(a)所示,在剖面中任意选择一条固定的参考面,并且在剖面中选出7个标志层,将7个标志层相对固定参考面的深度与标志层变形后相对初始未变形多出的剩余面积进行投影,如图6(b)右侧投影图所示。图中编号为1～3的地层(蓝色)为前生长地层,在不同位移量下前生长地层投点始终保持一条直线,而直线斜率的倒数即为前生长地层的位移量,直线与纵坐标的交点为滑脱层的深度。将生长地层投点与交点相连,所得直线的斜率倒数为生长地层(编号为4～9的地层)的位移量,可以明显看出越晚沉积的生长地层的位移量越小。

表1 实验材料物理参数及模型相似比

图5 砂箱物理模拟实验结果CT扫描图与地质解译图Fig.5 CT image of sandbox physical model and geological interpretation

本文中对霍尔果斯背斜地质模型(图2)进行平衡复原,得到霍尔果斯背斜构造演化剖面(图7)。早侏罗世霍尔果斯地区可能发育断陷结构[9,33],中晚侏罗世进入坳陷阶段,造成现今地震剖面上J2-3厚度在背斜南翼比北翼厚300～400 m(图2),之后研究区进入构造稳定阶段,南北翼地层基本等厚,除E2-3a泥岩塑性地层在晚期构造变形过程中出现局部厚度增加或减小的现象。新近纪以来,研究区经历了强烈的挤压构造变形,形成了霍尔果斯背斜深部构造楔和浅层断层相关褶皱的叠加。

利用ADS方法对霍尔果斯地质模型进行分析发现,发现J2x-N1投点基本在同一条直线上,而N2和Q投点偏离直线明显(图8(a)),反映出J2x-N1可能具有前生长地层特征,而N2和Q为生长地层,这与地震剖面和野外露头[12,15]上观察到的现象吻合,同时利用ADS方法计算得到J2x-N1的位移量为2 306 m,与构造演化剖面中根据层长守恒的原理得到的J2x-N1的缩短2 429 m比较接近。将实验获得的已知模型也用ADS方法计算,得到的位移量为4.98 cm(图8(b)),与实际挤压5 cm的误差为0.4%,同时9～13标志层投点偏离0～7所拟合出的直线,具有生长地层特征,这也与实际模型相符,反映出该方法的可靠性。

图6 ADS方法原理示意图(据Schlische等)Fig.6 Schematic of theory of ADS method (After Schlische, et al[30])

图7 霍尔果斯背斜构造演化Fig.7 Structural evolution of Huoerguosi Anticline

图8 地震地质模型与物理模拟实验结果深度-面积曲线对比Fig.8 Contrast of area-depth curves between seismic model and physical model of sandbox experiment

5 讨 论

通过地表生长地层的识别和高精度磁性地层年代的限定,霍尔果斯背斜发育时间起始于12 Ma[11]。本文中获得的霍尔果斯背斜深层构造楔的地层缩短量为2 306 m,平均缩短率约为2 mm/a,低于前人天山南北地壳尺度的平均6 mm/a的缩短速率[20-21,31]。另外,通过该方法获得生长地层N2和Q的位移量为2 047 m,平均缩短速率为0.89 mm/a,同王胜利[15]和Charreau[19]等发表的实验结果较接近,考虑到浅层地层剥蚀严重,生长地层的缩短速率应大于该数值,这也是与活动构造地质学家对研究区及相邻区域通过河流阶地变形测量得到的地壳缩短率3±1.5 mm/a[4]有差异的原因。对比浅层和深层构造缩短率,发现深层构造缩短率要比浅层缩短率小得多,这可能与准噶尔盆地南缘发育多套塑性层而造成的层间剪切有关[32]。

近年来有学者提出早侏罗世天山及邻区可能发育伸展断陷[9,33],在初始实验模型的设计上,有针对性地预制硬塑料板以模拟早期可能发育先存断陷。而从实验结果来看,实验模型与地震剖面结构形态相似。另外,在地震剖面中构造楔南翼之下深度9～12 km处地震反射同相轴具有明显的下凹特征,也反应出早期可能发育断陷,在后期的构造演化过程中,该断陷未发生或者发生较弱的反转。

6 结 论

(1)准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜深部发育3套构造层,分别为下侏罗统及下伏地层的断陷结构、下侏罗统滑脱层与安集海河组(E2-3a)滑脱层构成深部构造楔和安集海河组(E2-3a)滑脱层控制的上覆单斜冲断构造。

(2)霍尔果斯背斜地质结构及运动学演化过程受3方面因素控制,分别为早侏罗世断陷结构、下侏罗统和安集海河组(E2-3a)2套滑脱层以及晚新生代同构造沉积。

致谢感谢南京大学崔键博士、中国石油油藏描述重点实验室杨瑞祥工程师在实验过程中给予的帮助。