准噶尔盆地南缘上侏罗统-下白垩统地层不整合成因和构造演化意义——齐古断褶带剖面的启示

周彦希, 关旭同, 周天琪, 周家全

(1.北京大学地球与空间科学学院，造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871；2.北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

准噶尔盆地是一个长期发育、多期构造叠合的大型内陆盆地，其区域构造研究不仅涉及恢复陆内盆地在不同地球动力学背景下的构造变形、盆地属性和构造古地理，对于油气资源勘探也具有重要的指导作用[1]。同位素年代地层学和沉积学研究揭示了准噶尔盆地南缘(准南地区)上侏罗统和下白垩统之间存在地层不整合，但究其成因，是由于气候和地形因素造成的沉积过路，还是构造活动造成的地层剥蚀，现在仍存在争议。部分学者根据准南地区沉积序列特征，认为上侏罗统和下白垩统冲积扇相地层形成于构造相对稳定背景下气候湿润化，期间的沉积间断与基准面升降有关[2-4]；依据磷灰石裂变径迹和重矿物研究结果，也有学者认为上侏罗统和下白垩统之间的角度不整合与蒙古-鄂霍茨克碰撞的远程效应控制下的天山北缘及邻区的构造隆起密切相关[5-6]。

准噶尔盆地从形成至今经历了多期构造叠合，逐步演化至现今的盆地格局。其中，印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应对于北天山造山带和准噶尔前陆盆地的形成起到至关重要的作用[7]。部分学者认为准南中生代构造活动是欧亚板块边缘构造活动远程效应的体现，通常与南缘发生的区域构造事件有关，主要包括晚三叠世-早侏罗世早期羌塘地块与塔里木地块之间的碰撞、晚侏罗世-早白垩世早期拉萨地块拼合于欧亚板块南缘、晚白垩世晚期科希斯坦弧与拉萨地块之间的碰撞[6,8-9]。但是对于前新生代的盆地关键转折时期，特别是侏罗纪末-白垩纪初的构造演化还存在争议。

齐古断褶带位于准噶尔盆地南缘中段天山北麓，作为北天山山前重要的冲断构造，齐古断褶带地层展布特征和接触关系的研究不仅对认知准噶尔盆地晚侏罗世-早白垩世沉积间断的成因至关重要，也对该时期准南地区构造演化过程具有重要指示意义。以齐古断褶带上侏罗统和下白垩统地层为研究对象，利用典型野外地质剖面、二维地震勘探数据和无人机航拍影像，对地层接触关系和不整合特征进行分析，结合侏罗系-下白垩统重矿物不稳定系数和地层厚度分布，分析准南地区区域不整合的成因，探讨其对准南晚侏罗世-早白垩世构造演化的启示。

1 区域地质概况

准噶尔盆地位于新疆维吾尔自治区北部，周缘被北天山、扎伊尔山和阿尔泰山所围限，整体形态呈现为近三角形，总面积达13×104km2，是中国大型富油气盆地之一，地层以上古生界、中生界和新生界为主，盆地南缘的山前凹陷沉积了巨厚的中新生界地层[10]。准南地区位于盆地与北天山的结合部位，是长期发育、多期叠合的继承性构造带，西起乌苏，东至乌鲁木齐，南与依连哈比尔尕山相邻，北至盆地腹部中央坳陷，由四棵树凹陷、齐古断褶带、霍玛吐背斜带、呼安背斜带和阜康断裂带5个二级构造单元组成[图1(a)]，总面积约为24 000 km2[11]。齐古断褶带位于准噶尔盆地南缘天山北麓，西傍托斯台，东邻乌鲁木齐河，南部的亚马特拜辛德达坂大断裂与伊林黑比尔根山相连。以齐古北断裂为界，其北部与霍玛吐背斜带相连[图1(a)]。

准南地区从志留系到第四系地层均广泛出露，志留系和泥盆系地层岩性主要包括硅质泥岩、粉砂岩、花岗辉长岩和灰岩等[图1(b)]。其中，侵入体面积广泛，石炭系、二叠系和三叠系地层褶皱变形强烈，岩性主要包括砂砾岩、灰岩和泥岩-粉砂互层为主[12-13]。准南侏罗系地层发育完整，厚度较大，自下而上分别是下侏罗统八道湾组和三工河组、中侏罗统西山窑组和头屯河组及上侏罗统齐古组和喀拉扎组。八道湾组主要发育一套灰色砾岩夹砂泥岩沉积，三工河组和西山窑组属于湖泊沼泽相的煤系地层，头屯河组主要是河湖相杂色碎屑岩沉积[14]。侏罗纪上统包括齐古组和喀拉扎组，齐古组发育一套滨浅湖亚相红色砂质泥岩，喀拉扎组主要发育一套冲积扇相灰褐色砾岩夹砂砾岩沉积，与下白垩统清水河组不整合接触，喀拉扎组砾石主要由再旋回沉积的古生代地层构成[图1(c)]，反映出天山隆升造成的快速剥蚀和近源沉积[4,15-16]。

图1 准噶尔盆地南缘侏罗统-下白垩统综合地层柱状图(根据文献[4,16]修改)

2 齐古断褶带不整合特征

以齐古断褶带呼图壁河东侧剖面[图2(a)]为例，从南往北依次发育齐古向斜和齐古背斜构造，侏罗系和白垩系地层构成褶皱的主体。在最南端的齐古向斜南翼，喀拉扎组地层厚度约160 m，与上覆清水河组呈不整合接触关系[图2(b)、图2(e)]。在齐古向斜北翼(即齐古背斜南翼)，喀拉扎组地层缺失，清水河组以不整合接触关系叠覆于齐古组之上，在野外可见明显的削截现象[图2(c)、图2(f)、图3(a)]。整个齐古背斜的核部因剥蚀而缺失，在背斜北翼同样可见清水河组直接不整合于齐古组之上，喀拉扎组地层完全缺失[图2(d)、图2(g)、图3(b)]。齐古背斜两翼的倾角不同，其南翼缓而北翼陡，呈现不对称的褶皱形态，齐古背斜南翼地层倾角为32°，北翼地层倾角为45°。

图2 准噶尔盆地南缘呼图壁河剖面上侏罗统-下白垩统野外露头特征

图3 齐古背斜上侏罗统-下白垩统野外露头

二维地震剖面位于齐古断褶带中段偏东的位置，接近野外调查的呼图壁河剖面[图1(b)]。在该剖面最南端的齐古向斜南翼，可见侏罗系和白垩系地层发育完整，其中清水河组不整合超覆在喀拉扎组之上，与野外观察结果基本一致[图4(a)]。齐古背斜南翼可见白垩系底部与上侏罗统的削截接触关，侏罗系顶部的喀拉扎组地层缺失，白垩系清水河组直接不整合于齐古组之上。核背斜部和北翼的喀拉扎组被完全剥蚀，齐古组被部分剥蚀，清水河组直接不整合在齐古组之上[图4(b)]。对比背斜两翼，南翼的地层倾角相对北翼较缓，并且北翼齐古组遭受剥蚀的程度更严重。值得注意的是，现今的齐古背斜定形于新生代末期，但是地震剖面上可见两条不重合的轴面，其中一条表现为白垩系及以上地层构成的变形组合，另一条表现为侏罗系地层构成的变形组合，反映出晚侏罗世和新生代两期构造活动。在整个齐古断褶带，上侏罗统整体与下白垩统表现为不整合的接触关系，但是在不同区域表现出不同的构造样式，反映出准南晚侏罗世构造活动及其变形机制在区域上的空间分异。在齐古背斜以西的区域，山前背斜构造多为断背斜，第一排背斜带的南翼被断层抬升较高，不存在中侏罗统之上的地层；在断背斜北翼，侏罗系顶部的喀拉扎组部分保留或者被完全剥蚀。在齐古背斜及以东的昌吉背斜，山前的背斜构造较为完整，侏罗系和白垩系构成背斜主体。在背斜南翼及其以南的向斜部位，喀拉扎组被部分剥蚀，清水河组不整合超覆其上；在背斜核部及北翼，喀拉扎组被完全剥蚀，清水河组不整合在齐古组之上。

图4 准噶尔盆地南缘齐古断褶带地震剖面

选取具有典型地质现象的呼图壁河剖面，使用无人机航拍获得露头的完整照片，通过Agisoft PhotoScan软件进行建模处理，得到露头的三维模型，在获取相关参数的基础上，建立标准化几何模型，对地层厚度进行推导。无人机航拍建模结果表明，齐古背斜核部的地层遭到严重剥蚀，由隆起变为低洼地形。在背斜两翼均存在喀拉扎组地层的缺失，清水河组地层直接不整合超覆在齐古组地层之上(图5)。其中，齐古组在背斜南翼的地层厚度均值为578 m，在北翼的地层厚度均值为471 m，反映出齐古组在背斜两翼存在明显的厚度差异，表明背斜在形成的时候呈现出南缓北陡的形态和自南向北的挤压特征。

图5 呼图壁河剖面齐古背斜无人机航拍影像

3 准噶尔盆地南缘上侏罗统-下白垩统不整合成因

通过野外剖面地质调查以及地震剖面分析，明确了准南上侏罗统喀拉扎组与下白垩统清水河组的不整合接触关系。重矿物不稳定系数可以反映物源区构造活动的活跃程度，借助准南部分钻井和露头取样所得的重矿物不稳定系数，可以对准南晚侏罗世构造活动的时间和过程进行限制。磷灰石裂变径迹显示，准南存在晚侏罗世-早白垩世的冷却年龄，反映出在晚侏罗世-早白垩世时期存在构造热事件，造成天山北缘和准南发生抬升[17-19]。通过对准南多口钻井以及露头剖面采样的重矿物组合进行分析，发现其重矿物不稳定系数在早-中侏罗世整体数值较低，从中侏罗世头屯河组开始，不稳定系数呈现上升趋势，这一特征在晚侏罗世进一步加强，准南各地区的不稳定系数均达到峰值。相反，早白垩世不稳定系数迅速回落，呈现较低水平(图6)，表明准南在中侏罗世末期开始进入构造相对活跃的状态，随后构造活动增强，在晚侏罗世最为强烈；早白垩纪准南的构造活动急剧减弱，整体趋于稳定。

图6 准噶尔盆地南缘侏罗系-下白垩统重矿物组合不稳定系数

准噶尔盆地作为陆内盆地，其盆地演化及构造活动的动力学来源与板块边缘的构造事件的相关，受到远程作用的影响[20]。晚侏罗世时期，可能影响准噶尔盆地构造活动的因素可能包括其西南部欧亚板块南部的拉萨地块碰撞拼合或者其东北部蒙古-鄂霍茨克洋的碰撞闭合[21-22]。位于准噶尔盆地东北部的戈壁阿尔泰地区在晚侏罗世时期并未表现出构造活动以及剥蚀特征，考虑到其距离蒙古-鄂霍茨克构造域比准噶尔盆地更加邻近，并且与天山地区具有相似的地壳结构，但是并未受到蒙古-鄂霍茨克洋闭合碰撞事件的影响，因此准噶尔盆地晚侏罗世构造活动的地球动力学来源是蒙古-鄂霍茨克碰撞的远程效应很难成立。虽然，拉萨-羌塘地块的碰撞拼合事件主体发生于早白垩世，但是这是把拉萨地块作为单一块体进行考虑的结果，如果考虑到其分段性，在更早的晚侏罗世就已经存在碰撞作用[23]。因此，准南晚侏罗世构造活动的动力学来源更可能与欧亚板块南部拉萨和羌塘地块的碰撞拼合有关。

晚侏罗世时期，准噶尔盆地处于挤压的构造背景，根据齐古断褶带上侏罗统的剥蚀特征，认为准南晚侏罗世以断层的冲断作用为主，形成断层相关褶皱[6,9,16]。但是，冲断作用在天山北缘的造山带内比较发育，古生代地层在盆山边界多以断层与中生代地层相接触，山前的中下侏罗统地层也被冲断抬升。在靠近盆内的区域褶皱发育(如齐古背斜以上侏罗统或下白垩统为核部，尽管在地震剖面上可见背斜处发育多条断层)，但是通过整体的构造关系判断，这些断层应为新生代构造活动的产物(图4)；另外，晚侏罗世构造活动的强度和规模都远小于新生代时期，其变形程度也应弱于新生代，因此挤压作用从造山带传递到盆内后，造成盆内主要以褶皱变形为主[17]。结合覆盖山前到盆内的地震剖面进行加密解释，获得了上侏罗统地层在准南的厚度分布图。其中，齐古组地层厚度在乌鲁木齐-昌吉-呼图壁一线达到最大，齐古断褶带以北厚度较小，表明晚侏罗世早期开始发生构造变形，在盆内形成背斜隆起[图7(a)]。相比之下，喀拉扎组地层的分布范围较齐古组明显变小，表明盆地范围急剧萎缩。地层厚度最大值对应玛纳斯河石场与阜康水磨沟地区，与野外剖面露头观察的结果相符合，这意味着齐古断褶带山前区域喀拉扎组地层因构造变形而遭受剥蚀，部分区域形成地表隆起，白垩系与上侏罗统之间的不整合最容易识别而范围较为局限，背斜皱面向山前迁移[图7(b)]。因此，上侏罗统-下白垩统地层之间的角度不整合与构造变形引起的剥蚀密切相关，而非沉积物过路作用引起的。

图7 准噶尔盆地南缘上侏罗统地层厚度等值线图

4 区域不整合的构造演化意义

二维地震剖面观察到背斜两翼的齐古组地层在产状和剥蚀程度上具有明显差别，北翼的地层较陡，遭受的剥蚀更为严重[图4(b)]，这与呼图壁河剖面两翼地层产状一致。地层变形后的几何特征反映出齐古背斜在晚侏罗世发生了挤压构造变形，形成“北陡南缓”的不对称背斜，说明后期的剥蚀作用在北翼的效果更为显著。这种构造变形表明挤压的动力源自南部的天山，与准南和整个天山地区在晚侏罗世的构造背景相符合[17,20]。

准南地区晚侏罗世-早白垩世的构造演化模式表明，自中侏罗世晚期起，天山及准南地区从相对稳定的坳陷状态朝挤压状态过渡，但此时天山北缘山前带尚未发生变形[图8(e)、图8(d)]。齐古组沉积时期，天山及准南从拉张转为挤压状态，在天山北缘构造活动开始发展，但是程度相对较弱，使天山发生缓慢抬升，逐渐形成显著的正地形，在山前带以北发育背斜隆起[图8(c)]。喀拉扎组沉积时期，天山的构造活动加剧，造山带内部挤压冲断作用增强，使得早期地层发生抬升和剥蚀，大量砾级粗碎屑在距离物源区很近的山前带快速沉积。挤压作用使得变形往盆地方向推进，在山前带形成凸起幅度较低的背斜[图8(b)]。晚侏罗世末期，天山北缘的构造活动达到顶峰，前期形成的背斜隆起幅度持续增大；在干旱气候的共同作用下，喀拉扎组地层遭到强烈剥蚀，甚至在背斜核部被完全剥蚀，形成区域不整合。白垩纪时期，天山北缘构造活动减弱，整体趋于稳定，沉积范围扩大，清水河组超覆在上侏罗统的不整合面之上[图8(a)]。

图8 准噶尔盆地南缘晚侏罗世-早白垩世构造演化模式

5 结论

(1)准南地区齐古断褶带存在上侏罗统-下白垩统的地层角度不整合，不同地区不整合上下地层不同，山前大部分地区以喀拉扎组和清水河组的不整合为主，在齐古断褶带的齐古背斜和昌吉背斜处，喀拉扎组被完全剥蚀而缺失，齐古组直接与清水河组不整合接触。

(2)准南地区晚侏罗世挤压构造活动的方向是自南向北，其动力学来源是南部的天山地区，与准南和整个天山地区在晚侏罗世的构造背景相符合。上侏罗统-下白垩统地层之间的不整合与构造变形引起的剥蚀密切相关，其可能成因是欧亚板块南部一系列地块的拼合作用。

(3)准南地区在晚侏罗世进入挤压的构造背景，天山北缘的构造活动经历了由强到弱的过程。齐古组沉积时期，天山北缘的构造活动主要是造山带的冲断作用，程度相对较弱，造成天山北缘缓慢抬升；喀拉扎组沉积时期，天山北缘构造活动和抬升加剧，山前带发生变形，开始形成背斜的雏形；喀拉扎组沉积时期之后，天山北缘持续抬升，背斜的幅度增大，并且轴面向山前迁移，使得喀拉扎组沉积范围明显缩小并整体遭受暴露剥蚀，在齐古断褶带山前甚至完全缺失；白垩系沉积时期，天山北缘和准噶尔盆地构造活动减弱，清水河组超覆在上侏罗统地层之上，在区域上形成不整合。