新疆博格达山北缘二叠纪中—晚期构造运动的沉积响应

鲁智帅,谢庆宾,张津宁,祁利祺,许涛,陈佳,相泓含

1)中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院,新疆克拉玛依,834000;2)中国石油大学(北京)地球科学学院,北京,102249

内容提要: 博格达山北缘是准噶尔盆地与天山造山带之间的关键部位,是研究盆山关系的重点区域。博格达山北缘二叠纪中、晚期的构造演化与沉积时空演变关系存在较大争议。本研究通过野外实地勘测、镜下岩石薄片鉴定、粒度分析实验和地震资料解析等方法,针对博格达山北缘东、西部两条剖面—大龙口剖面和井井子沟剖面开展研究,分析其沉积类型和演变过程,解析盆山构造变形和发育特征,探讨构造运动的沉积响应。研究结果表明:瓜德鲁普统乌拉泊组为湖成三角洲相,井井子沟组至红雁池组为湖泊相,乐平统泉子街组为冲积扇—河流相沉积,梧桐沟组和锅底坑组为滨浅湖—三角洲相沉积;研究区可分为两个主要构造层,下构造层以伸展断陷为主要结构,上构造层以前陆冲断为主要构造变形;多期构造活动控制瓜德鲁普统、乐平统沉积演化过程,在挤压构造背景下,瓜德鲁普统的湖泊相转变为乐平统冲积扇—河流相沉积,晚期构造活动趋于稳定,区域进入准平原化作用阶段。

博格达山位于准噶尔盆地东南缘,属于东天山一支。准噶尔盆地在新疆北部,大地构造上位于中亚造山带的南部,周围被褶皱山系环绕,油气资源丰富(张良臣等,1985;卢苗安,2007)。博格达山被多条断裂带切割,断层发育,其构造特征和沉积现象十分典型。博格达山南北两侧均属于盆山结合关键部位,构造组合和变形机制复杂,一直是国内外中、新生代陆内变形研究和油气勘探的重点地区(Cunningham, 1998;Luo Xiaorong et al., 2007;王宗秀等,2008;Gillespie et al., 2017;Wang Yanjun et al., 2018;Fang Yanan et al., 2019;Zhao Hao et al., 2019;龚德瑜等,2021;He Zhiyuan et al., 2022;Yin Jiyuan et al., 2023)。

石炭纪准噶尔盆地经历残留洋盆阶段、边缘地区残留陆表海阶段和碰撞造山阶段(陈新等,2002;舒良树等,2004;靳军等,2009;康志宏,2011;Xie Wei et al., 2016;Han Yigui et al., 2018;Niu Yazhuo et al., 2018;Ni Xinghua et al., 2021;王柯,2022)。晚石炭世博格达裂谷发生碰撞闭合,但并未改变其残留海盆的沉积环境,晚期区域火成岩的分布特征及地球化学特性表明其由挤压转变为拉张阶段(高景刚等,2013;施文翔等,2015;雷万杉等,2016;王越等,2022)。二叠纪准噶尔盆地属于裂陷盆地,早二叠世至中二叠世准噶尔盆地南缘和博格达地区经历了从残留海盆向陆相湖盆的演化过程(蔡忠贤等,2000;白斌,2008)。早二叠世海西地槽闭合,准噶尔盆地海水向东南方向退去(张义杰等,2007),博格达北缘火成岩具有双峰式特征,说明为海相裂谷环境(王银喜等,2006;郭威等,2009;梁婷等,2011;汪晓伟等,2015)。早二叠世末拉张作用减弱,海水逐渐减退(Guzalnur et al., 2018;张亚男,2019)。中二叠世末期博格达地区发生挤压构造运动,中晚二叠世地层之间的不整合反映了此次构造活动的影响程度和范围(赵白,1992;陈书平等,2001;关宝文等,2017;吴友平,2019;梁鑫鑫等,2020)。晚二叠世末期至三叠纪,博格达构造相对稳定,区域进入准平原化阶段(党胜国,2007)。

晚石炭世至早二叠世博格达山及周缘地区在伸展阶段下,发育海相沉积(林晋炎,1991;杜冬霞等,2013;庞志超等,2020);中二叠世沉积环境争议较大,主要有海陆过渡相沉积环境、海相沉积环境和陆相沉积环境三种观点(俞仁莲,1989;崔智林等,1998;吴少波,2001;王新桐,2017),具体的沉积相存在潟湖相、深水陆相湖盆、半深湖—深湖相、辫状河三角洲相等划分争议(王建哲等,2017;张驰等,2017)。晚二叠世区域整体进入陆相沉积环境,在晚二叠世早期的构造活动背景下,博格达山北缘发育山前冲积扇相(王丹,2006;Obrist-Farner and Yang, 2017;史燕青等,2021;杨有星等,2022)。但晚二叠世中后期的沉积相不同学者有不同划分意见,主要集中在湖泊—三角洲相、滨浅湖—三角洲相、辫状河三角洲相(王厚坤等,2010;丁超等,2015;李海斌,2017)。

尽管近些年对博格达山盆山耦合作用、沉积和构造研究聚焦较多,但博格达山构造活动对沉积的约束作用研究相对较少。因此本研究以博格达山北缘两条剖面(大龙口剖面和井井子沟剖面)为研究对象,通过野外地质观测、粒度分析实验、镜下岩石薄片鉴定和地震资料分析等方法,依据沉积学和构造地质学等理论方法,结合前人研究成果,对博格达山二叠纪构造活动和沉积过程进行分析,探讨二叠纪构造活动对沉积演变过程的控制作用,以期推进准噶尔盆地南缘盆山关系研究并为盆地油气勘探提供理论依据。

1 区域地质概况

博格达山平面构造特征整体表现为一个由南向北的弧形凸起,出露石炭纪以来的地层,断层和断裂带发育,在东西方向上分段(图1)。由于挤压多发育褶皱构造,在南北方向上呈现分带特征。

图1 新疆博格达山构造位置(a)、地理位置(b)及地质图(c)Fig.1 Tectonic location (a), geographical location (b) and geological map (c) of Bogda Mountain in Xinjiang

自晚古生代以来博格达山随准噶尔盆地及天山造山带受海西、印支、燕山和喜马拉雅期4期构造运动影响,经历裂陷伸展、挤压碰撞等多个构造作用阶段(臧明峰等,2009;Zhao Shujuan et al., 2014;Chen Ke et al., 2015;Zhang Xiaoran et al., 2016;Zhao Rui et al., 2020)。二叠纪受海西运动影响,博格达山隆升出露水面并分割阜康凹陷和柴窝堡盆地。三叠纪印支运动阶段,博格达山发生低隆起。侏罗纪至新生代,区域经历燕山期和喜马拉雅期间断性隆升剥蚀作用,白垩纪地层大部分缺失,尤其新生代板块碰撞引起的远程效应,博格达山再次发生剧烈挤压活动,形成现今的盆山构造格局(柏美祥等,1997;王新桐,2017;朱晨涛,2017;于洪洲,2019;马超,2019)。

井井子沟剖面位于乌鲁木齐市以东水磨沟区的井井子沟,博格达山北缘西段,出露最老地层为石炭系(图2),其中乌拉尔统、瓜德鲁普统较完整,包括:乌拉尔统石人子沟组和塔什库拉组,瓜德鲁普统乌拉泊组、井井子沟组和芦草沟组。大龙口剖面位于吉木萨尔县,博格达山北缘东段,该剖面二叠系和三叠系较完整(图3),且二叠系和三叠系分界面为国际地层委员会确定的“金钉子”(王新桐,2017;余琪祥,2020),其瓜德鲁普统、乐平统为:瓜德鲁普统芦草沟组和红雁池组,乐平统泉子街组、梧桐沟组和锅底坑组。大龙口剖面可与井井子沟剖面出露地层接续形成一个较为完整的二叠系地层序列。两条剖面地层对于博格达山北缘东、西部沉积地层具有一定代表性,综合研究能够对整个区域的基础地质演化情况有较全面的认识。

图2 新疆水磨沟区井井子沟剖面地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Jingjingzigou section in Shuimogou District, Xinjiang

图3 新疆吉木萨尔大龙口剖面地层柱状图Fig.3 Stratigraphic column of the Dalongkou section in Jimsar, Xinjiang

2 沉积体系及特征

博格达地区在不同的构造时期,其沉积体系在空间分布上存在一定差异,沉积类型也随时间推移而发生改变。瓜德鲁普统、乐平统博格达山北缘沉积环境改变,发育多种沉积相,中期为陆相三角洲—湖泊沉积,晚期为冲积扇—河流—三角洲相沉积。

2.1 湖泊相

井井子沟剖面瓜德鲁普统井井子沟组发育浅湖—半深湖相沉积,岩性特征:下段为凝灰岩夹砂岩、泥岩,多见植物化石;上段以凝灰岩为主,发育大量灰绿色凝灰岩、凝灰质砂岩和泥岩。整体岩性以大量凝灰岩为主要特点,表明火山活动频繁,大量的火山尘飘落。其上下段所取岩样镜下特征为:粉砂质泥岩(图4a、b),碎屑粒度较细,以长石为主,另外还有少量石英,镜下清晰可见泥质条带;含粗砂细粉砂岩(图4c、d),岩屑含量较高,主要来自火成岩,磨圆较好,其他矿物仍以长石为主,石英含量较低,表明离源区较近,但碎屑经过水体的冲刷后磨圆度较高。

图4 新疆井井子沟剖面瓜德鲁普统井井子沟组下段粉砂质泥岩单偏光(a)和正交偏光(b)照片,镜下特征显示:岩性粒度较细,泥岩含量最高,其中矿物以长石为主,含少量石英。井井子沟组中上部含粗砂细粉砂岩单偏光(c)和正交偏光(d)照片,镜下特征显示:岩屑含量较多,以火成岩岩屑为主,其他矿物为长石、石英,整体磨圆较好Fig.4 Single polarization photo (a) and orthogonal polarization photo (b) of silty mudstone from the lower part of Jingjingzigou Formation of Guadalupian in the Jingjingzigou section, Xinjiang, the microscopic characteristics show that the grain is fine, the mudstone content is the highest, and the minerals are mainly feldspar and contain a small amount of quartz. Single polarizing (c) and orthogonal polarizing (d) photos of coarse sand bearing fine siltstone in the middle and upper part of the Guadalupian Jingjingzigou Formation, Jingjingzigou Section, Xinjiang,the microscopic characteristics show that there are more lithic fragments, mainly igneous fragments, other minerals are feldspar and quartz, and on the whole, roundness is better

井井子沟组下段岩样粒度概率曲线特征表现为 “一跳一悬加过渡”式(图5)。滚动组分缺失,以跳跃和悬浮总体为主,且跳跃组分含量较高,大于65%,悬浮总体含量在30%左右。缺失滚动组分的两段性曲线特征说明滨湖水动力条件较强,以跳跃搬运方式为主,反映其沉积环境为滨浅湖亚相。

图5 新疆井井子沟剖面井井子沟组下段粒度概率曲线Fig.5 Particle size probability curve of the Lower Member of Jingjingzigou Formation in Jingjingzigou section, Xinjiang

综合井井子沟组野外沉积构造特征、岩性特征以及粒度分析实验结果,可推测井井子沟组下段发育浅湖—半深湖相沉积。

井井子沟剖面瓜德鲁普统芦草沟组发育半深湖—深湖相沉积,岩石组合以细粒碎屑岩为主要特征,发育深灰色、黑色页岩和油页岩,生物灰岩,少量砂岩和凝灰岩。芦草沟组下段灰岩与页岩呈间互不等厚成层,灰岩相对发育,与泥岩互层,形成一套由一系列准层序构成的准层序组(图6),准层序下部为生物灰岩,向上逐渐转变为暗色泥岩,且自下而上,灰岩逐渐减薄,泥岩逐渐加厚,表明沉积时水体逐渐变深;灰岩中含丰富介形虫化石(图7a),是典型的生物灰岩;页岩较脆,含钙质,下段多发育钙质页岩水平层理(图7b)。上段以深灰色页岩为主,薄层,似纸片状,含少量钙质(图7c)。发育含多层风化后呈灰白色的凝灰岩、泥质凝灰岩和凝灰质页岩,并与页岩之间呈渐变过渡关系(图7d)。综合以上沉积特征,可以确定芦草沟组沉积相为半深湖—深湖相。

图6 新疆大龙口剖面瓜德鲁普统芦草沟组准层序组Fig.6 Quasi-sequence group of the Lucaogou Formation of Guadalupian Series in the Dalongkou Section, Xinjiang

大龙口剖面瓜德鲁普统红雁池组厚度最小,大龙口背斜南部地层与泉子街组呈角度不整合接触,边界发育暗色泥岩,背斜北部红雁池组地层缺失。红雁池组整体发育一套深灰色泥岩和含砾砂岩互层的沉积(图8a、b),砂岩常为复成分砂岩。钙质复成分砂岩镜下岩石薄片特征显示(图9a、b),矿物成分多为长石、石英等,基质为碳酸盐岩,含有机质。芦草沟组沉积末期存在一次构造运动,此次运动并没有改变芦草沟组和红雁池组时期的湖盆属性,但地形变陡,水动力条件增强,导致红雁池组底部沉积了一套砂砾岩组成的远源浊积扇沉积。随后湖盆水体变深,转为深湖相,说明这次运动规模和程度较小,并没有改变芦草沟组以来的沉积格局,仍为半深湖相沉积。

图9 新疆大龙口剖面红雁池组钙质复成分细砂岩单偏光(a)和正交偏光(b)照片,镜下特征显示:矿物以石英、长石为主,基质为碳酸盐岩,含少量有机质Fig.9 Single polarizing (a) and orthogonal polarizing (b) photos of calcareous compound fine sandstone of the Hongyanchi Formation in the Dalongkou Section, Xinjiang, the microscopic characteristics show that the minerals are mainly quartz and feldspar, and the matrix is carbonate with a small amount of organic matter

2.2 冲积扇—河流相

大龙口剖面乐平统泉子街组发育冲积扇相和河流相沉积体系。下段发育多套红色厚层砂砾岩(图10a、b),砾石磨圆差,分选差,属于近物源、地形陡、水动力强的冲积扇扇中亚相沉积;另外砾石间主要为含砾细砂岩和紫红色泥岩,属于冲积扇扇端亚相沉积,所以下段属于冲积扇沉积体系。该套沉积体系自下而上,砂砾岩厚度逐渐减薄,紫红色泥岩逐渐增多,说明在沉积过程中,地形逐渐变缓,水动力作用逐渐减弱,沉积体系也随之发生改变。上段沉积具有典型的二元结构特征,下部为分流河道沉积,上部为河漫滩泥岩沉积,其中在河漫滩泥岩中夹薄层煤线(图10c),表明此时气候较湿润。大龙口背斜南北剖面泉子街组均可见红色铁质古土壤(图10d),其中南剖面古土壤较薄,发育铁锈褐色铁质豆粒、砂泥质或钙质胶结。综合泉子街组上下段岩性特征,判定乐平统泉子街组为冲积扇—河流沉积体系,其下段发育冲积扇相沉积,上段发育河流相沉积。

图10 新疆大龙口剖面乐平统泉子街组典型沉积特征:泉子街组下段砾岩(a)、(b),泉子街组煤线(c)及古土壤(d)Fig.10 Typical sedimentary characteristics of the Lopingian Quanzijie Formation in the Dalongkou section, Xinjiang: the lower part of Quanzijie Formation conglomerate (a), (b), Quanzijie coal line (c) and paleosoil(d)

2.3 滨浅湖—三角洲相

井井子沟剖面瓜德鲁普统乌拉泊组发育湖成三角洲相沉积。下段岩性特征表现为:以灰褐色、灰绿色中细砂岩为主,灰绿色、灰黑色粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩呈不等厚互层。发育楔状交错层理(图11a),纹层斜交于层系界面,层系之间不平行,厚度变化明显呈楔形,在异向流动的水动力条件下形成。往上可见大面积波痕,波痕的波峰及波谷均较圆滑,呈不对称状(图11b)。剖面岩性上呈反韵律沉积特征(图12),自下而上泥岩与砂岩交互沉积,砂层在平面上多呈席状、条带状分布,表明当时沉积环境较为稳定,发育三角洲前缘亚相和前三角洲亚相沉积,前三角洲黏土沉积之上形成下细上粗的垂向层序。上段是一套岩性组合为灰黄色、绿灰色、深灰色、风化面呈蓝灰和黄绿色的细砂岩、粉砂岩夹凝灰岩、凝灰质粉砂岩和泥质粉砂岩,粉砂岩和泥岩互层,各类岩性相互过渡。

图11 新疆井井子沟剖面瓜德鲁普统滨浅湖—三角洲沉积特征:(a) 乌拉泊组下段楔状交错层理,纹层斜交于层系界面,层系之间不平行,厚度变化明显呈楔形;(b) 乌拉泊组中部波痕,波痕面积较大,波峰及波谷较圆滑,呈不对称状,古流向为北西向Fig.11 Sedimentary characteristics of the Guadalupian shore shallow lake—delta in the Jingjingzigou section, Xinjiang: (a) wedge-like cross-bedding in the lower Wulabo Formation, the laminae are oblique to the interface of layers, and the layers are not parallel, and the thickness change is obviously wedge-shaped; (b) ripples in the middle part of the Wulabo Formation, the ripple area is large, the crests and troughs are smooth and asymmetrical, and the paleo-flow direction is NW

图12 新疆井井子沟剖面乌拉泊组反粒序沉积Fig.12 Reverse grain sequence deposition of the Wulabo Formation in the Jingjingzigou Section, Xinjiang

乌拉泊组下段岩样粒度概率曲线特征表现为“一跳一悬加过渡”式(图13),缺失滚动组分,以跳跃和悬浮总体夹过渡段的两段式,且跳跃组分含量较高,大于60%,悬浮总体含量在20%～30%。缺失滚动组分的两段性曲线特征说明水动力条件较强,以跳跃搬运方式为主,具有双向水流搬运特征,反映其沉积环境为三角洲水下分流河道微相。

图13 新疆井井子沟剖面乌拉泊组下段粒度概率曲线Fig.13 Grain size probability curve of the lower Wulabo Formation in the Jingjingzigou Section, Xinjiang

综合乌拉泊组野外沉积构造特征和岩性特征以及粒度分析实验结果,可推测乌拉泊组发育湖成三角洲相沉积。

大龙口剖面乐平统梧桐沟组发育滨浅湖—三角洲相沉积。下段发育灰色泥岩,夹砂岩、含砾细砂岩,下部灰色泥岩与暗紫红色泥岩间互成层,向上红色逐渐减少,颜色变浅;中上部为灰色泥岩夹细砂岩,表明梧桐沟组下段为滨浅湖沉积,且湖盆范围逐渐扩大,湖水逐渐加深。上段为三角洲相,三角洲前缘发育,主要是厚层砂岩、含砾砂岩与泥岩互层,夹煤线或薄煤层,发育槽状交错层理(图14a)。三角洲平原由细粒浅灰色泥岩、细砂岩、砂砾岩、细砾岩及含砾砂岩组成。在大龙口背斜北剖面中,梧桐沟组中的沉积构造也非常丰富,主要有槽状交错层理(图14b)、板状交错层理等(图14c)、楔状交错层理(图14d)。

图14 新疆大龙口剖面乐平统沉积特征:(a)、(b) 槽状交错层理;(c) 板状交错层理;(d) 楔状交错层理;(e) 平行层理,大龙口背斜北部锅底坑组细砂岩平行层理;(f) 生物化石,大龙口背斜北部锅底坑组,介形虫化石Fig.14 Sedimentary characteristics of the Lopingian in the Dalongkou Section, Xinjiang:(a), (b) trough cross-bedding; (c) plate cross bedding; (d) wedge cross bedding; (e) parallel bedding, parallel bedding of fine sandstone of the Guodikeng Formation in the northern Dalongkou anticline; (f) biological fossils, ostracoid fossil from the Guodikeng Formation in the northern Dalongkou anticline

综合以上沉积现象可以推断梧桐沟组整体发育滨浅湖—三角洲相沉积体系。

乐平统锅底坑组发育一套泥岩夹细砂岩的沉积组合,沉积相为滨浅湖相,向上逐渐转化为三角洲相,发育细砂岩交错层理和平行层理(图14e)。在剖面中部发育一套较深水的深灰色页岩沉积,并夹灰岩薄层,反映了锅底坑组从下往上,水体逐渐变深,后又逐渐变浅的过程。另外还发育虫孔构造和生物化石(图14f),说明此沉积时期,生物发育繁盛,包括陆地和水生生物及植物。地层中还发育钙质结核,总体呈圆球状,表明当时为半干旱型气候。

2.4 上古生界沉积发育序列

根据博格达山北缘西部的井井子沟剖面瓜德鲁普统以及东部大龙口剖面瓜德鲁普统至乐平统发育特征,建立了博格达山北缘晚古生代二叠纪中—晚期地层沉积序列(图15)。

图15 新疆博格达山北缘瓜德鲁普统、乐平统沉积序列Fig.15 Sedimentary sequence of Guadalupian and Lopingian in the northern margin of Bogda Mountain, Xinjiang

瓜德鲁普统早期博格达地区为温暖湿润型气候(张驰等,2017;王越等,2019),芦草沟组时期则为干旱、半干旱型气候,沉积环境为还原—弱氧化环境;乐平统则由半干旱变化为半湿润气候,沉积环境以还原环境为主(史燕青,2021;王正和等,2018;马东正,2019),末期则又由湿润气候转变为干旱型气候。瓜德鲁普统为陆相湖盆沉积,整体以湖相细粒沉积为主。井井子沟剖面乌拉泊组以粉砂质泥岩、凝灰质砂岩为主,沉积相为湖成三角洲相,多发育波痕,楔状交错层理等沉积构造。井井子沟组连续沉积在乌拉泊组之上,由于构造活动相对稳定,在乌拉泊组沉积基础之上发育浅湖—半深湖相沉积,岩性以凝灰质砂岩为主,凝灰质岩层的发育规模到瓜德鲁普统时期逐渐增多,表明火山活动频繁,大量火山灰沉降,常见植物化石,表明当时气候较湿润,适宜植物生长。大龙口剖面芦草沟组沉积时期湖泊水体逐渐加深,湖盆范围变大,岩性以泥岩、页岩、油页岩、碳酸盐岩和粉砂岩等为主,沉积构造以静水环境下的水平层理为主,多见湖泊相生物化石。红雁池组发育暗色泥岩、粉砂岩和砂砾岩,底部与芦草沟组呈不整合接触,沉积相为深湖—半深湖相。乐平统泉子街组底部红色砂砾岩与红雁池组为不整合接触,表明泉子街组沉积之前发生过一次构造抬升活动,整体发育红色厚层砂砾岩,含煤层,沉积相为冲积扇—河流相沉积体系。梧桐沟组则为构造稳定时期,地壳开始沉降,岩性以灰白色中细砂岩为主,发育滨浅湖—三角洲沉积体系,沉积构造也十分丰富,多发育槽状、板状和楔状交错层理。锅底坑组从梧桐沟组的三角洲相过渡到滨浅湖相沉积,岩性以泥岩和细砂岩为主,发育植物化石和平行层理。

3 构造特征

晚古生代以来,博格达地区经历了多期构造演化阶段,构造样式复杂,活动强烈,为多期构造活动叠加作用结果,尤其是后期的喜马拉雅运动将早期构造样式改变,增加了早期构造变形恢复的难度。本次研究根据大龙口和井井子沟剖面出露的构造变形特征与地震剖面构造样式综合分析,认为博格达地区构造存在两个主要构造层,下构造层以伸展断陷为主要结构,上构造层以前陆冲断为主要构造变形。

3.1 伸展断陷构造层

伸展断陷构造层顶部为瓜德鲁普统,瓜德鲁普统与乐平统之间呈角度不整合接触关系。博格达山与准噶尔盆地沉积岩层之间存大型边界断层(图16),限定了盆地边界。该边界断层近东西走向,倾向北,其上盘地层主体显示出滚动背斜特征,见牵引构造。北部发育与其近平行的大型正断层,两者形成阶梯式组合,该正断层顶部截止至瓜德鲁普统顶,其上盘见反向次级断层,呈现出“Y”型形态,次级断层顶部亦截止至瓜德鲁普统。该构造层“Y”型构造顶部相对较高,南北两侧较低,其南部顶界为滑脱断层的断面。

图16 新疆博格达地区JS2000905地震解释剖面图Fig.16 Seismic interpretation profile in Bogda Area (S2000905),Xinjiang

由于后期前陆冲断改造强烈,二叠纪中期前形成的伸展构造仅可识别出大型断陷构造,多数次级断层后期发生反转,增大了地震剖面解析的识别难度,但在露头区瓜德鲁普统可见伸展构造。

在井井子沟剖面,乌拉泊组上段发育多条正断层(图17a、b),断层面与岩层近乎垂直,产状为230°∠44°,断距为9 m,断层带发育角砾岩,宽度约0～0.4 m,断层下方节理面有原油渗出(图17c、d)。断层上盘见次级断层(图17e),为方解石充填,部分沥青充填。该断层两侧张节理较为发育,亦为方解石和沥青充填(图17f)。

图17 新疆博格达山北缘野外构造照片Fig.17 Field structure photos of the northern margin of Bogda Mountain, Xinjiang(a) 大型断层,乌拉泊组上部,断层面与岩层近乎垂直,断层带发育角砾岩,下方节理面见原油渗出;(b) 大型断层素描图,上下盘错动,产状为230°∠44°,断距为9 m;(c) 层面原油,乌拉泊组上部,大型断层下方多个节理面均有不同程度原油渗漏;(d) 原油,质地黏稠,有油味散逸,易点燃;(e) 小型断层,大断层下方,上下盘错动明显;(f) 张节理,乌拉泊组上部,节理面被后期矿物方解石等填充(a) Large fault, upper part of the Wulabo Formation, the fault plane is nearly perpendicular to the rock stratum, breccia is developed on the fault plane, crude oil seepage is seen on the joint surface below the fault; (b) Sketch map of large fault, the upper and lower disks are staggered, occurrence is 230 °∠ 44 °, the fault displacement is 9 m; (c) Crude oil on strata surface, upper part of the Wulabo Formation, several joint surfaces under large faults have oil leakage to varying degrees; (d) Crude oil, the texture is sticky, oily and easy to ignite; (e) Minor fault, under the great fault, the upper and lower walls are staggered obviously; (f) Joint, upper part of the Wulabo Formation, the joint is filled with later mineral calcite, etc.

3.2 前陆冲断构造层

博格达山北缘前陆冲断构造层发育在瓜德鲁普统及以上地层,北缘南部为博格达山前缘冲断带,北部为前缘外围带(图18)。前缘冲断带发育多条由南向北的大型滑脱断层,近东西走向,南倾,形成逆冲推覆构造系统,其逆冲推覆构造系统的主体由博格达山北缘向北的三工河断层、妖魔山断层和阜康断层构成(伍致中,1991;马超,2019)。滑脱断层的滑脱面位于瓜德鲁普统顶部,主断层为阜康断层,呈上陡下缓形态,其上盘与三工河断层和妖魔山断层叠置,形成叠瓦式冲断组合。在三条主控大断层之间又有多种复杂构造,除了一系列叠瓦式逆冲断层,还有因俯冲挤压形成的复杂褶皱和断块。

图18 新疆博格达地区JS2000906地震解释剖面图Fig.18 Seismic interpretation profile in Bogda Area (JS2000906), Xinjiang

前缘外围带以低缓褶皱构造为主,乐平统北薄南厚,与上覆三叠系呈角度不整合接触关系,显示出前陆盆地地层展布特征,揭示了二叠纪晚期博格达山以开始隆升推覆。然而,由于前缘冲断带大龙口剖面出露厚度较大的乐平统,说明该期受现今的冲断作用控制较小,早期的主冲断带应在现今冲断带的南部,博格达山体远小于现今的规模范围。

4 构造活动的沉积响应讨论

在海西运动背景下,晚古生代中晚期博格达地区构造和沉积演化经历了两个关键时期:早二叠世末期和晚二叠世早期的构造运动。两期构造活动使区域地貌格局发生改变,博格达也由最初的裂陷海槽逐渐闭合进而成为隆起的山地;同时也使博格达及其周缘地区沉积环境发生转变,从海相沉积环境转变为陆相沉积环境。晚二叠世早期的挤压构造运动改变了博格达的湖盆构造,区域整体发生大规模构造抬升,发育山前磨拉石建造。

根据博格达山构造演化剖面图表明区域复杂构造组合具有多期构造活动叠加作用特征(图19)。早二叠世末期,板块碰撞的远程效应使博格达地区海槽闭合,此时隆起程度较低,并未出露水面成山,但海水退去,失去与开阔海的联系,自此博格达及周缘地区开启陆相沉积模式。

中二叠世存在局部构造活动,但整体构造格局并未发生太大变化,区域处于裂陷活动期。至中二叠世早期形成断陷湖盆(图20),发育湖成三角洲相、滨浅湖相沉积体系。此时沉积中心仍在博格达地区,地震剖面图(图18)上也可看出瓜德鲁普统沉积厚度由博格达山北缘至准噶尔盆地方向逐渐减薄。另外,乌拉泊组和芦草沟组均发育优质烃源岩,在野外乌拉泊组发现泄露的原油,大龙口背斜芦草沟组见油迹,均表明博格达地区瓜德鲁普统发育利于油气生成的断陷湖盆沉积。瓜德鲁普统的井井子沟组至芦草沟组均有凝灰质出现,且井井子沟组凝灰质尤为发育,表明区域内由于拉张裂陷作用火山活动频繁。

图20 新疆博格达瓜德鲁普统湖泊相沉积模式Fig.20 Guadalupian lacustrine sedimentary model in Bogda, Xinjiang

中二叠世末期至晚二叠世早期,由于板块挤压碰撞,整个新疆包括准噶尔盆地和塔里木盆地都经历了强烈的抬升与剥蚀(郑孟林等,2018)。博格达山发生剧烈隆升活动,地层变形强烈,完成了由原来的裂陷盆地到隆起山地的演化,区域构造格局发生改变,多发育山前冲积扇相(图21)、河流相沉积体系。博格达也从早期的沉积中心变为物源区,其南北缘分别为柴窝堡凹陷和准噶尔盆地提供物源。从芦草沟组和红雁池组湖泊相细粒沉积岩到泉子街组冲积扇相厚层粗粒沉积岩的岩性变化也反映了当时构造活动的强烈程度。地震解释剖面图显示瓜德鲁普统和乐平统沉积地层之间存在角度不整合(图16、图18);野外也观察到大龙口背斜南翼芦草沟组和泉子街组均与红雁池组之间存在不整合接触关系。而大龙口背斜北翼红雁池组缺失,表明当时博格达山经历剧烈隆升后地层又遭受一定程度的剥蚀。

图21 新疆博格达乐平统冲积扇相沉积模式Fig.21 Lopingian alluvial fan facies sedimentary model in Bogda, Xinjiang

晚二叠世构造趋于稳定,在此背景下区域沉积体系以滨浅湖、三角洲相为主。三叠纪继承晚二叠世末期构造性质,博格达山进入准平原化阶段,以沉积为主。侏罗纪以来博格达山发生多期隆升剥蚀作用,较缺失的白垩纪地层反映了区域地层剥蚀情况,博格达山北麓地层向北逆冲推覆,形成铲式构造,强烈的逆冲推覆构造逐渐成为现今博格达山构造格局,区域也从原来的接受沉积区变为物源区。

5 结论

(1)新疆博格达山北缘瓜德鲁普统乌拉泊组在裂陷构造背景下发育湖成三角洲相,井井子沟组发育浅湖—半深湖相;乐平统泉子街组在挤压隆升构造背景下发育冲积扇—河流相,梧桐沟组和锅底坑组则发育滨浅湖—三角洲相沉积。

(2)博格达地区构造可分为两个主要构造层,下构造层以伸展断陷为主要地质结构,上构造层以前陆冲断为主要构造变形。伸展断陷构造在中二叠世以前形成,后期则以前陆冲断构造变形为主。

(3)中二叠世博格达地区构造稳定,发育湖泊相沉积;中二叠世末期至晚二叠世早期在挤压隆升的背景下,沉积相也由湖泊相转变为冲积扇—河流相沉积;晚期博格达构造恢复稳定,沉积相以滨浅湖—三角洲相为主。

致谢：本研究得到了新疆油田公司勘探开发研究院领导和专家的的指导和帮助,在此表示衷心的感谢!感谢两位审稿专家对初稿和修改稿提出的宝贵意见!