準噶爾盆地南緣中段第一、二排構造演化與油氣成藏

郭文建，李天然，冀冬生，施聯紅，韓 楊

1.中國石油新疆油田分公司 勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580；3.中國石油新疆油田分公司 第二采油廠，新疆 克拉瑪依 834000

0 引言

盆-山轉換帶一直是構造地質與石油地質研究的重點及熱點.準噶爾盆地南緣中段位于伊林黑比爾根山北麓，受北天山多期活動疊加影響，其構造演化與成藏過程極為復雜.近年來，眾多學者開展了該區的斷層相關褶皺、構造楔形體、構造轉換帶等特征研究［1-4］；并通過顯微構造、地層年代學等恢復了構造與沉積演化［5-8］；依據變形機制、應力場模擬等揭示了典型構造成因機理［9-12］；并初步分析了構造對油氣成藏的控制作用［13-15］，研究了準南前陸沖斷帶的油氣成藏時空配置關系［16］，提出了霍瑪吐構造帶兩期油氣成藏的大致時期［17］.

目前油氣勘探證實，3 排構造均含油氣，尤其是在第一、二排構造上發現了大量油氣，且構造及成藏也最為復雜，因此第一排構造（齊古-昌吉背斜帶）和第二排構造（霍-瑪-吐背斜帶）應作為研究重點.前人對該區域構造活動性的研究大多局限在定性分析領域，缺乏定量解析，針對成藏過程的研究主要集中在某一排背斜帶或特定的圈閉，將第一、二排構造相統一，對構造形成演化與油氣成藏過程進行一體化的研究較少.

本研究通過對拼接地震大剖面的精細構造解析，定量分析第一、二排構造的活動性，在平衡剖面原理指導下恢復構造演化過程，并在此基礎上恢復油氣成藏過程，以期為深入探討南緣中段的構造變形特征、指導油氣勘探提供參考.

1 地質背景

準噶爾盆地南緣位于北天山和準噶爾盆地之間，面積約2.5×104km2，蓋層沉積厚度最大可達15 km［1-2］，南緣中段是指位于頭屯河與安集海河之間的部分（圖1）.準噶爾盆地南緣經歷了多期次、多性質的構造運動疊加［18-24］，由于各期次構造運動的不均衡，造就南緣構造極為復雜，尤其是南緣中段.南緣中段自南向北，從山前到盆地依次發育3 排近東西向展布的褶皺構造帶，包括齊古-昌吉背斜帶（第一排）、霍-瑪-吐背斜帶（第二排）和安集海-呼圖壁背斜帶（第三排）［1］，尤其是第一、第二排構造最為復雜.研究區內地層從二疊系到新近系均有分布，其中以侏羅系、白堊系及新生界各組發育較全（表1）.三疊系、白堊系和古近系內部發育的多套滑脫層進一步增加了3 排背斜構造疊加變形的復雜性.

圖1 準噶爾盆地南緣中段地質簡圖（據文獻修改［6］）Fig.1 Geological sketch map of central part of southern Junggar Basin（Modified from Reference［6］）

表1 準噶爾盆地南緣中段地層表Table 1 Stratigraphy of central part of southern Junggar Basin

2 構造樣式及特征

準噶爾盆地南緣中段構造變形復雜，斷裂相互疊加，主要發育逆斷層，局部發現有正斷層及具有壓扭性質的走滑斷層.斷層在不同區域和層位的發育具有一定規律性，正斷層終止于下—中侏羅統.受喜馬拉雅運動期強烈造山作用的影響，逆斷層廣泛發育于中—新生代.

通過對最新高品質地震資料的解釋，尤其是對多條典型南北向地震剖面精細解釋分析，揭示準噶爾盆地南緣中段發育多類型構造樣式（圖2）.總體來看，由南向北主要受兩種不同的斷裂組合樣式控制，從齊古背斜到吐谷魯背斜主要受控于基底卷入-順層滑脫型逆沖斷裂體系，在齊古背斜附近發育基底卷入型逆沖斷裂體系，在齊古背斜兩翼發育反沖斷裂體系，而在吐谷魯背斜附近主要發育順層滑脫型斷裂體系，且齊古背斜發育的基底卷入型斷裂與吐谷魯背斜淺層古近系發育的順層滑脫型斷裂具有明顯的搭接關系，進而形成有成因聯系的基底卷入-順層滑脫型逆沖斷裂體系.同時，吐谷魯背斜也明顯地發育白堊系和三疊系順層滑脫型逆沖斷裂體系，且兩層順層滑型斷裂均被齊古斷裂附近的基底卷入型斷裂體系切割.結合地震剖面響應特征，白堊系與侏羅系的斷裂分布總體具有相似的分布特征，其中侏羅系斷裂相對較多.第一排褶皺所在區域（齊古-昌吉背斜帶）主要發育基底卷入型斷裂，在平面分布上表現出相對彎曲的斜交式組合樣式為主；而在第二排褶皺區域（霍-瑪-吐背斜帶），主要以順層滑脫型斷裂為主，平面上呈現出明顯的亞平行式斷裂分布特征（見圖1）.

圖2 準噶爾盆地南緣中段地震剖面構造樣式圖Fig.2 Structural styles of seismic section in the central part of southern Junggar Basin

3 構造形成與演化

3.1 構造活動定量分析

目前對準噶爾盆地南緣中段構造活動的定量研究方面相對較少，制約了構造演化階段的準確劃分.本研究利用最新采集的高品質地震資料進行構造活動定量分析，以期為后續的具體構造演化過程分析提供支撐.構造活動定量分析主要涉及3 種分析方法：斷層滑移距定量分析［25］、古地層厚度定量分析［26］和生長地層發育分析［27］.其中斷層滑移距定量分析最為精確，其分別對每條轉換后的深度域剖面進行斷裂編號，然后再對每條解釋剖面進行斷距數據錄入，最后對每條解釋剖面中的斷距變化情況進行編圖及分析.

依據時深轉換，將典型地震剖面轉換成地質剖面進行斷裂活動性分析（圖3），顯示絕大部分斷裂的滑移距均表現出由深至淺逐漸變小的發育趨勢.大斷裂如FB12 號斷裂（霍瑪吐斷裂）和FB10 號斷裂，存在較明顯的拐點特征（綠色虛線和粉紅色虛線具有不同的斜率），推斷該類斷裂可能具有多次活動的特點.絕大部分（尤其是從侏羅系到新近系）地層厚度均表現出了穩定變化的發育趨勢，僅第四系出現了較為明顯的厚度突然變化.結合實際地震剖面分析，可知在該套沉積地層內部均表現出了生長導致的地層增厚，即生長地層的發育特征，進而推測該剖面跨過的吐谷魯背斜在該時期構造活動較為明顯，控制了地層的沉積.

圖3 準噶爾盆地南緣中段地質剖面及其斷裂滑移距定量統計綜合分析圖Fig.3 Geological section and fault slip distance quantitative statistics in the central part of southern Junggar Basin

3.2 構造演化

準噶爾盆地南緣中段第一、二排構造帶主要經歷了燕山期和喜馬拉雅期兩期構造運動，尤其是喜馬拉雅期的強烈擠壓作用，控制了研究區的現今構造樣式.針對剖面B（見圖1）運用趨勢法進行剝蝕厚度恢復，在此基礎上采用Midland Valley 3D MOVE 地質建模軟件，進行平衡剖面恢復，繪制不同地質歷史時期的構造剖面，以揭示準噶爾盆地南緣中段的構造演化過程.

中生代初期，準噶爾盆地南緣在古生界頂部不整合界面之上沉積了三疊系，由于處于盆地邊緣，三疊系呈超覆形式沉積，地層由北向南減薄（圖4）.

圖4 準噶爾盆地南緣中段構造演化剖面圖Fig.4 Tectonic evolution model of central part of southern Junggar Basin

早侏羅世（圖4a、b），準噶爾盆地南緣處于弱伸展環境［28-30］，發育控制早侏羅世沉積的小型高角度正斷層，此時南緣古地貌仍為一斜坡，湖盆寬泛，沉積地層整體南薄北厚.中晚侏羅世（圖4c），頭屯河組（J2t）、齊古組（J3q）、喀拉扎組（J3k）沉積時期，準噶爾湖盆已開始收縮，物源區的匯水面積減小.經過長時間的剝蝕夷平和充填作用，洪泛平原形成，之后經歷了較強烈的構造擠壓作用［29，31-32］，使侏羅系發生了強烈的褶皺變形，形成第一排褶皺（齊古背斜）.南緣地區先前形成的控制早侏羅世沉積的小型高角度伸展斷層在擠壓構造應力作用下發生構造反轉，與此同時先存的基底逆沖推覆斷層不斷向前傳播，與反轉構造交匯，基底卷入式逆沖斷層也開始發育，在剖面上形成疊瓦狀構造.基底逆沖推覆斷層傳播到前緣形成微弱變形的斷層傳播褶皺，形成第二排褶皺的雛形.伴隨著地殼快速抬升，喀拉扎組風化剝蝕嚴重，特別是第一排褶皺頂部的喀拉扎組剝蝕殆盡，并露出齊古組.受北天山隆升影響，石炭系基底呈明顯的三角楔形由南向北擠壓逆沖，使南緣沉積的地層發生明顯的掀斜，之后接受了白堊系（圖4d）較為穩定的巨厚沉積.

古近紀（圖4e），由于印度板塊向歐亞板塊俯沖的遠程效應，天山開始復活隆升，準噶爾盆地南緣在強烈的擠壓應力作用下褶皺構造幅度不斷增大，地層剝蝕不斷加劇.隨著擠壓的進行，基底逆沖推覆斷層（最大的斷層）不斷向北逆沖，在第二排褶皺頂部發育分支斷層，斷層傳播使第二排褶皺變得更加明顯；基底逆沖推覆斷層在向北傳播過程中傾角逐漸變緩，其分支的基底卷入式逆沖斷層不斷發育新的分支斷層，切穿侏羅系、白堊系到達古近系.基底卷入式逆沖斷層發育的分支斷層在白堊系中發生順層滑動，形成滑脫斷層.

新近紀（圖4f），特別是上新世，是準噶爾盆地南緣構造運動最強烈的時期，受喜馬拉雅期末期造山運動的影響，北天山大幅度逆沖隆升.受南部擠壓應力場的影響，邊界斷裂活動劇烈，強烈的構造應力促使基底構造三角楔［2］不斷向前推進，沿著先前形成的逆沖斷層的分支向上逆沖，基底也被抬升，并在構造楔前端發育北傾的反向斷層.該斷層向南逆沖，導致上盤地層進一步彎曲，在構造楔前端形成第一排膝折帶，進而于第一個構造楔下發育第二個構造楔，形成疊加型構造楔，呈“羊蹄狀”延伸.隨其向北持續逆沖，白堊系中發育的滑脫斷層繼續順層滑動.第二個構造楔底部的基底逆沖推覆斷層沿三疊系向盆地傳播，引發盆地褶皺變形，使吐谷魯背斜褶皺更加明顯.

強烈的推擠使第一排背斜（齊古背斜）幅度加強，形態不斷緊閉.為了調節擠壓過程中遇到的反沖阻力，反向逆沖斷層在褶皺內部大量發育，吸收了大量的擠壓活動量，表皮構造的完整性被破壞，表現為明顯的擠壓推覆特征.此時期深部的基底卷入式斷層的分支斷層，在白堊系吐谷魯群中發生長距離滑脫沖斷，基底逆沖推覆斷層在向前傳播過程中，為了調節擠壓過程中遇到的反沖阻力，反向逆沖斷層不斷發育，第二排褶皺（吐谷魯背斜）明顯隆升，核部被基底逆沖推覆斷層發育的分支斷層所切割改造.

到了更新世至全新世，再生前陸盆地強烈發育，由于巨大的擠壓應力影響，天山快速隆升，石炭系山體進一步向北擴展.受強烈的前陸沖斷推覆和地殼抬升剝蝕的影響，南緣地區的第一排背斜（齊古背斜）變形強烈，地層縮短幅度增大，地層變陡，發生掀斜，反沖斷層發育改造了第一排背斜.在白堊系吐谷魯群中發育的滑脫沖斷層繼續向前滑動，形成斷層轉折褶皺，在第二排褶皺（吐谷魯背斜）頂部發育反沖斷層.基底卷入式逆沖斷層（霍-瑪-吐逆沖斷層）產狀在強烈的擠推作用下切過第二個構造楔，與古近系安集海河組內發育的滑脫斷層交匯在一起，沿著第二排背斜頂部向盆地延伸沖出地表.斷層切過的第二個構造楔被分為兩半，其上半部分沿斷層向北逆沖抬升.強烈的擠推作用使滑脫斷層在剖面上呈明顯的弧形，剖面上與基底逆沖推覆斷層構成3 層明顯的斷層組合，表現出雙重構造樣式，改造著三疊紀以來的地層.構造三角楔的形態在新近系沉積時期的基礎上變得更加陡傾，地層發生的掀斜也更加明顯.

3.3 構造物理模擬

為明確南緣中段典型構造成因機理，并驗證構造演化過程，針對研究區進行構造物理模擬實驗.影響地質構造變形的主要因素有巖石成分、結構和構造，巖石溶液或水分含量、施力速度和施力方向，巖層厚度等［33］.因此，需要根據實驗構造變形條件和研究區巖石力學性質，選擇最為相似的實驗材料和最為接近的實驗條件.在自然重力場中，松散石英砂的內摩擦角約為37°，其抗張強度接近于0，比較符合地殼淺層巖石的變形性質，適用于模擬如礫巖、灰巖、砂巖等淺層巖石［34-35］；而硅膠的內摩擦角約為25°，適用于模擬強度較小的非能干巖層，如泥巖層、煤層等滑脫層［36］.為了便于觀察擠壓變形過程，本次實驗采用力學性質完全一致的白、淺藍兩種顏色，粒徑為0.2～0.6 mm 的松散石英砂模擬北天山前帶的巖層，使用深藍色硅膠模擬滑脫層.

脆性的莫爾-庫侖材料，如干燥石英砂和玻璃微珠，其變形與應變率無關，因此變形速率不需要嚴格成比例［37］.在實驗中采用較為中等的擠壓變形速率（0.015 mm/s），幾何相似比為5×10-6，即1 mm 代表200 m.通過計算得出韌性層擠壓速率為2.5×10-6m/s，即0.0025 mm/s.依據實際地質情況，物理模擬實驗用不同顏色的干燥石英砂（內部摩擦力小、流動性中等）模擬沉積巖層，小玻璃珠（內部摩擦力大、流動性較強）或硅膠（內部摩擦力極小、流動性極強）模擬塑性巖層［33，35，38］.

由于準噶爾盆地南緣中段主要受北天山的影響，應力方向相對單一，采用平直的擠壓面.實驗中分別在模型底部及中部設置兩套硅膠層模擬滑脫層.實驗沙箱規格為50 cm（長）×25 cm（寬）×30 cm（高）.一端用固定擋板，另外一端擋板可以活動.實驗中使用計算機精確控制其移動速率，使用單向擠壓壓力模擬自然界中地層單向擠壓的現象.兩側為厚玻璃板進行封閉，便于照相機拍照記錄.

此次實驗按照實際地質現象進行比例化模擬，地層厚度設置為6 cm，擠壓距離設置為14 cm.實驗材料選用白色石英砂作為地層，用淺藍色石英砂作為地層分界，深藍色硅膠模擬滑脫層，平均地層厚度為1 cm（圖5a）.實驗過程采用單側擠壓，移動端（左端）以特定的速率向右推進，模擬自然界中的構造擠壓，擠壓速率設置為0.0025 mm/s，過程中不考慮沉積與剝蝕.在擠壓2 cm 時（圖5b）出現第一條斷層F1；在擠壓6 cm 時（圖5c），第二條斷層F2 出現，并沿中部的滑脫層向前傳播，F2 整體呈底部逆沖、中部滑脫、上部逆沖的構造特征；在擠壓10 cm 時（圖5d），斷層F3形成，此時第二排構造基本形成，并在斷層F1 上盤發育反沖斷層F5；在擠壓12 cm 時（圖5e），斷層F4 沿底部滑脫層向前傳播，并向上沖出地表，F4 上盤地層彎曲.

圖5 準噶爾盆地南緣中段構造樣式形成過程物理模擬圖Fig.5 Physical simulation of the formation process of structural styles in the central part of southern Junggar Basin

構造物理模擬實驗中的第一、二排構造帶與構造演化剖面中具有較明顯的相似性.隨著地層在擠壓應力作用下逐漸壓縮，F1 斷層上盤發育第一個構造楔，F2 斷層上盤發育第二個構造楔，斷層F2 及F4 分別沿中部及底部塑性滑脫層向前傳播，一定程度上驗證了構造演化剖面的正確性.

4 油氣成藏期次

針對南緣中段齊古油田侏羅系選取了10 塊樣品，吐谷魯油田古近系選取了6 塊樣品分別進行流體包裹體分析.包裹體多位于石英顆粒裂縫和次生加大邊中，包括單個包裹體和群體包裹體兩類.按相態，又可分為單一液相包裹體、氣液兩相包裹體.單個包裹體大小為1～30 μm，形態有似圓形、多邊形、橢圓形、圓形條帶狀、心形、不規則狀等.齊古油田侏羅系獲得3 組包裹體均一溫度峰值數據：70～80 ℃、90～100 ℃、110～120 ℃（圖6a）.通過齊古2 井埋藏史分析（圖7a），共有3 期油氣充注：第一期成藏約為燕山晚期，是來自深部二疊系烴源巖生出的原油［16］，為“古生新儲”型油藏；第二期成藏在喜馬拉雅早期，來自侏羅系煤系烴源巖［16］，就近聚集在侏羅系，為“自生自儲”型油藏；第三期成藏發生在喜馬拉雅晚期，為來自侏羅系煤系烴源巖［16］的高成熟—過成熟天然氣.

圖6 齊古2 井及吐002 井包裹體均一溫度統計直方圖Fig.6 Histograms for the homogenization temperatures of fluid inclusions in QG2 well and T002 well

圖7 齊古2 井及吐002 井埋藏及熱演化史Fig.7 Burial and thermal evolution history of QG2 well and T002 well

吐谷魯油田古近系包裹體均一溫度測試獲得2 組峰值數據：80～90 ℃，100～110 ℃（圖6b）.通過吐002井埋藏史分析（圖7b），存在2 期成藏：第一期成藏在沙灣組沉積期（14 Ma 左右），來自白堊系湖相烴源巖生成的低熟原油及中—下侏羅統煤系地層生成的成熟氣，以油氣混合充注為主；第二期成藏在獨山子組沉積末期（3.7 Ma 左右），來自侏羅系煤系地層高成熟烴源巖的干氣及白堊系湖相烴源巖的成熟原油，故該期成藏以天然氣伴隨有高成熟度原油的混合充注為主.

5 油氣成藏過程

南緣中段的成藏過程是古生新儲和近源自生自儲兩種模式的混合.第一排構造帶（齊古-昌吉構造帶）經歷3 期成藏.白堊系沉積前，二疊系烴源巖生成的油氣沿斷裂運移至侏羅系和三疊系，形成原生構造油藏（圖8a）.燕山晚期，中—下侏羅統煤系地層本身進入生油階段［16］，同時因斷層切至侏羅系導致二疊系生成的油氣繼續向上運移至侏羅系，形成侏羅系古生新儲及自生自儲混合構造油藏（圖8b）.喜馬拉雅早期，受北天山隆升產生的自南向北擠壓應力作用影響，早期斷層持續向上逆沖，與反沖斷層共同構成了上盤背沖斷塊，破壞了早期三疊系及部分侏羅系油氣藏，使其向上運移，同時與斷層下盤侏羅系煤系地層生成的煤型氣匯聚，形成自生自儲與古生新儲混合的混源油氣藏（圖8c）.喜馬拉雅晚期，中—下侏羅統煤系地層熱演化達到高成熟—過成熟階段［39-40］，生成的大量煤型氣向構造高部位運移并成藏（圖8d）.第二排構造帶（霍-瑪-吐斷褶帶）經歷兩期成藏.喜馬拉雅早期（沙灣組沉積時期），在強烈的擠壓應力作用下，第二排斷褶帶初步形成，具備圈閉條件.此時中—下侏羅統煤系地層已進入生氣期，同時下白堊統烴源巖開始生油［16］，在白堊系內形成混源油氣藏（圖8c）.喜馬拉雅晚期（獨山子組沉積末期），中—下侏羅統煤系烴源巖處于高成熟度演化階段，而下白堊統烴源巖則處于生油高峰期，伴隨發育在白堊系及古近系內的滑脫斷層的持續運動及向上錯斷，白堊系圈閉受到破壞，混源油氣沿斷裂運移至古近系成藏（圖8d）.

圖8 準噶爾盆地南緣中段油氣成藏過程圖Fig.8 Hydrocarbon accumulation process of the central part of southern Junggar Basin

總體上南緣中段第一排齊古-昌吉背斜帶油氣成藏期早，并有3 期油氣充注疊加；第二排霍-瑪-吐背斜帶成藏期晚，有2 期油氣充注疊加.油氣主要充注時期也是構造活動的主要時期.

6 結論

1）準噶爾盆地南緣中段主要發育基底卷入型與順層滑脫型兩種斷層的典型構造樣式，其中基底卷入型斷層切割中深層三疊系和白堊系內部的滑脫斷層，并與淺層古近系滑脫斷層呈現較好的對接關系.

2）準噶爾盆地南緣中段主要經歷了3 個階段的構造演化：侏羅紀末期，第一排構造齊古-昌吉褶皺帶初具雛形；古近紀末期，第二排構造霍-瑪-吐褶皺帶開始形成；第四紀褶皺被斷裂強烈改造，第一、二排構造幅度進一步增大，演化成斷褶帶，其中滑脫層對應力向盆內傳遞起關鍵作用.

3）基于流體包裹體均一溫度分析，準噶爾盆地南緣山前第一排齊古-昌吉背斜帶油氣成藏期早，并有3期油氣充注過程；第二排霍-瑪-吐背斜帶成藏期晚，有2 期油氣充注過程.油氣主要充注時期也是構造活動的主要時期.