准噶尔盆地周缘为褶皱山系所环绕, 形似三角形, 西北缘为扎伊尔山和哈拉阿拉特山, 东北缘为阿尔泰山、青格里底山和克拉美丽山, 南缘为天山山脉的博格达山和依林哈比尔根山。南缘东段系指乌鲁木齐以东的博格达山前区(图 1), 行政区划归阜康市, 又称为阜康断裂带。

图 1

Fig.1

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	图 1 准噶尔盆地南缘东段位置图Fig.1 Location of eastern segment of southern margin, Junggar Basin

博格达山主体由石炭系组成, 未见更老地层出露。山前发育褶皱冲断带, 地表广泛出露二叠系至新近系, 且自博格达山体向准噶尔盆地方向地层由老变新。构造具有多期活动特征, 既有海西晚期— 燕山期断裂的多期活动, 又有喜马拉雅期断裂的强烈改造, 构造格局错综复杂; 由南向北发育3排鼻隆带, 构造形态整体由偏南向东偏北方向抬升, 发育的圈闭类型以背斜、断背斜、断鼻为主, 其中近南北向断裂切割东西向的长轴背斜形成的断背斜和断鼻还存在争议, 争议的焦点在于是否发育近南北向的断裂。

博格达山前地面露头因山口的水流切割, 形成多条地质现象丰富的地质剖面。南缘东段野外露头考察剖面由西向东为水磨沟、三工河、四工河、甘河子沟、白杨沟、二工河和大龙口沟; 博格达山前断褶带叠瓦状组合的逆冲断裂(博格达北断裂、妖魔山和阜康断裂)和山前褶皱形成的背斜、向斜等地质构造均在露头上可观察到。本次地面露头的典型构造和断裂特征的展示主要出自博格达山前的西段即水磨沟、三工河和四工河剖面(图 1)。

博格达山前冲断带发育博格达北断裂、妖魔山断裂和阜康3条规模较大的断裂, 走向为北东向, 在地表均表现为南倾、北冲的高角度逆冲断裂, 断面倾角达70° ~80° 。由于断裂带规模较大, 导致断裂带附近地层破碎严重, 未见明显的断层面, 根据其两盘地层产状的明显不同, 可判断断裂带的位置。在四工河剖面的最南端观察点a处(图1)可观察到博格达北断裂带, 博格达北断裂向南倾斜, 其上盘为二叠系乌拉泊组, 下盘为二叠系井井子沟组(图 2)。两盘地层均向北倾斜, 其中上盘的地层倾角大于下盘。博格达北断裂带在此处宽5~7 m, 断裂带内地层破碎严重, 未见明显地层, 在断裂带内部可观察到断层泥以及断层角砾。在博格达北断裂南侧二叠系乌拉泊组内部可观察到层间揉皱。推断为两侧强硬砂岩层在强烈的挤压作用下沿中间软弱泥页岩层滑动, 导致泥页岩层发生揉皱。

图 2

Fig.2

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	图 2 准噶尔盆地四工河剖面的博格达北断裂Fig.2 Bogda north fault in Sigonghe River section in Junggar Basin

在水磨河剖面最南部观察点b处(图1)向东观察, 可见妖魔山断裂。断裂南倾, 其上盘为二叠系芦草沟组, 下盘为侏罗系八道湾组, 上盘地层倾角大于下盘。由于断裂规模较大, 表现为较宽的断裂破碎带。从观察点b向北依次出露南阜康向斜、南阜康背斜、阜康向斜和阜康背斜等典型构造。

南阜康背斜出露于简易路的南西侧(图 3), 整体呈一不对称的紧闭褶皱形态。其两翼地层较陡, 其中南东翼较北西翼陡。背斜核部可观察到一逆断层, 导致背斜北西翼的头屯河组逆冲到齐古组之上, 其上部的齐古组遭受剥蚀, 形成现今两翼头屯河组与齐古组对峙的现象。断层上盘的头屯河组在靠近断层的位置向上弯曲, 下盘的齐古组在靠近断层处向下弯曲, 表现为典型的牵引构造, 表现为断层转折褶皱的特征。

图 3

Fig.3

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	图 3 准噶尔盆地南阜康背斜远景图Fig.3 Landscape of south Fukang anticline in Junggar Basin

继续向北可观察到阜康向斜(图 4), 其核部为白垩系吐谷鲁群, 地层受到严重剥蚀, 只在核部及南东翼有部分出露, 北西翼地层绝大部分被剥蚀。两翼出露侏罗系喀拉扎组, 其中南东翼地层较陡, 产状为320° ∠60° , 北西翼地层相对较缓, 产状为210° ∠55° 。且由两翼向核部地层逐渐变缓, 倾角由60° 变化为30° 。再向北为阜康背斜, 地表出露南翼和背斜核部, 南翼地层倾角50° ~70° , 核部地层变缓, 为断层转折褶皱特征。

图 4

Fig.4

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	图 4 准噶尔盆地阜康向斜远景图Fig.4 Landscape of Fukang syncline in Junggar Basin

博格达山前的地震资料品质随地下构造变形强度的差异而变化, 阜康背斜、向斜等的褶皱出露区, 地震剖面上的反射波同相轴杂乱且空白反射区较多(图 5), 构造样式及解释方案模式化严重, 仅依靠地震资料难以准确落实地下地质构造。针对博格达山前地震资料品质较差的情况, 重力和电法等非地震手段可以成为建立区域宏观构造和断裂样式的有效补充, 采用与地震资料联合解释的方法可以有较地提高地震资料解释的可靠性。

图 5

Fig.5

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	图 5 准噶尔盆地博格达山前地震剖面(剖面位置见图 1中的FK200902测线)Fig.5 Seismic profile of Bogda piedmont(the location of FK200902 in Fig.1)

图 6是与图 5地震测线近于平行但南部进山长度短于地震测线的建场测深线的深度— 电阻率反演剖面, 剖面结构特征清楚, 断裂特征明显, 结合地面地质构造特征, 由南向北可识别出妖魔山断裂F₂和阜康断裂F₃等规模较大的断裂。妖魔山断裂以南的电性层以高阻为主, 为古生界石炭— 二叠系的反映; 阜康断裂以南电性层电阻率略低, 反映中生界发育区, 深部电阻率较高, 为石炭系; 阜康断裂发育分支断裂且其产状指征滑脱构造特征。再结合对应的地震剖面反射结构分析, 可较准确地建立博格达山前区域构造格架(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 准噶尔盆地博格达山前建场测深L1线深度— 电阻率反演剖面(剖面位置见图 1中L1)Fig.6 Artificial electric field sounding L1 of depth-resistivity inversion section of Bogda piedmont(seeing the L1 location in Fig.1)

博格达山前地面露头上可观察到南倾、北冲的高角度逆冲断裂, 在此动力学机制下会伴生一系列逆冲断裂, 因地面露头的局限性不能全部观察到, 地震资料上有断面波的指征, 断裂的伴生特征和平面组合仍是多解性较强; 同时在钻探目标落实过程中, 针对东西向展布的构造目标, 有2种解释方案:一种认为是轴向为东西向的背斜; 一种认为是受南北向断裂切割的断背斜或断鼻, 争议的焦点是东西向的地震剖面上可观察到断点的特征。明确构造变形机理是该区构造解释方案确立的关键。

采用南京大学南大易派科技有限公司生产全自动构造地质物理模拟实验系统, 选取特定的实验材料, 对博格达山前的断裂形成机理和平面组合特征进行了物理模拟。

为了便于观察挤压变形过程, 本次实验使用力学性质完全一致的白、蓝2种颜色、粒径为0.2~0.6 mm的松散石英砂模拟博格达山前带的岩层, 使用硅胶模拟滑脱层。

为更准确地模拟地震剖面上的断裂形态, 设计了60 cm长的沙箱模型, 图 7显示了实验变形运动学过程。当压缩量为2 cm时东西侧几乎同时发育断层F₁; 当压缩量为5.5 cm时, 西侧首先在F₁的前缘发育断层F₂, 并逐渐延伸至东侧, 随着不断受力挤压, 断距不断持续增大; 当压缩量为10 cm时, 在F₂前缘发育断层F₃; 当压缩量为14.5 cm时, 在断层F₃前方西侧发育断层F₄, 在其向东侧延伸的过程中, 东侧开始发育断层F₅, 断层F₄和F₅分别在各自上盘发育断层传播褶皱, 随挤压距离增大逐渐延伸至表面, 2条断层在平面上相互剪切, 互相限制对方的生长。当压缩量为22.5 cm时, 西侧开始发育断层F₆, 随挤压距离的逐渐增加, 其并未向东侧延伸, 而是与断层F₄和F₅相互交切在一起。越往北推移, 每组断褶带之间的距离也逐渐增大, 各断层上盘依次逆冲抬升, 产状大致相同, 越往北发育断层的产状越缓, 呈叠瓦状展布, 为前展式断层。褶皱构造受断层发育控制, 多为前翼陡、后翼缓的断层传播褶皱, 随深度加大褶皱越来越紧闭。

图 7

Fig.7

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	图 7 挤压变形物理模拟实验结果Fig.7 Results of deforming physical modeling

实验表明, 在单侧挤压应力作用下, 断层的特征主要表现为倾角自下向上由缓变陡, 呈叠瓦状展布, 其中每一条新的逆冲断层发育在先成的逆冲断层的下盘, 背驮着其上的冲断层向前位移, 各逆冲断层依次向逆冲方向扩展, 位置最高的或最后侧的逆冲断层最早发生, 是典型的前展式断层。

物理模拟实验结果的平面特征为断层大致平行展布并向固定挡板一侧突出, 与博格达山前主要的发育平面上平行展布并向北凸出、剖面上呈下陡上缓的叠瓦状分布的逆冲断层特征相符。构造物理模拟实验中, 平面上出现断层相互剪切的现象, 较好地解释了东西向地震测线上的断裂现象, 即为与东西向主断裂相互交切的分支断裂的显示, 是低角度相交的分叉断裂, 而不是与主应力不符的南北向断裂。故断裂类型主要是挤压型逆断裂, 其走向主要为北西西向、北东东向、东西向, 与近南北向的挤压主应力方向大致垂直, 不发育南北向的断裂, 因此不发育南北向断裂切割的断背斜和断鼻等构造。

综合地面露头特征, 由南向北依次可观察到博格达北断裂、妖魔山断裂、南阜康向斜、南阜康背斜、阜康向斜, 编制地面露头地质剖面。对邻近FK200902地震测线的空白区利用野外地质露头测量资料对地震剖面进行逐点标定, 确定地层的产状变化即利用地质戴帽方法进行地层和构造样式的解译, 明确了南阜康向斜、南阜康背斜、阜康向斜构造南北两翼的地层归属, 其中地面露头上南阜康背斜核部发育的北倾逆冲断裂(图 3), 其断点位置投影到地震剖面上, 指导了背斜核部区的F₁'逆冲断裂的解释。

在地面露头地质构造特征、非地震、室内变形物理模拟实验和地震资料的约束下, 根据断层相关褶皱理论, 对全区骨架剖面进行几何学分析, 通过地震资料解释闭合和构造样式识别, 建立了博格达山前的构造解释模型(图 8)。

图 8

Fig.8

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	图 8 准噶尔盆地南缘东段构造解释模型(附FK200902测线地震地质解释剖面)Fig.8 Structural model in eastern segment of southern margin of Junggar Basin(attach Line FK200902 geological interpretation section)

博格达山前构造自南向北共发育博格达北断裂组合、妖魔山断裂组合、阜康断裂组合和甘河子断裂组合4套东西向或近东西向展布的断裂系统, 其中甘河子断裂未出露地表; 构造面貌以断裂系统为界呈3排狭窄的背斜构造和宽缓的向斜构造相间排列展布; 其中博格达北断裂是石炭系和二叠系之间的分界断层, 主要控制上盘石炭系的褶皱构造, 妖魔山断裂是二叠系和侏罗系之间的分界断层, 主要控制上盘二叠系的褶皱构造; 阜康断裂是分隔山前断褶带及山前凹陷带的断裂, 主要控制其上盘中生界的褶皱构造。纵向上可分为2个构造层, 上构造层为阜康断裂上盘, 为逆冲推覆构造, 伴生多级逆冲断裂发育; 下构造层为阜康断裂下盘, 为掩伏背斜带。上构造层构造变形强烈, 保存条件变差, 下构造层未经后期改造, 保存条件好, 且紧邻油源, 有利于成藏, 甘河子油田的台22井油藏就是阜康断裂下盘的背斜成藏。因此结合构造解释模型的建立, 落实逆冲断裂下盘掩伏构造是南缘东段下步油气勘探的重点。

准噶尔盆地南缘东段构造样式为受南北向挤压的多层次逆冲推覆构造, 自南向北共发育博格达北断裂组合、妖魔山断裂组合、阜康断裂组合和甘河子断裂组合4套东西向或近东西向展布的断裂系统。构造面貌以断裂系统为界, 呈3排狭窄的背斜构造和宽缓的向斜构造相间排列展布。纵向上可分为2个构造层, 上构造层为阜康断裂上盘, 为逆冲推覆构造, 伴生多级逆冲断裂发育; 下构造层为阜康断裂下盘, 为掩伏背斜发育带。

借助博格达山前南缘东段的构造解释模型的建立, 提出了以断层相关褶皱理论为指导、多因素约束的综合构造解析与模型建立的方法, 依据其他约束条件可有效地降低地震资料解释的多解性, 适用于地震品质较差、变形强烈地区的构造解释。在生产实践中, 该方法已应用到准噶尔盆地南缘西段、东北缘克拉美丽山前和西北缘等盆缘冲断带的复杂构造解释中, 取得了一定的应用效果。