斷層活動與地層縮短共同確定構造變形期次
——以吐哈盆地大河沿地區為例

構造變形期次對確定構造演化史有著重要的意義，目前確定構造變形期次的方法主要有兩類，一是根據構造特征與構造變形痕跡進行分析，包括宏觀與顯微構造變形標志，以及 40Ar/39Ar法和熱釋光法構造年齡數據等；二是根據動力學特征進行分析，包括通過應變求取主應力方向進行分析，動力成因學分析和區域構造應力分析等[1-5]。這些方法都需要大量的野外地質資料，但受到野外環境影響和人工測繪的不準確出現較大誤差，對分析結果有一定的影響。劉棟梁等學者通過地層縮短分析構造變形期次，地層縮短依賴平衡剖面的結果，繪制平衡剖面受剖面線方向限制，要求選擇的最佳剖面應當平行于最大構造運移方向[6-15]。斷層活動也可以反映構造變形活動，但僅代表該斷層所在位置的構造活動。綜上所述，為了準確分析構造變形，確定構造演化史，筆者提出通過地層縮短與斷層活動共同確定一個地區的構造變形期次。

1 研究區概況

吐哈盆地位于哈薩克斯坦板塊的東南部，處在哈薩克斯坦、西伯利亞和塔里木板塊的拼貼交匯地帶，其演化發展與上述三大板塊的作用息息相關。大河沿地區夾持在北東-南西向展布的喀拉烏成山、托克遜凹陷和近東西向展布的博格達山之間。根據地層沉積和構造特征，將研究區分為兩凸兩凹（圖1），即布爾加凸起、卡拉圖凸起、托克遜凹陷和科牙依凹陷。研究區是吐哈盆地構造最為復雜的地區，受力復雜，斷褶構造極其發育，殘缺地層多，主要發育新近系、古近系、中下侏羅統、中上三疊統、中下二疊統和石炭系地層[17-18]。

2 研究區構造演化特征

制作平衡剖面是了解構造演化的重要手段，同時可以推斷斷層形成時期、地層沉積情況和各時期地層縮短情況等；一條測線的平衡剖面可以反映該測線所在位置構造演化情況，綜合研究區內主要測線的演化剖面，可以分析整個研究區的構造演化史。下文以SN654測線為例進行分析。

三疊系沉積前，上二疊統僅在以南部沉積為主，向北逐漸變薄，此時斷層僅發育于南部，布爾加2號斷層及其兩條伴生斷層形成（圖2）。侏羅系沉積前，斷層幾乎全部形成，托克遜凹陷持續沉積，而布爾加凸起抬升，導致上三疊統剝蝕。古近系沉積前的情況與三疊紀的沉積情況十分相似。古近紀的沉積平穩而均勻，布爾加2號斷層短暫停止活動后，在古近系地層中發生走滑，繼續活動。新近紀到第四紀，構造運動主要集中在北部，桃樹園3號斷層北部活動劇烈，受到強烈的推擠力，形成卡拉圖凸起，新近系與第四系的地層遭受剝蝕。

圖1 大河沿地區構造單元

圖2 大河沿研究區SN654演化剖面

2.1 斷層活動分析

斷層活動分析有生長指數法、古落差法、斷層活動速率法、滑距法和斷層位移-長度關系分析法等?？紤]到研究區位于西部受擠壓應力地區，且剝蝕較為嚴重，故采用古落差法進行統計。

由演化剖面中每期的斷層上下盤古厚度（包括剝蝕厚度）可以得到斷層的古落差，每一時期的古落差即為該時期的斷層活動量，由斷層活動量比時間跨度即為斷層活動速率。由于研究區內全部缺失P1、T1、J3和K地層，將二疊紀到第四紀分為以下五個時間段：P2-T1，T2-3，J-K，E，N-Q。SN654測線主要經過兩條大斷層：布爾加2號斷層與桃樹園3號斷層。

2.1.1 布爾加2號斷層

斷層位于研究區東南部，是布爾加凸起和托克遜凹陷的邊界斷層，北西-北東走向，傾向北東-北西，主斷層延伸長度超過33 km，最大斷距超過2 300 m，傾角大于50°。該斷層南邊還有兩條性質相同的伴生斷層。

該斷層為晚海西期以來多期活動的斷層，形成于二疊紀，一直到新近紀都有活動。斷層在二疊紀開始活動，此時延伸較小，在東部未延伸到 SN654測線的位置，三疊紀活動平穩，到侏羅紀以后活動相對減弱，新近紀活動迅速增強，最大活動量達到900 m，活動速率最大到39.13 m/Ma，且斷層西部比東部活動劇烈（圖3，表1）。

圖3 布爾加2號斷層各期垂向活動量

表1 布爾加2號斷層活動速率 m/Ma

2.1.2 桃樹園3號斷層

斷層位于研究區北部，樹1井鉆遇，是卡拉圖凸起與布爾加凸起的邊界，由東、西兩段斷層共同組成。西部分支為主要部分，延伸長度達34 km，走向北東-南東-北東，傾向北西-北東-北西；東部分支相對較小，延伸9 km，走向南東，傾向北東。最大斷距超過1 300 m，傾角大于60°。

該斷層自印支期以來長期活動，形成于三疊紀，活動穩定且活動量小，平均活動量在100 m左右。斷層東部分支比西部分支活動普遍劇烈，尤其在新近紀斷層活動量達到900 m，活動速率最大達39.13 m/Ma（圖 4，表 2）。

圖4 桃樹園3號斷層各期垂向活動量

表2 桃樹園3號斷層各時期活動速率 m/Ma

斷層活動在一定程度上代表構造活動，結合研究區其余斷層活動情況可以看出，新近紀北部構造變形最為劇烈。從圖3和表1來看，三疊紀，布爾加2號斷層古落差大，活動速率也較大，這是由于布爾加2號斷層是科牙依凹陷與布爾加凸起的邊界，凹陷內接受沉積、凸起上未沉積所導致，所以不能單獨有斷層活動決定變形強弱，實際上三疊紀變形相對較弱。

2.2 斷層縮短率的計算

通過平衡剖面恢復可以得到各演化階段剖面的構造形態和長度。根據剖面的長度數據可計算出各階段的線應變，再根據地層時代得出應變速率數據?？s短率為某時期剖面的縮短量與總縮短量的比值；縮短速率為某時期剖面的縮短量與對應的時間跨度的比值。以大河沿研究區SN654測線為例，具體計算結果如表3。

表3 大河沿研究區SN654測線各時期剖面縮短數據

SN654測線現今剖面長度為45 km，晚二疊紀以來剖面的總縮短量為13 km，總縮短率為22.4%。從計算結果中可以看出，剖面縮短最大且最快的時期主要為新近紀-第四紀，最大縮短率為46%，縮短量為6 km，縮短速率達26.09 cm/ka；其次為中晚三疊世；剖面縮短最小、最慢的時期為古近紀，縮短率僅為4%，縮短量為0.5 km，縮短速率僅為1.19 cm/ka。

結合研究區其他測線的縮短率可以看出，新近紀構造變形最為劇烈，且東西向剖面總縮短率比南北向剖面縮短率小，平均僅為 21.4%，可以看出研究區主應力方向為南北向擠壓應力。

3 斷層活動與地層縮短確定構造演化

總體來說，研究區整體受晚喜山運動的影響最劇烈，即新近紀到第四紀活動最劇烈，其次是三疊紀的印支運動，受擠壓應力相對較弱的時期為侏羅紀-白堊紀和古近紀。

從斷層活動性分析來看，斷層活動最劇烈的時期為新近紀-第四紀。布爾加2號斷層侏羅紀活動也較為劇烈，這是由于布爾加2號斷層是布爾加凸起與托克遜凹陷的邊界斷層，這一時期布爾加凸起繼續抬升，托克遜凹陷繼續接受沉積導致古落差大，而從縮短速率則不能得出侏羅紀斷層活動劇烈。因此，單純考慮斷層活動性不能判斷整個區域的構造變形期次，卻對局部分析很有利。

從地層縮短率可以看出，新近紀-第四紀地層活動最為劇烈，但單從縮短速率考慮無法細致地描述局部活動，不利于后期評價油氣圈閉和確定井位。故兩種手段結合可以取長補短，綜合地描述構造運動。

4 構造變形對凹凸構造格局的影響

研究區的現今構造格局于晚海西期形成雛形，經印支期發展，又經過燕山期與喜山期的局部改造最終定型。

4.1 科牙依凹陷

科牙依凹陷位于研究區西部，晚海西期受南北向擠壓應力的作用形成雛形。北部受科牙依5號和6號斷層共同作用的影響，斷層上盤抬升剝蝕。南部受科牙依4號斷層控制，與布爾加凸起相鄰，其斷層上盤為布爾加凸起，下盤為科牙依的殘存凹陷，殘留了二疊系到古近系相對較全的沉積地層，中晚燕山期地層超缺，構造變形相對平穩。

4.2 托克遜凹陷

托克遜凹陷位于研究區東南部，該凹陷在研究區的部分較小，主要受布爾加2號斷層控制，自海西期形成雛形，自二疊紀開始一直接受沉積，沉積地層較完整。古近紀布爾加2號斷層停止活動，新近紀布爾加2號斷層再次活動，沿古近系地層發生滑脫。

4.3 布爾加凸起

布爾加凸起在研究區占很大面積，桃樹園3號斷層是布爾加凸起的北部邊界，布爾加2號與科牙依4號斷層分別為其東南邊界和西南邊界，且分割托克遜凹陷和科牙依凹陷。該凸起東南與托克遜凹陷斷層接觸，西北向科牙依凹陷斜坡過渡。布爾加凸起一直處于構造高位，大部分地區缺失二疊系和中生界，古近系直接不整合于石炭系之上；僅在晚印支期和早燕山期沉積了中三疊統和下侏羅統，一直到燕山運動末期。隨著布爾加2號與桃樹園3號斷層活動減弱，該凸起在北部沉積了新生界地層；而在凸起西南部，科牙依4號斷層活動一直較強，斷層上盤即布爾加凸起西南部一直隆起剝蝕，最終石炭系出露到地表。

4.4 卡拉圖凸起

卡拉圖凸起位于研究區北部，北鄰博格達山，屬于現今山前帶。該凸起在中二疊世與布爾加凸起復合在一起，晚二疊世又表現為東北方向傾沒的斜坡，這種格局延續到早侏羅世，中侏羅世西山窯組沉積期才抹平，成為臺北凹陷的西延部分，中晚燕山期又成為布爾加凸起的北半部，第三紀與托克遜、臺北凹陷合為一體；晚喜山期伴隨著博格達山的逆沖復活，形成高陡斷褶帶。

5 結論

（1）研究區主要構造變形期次為二疊紀到新近紀。二疊紀開始變形，新近紀構造變形最強，古近紀幾乎無變形。

（2）晚海西運動主要體現了“南弱北強”的特點，科牙依凹陷與托克遜凹陷自二疊紀形成并接受沉積；印支運動繼承了“南弱北強”的特點，布爾加凸起強烈抬升；燕山運動在本區構造變形較弱；晚喜山運動是大河沿研究區最為重要的一次擠壓褶皺作用，卡拉圖凸起形成。

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