前陆变形是碰撞构造研究的前沿问题^[1]，前陆冲断带更是盆地重要的油气富集区和勘探热点^[2]。然而山前断裂带地表条件恶劣，地震数据不连续、品质差，油气勘探极其困难。受哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块的双重挤压，准噶尔盆地西北缘造山带前发育有复杂的冲断-走滑叠加系统^[3]。众多学者曾就西北缘冲断或走滑构造单因素对油气的影响进行过研究^[4-5]，但往往忽略了冲断-走滑双构造因素的制约。推覆和走滑断层既能作为有效的运移通道，又能够起遮挡作用而形成圈闭^[6]。随着对相关构造认识的加深和构造分析方法的完善，并在重磁电资料解释中加以运用，造山带冲断-走滑构造被发现并得到重视^[7]，准噶尔西北缘重点勘探区块也向造山带转移。近些年石油勘探发现，准噶尔西北缘断块圈闭数量多、面积大，断裂与地层不整合配套组成了油气运移的良好通道。随着二维地震资料的采集，加深对扎伊尔山前冲断带内冲断-走滑构造机制的认识，研究其性质、形成机理，开展物理模拟，将可为寻找新的勘探目标提供指导。

1.   研究区地质概况

准噶尔盆地位于新疆北部，晚古生代以来，受到西伯利亚板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的共同挤压，形成了三面界山环绕的多构造单元复合叠加盆地^[8-9]。西北缘地处西准噶尔褶皱山系与准噶尔地块之间，北侧紧邻什托洛盖盆地。西准噶尔发育扎伊尔山和哈拉阿拉特山，由于板块俯冲、消减并发生碰撞，扎伊尔山山前出露古生代蛇绿岩、复理岩、火山岩，发育前陆冲断带和压扭性走滑断裂带。根据构造变形和地层发育特征，可进一步划分为超剥带和断褶带^[10]。超剥带位于山前冲断层上盘，地层剥蚀严重，侏罗－白垩系超覆沉积之上；断褶带为山前冲断层集中发育区，地层变形强烈，冲断断裂主要由克百断裂带与乌夏断裂带组成，整体呈现北东向“S”型隐伏逆掩断裂带^[11](见图 1)。同时，在西北缘周缘山区发育巨型的北东向走滑断裂－－达尔布特断裂，其走向呈北东55°－60°，延伸400 km，是距西北缘最近的一条巨型走滑断裂。西北缘走滑断裂被认为受达尔布特走滑断裂影响和控制^[12]，在山前冲断带内派生两类不同的次级断裂。第一类是与达尔布特断裂小角度($ \phi $/2，$ \phi $为内摩擦角)相交的次级断裂^[13]，如：乌兰林格、乌兰林格北断裂、夏红北断裂，多以右行走滑为主；第二类是切过扎伊尔山并与达尔布特断裂呈大角度(90°-$ \phi $/2) 相交的次级断裂，如：大侏罗沟断裂、克81断裂等次级断裂。冲断系统与走滑系统虽然是西北缘不同时期形成的构造体系，但共同影响着盆地构造格局和次级断裂的发育。

图  1  准噶尔盆地西北缘构造背景及断裂分布

Figure  1.  Structural setting and faults distribution of the northwestern margin in Junggar Basin

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2.   构造特征

准噶尔盆地西北缘区域主应力受到两个方向的挤压，即海西期西北向哈萨克斯坦板块挤压和印支期东北向西伯利亚板块挤压^[14](见图 1)。扎伊尔山山前冲断带不仅作垂直走向的挤压运动，还作平行走向的剪切运动^[3]，有别于单独的推覆断层和走滑断层特征，其剖面特征也不仅仅是纯粹的前冲式和花状构造，而是两者的叠加效应。

针对山前复杂地质构造，通过对二维地震数据的处理和精细解释，在扎伊尔山山前超剥带和断褶带发现明显的同相轴不连续和断点痕迹，如二维测线Kb201301(见图 2，平面位置见图 1)。剖面上，把5条低角度断层划分为叠瓦状推覆，断层延伸范围广、长度大，推覆距离在15~20 km，最长为30 km^[3]，多发育在石炭系。挤压推覆构造影响了地层的沉积变化，这种构造-沉积响应在剖面上以前陆盆地的挠曲模式^[15]体现，构造沉降向冲断带方向呈指数增加，最大的沉降中心出现于断褶带内逆冲岩席之下和近端，并向外递减，在盆内斜坡区稳定沉积，同时二叠系佳木河组(P₁j)也有大范围的滑脱和断层牵引现象，说明在海西－印支期确实发生了大规模板块挤压运动，造成这种厚度突变式沉积和地层变化样式，推测在二叠系早期－二叠系佳木河组时期推覆运动明显。另外剖面上解释出诸多高角度断层，主要分布在前冲断层上方和尾部，高角度断层与达尔布特断裂形成了特殊的“花状构造”，这种“花状构造”的派生断层尾端分叉，形成了“从”字状断裂模式。考虑到后期剪切力的改造，从推覆断层曲率最大点派生的高角度断层认为是走滑派生断层，而尾端的高角度断层是后期剪切改造变化而成，这些高角度走滑性质断层在断褶带内切穿二叠、三叠地层，尤其三叠系的“花状”变形强烈，推测在二叠系风城组－三叠系沉积期压扭剪切活动明显。

图  2  准噶尔西北缘Kb201301二维测线地震解释

K₁tg－吐谷鲁群组；J₁b－八道湾组；T₁b－百口泉组；P₂w－下乌尔禾组；P₂x－夏子街组；P₁f－风城组；P₁j－佳木河组；C－石炭系

Figure  2.  Seismic interpretation of the Line Kb201301 in the northwestern margin of Junggar Basin

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3.   构造演化

吴孔友等^[16]根据准噶尔盆地演化动力将准噶尔盆地演化划分成5个阶段：① 碰撞-成盆阶段(早石炭世末期－晚石炭世)；② 压陷-挠曲阶段(石炭世末期－二叠世)；③ 挠曲-坳陷阶段(三叠世)；④ 坳陷-沉降阶段(侏罗世－白垩世)；⑤ 再生前陆盆地阶段(古新世－全新世)。结合以上5个阶段划分，以挤压、剪切力学环境为背景，解析西北缘冲断、走滑演化作用，并绘制二叠系早期到现今阶段构造演化图(见图 3，据Kb201301测线)。

图  3  Kb201301测线构造演化剖面

Figure  3.  The structural evolution section of the Line Kb201301

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石炭系－二叠系佳木河组时期，哈萨克斯坦板块与准-吐板块发生强烈持续的挤压、碰撞，结束了被动大陆边缘发育历史^[17]，早期的碰撞带隆升成山^[18]，并向盆地逆冲，形成了演化图中3条叠瓦式冲断推覆断裂，西准噶尔造山带沿着弧后前陆盆地拆离面由北西向南东推覆，断层上盘受到强烈挤压形成相关断层褶皱，挤压隆起导致进一步抬升，在山前形成前陆盆地，构成了西北缘挤压推覆构造系统。二叠系中晚期，原来的推覆构造发育平移的扭动走滑断裂^[16]，达尔布特走滑断裂影响和控制着西北缘走滑断裂^[12]，在西北缘走滑断裂系统中充当主位移带(PDZ)。二叠系风城组沉积期－二叠系晚期，二叠纪达尔布特断裂发生大规模右行走滑^[19-20]，派生了第一类小角度次级断裂，属于Sylvester简单剪切模式^[21]中的R剪切面；三叠纪－侏罗纪，达尔布特断裂发生大规模左行走滑^{[3, 22]}，派生了第二类大角度次级断裂，属于Sylvester简单剪切模式中的R′剪切面，在演化剖面上派生3条具有高角度性质的走滑断裂，剖面整体表现正花状断层，至此以达尔布特为主断裂面(PDZ)的走滑断裂系统逐渐清晰^[23-25]，整个印支期走滑体系明显发育。同时，从冲断前缘到盆地中心，由于构造-沉积响应引起的地层厚度发生厚－薄－厚的变化，为断褶带的划分提供依据。侏罗系沉积期，前陆冲断带同时遭受较大幅度的削顶和剥蚀，形成三叠系和侏罗系之间的不整合，压扭作用有所减弱，推覆和走滑断层进一步发育，在演化剖面上又发育一条高角度走滑性质断层，并形成了现今扎伊尔山山前的构造形态。白垩系至现今进入平稳沉积。

4.   物理模拟

为进一步研究准噶尔盆地西北缘冲断-走滑构造变形的动力学机制和演化过程，设计出符合西北缘地质和力学背景的物理模拟实验，在实验室中选取特定的机器装置和实验材料，通过定量参数的控制，模拟西北缘冲断-走滑构造演化。

4.1   实验设计

本次实验旨在研究西北缘挤压环境中，冲断和走滑不同构造期次下，地层及断层在剖面和平面上的形成演化和组合特点。实验选用中国石油大学(华东)研制的SG-2000构造模拟装置(见图 4)，不仅可以定量控制挤压和挤压剪切应力场条件(挤压速度和距离、边界条件、厚度、压力)，还可观测在不同参数条件下，各阶段变形形态及演化过程。实验材料主要是直径0.2~0.5 mm的石英砂(标准层是同材质彩砂)、泥和橡皮泥粉，经过筛分的石英砂和泥以5:1的比率均匀混合后表现出的力学性质与天然岩石最为相似^[27](有大约30°的摩擦角)，橡皮泥粉则可以增加材料的塑性，实现软变形。针对西北缘扎伊尔山实际情况，选用混杂橡皮泥的湿砂(15%泥、5%橡皮泥粉、75%石英砂、5%水)充当石炭系，塑性强，易形成褶皱；上覆地层选用无橡皮泥粉的湿砂(16%泥、80%石英砂或彩砂，4%水)，刚性强，易形成断裂。

图  4  SG-2000实验装置示意图

Figure  4.  SG-2000 experimental facility sketch

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4.2   实验过程

借鉴周建勋^[26]的实验设计，选取“单侧基底无收缩单侧挤压剖面”模型完成对前冲断层的模拟。

① 实验准备阶段：砂层总厚度56 mm，各层砂平均厚度都是8 mm，其中第2、4、6层分别是红色、蓝色和粉色标准层，平整铺放在实验槽中(见图 5A-a；表 1-编号1)。

图  5  物理实验模拟平面、剖面断裂照片

Figure  5.  The plane and profile photos of physics experiment

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② 实验第一阶段(挤压-冲断)：右侧马达施力，横向活动端以18 mm/min的速度稳定向右挤压，挤压位移分别是10，20，30，60，80 mm(见图 5B-b，C-c，D-d，E-e，F-f，表 1-编号2－6)，在最左段首先形成褶皱，随着位移的变化，发育低角度推覆断层，断层数量由少变多，断距由短变长，推覆距离由近变远，平面和剖面上出现明显的位移变化，前冲冲断相关褶皱发生滑脱褶皱断层－传播褶皱断层－转换褶皱断层^[27]的模式转变。

表  1  物理实验模拟记录表

Table  1.  Record table of physical experiment

编号	载荷	位移速度	位移变化(与原点距离)	现象
1	-	-	-	石英砂与彩砂平整铺放且分层明显
2	横向：0.5 MPa	横向：18 mm/min	横向挤压：10 mm	平面上有推覆体并形成推覆断层F1；剖面上红蓝层发育滑脱褶皱，粉色层断层f1断距2 mm
	纵向：-	纵向：-	纵向剪切：-
3	横向：0.5MPa	横向：18 mm/min	横向挤压：20 mm	平面推覆距离延伸更长更明显；剖面上滑脱褶皱曲率变大，f1断距增加到5 mm
	纵向：-	纵向：-	纵向剪切：-
4	横向：0.5 MPa	横向：18 mm/min	横向挤压：30 mm	平面上发育第二阶推覆断层F2；剖面上f1断距7 mm，f2断距2 mm
	纵向：-	纵向：-	纵向剪切：-
5	横向：0.5 MPa	横向：18 mm/min	横向挤压：60 mm	平面上发育第三阶推覆断层F3；剖面上f1断距11 mm，f2断距8 mm，f3断距5 mm
	纵向：-	纵向：-	纵向剪切：-
6	横向：0.5 MPa	横向：18 mm/min	横向挤压：80 mm	平面上发育第四阶推覆断层F4；剖面上f1断距11 mm，f2断距8 mm，f3断距5 mm，f4断距16 mm
	纵向：-	纵向：-	纵向剪切：-
7	横向：0.3 MPa	横向：10 mm/min	横向挤压：85 mm	平面上发育与主剪切面呈30°的次级剪切面1条，呈近90°的次级断层两条且延伸较远；剖面上在推覆断层f3曲率最大点派生出高角度断层f′3
	纵向：2.5 MPa	纵向：100 mm/min	纵向剪切：100 mm
8	横向：0.3 MPa	横向：10 mm/min	横向挤压：90 mm	平面上次级剪切裂缝增加；剖面上推覆断层f1、f2曲率最大点派生出高角度断层f′1和f′2
	纵向：2.5 MPa	纵向：100 mm/min	纵向剪切：200 mm
9	横向：0.3 MPa	横向：10 mm/min	横向挤压：95 mm	平面上剪切断层增加，与主剪切面呈90°的剪切面尤其明显；剖面上派生的f′断层切穿上覆推覆断层，呈现独立花状分支
	纵向：2.5 MPa	纵向：100 mm/min	纵向剪切：300 mm

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③ 实验第二阶段(剪切-走滑)：右侧马达施力变小，同时纵向施加一个剪切力，以实现第二期的压扭构造背景。此时横向活动端以10 mm/min的速度再向右挤压，纵向摩擦板以100 mm/min的速度对砂层最左侧施加向内的剪切力，以模拟印支期西伯利亚板块对准噶尔地块的剪切力。摩擦板纵向移动100，200，300 mm(见图 5G-g，H-h，I-i，表 1-编号7－9)，平面上大量发育垂直于剪切面的大角度断裂；剖面中，从推覆断层曲率最大点发育高角度断层。

4.3   实验结果讨论

两期构造物理模拟结果表明，前冲-走滑断裂的演化规律不是纯粹的前冲断裂模式和简单剪切走滑模式的叠加。本文在Suppe^[27]对冲断相关褶皱阶段划分的基础上，同时考虑走滑对模型的剪切作用，将冲断-走滑划分为4个阶段：初始阶段、转换褶皱断层阶段、多阶断层阶段和冲断-剪切阶段(见图 6)。

图  6  冲断-走滑演化模拟阶段概念图

Figure  6.  The concept map of thrust\strike-slip-fault evolution

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图 6反映出了演化过程中地层与断层的关系：初始阶段和转换褶皱断层阶段反映出断层经挤压形成褶皱继而发育逆断层的过程(见图 6a、6b)，与图 5A-a、5B-b、5C-c对应；多阶断层阶段(见图 6c)反映多阶推覆断层叠加发育形成前冲式断裂的过程，与图 5D-d、5E-e、5F-f对应。

冲断-剪切阶段(见图 6d)，属于第二期剪切构造变形阶段，与图 5G-g，5H-h，5I-i对应。平面上发育的剪切面，相当于Sylvester^[21]简单剪切模式中的R′剪切面，这也印证了发育于达尔布特断裂带的大侏罗沟次级走滑断裂和克81次级走滑断裂几何形态关系；剖面中观察到的高角度断层，与主剪切面组成了花状构造的一侧。

图 6所示的冲断-走滑演化阶段符合演化剖面(见图 3)的特征，与地震解释相吻合。剪切断层在平面上组合成“川”字型样式，为油气向盆地造山带运移提供了通道；高角度和低角度断层在剖面上组合成“从”字型样式。这种多断层封闭样式为冲断带内寻找断块圈闭提供了理论依据。

5.   结论

根据地震反射特征，石炭系发育低角度推覆断层，二叠纪早期－二叠系佳木河组沉积期推覆活动强烈；三叠系发育并被高角度断层切穿，三叠纪后剪切活动强，断裂剖面呈现有序的冲断、走滑叠加特征。

扎伊尔山山前冲断-走滑叠加构造演化主要经历了石炭纪晚期－二叠系佳木河组沉积期挤压推覆和二叠纪中晚期－侏罗系沉积期压扭走滑2个阶段。

根据实验结果显示的褶皱、断层变形规律，将冲断-走滑划分为4个阶段：初始阶段、转换褶皱断层阶段、多阶断层阶段和冲断-剪切阶段。

准噶尔盆地西北缘在挤压剪切环境下发育的断裂组合，剖面上呈“从”字型样式，平面上呈“川”字型样式，特殊的断裂样式对西北缘油气成藏提供优势通道和有利的断块圈闭。