Evolution of structural characteristics with multistage stress fields in the Sikeshu Sag, Junggar Basin
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摘要:
准噶尔盆地南缘四棵树凹陷位于北天山山前冲断带西段, 盆地自古生代以来经历了多期、多向的构造运动; 明确研究区构造系统特征及其演化过程, 对此类含油气盆地的油气勘探开发具有重要意义。在前人地质研究的基础上, 结合详细的地震资料解释、地质调查与地层发育特征, 根据研究区构造发育背景, 以四棵树凹陷构造格局的变动和多期应力场为线索, 对四棵树凹陷构造演化过程进行了系统性分析。研究表明, 四棵树凹陷深部发育挤压反转-走滑构造层、浅部发育推覆-滑脱构造层; 平面上根据构造样式发育特征可划分为南部挤压断褶带、中部走滑压扭带、北部隆起带; 凹陷经历了2期强烈的构造隆升期, 对应2期断裂活动高峰期; 构造环境及应力场条件发生了多次转变, 晚石炭世至早中二叠世为弧后裂陷背景下的NNW-SSE向伸展裂陷期、晚二叠世至三叠纪为扎伊尔山造山运动下NNW-SSE向挤压的断坳转换期、晚侏罗世至古近纪为周缘造山带与车排子凸起的共同作用下NNW-SSE向挤压陆内坳陷期、新近纪为北天山强烈的造山活动背景下NS向挤压作用的复活前陆盆地期。通过探讨多期应力场作用下四棵树凹陷的构造演化特征, 进一步深入认识了此类含油气盆地整体构造格局的变动过程, 也为研究区油气资源下一步勘探提供了新思路。
Abstract:Objective The Sikeshu Sag of the southern Junggar Basin is tectonically located in the western thrust belt of the North Tianshan Mountains. The basin has undergone multiple stages and multidirectional tectonic movements since the Palaeozoic. Clarifying the structural characteristics and evolutionary process of the structural system in the study area is critical for petroleum exploration and development in such petroliferous basins.
Methods Utilizing the seismic data interpretation and the outcrop geological investigation of the Sikeshu Sag, spatial-temporal variations in the structural patterns and stress fields were revealed, and a tectonic evolution model was established.
Results This study indicates that the compressional inversion and strike-slip structures were widely developed in the deep-buried layers of the Sikeshu Sag, but the thrust and decollement structures were more prevail in the shallow layers of the Sikeshu Sag. According to the structural style, the Sikeshu Sag can be divided into the southern compressional fault-fold belt, central strike-slip compressive-torsional belt, and northern uplift belt. The Sikeshu Sag experienced two periods of strong tectonic uplift, corresponding to the peak period of two stages of fault activity. The tectonic environment and stress field conditions underwent multiple changes: the NNW-SSE extension driven by the back-arc rifting during the late Carboniferous to early-middle Permian, the rift-depression transition triggered by the NNW-SSE extrusion of the Zaire orogenic movement during the late Permian to Triassic, the regional depression induced by the NNW-SSE extrusion of the peripheral orogenic belt and Chepaizi uplift during the late Jurassic to Palaeogene, and the reactivation of foreland caused by NS extrusion of North Tianshan Mountains during the Neogene.
Conclusion This study explores the tectonic evolution of the Sikeshu Sag under multiphase stress fields, which favors the better understanding of the overall tectonic pattern changes in similar petroliferous basins and provides new insights for the next steps of petroleum exploration in the study area.
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Key words:
- southern Junggar Basin /
- Sikeshu Sag /
- foreland thrust belt /
- structural pattern /
- structural evolution /
- stress field
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准噶尔盆地是中国西部重要含油气盆地，构造演化复杂，其南缘是研究中亚造山带、洋陆转换和盆山演化的重要地区，也是我国石油勘探最早的地区之一。准噶尔盆地南缘最大地层沉积厚度达15 km，发育二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和古近系5套烃源岩，具备良好的成藏条件，油气勘探潜力巨大。四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘山前冲断带，是造山带向前陆方向大规模逆冲推覆作用下形成的冲断构造系统。多年的油气勘探历程表明四棵树凹陷具有优越的石油地质条件和巨大的油气资源潜力，该凹陷自1937年发现了独山子、西湖、卡因迪克、高泉四大含油气构造，2000年发现了卡因迪克古近系和侏罗系油藏以来，2008年勘探转向下部成藏组合，至2019年高泉背斜GT1井下组合取得了重大油气勘探突破，成为准南前陆冲断带大型油气富集区勘探里程碑式发现[1-3]。
多年来，四棵树凹陷的油气地质条件和构造发育特征一直备受关注，研究工作多集中在该凹陷的构造样式特征方面，而对盆地多期次的应力场条件及其演化模式尚未形成统一的认识。关于其构造单元分布特征，已有诸多学者取得了显著成果，如：孟元库等[4]、杨迪生等[5]、漆家福等[6]、朱明[7]、庄新明[2]；关于其平面构造体系目前有五大构造体系[4]、北部隆起带-中央断褶带-南部斜坡带三元结构[5]等观点；此外在垂向构造发育特征的研究方面，目前有以滑脱断层为界的深部中生代走滑断裂构造和浅部新生代滑脱冲断构造的“两期演化、双层叠置”构造模式[5-7]。近年来，庄新明[2]、朱文等[8]针对研究区中新生代时期的构造演化提出了3个关键构造活跃期的观点，分别为盆山格局转变期、盆山格局稳定期、盆山格局剧变期。然而，关于盆地各阶段构造演化特征的研究相对欠缺，并且对凹陷内构造格局及其演化过程的研究并未涉及构造应力场条件的分析，而构造应力在地壳运动和盆山转换中发挥着重要的动力作用，对构造演化、地层变形和油气运聚等有着重要控制作用[9]。因此，本研究将基于四棵树凹陷最新的二维地震资料对盆地地质结构进行精细解析，同时充分考虑动力学因素，探讨区域构造演化模式与多期应力场条件之间的关系；通过明确古生代以来多期应力场作用的盆地构造变动过程与各阶段盆地性质，为四棵树凹陷的油气勘探提供依据，也对深入认识此类型含油气盆地具有重要意义。
1. 地质概况
四棵树凹陷位于准噶尔盆地西南缘，整体为NWW-SEE向，总面积约6 400 km2，具有前寒武系结晶基底，属于北天山山前冲断带西段的次级构造单元，受北天山造山带与扎伊尔山造山带的共同控制作用，其南以北天山和托斯台断裂为界，北侧为车排子凸起，东侧以红车断裂带为界(图 1a)[10-11]。准噶尔盆地是中亚造山带中部的一个重要构造单元，位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木板块的交汇处，盆地形成于晚石炭世-早二叠世的晚海西运动期，该期构造运动奠定了盆地构造的基本格局[12-13]。中生代准噶尔盆地相对于西伯利亚板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块发生逆时针转动，盆地周缘发育走滑断裂(图 1b)，受准噶尔盆地西北缘右旋压扭体系影响，四棵树凹陷在中生代发育3条NW-SE向走滑断裂——艾卡断裂、高泉断裂和南缘断裂，形成艾卡和高泉2条雁列式背斜构造带[5, 8]。四棵树凹陷及周缘中生界发育较为齐全，除上侏罗统喀拉扎组缺失外，三叠系、侏罗系和白垩系均有发育，与下伏石炭系呈断层或不整合接触。四棵树凹陷中生界-新生界沉积厚度达5~10 km，沉积陆相泥岩、砂岩和砾岩，沉积中心位于凹陷东部。车排子凸起位于四棵树凹陷北部，此区域二叠系-侏罗系遭受剥蚀，白垩系不整合于石炭系之上。晚侏罗世时期车排子凸起抬升，四棵树凹陷北部侏罗系遭受剥蚀，白垩系不整合覆盖其上(图 1d)。四棵树凹陷垂向结构上表现为深、浅双层构造变形模式，浅部白垩系吐谷鲁群泥岩、古近系安集海河组泥岩是区域滑脱层，滑脱层上部发育新生代滑脱冲断构造，深部是中生代走滑构造。平面上自东向西分别发育了独山子背斜、西湖背斜、卡东背斜、卡因迪克背斜等多个构造(图 1c)。各构造主要活跃于三叠纪、侏罗纪-白垩纪与新近纪，主要构造应力来源为南侧的北天山造山带与西北侧的扎伊尔山造山带的挤压作用[14-18]。
图 1 四棵树凹陷区域构造特征a.准噶尔盆地构造单元划分; b.准噶尔盆地周缘断层发育纲要; c.四棵树凹陷侏罗系顶面构造图; d.四棵树凹陷地层综合柱状图Figure 1. Regional tectonic characteristics of Sikeshu Sag2. 构造发育特征
通过四棵树凹陷地震资料的解释分析，明确了凹陷内的断裂发育特征及组合样式，厘清了研究区整体的构造发育规律，为后续构造演化的分析提供了依据。
2.1 垂向构造分层特征
地震资料解释结果显示，四棵树凹陷内断层走向以NW、NNW向为主，倾向以NE向为主，其次为SE向。断裂带内主干断层具有切穿基底、断距大的特点。研究区西南缘盆地边界以发育高角度基底逆冲断层为主，基底持续冲断的同时，山前派生的滑脱断层向盆内延伸，在高泉背斜区域发育了复杂滑脱相关构造，滑脱断层多发育于白垩系与古近系，滑脱前端发育断层相关褶皱，断层可上切至新近系(图 2a, b)。滑脱构造下部石炭系-侏罗系中发育明显的走滑构造特征，多见“Y”字形、多级“Y”字形断层组合样式(图 2b, d)。凹陷北部边缘的逆冲断层多为早期正断层受强烈挤压作用后的继承性活动产物，同一断层向上呈现逆断层特征，而深部仍呈现正断层特征，这种反转构造痕迹指示了盆地先断后坳、再挤压改造的构造演化过程。
根据剖面构造样式，研究区浅部滑脱相关构造与深部走滑特征构造组成了明显的双层构造结构，这种双构造层特征在高探地区尤为明显(图 2c)。上构造层由白垩系-新近系构造层组成，为再生前陆盆地与陆内坳陷时期发育的一系列挤压成因断层相关褶皱、滑脱相关构造及高角度逆冲断层；下构造层由石炭系-侏罗系构造层组成，为伸展裂陷期与断坳转换期形成的断阶式、堑垒式断层组合样式，同时受扎伊尔山的近EW向挤压作用，断层继承性走滑，形成了盆地走滑构造系统的基本格局。其指示了四棵树凹陷是在裂陷盆地的基础上继承发育的[19]，中生代以来，受天山造山带的影响，在SN向构造挤压作用的影响下，深部构造层进一步走滑活动，并上切新生代地层(图 2a)。
2.2 平面构造特征
研究区南部发育多期推覆的复杂构造系统，以冲起断层派生滑脱相关构造组成的复杂断层组合样式为特征，山前冲断带派生的滑脱断层持续向盆地内部延伸发育可形成背驼式构造(图 2c)。车排子凸起的发育对研究区边界构造样式影响巨大，四棵树凹陷北缘基本未发育滑脱及逆冲相关构造，仅可识别出微弱滑脱构造特征，凹陷与车排子凸起过渡区域以发育高角度逆冲叠瓦断层组合与阶梯式断层组合为主，但逆冲断层发育规模与冲起幅度相对小于北天山山前逆冲断层(图 2a, c, d)。从盆地边界向盆地内部逆冲断层与滑脱构造逐渐消失，构造发育转变为以走滑成因的断层组合为特征，多见“Y”字形构造、多级“Y”字形构造、似花状构造等，同时断层走滑错动挤压作用下发育一系列小规模褶皱(图 2d)，例如：研究区中部基底受艾卡断裂带与高泉断裂带2条NWW向走滑断裂控制，“Y”字形构造与花状构造普遍发育。
整体来看，阶梯状断层与堑垒式断层主要发育于凹陷西部、北部边缘地带，滑脱相关的断层主要发育于凹陷南缘，主要为高角度逆冲断层持续活动派生而形成，从凹陷边缘向凹陷中心断层呈断阶式发育的特征。凹陷南缘浅部发育多期推覆构造，至凹陷中心断层发育“Y”字形、多级“Y”字形断层组合，北部发育断阶式断层(图 3b)。结合研究区构造发育与地层变形特征，可将研究区由南向北划分为冲断-滑脱褶皱构造带、走滑压扭构造带、北部隆起构造带(图 4a)。山前断褶带普遍发育大规模基底逆冲断层，断层由石炭系基底向上切穿新生代地层，中生代与新生代普遍发育冲断与滑脱相关构造，如滑脱型断层、背驮式断层等，冲断推覆的过程中发育大规模变形褶皱，如托斯台背斜、独山子背斜、高泉背斜等(图 4b)。右旋走滑压扭带主体位于艾卡断裂带周缘，普遍发育大规模“Y”字形构造或多级“Y”字形构造，新生代地层基本不发育断层，褶皱多为走滑派生断层走滑错动挤压产生，一般规模较小，如卡因迪克背斜(图 4b)[20]。北部隆起带主要为四棵树凹陷与车排子凸起衔接部位，构造发育特征明显受车排子凸起的影响，普遍发育成排的高角度逆冲断层，且该区域普遍缺失中新生代地层。
图 3 四棵树凹陷构造样式分布规律a.垂向分层构造特征；b.平面构造样式分布特征Figure 3. Distribution characteristics of structural styles in the Sikeshu Sag
图 4 四棵树凹陷构造分带特征a.四棵树凹陷构造分带；b.各分带褶皱发育特征Figure 4. Structural zoning characteristics of the Sikeshu Sag3. 多期构造应力场特征
3.1 二叠纪-三叠纪构造应力方向
准噶尔盆地南缘的构造沉积与凝灰岩测年的研究结果揭示了早石炭世以来准噶尔盆地南部发育了一个晚石炭世弧前盆地，并在早二叠世演化为碰撞后裂谷，晚古生代构造-沉积演化可分为3个阶段：早石炭世弧前盆地、晚石炭世弧前裂谷盆地、早二叠世碰撞后裂谷盆地[21-23]。对四棵树凹陷及其周缘石炭系、二叠系地层发育的构造裂缝产状测量统计分析表明，野外二叠系张性节理形成的岩墙走向集中在NWW、NW向(表 1)，其走向指示主压应力方向，垂直于岩墙的走向为伸展方向，这一研究结果与肖芳锋等[24]、陈发景等[25]、吴林等[26]的研究成果具有一致性。徐盛林等[27]测得西准噶尔盆地南部二叠系岩墙的U-Pb年龄为290 Ma左右，李辛子等[28]测得克拉玛依岩墙群全岩K-Ar年龄主要在271.5~241.3 Ma之间，齐进英[29]确定了包古图岩墙全岩Rb-Sr等时线年龄为255.52 Ma，证实了岩墙发育时期为二叠纪-早三叠世，表明研究区在此时期经历了一期NNE-SSW向的伸展裂陷活动。
表 1 二叠系岩墙走向与共轭缝指示应力方向Table 1. Strike of the Permian dyke and the stress direction indicated by conjugate joints二叠系岩墙走向/(°) 数量/条 C-P共轭缝应力方向/(°) 数量/组 J-K共轭缝应力方向/(°) 数量/组 E-N共轭缝应力方向/(°) 数量/组 [0, 15) 0 [0, 15) 0 [0, 15) 21 [0, 15) 11 [15, 30) 0 [15, 30) 0 [15, 30) 13 [15, 30) 15 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 8 [60, 75) 0 [60, 75) 0 [60, 75) 4 [60, 75) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [90, 105) 0 [90, 105) 10 [90, 105) 2 [90, 105) 0 [105, 120) 12 [105, 120) 20 [105, 120) 0 [105, 120) 0 [120, 135) 5 [120, 135) 0 [120, 135) 0 [120, 135) 0 [135, 150) 3 [135, 150) 16 [135, 150) 0 [135, 150) 5 [150, 165) 0 [150, 165) 0 [150, 165) 6 [150, 165) 0 [165, 180] 0 [165, 180] 4 [165, 180] 12 [165, 180] 24 石炭系地质露头显示发育3期裂缝特征，共轭裂缝指示了3个挤压主应力方向，分别为NNW-SEE、NS与垂直方向(图 5)。晚二叠世-三叠纪时期，准噶尔西北缘发生强烈的挠曲挤压活动，NW-SE向的构造挤压形成了准噶尔西北缘的扎伊尔造山带[12]，二叠系与石炭系发育的共轭裂缝也指示NW-SE向的构造挤压特征(图 6a)，表明研究区构造环境存在一次转变过程，指示盆地由NNE-SSW向的裂陷转变为NW-SE向的构造挤压。野外所见的裂缝几乎均被充填，石炭系地层发育的大型充填矿物脉体也指示研究区曾经历NNW-SEE向伸展作用，是对研究区晚石炭世-早二叠世伸展裂陷的响应(图 5e)。
图 5 四棵树凹陷地质露头构造缝发育特征a.四棵树凹陷南部地质特征；b.石炭系多期缝切割关系；c.三叠系多期共轭缝发育特征；d.石炭系共轭缝指示最大主应力方向；e.石炭系张性缝与剪切缝的限制关系; f.A—A′剖面特征Figure 5. Structural characteristics on outcrops of Sikeshu Sag
图 6 四棵树凹陷各层系地层共轭剪切缝走向Figure 6. Strikes of conjugate fractures in each layer of Sikeshu Sag3.2 侏罗纪-白垩纪构造应力方向
区域地质构造与沉积特征显示研究区下侏罗统沉积时期，地层发生了明显的沉降作用[30]，沉降时期可能导致了二叠系发育了一期垂向的共轭剪切缝，此期裂缝显然对其他期次的裂缝具有限制作用(图 5c)。对二叠系-侏罗系地层中发育的区域性共轭剪切缝的统计结果表明，侏罗纪末期-早白垩世时期最大主应力方向为近SN向(图 6，表 2)。野外地质露头显示侏罗系中褶皱非常发育(图 5a)，而在上覆地层中不具备类似的构造变形特征，肖芳锋等[24]依据侏罗系野外褶皱的两翼产状数据求得2个最大主力方向分别为33°和353.7°。准噶尔盆地南部上侏罗统的缺失指示了北天山在此时期隆起或接受剥蚀，四棵树凹陷高泉构造中清水河储层裂缝充填的方解石原位U-Pb测年结果显示年龄分别为(122.1±6.4)，(14.4±1.0)~(14.2±0.3) Ma[31-32]，证实了研究区晚侏罗世-早白垩世构造挤压运动的存在。综上所述，四棵树凹陷晚侏罗世-白垩纪最大主应力方向为近SN向，这与二叠系中张性缝所限制的共轭剪切缝指示的最大主应力方向具有明显的一致性。
表 2 四棵树凹陷南缘断层产状数据Table 2. Fault occurrence data for the south margin of the Sikeshu Sag断层倾向/(°) 数量/条 断层倾角/(°) 数量/条 [0, 30) 15 [0, 15) 49 [30, 60) 21 [15, 30) 28 [60, 90) 6 [30, 45) 19 [90, 120) 4 [45, 60) 14 [120, 150) 7 [60, 75) 7 [150, 180) 12 [75, 90] 6 [180, 210) 16 [210, 240) 26 [240, 270) 5 [270, 300) 2 [300, 330) 5 [330, 360] 4 3.3 新生代构造应力方向
方解石原位U-Pb测年结果[31]显示早白垩世以来的主要构造活跃期分别为早白垩世晚期与中新世，古近纪四棵树凹陷区域构造相对稳定，未发生较强的构造运动。因此新近纪以来才是天山造山带隆升的关键时期，尤其是在渐新世以来，在欧亚板块与印度板块陆陆碰撞的远场水平应力所形成的强大挤压作用下，天山构造区域重新活跃，造山带快速隆升[32-35]。其中10 Ma左右是北天山快速隆升时期，导致北天山山前冲断带快速向盆地内冲断，在盆地南缘形成了多排褶皱与断裂带。四棵树凹陷南缘山前的高角度逆冲断层产状呈现2个优势倾向，分别为NNE、SSW向，表明该区域断层是在NNE-SSW向的强构造挤压作用下发育的(表 2)。结合研究区周缘新生代地层共轭剪切缝的发育特征(图 6c)和天山周缘板块运动特征的研究[24, 35]以及研究区应力场分析的结果(图 7)，认为研究区新生代构造应力场主要受北天山造山运动的影响，最大主应力方向为近SN向，平均最大主应力方向为7°(NNE-SSW)。这表明研究区的断裂体系中，大部分逆断层均为新生代喜马拉雅构造运动下形成的。局部构造应力方向受断层、褶皱构造发育的影响发生一定偏转[36-38]，尤其是艾卡断裂带周边，由于断层走滑的原因，应力方向偏转为NEE-SWW方向(图 7b)。
图 7 四棵树凹陷周缘新生代板块运动及应力场a.北天山构造带板块运动矢量图；b.四棵树凹陷内各区域应力场特征Figure 7. Cenozoic plate movement and stress field around the Sikeshu Sag综上所述，四棵树凹陷多期最大主应力方向的转变过程为：二叠纪-早三叠世研究区处于NNE-SSW向的伸展环境中，晚二叠世-三叠纪构造环境开始转变，受扎伊尔山NW-SE向推覆作用影响，研究区构造环境由NNE-SSW向的伸展转变为NNE-SSW向的挤压，侏罗纪末期-早白垩世的最大主应力方位持续为近SN向，新生代研究区构造应力场主要受北天山造山运动的控制，最大主应力方向为近SN向，局部构造应力场受断层、褶皱构造发育的影响，应力场发生一定程度的偏转，艾卡断裂带周缘应力方向偏转为NEE-SWW向。
4. 四棵树凹陷构造演化过程
四棵树凹陷的形成开始于印支运动时期(晚三叠世)，在喜马拉雅运动时期(新生代)基本定型，四棵树凹陷周缘地区野外出露的M型花岗岩向Ⅰ型花岗岩过渡的特征，指示了活动大陆边缘的构造环境[39-40]，说明四棵树凹陷在晚古生代经历了由石炭纪残留洋-岛弧环境向二叠纪活动大陆边缘转变的过程。杨光华等[41]对四棵树凹陷山前石英闪长岩、二长花岗岩和钾长花岗岩进行了较为系统的锆石U-Pb测年，得出其加权平均年龄分别为(324.1±4.3)，(314.9±4.1)，(311.5±3.9)Ma，普遍出露的石炭系、二叠系花岗岩进一步验证了研究区古生代裂陷盆地基底。为了更全面地反映四棵树凹陷构造格局演化的整个过程，本次研究选取了2条典型地震剖面进行平衡剖面构造演化恢复，对盆地构造格局的形成、构造演化过程进行了系统性分析。
4.1 构造恢复分析
SC1井-GT1井测线位于研究区中部(图 1c)，走向为NNW-SSE向，贯穿凹陷南北，根据构造恢复的平衡剖面可见(图 8a)：二叠纪-三叠纪，盆地基底仍以断陷活动为主，多发育正断层。上侏罗统沉积缺失，下侏罗统沉积时期，盆地内构造明显发育挤压构造痕迹，白垩系沉积在全盆地分布不均，具有“南薄北厚、西薄东厚”的特征，表明在晚侏罗世-白垩纪盆地受燕山运动影响，在天山造山带构造活动作用下经历了一期强烈的挤压隆升作用，上侏罗统沉积被剥蚀或未沉积。同时，挤压作用下逆断层开始普遍发育，早期正断层发生构造反转，先存断裂开始发育走滑改造作用，形成走滑构造体系雏形，平衡剖面显示该时期盆地在挤压作用下整体收缩。古近系沉积时期盆地西北部发生明显抬升，使古近系沉积范围有限，但相较于白垩系沉积范围有所扩张，指示了白垩系沉积末期至古近系沉积初期，研究区经历了一段稳定的沉降时期，断层在原有的基础上仅继承性活动。古近系沉积后期，受喜马拉雅运动的影响，沉积范围开始收缩，尤其至新近系沉积时期，在喜马拉雅运动晚期的强烈南北向构造挤压作用下，山前冲断带高角度基底逆冲断裂进一步发育，在浅部地层发育滑脱断层相关褶皱，盆地深部NW-SE向先存断裂带将会发生大规模走滑活动。
图 8 四棵树凹陷构造演化剖面(剖面位置见图 1c, 下同)a.GT1-SC1井构造演化剖面；b.G1-GT1井构造演化剖面Figure 8. Structural evolution profiles of the Sikeshu SagG1井-GT1井测线位于研究区南部(图 1c)，走向为NWW-SEE向，贯穿凹陷东西，主要位于冲断-滑脱褶皱构造带上，根据构造恢复的平衡剖面可见(图 8b)：二叠系、三叠系、下侏罗统沉积时期，盆地南缘基本不发育逆断层构造，指示了此时期北天山山前的构造环境仍旧以伸展裂陷或相对较弱的坳陷为主。白垩系沉积时期，山前高角度基底逆冲断层开始发育，指示了研究区此时开始经历构造抬升，同时地层接受剥蚀，上侏罗统的缺失也在一定程度上说明晚侏罗世-早白垩世沉积盆地经历了一期明显的构造抬升事件，在挤压作用下先存断层发生构造反转，盆地在挤压作用下整体收缩。古近系沉积时期，山前基底逆冲断层进一步发育，盆地西北部基底抬升更加明显，顶部地层被剥蚀，与此同时滑脱相关构造开始向盆地内部延伸发育。新近系沙湾组沉积时期是盆地浅层逆冲推覆构造发育的关键时期，浅部断层开始普遍发育，在山前普遍可见复杂的滑脱断层相关褶皱。中新统塔西河组-上新统沉积时期，在强烈的构造挤压作用下，盆地南部山前浅部滑脱层构造开始进一步复杂化，发育反向逆冲断层。
2条测线剖面地层压缩变形特征具有相似的特点，地层压缩量显示中侏罗统沉积前盆地一直处于伸展扩张阶段，中侏罗统沉积后期盆地开始进入整体的挤压收缩阶段。地层压缩速率显示，下侏罗统沉积时期，盆地仍处于明显的快速伸展扩张的状态，中侏罗统头屯河组沉积伸展扩张特征开始减弱，上侏罗统的沉积缺失指示了中侏罗统沉积末期盆地开始进入挤压收缩阶段，此期挤压隆升在中上侏罗统沉积时期达到顶峰，此后挤压作用开始减弱，至古近系沉积时期盆地处于相对稳定的弱抬升时期。23 Ma开始，盆地的挤压隆升速率开始急剧提升，并在16 Ma左右沙湾组沉积时期挤压隆升速率达到顶峰，此时期对应北天山构造隆升的关键时间(图 9)。
图 9 四棵树凹陷各沉积时期地层压缩特征Figure 9. Stratum compression characteristics of different periods in the Sikeshu Sag综上所述，盆地内断裂整体上存在2个活动高峰期，分别为晚二叠世-三叠纪与渐新世-上新世。构造发育具有一定的序次特征，晚二叠世-三叠纪为深层断裂形成期，活动时间较长，早期伸展形成的断裂体系受后期挤压构造作用改造，发生构造反转或走滑活动，断裂活动强度为西北强、南缘弱，由盆地西北边缘向盆地内部呈现断裂活动强度逐渐降低的规律，断层在空间上呈阶梯状向盆地内部延伸分布。渐新世-上新世为浅层断裂形成期，先存断裂继承性发育，断裂活动主要受控于天山造山带的造山运动，断裂活动表现为南强北弱的特征，南部表现为强烈的逆冲推覆，中部、北部表现为走滑压扭，同时深部断裂在此阶段继承性活动。
4.2 地层展布特征
根据研究区12口井地层钻探数据，构建了连井地层格架，进而表征各区域沉积地层展布特征，可反映凹陷内各时期、各区域构造活动的差异性(图 10)。结果显示，二叠系-三叠系沉积时期，盆地北部已抬升，局部二叠系-三叠系缺失，沉积盆地范围有限(图 10a)。至下侏罗统沉积时期，盆地有所扩张，侏罗纪晚期盆地剧烈抬升，并导致研究区普遍缺失上侏罗统。侏罗纪晚期的构造抬升运动导致了白垩系沉积时期盆地大面积收缩，沉积盆地此时面积达到最小，GT1井白垩系的缺失也印证了晚侏罗世时期强烈的挤压抬升构造运动导致盆地西南部、北部发生明显抬升(图 10b)。古近系沉积时期盆地抬升结束，沉积盆地面积开始有所扩张。
图 10 四棵树凹陷地层格架(a, b)及盆地剖面演化特征(c)a.研究区北部地层格架；b.研究区南部地层格架；c.盆地剖面演化特征Figure 10. Stratigraphic framework(a, b) and basin profile evolution characteristics(c) of the Sikeshu Sag根据构造演化的平衡剖面分析、地层压缩变形特征与沉积地层格架研究表明，研究区存在4个关键的构造变动期，分别对应石炭系与二叠系沉积时期、三叠系与中侏罗统沉积时期、白垩系沉积时期、古近系与新近系沉积时期。石炭系与二叠系沉积时期对应盆地伸展裂陷；三叠系与中侏罗统沉积时期对应研究区开始由裂陷盆地向坳陷盆地转换，同时晚侏罗世发生了一期明显的构造挤压抬升运动；白垩系沉积时期构造挤压抬升结束，进入稳定的陆内坳陷盆地时期；古近系与新近系沉积时期盆地开始由稳定的陆内坳陷向陆内前陆盆地转换(图 10c)。
4.3 构造演化阶段与动力学机制
根据研究区周缘造山带的活动、构造演化特征、沉积地层格架及盆地内构造发育的序次特征，结合多期次的构造挤压特征认为，四棵树凹陷晚石炭世至早中二叠世(323~260 Ma) 经历NNE-SSW向伸展裂陷；晚二叠世至三叠纪(260~201 Ma)经历NW-SE向挤压坳陷；侏罗纪至古近纪(201~23 Ma)经历SN向挤压隆升；新近纪以来(23~2.6 Ma)经历SN向挤压逆冲推覆。其中，晚三叠世结束后，北天山早期碰撞造山作用结束，进入后碰撞伸展阶段，由于受造山带产生的构造载荷作用，四棵树地区开始沉降，导致早侏罗世凹陷处于SN向的弱伸展作用。晚侏罗世以来的构造挤压活动的动力来源均为北天山的造山活动，四棵树凹陷开始进入近SN向的挤压构造应力场，先存正断层开始大量反转，同时逆冲与滑脱构造开始普遍发育[42]。
因此，可将四棵树凹陷的构造演化划分为4个阶段：晚石炭世-早二叠世伸展裂陷阶段；晚二叠世-三叠纪近EW向挤压断坳转换阶段；侏罗纪-古近纪陆内坳陷阶段；新近纪近SN向挤压复活前陆盆地阶段(图 11)。①晚石炭世-早二叠世为伸展裂陷阶段，石炭纪北天山边缘海(准噶尔盆地)持续张裂，在依林黑比尔根山形成火山弧，表现为压性沟弧系，晚石炭世时北天山洋开始封闭，二叠纪早期盆地进入压性构造体系中的残留海盆地，同时转变为伸展构造体系[10, 12, 20]。在NNE-SSW向伸展裂陷作用下，发育EW向和NWW-SEE向断层，产生垒堑和断阶式断层。②晚二叠世-三叠纪为断坳转换阶段，此阶段凹陷进入陆内盆地阶段，此过程中断裂带主要受到逆冲挤压作用，北部地层开始抬升，并发育角度较高的逆冲断层。同时受到扎伊尔山造山运动的影响，在NW-SE向挤压作用下，研究区进入断坳期，局部开始构造反转，西北部逆冲断层逐渐向盆地内部推覆。③侏罗纪-古近纪为陆内坳陷阶段，晚侏罗世以来北天山造山带开始活跃，在SN向挤压作用下，凹陷进入陆内坳陷阶段。同时期，准噶尔盆地相对于西伯利亚板块、塔里木地块和哈萨克斯坦地块的逆时针转动，盆地受挤压推覆兼走滑作用的改造作用，形成了凹陷内挤压构造带雏形，同时盆地周缘断裂带发生强烈的走滑构造活动[43]。白垩系沉积时期，地层挤压抬升相对强烈，凹陷中新生代断裂相对较少，大部分断裂停止活动，仅凹陷南缘山前部分断层穿切白垩系顶面继续发育。古近系沉积时期，构造活动强度减弱，此时期研究区构造格局变动不大。④新近纪为近SN向挤压复活前陆盆地阶段，在天山造山带强烈的SN向挤压冲断作用下，凹陷进入前陆盆地阶段，西南缘及南缘多期弧形逆冲推覆构造发育，西部和南部地层快速抬升，产生多排逆冲推覆褶皱，山前猛烈挤压产生强制冲起背斜。同时深部构造由于受到北天山与车排子凸起的对冲挤压过程中产生的剪切力作用，发育明显的近EW向走滑构造，同时派生诸多小断层。在前期多期构造运动的基础上，此阶段构造活动奠定区域内的基本构造特征，形成了研究区垂向上构造分层与平面上构造分带的格局。
图 11 四棵树凹陷各阶段构造演化三维模式Figure 11. Three-dimensional model of tectonic evolution in different stages of the Sikeshu sag5. 结论
(1) 四棵树凹陷可分为上下2套构造层，上构造层为白垩系-新近系，发育断层相关褶皱、滑脱相关构造及高角度逆冲断层；下构造层为石炭系-侏罗系，发育断阶式、堑垒式断层组合样式，深部断层呈现走滑构造特征。
(2) 山前断褶带以大规模基底逆冲断层为特征，中生代与新生代地层普遍发育冲断与滑脱构造。右旋走滑压扭带以走滑构造为特征，新生代地层基本不发育断层，断层走滑错动挤压产生小规模褶皱。北部隆起带的构造发育受车排子凸起的影响，以高角度逆冲断层为特征，且该区域普遍缺失中新生代地层。
(3) 四棵树凹陷晚石炭世-中二叠世为NNE-SSW向的伸展环境，至晚二叠世-三叠纪时期受扎伊尔山NW-SE向推覆作用影响，构造环境由NNE-SSW向的伸展转变为NNE-SSW的挤压，侏罗纪末期-早白垩世时期最大主应力方位为近SN向的弱挤压状态，新生代研究区构造应力场受北天山造山运动的控制，表现为强烈的近SN向挤压。
(4) 研究区经历了中晚侏罗世与中新世2期剧烈的构造隆升期，对应盆地内断裂上二叠统-三叠系深层断裂体系的形成与渐新统-上新统浅层断裂体系的形成。四棵树凹陷构造演化可分为4个阶段：晚石炭世-早二叠世的伸展裂陷阶段、晚二叠世-三叠纪为断坳转换阶段、晚侏罗世-古近纪的陆内坳陷阶段，以及新近纪以来的前陆盆地阶段。
所有作者声明不存在利益冲突。 -
图 1 四棵树凹陷区域构造特征
a.准噶尔盆地构造单元划分; b.准噶尔盆地周缘断层发育纲要; c.四棵树凹陷侏罗系顶面构造图; d.四棵树凹陷地层综合柱状图
Figure 1. Regional tectonic characteristics of Sikeshu Sag
图 3 四棵树凹陷构造样式分布规律
a.垂向分层构造特征；b.平面构造样式分布特征
Figure 3. Distribution characteristics of structural styles in the Sikeshu Sag
图 4 四棵树凹陷构造分带特征
a.四棵树凹陷构造分带；b.各分带褶皱发育特征
Figure 4. Structural zoning characteristics of the Sikeshu Sag
图 5 四棵树凹陷地质露头构造缝发育特征
a.四棵树凹陷南部地质特征；b.石炭系多期缝切割关系；c.三叠系多期共轭缝发育特征；d.石炭系共轭缝指示最大主应力方向；e.石炭系张性缝与剪切缝的限制关系; f.A—A′剖面特征
Figure 5. Structural characteristics on outcrops of Sikeshu Sag
图 6 四棵树凹陷各层系地层共轭剪切缝走向
Figure 6. Strikes of conjugate fractures in each layer of Sikeshu Sag
图 7 四棵树凹陷周缘新生代板块运动及应力场
a.北天山构造带板块运动矢量图；b.四棵树凹陷内各区域应力场特征
Figure 7. Cenozoic plate movement and stress field around the Sikeshu Sag
图 8 四棵树凹陷构造演化剖面(剖面位置见图 1c, 下同)
a.GT1-SC1井构造演化剖面；b.G1-GT1井构造演化剖面
Figure 8. Structural evolution profiles of the Sikeshu Sag
图 9 四棵树凹陷各沉积时期地层压缩特征
Figure 9. Stratum compression characteristics of different periods in the Sikeshu Sag
图 10 四棵树凹陷地层格架(a, b)及盆地剖面演化特征(c)
a.研究区北部地层格架；b.研究区南部地层格架；c.盆地剖面演化特征
Figure 10. Stratigraphic framework(a, b) and basin profile evolution characteristics(c) of the Sikeshu Sag
图 11 四棵树凹陷各阶段构造演化三维模式
Figure 11. Three-dimensional model of tectonic evolution in different stages of the Sikeshu sag
表 1 二叠系岩墙走向与共轭缝指示应力方向
Table 1. Strike of the Permian dyke and the stress direction indicated by conjugate joints
二叠系岩墙走向/(°) 数量/条 C-P共轭缝应力方向/(°) 数量/组 J-K共轭缝应力方向/(°) 数量/组 E-N共轭缝应力方向/(°) 数量/组 [0, 15) 0 [0, 15) 0 [0, 15) 21 [0, 15) 11 [15, 30) 0 [15, 30) 0 [15, 30) 13 [15, 30) 15 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [30, 45) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 0 [45, 60) 8 [60, 75) 0 [60, 75) 0 [60, 75) 4 [60, 75) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [75, 90) 0 [90, 105) 0 [90, 105) 10 [90, 105) 2 [90, 105) 0 [105, 120) 12 [105, 120) 20 [105, 120) 0 [105, 120) 0 [120, 135) 5 [120, 135) 0 [120, 135) 0 [120, 135) 0 [135, 150) 3 [135, 150) 16 [135, 150) 0 [135, 150) 5 [150, 165) 0 [150, 165) 0 [150, 165) 6 [150, 165) 0 [165, 180] 0 [165, 180] 4 [165, 180] 12 [165, 180] 24 
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表 2 四棵树凹陷南缘断层产状数据
Table 2. Fault occurrence data for the south margin of the Sikeshu Sag
断层倾向/(°) 数量/条 断层倾角/(°) 数量/条 [0, 30) 15 [0, 15) 49 [30, 60) 21 [15, 30) 28 [60, 90) 6 [30, 45) 19 [90, 120) 4 [45, 60) 14 [120, 150) 7 [60, 75) 7 [150, 180) 12 [75, 90] 6 [180, 210) 16 [210, 240) 26 [240, 270) 5 [270, 300) 2 [300, 330) 5 [330, 360] 4
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