宋 燕， 陈 石， 张艺楼， 梁鑫鑫， 梁媛媛， 侯 文

(中国石油大学(北京)地球科学学院；中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)

博格达山地处准噶尔盆地东南部，东、西天山过渡带内，呈条带状延伸[1]。构造运动模式复杂，它的隆升演化及盆山分异时限倍受争议，已成为众多地质学者研究的热点之一，主要集中在沉积特征[2-6]、构造演化[7-13]、盆地性质[8-10]、低温热年代学研究[10-18]、碎屑物源以及古气候变化分析等方面[19-26]。但对博格达山前带构造特征和重矿物组合综合研究相对少，造山带周缘地区沉积物中往往包含来自物缘区经过风化剥蚀搬运的重矿物，承载着盆山分异信息[5]。基于此，以地震剖面构造特征分析为基础，结合山前带侏罗系-早白垩统沉积物中重矿物含量及其组合特征的差异性变化分析，并结合中晚侏罗世盆山分异前后沉积环境、物源方向以及盆山格局等信息，准确解析博格达山中晚侏罗世隆升过程，研究博格达地区晚侏罗世头屯河期(J2t)盆山分异前后特征差异，为博格达地区资源勘查及科学研究提供参考。

1 区域地质背景

从地理位置来看，博格达山西南紧接依连哈比尔尕山，东北遥望阿尔泰-克拉美丽造山带，周围被准噶尔盆地所包围，呈现地块与造山带镶嵌、盆地与山脉共存的构造格局[5]。从板块构造来看，研究区隶属于中亚增生型造山带上发育起来的准噶尔盆地[27]，位于东欧克拉通板块、西伯利亚古板块以及塔里木古板块之间的三角地带，构造环境复杂。博格达山山体大量出露石炭系基底，南北缘不对称发育二叠系和侏罗系，并且在博格达山北缘西段残留少量白垩系[5]。

研究区侏罗系地层沉积较厚，总体上呈现南厚北薄的特征，其中下侏罗统发育含煤层的碎屑岩，正粒序，河流相沉积，所夹煤层可与准噶尔盆地普遍发育的煤层进行对比，推测此时研究区处于低位还原环境并与准噶尔盆地相连通；上侏罗统发育紫红色砂岩，反粒序，冲积扇-泛滥平原沉积，沉积环境反转变为氧化环境，可能是博格达山隆升所致；白垩系仅呈零星分布在博格达山北缘西段，与下伏地层呈不整合接触[5,9,12,23](表1)。

2 构造特征分析

研究区在构造位置上处于北天山东、西两段的转捩带[28]，其构造属性特殊。博格达山自晚古生代以来经历了晚石炭世初始造山、早-中二叠世裂陷伸展、晚二叠世古博格达山隆升、早-中侏罗世伸展拗陷和晚侏罗世再造山等五个阶段[10,29-30]。根据博格达山南北缘所处地理位置及应力环境的不同，将其划分成不同的构造单元(图1)，分析各构造单元内的构造特点并对比各单元间的差异，总结博格达山晚侏罗世盆山分异过程，并初步判断中晚侏罗世博格达地区发生盆山分异的时间界限。

博格达山北缘构造带整体呈现弧带状，以甘子河剖面为界分为东西两段。在米泉地区白杨沟剖面实勘途中，可见侏罗系及以下地层出露，断层和褶皱非常发育，其中三叠系与侏罗系以断层不整合形式接触，根据砂岩中斜层理的倾向，可判断石炭系和部分二叠系发生倒转，可能是博格达山后期隆升所致，剖面右端背斜核部被剥蚀，两端对称分布侏罗系沉积，表现为两个相反倾向的逆断层控制的冲起构造(图2)。选取西段过米泉地区的L1地震剖面(图3)和东段过大龙口地区的L2地震剖面(图4)进行构造特征分析，两条典型剖面均显示博格达山北缘在造山带及其前陆发育逆冲推覆构造带和褶皱-冲断带。

西段L1地震剖面显示，剖面南侧发育一系列低角度逆冲断层，往北断层倾角变大，将古生代地层抬升至陆表遭受剥蚀，由地层错断关系判断，该断层组自晚古生代以来持续活动。剖面右端，断裂上盘地层被冲起形成断层传播褶皱，褶皱核部出露白垩系，依据上盘晚侏罗统地层厚度较下盘薄，可知上盘在中晚侏罗世遭受抬升隆升，发生风化剥蚀，以致下盘厚，上盘薄，白垩系以不整合形式与下伏侏罗系接触(图3)。

表1 博格达地区地层简表(据马庆佑等[20]修改)

粗体河道表示野外实勘路线；L1～L5表示测线位置

图2 米泉地区白杨沟地表地质剖面图

J2-3为中上侏罗统

东段L2剖面发育的构造和西段L1剖面相似，均发育一组由南向北的逆冲推覆构造，L2剖面中断裂活动更强烈，将早中生界推覆至地表遭受剥蚀，使得上盘缺少后期沉积，且下盘新生界直接叠在侏罗系之上，缺少白垩系，两者以平行不整合方式接触。结合全区构造隆升概况，认为早期形成的冲断体系在后期继续活动，尤其是中晚侏罗世运动更加剧烈，以致博格达山北缘山前带缺失白垩系沉积，大范围出现不整合接触(图4)。

T1为下三叠统；T2为中三叠统

对比博格达山北缘米泉(L1)和大龙口(L2)地区的地震剖面特征，认为博格达山在晚侏罗世经历过一期强烈的隆升活动，此期运动在博格达山北缘东西段均有响应，且东西段具有不同的特点，西段受该期运动挤压发育褶皱-冲断带，并伴随着侏罗系地层减薄；而东段变形尺度更大，整个区块内强烈抬升，长期处于较高正地形，遭受剥蚀，以致缺少白垩系沉积。

博格达山南缘的柴窝堡凹陷夹持在北天山和博格达山之间，形成两山夹一盆的地貌格局。盆地在自西向东可划分出永丰次凹、三葛庄次凸以及达坂城次凹三个次级构造单元[32](图1)。阿什里地区头屯河剖面野外露头可见，北天山根部石炭系凝灰岩高角度逆冲至侏罗系砂岩之上，往盆地方向，构造活动逐渐减弱，头屯河背斜表现为宽缓不对称性，南翼被多条南西倾向逆冲断层切割，北翼发育在盆地内，构造活动相对较弱，晚期沉积的白垩系被两条对冲断层切割形成一向斜(图5)。从不同次级构造单元选取典型地震剖面，进行构造特征分析，对比各次级构造单元之间特征异同。

图5 阿什里地区头屯河地表地质剖面图

永丰次凹西部的L3剖面构造特征显示(图6)，新生界地层以低角度向南倾斜，削截底部中生界，与下伏地层以角度不整合方式接触。浅层系列断层沿着根部滑脱面不断向南逆冲，与沿深部滑脱面向北逆冲的深部断层在剖面中部相遇，形成三角带构造。根据断层错断关系及地层厚度变化特点，可知剖面南侧基底发育的系列断层形成时间更早，北侧浅层系列逆冲断层在三叠纪末剧烈向南逆冲，两者共同作用形成剖面所示的构造格局。剖面北侧新近系直接覆盖在下伏侏罗系上，缺失白垩系沉积，此不整合同博格达山北缘东段L2剖面特征相似，认为同是中晚侏罗世博格达山盆山差异分异作用所致。

三葛庄次凸中L4剖面显示(图7)，南端新生界地层呈现向南增厚的楔状沉积，仅局部地区可见侏罗系，而剖面北侧主要发育的是石炭系基底，新生界大范围内以不整合形式覆盖在侏罗系及以下层系上，说明中晚侏罗世-新生代之间至少发生过一期构造隆升，并且剖面北侧的活动强于南侧。

达坂城次凹位于柴窝堡凹陷东部，处于博格达山和北天山汇聚处，受到构造抬升挤压更为剧烈，构造变形复杂。以L5剖面(图8)为例分析达坂城次凹构造特征，剖面南侧表现出基底卷入变形，从断层错开层位关系看，可知这些基底断层形成于二叠纪，并且在三叠纪、侏罗纪以及新生代持续活动；剖面北侧发育系列北倾的低角度叠瓦状逆冲断层，与由南向北的逆冲断层共同控制形成对冲的三角带结构，断层上盘侏罗系减薄，并且被古近系不整合覆盖。

博格达山北缘与南缘构造带地震剖面对比分析表明，南北缘自晚古生代以来发生了相似的构造隆升运动，分别为晚二叠世末、晚三叠世末、中晚侏罗世和新生代以来的构造变形。根据白垩系地层发育特征(北缘西段残留少量，其他区域缺失)，推断中晚侏罗世的隆升运动中，东段隆升更为剧烈。

地震剖面中各断层运动时间被限定在被其错断层位及其上覆完整层位沉积之间，由于地震采取信息精度有限，其卡定的时限较粗糙。而沉积重矿物承载着盆山分异的全部信息，可通过分析盆山分异前后重矿物含量及组合特征变化的规律性，进一步判断博格达地区中晚侏罗世发生盆山分异的具体时限。

T3为上三叠统

图7 博格达山南缘三葛庄次突L4(Z03-CWP-551.22测线)地震剖面

图8 博格达山南缘达坂城次凹L5(Z02-CWP-595.72测线)地震剖面

3 重矿物特征

碎屑重矿物是来自源区的碎屑物质经过外动力的风化、剥蚀、搬运以及沉积沉降等漫长的地质过程而存留下来的矿物[13]，其中不稳定矿物在风化至成岩过程中会分解消失，保存下来的稳定矿物经历了整个的地质过程，记载了沉积物源属性、沉积环境、古气候特征以及盆山格局等信息，是研究盆山耦合关系的重要方法。前人在研究区对重矿物特征的研究[5,9,25]多停留大尺度范围，通过山前带重矿物特征研究佐证博格达山隆升时限尚鲜见报道。基于此，分别在博格达山北缘芦草沟、白杨沟和水西沟剖面，南缘达坂城次凹，以及西侧头屯河剖面采取典型野外露头样品进行重矿物分析(图1)，并充分结合前人工作，汇总数据如表2所示。

根据研究区侏罗系和早白垩统样品中重矿物含量、组合规律以及ZTR特征指数等特征，将样品分为早-中侏罗统(包括八道湾组J1b、三工河组J1s、西山窑组J2x)和中晚侏罗统-早白垩统(包括头屯河组J2t、齐古组J3q、喀拉扎组J3k、吐谷鲁群K1tg)两组，分析各组重矿物数据特征，比较两个时期博格达地区所处的沉积环境、构造背景以及物源的异同，确定博格达山中晚侏罗世发生盆山分异的准确时限，为研究博格达山隆升造山研究提供沉积响应[2]。

重矿物是物源变化的指示剂[33-34]。如表2所示，将重矿物分为稳定型和不稳定型两类，样品主要分布在博格达山北缘芦草沟、白杨沟和水西沟剖面，南缘达坂城次凹，以及西侧头屯河剖面(采样路线如图1所示)，重矿物分离和鉴定由廊坊市宇能矿物分选技术服务有限公司完成。由于研究区特殊构造背景，白垩系以及部分侏罗系样品非常紧缺，野外实勘过程中未采得白垩系样品，为了实验研究完整性以及成果具有代表性，在取得相关作者同意下，收集了方世虎等[9]、郑有伟等[5]公开发表的部分样品数据。为突出不同区域各时期重矿物成分特征，分别将博格达山南、北缘以及西侧样品划为早-中侏罗世和中-晚侏罗世两组并进行图示化分析，结果如图9～图11所示。

图9 博格达山北缘样品重矿物百分含量

由图9可知，早-中侏罗世重矿物以锆石-磷灰石-钛铁矿-石榴石组合为特征，其中锆石含量最多，次为磷灰石；中晚侏罗世-早白垩世重矿物以磁铁矿-钛铁矿-绿帘石组合为特征，与早-中侏罗世相比，锆石、磷灰石等稳定型重矿物减少，磁铁矿成为主要稳定重矿物，绿帘石等不稳定型矿物急剧增加，重矿物组合样式发生改变，分析认为是博格达山发生盆山分异作用所致，伴生新的临近物源。

图10 博格达山南缘样品重矿物百分含量

图11 博格达山西侧样品重矿物百分含量

由图10可知，早-中侏罗世样品中钛铁矿含量极高，不含黄铁矿、绿帘石等不稳定重矿物，系远距离搬运结果，推断此时博格达山未隆升剥蚀，与北缘分析结论相吻合；博格达山南缘缺少中晚侏罗统-早白垩统沉积。

由图11可知，早-中侏罗世以铬铁矿-锆石-石榴石组合为特征，不稳定重矿物极少；中晚侏罗世-早白垩世重矿物为褐赤铁矿-锆石-磁铁矿组合，以绿帘石为代表的不稳定重矿物大量出现，伴随少量海绿石、角闪石，此时沉积水体变浅，有新的临近物源出现。对比博格达山南、北缘以及西侧样品分析结果发现，研究区在头屯河期(J2t)前后重矿物组合特点和沉积环境具有明显的差异。

重矿物组合样式分析表明，研究区早-中侏罗世发育泛盆，水体较深，处于弱还原环境，物源来自周围山系(以北的阿尔泰-克拉美丽山，以南的北天山[23])，表现为锆石、磷灰石和钛铁矿等稳定重矿物经过较远距离搬运而富集。中侏罗世晚期头屯河期(J2t)开始，研究区水体变浅，博格达山隆升剥蚀，并为周缘地区提供邻近物源，表现为大量海绿石等不稳定型重矿物出现，研究区重矿物组合样式改变。基于研究区重矿物组合样式分析和典型剖面构造特征分析，认为博格达山中侏罗世晚期头屯河期(J2t)发生盆山分异，且周缘区域隆升强度不平衡，博格达山北缘西段靠近盆地受影响相对较弱。

表2 博格达山南、北缘及西侧重矿物类型及相对含量

4 重矿物指示的地质意义

4.1 指示母岩类型

不同的碎屑重矿物组合往往是不同母岩类型的反映[35-36]。母岩在风化、搬运和沉积过程中，会因母岩性质、温度、埋深以及水动力等因素的影响而发生差异性变化，选取中、新生代碎屑样品进行重矿物测试分析有利于确保结论的准确性[33]。

根据母岩类型划分标准[37]，博格达地区早-中侏罗世重矿物中锆石-石榴石-磷灰石等稳定重矿物含量较突出，母岩主要为酸性岩浆岩，变质岩次之，还伴随着少量的基性岩和沉积岩(表3)，分别对应北天山晚古生代发育的中酸性侵入岩、古生代-前古生代发育的变质岩系[12]和克拉美丽山早海西期发育的酸性岩浆岩体[38-39]，因此，早-中侏罗世沉积物可能来自北方的克拉美丽山物源和南方的北天山物源。中晚侏罗世-早白垩世重矿物中石榴石-绿泥石-磁铁矿组合占绝对优势，母岩类型主要为酸性岩浆岩、高级变质岩和少量沉积岩、基性岩(表3)，而来自高温热液和基性火山岩母岩中的磁铁矿氧化后导致赤褐铁矿含量增多[40]，对比母岩变化特点，认为此时物源主要来自北天山和博格达山。

综合分析，认为博格达山中侏罗世晚期头屯河期(J2t)受应力发生隆升，并且出露山体遭受氧化剥蚀，为周缘区域供给高级变质岩物源[23]，使得该时期前后重矿物组合样式和母岩发生明显变化。

4.2 指示物源方向

重矿物是连接盆地与造山带的重要纽带，是物源分析的有利手段[5,33]。沉积物在进入盆地之前，会经历抬升-剥蚀-搬运-沉积-沉降等过程，其中分化剥蚀和搬运作用起着主导影响，而风化剥蚀作用主要受母岩性质控制，易风化矿物优先遭受剥蚀而丢失，耐风化矿物保留下来[33]；搬运作用决定着矿物的沉积分异过程，影响重矿物组合样式[6]。不稳定矿物在搬运过程中易风化分解，随着搬运距离增加而减少，沉积区距离物源越远，成分成熟度和结构成熟度越高[41]。

为较直观地分析不同地理位置处样品中重矿物含量变化特征，将样品中各重矿物所占比例反映在扇形图上，并且将扇形图投置在平面位置图中，再根据每个样品点的ZTR值(锆石、电气石、金红石三者含量)勾勒出区域内的ZTR等值线(图12、图13)。

早-中侏罗世，博格达山北缘重矿物主要为锆石、石榴石等，其稳定性较高，属长距离搬运。从甘子河、白杨沟、水磨沟及大红沟等剖面的重矿物扇形图可知(图12)，样品中稳定重矿物所占比例由北向南不断增大(扇形图中红色部分表示稳定型重矿物，黄绿色部分表示不稳定型)，ZTR等值线表现相同特点，同时前文研究表明，该时期发育的母岩与克拉美丽山体发育的老岩体性质相似，由此可推论博格达山北缘在早-中侏罗世沉积物源主要来北方的克拉美丽山。该时期博格达山南缘样品中钛铁矿占绝对优势，含量达40%，次为锆石，重矿物组合样式与北缘存在较大差距，重矿物含量和ZTR等值线变化特点反映物源来自研究区以南区域，此外该时期母岩性质与北天山古生代-前古生代的变质岩系、晚古生代的中-酸性岩浆弧一致[12]，故推断物源来自研究区以南的北天山。头屯河剖面样品同样分析出该地物源来自北天山。综上，研究区在早-中侏罗世主要接受来自西北向的克拉美丽造山带和来自北天山造山带物源。

中晚侏罗世-早白垩世，博格达山北缘磁铁矿、钛铁矿等稳定重矿物含量高，锆石急剧减少，绿帘石增至20%以上，ZTR等值线走势发生反转，变为由南向北ZTR值不断增大。博格达山西侧发生类似现象，样品中赤褐铁矿、磁铁矿以及绿泥石等大幅度增加，ZTR指数等值线反转为向西北不断变小，重矿物含量、组合样式以及ZTR等值线较早-中侏罗世明显不同。

证据表明博格达山于中侏罗世晚期头屯河期(J2t)发生差异性隆升，研究区盆山格局发生转变，为缘区提供大量岩浆岩、高温变质岩及基性岩物源，造成该时期重矿物特征及组合样式发生反转变化。

5 讨论

在详细分析研究区不同构造带构造特征和沉积重矿物特征的基础之上，充分结合前人做的热年代学成果，进一步探讨博格达地区中晚侏罗世盆山耦合关系。

表3 博格达地区侏罗纪、早白垩世物源母岩类型

图12 博格达地区早-中侏罗世重矿物含量及ZTR等值线图(箭头表示物源方向)

箭头表示物源方向

前人利用研究区内中、新生代凝灰岩和砂岩样品进行年代学研究发现，有一组年龄峰值集中在152.3～106.3 Ma[15,17,28]，同时基于裂变径迹的热历史模拟结果显示博格达山约150.75 Ma开始持续隆升[18]，这些都反映了中侏罗世晚期头屯河期(J2t)博格达山隆升，研究区内样品中锆石和磷灰石刚好记录了此次强烈的构造运动。

6 结论

(1)博格达山北缘与南缘构造带地震剖面对比分析表明，自晚古生代以来，研究区经历多期构造变形。其中中晚侏罗世构造隆升运动尤为剧烈，且在研究区各区域内不对称活动，其中北缘西段隆升晚于其他地区，强度较弱。

(2)早-中侏罗世，博格达山北缘重矿物为锆石-磷灰石-钛铁矿-石榴石组合，西侧重矿物为铬铁矿-锆石-石榴石组合，南缘重矿物以稳定重矿物组合为主，其中钛铁矿极多，研究区在该时期ZTR指数稳定，此时构造环境较稳定；中侏罗世晚期头屯河期(J2t)开始博格达山逐渐隆升遭受剥蚀，重矿物含量变化，北缘重矿物为磁铁矿-钛铁矿-绿帘石组合样式，西侧重矿物为褐赤铁矿-锆石-磁铁矿组合样式。

(3)早-中侏罗世，研究区内重矿物以稳定型为主，母岩主要为酸性岩浆岩，次为变质岩，还伴随着少量的基性岩和沉积岩，此时物源来自北天山和距离较远的克拉美丽山；中侏罗世晚期头屯河期(J2t)开始，沉积物中不稳定成分逐渐增加，磁铁矿大量出现，母岩主要为酸性岩浆岩、高级变质岩，此时物源主要来自博格达山，部分来自北天山。

(4)通过典型地震剖面解释和沉积重矿物综合分析，认为博格达山构造带于中侏罗世再次抬升，并在中侏罗世晚期头屯河期(J2t)露出水面遭受剥蚀，改变了周缘区域内沉积环境及母岩来源，也使得沉积重矿物特征在头屯河期(J2t)前后明显不同。