伊犁盆地是在天山造山带所夹持的微地块上发展演化而成的山间叠合盆地，属于伊犁—中天山微板块，矿产资源丰富，有较好的油气前景.多位学者对伊犁盆地及邻区的构造特征及形成演化等问题进行了研究，取得了丰富的成果.廖世南(1992)认为伊犁盆地是具有陆内裂谷和山间陆相的双层结构盆地，初步讨论了盆地的生成和发展；刘俊霞等(1997)利用航磁资料对盆地中部的基底结构、起伏变化、构造特征及盖层分布等问题进行了研究；张国伟等(1999)认为伊犁盆地分为中上元古界变质基底、中下石炭统裂谷火山岩系褶皱变形基底和盆地沉积岩系的三层结构，并将伊犁盆地主要构造划分为二山三盆；左国朝等(2008)基于野外调查结果和前人研究结论，研究了包括伊犁盆地在内的西天山地区的地层系统及演化过程.伊犁盆地阿吾拉勒地区出露了多处的火成岩，为研究盆地构造演化提供了丰富的证据(Yang et al., 2014；Ge et al., 2015；李永军等，2017).熊小林等(2001)研究了阿吾拉勒中酸性火成岩的地球化学特征，认为可能是晚古生代后碰撞阶段幔源岩浆底侵作用导致玄武质岩石熔融形成的；李注苍等(2006)基于大哈拉军组火山岩地球化学特征推断火山岩位于岛弧区，为板块俯冲造山带构造环境，这是目前的主流观点之一(李锦轶等，2006；Wang et al., 2007；Sun et al., 2008)；李晓英(2013)基于花岗岩的分析结果，认为阿吾拉勒地区在晚古生代不同时期存在岛弧、碰撞伸展和大陆裂谷环境；韩琼等(2015)认为阿吾拉勒大哈拉军山组时代跨度大，火山岩自西向东由老变新，铁矿床受火山活动控制.此外多人对伊犁盆地的油气前景进行了研究评价，钟红利(2011)基于二叠系以来古构造演化、烃源岩、储集层的沉积特征和油气的运移聚散特点，在伊宁凹陷划定了三个有利油气区；王亚军(2013)将伊犁盆地及邻区的构造演化划分为七个阶段，认为北部坳陷是演化条件最好的区域，上二叠统和中上三叠统是相对较好的油气层位.前人的成果为伊犁盆地的深入研究提供了良好的基础，但多数尺度较大，针对局部重点区域的精细研究有待加强.

本文研究区域位于伊犁盆地中部多个次级构造单元交汇区域，以白石墩次凸为中心，包含了乌孙山隆起、阿吾拉勒凸起、伊宁凹陷的南部斜坡带和巩留次凹等构造单元的部分区域(图 1).研究区是雅马渡—白石墩北西向断裂和赛里木湖—莫合尔北东向断裂这两条主要断裂系的交汇处，断裂带造成了白石墩凸起，分隔了伊宁凹陷和巩乃斯凹陷，并控制和影响了其他构造单元的构造分布形态和中新沉积(张国伟等，1999).由于研究区大部分被第四系地层覆盖，因此需要利用地球物理方法对本区域地下构造进行反演，获取精细构造，以期为盆地的构造演化等相关问题的深入研究提供地球物理证据.

图 1

Fig. 1

图 1 伊犁盆地中部区域地质简图 1第四系砂土、砾石；2水西沟群含煤碎屑岩沉积；3石炭纪灰岩、碳酸盐岩、砂砾岩；4二叠纪花岗岩；5小泉沟群砂岩夹泥岩、砾岩；6二叠纪闪长玢岩；7二叠纪辉长岩；8晓山萨伊组、哈米斯特组、塔木其萨伊组、巴斯尔干组并层；9研究区范围；10断裂. Fig. 1 Geological sketch map of central Yili Basin 1 Quaternary System sandy soil, gravel; 2 Shuixigou Group; 3 Carboniferous Period limestone, carbonate rock, sandstone and conglomerate; 4 Permian Period; 5 Xiaoquangou Group; 6 Diorite porphyry; 7 Diorite gabbro; 8 Xiaoshansayi Formation, Hamisite Formation, Tamuqisayi Formation, Basiergan Formation; 9 Study area; 10 Fault.

本次重力测量设计网格为500 m×500 m，磁测量设计网格为500 m×250 m，在白石墩区域加密为250 m×250 m，实际重力测点数5004个，磁测点数10025个.对原始数据分别进行各项改正后得到了布格重力异常和ΔT磁异常，如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 伊犁盆地中部重磁异常等值线图 (a)布格重力异常等值线图；(b) ΔT磁异常等值线图. Fig. 2 Contour map of gravity and magnetic anomalies in central Yili Basin (a) Bouguer gravity anomaly contour map; (b) ΔT magnetic anomaly contour map.

图 2a显示研究区布格重力异常为负值，根据异常特征被分为五个区域.其中有三个高异常区域，分别是位于阿吾拉勒凸起的a、b和位于乌孙山隆起的c；有两个低异常区，分别是位于伊宁凹陷的d和巩乃斯凹陷的e；以及一个过渡交汇区f.与图 1中阿吾拉勒凸起的范围相比，a范围向西北方向有所扩大，且a和b之间区域的低异常非常明显；c区与图 1中乌孙山隆起相比向东北方向扩展较多，这可能是乌孙山隆起在地下的延伸的反映，也可能是伊宁凹陷和巩乃斯凹陷之间的次凸的反映；d和e为两个显著的低值区，与f区的交界处暗示了凹陷的边界位置.从图 2b中可以看出，研究区磁异常总体较为平稳，其中有三个较为显著的高磁异常区g、h和k.g区与高重力异常区b吻合较好，磁异常略显杂乱，可能与阿吾拉勒凸起中的高磁性岩石分布有关；h是磁异常最高值区域，异常曲线较为平缓，闭合完整，可能是地下有一定埋深和体积的高磁性岩体反映；k区磁异常幅值相对较低，且较为散乱，反映了磁源可能埋深浅且体积较小.

本次研究区岩石物性测量共采集标本321块，密度和磁化率统计结果如表 1所示.结合东方地球物理公司在伊犁盆地进行的地质物性调查结果，总结研究区的主要物性特征如下：地层从上到下由新到老，密度逐渐增大；存在主要三个密度界面，第四系和新近系、三叠系和二叠系以及二叠系和石炭系；酸性岩浆岩为中低密度，中基性岩浆岩为高密度；新生界、中生界和古生界正常沉积地层为无磁性-微弱磁性地层，古生界二叠系火山岩地层为强磁性地层，岩浆岩由酸性到基性磁性逐渐增强.

表 1 Table 1

表 1 伊犁盆地中部地层岩石物性参数统计表 Table 1 Summary of densities and magnetic susceptibility measured from samples in central Yili Basin 地层 岩矿石名称 标本数 (件) 密度 (g·cm-3) 磁化率 (10-5SI) Q 砂砾岩 48 2.212 17 N 砂岩、泥岩、砂砾岩 10 2.378 41 J 砂岩、泥岩、砾岩 24 2.443 33 T 砂岩、泥岩、砾岩 40 2.394 29 P2t 砂岩、泥岩、页岩、砾岩、玄武岩、安山岩、安山玢岩 25 2.543 58 P2x 71 2.597 97 P1 18 2.621 935 C2 安山岩、安山玢岩、玄武岩、火山角砾岩、流纹岩、砂岩、泥岩、砾岩、灰岩 22 2.649 358 C1d 52 2.678 480 岩浆岩 花岗岩 11 2.606 123 注：密度和磁化率均为几何平均结果.

表 1 伊犁盆地中部地层岩石物性参数统计表 Table 1 Summary of densities and magnetic susceptibility measured from samples in central Yili Basin

为了研究区域构造格架，本文使用三维反演方法获取地下密度和磁化率分布情况.基于实测数据分布范围和分辨率，确定反演垂向范围为地表到海拔-10 km，水平范围则为测区.由于研究区地表海拔高度从692 m到1593 m，差异较大，本文采用了带地形的三维物性反演方法，目的是尽量避免数据处理过程中引入的误差影响反演结果.

首先需要提取反映海拔-10 km到地表的密度不均匀体和磁性异常体产生的重磁异常场作为三维反演的依据.反演范围的顶面(地表)有起伏，侧面和底面则为直立或水平，为了避免插值运算引入的误差，尽可能保留原始数据的有效信息，经与多种先验信息对比后使用反演法(Li and Oldenburg, 1998a；Li et al., 2012)获得了浅源的重力场和磁场.该方法的优点是提取到的浅源场数据均处于原始测点位置，避免了多次插值导致的误差，确保了高程数据准确，提高了三维反演数据的精度.

地形数据来自实测高程数据和STRM DEM数据融合.为了减少测量误差及浅层噪声对反演结果的影响，同时避免进行带地形反演时出现“观测点在地下”的情形，在异常分离时分别对浅源重磁场向上延拓了150 m，各个测点的高程也增加了相同高度.

本文使用基于空间导数约束的重磁物性三维反演方法(Li and Oldenburg, 1996，1998b)进行计算，该方法能够加入多种约束条件并实现大数据量的快速反演.反演目标函数如式(1)，通过最小化目标函数可以获得最佳解模型.

(1)

式中ϕ_d为数据拟合差函数；ϕ_m是模型目标函数；μ是正则化因子，用于平衡拟合差函数和模型目标函数的权重；最后一项为界限函数，λ为界限参数；a_j是j单元的物性下限，b_j为j单元的物性上限，m_j为j单元的解模型，ln函数限制m_j必须在a_j和b_j之间，形成了“硬约束”.数据拟合差函数ϕ_d为

(2)

式中W_d为各个单元的权重diag(1/σ_i)，σ_i为第i个单元的标准差；G是核函数矩阵；m是待求的物性模型；d_obs为实际观测数据.式(1)中模型目标函数ϕ_m为

(3)

式中m₀是参考物性模型；w_r是距离加权函数；α_s是模型长度系数；α_x，α_y和α_z是模型光滑系数.

从式(1)—(3)可以看出，该方法可以加入多种先验信息来对结果形成有效约束，包括根据先验信息建立的参考模型(m₀)、参考模型的可靠程度(W_d)、解模型的数据范围(a_j和b_j)、解模型与参考模型的差异程度(α_s)、解模型在各个方向的光滑程度(α_x，α_y和α_z)和噪声水平调节(μ)等，从而获得最大程度逼近实际情况的解模型.

(1) 反演网格

反演时地下剖分网格的设计需要基于实测数据分辨率和解释的需求，兼顾计算效率，同时考虑目标体的复杂程度和地形的起伏情况等因素.其中数据分辨率最为重要，实测数据的最大分辨率为数据的间隔，无法反映小于最小间隔的异常体，而且一般在浅部确定一个异常体的存在，该异常应该覆盖2~5个网格单元的范围.试验结果表明，反演网格尺寸小于数据采集间隔的1.2倍时都可以达到数据采集的最大分辨率(Boulanger and Chouteau, 2001).基于上述因素，本文对重磁三维反演设计了相同的剖分网格：中心区域水平方向分辨率为300m ×300 m，四周各向外扩展3600 m；垂向分辨率为150 m(浅部)和200 m(中深部).反演网格范围是x：-3600~41400 m，y：-3600~39000 m，z：-11400~1600 m，共计1080576个网格单元.

(2) 约束条件

本文使用1:20万的地质图基于物性统计结果建立了参考模型，该模型以地表信息为主，没有先验信息的深部区域设置参考模型的物性为0，且有先验信息的区域权重高于未知区域.

基于物性统计结果设置解模型密度变化范围为-0.5~0.5 g·cm^-3，磁化率变化范围为0~0.1 SI.考虑到研究区域以层状地层为主，设定重力反演模型的长宽高比值为10:10:1.磁反演的目标主要是区域内的火成岩体，经过初步反演后确定了区域内有两个主要的火成岩体，根据岩体的比例设定模型的长宽高比值为8:10:8.

(3) 噪声水平

模型试验结果表明，每个测点分别给定适当的噪声时，反演结果精度略优于全区域给定相同水平噪声的结果.本文根据实测数据的精度对噪声总体水平进行估计，再利用基于能量阈值的二维小波方法估计了每个测点的噪声，一般在异常变化平缓的区域噪声水平相对较低.最后根据反演结果对正则化因子进行微调，直至获得与先验信息拟合最佳的反演结果.

使用CPU为I7 2600，内存为8G DDR3，操作系统为Windows 7 64位专业版台式计算机进行计算，重力三维反演耗时36分33秒，获得的密度扰动结果如图 3所示，显示出以下几个主要特征：密度扰动变化幅度较小，过渡平缓，但高低密度区域界限明显，为划分断裂位置提供了依据；高密度体主要分布在阿吾拉勒突起和乌孙山隆起区域，低密度区域则主要与凹陷带吻合；不同深度密度特征继承性较好，随着海拔高度的逐渐降低，横向密度不均匀性逐渐降低.

图 3

Fig. 3

图 3 伊犁盆地中部不同海拔高度密度扰动分布图 (a)海拔180 m；(b)海拔-500 m；(c)海拔-1100 m；(d)海拔-2100 m；(e)海拔-5100 m；(f)海拔-10100 m. F1、F2、F3、F4和F5为本文推断构造单元边界；ga、gb和gc为高密度异常区. Fig. 3 Density distribution of different altitude in central Yili Basin (a) Altitude 180 m; (b) Altitude -500 m; (c) Altitude -1100 m; (d) Altitude -2100 m; (e) Altitude -5100 m; (f) Altitude -10100 m. F1, F2, F3, F4 and F5 are the inferred boundaries of different tectonic units. ga, gb and gc are high density abnormal areas.

使用与重力反演相同配置的计算机，磁三维反演耗时3小时6分54秒，获得的磁化率分布如图 4所示，从图中可以看出：高磁化率区主要集中在东北部和东部两个区域，向下延伸较深且为整体；中部区域异常分散，幅值相对较低，埋深较浅；磁化率垂向变化较明显，差异随深度的增加逐步降低；伊宁凹陷区域在中深部有低幅值异常体存在而浅部没有.

图 4

Fig. 4

图 4 伊犁盆地中部不同海拔高度磁化率异常分布图 (a)海拔180 m；(b)海拔-500 m；(c)海拔-1100 m；(d)海拔-2100 m；(e)海拔-5100 m；(f)海拔-10100 m. ma、mb和mc为高磁化率异常区. Fig. 4 Magnetic susceptibility distribution of different altitude in central Yili Basin (a) Altitude 180 m; (b) Altitude -500 m; (c) Altitude -1100 m; (d) Altitude -2100 m; (e) Altitude -5100 m; (f) Altitude -10100 m. ma, mb and mc are high magnetic susceptibility abnormal areas.

重力反演数据拟合差在-0.825~0.537 mGal之间，磁反演拟合差在-17.33~30.08 nT之间；在数据幅值较大的区域的归一化误差水平高，幅值小的区域归一化误差水平较低，与理论值相符合；两个解模型较为平滑，且与其他先验信息基本相符；这表明本次三维反演参数选择较为合适(Williams，2008).

从图 3中可以看出研究区的主要构造格架，伊宁凹陷和巩乃斯凹陷呈现低密度特征且沉积层厚度较大，阿吾拉勒凸起和乌孙山隆起为高密度特征；随着深度的增加，密度的横向不均匀性逐渐降低，整体性增强；推断的主要断裂和构造单元边界基本位于高低密度异常过渡区.

研究区北部边缘属于阿吾拉勒凸起，地表出露的是二叠系晓山萨依组(P_2w)，由砂岩、砾岩和火成岩组成，密度范围变化较大.本次反演揭示了研究区内的高密度岩体，主要分布在ga、gb和gc三个区域.ga区域高密度体体积较小，埋深较浅，横截面积从海拔180 m到-5100 m几乎没有变化，再向下至-10100 m逐渐消失，这表明阿吾拉勒凸起在该处边界接触面倾向可能是北东向，F1为高角度逆断层.ga东北部未进行数据采集，没有反演结果，根据反演的趋势结合地质图推断高密度体可能向北东向继续延伸.研究区东部阿吾拉勒凸起地表主要有二叠系乌郎组(P_1w)的中基性火成岩出露，均为中高密度，反演结果显示gb区域存在一个整体性较好、体积较大的高密度体，在浅部(180~-1100 m)呈“C”字型，在深部则为一个整体，横截面积基本不变，结合磁反演结果，推测该区域浅部可能存在逆冲推覆构造，方向为从东北向西南，深度达到海拔-1100 m.该岩体一直向下延伸到-10100 m仍有显示，与白石墩次凸的接触面倾角较高，这表明F2为高角度正断层，倾向为南西向.该区域在本次测区的边缘位置，推测其在东北部和东南部应会继续延伸.gc区域位于研究区西南部，范围最大，地表基本被新生界覆盖，其下方的高密度体体积大、埋深深，在-3100 m以浅高密度体为分散分布，随着深度的增加逐步融为一体，横截面积逐渐变大，向下延伸至-10100 m仍有明显的显示.该区域是乌孙山隆起与白石墩次凸的过渡区域，深部的高密度体可能是乌孙山隆起的延伸，据此本文认为乌孙山隆起的界线与前人划分的相比向北西向最远延伸了5 km.刘俊霞等(1997)认为该区域可能为逆掩推覆构造，乌孙山北缘断裂向北逆冲了15 km，本次反演结果显示为超覆构造，可能由于浅部的磁异常体存在干扰了推断结果.

研究结果显示研究区内断裂均以中浅层断层为主，从反演结果可以看出区内几条主要断裂向下延伸的深度基本不超过11 km，属于盆地内部次级断裂，且各条断层角度较高，这与前人的结论基本一致.在前人确定构造单元边界位置的基础上，本文认为F1和F2断裂为阿吾拉勒凸起的边界；F3和F4为伊宁凹陷南部斜坡带和乌孙山隆起的边界；F5则可能是巩留次凹的边界.与前人划分的边界位置相比有变化，这是因为考虑了构造单元在地下延展情况.

综上，本文认为研究区以白石墩次凸为主发育了一个南西—北东向不对称型凹陷，特点是北断南超，越靠近北部断层处沉积厚度越大，与阿吾拉勒凸起之间为高角度逆断层接触关系，且北部的山前凹陷浅部可能发育逆掩断裂；凹陷南部属于超覆沉积，厚度逐渐变小直至尖灭，超覆于乌孙山隆起之上；区域内沉积层厚度较大，生烃中心的主要层位是中生界和上古生界(王亚军，2013)，受到区内次级断裂的控制，其埋深从北向南逐渐变浅.

研究区域内出露的中基性火成岩主要是位于阿吾拉勒凸起的二叠系火成岩，由安山玢岩、玄武岩、玄武玢岩、火山碎屑岩以及凝灰砂岩等组成；中酸性火成岩主要位于研究区域南部，主要是由安山玢岩、安山质凝灰岩及碎屑等中酸性喷发火成岩组成的下石炭统大哈拉军山组(C_1d)，局部有酸性或基性的变化(王晓地，2001).物性资料统计结果显示，中基性火成岩呈现高磁化率、高密度的特征；中酸性火成岩的磁性变化范围较大，但一般是弱磁性显示且平均密度低于围岩的密度.本文以磁性反演结果为基础，结合重力反演结果圈定了6处中基性和1处中酸性火成岩分布区域，如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 伊犁盆地中部火成岩分布推断结果示意图 1已知基性火成岩；2已知中酸性火成岩；3推断基性火成岩；4推断中酸性火成岩. Fig. 5 Deduction of igneous rocks distribution sketch map in central Yili Basin 1 Known basic igneous rocks; 2 Deduction of intermediate-acidic igneous rocks; 3 Known basic igneous rocks; 4 Deduction of intermediate-acidic igneous rocks.

从图 5中可以看出，出露的中基性火成岩主要分布在阿吾拉勒凸起的范围内.图 3和图 4显示，图 5中J1区域下方存在一个高密度、高磁化率岩体，主要形态特点是地表横截面范围较大，随着深度增加到海拔-500 m附近时横截面变小，再向下到-5100 m附近时横截面最大，深度再增加时横截面变小，在海拔-10100 m时有零星显示，推断为中基性火成岩，可能是底侵玄武质岩石(熊小林等，2001).J1的位置与已知火成岩出露区域基本相同，范围略大.J2区域地表全部为第四系覆盖，反演结果显示J2下方是与J1区域相似的高磁化率异常体，横截面积从地表到海拔0 m左右变化不大，再往深处逐渐变大，在海拔-2100 m横截面积最大，并在-5100 m附近分为南北两个岩体，南部岩体在-10100 m仍有显示.测区边界处为低重力异常，推测可能是由于低重力异常区位于巩留次凹的范围，盆地引起的重力低淹没了可能存在的高密度体引起的重力高，因此推测J2区域大部分为隐伏的中基性火成岩，且可能延伸到测区外.J3区域地表也为第四系覆盖，该区域以高重力异常和小范围不连续高磁异常为主，推断中基性火成岩分布较为零星，没有形成较大的岩体，且各个岩体埋深较浅，主要在海拔-1100 m以浅，推测可能为喷出岩，对深部构造影响有限.J4区域位于研究区西南部，有相对较弱的平滑磁异常场.在地表无明显高磁异常体存在，单纯根据磁异常数据处理结果难以确定J4下方深部是否存在火成岩，反演结果显示存在高磁性、高密度体，MT结果显示为高电阻率岩体，推断存在基性火成岩体，可能为侵入岩.J5范围较小，其所在区域在地质图上显示为中二叠统的晓山萨依组(P_2x)，以碎屑岩—碳酸盐岩为主，但J5区域有较为明显的高磁异常和高重力异常显示，据此推断该区域有可能存在小规模的中基性火成岩，埋深适中.J6区域位于研究区域北部，属于阿吾拉勒凸起，根据地质图看该区域出露的为石炭系中酸性火成岩，而重磁异常(图 2)和反演结果显示该区域为高密度高磁性岩体，研究表明本区域中的石炭系中酸性火成岩中也有部分中基性火成岩(王晓地，2001)，因此将其划分为中基性火成岩，范围较地质图上标明的范围有所扩大，向下延伸到海拔-1700 m左右逐渐消失，在其北部可能会继续延伸.研究区下部S1区域中部也有一个和J6类似的中基性火成岩体，磁三维反演结果显示为高磁异常，重力反演结果显示为高密度异常，MT结果显示为高电阻率异常，据此推断为中基性火成岩体.图 1显示S1区域出露了石炭系大哈拉军山组，文献(白建科等，2015)显示乌孙山地区大哈拉军组有酸性-基性-中性-酸性的火山喷发旋回，本文划分的中酸性火成岩分布区域完全位于该范围之内，属于乌孙山隆起边缘位置，主要为弱磁异常和低密度异常显示；推断S1中部有中基性火成岩的主要原因是其显示了高磁性和相对高密度，这也与文献提到的局部基性变化相符(王晓地，2001).综上，本文认为区域内中深部的火成岩以侵入岩为主，这与前人的结论基本一致(李晓英，2013；熊小林等，2001；李凤鸣等，2015)，J3区域为喷出岩的可能性较大.

本文利用高精度重磁数据在多种先验信息的约束下反演，揭示了伊犁盆地中部地下三维密度和磁性结构，为该区域构造演化的进一步研究提供了深部证据.基于反演结果本文认为：研究区为南西—北东向不对称型北断南超凹陷，沉积层厚度较大且北部沉积层厚度大于南部，南部沉积超覆于乌孙山隆起之上；区内主要断裂为高角度次级断裂，北部山前凹陷可能发育逆掩断裂；区内火成岩以侵入的基性火成岩为主，伴有部分喷出火成岩和中酸性火成岩.

本次反演尽可能利用了已知的各种约束信息，限于数据精度和算法，所得解模型与实际情况会存在差异，随着勘探程度的不断加深，更多的先验信息的加入，会使得反演结果越来越接近实际情况.

感谢中国地质调查局油气资源调查中心提供了部分观测数据和相关资料，并且在研究过程中提供了诸多帮助.感谢两位审稿专家提出的宝贵意见.