塔城盆地北部山区属于成吉斯-塔尔巴哈台构造带的东延部分，该构造带广泛发育奥陶纪—志留纪岛弧火山岩，在奥陶纪早期，大规模火山碎屑岩覆盖在岛弧火山岩之上。位于塔城北山的早奥陶世蛇绿混杂岩带属于成吉斯-塔尔巴哈台-洪古勒楞板块缝合带的组成部分（朱永峰等，2006），代表早古生代古亚洲洋消减的地质过程。从泥盆纪开始，成吉斯-塔尔巴哈台地区发育陆相火山活动（流纹岩-英安岩-凝灰岩组合），与含植物化石的陆相碎屑岩伴生。20世纪80年代，塔城盆地开展过1∶20万重、磁普查工作。1∶20万剩余重力异常（图6.3）反映了塔城盆地为重力高环绕的重力低异常区。
塔城盆地中央的相对重力低异常区又可细分为中央凸起和周围环状拗陷，其中周围环状拗陷又可分为北部拗陷、南部拗陷、西部拗陷和东部拗陷。从重力异常强度分析，东部拗陷深度最大，南部拗陷次之，北部拗陷最浅。对塔城盆地重力异常所做的基底深度反演表明，塔城盆地边缘深度大，在中部存在一片相对隆起区，其隆起的幅度＞500m，面积1700km2，与磁性基底的隆起区范围大致对应。尤其特别的是，在隆起区中部存在老地层，大致对应于TC200701地震剖面的4001～4401点区间，在地震剖面上这个区域已见到“岩浆岩体”的地震波特征。
图6.3 塔城盆地剩余重力异常图
塔城盆地剩余磁力异常（1∶20万）（图6.4）反映了盆地及其周围火山岩的发育情况。盆地内和盆地外围均发育条带状火山岩，盆地内发育规模相对较小，盆地周围火山岩发育规模较大。盆地内在中央凸起南部发育两条NW向火山岩带，盆地南部和东部为褶皱山系边缘及造山带内火山岩发育带，规模较大，延伸较长。对航磁异常的磁性层反演表明，在塔城盆地范围内磁性基底深度在100～4000m之间，总体表现为南部浅，北部深，其间有4处相对隆起，隆起的幅度在500～1000m以上。
图6.4 塔城盆地剩余磁力异常图
在盆地内完成了2条二维十字交叉地震勘探剖面TC200701线（图6.5）和TC200702线（图6.6）（其中TC200702线与CEMP的TC2007 E01线重合），2条二维地震测线合计长度为180km。TC200701二维地震测线长度为100km，穿越塔城盆地北面重力高和南面重力低的地区，测线北端穿越库吉拜苏河，南面穿越喀拉布拉河。TC200702二维地震测线长80km，与TC200701测线基本垂直相交。
TC200701线为一条SN向剖面，在地震剖面上，明显存在中央凹、两端渐隆的地层沉积特征（图6.5）。上覆地层与下伏地层存在明显的不整合界线，t0时间约为1400ms。厚度700m左右，推测为上石炭统内部的沉积界面。在1900ms之下，地震波阻的分辨率明显下降。在TC200701线剖面中部和北部存在地震波阻从上到下突然杂乱反射的现象，认为可能是火山岩侵入“穿刺”造成，推测为侵入体。
TC200702线为一条穿越南部凹陷的近EW向剖面，从剖面上看，明显存在以削蚀不整合为界面的上下两套沉积层序，两套层序明显地表现为中间凹两边渐隆的沉积特征（图6.6）。在本剖面上下两套地层的不整合界线处，t0时间约为1400ms。与TC200701线相似，在不整合面之上，又存在两个小的不整合界面。不整合界面之下，在地震波阻相对可分辨的时段内，存在两个削蚀范围较小的不整合界面，推测为上石炭统内部的沉积界面，其下地震资料品质明显变差，据地震波阻的相对可靠程度断续追踪了下石炭统及可能的泥盆系顶界面。在本剖面的下伏层序中也存在着“穿刺”岩体，但岩体未侵入到1400ms以上的地层中。另外，在剖面中部下伏层序地层中存在构造挤压形成的“凹中凸”构造，其位于TC200701线与TC200702线交点的TC200702线上东11km处，推测凸起的主体为上石炭统。
图6.5 塔城盆地TC200701 地震剖面
图6.6 塔城盆地TC200702 地震剖面
塔城盆地开展CEMP剖面勘探（编号TC2007 E01），测线长度为245km。测线西北跨塔城盆地南部，往东经和什托洛盖盆地，过和3井，再向南穿过扎伊尔山到准噶尔盆西北缘九区。塔城盆地出露地层电阻率测定结果显示（表6.1），表层第四系砂砾石为相对高电阻率，第三系为相对低电阻率，石炭系火山岩为相对高电阻率，石炭系砂泥岩为相对低电阻率，泥盆系为相对高电阻率。CEMP剖面比较清楚地反映了研究区宏观电性结构，对区域构造格架和盆山过渡关系框架有很好的显示（图6.7）。塔城盆地东部凸起和扎伊尔山表现为明显的高阻隆起区，基底高阻直达地表（石炭系和泥盆系出露地表），盆地内表现为相对低阻（拗陷）的电性特征。
塔城盆地揭示的电性结构从上到下可分为低阻、高阻、相对低阻和高阻4 套大的电性层，分别为中新生界、石炭系和泥盆系的反映。CEMP频率域视电阻率断面主要突出反映中浅层的宏观电性结构。从塔城盆地与和什托洛盖盆地频率域视电阻率断面对比可以看出，两个盆地的中浅层都具有高、低、高电性结构特征，和什托洛盖盆地已经证实发育一套中生界侏罗系。石炭系电阻率等值线多处出现扭曲，推断为盆地内基底断裂的响应，主要错断层位为石炭系。
表6.1 塔城地区物性测量结果
图6.7 塔城盆地TC2007E01 线CEMP 二维电阻率反演剖面图
根据重力异常，可将盆地划分出3个构造带，分别为北部拗陷、中部隆起和南部拗陷，南、北两个拗陷呈弧形将中间隆起合围起来，向东连在一起。北部拗陷较塔城盆地南部拗陷要浅得多，古生代基底顶板深度在200～600m之间，可分为东、西两个凹陷，西凹陷古生代基底构成了自行圈闭的凹陷，底部标高约-100m，凹陷的幅度为500～600m。东凹陷古生代基底也构成圈闭，但圈闭程度要差些，底部标高300m，凹陷幅度约300m。南部拗陷NE走向＞150km，位于巴尔鲁克断裂以北，并与该断裂走向一致。凹陷的古生代基底顶板深度为500～1300m，较北部拗陷深。南部拗陷也分为东、西两个凹陷，西凹陷古生代基底构成了自行圈闭的凹陷，称为“裕民凹陷”，底部标高为-300m，幅度＞600m。东凹陷古生代基底构成圈闭构造，称为“额敏凹陷”，底部标高为-600m，幅度在1000m以上。构造划分及特征见表6.2。
在盆地中划分出主要的断裂构造有3条，由南向北排列如下：①裕民凹陷南缘断裂显示中等强度的重力梯级异常，强度在3×10-5m/（s2·km）左右，表现为密度界面特征。在Ⅰ号地震剖面中，界线南侧地震反射波同相轴极不明显，在该界线以北地震反射波同相轴清晰可见。该断裂构造是基岩出露区和盆地凹陷的分区界线。②额敏凹陷东缘断裂显示高强度重力梯级异常，强度5×10-5m/（s2·km），表现为密度界面特征。在Ⅱ号地震剖面中，该界线以东地震反射波同相轴极不明显，在该界线以西地震反射波同相轴清晰可见。该断裂构造是基岩出露区和盆地凹陷的分区界线。③额敏河断裂大致沿额敏河谷分布，显示低强度重力梯级异常，强度1×10-5m/（s2·km）。地震时间剖面在该区段反射波同相轴消失，表现为破碎带特征。据此解释为盆地内部的断裂构造，是塔城盆地南部拗陷区和塔城盆地中部隆起区的分区界线。除以上主要断裂构造外，还存在一些规模较小的断裂构造。
表6.2 塔城盆地构造划分及其特征一览表
断裂构造在重力异常中表现为梯级异常，较大规模的断裂对应的梯级异常为2×10-5～3×10-5m/（s2·km），深大断裂的梯级异常强度达5×10-5～10×10-5m/（s2·km）。在塔城盆地南缘，相当于额敏凹陷的东南缘存在一条规模较大的断裂，长度＞135km。该断裂对应的梯级异常强度最大值为6×10-5m/s2，是塔城盆地最大的断裂构造。在地震Ⅰ号剖面的2910～3400点之间存在一条反射波消失带，在该带南北两侧反射波同相轴有些变化，对比困难。该区段与这里的剩余重力异常梯级带对应，并有弱重力低值异常现象。因此将该区段解释为破碎带较合适。在额敏凹陷的西南边缘，地震时间剖面发生对比间断，位置在Ⅰ号剖面的1500点附近，解译为断裂构造。对应剩余重力异常存在梯级异常，强度为3×10-5m/（s2·km）。