雙逆沖斷層間的構(gòu)造樣式
——以柴達木盆地躍進二號—躍東地區(qū)為例

王信國,王 濮,何建坤,李東安

（1.中國科學(xué)院青藏高原研究所,北京 100085; 2.中國石油天然氣股份有限公司煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028; 3.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢 430074）

雙逆沖斷層間的構(gòu)造樣式
——以柴達木盆地躍進二號—躍東地區(qū)為例

王信國1,王 濮2,何建坤1,李東安3

（1.中國科學(xué)院青藏高原研究所,北京 100085; 2.中國石油天然氣股份有限公司煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028; 3.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢 430074）

單逆沖斷裂帶兩側(cè)的構(gòu)造樣式已經(jīng)有了充分的研究,但雙逆沖斷層間的構(gòu)造樣式卻少有詳細的論述?；趯嶋H三維地震資料解釋和有限元應(yīng)力場模擬,通過對三維斷層組合和有限元模型應(yīng)力、應(yīng)變分布特征分析,發(fā)現(xiàn)雙逆沖斷層間存在近直立走滑斷層,且走滑斷層兩側(cè)地層產(chǎn)狀相反。這對研究復(fù)雜構(gòu)造交匯部位的構(gòu)造樣式和礦產(chǎn)資源勘查有指導(dǎo)意義。

雙逆沖斷層;構(gòu)造樣式;走滑斷層;柴達木盆地

柴達木盆地位于青藏高原北部,西北鄰阿爾金山,東北止祁連山,南抵昆侖山,東以秦嶺為界,是我國西部一個大型的中新生代盆地。躍進二號—躍東地區(qū)位于柴達木盆地西部坳陷,隸屬于昆北斷階亞區(qū)尕斯斷陷帶,是盆地西部重要油產(chǎn)區(qū) （圖 1）。由于受印度板塊和亞歐板塊碰撞的作用和阿爾金走滑斷裂帶以及東昆侖走滑斷裂帶的影響,研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形非常復(fù)雜,主要受阿拉爾斷裂、Ⅶ斷裂和躍東斷裂 3條逆沖斷層控制,三者之間的構(gòu)造組合關(guān)系尤其是Ⅶ斷裂和躍東斷裂之間構(gòu)造變形特征的認(rèn)識一直存在爭議。

根據(jù) 2005年新采集的高分辨率地震資料,經(jīng)過精細的三維地震資料疊前深度偏移處理和構(gòu)造解釋,發(fā)現(xiàn)在Ⅶ斷層和躍東斷裂之間地層產(chǎn)狀呈“屋脊”狀,其間發(fā)育近直立的斷層。由于不同于經(jīng)典的逆沖斷層構(gòu)造樣式 （鏟式逆沖構(gòu)造、疊瓦狀逆沖構(gòu)造、坡坪式逆沖斷層和雙重逆沖構(gòu)造等）[1～6],這種構(gòu)造組合發(fā)育于雙逆沖斷層之間,其構(gòu)造特征迄今還沒有人詳細討論。在最新地震資料處理和解釋的基礎(chǔ)上,結(jié)合鉆井證實的地層和斷層組合特征,給出這種雙逆沖斷層的構(gòu)造樣式,并通過有限元模擬對其存在進行驗證,希望對逆沖斷層構(gòu)造組合的研究和復(fù)雜構(gòu)造油氣勘探開發(fā)提供有益的幫助。

圖 1 躍進二號—躍東區(qū)域位置與斷裂綱要Fig.1 Location and outline of the Yuejing-2 and Yuedong faults

1 研究區(qū)斷裂構(gòu)造特征

南部受印度板塊和亞歐板塊碰撞產(chǎn)生的向北擠壓應(yīng)力,北部受祁連山對柴達木盆地向南推擠作用,西部和東南部受阿爾金走滑斷裂帶和東昆侖走滑斷裂帶作用,研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育阿拉爾斷裂帶、Ⅶ斷裂帶和躍東斷層 3條逆沖斷層以及相關(guān)的次級斷層 （圖 1）。

阿拉爾斷裂是一條近 NW-SE向的斷裂,斷面 S W傾的高陡傾角逆斷裂,是一長期持續(xù)活動的斷裂,其斷距在平面上呈有規(guī)律變化,垂直斷距和水平斷距自西向東由大變小,斷距 160～1 600 m;Ⅶ斷層是研究區(qū)另一條重要的大斷層,走向近NNW向,斷面 NW傾的高陡傾角逆斷裂,也是一長期持續(xù)活動的斷裂,向北延伸被躍東斷層所截,斷距 40～1 600 m;躍東斷層是一條近 EW向的斷層,前人曾把躍東斷層和阿拉爾斷層合稱阿拉爾斷層,躍東斷層的斷面形態(tài)、特征和阿拉爾斷層相似,但其活動強度較阿拉爾斷層弱,斷距 20～1 000 m。躍東和Ⅶ斷層與阿拉爾斷裂構(gòu)成一套左旋走滑性質(zhì)的構(gòu)造,受這些逆沖斷層的影響,在構(gòu)造的主體部位次一級斷層非常發(fā)育。在躍東和Ⅶ斷層之間的深部地區(qū)發(fā)育有兩條近直立的走滑斷層,其中一條和躍東斷層近平行,另一條和Ⅶ斷層近平行。這兩條斷層不僅起到了調(diào)節(jié)雙逆沖斷層 （躍東和Ⅶ斷層）的作用,也改變了躍東地區(qū)中、深部的構(gòu)造特征。

2 典型地震剖面構(gòu)造解析

經(jīng)過 Y2-8-1,Yzh1,Yd4和 Yd3井的主測線AB,CD,EF和GH的地震剖面清晰的展示了躍進二號—躍東地區(qū)的構(gòu)造組合特征。主測線AB,CD,EF和GH的地震剖面都受Ⅶ斷層和躍東斷層雙逆沖斷層的影響,垂向上從上到下發(fā)育 3套構(gòu)造層,鉆井證實 3套構(gòu)造層之間存在部分地層重復(fù)。Ⅶ斷層上盤為第一套構(gòu)造層,稱為躍進二號東高點;Ⅶ斷層下盤和躍東斷層上盤之間為第二套構(gòu)造層,稱為躍東構(gòu)造;躍東斷層下盤為第三套構(gòu)造層,稱為躍中構(gòu)造。這 3套地層產(chǎn)狀和構(gòu)造組合特征各不相同,躍進二號東高點構(gòu)造較為破碎,類似經(jīng)典的斷展褶皺;躍東構(gòu)造受雙逆沖斷層的控制而更復(fù)雜,地層逆沖并呈“屋脊”狀,其間發(fā)育近直立的走滑斷層;躍中構(gòu)造是產(chǎn)狀較平緩的負(fù)向單元,構(gòu)造組合相對簡單。

疊前深度偏移成像處理后,Ⅶ斷層下盤和躍東斷層上盤之間不僅存在斷層牽引現(xiàn)象,而且通過三維斷層組合,發(fā)現(xiàn)數(shù)條近直立的走滑斷層,其特征表現(xiàn)為:在主測線AB和CD剖面 2 000 ms左右,Ⅶ斷層下盤和躍東斷層上盤之間發(fā)育近直立的 103#斷層,以 103#斷層為中心,斷層左側(cè)的波組特征從高到低發(fā)育,傾角較緩,左傾約 15°;斷層右側(cè)的波組特征也從高到低發(fā)育,傾角較陡,右傾約 30°發(fā)育。在主測線EF和GH剖面 2 000 ms左右,Ⅶ斷層下盤和躍東斷層上盤之間發(fā)育近直立的 100#斷層,以 100#斷層為中心,斷層兩側(cè)的波組特征都是從高到低發(fā)育,傾角較緩,約 10°,呈現(xiàn)弱對稱特征 （圖 2,圖 3）。走滑斷層兩側(cè)鉆井證實部分地層重復(fù),并且油氣測試層多且活躍。

3 雙逆沖斷層構(gòu)造樣式

構(gòu)造樣式[7,8]是指一組相關(guān)構(gòu)造的總體特征,這些特征可以與其他地區(qū)或不同時代的另一組相關(guān)構(gòu)造進行區(qū)別和比較。油區(qū)構(gòu)造樣式是指含油氣地區(qū)具有相同或相近成因和形態(tài)特征的地質(zhì)構(gòu)造組合,它們在類似的變形條件下會重復(fù)出現(xiàn)。在油氣勘探中,構(gòu)造樣式研究是為了預(yù)測油氣圈閉類型,同時為解釋地震資料提供合理的地質(zhì)模型。

圖 2 AB和 CD過井地震剖面Fig.2 Seismic lineABandCDtied to wells

圖 3 EF和 GH過井地震剖面Fig.3 Seismic lineEFandGHtied to wells

構(gòu)造樣式分析主要針對油區(qū)構(gòu)造的幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和形成時間,特別是指幾何形態(tài)的研究。前人對柴達木盆地構(gòu)造樣式[9～11]已經(jīng)展開研究,提出了多種類型的構(gòu)造樣式,但對雙逆沖斷層間構(gòu)造樣式研究較少。根據(jù)研究區(qū)典型地震剖面分析,提出雙逆沖斷層間存在近直立走滑斷層的構(gòu)造樣式模式圖 （圖 4）,圖 4a為躍進地區(qū)雙逆沖構(gòu)造模式圖,圖 4b為一般的雙逆沖斷層的構(gòu)造模式圖。

圖 4 雙逆沖斷層間的構(gòu)造模式Fig.4 Structural styles between double thrust faults

4 典型構(gòu)造形成機制有限元模擬

4.1 模型的建立

根據(jù)躍東地區(qū)深部發(fā)育近直立斷層的構(gòu)造特征,建立 2D模型。模型位置和主測線的走向相似,垂直于Ⅶ和躍東斷層,水平方向為 240 km,垂向上深度為 40 km,上地殼 20 km和中地殼20 km[12,13],上地殼流變學(xué)特征采用彈塑性 （D-P準(zhǔn)則）,中地殼流變學(xué)特征采用粘彈塑性 （麥克斯韋準(zhǔn)則）,下地殼的流變學(xué)特征隨溫度而變化,地溫梯度為 25℃/km。模型左右邊界施加對等的位移邊界 1.2 mm/y,模型上邊界為自由邊界,考慮地殼均衡,底界為靜水壓力邊界。斷層以庫侖摩擦準(zhǔn)則按接觸問題處理,斷層內(nèi)摩擦角 30°。采用ADEL I有限元軟件進行模擬[14]。

4.2 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果表明 （圖 5,圖 6）,對一個包含兩條逆沖斷層的垂向 2D剖面左右兩側(cè)施加相等的位移邊界,在合適的巖石參數(shù)和溫度條件下,在兩條斷層的外側(cè)可以看到應(yīng)力和應(yīng)變呈層性而且大小也有規(guī)律性:在左斷層的左側(cè)應(yīng)力較大部位主要集中在淺部,而在右斷層的右側(cè)應(yīng)力較大部分主要集中在剖面的中部。

圖 5 應(yīng)變在剖面上的分布Fig.5 Sectional view of strain

圖 6 應(yīng)力在剖面上的分布Fig.6 Sectional view of stress

在兩條先存斷層之間發(fā)生復(fù)雜應(yīng)力、應(yīng)變變化。應(yīng)力和應(yīng)變變化的特征具有相似性,都是由兩條先存斷層呈某一角度向兩條斷層中間爬升,形成“屋脊”狀相對特征,在“屋脊”的中心部位應(yīng)力和應(yīng)變變化強烈,可能發(fā)育近直立斷層。

應(yīng)變結(jié)果 （圖 5）:在斷層上盤遠端、兩條斷之間的下部和斷層下盤的遠端應(yīng)變比較集中;在兩條斷層之間應(yīng)變呈“屋脊”狀相對分布,在深部應(yīng)變較小;斷層下盤靠近斷層的部分應(yīng)變由近水平向近垂向發(fā)生變化;靠近斷層上盤應(yīng)變也發(fā)生近垂向的變化。

應(yīng)力結(jié)果 （圖 6）:應(yīng)力呈躺椅狀從左到右從上到下分布在模型的中部;在兩條斷層之間應(yīng)力相對變小并發(fā)生突變,而且呈現(xiàn)相對分布;靠近左邊斷層的上部應(yīng)力相對較強;靠近右邊斷層的下部應(yīng)力相對較弱;在淺部和深部應(yīng)力小變化也較小。

5 討論

經(jīng)典逆沖斷層構(gòu)造樣式 （鏟式逆沖構(gòu)造、疊瓦狀逆沖構(gòu)造、坡坪式逆沖斷層和雙重逆沖構(gòu)造等）的研究解決了整個逆沖構(gòu)造系統(tǒng)沿單個先存斷層發(fā)育的模式:即在單側(cè)擠壓或者雙側(cè)擠壓的情況下,沿已存逆沖斷層的上盤依次發(fā)育新的逆沖斷層的后展式或者沿已存逆沖斷層的下盤依次發(fā)育新的逆沖斷層的前展式以及已存逆沖斷層在爬升斷坡過程中如何形成不同的逆沖斷層和褶皺組合形態(tài)[1～6]。對逆沖斷層形成的力學(xué)機制研究也是主要集中在斷裂力學(xué)和單逆沖斷層[15,16]。

在躍進二號—躍東地區(qū)發(fā)現(xiàn)Ⅶ斷層和躍東斷層逆沖斷層之間發(fā)育近直立走滑斷層的情況,經(jīng)常被解釋為斷層牽引作用而忽略了走滑斷層的存在。針對近直立斷層的存在性,本文用一個簡單的 2D有限元模型來驗證。雖然本次模擬只考慮了正交擠壓的特殊情況,但是,如果把應(yīng)力的大小分布特征看作地層的特征來說,模擬的應(yīng)力結(jié)果和實際發(fā)育的地層特征很相似。雖然模擬結(jié)果和實際地震資料相比仍有不足之處,這是由于躍進二號—躍東地區(qū)不僅受到南北向的擠壓還受到阿爾金走滑斷裂帶和東昆侖走滑斷裂帶的側(cè)向作用,其受力的情況非常特殊,其自然界的構(gòu)造特征會更加復(fù)雜?？偟膩碚f,通過模擬可以證實在兩條先存斷層的情況下,如果受到擠壓應(yīng)力場作用,在兩條斷層的中間可以形成近直立的斷層,斷層兩側(cè)的產(chǎn)狀相對。

6 結(jié)論

通過對躍進二號—躍東地區(qū)過井地震剖面的精細解譯和 2D模型的有限元模擬,確認(rèn)在雙逆沖斷層之間不僅存在斷層牽引現(xiàn)象,還發(fā)育有近直立的走滑斷層,走滑斷層兩側(cè)地層產(chǎn)狀相對。這對于逆沖斷層的研究和復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的油氣勘探開發(fā)具有很好借鑒作用。

1 Suppe J.Geometry and kinematics of fault bend folding[J].American Journal of Science,1983,238:648-721

2 Suppe J,MedwedeffD A.Geometry and kinematics of fault propagation folding[J].Ecolgae Geologicae Helvetiae,1990,83:409-454

3 NarrW,Suppe J.Kinematics of basement-involved compressive structures[J].American Journal of Science,1994,294:802-860

4 Mitra S,MountV.Foreland basement-involved structures[J].American Association of Petroleum Geologists,Bulletin,1998,82:70-109

5 WallaceW K,Homza T X.Detachment folds versus fault propagation folds,and their truncation by thrust faults[A].Thrust tectonics and hydrocarbon systems[C].AAPGMemoir,2004,82:324-355

6 何登發(fā),賈承造,周新源,等.多旋回疊合盆地構(gòu)造控油原理[J].石油學(xué)報,2005,26（3）:1～9

7 方向,江波,張永庶.柴達木盆地西部地區(qū)斷裂構(gòu)造與油氣聚集[J].石油與天然氣地質(zhì),2006,27（1）:56～61

8 王燮培,嚴(yán)俊君.含油氣盆地構(gòu)造樣式研究中幾個問題的討論[J].地質(zhì)科技情報,1996,15（4）:51～56

9 張明利,金之鈞,萬天豐,等.柴達木盆地應(yīng)力場特征與油氣運聚關(guān)系[J].石油與天然氣地質(zhì),2005,26（5）:674～679

10 倪金龍,王鵬,杜小亮,等.柴達木盆地西南部新生代構(gòu)造樣式及其動力學(xué)特征[J].油氣與地質(zhì)采收率,2009,16（1）:9～12

11 毛治國,胡望水,余忠祥,等.柴達木盆地西部構(gòu)造樣式及疊合關(guān)系[J].海洋石油,2005,25（1）:17～21

12 羅群.柴達木盆地成因類型探討[J].石油實驗地質(zhì),2008,30（2）:115～120

13 肖安成,楊樹鋒,程曉敢,等.柴達木盆地北緣的右行走滑沖斷系統(tǒng)及其動力學(xué)[J].石油與天然氣地質(zhì),2006,27（4）:482～487,494

14 He Jiankun,Chéry J.Slip rates of the Altyn Tagh,Kunlun and Karakorum faults（Tibet）from 3D mechanical modeling[J].Earth and Planetary Science Letters,2008,274:50-58

15 宋惠珍,曾海容,Heliot D,等.逆沖斷層應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J].地震地質(zhì),1999,21（3）:275～286

16 馬潤勇,彭建兵,門玉明,等.逆沖斷層發(fā)育的力學(xué)機制研究[J].西北大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）,2003,33（2）:196～199

A study of structure styles between double thrust faults—taking the area between Yuejin-2 and Yuedong thrust faults in the Qaidam Basin as an example

Wang Xinguo1,Wang Pu2,He Jiankun1,and LiDongan3

（1.Institute of Tibetan Plateau Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing100085,China;2.PetroChina Coalbed Methane Company L im ited,Beijing100028,China;3.Faculty of Resources,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei100083,China）

The structure styles on both sidesof a single thrust fault have been thoroughly probed.Nevertheless,detailed investigation into that between double thrust faults is still rare.Based on 3-D seis mic data interpretation and stress field simulation with finite element,the paper analyzes the 3-D fault combination and the distribution features of stress and strain of the finite element simulation,recognize the existence of nearly vertical strike-slip faults with opposite occurrence of for mations at their two sides.The studymay be used to guide the research of structure style of complicate structural intersections aswell asmineral resource exploration.

double thrust fault,structure style,strike-slip fault,Qaidam Basin

TE121.2

A

0253-9985（2010）01-0114-05

2009-10-29。

王信國 （1979—）,男,博士、助理研究員,盆地模擬。

國家自然科學(xué)基金項目“青藏高原大型走滑斷裂應(yīng)變分異的動力學(xué)研究”（40774050）。

（編輯 董 立）