西南天山—塔里木盆地結(jié)合帶淺深構(gòu)造關(guān)系——深地震反射剖面的初步揭露

侯賀晟，高 銳＊，賀日政，蔡勛育，劉金凱，熊小松，管 燁，曾令森，James H.Knapp，Steven Roecker

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

2 中國地質(zhì)科學(xué)院深部探測與地球動力學(xué)開放實驗室，北京 100037

3 中國石油化工股份有限公司，北京 100078

4 南卡羅來納大學(xué)地球與海洋科學(xué)學(xué)院，美國南卡羅來納州哥倫比亞 29208

5 倫斯勒理工學(xué)院，美國紐約州特洛伊 12180－3590

1 引 言

遠離板塊碰撞帶的天山是典型的陸內(nèi)造山帶.如何理解天山陸內(nèi)造山機制與淺－深部動力學(xué)過程一直是地學(xué)家關(guān)心和討論的主要問題［1－15］.

關(guān)于天山隆升的機制，有影響的論點是印度板塊的遠距離碰撞效應(yīng)［7，12］.晚新生代以來，印度板塊與歐亞大陸的匯聚作用和持續(xù)碰撞使中亞內(nèi)陸沿天山、昆侖山、阿爾金山發(fā)生變形［7，13］.現(xiàn)今 GPS觀測結(jié)果［14－15］，塔里木盆地整體上對天山褶皺帶形成正向擠壓，剛性的塔里木盆地內(nèi)部基本不變形［14］，向北傳遞來自印度板塊的推擠應(yīng)力［15］.

也有學(xué)者根據(jù)天山山前萬米的新生界沉積記錄和頻發(fā)的地震活動［16－17］，認為塔里木地塊與哈薩克斯坦板塊的向天山下的匯聚、俯沖可能仍在繼續(xù)，南天山前可能隱伏著巨大的大陸板塊俯沖帶［18］，塔里木板塊沿著這個巨型俯沖帶深深地俯沖到天山之下，導(dǎo)致現(xiàn)今天山的隆起.俄羅斯學(xué)者解釋最近的地震觀測資料時，仍維持這種認識［19］.

數(shù)條穿過塔里木盆地與天山造山帶南緣的深地震測深剖面［20－22］，均揭示了剛性的塔里木盆地具有穩(wěn)定較硬的基底，地殼平均速度較高（6.5km／s），地殼厚度45km，向北進入天山造山帶，地殼顯示了軟弱的特征，平均速度為6.2km／s，地殼加厚到50～55km［20，23］.接收函數(shù)的結(jié)果顯示，南天山的平均地殼厚度為52km［24］.由寬角地震反射、重力數(shù)據(jù)反演和面波層析綜合計算所獲得的Moho深度圖［25］揭示出，Moho面深度由塔里木板塊下的48km加深至南天山下的60km.其它一些天山及鄰區(qū)主動源和天然地震的觀測的成果，揭示了該地區(qū)巖石圈及地幔過渡帶較為復(fù)雜的行為特征［26－29］.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對南天山的淺部地殼，即新生代構(gòu)造變形開展了不同程 度的研究［13，30－33］，這些研究為認識天山與塔里木盆地的構(gòu)造變形和演化提供了非常重要的依據(jù).在解剖盆山構(gòu)造關(guān)系研究中，前人一般是利用石油地震剖面解釋來研究盆嶺耦合關(guān)系的構(gòu)造樣式，并建立構(gòu)造模式［34］.這些剖面通常只記錄到雙程走時（TWT）6s，最多9s［35］，這對研究并刻畫盆地的基底是足夠的，但是這些資料無法提供盆地下，尤其是盆山結(jié)合部的淺－深結(jié)構(gòu)信息及其聯(lián)系.

深地震反射剖面已被國際地學(xué)界公認為揭示地殼精細結(jié)構(gòu)的有效手段［36－42］.探測塔里木塊體北緣與南天山巖石圈尺度的接觸關(guān)系，無疑將提升對該區(qū)新生代以來的構(gòu)造形變特征、幾何結(jié)構(gòu)的認識，將促進板內(nèi)造山動力學(xué)研究的發(fā)展.本文展示一條布設(shè)在西南天山與塔里木盆地結(jié)合部位的深地震反射時間剖面，打開一扇剖析該區(qū)淺－深構(gòu)造關(guān)系的窗口.本文主要介紹Moho界面以上，地殼尺度內(nèi)的淺－深反射特征的聯(lián)系，關(guān)于Moho界面以下巖石圈地幔的反射構(gòu)造，作者將另文發(fā)表.

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況和深地震反射剖面位置

位于南天山與塔里木盆地過渡區(qū)的南天山褶皺沖斷帶，發(fā)育多排東西走向的逆沖斷層和相關(guān)褶皺［4，6，43］，各排構(gòu)造變形特征及年代學(xué)分析也有相關(guān)報道［34，44］，逆沖斷層由北向南擴展［45］，斷層和褶皺的形成時代自北向南逐漸變新［6］.研究區(qū)位于南天山?jīng)_斷褶皺帶西段、西昆侖造山帶西部帕米爾構(gòu)造結(jié)（外帕米爾帶）和塔里木盆地西北部（喀什凹陷）等構(gòu)造單元的交匯部位（圖1）.

作為塔里木盆地的一個次級構(gòu)造單元，喀什北緣地區(qū)具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和豐富的油氣資源，將是研究盆地變形和盆山耦合關(guān)系的典型區(qū)域.其構(gòu)造變動既受天山褶皺系活動的控制，又與塔里木盆地構(gòu)造活動相關(guān)，造就了其復(fù)雜而又獨特的構(gòu)造特征.現(xiàn)今南天山?jīng)_斷帶位于南天山造山帶和塔里木盆地的過渡地帶，基底性質(zhì)屬于塔里木古大陸邊緣的一部分，在南天山長期復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演化過程中，逐漸卷入造山作用，成為現(xiàn)今南天山山脈的一部分［35］.

為了研究南天山與塔北前陸盆地主要沖斷構(gòu)造、斷裂展布和淺深構(gòu)造關(guān)系，進而探討油氣遠景，2007年夏季，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所聯(lián)合中石化勘探公司和美國南卡羅萊納大學(xué)在喀什東布置一條橫過塔里木盆地西北緣與天山南緣的地震反射測線，剖面大致沿76°E展布，自阿圖什南，向北至中國與吉爾吉斯邊境附近，大致沿阿圖什市向西北至烏恰縣鐵列克的公路進行.剖面位置見圖1，地震測線自南向北分別穿過喀什背斜帶、阿圖什背斜帶、柯克塔木、塔什皮薩克背斜帶和木茲杜克背斜帶；塔什皮薩克斷裂（F1）和麥丹斷裂（F2）.

3 數(shù)據(jù)采集和處理

圖1 深地震反射剖面位置圖黑線為深地震反射剖面共中心點（黃色數(shù)字）位置，紅線為斷層.Fig.1 Location map of deep seismic reflection profileBlack line is disruptions of common midpoint（yellow number），red line is the fault.

地震測線采用彎線施工，全長121km，其中炮間距250m，檢波點距50m，采用正常小炮（40kg）、中炮（80kg）和大炮（200kg以上）三種藥量尺度的深井（井深范圍20～36m）激發(fā)和長排列接收進行數(shù)據(jù)采集，共采集474炮，其中小炮347個，中炮115個，大炮4個.具體采集參數(shù)見表1.

表1 深地震反射采集參數(shù)Table 1 Data acquisition parameters of deep seismic reflection

沿地震測線由盆地區(qū)進入山區(qū)，最高海拔高程2887m，最低海拔高程1228m.淺層折射面不連續(xù)，低、降速層厚度變化較大，山地區(qū)低速層厚度大，一般在20～31m之間，存在降速層，高速層速度達2500～3600m／s，盆地區(qū)無降速層，低速層厚度在5～9m，高速層速度在1600m／s左右.單炮記錄總體較好，淺、中、深反射波組較為齊全，能量較強，連續(xù)性較好，莫霍反射出現(xiàn)在17s（TWT，雙程走時，下同）左右.

在南天山—塔里木盆地盆山結(jié)合帶，地形起伏較大，表層、地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，靜校正問題、彎線面元的離散度等因素影響疊加效果.

采用組合靜校正方法以解決盆山結(jié)合帶近地表靜校正問題［46］；采用地表一致性振幅補償和振幅一致性反褶積解決了振幅、頻率一致性問題［47］.采用多域組合去噪技術(shù)有效地壓制了噪聲，采用多道疊加技術(shù)對遠偏移距多次波進行壓制，應(yīng)用預(yù)測反褶積技術(shù)消弱部分多次波，在此基礎(chǔ)上，對近偏移距多次波和層間多次波適當(dāng)采用了近道切除壓制技術(shù)來消除部分噪聲，并利用F－K傾角濾波技術(shù)，通過校正和信噪分離濾除多次波（圖2），提高了資料信噪比.

4 盆山結(jié)合帶淺－深構(gòu)造格架特征

西南天山—塔里木盆地間的盆山結(jié)合帶深地震反射時間剖面成果（圖3，CMP間距25m），揭示出塔里木盆地與西南天山結(jié)合地帶的地殼精細結(jié)構(gòu)，從淺部到深部反射波組強，層位清晰，接觸關(guān)系明顯.通過西南天山與塔里木盆地西北緣的盆山結(jié)合帶的探測，顯示出塔里木盆地的淺部變形特征明顯受到深部結(jié)構(gòu)的控制.這種結(jié)構(gòu)關(guān)系，有助于進一步認識塔里木盆地與天山造山帶結(jié)合部位地殼形變特征及盆地內(nèi)油氣蓋層特征.

4.1 穩(wěn)定基底與蓋層變形

地震反射剖面南段顯示塔里木盆地北緣6.5s強水平反射層，代表塔里木盆地北緣基底埋深約為12km （按4km／s的上地殼平均速度［17］）（圖4）.沉積物層5.1s，約10km處觀察到另一強水平反射界面，解釋其為沉積物蓋層底部的主滑脫層（圖4）.盆地北側(cè)廣泛分布的強水平反射揭露出塔里木盆地北緣至阿圖什背斜基底穩(wěn)定，無斷裂活動.地震反射剖面中段，基底和滑脫層反射層上隆并向北延續(xù)被斷層（F2）截斷，斷層切穿沉積物和基底延伸到下地殼（圖4）.由此我們解釋喀什背斜為斷層滑脫褶皺，阿圖什背斜為斷層相關(guān)褶皺.受南北擠壓影響，沉積物沿滑脫層向上隆起.地震反射剖面北段南天山一側(cè)，沉積物層和基底反射波阻不連續(xù)，斷裂活動明顯，表明天山構(gòu)造活動強烈.

地震剖面證實塔北前陸盆地的構(gòu)造變形及其演化與南天山造山帶的發(fā)育密切相關(guān)［48］.靠近天山，塔里木盆地北緣的新生代沉積層受主滑脫斷裂活動影響產(chǎn)生隆起，形成褶皺.自南向北，基底埋深變大，變形加強.至南天山，斷裂活動最為明顯.雖然盆山結(jié)合部位淺層地震波組不很清楚，但是兩側(cè)波組差異較大.剖面北側(cè)西南天山向盆地發(fā)育一系列向南的逆沖構(gòu)造，其變形深度席卷了整個沉積蓋層，波及下地殼.

圖2 盆地內(nèi)400kg大炮記錄Fig.2 400kg shot gather in basin

4.2 Moho反射

陸內(nèi)造山所構(gòu)建的區(qū)域性盆山格局及其構(gòu)造耦合是匯聚單元在巖石圈尺度上進行的過程，造山帶及山前構(gòu)造帶同受深部構(gòu)造的控制，淺部的構(gòu)造變形與深部構(gòu)造有著復(fù)雜而有機的聯(lián)系［49］.整條剖面上都得到了較清楚的莫霍面反射.塔里木盆地莫霍面較平坦，時間深度約17s.西南天山的莫霍面略深，在18s左右.兩者在盆山結(jié)合部位下存在莫霍面錯斷（圖4）.

4.3 盆山結(jié)合部淺－深部結(jié)構(gòu)關(guān)系

剖面顯示出塔里木盆地北緣發(fā)育主滑脫構(gòu)造與南天山山脈發(fā)育的南傾隱伏逆沖斷層在盆山結(jié)合帶形成斷層相關(guān)褶皺.由南向北至南天山斷裂活動加強，地層錯斷明顯（圖4）.南天山底部莫霍面也發(fā)生錯斷，印證新生代天山隆起過程中構(gòu)造活動強烈，反映出新生代中國西部陸－陸匯聚的一種深部過程及淺部響應(yīng).

5 討論與結(jié)論

南天山—塔里木盆地盆山結(jié)合帶深地震反射剖面反映了沉積地層、山前斷裂、逆沖構(gòu)造、下地殼傾斜反射、莫霍面起伏等多方面豐富的信息，揭露了盆山結(jié)合帶地殼尺度內(nèi)的淺深精細結(jié)構(gòu).

（1）地震剖面南部揭示出塔里木盆地西南緣沉積蓋層厚度可達約12km，并且具有穩(wěn)定的結(jié)晶基底.沉積物層內(nèi)發(fā)育主滑脫層.巨厚的沉積和穩(wěn)定的基底在整條剖面都可以追逐，為油氣生成與成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ).類比同一構(gòu)造區(qū)阿克1井的鉆井資料，喀什背斜南翼中生界白堊系地層具有油氣遠景.

（2）喀什背斜和阿圖什背斜為斷層相關(guān)褶皺.木茲杜克背斜、塔什皮薩克背斜、柯克塔木—阿圖什背斜及喀什背斜之間分別發(fā)育上地殼尺度的向北傾斜的斷裂（斷裂F1－F2）和向南傾斜的隱伏斷裂（F3－F4）.

（3）上地殼一系列南向的逆沖構(gòu)造反映了西南天山向盆地的仰沖作用席卷了整個沉積蓋層，并且越向天山內(nèi)部，逆沖變形作用席卷的深度越深.

（4）時間剖面上可以追蹤到較為連續(xù)的 Moho反射，從南向北Moho面反射時間從17.4s變化為17.9s，在盆山結(jié)合處略有上撓至17s，結(jié)合該區(qū)域的測深結(jié)果［20，26］，總體上南天山 Moho面埋深要比塔里木板塊深約6～8km.

南天山—塔里木盆地盆山結(jié)合帶具有極其復(fù)雜的地質(zhì)背景，需要不斷探索反射地震工作的方法和思路，在盆山結(jié)合帶的核心部位加大探測工作量，以獲得更優(yōu)質(zhì)的深反射地震數(shù)據(jù)，進而更準確地為推測油氣遠景規(guī)模服務(wù).

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