吐哈盆地哈密坳陷逆斷層活動(dòng)性及演化

姜素華,宋傳會(huì),李三忠,2,張紅艷,楊曉婕

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100；2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266100)

吐哈盆地哈密坳陷逆斷層活動(dòng)性及演化

姜素華1,宋傳會(huì)1,李三忠1,2,張紅艷1,楊曉婕1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島 266100；2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266100)

在構(gòu)造解釋及斷層受力機(jī)制分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)逆斷層兩盤剝蝕與沉積的關(guān)系,將哈密坳陷逆斷層活動(dòng)的地質(zhì)模型歸納為單向逆沖型、逆沖生長(zhǎng)型和基底抬升型,并提出針對(duì)這3種類型逆斷層活動(dòng)量的計(jì)算方法,對(duì)主要斷層在印支期、燕山期和喜山期的活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行研究。結(jié)果表明:火石鎮(zhèn)凹陷內(nèi)的斷層在印支期活動(dòng)最為強(qiáng)烈,燕山期斷層活動(dòng)變?nèi)?喜山期只有南部邊界斷層活動(dòng)增強(qiáng)；三堡凹陷內(nèi)的斷層在印支期開始活動(dòng),燕山期斷層活動(dòng)最為強(qiáng)烈,喜山期斷層基本停止活動(dòng)；斷層活動(dòng)的差異性直接影響著各凹陷構(gòu)造格局的形成與演化,火石鎮(zhèn)凹陷構(gòu)造格局早在印支運(yùn)動(dòng)就基本定型,而三堡凹陷的構(gòu)造格局在晚燕山運(yùn)動(dòng)后才最終定型。

哈密坳陷；逆斷層；地質(zhì)模型；斷層活動(dòng)性；斷層演化

斷層活動(dòng)性分析是研究構(gòu)造演化和油氣運(yùn)聚成藏的基礎(chǔ)[1-3],傳統(tǒng)的斷層活動(dòng)性研究多基于正斷層的地質(zhì)模型,利用斷層落差、生長(zhǎng)指數(shù)、斷層活動(dòng)速率[4-5]等參數(shù)來(lái)描述斷層的活動(dòng)性,這對(duì)中國(guó)東部的斷層活動(dòng)研究和油氣勘探都起到了積極的作用。對(duì)于中國(guó)西部的疊合含油氣盆地來(lái)說(shuō),逆斷層發(fā)育廣泛,且地層剝蝕嚴(yán)重[6],傳統(tǒng)的針對(duì)伸展區(qū)的斷層活動(dòng)性計(jì)算方法受到了限制。隨著西部油氣勘探的不斷深入,逆斷層的活動(dòng)性及逆沖推覆帶的研究逐漸受到人們的重視[7-14],不少學(xué)者對(duì)逆斷層逆沖時(shí)間的確定[15]和逆沖導(dǎo)致的地層縮短[16]等方面進(jìn)行了研究,但對(duì)于逆斷層在其發(fā)育期的定量表征并未進(jìn)行深入的探討,用單一地質(zhì)模式分析不同逆沖帶的斷層活動(dòng)性,其適用性較差,不能達(dá)到精確定量表征的目的。因此,筆者依據(jù)哈密坳陷主要沉積時(shí)期不同類型斷層的活動(dòng)特征,分別建立單向逆沖型、逆沖生長(zhǎng)型和基底抬升型3種地質(zhì)模型,對(duì)逆斷層的活動(dòng)量和演化特征進(jìn)行研究。

1 哈密坳陷的逆斷層展布特征

哈密坳陷位于吐哈盆地東部,由北部的三堡凹陷、南部的火石鎮(zhèn)凹陷和東部的黃田凸起組成。通過(guò)對(duì)地震資料解釋及斷裂系統(tǒng)組合的分析,發(fā)現(xiàn)坳陷內(nèi)斷層主要為NNE、NWW和NE向平板式逆沖斷層(圖1)；從斷層走向玫瑰花圖可以看出,哈密坳陷斷層走向多為NNE向,傾向以SEE向?yàn)橹?。根?jù)斷層的規(guī)模和對(duì)現(xiàn)今構(gòu)造格局控制作用的不同,將哈密坳陷的斷層劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)3個(gè)級(jí)別,其中Ⅰ級(jí)斷層控制一級(jí)構(gòu)造單元,為坳陷的邊界斷層,Ⅱ級(jí)斷層是控制坳陷內(nèi)部二級(jí)構(gòu)造單元的主斷裂,為凹陷或者凸起的邊界斷層,Ⅲ級(jí)斷層主要控制凹陷內(nèi)構(gòu)造帶,為凹陷內(nèi)部圈閉的邊界斷層。

圖1 哈密坳陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐峙c斷層平面分布Fig.1 Tectonic units and faults distribution of Hami depression

(1)Ⅰ級(jí)斷層。坳陷內(nèi)有2條Ⅰ級(jí)斷層,分別是南湖斷層和哈爾里克山前斷層。南湖斷層近EW走向,平面延伸長(zhǎng)度大于65 km,最大斷距超過(guò)5 km,是哈密坳陷的南部邊界斷層；哈爾里克山前斷層NWW走向,最大斷距超過(guò)4 km,控制了哈密坳陷的北部邊界。

(2)Ⅱ級(jí)斷層。坳陷內(nèi)有2條Ⅱ級(jí)斷層,分別是花園斷層和HB1井東斷層。花園斷層NNE走向,平面延伸長(zhǎng)度大于15 km,最大斷距大于2 km,為火石鎮(zhèn)凹陷與黃田凸起的界線；HB1井東斷層NNE走向,平面延伸長(zhǎng)度大于25 km,最大斷距大于3 km,分割了三堡凹陷與黃田凸起。

(3)Ⅲ級(jí)斷層。坳陷內(nèi)Ⅲ級(jí)斷層數(shù)量較多,屬于“控圈斷層”,延伸長(zhǎng)度為10～30 km,斷距為0.5～2.0 km,如二股泉斷層、堡南斷層、堡東Ⅰ號(hào)斷層、堡東Ⅱ號(hào)斷層、花園Ⅰ號(hào)斷層、花園Ⅱ號(hào)斷層、火石鎮(zhèn)Ⅰ號(hào)斷層、火石鎮(zhèn)Ⅱ號(hào)斷層、哈北Ⅰ號(hào)斷層、哈北Ⅱ號(hào)斷層、H1井?dāng)鄬拥取；鹗?zhèn)凹陷Ⅲ級(jí)斷層的斷距普遍比三堡凹陷大。

1.1 逆斷層活動(dòng)性研究方法

在對(duì)斷裂系統(tǒng)解釋的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析斷層所受擠壓力的方向和受力機(jī)制,確定出該區(qū)斷層活動(dòng)的主要期次為印支期、燕山期和喜山期,再根據(jù)斷層兩盤剝蝕與沉積的關(guān)系,可將哈密坳陷逆斷層歸納為3種類型的地質(zhì)模型,即單向逆沖型、逆沖生長(zhǎng)型和基底抬升型(圖2),分別給出了斷層活動(dòng)量的計(jì)算方法。

圖2 三類逆斷層相關(guān)的剝蝕模型Fig.2 Three thrust-related erosional models

單向逆沖型是指逆斷層下盤不活動(dòng),僅上盤受擠壓應(yīng)力沿?cái)鄬酉蛏夏嫱?上盤推覆的地層被剝蝕,這是一種單向應(yīng)力模型(圖2(a))。在這種地質(zhì)模型中,上盤剝蝕的厚度可視為斷層逆推的垂向活動(dòng)量,即

斷層的活動(dòng)量=上盤剝蝕厚度(Da).

逆沖生長(zhǎng)型是一種雙向擠壓應(yīng)力模型,斷層兩盤同時(shí)受到擠壓,上盤向上逆推,下盤向下俯沖,上盤推覆的地層被剝蝕,同時(shí)由于下盤俯沖進(jìn)一步增大了可容空間,下盤地層得以繼續(xù)沉積。這是一種傳統(tǒng)的生長(zhǎng)逆斷層模型,在以往的逆斷層活動(dòng)性評(píng)估中,根據(jù)斷層兩盤錯(cuò)動(dòng)的界線確定斷距,比較簡(jiǎn)潔實(shí)用,此時(shí)考慮到斷層的實(shí)際活動(dòng)量不僅與上盤的地層剝蝕厚度有關(guān),還與下盤地層的沉積有關(guān)(圖2 (b))。在這種地質(zhì)模型下,斷層的實(shí)際活動(dòng)量為上盤剝蝕厚度與下盤沉積厚度之和,即

斷層的活動(dòng)量=上盤剝蝕厚度(Db)+下盤沉積厚度(db).

基底抬升型是由于下部基底抬升引起向上的擠壓力,地層整體隆起或掀斜,同時(shí)引發(fā)巖石破裂,形成斷層,在垂向上斷層上下兩盤同時(shí)抬升,在平面上,由于擠壓應(yīng)力在平面上的方向性,導(dǎo)致斷層上盤在抬升的同時(shí)沿?cái)鄬用婺鏇_(圖2(c)),在這種情況下,斷層的實(shí)際活動(dòng)量是兩盤地層的相對(duì)剝蝕量。

斷層的活動(dòng)量=上盤剝蝕厚度(Dc)-下盤剝蝕厚度(dc).

1.2 研究實(shí)例

(1)單向逆沖型。單向逆沖型斷層主要分布在坳陷西南部和東北部,該類斷層上盤發(fā)生逆沖,幅度不大,下盤地層形態(tài)平緩,未見褶皺下凹或抬升牽引現(xiàn)象,如南湖斷層和二股泉斷層均屬此類。以二股泉斷層在三疊紀(jì)的活動(dòng)為例(圖3),認(rèn)為斷層下盤緊鄰斷層處未發(fā)生剝蝕,根據(jù)地層對(duì)比法確定其剝蝕厚度,圖3中Da即斷層上盤剝蝕部分,在地震剖面上讀數(shù)為350 ms,時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到上盤剝蝕厚度700 m。由于逆沖強(qiáng)度小,忽略對(duì)斷層下盤的影響,且斷層未斷至侏羅系,因此可直接將上盤剝蝕厚度視為二股泉斷層在三疊紀(jì)的活動(dòng)量,即700 m。

圖3 單向逆沖型的二股泉斷層(南北向484地震剖面)Fig.3 Seismic profile showing single-force thrusting model of Erguquan fault(SN484)

(2)逆沖生長(zhǎng)型。逆沖生長(zhǎng)型斷層主要分布在哈密坳陷南部和北部,該類斷層上盤逆沖隆起,抬升幅度較大,下盤褶皺下凹,地層在斷層附近有滑動(dòng)牽引現(xiàn)象。以堡南斷層在三疊紀(jì)的斷層活動(dòng)為例(圖4),由于斷層上盤大幅度逆沖推覆,導(dǎo)致上盤三疊系剝蝕嚴(yán)重,根據(jù)構(gòu)造橫剖面法及地層對(duì)比法確定其剝蝕厚度,圖4中Db即為堡南斷層上盤靠近斷層的剝蝕地層厚度；同時(shí)下盤受擠壓下凹,使得斷層下盤地層的沉積厚度明顯增加,越靠近斷層,沉積的地層厚度越大,圖中db為下盤靠近斷層的沉積地層厚度。Db在地震剖面上為100 ms,時(shí)深轉(zhuǎn)換后厚度為200 m,db在地震剖面上為640 ms,時(shí)深轉(zhuǎn)換后厚度為1450 m。因此,堡南斷層三疊紀(jì)活動(dòng)量為(Db+ db)共計(jì)1650 m(圖4)。

圖4 逆沖生長(zhǎng)型的堡南斷層(東西向720.8地震剖面)Fig.4 Seismic profile showing double-force slipping model of Baonan fault(EW720.8)

(3)基底抬升型?；滋蛿鄬又饕植荚谯晗輺|部,該類斷層附近基底抬升明顯,地層呈現(xiàn)明顯的逆沖牽引現(xiàn)象,斷層上下兩盤剝蝕均較嚴(yán)重,如花園斷層、HB1井東斷層、火石鎮(zhèn)Ⅰ號(hào)斷層、火石鎮(zhèn)Ⅱ號(hào)斷層等均屬此類。以火石鎮(zhèn)Ⅰ號(hào)斷層在三疊紀(jì)的活動(dòng)為例(圖5),三疊系地層整體表現(xiàn)為基底抬升逆沖,由于斷層上下兩盤同時(shí)逆沖,斷層的活動(dòng)量為二者的相對(duì)逆沖幅度,根據(jù)構(gòu)造橫剖面法確定剝蝕厚度,圖5中Dc為斷層上盤三疊系剝蝕部分,地震剖面上為640 ms,時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到上盤剝蝕厚度為1400 m,dc為斷層下盤三疊系剝蝕部分,地震剖面上為120 ms,時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到下盤剝蝕厚度約為250 m,將(Dc-dc)視為斷層在三疊紀(jì)的活動(dòng)量,共計(jì)1150 m。

將哈密坳陷各時(shí)期活動(dòng)的主要斷層按上述3種地質(zhì)模型進(jìn)行分類,考慮到走滑分量會(huì)對(duì)計(jì)算的斷層活動(dòng)量有影響,在選用地震剖面時(shí),盡量選用斷層走向與受力方向垂直的剖面點(diǎn),避免走滑分量的影響,提高計(jì)算的精度,依次計(jì)算出各斷層在印支期、燕山期和喜山期的活動(dòng)量(表1)。

圖5 基底抬升型的火石鎮(zhèn)Ⅰ號(hào)斷層(南北向525.8地震剖面)Fig.5 Seismic profile showing basement uplifting model of Huoshizhen No.Ⅰfault(SN525.8)

表1 哈密坳陷主要斷層要素Table 1 Structural elements of major faults in Hami depression

2 哈密坳陷的逆沖作用與演化

2.1 逆斷層在不同時(shí)期的演化特征

(1)印支期。哈密坳陷中的絕大多數(shù)斷層在印支期形成,斷層活動(dòng)量大,斷穿層位較老(表1)。南部的火石鎮(zhèn)凹陷受花園斷裂的NWW向擠壓作用影響,在其內(nèi)部形成一系列NNE向的Ⅲ級(jí)斷層,斷層以逆沖活動(dòng)為主,斷層活動(dòng)幅度較大,對(duì)比分析斷層在各個(gè)時(shí)期的活動(dòng)量可以看出,火石鎮(zhèn)凹陷印支期斷層的活動(dòng)強(qiáng)度明顯大于其他期次(圖6(a))。此時(shí),坳陷的邊界斷層活動(dòng)最為強(qiáng)烈,表現(xiàn)為南部受覺羅塔格山活動(dòng)的影響,南湖斷層活動(dòng)性較強(qiáng),并且切割所有凹陷內(nèi)部的印支期NNE向斷層；北部受哈爾里克山活動(dòng)的影響,在三堡凹陷內(nèi)部形成大量平行于哈爾里克山前斷層的NWW向斷層,這些斷層多呈小幅逆沖,其斷層活動(dòng)強(qiáng)度小于火石鎮(zhèn)凹陷。

圖6 火石鎮(zhèn)凹陷斷層演化(東西向720.8剖面)Fig.6 Evolution of thrusting of Huoshizhen sag(EW720.8)

(2)燕山期。燕山期斷層的活動(dòng)具有繼承性,火石鎮(zhèn)凹陷內(nèi)斷層繼承性逆沖,幅度不大(圖6 (b))。但坳陷東北部大規(guī)模抬升,侏羅系中上統(tǒng)遭受剝蝕,三堡凹陷內(nèi)大量NWW向斷層活動(dòng)加強(qiáng),活動(dòng)強(qiáng)度最大的是HB1井東斷裂,其活動(dòng)量大于印支期,為2 500 m,并作為邊界斷裂進(jìn)一步控制了三堡凹陷的沉積與發(fā)展。

(3)喜山期。喜山期斷層的活動(dòng)具有差異性,坳陷南部山系繼續(xù)向北逆沖,逆沖幅度較大,火石鎮(zhèn)凹陷內(nèi)NEE向構(gòu)造帶進(jìn)一步壓扭(圖6(c))。三堡凹陷受喜山運(yùn)動(dòng)影響不大,保持了NNE向斷裂控制凹陷邊界、內(nèi)部北西向斷裂與北部邊界斷裂平行排列的基本構(gòu)造格局。

2.2 斷層演化對(duì)哈密坳陷現(xiàn)今構(gòu)造格局的影響

哈密坳陷不同區(qū)域的斷層演化,對(duì)現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)形成具有重要的影響,由于三疊紀(jì)斷層的強(qiáng)烈活動(dòng),造成了三疊系與侏羅系及以上地層的明顯角度不整合,各時(shí)期斷層的活動(dòng)和演化在各構(gòu)造單元具有明顯的差異。

(1)火石鎮(zhèn)凹陷。哈密坳陷南緣的南湖斷裂在印支末期大幅逆沖,構(gòu)成現(xiàn)今坳陷的南部邊界?；鹗?zhèn)凹陷內(nèi)的堡南、堡東等一系列的NNE向構(gòu)造帶,均伴隨著堡南斷層、堡東Ⅰ號(hào)斷層和堡東Ⅱ號(hào)斷層在印支期的強(qiáng)烈活動(dòng)形成,坳陷南部印支期形成的NNE向斷層奠定了火石鎮(zhèn)凹陷現(xiàn)今的構(gòu)造格局。由于燕山期和喜山期的斷層活動(dòng)明顯減弱,雖然經(jīng)過(guò)褶皺與隆升改造,構(gòu)造幅度有所增加,但總的構(gòu)造格局基本保持不變(圖6)。

(2)三堡凹陷。哈密坳陷北部哈爾里克山前斷層在印支期形成,到喜山期才逐漸停止活動(dòng),是現(xiàn)今坳陷的北部邊界。三堡凹陷內(nèi)的哈北構(gòu)造帶在印支期伴隨哈北Ⅰ號(hào)斷層和哈北Ⅱ號(hào)斷層的發(fā)育形成構(gòu)造雛形,后經(jīng)燕山期的地層褶皺使構(gòu)造形態(tài)更加明顯。印支期斷層的活動(dòng)最初奠定了三堡凹陷構(gòu)造的雛形,后經(jīng)燕山期地層褶皺和斷層活動(dòng)的進(jìn)一步改造而形成現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

(3)黃田凸起西翼。黃田凸起西翼的南部被花園斷層與火石鎮(zhèn)凹陷分割,北部被HB1井東斷層與三堡凹陷分割。花園斷層在印支期的強(qiáng)烈活動(dòng),形成了火石鎮(zhèn)凹陷東部的現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)。HB1井東斷層在印支期已經(jīng)形成,燕山期的大幅逆沖使黃田凸起基本定型,三堡凹陷東部地層受其影響發(fā)生掀斜,這種構(gòu)造形態(tài)維持至今。

總之,哈密坳陷現(xiàn)今的構(gòu)造格局是在印支期形成,經(jīng)過(guò)燕山期的局部改造,在喜山期定型。造成不同區(qū)域斷層活動(dòng)性差異的原因,主要是哈密坳陷總體受印支期和燕山期兩期南、北造山帶擠壓,在此逆沖構(gòu)造格局的背景下,坳陷又受到了敦隆起的影響,為統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)下多期不連續(xù)逆沖事件形成的逆沖構(gòu)造格局。

3 結(jié) 論

(1)哈密坳陷的逆斷層可分為單向逆沖型、逆沖生長(zhǎng)型和基底抬升型3種類型,依據(jù)這3種地質(zhì)模型可以精確地表征各時(shí)期不同類型斷層的活動(dòng)性。

(2)在哈密坳陷的不同區(qū)域、不同時(shí)期的斷層活動(dòng)性存在明顯的差異。火石鎮(zhèn)凹陷內(nèi)斷層的逆沖幅度高峰在印支期,控坳邊界斷層在喜山期仍有大幅活動(dòng)；三堡凹陷內(nèi)斷層形成于印支期,斷層的逆沖幅度高峰出現(xiàn)在燕山期。

(3)斷層活動(dòng)與演化的結(jié)果直接影響現(xiàn)今的構(gòu)造格局,早期的印支運(yùn)動(dòng)直接奠定了火石鎮(zhèn)凹陷現(xiàn)今的構(gòu)造格局；三堡凹陷的構(gòu)造形態(tài)卻經(jīng)歷了燕山期地層褶皺和斷層活動(dòng)的改造,在晚燕山運(yùn)動(dòng)后才最終定型。

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(編輯 徐會(huì)永)

Activities and evolution of thrust faults in Hami depression,Tu-Ha Basin

JIANG Su-hua1,SONG Chuan-hui1,LI San-zhong1,2,ZHANG Hong-yan1,YANG Xiao-jie1
(1.College of Marine Geoscience in Ocean University of China,Qingdao 266100,China；
2.Key Laboratory of Submarine Geosciences and Exploration Techniques,Ministry of Education,Qingdao 266100,China)

Based on the interpretation of seismic profiles and analysis of fault pattern,three different geological models named single-force thrusting,double-force slipping and basement uplifting were proposed by analyzing the relationship between denudation and sedimentation at the two sides of the fault in Hami depression.Three test fault activity formulas for those different models were given to calculate vertical displacements of the major faults during the Indosinian,the Yanshanian and the Himalayan periods.The results show that the thrusting in Huoshizhen sag is intensive during the Indosinian period,but became weaker and weaker during the Yanshanian period,the activity of fault enhanced only in the south boundary during the Himalayan period.While the thrusting in Sanbao sag initiated during the Indosinian period,and became more intensive during the Yanshanian period,then terminated during the Himalayan period.Differentiation of the fault activity in different sags directly control the formation and evolution of the structural patterns in these sags.The tectonic framework of Huoshizhen sag basically developed during the Indo-china movement,while that of Sanbao sag finally developed after the Yanshanian movement.

Hami depression；thrust fault；geological model；fault activity；fault evolution

TE 121.2

A

1673-5005(2013)04-0001-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.001

2013-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 41190072；41072152)；中央高校財(cái)政南海專項(xiàng)聯(lián)合資助項(xiàng)目(201021003)

姜素華(1963-),女,副教授,博士,主要從事地球物理勘探的教學(xué)與科研工作。E-mail:jiangsuh@163.com。