斷層活動與地層縮短共同確定構(gòu)造變形期次
——以吐哈盆地大河沿地區(qū)為例

構(gòu)造變形期次對確定構(gòu)造演化史有著重要的意義，目前確定構(gòu)造變形期次的方法主要有兩類，一是根據(jù)構(gòu)造特征與構(gòu)造變形痕跡進行分析，包括宏觀與顯微構(gòu)造變形標(biāo)志，以及 40Ar/39Ar法和熱釋光法構(gòu)造年齡數(shù)據(jù)等；二是根據(jù)動力學(xué)特征進行分析，包括通過應(yīng)變求取主應(yīng)力方向進行分析，動力成因?qū)W分析和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析等[1-5]。這些方法都需要大量的野外地質(zhì)資料，但受到野外環(huán)境影響和人工測繪的不準(zhǔn)確出現(xiàn)較大誤差，對分析結(jié)果有一定的影響。劉棟梁等學(xué)者通過地層縮短分析構(gòu)造變形期次，地層縮短依賴平衡剖面的結(jié)果，繪制平衡剖面受剖面線方向限制，要求選擇的最佳剖面應(yīng)當(dāng)平行于最大構(gòu)造運移方向[6-15]。斷層活動也可以反映構(gòu)造變形活動，但僅代表該斷層所在位置的構(gòu)造活動。綜上所述，為了準(zhǔn)確分析構(gòu)造變形，確定構(gòu)造演化史，筆者提出通過地層縮短與斷層活動共同確定一個地區(qū)的構(gòu)造變形期次。

1 研究區(qū)概況

吐哈盆地位于哈薩克斯坦板塊的東南部，處在哈薩克斯坦、西伯利亞和塔里木板塊的拼貼交匯地帶，其演化發(fā)展與上述三大板塊的作用息息相關(guān)。大河沿地區(qū)夾持在北東-南西向展布的喀拉烏成山、托克遜凹陷和近東西向展布的博格達山之間。根據(jù)地層沉積和構(gòu)造特征，將研究區(qū)分為兩凸兩凹（圖1），即布爾加凸起、卡拉圖凸起、托克遜凹陷和科牙依凹陷。研究區(qū)是吐哈盆地構(gòu)造最為復(fù)雜的地區(qū)，受力復(fù)雜，斷褶構(gòu)造極其發(fā)育，殘缺地層多，主要發(fā)育新近系、古近系、中下侏羅統(tǒng)、中上三疊統(tǒng)、中下二疊統(tǒng)和石炭系地層[17-18]。

2 研究區(qū)構(gòu)造演化特征

制作平衡剖面是了解構(gòu)造演化的重要手段，同時可以推斷斷層形成時期、地層沉積情況和各時期地層縮短情況等；一條測線的平衡剖面可以反映該測線所在位置構(gòu)造演化情況，綜合研究區(qū)內(nèi)主要測線的演化剖面，可以分析整個研究區(qū)的構(gòu)造演化史。下文以SN654測線為例進行分析。

三疊系沉積前，上二疊統(tǒng)僅在以南部沉積為主，向北逐漸變薄，此時斷層僅發(fā)育于南部，布爾加2號斷層及其兩條伴生斷層形成（圖2）。侏羅系沉積前，斷層幾乎全部形成，托克遜凹陷持續(xù)沉積，而布爾加凸起抬升，導(dǎo)致上三疊統(tǒng)剝蝕。古近系沉積前的情況與三疊紀(jì)的沉積情況十分相似。古近紀(jì)的沉積平穩(wěn)而均勻，布爾加2號斷層短暫停止活動后，在古近系地層中發(fā)生走滑，繼續(xù)活動。新近紀(jì)到第四紀(jì)，構(gòu)造運動主要集中在北部，桃樹園3號斷層北部活動劇烈，受到強烈的推擠力，形成卡拉圖凸起，新近系與第四系的地層遭受剝蝕。

圖1 大河沿地區(qū)構(gòu)造單元

圖2 大河沿研究區(qū)SN654演化剖面

2.1 斷層活動分析

斷層活動分析有生長指數(shù)法、古落差法、斷層活動速率法、滑距法和斷層位移-長度關(guān)系分析法等?？紤]到研究區(qū)位于西部受擠壓應(yīng)力地區(qū)，且剝蝕較為嚴(yán)重，故采用古落差法進行統(tǒng)計。

由演化剖面中每期的斷層上下盤古厚度（包括剝蝕厚度）可以得到斷層的古落差，每一時期的古落差即為該時期的斷層活動量，由斷層活動量比時間跨度即為斷層活動速率。由于研究區(qū)內(nèi)全部缺失P1、T1、J3和K地層，將二疊紀(jì)到第四紀(jì)分為以下五個時間段：P2-T1，T2-3，J-K，E，N-Q。SN654測線主要經(jīng)過兩條大斷層：布爾加2號斷層與桃樹園3號斷層。

2.1.1 布爾加2號斷層

斷層位于研究區(qū)東南部，是布爾加凸起和托克遜凹陷的邊界斷層，北西-北東走向，傾向北東-北西，主斷層延伸長度超過33 km，最大斷距超過2 300 m，傾角大于50°。該斷層南邊還有兩條性質(zhì)相同的伴生斷層。

該斷層為晚海西期以來多期活動的斷層，形成于二疊紀(jì)，一直到新近紀(jì)都有活動。斷層在二疊紀(jì)開始活動，此時延伸較小，在東部未延伸到 SN654測線的位置，三疊紀(jì)活動平穩(wěn)，到侏羅紀(jì)以后活動相對減弱，新近紀(jì)活動迅速增強，最大活動量達到900 m，活動速率最大到39.13 m/Ma，且斷層西部比東部活動劇烈（圖3，表1）。

圖3 布爾加2號斷層各期垂向活動量

表1 布爾加2號斷層活動速率 m/Ma

2.1.2 桃樹園3號斷層

斷層位于研究區(qū)北部，樹1井鉆遇，是卡拉圖凸起與布爾加凸起的邊界，由東、西兩段斷層共同組成。西部分支為主要部分，延伸長度達34 km，走向北東-南東-北東，傾向北西-北東-北西；東部分支相對較小，延伸9 km，走向南東，傾向北東。最大斷距超過1 300 m，傾角大于60°。

該斷層自印支期以來長期活動，形成于三疊紀(jì)，活動穩(wěn)定且活動量小，平均活動量在100 m左右。斷層?xùn)|部分支比西部分支活動普遍劇烈，尤其在新近紀(jì)斷層活動量達到900 m，活動速率最大達39.13 m/Ma（圖 4，表 2）。

圖4 桃樹園3號斷層各期垂向活動量

表2 桃樹園3號斷層各時期活動速率 m/Ma

斷層活動在一定程度上代表構(gòu)造活動，結(jié)合研究區(qū)其余斷層活動情況可以看出，新近紀(jì)北部構(gòu)造變形最為劇烈。從圖3和表1來看，三疊紀(jì)，布爾加2號斷層古落差大，活動速率也較大，這是由于布爾加2號斷層是科牙依凹陷與布爾加凸起的邊界，凹陷內(nèi)接受沉積、凸起上未沉積所導(dǎo)致，所以不能單獨有斷層活動決定變形強弱，實際上三疊紀(jì)變形相對較弱。

2.2 斷層縮短率的計算

通過平衡剖面恢復(fù)可以得到各演化階段剖面的構(gòu)造形態(tài)和長度。根據(jù)剖面的長度數(shù)據(jù)可計算出各階段的線應(yīng)變，再根據(jù)地層時代得出應(yīng)變速率數(shù)據(jù)?？s短率為某時期剖面的縮短量與總縮短量的比值；縮短速率為某時期剖面的縮短量與對應(yīng)的時間跨度的比值。以大河沿研究區(qū)SN654測線為例，具體計算結(jié)果如表3。

表3 大河沿研究區(qū)SN654測線各時期剖面縮短數(shù)據(jù)

SN654測線現(xiàn)今剖面長度為45 km，晚二疊紀(jì)以來剖面的總縮短量為13 km，總縮短率為22.4%。從計算結(jié)果中可以看出，剖面縮短最大且最快的時期主要為新近紀(jì)-第四紀(jì)，最大縮短率為46%，縮短量為6 km，縮短速率達26.09 cm/ka；其次為中晚三疊世；剖面縮短最小、最慢的時期為古近紀(jì)，縮短率僅為4%，縮短量為0.5 km，縮短速率僅為1.19 cm/ka。

結(jié)合研究區(qū)其他測線的縮短率可以看出，新近紀(jì)構(gòu)造變形最為劇烈，且東西向剖面總縮短率比南北向剖面縮短率小，平均僅為 21.4%，可以看出研究區(qū)主應(yīng)力方向為南北向擠壓應(yīng)力。

3 斷層活動與地層縮短確定構(gòu)造演化

總體來說，研究區(qū)整體受晚喜山運動的影響最劇烈，即新近紀(jì)到第四紀(jì)活動最劇烈，其次是三疊紀(jì)的印支運動，受擠壓應(yīng)力相對較弱的時期為侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)和古近紀(jì)。

從斷層活動性分析來看，斷層活動最劇烈的時期為新近紀(jì)-第四紀(jì)。布爾加2號斷層侏羅紀(jì)活動也較為劇烈，這是由于布爾加2號斷層是布爾加凸起與托克遜凹陷的邊界斷層，這一時期布爾加凸起繼續(xù)抬升，托克遜凹陷繼續(xù)接受沉積導(dǎo)致古落差大，而從縮短速率則不能得出侏羅紀(jì)斷層活動劇烈。因此，單純考慮斷層活動性不能判斷整個區(qū)域的構(gòu)造變形期次，卻對局部分析很有利。

從地層縮短率可以看出，新近紀(jì)-第四紀(jì)地層活動最為劇烈，但單從縮短速率考慮無法細(xì)致地描述局部活動，不利于后期評價油氣圈閉和確定井位。故兩種手段結(jié)合可以取長補短，綜合地描述構(gòu)造運動。

4 構(gòu)造變形對凹凸構(gòu)造格局的影響

研究區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造格局于晚海西期形成雛形，經(jīng)印支期發(fā)展，又經(jīng)過燕山期與喜山期的局部改造最終定型。

4.1 科牙依凹陷

科牙依凹陷位于研究區(qū)西部，晚海西期受南北向擠壓應(yīng)力的作用形成雛形。北部受科牙依5號和6號斷層共同作用的影響，斷層上盤抬升剝蝕。南部受科牙依4號斷層控制，與布爾加凸起相鄰，其斷層上盤為布爾加凸起，下盤為科牙依的殘存凹陷，殘留了二疊系到古近系相對較全的沉積地層，中晚燕山期地層超缺，構(gòu)造變形相對平穩(wěn)。

4.2 托克遜凹陷

托克遜凹陷位于研究區(qū)東南部，該凹陷在研究區(qū)的部分較小，主要受布爾加2號斷層控制，自海西期形成雛形，自二疊紀(jì)開始一直接受沉積，沉積地層較完整。古近紀(jì)布爾加2號斷層停止活動，新近紀(jì)布爾加2號斷層再次活動，沿古近系地層發(fā)生滑脫。

4.3 布爾加凸起

布爾加凸起在研究區(qū)占很大面積，桃樹園3號斷層是布爾加凸起的北部邊界，布爾加2號與科牙依4號斷層分別為其東南邊界和西南邊界，且分割托克遜凹陷和科牙依凹陷。該凸起東南與托克遜凹陷斷層接觸，西北向科牙依凹陷斜坡過渡。布爾加凸起一直處于構(gòu)造高位，大部分地區(qū)缺失二疊系和中生界，古近系直接不整合于石炭系之上；僅在晚印支期和早燕山期沉積了中三疊統(tǒng)和下侏羅統(tǒng)，一直到燕山運動末期。隨著布爾加2號與桃樹園3號斷層活動減弱，該凸起在北部沉積了新生界地層；而在凸起西南部，科牙依4號斷層活動一直較強，斷層上盤即布爾加凸起西南部一直隆起剝蝕，最終石炭系出露到地表。

4.4 卡拉圖凸起

卡拉圖凸起位于研究區(qū)北部，北鄰博格達山，屬于現(xiàn)今山前帶。該凸起在中二疊世與布爾加凸起復(fù)合在一起，晚二疊世又表現(xiàn)為東北方向傾沒的斜坡，這種格局延續(xù)到早侏羅世，中侏羅世西山窯組沉積期才抹平，成為臺北凹陷的西延部分，中晚燕山期又成為布爾加凸起的北半部，第三紀(jì)與托克遜、臺北凹陷合為一體；晚喜山期伴隨著博格達山的逆沖復(fù)活，形成高陡斷褶帶。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)主要構(gòu)造變形期次為二疊紀(jì)到新近紀(jì)。二疊紀(jì)開始變形，新近紀(jì)構(gòu)造變形最強，古近紀(jì)幾乎無變形。

（2）晚海西運動主要體現(xiàn)了“南弱北強”的特點，科牙依凹陷與托克遜凹陷自二疊紀(jì)形成并接受沉積；印支運動繼承了“南弱北強”的特點，布爾加凸起強烈抬升；燕山運動在本區(qū)構(gòu)造變形較弱；晚喜山運動是大河沿研究區(qū)最為重要的一次擠壓褶皺作用，卡拉圖凸起形成。

參考文獻

[1] 汪建宇，劉志宏，李緒俊，等.吉林海溝金礦的構(gòu)造應(yīng)力場分析與變形期次[J].世界地質(zhì)，2011，30（4）: 593–599.

[2] 戴建全.龍門山?jīng)_斷帶構(gòu)造變形期次及動力學(xué)成因[J].西南石油大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2011，33（2）: 61–67.

[3] 郭巧玲.新疆冰達坂韌性剪切帶變形特征及變形期次[J].西部探礦工程，2013，25（1）: 108–110.

[4] 鄒和平，丘元禧，莊文明，等.廣州瘦狗嶺斷裂帶的變形期次[J].中國區(qū)域地質(zhì)，2001，20（1）: 67–72.

[5] 林偉，王清晨，F(xiàn)AURE M，等.大別山的構(gòu)造變形期次和超高壓巖石折返的動力學(xué)[J].地質(zhì)學(xué)報，2003，77（1）:44–54.

[6] 張仲培，王清晨.斷層滑動分析與古應(yīng)力恢復(fù)研究綜述[J].地球科學(xué)進展，2004，19（4）: 605–613.

[7] 李勤英，羅鳳芝.斷層活動速率研究方法及應(yīng)用探討[J].斷塊油氣田，2000，7（2）: 15–17.

[8] 雷寶華.生長斷層活動強度定量研究的主要方法評述[J].地球科學(xué)進展，2012，27（9）: 947–956.

[9] 舒姚，胡明.川東北地區(qū)構(gòu)造特征及變形期次探討[J].復(fù)雜油氣藏，2010，3（2）: 17–20.

[10] 佟彥明，鐘巧霞.利用平衡剖面快速判定盆地區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力方向[J].石油實驗地質(zhì)，2007，29（6）：33–36.

[11] 劉棟梁，方小敏，王亞東，等.平衡剖面方法恢復(fù)柴達木盆地新生代地層縮短及其意義[J].地質(zhì)科學(xué)，2008，43（4）: 637–647.

[12] 劉禮潔，郭福生，姜勇彪，等.平衡剖面技術(shù)恢復(fù)云南蘭坪-金頂?shù)貐^(qū)白堊紀(jì)地層縮短歷史及其意義[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2011，17（3）: 243–248.

[13] 張向鵬，楊曉薇.平衡剖面技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（2）：69–73.

[14] 周建勛.同沉積擠壓盆地構(gòu)造演化恢復(fù)的平衡剖面方法及其應(yīng)用[J].地球?qū)W報，2005，26（2）: 151–156.

[15] 張明山，陳發(fā)景.平衡剖面技術(shù)應(yīng)用的條件及實例分析[J].石油地球物理勘探，1998，33（4）: 532–540，552.

[16] 吐哈盆地油氣地質(zhì)與勘探實踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002：67–80.

[17] 陳紹藩，王建永，黃國龍，等. 吐哈盆地形成及其演化[J].世界核地質(zhì)科學(xué)，2005，21（3）: 125–131.