塔里木盆地瑪扎塔格弧形構(gòu)造及斜向逆沖

楊 庚

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

始新世以來(lái)，印度板塊與歐亞板塊的碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)及持續(xù)擠壓作用導(dǎo)致亞洲大陸特別是中亞地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的陸內(nèi)變形[1-2]，西昆侖山前發(fā)生大規(guī)模逆沖推覆構(gòu)造[3]，塔里木盆地內(nèi)部也發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造變形，主要表現(xiàn)在巴楚隆起兩側(cè)及內(nèi)部[4-5]。NW向巴楚隆起發(fā)育寒武系—二疊系穩(wěn)定地臺(tái)型沉積巖系和新生界陸相碎屑巖地層，南部以色力布亞—瑪扎塔格構(gòu)造帶為界，與麥蓋提斜坡相鄰[6-10]。從區(qū)域構(gòu)造角度來(lái)看，塔里木盆地西南部到巴楚地區(qū)從南向北由西昆侖逆沖帶、塔西南前陸盆地、麥蓋提斜坡、巴楚隆起等大構(gòu)造單元組成[圖1(a)]。巴楚隆起屬于塔里木陸塊的一部分，具有前震旦系結(jié)晶基底，其上缺失大部分上古生界—中生界地層，第四系直接覆蓋于已變形的古生界之上。作為塔西南前陸盆地的前緣隆起[11]，巴楚隆起自北向南發(fā)育吐木休克、卡拉沙依、古董山—瑪扎塔格斷裂構(gòu)造帶，其兩側(cè)邊緣構(gòu)造樣式被解釋為基底卷入的逆沖構(gòu)造[12-14]，楊明慧等提出巴楚隆起兩側(cè)發(fā)育有走滑斷層[15]。

圖件根據(jù)鉆井和地震資料繪制；圖(b)中奧陶系頂面構(gòu)造高點(diǎn)引自文獻(xiàn)[10]，有所修改圖1 塔里木盆地西部區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖和巴楚隆起瑪扎塔格背斜及其逆沖斷層構(gòu)造Fig.1 Simplified Tectonic Map of the Western Tarim Basin and the Mazatage Anticline and Its Thrust Fault in Bachu Uplift

地面分布的瑪扎塔格山又稱紅白山，南側(cè)為紅山，北側(cè)為白山，東西延伸超過(guò)100 km，南北寬數(shù)千米。古近系主要呈斷續(xù)線狀分布于瑪扎塔格中段與東段北麓及東北麓，新近系和更新統(tǒng)以帶狀分布于瑪扎塔格南部和西南部。地表及影像平面圖上，瑪扎塔格地區(qū)表現(xiàn)為一系列新生界向南傾的單斜層[16]?，斣竦貐^(qū)古新統(tǒng)下部是一套厚約100 m的石膏層夾紫紅色泥巖。瑪扎塔格地區(qū)沿古近系底部的膏鹽層發(fā)育一條沿麥蓋提斜坡向巴楚隆起沖斷的逆斷層[12]，該斷層逆沖于瑪扎塔格南斷層之上，將古近系沖出地表，構(gòu)成瑪扎塔格山。從區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)研究來(lái)看，該出露逆沖斷層應(yīng)該屬于西昆侖逆沖帶的前緣構(gòu)造[17]。對(duì)瑪扎塔格構(gòu)造帶，前人做過(guò)很多工作，主要集中在以下幾個(gè)方面：一是從沉積學(xué)和地層學(xué)角度研究，但并未涉及構(gòu)造變形特征；二是應(yīng)用地球物理資料等研究瑪扎塔格構(gòu)造帶的深部構(gòu)造變形特征，提出瑪扎塔格構(gòu)造帶是一條基底卷入型的斷裂構(gòu)造帶，由近于平行的瑪扎塔格南斷裂和瑪扎塔格北斷裂構(gòu)成[7,12]；三是從油氣地質(zhì)特征進(jìn)行研究[6,18-23]；四是從地貌學(xué)[24]、古地磁方面研究[25]，提出瑪扎塔格構(gòu)造帶是滑脫褶皺背斜帶[26]。

上述研究一致認(rèn)為瑪扎塔格山是淺層以古近系底部膏鹽層為主滑脫面的滑脫沖斷構(gòu)造造成的。淺層構(gòu)造不是本文討論對(duì)象。由于和田河氣田的探井主要集中在瑪扎塔格背斜核部，鉆井深度相對(duì)較淺，背斜核部及近核部南北兩翼地震反射波組雜亂，從而對(duì)該構(gòu)造樣式的認(rèn)識(shí)及形成時(shí)間出現(xiàn)爭(zhēng)議，并存在以下問(wèn)題未解決：①瑪扎塔格構(gòu)造帶呈向北突出的弧形，其弧形構(gòu)造成因機(jī)制是什么？②瑪扎塔格構(gòu)造核部局部構(gòu)造高點(diǎn)呈雁行式排列，是否表明存在走滑構(gòu)造？③瑪扎塔格構(gòu)造東西構(gòu)造樣式出現(xiàn)明顯差別，且在對(duì)瑪扎塔格構(gòu)造平衡剖面恢復(fù)中發(fā)現(xiàn)不同時(shí)代地層縮短明顯不一致。為了解決以上問(wèn)題，本文在文獻(xiàn)[26]的研究基礎(chǔ)上，用弧形構(gòu)造觀點(diǎn)，應(yīng)用斜向剪切斷層彎曲褶皺理論對(duì)該構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步研究，得出了一系列新的認(rèn)識(shí)。

圖件引自文獻(xiàn)[27]圖2 和田河氣田石炭系生物碎屑灰?guī)r頂面埋深構(gòu)造圖Fig.2 Structural Map of Top Surface of Carboniferous Bioclastic Limestone in Hetianhe Gas Field

1 地質(zhì)背景

瑪扎塔格背斜構(gòu)造為和田河氣田主要儲(chǔ)集構(gòu)造，屬于典型背斜型油氣藏。儲(chǔ)集層為奧陶系和石炭系灰?guī)r地層，地表主要被第四系所覆蓋，地面海拔平均為1 000 m。地震剖面和鉆井揭示出該背斜構(gòu)造帶呈近EW—NW向延伸(圖2)，南北寬約5 km，東西長(zhǎng)約90 km?，斣駱?gòu)造上探明的和田河氣田由5個(gè)碳酸鹽巖氣藏組成，瑪2、瑪4和瑪8構(gòu)造為石炭系生物碎屑灰?guī)r氣藏，瑪8和瑪4構(gòu)造為奧陶系潛山氣藏。已完鉆的10口井(9口探井及1口瑪4-H1開發(fā)井)探明和田河氣田天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)700×103m3[27]。由于鉆探氣田的探井主要集中在背斜核部，鉆井深度相對(duì)較淺，而且背斜核部及南北兩翼地震反射波組雜亂，從而導(dǎo)致對(duì)該區(qū)構(gòu)造樣式的解釋觀點(diǎn)不一致。鉆井資料清楚地指出瑪扎塔格構(gòu)造帶自上而下發(fā)育的地層有新近系、下二疊統(tǒng)、石炭系和奧陶系，缺失中生界、上二疊統(tǒng)、泥盆系和志留系。早古生代沉積為一套穩(wěn)定的臺(tái)地相碳酸鹽巖、含磷硅質(zhì)巖、細(xì)碎屑巖。上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)以碳酸鹽巖為主，且都發(fā)育生物碎屑灰?guī)r；二疊系為火山巖-碎屑巖建造，上二疊統(tǒng)碎屑巖為磨拉石建造。中生界地層和部分古近系地層基本上缺失；新近系的厚度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩側(cè)的西南坳陷和阿瓦提凹陷，整個(gè)隆起被第四系地層不整合覆蓋?，斣駱?gòu)造帶發(fā)育中下寒武統(tǒng)滑脫層和古近系滑脫層。中下寒武統(tǒng)滑脫層由下膏鹽巖段下寒武統(tǒng)吾松格爾組和上膏鹽巖段中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組組成[28]。下寒武統(tǒng)吾松格爾組主要為蒸發(fā)臺(tái)地沉積，巖性為膏巖、膏鹽巖、膏質(zhì)云巖、云巖、泥質(zhì)云巖、云質(zhì)泥巖，略呈不等厚互層；中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組主要為蒸發(fā)臺(tái)地沉積，巖性為膏質(zhì)云巖、云質(zhì)膏巖、膏巖，夾紫紅色泥質(zhì)云巖、含膏云巖、云質(zhì)泥巖、燧石團(tuán)塊云巖，厚逾100 m。古近系滑脫層發(fā)育在阿爾塔什組，其巖性為白色、灰白色厚層塊狀或中厚層晶粒和硬石膏，常夾淺灰白色及灰白色白云巖，棕紅色及灰綠色泥巖、膏泥巖，厚數(shù)十米至數(shù)百米[29]。

2 主擠壓應(yīng)力方向

瑪扎塔格背斜構(gòu)造在平面展布上呈向北凸起的弧形構(gòu)造。從瑪8井到瑪7井為近NEE向延伸，在瑪7井—瑪4井之間為近EW向延伸，在瑪4井以東該構(gòu)造又轉(zhuǎn)變?yōu)榻麼W向[圖1(b)]，如考慮到古董山逆沖斷層，整體上該構(gòu)造中深層構(gòu)造走向?yàn)榇骃型展布。沿古近系底部的膏鹽層發(fā)育的并沿麥蓋提斜坡向巴楚隆起沖斷的淺層逆沖逆斷層基本上為弧形展布，本文重點(diǎn)研究中深層構(gòu)造。按弧形構(gòu)造平面展布特征，該構(gòu)造可分NE向延伸西段、近EW向延伸中段和近NW向延伸東段。鉆井資料表明和田河氣田自西往東分西部井區(qū)和東部井區(qū)[19]，分別對(duì)應(yīng)于弧形構(gòu)造西段和中段，而且弧形中段(西部井區(qū))構(gòu)造高點(diǎn)比弧形西段(東部井區(qū))構(gòu)造高點(diǎn)相對(duì)高100～300 m。

N2a為上新統(tǒng)阿圖什組；N1p為中新統(tǒng)帕克布拉克組；N1a為中新統(tǒng)安居安組;圖件展示了瑪扎塔格走滑斷層構(gòu)造特征圖3 F—F′未解釋剖面和解釋剖面Fig.3 Un-interpretation and Interpretation of Seismic Line F-F′

根據(jù)周新源等的和田河氣田石炭系碎屑巖頂面構(gòu)造圖(圖2)，可以看出瑪扎塔格構(gòu)造存在多個(gè)背斜局部高點(diǎn)，這些局部背斜構(gòu)造長(zhǎng)軸的走向之間呈斜向排列，反映存在走滑作用，從側(cè)面佐證了斜向逆沖構(gòu)造的存在。自西往東，瑪8號(hào)西、瑪8號(hào)、瑪3號(hào)、瑪2號(hào)高點(diǎn)及相關(guān)探井組成西部井區(qū)，瑪5號(hào)和瑪4號(hào)高點(diǎn)及相關(guān)探井組成東部井區(qū)，而且西部井區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)比東部井區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)相對(duì)高100～300 m[19]。瑪扎塔格褶皺是斷層相關(guān)作用造成的弧形構(gòu)造，其斷層最小主擠壓應(yīng)力方向一般垂直弧頂走向[30]，即垂直外切線。根據(jù)和田河氣田石炭系碎屑巖頂面構(gòu)造圖等高線確定出褶皺長(zhǎng)軸走向或軸面(圖2)。從圖2可以看出：瑪扎塔格弧形構(gòu)造中段弧形部位石炭系碎屑巖頂面構(gòu)造圖等高線上最高點(diǎn)的連線(即外切線)在平面上與最小主擠壓應(yīng)力方向垂直(夾角為90°)，說(shuō)明褶皺形成無(wú)走滑作用影響；弧形構(gòu)造西段石炭系碎屑巖層面構(gòu)造圖等高線上最高點(diǎn)的連線與最小主擠壓應(yīng)力方向是斜交關(guān)系，分別測(cè)量出從西向東夾角為65°、70°、70°、85°、80°；弧形構(gòu)造東段石炭系碎屑巖層面構(gòu)造圖等高線上最高點(diǎn)的連線與最小主擠壓應(yīng)力方向是斜交關(guān)系，夾角約為85°，向東夾角減少，說(shuō)明褶皺與斷層形成過(guò)程受走滑作用影響。形成逆沖作用的最小主擠壓應(yīng)力方向與斷層走向之間夾角越小，說(shuō)明走滑分量越大時(shí)，與斷層相關(guān)褶皺高點(diǎn)走向傾斜程度越大。

同樣，沿背斜高點(diǎn)拼接的地震剖面F—F′也基本平行斷層走向，在此剖面可得出瑪扎塔格多個(gè)褶皺層面高點(diǎn)的彎曲點(diǎn)連線[圖3(a)]。一般來(lái)說(shuō)，斷層相關(guān)褶皺理論顯示出瑪扎塔格弧形構(gòu)造西段和東段的多個(gè)褶皺層面高點(diǎn)彎曲點(diǎn)連線均發(fā)生傾斜，說(shuō)明應(yīng)力分布不均勻，存在斜向逆沖構(gòu)造；而弧形構(gòu)造中段褶皺層面最大彎曲點(diǎn)連線基本直立，說(shuō)明應(yīng)力較為均勻，為正向逆沖斷層相關(guān)褶皺。走滑分量越大，多個(gè)褶皺層面最大彎曲點(diǎn)連線傾斜幅度越大?；⌒螛?gòu)造西段從西往東，軸面傾斜程度逐漸減小，走滑分量也在逐漸減小。按照等高線區(qū)分塊體，可以看出瑪扎塔格弧形構(gòu)造從東向西分出瑪402塊體、瑪5—瑪4塊體、瑪7西塊體、瑪2塊體、瑪3塊體、瑪8塊體等。其中瑪402塊體與瑪5—瑪4塊體之間為走滑斷層接觸，為弧形構(gòu)造東段與弧頂中部分界線，符合弧形構(gòu)造簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型[31]中的模型4(差異縮短造成的塊體旋轉(zhuǎn))或模型5(次生弧疊加有晚期走滑作用)；瑪5—瑪4塊體與瑪7西塊體為弧形構(gòu)造西段與中段，二者之間無(wú)斷層，塊體背斜長(zhǎng)軸方向不一致，其等高線存在扭曲現(xiàn)象，可能指示塊體之間有旋轉(zhuǎn)，符合弧形構(gòu)造簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型[31]中的模型4。

3 分段分界構(gòu)造特征

瑪扎塔格弧形構(gòu)造之間東西分段，在不同段之間構(gòu)造樣式有差異，在橫向地震剖面可清楚地顯示出這些構(gòu)造特征。如從東向西的橫向地震剖面F—F′的聯(lián)絡(luò)測(cè)線是由NE向和NW向兩條測(cè)線拼接而成，這些測(cè)線基本上沿瑪扎塔格背斜高點(diǎn)展布。西部地震測(cè)線剖面走向?yàn)榻麼WW向，而東部地震測(cè)線剖面走向?yàn)镹W向。從圖3可以看出，弧形構(gòu)造西部背斜高點(diǎn)最淺，向弧形構(gòu)造中部和東部逐漸加深。每個(gè)構(gòu)造高點(diǎn)之間鞍部地震反射連續(xù)性有時(shí)較差，構(gòu)造頂部被新近紀(jì)不整合面所覆蓋。圖3顯示鞍部存在多條傾角較陡斷層，在垂直構(gòu)造走向的橫向地震測(cè)線并未顯示出斷層存在。由于這些斷層并未造成地震反射波組明顯錯(cuò)段，解釋其為次級(jí)走滑斷層。由于該區(qū)沒(méi)有三維地震資料，推測(cè)這些走滑斷層向下延伸到古董山逆沖斷層?；⌒螛?gòu)造中部有部分上二疊統(tǒng)地層下部未被剝蝕，說(shuō)明當(dāng)時(shí)弧形構(gòu)造西部隆起最高，受擠壓最為強(qiáng)烈?，斣衲蠑鄬釉诂?井—瑪2井附近表現(xiàn)為側(cè)向斷坡(Lateral Ramp)性質(zhì)[32]，在弧形構(gòu)造西部與古董山斷層相交匯合成一條斷層。

地震解釋研究表明，瑪4井以西的瑪扎塔格構(gòu)造樣式主要為逆沖斷層向南逆沖和鹽滑脫褶皺，以東的瑪扎塔格構(gòu)造樣式主要為向北逆沖的逆沖斷層，從另一方面說(shuō)明了在瑪4井附近存在導(dǎo)致構(gòu)造樣式發(fā)生突變的橫向構(gòu)造。從地震剖面上看，瑪4井東側(cè)附近及周圍的地震反射波組在垂直方向有明顯錯(cuò)段，說(shuō)明存在走滑斷層。該斷層分割弧形構(gòu)造中部和東部，尤其是弧形構(gòu)造東部發(fā)育的構(gòu)造樣式明顯不同于弧形構(gòu)造西部和中部，而且下古生界地層也存在橫向不連續(xù)性(圖4)。橫穿瑪扎塔格構(gòu)造帶的EW向地震剖面F—F′(圖3)清楚顯示出橫向連續(xù)的地震反射同相軸在瑪4井東側(cè)附近斷續(xù)發(fā)育，在淺部0～1.5 s之間，地震反射波組凹向深部方向最為明顯，導(dǎo)致石炭系—二疊系地層和中新統(tǒng)、第四系地層地震反射波組不連續(xù)和局部上下錯(cuò)位。瑪4井東幾百米處發(fā)育一條近SN向的走滑斷層——瑪扎塔格走滑斷層(圖5)，其他橫向地震剖面展示出類似的反射特征；而且橫向地震剖面MZ98-L2d在雙程反射時(shí)間1.5 s之下，該走滑斷層造成瑪4井東西兩側(cè)的震旦系、寒武系—奧陶系地層底部地震反射波組和正斷層、逆沖斷層橫向不連續(xù)性更為明顯(圖3)，說(shuō)明該走滑斷層形成時(shí)間至少晚于瑪扎塔格正斷層形成時(shí)間，后期又發(fā)生了多次活動(dòng)。和田河氣田向東延伸截止在瑪扎塔格走滑斷層上，受走滑構(gòu)造影響，瑪4井附近奧陶系發(fā)育較為密集且邊緣平直的裂縫[27]。鉆井資料表明和田河氣田自西往東分西部井區(qū)和東部井區(qū)[19]，分別對(duì)應(yīng)于弧形構(gòu)造西段和中段。

上述地震測(cè)線南2 km的近EW向地震剖面E—E′的聯(lián)絡(luò)測(cè)線也顯示出瑪4井東存在走滑構(gòu)造及分支走滑斷層跡象(圖4)。該地震測(cè)線走向與瑪扎塔格構(gòu)造呈斜向交切關(guān)系，但垂直瑪4井走滑構(gòu)造走向；由于遠(yuǎn)離構(gòu)造軸部，該走滑花狀構(gòu)造特征更為明顯。圖4也顯示出瑪扎塔格南逆沖斷層在瑪7井西表現(xiàn)為側(cè)向斷坡，向西交匯到古董山逆沖斷層。而且該地震剖面基本平行于瑪扎塔格弧形構(gòu)造中部和東部。該地震剖面顯示出，弧形構(gòu)造中部的瑪扎塔格背斜西北翼的地震反射波組從水平波組逐漸轉(zhuǎn)變傾斜波組，波組連續(xù)性較好(圖4)，未表現(xiàn)出波組錯(cuò)斷跡象，說(shuō)明該構(gòu)造北翼不存在逆沖斷層。其他SN向地震剖面顯示的瑪扎塔格背斜北翼地震反射波組雜亂，認(rèn)為是背斜構(gòu)造北翼地層傾角較陡造成的，不是斷層作用結(jié)果。該認(rèn)識(shí)對(duì)解釋橫向地震剖面有較大幫助。

圖件展示了瑪扎塔格走滑斷層及花狀構(gòu)造樣式圖4 E—E′未解釋剖面和解釋剖面Fig.4 Un-interpretation and Interpretation of Seismic Line E-E′

圖件展示了古近紀(jì)到更新世生長(zhǎng)地層圖5 A—A′未解釋剖面、解釋剖面及無(wú)逆沖斷層的滑脫背斜剖面Fig.5 Un-interpretation, Interpretation and the Detached Anticline Restored by Removing Thrust Faults of Seismic Line A-A′

4 西段構(gòu)造特征

瑪扎塔格構(gòu)造為滑脫褶皺，在弧形構(gòu)造最西段滑脫褶皺變形強(qiáng)度最大，構(gòu)造變形幅度大，向東構(gòu)造活動(dòng)逐漸減弱，地層變形幅度相應(yīng)變小[26]。尤其是弧形構(gòu)造中西段，背斜核部地層構(gòu)造高點(diǎn)向東逐漸加深。背斜構(gòu)造西北翼地層地震反射波組較陡傾，而背斜東南翼構(gòu)造變形幅度相對(duì)較小，地層連續(xù)性相對(duì)較好。

地震剖面A—A′的測(cè)線[圖5(a)]位于瑪扎塔格主構(gòu)造西段瑪3高點(diǎn)，過(guò)該測(cè)線有瑪3和瑪10兩口探井。瑪3井位于瑪扎塔格滑脫背斜核部，底部地層為上奧陶統(tǒng)(井深1 688 m)；瑪10井位于該背斜南翼，井底為上奧陶統(tǒng)良里塔格組(井深4 200 m)?，?井位于背斜核部，為一套較平緩的地震反射波組，從上到下鉆遇了第四系、新近系、下二疊統(tǒng)、石炭系、奧陶系?，斣癖承苯瞬?jī)梢淼貙拥牡卣鸱瓷洳ńM雜亂，說(shuō)明地層傾角較陡?，?0井的傾角測(cè)井瑪扎塔格背斜南翼地層傾向南，傾角在45°～60°之間，傾向南。地震反射波組顯示瑪10井南側(cè)的地層傾角相對(duì)平緩?，斣癖承蹦弦碓谙鄬?duì)較陡地層和相對(duì)較平緩地層之間存在一條逆沖斷層，依照中國(guó)石油塔里木油田分公司的解釋，命名為瑪南逆沖斷層(圖5)。周新源等也在瑪扎塔格背斜南翼解釋出一條逆沖斷層，并命名為瑪扎塔格南逆沖斷層，從平面展布上該斷層與古董山逆沖斷層相平行[33]。根據(jù)二維地震測(cè)網(wǎng)追蹤成果，地震解釋中古董山逆沖斷層發(fā)育在背斜核部，并造成核部?jī)蓚?cè)平緩地層之間發(fā)生垂向錯(cuò)斷，存在走滑分量；從淺部到深部，該逆沖斷層傾角由陡變緩，大于背斜北翼地層傾角，符合剪切斷層彎曲褶皺(Shear Fault-bent Fold)理論[34]。剪切斷層彎曲褶皺為一種非常特殊的斷坡背斜，反映非彎曲滑移(Non-flexural)變形。與經(jīng)典斷層彎曲褶皺相比，其典型構(gòu)造樣式表現(xiàn)為背斜前翼短、后翼長(zhǎng)，油氣后翼地層傾角小于斷層傾角。斷層上盤地層疊加有扭曲變形，或者稱之為剪切變形。剪切變形通常發(fā)生在相對(duì)弱滑脫層層間，如頁(yè)巖或蒸發(fā)巖上，或者滑脫層發(fā)生平行層剪切，實(shí)際上滑脫層底部無(wú)斷層存在，也可導(dǎo)致與地層平行的滑脫層增厚，即純剪切變形。剪切斷層轉(zhuǎn)折褶皺除了斷層滑移，還發(fā)生了巖層的剪切變形，平行剪切(簡(jiǎn)單剪切)發(fā)生在軟性的頁(yè)巖和膏泥巖層；剪切也可以發(fā)生在整個(gè)上盤巖層。

周新源等將瑪扎塔格背斜北翼地震反射波組雜亂處解釋為一條逆沖斷層——瑪扎塔格北斷層，向北逆沖[33]。本文認(rèn)為背斜北翼地震反射波組雜亂是北翼地層傾角較陡造成的，不是斷層作用結(jié)果。具體證據(jù)有：一是EW向地震聯(lián)絡(luò)測(cè)線顯示背斜北翼存在向北傾斜的地震反射波組(圖4)，不存在逆沖斷層；二是SN向多條地震剖面均顯示出背斜北翼連續(xù)存在，不存在向北逆沖斷層造成地震反射波組錯(cuò)段；三是該背斜北翼發(fā)育有中新統(tǒng)和上新統(tǒng)生長(zhǎng)地層，生長(zhǎng)地層反射特征支持下伏存在向南逆沖的逆斷層。根據(jù)斷層相關(guān)褶皺理論，如果褶皺軸面恒定，隨著褶皺生長(zhǎng)，生長(zhǎng)前地層的褶皺傾角逐漸加大，而相對(duì)較老的生長(zhǎng)地層傾角要大于新的生長(zhǎng)地層傾角，這種生長(zhǎng)地層傾角反映的是褶皺翼部旋轉(zhuǎn)[35]。而瑪扎塔格構(gòu)造生長(zhǎng)地層傾角是褶皺翼部旋轉(zhuǎn)造成的，不管沉積速率小于或者大于隆升速率，均是如此，據(jù)此推測(cè)瑪扎塔格背斜為滑脫褶皺。在地震剖面解釋中，瑪扎塔格構(gòu)造西北翼地層厚度變化較大，其原因除了剝蝕作用，還有地層層間發(fā)生的剪切作用(圖3、4)；較為明顯的是EW向地震剖面(圖4)所示的瑪扎塔格弧形構(gòu)造西段，滑脫褶皺北翼。該地震剖面斜交于構(gòu)造走向，顯示出瑪扎塔格背斜西北翼石炭系—二疊系地震反射波組局部增厚或減薄現(xiàn)象，說(shuō)明地層內(nèi)發(fā)生揉皺，地層間可能存在層間剪切現(xiàn)象(圖6)。由于該處構(gòu)造位置為瑪扎塔格背斜西北翼，下伏發(fā)育古董山逆沖斷層和瑪扎塔格南逆沖斷層，所以這兩條逆沖斷層具有走滑分量，為斜向擠壓沖斷構(gòu)造。

瑪扎塔格背斜構(gòu)造北翼地層之下無(wú)斷層存在，背斜北翼地層之間存在局部地層增厚或減薄，說(shuō)明存在斜向逆沖，有走滑作用圖6 E—E′ 未解釋剖面和解釋剖面局部放大Fig.6 Un-interpretation and Interpretation of the Partial Enlarged Seismic Line E-E′

斷層上盤逆沖方向與斷層走向垂直或近于垂直的稱為正向逆沖構(gòu)造；斷層上盤逆沖方向與斷層走向斜交的稱為斜向逆沖構(gòu)造。正向逆沖斷層的走滑分量基本為0，而斜向逆沖斷層存在程度不等的走滑分量，更易伴生復(fù)雜的剪切旋轉(zhuǎn)構(gòu)造[36]。鉆井資料證實(shí)，該區(qū)石炭系—二疊系地層和寒武系—奧陶系地層均為碳酸鹽巖地層，中寒武統(tǒng)地層的巖性主要為泥巖、膏泥巖，為相對(duì)軟弱的滑脫面。如果存在剪切作用，極易發(fā)生剪切斷層彎曲褶皺[35]，也可導(dǎo)致上盤地層之間發(fā)生層間剪切作用。

對(duì)SN向地震解釋剖面[圖4(b)]進(jìn)行去斷層恢復(fù)，到無(wú)逆沖斷層發(fā)育的滑脫褶皺剖面[圖4(c)]。部分復(fù)原剖面和原剖面相比，可計(jì)算出奧陶系—寒武系地層縮短3.04 km，石炭系—二疊系地層縮短2.25 km，上、下兩套地層縮短不一致。按照剪切斷層相關(guān)褶皺理論[34-35]，該剖面復(fù)原結(jié)果類似于簡(jiǎn)單剪切斷層彎曲褶皺(Simple Shear-bent Folding)，實(shí)際上是走滑剪切分量導(dǎo)致的，屬于斜向逆沖構(gòu)造。

5 弧頂構(gòu)造特征

位于弧形構(gòu)造中部與西部分界線上，SN向地震剖面B—B′(圖7)上有一口探井(瑪7井)鉆在瑪扎塔格背斜核部，即和田河氣田中部?，?井鉆遇第四系、下二疊統(tǒng)、石炭系、奧陶系，缺失新近系和上二疊統(tǒng)。圖7顯示出瑪扎塔格滑脫背斜構(gòu)造南翼相對(duì)狹窄、北翼相對(duì)較寬、核部平緩的特點(diǎn)。地震解釋結(jié)果表明：古董山逆沖斷層造成背斜核部平緩地層逆沖在背斜南翼陡傾地層之上，斷層傾角較陡；瑪扎塔格南逆沖斷層造成背斜南翼陡傾地層向南逆沖在背斜南翼相對(duì)緩傾地層之上(圖7)。如果把變形剖面恢復(fù)到無(wú)逆沖斷層，只存在滑脫背斜，可以計(jì)算出古生代地層從中寒武統(tǒng)到石炭系—二疊系地層縮短量基本一致，大約3.68 km。這說(shuō)明逆沖斷層上盤地層構(gòu)造變形屬于逆沖整體變形，不存在側(cè)向地層流動(dòng)，地層之間不存在層間剪切作用，基本無(wú)走滑分量，瑪扎塔格南逆沖斷層和古董山逆沖斷層均為正向逆沖斷層，即純擠壓構(gòu)造。

6 東段構(gòu)造特征

弧頂構(gòu)造東段(即瑪4井以東)，瑪扎塔格背斜構(gòu)造樣式不是滑脫褶皺，背斜北翼地層傾角較陡，相對(duì)較窄，南翼地層則相對(duì)寬緩，本文把該背斜解釋為一剪切斷層彎曲褶皺樣式(圖8)，背斜下伏的逆沖斷層向北擴(kuò)展。典型地震剖面C—C′清楚地顯示出：背斜南翼淺層發(fā)育沿古近系膏巖滑脫、向北逆沖的逆沖斷層；瑪扎塔格北逆沖斷層向北逆沖，斷層傾角小于地層傾角，符合剪切斷層彎曲褶皺[34]模式；瑪扎塔格背斜被古近系地層不整合覆蓋，古近系地層厚度表現(xiàn)為頂薄翼厚生長(zhǎng)地層特征；背斜南、北兩翼之下的基底面層埋深相差不大，未發(fā)育錯(cuò)斷基底的正斷層；在背斜北翼發(fā)現(xiàn)地震反射波組垂直方向上有錯(cuò)斷，存在走滑斷層。

圖件展示了古近紀(jì)到更新世生長(zhǎng)地層圖7 B—B′未解釋剖面、解釋剖面及無(wú)逆沖斷層的滑脫背斜剖面Fig.7 Un-interpretation, Interpretation and the Detached Anticline Restored by Removing Thrust Faults of Seismic Line B-B′

圖件展示了瑪扎塔格北具走滑分量的逆沖斷層、走滑斷層及生長(zhǎng)斷層圖8 C—C′未解釋剖面和解釋剖面及無(wú)逆沖斷層的復(fù)原剖面Fig.8 Un-interpretation, Interpretation and the Profile Restored by Removing Thrust Faults of Seismic Line C-C′

地震測(cè)線以東的其他SN向地震剖面則顯示出該背斜幅度向東逐漸降低，背斜傾伏，瑪扎塔格北逆沖斷層斷距減小，SN向構(gòu)造縮短量也相應(yīng)減小。根據(jù)恢復(fù)的平衡剖面，可計(jì)算出各個(gè)層系(古生界)地層頂面縮短量，下二疊統(tǒng)底、上二疊統(tǒng)底、石炭系底、中上奧陶統(tǒng)底、上寒武統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)底、中下寒武統(tǒng)底縮短量分別為2.97、3.36、3.70、5.79、3.93、0.49 km。這些縮短量的差異說(shuō)明瑪扎塔格北逆沖斷層具有走滑分量，逆沖斷層形成的褶皺類似于簡(jiǎn)單剪切斷層彎曲褶皺。縮短量應(yīng)當(dāng)包括逆沖斷層造成的擠壓縮短和走滑斷層造成的縮短，當(dāng)然也包括剖面走向并不垂直于構(gòu)造走向造成的誤差。

7 討 論

逆沖褶皺構(gòu)造帶中平面上發(fā)育獨(dú)特的弧形構(gòu)造展布特征，從20世紀(jì)初就吸引大批地質(zhì)學(xué)家對(duì)其進(jìn)行研究[30,37-44]，并涌現(xiàn)多個(gè)術(shù)語(yǔ)，如凸起(Salients)、凹形(Recesses)、弧形(Arcs)、馬蹄形山系(Oroclines)、褶皺束(Virgations)、弧形雕飾(Festoons)、彎曲(Bends)、山字形(Oroflexes)和構(gòu)造結(jié)(Syntaxes)等，用來(lái)描述造山帶及其前陸變形帶的弧形彎曲[30]，一般稱為造山帶弧形構(gòu)造，為了論述方便，簡(jiǎn)稱為弧形構(gòu)造?；⌒螛?gòu)造常表現(xiàn)為沿造山帶構(gòu)造線走向或者地貌形態(tài)的弧形彎轉(zhuǎn)，其規(guī)模可以從數(shù)十千米到數(shù)百千米。弧形構(gòu)造廣泛發(fā)育于世界各地，如帕米爾巨型弧形構(gòu)造帶[45]。李四光于1929年提出山字形構(gòu)造體系概念，認(rèn)為其是一種扭動(dòng)構(gòu)造，使用前弧、反射弧、脊柱、砥柱和馬蹄形地盾等術(shù)語(yǔ)描述不同部位的構(gòu)造特征，并運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)原理中橫梁彎曲解釋其力學(xué)機(jī)制。隨著板塊理論的提出，前人將古地磁[46-47]、構(gòu)造解析[43,47-48]、沉積記錄[49-51]、物理和數(shù)值模擬[52-53]等成功應(yīng)用于弧形構(gòu)造的研究。巨型規(guī)模的弧形構(gòu)造一般為陸內(nèi)擠壓構(gòu)造最為顯著和復(fù)雜的地區(qū)，也是現(xiàn)今陸-陸碰撞變形最為強(qiáng)烈的地區(qū)，對(duì)其研究是揭示陸內(nèi)造山動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵所在?；⌒卧焐綆熬壖捌淝瓣懹芯薮蟮挠蜌赓Y源，其形成演化與油氣運(yùn)聚有著密切的關(guān)系。如有些沉積盆地中的油氣可能在弧形構(gòu)造的弧頂附近聚集，弧頂前鋒與盆地沉積中心重合，意味著烴源巖和儲(chǔ)層厚度、規(guī)?？赡馨l(fā)育較好，而弧頂存在拉伸作用，裂隙和節(jié)理發(fā)育，有利油氣運(yùn)移進(jìn)入逆沖褶皺帶內(nèi)的圈閉[44]，對(duì)其研究具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

Yonkee等根據(jù)構(gòu)造變形動(dòng)力學(xué)和弧形構(gòu)造發(fā)育時(shí)間,把弧形構(gòu)造分為原生弧、遞進(jìn)弧和次生弧[31]。原生弧(Primary Arcs)變形前初始形態(tài)即為弧形，在變形歷史中弧度未變且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)，逆沖斷層位移恒定不變[圖9(a)]，或者位移呈放射狀[圖9(b)]；遞進(jìn)弧(Progressive Arcs)隨著變形，弧形構(gòu)造的彎曲弧度在逐漸增加，在變形過(guò)程中兩翼圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，遞進(jìn)弧有兩類模型，一種是弧形兩側(cè)位移方向相背離，位移方向呈弧狀[圖9(c)]，另一種是弧形兩側(cè)差異縮短，位移方向平行[圖9(d)]；次生弧(Secondary Orocline)由最初線性構(gòu)造發(fā)展而成，在隨后的變形中有走滑剪切作用[圖9(e)]或者橫彎曲作用的改造[圖9(f)]。每個(gè)模型都預(yù)測(cè)由古地磁矢量(p/P)記錄從初始狀態(tài)(p)到最終狀態(tài)(P)的垂直軸旋轉(zhuǎn)方式變化，構(gòu)造走向趨勢(shì)從初始狀態(tài)(s)到最終狀態(tài)(S)的演變(s/S)，平行位移方向(l/L)從初始狀態(tài)(l)到最終狀態(tài)(L)的縮短改變，斷層滑移角(θ)趨勢(shì)方向演變。旋轉(zhuǎn)模型4中差異縮短有撕裂斷層、走滑剪切或者局部塊體旋轉(zhuǎn)等3種方式。弧形構(gòu)造模型中包括在已有變形組構(gòu)疊加有新變形旋轉(zhuǎn)或者應(yīng)變，也說(shuō)明了逆沖作用不同的動(dòng)力學(xué)演變。

塔里木盆地巴楚隆起瑪扎塔格構(gòu)造中深層構(gòu)造總體走向呈向北凸起的弧形構(gòu)造?，?井—瑪7井為近NEE向延伸，瑪7井—瑪4井為近EW向延伸，在瑪4井以東該構(gòu)造又轉(zhuǎn)變?yōu)榻麼W向。從目前研究結(jié)果來(lái)看，瑪扎塔格弧形構(gòu)造中段擠壓作用強(qiáng)烈，未發(fā)現(xiàn)走滑特征；弧形構(gòu)造西段發(fā)現(xiàn)和田河氣田多個(gè)構(gòu)造高點(diǎn)平面分布呈雁行式排列，而且地震剖面顯示褶皺西北翼地層厚度局部增厚，沿逆沖斷層面發(fā)育剪切斷層彎曲褶皺，說(shuō)明背斜構(gòu)造存在走滑作用；弧形構(gòu)造東段地震資料清楚地顯示出褶皺東南翼地層傾角要小于下伏逆沖斷層面的傾角，表現(xiàn)為典型剪切斷層彎曲褶皺[圖8(b)]。Marshak根據(jù)沿弧形構(gòu)造走向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況把薄皮弧分為旋轉(zhuǎn)弧(Rotational Curve)和非旋轉(zhuǎn)弧(Nonrotational Curve)[30]。按照Marshak弧形構(gòu)造分類[30]，瑪扎塔格弧形構(gòu)造應(yīng)屬于旋轉(zhuǎn)弧形構(gòu)造類型。旋轉(zhuǎn)弧的形成是由于曾經(jīng)是平直走向的滑脫褶皺構(gòu)造[圖10(a)]在晚期遭受橫彎曲褶皺作用，因此，弧形構(gòu)造會(huì)發(fā)生沿垂直軸的旋轉(zhuǎn)。而非旋轉(zhuǎn)弧的初始形成時(shí)期是沿著弧形跡線發(fā)育的，不會(huì)出現(xiàn)沿垂直軸旋轉(zhuǎn)。

瑪扎塔格弧形構(gòu)造可歸屬于弧形兩側(cè)差異縮短的遞進(jìn)弧[31]。恢復(fù)斷層的平衡剖面研究成果顯示出，瑪扎塔格弧形構(gòu)造中西段恢復(fù)的早期構(gòu)造仍為寬緩滑脫褶皺，而東段晚期則恢復(fù)到緩坡沉積樣式，滑脫褶皺樣式隆起幅度很低，不如中西段那么明顯，說(shuō)明弧形兩側(cè)的差異縮短。根據(jù)生長(zhǎng)地層軸面變化情況(圖5～7)，構(gòu)造變形可劃分為古近紀(jì)、中新世和上新世3期。平衡剖面恢復(fù)則給出瑪扎塔格背斜構(gòu)造兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，也符合瑪扎塔格弧形構(gòu)造是兩期變形結(jié)果。如果考慮到沿著古近紀(jì)膏巖逆沖瑪扎塔格逆沖斷層掩覆到更新世地層沉積之上，則至少為3期構(gòu)造變形。由于弧形構(gòu)造兩側(cè)存在剪切作用，所以SN向剖面上無(wú)法判定有多少膏巖被剪切到其他地段，使用面積平衡方法研究滑脫面深度就會(huì)存在一定的誤差，這需要做進(jìn)一步三維平衡研究工作。

圖件引自文獻(xiàn)[31]圖9 弧形構(gòu)造簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型Fig.9 Simplified Kinematic Basic Models for Arc Structure

構(gòu)造走向隨著變形發(fā)育而逐漸變化；變形后該弧形構(gòu)造在中、東段之間發(fā)育有走滑構(gòu)造圖10 瑪扎塔格旋轉(zhuǎn)弧形構(gòu)造形成簡(jiǎn)化模式Fig.10 Idealized Model of the Geometry of the Mazatage Rotational Arc

瑪扎塔格弧形構(gòu)造曾經(jīng)是平直構(gòu)造發(fā)展而成，如早期形成的逆沖構(gòu)造在隨后的變形中疊加上走滑剪切作用[圖9(e)]或者橫彎曲作用的改造[圖9(e)、(f)]造成次生弧形構(gòu)造[31]，晚期卷入變形的新沉積物就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。Dupont-Nivet等對(duì)瑪扎塔格最東端、和田河西岸的中生界烏恰群剖面進(jìn)行了古地磁研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)磁偏角有順時(shí)針垂直軸旋轉(zhuǎn)，是局部的變形作用所致[25]，而采樣區(qū)位于弧形構(gòu)造東段，雖然該構(gòu)造也發(fā)育沿古近系膏巖逆沖瑪扎塔格弧形逆沖斷層，但弧形構(gòu)造剪切作用方向是一致的，可能這兩者共同作用導(dǎo)致弧形構(gòu)造東段構(gòu)造的磁偏角發(fā)生了15.3°±6.7°的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這一認(rèn)識(shí)也符合本文提出的弧形構(gòu)造展布規(guī)律及特點(diǎn)。Sun等根據(jù)磁性地層限定出旋轉(zhuǎn)地層時(shí)代為2.6～10.0 Ma[54]，正好在中新世晚期到更新世時(shí)期，位于生長(zhǎng)地層發(fā)育中晚期。實(shí)際上瑪扎塔格弧形構(gòu)造也可以歸屬于遞進(jìn)弧，但本文傾向于次生弧，因?yàn)楣沤o(jì)以來(lái)，瑪扎塔格弧形構(gòu)造總體處于昆侖逆沖帶北緣的塔西南前陸盆地之上，古地貌和沉積厚度趨勢(shì)基本近于EW向。在持續(xù)的擠壓作用下，逐漸發(fā)育中的弧形構(gòu)造不同段之間可能由于縮短量差異導(dǎo)致發(fā)育撕裂斷層(Tear Faulting)、走滑剪切或者局部塊體旋轉(zhuǎn)，如瑪扎塔格弧形構(gòu)造西部造成局部塊體周圍等高線的揉動(dòng)(圖2)。

從和田河氣田石炭系生物碎屑灰?guī)r頂面構(gòu)造圖(圖2)可觀察到，弧形構(gòu)造中段內(nèi)側(cè)瑪4走滑斷層以西發(fā)育局部褶皺構(gòu)造，被認(rèn)為是弧形構(gòu)造內(nèi)(南)側(cè)受到近EW向的擠壓導(dǎo)致的?，斣窕⌒螛?gòu)造外(北)側(cè)發(fā)育平行弧形構(gòu)造走向的伸展作用，發(fā)育4個(gè)局部構(gòu)造，其構(gòu)造走向與弧形構(gòu)造走向基本近垂直，地震解釋也在弧形構(gòu)造中部和西部發(fā)現(xiàn)陡傾的正斷層。瑪扎塔格弧形構(gòu)造橫向變化更多是滑脫褶皺的滑脫面深度變化引起的[30]，弧形構(gòu)造的中段滑脫面深度要大于東、西兩段(圖5、7)，實(shí)際上弧形構(gòu)造的東段基本不發(fā)育滑脫褶皺，而是順時(shí)針走滑作用導(dǎo)致褶皺南翼發(fā)生旋轉(zhuǎn)，類似于簡(jiǎn)單剪切斷層彎曲褶皺(圖8)。綜上所述，用弧形構(gòu)造觀點(diǎn)能解釋瑪扎塔格復(fù)雜構(gòu)造展布規(guī)律。

8 結(jié) 語(yǔ)

(1)塔里木盆地瑪扎塔格弧形構(gòu)造屬于旋轉(zhuǎn)弧形構(gòu)造，為曾經(jīng)平直滑脫褶皺帶逐漸彎曲而成?；⌒螛?gòu)造最大主擠壓應(yīng)力方向與弧形構(gòu)造東、西兩段斜交。

(2)弧形構(gòu)造中段和東段分界構(gòu)造是瑪4井附近發(fā)育的近SN向撕裂斷層——瑪4井東走滑斷層?；⌒螛?gòu)造西段和中段分界由于局部塊體旋轉(zhuǎn)形成瑪7井西側(cè)向斷坡構(gòu)造。

(3)弧形構(gòu)造西段瑪扎塔格構(gòu)造是由滑脫褶皺和背斜北翼具有逆時(shí)針走滑分量作用形成的斜向逆沖構(gòu)造組成，類似于剪切斷層相關(guān)褶皺。從東向西，隨著走滑分量逐漸增加，最大主擠壓應(yīng)力方向與斷層走向夾角從80°減小到60°，即走滑分量越大，傾斜程度越大。西段存在局部多個(gè)高點(diǎn)，也反映斜向擠壓導(dǎo)致局部塊體調(diào)整。

(4)無(wú)逆沖斷層的部分恢復(fù)剖面顯示，弧形構(gòu)造中部位移較為均衡，古生界地層從上到下縮短量基本一致，說(shuō)明構(gòu)造基本上為純擠壓作用形成的滑脫褶皺。在弧形構(gòu)造中段,弧形構(gòu)造滑移方向垂直弧頂。

(5)瑪扎塔格弧形構(gòu)造東段背斜是由順時(shí)針走滑分量作用形成的斜向逆沖構(gòu)造(類似于簡(jiǎn)單剪切斷層彎曲褶皺)組成。

(6)無(wú)逆沖斷層的部分恢復(fù)剖面給出弧形構(gòu)造西段滑脫褶皺的北翼寒武系—奧陶系地層縮短量大于石炭系—二疊系地層縮短量，說(shuō)明滑脫褶皺的北翼存在斜向剪切作用，其形成的構(gòu)造可與混合剪切斷層彎曲褶皺類比；而弧形構(gòu)造東段的部分恢復(fù)剖面表明中下寒武統(tǒng)—中上奧陶統(tǒng)地層縮短量增加很快，而石炭系—二疊系地層縮短量逐漸減少，說(shuō)明該構(gòu)造存在斜向剪切作用，其形成的褶皺類似于簡(jiǎn)單剪切斷層彎曲褶皺。研究指出，瑪扎塔格弧形構(gòu)造屬于旋轉(zhuǎn)弧形構(gòu)造類型，即早期平直構(gòu)造被晚期擠壓導(dǎo)致逐漸彎曲形成的弧形構(gòu)造，這與剖面上觀察到的生長(zhǎng)地層得到變形時(shí)間認(rèn)識(shí)完全一致。