疊合盆地內(nèi)部小尺度走滑斷裂幕式活動特征及期次判別
——以塔里木盆地順北地區(qū)為例

黃 誠

(中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，烏魯木齊 830011)

走滑斷裂是走向滑動斷裂的簡稱，其標(biāo)志性特點是位移向量大致平行于斷裂走向。地質(zhì)學(xué)家對走滑斷裂的認(rèn)識始于美國、日本和新西蘭等地區(qū)的大(或超大)尺度走滑斷裂，斷裂延伸幾百到上千千米，向下貫穿整個地殼，斷裂累積位移量多達數(shù)百千米，具有破壞性的大型地震多沿此類走滑斷裂發(fā)生[1]。根據(jù)走滑斷裂活動特征、構(gòu)造背景等因素的差異，已被記錄和研究的走滑斷裂可劃分為5種類型：(1)洋殼轉(zhuǎn)換斷裂；(2)大陸板塊邊界走滑斷裂；(3)陸—陸碰撞或弧—陸碰撞背景下形成的弧形走滑斷裂；(4)斜插俯沖背景下形成的弧前邊界走滑斷裂；(5)克拉通內(nèi)或板內(nèi)走滑斷裂。其中，克拉通內(nèi)走滑斷裂普遍發(fā)育于各類構(gòu)造—沉積盆地，是含油氣盆地內(nèi)部重要的油氣源斷裂，一直以來都是石油地質(zhì)工作者研究的重點對象[2-22]。

對于疊合盆地而言，先存斷裂作為克拉通內(nèi)的應(yīng)變承接帶，在多期構(gòu)造運動中通常會因板內(nèi)應(yīng)力集中而多期活動，并發(fā)生遞進走滑運動。走滑斷裂在斜壓或斜拉應(yīng)力背景下，普遍形成聚斂或拉伸型直立走滑構(gòu)造，在斷裂延伸方向呈現(xiàn)明顯的橫向分段性特征，在垂向不同構(gòu)造層的分層構(gòu)造變形過程中，形成各自獨立的走滑伴生構(gòu)造，構(gòu)成完整的垂向構(gòu)造序列。本文以疊合盆地構(gòu)造演化和分層構(gòu)造變形為指導(dǎo)原則，通過對疊合盆地不同構(gòu)造層走滑伴生構(gòu)造的幾何學(xué)和運動學(xué)特征解析，形成了基于地震資料的普適性走滑斷裂活動期次判別方法系列，對疊合盆地內(nèi)部走滑斷裂活動期次判定與形成演化研究具有理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

近年來，中國石化針對塔里木盆地順北地區(qū)板內(nèi)小尺度走滑斷裂油氣勘探已進入油氣田產(chǎn)能建設(shè)階段[2-3,23]，使得對疊合盆地內(nèi)走滑斷裂的認(rèn)識從二維的面結(jié)構(gòu)上升至三維空間的地質(zhì)體概念，走滑斷裂多期活動與油氣運聚、富集關(guān)系的系統(tǒng)研究成為熱點。前人[4-6]通過盆緣構(gòu)造動力學(xué)背景分析，提出該區(qū)走滑斷裂具有多期活動特點，并厘定了演化過程。從高產(chǎn)井與走滑斷裂的匹配性統(tǒng)計中，認(rèn)識到走滑斷裂是油氣運移、富聚的有利構(gòu)造單元[7-8]。從斷裂與縱向復(fù)式聚集油氣藏關(guān)系的研究中，發(fā)現(xiàn)油氣源斷裂與儲層組成的運聚體系具有流體分布的有序性[9-10]。隨著研究的逐漸深入，逐漸意識到含油氣走滑構(gòu)造帶的油氣聚集差異與斷裂的多期活動和差異演化有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系[11]。因此，疊合盆地內(nèi)小尺度走滑斷裂幕式活動特征及期次判別研究在勘探實踐和理論上均具有重要意義。

順北地區(qū)位于塔里木盆地塔中—塔北2大古隆起之間的構(gòu)造向斜區(qū)(圖1)，具有大陸地殼基底，顯生宙以來一直穩(wěn)定沉降，保存了最完整的疊合型盆地地層序列[3，12-14]。塔里木板塊在克拉通成盆階段共經(jīng)歷4期重大構(gòu)造變革，控制了小尺度直立走滑斷裂體系的幕式活動機制與差異形成演化過程，是開展疊合盆地內(nèi)走滑斷裂活動期次判定研究的典型地區(qū)[4-11，15,24]。

2 構(gòu)造層劃分

塔里木盆地是大型復(fù)合疊加盆地，由穩(wěn)定克拉通盆地、被動陸緣盆地和前陸盆地疊加形成。加里東早—中期為穩(wěn)定克拉通盆地階段，發(fā)育大型碳酸鹽巖克拉通臺地；加里東中期Ⅰ幕，塔里木板塊受西昆侖弧陸碰撞影響，發(fā)生克拉通撓曲變形，塔里木板塊內(nèi)部形成東西橫亙、南北相間的隆坳格局；加里東中期Ⅲ幕，受北昆侖洋關(guān)閉和天山洋伸展影響，塔里木板塊進入被動陸緣盆地階段，自盆地南緣由南向北發(fā)生強烈隆升。海西早期，南天山洋向中天山微陸塊碰撞造山，沙雅隆起和中央隆起帶強烈隆升剝蝕；海西晚期，北天山洋向中天山島弧俯沖消減，南昆侖洋向中昆侖島弧俯沖消減，并入歐亞板塊南緣，結(jié)束被動陸緣盆地階段。進入中新生代，塔里木板塊經(jīng)歷盆—山構(gòu)造演化，整體進入前陸盆地階段。

圖1 塔里木盆地順北地區(qū)構(gòu)造單元劃分及斷裂分布

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)構(gòu)造層劃分及斷裂特征

3 走滑斷裂垂向構(gòu)造序列

研究區(qū)走滑斷裂在平面上主要呈NE30°～50°、NW10°～20°走向線形展布[2，4-6]，部分斜列走滑斷層在幕式活動下發(fā)生主滑移斷層疊接或焊接，形成大型弧線型走滑斷裂帶。走滑斷裂帶長度在50～150 km之間，地震資料顯示垂向發(fā)育深度超過10 km，累計滑移距離普遍在0.5～2 km。走滑斷裂在空間上呈現(xiàn)“直立走滑、斷入基底、多期活動、小尺度滑移”特點。在走滑運動由深部向淺層傳遞過程中，構(gòu)造變形由深部向淺層傳遞，引起上覆蓋層的剪切變形，即在同期近地表構(gòu)造層形成特有的伴生構(gòu)造樣式，并經(jīng)歷后期構(gòu)造運動的疊加改造，最終構(gòu)成一個完整的垂向構(gòu)造序列(圖2)。

4 走滑斷裂幕式活動期次判別方法

對于幕式活動形成的小滑移距走滑斷裂，活動期次厘定存在很大難度。傳統(tǒng)地下正/逆斷裂活動期次判定方法多是利用斷穿地層時代、斷層生長指數(shù)、斷層生長速率及斷層牽引褶皺的變形特征等方式進行判斷[25-27]。鑒于走滑斷層的獨特性，傾向斷層常用的期次判別方法無法簡單套用。實際上，從成熟期走滑斷裂帶的垂向理論結(jié)構(gòu)模式中，可以尋得幕式走滑斷裂活動期次判別的核心要素，即分層走滑構(gòu)造或垂向構(gòu)造序列。走滑斷裂帶在幕式演化過程中，主滑移斷層向上覆構(gòu)造層傳遞應(yīng)力，受地層厚度、巖石物理性質(zhì)及摩擦強度控制，不同構(gòu)造層的巖層破裂、擴展方式在幕式活動中會存在明顯差異，進而影響不同構(gòu)造層的構(gòu)造變形分解，形成獨立的新生構(gòu)造樣式。因此，圍繞“分層構(gòu)造變形分解”，開展走滑斷裂帶幾何學(xué)和運動學(xué)特征解析，是厘定小尺度幕式走滑斷裂期次判定的關(guān)鍵。

4.1 基于幾何學(xué)特征(垂向構(gòu)造序列)的期次判定方法

走滑斷裂帶在不同構(gòu)造幕的會聚(或拉伸)應(yīng)力場中，會在同期近地表構(gòu)造層形成特有的伴生構(gòu)造樣式，最終構(gòu)成一個完整的垂向構(gòu)造序列。常見伴生構(gòu)造樣式包括：花狀構(gòu)造、馬尾構(gòu)造、雁列構(gòu)造和羽狀背斜帶等。如果將各構(gòu)造層特有的走滑伴生構(gòu)造作為同期走滑斷裂活動的地質(zhì)記錄信息，即可從現(xiàn)今地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)中逐期恢復(fù)走滑斷裂幕式活動過程，進而判定斷裂活動期次。

4.1.1 雁列構(gòu)造樣式判別法

以研究區(qū)為例，走滑斷裂在多個構(gòu)造層發(fā)育雁列構(gòu)造，呈現(xiàn)明顯垂向構(gòu)造序列。理論上，雁列構(gòu)造形成的力學(xué)機理、展布方式與深部主走滑帶在不同應(yīng)力背景下的活動關(guān)系緊密。在純剪和張剪應(yīng)力背景下，雁列正斷層走向與深部走滑斷層走向的夾角不同；同處于張剪應(yīng)力背景下，區(qū)域主壓(或拉伸)應(yīng)力方向不同，雁列正斷層走向也會不同(圖3a)。因此，單個構(gòu)造層出現(xiàn)雁列構(gòu)造，表明同期發(fā)生走滑運動；多個構(gòu)造層均出現(xiàn)產(chǎn)狀各異的雁列構(gòu)造，則表明走滑斷裂存在多期活動。

此外，由于走滑斷層多為遞進走滑運動，主滑移斷層向上覆構(gòu)造層傳遞應(yīng)力也呈現(xiàn)遞進演變特點。因此，雁列正斷層一般為同生斷層，可利用正斷層生長指數(shù)輔助判定期次和活動強度。

圖3 基于走滑斷裂垂向構(gòu)造序列和運動學(xué)特征解析的期次判別方法

4.1.2 復(fù)合花狀構(gòu)造樣式判別法

4.1.3 反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式判別法

反轉(zhuǎn)構(gòu)造為區(qū)域(或局部)應(yīng)力場變化的產(chǎn)物，是記錄多期構(gòu)造活動的典型構(gòu)造樣式，常見于傾向斷層及相關(guān)的伸展(收縮)構(gòu)造樣式。對于小尺度走滑斷層而言，不同構(gòu)造幕的會聚(或拉伸)應(yīng)力場會造成斷層傾移性質(zhì)的反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的復(fù)合構(gòu)造變形與傾向斷層及相關(guān)的伸展(收縮)構(gòu)造具有可類比性，可以作為走滑斷層多期活動的判定依據(jù)。在走滑斷裂多期活動過程中，常見的伴生構(gòu)造樣式[28]，如花狀構(gòu)造、羽狀構(gòu)造、雁列構(gòu)造會疊加改造或繼承性活動，甚至發(fā)生斷層性質(zhì)反轉(zhuǎn)(圖3c)。以雁列正斷層為例，在多期活動過程中，當(dāng)區(qū)域(或局部)應(yīng)力場發(fā)生反轉(zhuǎn)時，會形成正反轉(zhuǎn)斷層，斷層性質(zhì)發(fā)生改變，向淺層轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒎鏇_斷層及相關(guān)褶皺構(gòu)造。通過對淺層逆沖斷層及相關(guān)褶皺構(gòu)造的解析，可以判定走滑斷裂活動期次。

4.2 基于運動學(xué)特征的期次判定方法

走滑斷裂的標(biāo)志性特點是位移向量大致平行于斷裂走向。在走滑斷裂幕式滑移過程中，常會出現(xiàn)水平滑移方向改變和錯斷構(gòu)造—沉積地質(zhì)體的現(xiàn)象。這2種現(xiàn)象實際上體現(xiàn)了走滑斷裂運動學(xué)特征的核心內(nèi)容，即滑移方向和滑移距離。善加利用，即可作為走滑斷裂活動期次判定的重要依據(jù)。

4.2.1 滑移方向反轉(zhuǎn)判別法

4.2.2 構(gòu)造—沉積地質(zhì)體與走滑斷層交切關(guān)系判別法

一般情況下，大型疊合盆地在其地質(zhì)演化史中均會形成非常重要、易于觀測的構(gòu)造變形和沉積響應(yīng)，它們是重要的地質(zhì)記錄。通過觀測走滑斷層與其呈現(xiàn)的空間交切關(guān)系，可以有效判定斷裂活動期次，利用走滑斷裂斷穿地層時代來判定斷裂活動時期便是其中最具代表性的判定方法。同樣以研究區(qū)為例，簡單闡述幾種常見構(gòu)造—沉積地質(zhì)體在走滑斷裂期次判定中的應(yīng)用。

(2)傾向斷層與走滑斷層的交切關(guān)系。傾向斷層活動期次的判定方法較成熟，判定難度也不大。通過觀測走滑斷層與不同產(chǎn)狀傾向斷層的交切關(guān)系，可以約束或直接判定走滑斷層活動期。以塔中地區(qū)卡塔克古隆起為例，隆起上發(fā)育眾多平行排列的NE30°走滑斷層，走滑斷裂錯斷NW向延伸的不同序級逆沖推覆構(gòu)造(或逆沖斷層)，部分走滑斷層甚至錯斷卡塔克古隆起中央主壘帶(f2)。通過對隆起上不同序級NW向逆沖推覆構(gòu)造(或逆沖斷層)的活動期次判定，可以推斷與之呈交切關(guān)系的走滑斷層活動期次。如圖1所示，F(xiàn)12、F13、F14走滑斷裂錯斷f3、f4、f5逆沖斷層和中央主壘帶(f2)，3條走滑斷裂之間的次級走滑斷層僅錯斷f3、f4、f5逆沖斷層，終止于中央主壘帶，不同序級的走滑斷裂之間也呈現(xiàn)明顯的交切關(guān)系。f4、f5逆沖斷層和中央主壘帶的構(gòu)造定型時期不同(圖5)，借助逆沖推覆構(gòu)造的定型期可以判定不同序級走滑斷層的活動期次。

圖4 走滑斷層錯斷地層角度不整合構(gòu)造判定期次

圖5 塔里木盆地卡塔克隆起東部三維工區(qū)斷裂特征

圖6 走滑斷層錯斷侵入巖判定期次

此外，研究區(qū)上奧陶統(tǒng)廣泛發(fā)育輝綠巖脈[34]，走滑斷裂呈現(xiàn)明顯錯斷輝綠巖脈現(xiàn)象(圖6)。通過對輝綠巖脈LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定[34]，判斷輝綠巖脈形成于晚二疊世火山巖噴發(fā)事件，據(jù)此亦可判定走滑斷裂在海西晚期仍有活動。

5 結(jié)論

(1)在疊合盆地形成階段，小尺度走滑斷裂扮演著協(xié)調(diào)疊合盆地內(nèi)部差異收縮變形和旋轉(zhuǎn)應(yīng)變的角色。一般情況下，走滑斷裂的幕式形成演化過程與疊合盆地形成演化的重要構(gòu)造變革期匹配。不同構(gòu)造變革期的古應(yīng)力場一直在發(fā)生變化，走滑斷裂作為構(gòu)造損傷帶，其幕式應(yīng)變承接方式也并非一成不變。在不同構(gòu)造幕的會聚(或拉伸)應(yīng)力場中，會在同期近地表構(gòu)造層形成特有的伴生構(gòu)造樣式，最終構(gòu)成一個完整的垂向構(gòu)造序列。如果將各構(gòu)造層特有的走滑伴生構(gòu)造作為同期走滑斷裂活動的地質(zhì)記錄信息，便可將走滑斷裂的幕式活動過程從現(xiàn)今地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)中逐期恢復(fù)，還原走滑斷裂的形成演化過程，進而判定走滑斷裂活動期次。因此，沉積蓋層的構(gòu)造層劃分和垂向構(gòu)造序列描述是厘定走滑斷裂幕式活動特征和期次判定的重要切入點。

(2)走滑斷裂的標(biāo)志性特點是位移向量大致平行于斷裂走向，其運動學(xué)特征的核心內(nèi)容包括滑移方向和滑移距離。在幕式滑移過程中，常會出現(xiàn)水平滑移方向改變和錯斷構(gòu)造—沉積地質(zhì)體的現(xiàn)象。通過判定走滑斷裂在不同構(gòu)造時期的滑移方向、不同時期形成的構(gòu)造—沉積地質(zhì)體與走滑斷裂的交切關(guān)系，也可以為期次判定提供幫助。