塔里木盆地順北地區(qū)11號走滑斷裂帶變形及其活動特征

況安鵬，余一欣，朱秀香，陳 石，金 峰，梁鑫鑫，余 浪

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

0 引 言

塔里木盆地中北部環(huán)繞著滿加爾坳陷發(fā)育沙雅和卡塔克兩大古生界古隆起，是近些年發(fā)現(xiàn)的有利油氣富集區(qū)，目前已建成古生界碳酸鹽巖兩大富油氣區(qū)帶。隨著勘探研究的深入，發(fā)現(xiàn)在沙雅隆起和卡塔克隆起上的古生界中發(fā)育的斷裂主要為逆沖斷裂和走滑斷裂，而且斷裂發(fā)生多期活動，疊加構(gòu)成復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)[1-10]。這些地區(qū)的走滑斷裂帶對油氣具有顯著的控制作用，近直立的走滑斷裂(甚至是隱形斷裂)通常具有通源性，并且與儲層和油氣圈閉密切相關(guān)。沿著走滑斷裂帶部署的鉆井也獲得多個重要油氣田發(fā)現(xiàn)，如沙雅隆起哈拉哈塘、順托果勒低隆以及卡塔克隆起均發(fā)現(xiàn)位于走滑斷裂帶附近的高產(chǎn)油氣田。

前人對卡塔克隆起、沙雅隆起以及順托果勒低隆東部地區(qū)的走滑斷裂的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征以及動力學(xué)成因等方面都做了比較深入的研究工作，認(rèn)為在天山、昆侖山和阿爾金山等周緣造山帶聯(lián)合作用下，卡塔克隆起地區(qū)主要發(fā)育與塔中I號逆沖斷裂垂直的NE向左行調(diào)節(jié)走滑斷裂體系，而沙雅隆起地區(qū)主要發(fā)育透入性的共軛走滑斷裂體系[11-13]。但是對于順托果勒低隆西部地區(qū)的走滑斷裂研究較少。本文基于三維和二維地震資料，對位于順北5號走滑斷裂帶西部地區(qū)的順北11號走滑斷裂帶的變形及其活動特征進(jìn)行了詳細(xì)解剖，對順北地區(qū)的走滑斷裂研究是重要補(bǔ)充，并可以為順北西部地區(qū)的油氣勘探部署提供科學(xué)參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔里木盆地是我國最大的內(nèi)陸含油氣疊合盆地，位于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊、羌塘地塊和柴達(dá)木板塊交匯處[14-17]。塔里木盆地周緣發(fā)育天山、西昆侖山和阿爾金山等多期活動造山帶，以板內(nèi)構(gòu)造變形為主，發(fā)育由一系列隆起帶與坳陷帶相間組成的隆凹構(gòu)造格局。本文的順北西部地區(qū)是指位于順北5號走滑斷裂帶以西的順托果勒低隆部位(圖1)。該地區(qū)位于塔里木盆地幾大構(gòu)造單元的交匯部位，北部緊鄰沙雅隆起，西部與阿瓦提凹陷相鄰，南部與卡塔克隆起西緣末端相接(圖1)。順北西部地區(qū)構(gòu)造條件復(fù)雜，發(fā)育多組走滑斷裂和逆沖斷裂。前人研究表明，順北地區(qū)可能經(jīng)歷了至少4個構(gòu)造演化階段，包括加里東早期(寒武紀(jì)-中奧陶世)克拉通邊緣拗拉槽與克拉通內(nèi)弱伸展背景階段、加里東中晚期-海西早期(中奧陶世-中泥盆世)克拉通隆起形成演化與整體擠壓階段、海西晚期-印支期(早二疊世-侏羅紀(jì))隆起持續(xù)抬升與擠壓階段和燕山期-喜馬拉雅期古隆起與斷裂調(diào)整定型階段[18]。順北地區(qū)古生代地層自下而上有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二疊系[5,19]，在加里東中期、海西早期等發(fā)育多個區(qū)域性不整合，包括T74、T70和T60界面等(圖2)。

圖1 塔里木盆地順北及鄰區(qū)走滑斷裂系統(tǒng)圖Fig.1 Strike-slip fault system in/around the Shunbei area in the Tarim basin

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of the Shunbei area

順北西部地區(qū)主要發(fā)育NNW向和NNE向兩組走滑斷裂體系，其中NNW走向的走滑斷裂占主導(dǎo)，包括順北7號、9號、11號和13號走滑斷裂帶等，這些斷裂帶在區(qū)域上延伸距離較長，整體近平行展布(圖1)。NNE走向的走滑斷裂帶延伸距離較短，并且分散發(fā)育，而且部分?jǐn)嗔驯籒NW走向的順北11號斷裂帶和13號斷裂帶限制(圖1)。

2 斷裂帶變形特征

順北11號斷裂位于順托果勒低隆西部地區(qū)，向北穿過阿瓦提坳陷東部，延伸至沙雅隆起，南部穿過塔中1號斷裂帶西部轉(zhuǎn)折端進(jìn)入卡塔克隆起，整體延伸長度超過100 km(圖1)。平面上，順北11號斷裂帶北段呈線性展布，在南段分散為數(shù)條次級斷裂，呈馬尾狀尖滅(圖1)。順北11號斷裂活動時(shí)間長，在剖面上切穿層位多，向下切入前寒武系基底，向上切穿古生界，基本終止于T05界面之下(圖3)。

順北11號斷裂帶在不同段表現(xiàn)出不同的構(gòu)造特征，可分為北、中、南3段。在北段，斷層在深部近直立，向上發(fā)育次級斷層，組成花狀構(gòu)造。斷裂在北段整體表現(xiàn)出壓扭特征，T18、T47和T07界面都發(fā)生擠壓上拱，但上拱幅度存在明顯差異，表現(xiàn)出明顯的分層性，部分地區(qū)表現(xiàn)出下部“上拱”和上部“下掉”疊合的現(xiàn)象(圖3中的剖面①和②)。在中段，斷裂在剖面上發(fā)育負(fù)花狀構(gòu)造，自寒武系發(fā)育分支斷裂向上“開花”，兩條分支斷裂內(nèi)控制地層下掉形成地塹(圖3中的剖面③、④和⑤)，表現(xiàn)出張扭應(yīng)力背景下的變形特征。在平面上，分支斷裂控制的下掉地塹處于順北11號斷裂的右階彎曲部位。在斷裂帶南段，順北11號斷裂發(fā)育數(shù)條分支斷裂，平面上呈馬尾狀分布。在剖面上，這些次級斷裂的活動性逐漸減弱，在T06界面之上就基本停止發(fā)育，明顯較斷裂北段活動時(shí)間短。斷裂多表現(xiàn)為直立斷裂，分支較少，沒有發(fā)育中、北段的大型花狀構(gòu)造，僅在T47界面之上發(fā)育小型花狀構(gòu)造，整體斷距小，地層界面大多平整，局部地區(qū)的T18和T47界面表現(xiàn)為壓扭變形特征(圖3中的剖面⑥)。

圖3 順北11號斷裂帶典型剖面圖(剖面位置見圖1)Fig.3 Seismic profiles across the Shunbei-11 fault (see Fig.1 for the profiles location)

3 斷裂帶活動特征

應(yīng)用三維地震數(shù)據(jù)體，通過統(tǒng)計(jì)不同地層界面受走滑斷裂控制的變形區(qū)和未變形區(qū)之間的落差來反映斷裂的活動特征。落差為正值，則地層界面受壓扭作用上拱變形，反之落差為負(fù)值，則地層界面受張扭作用下掉變形。綜合順北11號斷裂沿走向不同位置的落差特征，可見在T18界面表現(xiàn)出明顯的分段性。北段為壓扭上拱段，中段為顯著的張扭拉分段，而南端的幾條分支斷裂(圖4(a))主體為平移運(yùn)動，部分兼有弱擠壓特征(圖4(b))。在T47界面，斷裂帶活動特征與T18界面有一定差異。在北段強(qiáng)擠壓上拱和強(qiáng)拉分下掉交互出現(xiàn)，在斷裂帶中段與T18界面類似，均為強(qiáng)烈的拉張下掉，但地層界面的下掉幅度存在差異。南段幾條分支斷裂主要為平移變形，局部兼有弱擠壓和弱拉張變形(圖4(c))。因此，順北11號斷裂帶的變形特征具有較明顯的分段性和分層性(圖3和圖4(b))。在北段，深層主要表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的壓扭特征，而淺層則是壓扭和張扭交互出現(xiàn)，斷裂中段為強(qiáng)拉分段，但深淺層拉分下掉的幅度存在差異，淺層下掉的幅度相對更大一些。斷裂南段主體為發(fā)生平移的馬尾段，斷裂活動性也明顯減弱，并逐漸尖滅。

圖4 順北11號斷裂帶落差分布特征Fig.4 Plot of fault throws along the Shunbei-11 fault(a)T81界面斷裂展布；(b)T81界面地層落差；(c)T74界面地層落差

本文通過研究認(rèn)為順北11號斷裂帶是一條右旋走滑斷層，主要存在以下兩方面的證據(jù)：(1)在斷裂帶南段，淺層發(fā)育受深層主干斷裂活動控制的雁列式斷層，這些雁列式斷層控制了淺部地層下掉形成的地塹和斷塊。在T07界面的地震相干切片上(圖5(a))，可見雁列式斷層呈左階斜列式展布，指示深部主干斷裂發(fā)生右旋走滑活動(圖5(b))。(2)在斷裂帶中段，順北11號斷裂帶發(fā)育由兩條斷裂控制的拉分地塹(圖6(b))，而該地塹在平面上位于主干斷裂的右階拐彎的疊接區(qū)，同時(shí)主干斷裂和次級斷裂在平面上構(gòu)成伸展走滑雙重構(gòu)造，也指示順北11號斷裂帶發(fā)生了右旋走滑活動(圖6(a))。

圖5 順北11號斷裂帶淺層雁列斷層發(fā)育特征Fig.5 En echelon faults at the T70 horizon of the Shunbei-11 fault(a)T70界面相干切片；(b)平面斷裂展布

圖6 順北11號斷裂帶拉分地塹發(fā)育特征Fig.6 Pull-apart grabens in the middle segment of the Shunbei-11 fault(a)T74界面斷裂展布；(b)地震解釋剖面

4 斷裂帶活動期次

前人通過分析地震剖面上斷層切割地層關(guān)系、地層不整合界面和平面組合的規(guī)律等，認(rèn)為塔里木盆地卡塔克隆起和沙雅隆起的走滑斷裂在古生代形成，并且經(jīng)歷了兩期活動[1,11-13,19-20]，但對于兩期活動的具體時(shí)間還沒有達(dá)成共識，如中晚奧陶世-志留紀(jì)和二疊紀(jì)[20]、志留紀(jì)末期-泥盆紀(jì)初期以及二疊紀(jì)晚期[11,13]、中奧陶世和晚志留世-中泥盆世末[1,12,19]等不同觀點(diǎn)。還有一些研究人員認(rèn)為卡塔克地區(qū)的走滑斷裂主要在志留紀(jì)-泥盆紀(jì)發(fā)生活動[21]。

對于多期活動形成的小位移長走滑斷裂的活動期次厘定存在著很大難度，傳統(tǒng)的分析方法(如斷穿地層時(shí)代、斷層生長指數(shù)、斷層生長速率等)并不能直接套用。實(shí)際上，走滑斷裂帶在多期次活動演化過程中，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(qiáng)度差異等控制，不同構(gòu)造層的巖層破裂、擴(kuò)展方式會存在明顯差異，進(jìn)而影響不同構(gòu)造層的變形特征，形成新的構(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(yùn)動學(xué)特征解析，是厘定小位移長走滑斷裂活動期次的關(guān)鍵。

順北11號斷裂帶變形特征的分層差異也表明斷裂發(fā)生了多期活動。在北部壓扭段，可見斷裂帶在深層近直立延伸至基底，斷裂向上開花，發(fā)育正花狀構(gòu)造，而T47界面也相應(yīng)發(fā)生明顯的上拱變形，而T07界面卻近平整，地層的變形幅度存在明顯差異，形成角度不整合(圖7)，可以判斷在T07界面前后至少發(fā)生兩次活動變形。在中段拉分段，控制拉分地塹的兩條邊界斷層基本終止于T06界面之上，而由于斷裂的多期活動，拉分地塹內(nèi)的沉積地層相對于地塹外地層有局部加厚的現(xiàn)象，屬于斷裂活動的同生沉積地層，利用同生沉積地層的時(shí)代可判斷斷裂的活動時(shí)限，目前在T07界面和T06界面以下可見兩套明顯加厚的同沉積地層(圖7)。綜合上述現(xiàn)象，可判斷出順北11號斷裂帶在晚奧陶世(T07界面之前)和晚志留世-中泥盆世(T06界面之前)發(fā)生兩期活動，而且部分地區(qū)的活動持續(xù)到石炭紀(jì)。這一結(jié)論也與近期對卡塔克隆起走滑斷裂的活動時(shí)限的認(rèn)識相吻合[1]。

圖7 順北11號斷裂帶活動期次劃分標(biāo)志(剖面位置見圖1)Fig.7 Deformation characteristics showing the evolution stages of the Shunbei-11 fault

5 順北11號斷裂帶形成機(jī)制

受周緣板塊運(yùn)動和多期造山作用影響，塔里木盆地內(nèi)部環(huán)滿加爾坳陷發(fā)育大量走滑斷裂。定年數(shù)據(jù)表明，沙雅隆起、卡塔克隆起和順北地區(qū)的走滑斷裂在460 Ma時(shí)開始形成[22]。但對于走滑斷裂的發(fā)育機(jī)制和動力學(xué)成因，目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。有學(xué)者指出環(huán)滿加爾坳陷發(fā)育的走滑斷裂是在晚奧陶世來自東南方向的強(qiáng)烈斜向擠壓作用形成的統(tǒng)一差異走滑斷裂系統(tǒng)，并在沙雅隆起和卡塔克隆起區(qū)表現(xiàn)為不同性質(zhì)的走滑斷裂[22]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，卡塔克隆起區(qū)的走滑斷裂主要受控于塔里木盆地南部的古昆侖洋和阿爾金洋俯沖的多期、多方向擠壓作用，主要發(fā)生晚奧陶世壓扭和晚志留世-中泥盆世張扭兩期變形[1,6,12]。

本文研究發(fā)現(xiàn)，在加里東中期(晚奧陶世)，塔里木盆地南緣西昆侖洋閉合消減[15]產(chǎn)生NE向擠壓應(yīng)力，形成大量NW向逆沖斷裂，并在向盆地北部傳遞過程中，NE向擠壓應(yīng)力被大幅削弱，而此時(shí)盆地北部古大洋向中天山地體俯沖[23]，產(chǎn)生由北向南的擠壓應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，控制了順北11號斷裂、5號斷裂北段等NW向斷裂發(fā)生右旋走滑活動，并向南延伸發(fā)育(圖8(a))。在加里東晚期-海西早期(晚志留世-中泥盆世)，塔里木盆地南緣阿爾金洋俯沖消減[10,12]產(chǎn)生了NW向擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致卡塔克隆起及其北坡NE向走滑斷裂發(fā)生明顯位移形變，對順北11號斷裂帶的控制作用也有所減弱。與此同時(shí)，塔里木盆地北部南天山洋持續(xù)向塔里木板塊北緣俯沖消減閉合[24]，受自北向南的擠壓應(yīng)力影響，順北11號斷裂帶保持右旋走滑活動，并向南延伸發(fā)育，末端呈現(xiàn)出馬尾狀特征(圖8(b))。

圖8 順北11號走滑斷裂帶形成模式圖Fig.8 Evolution model of the Shunbei-11 fault in the western Shunbei area

順托果勒低隆地區(qū)目前已經(jīng)落實(shí)的主干走滑斷裂帶有20余條，其中弧形展布的順北5號斷裂帶有明顯的東西分隔作用(圖1)。在順北5號斷裂帶以東地區(qū)，走滑斷裂主體為NE走向，而西部地區(qū)主干走滑斷裂為NNW走向。順北11號走滑斷裂在平面上呈NNW向延伸，走向與順北5號帶北段基本一致，而斷裂帶的右旋走滑方向也和順北5號帶北段一致[3,18]。在構(gòu)造變形方面，順北11號斷裂北段呈線性，中段開始發(fā)育次級斷裂，形成兩條次級斷裂控制的拉分地塹，而到斷裂南段則發(fā)生數(shù)條分支斷裂，呈馬尾狀(圖1和圖3)。斷裂帶北段主要為壓扭變形，中段為張扭拉分變形，南段主體為平移變形，整體呈現(xiàn)出北強(qiáng)南弱的活動特征。綜合分析表明，順北11號斷裂帶的發(fā)育過程可能是從北向南延伸，形成斷裂的主壓應(yīng)力也是來自盆地北部，該特征和順北5號斷裂帶北段的擴(kuò)展方式也是基本一致的[3,18]。

因此，順北11號走滑斷裂帶的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征更接近于沙雅隆起的NNW向走滑斷裂體系，而不同于卡塔克隆起區(qū)的NNE向左行走滑斷裂體系。順北11號走滑斷裂帶的發(fā)育主要受控于塔里木盆地北部天山洋的多期俯沖擠壓而產(chǎn)生的自北向南的主壓應(yīng)力，斷裂自北向南擴(kuò)展延伸，呈右旋走滑活動，發(fā)育方式類似于順北5號斷裂帶的北段。

6 結(jié) 論

(1)順北11號走滑斷裂帶具有垂向分層性和平面分段性。斷裂帶北段主要為壓扭張扭交互段，中段為兩條次級斷層控制的拉分段，南段為數(shù)條分支斷層構(gòu)成的馬尾段。

(2)順北11號斷裂經(jīng)歷了多期活動變形，主要在晚奧陶世和晚志留世-中泥盆世發(fā)生活動，部分地區(qū)持續(xù)到石炭紀(jì)。順北11號走滑斷裂帶的活動性整體由北向南逐漸減弱，是一條右旋走滑斷層。

(3)順北11號走滑斷裂帶的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征更接近于沙雅隆起區(qū)的NNW向走滑斷裂體系，而不同于卡塔克隆起區(qū)的NNE向左行走滑斷裂體系。順北11號走滑斷裂帶的發(fā)育過程主要受控于塔里木盆地北部天山洋的多期俯沖擠壓而產(chǎn)生的自北向南的主壓應(yīng)力，斷裂帶自北向南擴(kuò)展延伸，發(fā)育方式類似于順北5號走滑斷裂帶北段。