塔里木盆地中部走滑斷裂系統(tǒng)分布格局及其成因

李國會 李世銀 李會元 孫 沖 謝 舟 李 飛

中國石油塔里木油田公司

0 引言

近年來，塔里木盆地中部（指塔北隆起—塔中凸起，以下簡稱臺盆區(qū)）發(fā)現(xiàn)了一系列奧陶系碳酸鹽巖走滑斷裂和斷控油氣藏，逐漸形成塔北隆起—塔中凸起連片的大油氣區(qū)，成為塔里木盆地重點(diǎn)油氣勘探領(lǐng)域之一[1-4]。前人對塔里木盆地中央隆起、塔北隆起等區(qū)域的走滑斷裂特征、控儲控藏作用已有較多的研究。其中，李傳新等[5-8]對塔里木盆地塔中凸起及其北斜坡的走滑斷裂平剖面特征、活動期次進(jìn)行了研究，認(rèn)為塔中凸起及其北斜坡走滑斷裂形成始于加里東中期，后期繼承性活動，走滑斷裂形成的動力機(jī)制為來自東南方向與阿爾金北緣北西向強(qiáng)烈斜向擠壓作用；鄧尚等[9-13]對塔里木盆地順北及鄰區(qū)主干走滑斷裂帶活動特征和期次、分段性特征進(jìn)行了精細(xì)解剖，認(rèn)為走滑斷裂的主活動期為加里東中期Ⅲ幕，應(yīng)力來自東南方向阿爾金島弧強(qiáng)烈的斜向碰撞擠壓作用；呂海濤等[14-16]對塔里木盆地塔北隆起走滑斷裂體系及形成機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為塔里木盆地北部走滑斷裂發(fā)育花狀構(gòu)造、雁列構(gòu)造等多種構(gòu)造樣式，“X”形共軛走滑斷裂形成機(jī)制為近南北向擠壓應(yīng)力，主要形成期為中晚奧陶世。但前期的研究主要都集中在三維地震區(qū)塊走滑斷裂構(gòu)造幾何學(xué)特征與不同區(qū)塊斷裂的形成演化上，不同地區(qū)之間的認(rèn)識也存在著分歧，而且缺少整體應(yīng)力場分析，對塔里木盆地臺盆區(qū)走滑斷裂的整體格局及其形成機(jī)制尚不明確，制約了對已發(fā)現(xiàn)斷裂帶的精細(xì)勘探及外圍區(qū)塊走滑斷裂帶分布的預(yù)測與油氣勘探部署。

為此，筆者在分析塔里木盆地三維地震資料解釋成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人的研究成果及認(rèn)識，描述了臺盆區(qū)走滑斷裂的總體展布格局，分析了走滑斷裂的形成時期，結(jié)合該時期先存構(gòu)造及恢復(fù)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)探討了該區(qū)走滑斷裂的形成機(jī)制，預(yù)測了潛在走滑斷裂的分布規(guī)律，以期為下一步針對斷裂帶的油氣勘探部署提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地面積為56×104km2，是大型復(fù)合疊合盆地[17-19]。塔里木盆地中部顯生宙地層發(fā)育齊全，厚度逾10 000 m，呈現(xiàn)“三隆四坳”的構(gòu)造格局（圖1）。塔里木盆地中部發(fā)育以奧陶系碳酸鹽巖為主的多套儲蓋組合與含油氣層段，奧陶系上部碳酸鹽巖以石灰?guī)r為主，基質(zhì)物性較差，儲集空間以次生溶蝕孔隙為主[1-3]?？碧介_發(fā)實(shí)踐與研究結(jié)果表明，走滑斷裂在碳酸鹽巖儲層疊加改造、油氣輸導(dǎo)等方面的作用巨大[1-3,6,7,9,15]。目前，已發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要分布于塔北隆起南斜坡與塔中凸起北斜坡，位于隆起外圍的北部坳陷阿滿過渡帶的一系列大型走滑斷裂帶油氣勘探不斷獲得新突破，實(shí)現(xiàn)了從古隆起、古斜坡向盆地低部位的拓展[1-4]，北部坳陷已成為碳酸鹽巖的勘探熱點(diǎn)。

筆者本次研究的范圍包括塔里木盆地塔北隆起、塔中凸起、巴楚凸起及其間的北部坳陷阿滿過渡帶（圖1），該區(qū)是目前盆地內(nèi)碳酸鹽巖勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。隨著三維地震資料越來越多，臺盆區(qū)走滑斷裂的平面特征已趨明朗，塔里木克拉通內(nèi)走滑斷裂主要發(fā)育區(qū)面積達(dá)9×104km2。

2 走滑斷裂的幾何學(xué)特征

通過三維地震資料解釋，初步刻畫出了臺盆區(qū)奧陶系走滑斷裂的整體發(fā)育特征（圖1）。但受三維地震范圍限制，目前落實(shí)的走滑斷裂主要發(fā)育在塔北隆起、塔中凸起及其之間的阿滿過渡帶等3 個地區(qū)，各區(qū)之間走滑斷裂的發(fā)育特征存在較大差異。

塔北隆起以北北西向、北北東向走滑斷裂構(gòu)成的“X”形共軛斷裂為主，最大延伸長度約120 km，走滑斷裂間相互錯動痕跡不明顯，這種特征在塔北隆起中部最為典型[10,12,14]，在奧陶系石灰?guī)r頂面相干圖上表現(xiàn)為規(guī)則“X”形共軛特征（圖2）。共軛斷裂發(fā)育范圍北到東河塘—輪臺逆沖斷裂一線，南至塔北隆起南緣。塔北隆起西部的走滑斷裂受晚期火成巖活動疊加改造斷裂進(jìn)一步復(fù)雜化，塔北隆起東部受下奧陶統(tǒng)—寒武系近南北向臺緣造成的巖性相變影響，走滑斷裂方向也發(fā)生變化，由對稱“X”形漸變?yōu)榕c下奧陶統(tǒng)—寒武系臺緣發(fā)育方向相似的近南北走向（圖2）。按照斷裂的延伸長度、活動強(qiáng)度、活動期次等劃分出Ⅰ級走滑斷層17 條（FⅠ1 ～FⅠ17）、Ⅱ級走滑斷層24 條（FⅡ1 ～FⅡ24）。剖面特征以較為典型的哈拉哈塘地區(qū)為例（圖3），走滑斷裂在地震剖面上表現(xiàn)高角度近垂直斷面，向下斷至基底，在中奧陶統(tǒng)頂部呈花狀撒開，垂向上多期活動造成的多個花狀構(gòu)造縱向疊置，形成“花上花”的構(gòu)造樣式。在中奧陶統(tǒng)頂部、二疊系頂部、白堊系—古近系形成3 層花狀構(gòu)造，在中奧陶統(tǒng)頂為壓性正花狀構(gòu)造，在上奧陶統(tǒng)—二疊系、白堊系—古近系表現(xiàn)為張性負(fù)花狀構(gòu)造。

圖1 塔里木盆地中部走滑斷裂系統(tǒng)分布圖

塔中凸起走滑斷裂以北東向近平行展布，均表現(xiàn)為線性特征，最大延伸長度約135 km，與北西走向的塔中Ⅰ號斷裂等逆沖斷裂基本垂直，將逆沖斷裂錯開明顯，表現(xiàn)為左行走滑特征，局部發(fā)育北東東向走滑斷層（FⅠ22、FⅠ25 等）。塔中凸起共發(fā)育Ⅰ級走滑斷層8 條（FⅠ18 ～FⅠ25）、Ⅱ級走滑斷層21 條（FⅡ25 ～FⅡ45）。與塔北隆起走滑斷裂相似，中央隆起走滑斷裂向下垂直插入基底，向上在中奧陶統(tǒng)頂部、上奧陶統(tǒng)—泥盆系兩層花狀撒開，在中奧陶統(tǒng)頂部表現(xiàn)為壓性正花狀，上奧陶統(tǒng)—泥盆系為張性負(fù)花狀特征（圖4）。

圖2 塔北地區(qū)奧陶系石灰?guī)r頂面相干平面圖

圖3 塔北隆起哈拉哈塘地區(qū)走滑斷裂地震剖面圖

圖4 塔中凸起走滑斷裂地震剖面圖

北部坳陷阿滿過渡帶主要發(fā)育貫通塔北隆起—中央隆起的FⅠ5 斷裂和以FⅠ10、FⅠ17 為代表的一組北東向斷裂（圖1）。其中，F(xiàn)Ⅰ5 斷裂從塔北隆起的北北西走向經(jīng)北部坳陷中部的近南北走向到塔中凸起轉(zhuǎn)變?yōu)楸北睎|走向[9-11]，整體呈弓形；FⅠ5、FⅠ10、FⅠ17 斷裂在地震剖面上向下斷至基底，向上在中奧陶統(tǒng)頂部發(fā)育壓性正花狀構(gòu)造、在上奧陶統(tǒng)—二疊系為張性負(fù)花狀特征（圖5）。

3 走滑斷裂形成機(jī)制

3.1 走滑斷裂形成時期

圖5 阿滿過渡帶走滑斷裂的地震剖面圖

前人研究認(rèn)為，臺盆區(qū)走滑斷裂的主要形成期為加里東中期（加里東中期Ⅲ幕），后期走滑斷裂在此基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育[5-15]。針對走滑斷裂的活動特點(diǎn)，根據(jù)地震剖面上斷裂斷開的地質(zhì)層位，同時按照不同期次活動形成的“正花狀、負(fù)花狀”等構(gòu)造樣式所代表的壓性或張性的力學(xué)特點(diǎn)來判斷走滑斷裂的活動期次。塔北隆起、阿滿過渡帶、塔中凸起走滑斷裂第一期花狀構(gòu)造均發(fā)育在中奧陶統(tǒng)頂部（圖3～5），且在中奧陶統(tǒng)頂部造成的變形作用最強(qiáng)，其上部構(gòu)造層斷裂構(gòu)造樣式發(fā)生了明顯變化，由壓性“正花狀”轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿浴柏?fù)花狀”特征。分析認(rèn)為，塔北隆起—塔中凸起走滑斷裂形成時期為中奧陶世末期（加里東中期Ⅰ幕），與前人認(rèn)識有所差異。走滑斷裂在后期又經(jīng)歷了不同應(yīng)力狀態(tài)下的繼承性發(fā)育，造成了斷裂在中奧陶統(tǒng)以上構(gòu)造層的差異性活動。

另外，根據(jù)塔中凸起的TZ2、塔北隆起的QG1、RP4-3等多口井碳酸鹽巖斷層破碎帶原位方解石U-Pb同位素定年測定年齡約為距今460 Ma，同上奧陶統(tǒng)底部地質(zhì)年齡基本一致。綜合分析認(rèn)為，塔里木盆地中部寒武系—奧陶系走滑斷裂的形成期為中奧陶世末期。

3.2 先存構(gòu)造及區(qū)域應(yīng)力場特征

塔里木地塊與古亞洲構(gòu)造體系、特提斯構(gòu)造體系的對接致使塔里木地塊與周緣造山帶處于統(tǒng)一區(qū)域動力學(xué)背景下，塔里木地塊具有剛性特征，板塊邊緣的聚斂或離散作用是克拉通內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力的來源[17-20]。中奧陶世，古昆侖洋開始俯沖消減，西昆侖地體與塔里木地塊進(jìn)入碰撞拼貼階段，塔里木南部被動大陸邊緣轉(zhuǎn)向活動大陸邊緣[19-23]，塔里木板塊進(jìn)入?yún)^(qū)域擠壓階段，盆地內(nèi)部以來自西南緣的北東向擠壓應(yīng)力為主。在該應(yīng)力作用下，塔里木地塊中部及西南部基底古隆起發(fā)育區(qū)開始撓曲隆升，盆地中部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈北東向沖斷作用，塔中古隆起整體抬升，形成北西向大型斷隆[24-26]。受西南板緣遠(yuǎn)程擠壓應(yīng)力影響，盆地北部地區(qū)形成近東西向水下低隆，從塔北隆起奧陶系一間房組沉積厚度整體變化不大的特征上來看，該時期盆地北部地區(qū)構(gòu)造整體較為平緩，塔北古隆起幅度不大[25-26]（圖6）。

圖6 塔里木盆地上奧陶統(tǒng)沉積前古構(gòu)造圖

圖7 塔里木盆地中奧陶世末期構(gòu)造主應(yīng)力跡線平面圖

中奧陶世末，塔里木板塊東南部與柴達(dá)木地塊發(fā)生碰撞，導(dǎo)致南阿爾金洋盆最終閉合，陸—陸碰撞造山作用強(qiáng)烈[17-18,27-30]，形成了盆內(nèi)來自東南緣的北西向強(qiáng)擠壓應(yīng)力。同時西南緣古昆侖洋開始閉合[19-24]，西南緣的擠壓應(yīng)力不斷增強(qiáng)。此時板塊北部受南天山洋洋殼的抵制作用形成由北向南的反作用力，但應(yīng)力相對較弱。板緣活動產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到盆地內(nèi)部主要以水平應(yīng)力為主，即最大主應(yīng)力（σ1）方向為水平方向，該時期盆內(nèi)形成了來自西南緣、東南緣強(qiáng)擠壓及北部弱擠壓的“三面擠壓、南強(qiáng)北弱”構(gòu)造應(yīng)力特征。在盆地北部地區(qū)最大主應(yīng)力為近南北向，盆地東南部地區(qū)為近北西向，盆地西南部為近北東向，盆地中部形成近南北走向的應(yīng)力平衡面（圖7）。

3.3 走滑斷裂的成因

中奧陶世末期的先存構(gòu)造和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力特征共同決定了塔里木盆地走滑斷裂的發(fā)育特征及其內(nèi)部的差異性。塔北隆起構(gòu)造平緩，整體發(fā)育大臺地沉積背景下均質(zhì)性較好的碳酸鹽巖脆性地層，在近南北向水平弱擠壓應(yīng)力場（圖7）作用下發(fā)育“X”形共軛走滑斷裂體系，該斷裂體系屬于弱擠壓純剪切的變形機(jī)制[3,14]，其特征為非旋轉(zhuǎn)應(yīng)變，發(fā)生共軛剪切對稱破裂，對稱破裂所夾銳角約為40°（圖8-a）。根據(jù)安德森經(jīng)典共軛走滑斷裂模型，形成“X”形共軛走滑斷裂的最大主應(yīng)力方向為銳角夾角的平分線方向，即南北向，與板緣活動預(yù)測的主應(yīng)力方向一致，進(jìn)一步印證了構(gòu)造應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

該時期塔中北西向古隆起及逆沖斷裂已經(jīng)形成，在北北西向強(qiáng)擠壓應(yīng)力場（圖7）作用下首先沿北西走向逆沖斷裂面薄弱帶形成走滑分量，通過應(yīng)力分解可知另一應(yīng)力分量的方向為與薄弱帶走滑分量相垂直的北東方向（圖8-b），北東向的剪切分量形成了垂直于塔中古隆起的北東向走滑斷裂體系，切割先存逆沖斷裂和古隆起。受主應(yīng)力由東南向西北具有減小趨勢的影響，塔中凸起走滑斷裂體系整體表現(xiàn)為“東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱”的發(fā)育特征，同時造成了部分原有北西向逆沖斷裂的活化。

圖8 走滑斷裂形成機(jī)制模式圖

盆地西南緣的北東向和東南緣的北西向強(qiáng)擠壓應(yīng)力使得在北部坳陷及其以南地區(qū)東側(cè)最大主應(yīng)力方向為北西向，西側(cè)的最大主應(yīng)力方向為北東向（圖7），在中間形成了近南北走向的應(yīng)力平衡面。應(yīng)力平衡面兩側(cè)的地塊運(yùn)動差異造就FⅠ5斷裂（圖1）的發(fā)育，分解了東、西兩側(cè)地塊運(yùn)動的相對位移。該斷裂在南部調(diào)節(jié)東、西兩側(cè)地塊運(yùn)動的差異，向北隨著應(yīng)力減弱逐漸轉(zhuǎn)換為塔北隆起“X”形斷裂體系中的一條北北西向斷裂。由于FⅠ5 斷裂以西缺乏三維地震資料，利用二維地震資料解釋的斷層可靠性相對較差，因此該斷裂以西在斷裂綱要圖中走滑斷裂較少。

“三面擠壓、北弱南強(qiáng)”的動力學(xué)特點(diǎn)決定了該時期臺盆區(qū)地塊整體表現(xiàn)為“南北縮減、東西擴(kuò)張”的變形特征。在近南北向擠壓下，塔北隆起的“X”形斷裂體系北北東向斷裂表現(xiàn)為左行特征，北北西向斷裂表現(xiàn)為右行特征，塔北地塊整體表現(xiàn)為非旋轉(zhuǎn)向南推進(jìn)的運(yùn)動特點(diǎn)，“X”形斷裂相互之間的錯動距離相對較小。同時擠壓應(yīng)力造成的“東西擴(kuò)張”運(yùn)動趨勢促進(jìn)了北東走向的斜向轉(zhuǎn)換斷裂（FⅠ10、FⅠ17等斷裂）的發(fā)育，成為塔北隆起走滑斷裂向南逐漸消亡的邊界限制斷層，控制了塔北隆起走滑斷裂的發(fā)育范圍。這些斷裂的斜向走滑有效地分解了南北向的地層縮減，同時造成轉(zhuǎn)換斷裂間的地塊向兩側(cè)相對移動，為北部地層的非旋轉(zhuǎn)楔入提供了容余空間。FⅠ5斷裂及FⅠ17 斷裂的左行造就了塔中地塊的順時針旋轉(zhuǎn)，該時期臺盆區(qū)FⅠ5 斷裂東側(cè)整體展現(xiàn)為“北部非旋轉(zhuǎn)楔入、中部側(cè)向移動讓開，南部旋轉(zhuǎn)推進(jìn)”的運(yùn)動學(xué)特征（圖9）。這樣的運(yùn)動特征使得FⅠ5、FⅠ10、FⅠ17 斷裂成為地塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的滑動面，形成了北部、中部、南部地塊相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的邊界。

巴楚凸起及北部坳陷FⅠ5 斷裂以西地區(qū)目前的三維地震資料相對較少，根據(jù)其北西走向古隆起和該時期北東向強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用推測應(yīng)發(fā)育類似FⅠ5 斷裂東部的北東向走滑斷裂及北西走向的轉(zhuǎn)換斷層（圖9 中虛線表示的預(yù)測斷裂），F(xiàn)Ⅰ5 斷裂東、西兩側(cè)的轉(zhuǎn)換斷層呈現(xiàn)鏡像對稱關(guān)系。

綜上研究表明，根據(jù)幾何學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)差異，臺盆區(qū)走滑斷裂系統(tǒng)整體可劃分為4 個體系：塔北隆起純剪斷裂體系、塔中凸起左行斷裂體系、巴楚凸起右行斷裂體系和阿滿過渡帶轉(zhuǎn)換斷裂體系。其中塔北隆起純剪斷裂體系以“X”形對稱發(fā)育、呈北寬南窄的楔形向南非旋轉(zhuǎn)楔入為特點(diǎn)；阿滿過渡帶轉(zhuǎn)換斷裂體系以FⅠ5 斷裂東側(cè)北東向斷裂（FⅠ10、FⅠ17 斷裂）和其西側(cè)預(yù)測可能存在的北西向轉(zhuǎn)換斷層對稱發(fā)育為特征，以向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)散開運(yùn)動為主，分解南北向的地層縮減；塔中凸起左行斷裂體系的特點(diǎn)是整體地塊右旋，塊內(nèi)北東向走滑斷裂左行；巴楚凸起右行斷裂體系與塔中凸起左行斷裂體系對稱發(fā)育，表現(xiàn)為整體地塊左旋，塊內(nèi)走滑斷裂右行的特征。

圖9 塔里木盆地中部走滑斷裂及小地塊運(yùn)動特征示意圖

4 結(jié)論

1）塔里木盆地臺盆區(qū)走滑斷裂的形成時期為中奧陶世末期，是在“三面擠壓、南強(qiáng)北弱”的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場及先存構(gòu)造共同控制下形成的統(tǒng)一大型走滑斷裂系統(tǒng)，奠定了走滑斷裂的整體格局及后期繼承性發(fā)育的基礎(chǔ)。

2）從臺盆區(qū)走滑斷裂的整體格局來看，F(xiàn)Ⅰ5 斷裂最為重要，調(diào)節(jié)了東西兩側(cè)地塊的運(yùn)動差異，是臺盆區(qū)東部與西部走滑斷裂體系的分界線，F(xiàn)Ⅰ10、FⅠ17 等轉(zhuǎn)換斷裂分解南北向地層縮減，形成了塔北隆起走滑斷裂體系的南邊界和東南部斷裂體系的北邊界，控制塔北隆起走滑斷裂向南的發(fā)育范圍。

3）臺盆區(qū)走滑斷裂系統(tǒng)整體劃分為塔北隆起純剪斷裂體系、塔中凸起左行斷裂體系、巴楚凸起右行斷裂體系和阿滿過渡帶轉(zhuǎn)換斷裂體系4 個體系。

4）作為微地塊運(yùn)動的邊界，F(xiàn)Ⅰ5、FⅠ10、FⅠ17等斷裂活動強(qiáng)度大，斷裂兩側(cè)相對滑動距離大，對儲層改造及油氣疏導(dǎo)作用強(qiáng)，是目前斷控區(qū)最有利的勘探目標(biāo)。預(yù)測FⅠ5 斷裂西側(cè)也應(yīng)發(fā)育與FⅠ10 斷裂對稱的轉(zhuǎn)換斷層，巴楚凸起、塔中凸起西部應(yīng)發(fā)育北東向走滑斷裂，是下一步油氣勘探值得關(guān)注的對象。

5）FⅠ10、FⅠ17 轉(zhuǎn)換斷裂的斜向走滑有效釋放了南北向的擠壓應(yīng)力，同時其所控制的小塊體整體移動可能造成其內(nèi)部走滑斷裂發(fā)育相對較弱，影響該區(qū)的儲層發(fā)育和油氣富集，在該區(qū)的油氣勘探部署中需要注意。