柴達木盆地西部阿拉爾斷裂新生代構(gòu)造變形特征及意義

魏巖巖，吳磊，周道卿，肖安成，黃凱

(1.中國自然資源航空物探遙感中心， 北京 100083；2.浙江大學 地球科學學院，浙江 杭州 310012；3.教育部含油氣盆地構(gòu)造研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引言

柴達木盆地地處青藏高原東北緣，其四周被祁連山、阿爾金斷裂及東昆侖山所環(huán)繞，保存了巨厚的中—新生界陸相碎屑沉積序列，受印度—亞洲板塊碰撞的影響，盆地內(nèi)部新生代構(gòu)造變形強烈，形成了一系列基底斷裂與褶皺，是研究青藏高原變形過程的理想地區(qū)[1-7]。柴達木盆地西南部(柴西南地區(qū))是指阿爾金左旋走滑斷裂以南、祁漫塔格造山帶以北、英雄嶺背斜帶以西的狹長地帶，其內(nèi)新生代變形強烈，沉積過程連續(xù)，油氣資源豐富，一直以來是地質(zhì)與石油學家研究的熱點地區(qū)[7-14]。近年來，學者在該地區(qū)做了大量的研究，并對柴西南地區(qū)甚至柴達木盆地的變形機制提出了各種模型[7,9-14],其中阿拉爾斷裂的性質(zhì)及活動時間在各種模型中起到了至關(guān)重要的作用。一般認為，受祁漫塔格向北推覆的影響，在柴西南地區(qū)形成了一系列逆沖斷裂[5,7,11,15-19]。但也有學者認為柴達木盆地南界受左旋走滑斷裂控制，柴西南地區(qū)的昆北斷裂、阿拉爾斷裂都是由于東昆侖走滑斷層逐漸向北擴展而形成的[20]。另外，對于柴西南地區(qū)的變形時間也存在很大爭議，一些學者認為柴西南地區(qū)斷裂的活動時間較晚，大約在晚漸新世—早中新世期間開始活動[20-24]；另一些學者則認為柴西南地區(qū)斷裂自新生代早期就開始活動[5,7,16-17]?？梢姡裎髂系貐^(qū)變形機制非常復雜，還需要進一步深入研究。本文選取柴達木盆地西部阿拉爾斷裂為研究對象，利用高精度的二維、三維地震反射數(shù)據(jù)，進行幾何學及運動學特征分析，恢復出其走滑和逆沖分量，在此基礎(chǔ)上探討柴西南地區(qū)的斷裂性質(zhì)及其機制。

1 地質(zhì)背景

1.1 柴達木盆地新生界地層劃分

柴達木盆地緊鄰阿爾金山、南祁連山和東昆侖—祁漫塔格三大物源區(qū)(圖1a)，其內(nèi)部保存了巨厚的中新生代陸相沉積，最厚處可達1×104m以上。柴達木盆地新生界沉積地層由老到新依次被劃分為路樂河組、下干柴溝下段、下干柴溝上段、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組、獅子溝組以及七個泉組(表1)。本文依據(jù)前人磁性地層與化石定年研究結(jié)果，將路樂河組、下干柴溝組底界年齡分別限定為>52.0 Ma和44.2 Ma[25]，上干柴溝組底界年齡限定為35.5 Ma[26]，下油砂山組底界年齡限定為22.0 Ma[27]，上油砂山組、獅子溝組、七個泉組底界年齡分別限定為15.3 Ma、8.1 Ma、2.5 Ma[28]。

a—柴西南及鄰區(qū)地質(zhì)簡圖；b—柴達木盆地及周緣地形圖；c—阿拉爾地區(qū)斷裂系統(tǒng)圖a—geological map of the SW Qaidam Basin and adjacent area;b—gigital elevation map (DEM) of the Qaidam basin and surrounding area;c—fault system of Alar area圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)概況Fig.1 Location and geological survey of the study area

表1 柴達木盆地新生代綜合地層

1.2 柴西南地區(qū)新生代構(gòu)造變形

柴西南地區(qū)新生代以來變形強烈，現(xiàn)今主要被第四系沉積所覆蓋。由于其豐富的油氣資源，柴西南地區(qū)是目前柴達木盆地勘探程度最高的區(qū)域，已有大量地震及鉆井資料[3]。三維及二維地震資料顯示平面上柴西南地區(qū)存在一系列呈肘狀分布的NNW向斷裂，如阿拉爾斷裂和昆北斷裂，剖面上表現(xiàn)為高角度基底斷裂[7,12]。對于這些斷裂的形成機制一直存在爭議。一般認為該組斷裂是由于東昆侖—祁漫塔格造山帶向北逆沖到柴達木地塊之上而形成的逆沖斷裂[5,7,17-18]，但也有學者認為該組斷裂是東昆侖構(gòu)造楔向北插入柴達木地塊中而引起的反向逆沖斷裂[22]或是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴展而形成的左旋走滑斷裂[20], 根據(jù)斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或者地震屬性沿層切片特征推算出阿拉爾斷裂的走滑量超過了8 km[12,29]。柴西南地區(qū)除NNW向的主要斷裂外，還存在一系列近SN向的小斷裂，如阿拉爾斷裂兩側(cè)的躍東斷裂和Ⅲ號斷裂(圖1c)。對于阿拉爾斷裂及其周圍小斷裂的活動時間也有不同的觀點，一些學者認為阿拉爾斷裂、躍東斷裂以及Ⅲ號斷裂在形成機制以及形成時間上具有同一性，均為同一應(yīng)力場作用下形成的一期構(gòu)造，形成時間大約在36 Ma或22.0 Ma左右[12,29]。然而有些學者則認為昆北及阿拉爾斷裂活動時間較早，自新生代初期或更早的時間就已經(jīng)在控制盆地的沉積[7,18]。

2 阿拉爾斷裂的變形特征

2.1 幾何學特征

祁漫塔格山前柴西南地區(qū)發(fā)育一系列NW—SE向肘狀斷層(如昆北、阿拉爾等斷裂)，平面上整體呈斜列式排列(圖1a)。阿拉爾斷裂特征最為顯著，其自阿爾金山前向東南延伸至盆地內(nèi)部，可分為NWW走向的西段和近SN走向的東段兩部分，兩段近于垂直。剖面上，阿拉爾斷裂表現(xiàn)為基底斷裂，斷面陡傾，傾角在50～76°之間；其西段傾向南，傾角相對較小，而東段傾向西，斷面近乎直立。剖面顯示，阿拉爾斷裂西段與昆北斷裂呈疊瓦狀向北逆沖，造成阿拉爾斷裂以南地層的整體抬升，斷裂上盤處于地形高部位，逆沖特征明顯(圖2)。此外，在阿拉爾斷裂的東側(cè)，還發(fā)育一個形態(tài)與其相似的躍東斷裂，也是由NWW走向的西段和近SN走向的東段兩部分組成，且其西段與阿爾金斷裂的西段相連，其東段與阿拉爾斷裂的東段平行，我們認為其也是阿爾金斷裂系統(tǒng)的一部分(圖1c)。剖面上，躍東斷裂也與阿拉爾斷裂相似，斷面陡傾，以豎直抬升為主，且西段傾角較東段小。

圖2 過阿拉爾及周邊斷裂地震剖面及解釋剖面Fig.2 Seismic profiles crossing the Alar fault and their geological interpretation

2.2 阿拉爾斷裂水平縮短量

阿拉爾斷裂的東南部覆蓋有大面積的三維地震工區(qū)(圖1a)，工區(qū)內(nèi)包括阿拉爾斷裂的部分西段和東段。本文自西向東沿阿拉爾斷裂的走向等間隔選取了12條近似垂直于阿拉爾斷裂走向的地震剖面(包括近SN向6條和NEE向6條)，利用2D move軟件以新生界路樂河組底為參考面，計算出了每一條剖面的水平縮短量。剖面位置見圖3a，結(jié)果見圖3b，顯示阿拉爾斷裂的水平縮短量最大值位于北西段西部，為 3.2 km，向西快速過渡為1 km左右。

a—垂直于阿拉爾斷裂走向的地震剖面位置及編號；b—沿阿拉爾斷裂走向各地震剖面新生代總縮短量a—location and number of seismic sections perpendicular to the Alar fault strike;b—total Cenozoic shortening of seismic sections along the Alar fault圖3 地震剖面位置及新生代總縮短量Fig.3 Location and total Cenozoic shortening of seismic sections

2.3 活動時間

本次研究利用地震剖面所反映的生長地層來確定斷裂的活動時間。剖面AA′位于研究區(qū)西側(cè)，剖面特征顯示阿拉爾斷裂上盤處于高地形位置，并且該區(qū)域自下干柴溝組下段，開始接受沉積。同時，與斷裂下盤相比，上盤同時代的的地層沉積厚度要比下盤小很多(圖2a)。剖面BB′位于剖面AA′的東側(cè)，呈近SN向延伸，切過阿拉爾斷裂的東南段(圖2b)。從BB′剖面可以看出，阿拉爾斷裂上下盤新生代各時期地層均有沉積，但同時期地層均存在明顯的厚度差異，上盤地層沉積厚度遠小于下盤沉積厚度。剖面AA′和剖面BB′的特征，表明阿拉爾斷裂自新生代初期以來一直活動，并且控制著斷裂兩側(cè)的新生代沉積。

平面圖顯示，阿拉爾地區(qū)除發(fā)育一系列NW—SE向大斷裂外，還發(fā)育一些近SN向的小斷裂(如躍東斷裂，Ⅲ號斷裂)(圖1c)。躍東斷裂平面上呈肘狀展布，類似于阿拉爾斷裂東南段，包括近似垂直的兩部分，北西段和東段，北西段向東延伸轉(zhuǎn)為向南延伸。剖面CC′顯示，該斷裂向下切穿基底，向上切穿上干柴溝組底界，并消失于上干柴溝組地層之中(圖2c)，同時其上盤地層有輕微褶皺變形，上干柴溝組以上地層均未發(fā)生錯斷。這些特征表明，躍東斷裂的變形程度有限，僅在下干柴溝沉積之后有過微弱活動，后期基本未活動。剖面DD′中，Ⅲ號斷裂切穿下油砂山組之前地層，并且在上盤形成斷裂傳播褶皺(圖2d)。該剖面中，由褶皺翼部向核部逐漸減薄的生長地層，自上干柴溝組開始出現(xiàn)，并一直持續(xù)到七個泉組沉積末期，指示Ⅲ號斷裂發(fā)育于下干柴溝組沉積之后，并持續(xù)活動(圖2d)。

3 討論

3.1 阿拉爾斷裂運動學特征

前人依據(jù)斷裂兩側(cè)地層厚度差計算得到阿拉爾斷裂西、東兩段的最大豎直抬升量分別為3 km和1.8 km[7]。另外，一些學者認為阿拉爾斷裂是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴展而形成的左旋走滑斷裂[18], 并根據(jù)斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或地震屬性沿層切片特征推算出阿拉爾斷裂西段的走滑量超過了8 km[12，29]。由于阿拉爾斷裂向東并未一直延伸，而是轉(zhuǎn)為近SN向，阿拉爾斷裂NNW段的走滑量一種情況是被SN向的斷裂逆沖所吸收，這與我們上文計算出的水平縮短量不相符；另一種情況是整個阿拉爾斷裂上盤發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種情況下北西段與東段交匯的部位處于伸展背景下，與事實不符。上文計算結(jié)果可知阿拉爾斷裂的水平縮短量最大值位于北西段，只有3.2 km，向西快速過渡為1 km左右。如果像前人所述的阿拉爾斷裂北西段的走滑位移量為8 km，剩余5～7 km的走滑位移量是無法被消減掉的。從運動學機制而言，由于阿爾金斷裂東、西兩段近乎垂直，其西段的水平縮短量可認為近似代表東段的走滑量，而東段的縮短量也約等于西段的走滑量，即斷裂在新生代期間所積累的水平縮短量，可近似地認為是與剖面走向平行的該段斷裂的走滑量。在這種情形下，我們對阿拉爾斷裂水平縮短量的計算結(jié)果表明，其西段走滑量約為1 km，為左旋走滑分量，遠小于該段的豎直抬升量和水平縮短量，是一個以逆沖為主的斷裂；而東段的走滑量則可達3.2 km，為右旋走滑分量，是該段豎直抬升量和水平縮短量的3倍左右，是一個以右旋走滑為主的斷裂。這與阿拉爾斷裂的幾何學形態(tài)是匹配的，地震反射剖面顯示，阿拉爾斷裂東段較西段更陡，因而更有利于走滑的發(fā)生。

前人對阿拉爾斷裂西段走滑量達到8 km的認識可能是由于其忽視了斜向斷層活動引起的標志層在平面和剖面上的視覺錯動，因而未能從立體和實際位移等方面綜合分析兩盤的錯動。例如圖4a、b所示，當斷裂走向與標志體走向不一致時，逆沖斷裂兩側(cè)的標志層或構(gòu)造線投影到某一個面上時，會表現(xiàn)出水平錯移，在平面上造成走滑斷層的假象。只有當斷層的走向與標志體走向垂直時，才不會在平面上產(chǎn)生這種視覺誤差(圖4c)。從區(qū)域新生代地層厚度等值線可以看出[29]，阿拉爾斷裂上盤新生代地層的總體走向為NNW，與阿拉爾斷裂西段斜交，符合圖4a中的情況，即阿爾金斷裂的逆沖活動會在兩盤對應(yīng)地層的平面投影上造成左旋的錯覺。因此本文認為單純的通過對比斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或者地震屬性沿層切片特征來推算斷裂的走滑量是不合理的。

a、b—當斷裂走向與地層走向不一致時，斷裂兩側(cè)的標志層或構(gòu)造線投影到某一個面上時，會表現(xiàn)出水平錯移，給人在平面上造成左旋走滑或右旋走滑假象；c—當斷裂走向與地層走向一致時，將斷點投影到同一平面上時未產(chǎn)生視覺誤差a、b—if the fault strike is inconsistent with formation strike, then when the marker layers or structural lines on both sides of the fault are projected onto a certain surface, they will show horizontal shift, giving the illusion of left-lateral strike-slip or right-lateral strike-slip on the plane;c—if the fault strike is inconsistent with formation strike, then there is no visual error when the break point is projected onto the same plane圖4 斜向斷層引起的斷層效應(yīng)Fig.4 Fault effect caused by oblique fault

3.2 阿拉爾斷裂形成機制

對于阿拉爾斷裂的性質(zhì)及形成機制一直存在爭議。一些學者認為阿拉爾斷裂是東昆侖構(gòu)造楔引起的反沖斷裂[22]或是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴展而形成的左旋走滑斷裂[20]。最新的地震剖面顯示阿拉爾斷裂為一切穿基底的大斷裂，并且與南部的昆北斷裂呈疊瓦式向北逆沖，規(guī)模較大，否定了阿拉爾斷裂為一反沖斷裂。本文研究結(jié)果表明，盡管阿拉爾斷裂西段表現(xiàn)出一定的走滑斷裂特征，但其主體應(yīng)為一高角度逆沖斷裂，且其整體走向與南部祁漫塔格走向平行，因此可以推斷其主要受祁漫塔格造山帶向北的擠壓控制。地震剖面反映阿拉爾斷裂自新生代初期或更早的時間，就已經(jīng)啟動，在新生代時期持續(xù)活動，并控制了區(qū)域沉積。同時，上干柴溝組沉積時期，阿拉爾斷裂上盤發(fā)育生長地層(圖2b)，并持續(xù)到七個泉組，指示上干柴溝組沉積時期，阿拉爾斷裂的運動方式發(fā)生了改變，反映區(qū)域應(yīng)力場可能發(fā)生了一次轉(zhuǎn)變(圖5)。阿拉爾斷裂周邊分布有較多的南北向小斷裂，這些斷裂基本都啟動于上干柴溝組沉積前后，即漸新世早期。前人在柴西北地區(qū)的研究表明，晚始新世—早漸新世時期，阿爾金斷裂在中下地殼內(nèi)開始韌性剪切，并一直持續(xù)到中中新世[29-31]。結(jié)合前人關(guān)于阿爾金斷裂的演化過程，本文推測阿拉爾斷裂可能在此時受阿爾金斷裂韌性剪切活動的影響，產(chǎn)生了一定的左旋走滑分量，并被與之成高角度相交的南北向斷裂所調(diào)節(jié)吸收，形成了一系列近SN向的構(gòu)造帶，造成了EW向的小規(guī)?？s短。也就是說，阿拉爾斷裂新生代的運動學特征主要受到祁漫塔格造山帶向北擠壓的控制，同時也受到西側(cè)阿爾金左旋走滑斷裂系運動的影響。

a—新生代早期;b—新生代晚期a—early Cenozoic;b—late Cenozoic圖5 阿拉爾斷裂運動模式示意Fig.5 Sketch map showing the kinematics of the Alar fault

3.3 油氣勘探的意義

柴西南地區(qū)主要油田均分布于斷裂上盤，表明斷裂的活動與油氣運移、富集成藏密切相關(guān)。地面沉降和地熱歷史表明該地區(qū)烴源巖在始新世中期開始產(chǎn)油，始新世晚期(上干柴溝組沉積前)開始大量生烴[32]。始新世晚期，長期活動的基底斷裂如阿拉爾斷裂活動性逐漸加強，大量SN向的小斷裂形成。一方面，斷裂的擠壓作用導致沿著這些斷面發(fā)育大量的微裂縫，提高了孔隙的連通性和儲層的質(zhì)量，逐漸改變了柴達木盆地西南部巖石原始滲透率低[31-32]、存儲性能差的情況，從而使油氣的運移和聚集更容易；同時斷裂上盤地層變形形成的背斜為聚集油氣提供的了空間，有助于形成斷控圈閉。另外，斷裂也是連接烴源巖和儲層的重要的通道, 通過斷裂的連通構(gòu)成了多種形式的生、儲 、蓋組合[33-35]。由此可見，柴西南地區(qū)構(gòu)造活動與油氣形成有良好的時空匹配關(guān)系，斷裂的形成與演化對油氣成藏起到了重要作用。

4 結(jié)論

本文在二維及三維地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對柴西南地區(qū)阿拉爾斷裂的幾何學、運動學特征、活動時間、斷裂性質(zhì)及形成機制進行了詳細的分析和探討，主要得出以下結(jié)論：

1)平面上，阿拉爾斷裂可分為近于垂直的西段(NWW走向)和東段(近SN走向)；剖面上，阿拉爾斷裂表現(xiàn)為基底斷裂，其西段傾向南，傾角相對較小，而東段傾向西，斷面近乎直立。

2)阿拉爾斷裂自新生代初期開始活動，西段以逆沖為主，水平縮短量和豎直抬升量均達到3 km以上，而左旋走滑量僅為1 km左右；東段以右旋走滑為主，水平縮短量和豎直抬升量僅為1 km左右，而走滑量達到3 km。

3)阿拉爾斷裂的形成和活動受南側(cè)祁漫塔格造山帶向北擠壓和西側(cè)阿爾金左旋走滑斷裂的共同影響。柴西南地區(qū)斷裂活動與油氣形成良好的時空匹配性是形成油田的關(guān)鍵因素，斷裂活動提高滲透率、促進形成背斜圈閉，并且起油氣運移通道的作用。