烏倫古坳陷控凹斷裂特征及其運動模型的建立

◇中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院 唐潔云

本次研究在斷層相關褶皺理論的指導下，對烏倫古坳陷的地震剖面開展精細的構造解釋，通過斷層識別、解釋和褶皺的識別和分析確定斷層的類型，劃定斷層活動的期次。用Fault-Fold-Forward軟件進行剖面的正演模擬，最終構建斷層運動模型。研究顯示烏倫古坳陷的控凹斷層（紅盆斷裂、吐絲托依拉斷裂和倫2井南斷裂）符合基底卷入型褶皺活動機制結合三角剪切褶皺活動。基底應該為古生代的地層，中新生代的地層作為一套蓋層被卷入變形。另外，控凹斷層自身具有多期活動的特點。

準噶爾盆地北緣中、新生代以來的逆沖推覆作用已被很多學者所認可。師志龍（2002）認為在古近紀準噶爾盆地北緣發(fā)生了兩次逆沖推覆作用[1]。陳正樂（2006）通過對沉積充填過程和構造運動的復原提出了準噶爾盆地北緣新生代四期沉積構造演化模型[2]。前人對于中、新生代時期準噶爾北緣的逆沖運動都是從沉積充填的角度出發(fā)，并沒有真實直接的反映復活活動的地震剖面證據(jù)。

對于中、新生代斷層活動的性質大家也有不同的意見：師志龍（2002）認為古近紀兩期的擠壓推覆構造以吐絲托依拉斷裂帶這條基底斷裂帶的復活逆沖作用為主，并且它的活動是間歇式的，不連續(xù)的[1]；陳正樂（2006）認為新生代時期準噶爾北緣先期的深部逆沖斷層發(fā)生了再次活動，促使淺層地殼產生了拉張斷裂[2]。但是他主要針對淺層地表拉張斷層形成的過程進行了闡述，并未對深層先期斷層的再次活動進行運動學方面的分析。

本文以工區(qū)內的地震剖面為基礎，在斷層相關褶皺理論的指導下，對地震剖面開展精細的構造解釋，通過斷層識別、解釋和褶皺的識別和分析確定斷層的類型，通過對與斷層活動相關的不整合面和生長地層的分析得到斷層活動的時間，并將斷層活動的期次進行劃定。用2D-move軟件進行反演恢復，用Fault-Fold-Forward軟件進行剖面的正演模擬，構建斷層運動模型。

1 區(qū)域地質概況

烏倫古坳陷劃分為3個二級構造單元：紅巖斷階帶（I1）、索索泉凹陷（I2）、烏倫古南斜坡（I3）。烏倫古坳陷在其演化過程中經(jīng)歷了多期的構造運動，形成了多期不同規(guī)模的地層不整合現(xiàn)象。這為確定和劃分地震層序和構造-地層層序，解釋坳陷演化階段提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)烏倫古坳陷內的不整合接觸關系，結合沉積物組成特征，將烏倫古坳陷地區(qū)劃分為五個構造層序：石炭系構造層；三疊系構造層；侏羅系構造層；白堊系-古近系構造層；新近系-第四系構造層。

2 主要斷裂系統(tǒng)特征

烏倫古坳陷內已發(fā)現(xiàn)的斷層數(shù)量多達30多條，根據(jù)斷層發(fā)育的規(guī)模，其延伸距離以及活動期次可以將烏倫古坳陷地區(qū)的斷層劃分為兩個級別：一級斷層和二級斷層[3]。

一級斷層主要位于坳陷的北部邊緣，屬于邊界斷層，其發(fā)育規(guī)模較大，延伸距離長，斷層性質多為逆斷層，其上下盤構造面貌往往具有明顯的差異。這類斷層主要包括了吐絲托依拉斷裂（F1）、烏倫古北斷裂、烏倫古東斷裂等。二級斷層主要起到的是分割烏倫古坳陷與陸梁隆起以及二級構造單元的次一級的邊界斷層，這類斷層延伸較長，斷距較大，主要包括了倫2井南斷裂（F2）、紅盆斷裂（F3）、陸北斷裂、喀拉薩依斷裂和滴水泉北斷裂。索索泉凹陷與斷階帶之間的斷凹格局主要是受到控凹斷裂的控制。在烏倫古坳陷的西段、中段和東段的控凹斷裂分別是：吐孜托依拉斷裂、倫2井南斷裂以及紅盆斷裂。中、新生代以來，控凹斷層的復活活動控制了紅巖斷階帶地區(qū)的構造變形，這三條斷層是我們本次研究的重點。

2.1 吐絲托依拉斷裂（F1）

吐絲托依拉斷裂（F1）位于烏倫古坳陷的東北緣，總體走向為北西向，剖面上斷裂的上盤一側為紅巖斷階帶基巖淺埋區(qū)，受到剝蝕作用比較強烈，地層嚴重受到剝蝕。下盤一側為索索泉凹陷的沉積凹陷區(qū)，地層發(fā)育相對完整，地層沉積厚度大，屬于控凹斷裂。斷裂上陡下緩，上部近于直角。該斷層切穿的地層自基底到白堊系，斷距大。受吐絲托依拉斷裂控制形成的褶皺表現(xiàn)為明顯的不對稱褶曲，靠近斷層面的前翼相對于后翼傾角更大且更為狹窄；其次斷層的斷距自下而上（從三疊系到侏羅系）逐漸減小，在斷層端點處為零；結合這些特點筆者認為該斷層表現(xiàn)為典型的斷層傳播褶皺作用（又稱斷展褶皺）。

2.2 倫2井南斷裂（F2）

倫2井南斷裂（F2）相較于吐絲托依拉斷裂更靠南，其西北端與吐絲托依拉斷裂相接，東北端與紅盆斷裂以及烏倫古東斷裂相接，整體在平面呈北西向弧形展布，弧線向索索泉凹陷內突出，剖面上該斷層也是上陡下緩，切穿的地層自基底到侏羅系。受倫2井南斷裂控制形成的褶皺也是表現(xiàn)為明顯的不對稱褶曲，靠近斷層面的前翼相對于后翼傾角更大且更為狹窄；其次斷層的斷距自下而上（從三疊系到侏羅系）逐漸減小，在斷層端點處為零，因此該斷層也與吐絲托依拉斷裂一樣表現(xiàn)為典型的斷層傳播褶皺作用（又稱斷展褶皺）[4]。

從過倫2井南斷裂各條側線各個時期抬升幅度示意圖（圖1）中不難發(fā)現(xiàn)倫2井南斷裂在三疊紀時期存在一期抬升，并存在兩個抬升高點，因此推測可能在這個時期其實是存在兩條斷層。在八道灣組和西山窯組沉積時期：抬升的幅度相較于三疊紀時期小，但是仍然存在兩個抬升高點，整體的西側的高點位置向西運移，說明西側斷層向西伸展，而東側的斷層高點位置不變。頭屯河組沉積時期：該時期的抬升幅度較大，西側高點位置不變，但是東側高點位置向西遷移，以此此時東段斷層是向西伸展。白堊紀時期：這個時期是抬升幅度最大的一個時期，此時構造高點只有一個，因此推測該時期兩條斷層已合并為一條斷層。綜上所述，倫2井南斷裂在三疊紀-侏羅紀時期是以兩條獨立的斷層存在的，并且不斷的延伸生長，直到白堊紀時期，兩條斷層相接合并為一條斷層。

圖1 過倫2井南斷裂各條側線上盤抬升幅度統(tǒng)計、示意圖

2.3 紅盆斷裂（F3）

紅盆斷裂位于烏倫古坳陷的東北緣，與烏倫古東斷裂近于平行，北西走向，剖面上該斷層也是上陡下緩。受紅盆斷裂控制形成的褶皺也同樣表現(xiàn)為明顯的不對稱褶曲，靠近斷層面的前翼相對于后翼傾角更大且更為狹窄；其次斷層的斷距自下而上（從三疊系到侏羅系）逐漸減小，在斷層端點處為零，因此該斷層也與吐絲托依拉斷裂一樣表現(xiàn)為典型的斷層傳播褶皺作用。

從過紅盆斷裂各條側線各個時期抬升幅度示意圖不難發(fā)現(xiàn)（圖2）：在三疊紀和八道灣組沉積時期，抬升高點位置是在斷裂的中東段，因此推測此時斷層是向東延伸生長；在西山窯組沉積時期，抬升高點移動至西段，因此此時斷層是向西延伸生長；頭屯河組和白堊紀時期，此時的斷層抬升高點是位于斷裂的中段，因此此時的斷裂時相兩側延伸生長，另外明顯可以看出在白堊紀之后的那期抬升幅度是最大的，構造作用是最為強烈的。綜上所述，紅盆斷裂從三疊紀到白堊紀之后，一直都是一條斷層，但是斷層的生長方向在不同時期是有所不同的。

圖2 過紅盆斷裂各條側線上盤抬升幅度統(tǒng)計、示意圖

3 運動學模型

烏倫古紅巖斷階帶處的控凹斷層屬于是斷層傳播褶皺，而斷層傳播褶皺又包括了不同類型活動作用：等厚和固定軸的斷層傳播褶皺作用、基底卷入褶皺（三聯(lián)點）活動、三角剪切褶皺活動[4]。

基底卷入型褶皺一般具有幾個特點：①有個單斜；②褶皺等構造一般形成在擠壓性斷層的上部；③基底一般表現(xiàn)為剛性塊體，但在某些特殊情況下也能發(fā)生褶皺；④主斷層進入并消失于上覆蓋層層序中；⑤隨著上盤的抬升，錯斷的基底上部的披覆蓋層形成了褶皺的陡翼；⑥上覆蓋層的變形主要集中在褶皺的陡翼。

基底斷層向上傳播進入沉積蓋層時，由于兩者流變學性質上的差異，常表現(xiàn)為基底中的脆性強破裂變形帶被沉積蓋層中的一個向上變寬的三角形分布變形帶（distribution deformation zone）所替代，三角形頂點固定在斷層端點上。隨著斷層端點的向前傳播，該三角形變形帶也不斷向前遷移。對于這種與基底斷層活動相關的強制褶皺（forced folds），Erslev提出了“三角剪切褶皺”的概念與運動學模型，借以描述“向上撒開的三角形分布式剪切”的幾何形態(tài)。

結合烏倫古的剖面，筆者認為該區(qū)較為符合基底卷入型褶皺活動機制結合三角剪切褶皺活動。基底應該為古生代的地層，中新生代的地層作為一套蓋層被卷入變形。但是較為特殊的情況是主斷裂在中新生代發(fā)生基底卷入型褶皺前已經(jīng)突破了基底，進入到侏羅系的地層中。對于三角剪切褶皺活動的正演模型的建立要受控于斷坡傾角、斷層滑動量、斷層傳播/斷層滑動比值、三角剪切頂角、斷層端點位置（x，y坐標或矢量大小與方位）等6個參數(shù)（圖3a）。本次研究以Richard W.Allmendinger建立的Fault-Fold-Forward軟件為基礎工具結合2DMove的反演功能建立該區(qū)三角剪切褶皺活動的正演模型。

圖3 a：三角剪切理論模型；b：烏倫古深度剖面參數(shù)圖

在深度剖面中（圖3b），斷層原始端點位置為A，現(xiàn)今端點位置為B，斷層傳播總量（Ps）為4940m，斷坡角（θ）約為60o，剪切角（Φ）也約60o。斷層在三疊系地層中的斷距（ST）為1600m，但是考慮到傳播斷層越靠近原始斷點斷距越大，因此該斷層的斷層滑移總量（S）一定大于ST。因此可以確定P/S值小于3.0。統(tǒng)計剖面中各套地層上下盤高差可得到：ΔN=140m，ΔE=420m，ΔK=750m，ΔJ2t=1160m，ΔJ2x=1450m，ΔJ1b=1570m，ΔT=2000m。以反演的方式來反推各個時期的抬升量：T（ΔT-ΔJ1b）=430m，J1b（ΔJ1b-ΔJ2x）=120m，J2x（ΔJ2x-ΔJ2t）=290m，J2t（ΔJ2t-ΔK）=410m，K（ΔK-ΔE）=330m，E（ΔE-ΔN）=280m，N（ΔN）=140m。在確定這些參數(shù)的基礎上選取不同的P/S值（P/S=2.5，P/S=2.6，P/S=2.7等）進行模擬。通過模擬發(fā)現(xiàn)，雖然選取的P/S的不同，但是由于高差值的限制，每個時期滑移量（S）是確定的：ΔST=500m，ΔSJ1b=140m，ΔSJ2x=340m，ΔSJ2t=480m，ΔSK=380m，ΔSE=320m，ΔSN=160m，則Stotal=2320m，由此確定P/S=2.1。至此各個時期的演化參數(shù)都已得出（圖4）。

圖4 烏倫古坳陷控凹斷層正演剖面圖

4 結論

烏倫古坳陷的控凹斷層（紅盆斷裂、吐絲托依拉斷裂和倫2井南斷裂）符合基底卷入型褶皺活動機制結合三角剪切褶皺活動。基底應該為古生代的地層，中新生代的地層作為一套蓋層被卷入變形。另外，控凹斷層自身具有多期活動的特點。