塔里木盆地順北5號走滑斷裂帶分層分段特征及構(gòu)造演化

陳平，能源，吳鮮，黃誠，王來源，郭曼

(1.中國石油大學(xué)(北京)a.地球科學(xué)學(xué)院；b.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 石油學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石化 西北油田分公司，烏魯木齊 830011)

塔里木盆地順北地區(qū)在埋深大于7 000 m 的特深碳酸鹽巖中獲得重大油氣突破。通過對順北地區(qū)超深層油氣田的構(gòu)造演化、儲集層、油氣藏特征、油氣富集規(guī)律等綜合分析，認為該類油氣藏為斷溶體油氣藏，具有沿斷裂帶整體含油、不均勻富集的特點[1-3]。

根據(jù)順北地區(qū)走滑斷裂帶成因演化和控儲控藏特征，前人認為順北5 號走滑斷裂帶具有分層和分段變形的特征。順北5 號走滑斷裂帶經(jīng)歷了加里東運動中期Ⅲ幕、加里東運動晚期、海西運動早期、海西運動中—晚期等多期走滑活動[4-6]；順北5 號走滑斷裂帶垂向上可劃分為4 層變形結(jié)構(gòu)，分別為寒武系鹽下斷裂系統(tǒng)、寒武系鹽相關(guān)斷裂系統(tǒng)、奧陶系碳酸鹽巖斷裂系統(tǒng)和奧陶系—石炭系碎屑巖斷裂系統(tǒng)[7-10]。前人對順北5 號走滑斷裂帶分層分段差異性研究不明確，對斷裂活動時期的爭議較大。目前，對順北5 號走滑斷裂帶自加里東運動中期Ⅲ幕開始活動的依據(jù)，主要為周緣應(yīng)力活動最強時期在加里東運動中期Ⅲ幕，認為界面以下的高陡花狀走滑斷裂都是一期活動形成的。但塔里木盆地周緣的西昆侖造山自加里東運動中期Ⅰ幕便開始活動，被順北5 號走滑斷裂帶切割的大型逆沖斷裂帶——塔中Ⅰ號帶，也自加里東運動中期Ⅰ幕開始活動[11-13]，說明加里東運動中期Ⅲ幕之前盆內(nèi)就已經(jīng)有力源，具備形成盆內(nèi)走滑斷裂的基礎(chǔ)；其次，根據(jù)大量物理模擬以及實地資料，走滑斷裂的演化受到基底斷裂的影響，只有基底具有先存斷裂，才能發(fā)育里德爾剪切破裂和花狀斷裂[14]。也有學(xué)者將塔里木盆地磁異常帶和現(xiàn)在的盆地斷裂帶進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者分布特征有較高的統(tǒng)一性，于是，有人提出塔里木盆地一系列斷裂都是在基底先存斷裂基礎(chǔ)上發(fā)育而來[15-16]。以上證據(jù)都表明，順北5 號走滑斷裂帶不可能自加里東運動中期Ⅲ幕才開始活動。本文依據(jù)地震資料，根據(jù)不同構(gòu)造層的幾何學(xué)及動力學(xué)差異，分析了順北5號走滑斷裂帶的演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

順北5 號走滑斷裂帶為臺盆區(qū)活動規(guī)模最大的走滑斷裂帶，位于滿加爾坳陷與阿瓦提坳陷之間，南北向連接沙雅隆起、順托果勒低隆起和卡塔克隆起[17-19]。順北地區(qū)除侏羅系缺失外，顯生宇其余層位均有發(fā)育[17]。奧陶系自下而上依次發(fā)育下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組、中—下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組和卻爾卻克群。其中，一間房組和鷹山組為主要勘探目的層。鷹山組巖性可劃分為2段，上段主要為泥晶灰?guī)r和泥晶顆?；?guī)r；下段為白云質(zhì)灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r等顆?；?guī)r與泥晶灰?guī)r不等厚互層。一間房組以泥晶灰?guī)r、泥晶顆粒灰?guī)r和亮晶顆?；?guī)r為主[20-21]。

順北地區(qū)至少經(jīng)歷4 次構(gòu)造演化：寒武紀—中奧陶世為加里東運動早期，為克拉通邊緣拗拉槽與克拉通內(nèi)弱伸展背景階段，主要發(fā)育小規(guī)模正斷層；中奧陶世—中泥盆世，即加里東運動中期—海西運動早期，克拉通隆起形成演化與整體強烈擠壓，形成大規(guī)模走滑斷層；早二疊世—侏羅紀，即海西運動晚期—印支運動期，沙雅隆起抬升，發(fā)生繼承性活動，發(fā)育一系列雁列式正斷層；燕山運動期—喜馬拉雅運動期，古隆起與斷裂調(diào)整定型[5-6,22-24]。在多期應(yīng)力背景下，順北5 號走滑斷裂帶繼承性發(fā)育，形成了復(fù)雜的垂向結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 順托果勒低隆起斷裂系統(tǒng)及古生界綜合柱狀剖面Fig.1.Fault system of the Shuntuoguole low uplift and stratigraphic column of the Paleozoic

2 順北5號走滑斷裂帶幾何學(xué)特征

2.1 斷裂帶分層變形特征

根據(jù)斷層性質(zhì)、地層等差異，將順北5 號走滑斷裂帶劃分為5 個構(gòu)造層：元古宇構(gòu)造層，塔里木盆地基底發(fā)育加里東運動早期伸展作用形成的正斷層，或發(fā)育晚期反轉(zhuǎn)的逆斷層[25]；寒武系構(gòu)造層，發(fā)育與主斷裂平行的走滑斷層(圖2a)；奧陶系構(gòu)造層，發(fā)育沿主斷裂的陡直走滑斷裂，南段走滑斷裂兩側(cè)發(fā)育地塹式斷層(圖2b)；志留系構(gòu)造層，發(fā)育雁列式斷層和地塹式斷層界面北段北東—南西向雁列式斷層發(fā)育，南段除發(fā)育北東—南西向和北西—南東向2 種不同方向的雁列式斷層外，還發(fā)育與主斷裂平行的地塹式正斷層(圖2c)；界面北段發(fā)育少量北東—南西向斷層，但弱于界面，南段地塹式斷層發(fā)育，雁列式斷層以北西—南東向為主，僅少量北東—南西向雁列式斷層活動(圖2d)；泥盆系—二疊系構(gòu)造層，發(fā)育北西—南東向雁列式斷層，南段地塹式斷層不連續(xù)發(fā)育(圖2e)。

圖2 順北5走滑斷裂多層位相干切片與斷裂平面解釋Fig.2.Coherent slices and fault interpretation of multiple horizons in the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

2.2 斷裂帶分段變形特征

塔里木盆地走滑斷裂帶具有較強的分段性，順北5 號走滑斷裂帶南段和北段差異明顯。前人認為順北5 號走滑斷裂帶具有分段發(fā)育和晚期連接的特征。順北5 號走滑斷裂帶南北段除構(gòu)造樣式外，垂向斷裂活動也存在差異。

圖3 順北5號走滑斷裂帶北段發(fā)育特征Fig.3.Development characteristics of the northern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

圖4 順北5號走滑斷裂帶南段發(fā)育特征Fig.4.Development characteristics of the southern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

3 順北5號走滑斷裂帶運動學(xué)特征

通過高品質(zhì)三維地震資料，研究順北5 號走滑斷裂滑移方向、斷裂剪切方式和斷裂形成機制的差異，提出順北5 號走滑斷裂帶早期南北段具有不同的運動學(xué)特征。順北5 號走滑斷裂帶早期北段(北西—南東向)和南段(北東—南西向)各自發(fā)育，晚期逐步連接，呈現(xiàn)弧形特征[4，22]。

3.1 北段運動學(xué)特征

前人認為順北5 號走滑斷裂帶自加里東運動中期Ⅲ幕開始活動。本文通過地震體時間切片和斷裂疊接方式判斷順北5 號走滑斷裂帶北段深層界面與界面具有相反的滑移方向，即北段活動于加里東運動中期Ⅲ幕前(通常認為界面斷裂形成于加里東運動中期Ⅲ幕)。通過地震體時間切片可知，順北5號走滑斷裂帶北段在4 500 ms(界面)呈右行走滑斷裂特征(圖5a、圖5b)，在界面呈左階式疊接(圖5c)，并在斷裂疊接區(qū)引起地層上拱，形成擠壓區(qū)(圖5d)，即界面斷裂發(fā)生右行走滑活動。在5 200 ms(界面)呈左行走滑斷裂特征(圖5e、圖5f)界面呈右階式疊接(圖5g)，在斷裂疊接區(qū)地層上拱，形成擠壓區(qū)(圖5h)，即界面斷裂發(fā)生左行走滑活動。

圖5 順北5號走滑斷裂帶北段及界面特征Fig.5.Characteristics of and interfaces in the northern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

根據(jù)相干體剖面，順北5 號走滑斷裂帶北段晚期能識別出2 個不同方向的雁列式斷層界面北東—南西向雁列式斷層活動跡象明顯界面北東—南西向雁列式斷層活動變?nèi)?，界面北西—南東向雁列式斷層活動。目前，主要通過雁列式斷層走向判斷雁列式斷層滑移方向，運用應(yīng)力摩爾橢圓分析其伸展方向，從而反推走滑斷裂滑移方向。以走滑斷裂形成應(yīng)力剪切機制為理論，判斷出界面和界面北東—南西向雁列式斷層呈右行走滑特征(圖6a、圖6b)，界面北西—南東向雁列式斷層呈左行走滑特征(圖6c)。淺層的滑移反向說明順北5 號走滑斷裂帶北段經(jīng)歷了多期走滑活動。

圖6 順北5號走滑斷裂帶北段界面界面及界面運動學(xué)特征Fig.6.Kinematic characteristics of ， and interfaces in the northern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

3.2 南段運動學(xué)特征

圖7 順北5號走滑斷裂帶南段界面及界面特征Fig.7.Characteristics of and interfaces in the southern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

4 順北5號走滑斷裂帶構(gòu)造演化特征

目前，主要通過斷層與地層切割關(guān)系確定走滑斷裂帶活動期次，包括斷層生長速率、地層生長指數(shù)等[26]。順北地區(qū)走滑斷裂大多具有多層結(jié)構(gòu)特征，這種多層結(jié)構(gòu)是在地層厚度、巖石物理性質(zhì)、多期活動等多重因素影響下形成。

圖8 順北5號走滑斷裂帶南段界面界面及界面特征Fig.8.Characteristics of and interfaces in the southern segment of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone

圖9 順北5號走滑斷裂帶南北段活動期次劃分（剖面位置見圖3，圖4)Fig.9.Division of activity periods for the northern and southern segments of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone(see Fig.3 and Fig.4 for section locations)

塔里木盆地周緣古洋盆閉合消減、碰撞造山等活動的差異性，造就了順北及周緣地區(qū)不同時期應(yīng)力場轉(zhuǎn)換，形成了多套復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)，順北5 號走滑斷裂同樣受到多期應(yīng)力作用，形成復(fù)雜的垂向分層結(jié)構(gòu)[25-28]。通過高精度三維地震資料可知，順北5 號走滑斷裂帶南北段在加里東運動中期Ⅰ幕—Ⅲ幕具有不同或完全相反的運動學(xué)特征，表明順北5 號走滑斷裂帶南北段在加里東運動中期Ⅰ幕—Ⅲ幕非一條斷裂帶。加里東運動中期Ⅰ幕北段呈左行滑移特征，南段呈右行滑移特征；加里東運動中期Ⅲ幕，北段呈右行滑移特征，南段呈左行滑移特征；加里東運動晚期南北段均發(fā)育北東—南西向雁列式斷層，從雁列式斷層走向判斷，順北5 號走滑斷裂帶南北段在此時期均呈右行滑移特征；海西運動早期順北5 號走滑斷裂帶南段發(fā)育地塹式斷層，地塹式斷層向下斷到中—下奧陶統(tǒng)，向上斷到泥盆系中消失(界面)，通過地震體時間切片可知地塹式斷層具有左行滑移特征，北段此時期不活動；海西運動中—晚期南北段均發(fā)育北西—南東向雁列式斷層，從雁列式斷層走向可知，順北5號走滑斷裂帶南段和北段在此時期均呈左行滑移特征(圖10)。

圖10 順北5號走滑斷裂帶古生代南北段分段演化示意圖Fig.10.Evolution of the northern and southern segments of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone in Paleozoic

5 結(jié)論

(1)順北5 號走滑斷裂帶具有復(fù)雜的垂向分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)斷層性質(zhì)、地層等方面的差異提出順北5 號走滑斷裂帶具有5 層結(jié)構(gòu)，分別為元古宇構(gòu)造層、寒武系構(gòu)造層、奧陶系構(gòu)造層、志留系構(gòu)造層和泥盆系—二疊系構(gòu)造層。

(2)順北5 號走滑斷裂帶南北段運動學(xué)差異明顯。加里東運動中期Ⅰ幕，北段為左行滑移、南段為右行滑移；加里東運動中期Ⅲ幕，北段為右行滑移、南段為左行滑移；加里東運動晚期，南段和北段均為右行滑移；海西運動早期，南段左行滑移，北段不活動；海西運動中—晚期，南段和北段均為左行滑移。

(3)順北5 號走滑斷裂帶南段經(jīng)歷了5 期走滑活動，依次為加里東運動中期Ⅰ幕、加里東運動中期Ⅲ幕、加里東運動晚期、海西運動早期及海西運動中—晚期；北段經(jīng)歷了4 期走滑活動，依次為加里東運動中期Ⅰ幕、加里東運動中期Ⅲ幕、加里東運動晚期及海西運動中—晚期。