罗布泊盆地新构造变形数值模拟分析

施 炜，田 蜜，2，马寅生，龚明权，杜建军，刘 源

(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081;2.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，无锡 214151)

罗布泊盆地新构造变形数值模拟分析

施 炜1，田 蜜1，2，马寅生1，龚明权1，杜建军1，刘 源1

(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081;2.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，无锡 214151)

综合罗布泊盆地新构造研究相关成果，运用数值模拟实验方法，采用两种模型，对罗布泊盆地新构造活动进行数值模拟研究，直观展示盆地的应力状态与位移特征，再现罗布泊盆地新构造变形序列，查明运动学特征。数值模拟结果一方面展示出晚新生代以来罗布泊盆地先后主要经历了渐新世末期—早更新世晚期近南北向构造挤压作用控制下的盆地近东西向伸展断陷与早更新世晚期以来北东—南西向构造挤压作用导致的盆地剪切变形两大阶段;另一方面实验结果也显示，在两种边界条件的控制下，研究区地质单元的应力状态主要受地层岩性和断裂共同控制，盆地内部呈现低应力状态，在与最大主压应力相垂直的方向上产生伸展变形。盆地南边的两条主干断裂内部具有较高的剪应力，而罗布泊盆地及其以东地区剪应力最小。位移大小明显受断裂控制，从南西向北东位移逐渐减小，指示孔隙流体从南西向北东运移。

罗布泊盆地;新构造;数值模拟;阿尔金断裂带;塔里木盆地

钾盐是国家重要的战略储备资源，可广泛运用于农业及化工领域。罗布泊盆地富含钾盐资源，据最新报道，新疆罗布泊钾盐矿预计总量超过2.5×108t，占中国已探明储量的52%，并已成为中国最大的钾盐基地。近年来对罗布泊盆地钾盐的形成及分布特征进行了大量的勘查与研究工作［1～4］。但由于罗布泊盆地的新构造活动特征与形成机制尚未查清，使得对盆地钾盐形成与赋集规律仍然存在许多争议。数值模拟是探讨构造形成机制的有效手段之一，辅以构造应力场驱动地质流体运移的理论与方法，可半定量—定量研究构造活动对地质流体运聚的控制作用［5～8］。本文在罗布泊盆地新构造运动分析的基础上，通过数值模拟研究，探讨盆地新构造变形特征及其机制，为钾盐与油气聚集规律研究提供依据。

1 研究区地质背景

罗布泊盆地位于塔里木盆地东部，南北夹于北东东走向的阿尔金山与近东西走向的库鲁克塔格山，大地构造上属于塔里木地台、阿尔金构造带和北山构造带的交汇处 (见图1)。盆地南北分别受控于库鲁克塔格南缘断裂和阿尔金断裂，新构造变形强烈。区内主要断裂有孔雀河断裂、塞斯克断裂、疏勒河断裂、罗布泊南岸断裂及罗布泊东岸断裂等，主要地层为太古界—早元古界中深变质岩系基岩以及基底之上的几套沉积盖层、火山岩系和第四系［9］。

图1 罗布泊及其周缘构造纲要图［18］Fig.1 Sketch map of the Lop Nur Basin and its regional map

前人对罗布泊盆地的构造应力场及年代学进行了深入研究［10～15］，综合前人研究成果可以得出，新生代以来，罗布泊盆地先后主要受2期构造挤压作用控制，早更新世晚期之前最大主压应力为近南北向挤压，早更新世晚期以来转变为北东—南西向挤压。GPS观测结果也证实了罗布泊盆地现今的挤压应力方向为北东—南西向［16］。

2 模型建立

计算所用地质模型来源于1∶500000数字化地质图［17］，研究范围介于北纬38°20'～42°00'、东经86°00'～93°00'之间。模拟试验为二维模拟，计算模型选用平面应力假设。由于未获得本区的岩石力学实验数据，所以参数选取参照以往试验结果确定，是概念性的、相对的，所遵循的原则是低波速地带的岩性弱于高波速地带岩石，孔隙度高的地层弱于孔隙度低的地层。结合区域构造分析，划分本区的构造单元;并将研究对象的物理参数归结为3种岩石力学参数 (见表1)。在此基础上，进行相应地质单元网格化，从而建立用于数值模拟的地质模型。

表1 罗布泊盆地新构造构造数值模拟岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameter of Neotectonic numerical simulating in the Lop Nur Basin

3 模拟结果分析

数值模拟采用两种边界条件 (即两种模型)进行，一种是在模型下方 (对应研究区的南侧)加载南北向最大主压应力，在其左侧 (对应研究区西侧)加载东西向最小主压应力，其他边界为约束 (见表2、图2a);另一种是在模型左下方 (对应研究区的西南侧)加载北东—南西向挤压最大主压应力，在其左上方 (对应研究区西北侧)加载北西—南东向最小主压应力，其他边界为约束 (见表2、图2b)。

表2 罗布泊盆地新构造数值模拟边界条件Table 2 Boundary condition for Neotectonic numerical simulating in the Lop Nur Basin

3.1 模型一

罗布泊盆地早期 (渐新世—早更新世晚期)数值模拟在加载模型一的应力作用及约束边界条件 (见图3a)下进行具体计算，结果显示，在近南北向挤压应力的作用下，应力状态受地层岩性和断裂共同控制，盆地最大主压应力的高、低值区总体上呈近南北向条带状相间排列的分布特征，在罗布泊盆地呈现低应力状态 (见图3b)。在与最大主压应力垂直的方向上产生伸展变形，使近南北向断层内部处于低应力状态，如罗布泊盆地以西地区的断裂处于低应力状态;而盆地主要的北东—南西向主干断裂内相对处于高应力状态 (见图3b)。

剪应力图 (见图3c)显示，罗布泊盆地南边的两条主干断裂内部具有较高的剪应力，盆地西北缘同样剪应力较高，而最小剪应力分布于罗布泊盆地及其以东地区。构造应力相对高、低值区的分布主要受断裂系统控制，局部低值区多分布于构造相对复杂的地区，如断层交汇处、构造复合带，不同岩性交界处等。最大主应变图 (见图3d)显示，新生代盆地内部应变较大，最大值出现在罗布泊以西的两条近南北向断裂之间。

图2 罗布泊盆地早期和晚期数值模拟边界条件Fig.2 Early stage and late stage boundary condition

应力迹线图 (见图3e)分析表明，本区在近南北向挤压应力的作用下，东西方向上总体处于低应力状态，断裂带处于高应力状态，地质单元的应力状态受断裂带的控制。位移矢量图 (见图3f)展示了本区的宏观位移场，位移迹线总体上呈弧形，大小明显受断裂控制，从南西向北东位移逐渐减小，也大致反映孔隙流体的运移方向。

3.2 模型二

罗布泊盆地晚期 (早更新世晚期以来)数值模拟在加载模型二的应力作用及约束的边界条件 (见图4a)下进行具体计算，结果显示，盆地在北东—南西向挤压应力的作用下，应力状态同样受地层岩性和断裂共同控制。

全区最大主压应力高值主要分布于盆地南北两侧的基岩区，最大值分布于本区的东南缘。盆地南缘北东—南西向断裂同样应力值较高，而在罗布泊盆地呈现明显的低应力状态(见图4b)。剪应力图 (见图4c)表明，罗布泊盆地南边的两条主干断裂内部同样具有较高的剪应力，本区的西北缘和东南缘剪应力也较高，而最小剪应力分布于罗布泊盆地以北及其以东地区。最大主应变图 (见图4d)显示，盆地西北缘应变较大，最大值也出现此处，罗布泊盆地及其以东地区应变较小。应力迹线图 (见图4e)显示，本区在北东—南西向挤压应力的作用下，北西—南东方向上总体处于低应力状态，断裂带处于高应力状态，应力集中区主要在北西向断裂带上，盆地内部近南北向断裂的应力也较高。位移矢量图 (见图4f)显示本区的位移迹线总体方向呈线性，从南西向北东位移同样逐渐减小，同时位移大小受区内断裂控制，在断裂两侧明显减小，可能指示流体运移规律。

4 罗布泊盆地新构造变形序列

根据上述数值模拟实验结果，结合已有物理模拟研究［18］，晚新生代以来罗布泊盆地新构造活动主要经历了以下两大阶段 (见图5)。

图3 罗布泊盆地早期模型一 (近南北向构造挤压作用)数值模拟结果Fig.3 Numerical simulating results of Model One(nearly S－N－trending compression)

① 渐新世末期—早更新世晚期盆地伸展断陷期

罗布泊盆地受近南北向构造挤压作用，阿尔金山脉显著隆升，塔里木和柴达木古湖泊开始解体。地处塔里木盆地东部的罗布泊发生沉降，湖泊发育，堆积了一套富含石膏的内陆河湖相碎屑岩;罗布泊南侧的阿尔金断裂带发生强烈逆冲活动，兼具左行走滑活动性质;北侧的库鲁克塔格南缘断裂也同时发生逆冲活动，兼具右行走滑活动。罗布泊盆地内部发生近东西向伸展断陷，导致近南北向断裂系发育。

② 早更新世晚期以来盆地剪切变形期

早更新世末，区域构造挤压作用由近南北向挤压转变为北东—南西向挤压，罗布泊盆地南北两侧山地再次强烈隆升，盆地内部下更新统强烈变形，与其上覆中更新统呈角度不整合接触，前中生界逆冲于下更新统砾石层之上。罗布泊南侧的阿尔金断裂带发生强烈的左行走滑活动，库鲁克塔格南缘断裂发生逆冲活动。罗布泊盆地内部近南北向断裂系发生右行剪切活动。

图4 模型二数值模拟结果 (NE－SW向构造挤压作用)Fig.4 Numerical simulating results of Model Two(nearly NE-SW-trending compression)

图5 罗布泊盆地新构造演化模式Fig.5 Neotectonic evolution model in the Lop Nur Basin

5 结论

(1)两种模型的数值模拟实验结果显示，在模型设定的边界条件下，本区地质单元的应力状态受地层岩性和断裂共同控制，盆地内部呈现低应力状态，在与最大主压应力相垂直的方向上产生伸展变形。盆地南边的两条主干断裂内部具有较高的剪应力，而罗布泊盆地及其以东地区剪应力最小。位移大小明显受断裂控制，从南西向北东位移逐渐减小，指示孔隙流体的运移方向为从南西向北东。

(2)数值模拟再现了罗布泊盆地晚新生代以来的构造变形历史，表明晚新生代以来盆地新构造活动主要经历了渐新世末期—早更新世晚期盆地近东西向伸展断陷期和早更新世晚期以来盆地剪切变形期两大阶段。这种构造变形分别是近南北向构造挤压作用和北东—南西向构造挤压作用的结果。

致谢:本文研究过程中得到国地质科学院地质矿产研究所刘成林研究员和塔里木油田公司大力支持，中国地质科学院地质力学研究所武红岭研究员对数值模拟实验给予悉心指导，在此表示诚挚谢意!

［1］王弭力，刘成林，焦鹏程.罗布泊盐湖钾盐资源［M］.北京:地质出版社，2001:17～19.WANG Mi-li，LIU Cheng-lin，JIAO Peng-cheng.Saline lake poatsh resources in the Lop Nur，Xinjigang［M］.Bejing:Geological Publishing House，2001:17～19.

［2］刘成林，王弭力，焦鹏程，等.罗布泊第四纪卤水钾矿储层孔隙成因与储集机制研究［J］.地质论评，2002，48(4):437～443.LIU Cheng-lin，WANG Mi-li，JIAO Peng-cheng，et al.Formation of pores and brine reserving mechanism of the aquifers in Quanternary potash deposits in Lop Nur Lake，Xinjiang，China［J］.Geological Review，2002，48(4):437～443.

［3］刘成林，焦鹏程，王弭力，等.罗布泊第四纪含盐系成岩作用特征研究［J］.沉积学报，2003，21(2):240～246.LIU Cheng-lin，JIAO Peng-cheng，WANG Mi-li，et al.Characteristics of diagenesis is of the Quaternary salt-bearing strata，Lop Nur Lake，Xinjiang［J］.Acta Sedmentologica Sinica，2003，21(2):240～246.

［4］刘成林，焦鹏程，王弭力，等.罗布泊盐湖巨量钙芒硝沉积及其成钾效应分析［J］.矿床地质，2007，26(3):322～329.LIU Cheng-lin，JIAO Peng-cheng，WANG Mi-li，et al.Sedimentation of glauberite and its effect on potash deposits formation in Lop Nur salt lake，Xinjiang，China［J］.Mineral Deposits，2007，26(3):322 ～329.

［5］孙雄，洪汉净，马宗晋.构造应力作用下流体运动的动力学分析［J］.地球学报，1998，19(2):150～157.SUN Xiong，HONG Han-jing，MA Zong-jin.The influence of structure stress on fluid movement［J］.Acta Geosicientia Sinica，1998，19(2):150～157.

［6］曾海容，宋惠珍.三维有限单元反演的数学方法［J］.地质力学学报，1998，5(1):45～49.ZEN Hai-rong，SONG Hui-zhen.A study on 3-D finite element inverse model［J］.Journal of Geomechanics，1998，5(1):45～49.

［7］武红岭，王小凤，马寅生，等.油田构造应力场驱动油气运移的理论和方法研究［J］.石油学报，1999，20(5):7～12.WU Hong-ling，WANG Xiao-feng，MA Yin-sheng，et al.Theory and method of studying hydrocarbon migration driven by tectonic stress field［J］.Acta Petrolei Sinica，1999，20(5):7 ～12.

［8］武红岭，施炜，董树文，等.大巴山前陆叠加构造力学特征的模拟研究［J］.地学前缘，2009，16(3):190～196.WU Hong-ling，SHI Wei，DONG Shu-wen，et al.A numerical simulating study of mechanical characteristic of superposed deformation in Daba Mountain Foreland［J］.Earth Science Frontiers，2009，16(3):190～196.

［9］新疆维吾尔自治区地质矿产局.新疆维吾尔自治区区域地质志［M］.北京:地质出版社，1993:1～816.Bureau of Geology and Mineral Resources of Xinjiang Uighur Autonomous Region of China.Regional geology of Xinjiang Uighur Autonomous Region of China［M］.Beijing:Geological Publishing House，1993:1～816.

［10］柏美祥.阿尔金活动断裂带的运动学和动力学特征［J］.新疆地质，1992，10(1):57～61.BAI Mei-xiang.Kinematic and dynamic characteristics of the Altun active fault zone［J］.Xinjiang Geology，1992，10(1):57～61.

［11］范芳琴.阿尔金地区构造应力场研究［J］.内陆地震，1993，7(4):370～378.FAN Fang-qin.Study on the tectonic stress field in Altun area［J］.Inland Earthquake，1993，7(4):370～378.

［12］谢富仁，刘光勋.阿尔金断裂带中段区域新构造应力场分析［J］.中国地震，1989，5(3):26～36.XIE Fu-ren，LIU Guang-xun.Analysis of neotectonic stress field in the area of the central segment of Altun fault zone，China［J］.Earthquake Research In China，1989，5(3):26～36.

［13］张岳桥，陈正乐，杨农.阿尔金断裂晚新生代左旋走滑位错的地质新证据［J］.现代地质，2001，15(1):9～12.ZHANG Yue-qiao，CHEN Zheng-le，YANG Nong.New geological evidences for late Cenozoic left lateral displacement along the Altyn Tagh fault［J］.Geoscience，2001，15(1):9 ～12.

［14］陈正乐，张岳桥，王小凤，等.新生代阿尔金山脉隆升历史的裂变径迹证据［J］.地球学报，2001，22(5):413～418.CHEN Zheng-le，ZHANG Yue-qiao，WANG Xiao-feng，et al.Fission track dating of apatite constrains on the Cenozoic uplift of the Altyn Tagh Mountain［J］.Acta Geosicientia Sinica，2001，22(5):413～418.

［15］刘永江，Franz Neubauer，葛肖虹，等.阿尔金断裂带年代学和阿尔金山隆升［J］.地质科学，2007，42(1):134～146.LIU Yong-jiang，Franz Neubauer，GE Xiao-hong，et al.Geochronology of the Altun fault zone and rising of the Altun Mountains［J］.Chinese Journal of Geology，2007，42(1):134～146.

［16］Wang Q，Zhang P Z，Freymueller J，et al.Present-day crustal deformation of China constrained by global positioning system measurements［J］.Science，2001，294:574～577.

［17］中国地质调查局.中国数字化地质图 (1:50万)［M］.1999.China Geological Survey.China digital geological map(1∶500000)［M］.1999.

［18］施炜，刘成林，杨海军，等.基于砂箱模拟实验的罗布泊盆地新构造变形特征分析［J］.大地构造与成矿学，2009，33(4):529～534.SHI Wei，LIU Cheng-lin，YANG Hai-jun，et al.Research on neotectonic of the Lop Nur Basin based on sandbox experiments［J］.Geotectonica et Metallogenia，2009，33(4):529 ～534.

A NUMERICAL SIMULATING RESEARCH ON NEOTECTONICS IN THE LOP NUR BASIN

SHI Wei1，TIAN Mi1，2，MA Yin-sheng1，GONG Ming-quan1，DU Jian-jun1，LIU Yuan1
(1.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciencses，Beijing 100081，China;2.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，SINOPEC，Wuxi 214151，China)

Based on analysis of previous researches on neotectonic in Lop Nur Basin，two types of numerical simulation models have been built in this paper:～N-S trending compression in first stage and NE-SW striking compression in the later stage.Combining with the previous studies，our numerical simulation shows the two main episodes of tectonic evolution occurred in the Lop Nur Basin since Late Cenozoic:(1)the ～N-S trending compression，the extension and rifting from late Oligocene to Early Pleistocene，and(2)the NE-SW striking compression and the shearing deformation since Early Pleistocene.Furthermore，the research shows the stress condition of the geological units is controlled both by lithology and faults;moreover，the low stress appears inside of the basin，and extensional direction is perpendicular to maximum principle compressive stress.The two main faults to the south of the basin are dominated by high shearing stress，whereas the minimal shearing stress distributes both in the basin and to its east.Furthermore，obviously controlled by faults，the displacement decreases from southwest to northeast，indicating the pore fluid migrates from southwest to northeast.This study provides some structural evidences for the research on sylvite forming and oil storage and transformation.

LopNurBasin;neotectonic;numericalsimulation;AltynTaghfaultzone;Tarim Basin

P546

A

2010-12-03

中国石油塔里木油田公司科技项目 (41005050002);国土资源大调查项目“新构造与重要经济区和重大工程安全系列图件编制” (1212010511507)和“贺兰山—六盘山构造地貌带地表过程与演化机理” (1212011120100)资助。

施炜 (1971-)，男，博士，主要从事中—新生代构造研究。E-mail:shiweinmg@163.com.

1006-6616(2011)03-0223-09