塔里木盆地塘古孜巴斯坳陷西部中加里东期断裂特征及形成机制

李浩武，王建君，邬光辉, ，史玲玲，汪斌，胡湘瑜，高力

(1. 中国石油勘探开发研究院，北京，100083；2. 中山大学 海洋学院，广东 广州 510275；3. 中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒，841000)

1 区域地质概况

1.1 构造概况

塘古孜巴斯拗陷(简称塘古拗陷)位于塔里木盆地的西南部(图1)，塔中隆起以南[1-2]，由玛东冲断带、塘北次凹、塘南台地、塘南次凹、塘南凸起等次级构造单元构成。塔里木盆地被北部的天山造山带、西南部的西昆仑造山带、东南部的阿尔金造山带所围限，在不同的地质历史时期，塔里木地块和周缘造山带相互作用、互为响应，构成了现今复杂的盆-山体系[3-5]。

塘古拗陷内发育一系列凸向北西方向的弧形裂，根据断裂的性质又可分为玛东薄皮滑脱断裂系统和塘南基底卷入断裂系统。玛东冲断带为一宽阔的北东向盖层滑脱型褶皱冲断带，其由5 排近于平行的构造带组成，冲断层向下延伸收敛于中寒武统的膏盐层，向上延伸止于志留系下统柯坪塔格组((S1k))或石炭系的底面。塘南基底卷入断裂系统主要发育于塘南台地内，断裂总体上向北部凸起，断距较小，平面延伸距离短，在剖面上大多具有断至基底的特征。

1.2 沉积地层

塘古拗陷西部寒武系-上奥陶统下部(∈1-O3l)地层发育齐全。寒武纪初期发生第一次大规模海侵，下寒武统以白云岩和泥质白云岩为主，中寒武世海水范围进一步退缩，塘古拗陷总体处于局限-蒸发台地环境，以膏盐沉积为主，构成了盆地内重要的滑脱层(∈2)。晚寒武世海水又一次入侵，其规模不断加大，区内海水也逐渐加深，又演化为宽广的局限台地环境，此格局一直持续到早奥陶纪晚期，上寒武统至下奥陶统蓬莱坝组(∈3- O1p)以厚层含硅白云岩和白云岩为主，含少量灰岩夹层。

在早奥陶世晚期和中奥陶世，塘古拗陷西南部由于受和田河古隆起的影响而演变为台地边缘相[2,6]，鹰山组(O1-2y)沉积了一套砂屑灰岩。受中加里东期构造运动的影响，塔里木板块与周缘地块之间的运动方式由离散转变为相互聚敛，晚奥陶世早期发育碳酸盐岩(良里塔格组，O3l)，塘南地区属于台地相，边缘发育台缘礁滩相带[2,6-7]。

奥陶系中晚期桑塔木组(O3s)沉积时，出现了大规模的海侵，形成了盆地范围的深海环境，以发育深水浊积体系、深水陆棚及混积浅海-半深海体系为特征[8]，以海相碎屑岩沉积为主，桑塔木组除冲断带顶部局部缺失外，全区都有分布。

图1 所示为塘古孜巴斯拗陷构造特征及区带划分图。奥陶纪末期盆地遭受到强烈的挤压和隆升，盆地迅速变浅，遭受强烈剥蚀，形成了奥陶纪末期广泛分布的角度-微角度不整合，界面下伏地层遭受了强烈的挤压变形，随后进入志留纪周缘或弧后前陆盆地发育阶段[8,19]。塘古拗陷西部目前仅残存志留系下统柯坪塔格组，其主要分布于玛东冲断带中北部地区，向南缺失尖灭，塘南台地也基本全部缺失(图1)，全区缺失志留系中上统至泥盆系下统地层。

图1 塘古孜巴斯拗陷构造特征及区带划分图Fig.1 Structure features of Tangguzibasi sag

石炭-二叠纪期间塘古拗陷西部发育海进-海退旋回，地层全区连续分布；中生代时区域隆升，未接受沉积，全区缺失侏罗-白垩系；古近纪初期，古特提斯海第3 次进入喀什-叶城拗陷，向东逐渐发生海侵，至渐新世，海水迅速退出，之后沉积转变为陆相碎屑岩。新生界地层分布范围广，在本区连续分布。

2 断裂特征与形成时间

2.1 玛东冲断带

图2 所示为玛东至塘南地震剖面构造-地层解释(位置见图1 中A-A')。在过玛东和塘南的剖面上(图2)，可以看出，玛东冲断带冲断层由北西向南东依次变陡，断层都在中寒武统膏盐层中发生滑脱作用。盐上、盐下地层变形明显不协调，以中寒武统膏盐层为界，形成了盐上和盐下两套变形系统。由于断层的滑脱作用，奥陶系-上寒武统地层被高角度冲起，在断裂带的很多部位，上奥陶统桑塔木组地层已完全缺失，下奥陶统碳酸盐岩直接角度不整合接触于志留系或石炭系地层。由于中寒武统膏岩层的流动变形，在局部形成明显的聚集增厚现象(图2)。

图3 所示为玛东冲断带联合剖面及其局部放大特征。冲断带由南至北，在典型的地震剖面中，前3 排冲断层形成的局部洼陷内，桑塔木组具有明显的上超沉积特征(图3)。在JM98-640 剖面中，第①排和第②排断层之间的小洼陷内，从底部开始与下伏地层(∈3-O3l)的上超关系就非常明显，而下伏地层内部波组平行稳定，局部小洼陷是断层冲断作用的产物，冲断作用发生于桑塔木组沉积之前。同样，在HT00- 614和HT00-570 剖面上，第①排断层和第②排断层之间夹持的小洼陷，桑塔木组也表现出明显的上超特征；在HT00-602 和HT00-598 剖面上，由第②排和第③排断层夹持的小洼陷内，桑塔木组同样具有明显的上超特征。

因此可以判断，前3 排冲断层形成于桑塔木组沉积之前。受冲断作用的影响，在两条断层之间形成局部的微型凹陷，之后海平面上升，微型凹陷淹没于水下，桑塔木组开始沉积，冲断带大部分出露遭受剥蚀，可能并未接受沉积。而第④和第⑤排构造却没有表现出桑塔木组上超的特征，且断层向上延伸至志留系(或石炭系)底部，可知第④排和第⑤排断层形成于奥陶纪末至志留纪初。根据志留系西北厚、东南薄的特征，即第④排断层要早于第⑤排断层先结束冲断活动，故接受志留系沉积的时间也要早一些。

2.2 塘南地区

从图2 可以看出：塘南地区断裂基本上都切穿寒武系，直达基底。寒武-奥陶系内部各套地震同相轴表现出基本相同的变形特征，盐层上下构造协调一致，断裂一般都较为高陡。

图4 所示为过塘南1 井地震剖面，显示断层切入基底(位置见图1 中B-B')。过塘南1 井的地震剖面MZ08-632(图4)，也表现出与图2 类似的特征，寒武-奥陶系变形特征协调一致，波组呈连续平行状，断裂切至基底，在东南方向出现了花状结构特征，说明在此部位，断裂具有一定的走滑分量。由于塘南地区缺失志留系和泥盆系地层，石炭系地层直接不整合与奥陶系之上，而断裂向上延伸至石炭系底部。

从图2 和4 可以看出：塘南地区的断裂桑塔木组地层变形较为严重，且变形形态基本与下伏地层一致，共同经受了后期构造作用，说明断裂作用发生在桑塔木组沉积之后。而本区缺失志留系和泥盆系，石炭系直接角度不整合覆盖于桑塔木组之上，根据阿尔金主断裂的活动时间推定，塘南地区断裂形成对应的时间为奥陶纪末至志留纪初。

图2 玛东至塘南地震剖面构造-地层解释Fig.2 Geological interpretation of seismic profile from Madong to Tangnan

图3 玛东冲断带联合剖面及其局部放大特征Fig.3 Seismic profiles cross Madong thrust belt and their local magnified features

2.3 玛东冲断带南部活化

以玛东1 井南部北西-南东向断层为界(图1)，从横穿构造带的多条地震剖面上来看，北部断层在形成之后基本停止活动(图2)，而南部断层在晚海西期明显发生活化现象，断层虽然未明显错断石炭-二叠系地层，但在其中形成了一系列背形构造。这种活化作用影响范围较大，从玛东1 井南部至玉北1 井附近，五排断层都在不同程度上发生了活化，尤其以前3 排最为明显，图5 所示为过玛东冲断带南部剖面。

图4 过塘南1 井地震剖面Fig.4 Seismic profile of Tangnan 1 well

图5 过玛东冲断带南部剖面Fig.5 Seismic profile cross the south part of Madong thrust belt

3 塘古拗陷断裂形成动力学机制

3.1 阿尔金断裂基本特征

图6 所示为阿尔金断裂基本特征及塔里木盆地主要断裂展布(据崔军文[9]、任建业[1]、李海兵[14]、刘兴旺[15]等资料综合编绘)。阿尔金断裂位于青藏高原北侧，分割塔里木盆地和柴达木盆地。西南起自郭扎错，往北东，经库牙克、茫崖、当今山口，至酒泉西，转换为NWW 走向的北祁连逆冲断裂系，呈向北凸出的弧形；往南西延伸，转换为西昆仑NWW 向逆冲断裂系[9](图6)，延伸长度逾1 500 km[10-11]，断裂倾角较陡，多在70°以上。沿断裂有元古代及华力西期蛇绿岩分布[12]。阿尔金断裂并非完全平直的巨型走滑断裂，而具有线性与弧形相叠加的几何学特征，沿阿尔金断裂可识别出10 个与阶状线形段相伴的弧形段，自南西往北东依次为：阿斯腾塔格段、阿克塔格段、托库孜达板段、库木布彦山段、阿卡腾能山段、青新界山段、阿尔金山段、野马山段、鹰嘴山段和宽滩山段[9](图6)，线形段常被错断成阶状，断续延伸或彼此重叠，并以右阶状排列为主。

图6 阿尔金断裂基本特征及塔里木盆地主要断裂展布(据崔军文[9]、任建业[1]、李海兵[14]、刘兴旺[15]等资料综合编绘)Fig.6 Geometric features of Altun fault and major faults of Tarim Basin

阿尔金断裂是一条同时具有逆冲、左行走滑和正滑复杂力学性质的巨型断裂系[9]。其在印度-欧亚板块汇聚的大陆构造背景下具有多次脉冲式活动的特征[9,13-16]。阿尔金断裂形成及其后期活动对塔里木盆地南部构造、沉积和油气成藏产生了深远的影响[1,15,17-20]。

3.2 加里东中期断裂形成机制

中奥陶世末是塔里木盆地构造背景由伸展体制转化为挤压环境的重要转折期[21-22]，除了塔北、塔西南等古隆起外，形成了巨型的中央古隆起-斜坡带[22]。此时北祁连洋闭合，阿尔金地块与塔里木地块发生拼贴碰撞，卷入碰撞造山作用。张建新等[23]在阿尔金断裂西段吐拉一带的孔兹岩系样品中获得了447～462 Ma 的变质锆石U-Pb 和Pb-Pb 年龄，并解释为变质年龄；Jolivet 等[24]在新疆米兰南部的阿尔金山北缘断裂带花岗岩样品中获得了441 Ma 的错石U-Pb 年龄和383 Ma 的白云母40Ar/39Ar 年龄；刘永江等[13]对阿尔金山阿克塞和当金山地区出露的元古代、早古生代变质岩样品中云母、角闪石和钾长石单矿物的40Ar/39Ar同位素测年研究，远离阿尔金中部剪切带的样品给出461～445.2 和414～342.8 Ma 的坪年龄，这2 组年龄分别代表了被阿尔金断裂错移的岩块在晚奥陶世-早志留世和泥盆纪发生构造热事件的记录，应同南北祁连洋槽的闭合相关[13]。张建新等[23,25]对中阿尔金地块的阿尔金岩群和南阿尔金俯冲碰撞带中变质岩年代学测定，表明该区早古生代早期(485～505 Ma) 发生深俯冲和碰撞作用。南阿尔金西段存在中低压麻粒岩相的变泥质岩(具有典型孔兹岩特征) 和基性麻粒岩，年龄在440～468 Ma 之间，表明阿尔金和中南阿尔金地块明显卷入到早古生代的碰撞造山作用。

图7 所示为南部过玛东和塘南的剖面(位置见图1:C-C')。这些构造事件与塔里木盆地该时期南部及东南部的不整合特征相响应，部分地制约了塔里木地块的构造演化[17]。由于阿尔金地块与塔里木地块的拼贴碰撞，在满加尔-塘古孜巴斯一带形成了北东向展布的周缘前陆盆地[26]，沉积物组构发生重大转变，塘古拗陷西部由上奥陶统下部的良里塔格组台地相，转变为上部桑塔木组的碎屑岩。在阿尔金地块上，近东西向、由南向北逆冲的南阿尔金断裂在中奥陶世-志留纪的强烈活动，应与塔里木盆地内塘古孜巴斯拗陷西南北东向展布的断裂发育处于同一时期，受同一区域构造应力场的作用，玛东和塘南断裂的形成都属于对阿尔金地块与塔里木地块拼接的响应(图6)。塘南基底卷入型断裂属于塘古弧后前陆盆地山前逆冲断裂系统，而玛东冲断带属于前陆盆地的反冲断裂系统，两者对接之处为逆冲三角带(图2，4 和7)。

图7 南部过玛东和塘南的剖面(位置见图1:C-C')Fig.7 Seismic profile cross south part of Madong and Tangnan area

3.3 玛东冲断带南部断裂的活化机制

原型盆地分析认为[17]：晚二叠世-三叠纪，古特提斯洋向中昆仑地体(这时为塔里木地块的西南缘)下的俯冲达到高潮，最终导致南侧的甜水海地体(羌塘板块)与塔里木地块发生碰撞。在塔西南地区晚二叠世杜瓦组上千米厚的陆相磨拉石建造的出现，标志着自(晚泥盆世)石炭纪-早二叠世发育起来的宽阔被动大陆边缘及中二叠世的弧后伸展盆地遭受改造，晚二叠世形成了弧后前陆盆地。三叠纪时期，盆地西部与东部的大部分地区遭受剥蚀。晚三叠世，随着南侧碰撞事件的发生，挤压作用达到高潮，盆地表现出强烈的隆升与剥蚀[6,27]。

同位素年代地质学提供了更加确凿的证据。张传林等[28]采用SHRIMP 锆石 U-Pb 法定年测得的该构造带东段眼球状英云闪长岩的变质年龄为240 Ma；许志琴等[29]通过对康西瓦构造带东段孔兹岩进行SHRIMP 锆石 U-Pb 定年，认为锆石206Pb/238U 年龄加权平均值在 245～256 Ma 之间的锆石为变质或深熔成因，代表一次重要的变质事件；刘函等[30]通过对西昆仑造山带及邻区碎屑锆石裂变径迹定年的研究，也发现西昆仑地区曾在 235～267 Ma 之间发生过强烈的挤压隆升作用，与古特提斯洋的俯冲碰撞关系密切；康磊等[31]测得康西瓦构造带西段含石榴子石二云斜长片麻岩的变质年龄为(242.7±2.3) Ma，表明中三叠世早期西昆仑造山带还处于古特提斯碰撞阶段。

根据玛东冲断带剖面变形特征(图4)，断裂带附近上二叠统中部之下地震波组变形协调一致，而上二叠统中部以上地层变形幅度要小于下部地层，上二叠统上部地层在构造顶部遭受剥蚀，判断玛东冲断带南部断裂的活化时期为二叠系沉积之后。同时，从剖面上可观察出，自南向北，断裂活化形成的圈闭幅度呈逐渐减小趋势，至玛东1 井以北，活化现象消失，从侧面反映了断层活化的力源可能来自于西南部。玛东冲断带南部断层活化与西昆仑碰撞造山的时代和力源方向相一致，推测其属于古特提斯洋向中昆仑地体俯冲的产物。

4 不同构造样式的成因

4.1 滑脱层厚度与构造样式

塘古拗陷周缘中寒武统膏盐层发育[32]，现今钻遇中寒武统膏盐层的井大多位于巴楚隆起和塔中隆起，膏岩层厚度介于140～490 m 之间[33]。塘古拗陷虽无井钻至寒武系，但通过地震反射特征已实现了中寒武统膏盐层的全区追踪，基本明确了塘古拗陷中寒武统膏盐层的展布范围。

含盐层系是叠合盆地最重要的滑脱层系，前人的研究表明，滑脱层的形成是由岩性、厚度及岩石强度决定[34]。在多期变形过程中，盐岩层系厚度变化往往控制变形样式和变形的传递[35]。在收缩带内，滑脱褶皱发育在流动物质的总量经由重新分配作用能充填演化褶皱核的部位；而冲断层则发育在流动物质不足以维持滑脱褶皱生长的地方[35]。在滑脱层厚度大的部位，更容易产生滑脱褶皱，而在滑脱层厚度小的部位，更容易产生冲断层，切穿滑脱层[36-39]。从图2 和5 可以看出：中寒武统膏盐层厚度从玛东向塘南呈逐渐减薄趋势，玛东地区中寒武统膏盐层厚度大，因此更容易产生断层滑脱；在塘南地区，中寒武统膏盐层厚度小，因此也就影响了其流动形成盐构造的能力，断裂大多都切至基底。

图8 加里东中期玛东-塘南构造带形成与阿尔金断裂关系模式图(据王宜昌[43]、何碧竹[44]、李海兵[45]等资料综合编绘)Fig.8 The formation model of Tangnan and Madong thrust, Middle Caledonian

4.2 构造部位与构造样式

前陆盆地系统中，在有膏盐滑脱层发育的情况下，越靠近山前带，越容易发育基底卷入型构造，而滑脱型构造往往发育在距山前带较远的位置，此特点在多个盆地的剖面和构造模拟实验中都有所反映[34,36,39-42]。塘古拗陷内的断裂形成主要受由南向北逆冲的南阿尔金断裂在中奥陶世-志留纪的强烈活动控制，塘南地区更靠近阿尔金冲断带，因此也就更容易产生基底卷入型构造。而玛东地区距离冲断造山带较远，因而产生基底卷入构造的几率相对来说较小。

4.3 不同基底类型导致构造样式的差异

图8 所示为加里东中期玛东-塘南构造带形成与阿尔金断裂关系模式图(据王宜昌[43]、何碧竹[44]、李海兵[45]等资料综合编绘)。在塘古坳陷的不同位置，基底类型有所差异。从塔里木盆地航磁异常图(图8)上可明显看出，塘南台地与玛4 井-叶城一带存在明显的航磁异常高，而塔中4 井-塘北2-玛东1 井-玉北1 井-胜和2 井直至叶城西侧属于航磁低值区。根据王宜昌等[43]的研究，本区航磁异常高位于元古代塔克拉玛干古裂谷分布区，裂谷中心岩浆上涌，火成岩十分发育，属于元古界火成岩结晶基底发育区，表现出明显的强磁异常。

在早奥陶世塔里木板块与南昆仑板块碰撞、中奥陶世至泥盆纪阿尔金断裂强烈活动时，南东方向的挤压应力向北西方向逐渐传递，由于塘南地区和玛4井-叶城一带属于刚性的火成岩结晶基底，在同样大小的应力作用下，相比软弱基底，发生变形和破裂的难度大。而玛东一带属于被2 块刚性基底的夹持区，基底较为软弱，当应力传递至玛扎塔格-叶城一带刚性区时，会发生向南东方向传递的反作用力，首先在玛东地区产生反冲构造，随着构造挤压应力的进一步增强，塘南刚性基底区产生高角度基底卷入型断裂。而玛4 井-叶城一带由于距主造山带距离远，受来自东南方向的挤压应力影响小，同时基底坚硬，抗压能力强，因此在中-晚加里东期未发生明显的构造变形作用。从基底类型、应力场的作用方式判断，玛东地区断裂的产生时间要比塘南地区早一些，玛东地区在晚奥陶世就已经发生冲断变形，而塘南地区断裂产生的时间为奥陶纪末，这与剖面的实际观测结果一致。玛东、塘南中寒武膏盐滑脱层厚度、基底类型、与阿尔金造山带之间的距离3 种差异引起的构造面貌的不同可用图8 的模式图概括。

5 结论

1) 塘古孜巴斯拗陷内发育有玛东盖层滑脱冲断体系和塘南基底卷入冲断体系2 种类型的冲断体系。玛东冲断体系由5 条近于平行的逆冲断裂组成，其都在中寒武统膏盐层内发生滑脱。塘南基底卷入冲断体系由一系列向北西方向凸起的断裂组成，其平面延伸距离都较小，断距也较小，基本上都切穿寒武系地层，延伸至基底。玛东冲断带南部在晚海西期发生了明显的活化作用，在石炭-二叠系地层中形成了一系列的构造圈闭。

2) 中奥陶世至志留纪时，阿尔金地块上近东西向、由南向北逆冲的阿尔及断裂强烈活动，玛东和塘南断裂的形成，就属于其构造应力场的产物。塘南断裂带属于山前逆冲断裂系统，玛东断裂带属于反冲断裂系统，在两者之间对接之处，形成了逆冲三角带。而玛东冲断带南部断层在晚海西期的活化，属于对古特提斯洋向中昆仑地体俯冲的响应。

3) 滑脱构造的形成，与滑脱层的厚度和构造所处位置密切相关。滑脱层厚度越大，越容易产生滑脱构造，厚度越小，越容易产生逆冲断层。玛东地区中寒武统膏盐层厚度较塘南地区大，因此也就更容易产生滑脱构造。塘南地区紧邻造山带，更容易形成基底卷入型的断裂。基于此两点原因，玛东地区发育滑脱构造，而塘南地区发育基底卷入构造。

4) 玛东与塘南地区由于基底类型不同，导致断裂形成时间也有所不同。塘南地区、玛扎塔格-叶城一带属于火成岩结晶基底，玛东一带属于变质程度低的软弱基底，随着塔里木板块与阿尔金陆块的碰撞，挤压应力由南东方向向北西方向传递，由于受到玛扎塔格-叶城刚性基底的阻挡作用，产生了由北西向南东方向的反作用力，在晚奥陶世初形成了玛东反冲构造带，而刚性基底产生破裂变形的难度大，在奥陶纪末挤压应力很大时，才发生破裂，塘南地区断裂形成于此时期。

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