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塔里木盆地巴楚隆起断裂分期差异活动特征及其变形机理

2014-05-16汤良杰蒋华山谢大庆曹自成

石油实验地质 2014年3期
关键词:巴楚塔格塔里木盆地

杨 勇,汤良杰,蒋华山,陈 刚,谢大庆,李 萌,曹自成

(1.油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心,北京 102249;3.中国石化西北油田分公司,乌鲁木齐 830011)

巴楚隆起是塔里木盆地内长期发育的隆起,先后经历了加里东、海西、印支—燕山和喜马拉雅期构造旋回[1-3]。受多期构造运动的影响,巴楚隆起断裂极其发育,在其南缘、北缘及内部等不同部位断裂的性质、发育层位、活动时间等均有差异[4-6]。自20世纪80年代以来,前人对巴楚隆起断裂特征进行了深入研究,在断裂变形样式、发育分布规律、断裂活动时间、断裂形成机制等方面提出许多新的认识:(1)由于受喜马拉雅期强转换挤压环境的控制,巴楚隆起基底卷入型断裂大多表现出逆冲与走滑的双重特征[7-10];(2)巴楚隆起断裂形成受多期构造运动的影响,但主要形成于喜马拉雅中期(中新世末期)和喜马拉雅晚期(上新世—全新世)[8-18];(3)断裂的形成主要受西昆仑造山带和柯坪冲断带构造演化的控制[4-6]。但是由于巴楚隆起构造变形复杂,仍然存在一些重要问题有待深化认识,主要包括:(1)巴楚隆起发生了几期断裂活动?(2)每期断裂活动具有什么特点?(3)每期断裂形成和分布的控制机理是什么?本文试图通过地震资料综合解释和分析,对上述问题作进一步探讨,以期深化对巴楚隆起断裂分期差异活动和发育分布特征的认识,揭示不同变革期断裂形成演化和发育分布的控制机理。

1 区域地质背景

巴楚隆起位于塔里木盆地西部,由一系列北西、北西西向的断褶带组成,其西侧与北东向的柯坪断隆带相接,南、北两侧分别与麦盖提斜坡和阿瓦提凹陷相邻,分别以色力布亚—玛扎塔格断裂带和阿恰—吐木休克断裂带为界(图1),在南北向地震剖面上表现为向南、北背冲的大型断褶带[19]。该隆起带从古生代开始活动,并定型于中新世末期[1-3]。

巴楚隆起西段走向为NNW向,为南北两侧分别由阿恰断裂带和色力布亚断裂带控制的大型复背斜构造。古生界遭受严重剥蚀,已出露地表,全区缺失中生界和古近系,新近系直接不整合在古生界不同层位之上。该区断裂发育,断裂走向多为NW或NNW向,多具走滑逆冲性质(图2a)。巴楚隆起中段为西段至东段间的过渡带,其南界是沙垅断裂带和海米罗斯断裂带,北界是吐木休克断裂带,中部为夹在北东倾的古董山断裂带和南东倾的卡拉沙依断裂带之间的大型向斜构造(图2b)。巴楚隆起东段走向为NWW向,表现为南、北两侧分别由玛扎塔格断裂带和吐木休克断裂带控制的断背斜凸起带。北部的吐木休克断裂带表现为复杂的断背斜构造,南部的玛扎塔格断裂带表现为背冲断块或断背斜构造,中部为一向东南倾斜的斜坡构造,断裂和局部构造不发育(图2c)。

图1 塔里木盆地巴楚隆起断裂分布Fig.1 Fault distribution of Bachu uplift,Tarim Basin

2 主要断裂带特征

2.1 巴楚隆起内部断裂带

2.1.1 古董山断裂带

古董山断裂带位于巴楚隆起中部,走向NNW向,总体倾向北东,长度约为80 km,其向北西延伸与三岔口断裂带呈锐角相交,向南东方向延伸与鸟山断裂、玛扎塔格断裂相接(图1)。古董山断裂带可以分为构造变形特征明显不同的2段:东南段以基底卷入冲断构造为特征,西北段以盖层滑脱冲断为特征(图2a,b)。古董山断裂带内主要断层均向上断穿至上新统—第四系底面,说明古董山断裂带定型于中新世末,断裂带两侧上奥陶统、志留系厚度的差异则说明其在加里东中期、海西晚期已经有过明显的断裂活动。

2.1.2 卡拉沙依断裂带

卡拉沙依断裂带位于巴楚隆起中部,在平面上表现为2条规模不同的断层自南向北呈剪刀式会聚,断层自基底向上断穿至上新统—第四系底面,上盘发育断层相关褶皱,并发生强烈的剥蚀,上新统—第四系直接覆盖在石炭系、二叠系之上。断裂带变形强度自北向南断裂强度逐渐减弱并消失(图2)。其形成演化经历了加里东中期、海西晚期和喜马拉雅期等关键变革期[18]。

图2 塔里木盆地巴楚隆起主干构造剖面Fig.2 Tectonic profiles across Bachu uplift,Tarim Basin

2.2 色力布亚—海米罗斯—玛扎塔格断裂带

2.2.1 色力布亚断裂带

色力布亚断裂带位于巴楚隆起南缘,自北向南,走向由近SN向逐渐转变成NNW向。该断裂带可分成2段。(1)北段为压扭性断裂,在地震剖面上主断层面倾向北东向,断层倾角在70°~90°。在BC05-NE125测线上,主断层切断基底并向上延伸至中新统底面,上新统—第四系沿北东向超覆于下伏地层之上形成一个明显的角度不整合面,反映色力布亚断裂带在中新世末有一次较强烈的构造运动,主断层上盘发育在中寒武统膏盐岩中滑脱的反向逆冲断层——同岗断层(图3d)。在BC05-NE88测线上,色力布亚断裂带具有明显的分层性,浅层发育一条在古近系膏盐岩层内滑脱的逆冲断层,深层仍表现为压扭断裂带,具有明显的正花状构造特征(图3e)。(2)南段为逆冲断裂,在地震剖面上花状构造基本消失,出现了深层基底卷入型逆冲断层与浅层盖层滑脱型逆冲断层相叠加的构造。在BC05-NE73测线上,深层基底卷入型逆冲断层倾向北东,向上延伸断穿至志留系—中泥盆统顶面,形成于加里东中期—海西早期,断距较小;其上盘伴生发育2条反向逆冲断层,倾角陡立,向上延伸断入中新统,浅层发育上新世—全新世活动的滑脱逆冲断层(图3f)。

2.2.2 海米罗斯断裂带和沙垅断裂带

海米罗斯断裂带位于色力布亚断裂带和玛扎塔格断裂带之间,自北向南,走向由近NW向逐渐转变成近SN向。海米罗斯断裂带由深部断层和浅部断层组成,浅部断层是一条在古近系膏盐岩层内滑脱的逆冲断层,倾向南西,向北逆冲,向上延伸断穿至地表,深部断层是一条走滑—斜冲断裂,具有明显的半花状构造特征(图3g),主要形成于中新世末,初始活动时间是加里东中期,并具有多期活动的特征。沙垅断裂带位于海米罗斯断裂带南侧,由于古近系膏盐岩的发育,也具有分层差异变形的特征,但是深层和浅层发育的都是逆冲断层,浅层断层仍然是在古近系膏盐岩中滑脱并向上延伸至地表,活动时间是上新世—全新世,深层主要发育2条背冲断层及3条次级调节断层,主要形成于海西晚期和喜马拉雅早期。

2.2.3 玛扎塔格断裂带

玛扎塔格断裂带是麦盖提斜坡与巴楚断隆之间的一条边界断裂带,位于巴楚隆起东段,西与古董山断裂带相接,东止于玛东断裂带,总体走向NWW向,在该断裂带上已发现和田河气田。玛扎塔格断裂带也由深部断裂和浅部断裂组成,深部发育由1条南西倾和2条北东倾的断层控制的复杂背冲断块,浅部发育在古近系膏盐层中滑脱的逆冲断层及其上盘发育的断层传播褶皱(图3h)。通过系统的地震剖面解释,发现玛扎塔格断裂带具有多期活动特征:北侧南西倾向的逆冲断层从加里东中期开始活动,在海西早期和海西晚期都有过复活,并最终在中新世末定型;南侧北东倾的逆冲断层从海西晚期开始活动,古近纪末受挤压应力发生复活,并在中新世末定型;浅层在古近系膏盐层中滑脱的逆冲断层形成于上新世—全新世。

图3 塔里木盆地巴楚隆起南缘断裂带典型地震剖面d-f.色力布亚断裂带(位置见图1测线d-f);g.海米罗斯断裂带(位置见图1测线g);h.玛扎塔格断裂带(位置见图1测线h)Fig.3 Typical seismic profiles of southern boundary fault of Bachu uplift,Tarim Basin

2.3 阿恰—吐木休克断裂带

2.3.1 阿恰断裂

阿恰断裂带主要由阿恰断裂和乔来买提断裂组成,构成了巴楚断隆北界的西北段。乔来买提断裂为盖层滑脱型逆冲断裂,阿恰断裂为基底卷入型逆冲断裂,这2条逆冲断裂逆冲方向相反,与浅表发育的萨拉姆布拉克背斜构造组合成阿恰基底卷入楔形构造。楔形构造前缘发育的生长地层表明,该构造主要形成时期为2期:中新世和上新世—全新世(图4i)。

2.3.2 吐木休克断裂

吐木休克断裂西起方1井,东至巴东4井,构成巴楚断隆北界的中段和东南段。根据地震剖面上断裂的构造样式和变形特征的差异,吐木休克断裂从东到西可以分为3段:西段发育2条平行的基底卷入型铲式逆冲断层,一条断穿至上新统—第四系底面,另一条断穿至中新统底面,强烈的断裂活动造成断裂带内部地层褶皱变形并遭受强烈的剥蚀作用(图4j);中段只发育一条大倾角的基底卷入型逆冲断层,自基底向上断穿至上新统—第四系底面,构造变形也相对简单,仅在上盘发育断背斜(图4k);东段主断裂已经变成了一条向北东倾的逆冲断层,向上断穿至上新统—第四系底面,上盘发育南西翼陡北东翼缓的断背斜,并且断背斜被上新统—第四系底面削顶(图4l)。根据吐木休克断裂前缘发育的生长地层,可以确定该断裂带主要形成于喜马拉雅期:古近纪末断裂雏形形成,中新世末断裂强烈活动,上新世—全新世断裂定型。从地震资料解释可以看出,吐木休克断裂西段和中段在新生代之前没有断裂活动的证据,东段初始活动时间是加里东中期(图4j-l)。

图4 塔里木盆地巴楚隆起北缘断裂带典型地震剖面i.阿恰断裂带(位置见图1测线i);j-l.吐木休克断裂带(位置见图1测线j-l)Fig.4 Typical seismic profiles of northern boundary fault of Bachu uplift,Tarim Basin

3 断层分期差异活动及其控制机理

在主要断裂带典型地震剖面解释的基础上,结合区域构造背景和沉积地层展布等,分别制作了过巴楚隆起西段(图5)、中段和东段(图6)的构造演化剖面,通过分析各关键变革期的剖面的缩短量和缩短率(表1),确定巴楚隆起断裂自寒武纪以来在加里东中期、海西早期、海西晚期、喜马拉雅早期、喜马拉雅中期和喜马拉雅晚期等关键变革期发生过明显的冲断活动,并探讨了各期冲断活动的特征及其控制机理。

3.1 加里东中期

3.1.1 断裂活动特征

加里东中期,塔里木盆地分别在中奥陶世末和奥陶纪末经历了2幕构造运动,主要与古昆仑洋和阿尔金洋的俯冲消减作用有关,导致在巴楚地区形成了NW向和NE向2组断裂。NW向断裂主要分布在巴楚南缘,包括色力布亚、康塔库木、乔肖尔盖、古董山、玛扎塔格等断裂,巴楚隆起北缘NW向展布卡拉沙依断裂和吐木休克断裂南段也发生了一定规模的活动。NE向断裂主要分布在巴楚东部地区,表现为一系列由北西向南东逆冲的铲式逆冲断层,这些断层向深部收敛为一条在中寒武统盐岩层中滑脱的低角度断裂。

图5 塔里木盆地巴楚隆起西段BC04-L1测线构造演化剖面Fig.5 Tectonic evolution section of line BC04-L1 in western Bachu uplift,Tarim Basin

表1 塔里木盆地巴楚隆起主要关键变革期地层缩短量及缩短率Table 1 Amounts and ratios of shortening of Bachu uplift in different key tectonic changes,Tarim Basin

3.1.2 控制机理

加里东中期断裂活动的主要控制因素有3个方面:(1)区域构造环境的变化和构造转换。由于塔里木南侧古阿尔金洋和古昆仑洋从中奥陶世末开始逐渐俯冲闭合,塔里木盆地在中、晚奥陶世,主要受自北向南挤压应力的影响[20-22],伴随着和田古隆起的形成,在和田古隆起北坡的巴楚南缘地区形成了一系列NW向展布的逆冲断层,玛东断裂作为阿尔金山前逆冲断裂体系的反冲断裂系,形成演化明显受阿尔金洋俯冲闭合的控制[6];(2)先存断裂带的控制。受先存基底断裂的控制,沿先存断裂带发生构造复活;(3)中寒武统膏盐岩层的发育和分布。中寒武统膏盐岩对加里东中期断裂活动起着重要控制作用,玛东地区及相邻的玉北地区加里东中期活动的断裂均在这套膏盐岩层中发生滑脱,同时发育盐相关构造和断层相关褶皱。

图6 塔里木盆地巴楚隆起东段BC07-272.6SN测线构造演化剖面Fig.6 Tectonic evolution section of line BC07-272.6SN in eastern Bachu uplift,Tarim Basin

3.2 海西早期

3.2.1 断裂活动特征

海西早期,塔里木盆地南缘的阿尔金地块、中昆仑地块相继与塔里木板块发生碰撞,塔里木板块南部处于碰撞后陆内挤压环境。巴楚地区海西早期断裂发育分布特征与加里东中期差不多,断裂活动仍然局限于巴楚南缘地区,唯一不同的是玛东断裂在海西早期几乎没有活动,仅仅发生过小规模的调整和改造。

3.2.2 控制机理

海西早期断裂活动的主要控制因素有2个方面:(1)区域性挤压背景。塔里木盆地南缘的阿尔金地块、中昆仑地块相继与塔里木板块发生碰撞,塔里木板块南部处于碰撞后陆内挤压环境[20-22],和田古隆起持续隆升,和田古隆起北坡的巴楚地区处于强烈挤压环境中,断裂活动以逆冲推覆为主;(2)先存断裂控制的断裂继承性发育。这一时期巴楚地区发育的断裂几乎都是加里东中期断裂的继承和弱调整。

3.3 海西晚期

3.3.1 断裂活动特征

海西晚期,塔里木板块南、北缘均处于挤压环境,受此影响,巴楚隆起雏形逐渐形成,巴楚南缘加里东中期—海西早期活动的断裂发生复活,同时在这些断裂带内新生了一些次级断裂,导致断裂带活动明显复杂化。如色力布亚断裂上盘形成了同岗断层等一系列次断层,玛扎塔格断裂带内北东倾向断层开始活动,与南西倾的断层一起在断裂带内形成背冲断块。此外,海米罗斯断裂南侧的沙垅断裂开始活动。

3.3.2 控制机理

海西晚期断裂活动的主要控制因素有2个方面:(1)区域构造变动和构造转换。海西晚期,塔里木盆地大地构造背景发生了重要变化,受南天山洋持续俯冲消减并在中二叠世末闭合和古特提斯洋向中昆仑地块下的俯冲消减的影响[21-22],巴楚隆起成为了塔西南前陆系统的前缘隆起,隆起南缘断裂活动较强,而隆起北缘以褶皱变形为主,断裂不发育;(2)先存断裂控制的断裂继承性发育和改造。这一期的断裂活动仍然是对从加里东中期开始发育的逆冲断裂的继承和改造,受控于先存断裂,在断裂带内也形成了一些次级断裂,并对先存断裂产生了改造作用。

3.4 喜马拉雅早期

3.4.1 断裂活动特征

喜马拉雅早期运动发生在古近纪末,受区域挤压应力的作用,巴楚隆起南缘断裂继承性活动,并且活动强度比海西晚期明显增强,造成麦盖提斜坡和巴楚隆起彻底分离,进入不同的构造演化模式。巴楚隆起北缘的吐木休克断裂开始全面活动,但是不同位置构造变形强度差异较大,自东向西变形强度逐渐增大。由于隆起两侧断裂的强烈活动造成巴楚隆起上发生强烈的褶皱隆升和剥蚀,古近系大面积缺失。

3.4.2 控制机理

喜马拉雅早期断裂活动的控制要素有以下2个方面:(1)区域性挤压背景。古近纪末,受印度板块与欧亚板块强烈碰撞的远程效应的影响,巴楚隆起处于强烈的挤压环境中[21-22],隆起南侧断裂发生复活,隆起北侧断裂也开始活动;(2)先存断裂控制的断裂继承性发育。喜马拉雅早期活动的断裂中,位于巴楚隆起南缘的断裂是海西晚期逆冲断裂的继承,只是随着挤压应力的增强,在活动强度上要比海西晚期强一些。

3.5 喜马拉雅中期

3.5.1 断裂活动特征

喜马拉雅中期运动发生在中新世末,伴随着挤压应力逐渐增强,巴楚地区发生了寒武纪以来最强的一次断裂活动,巴楚隆起内部及周缘断裂几乎都发生了强烈的活动:隆起西北侧的柯坪塔格断裂向盆地内发生强烈的逆冲推覆;巴楚南北两侧的色力布亚、海米罗斯、乔肖尔盖、玛扎塔格、吐木休克等断裂发生强烈的逆冲—走滑运动,在剖面上表现为花状构造、半花状构造或高陡断裂带;隆起西北部的巴楚、小海子、别列塔格、勒牙依里塔格、瓦基里塔格、阿恰等断裂开始活动,并发生强烈的逆冲作用。喜马拉雅中期断裂的强烈活动造成巴楚隆起和南侧的麦盖提斜坡、北侧的阿瓦提凹陷中新统厚度差异巨大。

3.5.2 控制机理

喜马拉雅中期断裂活动的主要控制因素有2个方面:(1)区域大地构造背景。中新世末,印度板块与欧亚板块强烈碰撞对塔里木盆地的影响更加明显,西昆仑以及南天山造山带发生强烈隆升,并向塔里木盆地内逆冲推覆[21-22],同时伴随着柯坪逆冲推覆作用力的传递,巴楚隆起处于区域挤压—走滑应力控制下[10-11],隆起两侧和内部断裂全面发育;(2)中寒武统膏盐岩层的发育和分布。中寒武统膏盐岩层对喜马拉雅中期断裂活动起到了一定的控制作用,阿恰、古董山断裂带均发育在这套膏盐岩中滑脱的逆冲断层,断层规模大,向南逆冲推覆,上盘地层发生明显的褶皱并被强烈剥蚀。

3.6 喜马拉雅晚期

3.6.1 断裂活动特征

喜马拉雅晚期运动发生在上新世—全新世,该时期巴楚隆起南缘加里东期以来发育的基底卷入型逆冲断层几乎都不再活动,在巴楚隆起南缘只发育由南西向北东逆冲并且在古近系膏盐岩层中滑脱的逆冲断层,主要分布在色力布亚断裂带南段、海米罗斯断裂带和玛扎塔格断裂带。喜马拉雅晚期活动的断裂主要集中在巴楚隆起西北部和北缘,活动强度大:隆起东北部的巴楚、小海子、别列塔格、勒牙依里塔格、瓦基里塔格等断裂活动强度大,均断穿至地表,现今仍在活动;北缘的阿恰断裂带和吐木休克断裂带继承性活动,但是活动强度明显变小。

3.6.2 控制机理

喜马拉雅晚期断裂活动的主要控制因素有3个方面:(1)区域大地构造背景。上新世—全新世,巴楚及其邻区仍处于南北向挤压兼走滑应力场中[1-2],但构造活动性明显变弱,巴楚隆起南缘断裂几乎不活动,北缘断裂继承性活动,但是强度明显降低;(2)古近系膏盐岩层的发育和分布。古近系膏盐岩层对喜马拉雅晚期断裂活动具有重要的控制作用,该时期巴楚隆起南缘发育的断裂均在这套膏盐岩中滑脱;(3)断裂迁移。巴楚隆起南缘从加里东中期开始活动的色力布亚、海米罗斯、玛扎塔格断裂等断裂不再活动,断裂活动表现出由南往北迁移的特征。

图7 塔里木盆地巴楚隆起主要关键变革期断裂系统Fig.7 Fault system of Bachu uplift in different key tectonic changes,Tarim Basin

4 结论

(1)巴楚隆起断裂发育,断裂分布广泛,演化历史长,断裂活动具有分期性。在多期构造运动中,断裂通过新生、继承、叠加和改造,演变成现今的断裂发育和分布格局。控制巴楚隆起断裂形成和演化的主要关键变革期为加里东中期、海西早期、海西晚期、喜马拉雅早期、喜马拉雅中期和喜马拉雅晚期(图7)。

(2)巴楚隆起不同时期断裂活动及分布差异性明显:①加里东中期、海西早期、海西晚期的断裂活动局限于巴楚隆起南缘地区,随着次级断裂的不断形成,断裂活动明显复杂化;②喜马拉雅早期,断裂活动逐渐扩展到整个隆起,并且活动强度逐渐增大;③喜马拉雅中期,巴楚隆起两侧和内部的断裂几乎都发生了强烈的逆冲—走滑作用,造成巴楚隆起和两侧构造单元的中新统厚度差异巨大;④喜马拉雅晚期,断裂活动明显变弱,南缘断裂几乎不活动,北缘断裂继承性活动,但是强度明显降低。

(3)巴楚隆起断裂活动主要受区域大地构造背景、先存基底断裂、区域滑脱层等因素的控制。区域大地构造环境与塔里木盆地周缘洋盆和造山带的演化密切相关,洋盆闭合、板块碰撞和造山带隆升产生的挤压应力是断裂形成的动力来源。先存基底断裂控制后期断裂的发育位置和展布方向;区域性滑脱层控制断裂的发育和分布层位。

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(编辑 黄 娟)

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