塔里木盆地顺托果勒地区早中志留世震积岩——高分辨构造事件的记录

余卓颖, 何碧竹*, 乔秀夫, 焦存礼, 曹自成, 王 珍,陈威威, 刘士林, 邱华标, 岳信东

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037; 2)中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083; 3)中国石化西北油田分公司研究院, 新疆乌鲁木齐 830011; 4)中国石油大学, 北京 102249



塔里木盆地顺托果勒地区早中志留世震积岩
——高分辨构造事件的记录

余卓颖1), 何碧竹1)*, 乔秀夫1), 焦存礼2), 曹自成3), 王 珍4),陈威威1), 刘士林2), 邱华标3), 岳信东3)

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037; 2)中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083; 3)中国石化西北油田分公司研究院, 新疆乌鲁木齐 830011; 4)中国石油大学, 北京 102249

摘 要:在塔里木盆地塔中隆起与满加尔坳陷结合部——顺托果勒地区的深钻井岩心中, 发现了大量早中志留世软沉积变形构造。其中主要包括液化砂岩脉、液化角砾岩、触变底劈构造、触变楔、负载构造、球-枕构造和复合混插构造等。通过系统地观察软沉积变形构造的岩石组成、构造形貌及样式、垂向分布的循环性、横向分布的延展性、沉积环境及与古活动断裂的关系, 确定其为震积岩。结合该区断裂早中志留世的发育特征, 推测发震断裂主要可能是塔中隆起与满加尔坳陷结合部的北东向走滑逆冲断裂以及北西向剪切拉张断裂。在早志留世柯坪塔格组沉积时约4 Ma中最少发生了26次古地震事件(震级M>5)。这些古地震记录不仅反映了研究区志留纪构造的活动性, 也是弥补主构造运动中高频次构造事件脉动性、循环性的重要证据, 为重建中古生代的古构造提供新的线索。

关键词:软沉积变形构造; 震积岩; 高分辨构造事件; 早中志留世; 顺托果勒地区; 塔里木盆地

本文由中石化西北分公司科研项目(编号: KY2013-S-024)、中国地质调查局项目(编号: 12120115002001; 12120115026901)、国土资源部行业基金项目(编号: 201011034)和国家自然科学创新团队基金(编号: 40921001)联合资助。

软沉积变形构造是沉积物沉积时或沉积之后、未完全固结之前而发生变形的构造。引起软沉积物变形的地质营力很多, 由地震活动触发的软沉积物变形构造称为震积岩。它们通常发育在被动大陆边缘、活动大陆边缘、俯冲深部带和走滑构造转换带中, 发育在浅海相、湖相、河流相沉积环境中(Maltman, 1984, 1994; 乔秀夫等, 1994; Van Loon, 2009; Owen and Moretti, 2011)。液化、触变、水塑性、重力驱动、脆性变形等是软沉积物变形的主要驱动力(Montenat et al., 2007; 乔秀夫等, 2006, 2013; Owen et al., 2011; He and Qiao, 2015)。地震诱发软沉积变形构造——震积岩的判别标准如下(Seilacher, 1969, 1984; 乔秀夫等, 1994, 2013; Obermeier, 1996; Montenat al., 2007; Moretti and Sabato, 2007; Berra and Felletti, 2011; He and Qiao, 2015): 1)变形构造侧向有连续性, 垂向具有重复性(地震幕的反映), 由未变形沉积层分隔, 在时间、空间上可由沉积地层约束; 2)变形层可以是冲积扇-河流相、湖相、海相等的各种沉积物; 3)变形层与未变形层显示出相似的岩石学及沉积相特征; 4)变形与地震成因的源驱动相关; 5)变形在区域上呈带状分布, 变形的频率、大小、强度具有向震中地区或同时期发震断裂增加的特征。震积岩的研究对确定不同时间古地震事件序列、发震断裂的活动性, 了解古地震事件相关的古构造背景及构造形成动力学有重要意义。

通过岩心识别软沉积物变形构造及开展钻井岩心中震积岩的研究, 得到越来越多的地质家的关注, 并进一步分析断裂的古地震历史(邵晓岩等, 2009; 何碧竹等, 2010; 乔秀夫等, 2011; Ezquerro et al., 2015)。他们在不同类型盆地深井岩心中识别并发现了大量的、多种类型的软沉积变形构造。这些变形构造多为小尺度构造, 大小由几米至几毫米,具有独特的变形特征, 与周围沉积岩形貌截然不同,极不协调。它们保留在陆棚、滨岸、潮坪、湖相等沉积环境的地层中, 与其邻近的古断裂的活动性具有良好的响应, 被认为地震诱发的形成的古地震记录。而以往它们被误认为虫迹、泥裂、风暴沉积等(多为完井报告描述)沉积扰动构造。在塔里木盆地岩心中识别出了与野外露头剖面中大尺度的、相同成因的软沉积变形构造, 主要包括液化砂岩脉、液化角砾岩、碟状构造、混滑层、球-枕构造、软沉积布丁、同沉积微断裂等, 软沉积变形构造的变形原因与地震活动强度、古地震活动断裂相关(何碧竹等, 2010;乔秀夫等, 2011; He et al., 2014)。

本文主要是通过对在塔里木盆地顺托果勒地区重点区域探井SH9井志留系岩芯系统观察, 识别出触变底辟、触变楔及复合型混插构造等新的软沉积变形构造类型; 分析、明确了其形成的诱发因素主要为高频次的古地震活动; 并将塔中隆起、顺托果勒地区、满加尔坳陷志留系沉积时期的古地震事件进行对比, 填补了该区下志留统柯坪塔格组沉积时的古地震证据; 分析了可能的发震断裂, 提出震积岩-古地震的记录, 可作为主构造运动过程中高频次构造事件的响应和记录。

1 地质背景

塔里木盆地是前震旦基底上发育起来的中国陆上面积最大的含油气盆地(贾承造等, 2004; 何登发等, 2005; 邬光辉等, 2010; Xu et al., 2013)。它发育了从海相、海陆交互相到陆相的完整海侵-海退沉积旋回, 经历了包括震旦纪—中泥盆世、晚泥盆世—三叠纪和侏罗纪—第四纪三个伸展-聚敛旋回演化阶段(何登发等, 2005)。经历了加里东中期、加里东晚期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等6个二级演化阶段(汤良杰和贾承造, 2007; 何碧竹等, 2015)。

研究区顺托果勒地区位于塔里木盆地塔中隆起与满加尔坳陷的结合部位(图1)。塔中隆起位于塔里木盆地中央隆起带中部, 面积为2.75×104km2,西以吐木休克断裂东南段与巴楚断隆相接, 东接古城墟隆起, 南以逆冲断裂带与塘古兹巴斯坳陷相接,北以斜坡与满加尔坳陷相连。满加尔坳陷位于塔里木盆地北部坳陷区的东部, 面积约为4.9×104km2,西部是阿瓦提坳陷, 南部为古城墟隆起, 东部为孔雀河斜坡。由于顺托果勒地区所处的构造位置, 确定了其是塔里木盆地古生代地层保存较多、较完整的地区之一。

顺托果勒地区寒武纪—奥陶纪位于塔里木盆地东部的克拉通坳陷内, 处于海相盆地—陆棚—台地沉积环境中(陈景山等, 1999; 顾家裕等, 2005; 樊太亮等, 2007; 何碧竹等, 2009)。早、中奥陶世处于稳定的克拉通沉积环境, 为塔中碳酸盐台地的东部;晚奥陶世早、中期塔中隆起与周围形成了孤立台地—台地边缘—斜坡体系, 顺托果勒地区为塔中隆起与满加尔坳陷的结合部, 为陆棚沉积环境, 发育了灰色、深灰色厚层泥岩和灰质泥岩混积陆棚相。奥陶纪中晚期, 受南阿尔金洋及西昆仑洋的洋壳俯冲、消减、闭合作用, 在盆地南缘西昆仑北地体以及东南部的中南阿尔金地体发生了碰撞造山作用(Matte et al., 1996; Zhang et al., 2005; 许志琴等, 2011), 盆地南部为周缘前陆盆地。奥陶纪末, 在盆地北部南部广大地区形成了志留系与奥陶系角度不整合, 构造变形在满加尔凹陷的中北部不明显。在顺托果勒地区形成志留系与奥陶系同构造渐进角度不整合, 即不整合面下为遭受剥蚀的上奥陶统低角度北北东倾单斜, 不整合面上为下志留统超覆沉积,反映了该区在晚奥陶世至早志留世, 经历了南部加速隆升、被剥蚀及未沉积, 之后减速隆升至再沉降的过程(何碧竹等, 2013)。

早志留世盆地开始再次沉降, 但总体水体较晚奥陶世明显变浅(贾承造等, 2004; 何登发等, 2005)。以陆棚、滨岸、潮坪沉积为主, 沉积相带总体表现为南北向分带、东西向展布的格局; 晚志留世—泥盆纪总体为滨岸-潮坪环境(贾进华等, 2006)。

顺托果勒地区志留系发育较为完整(图2), 志留系—中泥盆统自下而上分为下志留统柯坪塔格组((O3-S1)k)、塔塔埃尔塔格组(S1t)、依木干他乌组(S2y)、上志留—中下泥盆统克兹尔塔格组((S3-D2)k),最大厚度可达1 700 m, 与下伏上奥陶统深灰色、黑灰色泥岩及上覆上泥盆统+石炭系浅灰色砂砾岩或浅灰色砂岩不整合接触。由于晚奥陶世末塔里木盆地东南部抬升, 该区成为塔中隆起—满加尔坳陷之间的斜坡过渡区, 早志留世由北向南的逐层超覆,使得该区柯坪塔格组下部向南、南西缺失较多(何碧竹等, 2015)。SH9井钻遇志留系—泥盆系厚约990 m,未钻穿志留系柯坪组下部。从老到新包括下志留统柯坪塔格组(S1k)、塔塔尔塔格组(S1t)、中志留统依木干他乌组(S2y)、上志留统—中下泥盆统克孜尔塔格组。SH9井柯坪塔格组(S1k), 厚约460 m(未钻穿志留系), 存在三个由细到粗的反旋回; 第一旋回主要由厚层深灰色泥岩至浅灰色、灰色细砂岩构成,多发育水平层理及低角度斜层理; 第二旋回为厚层灰色泥岩夹粉砂岩向上变为灰色中砂岩、浅灰色粉砂岩, 发育水平层理、低角度斜层理及小型槽状交错层理; 第三旋回为中-薄层棕褐色泥岩向上变为褐灰色细砂岩, 发育大量斜层理、槽状交错层理。塔塔尔塔格组(S1t), 厚324 m, 仍然为下细上粗的反旋回, 存在两套组合; 下部为厚层棕褐色泥岩夹褐灰色粉砂质泥岩, 向上变为厚层浅棕色泥质砂岩夹棕色粉砂质泥岩; 上部为中-薄层棕色泥岩至浅棕色泥质粉砂岩。依木干他乌组(S2y), 厚133 m, 主要由厚层棕红色泥岩夹中-薄层灰白色粉砂岩、浅棕色砂岩组成。克孜尔塔格组, 厚度为72.5 m, 由厚层棕色、浅棕色砂岩夹薄层棕色泥岩组成, 与上覆下石炭统灰色泥岩、灰色砂岩呈不整合接触, 缺失上泥盆统东河塘组地层(图2)。从早志留世至及晚志留世, 主要为陆棚—滨岸—潮坪沉积(图2)。

图1　塔里木盆地构造单元及研究井位分布图(据He et al., 2014修改)Fig. 1 Sketch map of structural units and locations of studied wells in Tarim Basin (modified after He et al., 2014)

2 志留系软沉积变形构造的特征

在顺托果勒地区SH9井志留系的岩心中, 识别出了大量、多层的软沉积的变形构造, 主要有液化砂岩脉、液化角砾岩、触变底劈、触变楔、负载和球-枕构造、复合型混插构造等。这些变形层均有岩性、岩相相近的单层、或多层未变形层所夹持或分隔。

2.1液化角砾岩和液化砂岩脉

液化砂岩脉是软沉积沙层未固结前, 受振动而发生液化流动, 向周围软沉积物垂向或者侧向侵位,而形成板状体。液化角砾岩是沙液化流动穿刺相邻泥质层或其他软沉积层使之角砾化(Guiraud and Plaziat, 1993; 乔秀夫等, 2006, 2013), 其本质是由于液化沙侵位泥质层被分割, 而形成了形态各异的“砾石”。通常液化角砾岩与液化砂岩脉共生。液化强度越大则分割的砾石形态越相似, 磨圆度越好。SH9井中可识别较多的液化角砾岩层(图3), 如图3a原始灰黑色泥层及纹层至少有4层, 其中第①层与第④层较厚层泥, 第②、③层为纹层泥。上部④层与下部①层保留液化流动穿刺的特征, 中间部分角砾已经被砂层侵位分割成细条带状。砾石棱角明显, 分选差, 无磨圆; 最大砾径可达4 cm, 长轴定向排列, 显示顺层液化。图3d为灰色含砾粉沙层液化侵位灰绿色泥质层, 沙层垂向侵位流动明显, 造成泥质层被分割和撕裂, 形成条带状、板状液化角砾岩。同时, 保留了垂直的液化砂岩脉。

还可见到多套液化砂岩脉。图3e中下部的浅灰色液化含砾(褐色)沙脉向上侵入深灰色泥层, 携带细砾-粗砂向上继续侵位, 形成了板状的脉体。脉体由细砾和砂、粉砂构成, 砾石直径为0.1～0.2 cm。脉体切穿围岩时, 围岩随脉弯曲发生流动, 有拖曳的趋势。伴随着小型逆断层发育, 形成了液化砂砾岩脉与逆冲断层复合的软沉积变形构造。

2.2触变底劈与触变楔

图2　顺托果勒地区SH9井地层综合柱状图Fig. 2 Stratigraphic column of well SH9 in Shuntuoguole area, Tarim Basin

当细粒软沉积物(淤泥、黏土软硅质层、碳酸盐泥粒径<0.005 mm)时, 受地震剪切应力作用, 导致细粒-黏土质软沉积物强度衰减, 发生复杂的流变现象为触变(张虎臣, 1989; Tian et al., 2016)。触变底劈是泥触变流动向上挤入细沙层或粉砂层形成的变形构造(乔秀夫和李海滨, 2009; He and Qiao, 2015),可形成如火焰状的泥质构造。SH9井志留系柯坪塔格组触变底劈构造(图4)是深灰色泥质层向上触变流动、向上挤入浅灰色灰泥质粉沙层中, 部分刺穿上覆浅灰色粉沙层, 向上挤入成脉状, 最终由于能量不足难以刺穿更上部的沉积层而终止, 形成触变底劈构造(图4a)。向上触变流动的过程中还存在水平、侧向的触变流动, 形成水平、垂直、斜向的触变脉, 形似摇曳的火焰(图4b)。变形构造的上下部明显可见水平层状、未变形的、深灰色灰质泥岩层与浅灰色粉砂岩层互层, 表明其在未固结前未受到构造作用而发生变形。

图3　液化角砾岩与液化砂岩脉, SH9井, 下志留统柯坪塔格组, 顺托果勒地区Fig. 3 Liquefied sand veins and liquefied breccias, well SH 9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

触变楔常发育在较细的沉积物中, 在震动条件下形成了向下的触变流动变形构造, 具有较窄的楔形及重复出现的特征(Montenat et al., 2007; 乔秀夫等, 2013)。图5显示了顺9井下志留统柯坪塔格组深灰色灰质泥岩层与灰质粉砂岩层互层中保留的触变流动构造。薄-纹层深灰色泥向下触变流动, 楔入薄层浅灰色沙层中, 形成的楔状体。在楔状体中可见近水平的细条状粉砂层角砾, 并未完全被“触变”,保留了原始的水平纹层特征。图5b上部可见未变形的、水平纹层状粉沙层和泥层互层; 而下部变形层中, 泥触变引起围岩变形, 形成楔状体。其形成过程如下: (1)地震前, 泥、沙(或粉沙)互层的沉积层在自身重力和静岩压力下保持稳定; (2)地震发生时,软的泥质层受到震动作用, 发生塑性流动, 泥向下侵入沙(或粉沙)层, 未固结的粉沙层被上覆泥层楔入, 沉陷的泥层形成上宽下窄的楔状体; 泥在下陷流动的过程中, 还向侧向触变侵位, 形成不规则的、齿状的楔状体边缘; 泥层顶部下拉成凹形; (3)地震后, 震动作用消失, 变形层被上覆新沉积岩层覆盖, 充填了下凹部分, 泥质层和粉沙层在自身重力和静岩压力下保持平衡。

2.3负载构造

负载构造是具有反密度梯度的沉积层, 在重力作用及地震震动作用叠加驱动下, 高密度沉积物垂直下沉、陷落形成的构造。负载脱离母岩层完全陷落于下伏软沉积层内形成球-枕构造。有关负载构造地震触发成因机制讨论已相当成熟(Owen, 1996; Moretti et al., 2002; 乔秀夫和李海兵, 2008)。地震诱发的负载构造多为宽高比大于1的构造, Moretti和Sabato(2007)提出负载宽度小于0.01 m有可能由单纯超负荷形成。

SH9井中发育了多个的小尺度负载构造层(图6d), 在反密度沉积层中, 未固结岩层由于地震应力的触动, 高密度沙向低密度泥中流入, 受到横向切应力作用形成了负载变形构造, 或不对称负载构造(图6)。其负载宽度大多小于0.01 m, 浅灰色的沙层由于强烈振动摇晃、加之自身重力作用下沉入下伏深灰色泥层中; 在下沉过程中, 负载体脱离母岩层,形成球体, 岩心中可见多层的砂质球状体, 直径约0.5～0.8 cm, 形成球-枕变形层位于负载下方。由于同时存在球-枕构造及液化砂岩脉, 应是在强地震剪切应力作用下诱发的软沉积物液化变形。因此, 尽管负载构造宽度虽然小于0.01 m, 但伴随有球-枕构造及液化脉的小型负载构造也可能与地震振动有关。

2.4复合混插构造

混插构造由Rossetti等(2011)年提出, 指上下叠置的两种不同沉积单元的沙, 沿两者界面附近垂向与侧向相互液化侵位。两组沉积单元的沙岩性相近,相互穿插侵位, 形成的变形主要在两个软沉积单元的接触部位, 具有周期性的凹槽、凸起、砂球-椭球体、不规则波状块体等形态(He and Qiao, 2015)。图7a中部(黑色箭头处)浅灰色粉沙及灰绿色粉沙相互液化侵位, 形成浅灰色粉沙负载及浅灰色粉沙液化脉; 图7b中部灰绿色粉沙与浅灰色粉沙沿界面处混插, 形成浅灰色沙向下的负载及浅灰绿色沙向上的液化挤入。同时还出现多个小型的液化沙脉, 两种以上的不同粒度的软沉积物相互穿插侵位, 并叠加了液化脉变形构造, 笔者建议称其为“复合混插构造”。

3 志留纪软沉积变形构造对比及其形成动力学

3.1软沉积变形构造的垂向序列及横向对比

图4　触变底辟, SH9井, 下志留统柯坪塔格组,顺托果勒地区Fig. 4 Thixotropic diapir, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

图5　触变楔, SH9井, 下志留统柯坪塔格组, 顺托果勒地区Fig. 5 Thixotropic wedge, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

图6　负载及球-枕构造, SH9井, 下志留统柯坪塔格组, 顺托果勒地区Fig. 6 Load cast and ball-pillow structures, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

在塔中隆起及满加尔坳陷结合部的Z12井、SH2井、SH9及SH8井志留系岩心中都发现了密集的软沉积变形构造层(图8), 表明软沉积变形构造垂向有循环及重复性、侧向有延展性, 且与断层活动相关, 应是地震诱发的软沉积变形构造。塔中Ⅰ号断裂带西北端上盘的SH2井在中志留统依木干他乌组发现18个软沉积变形构造层; 顺托果勒低隆起中部的SH9井在下—中志留统软沉积变形构造更为发育, 在塔塔埃尔塔格组与柯坪塔格组发现软沉积变形层有28个。顺托果勒低隆起的SH8井软沉积变形构造较少, 在柯坪塔格组出现9个软沉积变形层。塔中隆起带上西中部的Z12井在依木干他乌组可识别了9个软沉积变形层(乔秀夫等, 2011; He et al., 2014)。这些软沉积变形构造符合震积岩的判别标准, 夹持在未变形层之间, 横向可对比, 垂向具有多期旋回, 且在不同部位、不同沉积时期软沉积变形构造的出现具有差异性, 推测可能为古地震记录——震积岩。

图7　复合混插构造, SH9井, 下志留统柯坪塔格组, 顺托果勒地区Fig. 7 Complex plunged sediment mixtures, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

从识别出的软沉积变形构造横向、垂向分布看,在塔中隆起上早志留世柯坪塔格组的变形强度较小、频次较少; 而顺托果勒地区早—中志留世塔塔埃尔塔格组沉积时, 存在多期软沉积变形构造, 因此, 在早志留柯坪塔格组沉积时可能发生了高频次的古地震事件。即志留纪, 从早到晚, 塔中隆起北部及满加尔坳陷的结合部的古地震活动强度由南向北、由西向东具有向上逐渐增强、增多的趋势。

3.2发震断裂推测

古地震记录与古地震活动断裂密切相关。刘颖和谢君裴(1984)整理了中国1955年以前近900年间历次地震喷水冒沙资料, 发现随着地震震级的加大发生液化的范围越大, 震级为6时, 液化范围距离震中为50 km; 7级地震液化范围达100 km, 8级地震时液化范围可达200 km; 震级MS<5则未发现有喷水冒沙现象。Obermeier(1998)分析了浅源地震(<50 km)矩震级与地表液化作用的最大范围关系;当矩震级M>7时, 研究区与世界上的液化识别范围分别为40～50 km及100 km。矩震级为8时, 液化作用范围可分别达到200 km及300 km。矩震级M 6.5～7时, 潜在的液化作用半径 30～40 km; 矩震级M≤5时, 未见液化证据。可见地震导致的液化作用范围可以帮助推测同时期活动的古地震断裂。

塔中隆起及顺托果勒地区发育早古生代的主要断裂带, 不仅有断距较大的(几百～2 000 m)、延伸较长的(80～260 km)断裂, 如塔中I号、塔中II号、塔中Ⅲ号、玛东—塘北断裂带及部分北东向断裂带等; 还包括断距较小(～20～几百km)、延伸较短(5～ 20 km)的北东向、北西向断裂系。断层主要以逆冲断裂为主(图9), 断裂走向具多样性, 存在NW、NE、近南北向及近东西向多组断裂(图10)。塔中Ⅰ号断裂带是距研究区最近且规模最大的断裂, 其最大断距可达2 000 m, 延伸长度260 km, 是满加尔坳陷与塔中隆起之间的分界断裂(李曰俊等, 2008), 在早、中奥陶世为同沉积伸展断裂, 倾向北东; 晚奥陶世早期为该断裂剧烈活动的时期, 仍为同沉积伸展断裂; 在奥陶纪末反转为逆冲断层(何碧竹等, 2010), 倾向南西; 塔中I号断裂西段大部分在志留系沉积前停止活动, 其次级反向断裂活动则在志留系活动为主, 极少部分可活动至二叠纪早期。塔中I号断裂被北东向断层切割分段。SH9井距塔中I号断裂最近距离约为60 km(图10)。

图9　塔中隆起及顺托果勒地区二维地震地质解释剖面(A-A’, B-B’)Fig. 9 2D seismic interpretation profiles of the Tazhong uplift and Shuntuoguole area (A-A’, B-B’)

图10　塔中隆起及邻区志留系断裂分布图(据中石化西北分公司, 2015修改)Fig. 10 The fault systems of the Silurian strata of Tazhong uplift and its adjacent areas (modified after Northwest Oilfield Company of SINOPEC, 2015)

在顺托果勒低隆起还发育了NNW、NW、NNE、NE四组断裂体系(图9B, 10)。这些断裂不同于塔中I号、II号等逆冲断裂, 具有高倾角、小断距、延伸短、走滑逆冲或剪切拉张的特征。剖面上主要有“人”字形、“Y”字形、树枝状断裂样式。从其控制地层发育厚度及分布的特点, 表明这些断裂多活动于志留系—中下泥盆统沉积时期。其中北东向逆冲走滑断裂垂向断距较大、延伸距离长, 为主要断裂; 北西向剪切拉张断裂呈雁行排列, 沿北东向主逆冲断裂展布, 反映了北东—南西向的拉伸, 可能为北东向逆冲断裂的伴生断裂; 此两组断裂反映了该时期顺托果勒地区构造应力特征及活动断裂控制范围。SH9井距北东、北西向断裂系的距离分别为11 km和8 km。

SH9井识别的软沉积变形构造, 主要分布在加里东中期II幕不整合面(S/O3)之上的志留系柯坪塔格组, 该时期主要活动断裂为顺托果勒地区的北东向走滑逆冲断裂、北西向剪切拉张断裂, 以及塔中I号断裂的次级反向逆冲断裂。根据统计的地震震级诱发液化作用的范围(刘颖和谢君裴, 1984; Obermeier, 1998), 要使得该区发生高频次的液化变形, 活动的古地震断裂北东向走滑逆冲及北西向剪切拉张断裂古地震震级须>5级, 塔中I号断裂古地震震级须7级, 塔中II号断裂古地震震级须8级。在早志留世柯坪塔格组沉积的约4 Ma中最少记录了26次古地震事件的发生, 且存在挤压作用与液化作用共同存在的软沉积变形构造(图3e)。因此,推测该区形成古地震记录的发震断裂以北东向走滑逆冲断裂+北西向剪切拉张断裂为主, 以塔中I号断裂次级反向逆冲断裂为辅。

3.3古地震活动形成环境

中晚奥陶世, 南阿尔金洋、西昆仑洋发生了洋壳俯冲、消减、闭合的过程, 在塔里木盆地南部与西昆仑北地体以及东南部的中南阿尔金地体, 分别于474～449 Ma(Matte et al., 1996; 许志琴等, 2011) 及468～440 Ma(Zhang et al., 2005)发生了碰撞造山作用。随着古昆仑洋盆继续消减, 在晚志留世西昆仑地体与塔里木板块发生碰撞(Liu et al., 2013), 形成晚志留世碰撞造山带和周缘前陆盆地, 叶城—和田地区为其前缘隆起。志留纪末—中泥盆世的北阿尔金洋闭合, 阿尔金岛弧完全与塔里木板块拼合,形成碰撞造山带(许志琴等, 2011; 张建新等, 2011)。深部结构也揭示了塔里木岩石圈与青藏高原西北缘岩石圈相碰撞的证据(高锐等, 2001; 管烨等, 2001;李秋生等, 2002)。

中晚奥陶世夹持在西昆仑洋、南天山洋之间的塔里木地块, 主要受西昆仑及阿尔金造山带构造作用的影响, 发生的构造变形在盆地南部大部分区域地层呈北倾, 形成了盆地南部广泛分布的北倾低角度单斜; 在盆地中南部的和田和塔中地区部分形成了中奥陶世与晚奥陶世的隆起, 并遭受剥蚀, 塔中隆起形成了加里东中期I幕(上奥陶与中奥陶统)和加里东中期Ⅱ幕(志留系与上奥陶统)不整合; 西昆仑山前的北东向和田古隆起和塘古兹巴斯凹陷中北东向断褶带以及塔中西部低隆起是该时期构造变形最为剧烈的地区(何碧竹等, 2013)。

晚奥陶世, 塔中I号断裂带邻近已发现了大量的上奥陶统古地震记录(何碧竹等, 2010; 乔秀夫等, 2011; He et al., 2014), 证明塔中Ⅰ号断裂晚奥陶世时期应为古地震活动断裂, 区域构造背景下断裂的活动是古地震发生的主要动力。

志留纪, 顺托果勒地区处于塔中隆起至及满加尔坳陷的斜坡部位(图9A), 应是塔里木盆地相对稳定的区域。然而, 其构造活动强度明显强于晚奥陶世, 伴随着该时期北阿尔金洋的闭合, 在满加尔凹陷出现了宽缓的褶皱, 发育北东向走滑逆冲及北西向剪切拉张断裂。这些古地震断裂的活动为顺托果勒地区志留系大量、高频次软沉积变形构造的主要触发诱因。

4 结论

(1)在塔里木盆地塔中隆起与满加尔坳陷结合部——顺托果勒地区重点探井SH9井中, 发现了下志留统多种类型的软沉积变形构造, 不仅存在包括液化砂岩脉、液化角砾岩、复合混插构造等地震诱发的液化变形构造, 还首次发现了地震诱发触变流动形成的触变底辟与触变楔, 以及明确了复合的小型负载、球-枕构造及液化砂岩脉, 也可能是地震震动造成。

(2)通过古地震记录分布对比, 填补了早志留世古地震记录, 使得塔中隆起—满加尔坳陷志留纪震积岩序列更为完整, 古地震断裂活动性得以明确。控制SH9井的古地震事件的发震断裂可能是顺托果勒地区早志留世—晚泥盆世活动的北东向走滑逆冲断裂及北西向剪切拉张断裂。

(3)古地震记录是主构造运动期高分辨构造事件的记录及响应, 主要动力来源为不同时期区域构造作用下的地震断裂活动。古地震活动能够改善储集空间, 古活动断裂可以成为油气运移的通道, 对不同时期油气成藏评价有重要意义, 值得进一步研究。

致谢： 本文在研究中得到中国地质科学院地质研究所许志琴院士、中石化西北油田分公司教授级高级工程师漆立新、黄太柱、云露、吕海涛、李宗杰、余腾孝、王保才以及中国地质科学院地质研究所彭阳研究员等的支持与帮助, 在此表示衷心的感谢。

Acknowledgements:

This study was supported by Northwest Oilfield Company of SINOPEC (No. KY2013-S-024), China Geological Survey (Nos. 12120115002001 and 12120115026901), Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China (No. 201011034), and National Natural Science Foundation of China (No. 40921001).

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Seismites in the Early and Middle Silurian Strata of Shuntuoguole Area in Tarim Basin: Records of High-resolution Tectonic Events

YU Zhuo-ying1), HE Bi-zhu1)*, QIAO Xiu-fu1), JIAO Cun-li2), CAO Zi-cheng3), WANG Zhen4), CHEN Wei-wei1), LIU Shi-lin2), QIU Hua-biao3), YUE Xin-dong3)
1) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Exploration and Production Research Institute of SINOPEC, Beijing 100083; 3) Exploration and Production Research Institute of Northwest Oilfield Company of SINOPEC, Urumqi, Xinjiang 830011; 4) China University of Petroleum, Beijing 102249

Abstract:A lot of soft-sediment deformation structures (SSDS) in deep drilling cores are recognized in the Early and Middle Silurian strata of the Shuntuoguole area which is a conjunction of the Tazhong uplift and the Manjiaer depression in the Tarim Basin. The SSDS include liquefied sand veins, liquefied breccias, thixotropic diapirs, thixotropic wedges, load cast structures, ball - pillow structure deformation structures and complex plunge sediment mixture structures. The lithological composition, the structural morphologies and styles, the sequences of vertical distribution, the extensions of horizontal distributions and the sedimentary envoirment of soft sediment deformation structures are analyzed, and the relationship between the activity of the paleo-faults to the SSDS are discussed. These soft-sediment deformation structures are determined as various seismites. Combined with the faults in the Early and Middle Silurian strata in this area and adjacent areas, the authors hold that the seismogenic faults may be mainly the NE-trending strike-slip thrust faults and the smaller NW-trending extensional faults.There occurred at least 26 times paleo-earthquake events (with magnitude more than 5) during about 4 Ma of the deposition of the Kepingtagh Formation in Early Silurian. These paleo-earthquake records reflect the tectonic activities of Shuntuoguole area and its adjacent areas, complement the evidence of high-resolution tectonic events of the main tectonic movements with the pulsation and circularity, and provide the new clues for reconstruction of paleo-tectonics.

Key words:soft-sediment deformation structures; seismites; high-resolution paleo-earthquake events; Early and Middle Silurian; Shuntuoguole area; Tarim Basin

中图分类号:P511.2; P588.33; P534.43

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.08

收稿日期:2016-01-18; 改回日期: 2016-04-05。责任编辑: 闫立娟。

第一作者简介:余卓颖, 女, 1991年生。硕士研究生。研究方向为盆地构造分析。

*通讯作者:何碧竹, 女, 1965年生。研究员。主要研究方向为盆地构造分析及油气勘探目标评价等。E-mail: hebizhu@vip.sina.com。