西昆仑山前塔里木盆地叶城凹陷中新统震积岩及其地质意义*

2021-01-20陈泉均陆廷清

古地理学报 2021年1期

陈泉均陆廷清李爽马涛

西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500

地震触动饱和—未完全固结的先成沉积物而形成的软沉积物变形构造的岩层称为震积岩，而软沉积物变形构造(soft sediment deformation structure，简称SSDS)指沉积层序顶部未固结沉积物的变形构造(乔秀夫等，2017)。狭义的震积岩指由强地震振动为诱发机制形成的具有同沉积或准同沉积变形构造、地震事件沉积序列的沉积层；广义震积岩还包括了由地震诱发的滑坡、海啸等形成的沉积物变形(杜远生，2011)。震积岩最早由Seilacher在1969年提出，其原文为“seismites”，龚一鸣(1987，1988)将其翻译为“震积岩”。数十年来，国内外许多学者都对震积岩的变形构造及其形成机理进行了研究(Seilacher，1984；Spalletta and Vai，1984；宋天锐，1988；杜远生，2011；田洪水等，2016，2017；杜远生和余文超，2017；山穆玕等，2017；冯增昭等，2017)，建立了一系列的地震事件沉积序列与成因模式(宋天锐，1988；吴贤涛和尹国勋，1992；乔秀夫等，1994，1997；田洪水等，2016)。

新疆塔里木盆地及北缘地区一些层位发现了大量的震积岩，前人对其成因进行了系统研究，认为盆地内部的塔中及附近地区在奥陶系、志留系发育震积岩(魏垂高等，2007；何碧竹等，2010；乔秀夫等，2011；余卓颖等，2016)，盆地北缘的柯坪地区二叠系卡仑达尔组和乌恰地区下侏罗统康苏组中也发育震积岩(乔秀夫等，2008；乔秀夫和郭宪璞，2011；吴海辉等，2017)。除晚更新世湖相沉积物中发育震积岩的报道(Liangetal.，2018)外，在塔里木盆地及周缘山前地区新生代地层中未见震积岩的报道。在塔里木盆地西南缘的西昆仑山前叶城凹陷，笔者对柯51、柯30、柯20、柯2、捷得1、棋北3等6口井的岩心进行观察，首次发现中新统克孜洛依组和安居安组陆相地层中发育许多震积岩，震积岩中的软沉积物变形构造包括液化卷曲变形、液化砂脉、球—枕状构造、负载构造及挤入构造、软泥触变变形和同沉积微断层等，并探讨了震积岩与西昆仑山隆起和构造活动强烈程度的关系。

1 区域地质概况

塔里木盆地是以前震旦系为基底而发育起来的中国最大的含油气盆地(贾承造，2004；何登发等，2005；邬光辉等，2010)，盆地周缘主要有三大造山带，即北部的天山造山带、西南和南部的昆仑山造山带和阿尔金山造山带。塔西南盆地是前陆凹陷盆地，位于塔里木板块西南部，毗邻青藏高原西北部的帕米尔—西昆仑造山带。中新世由于喜马拉雅造山运动，西昆仑山的冲断作用在塔西南盆地内初步形成了喀什凹陷、齐姆根凸起、叶城凹陷的雏形(马华东和杨子江，2003)。叶城凹陷位于西昆仑山山前地带，主要分为3个构造带：棋北—固满构造带、柯克亚构造带和柯东构造带(图 1)。

图 1 西昆仑山前叶城凹陷冲断带断裂分布及地层柱状图(据程晓敢等，2012)Fig.1 Fault distribution and stratigraphic histogram of thrust belt in Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont(after Chen et al.，2012)

研究区域发育5条大的断裂带：棋北—固满—和什塔格断裂以逆冲为主，长约250￣￣km，弧形展布，东段近东西向，西段为北西向。库斯拉甫断裂表现为右行走滑的特征。铁克里克断裂位于塔西南坳陷的东南部，走向为北西向，长度约为360￣￣km，尚未完全切穿新近系，推断其形成时间在中新世中晚期。齐姆根走滑断裂表现为右行走滑，伴随着与断裂活动相关的背斜形成，断裂形成时间在古近纪早期。玉立群—克里阳走滑断裂位于玉力群—克里阳一线，长度达60～70￣￣km，断裂切断中生界、新生界(程晓敢等，2012)。

塔西南盆地新生界发育。古近系主要为海相沉积，新近纪开始，由于印度板块的挤压以及帕米尔高原向北推进，阿赖海峡闭合，塔西南盆地进入陆相沉积阶段，新近纪至今沉积了冲积扇—扇三角洲—湖泊相碎屑岩。塔西南盆地新近系发育，由中新统的克孜洛依组、安居安组和帕卡布拉克组，以及上新统阿图什组构成。

中新统的克孜洛依组主要为褐灰色、浅褐色粉砂岩与褐色细粉砂岩互层，夹薄层泥岩、泥质粉砂岩，厚度为600～1000￣￣m。安居安组岩性为浅褐色泥质粉砂岩、褐色砂岩与棕褐色粉砂岩、细砂岩互层，夹灰褐色砾岩、砂砾岩，厚度为1000～1500￣￣m。帕卡布拉克组为一套浅褐色砂质泥岩、棕褐色细砂岩、泥质粉砂岩，夹灰绿色砂砾岩，厚度为1000～1200￣￣m(图 1)。

研究区6口井于20世纪80—90年代由新疆石油管理局钻探。其中捷得1井钻至安居安组，中新统发育帕卡布拉克组和安居安组，其余5口井都钻至克孜洛依组底部。中新统发育良好。其中捷得1井取心2筒，观察岩心2筒；棋北3井取心2筒，观察岩心2筒；柯2井取心16筒，观察岩心第1—7筒；柯20井取心52筒，观察岩心第40—52筒，柯30井取心7筒，观察岩心7筒，柯51井取心101筒，观察岩心101筒。岩心观察采用肉眼直接观察。

2 软沉积物变形构造的种类、特征与成因

在塔西南盆地的叶城凹陷，从中新统克孜洛依组和安居安组的柯51、柯30、柯20、柯2、捷得1、棋北3等钻井岩心中识别出的软沉积物变形构造有液化砂脉、球枕构造、负载构造、挤入构造、液化卷曲变形、软泥触变变形、液化底劈、软布丁构造及同沉积微断层。

2.1 液化砂脉

在叶城凹陷安居安组发育许多的液化砂脉构造，宽度较小，一般为1～2￣￣cm，上下延展长度可达10￣￣cm。如柯51井安居安组中红灰色砂脉与紫红色泥岩界线清晰，砂脉呈上宽下窄，脉中还裹挟着部分触变泥质沉积物，砂粒粒径为中粒(图 2-a)；柯51井安居安组中的红灰色砂质液化脉横向充填于棕红色泥岩层间，砂粒粒径为中粒(图 2-b)。一般认为，液化砂脉通常是强地震的作用力使未固结的砂沉积物中的孔隙水压力上升，使饱和砂质沉积物液化、流动，在液化泄水过程中穿透、充填于上下沉积物之间及地震裂隙中形成砂质液化脉。在北美，第四系中的液化砂脉是古地震识别的最重要证据之一(Obermeier，1998)。

a—液化砂脉，柯51井，安居安组，3317￣￣m；b—液化砂脉，柯51井，安居安组，3310￣￣m；c—卷曲变形，柯51井，安居安组，3312￣￣m；d—卷曲变形，柯20井，克孜洛依组，3988￣￣m图 2 西昆仑山前叶城凹陷中新统软沉积变形构造(一)Fig.2 Soft sediment deformation structures in the Miocene at Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont(Ⅰ)

2.2 液化卷曲变形

在柯51井安居安组和柯20井克孜洛依组中，发现了砂、泥质层的卷曲变形，灰白色砂岩呈穹顶形，紫红色泥岩薄层呈拱形弯曲(图 2-c，2-d)，这属于典型的液化卷曲变形。这种夹于未变形层之间、由纹层或薄层岩石复杂的褶皱与揉皱构成的变形可以具有多种成因，而最主要成因是地震震动，特别是相邻层位有比较公认的地震成因的液化砂脉。据分析，这种液化卷曲变形是尚未固结的砂层在地震的挤压应力作用下形成的。

2.3 负载构造和挤入构造

笔者识别出的负载构造和挤入构造发育在柯30井3579￣￣m，岩心中负载构造有2层，上层可见一半陷落的负载体和1个孤立构造，下层为火焰构造和负载构造相伴生(图 3-a，3-b)。负载构造为细粒红灰色砂，火焰构造为紫红色泥。本区挤入构造为常见的火焰形，其原沉积物为紫红色泥，上层火焰长约1.5￣￣cm，其下见1个孤立球枕构造以及与变形砂层相连的负载体；下层为尺度较小的负载构造和火焰构造，火焰高度约为2～3￣￣mm。上层的砂质负载构造为红灰色砂岩(图 3-a，3-b)，其原沉积物为紫红色泥。负载构造是由于不同软沉积层存在着上大下小的粒度与密度差，在地震振动作用下形成了一个不稳定的重力系统，密度较大的粗颗粒沉积物下沉陷落形成的变形构造(Morrettietal.，2001；Moretti and Sabato，2007；乔秀夫和李海兵，2008；Wagoner Loon，2009；王安东等，2013)。挤入构造按照其形态可以分为火焰形、穹顶形、梯形、X形以及尖峰形(乔秀夫等，2017)。挤入构造是与负载构造相伴生的软沉积变形构造，组成挤入构造的沉积物粒度一般比相邻的负载构造要细，比如砂粒层的负载构造伴生泥质的火焰构造；砾石沉积层的负载构造往往伴生泥—砂质的火焰构造。Wagonerneste等(1999)提出突然向上的流体压力形成的挤入构造是地震触发引起的有力证据。

a，b—负载构造和挤入构造，柯30井，安居安组，3579￣￣m；c—球枕构造，柯20，克孜洛依组，3997￣￣m；d—球枕构造，柯2井，克孜洛依组，3356￣￣m图 3 西昆仑山前叶城凹陷中新统软沉积变形构造(二)Fig.3 Soft sediment deformation structures in the Miocene at Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont(Ⅱ)

2.4 球枕构造

在叶城凹陷取心井中发现大量的球枕构造，如图 3-c、3-d所示，大量灰白色砂岩形成的球枕构造形成1层枕状层，其长轴具有一定的定向性排列。形态多呈规整的椭球体，大小基本一致，长轴大概为3￣￣cm，短轴1～1.5￣￣cm。此种变形也可由负载体坠落、完全脱离母岩层堆积而成。球枕构造是由于地震震动，上覆砂质沉积物在重力的作用下、下落完全陷入下伏沉积层中形成的球体或枕状椭球体。大量的球枕构造沿层分布称为枕状层(乔秀夫和李海兵，2008)。

a—锥形底辟，柯51井，安居安组，3708￣￣m；b—软泥质触变楔，棋北3井，安居安组，5385￣￣m；c—软泥质触变楔，捷得1井，安居安组，5868￣￣m；d—同沉积微断层和肿缩构造，柯51井，安居安组，3716￣￣m，箭头所指为同沉积微断层图 4 西昆仑山前叶城凹陷中新统软沉积变形构造(三)Fig.4 Soft sediment deformation structures in the Miocene at Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont(Ⅲ)

2.5 液化底辟

在柯51井安居安组，红灰色砂岩液化向上底辟，刺入上覆紫红色泥岩形成尖锥状的底辟构造(图 4-a)。软沉积物在向上底辟的过程中，若向上集中泄水可形成泄水通道和碟状构造。液化底辟构造按是否穿透上覆岩层可分为未穿透上覆软沉积物和穿透上覆岩层至当时地表流动2种。液化底辟按形态可分为锥形、柱形、穹顶形、蘑菇状等(乔秀夫等，2017)。液化底辟是指在地震作用下液化沉积物向上流动，拱起甚至穿刺上覆沉积层所形成的一种构造(乔秀夫等，2017)。

2.6 触变流动变形

在棋北3井安居安组中发育紫红色泥质层向下伏砂层的触变流动，形成触变楔(图 4-b)；在捷得1井安居安组中见褐色泥质层触变流动向下伏灰白色砂层触变流动，形成触变楔(图 4-c)。触变指小于0.005￣￣mm粒径的水饱和软沉积物，因受过大外应力导致其结构破坏，沉积物颗粒吸附水分子变成自由水分子，流变性增强，黏度和强度降低；其对外力扰动产生的敏感性变化特效称为触变流动变形(张虎臣，1989；冯秀丽等，2004；李丽华等，2010；乔秀夫等，2017；苏德辰和乔秀夫，2018)。这种触变流动一般由于震级5.6级、烈度Ⅶ度的地震引起(田洪水等，2015a，2015b；苏德辰和乔秀夫，2018)。

2.7 软布丁构造与同沉积微断层

在柯51井，紫红色砂岩不均匀收缩，形成肿缩构造，上面的肿缩构造被同沉积微断层错断，形成布丁构造(图 4-d)。软布丁构造又称香肠构造或肿缩构造，是指在受到不均匀的地震横向拉伸和垂向挤压，而发生不均匀的收缩与膨胀，形成肿缩构造，当肿缩构造被拉断或者被同沉积微断层错开，则形成断开的布丁构造(田洪水等，2016)。

柯51井安居安组底部砂泥岩薄互层中发育同沉积微断层(图 4-d)，其断距为0.2￣￣cm左右，上下延展较短，一般为2～3￣￣cm。只存在于变形层内，不进入下伏地层。同沉积微断层是沉积物发生差异压实、主要受拉张力作用而形成的层内微断层，常呈阶梯状排列，断距一般较短，多为几毫米到几厘米。

图 5 地层中的地震幕与活跃期(据乔秀夫等，2006)Fig.5 Seismic episodes and active periods in strata(after Qiao et al.，2006)

3 讨论

3.1 古地震的周期性

与现代地震相似，震积岩记录的古地震活动也具有一定的周期性。如图 5 所示，震积岩在地层中的重复出现可以揭示区块附近的古地震活动周期。在震积岩层上下的未变形层为间震期的沉积，若干个震积岩层和之间相隔的未变形层组成1个地震幕，地震幕与之间更厚的未变形层代表了更长时间平静时期；若干个地震幕构成1个地震活跃期(乔秀夫等，2006，2013，2017；乔秀夫和李海兵，2009)。

3次地震事件在岩心中的记录。柯51井，安居安组，3716￣￣m图 6 西昆仑山前叶城凹陷中新统岩心中的1个地震幕Fig.6 A seismic episode in core of the Miocene at Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont

图 7 西昆仑山前叶城凹陷柯51井中新统震积岩特征和发育层位Fig.7 Characteristics of seismites and their occurrence in the Miocene of Well Ke-51 at Yecheng sag of West Kunlun Mountain piedmont

在柯51井3716￣￣m岩心中能发现明显的地震幕(图 6)，自下而上发育3个震积岩层，下部震积岩层发育有液化卷曲变形、同沉积微断层、布丁构造、负载构造，其变形厚度为4￣￣cm；中部震积岩层发育液化卷曲变形、负载构造和火焰构造，变形厚度为3￣￣cm；上部震积岩层发育液化卷曲变形、负载构造和火焰构造，变形厚度为3￣￣cm。整个地震幕厚约为20￣￣cm。从变形特征即可以得出下部震积岩层沉积时期的地震活动较为强烈，中、上部震积岩沉积时期的地震活动较弱。

由于柯51井在中新统大量取心，故此对柯51井岩心进行系统观察统计，发现柯51井中新统震积岩分布大致可以划分为4个不同的地震活跃期(图 7)。第1期发育在安居安组和克孜洛依组交界处，井深为3690.61～3795.44￣￣m，第2期发育在安居安组中部，井深为3050.95～3331.60￣￣m，第3期发育在在安居安组上部，井深为2821.04～2832.94￣￣m，第4期发育在帕卡布拉克组与安居安组交界处，井深为2657.14～2682.67￣￣m。第1期和第2期的变形构造多样、变形厚度大，说明这段时间该区域的构造活动较为强烈且构造周期时间较长。第3期和第4期的变形构造较为单一、变形厚度较小，反映了这段时间的区域构造活动较弱，构造周期较短。叶城凹陷中新统震积岩发育在克孜洛依组顶部到帕卡布拉克组底部，即从波多尔阶(Burdigalian)顶到托尔托纳阶(Tortonian)底，时间跨度大约为5￣￣Ma(距今16—11￣￣Ma)。根据震积岩发育的层位，推断第1幕的地震变形构造发育于克孜洛依组和安居安组交界处，距今约为16￣￣Ma，第2幕为安居安中部，距今约为14￣￣Ma，第3幕为安居安组上部，距今约为12￣￣Ma，第4幕位于安居安组与帕卡布拉克组交界处，距今约为11￣￣Ma。

3.2 地质意义

地震活动主要发育在构造活动带及附近区域，目前世界上有4大构造活动带：环太平洋地震带、地中海—印尼地震带、洋中脊地震带和大陆裂谷地震带。中国地震主要分布于邻近环太平洋地震带、贺兰山—六盘山—龙门山—横断山地震带和中国西部地震带。中国西部地震带主要分布在塔里木盆地的盆山交接带、昆仑山山缘、青藏高原等地。本研究区正好位于西昆仑山前的塔里木盆山交接带，自新生代以来区域构造活动较活跃，同时伴随强地震作用。

对岩心的观察统计表明，叶城凹陷的震积岩主要出现在中新统克孜洛依组顶部和安居安组底部、安居安组中部和顶部。通过叶城凹陷多口钻井岩心对比，发现克孜洛依组顶部和安居安组底部取心段都发育有相应的震积岩构造，说明在中新世克孜洛依组顶部和安居安组底部沉积时期区域构造活动较为强烈。一般来说震级大于里氏5级或Ⅵ度烈度才能发生液化(乔秀夫等，1997；田洪水等，2015a，2015b；苏德辰和乔秀夫，2018)，随着地震活动的强度以及烈度不同，沉积时期所形成的软沉积变形特征也不相同。当地震活动较弱的时候，仅仅能引起沉积物的受力不均衡，形成扰动纹层；地震活动增强到5.5～6.5级或Ⅶ度烈度则会使岩层发生液化变形，形成液化脉、泄水构造(碟状构造)和液化卷曲变形，或使黏性沉积物发生触变变形，或者使沉积物上覆粗碎屑沉积物下陷到下部较细的沉积物中，形成负载构造、球枕构造以及伴生的挤入构造(主要为火焰构造)；当地震强度进一步增强到7.5级或Ⅸ度烈度时则会引起固结的沉积物发生错断，形成微断层；或引起岩层破碎，形成震塌岩或者震裂岩(Tianetal.，2015；田洪水等，2016)。通过对取心段岩心观察可以发现，安居安组主要发育液化卷曲变形、液化砂脉、球枕构造及少量的同沉积微断层，这表明安居安组沉积时期构造活动强度应当在5～7.5级或烈度Ⅵ～Ⅸ度。

除了地震，海啸、沉积物负载、冰川负载等因素也能引起软沉积物变形，所以如何辨别软沉积构造变形的具体成因显得尤为重要，乔秀夫和李海兵(2009)认为确定是否是震积岩要详尽了解区域构造背景，Owen等(2011)总结了震积岩的6大特征： (1)在一定区域内广泛分布；(2)在横向上具有一定的连续性；(3)纵向上具有重复性；(4)区域内的软沉积物变形与地震形成的软沉积物变形具有可对比性；(5)邻近区域具有活动的断层；(6)变形带特征应当与相应活动断层相关。根据区域内发育的软沉积物变形构造特征及其分布规律，与前人总结的震积岩特征，可以确定区域内软沉积变形构造是由地震引起的。

新生代以来，受欧亚板块碰撞和帕米尔构造带向上推移旋转的强烈影响，西昆仑造山带重新活化，并向塔里木盆地强烈挤压冲断(闫淑玉等，2018)。研究区主要位于西昆仑山前冲断带(图 1)，区域内断层主要为逆冲断层，断层走向多为北西向和东西向。大的区域断层主要有3条：棋北—固满—和什塔格断层、铁克里克北缘断裂和库斯拉甫断裂。从中新世开始，西昆仑山开始大规模隆升，在西昆仑山前冲断带形成大量的断裂。其中铁克里克北缘断裂，西起柯克亚，一直向东延伸至和田，长度约为360￣￣km，断裂的西部为东西走向，东部为北西西走向。其发育时间为中新世中晚期(胡建中等，2008；程晓敢等，2012；廖晓，2018)。昆仑山前冲断带叶城地区的震积岩横向和纵向的大范围分布，也从侧面验证了中新世以来区域构造活动强烈、地震频繁。