塔北隆起X型走滑断裂成因机制的新解释

黄少英，宋兴国，罗彩明，能 源，马小丹，漆家福，陈 石

(1.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；2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；4.中国石油大学(北京)克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

塔里木盆地是中国最大的陆内含油气盆地，而塔北隆起是盆地内重要的控油隆起之一，油气勘探潜力巨大[1-5]。塔北隆起发育大量的走滑断层[6-8]，从寒武系至白垩系均有发育；在哈拉哈塘地区奥陶系一间房组顶面发育两组走滑断裂[6,8]，它们分别呈NNW走向和NNE走向延伸，并且呈X型相交，走滑断层及分支断层组成的断裂系统切割并沟通了奥陶系碳酸盐岩层系，而且沿走滑断层发生了碳酸盐岩的地层水淋滤溶解作用，形成了重要的油气储集空间[9-12]。走滑断裂及其周围溶洞组成的缝洞岩溶体系是目前塔北隆起重要油气勘探方向[13-14]，沿走滑断裂也不断取得了重要的油气勘探突破。

关于塔北隆起的走滑断层已有许多学者对断裂样式分布、分段性、成因机制以及有利勘探区域预测[15-16]等方面做了细致的研究工作。关于塔北隆起X型走滑断裂的成因机制，普遍认为受控于晚奥陶世南天山洋俯冲以及古昆仑洋闭合产生的南北向挤压应力，整体符合纯剪切模式下的共轭断层发育机制[6,8,12,17-18]，单条断层符合简单剪切模式[6]，主干断层周围发育R剪切分支断层。然而，塔北隆起X型走滑断层的两组断层交角普遍在40°左右，并由北向南交角略微减小，南部尾端的相交角度普遍在38°左右，明显小于理想状态下纯剪切模式形成的共轭剪切断层夹角(50°～60°)。对于塔北隆起小角度X型走滑断裂的成因机制，目前还没有合理的解释。

本文在塔北隆起哈拉哈塘地区三维地震精细解释资料的基础上，结合前人对于研究区走滑断层成因机制的认识，利用塔里木盆地重磁资料，对塔北隆起共轭X型走滑断层的成因机制进行了研究，并提出了新的成因模型。对认识塔北隆起及其走滑断裂的构造演化具有重要意义，同时对沿走滑断裂发育的缝洞岩溶体系下的油气勘探提供新思路与方向。

1 区域地质概况

塔里木盆地位于新疆维吾尔自治区南部，面积约为40万km2，是中国富含油气的大型叠合盆地[19-23]。塔北隆起位于塔里木盆地北部(图1(b))，东西向的长度约480 km，南北向的宽度约90 km，由北向南倾没，是盆地重要的构造单元[1]。隆起北邻库车坳陷，南边与满加尔凹陷相接，西部与阿瓦提凹陷相邻，东部与库鲁克塔格隆起相邻。塔北隆起内部可划分为7个次级构造单元(图1(a))，隆起区包括轮台断隆、英买力低凸起、轮南潜山、轮南低凸起和库尔勒凸起，凹陷区包括哈拉哈塘凹陷和草湖凹陷。

图1 塔北隆起构造单元划分图((a)据文献[1]修改)、塔北隆起位置示意图(b)及塔北隆起中西部构造单元图(c)Fig.1 Division of structural units in Tabei uplift ((a)modified after reference[1]),schematic diagram of the position of Tabei uplift(b),and structural units of middle-western Tabei uplift (c)

塔北隆起地层发育齐全(图2)，从上元古界-新生界均有发育，其中上元古界-古生界主要为海相碳酸盐岩，中-新生界地层为陆相碎屑岩。古生界自下而上发育有寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二叠系，其中奥陶统的一间房组(O2y)和中下奥陶统的鹰山组(O1-2y)发育缝洞岩溶体系，为重要的油气储集层，中上奥陶统土木休克组(O3t)、良里塔格组(O3l)和桑塔木组(O3s)发育的厚层泥岩为重要盖层，垂向上形成重要的储盖组合。

图2 塔北隆起地层综合柱状图(据文献[26]修改)Fig.2 Stratigraphic columns of Tabei uplift (modified after reference[26])

塔北隆起经历了多期构造运动，其构造演化可大致划分为6个阶段[24-25]：基底形成阶段(前震旦纪)、被动大陆边缘阶段(震旦纪-中奥陶世)、稳定抬升阶段(晚奥陶世至石炭纪)、前缘隆起发育阶段(二叠纪至三叠纪)、稳定沉积阶段(侏罗纪至古近纪)以及调整定型阶段(新近纪至今)。塔北隆起走滑断裂的发育与演化主要发生于被动大陆边缘阶段以及稳定抬升阶段，与南天山洋的演化密切相关[9]。

2 塔北隆起走滑断裂构造解析

塔北隆起发育的走滑断层数量多，其中大多数走滑断层为X型组合(图1(c))，优势走向为NNW和NNE向，主要分布在哈拉哈塘凹陷地区和轮南低凸起地区，部分在英买力低凸起地区。本文重点研究哈拉哈塘地区的X型走滑断裂。

2.1 走滑断裂分层变形特征

在对塔北隆起走滑断裂的构造解析发现，走滑断裂在垂向上表现出明显的分层性，在不同岩性的地层中表现出变形的差异性，同时也和断裂的多期活动有关，由下往上可划分为三个构造层：(1)震旦系-中寒武统下构造层，该构造层顶界为中寒武统沙依里克组盐岩层顶面(TH3界面)，底界延伸至基底，主要包括中寒武统盐岩层、下寒武统以及部分基底地层；(2)上寒武统-中奥陶统中构造层，该构造层顶界为奥陶系一间房组顶面(TO3t界面)，底界为中寒武统顶面(TH3界面)，整个构造层基本都由碳酸盐岩组成；(3)上奥陶统-泥盆系上构造层，该构造层顶界为二叠系火成岩岩系底面(TP界面)，底界为奥陶系一间房组顶面(TO3t界面)，主要包括上奥陶统、志留系和泥盆系，整个构造层主要由泥岩和砂岩组成。

塔北隆起的走滑断裂在三个构造层表现出明显的变形差异性，主要体现在构造样式、破碎带宽度以及应力机制的差异等方面。断裂的分层变形特征以SHB5走滑断裂最为典型，以图3为例。在下构造层中，基底逆冲断层活动性强，向上插入下寒武统，与走滑层垂向相接，地层发生明显褶皱变形；寒武系盐岩层中，走滑断裂发育分支，具有压扭性质，发育正花状构造，膏盐发生流动变形。在中构造层中，走滑断裂在剖面上表现为垂向继承性发育，下构造层中的主干走滑断层持续向上发育；断裂在顶面一间房组顶面发育多条分支，表现为典型正花状构造，具有压扭性质，地层发生褶皱上拱变形。在上构造层中，断裂沿下部构造层的断裂系统继承性发育，具有分支断裂；断裂所夹持断块发生明显下掉，发育典型地堑构造，具有张扭性质。走滑断裂在中构造层碳酸盐岩层系中破碎带宽度最大，分支断裂最多，在上构造层和下构造层中变形相对较弱。

图3 YM20走滑断裂平面图((a)以奥陶系一间房组顶面相干图为基础制作)、YM20走滑断裂剖面图(b)和YM20走滑断裂地质解释剖面图(c)Fig.3 YM20 strike-slip fault ((a)composed based on the top coherence map of Ordovician Yijianfang Formation),profile of the YM20 strike-slip fault (b),geological interpreted profile of the YM20 strike-slip fault (c)

2.2 主干走滑断裂解析

塔北隆起的哈拉哈塘地区，X型走滑断裂发育最为典型。选取塔中隆起NE向与NW向主干走滑断裂各一条，分别为哈拉哈塘地区的NNW向走滑断裂RP6和NNE向走滑断裂HA13。通过对这两条主干走滑断裂的几何学特征进行详细表征，研究塔北地区走滑断裂的空间几何学特征，可以反映NW向与NE向走滑断裂的构造特征差异。

2.2.1 RP6断裂

RP6断裂平面延伸长度为57.13 km，在平面上走向不一致，可以大致分为两段，北段接近南北走向，向南逐渐过渡为17.37°NW。断裂在上寒武统和奥陶系碳酸盐岩层中变形强烈活动性强，在对应的平面相干上(TH3和TO3t界面)(图4(b)、(c))断裂显示清晰；在寒武系盐下地层以及志留系碎屑岩层对应相干上(TH1和TS界面)(图4(a)、(d))，断裂显示强度较弱，但仍清晰可见。在奥陶系一间房组顶面(图5(a))，断裂发育特征具有分段性，北段及南段次级断裂较少，以线性走滑为主；中段以羽状走滑和斜交走滑为主，发育大量R断裂、R’断裂以及P断裂等里德尔剪切伴生断裂，与邻近走滑断裂相互作用，形成复杂的构造变形区。

图4 走滑断裂平面特征图Fig.4 Characteristic map of strike-slip fault(a)寒武系底面；(b)上寒武统底面；(c)奥陶系一间房组顶面；(d)志留系底面

图5 RP6断裂剖面特征图Fig.5 Typical cross-section of the RP6 fault

RP6断裂在剖面上分层变形特征明显。断裂下部直插基底，且基底中还发育有其他先存断裂，以逆冲断层和正断层为主(图5)。断裂在下构造层(TH3界面以下)中发育花状构造，根带发育在下寒武统中，花带主体分布在中寒武统盐岩层中，盐岩层受断裂影响发生流动变形(图5(f))；花状构造样式从北往南逐渐由正花状(图5(b))逐渐向负花状(图5(f))过渡。在中构造层中(TH3-TO3t界面)，断裂发育正花状构造特征明显；从北往南垂向地层变形幅度逐渐减小，受到上部构造层变形影响，南段剖面在TO3t界面上表现为“隆中凹”(图5(f))；沿断裂附近“串珠”显示明显，由北向南串珠逐渐减少。在上构造层中(TO3t-TP界面)，正断层大量发育，中段(图5(d))断层插入二叠系火成岩中，夹持地层发生剧烈下掉，形成典型地堑；断层发育密度从北往南逐渐降低。

2.2.2 HA13断裂

HA13断裂位于哈拉哈塘凹陷的中部，在各层都有显示，延伸距离约为52.79 km，走向上比较稳定，为23.6°NE。断裂的主要发育层位为上寒武统以及奥陶系碳酸盐岩层系，在上寒武统底面(TH3)以及奥陶系一间房组灰岩顶面(TO3t)，断裂在相干上有清晰的线性显示(图4(b)、(c))；但是在志留系底界(TS)和寒武系底界(TH1)的层面相干上，断裂几乎没有显示(图4(a)、(d))。在一间房组顶面(图6(a))，断裂具有较明显分段性；北段分支断裂较少，断裂平面上主要表现为线形走滑，相邻走滑断裂较远，断裂间连接发育的次级断层较少，破碎带宽度较窄；南段分支断裂较多，相邻走滑发育数量多，平行发育或共轭发育，且断裂之间发育连接的次级断层，断裂交汇区域变形复杂，断裂破碎带宽度大。在志留系底界，断裂的平面样式为沿主位移带发育的右阶雁列式断层(图4(d))。相较于RP6，断裂在寒武系底界面(TH1)和志留系底界面(TS)发育不明显。

图6 HA13断裂剖面特征图Fig.6 Typical cross-section of the HA13 fault

剖面上HA13断裂也具有分层变形特征。然而相较于RP6断裂，基底地层中断裂发育数量少，活动性弱，仅有部分基底断裂可继续向上发育至中寒武统膏盐岩层中。下构造层(TH3界面以下)破碎带宽度较窄，表现为正花状(图6(b)、(d)、(e))、负花状构造(图6(c))和直立走滑(图6(f))，构造变形主要发育在中寒武统盐岩层中，下寒武统变形微弱；构造样式由北往南发育特征为，正花状-负花状-正花状-直立走滑；断裂南段正花状构造特征微弱，断裂没有切入基底(图6(e)、(f))。中构造层中(TH3-TO3t界面)，断裂继承性发育于下部断裂系统，发育典型花状构造，破碎带宽度和变形强度在各构造层中最大；构造样式从北往南变化明显，北段受浅层变形影响，表现为“隆中凹”(图6(b))，向南逐渐过渡为典型正花状构造(图6(d)、(e)、(f))，破碎带宽度也逐渐增加；碳酸盐岩层中发育大量碳酸盐岩溶洞，在地震剖面上表现为“串珠”，主要分布在一间房组顶面和走滑断裂附近，从北往南串珠数量逐渐增多。上构造层(TO3t-TP界面)主要发育正断层，向上可切穿至二叠系火山岩层中(图6(b)、(c)、(d))；断层继承性发育于下部花状构造的分支，部分与中构造层走滑断裂相连组成负花状构造(图6(b)、(c)、(d))，或悬空于构造层中(图6(e))；正断层发育数量从北往南逐渐变少。

上述可见，塔北隆起的NW向与NE向走滑断裂在寒武系盐下至石炭系碎屑岩层系中均有发育，在中寒武统盐岩层顶面(TH3)以及中奥陶世一间房组顶面(TO3t)断裂发育特征清晰，断裂活动性强，上构造层及下构造层断裂活动性较弱。断裂在垂向上都具有分层变形特征，总体上为三层变形：下构造层的变形主要发育正花状构造，局部发育负花状构造；中构造层中主要发育正花状构造，沿断裂破碎带周围发育“串珠”；上构造层中主要发育正断层。

对比塔北隆起NW向与NE向断裂的发育特征可知，二者存在显著差异。塔北隆起下寒武统底面(TH1)断裂系统图(图7(a))显示，塔北隆起在深层主体发育NW走向基底断裂，NW向基底断裂发育数量多且延伸距离远，平面上呈弧形展布，而NE向基底断裂发育数量较少且连续性差；而在奥陶系一间房组顶面断裂系统中可见(图7(b))，NW走向断裂开始连接生长，而NE走向断裂开始发育，并且和NW走向断裂构成X型断裂组合；在志留系底界(TS)，可见NW走向断裂持续活动，在浅层形成雁列式正断层(图4(d))，而NE走向断裂基本不活动。结合对重点断裂RP6和HA13断裂的对比分析可见，哈拉哈塘地区的NW向断裂活动性强，在各构造层中均有显著断裂特征发育，垂向连通性强，可能发育先存基底断裂，而NE向断裂主要发育在中部构造层(TO3t)(图7(b))，在下部构造层和上部构造层中断裂特征发育不明显。

图7 塔北隆起平面断裂系统图Fig.7 Fault system map of Tabei uplift (a)寒武系底面(TH1);(b)奥陶系一间房组顶面(TO3t)

3 走滑断裂发育与形成机制

走滑断裂发育的机制有两种，分别为纯剪切模型(图8(a))以及简单剪切模型(图8(b))[27-28]。纯剪切模式下发育的走滑断裂为X型共轭剪切断裂，断裂与最大主应力轴之间的夹角为45°-Φ/2(Φ为岩石内摩擦角，一般为30°左右)，断裂间的夹角为50°～60°。简单剪切又称为里德尔剪切，是里德尔在构造物理模拟实验中发现并提出的；走滑断裂的发育和演化过程中会发育大量分支断裂，不仅发育单条线性走滑断裂。

图8 走滑断裂形成机制Fig.8 Formation mechanism of strike-slip faults(a)纯剪切模型；(b)简单剪切模型(据文献[27-28]修改)

关于塔北隆起X型走滑断裂的成因机制，前人做了大量相关方面的工作，普遍认为断裂的发育特征整体符合纯剪切模型[6,8,12,17-30]，受控于大约460 Ma原特提斯洋闭合产生的近南北向远程挤压作用，单条走滑断裂表现为简单剪切特征发育大量次级断裂[6]，NW向断裂与NE向断裂发育相继滑动作用，且尾端扩张与相互作用以及连接生长等非安德森模式也是断裂生长的主要机制[28]。但是塔北哈拉哈塘地区共轭X型走滑断裂的夹角一般为30°～40°，远小于纯剪切模式下共轭剪切断裂理论上的60°夹角，前人的解释尚不能合理解释其成因。

基底先存断裂和薄弱带在地震剖面上较难识别与厘定，但通过航磁资料能显示基底先存构造的存在。塔里木盆地重磁特征[30-33]显示，塔里木盆地中部沿40°N左右发育一条横向正磁性异常条带，分隔塔里木盆地南部与北部。塔里木南部磁力分布不均匀，一系列NE向正磁性异常条带和负磁性条带相间分布；塔里木盆地北部磁力发育相对均匀，以负极性地磁场为主，但塔北隆起区有NW向磁性异常条带相间分布(图9)。

图9 塔里木盆地航磁异常等值线图(据文献[31-33]修改)Fig.9 Contour aeromagnetic anomaly map of the Tarim Basin (modified after references[31-33])

塔北隆起走滑断裂分层变形特征表明，断裂的形成与演化具有多期性。走滑断裂剖面特征显示，断裂在震旦系-中寒武统下构造层(TH3界面以下)、上寒武统-中奥陶统中构造层(TH3-TO3t界面)和上奥陶统-石炭系上构造层(TO3t-TP界面)中构造变形样式和特征不同，各构造层变形不协调，并且之间发育不整合，表明走滑断裂的形成经历了三期活动(图10)：中寒武世末、中晚奥陶世、志留纪-石炭纪；平面相干上，断裂在寒武系盐岩层顶面(TH3)、奥陶系灰岩顶面(TO3t)和志留系底面(TS)均有共轭特征显示，表明共轭走滑断裂可能从中寒武世末就开始形成，持续发育至志留纪-石炭纪。

图10 走滑断裂分期变形示意图Fig.10 Diagram of stage deformation of strike-slip fault(a)、(d)位置见图3中的A-A’；(b)、(e)位置见图5(a)中的B-B’;(c)、(f)位置见图5(a)中的F-F’

结合塔北隆起重磁特征和断裂几何特征研究表明，走滑断裂的演化和发育可能受到了NW向基底断裂和薄弱带的控制(图11)。中寒武世末，塔北隆起在南北向弱挤压作用的影响下，沿NW向先存基底断裂带或薄弱带优先发育走滑断裂；在持续挤压的作用下，NE向断裂逐渐发育，主挤压应力方向与NW向基底断裂的夹角小于45°-Φ/2，受NW向先存断裂限制，与NE走向断裂和先形成的NW向走滑断裂组成小角度(40°左右)的共轭走滑断裂；走滑断裂主体处于压扭应力状态，剖面上多表现为挤压上拱的正花状构造。中晚奥陶世，受到南天山洋俯冲与古昆仑洋闭合的影响，塔北隆起处于南北向挤压的应力状态，在早期形成断裂系统基础上继续发育共轭走滑断裂；部分新发育的走滑断裂仅发育在碳酸盐岩层中，没有贯穿盐层插入基底；走滑断裂整体处于压扭环境，剖面上发育正花状构造。志留纪-石炭纪，南天山洋呈剪刀式闭合由东向西逐渐俯冲闭合[34]，塔北隆起受到的挤压应力方向由南北向逐渐转变为北西-南东向，先存走滑断裂活化，表面地层发育雁列式正断层；NW向断裂与主应力方向夹角更小，断裂活动性更强，平面上断裂发育数量更多，连续性更强，而NE向走滑断仅有少部分发生活动。

图11 塔北隆起共轭走滑断裂发育模式图Fig.11 Formation model diagram for the conjugate strike-slip faults in Tabei uplift

4 结 论

(1)塔北隆起X型共轭走滑断裂分层特征明显，依据岩性和变形特征，由下往上可分为三个构造层：震旦系-中寒武统下构造层(TH3界面以下)、上寒武统-中奥陶统中构造层(TH3-TO3t界面)和上奥陶统-石炭系上构造层(TO3t-TP界面)。断裂在下构造层整体处于压扭环境，断裂多发育正花状构造；断裂在中构造层中整体处于压扭环境，多发育正花状构造；上构造层中断裂主要发育负花状构造或正断层。

(2)NW向与NE向断裂变形特征存在显著差异。NW向断裂活动性强，在各构造层中均有显著断裂特征发育，垂向连通性强，发育先存基底断裂，而NE向断裂主要发育在奥陶系碳酸盐岩构造层，在寒武系盐下构造层和浅层碎屑岩构造层中断裂发育不明显。

(3)断裂的形成与演化具有多期性。走滑断裂剖面特征显示，断裂在各构造层中构造变形样式和特征不同，变形不协调，并且构造层之间发育不整合，表明走滑断裂的形成经历了三期活动：中寒武世末、中晚奥陶世、志留纪-石炭纪。

(4)X型走滑断裂的形成受到了NW向基底断裂和薄弱带的控制。中寒武世末，NW向先存基底断裂带或薄弱带优先发育走滑断裂，NE断裂发育受NW向先存断裂限制，基底与主挤压应力方向夹角小于45°-Φ/2，NE向断裂和先形成的NW向走滑断裂组成小角度(40°左右)的共轭走滑断裂。