天山南北前陆冲断带构造滑脱层分布差异及对圈闭样式的控制作用

侯筱晓，能 源，漆家福，李跨越，胡建宁，付永红，李 媛，郭 曼

(1.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；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

前陆冲断带构造变形复杂，油气资源丰富，是国内外研究的热点区域[1-2]。天山南北前陆冲断带发现了丰富的油气资源，勘探前景广阔。目前在天山南缘的库车前陆冲断带已发现多个大型油气田，而位于天山北缘的准噶尔盆地南缘前陆冲断带只有中—小型油气田的发现[2-9]。因此研究天山南北前陆冲断带变形差异及对圈闭样式的影响，对我国西部的油气勘探和开发具有重要意义。滑脱层是前陆冲断带内引起变形差异的重要原因[1-12]，滑脱层和构造活动不仅影响区域地质的结构和演化，而且也影响着冲断带内圈闭的样式和分布[5-8]。前人对天山南北前陆冲断带的构造变形和样式特征进行了大量的研究工作，并对天山南北前陆冲断带活动性进行过对比研究，在滑脱层的岩性、差异、变形机制等方面也取得了重要的进展，李本亮等学者认为滑脱层不仅控制冲断构造变形从山前向盆地的传播,而且也控制了滑脱层上下构造变形；董臣强等学者认为滑脱层的存在不仅是影响构造样式形成及演化的关键因素,而且也是造成深层与浅层构造不协调的主要原因[1-9,13-37]。但前人对天山南北前陆冲断带内的滑脱层差异的对比和总结、滑脱层上下构造变形强度定量分析及滑脱层对圈闭的影响等方面的研究较少。因此，本文以天山南北前陆冲断带的地震解释资料为基础，通过断距测量、平衡剖面恢复、缩短量统计等方法，对天山南北前陆冲断带构造差异进行定量表征，旨在为天山南北前陆冲断带的油气勘探提供理论参考。

1 区域地质背景

天山是世界上最大的纬向山脉，整体呈近东西走向长度约2 500 km，是岛弧和陆块经历了多期碰撞作用形成[7]。天山南缘的库车前陆冲断带在卫星图上整体呈南西—北东向展布，划分为西、中、东三段，西段为乌什凹陷—温宿凸起段，中段为北部单斜带—克拉苏构造带—拜城凹陷—秋里塔格构造带，东段为依奇克里克构造带—阳霞凹陷；天山北缘的准噶尔盆地南缘前陆冲断带(以下简称准南前陆冲断带)呈北西—南东向展布(图1)，划分为西、中、东三段，独山子以西为西段，独山子到乌鲁木齐为中段，乌鲁木齐以东为东段。多年勘探表明，库车前陆冲断带和准南前陆冲断带资源潜力巨大，具备形成大油气田的地质条件。

图1 库车前陆冲断带和准噶尔盆地南缘前陆冲断带构造单元划分图Fig.1 Division of tectonic units in the foreland thrust belts at Kuqa and on the southern margin of Junggar Basin(1)四棵树凹陷；(2)齐古断褶带；(3)霍玛吐背斜带；(4)呼独安背斜带；(5)阜康凹陷断裂带；(6)乌什凹陷；(7)温宿凸起；(8)南部斜坡带；(9)秋里塔格构造带；(10)拜城凹陷；(11)克拉苏构造带；(12)北部单斜构造带；(13)阳霞凹陷；(14)依奇克里克构造带

天山山脉向两侧前陆盆地发生大规模的逆冲推覆，在中生代沉积盆地的基础上沉积了巨厚的新生代沉积[1,7]，天山南北缘新生代沉积环境和地层岩性存在一定的差异(图2)。在古近纪，库车前陆冲断带为瀉湖—冲积扇环境[7-8]，沉积了巨厚的库姆格列木群膏盐岩，分布在库车前陆冲断带西段和中段；而在库车前陆冲断带东段古近系膏盐岩不发育，新近系吉迪克组膏泥岩在此段广泛分布。古近系库姆格列木群膏盐岩和新近系吉迪克组膏泥岩不仅为其下蕴藏丰富的天然气资源提供了良好的区域性盖层，而且还是库车前陆冲断带内重要的滑脱层[10,21]。

图2 天山南北地层综合图Fig.2 Integrated stratigraphic map of the northern and southern Tianshan orogens

在古近纪，准噶尔盆地南缘沉积环境为湖泊—扇三角洲，以泥岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，其中古近系湖相泥岩既是下伏油气的良好盖层，也是该地区重要的滑脱层之一[8,12,14]。在中生界准南前陆冲断带内发育多套煤层，主要分布在侏罗系的顶部、中部及三叠系顶部，在受到挤压应力的作用下，煤层容易发生滑脱作用，是重要的滑脱层。二叠系深湖相泥岩为准南前陆冲断带东段的主要滑脱层且滑脱作用强烈[12]。

2 滑脱层对构造样式的控制作用

2.1 库车前陆冲断带内的滑脱层对构造样式的控制作用

在库车前陆冲断带中西段，受膏盐岩分布与沉积厚度的影响，盐构造变形主要发生在阿瓦特构造带—却勒—西秋构造带。阿瓦特构造带古近系库姆格列木群(E1-2km)盐层发育，可见挤压变形特征，膏盐岩层发育楔入构造，楔入了新近系吉迪克组(N1j)泥岩中(图3)。在新近系库车组(N2k)沉积期，盐下构造层内形成一系列逆冲断层，构成阶梯状逆冲断层。

在库车前陆冲断带中段南部斜坡带沉积稳定，盐层较薄，未出现大幅度的构造变形。受古近系库姆格列木群(E1-2km)巨厚膏盐岩的影响，盐上构造样式主要为宽缓的断层相关褶皱。相对于盐上层，盐下断层更加发育，具有成排成带的展布特征，断层向上消失于膏盐岩层。盐下层多为叠瓦构造及冲起构造，也可见具有走滑性质的花状构造(图3)，巨厚的膏盐层产生了盐上、盐下构造变形不协调的特点，多见推覆构造。膏盐岩层可见楔入构造、盐拱构造、盐刺穿构造等。

图3 库车前陆冲断带构造变形样式Fig.3 Tectonic deformation patterns of the Kuqa foreland thrust belt

在库车前陆冲断带东段地区，滑脱层转变为新近系吉迪克组(N1j)膏泥岩，膏泥岩在滑脱断层下盘发生聚集，部分膏泥岩沿此断层向上发生逆冲推覆，形成推覆构造。在秋里塔格构造带盐下层冲起构造较发育，盐下断层消失在吉迪克组膏泥岩中。膏泥岩上下构造层形态呈现显著的分层性，盐上层的构造样式受膏泥岩滑脱影响较大，断层倾角下缓上陡，具有滑脱构造特征；盐下层多为叠瓦构造及冲起构造(图3)，构造变形主要集中在依奇克里克构造带和东秋里塔格构造带。

2.2 准南前陆冲断带内的滑脱层对构造样式的控制作用

位于准南前陆冲断带西段的托斯台北断层为高角度逆冲断层，构造变形强烈并伴生多组次级断层。沿侏罗系煤层发育的逆冲推覆断层控制了准南前陆冲断带西段浅层褶皱的构造特征。艾卡断层发育在下伏的煤系地层中，向下延伸切入基底，发育反向断层，在剖面上呈反“y”型(图4)，构造样式为“正花状”，具有走滑构造特征，受此断层的影响形成了卡因迪克背斜。

图4 准南前陆冲断带构造变形样式Fig.4 Tectonic deformation patterns of the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

在准南前陆冲断带的中段，深层南倾的逆冲断层与中—浅层滑脱断层组成了构造楔，滑脱断层沿古近系泥岩向北滑脱，并切穿新近系地层，逆冲到地表(图4)。位于深层的断层受侏罗系煤层的影响，断层顺层滑脱，产状相对平缓，形成滑脱褶皱。

位于准南前陆冲断带东段的妖魔山断层和阜康断层都是南倾、北冲的逆冲断层(图4)。阜康断层是分隔山前断褶带及山前凹陷带的断层，主要控制其上盘中生界的褶皱构造[14,29]，阜康断层变形强烈，上盘的二叠系和三叠系露出地表，深层断层倾角相对平缓，断层从浅层至地表倾角逐渐变陡，具有滑脱性质。

2.3 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带构造样式差异性对比

受沉积环境和沉积体系变化的影响，库车前陆冲断带和准南冲断带易形成滑脱层，不同性质的滑脱层塑性流动和变形能力存在差异，影响上下地层的构造变形差异[5-8]。主要表现为以下几个方面：(1)库车前陆冲断带在强烈挤压作用下，盐上层、盐层、盐下层不协调变形，构造样式复杂，分层性显著；准南前陆冲断带的构造变形虽表现出不协调的特点，但滑脱层上下差异性弱于库车前陆冲断带。(2)准南前陆冲断带深层断层多切穿滑脱层向上推覆且延伸较远，并控制浅层褶皱；而库车前陆冲断带受膏盐岩的影响，盐下断层在膏盐岩中消失，盐上断层延伸距离较短(图3)。(3)由于膏盐岩的流动性，造成库车前陆冲断带构造变形多集中于厚层膏盐岩层之下，且构造样式繁多；而准南前陆冲断带二叠系、古近系泥岩和煤层分布均匀，南北厚度变化不大，构造变形表现为滑脱层上下构造变形带相互叠加特征(图4)。

3 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带的构造演化

选取了库车前陆冲断带和准南前陆冲断带中段的两条测线进行平衡恢复，测线位置可见图1。恢复结果表明，库车前陆冲断带中段的总缩短量为11.22 km，总缩短率为10.8%；准南前陆冲断带中段的南北向总缩短量为7.85 km，总缩短率为14.2%。自新生代以来，库车前陆冲断带和准南前陆冲断带虽然都经历了强烈的冲断褶皱活动(图5和图6)，使库车前陆冲断带和准南前陆冲断带发生剧烈变形，形成现今构造面貌，但构造变形差异主要发生在新生代以后。从变形强度来看，新生代以来库车前陆冲断带的变形强度比准南前陆冲断带更强，库车前陆冲断带自新生代以来的平均缩短量约12.28 km，平均缩短率约12.1%，大于准南前陆冲断带同时期的缩短量和缩短率(表1)。

表1 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带中段平衡剖面的缩短量和缩短率一览表Table 1 Shortening distance and rate of balance profiles in the foreland thrust belts (middle section)at Kuqa and on the southern margin of JunggarBasin

图5 库车前陆冲断带构造演化图Fig.5 Tectonic evolution diagram of the Kuqa foreland thrust belt

图6 准南前陆冲断带构造演化图Fig.6 Tectonic evolution diagram of the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

4 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带的构造差异定量分析

4.1 滑脱层上下断层平均断距分析

受膏盐层滑脱作用的影响，库车前陆冲断带内的滑脱层上覆地层的平均铅直断距和平均水平断距要大于滑脱层下伏地层的平均铅直断距和平均水平断距。膏盐岩的厚度差异影响滑脱层上下平均断距的变化，库车前陆冲断带中段膏盐岩厚度大于西段，使得库车前陆冲断带中段的滑脱层上覆地层平均铅直断距和平均水平断距要大于西段(图7(a))，中段平均铅直断距最大为1 359.2 m，平均水平断距最大可达1 705.2 m。滑脱层下伏地层的平均铅直断距和平均水平断距在库车前陆冲断带西、中、东段相差不大，盐下平均铅直断距为733.8～875.4 m，盐下平均水平断距为721.1～770.7 m，说明膏盐岩的塑性和分层能力强。

图7 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带内滑脱层上下平均断距直方图Fig.7 Histogram of average fault distance above and below the detachment layer for the foreland thrust belts at Kuqa and on the southern margin of Junggar Basin

准南前陆冲断带西、中、东段由不同滑脱层控制，西段为侏罗系的煤层在受到挤压后，转变为煤泥，具有滑脱性质，中段滑脱层为古近系泥岩、东段为二叠系厚层泥岩和侏罗系煤层[12-13]。受煤层和泥岩等滑脱层的影响，准南前陆冲断带滑脱层上覆地层的平均铅直断距和平均水平断距大于下伏地层；但准南前陆冲断带滑脱层上覆地层平均断距要小于库车前陆冲断带，准南前陆冲断带滑脱层上覆地层的平均铅直断距最大为995.9 m、平均水平断距最大为1 118.3 m，而库车前陆冲断带平均铅直断距最大可达1 359.2 m、平均水平断距最大可达1 705.2 m。以准南前陆冲断带和库车前陆冲断带的中段为例，由于滑脱层的差异，准南前陆冲断带滑脱层上下的平均铅直断距和平均水平断距比库车前陆冲断带的差值小，准南前陆冲断带滑脱层上覆地层的平均断距为915.7～995.9 m，下伏地层的平均断距为733.8～864.2 m，而库车前陆冲断带盐上平均断距为1 359.2～1 705.2 m，盐下平均断距为733.8～770.7 m，说明煤层和泥岩的分层能力较弱，不及库车前陆冲断带内膏盐岩(图7(b))。

4.2 滑脱层上下缩短量分析

准南前陆冲断带的西段、中段、东段存在不同的滑脱层，导致该地区滑脱层上下缩短量呈现分段变化的趋势。西段的滑脱层为侏罗系煤层，滑脱层上下缩短量比较接近，滑脱层上覆地层缩短量为3.4 km、下伏地层缩短量为4.2 km。中段的滑脱层是位于浅层古近系泥岩，滑脱能力要强于侏罗系煤层，下伏地层的缩短量最大为10.2 km，上覆地层最大可达8.2 km。东段含有多套滑脱层，博格达北缘和西缘为二叠系泥岩、米泉地区为三叠系泥岩和侏罗系煤层[12-13,29]，上覆地层的缩短量最大，可达12.9 km(图8(a))。

图8 准南前陆冲断带和库车前陆冲断带滑脱层上下缩短量直方图Fig.8 Histogram of shortening distance above and below the detachment layer for the foreland thrust belts on the southern margin of Junggar Basin and Kuqa

库车前陆冲断带滑脱层上下地层缩短量总体呈现“单段多峰”复杂的变化趋势(图8(b))，膏盐岩分布范围与厚度是重要的影响因素。库车坳陷中段是膏盐层最为发育的部位，也是构造变形最复杂的地区，受古近系库姆格列木群(E1-2km)巨厚的膏盐岩影响，中段滑脱层上下地层缩短量相差较大，最大相差近10 km(滑脱层上覆地层缩短量为15.6 km，下伏地层缩短量为5.7 km)。东段的滑脱层为新近系吉迪克组(N1j)膏泥岩，滑脱能力小于E1-2km膏盐岩，上下地层缩短量较为接近，上下缩短量差值为0.3～1.3 km，但总体来说下伏地层缩短量大于上覆地层。库车前陆冲断带内滑脱层上下缩短量呈现“单段多峰”的复杂变化趋势，这是准南前陆冲断带所没有的特点，说明滑脱层对库车前陆冲断带分层变形的影响比准南前陆冲断带更强。

5 库车前陆冲断带和准南前陆冲断带圈闭样式对比

受古近系、新近系膏盐岩等滑脱盖层的制约，库车前陆冲断带内的圈闭主要集中在盐下层，多为断背斜圈闭。盐下油气藏位于三叠系—侏罗系烃源岩之上，古近系和新近系盐层之下[21,25,27]，盐下的断层比较发育，并消失于上覆膏盐岩盖层，油气沿断层运移到断背斜圈闭中聚集成藏(图9)。准南前陆冲断带内的圈闭多为复合圈闭(构造—岩性、构造—地层)，二叠系和中—下侏罗统烃源岩生成的油气通过逆冲推覆断层运移到上盘聚集成藏[16,26,29]，泥岩等滑脱层的塑性和封存能力较差，断层多穿过褶皱核部及滑脱盖层，破坏了圈闭，导致在盖层上下的地层都有部分油气的发现(图10)。准南前陆冲断带深层和库车前陆冲断带的侏罗系—三叠系煤层、泥岩层等滑脱层控制的岩性—构造圈闭是未来油气勘探的有利目标。

图9 库车前陆冲断带成藏模式(据文献[21]修改)Fig.9 Accumulation model for the Kuqa foreland thrust belt

图10 准南前陆冲断带成藏模式(据文献[22]修改)Fig.10 Accumulation model for the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

6 结 论

(1)库车前陆冲断带和准南前陆冲断带存在不同性质的滑脱层，引起地下构造变形差异。库车前陆冲断带以古近系膏盐岩层为滑脱层，盐上层、盐层和盐下层不协调变形，分层特征显著；准南前陆冲断带滑脱层为二叠系泥岩、侏罗系煤层、古近系泥岩，虽表现为不协调变形，但深层断层多穿过滑脱层向上推覆且延伸较远，并控制浅层褶皱，滑脱层分层能力较弱。

(2)通过平衡剖面的恢复和定量分析的结果表明，库车前陆冲断带和准南前陆冲断带的构造变形差异主要发生在新生代以后，但库车前陆冲断带的变形强度在这段时期变形最强，平均缩短率为达12.1%，准南前陆冲断带变形强度较弱，平均缩短率为9.93%。受滑脱层差异的影响，库车前陆冲断带滑脱层上下平均断距总体大于准南前陆冲断带；说明库车前陆冲断带内滑脱层的塑性和分层能力强而准南前陆冲断带滑脱层的塑性和分层能力弱。库车前陆冲断带内滑脱层上下缩短量呈现“单段多峰”的复杂变化趋势，这是准南前陆冲断带所没有的特点，说明库车前陆冲断带经历的滑脱作用比准南前陆冲断带更剧烈。

(3)库车前陆冲断带和准南前陆冲断带内滑脱层的差异影响圈闭样式，库车前陆冲断带内的圈闭主要集中在盐下层，多为断背斜圈闭；准南前陆冲断带内的圈闭多为复合圈闭，泥岩等滑脱层的塑性和封存能力较差，断层多穿过褶皱核部及滑脱层，破坏了圈闭。准噶尔盆地南缘前陆冲断带深层和库车前陆冲断带的侏罗系—三叠系煤层、泥岩层等滑脱层控制的岩性—构造圈闭是未来油气勘探的有利目标。