塔里木盆地走滑断裂构造特征、形成演化与成因机制

贾承造 马德波 袁敬一 魏国齐 杨 敏 闫 磊 田方磊 姜 林

1.中国石油勘探开发研究院 2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院 3.中国地质大学（北京）能源学院

0 引言

走滑断裂是断裂两盘沿走向相对滑动的断裂类型，一直是构造地质学研究的重点。传统观点认为，大型走滑断裂一般发育在活动陆块边缘，延伸数百甚至上千千米，滑移距长达数十千米，比如美国的圣安德列斯断裂[1]、中国的阿尔金断裂[2]。随着大面积高精度三维地震资料的获取，人们发现稳定陆块内部也发育延伸达数百千米的大型走滑断裂，比如西伯利亚盆地[3]、四川盆地[4]、塔里木盆地[5-11]。这些走滑断裂虽然延伸很远，但滑移距很小，一般为几百米，最大仅数千米，是发育在构造稳定区的克拉通内走滑断裂。油气勘探实践证实，这些克拉通内走滑断裂对于储集层发育与油气成藏具有重要的控制作用。因此，开展克拉通内走滑断裂研究不仅对于深化克拉通内部构造变形与形成机制具有重要的理论意义，而且对于拓展油气勘探场面也具有重要的生产指导意义。

围绕塔里木台盆区中部走滑断裂已取得重大商业性油气发现，使得这套克拉通内走滑断裂构造特征、形成演化及控油气作用成为近年研究的热点。众多学者对此开展了研究工作，并取得了丰硕的成果，归纳起来分为两类：一类是众多学者对不同区块走滑断裂的构造特征、形成演化等开展了细致的研究工作[6-19]，为从区域上认识塔里木克拉通内走滑断裂的构造特征奠定了基础。另外一类是有学者从区域上探讨了塔里木台盆区走滑断裂的特征与形成机制[20-25]。杨海军等[20]介绍了塔北—塔中隆起走滑断裂分类、分级、分层与分段性研究认识。邬光辉等[5]着重讨论了塔里木克拉通中部走滑断裂形成的机理，提出连接生长为主的非安德森破裂是形成“小位移”长断裂的机制。韩剑发等[21]阐明了台盆区走滑断裂具有构造样式多样性、纵横结构分段性、形成演化多期性与继承性等特点，构建了走滑断裂带复式成藏地质模型。Deng等[22]阐述了顺北、顺托、顺南地区走滑断裂纵向分层、平面分段的特征，并分析了断裂形成的力学机制。马德波等[23]重点关注了走滑断裂的分段性，建立了克拉通内小滑移距走滑断裂分段发育模式。综上所述，前人对于塔里木台盆区中部走滑断裂研究成果丰富，但由于克拉通内走滑断裂位移小、断距小，且埋深大（超过6 000 m），不同学者对走滑断裂构造演化与形成机制认识仍然不统一，特别是对不同区块之间走滑断裂的认识差异较大，有待于进一步整体的、系统的研究。

本文基于塔里木台盆区中部大面积高精度三维地震资料与二维地震资料，开展断裂构造解析，揭示了研究区走滑断裂构造特征和形成演化过程；结合区域古构造应力背景的变化，探讨了塔里木克拉通内走滑断裂成因机制。

1 地质概况

研究区位于塔里木台盆区中部，包括塔北隆起轮南—哈拉哈塘、满西低凸起、塔中隆起、古城低凸起，面积约11×104km2。研究区地层发育较为齐全，自下而上发育寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系（图1）。寒武—奥陶纪经历缓坡、弱镶边、镶边、淹没台地的演化历程，形成寒武系—中下奥陶统碳酸盐岩层系与上奥陶统桑塔木组泥岩层；志留系至二叠系广泛发育海相滨岸沉积，以粉、细砂岩为主；中新生界为陆相沉积。寒武系、奥陶系、石炭系、三叠系是研究区主要的含油层系，具有多层系含油、沿断裂富集的特点。

图1 研究区主干断裂分布与地层综合柱状图

受控于盆地周缘洋盆的伸展—聚敛旋回，研究区经历6个构造演化阶段：加里东早期（寒武纪—早中奥陶世）为伸展构造环境，发育稳定的碳酸盐岩台地。加里东中期（中晚奥陶世），盆地南部原特提斯洋消减闭合，研究区受到较强的挤压作用，塔中、塔北两大古隆起初步形成。加里东晚期—海西早期（志留纪—泥盆纪），受盆地东南缘阿尔金构造域挤压作用，研究区东南部构造抬升，造成志留—泥盆系向东南方向剥蚀尖灭。海西晚期—印支期（晚二叠世—早三叠世），研究区北部南天山洋最终闭合，产生自北向南的挤压作用力，塔北隆起最终定型。燕山期—喜马拉雅早期，研究区处于整体埋藏阶段，构造活动相对较弱。喜马拉雅晚期以来，受印度板块与亚欧板块碰撞的影响，塔里木盆地处于强烈挤压的构造环境，盆地周缘形成新生代前陆盆地[26]。

2 克拉通内走滑断裂几何学特征

受不同位置、不同时期构造应力场环境差异的影响，塔里木台盆区中部走滑断裂具有剖面纵向分层、平面分区、沿走向分段的特点。

2.1 纵向分层

剖面上，研究区深层发育高陡直立的压扭走滑断裂，浅层发育张扭断裂，不同层系构造样式差异大，但深、浅层断裂纵向叠置，表现出分层变形的特点。

深层压扭走滑断裂主要发育在寒武—奥陶系，断裂在寒武—中奥陶统碳酸盐岩地层中破裂明显，表现为高陡直立样式，倾角近90°；上奥陶统泥岩层中断裂表现为塑性变形，不发育明显的破裂。中寒武统膏盐岩、奥陶系碳酸盐岩顶面表现为挤压突起的样式，反映深部走滑断裂是在挤压应力环境下产生，为压扭走滑断裂。深部压扭走滑断裂除了表现为高陡直立样式外，剖面上还发育一系列由主干断裂和分支断裂组成的正花状、半花状两类走滑构造样式。正花状构造表现为由深部往浅层撒开的、一系列逆断裂组成的背形样式。半花状构造由主干断裂和单侧发育的分支断裂组成，形似“半花”样式（图2、3）。

浅层张扭断裂发育在上古生界、中新生界碎屑岩层系，往深部消失在上奥陶统泥岩塑性层或搭在深层压扭走滑断裂上，表明浅层张扭断裂与深层压扭走滑断裂有一定的继承关系。单条张扭断裂规模较小，长度介于2～5 km，这些张扭断裂平面上呈雁列式展布，组成沿深层压扭走滑断裂展布的张扭断裂带，长度可超过百千米。张扭断裂剖面上表现为一系列断面较陡的正断裂，组合成两种构造样式：一种是由一系列相同倾向的正断裂形成“阶梯状”，另外一种是由一系列凹面向上的正断裂由深部往浅层撒开，形成下窄上宽的“负花状构造”或“堑垒样式”。断裂的多期活动造成深层压扭走滑断裂的正花状构造与浅层1～2层负花状构造叠置在一起，形成“花上花”的构造样式（图2、3）。

图2 塔北地区走滑断裂典型地震剖面图

图3 满西低凸起—古城地区走滑断裂典型地震剖面图

由于深层压扭走滑断裂是研究区的主干走滑断裂体系，浅层张扭断裂是这些主干断裂后期活动产生的伴生断裂，因此本文重点讨论深层压扭走滑断裂的平面分区性和沿走向分段性。

2.2 平面分区

塔里木台盆区中部压扭走滑断裂在不同区域具有不同的断裂走向、构造样式，表现出平面分区性。根据断裂走向、构造样式差异，将研究区走滑断裂划分为四个区：西部NW向断裂发育区、北部共轭断裂发育区、中部NE向断裂发育区、南部走滑与张扭断裂叠合区（表1）。

表1 塔里木台盆区中部走滑断裂分区构造特征与活动差异对比表

西部NW向断裂发育区位于YM20—SB5断裂以西，主要发育NW向展布的走滑断裂。北部共轭断裂发育区位于塔北隆起轮南—哈拉哈塘地区，发育由NNE、NNW向走滑断裂构成的似共轭走滑断裂，NNE、NNW向走滑断裂之间锐夹角为40°～50°，夹角平分线对应正北方向。主干断裂周缘发育一系列与之小角度相交的次级分支断裂，夹角多为30°～40°。中部NE向断裂发育区位于塔中—满西低凸起，发育一系列近似平行展布的NE向走滑断裂，断裂起始于塔中隆起，一直延伸到满西低凸起，最长断裂延伸长度可以达到240 km。南部走滑与张扭断裂叠合区位于古城地区，走滑断裂走向由NE向转变为NNE向，除了典型的压扭走滑断裂外，还发育独特的NE向张扭断裂（图4）。古城地区走滑断裂具有异于其他地区的特征，具体表现为该区走滑断裂剖面上构造变形弱，仅在奥陶系碳酸盐岩顶面上有断裂的响应；平面上呈断续线性延伸，不发育明显的侧接叠覆。古城地区走滑断裂表现出弱走滑的特征，可能是研究区克拉通内走滑断裂往南逐渐消亡的结果。

图4 古城地区走滑断裂典型地震剖面图

2.3 沿走向分段

分段性是走滑断裂的重要特征[27]。深层压扭走滑断裂沿走向具有不同的构造样式，表现出具有一定的分段性。走滑断裂分布图展示了研究区发育一系列北东向、北北东向、北西向长达数百千米的走滑断裂（图5-a），但是断裂带精细解剖揭示每一条走滑断裂都不是由始至终贯通的，而是有很多段通过侧接、叠覆形成的。前人详细解剖过顺北5断裂[22]、顺南地区走滑断裂的分段性与侧接叠覆[9]，本文以塔北地区YM1-Q2断裂为例展示克拉通内走滑断裂的分段性。YM1-Q2断裂位于塔北隆起哈拉哈塘西部，呈NNW向延伸。图5为YM1-Q2断裂的高精度相干切片、断裂展布以及地震横剖面。根据断裂平面组合特征、剖面构造样式沿走向的差异，将YM1-Q2断裂划分为5段。起始端S1段、终止端S5段应力发散，平面上表现为马尾状构造，剖面上为半花状构造（图5-b、g）。走滑断裂内部表现为多条线性延伸的次级断裂左阶叠覆，形成4个挤压叠覆区，将其划分为三段，S2段为平移段，平面上为线性延伸，剖面上表现为高陡直立断裂（图5-c）。S3段为叠覆段，由5条右行左阶的次级断裂组成4个挤压叠覆区，剖面上表现为两条走滑断裂夹持的局部隆升断块，构成正花状构造（图5-d、e）。S4段为平移段，平面上主干断裂呈线性延伸，周围发育一系列延伸短的分支断裂；剖面上表现为主干断裂与分支断裂组成的半花状构造（图5-f）。除此之外，由于走滑断裂走向的改变，形成局部挤压或局部伸展的应力状态，产生挤压弯曲或者伸展弯曲，比如顺南2井南部。

图5 YM1-Q2断裂带平面分段图及典型地震剖面图

3 克拉通内走滑断裂运动学特征

断裂的运动学分析是基于断裂几何学研究结果，追索断裂运动的位移方向、位移量大小和活动期次[27]。本文在几何学特征研究基础上，开展了研究区走滑断裂运动方向、位移量、活动期次方面分析，来明确断裂的运动学特征。

3.1 运动方向

研究区东侧发育轮南—古城中下寒武统台缘[28]、北侧发育塔北晚奥陶世良里塔格组台缘[29]，成为确定走滑断裂运动方向、位移量的良好参照物。本文通过走滑断裂相互交切的方向、错断中下寒武统或良里塔格组台缘带的方向、断裂带内部叠覆区应力状态进行深部压扭走滑断裂运动方向的判断，发现研究区NE、NNE向走滑断裂为左旋，NNW向走滑断裂为右旋。以塔中北斜坡顺南地区为例，顺南2断裂中段发育左阶叠覆区，叠覆区内部发育一系列正断裂，为伸展型叠覆区，据此判断顺南2断裂为左旋走滑断裂[6]。同时顺南2断裂往北延伸至肖塘南地区，左旋错断了中下寒武统台缘带，进一步证实顺南2为左旋走滑断裂[30]。

浅部张扭断裂运动方向的判断主要依据张扭断裂雁列展布方式，发现起源于同一走滑断裂的上古生界张扭断裂、中新生界张扭断裂可能具有旋向相反的现象。上古生界张扭断裂旋向与深部压扭走滑断裂旋向一致，比如塔中北斜坡顺南地区志留系张扭走滑断裂呈右阶式展布，为左旋走滑，与深部NNE向压扭走滑断裂旋向一致[17]。中新生界张扭断裂旋向与深部压扭走滑断裂旋向相反，比如塔北哈拉哈塘地区深部NNE向压扭走滑断裂为左旋，浅层白垩系—古近系张扭断裂为左阶式展布，为右旋走滑[7]。

3.2 位移量

不同于发育在活动陆块边缘的大型走滑断裂，位移量大，易于测量。塔里木台盆区中部走滑断裂位移量小，难以直接测算。本文通过测量走滑断裂错断轮南—古城中下寒武统台缘带或塔北地区良里塔格组台缘带、良里塔格组顶部河道的位移，厘定研究区走滑断裂的位移量为400～1 500 m，属于构造稳定发育的小滑移距的克拉通内走滑断裂。

3.3 活动期次

断裂活动时间的确定一直是构造地质学的难题。断裂纵向构造样式的变化、断穿层位与不整合面的关系是厘定断裂活动期次的常用方法。塔里木台盆区走滑断裂具有纵向分层性以及发育多期具有时间意义的不整合面，因此，这两种方法在厘定研究区走滑断裂的活动期次中具有较好的适用性。

研究区第一期走滑断裂为高陡直立样式的压扭走滑断裂，与浅层断裂样式差异明显，且只发育在志留系底这一区域不整合面以下，因此，确定研究区走滑断裂形成时间为加里东中期。这与前人利用奥陶系断裂方解石胶结U-Pb定年确定的走滑断裂形成于距今约460 Ma的认识是一致的[5]。

第二期走滑断裂为张扭断裂，主要发育在上奥陶统—志留系碎屑岩中，往上未断穿石炭系底不整合面，确定第二活动期为加里东晚—海西早期。第三期走滑断裂也是张扭断裂，该期张扭断裂与前一期张扭断裂构造样式略有差异，断裂贯通性强于前一期张扭断裂，主要发育在石炭系—二叠系，往上未断穿三叠系底不整合面，确定第三活动期为海西晚期。第四期走滑断裂同样为张扭断裂，主要发育在侏罗—白垩系，往上消失在古近系，确定第四活动期为燕山期—喜马拉雅早期。综上所述，研究区走滑断裂形成于加里东中期，加里东晚期—海西早期、海西晚期、燕山期—喜马拉雅早期部分断裂重新活化。

4 克拉通内走滑断裂形成演化

受不同时期构造应力场环境的差异，不同期次走滑断裂的分布、断裂平面组合样式具有明显的差异。

4.1 加里东中期

加里东中期，受塔里木板块南缘原特提斯构造域古昆仑洋、古阿尔金洋俯冲消减闭合的影响[31]，盆地内部受到较强的挤压作用，形成塔中、塔北两大古隆起，同时产生以塔中I号断裂、塔中东部弧形断裂带、塔北轮台断裂为代表的一系列逆冲断裂。研究区不同位置主要构造应力方向稍有差异，塔中隆起主要受到SW-NE向挤压应力[32]，形成以NW向塔中I号断裂为代表的逆冲断裂，同时在塔中北斜坡、满西低凸起产生一系列NE向走滑断裂，古城地区形成一系列NNE向走滑断裂。塔北隆起受到近SN向挤压应力，产生一系列NNE、NNW向走滑断裂组成的类共轭走滑断裂（图1）。

4.2 加里东晚期—海西早期

加里东晚期—海西早期，受盆地东南侧古阿尔金洋闭合后碰撞造山的影响[33]，盆地内部受到来自东南方向的强烈挤压应力，致使研究区南部NE向走滑断裂活化，在上奥陶统—志留系碎屑岩中产生一系列雁列式分布的张扭断裂。这些张扭断裂沿深层加里东中期走滑断裂右阶式雁列展布，长度可超过上百千米（图6-a）。加里东晚期—海西早期张扭断裂带主要分布在YM20井以南的塔中隆起、满西低凸起、古城低凸起，且具有由南往北断裂活动逐渐减弱的特点，反映了该期断裂与盆地东南侧古阿尔金洋消减闭合具有良好的耦合关系。

图6 研究区不同时期张扭断裂分布图

4.3 海西晚期

二叠纪末，南天山洋最终关闭，塔里木地块与伊犁—中天山拼合，盆地北部产生强烈的陆陆碰撞造山[26,33-34]，成为塔北地区及周缘古隆起、断裂发育定型的主要动力来源。碰撞造山产生的自北向南的强烈挤压应力作用于盆地内，使研究区北部地区塔北隆起部分走滑断裂活化，在上古生界石炭系—二叠系产生张性断裂（图6-b）。晚海西期张扭断裂的分布具有两个特点：①断裂主要分布在塔北隆起，最南部仅延至顺北5井周缘，其他地区晚海西期断裂不发育或活动非常微弱，这与海西晚期盆地主要受到北部南天山洋闭合带来的挤压应力的区域构造背景一致；②海西晚期断裂主要呈NNW向展布，为塔北隆起深层NNW向走滑断裂活化产生。

4.4 燕山期—喜马拉雅早期

燕山期—喜马拉雅早期，塔里木盆地处于南天山碰撞造山期之后的应力松弛期[26,31]，研究区主要受到盆地北部构造应力的影响，造成燕山期—喜马拉雅早期断裂主要分布在塔北隆起。燕山期—喜马拉雅早期，主要发育几组北NE、近南北向张扭断裂带，剖面上表现为小型堑—垒构造或阶梯式断裂，断裂根部位于二叠系内部，顶部断至古近系内部；平面上，由一系列左阶式雁列状正断裂组成，这些断裂主要沿深层加里东中期走滑断裂分布（图6-c）。

众所周知，喜马拉雅晚期是塔里木盆地强烈挤压构造期，对盆地周缘库车、塔西南两大前陆盆地的形成起到重要作用，但从目前诸多资料来看，喜马拉雅晚期对台盆区中部这套克拉通内走滑断裂活动影响较弱，这与塔北—塔中地区喜马拉雅晚期构造变形较弱的规律是一致的。其原因是喜马拉雅晚期塔北—塔中地区处于库车前陆盆地强挤压应力影响区之外，加之巨厚的新近系—第四系沉积地层，致使深部走滑断裂活动微弱，未在浅层地层中形成新的走滑断裂。

5 克拉通内走滑断裂成因机制探讨

通过上述阐述可知，中加里东期走滑断裂奠定了研究区断裂发育的整体格局，后期张扭走滑断裂为中加里东期走滑断裂活化产生的伴生断裂，两者具有不同的成因机制。

5.1 加里东中期走滑断裂成因机制

加里东中期是研究区走滑断裂形成的关键时期，该期走滑断裂的形成受控于基底结构非均一性与原特提斯洋俯冲消减闭合带来的挤压作用力。

塔里木盆地基底结构的非均一性是中加里东期大型克拉通内走滑断裂发育的内因。塔里木盆地基底是由南、北塔里木地块在18亿年哥伦比亚超大陆聚合期拼合而成[35]，南、北塔里木地块基底结构差异大。从航磁异常特征看，北塔里木地块磁异常上表现为广阔平缓负磁异常，反映其基底物质组成、结构相对均一；南塔里木陆块发育一系列NE向正负相间的高磁异常带，代表南塔里木基底结构非均一性强，基底可能发育一系列NE向构造薄弱带[36]。南、北塔里木地块基底结构的差异控制了中加里东期走滑断裂的分区差异。北塔里木陆块基底结构相对均一，在挤压作用下易发生共轭剪切破裂，形成X型走滑断裂。南塔里木陆块基底结构非均一性强，基底NE向展布的构造薄弱带，在挤压作用下易于形成NE向剪切破裂。

塔里木盆地南侧原特提斯洋俯冲消减闭合带来的挤压作用力是走滑断裂形成的外在动力。加里东中期，研究区不同区域挤压应力方向略有差异。塔中地区挤压应力方向为SE-NW，形成以塔中I号断裂、塔中隆起为代表的挤压构造，同时在塔中古隆起及斜坡区形成NE向走滑断裂。走滑断裂的形成受控两种机制：一是与大型逆冲断裂（塔中I号断裂）同步发育，与逆冲断裂近似垂直的撕裂断裂，这些撕裂断裂逐渐发展成走滑断裂；二是基底NE向构造薄弱带挤压作用下形成走滑断裂。由于塔北地区除了受到盆地南侧原特提斯洋的影响，也受到盆地北部南天山洋的影响，塔北地区与塔中地区具有不同的构造边界条件，也就具有不同的应力方向。在南天山洋施加的由北往南弱挤压应力与原特提斯洋SE-NW向挤压应力共同作用下，塔北地区受到的挤压应力方向为近南北向，在北塔里木板块均一基底、上古生界均一碳酸盐岩介质中形成X型展布的共轭走滑断裂。

5.2 张扭走滑断裂成因机制

将加里东晚期—海西早期、海西晚期、燕山期—喜马拉雅早期张扭断裂的分布与盆地周缘洋盆的聚敛闭合联系起来，发现两者具有良好的耦合关系，反映了张扭断裂的发育受控于不同时期盆地周缘洋盆的闭合。张扭断裂是盆地周缘洋盆闭合作用于加里东中期走滑断裂，产生的伴生分支断裂。雁列角分析是开展雁列式张扭断裂形成机制分析的有效手段。研究区不同时期张扭断裂主要有10°～15°、40°～50°两个雁列角区间（图7）。10°～15°雁列角的张扭断裂与加里东中期走滑断裂近似平行，为加里东中期走滑断裂后期活化产生的R剪切分支断裂。40°～50°雁列角的张扭断裂与加里东中期走滑断裂交角大，为加里东中期走滑断裂后期活化产生的张性破裂断裂[37]。

图7 断裂演化模式图

6 结论与展望

1）塔里木克拉通内走滑断裂具有纵向分层、平面分区、沿走向分段的特点。纵向上由深层压扭走滑断裂与浅层张扭断裂构成两层或三层样式；平面上研究区走滑断裂具有分区性，分为西部NW向断裂发育区、北部共轭断裂发育区、中部NE向断裂发育区、南部走滑与张扭断裂叠合区四个区，不同区域具有不同的断裂走向、构造样式；深层压扭走滑断裂沿走向表现为由平移段、叠覆段、马尾状构造组成，体现出一定的分段性。

2）塔里木克拉通内走滑断裂形成于加里东中期，加里东晚期—海西早期、海西晚期、燕山期—喜马拉雅早期部分走滑断裂活化形成张扭断裂。加里东晚期—海西早期断裂分布在研究区中南部，海西晚期、燕山期—喜马拉雅早期断裂主要分布在研究区北部。基底非均质性与盆地南缘原特提斯洋消减闭合是走滑断裂形成的主要原因，不同时期盆缘洋盆闭合是后期断裂差异活化的主控因素。

3）塔里木台盆区中部走滑断裂研究有助于深化克拉通内走滑断裂认识，但本研究注重了断裂几何学、运动学分析及不同期次断裂与盆地周缘构造背景的耦合关系研究，建议以后的研究中加强断裂内部结构刻画与局部应力场分析。

4）由于中国三大克拉通盆地基底多具非均质性，且经历多旋回、多方位构造应力作用，造成盆地内差异性基底的非均匀受力，形成多期演化的克拉通内走滑断裂。前期由于高精度三维地震资料的匮乏，这些克拉通内走滑断裂并未得到重视。近期，除了塔里木克拉通内走滑断裂获得高度重视，并产生了巨大的油气勘探效益之外，四川盆地、鄂尔多斯盆地也均发现了大型走滑断裂。这些走滑断裂剖面上具有高陡直立、分层变形的特点，平面上具有延伸远、分段变形的特点，且走滑位移量均在数千米以内，与本文介绍的塔里木克拉通内走滑断裂构造特征具有一定的相似性。相信随着越来越多研究力量投入到对中国三大克拉通盆地走滑断裂的研究，不久的将来必将形成适应于中国小陆块、多旋回盆地的克拉通内走滑断裂理论认识。