克拉美丽断裂带构造变形特征及其成因演化

2021-11-25姜颜良吴孔友李天然孙文洁纪杰刘芋杰张冠杰董文馨

断块油气田 2021年6期

姜颜良，吴孔友，李天然，孙文洁，纪杰，刘芋杰，张冠杰，董文馨

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

0 引言

造山带内的大型断裂构造，特别是盆缘断裂，是了解造山过程的重要窗口[1-10]，也是解析盆地形成与演化的重要对象。克拉美丽断裂带是中亚造山带东准噶尔地区的一级边界断裂带，是野马泉岛弧与哈尔里克岛弧之间的拼贴边界[11]，控制和影响了准噶尔盆地东北缘的形成和演化。由于多期构造运动的叠加，逆冲推覆剧烈，造成地震资料解释精度低，严重制约着油气勘探进程。前人主要从克拉美丽蛇绿混杂岩带及其两侧的矿物组成、生物化石和年代学等角度，对克拉美丽断裂带的活动期次、活动方式等进行了研究[12-14]，但对演化过程中不同构造阶段的构造变形特征及野外露头等研究偏少，关于克拉美丽断裂带的形成与演化仍存在许多认识上的分歧[11-14]。

为此，本次研究综合利用野外踏勘、分形维数、平衡剖面恢复等方法，结合前人研究成果，开展了准噶尔盆地克拉美丽断裂带地质特征、变形机制及成因演化研究。研究成果对理解准噶尔盆地东北缘的造山过程和演化历史、恢复成盆阶段，以及为后续油气勘探提供了理论依据。

1 地质概况

中亚造山带夹持在东欧、西伯利亚、塔里木—华北克拉通之间，是全球规模最大的显生宙增生造山带[12]。研究区克拉美丽断裂带位于准噶尔盆地东北缘，是由克拉美丽深大断裂和清水—苏吉泉大断裂以及周围的破碎带、侵入体等组成的宽2～10 km，脆、韧性变形混杂交织的复杂断裂带（见图1）。该断裂带是中亚造山带的重要组成部分，前寒武纪以来经历了漫长而复杂的构造运动，晚古生代是该区最重要的板块碰撞、陆内造山运动时期，主要表现为岩浆岛弧和増生杂岩等地质体间的碰撞拼贴[15-16]。

图1 准噶尔盆地东北缘地质简图

从区域地质背景、钻井资料及地层的出露情况看，东准噶尔克拉美丽断裂带地区发育的最古老地层为志留系（S），主要分布于克拉美丽深大断裂北侧及库普断裂附近，是一套浅海相碎屑岩、火山碎屑岩夹石灰岩沉积。断裂带两侧主要出露泥盆系（D）和石炭系（C），属于滨海—浅海相碎屑岩系和岛弧伸展背景下的火山岩系（见图1）。泥盆系广泛分布着卡拉麦里组（D2k）和平顶山组（D2p）。其中，卡拉麦里组以钙质粉砂岩、泥质粉砂岩和细砂岩为主，平顶山组主要岩性为玄武玢岩、安山玢岩、凝灰砂岩。石炭系主要分布于克拉美丽断裂带内部。石炭系下统主要分布着松喀尔苏组（C1s）、塔木岗组（C1t）地层，为一套海陆过渡相沉积岩；上统分布着巴塔玛依内山组（C2b）、六棵树组（C2l）等地层，以下部大量发育火山岩、上部海相地层广布为特点。断裂带西南侧出露较大范围陆相二叠系（P）—侏罗系（J），局部出露三叠系（T）、白垩系（K）、古近系（E）和第四系（Q），由山向盆地层基本上展现出由老到新的展布规律。

研究区内火山活动较为频繁，形成多期次火山岩序列，从超基性岩到碱性岩均有分布。岩浆岩以酸性侵入岩为主，主要分布于克拉美丽深大断裂北侧，岩性主要为正长花岗岩、钾长花岗岩、二长花岗岩和黑云母碱性花岗岩，常以脉状、不规则岩株、岩基状产出。主要有野马泉岩体、老鸭泉岩体、贝勒库都克岩体、黄羊山岩体等（见图1），岩性以黑云母碱性花岗岩和正长花岗岩为主。

2 断裂带几何学及平面展布特征

2.1 几何学特征

研究区野外踏勘发现：褶皱、断裂构造十分发育，纵横交错，相互切割，具有成因联系；断层产状陡倾，存在晚期断层切割早期断层、晚期断层切割改造早期褶皱等构造现象（见图2。地层中符号所指地层以不整合为界）。

图2 克拉美丽断裂带信手剖面

不同剖面中断裂带显示的空间变化规律不同，具有明显多期次性；断层发育的密集程度也有较大的差异，A—A′，B—B′，C—C′剖面中断层发育密集程度明显比D—D′高，显示了克拉美丽断裂带NW和SE方向断层发育密集程度的分段特征。克拉美丽深大断裂为NWW 走向，断面向 NE 陡倾，倾角在 70°～80°，横穿整个准噶尔东部地区，并向WN方向继续延伸，为一条岩石圈尺度长期活动的高角度压扭性深大断裂，该断裂规模巨大，长度超过300 km，地貌为宽100～400 m的沟谷，并形成宽阔破碎带，第四系覆盖严重；清水—苏吉泉大断裂位于克拉美丽深大断裂北侧，长度超过100 km，走向 NW，倾向 NE，倾角 50°～80°，与克拉美丽深大断裂近乎平行展布，地貌呈明显的负地形和沟谷状：两者共同组成克拉美丽脆-韧性剪切带，其余断裂整体上是这2条断裂在走滑运动下产生的派生构造。

2.2 断裂系统平面展布特征

由于研究区晚古生代以来经历了多期强烈的构造运动，克拉美丽断裂带发育各种断裂体系，从壳层的深大断裂至区域的剪切破裂均有分布，构成了复杂而密集的断裂网。从断层平面展布（见图3）可见，断层不同部位具有不同的构造样式和平面组合特征。断裂带大致以黄羊山岩体为界，NW向末端呈马尾状，伴生与派生的断裂构造极为发育，且方位多变，不同方位断层性质不同；NW向和SE向的断裂发育密集程度表现出明显的分段性，反映了大型断裂带周缘较为复杂的断层组合。根据断裂的长度规模，断裂划分为一级断裂（大于 200 km）、二级断裂（60～200 km）和三级断裂（小于60 km）。对研究区不同级别断裂走向进行玫瑰花图统计（见图3。图中半径标值为断裂条数），结果表明：NW，NWW，NNE和近EW是各级断裂走向的优势方位，以NWW，NW向断裂规模最大，包括了所有一级断裂和二级断裂；断层性质主要为走滑断层和逆冲断层，表明NWW向的走滑断层和逆冲断层的空间展布和发育规模在研究区占据优势，构成了研究区的主体构造格架；正断层则切割次级断层，多呈NNW向展布。整体上，各种断裂及夹持的旋转块体展布特征及力学性质基本符合Harding的右旋走滑应力模式及Aydin等[17-18]提出的简单剪切模式。

图3 克拉美丽断裂带不同层次断裂平面展布及走向玫瑰花图

2.3 断裂系统分形特征

在断裂构造的研究中，分形维数值可定量描述构造的复杂程度，分形维数值越高，断裂构造越复杂，主断裂的分支断裂就越多，区域内断裂发育程度越高[19-21]。分形维数值是断层数量、规模、发育程度、组合方式、演化程度及动力学机制的综合体现[17]。因此，可以运用分形维数来定量表征断裂构造在空间的分布和几何结构特征。

由于计盒维数模型算法简单，容易借助Arc GIS软件中的“创建鱼网”模块实现，同时获得的计盒维数值与工区的尺度大小无关，可以客观地表示复杂断裂形迹的无标度性，方便不同层位、不同单元的断裂进行对比[20]；因此，本文利用分形维数中的计盒维数模型对克拉美丽断裂带及周缘断裂进行分形特征研究。

计盒维数可定义为

式中：D为计盒维数；Nr为与几何形迹相交的非空网格数；r为覆盖几何形迹的正方形网格边长，km。

式（1）可以变换成N（r）与r之间呈幂定律分布的形式：

式中：N（r）为包含几何体边长为r的正方形盒子数；C为常数。

将式（2）两边分别取对数，得：

由式（3）可知，若用最小二乘法拟合，在双对数坐标系中，lg N（r）-lg r呈线性关系，则研究对象具有分形特征，直线的斜率就代表了计盒维数D值。

由于克拉美丽断裂带构造方式和作用强度的差异影响以及地质构造的不同，断层的分布及发育密集程度在平面上表现出较强的分段性（见图3），大致以黄羊山岩体为界，可划分为东段和西段。为验证这种分段性，根据式（3）对克拉美丽断裂带东段和西段的断裂分别用边长1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 km的鱼网覆盖，进行计盒维数（分形维数）的计算。根据计算统计结果，对lg r和lg N（r）作一元线性回归分析，结果如图4（图中直线斜率即断裂构造分形维数）所示。

图4 克拉美丽断裂带东西段断裂构造分形维数计算

由图4可知：克拉美丽断裂带东段和西段各个方向上断裂构造的lg r与lg N（r）呈明显的线性关系，决定系数（R2）均超过0.99，表明研究区断裂构造在1～6 km标度区间内具有良好的分形分维特征。东段分形维数为0.966，西段分形维数为1.109。东段与西段的分形维数值不一致，且相差较大，证明了克拉美丽断裂带的东、西分段特征；西段分形维数值大于东段，表明西段断裂构造复杂程度高于东段，这也与东准噶尔克拉美丽碰撞造山时期西强东弱的特点[20-21]相吻合。

3 克拉美丽断裂带运动学特征

克拉美丽断裂带长期活动，产状较陡，深切地幔，是构造、岩浆和成矿等作用密集活跃的地带之一。

据野外考察，克拉美丽断裂带表现出典型的脆-韧性右旋走滑剪切性质。断裂带内岩性以片理化砂岩、千枚岩化砂岩、凝灰质砂岩为主，原始地层产状被透入性劈理所置换，岩石发生强烈的片理、劈理（见图5a，5b。图中箭头为相对位移方向，图5f同）及糜棱岩化，在相对较浅的地层上，劈理面向上散开，表现出花状构造的特点，具有强烈的聚敛性走滑构造带韧性变形的特征。在断裂带较强硬的浅变质砂岩和火山岩露头上，则主要呈现脆性变形特征，发育典型的“X”形共轭剪节理（见图5c），也存在代表脆性变形的张节理和具有石英填充的张裂脉，石英脉多呈雁行状定向排列（见图5d），说明曾发生过韧性剪切。

图5 克拉美丽断裂带野外露头特征

在克拉美丽脆-韧性剪切带的石炭系下统松喀尔苏组地层中发育明显的剪切带S-C组构（由面理（S面理）和剪切带（C面理）组成。S面理和C面理以一定角度相交，锐角指示剪切带内的剪切指向）（见图5a。其中箭头表示相对位移方向，图5b，5f同），指示了剪切带右旋剪切性质；同时可见剪切带内发育的劈理控制着压扁方向，与应变椭球体的S1S2面（S2方向经过S1与S3交叉点且垂直于纸面）方位一致的现象（见图5b），劈理方向沿最大拉伸应变方向（S1）排列，垂直于最小拉伸应变方向（S3），与主断面所交锐角尖端指示同侧盘相对运动方向，指示了克拉美丽断裂带右旋走滑活动性质。

断裂带内见断层擦痕、摩擦镜面（见图5e）等断层识别标志，同时可见众多构造透镜体（见图5f），相邻构造透镜体呈左阶定向斜列展布，旋向为右旋，也指示了克拉美丽断裂带右旋走滑活动性质。

断裂带内部岩石遭受强烈挤压作用，破碎严重，无明显层面，可见走滑构造带对蛇绿岩套中辉长岩、辉绿岩的改造——强烈的糜棱岩化（见图5g）。这些岩石形成于强烈的构造应力背景下，指示了克拉美丽断裂带为压扭性应力状态下形成的聚敛性走滑断裂带。在下石炭统松喀尔苏组地层中可见面理化碳质泥岩被倾向相反的一组脆性逆冲断层所切割，构成冲起构造（见图5h），冲起带中心发育韧性剪切。在泥盆系卡拉麦里组内部可见连续褶皱及逆冲断层组合叠加在早期面理化带之上（见图5i）。这些现象都指示了早期脆-韧性走滑剪切带形成之后又被叠加了脆性逆冲活动。

野外地质踏勘对克拉美丽脆-韧性剪切带内和周缘的劈理以及“X”形共轭剪节理产状进行了系统观察与追踪实测，发现由南向北，劈理面产状呈规律性变化：南部劈理北倾，倾角介于20°～60°；北部劈理南倾，倾角介于50°～70°；在清水—苏吉泉断裂周围的劈理面倾角明显变陡，近于80°～90°。从剪节理玫瑰花图（见图6，其中半径标值为节理条数）可以看出存在明显的“X”形共轭节理：一组走向约20°，倾角直立；另一组走向约140°，倾角直立；剪节理的锐角平分线方向绝大部分为NNW方向，仅少数为SW向，可判断区内最大主应力为NNW向。

图6 “X”形共轭剪节理玫瑰花图

4 克拉美丽断裂带的形成演化

克拉美丽断裂带经历了多阶段、多期次的构造演化历史，表现出巨大的规模与强烈的活动特征。海西运动中晚期，准噶尔盆地向北与西伯利亚板块发生碰撞弥合，北部克拉美丽山作为陆陆碰撞的陆缘增生部分向南逆冲，发育NW向的克拉美丽深大断裂和众多褶皱[22-26]。印支运动早期，塔里木板块与欧亚大陆多次碰撞，准噶尔盆地与周缘板块基本完全拼贴，多板块的共同作用，派生出的扭应力造成了西伯利亚板块与准噶尔盆地相对滑动[24-25]，研究区受此影响，发育走滑断裂。印支—燕山运动时期，西伯利亚板块受到来自南部准噶尔盆地挤压，使得克拉美丽山继续隆起，此时博格达山也发生了快速隆升向北推覆，研究区持续受到强烈的区域压扭作用[12-13，24-26]，克拉美丽断裂带发生强烈的右旋走滑活动[27]，改造了海西运动晚期的构造格局，野外露头中观察到的走滑断层切割褶皱现象就是很好的佐证。白垩纪研究区处于稳定的陆内坳陷时期[28]。喜马拉雅运动时期，受到了印度板块与欧亚大陆碰撞的远程效应的影响，西伯利亚板块与准噶尔盆地再次发生挤压碰撞[9，22-24]，在近南北向水平构造挤压作用下，克拉美丽山持续隆升，早期的逆冲断层重新活动，并形成新的低角度逆冲断层，切割了之前形成的走滑断层，强烈改造了燕山期的构造格局。从野外露头中观察到的逆冲断层切割走滑断层、连续褶皱及逆冲断层叠加在早期面理化带之上等现象，可以很好地证实这一点。

根据E—E′剖面（见图1）的地震解释方案进行平衡演化剖面恢复，绘制了包括石炭纪末期至侏罗纪末期的剖面构造特征（见图7）。在前人认识的基础上，结合野外地质调查中观察到的现象认为：克拉美丽断裂带形成于石炭纪，在石炭纪及二叠纪主要表现为逆冲断裂性质，石炭纪末与二叠纪末之间的缩短量相对较大，也反映出挤压为主的应力背景；在三叠纪，应力背景发生变化，克拉美丽断裂带发生右旋走滑运动，在早期的逆冲断裂基础上发生了走滑运动，同时派生了分支断裂，在剖面上表现为花状构造；侏罗纪时期，克拉美丽断裂带的右旋走滑作用持续增强，分支断裂发育，其花状分支控制了侏罗纪沉积，而白垩纪构造较稳定；到了古近纪及新近纪，随着喜马拉雅运动，早期断裂逆冲复活，形成新的逆冲断裂，盆地整体向南掀斜。

图7 克拉美丽断裂带平衡演化剖面（E—E′）恢复

综合分析认为：克拉美丽断裂带的第1次强烈挤压主要发生在石炭纪—二叠纪，形成多条向北倾斜、近乎平行展布的逆冲断裂，从南向北依次为克拉美丽深大断裂和清水—苏吉泉断裂。由于克拉美丽洋的关闭是自西向东的，西侧的挤压先于且强于东侧[19，25]，因此，在克拉美丽深大断裂的NW向末端发育了次级逆冲断层。在三叠纪—侏罗纪时期，构造应力由逆冲挤压转变为近东西向的走滑剪切作用，克拉美丽深大断裂及清水—苏吉泉断裂均发生右旋走滑，形成了大量派生构造，其中早期的克拉美丽深大断裂西北侧的次级断裂在走滑作用的影响下，与克拉美丽深大断裂相交，形成了马尾状构造。第2次南北向强烈挤压发生在喜山期，随着印度板块与欧亚板块强烈碰撞，在近南北向水平构造挤压作用下，克拉美丽山持续隆升，早期的逆冲断裂重新活动，并形成新的低角度逆冲断裂，切割了之前形成的走滑断裂，造就了现今的地质面貌。