塔里木盆地东部古生代中期伸展构造的发现及其地质意义*

2022-08-18杨海军李曰俊马德波魏红兴李洪辉罗彩明段云江黄彤飞赵甜玉

地质科学 2022年3期

杨海军李曰俊马德波魏红兴李洪辉罗彩明赵岩段云江黄彤飞赵甜玉

（1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司新疆库尔勒 841000；2.中国科学院地质与地球物理研究所，油气资源研究重点开放实验室北京 100029；3.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院北京 100083；4.科新石油技术服务有限责任公司新疆库尔勒 841000）

塔里木盆地东南缘的阿尔金山，是特提斯超级造山带最北缘的缝合带之一（常承法等，1973；S'engör et al.，1985，1987，1988，1990，1992，1993；Chang et al.，1986；Tozer，1989；Hsü et al.，1995；贾承造等，2001；潘裕生等，2010；吴福元等，2020；曾庆高等，2020）。它是一条早古生代的增生—碰撞造山带，也是为数不多的闭合后没有再打开的原特提斯缝合带（常承法等，1973；新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993；刘良等，1999；Sobel and Amaud，1999；郝杰等，2006；杨经绥等，2008；潘裕生等，2010；张占斌等，2012；张建新等，2015；李三忠等，2016a，2016b；Zhang et al.，2017；牟墩玲等，2018；马拓等，2019）；只是被后期的构造变形改造，尤其是晚新生代印度板块—亚洲板块碰撞远程效应下的大规模走滑断裂——阿尔金断裂的强烈改造（Tapponnier and Molnar，1977；郭令智等，1992；崔军文等，1999；许志琴等，1999；葛肖虹等，2001；汤良杰等，2002；陈汉林等，2009；谢会文等，2012；宋星童等，2019；Laborde et al.，2019）。阿尔金早古生代增生—碰撞造山作用是原特提斯构造演化历史的重要记录，对原特提斯研究具有特殊的意义。

关于阿尔金早古生代增生—碰撞造山作用的研究，以往多集中于造山带内蛇绿岩、高压—超高压变质岩和俯冲—碰撞相关的岩浆岩（刘良等，1999，2013；Sobel and Amaud，1999；Zhang et al.，2001，2014；吴峻等，2001；杨经绥等，2003，2008；郝杰等，2006；潘裕生等，2010；张建新等，2010，2015；盖永生等，2015；康磊等，2016；李三忠等，2016a；牟墩玲等，2018；马拓等，2019；吴玉等，2021）；而对于相邻盆地（塔里木和柴达木）内的研究相对较少。以往的研究多关注其增生—碰撞作用，特别是碰撞起始时间，关于碰撞后伸展阶段的研究相对较少。

塔里木盆地内地层发育较全，后期构造变形对先存构造的改造较弱，早期的构造变形可以比较好地保存下来。同时，作为一个克拉通之上的沉积盆地，塔里木盆地内部的构造变形相对较弱，尤其是碰撞后的伸展构造，规模普遍较小，因而，在早期采集的品质较低的地震资料上不容易被发现而忽略掉。随着地震勘探技术的提高，特别是三维地震资料的大面积采集，地震资料的品质大幅提高，塔里木盆地周边碰撞造山作用在盆地内形成的碰撞后构造陆续被发现（赵岩等，2012；Li et al.，2013，2015；李曰俊等，2014；刘云祥等，2014；李洪辉等，2020；Wen et al.，2020）。

近年来，作者在认真、系统的地震资料解释基础上，对塔里木盆地的断裂系统又开展了新一轮的研究。塔里木盆地东部的古生代中期伸展构造就是这一轮地震资料解释过程中发现的。我们认为，它们是塔里木地块—柴达木地块早古生代碰撞造山作用的碰撞后构造。本文介绍这一新的发现，并讨论其地质意义。

1 地质背景

塔里木盆地因发育其中的塔里木河而得名，是中亚地区的一个大型中-新生代沉积盆地。它发育于塔里木克拉通之上，具有前南华系结晶基底和南华系—第四系沉积盖层（新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993；贾承造，1997；贾承造等，2001，2002，2004；张师本等，2004；邬光辉等，2020，2021）。经过几十年的油气勘探，已经在塔里木盆地的多个层系发现油气田/藏，使之成为我国陆上最大的含油气盆地（贾承造，1997；何治亮等，2001；贾承造等，2002；李丕龙等，2010；Laborde et al.，2019；Wu et al.，2021）。

在全球大地构造格局中，塔里木地块与东侧的华北地块和西侧的卡拉库姆地块相连，分隔北侧的阿尔泰（中亚）和南侧特提斯两大超级造山带（S'engör et al.，1988，1993；Xiao et al.，2009；许志琴等，2011）。现今的塔里木盆地四面环山，地貌上呈现一大型山间盆地特征。盆地北侧为南天山山脉，西南侧是西昆仑山脉，东南缘是阿尔金山脉（图1）。它们都是经过长期复杂的构造演化过程形成的造山带。塔里木盆地的地质构造演化严格受这些造山带构造演化过程的控制。

图1 塔里木盆地构造单元划分和研究区位置（据Li et al.，2015，2022 修改）Fig.1 Tectonic units of the Tarim Basin showing the location of studied area（modified after Li et al.，2015，2022）

塔里木盆地北侧的南天山造山带，是阿尔泰（中亚）造山带最南缘的一条缝合带，经历了古生代到中生代早期的增生—碰撞造山作用和晚新生代陆内造山作用（王作勋等，1990；Windley et al.，1990；Allen et al.，1992；肖序常等，1992；S'engör et al.，1993；Lu et al.，1994；汤耀庆等，1995；Brookfield，2000；李曰俊等，2001，2009，2010；Xiao et al.，2004，2009；肖文交等，2006；杨海军等，2010，2020；Charvet et al.，2011；赵岩等，2012；Li et al.，2013，2016a；Wen et al.，2017，2020；李洪辉等，2020）。

西昆仑和阿尔金造山带是特提斯超级造山带北缘的缝合带，是特提斯尤其是特提斯早期构造演化的重要记录（常承法等，1973；Hsü and Bernoulli，1978；S'engör，1984，1988，1992；Chang et al.，1986；Dewey，1988；Tozer，1989；Hsü et al.，1995；S'engör and Nata'in，1996；许志琴等，2006；潘裕生等，2010；Xu et al.，2015；李三忠等，2016a；曾庆高等，2020；吴福元等，2020）。前者位于塔里木盆地的西南侧，后者位于塔里木盆地东南侧（图1）。

西昆仑山是一条复杂的增生—碰撞造山带，经历了古生代复合增生造山作用（Chang et al.，1986；Yao and Hsü，1994；潘裕生等，1996；杨树峰等，1999；肖文交等，2000；周辉等，2000；郝杰等，2003；Xiao et al.，2005；Wang et al.，2014）和三叠纪碰撞造山作用（Sobel，1999；程晓敢等，2012a；陈延贵等，2018；Wu et al.，2021；Li et al.，2022），并叠加了晚新生代印度板块—亚洲板块碰撞远程效应下的大规模陆内造山作用（伍秀芳等，2004；陈汉林等，2010，2018；Cowgill，2010；Sobel et al.，2011；王道轩等，2011；程晓敢等，2012b；梁瀚等，2012；Cao et al.，2015）。

阿尔金山是一条早古生代的增生—碰撞造山带（常承法等，1973；刘良等，1999，2013；吴峻等，2001；Zhang et al.，2001，2014；杨经绥等，2003，2008；郝杰等，2006；张建新等，2010，2015；康磊等，2016；牟墩玲等，2018；吴玉等，2021；Teng et al.，2022），叠加有中-新生代的构造改造，特别是晚新生代阿尔金断裂大规模左行剪切走滑作用的强烈改造（崔军文等，1999；许志琴等，1999；汤良杰等，2002；陈汉林等，2009；谢会文等，2012；宋星童等，2019）。

2 地震解释在塔里木盆地东部发现古生代中期的伸展构造

塔里木盆地几乎全部被新生界所覆盖，包括闻名于世的塔克拉玛干沙漠。盆地内保存下来的前新生代构造深埋于地下，地表无法直接观察、分析，因而，这些构造的发现和研究都必须借助于地震资料和地震资料解释。中国石油塔里木油田（及其前身塔里木石油勘探开发指挥部）、大庆油田和中国石化西北油田（及西部新区勘探指挥部）在塔里木盆地油气勘探过程中采集了大量的地震资料。本文所用的地震资料主要来自中国石油塔里木油田。

地震资料解释是世界上油气勘探开发的一项关键性技术。层位标定是地震资料解释的基础性工作。通过层位标定，可以建立地震地层与年代地层、岩石地层之间的对比关系，明确地震剖面上各主要反射层的地质含义。一般选择过钻井的较高品质的地震剖面，运用地震合成记录、单井VSP（Vertical Seismic Profile）资料以及运用钻井地层研究成果，进行地震资料的层位标定。层位标定后，才能引层、解释。

塔里木盆地的探井基本上都有钻井/录井报告。一些重要的探井还有单井评价报告。在钻井井位论证、钻井/录井报告和单井评价报告撰写的过程中，地震地层与年代地层、岩石地层的对比关系是必不可少的研究内容。而且，井位论证前，地震资料解释一直没有停止过。另外，中国石油和中国石化还在塔里木盆地完成了很多地层学的专题研究（李洪辉等，1992；王仁德，1992；周东延等，1992；周棣康等，2000；贾承造等，2004；张师本等，2004）。

伴随着油气勘探开发的深入，特别是塔里木石油会战以来，已有数十年的地震资料采集和解释。塔里木盆地的每一个构造单元、每一个区块都已经完成了许多轮的地震资料层位标定。目前，塔里木盆地各地震反射层的地质含义都已经基本明确，地震地层与年代地层、岩石地层之间的关系也已经建立。本文直接采用这些层位标定和地层研究的成果，特别是塔里木油田勘探开发研究院各区块研究科室的层位标定方案。层位标定之后，就是引层和层位解释。层位解释后的构造解释基本上属于构造地质学的内容，这也是我们工作的核心。

自2020 年起，我们开展了新一轮以断裂为核心研究内容的全塔里木盆地地震资料解释。这一轮地震资料解释在塔里木盆地东部（简称“塔东”）首次发现了古生代中期伸展构造（图2～图7）。

图2 塔里木盆地东部发现的古生代中期正断层分布图红线.古生代中期正断层；黑线.其它断层Fig.2 Distribution of the Mid-Paleozoic normal faults revealed in the eastern Tarim Basin

塔东地区的古生代中期伸展构造首先是在TLM-Z75区域性地震大剖面上发现的（图3）。这是一条30 多年前采集的地震剖面。我们这次重新解释它时，在剖面中部，塔东低凸起/塔东背斜的北翼的古生代地层中发现数个地堑。古生界顶部是一个大的不整合。从塔东背斜北翼向核部，侏罗系—白垩系逐渐超覆于古生界之上。断点清晰的3 个地堑之上，白垩系直接不整合于上泥盆统至石炭系下部。鉴于塔东南地区曾经发现侏罗纪伸展构造（陈汉林等，2009），所以，一开始我们以为这也是侏罗纪伸展构造。不过，随后的仔细分析，特别是完成断层生长指数计算后，发现这是古生代的伸展构造，形成于上泥盆统沉积之前，晚泥盆世—石炭纪继承性活动，中生界沉积之前停止活动（图3b～图3d）。

图3 A-A'地震剖面上的古生代中期正断层（剖面位置同时标注于图1）红线.古生代中期正断裂；黑色线条.其它断裂；GI.断层生长指数Fig.3 The Middle Paleozoic normal faults on the A-A'seismic profile（the profile location is also shown in Fig.1）

A-A'地震剖面上的伸展构造（正断层及其组合成的堑垒构造）见于剖面中部（图3a）。剖面左侧的2 个地堑的正断层向上断至上泥盆统底后停止，明确告诉我们，正断层活动起始于上泥盆统沉积之前。中间3 个最清晰的地堑的正断层向上断开上泥盆统底，进入上泥盆统—石炭系，但是没有断开白垩系底（图3b、图3c）。它们不是同期形成的断裂？或者同期形成，但是断层活动结束的时间不同？我们在中间3 个断点清晰的地堑中各选一条较适合断层生长指数计算的断层，分别是F1、F2 和F3，计算断层生长指数，分析断层活动性（图3c、图3d）。

断层生长指数计算结果显示，这3 个地堑的形成和演化过程基本一致（图3d）。F1、F2 和F3 断层在上泥盆统—石炭系的断层生长指数1.08、1.18 和1.05，均大于1，说明断层在晚泥盆世—石炭纪有活动。不过，由于3 条断层发育部位白垩系直接不整合覆盖于上泥盆统—石炭系之上，缺失石炭系大部分、二叠系、三叠系和侏罗系，所以，这里的断层生长指数计算结果只能说明，正断层在晚泥盆世及之后仍有活动；无法直接给出断层活动停止的确切时间。

3 条断层中-下泥盆统的上部（La 反射层与上泥盆统底之间的地层）地层的断层生长指数分别是1.15、1.21 和1.11，中下部（La 反射层与泥盆系底之间的地层）的断层生长指数分别为1.17、1.09 和1.08，说明它们在早-中泥盆世均有活动，且活动性相对较强。而志留系内部由于缺乏地堑内外对应关系（清晰可靠的标志层/反射层），无法分层、段进行断层生长指数计算，所以，将志留系作为一个整体一起测量、计算。计算结果，3 条断层的断层生长指数分别是1.16、1.03 和1.04，指示它们在志留纪有活动，即它们起码在志留纪就已经形成了。志留系以下，因地堑内部的反射太差，无法测量、计算断层生长指数，推测断层生长指数可能是1，断层可能还没有开始活动。

结合左侧两个向上断至上泥盆统底后停止活动的地堑/正断层分析，作者认为，TLM-Z75 上在古生界发现的伸展构造/正断层形成时间基本一致，即均形成于志留纪；其第一个断层活动阶段结束于中泥盆世末，上泥盆统沉积之前；此后，部分断层仍有继承性活动，并于白垩系沉积之前全部停止活动（确切时间无法由此剖面给出）。

随后，我们对附近的地震剖面进行了有针对性的认真搜索，又在多条地震剖面上发现了该期伸展构造（图4～图7）。

B-B'是与A-A'近于平行的一条区域性地震大剖面（图1，图4）。该剖面上所发现的正断层更靠近背斜北翼的坡脚部位，地层发育较全（与A-A'剖面相比），更有利于断层活动性分析。剖面上所发现的正断层向上基本上都终止于上泥盆统的底，没有再向上延伸。显然断层活动结束的时间是明确的，就是中泥盆世末至晚泥盆世初。这就是前文所说的正断层活动第一阶段的结束时间。此外，该剖面上发育侏罗系。即使侏罗系直接不整合上覆于发育正断层的古生界之上的部位，正断层也没有断开侏罗系的底，未进入侏罗系，说明本次所发现的正断层在侏罗纪没有活动，与陈汉林等（2009）在阿尔金山前发现的侏罗纪正断层不是同期形成断层。从B-B'剖面看，第一阶段也就是该期正断层的主要活动阶段，是该期断层的形成期；此后的断层活动是其复活或继承性演化。接下来，我们需要判定正断层活动的起始时间和演化过程。

图4b 和图4c 是B-B'剖面正断层发育较好部分的放大图，也是我们要重点剖析的部分。其右侧，侏罗系—白垩系直接不整合于中-下泥盆统甚至志留系之上，大套地层缺失，无法准确判定断层活动结束的时间，不适合断层活动性分析。我们在左侧地层发育相对较全，特别是发育有没被正断层断开的上泥盆统—石炭系的部位，选取F1、F2和F3 断层，进行断层生长指数计算，分析正断层形成演化历史（图4）。

图4 塔东地区B-B'二维地震剖面上的古生代中期正断层（剖面位置同时标注于图1）红线.古生代中期正断裂；黑色线条.其它断裂；GI.断层生长指数Fig.4 The Mid-Paleozoic normal faults on B-B' 2D regional seismic profile in the eastern Tarim Basin（the profile location is shown in Fig.1）

在中志留统以下（Lb 反射层之下）的地层中，F1、F2 和F3 断层两侧的同时代地层厚度相同，生长指数为1，说明断层在中志留世之前没有活动，尚未形成。断层两侧同期地层厚度的差异出现在中志留统—中泥盆统。F1、F2 和F3 在中-上志留统的断层生长指数分别是1.22、1.15 和1.06，在中-下泥盆统的断层生长指数分别是1.13、1.10 和1.16。断层生长指数说明，正断层活动起始于中志留世，并持续至中泥盆世。

该剖面上有上泥盆统发育的部分，多数正断层向上终止于上泥盆统的底，说明断层在上泥盆统沉积之前停止活动。图4c 上的F4 及其左侧的两条倾向相对的正断层，不适合断层生长指数计算。前者是因受其右侧分支断层的影响；后者是因为两条正断层向下过早地汇聚到一起，上部分开相互独立部分很短。不过，这里确凿无疑地存在上泥盆统—石炭系，正断层向上断开中-下泥盆统至上泥盆统底后终止，没有继续向上延伸。这就确凿无误地给出了断层活动结束的时间，是中泥盆世末。

C-C'地震剖面F1 断层生长指数计算结果支持上述断层活动性分析结果（图5）。C-C'剖面上的F1 在晚泥盆世—石炭纪有明显的活动，这与A-A'剖面的情况类似。这一阶段的断层活动是断层形成之后复活或继承性活动，属于另一构造活动阶段的产物。

D-D'是与C-C'近于平行的一条区域性地震剖面（图5，图6），所发现的正断层也类似。不过，D-D'剖面上的正断层断距很小（地震剖面尺度），加之受地震反射质量的限制，大部分断层不适合断层生长指数计算。仔细筛选，我们从中选取F1 和F2 两条断层开展断层生长指数测量、计算。

图5 塔东地区C-C'二维地震剖面上的古生代中期正断层（剖面位置同时标注于图1）红线.古生代中期正断裂；黑色线条.其它断裂；GI.断层生长指数Fig.5 The Mid-Paleozoic normal faults on the C-C' 2D seismic profile in the eastern Tarim Basin（the profile location is also shown in Fig.1）

图6 塔东地区D-D'二维地震剖面上的中志留世—中泥盆世正断层（剖面位置同时标注于图1）红线.古生代中期正断裂；黑色线条.其它断裂；GI.断层生长指数Fig.6 The S2—D2 normal faults on the D-D' 2D seismic profile in the eastern Tarim Basin（the profile location is also shown in Fig.1）

D-D'剖面发育有三叠系。三叠系不整合于古生界之上。剖面左侧的古生界比较完整，三叠系不整合于二叠系之上。正断层向上均未断开三叠系的底，甚至没有断层断开二叠系的底。大部分断层向上断至D3—C 的底面后停止活动，少数停止在D3—C 下部La 反射层处停止活动（该大致相当于石炭系的底界）。F1 和F2 向上均断开D3—C 的底面进入D3—C，停止于La 反射层。其上泥盆统的断层生长指数分别为1.05 和1.08，在中-下泥盆统的生长指数分别为1.05 和1.12。说明断层在晚泥盆世和早-中泥盆世均有活动，断层的形成时间早于晚泥盆世。F2 处地震反射差，而且其与右侧的断层在泥盆系底附近就汇聚到一起，所以，其泥盆系之下的断层生长指数无法计算。F1 在中-上志留统的断层生长指数是1.02，指示断层已经开始活动。其在下志留统的断层生长指数是1.00，说明断层尚未开始活动，还没有形成。

除了区域地震大剖面之外，我们最近又在TD2 井区的二维地震剖面上发现了古生代中期的伸展构造（图7）。这进一步证实了塔东地区古生代中期伸展构造的存在。

图7 塔东TD2 井区E-E'和F-F'二维地震剖面上的古生代中期正断层（剖面位置见于图2）红线.古生代中期正断裂；黑色线条.其它断裂Fig.7 The Mid-Paleozoic normal faults on the E-E'and F-F' 2D seismic profiles in the TD2 well block，eastern Tarim Basin（see profile locations in Fig.2）

根据上述地震解释成果结果，本轮地震解释在塔东地区古生界发现的正断层，断层活动起始于中志留世，持续至中泥盆世后，大部分断层在上泥盆统沉积之前终止活动，少数在晚泥盆世有继承性活动，个别断层的活动持续至石炭纪晚期后停止活动。

3 讨论：塔东古生代中期伸展构造是塔里木地块—柴达木地块碰撞造山的碰撞后构造

古阿尔金洋消减—闭合直至塔里木地块—柴达木地块碰撞造山，形成了阿尔金早古生代增生—碰撞造山带。根据造山带内蛇绿岩和俯冲—碰撞相关岩浆岩、变质岩的同位素年代学、地球化学和岩石学等研究结果表明，古阿尔金洋的打开起始于前寒武纪末至寒武纪早期，至中寒武世就已经演化成一个广阔的大洋；自晚寒武世—早奥陶世，阿尔金洋的洋壳开始向柴达木地块之下俯冲（刘良等，1999，2013；Zhang et al.，2001，2014，2017；郝杰等，2006；杨经绥等，2008；崔美慧等，2011；张占斌等，2012；Wang et al.，2014；盖永生等，2015；张建新等，2015；康磊等，2016；牟墩玲等，2018；马拓等，2019；郭晶等，2021；曹福根等，2022；Teng et al.，2022）。自此开启了阿尔金早古生代增生—碰撞造山带的演化历史。关于阿尔金洋最终闭合的时间，也就是塔里木地块—柴达木地块碰撞的起始时间，多认为发生于中-晚奥陶世（郝杰等，2006；张建新等，2010，2015；Zhang et al.，2014；范亚洲等，2018；吴玉等，2021）。早古生代晚期，阿尔金碰撞造山作用结束。此后，阿尔金增生—碰撞造山带的构造演化进入造山后伸展阶段（刘良等，2013；Wang et al.，2014；康磊等，2016；马拓等，2019；Teng et al.，2022）。

碰撞造山作用引起造山带及其相邻盆地/克拉通构造变形，形成碰撞相关构造。碰撞相关构造是碰撞造山作用最直观、最可靠的记录，在碰撞造山带研究中具有重要意义。作者以往在塔里木盆地的地震资料解释过程中，已经发现了塔里木地块—柴达木地块碰撞造山时形成的同碰撞构造，并根据同碰撞构造的变形时间判定，塔里木地块—柴达木地块之间的碰撞造山作用起始于中奥陶世末—晚奥陶世初，持续至早志留世（Li et al.，2016b，2022；黄少英等，2020）。

塔里木盆地东部发现的古生代中期伸展构造位于阿尔金早古生代碰撞造山带前陆部位，伸展构造形成时间（中志留世—中泥盆世）紧随同碰撞构造形成（晚奥陶世—早志留世）之后（Li et al.，2016b，2022；杨海军等，2020），且与造山带内碰撞后岩浆岩的年龄（康磊等，2016；Teng et al.，2022）吻合较好。所以，作者认为塔东的中志留世—中泥盆世伸展构造是阿尔金早古生代碰撞造山的碰撞后构造，其起始时间（早志留世末至中志留世初）就是塔里木地块—柴达木地块碰撞造山作用结束的时间。该期碰撞后构造，在塔里木盆地的其它地区也有发育（李曰俊等，2014；刘云祥等，2014；Li et al.，2015；黄少英等，2020）。