克拉通盆地内断裂走滑变形特征

黄 雷, 刘池洋, 何发岐,贾会冲,周义军,王 朝,王建强,刘永涛,,李 鑫

(1.西北大学 含油气盆地研究所,陕西 西安 710069;2.中国石化华北油气分公司,河南 郑州 450006;3.东方地球物理公司研究院 长庆分院,陕西 西安 710021)

走滑断裂在世界范围内广泛发育于靠近板块或块体活动边界的不同构造环境,诸如洋陆板块转换边界、陆内板块碰撞带、连接裂谷系统中伸展断层转换带以及连接冲断带中逆断层的转换带[1-3]。发育于这些活动构造背景的大型走滑断裂带已得到较深入的研究,如美国的圣安德鲁斯走滑断裂带[4]、中国的阿尔金走滑断裂带[5]和郯庐走滑断裂带[6]。基于这些典型走滑断裂带的研究及物理模拟研究[7-10],走滑断层特征与演化的相关理论认识得以建立。近年来的油气勘探中,随着三维地震资料在断层识别中精度的提高,一类较为隐蔽的、发育于远离活动板块边界和构造薄弱带的克拉通盆地内部稳定区的走滑断裂被发现并引起关注[2-3,11-12]。尽管此类走滑断层在动力学成因上也被解释为板块间应力传递影响的结果,但相比之下，其在几何学和运动学特征方面表现出较大的特殊性,诸如走滑规模与活动强度、走滑属性与区域应力场间的关系等方面[11-13]。目前,有关克拉通盆地内部断裂的几何学、运动学以及动力学特征方面的基本规律尚不清楚。

中国大陆发育华北、塔里木和扬子3大古老克拉通,克拉通之上分别长期发育3个大型的克拉通盆地,即鄂尔多斯盆地、塔里木盆地和四川盆地。3大克拉通盆地也是中国十分重要的3个大型油气生产基地。长期以来，3大克拉通盆地内部一直被认为构造较为稳定而甚少发育断裂[14-16]。然而,近年来，随着油气勘探较高精度地震勘探工作的实施和地震资料的覆盖,发现在这些所谓的克拉通稳定地区亦发育大量的走滑性质断层,且均具有较好的油气控制效应[11-12,17-19]，为研究克拉通盆地内走滑断裂这一类型构造提供了难得的实例。本文通过综合和对比3大克拉通盆地内典型地区的走滑断裂的发育特征,总结和讨论克拉通稳定块体内走滑断裂的基本发育特征和可能的动力学机制。

1 鄂尔多斯盆地西南部走滑断裂特征

鄂尔多斯盆地面积25×104km2,位处华北克拉通西部,油、气、煤、铀等多种矿产资源同盆共存。该盆地克拉通基底形成于约1.85 Ga的多个小型陆块的拼合[20],之后盆地经历从中新元古代到新生代的长期、多阶段的演化-改造;受加里东、印支、燕山和喜马拉雅多期挤压-伸展-走滑性质构造事件的影响,盆地周缘发生逆冲挤压等强烈构造变形,尤其是盆地西缘最为典型与强烈[21-22]。尽管盆缘构造变形相对强烈,但在盆地边缘到盆内的广泛区域一直保持着相对的构造稳定,一直被认为断裂等构造变形极少发育[15]。近几年来,随着三维勘探地震在鄂尔多斯盆地的应用,新近发现，在盆地内部发育大量的断层与裂缝,这与以往对该盆地内部构造的认知产生较大差异。这一发现在基础地质和油气勘探方面均意义重大。

已有的勘探地震综合研究揭示,鄂尔多斯盆地内部古生界—中生界主要发育NEE向、NW向和近S—N向3组断裂,这3组不同走向的断层分别作为优势断裂发育于不同层位,体现出断层发育的分层性特征(见图1，2)。

近南北向断裂主要发育在下古生界,呈多条断层近平行带状展布(见图1);其中单条断层延伸长度不大,在延伸方向上,其走向常在NNW到NNE之间变化,使得整个断裂带较为破碎。剖面上,该组断裂近直立发育,向上切穿至石炭系—二叠系底部(T9层),极少穿透上古生界煤层,发育明显的负花状构造,指示断层具有走滑性质。

北西—南东向断裂在中生界三叠系尤为发育,少部分向下切穿至奥陶系，向上延伸至近地表浅部(见图1)。在盆地西南部地区(镇泾地区)(见图2),部分NW向断层在古生界—中生界贯穿发育,延伸数十千米,组成贯穿全区的主干断层。NW向断裂多表现为由若干小断层雁列式排布组成的多个断裂带平行展布(见图1);在西南部地区的NW向，主干断层平面连续性较好,雁列式排布特征不明显,指示其发育程度相对较高。该组断层从盆缘到盆内,断裂带宽度、断裂密度具有减小的趋势。剖面上近直立,倾角多在80°以上,垂向断距小;发育典型的花状构造,上下贯穿发育的主干断层则呈现纵向至少3期花状构造分层叠置发育的特征,3期花状构造大体以石炭—二叠系和侏罗系两套煤系地层为界(见图2),指示多期走滑活动叠加的特征。从断层侧接处的构造变形判断,该组断裂经历了古生代的左旋走滑活动、早中生代的右旋以及之后的左旋走滑等多期次叠合演化。

北东东—南西西向断层主要发育在浅部地层中(见图1,2),大多数断裂向下收敛于延长组下部(T6c层位附近),向上切穿新生代地层。平面上，该组断裂呈现系列由近于平行的多条断裂而组成断裂带,各断裂带之间等间距、近平行排列形成NEE向断裂体系。带内单条断裂延伸小于10 km,断裂带延伸数十千米。在剖面特征上,这些断裂近直立发育,每个断层带内的单断层向下收敛构成花状构造样式,断层垂直断距较小,很少明显错断同相轴,隐约可见正断性质。在断层右阶侧接处发育更明显的伸展变形,指示该组断层具有右旋走滑性质。在野外露头发现的NEE向断裂,据擦痕判断其具有右旋张扭走滑性质。

图1 鄂尔多斯盆地内部谷峰庄地区不同深度三维地震方差切片(据文献[23]修改)Fig.1 3D seismic time slices from various depths in the Gufengzhuang area of the Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地西南部镇泾地区三维地震切片及典型三维地震剖面解释Fig.2 3D seismic time slice and interpreted seismic profile in the Zhenjing area of the southwestern Ordos Basin

总之,鄂尔多斯盆内主要有NEE向、NW向和近S—N向3组走滑性质的断层发育,其中3组走滑断裂体系的优势发育层位不同,表现出主要在侏罗系以上、三叠系、古生界3个层系分层发育的特征。3组断层多为近直立断裂,断裂倾角多为60°～90°,垂直断距一般小于40 m, 平面贯穿性较差，分段发育,纵向连续性弱,其中NEE向断裂在全盆地内发育更为明显，连续性较好,指示其活动性更为广泛、强烈。

2 塔里木盆地塔北隆起和塔中隆起北斜坡走滑断裂特征

塔里木盆地面积56×104km2,是中国最大的克拉通内盆地,该盆地周缘经历了古生代以来的多期次、多方向的块体拼合事件,塑造了克拉通盆地基础上多期叠合发育的盆地特征,盆地周缘以大型逆冲断裂及断层相关褶皱形成的褶皱冲断带为主的构造变形[24-26]。近年来,通过油气勘探地震，在盆地内部的塔北隆起区和塔中隆起北斜坡带发现大量走滑断裂[11-12,27]。这些走滑断裂的长度从数十千米到数百千米,其中延伸最长的SB5断层长270 km,盆内不同位置的断层展布具有较大差异(见图 3)。

塔北隆起上断层主要发育以NNE向和NNW向两组断层组成“X”型组合样式[12,27]。该区内，在TP39断层以西，NNW向断层发育为主,而该断层在东则以NNE向断层为主[28](见图3)。两组主干断层均向下切穿寒武系底界(T90),多数次一级的断层则主要发育在T80—T60层间[12,27,29],在中新生代,部分主断层(如TP39 断层)持续活动[29](见图4)。

塔北隆起内，断层在剖面上具有明显的分层性,表现为深层近直立断层，浅层雁列式断层复合叠加,或多个花状构造上下叠加的特征[12,30](见图4)。例如,NNE向TP39断层在T90与T74之间为近直立断层段,具有左旋走滑特征;而在T50之上则为明显雁列式正断层段,具有右旋走滑特征[12]。SB5断层北段在T90 与 T74之间也表现为近直立断层,具有逆断距、右旋走滑性质;而在T70之上的浅层则表现为雁列式断层,具有正断距、左旋走滑性质[12,31]。其他断层的类似分层性质表现的也较明显,多显示T74和T83是重要的分层界面[32],这两个界面也是不同岩性的界面[30,33]。该区断层水平滑移距较小(多小于1 km),其中规模较大的SB5断层滑移距为0.3～1.4 km[34]。

塔中隆起北斜坡与塔北隆起区不同,存在多条NNE向断层近平行发育,以20～40 km的间距展布[12],这些断层垂直于塔中隆起走向。断层在西部发生走向变化,SB5断层以西，由NNE向变为NW向。NEE向断层主要发育在古生界,剖面上也呈现出两部分[35-36]:深层(T74至基底)呈近直立的逆断距单断层或正花状构造,浅部(T70—T60)则呈负花状构造特征,一般向上延伸终止在桑塔木组泥岩层。在平面上,深部断层段通常由多段组成,形成断层的侧接和叠置区,这些地区在走滑作用下相应发育拉分和隆起构造。浅部断层段则由多条NW向小型的正断层雁列式排布组成,构成NEE向走滑断层的伴生断层,而主断层与这些浅层小断层之间的夹角大约为45°。

塔中隆起北斜坡断裂带内方解石胶结物的U-Pb原位定年给出的断裂活动年龄为大约460 Ma(中奥陶世末)[37];该区浅部雁列正断层的断层生长指数分析显示，其活动起于中志留世,在晚志留世—中泥盆世持续活动[29];深部层段右阶断层处发生挤压隆起，浅部层段雁列正断层的右阶部位也发生挤压隆起,据此推断，断层可能一直以右旋走滑活动为主[31，35-36],这与塔北隆起上的断层活动史不尽相同,说明两个地区的断层活动在动力学演化上存在差异性。塔中隆起北斜坡晚奥陶世发育的河道砂体被断层错断700～1 800 m,指示走滑断层的滑移量小于2 km；同时其还具有从南向北滑移量减小的趋势[35]。

3 四川盆地川中地区走滑断裂特征

四川盆地面积26.0×104km2,为发育在扬子克拉通之上的叠合盆地[40],处于华南板块西部、多块体交接部位,周缘被米仓山、龙门山、大凉山、齐岳山等诸多块体碰撞挤压成因的山体围绕[40-42]。在周缘这些造山带多期次强烈构造活动中,盆地周缘发育大规模的逆冲断层,但在盆地中部(川中地区)相对构造稳定,被认为较少断层发育。近年来,三维地震资料同样揭示，在这些原以为构造稳定的地区发育大量的走滑断层。

图3 塔里木盆地走滑断裂分布平面图(据文献[28-29,38]修改)Fig.3 Distribution of strike-slip faults in the Tarim Basin

图4 塔里木盆地走滑断裂地震剖面(据文献[12,31,39]原始剖面重新解释)Fig.4 3D seismic sections in the Tarim Basin

三维地震资料揭示,川中地区至少发育6条10～35 km宽、近平行的走滑断裂带[43](见图5)。这些断裂带整体呈现NWW向和近EW向,每个断裂带内包含多条不同长度的近直立断层,最长者延伸可达200 km。这些断层主要发育在震旦系—下古生界,向上延伸至上二叠统龙潭组和中下三叠统嘉陵江组、雷口坡组;在东部的部分断层向上可断至侏罗系和地表。剖面上,这些断层通常呈现近直立和负花状构造样式,平面上可发育雁列式、马尾状构造,可见断层和地层的水平错断,这些特征一并指示了断层的走滑性质[44-45](见图6)。

图5 四川盆地断裂体系图(据文献[43]修改)Fig.5 Distribution of fault system of the Sichuan Basin

在垂向剖面上,断层具有明显的分层性,呈现出多个花状构造上下叠置的特征(见图6)。在嘉陵江祖和雷口坡组500～1 000 m厚的膏盐岩中,发育诸多小尺度雁列式断层和褶皱,平面上介于两个平行走滑断裂带之间或主走滑断裂之上,被解释为深层走滑断层活动在浅部形成的伴生断层[43]。实际上，在该套膏盐岩层之上仍发育一些花状构造(见图6),这也显示了断层发育的分层性特征,而软弱层在分层发育中起到一定的作用。川中地区的这些走滑断层具有较小的位移量,其垂向正断距约为30 m[46],水平滑移距可能为110～550 m[45,47]。

从发育的地质层位判断,这些断层被认为主要发育在早加里东期和晚海西期[45]。管树巍等[43]通过对发育于磨溪和高石梯走滑断层之间的小型凹陷构造缩短量和沉降量变化的分析,也认为该区断裂在中生代之前的主要活动时间为晚震旦世、早奥陶世至早二叠世。考虑到部分断层断穿盆地最上部地层甚至地表,表明新生代喜马拉雅期这些断层持续活动[43,48]。

4 克拉通盆地内走滑断裂发育共性特征

上述3大克拉通盆地内典型地区的走滑断裂，尽管发育时期不尽相同,但表现出以下诸多相似性特征。

1) 在剖面和平面上均发育较典型的走滑断裂标志性构造,如近直立断层、花状构造、线性构造、马尾状构造组合、断层侧接部位的拉分构造和挤压隆起等。

2) 断层普遍具有垂直断距和水平滑移距均较小的特征,多数延伸较短的断层滑移距并不明显,对于百千米级别长度的断层，其滑移距仅几十米到几百米，最大也仅为1千米左右,明显偏小于全球其他地区正常走滑断层同等规模情况下的走滑位移量[49]。

3) 正是由于断距较小,其隐蔽性更强,品质较好的三维地震资料才能较好地揭示这些断层的存在；野外露头发现，多数断层与裂缝较为相似,亦难于识别。

4) 断层在垂向剖面上具有明显的分层性,深浅层可发育多个相对独立的花状构造,形成上下叠置的特征。

图6 四川盆地川中地区走滑断裂典型地震剖面(据文献[48]原始剖面重新解释)Fig.6 Typical 3D seismic section in the central region of the Sichuan Basin

5) 平面上具分段性,单条断层由诸多小尺度断层分段连接而成;在其生长规律上也展示出延伸较长的断层由多条较短断层分段生长、最终连接而成[50]。

6) 走滑断层演化程度较低,较小断距和滑移距、垂向贯穿性差导致的分层性、平面分段性明显等均指示断层的演化程度较低。从露头尺度来看，小型断层有些呈现出似断非断的断-缝过渡态,与传统走滑断层演化规律对比[8-9],其尚未形成贯穿性、较大型走滑带,体现其在较低应力状态下、断裂的较初级变形阶段。

7) 与盆缘构造要素和应力特征明显不协调,在走向及运动学性质上脱耦。其走向上多与盆缘及盆缘断层大角度/垂直相交而非平行;盆缘断层多为周缘普遍挤压环境下形成的逆(冲)断层,而盆内稳定区较少发育与之相当的逆断层,而是发育走滑断层(张扭性偏多)；在发育时期上两者则可能同期。

3大克拉通盆地内走滑断层表现出的上述特征,尽管都不同程度地呈现出走滑断层的典型特征,但在更多方面表现出与活动块体边缘发育的大型走滑断裂的不同。如小位移特征、普遍低的发育成熟度、垂向分层发育、与盆缘构造的脱耦关系等特征指示了克拉通块体内部走滑断层的独特之处,也暗示了这些走滑断裂特殊的动力学成因机制。

5 克拉通盆地内走滑断裂形成的动力学机制与发育模式探讨

目前研究认为,克拉通盆地内走滑断层发育的动力仍来源于板块间的应力传递[3,11]。但这些盆内断层与盆缘构造在方向与运动学性质上完全脱耦的现象表明,其形成的动力学是很难用简单的应力传递所能解释的;盆内走滑断裂的形成基本对应盆缘的多期次挤压变形事件,指示盆缘与盆内具有同应力源，但表现出完全不同的变形体系。对其动力学过程的理解需充分考虑以上矛盾的现象。

综合考虑断裂发育的基本特征与区域应力场演化的时序关系,提出该类断裂的如下动力学发生过程(见图7):盆地周缘区域在挤压应力下,在盆缘产生垂直于最大挤压应力方向的逆冲断层等挤压变形,而盆内相对处于稳定块体内部,相应产生平行于该挤压应力方向的裂缝或者两组共轭相交的裂缝(见图7A);在持续挤压变形中或挤压方向有所变化的情况下,盆内这些早期形成的裂缝会在应力-应变调节(见图7B)或斜向应力作用下(见图7C),选择性活化发生走滑活动。野外露头中可见到两组共轭相交裂缝中的一组优势发育，并可见其指示走滑活动的擦痕,这应是该活动方式较好的佐证。此外,稳定块体在周缘挤压下,易发生块体旋转,在旋转中，块体内部这些裂缝也相应发生扭动，以调整内部应力-应变而发生走滑活动(见图7D)。塔里木盆地塔中隆起北斜坡和塔北隆起两套走滑断层体系，延伸连接并呈弧形特征,对其中SB5断层走滑位移分析结果揭示，其具有中段小、南北两段明显大的特征[34,51],体现了南北两段向中间生长相接的发育特征,此现象可能是块体旋转下断裂生长扩展较好的响应;鄂尔多斯盆地西南部NW向玉都断裂向北延伸与盆外的弧形断裂相连接,也可能是这种块体旋转下的产物。这种块体旋转造成内部扭动变形的模式可以很好地解释克拉通盆地在周缘挤压背景下，其内部断层缘何仍发育张扭性走滑。

总体而言,克拉通盆地内走滑断层可能是在区域挤压应力下产生的裂缝体系基础上,在调节变形、斜向挤压或(和)块体旋转下选择性扭动活动,此过程可能也代表了断裂最初级阶段的生长过程。这一发育的动力学背景下,盆内完整块体的特性使由盆外向盆内传递的区域应力主要在盆缘被吸收,传至盆内的应力则相对较小,这也是盆内走滑断裂相对活动较弱、演化程度低的根本原因。该模型强调在周缘区域挤压应力下，克拉通块体内新生断层发育,而显著区别于先存构造活化为主的成因解释。

图7 克拉通盆地内走滑断层几种可能的动力学形成模式图Fig.7 Dynamic formation model for the Cratonic strike-slip fault

克拉通盆地内走滑断层另一重要特征是纵向上的分层性。这一分层性包括同一走向断层在不同层段的分期弱继承发育，也包括不同层段(深度)发育不同走向的断层。勘探实践揭示，鄂尔多斯盆地中生界油藏中未发现来自下部古生界的天然气，这一古生界和中生界含油气系统的相对独立性正是盆内断层纵向分层发育的有利佐证。表面上来看，非能干层岩性界面对分层性起到重要作用，这种软弱层造成断层在其上下发生分层和脱耦的现象较为常见，国内外已有研究[52-53],但此处却很难将其作为分层发生的根本原因来解释。传统的走滑断层发育模式认为，断层是由深部到浅部、自下而上贯穿性发育的,这也造成走滑断裂在浅部发育成熟度较低而易呈现雁列式小断层和强分段性，在深部则更成熟而易发育贯通性单一断层[8-9]。然而，在这些盆内断层发育中,却存在与之相悖的现象:同一走向断层上下层之间连通性较差,有时侧接段发育于深部，而贯通段却在上部,显示在其发育过程中，深部断层在浅层活动中并未持续强烈活动。这也说明该分层性是断层在不同深度域、不同时期相对独立活动的记录。

实际上,全球范围内地应力分布状态研究揭示[23，54-55],在1 200～1 500 m以浅,构造应力占主导地位;进一步增深,静水压力所处的地位逐渐增大;在深度大于3 500 m 处,岩体处于完全静水压力状态。换言之,在这些稳定块体内部,传递自周缘的构造应力可能主要影响到盆内1 500 m以浅范围的脆性变形, 产生相应期次的走滑变形活动; 多期次的构造叠加分别影响着现今不同深度的地层, 相应产生剖面上的断层分层发育规律。 此过程中, 在应力相对较小的情况下, 深部断层很难完全被活化而强烈活动, 仅发育弱于浅层的活动。 鄂尔多斯盆地经历加里东、 印支、 燕山和喜马拉雅多期构造运动的叠加, 展示的此断层分层发育模式最为典型。 此外, 各构造界面多套非能干层的存在, 进一步增加了这一分层性的辨识度(见图8)。

图8 克拉通盆地内走滑断层纵向分层发育演化模式示意图Fig.8 Evolution model of stratified style of the Cratonic strike-slip fault

综合以上提出的裂缝扭动成因的动力学形成机制和分层-分期独立发育演化模型,不难理解,在这些克拉通盆地内，深层发育的一些基底断裂(包括早期裂谷相关伸展断层)在后期并未强烈活化而控制浅部断层的发育,这些基底断层仅作为薄弱构造带而弱影响了晚期部分断层的展布,但两者之间的耦合程度较弱。从这一点讲,克拉通内走滑断层分层发育的特征可以更好地记录区域应力的多期次叠加演化过程。

6 结论

1)克拉通内部稳定区断裂主要表现为走滑性质,不同程度地表现出走滑断层的典型特征;其也表现出与板块/块体边界活动区发育的大型走滑断裂的较大不同,普遍具有小位移、低发育成熟度特征,断层在垂向上分层-分期发育,与盆缘构造在方向和动力学特征上脱耦。

2)克拉通盆地内走滑断裂产生的动力来源尽管同于盆缘构造的区域应力场,但稳定、统一块体的性质决定了其具有独特的动力学成因：应是区域挤压应力下产生的裂缝,在调节变形、斜向挤压或块体旋转下选择性扭动活动的发育过程,这一过程受先存断裂构造影响弱,是断裂生长发育在较初期阶段的记录，可能也是克拉通内稳定区构造应力传递的独特方式的重要构造表现。

3)克拉通盆地内走滑断层分层发育特征是构造应力在克拉通块体内浅表层传递的反映,是分期次相对独立活动的结果,不同于传统认识的走滑断层由下到上贯穿发育的模式;这一特征可以更好地记录克拉通盆地多期次叠加区域应力演化的过程。