塔北隆起東部巴里英斷裂的幾何學與運動學特征

陳槚俊，王 峰，孫方源

[中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083]

塔北隆起位于塔里木盆地北部，西接阿瓦提凹陷與柯坪隆起，向東以庫爾勒-孔雀河斷裂為界與庫魯克塔格斷隆相連，南部以斷裂或斜坡與北部坳陷毗鄰，北部與庫車坳陷相接,為夾持于庫車坳陷與北部坳陷之間古生代發(fā)育定型、中新生代塌陷的殘余古隆起[1-4]。

自1984年沙參2井鉆探成功以來，先后在塔北隆起中部和西部發(fā)現(xiàn)了塔河、輪南、英買力等數(shù)個億噸級的大中型油氣田，油氣主力產(chǎn)層為寒武系—中下奧陶統(tǒng)，儲集空間以巖溶孔洞為主，古巖溶的形成改造對于下古生界儲層發(fā)育及油氣成藏具有十分重要的作用[5-8]。在塔北隆起東部，即草湖凹陷及庫爾勒鼻凸，地震測網(wǎng)密度達到2 km×2 km，針對不同類型的圈閉和儲集層位鉆井近20口，除在草2井、草3井和草4井中見油氣顯示外，其他地方均未發(fā)現(xiàn)油氣，與塔北隆起的中部和西部地區(qū)形成鮮明對比[9]。

前人研究表明，塔北古隆起經(jīng)歷了奧陶紀末期形成、志留紀—泥盆紀發(fā)育、石炭紀—三疊紀改造、侏羅紀—新近紀埋藏等復(fù)雜多期的演化過程[10-11]。在橫向上，不同部位隆升活動的時間及活動強度具有較大差別，從而使古巖溶作用的強度、期次等也各不相同。巴里英斷裂作為草湖凹陷與庫爾勒鼻凸之間的邊界斷裂，巴里英斷裂的幾何學、運動學特征，對解析塔北古隆起東部與中、西部構(gòu)造演化差異具有重要意義，可為各部位之間含油氣差異的探討提供理論依據(jù)。本文以斷層相關(guān)褶皺理論為指導(dǎo)，基于解析地震剖面的基礎(chǔ)上分析巴里英斷裂的幾何學特征，利用平衡剖面構(gòu)造復(fù)原的方法研究其運動學特征。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔北隆起東部主要包括草湖凹陷、庫爾勒鼻凸和孔雀河斜坡3個次級構(gòu)造單元。草湖凹陷位于塔北隆起的中東段，東北以巴里英斷裂為界與庫爾勒鼻狀凸起相鄰，西接輪南低凸起，北以輪臺斷裂為界與輪臺凸起相鄰，南與北部坳陷的滿加爾凹陷相接，是盆地內(nèi)部的一個三級構(gòu)造單元，面積約2.02×104km2(圖1)，其形成演化受塔里木板塊南、北緣拉張、俯沖和碰撞拼貼作用的影響[12]。草湖凹陷中西部斷裂較少，以發(fā)育石炭系地層超覆圈閉為特征，東部斷裂構(gòu)造多，發(fā)育有斷鼻、斷塊、背斜及不整合等多種類型的圈閉。

庫爾勒鼻狀凸起位于塔北隆起東緣，向東與庫魯克塔格邊緣隆起相連，向南以庫南斷裂、巴里英斷裂、普惠斷裂為界與草湖凹陷分割，是一個向西南傾伏的大型鼻狀凸起(圖1)，面積約3 300 km2。

孔雀河斜坡是位于北部坳陷的一個二級構(gòu)造單元，北依庫魯克塔格斷隆和天山造山帶相鄰，南接阿爾金山造山帶，面積約2.2×104km2，沉積厚度約為12 000 m。根據(jù)中生界展布形態(tài)及斷裂發(fā)育特征，孔雀河斜坡可以劃分為5個構(gòu)造帶，自北向南、從西向東依次為：庫魯克塔格山前構(gòu)造帶、尉犁鼻狀構(gòu)造帶、孔雀河北部斜坡帶、龍口背斜構(gòu)造帶和維馬克-開屏背斜構(gòu)造帶[13]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置及地震測線分布Fig.1 Locations of the study area and seismic lines

據(jù)最新鉆井和地震資料解釋及周緣1 ∶200 000區(qū)域地質(zhì)填圖成果，建立了草湖凹陷-庫爾勒鼻凸的地層系統(tǒng)，并對研究區(qū)地層進行了連井對比(圖2,圖3)。草湖凹陷-庫爾勒鼻凸的基底由元古界組成，在元古界變質(zhì)巖基底之上沉積了震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三疊系、侏羅系、白堊系，古近系、新近系和第四系，其中古生界為海相沉積地層，下古生界厚度達4 000～5 000 m，上古生界厚度為800～1 000 m；中-新生界為陸相沉積地層，沉積厚度3 500～4 000 m。受海西早期和晚期運動影響，全區(qū)缺失泥盆系下-中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)和二疊系。上泥盆統(tǒng)東河砂巖分布局限，僅在草湖凹陷的中西部發(fā)育，古生界和中生界各套地層均有不同程度剝蝕[14-16]。

圖2 研究區(qū)東西向連井剖面(A—A′)(剖面位置見圖1)Fig.2 EW-trending well-tie cross-section(A-A′)in the study area(see Fig.1 for its location)

圖3 研究區(qū)南北向連井剖面(B—B′)(剖面位置見圖1)Fig.3 SN-trending well-tie cross-section(B-B′)in the study area(see Fig.1 for its location)

2 斷裂幾何學特征

過滿加爾凹陷、草湖凹陷到庫爾勒鼻狀凸起的南北向地震剖面清楚地顯示了塔北隆起東部的地層結(jié)構(gòu)(圖4)。構(gòu)造變形在橫向上呈現(xiàn)北強南弱的特征，在縱向上可以觀察到變形強度也在自下而上逐漸減弱。古生界的構(gòu)造變形最為顯著，總體受控于基底滑脫層形成的大型斷層轉(zhuǎn)折褶皺，在草湖凹陷表現(xiàn)為一個南傾的斜坡，三疊系、侏羅系及白堊系在庫爾勒鼻凸的南側(cè)超覆減薄，新生界地層產(chǎn)狀總體呈現(xiàn)為北傾，地層展布平穩(wěn)。

在剖面北側(cè)，庫爾勒鼻凸南部發(fā)育的沖斷斷裂即為巴里英斷裂，其斷穿古生界、三疊系和侏羅系，被白堊系底界不整合面所覆蓋。巴里英斷裂上盤上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及侏羅系均遭受不同程度的剝蝕。在二維地震剖面上，巴里英斷裂產(chǎn)狀表現(xiàn)為上陡下緩，斷裂底部可能收斂于基底滑脫層之中。

圖4 過巴里英斷裂地震剖面(剖面位置見圖1)Fig.4 Seismic profile crossing Baliying fault(see Fig.1 for its location)a.志留系與上泥盆統(tǒng)的削截不整合、石炭系與三疊系的削截不整合;b.志留系與石炭系的削截不整合、泥盆系與石炭系的削截不整合;c.上奧陶 統(tǒng)與三疊系的削截不整合、白堊系底部削截不整合

對11條南北向過巴里英斷裂二維地震測線進行解析，將解析出來的巴里英斷裂組合，然后在Petrel軟件中模擬其三維斷裂形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：基底滑脫層在研究區(qū)區(qū)域性分布，在滿加爾凹陷和草湖凹陷較深，而在庫爾勒鼻凸及孔雀河斜坡較淺，巴里英斷裂收斂于基底滑脫層當中。在平面上，根據(jù)斷裂的形態(tài)可以分為西、中、東3段，斷裂的走向分別為北西西-南東東向、北東-南西向、北西-南東向。其中，巴里英斷裂在西段斷層的產(chǎn)狀較緩，在東段斷層的產(chǎn)狀較陡。值得注意的是，在斷裂的西部和中部，斷裂系統(tǒng)由兩個斷片聯(lián)合組成，在斷裂的東部逐漸合并為一條斷層(圖5)。

通過對巴里英斷裂垂直斷距和水平斷距的統(tǒng)計(圖6)，巴里英斷裂的形成與發(fā)育模式得到了證實：①水平斷距(圖6a)和垂直斷距(圖6b)在東西兩段上都表現(xiàn)為“雙鐘形”，表明斷裂在生長之初，沿西、東兩段分別生長成核，隨后兩條獨立的斷裂連接形成現(xiàn)今的巴里英斷裂；②斷距在東西方向上存在明顯的分段性：在西段斷距較小，在東段斷距較大，在西段和東段的中部都存在一個斷裂活動的極大值；③不同層位的斷距具有明顯的分期性，震旦系、寒武系和奧陶系斷距基本一致，三疊系斷距明顯小于古生界斷距，表明斷層主要的活動時期為兩期，分別為：晚古生代(加里東晚期—海西期)與中生代(印支期和燕山期)，且前者的活動強度要明顯大于后者。

3 斷裂運動學特征

圖5 巴里英斷裂三維立體圖Fig.5 Three-dimensional stereogram of Baliying fault

震旦紀—早中奧陶世(圖7a,b)，塔北地區(qū)處于相對穩(wěn)定的淺海碳酸鹽巖臺地或次深海盆地[15-16]，地層近水平展布，沉積較穩(wěn)定，未受較大構(gòu)造運動影響，此時原始剖面長239.81 km。

晚奧陶世—志留紀(圖7c,d)，基底斷裂沿先存前震旦系基底滑脫層由南向北傳播，導(dǎo)致上奧陶統(tǒng)發(fā)生褶皺作用，頂部抬升地表，遭受剝蝕；志留紀末期，南北向擠壓作用進一步加強，北部志留系發(fā)生抬升剝蝕，此時剖面長度為222.94 km，累計縮短量為16.87 km，累計縮短率為7.03%。

石炭紀—二疊紀(圖7e)，由于受到來自盆地北緣的擠壓應(yīng)力，北部地區(qū)產(chǎn)生一系列褶皺及逆沖斷層，即巴里英斷層形成，其將古生界斷穿，使發(fā)生抬升，遭受剝蝕。此時，剖面長度為205.55 km，累計縮短量為34.26 km，累計縮短率為14.29%。

圖7 過巴里英斷裂地質(zhì)剖面構(gòu)造演化Fig.7 Tectonic evolution of the geological cross-section crossing Baliying faulta.奧陶系沉積前；b.上奧陶統(tǒng)沉積前;c.志留系沉積前；d.泥盆系沉積前；e.三疊系沉積前；f.侏羅系沉積前；g.白堊系沉積前；h.古近系沉積前；i.現(xiàn)今

圖8 地震剖面構(gòu)造演化縮短量(a)與縮短率統(tǒng)計(b)Fig.8 Statistics of the amount(a)and rate(b)of structural shortening on seismic cross-section

中生代(圖7f,h)，由于持續(xù)受到擠壓應(yīng)力的影響，導(dǎo)致庫爾勒鼻凸持續(xù)但是比較緩慢地隆升。此時，三疊系遭受抬升并且發(fā)生剝蝕，侏羅系及白堊系超覆減?。话讏准o末期，研究區(qū)全區(qū)遭受剝蝕夷平作用，形成區(qū)域性不整合面。此時，剖面的長度為192.9 km，累計縮短量為46.91 km，累計縮短率為19.56%。

新生代(圖7i)，研究區(qū)沉積較為穩(wěn)定，在后期受到構(gòu)造應(yīng)力的影響，導(dǎo)致新生界發(fā)生輕微掀斜，形成現(xiàn)今的北傾產(chǎn)狀。此時剖面的長度為190.27 km，累計縮短量為49.54 km，累計縮短率為20.66%。

通過對地質(zhì)剖面C—C′構(gòu)造演化過程中縮短量、縮短率相關(guān)統(tǒng)計(圖8)，可以發(fā)現(xiàn)：對研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)起到影響的時期較多，作用從大到小依次為石炭紀—二疊紀、志留紀、晚奧陶世及中生代。其中，二疊紀末，由于受到南天山洋關(guān)閉的影響，導(dǎo)致古生界發(fā)生大幅度擠壓縮短。巴里英斷裂在二疊紀末形成并且快速發(fā)展，進入中生代后不斷調(diào)整，最終于新生代定型。

4 結(jié)論

1) 巴里英斷裂在平面上，西端起于巴里英西北部，經(jīng)過普惠，東端終止于尉犁的東部；在縱向上，斷穿古生界、三疊系、侏羅系。斷層傾向北東，產(chǎn)狀上陡下緩，收斂于基底滑脫層，具有鏟式逆斷層的性質(zhì)。

2) 巴里英斷裂的斷距在走向上存在明顯的分段性：在西段斷距較小，在東段斷距較大;斷距在走向上呈“雙鐘形”分布，表明斷裂在生長之初，在西、東兩段分別生長成核，隨后兩條獨立的斷裂逐漸連接成為一條斷裂，從而在斷裂中段表現(xiàn)為兩條斷裂疊置的狀態(tài)。

3) 巴里英斷裂形成于石炭紀—二疊紀，活動強度在二疊紀末達到頂峰，對其上盤古生界和中生界結(jié)構(gòu)起到了重要控制作用；巴里英斷裂斷穿基底及古生界，導(dǎo)致上盤大部分古生界被剝蝕殆盡；中生代斷裂繼續(xù)發(fā)育，致使其北部三疊系、侏羅系發(fā)生剝蝕，白堊系發(fā)生輕微褶皺變形。巴里英斷裂的形成與發(fā)展是草湖凹陷與庫爾勒鼻狀凸起地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異的主要原因之一。