塔北隆起X型走滑斷裂成因機制的新解釋

黃少英，宋興國，羅彩明，能 源，馬小丹，漆家福，陳 石

(1.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249；4.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

塔里木盆地是中國最大的陸內含油氣盆地，而塔北隆起是盆地內重要的控油隆起之一，油氣勘探潛力巨大[1-5]。塔北隆起發育大量的走滑斷層[6-8]，從寒武系至白堊系均有發育；在哈拉哈塘地區奧陶系一間房組頂面發育兩組走滑斷裂[6,8]，它們分別呈NNW走向和NNE走向延伸，并且呈X型相交，走滑斷層及分支斷層組成的斷裂系統切割并溝通了奧陶系碳酸鹽巖層系，而且沿走滑斷層發生了碳酸鹽巖的地層水淋濾溶解作用，形成了重要的油氣儲集空間[9-12]。走滑斷裂及其周圍溶洞組成的縫洞巖溶體系是目前塔北隆起重要油氣勘探方向[13-14]，沿走滑斷裂也不斷取得了重要的油氣勘探突破。

關于塔北隆起的走滑斷層已有許多學者對斷裂樣式分布、分段性、成因機制以及有利勘探區域預測[15-16]等方面做了細致的研究工作。關于塔北隆起X型走滑斷裂的成因機制，普遍認為受控于晚奧陶世南天山洋俯沖以及古昆侖洋閉合產生的南北向擠壓應力，整體符合純剪切模式下的共軛斷層發育機制[6,8,12,17-18]，單條斷層符合簡單剪切模式[6]，主干斷層周圍發育R剪切分支斷層。然而，塔北隆起X型走滑斷層的兩組斷層交角普遍在40°左右，并由北向南交角略微減小，南部尾端的相交角度普遍在38°左右，明顯小于理想狀態下純剪切模式形成的共軛剪切斷層夾角(50°～60°)。對于塔北隆起小角度X型走滑斷裂的成因機制，目前還沒有合理的解釋。

本文在塔北隆起哈拉哈塘地區三維地震精細解釋資料的基礎上，結合前人對于研究區走滑斷層成因機制的認識，利用塔里木盆地重磁資料，對塔北隆起共軛X型走滑斷層的成因機制進行了研究，并提出了新的成因模型。對認識塔北隆起及其走滑斷裂的構造演化具有重要意義，同時對沿走滑斷裂發育的縫洞巖溶體系下的油氣勘探提供新思路與方向。

1 區域地質概況

塔里木盆地位于新疆維吾爾自治區南部，面積約為40萬km2，是中國富含油氣的大型疊合盆地[19-23]。塔北隆起位于塔里木盆地北部(圖1(b))，東西向的長度約480 km，南北向的寬度約90 km，由北向南傾沒，是盆地重要的構造單元[1]。隆起北鄰庫車坳陷，南邊與滿加爾凹陷相接，西部與阿瓦提凹陷相鄰，東部與庫魯克塔格隆起相鄰。塔北隆起內部可劃分為7個次級構造單元(圖1(a))，隆起區包括輪臺斷隆、英買力低凸起、輪南潛山、輪南低凸起和庫爾勒凸起，凹陷區包括哈拉哈塘凹陷和草湖凹陷。

圖1 塔北隆起構造單元劃分圖((a)據文獻[1]修改)、塔北隆起位置示意圖(b)及塔北隆起中西部構造單元圖(c)Fig.1 Division of structural units in Tabei uplift ((a)modified after reference[1]),schematic diagram of the position of Tabei uplift(b),and structural units of middle-western Tabei uplift (c)

塔北隆起地層發育齊全(圖2)，從上元古界-新生界均有發育，其中上元古界-古生界主要為海相碳酸鹽巖，中-新生界地層為陸相碎屑巖。古生界自下而上發育有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二疊系，其中奧陶統的一間房組(O2y)和中下奧陶統的鷹山組(O1-2y)發育縫洞巖溶體系，為重要的油氣儲集層，中上奧陶統土木休克組(O3t)、良里塔格組(O3l)和桑塔木組(O3s)發育的厚層泥巖為重要蓋層，垂向上形成重要的儲蓋組合。

圖2 塔北隆起地層綜合柱狀圖(據文獻[26]修改)Fig.2 Stratigraphic columns of Tabei uplift (modified after reference[26])

塔北隆起經歷了多期構造運動，其構造演化可大致劃分為6個階段[24-25]：基底形成階段(前震旦紀)、被動大陸邊緣階段(震旦紀-中奧陶世)、穩定抬升階段(晚奧陶世至石炭紀)、前緣隆起發育階段(二疊紀至三疊紀)、穩定沉積階段(侏羅紀至古近紀)以及調整定型階段(新近紀至今)。塔北隆起走滑斷裂的發育與演化主要發生于被動大陸邊緣階段以及穩定抬升階段，與南天山洋的演化密切相關[9]。

2 塔北隆起走滑斷裂構造解析

塔北隆起發育的走滑斷層數量多，其中大多數走滑斷層為X型組合(圖1(c))，優勢走向為NNW和NNE向，主要分布在哈拉哈塘凹陷地區和輪南低凸起地區，部分在英買力低凸起地區。本文重點研究哈拉哈塘地區的X型走滑斷裂。

2.1 走滑斷裂分層變形特征

在對塔北隆起走滑斷裂的構造解析發現，走滑斷裂在垂向上表現出明顯的分層性，在不同巖性的地層中表現出變形的差異性，同時也和斷裂的多期活動有關，由下往上可劃分為三個構造層：(1)震旦系-中寒武統下構造層，該構造層頂界為中寒武統沙依里克組鹽巖層頂面(TH3界面)，底界延伸至基底，主要包括中寒武統鹽巖層、下寒武統以及部分基底地層；(2)上寒武統-中奧陶統中構造層，該構造層頂界為奧陶系一間房組頂面(TO3t界面)，底界為中寒武統頂面(TH3界面)，整個構造層基本都由碳酸鹽巖組成；(3)上奧陶統-泥盆系上構造層，該構造層頂界為二疊系火成巖巖系底面(TP界面)，底界為奧陶系一間房組頂面(TO3t界面)，主要包括上奧陶統、志留系和泥盆系，整個構造層主要由泥巖和砂巖組成。

塔北隆起的走滑斷裂在三個構造層表現出明顯的變形差異性，主要體現在構造樣式、破碎帶寬度以及應力機制的差異等方面。斷裂的分層變形特征以SHB5走滑斷裂最為典型，以圖3為例。在下構造層中，基底逆沖斷層活動性強，向上插入下寒武統，與走滑層垂向相接，地層發生明顯褶皺變形；寒武系鹽巖層中，走滑斷裂發育分支，具有壓扭性質，發育正花狀構造，膏鹽發生流動變形。在中構造層中，走滑斷裂在剖面上表現為垂向繼承性發育，下構造層中的主干走滑斷層持續向上發育；斷裂在頂面一間房組頂面發育多條分支，表現為典型正花狀構造，具有壓扭性質，地層發生褶皺上拱變形。在上構造層中，斷裂沿下部構造層的斷裂系統繼承性發育，具有分支斷裂；斷裂所夾持斷塊發生明顯下掉，發育典型地塹構造，具有張扭性質。走滑斷裂在中構造層碳酸鹽巖層系中破碎帶寬度最大，分支斷裂最多，在上構造層和下構造層中變形相對較弱。

圖3 YM20走滑斷裂平面圖((a)以奧陶系一間房組頂面相干圖為基礎制作)、YM20走滑斷裂剖面圖(b)和YM20走滑斷裂地質解釋剖面圖(c)Fig.3 YM20 strike-slip fault ((a)composed based on the top coherence map of Ordovician Yijianfang Formation),profile of the YM20 strike-slip fault (b),geological interpreted profile of the YM20 strike-slip fault (c)

2.2 主干走滑斷裂解析

塔北隆起的哈拉哈塘地區，X型走滑斷裂發育最為典型。選取塔中隆起NE向與NW向主干走滑斷裂各一條，分別為哈拉哈塘地區的NNW向走滑斷裂RP6和NNE向走滑斷裂HA13。通過對這兩條主干走滑斷裂的幾何學特征進行詳細表征，研究塔北地區走滑斷裂的空間幾何學特征，可以反映NW向與NE向走滑斷裂的構造特征差異。

2.2.1 RP6斷裂

RP6斷裂平面延伸長度為57.13 km，在平面上走向不一致，可以大致分為兩段，北段接近南北走向，向南逐漸過渡為17.37°NW。斷裂在上寒武統和奧陶系碳酸鹽巖層中變形強烈活動性強，在對應的平面相干上(TH3和TO3t界面)(圖4(b)、(c))斷裂顯示清晰；在寒武系鹽下地層以及志留系碎屑巖層對應相干上(TH1和TS界面)(圖4(a)、(d))，斷裂顯示強度較弱，但仍清晰可見。在奧陶系一間房組頂面(圖5(a))，斷裂發育特征具有分段性，北段及南段次級斷裂較少，以線性走滑為主；中段以羽狀走滑和斜交走滑為主，發育大量R斷裂、R’斷裂以及P斷裂等里德爾剪切伴生斷裂，與鄰近走滑斷裂相互作用，形成復雜的構造變形區。

圖4 走滑斷裂平面特征圖Fig.4 Characteristic map of strike-slip fault(a)寒武系底面；(b)上寒武統底面；(c)奧陶系一間房組頂面；(d)志留系底面

圖5 RP6斷裂剖面特征圖Fig.5 Typical cross-section of the RP6 fault

RP6斷裂在剖面上分層變形特征明顯。斷裂下部直插基底，且基底中還發育有其他先存斷裂，以逆沖斷層和正斷層為主(圖5)。斷裂在下構造層(TH3界面以下)中發育花狀構造，根帶發育在下寒武統中，花帶主體分布在中寒武統鹽巖層中，鹽巖層受斷裂影響發生流動變形(圖5(f))；花狀構造樣式從北往南逐漸由正花狀(圖5(b))逐漸向負花狀(圖5(f))過渡。在中構造層中(TH3-TO3t界面)，斷裂發育正花狀構造特征明顯；從北往南垂向地層變形幅度逐漸減小，受到上部構造層變形影響，南段剖面在TO3t界面上表現為“隆中凹”(圖5(f))；沿斷裂附近“串珠”顯示明顯，由北向南串珠逐漸減少。在上構造層中(TO3t-TP界面)，正斷層大量發育，中段(圖5(d))斷層插入二疊系火成巖中，夾持地層發生劇烈下掉，形成典型地塹；斷層發育密度從北往南逐漸降低。

2.2.2 HA13斷裂

HA13斷裂位于哈拉哈塘凹陷的中部，在各層都有顯示，延伸距離約為52.79 km，走向上比較穩定，為23.6°NE。斷裂的主要發育層位為上寒武統以及奧陶系碳酸鹽巖層系，在上寒武統底面(TH3)以及奧陶系一間房組灰巖頂面(TO3t)，斷裂在相干上有清晰的線性顯示(圖4(b)、(c))；但是在志留系底界(TS)和寒武系底界(TH1)的層面相干上，斷裂幾乎沒有顯示(圖4(a)、(d))。在一間房組頂面(圖6(a))，斷裂具有較明顯分段性；北段分支斷裂較少，斷裂平面上主要表現為線形走滑，相鄰走滑斷裂較遠，斷裂間連接發育的次級斷層較少，破碎帶寬度較窄；南段分支斷裂較多，相鄰走滑發育數量多，平行發育或共軛發育，且斷裂之間發育連接的次級斷層，斷裂交匯區域變形復雜，斷裂破碎帶寬度大。在志留系底界，斷裂的平面樣式為沿主位移帶發育的右階雁列式斷層(圖4(d))。相較于RP6，斷裂在寒武系底界面(TH1)和志留系底界面(TS)發育不明顯。

圖6 HA13斷裂剖面特征圖Fig.6 Typical cross-section of the HA13 fault

剖面上HA13斷裂也具有分層變形特征。然而相較于RP6斷裂，基底地層中斷裂發育數量少，活動性弱，僅有部分基底斷裂可繼續向上發育至中寒武統膏鹽巖層中。下構造層(TH3界面以下)破碎帶寬度較窄，表現為正花狀(圖6(b)、(d)、(e))、負花狀構造(圖6(c))和直立走滑(圖6(f))，構造變形主要發育在中寒武統鹽巖層中，下寒武統變形微弱；構造樣式由北往南發育特征為，正花狀-負花狀-正花狀-直立走滑；斷裂南段正花狀構造特征微弱，斷裂沒有切入基底(圖6(e)、(f))。中構造層中(TH3-TO3t界面)，斷裂繼承性發育于下部斷裂系統，發育典型花狀構造，破碎帶寬度和變形強度在各構造層中最大；構造樣式從北往南變化明顯，北段受淺層變形影響，表現為“隆中凹”(圖6(b))，向南逐漸過渡為典型正花狀構造(圖6(d)、(e)、(f))，破碎帶寬度也逐漸增加；碳酸鹽巖層中發育大量碳酸鹽巖溶洞，在地震剖面上表現為“串珠”，主要分布在一間房組頂面和走滑斷裂附近，從北往南串珠數量逐漸增多。上構造層(TO3t-TP界面)主要發育正斷層，向上可切穿至二疊系火山巖層中(圖6(b)、(c)、(d))；斷層繼承性發育于下部花狀構造的分支，部分與中構造層走滑斷裂相連組成負花狀構造(圖6(b)、(c)、(d))，或懸空于構造層中(圖6(e))；正斷層發育數量從北往南逐漸變少。

上述可見，塔北隆起的NW向與NE向走滑斷裂在寒武系鹽下至石炭系碎屑巖層系中均有發育，在中寒武統鹽巖層頂面(TH3)以及中奧陶世一間房組頂面(TO3t)斷裂發育特征清晰，斷裂活動性強，上構造層及下構造層斷裂活動性較弱。斷裂在垂向上都具有分層變形特征，總體上為三層變形：下構造層的變形主要發育正花狀構造，局部發育負花狀構造；中構造層中主要發育正花狀構造，沿斷裂破碎帶周圍發育“串珠”；上構造層中主要發育正斷層。

對比塔北隆起NW向與NE向斷裂的發育特征可知，二者存在顯著差異。塔北隆起下寒武統底面(TH1)斷裂系統圖(圖7(a))顯示，塔北隆起在深層主體發育NW走向基底斷裂，NW向基底斷裂發育數量多且延伸距離遠，平面上呈弧形展布，而NE向基底斷裂發育數量較少且連續性差；而在奧陶系一間房組頂面斷裂系統中可見(圖7(b))，NW走向斷裂開始連接生長，而NE走向斷裂開始發育，并且和NW走向斷裂構成X型斷裂組合；在志留系底界(TS)，可見NW走向斷裂持續活動，在淺層形成雁列式正斷層(圖4(d))，而NE走向斷裂基本不活動。結合對重點斷裂RP6和HA13斷裂的對比分析可見，哈拉哈塘地區的NW向斷裂活動性強，在各構造層中均有顯著斷裂特征發育，垂向連通性強，可能發育先存基底斷裂，而NE向斷裂主要發育在中部構造層(TO3t)(圖7(b))，在下部構造層和上部構造層中斷裂特征發育不明顯。

圖7 塔北隆起平面斷裂系統圖Fig.7 Fault system map of Tabei uplift (a)寒武系底面(TH1);(b)奧陶系一間房組頂面(TO3t)

3 走滑斷裂發育與形成機制

走滑斷裂發育的機制有兩種，分別為純剪切模型(圖8(a))以及簡單剪切模型(圖8(b))[27-28]。純剪切模式下發育的走滑斷裂為X型共軛剪切斷裂，斷裂與最大主應力軸之間的夾角為45°-Φ/2(Φ為巖石內摩擦角，一般為30°左右)，斷裂間的夾角為50°～60°。簡單剪切又稱為里德爾剪切，是里德爾在構造物理模擬實驗中發現并提出的；走滑斷裂的發育和演化過程中會發育大量分支斷裂，不僅發育單條線性走滑斷裂。

圖8 走滑斷裂形成機制Fig.8 Formation mechanism of strike-slip faults(a)純剪切模型；(b)簡單剪切模型(據文獻[27-28]修改)

關于塔北隆起X型走滑斷裂的成因機制，前人做了大量相關方面的工作，普遍認為斷裂的發育特征整體符合純剪切模型[6,8,12,17-30]，受控于大約460 Ma原特提斯洋閉合產生的近南北向遠程擠壓作用，單條走滑斷裂表現為簡單剪切特征發育大量次級斷裂[6]，NW向斷裂與NE向斷裂發育相繼滑動作用，且尾端擴張與相互作用以及連接生長等非安德森模式也是斷裂生長的主要機制[28]。但是塔北哈拉哈塘地區共軛X型走滑斷裂的夾角一般為30°～40°，遠小于純剪切模式下共軛剪切斷裂理論上的60°夾角，前人的解釋尚不能合理解釋其成因。

基底先存斷裂和薄弱帶在地震剖面上較難識別與厘定，但通過航磁資料能顯示基底先存構造的存在。塔里木盆地重磁特征[30-33]顯示，塔里木盆地中部沿40°N左右發育一條橫向正磁性異常條帶，分隔塔里木盆地南部與北部。塔里木南部磁力分布不均勻，一系列NE向正磁性異常條帶和負磁性條帶相間分布；塔里木盆地北部磁力發育相對均勻，以負極性地磁場為主，但塔北隆起區有NW向磁性異常條帶相間分布(圖9)。

圖9 塔里木盆地航磁異常等值線圖(據文獻[31-33]修改)Fig.9 Contour aeromagnetic anomaly map of the Tarim Basin (modified after references[31-33])

塔北隆起走滑斷裂分層變形特征表明，斷裂的形成與演化具有多期性。走滑斷裂剖面特征顯示，斷裂在震旦系-中寒武統下構造層(TH3界面以下)、上寒武統-中奧陶統中構造層(TH3-TO3t界面)和上奧陶統-石炭系上構造層(TO3t-TP界面)中構造變形樣式和特征不同，各構造層變形不協調，并且之間發育不整合，表明走滑斷裂的形成經歷了三期活動(圖10)：中寒武世末、中晚奧陶世、志留紀-石炭紀；平面相干上，斷裂在寒武系鹽巖層頂面(TH3)、奧陶系灰巖頂面(TO3t)和志留系底面(TS)均有共軛特征顯示，表明共軛走滑斷裂可能從中寒武世末就開始形成，持續發育至志留紀-石炭紀。

圖10 走滑斷裂分期變形示意圖Fig.10 Diagram of stage deformation of strike-slip fault(a)、(d)位置見圖3中的A-A’；(b)、(e)位置見圖5(a)中的B-B’;(c)、(f)位置見圖5(a)中的F-F’

結合塔北隆起重磁特征和斷裂幾何特征研究表明，走滑斷裂的演化和發育可能受到了NW向基底斷裂和薄弱帶的控制(圖11)。中寒武世末，塔北隆起在南北向弱擠壓作用的影響下，沿NW向先存基底斷裂帶或薄弱帶優先發育走滑斷裂；在持續擠壓的作用下，NE向斷裂逐漸發育，主擠壓應力方向與NW向基底斷裂的夾角小于45°-Φ/2，受NW向先存斷裂限制，與NE走向斷裂和先形成的NW向走滑斷裂組成小角度(40°左右)的共軛走滑斷裂；走滑斷裂主體處于壓扭應力狀態，剖面上多表現為擠壓上拱的正花狀構造。中晚奧陶世，受到南天山洋俯沖與古昆侖洋閉合的影響，塔北隆起處于南北向擠壓的應力狀態，在早期形成斷裂系統基礎上繼續發育共軛走滑斷裂；部分新發育的走滑斷裂僅發育在碳酸鹽巖層中，沒有貫穿鹽層插入基底；走滑斷裂整體處于壓扭環境，剖面上發育正花狀構造。志留紀-石炭紀，南天山洋呈剪刀式閉合由東向西逐漸俯沖閉合[34]，塔北隆起受到的擠壓應力方向由南北向逐漸轉變為北西-南東向，先存走滑斷裂活化，表面地層發育雁列式正斷層；NW向斷裂與主應力方向夾角更小，斷裂活動性更強，平面上斷裂發育數量更多，連續性更強，而NE向走滑斷僅有少部分發生活動。

圖11 塔北隆起共軛走滑斷裂發育模式圖Fig.11 Formation model diagram for the conjugate strike-slip faults in Tabei uplift

4 結 論

(1)塔北隆起X型共軛走滑斷裂分層特征明顯，依據巖性和變形特征，由下往上可分為三個構造層：震旦系-中寒武統下構造層(TH3界面以下)、上寒武統-中奧陶統中構造層(TH3-TO3t界面)和上奧陶統-石炭系上構造層(TO3t-TP界面)。斷裂在下構造層整體處于壓扭環境，斷裂多發育正花狀構造；斷裂在中構造層中整體處于壓扭環境，多發育正花狀構造；上構造層中斷裂主要發育負花狀構造或正斷層。

(2)NW向與NE向斷裂變形特征存在顯著差異。NW向斷裂活動性強，在各構造層中均有顯著斷裂特征發育，垂向連通性強，發育先存基底斷裂，而NE向斷裂主要發育在奧陶系碳酸鹽巖構造層，在寒武系鹽下構造層和淺層碎屑巖構造層中斷裂發育不明顯。

(3)斷裂的形成與演化具有多期性。走滑斷裂剖面特征顯示，斷裂在各構造層中構造變形樣式和特征不同，變形不協調，并且構造層之間發育不整合，表明走滑斷裂的形成經歷了三期活動：中寒武世末、中晚奧陶世、志留紀-石炭紀。

(4)X型走滑斷裂的形成受到了NW向基底斷裂和薄弱帶的控制。中寒武世末，NW向先存基底斷裂帶或薄弱帶優先發育走滑斷裂，NE斷裂發育受NW向先存斷裂限制，基底與主擠壓應力方向夾角小于45°-Φ/2，NE向斷裂和先形成的NW向走滑斷裂組成小角度(40°左右)的共軛走滑斷裂。