文章快速检索  
  高级检索
塔里木盆地巴楚隆起北缘吐木休克弧形基底卷入斜向滑移构造
杨庚, 陈竹新, 刘银河, 王晓波     
中国石油勘探开发研究院/提高石油采收率国家重点实验室, 北京 100083
摘要: 石油地震资料揭示塔里木盆地中央巴楚隆起为结晶基底和古生代地层相对隆升区,地表为第四纪陆相碎屑岩不整合覆盖,隐伏隆起大部分区域缺失中、新生界。在隆起南北两侧构造变形比较强烈,均发育基底卷入的逆冲构造和古生界内逆冲构造。根据钻井资料和二维地震测线详细的构造解释,应用断层相关褶皱理论得知:吐木休克基底卷入逆冲断层是在中生界早期形成的基底卷入楔形构造的基础上,在新生界晚期再次活动形成的;新生代晚期中亚地区强烈陆内变形,导致塔里木盆地先期形成的巴楚隆起再次挤压隆升;晚期变形过程中,先存构造与形成新构造挤压方向的偏差导致新构造发育有走滑分量,形成典型的斜向挤压构造--吐木休克旋转弧形构造。平面分布上,弧形构造东西向延伸的中段和北东向延伸的西段,早期为基底卷入楔形构造,晚期发育基底卷入逆冲构造;近北西向延伸的东段,晚期发育基底卷入楔形构造叠加在早期基底卷入楔形构造之上,说明该构造至少经历了两期变形。由于晚期基底卷入逆冲断层具有走滑分量,导致盖层单斜构造发育3类应变带及相应构造:拉伸变形带发育的正断层、剪切变形带发育的走滑断层及挤压应变带即走滑构造分量;西段发育左行逆冲走滑断裂带及伸展变形;东段发育右行逆冲走滑断裂带。弧形构造西部发育的构造样式与2012年Keating等模拟的斜向断层位移形成的构造样式非常相似,说明弧形构造西段吐木休克基底卷入逆冲构造具有走滑分量,从而合理地解释了该区发育的构造样式及正断层形成机制。
关键词: 塔里木盆地    巴楚隆起    基底卷入    弧形构造    斜向滑移    正断层    
A Basement-Involved Structure Above Oblique-Slip Tumuxiuke Fault in Northern Margin of Bachu Uplift in Tarim Basin, Northwest China
Yang Geng, Chen Zhuxin, Liu Yinhe, Wang Xiaobo     
Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina/State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery, Beijing 100083, China
Supported by National Science and Technology Major Project (2016ZX 05003-001) and PetroChina Science and Technology Major Project (2019B-0503, 2016E-0601)
Abstract: Seismic data show that the crust of the buried Bachu uplift in the central Tarim consists of the crystalline basement and Paleozoic strata, without Mesozoic and Cenozoic strata, and is unconformly covered by Quaternary terrestrial clastic rock. Both north and south margins of the Bachu uplift present intense deformation with basement-involved structures and thrust fault under the Paleozoic cover. A large-scale northward arcuate structure of the Tumuxiuke basement-involved fault is developed in the north margin of the Bachu uplift. By use of the fault-related theories, we interpreted 2D seismic data with the strata determined by the well logging data, and concluded that the Tumuxiuke basement-involved fault was formed by reactivation of the pre-existing basement-involved wedge-shaped structures. The Late Cenozoic India-Asia collision caused intense intracontinental deformations in the Central Asia and the reactivation of the Bachu uplift. It is unlikely that the pre-existing structures are perfectly perpendicular to the applied contraction direction of the new tectonic event, and most of these structures should consequently experience a strike-slip motion during the reactivation and the arcuate Tumuxiuke basement-involved fault was deformed by the progressive bending of once-straight structural trends (the pre-existing Tumuxiuke basement-involved wedged-shaped structure) during this time. The seismic data show that a wedge-shaped basement-involved structure is clear in the east part, but unclear in the west and central parts of the arcuate Tumuxiuke thrust belt, where many normal faults were formed in anticline core or fore-limbs of monoclines in the seismic reflection sequences. On the top and west parts of the orocline, the late basement-involved faults were developed on the pre-existing Tumuxiuke basement-involved wedge-shaped structures. On the east part of the orocline, the late Tumuxiuke basement-involved wedge-shaped structure reactivated the pre-existing wedge-shaped one. Our interpretations state clearly that there were three general strain zones and corresponding structures in the caprock monoclines that formed the above oblique-slip Tumuxiuke basement-involved fault in the western part of the arc-shaped structure, which is very similar to the physical modeling by Keating et al. (2012), but only in the two strain zones (extension and contraction) on the top of the arc-shaped structure. The extension faults are dominant in the upper-hinge region, while the contraction faults are dominant in the lower-hinge region, and the strike-slip faults are dominant in the middle of the fold limb. The boundaries of these three zones and the magnitude of strain in each zone vary with the oblique slip determined by its position in the arcuate structure.
Key words: Tarim basin    Bachu uplift    basement-involved    actuate structure    oblique-slip    normal fault    

0 引言

巴楚隆起属于塔里木陆块的一部分,具有前震旦系结晶基底。巴楚隆起的南北两侧受基底卷入逆冲断层所控制, 其上缺失大部分中、新生代地层, 第四纪地层直接覆盖在已变形的古生代地层之上。西部以柯坪、沙井子断裂与柯坪逆冲带分界, 北部以阿恰断裂和吐木休克断裂与塔中低凸起和阿瓦提凹陷毗邻[1-4], 其南以色力布亚断裂、玛扎塔格断裂与麦盖提斜坡为界。自北向南发育吐木休克、卡拉沙依、玛扎塔格断裂构造带。从我们最新解释的南北向区域地质大剖面图看,巴楚隆起的北部边缘受基底卷入逆冲断层变形影响较为强烈,而南部边缘基底逆冲变形表现较弱。

由于对巴楚隆起北缘的基底卷入断裂构造性质认识不同, 导致出现隆起北缘为基底卷入扭压构造[5]和基底卷入楔形构造[6]的两种观点。主要原因是由于巴楚隆起垂直隆升幅度大于水平方向的缩短,而且局部发育的次级构造使许多研究者对该构造性质认识不同[7]。从区域构造角度看, 塔里木西南部到巴楚地区由几大构造单元组成:西昆仑山逆冲带、塔西南凹陷、麦盖提斜坡、巴楚隆起等。新生代西昆仑山逆冲带主要发育薄皮逆冲构造, 其最前缘逆冲构造可延伸到巴楚隆起上的玛扎塔格构造;而巴楚隆起则表现为厚皮构造带, 以基底卷入逆冲变形为主。作为塔西南前陆盆地的前缘隆起, 巴楚隆起的构造样式表现为基底逆冲为主, 同时在盖层中也发育逆冲构造, 但对其构造成因研究较少。

何文渊等[3, 5]均认为吐木休克断裂带经历了3期活动:前印支期的正断层性质; 早三叠世以后的断层性质反转;喜马拉雅期的基底落差。而朱德丰等[8]认为它经历了3期冲断活动:奥陶纪末, 巴楚断隆向阿瓦提凹陷冲断; 中二叠世末构造反转; 新近纪中新世-第四纪更新世, 巴楚断隆向阿瓦提凹陷冲断。目前多数研究者对吐木休克断裂带的构造特征认识也存在差异。吐木休克断层为卷入基底的逆冲断层, 这个基本没有异议[9],也有的研究者认为是膝折带[10];唯有刘志宏等[7]认为吐木休克断层是沿断层传播褶皱或断层转折皱褶轴面形成的右行逆冲走滑断裂带, 该断裂带部分段落由一条断层组成, 某些段落由两条或多条断层组成, 有着很好的分段性。李曰俊等[11]认为吐木休克为张扭性断裂带,但是该断层呈近北北东向的弧形展布和地震剖面的构造特征,显示该断层为基底卷入逆冲断层的特征,均不支持这一认识。吐木休克基底卷入断层的断距下大上小, 上盘缺失古近系中新统及部分二叠系, 被第四系不整合覆盖其上。

国外学者也认为多数基底卷入逆冲构造是挤压作用形成的[12-14],或是先存构造受到挤压作用再次活动造成的,再或者沿地壳软弱带而重新活动[15-18]。笔者研究认为[6]:从平面展布上,吐木休克断裂带整体表现为向北突出的弧形构造形态,吐木休克基底卷入逆冲断层是在早期形成的基底卷入楔形构造的基础上,由中生代时期形成的基底卷入逆冲断层再次活动形成的, 据此可以基本认定吐木休克断层不具有走滑断层性质。但如果综合考虑主逆冲断层,及其次级分支构造关系,如果不从走滑断层角度考虑,无法解释这些构造现象。也有的研究者认为基底卷入构造与走滑作用是相关的[19-20]。而且吐木休克断裂带沿走向变化具有分段性,为此我们可将吐木休克断裂带分成3段:弧形构造中部,无走滑分量;弧形构造东部,与主断层呈锐角相交的分支构造为反冲逆冲断层;弧形构造西部,分支构造表现不明显。刘亚雷等[21]认为吐木休克构造带上叠加有浅部第四纪发育的正断层。综合以上研究成果,作者认为吐木休克构造带仍存在以下基本问题:①吐木休克基底卷入断层的倾角变化较大,局部高达70°,如何解释?②吐木休克构造带整体呈向北突出的弧形展布,说明了吐木休克为卷入基底的逆冲构造,但如何解释其相邻的分支构造?③浅部第四纪发育的正断层是局部构造还是区域构造?

本次研究主要在作者已有研究的基础上,围绕该构造带主体的二维地震测网,重点对浅层进行构造解释和构造组合,应用弧形构造相关概念,以期解决以上存在的问题并得出相应的新认识。

1 地质背景

Tapponnier等[22]曾指出印度-欧亚板块的碰撞所引起的陆内远程效应完全可以影响塔里木盆地[23]甚至更远的蒙古和俄罗斯境内。塔里木盆地为刚性块体, 位于青藏高原北侧。从我们对塔里木盆地地震大剖面的构造解释来看[6], 塔里木内部变形主要集中在巴楚隆起上, 新生代西昆仑逆冲变形可能影响到巴楚隆起南边界的玛扎塔格构造, 其沿着古近纪膏岩发育逆冲席体逆冲在第四纪地层之上,而在巴楚隆起北缘目前可解释出第四纪正断层。巴楚隆起本身主要发育基底卷入变形, 多数研究者根据地震和钻井数据得出了巴楚隆起南北缘发育的构造样式不相同[2, 7]

巴楚隆起属于塔里木陆块的一部分, 具有前震旦系结晶基底,其顶部为第四系覆盖,基底隆起明显,呈NW-SE走向,其南北两侧皆发育为隐伏逆冲构造(图 1)。第四系与下伏地层均为不整合接触。巴楚隆起的北界构造由吐木休克断层和阿恰断层两条断层组成, 前者走向NNW, 后者走向NWW, 控制了阿瓦提凹陷的沉积演化和构造变形。巴楚隆起北缘与阿瓦提凹陷之间的构造为阿恰断裂、吐木休克断裂、巴东断裂, 这些断裂的平面展布与巴楚区域构造走向基本一致, 均为基底卷入逆冲断裂。平面总体走向为NW向, 麦盖提斜坡之上发育的断层走向也为NW向。

1.断层; 2.主边界断层; 3.逆冲断层; 4.走滑断层; 5.图 2位置; 6.山峰海拔(m); 7.地名及位置;8.河流。 图 1 中国西部塔里木区域构造简图 Fig. 1 Simplified tectonic map of the Tarim region, Western China
2 吐木休克基底卷入构造基本特征

巴楚隆起北缘发育的吐木休克逆冲断裂为典型的基底卷入逆冲构造,由西向东呈弧形展布(图 2),也可称之为弧形构造。断层总体倾向巴楚隆起内部方向,其东西向延伸长度约200 km,并造成巴楚隆起基底面埋深超过北部阿瓦提凹陷基底埋深2~5 km。从方1井北2 km呈弧形向东延伸,延伸长约340 km,断层面总体走向NWW-NW,倾向S-SW,倾角一般为40°~70°,向深部逐渐变缓。基底卷入逆冲断层延伸方向为NE向,向东逐渐延伸转变为近EW向,继而转变为NW向延伸,呈向NE方向凸起的弧形展布。地震解释地质层位依据该区及邻区钻井资料(巴东2井、和4井、和6井和方1井)进行标定,如图 2。吐木休克基底断层南发育有卡拉沙依基底断层,两者断层性质一致。

1.地震测线;2.剖面图位置;3.钻井井位及井号;4.古生代背斜轴迹;5.古生代单斜轴迹;6.基底卷入主断层(粗红线)及楔形点投影(点红线);7.盖层逆冲断层投影;8.拉伸(伸展)区域;9.剪切(走滑)区域;10.挤压区域。根据地震数据解释成果绘制, 基底断层迹线以断层上盘错段基底位置垂直投影到地面, 盖层断层迹线为断层上盘与中寒武统顶面相交点垂直投影到地面。 图 2 巴楚隆起吐木休克弧形构造及地震测网分布图 Fig. 2 Sketch map showing the actuate structure of the Tumuxiuke basement-involved fault in the cover and seismic lines in the Bachu uplift

根据作者[6]的研究,吐木休克基底卷入逆冲断层是在古生代末期-中生代形成的基底卷入楔形构造基础上,已形成的基底卷入逆冲断层再次活动形成的。在重新活动过程中,先存构造与形成新构造挤压方向的偏差导致新构造发育有走滑分量,形成典型的斜向挤压构造--吐木休克弧形构造东段和西段。

根据解释结果,巴东2井以西-和6井以东,即弧形构造东段。吐木休克基底卷入楔形构造表现明显,有两期楔形基底卷入构造叠加在一起,吐木休克基底卷入主逆冲断层倾角不变,一般30°~45°之间,发育有两期盖层反冲断层,详见作者文章[6]

和4井-和6井之间及附近,大约位于弧形构造中段。按照断层相关褶皱理论,吐木休克基底断层带至少有两条基底卷入逆冲断层组成。其中一条基底卷入逆冲构造就是许多研究者提出的吐木休克基底卷入逆冲断层及其下部存在的一条基底卷入逆冲断层,其与发育在盖层中寒武统膏岩中的一条反冲逆冲断层组成楔形基底卷入构造。早期为基底卷入楔形构造,晚期为基底卷入逆冲构造,晚期吐木休克基底卷入主逆冲断层叠加在早期发育的基底卷入逆冲构造之上,而且晚期逆冲断层倾角(>45°)大于早期逆冲断层倾角(< 45°)。

和4井-方1井之间,大约位于弧形构造西段。地震剖面显示吐木休克断层主逆冲断层倾角较陡,而且变化较大。根据断面波解释, 基底卷入逆冲断层上部倾角陡, 向下延伸倾角逐渐变缓。较陡的晚期主逆冲断层逆冲在早期发育的基底卷入楔形构造之上,而且越向西部,基底卷入逆冲断层倾角越陡。

3 吐木休克斜向挤压构造

吐木休克斜向挤压构造主要指吐木休克弧形构造东段和西段,由于该弧形构造东段早、晚期构造样式相重合,本文不再讨论,详细构造解释请参考文献[6]。本文主要研究的是弧形构造西段,详细构造解释结果见图 3-图 6

a.未解释地震剖面图; b.构造解释剖面图。背斜核部局部发育正断层。1.太古宇;2.元古宇;3.下寒武统;4.中寒武统;5.上寒武统-下奥陶统;6.中、上奥陶统;7.志留系-泥盆系; 8.石炭系; 9.二叠系; 10.中生界;11.古近系-中新统;12.上新统;13.第四系;14.逆冲断层;15.正断层;16.走滑断层,箭头为向读者方向,箭尾为远离读者方向;17.轴面;18.地震联络线位置。 图 3 研究区地震剖面AA’及构造解释图 Fig. 3 Un-interpretation of the seismic profile AA'(a) and structural interpretation of seismic line AA'(b)
a.未解释地震剖面图; b.构造解释剖面图。背斜核部及单斜带上方局部发育正断层。图里代号含义同图 3 图 4 研究区地震剖面BB’及构造解释图 Fig. 4 Un-interpretation of the seismic profile BB'(a) and structural interpretation of seismic line BB'(b)
a.未解释地震剖面图; b.构造解释剖面图。背斜核部及单斜带上方局部发育正断层。图中代号含义同图 3 图 5 研究区地震剖面CC’及构造解释图 Fig. 5 Un-interpretation of the seismic profile CC'(a) and structural interpretation of seismic line CC'(b)
a.未解释地震剖面图; b.构造解释剖面图。背斜核部局部及东翼发育正断层。图里代号含义同图 3 图 6 研究区地震剖面DD’及构造解释图 Fig. 6 Un-interpretation of the seismic profile DD'(a) and structural interpretation of seismic line DD'(b)

弧形构造西段的近北北东向地震剖面AA’(图 3)显示,巴楚隆起北缘上覆新生代地层向南超覆于上古生界-中生界之上,并发育生长地层三角楔[24]。上覆最新地层为第四纪更新世-全新世地层。从图 3可看出,断层南侧的志留系-泥盆系厚度明显小于断层北侧的厚度。而在弧形构造东段其他地震剖面上显示,该地层厚度南北方向上没有明显的差异,这一问题仍需要进一步研究。吐木休克基底卷入逆冲断层上下盘厚度基本不变的只有中、下寒武统和石炭系-二叠系。由多个倾角区确定的基底卷入断层前翼形成了多个生长三角[25],说明吐木休克基底断层是长期活动的结果。基底卷入断层北侧附近的底部向斜轴面组成了一个明显的中新世褶皱崖,这些特征都表明这是个活动轴面,反映了下伏逆冲断层活动时间。

图 3剖面是位于弧形构造西段北北东向地震剖面,与弧顶构造剖面[6]相比较而言,逆冲方向与主逆冲断层之间的角度从垂直90°到斜交75°。该剖面的构造解释显示,虽然构造格局基本变化不大,但明显的是吐木休克基底卷入断层上盘发育的断层弯曲背斜后(北)翼发育多个轴面,说明背斜北翼明显受到斜向滑移的影响。而且在基底卷入断层上盘发育的背斜核部发育有正断层,并叠加于深部的挤压冲断构造之上。由于正断层发育的部位刚好处于背斜的核部,所以许多学者认为正断层的形成与背斜的纵张作用有关,实际并非如此。该区发育的正断层断开第四系的底部进入志留系-泥盆系。由于目前的二维地震测线间距较大,正断层侧向变化较大,目前地震测网解释的正断层走向延伸较短,规模相对较小, 基本上分布在拉伸(伸展)区域内(图 2)。地震剖面在弧形构造中段正断层的走向基本平行于褶皱轴迹和吐木休克基底断层走向, 而在弧形构造西段则与吐木休克基底断层呈斜交状态,这样的构造组合被许多研究者称为张扭性断层[11],为右行逆冲走滑断裂带[7]

随着逆冲方向与主逆冲断层之间的角度从斜交75°到斜交60°时,弧形构造西段的南南东向地震剖面及解释图(图 4ab)则显示,虽然基本构造格局变化不大,但很明显的是吐木休克基底卷入断层上盘发育的断层弯曲背斜后(北)翼发育多个轴面,说明背斜北翼晚期相对弧形构造顶部右行斜向滑移更为明显。背斜核部附近发育多达4条正断层,这些正断层清楚地断开第四系底进入中新世和古近纪地层,由于该区域地震反射资料品质较差,未能确定这些正断层向下错断的情况。由于每条地震剖面所解释的正断层错断的地层延伸较短,正断层侧向变化较大,其正断层的走向与吐木休克基底断层走向呈一定的角度。而南南东向地震剖面及解释图(图 4ab)显示出正断层几何特征从西向东的变化,从基底卷入逆冲断层上盘发育的正断层,向东转变为基底卷入逆冲断层上盘反冲逆冲断层相关的断层弯曲褶皱核部发育的正断层,反映了走滑分量逐渐减少。

当逆冲方向与主逆冲断层之间的角度为55°,北东向地震剖面的解释图(图 5)表明:吐木休克基底卷入断层倾角较大(>60°),断距增大,错断到石炭系-二叠系和中生界、古近系,断层上盘发育的反冲断层弯曲褶皱幅度变小,但背斜核部附近发育有正断层断距明显也随之增大,这些正断层清楚地断开第四系底进入泥盆纪-志留纪地层或中、晚奥陶世地层。

当逆冲方向与主逆冲断层之间的角度为50°,如方1井附近,其北西西向地震剖面的解释图(图 6)表明:吐木休克基底卷入断层附近地震反射波组杂乱,可以解释为多条逆冲断层,但无法确定断距;如果解释成走滑断层造成的花状构造,则明显与区域构造认识解释不符。本文根据地震波组的区域走向将其简化成一条主逆冲断层,其具有明显的走滑分量。根据方1井的钻井标定,可以认为方1井东侧地震反射杂乱是受正断层影响。正断层影响范围主要是反冲逆冲断层形成的断层相关褶皱核部及附近。该正断层错断最老层位为志留系-泥盆系。

综上所述,首先,地震解释吐木休克构造带上发育晚期正断层,影响最新地层为第四系,并叠加于深部的挤压冲断构造之上,平面上主要分布在吐木休克弧形构造西段单斜带或者弧形构造中段背斜核部(图 2)。一系列小型的正断层平面上呈雁列状分布,构成一条左行张扭性断裂带。地震剖面上,正断层或者清楚地断开第四系底进入下伏地层,或者错断中新世地层,或者错断古近纪-上新世地层,或者错断到古生界中;但错断古生界的断距是一致的,错断古近纪-新近纪地层的断距有变化,如向上正断层的断距逐渐减小,直至消失。正断层未影响第四系上部,说明这些正断层形成时间是从古近纪开始,一直到第四纪都有活动。其次,吐木休克基底卷入逆冲构造上盘形成的断层相关背斜褶皱核部是正断层发育的主要构造部位,说明背斜形成与背斜两翼的生长地层大约是同期的,并无时间差别,反映正断层发育与走滑分量存在有关,而不是区域伸展的结果,只是局部现象。

4 吐木休克弧形构造成因分析及斜向构造

前陆逆冲带一般发育不同尺度大小的弧形构造,反映三维构造变形特征。巴楚隆起北缘吐木休克构造带位于塔里木盆地中央,大地构造位置不属于前陆冲断带,但其弧形构造非常典型,为大尺度的弧形构造,主体构造为基底卷入形逆冲断层(图 1)。由于弧形构造顶部基底卷入构造高部位之下的两个断层倾向相反, 并在深部变成一条断层,弧形构造顶部楔形构造极易被解释成走滑花状构造。但从深部和浅部断层倾向和走向方向上位移量以及相关平面上的构造展布可帮助研究者区分这两类构造[26]。Marshak[27]根据沿弧形构造走向是否发生旋转把薄皮弧分为旋转弧(rotational curve或orocline)和非旋转弧(nonrotational curve)(图 7)。旋转弧的形成是由于曾经是平直走向的构造在晚期遭受变形而重新活动,或者受到横弯曲褶皱作用而逐渐形成的,因此弧形构造会发生沿垂直轴的旋转(图 7a);而非旋转弧的初始形成时期是沿着弧形迹线发育的,不会出现沿垂直轴的旋转现象(图 7b)。如在地壳中沿水平滑脱面变形,并形成弧形构造,称之为薄皮弧形构造。如弧形构造的逆冲断层卷入基底或这整个地壳则称之为厚皮弧形构造[24, 28-29]。根据笔者的研究成果,按照Marshak[27]弧形构造演化及成因分类,吐木休克构造带应该属于旋转弧形构造类型,为曾经平直基底卷入楔形构造(图 7a)逐渐弯曲,在晚期变形中形成的弧形构造,其弧形中段为纯挤压构造,其弧形构造左侧具有左行剪切分量及受左行走滑分量的控制,而弧形构造右侧具有右行剪切分量及受右行走滑分量的控制。

图 7 旋转弧(a)和非旋转弧(b)对比[27] Fig. 7 Contrast between rotational curves (a) and nonrotational curves (b)[27]

吐木休克弧形构造顶部无斜向走滑分量,其证据为:其基底卷入逆冲断层上盘发育的构造带只形成构造高部位的伸展变形带和构造低部位的挤压变形带2个应变带(图 2)。而在弧形构造西段因有斜向走滑分量,吐木休克基底卷入逆冲断层上盘发育的构造带则形成3个应变带构造,除了高部位形成的伸展变形带和构造低部位形成的挤压变形带,在这两者之间还存在一个剪切应变带(图 8),基底卷入逆冲断层的倾角变陡。这3个应变带分布区也存在显著叠加区,如拉伸和剪切叠加(弧形构造西段),或者是挤压和剪切叠加(弧形构造东段)。而弧形构造东段,由于其构造样式为新发育的基底卷入楔形构造叠加在已发育的基底卷入楔形构造之上,应变带主要为剪切应变带叠加在挤压变形带之上。弧形构造西段基底卷入逆冲构造发育的斜向挤压带都发育这3个应变带,由于应变带演化和相互之间的作用变化,在断层端部发育的单斜带上形成复杂的破裂系统,增加了对储层裂缝的预测难度,这和下伏基底卷入逆冲断层斜向滑移量大小有关[30]。拉伸应变区主要发育与最大拉伸应力方向垂直的正断层或节理,挤压应变区主要发育与最大挤压应力方向垂直的挤压逆断层或辟理,剪切应变区可能较为复杂,其遵循Riedel剪切模式发育一系列节理、辟理、拉伸正断层、挤压逆断层和次级走滑断层。

图 8 吐木休克基底卷入逆冲构造左行张扭性断裂带应变带分布图 Fig. 8 Schematic diagram illustrating the three different strain zones across a monocline in the Tumuxiuke basement-involved thrust structure

许多研究者[30-34]根据野外地质调查、古地磁、物理模拟实验研究了含走滑分量的隐伏逆冲断层斜向滑移作用对地表变形构造形成的影响。Richard[31]在逆冲斜向挤压模拟实验中,用沙子模拟脆性层、硅胶泥模拟膏岩层,模拟出基底卷入逆冲断层斜向滑移导致地表构造迹线呈不是很明显的雁行排列。Keating等[30]用湿黏土模拟美国西部拉拉米(Laramide)造山作用发育的逆冲斜向挤压断层作用,通过测量模式中的地表位移和应变,判别出单斜枢纽区之下为挤压主区,中间为剪切区,之上为拉伸区。Taniyama[35]用离散元方法模拟了逆冲斜向挤压断层,基底断层斜向滑移导致地表构造迹线在平面上均呈雁行排列。

图 9是Keating等[30]假设基底卷入逆冲断层倾角为45°,最终伸展变形达3%,挤压变形达10%,或者剪切应变达到0.10(即5.5°旋转),断层斜向滑移角度变化(即斜度,就是主断层走向与挤压主压应力之间夹角的余角)情况下,最终阶段单斜带上累积变形特征。当断层走滑斜度≤30°,伸展变形和挤压变形即使达到最大值,两者区域仍然不会重合,甚至在变形晚期阶段也不会发生变化的。剪切应变带相对其应变带相对狭窄,仅和挤压变形相叠合(图 9bc)。这说明斜度较低情况下,断层重新活动仅发生在单斜带褶皱的低部位。当断层断距恒定时,随着斜度增加,3个应变带其中之二的宽度明显增加(图 9de)。由于斜度增加,拉伸带的宽度向两侧均匀增加。剪切应变带宽度增加是通过单斜带翼部扩大而增加,但前陆侧方向的剪切应变带宽度仍保持不变。相比较而言,每个模式中挤压带的位置和宽度基本差不多,并与斜度无关(图 9)。这个结果说明,斜度较大的挤压逆冲断层,变形带的应变就更为复杂。如果断距增加,拉伸带的应变量就会随着变形加宽而增加,而剪切应变量也随之增加,宽度减少。

卷入基底断层的断距为12 mm时,伸展带、挤压带、剪切带应变分布(有限厚度),未涉及随深度变化,应变随之而变化。应变带的边界值为:拉伸大于3%、挤压大于10%、剪切应变为大于0.10(即超过5.5°旋转)。应变带的边界可以随着变形而移动。 图 9 基底卷入逆冲断层上盘单斜带随斜度变化其拉伸、挤压和剪切应变带分布示意图[30] Fig. 9 Schematic illustration of the zones of extension, contraction and shear strain across monoclines of obliquity and 12 mm of basement fault throw[30]

根据该模式(图 8),我们可以认为巴楚隆起北缘基底卷入构造是已存构造重新活动的结果。在重新活动过程中,晚期挤压方向导致先存构造重新活动,并伴有斜向滑移运动。这个认识能被多数研究者所接受,但是很难证实吐木休克基底卷入构造具有走滑分量。我们可以通过该构造拉伸变形范围变化反推该构造存在的走滑证据,如系列剖面(图 3-图 6),同样也说明吐木休克构造带在第四系仍然是挤压构造区。错断第四纪地层的正断层,不能说明第四纪时期发育背景是拉伸构造背景。从该区二维地震剖面的解释中, 我们也发现基底断层上部倾角大,向下延伸倾角逐渐变缓,也说明吐木休克断层为多期活动。而且弧形构造西段,吐木休克主干断层在有的段落倾角较大(>45°),但水平挤压作用形成的逆冲断层倾角一般为30°左右或更小,如果没有走滑分量很难解释吐木休克断层倾角变化问题(断层面总体走向NWW-NW,倾向S-SW,倾角一般为40°~70°),如果走滑分量较大,就可能导致吐木休克断层的倾角达到70°,此时拉伸区范围就扩大到最大值(图 9e)。根据区域地质特征以及地震剖面的生长地层三角, 我们认为吐木休克基底构造卷入主要形成时代可分四期:中生代、古近纪-中新世、上新世和更新世。

5 结论

1) 塔里木盆地中央发育的巴楚隆起为挤压作用形成的基底隆起,隆起覆盖有古生代地层,缺失中新生界,被第四纪地层不整合覆盖。在隆起北缘发育一条规模较大、向北凸起的弧形构造--吐木休克基底卷入构造。

2) 通过二维地震测网详细解释和钻井标定,以及断层相关褶皱理论的应用,吐木休克构造带应该属于旋转弧形构造类型,为曾经平直基底卷入楔形构造逐渐弯曲,在晚期变形中形成弧形构造,其弧形中部为纯挤压构造,其弧形构造左侧(西部)具有左行剪切分量及受左行走滑分量的控制,而弧形构造右侧(东部)具有右行剪切分量及受右行走滑分量的控制。

3) 弧形构造顶部无斜向走滑分量,其基底卷入逆冲断层上盘发育的构造带,形成构造高部位发育的伸展变形带和构造低部位发育的挤压变形带。

4) 弧形构造东段,由于其构造样式为新发育基底卷入的楔形构造叠加在已发育基底卷入的楔形构造之上,应变带主要为剪切应变带叠加在挤压变形带之上。弧形构造西段发育有斜向走滑分量,吐木休克基底卷入逆冲断层上盘发育的构造带形成3个应变带构造,除了高部位形成的伸展变形带和构造低部位形成的挤压变形带,在这两者之间还存在一个剪切应变带。这3个应变带分布区也存在显著叠加区,如拉伸和剪切叠加,或者是挤压和剪切叠加。

5) 模拟实验也证实了基底卷入断层相关褶皱是老断层重新活动结果,如果伴有斜向滑移运动,基底卷入逆冲构造发育的斜向挤压带都发育这3个应变带,由于应变带演化和相互之间的作用变化,其上发育的构造即具有逆冲作用,又具有走滑特征,同时发育伸展作用形成的正断层系。

参考文献
[1]
郑显华. 塔里木盆地西部巴楚一麦盖提地区石油地质特征及勘探建议[J]. 石油实验地质, 1995, 17(2): 114-120.
Zheng Xianhua. Petroleum Geological Characteristics and Exploration Proposals to Bachu-Maigaiti Area of the West Tarim Basin[J]. Petroleum Geology and Experiment, 1995, 17(2): 114-120.
[2]
谢晓安, 胡素云, 卢华复. 探讨塔里木盆地巴楚的正反转构造[J]. 地质论评, 1998, 44(1): 1-6.
Xie Xiaoan, Hu Suyun, Lu Huafu. Positive Inversion Structure in the Bachu Fault-Uplift in the Tarim Basin[J]. Geological Review, 1998, 44(1): 1-6. DOI:10.3321/j.issn:0371-5736.1998.01.001
[3]
何文渊, 李江海, 钱祥麟, 等. 塔里木盆地巴楚断隆中-新生代的构造演化[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2000, 36(4): 539-546.
He Wenyuan, Li Jianghai, Qian Xianglin, et al. The Mesozoic-Cenozoic Evolution of Bachu Fault Uplift in Tarim Basin[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universities Pekinensis, 2000, 36(4): 539-546. DOI:10.3321/j.issn:0479-8023.2000.04.016
[4]
任建业, 张俊霞, 阳怀忠, 等. 塔里木盆地中央隆起带断裂系统分析[J]. 岩石学报, 2011, 27(1): 219-230.
Ren Jianye, Zhang Junxia, Yang Huaizhong, et al. Analysis of Fault Systems in the Central Uplift, Tarim Basin[J]. Acta Petrologica Sinica, 2011, 27(1): 219-230.
[5]
杨明慧, 金之钧, 吕修祥, 等. 塔里木盆地基底卷入扭压构造与巴楚隆起的形成[J]. 地质学报, 2007, 81(2): 158-165.
Yang Minghui, Jin Zhijun, Lü Xiuxiang, et al. Basement-Involved Transpressional Structure and the Formation of the Bachu Uplift, Tarim Basin, Northwestern China[J]. Acta Geologica Sinica, 2007, 81(2): 158-165. DOI:10.3321/j.issn:0001-5717.2007.02.003
[6]
杨庚, 赵孟军, 陈竹新, 等. 塔里木巴楚隆起北缘吐木休克楔形基底卷入构造[J]. 大地构造与成矿学, 2017, 41(4): 638-652.
Yang Geng, Zhao Mengjun, Chen Zhuxin, et al. A Large-Scale Basement-Involved Wedge Structure of Tumuxiuke Fault in Northern Margin of Bachu Uplift in the Tarim Basin, Northwest China[J]. Geotectonica et Metallogenia, 2017, 41(4): 638-652.
[7]
刘志宏, 林东成, 王文革, 等. 塔里木盆地吐木休克断裂带的研究[J]. 长春科技大学学报, 2001, 31(3): 209-223, 235.
Liu Zhihong, Lin Dongcheng, Wang Wenge, et al. Study on Tumuxiuke Fault Belt in Tarim Basin[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 2001, 31(3): 209-223, 235. DOI:10.3969/j.issn.1671-5888.2001.03.001
[8]
朱德丰, 刘和甫, 吴根耀. 塔里木盆地西部吐木休克断裂带的主要特征和构造演化[J]. 地质科学, 2008, 43(2): 209-227.
Zhu Defeng, Liu Hefu, Wu Genyao. Mail Characteristics and Structural Evolution of the Tumuxiuke Fault Zone in the Western Tarim Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2008, 43(2): 209-227. DOI:10.3321/j.issn:0563-5020.2008.02.001
[9]
肖安成, 杨树锋, 李曰俊, 等. 塔里木盆地巴楚隆起断裂系统主要形成时代的新认识[J]. 地质科学, 2005, 40(2): 291-302.
Xiao Ancheng, Yang Shufeng, Li Yuejun, et al. Main Period for Creation of Fracture System in the Bachu Uplift, Tarim Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2005, 40(2): 291-302. DOI:10.3321/j.issn:0563-5020.2005.02.013
[10]
王毅, 张仲培, 张波, 等. 塔里木盆地巴楚地区大型膝褶带的发现及油气勘探意义[J]. 石油与天然气地质, 2014, 35(6): 914-924.
Wang Yi, Zhang Zhongpei, Zhang Bo, et al. Discovery of Large Kink-Band Structures and Petroleum Exploration Implications in Bachu Area Tarim Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2014, 35(6): 914-924.
[11]
李曰俊, 孙龙德, 杨海军, 等. 塔里木盆地阿瓦提凹陷周缘的晚新生代张扭性断层带[J]. 地质科学, 2013, 48(1): 109-123.
Li Yuejun, Sun Longde, Yang Haijun, et al. The Late Cenozoic Tensor-Shear Fault Zones Around Awati Sag, NW Tarim Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2013, 48(1): 109-123. DOI:10.3969/j.issn.0563-5020.2013.01.006
[12]
Gries R. North-South Compression of Rocky Mountain Foreland Structures[C]//Lowell J D. Rocky Mountain Foreland Basinsand Uplifts. Denver, Colorado: Rock Mountain Association of Geologists, 1983: 9-32.
[13]
Erslev E A. Thrust, Back-Thrusts, and Detachment of Rocky Mountain Foreland Arches[C]//Schmidt C J, Chase R B, Erslev E A. Laramide Basement Deformation in the Rocky Mountain Foreland of the Western United States.Boulder, Colorado: Geological Society of America Special Paper, 1993: 339-358.
[14]
Varga R J. Rocky Mountain Foreland Uplifts:Products of a Rotating Stress Field or Strain Partitioning?[J]. Geology, 1993, 21(12): 1115-1118. DOI:10.1130/0091-7613(1993)021<1115:RMFUPO>2.3.CO;2
[15]
Bump A P. Reactivation, Trishear Modeling, and Folded Basement in Laramide Uplifts:Implications for the Origins of Intra-Continental Faults[J]. GSA Today, 2003, 13(3): 4-10. DOI:10.1130/1052-5173(2003)013<0004:RTMAFB>2.0.CO;2
[16]
Huntoon P W. Influence of Inherited Precambrian Basement Structure on the Localization and Form of Laramide Monoclines, Grand Canyon, Arizona[C]//Schmidt C J, Chase R B, Erslev E A. Laramide Basement Deformation in the Rocky Mountain Foreland of the Western United States. Boulder, Colorado: Geological Society of America Special Paper, 1993: 243-256.
[17]
Schmidt C J, Genovese P W, Chase R B. Role of Basement Fabric and Cover-Rock Lithology on the Geometry and Kinematics of Twelve Folds in the Rocky Mountain Foreland[C]//Schmidt C J, Chase R B, Erslev E A. Laramide Basement Deformation in the Rocky Mountain Foreland of the Western United States. Boulder, Colorado: Geological Society of America Special Paper, 1993: 1-44.
[18]
Marshak S, Karlstrom K, Timmons J M. Inversion of Proterozoic Extensional Faults:An Explanation for the Pattern of Laramide and Ancestral Rockies Intracratonic Deformation, United States[J]. Geology, 2000, 28(8): 735-738. DOI:10.1130/0091-7613(2000)28<735:IOPEFA>2.0.CO;2
[19]
Stone D S. Wrench Faulting and Rocky Mountain Tectonics[J]. The Mountain Geologist, 1969, 6: 67-79.
[20]
Stone D S. Basement-Involved Thrust-Generated Folds as Seismically Imaged in the Subsurface of the Central Rocky Mountain Foreland[C]//Schmidt C J, Chase R B, Erslev E A. Laramide Basement Deformation in the Rocky Mountain Foreland of the Western United States. Boulder, Colorado: Geological Society of America Special Paper, 1993: 271-318.
[21]
刘亚雷, 杨海军, 齐英敏, 等. 塔里木盆地吐木休克构造带断裂构造分析[J]. 地质科学, 2013, 48(1): 124-132.
Liu Yalei, Yang Haijun, Qi Yingmin, et al. Tectonic Analysis on Tumuxiuke Fault Belt in the Western Tarim Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2013, 48(1): 124-132. DOI:10.3969/j.issn.0563-5020.2013.01.007
[22]
Tapponnier P, Molnar P. Active Faulting and Cenozoic Tectonics of the Tian Shan, Mongolia, and Baykal Regions[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 1979, 84(B7): 3425-3459. DOI:10.1029/JB084iB07p03425
[23]
Neil E A, Houseman G A. Geodynamics of the Tarim Basin and the Tian Shan in Central Asia[J]. Tectonics, 1997, 16(4): 571-584. DOI:10.1029/97TC01413
[24]
Suppe J, Chou G T, Hook S C. Rates of Folding and Faulting Determined from Growth Strata[C]//McClay K R. Thrust Tectonics, Chapman &Hall, London: [s.n.]. 1992: 105-121.
[25]
Shaw J, Connors C, Suppe J. Seismic Interpretation of Contractional Fault-Related Folds[C]//Shaw J, Connors C, Suppe J. An AAPG Seismic Atlas Studies in Geology #53. Tulsa: The American Association of Petroleum Geologists, 2004: 1-157.
[26]
Mount V S, Kevin W M, Thomas W G, et al. Basement-Involved Contractional Wedge Structural Styles: Examples from the Hanna Basin, Wyoming.[C]//McClay K, Shaw J, Suppe J. Thrust Fault-Related Folding. Tulsa: AAPG Memoir, 2011: 271-281.
[27]
Marshak S. Salients, Recesses, Arcs, Oroclines, And Syntaxes; A Review of Ideas Concerning the Formation of Map-View Curves in Fold-Thrust Belts.[C]//McClay K R. Thrust Tectonics and Hydrocarbon Systems.Tulsa: American Association of Petroleum Geologists Memoir, 2004: 131-156.
[28]
Marshak S. Kinematics of Orocline and Arc Formation in Thin-Skinned Orogens[J]. Tectonics, 1988, 7(1): 73-86.
[29]
Macedo J M, Marshak S. Controls on the Geometry of Fold-Thrust Belt Salient[J]. Geological Society of America Bulletin, 1999, 111: 1808-1822. DOI:10.1130/0016-7606(1999)111<1808:COTGOF>2.3.CO;2
[30]
Keating D P, Fischer M P, Blau H. Physical Modeling of Deformation Patterns in Monoclines Above Oblique-Slip Faults[J]. Journal of Structural Geology, 2012, 39: 37-51. DOI:10.1016/j.jsg.2012.03.008
[31]
Richard P. Experiments on Faulting in a Two-Layer Cover Sequence Overlying a Reactivated Basement Fault with Oblique-Slip[J]. Journal of Structural Geology, 1991, 13(4): 459-469. DOI:10.1016/0191-8141(91)90018-E
[32]
Tindall S E, Davis G H. Monocline Development by Oblique-Slip Fault-Propagation Folding:The East Kaibab Monocline, Colorado Plateau, Utah[J]. Journal of Structural Geology, 1999, 21: 1303-1320. DOI:10.1016/S0191-8141(99)00089-9
[33]
Nicol A, Dissen R V. Up-Dip Partitioning of Displacement Components on the Oblique-Slip Clarence Fault New Zealand[J]. Journal of Structural Geology, 2002, 24: 1521-1535. DOI:10.1016/S0191-8141(01)00141-9
[34]
Tetreault J, Jones C H, Erslev E, et al. Paleomagnetic and Structural Evidence for Oblique Slip in a Fault-Related Fold, Grayback Monocline, Colorado[J]. Geology Society American Bulletin, 2008, 120(7/8): 877-892.
[35]
Taniyama H. Distinct Element Analysis of Overburden Subjected to Reverse Oblique-Slip Fault[J]. Journal of Structural Geology, 2017, 96: 90-101. DOI:10.1016/j.jsg.2017.01.007
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180040
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
0

文章信息

杨庚, 陈竹新, 刘银河, 王晓波
Yang Geng, Chen Zhuxin, Liu Yinhe, Wang Xiaobo
塔里木盆地巴楚隆起北缘吐木休克弧形基底卷入斜向滑移构造
A Basement-Involved Structure Above Oblique-Slip Tumuxiuke Fault in Northern Margin of Bachu Uplift in Tarim Basin, Northwest China
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(5): 1209-1221
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(5): 1209-1221.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180040

文章历史

收稿日期: 2018-03-06

相关文章

工作空间