塔里木盆地顺北地区11号走滑断裂带变形及其活动特征

况安鹏，余一欣，朱秀香，陈 石，金 峰，梁鑫鑫，余 浪

(1.中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

0 引 言

塔里木盆地中北部环绕着满加尔坳陷发育沙雅和卡塔克两大古生界古隆起，是近些年发现的有利油气富集区，目前已建成古生界碳酸盐岩两大富油气区带。随着勘探研究的深入，发现在沙雅隆起和卡塔克隆起上的古生界中发育的断裂主要为逆冲断裂和走滑断裂，而且断裂发生多期活动，叠加构成复杂的断裂系统[1-10]。这些地区的走滑断裂带对油气具有显著的控制作用，近直立的走滑断裂(甚至是隐形断裂)通常具有通源性，并且与储层和油气圈闭密切相关。沿着走滑断裂带部署的钻井也获得多个重要油气田发现，如沙雅隆起哈拉哈塘、顺托果勒低隆以及卡塔克隆起均发现位于走滑断裂带附近的高产油气田。

前人对卡塔克隆起、沙雅隆起以及顺托果勒低隆东部地区的走滑断裂的几何学和运动学特征以及动力学成因等方面都做了比较深入的研究工作，认为在天山、昆仑山和阿尔金山等周缘造山带联合作用下，卡塔克隆起地区主要发育与塔中I号逆冲断裂垂直的NE向左行调节走滑断裂体系，而沙雅隆起地区主要发育透入性的共轭走滑断裂体系[11-13]。但是对于顺托果勒低隆西部地区的走滑断裂研究较少。本文基于三维和二维地震资料，对位于顺北5号走滑断裂带西部地区的顺北11号走滑断裂带的变形及其活动特征进行了详细解剖，对顺北地区的走滑断裂研究是重要补充，并可以为顺北西部地区的油气勘探部署提供科学参考。

1 区域地质概况

塔里木盆地是我国最大的内陆含油气叠合盆地，位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块、羌塘地块和柴达木板块交汇处[14-17]。塔里木盆地周缘发育天山、西昆仑山和阿尔金山等多期活动造山带，以板内构造变形为主，发育由一系列隆起带与坳陷带相间组成的隆凹构造格局。本文的顺北西部地区是指位于顺北5号走滑断裂带以西的顺托果勒低隆部位(图1)。该地区位于塔里木盆地几大构造单元的交汇部位，北部紧邻沙雅隆起，西部与阿瓦提凹陷相邻，南部与卡塔克隆起西缘末端相接(图1)。顺北西部地区构造条件复杂，发育多组走滑断裂和逆冲断裂。前人研究表明，顺北地区可能经历了至少4个构造演化阶段，包括加里东早期(寒武纪-中奥陶世)克拉通边缘拗拉槽与克拉通内弱伸展背景阶段、加里东中晚期-海西早期(中奥陶世-中泥盆世)克拉通隆起形成演化与整体挤压阶段、海西晚期-印支期(早二叠世-侏罗纪)隆起持续抬升与挤压阶段和燕山期-喜马拉雅期古隆起与断裂调整定型阶段[18]。顺北地区古生代地层自下而上有寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二叠系[5,19]，在加里东中期、海西早期等发育多个区域性不整合，包括T74、T70和T60界面等(图2)。

图1 塔里木盆地顺北及邻区走滑断裂系统图Fig.1 Strike-slip fault system in/around the Shunbei area in the Tarim basin

图2 塔里木盆地顺北地区地层综合柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Shunbei area

顺北西部地区主要发育NNW向和NNE向两组走滑断裂体系，其中NNW走向的走滑断裂占主导，包括顺北7号、9号、11号和13号走滑断裂带等，这些断裂带在区域上延伸距离较长，整体近平行展布(图1)。NNE走向的走滑断裂带延伸距离较短，并且分散发育，而且部分断裂被NNW走向的顺北11号断裂带和13号断裂带限制(图1)。

2 断裂带变形特征

顺北11号断裂位于顺托果勒低隆西部地区，向北穿过阿瓦提坳陷东部，延伸至沙雅隆起，南部穿过塔中1号断裂带西部转折端进入卡塔克隆起，整体延伸长度超过100 km(图1)。平面上，顺北11号断裂带北段呈线性展布，在南段分散为数条次级断裂，呈马尾状尖灭(图1)。顺北11号断裂活动时间长，在剖面上切穿层位多，向下切入前寒武系基底，向上切穿古生界，基本终止于T05界面之下(图3)。

顺北11号断裂带在不同段表现出不同的构造特征，可分为北、中、南3段。在北段，断层在深部近直立，向上发育次级断层，组成花状构造。断裂在北段整体表现出压扭特征，T18、T47和T07界面都发生挤压上拱，但上拱幅度存在明显差异，表现出明显的分层性，部分地区表现出下部“上拱”和上部“下掉”叠合的现象(图3中的剖面①和②)。在中段，断裂在剖面上发育负花状构造，自寒武系发育分支断裂向上“开花”，两条分支断裂内控制地层下掉形成地堑(图3中的剖面③、④和⑤)，表现出张扭应力背景下的变形特征。在平面上，分支断裂控制的下掉地堑处于顺北11号断裂的右阶弯曲部位。在断裂带南段，顺北11号断裂发育数条分支断裂，平面上呈马尾状分布。在剖面上，这些次级断裂的活动性逐渐减弱，在T06界面之上就基本停止发育，明显较断裂北段活动时间短。断裂多表现为直立断裂，分支较少，没有发育中、北段的大型花状构造，仅在T47界面之上发育小型花状构造，整体断距小，地层界面大多平整，局部地区的T18和T47界面表现为压扭变形特征(图3中的剖面⑥)。

图3 顺北11号断裂带典型剖面图(剖面位置见图1)Fig.3 Seismic profiles across the Shunbei-11 fault (see Fig.1 for the profiles location)

3 断裂带活动特征

应用三维地震数据体，通过统计不同地层界面受走滑断裂控制的变形区和未变形区之间的落差来反映断裂的活动特征。落差为正值，则地层界面受压扭作用上拱变形，反之落差为负值，则地层界面受张扭作用下掉变形。综合顺北11号断裂沿走向不同位置的落差特征，可见在T18界面表现出明显的分段性。北段为压扭上拱段，中段为显著的张扭拉分段，而南端的几条分支断裂(图4(a))主体为平移运动，部分兼有弱挤压特征(图4(b))。在T47界面，断裂带活动特征与T18界面有一定差异。在北段强挤压上拱和强拉分下掉交互出现，在断裂带中段与T18界面类似，均为强烈的拉张下掉，但地层界面的下掉幅度存在差异。南段几条分支断裂主要为平移变形，局部兼有弱挤压和弱拉张变形(图4(c))。因此，顺北11号断裂带的变形特征具有较明显的分段性和分层性(图3和图4(b))。在北段，深层主要表现为比较强烈的压扭特征，而浅层则是压扭和张扭交互出现，断裂中段为强拉分段，但深浅层拉分下掉的幅度存在差异，浅层下掉的幅度相对更大一些。断裂南段主体为发生平移的马尾段，断裂活动性也明显减弱，并逐渐尖灭。

图4 顺北11号断裂带落差分布特征Fig.4 Plot of fault throws along the Shunbei-11 fault(a)T81界面断裂展布；(b)T81界面地层落差；(c)T74界面地层落差

本文通过研究认为顺北11号断裂带是一条右旋走滑断层，主要存在以下两方面的证据：(1)在断裂带南段，浅层发育受深层主干断裂活动控制的雁列式断层，这些雁列式断层控制了浅部地层下掉形成的地堑和断块。在T07界面的地震相干切片上(图5(a))，可见雁列式断层呈左阶斜列式展布，指示深部主干断裂发生右旋走滑活动(图5(b))。(2)在断裂带中段，顺北11号断裂带发育由两条断裂控制的拉分地堑(图6(b))，而该地堑在平面上位于主干断裂的右阶拐弯的叠接区，同时主干断裂和次级断裂在平面上构成伸展走滑双重构造，也指示顺北11号断裂带发生了右旋走滑活动(图6(a))。

图5 顺北11号断裂带浅层雁列断层发育特征Fig.5 En echelon faults at the T70 horizon of the Shunbei-11 fault(a)T70界面相干切片；(b)平面断裂展布

图6 顺北11号断裂带拉分地堑发育特征Fig.6 Pull-apart grabens in the middle segment of the Shunbei-11 fault(a)T74界面断裂展布；(b)地震解释剖面

4 断裂带活动期次

前人通过分析地震剖面上断层切割地层关系、地层不整合界面和平面组合的规律等，认为塔里木盆地卡塔克隆起和沙雅隆起的走滑断裂在古生代形成，并且经历了两期活动[1,11-13,19-20]，但对于两期活动的具体时间还没有达成共识，如中晚奥陶世-志留纪和二叠纪[20]、志留纪末期-泥盆纪初期以及二叠纪晚期[11,13]、中奥陶世和晚志留世-中泥盆世末[1,12,19]等不同观点。还有一些研究人员认为卡塔克地区的走滑断裂主要在志留纪-泥盆纪发生活动[21]。

对于多期活动形成的小位移长走滑断裂的活动期次厘定存在着很大难度，传统的分析方法(如断穿地层时代、断层生长指数、断层生长速率等)并不能直接套用。实际上，走滑断裂带在多期次活动演化过程中，主滑移断层向上覆构造层传递应力，受地层厚度、岩石物理性质及摩擦强度差异等控制，不同构造层的岩层破裂、扩展方式会存在明显差异，进而影响不同构造层的变形特征，形成新的构造样式。因此，围绕“分层构造变形分解”开展走滑断裂带几何学和运动学特征解析，是厘定小位移长走滑断裂活动期次的关键。

顺北11号断裂带变形特征的分层差异也表明断裂发生了多期活动。在北部压扭段，可见断裂带在深层近直立延伸至基底，断裂向上开花，发育正花状构造，而T47界面也相应发生明显的上拱变形，而T07界面却近平整，地层的变形幅度存在明显差异，形成角度不整合(图7)，可以判断在T07界面前后至少发生两次活动变形。在中段拉分段，控制拉分地堑的两条边界断层基本终止于T06界面之上，而由于断裂的多期活动，拉分地堑内的沉积地层相对于地堑外地层有局部加厚的现象，属于断裂活动的同生沉积地层，利用同生沉积地层的时代可判断断裂的活动时限，目前在T07界面和T06界面以下可见两套明显加厚的同沉积地层(图7)。综合上述现象，可判断出顺北11号断裂带在晚奥陶世(T07界面之前)和晚志留世-中泥盆世(T06界面之前)发生两期活动，而且部分地区的活动持续到石炭纪。这一结论也与近期对卡塔克隆起走滑断裂的活动时限的认识相吻合[1]。

图7 顺北11号断裂带活动期次划分标志(剖面位置见图1)Fig.7 Deformation characteristics showing the evolution stages of the Shunbei-11 fault

5 顺北11号断裂带形成机制

受周缘板块运动和多期造山作用影响，塔里木盆地内部环满加尔坳陷发育大量走滑断裂。定年数据表明，沙雅隆起、卡塔克隆起和顺北地区的走滑断裂在460 Ma时开始形成[22]。但对于走滑断裂的发育机制和动力学成因，目前还没有统一的认识。有学者指出环满加尔坳陷发育的走滑断裂是在晚奥陶世来自东南方向的强烈斜向挤压作用形成的统一差异走滑断裂系统，并在沙雅隆起和卡塔克隆起区表现为不同性质的走滑断裂[22]。进一步研究发现，卡塔克隆起区的走滑断裂主要受控于塔里木盆地南部的古昆仑洋和阿尔金洋俯冲的多期、多方向挤压作用，主要发生晚奥陶世压扭和晚志留世-中泥盆世张扭两期变形[1,6,12]。

本文研究发现，在加里东中期(晚奥陶世)，塔里木盆地南缘西昆仑洋闭合消减[15]产生NE向挤压应力，形成大量NW向逆冲断裂，并在向盆地北部传递过程中，NE向挤压应力被大幅削弱，而此时盆地北部古大洋向中天山地体俯冲[23]，产生由北向南的挤压应力占据主导地位，控制了顺北11号断裂、5号断裂北段等NW向断裂发生右旋走滑活动，并向南延伸发育(图8(a))。在加里东晚期-海西早期(晚志留世-中泥盆世)，塔里木盆地南缘阿尔金洋俯冲消减[10,12]产生了NW向挤压应力，导致卡塔克隆起及其北坡NE向走滑断裂发生明显位移形变，对顺北11号断裂带的控制作用也有所减弱。与此同时，塔里木盆地北部南天山洋持续向塔里木板块北缘俯冲消减闭合[24]，受自北向南的挤压应力影响，顺北11号断裂带保持右旋走滑活动，并向南延伸发育，末端呈现出马尾状特征(图8(b))。

图8 顺北11号走滑断裂带形成模式图Fig.8 Evolution model of the Shunbei-11 fault in the western Shunbei area

顺托果勒低隆地区目前已经落实的主干走滑断裂带有20余条，其中弧形展布的顺北5号断裂带有明显的东西分隔作用(图1)。在顺北5号断裂带以东地区，走滑断裂主体为NE走向，而西部地区主干走滑断裂为NNW走向。顺北11号走滑断裂在平面上呈NNW向延伸，走向与顺北5号带北段基本一致，而断裂带的右旋走滑方向也和顺北5号带北段一致[3,18]。在构造变形方面，顺北11号断裂北段呈线性，中段开始发育次级断裂，形成两条次级断裂控制的拉分地堑，而到断裂南段则发生数条分支断裂，呈马尾状(图1和图3)。断裂带北段主要为压扭变形，中段为张扭拉分变形，南段主体为平移变形，整体呈现出北强南弱的活动特征。综合分析表明，顺北11号断裂带的发育过程可能是从北向南延伸，形成断裂的主压应力也是来自盆地北部，该特征和顺北5号断裂带北段的扩展方式也是基本一致的[3,18]。

因此，顺北11号走滑断裂带的几何学和运动学特征更接近于沙雅隆起的NNW向走滑断裂体系，而不同于卡塔克隆起区的NNE向左行走滑断裂体系。顺北11号走滑断裂带的发育主要受控于塔里木盆地北部天山洋的多期俯冲挤压而产生的自北向南的主压应力，断裂自北向南扩展延伸，呈右旋走滑活动，发育方式类似于顺北5号断裂带的北段。

6 结 论

(1)顺北11号走滑断裂带具有垂向分层性和平面分段性。断裂带北段主要为压扭张扭交互段，中段为两条次级断层控制的拉分段，南段为数条分支断层构成的马尾段。

(2)顺北11号断裂经历了多期活动变形，主要在晚奥陶世和晚志留世-中泥盆世发生活动，部分地区持续到石炭纪。顺北11号走滑断裂带的活动性整体由北向南逐渐减弱，是一条右旋走滑断层。

(3)顺北11号走滑断裂带的几何学和运动学特征更接近于沙雅隆起区的NNW向走滑断裂体系，而不同于卡塔克隆起区的NNE向左行走滑断裂体系。顺北11号走滑断裂带的发育过程主要受控于塔里木盆地北部天山洋的多期俯冲挤压而产生的自北向南的主压应力，断裂带自北向南扩展延伸，发育方式类似于顺北5号走滑断裂带北段。