侯筱曉，能 源，漆家福，李跨越，胡建寧，付永紅，李 媛，郭 曼

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

前陸沖斷帶構(gòu)造變形復(fù)雜，油氣資源豐富，是國內(nèi)外研究的熱點區(qū)域[1-2]。天山南北前陸沖斷帶發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣資源，勘探前景廣闊。目前在天山南緣的庫車前陸沖斷帶已發(fā)現(xiàn)多個大型油氣田，而位于天山北緣的準噶爾盆地南緣前陸沖斷帶只有中—小型油氣田的發(fā)現(xiàn)[2-9]。因此研究天山南北前陸沖斷帶變形差異及對圈閉樣式的影響，對我國西部的油氣勘探和開發(fā)具有重要意義。滑脫層是前陸沖斷帶內(nèi)引起變形差異的重要原因[1-12]，滑脫層和構(gòu)造活動不僅影響區(qū)域地質(zhì)的結(jié)構(gòu)和演化，而且也影響著沖斷帶內(nèi)圈閉的樣式和分布[5-8]。前人對天山南北前陸沖斷帶的構(gòu)造變形和樣式特征進行了大量的研究工作，并對天山南北前陸沖斷帶活動性進行過對比研究，在滑脫層的巖性、差異、變形機制等方面也取得了重要的進展，李本亮等學(xué)者認為滑脫層不僅控制沖斷構(gòu)造變形從山前向盆地的傳播,而且也控制了滑脫層上下構(gòu)造變形；董臣強等學(xué)者認為滑脫層的存在不僅是影響構(gòu)造樣式形成及演化的關(guān)鍵因素,而且也是造成深層與淺層構(gòu)造不協(xié)調(diào)的主要原因[1-9,13-37]。但前人對天山南北前陸沖斷帶內(nèi)的滑脫層差異的對比和總結(jié)、滑脫層上下構(gòu)造變形強度定量分析及滑脫層對圈閉的影響等方面的研究較少。因此，本文以天山南北前陸沖斷帶的地震解釋資料為基礎(chǔ)，通過斷距測量、平衡剖面恢復(fù)、縮短量統(tǒng)計等方法，對天山南北前陸沖斷帶構(gòu)造差異進行定量表征，旨在為天山南北前陸沖斷帶的油氣勘探提供理論參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

天山是世界上最大的緯向山脈，整體呈近東西走向長度約2 500 km，是島弧和陸塊經(jīng)歷了多期碰撞作用形成[7]。天山南緣的庫車前陸沖斷帶在衛(wèi)星圖上整體呈南西—北東向展布，劃分為西、中、東三段，西段為烏什凹陷—溫宿凸起段，中段為北部單斜帶—克拉蘇構(gòu)造帶—拜城凹陷—秋里塔格構(gòu)造帶，東段為依奇克里克構(gòu)造帶—陽霞凹陷；天山北緣的準噶爾盆地南緣前陸沖斷帶(以下簡稱準南前陸沖斷帶)呈北西—南東向展布(圖1)，劃分為西、中、東三段，獨山子以西為西段，獨山子到烏魯木齊為中段，烏魯木齊以東為東段。多年勘探表明，庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶資源潛力巨大，具備形成大油氣田的地質(zhì)條件。

圖1 庫車前陸沖斷帶和準噶爾盆地南緣前陸沖斷帶構(gòu)造單元劃分圖Fig.1 Division of tectonic units in the foreland thrust belts at Kuqa and on the southern margin of Junggar Basin(1)四棵樹凹陷；(2)齊古斷褶帶；(3)霍瑪吐背斜帶；(4)呼獨安背斜帶；(5)阜康凹陷斷裂帶；(6)烏什凹陷；(7)溫宿凸起；(8)南部斜坡帶；(9)秋里塔格構(gòu)造帶；(10)拜城凹陷；(11)克拉蘇構(gòu)造帶；(12)北部單斜構(gòu)造帶；(13)陽霞凹陷；(14)依奇克里克構(gòu)造帶

天山山脈向兩側(cè)前陸盆地發(fā)生大規(guī)模的逆沖推覆，在中生代沉積盆地的基礎(chǔ)上沉積了巨厚的新生代沉積[1,7]，天山南北緣新生代沉積環(huán)境和地層巖性存在一定的差異(圖2)。在古近紀，庫車前陸沖斷帶為瀉湖—沖積扇環(huán)境[7-8]，沉積了巨厚的庫姆格列木群膏鹽巖，分布在庫車前陸沖斷帶西段和中段；而在庫車前陸沖斷帶東段古近系膏鹽巖不發(fā)育，新近系吉迪克組膏泥巖在此段廣泛分布。古近系庫姆格列木群膏鹽巖和新近系吉迪克組膏泥巖不僅為其下蘊藏豐富的天然氣資源提供了良好的區(qū)域性蓋層，而且還是庫車前陸沖斷帶內(nèi)重要的滑脫層[10,21]。

圖2 天山南北地層綜合圖Fig.2 Integrated stratigraphic map of the northern and southern Tianshan orogens

在古近紀，準噶爾盆地南緣沉積環(huán)境為湖泊—扇三角洲，以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，其中古近系湖相泥巖既是下伏油氣的良好蓋層，也是該地區(qū)重要的滑脫層之一[8,12,14]。在中生界準南前陸沖斷帶內(nèi)發(fā)育多套煤層，主要分布在侏羅系的頂部、中部及三疊系頂部，在受到擠壓應(yīng)力的作用下，煤層容易發(fā)生滑脫作用，是重要的滑脫層。二疊系深湖相泥巖為準南前陸沖斷帶東段的主要滑脫層且滑脫作用強烈[12]。

2 滑脫層對構(gòu)造樣式的控制作用

2.1 庫車前陸沖斷帶內(nèi)的滑脫層對構(gòu)造樣式的控制作用

在庫車前陸沖斷帶中西段，受膏鹽巖分布與沉積厚度的影響，鹽構(gòu)造變形主要發(fā)生在阿瓦特構(gòu)造帶—卻勒—西秋構(gòu)造帶。阿瓦特構(gòu)造帶古近系庫姆格列木群(E1-2km)鹽層發(fā)育，可見擠壓變形特征，膏鹽巖層發(fā)育楔入構(gòu)造，楔入了新近系吉迪克組(N1j)泥巖中(圖3)。在新近系庫車組(N2k)沉積期，鹽下構(gòu)造層內(nèi)形成一系列逆沖斷層，構(gòu)成階梯狀逆沖斷層。

在庫車前陸沖斷帶中段南部斜坡帶沉積穩(wěn)定，鹽層較薄，未出現(xiàn)大幅度的構(gòu)造變形。受古近系庫姆格列木群(E1-2km)巨厚膏鹽巖的影響，鹽上構(gòu)造樣式主要為寬緩的斷層相關(guān)褶皺。相對于鹽上層，鹽下斷層更加發(fā)育，具有成排成帶的展布特征，斷層向上消失于膏鹽巖層。鹽下層多為疊瓦構(gòu)造及沖起構(gòu)造，也可見具有走滑性質(zhì)的花狀構(gòu)造(圖3)，巨厚的膏鹽層產(chǎn)生了鹽上、鹽下構(gòu)造變形不協(xié)調(diào)的特點，多見推覆構(gòu)造。膏鹽巖層可見楔入構(gòu)造、鹽拱構(gòu)造、鹽刺穿構(gòu)造等。

圖3 庫車前陸沖斷帶構(gòu)造變形樣式Fig.3 Tectonic deformation patterns of the Kuqa foreland thrust belt

在庫車前陸沖斷帶東段地區(qū)，滑脫層轉(zhuǎn)變?yōu)樾陆导峡私M(N1j)膏泥巖，膏泥巖在滑脫斷層下盤發(fā)生聚集，部分膏泥巖沿此斷層向上發(fā)生逆沖推覆，形成推覆構(gòu)造。在秋里塔格構(gòu)造帶鹽下層沖起構(gòu)造較發(fā)育，鹽下斷層消失在吉迪克組膏泥巖中。膏泥巖上下構(gòu)造層形態(tài)呈現(xiàn)顯著的分層性，鹽上層的構(gòu)造樣式受膏泥巖滑脫影響較大，斷層傾角下緩上陡，具有滑脫構(gòu)造特征；鹽下層多為疊瓦構(gòu)造及沖起構(gòu)造(圖3)，構(gòu)造變形主要集中在依奇克里克構(gòu)造帶和東秋里塔格構(gòu)造帶。

2.2 準南前陸沖斷帶內(nèi)的滑脫層對構(gòu)造樣式的控制作用

位于準南前陸沖斷帶西段的托斯臺北斷層為高角度逆沖斷層，構(gòu)造變形強烈并伴生多組次級斷層。沿侏羅系煤層發(fā)育的逆沖推覆斷層控制了準南前陸沖斷帶西段淺層褶皺的構(gòu)造特征。艾卡斷層發(fā)育在下伏的煤系地層中，向下延伸切入基底，發(fā)育反向斷層，在剖面上呈反“y”型(圖4)，構(gòu)造樣式為“正花狀”，具有走滑構(gòu)造特征，受此斷層的影響形成了卡因迪克背斜。

圖4 準南前陸沖斷帶構(gòu)造變形樣式Fig.4 Tectonic deformation patterns of the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

在準南前陸沖斷帶的中段，深層南傾的逆沖斷層與中—淺層滑脫斷層組成了構(gòu)造楔，滑脫斷層沿古近系泥巖向北滑脫，并切穿新近系地層，逆沖到地表(圖4)。位于深層的斷層受侏羅系煤層的影響，斷層順層滑脫，產(chǎn)狀相對平緩，形成滑脫褶皺。

位于準南前陸沖斷帶東段的妖魔山斷層和阜康斷層都是南傾、北沖的逆沖斷層(圖4)。阜康斷層是分隔山前斷褶帶及山前凹陷帶的斷層，主要控制其上盤中生界的褶皺構(gòu)造[14,29]，阜康斷層變形強烈，上盤的二疊系和三疊系露出地表，深層斷層傾角相對平緩，斷層從淺層至地表傾角逐漸變陡，具有滑脫性質(zhì)。

2.3 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶構(gòu)造樣式差異性對比

受沉積環(huán)境和沉積體系變化的影響，庫車前陸沖斷帶和準南沖斷帶易形成滑脫層，不同性質(zhì)的滑脫層塑性流動和變形能力存在差異，影響上下地層的構(gòu)造變形差異[5-8]。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)庫車前陸沖斷帶在強烈擠壓作用下，鹽上層、鹽層、鹽下層不協(xié)調(diào)變形，構(gòu)造樣式復(fù)雜，分層性顯著；準南前陸沖斷帶的構(gòu)造變形雖表現(xiàn)出不協(xié)調(diào)的特點，但滑脫層上下差異性弱于庫車前陸沖斷帶。(2)準南前陸沖斷帶深層斷層多切穿滑脫層向上推覆且延伸較遠，并控制淺層褶皺；而庫車前陸沖斷帶受膏鹽巖的影響，鹽下斷層在膏鹽巖中消失，鹽上斷層延伸距離較短(圖3)。(3)由于膏鹽巖的流動性，造成庫車前陸沖斷帶構(gòu)造變形多集中于厚層膏鹽巖層之下，且構(gòu)造樣式繁多；而準南前陸沖斷帶二疊系、古近系泥巖和煤層分布均勻，南北厚度變化不大，構(gòu)造變形表現(xiàn)為滑脫層上下構(gòu)造變形帶相互疊加特征(圖4)。

3 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶的構(gòu)造演化

選取了庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶中段的兩條測線進行平衡恢復(fù)，測線位置可見圖1。恢復(fù)結(jié)果表明，庫車前陸沖斷帶中段的總縮短量為11.22 km，總縮短率為10.8%；準南前陸沖斷帶中段的南北向總縮短量為7.85 km，總縮短率為14.2%。自新生代以來，庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶雖然都經(jīng)歷了強烈的沖斷褶皺活動(圖5和圖6)，使庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶發(fā)生劇烈變形，形成現(xiàn)今構(gòu)造面貌，但構(gòu)造變形差異主要發(fā)生在新生代以后。從變形強度來看，新生代以來庫車前陸沖斷帶的變形強度比準南前陸沖斷帶更強，庫車前陸沖斷帶自新生代以來的平均縮短量約12.28 km，平均縮短率約12.1%，大于準南前陸沖斷帶同時期的縮短量和縮短率(表1)。

表1 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶中段平衡剖面的縮短量和縮短率一覽表Table 1 Shortening distance and rate of balance profiles in the foreland thrust belts (middle section)at Kuqa and on the southern margin of JunggarBasin

圖5 庫車前陸沖斷帶構(gòu)造演化圖Fig.5 Tectonic evolution diagram of the Kuqa foreland thrust belt

圖6 準南前陸沖斷帶構(gòu)造演化圖Fig.6 Tectonic evolution diagram of the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

4 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶的構(gòu)造差異定量分析

4.1 滑脫層上下斷層平均斷距分析

受膏鹽層滑脫作用的影響，庫車前陸沖斷帶內(nèi)的滑脫層上覆地層的平均鉛直斷距和平均水平斷距要大于滑脫層下伏地層的平均鉛直斷距和平均水平斷距。膏鹽巖的厚度差異影響滑脫層上下平均斷距的變化，庫車前陸沖斷帶中段膏鹽巖厚度大于西段，使得庫車前陸沖斷帶中段的滑脫層上覆地層平均鉛直斷距和平均水平斷距要大于西段(圖7(a))，中段平均鉛直斷距最大為1 359.2 m，平均水平斷距最大可達1 705.2 m?；搶酉路貙拥钠骄U直斷距和平均水平斷距在庫車前陸沖斷帶西、中、東段相差不大，鹽下平均鉛直斷距為733.8～875.4 m，鹽下平均水平斷距為721.1～770.7 m，說明膏鹽巖的塑性和分層能力強。

圖7 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶內(nèi)滑脫層上下平均斷距直方圖Fig.7 Histogram of average fault distance above and below the detachment layer for the foreland thrust belts at Kuqa and on the southern margin of Junggar Basin

準南前陸沖斷帶西、中、東段由不同滑脫層控制，西段為侏羅系的煤層在受到擠壓后，轉(zhuǎn)變?yōu)槊耗?，具有滑脫性質(zhì)，中段滑脫層為古近系泥巖、東段為二疊系厚層泥巖和侏羅系煤層[12-13]。受煤層和泥巖等滑脫層的影響，準南前陸沖斷帶滑脫層上覆地層的平均鉛直斷距和平均水平斷距大于下伏地層；但準南前陸沖斷帶滑脫層上覆地層平均斷距要小于庫車前陸沖斷帶，準南前陸沖斷帶滑脫層上覆地層的平均鉛直斷距最大為995.9 m、平均水平斷距最大為1 118.3 m，而庫車前陸沖斷帶平均鉛直斷距最大可達1 359.2 m、平均水平斷距最大可達1 705.2 m。以準南前陸沖斷帶和庫車前陸沖斷帶的中段為例，由于滑脫層的差異，準南前陸沖斷帶滑脫層上下的平均鉛直斷距和平均水平斷距比庫車前陸沖斷帶的差值小，準南前陸沖斷帶滑脫層上覆地層的平均斷距為915.7～995.9 m，下伏地層的平均斷距為733.8～864.2 m，而庫車前陸沖斷帶鹽上平均斷距為1 359.2～1 705.2 m，鹽下平均斷距為733.8～770.7 m，說明煤層和泥巖的分層能力較弱，不及庫車前陸沖斷帶內(nèi)膏鹽巖(圖7(b))。

4.2 滑脫層上下縮短量分析

準南前陸沖斷帶的西段、中段、東段存在不同的滑脫層，導(dǎo)致該地區(qū)滑脫層上下縮短量呈現(xiàn)分段變化的趨勢。西段的滑脫層為侏羅系煤層，滑脫層上下縮短量比較接近，滑脫層上覆地層縮短量為3.4 km、下伏地層縮短量為4.2 km。中段的滑脫層是位于淺層古近系泥巖，滑脫能力要強于侏羅系煤層，下伏地層的縮短量最大為10.2 km，上覆地層最大可達8.2 km。東段含有多套滑脫層，博格達北緣和西緣為二疊系泥巖、米泉地區(qū)為三疊系泥巖和侏羅系煤層[12-13,29]，上覆地層的縮短量最大，可達12.9 km(圖8(a))。

圖8 準南前陸沖斷帶和庫車前陸沖斷帶滑脫層上下縮短量直方圖Fig.8 Histogram of shortening distance above and below the detachment layer for the foreland thrust belts on the southern margin of Junggar Basin and Kuqa

庫車前陸沖斷帶滑脫層上下地層縮短量總體呈現(xiàn)“單段多峰”復(fù)雜的變化趨勢(圖8(b))，膏鹽巖分布范圍與厚度是重要的影響因素。庫車坳陷中段是膏鹽層最為發(fā)育的部位，也是構(gòu)造變形最復(fù)雜的地區(qū)，受古近系庫姆格列木群(E1-2km)巨厚的膏鹽巖影響，中段滑脫層上下地層縮短量相差較大，最大相差近10 km(滑脫層上覆地層縮短量為15.6 km，下伏地層縮短量為5.7 km)。東段的滑脫層為新近系吉迪克組(N1j)膏泥巖，滑脫能力小于E1-2km膏鹽巖，上下地層縮短量較為接近，上下縮短量差值為0.3～1.3 km，但總體來說下伏地層縮短量大于上覆地層。庫車前陸沖斷帶內(nèi)滑脫層上下縮短量呈現(xiàn)“單段多峰”的復(fù)雜變化趨勢，這是準南前陸沖斷帶所沒有的特點，說明滑脫層對庫車前陸沖斷帶分層變形的影響比準南前陸沖斷帶更強。

5 庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶圈閉樣式對比

受古近系、新近系膏鹽巖等滑脫蓋層的制約，庫車前陸沖斷帶內(nèi)的圈閉主要集中在鹽下層，多為斷背斜圈閉。鹽下油氣藏位于三疊系—侏羅系烴源巖之上，古近系和新近系鹽層之下[21,25,27]，鹽下的斷層比較發(fā)育，并消失于上覆膏鹽巖蓋層，油氣沿斷層運移到斷背斜圈閉中聚集成藏(圖9)。準南前陸沖斷帶內(nèi)的圈閉多為復(fù)合圈閉(構(gòu)造—巖性、構(gòu)造—地層)，二疊系和中—下侏羅統(tǒng)烴源巖生成的油氣通過逆沖推覆斷層運移到上盤聚集成藏[16,26,29]，泥巖等滑脫層的塑性和封存能力較差，斷層多穿過褶皺核部及滑脫蓋層，破壞了圈閉，導(dǎo)致在蓋層上下的地層都有部分油氣的發(fā)現(xiàn)(圖10)。準南前陸沖斷帶深層和庫車前陸沖斷帶的侏羅系—三疊系煤層、泥巖層等滑脫層控制的巖性—構(gòu)造圈閉是未來油氣勘探的有利目標。

圖9 庫車前陸沖斷帶成藏模式(據(jù)文獻[21]修改)Fig.9 Accumulation model for the Kuqa foreland thrust belt

圖10 準南前陸沖斷帶成藏模式(據(jù)文獻[22]修改)Fig.10 Accumulation model for the foreland thrust belt on the southern margin of Junggar Basin

6 結(jié) 論

(1)庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶存在不同性質(zhì)的滑脫層，引起地下構(gòu)造變形差異。庫車前陸沖斷帶以古近系膏鹽巖層為滑脫層，鹽上層、鹽層和鹽下層不協(xié)調(diào)變形，分層特征顯著；準南前陸沖斷帶滑脫層為二疊系泥巖、侏羅系煤層、古近系泥巖，雖表現(xiàn)為不協(xié)調(diào)變形，但深層斷層多穿過滑脫層向上推覆且延伸較遠，并控制淺層褶皺，滑脫層分層能力較弱。

(2)通過平衡剖面的恢復(fù)和定量分析的結(jié)果表明，庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶的構(gòu)造變形差異主要發(fā)生在新生代以后，但庫車前陸沖斷帶的變形強度在這段時期變形最強，平均縮短率為達12.1%，準南前陸沖斷帶變形強度較弱，平均縮短率為9.93%。受滑脫層差異的影響，庫車前陸沖斷帶滑脫層上下平均斷距總體大于準南前陸沖斷帶；說明庫車前陸沖斷帶內(nèi)滑脫層的塑性和分層能力強而準南前陸沖斷帶滑脫層的塑性和分層能力弱。庫車前陸沖斷帶內(nèi)滑脫層上下縮短量呈現(xiàn)“單段多峰”的復(fù)雜變化趨勢，這是準南前陸沖斷帶所沒有的特點，說明庫車前陸沖斷帶經(jīng)歷的滑脫作用比準南前陸沖斷帶更劇烈。

(3)庫車前陸沖斷帶和準南前陸沖斷帶內(nèi)滑脫層的差異影響圈閉樣式，庫車前陸沖斷帶內(nèi)的圈閉主要集中在鹽下層，多為斷背斜圈閉；準南前陸沖斷帶內(nèi)的圈閉多為復(fù)合圈閉，泥巖等滑脫層的塑性和封存能力較差，斷層多穿過褶皺核部及滑脫層，破壞了圈閉。準噶爾盆地南緣前陸沖斷帶深層和庫車前陸沖斷帶的侏羅系—三疊系煤層、泥巖層等滑脫層控制的巖性—構(gòu)造圈閉是未來油氣勘探的有利目標。