塔里木盆地巴楚褶皱带构造特征新解释

塔里木盆地巴楚褶皱带构造特征新解释

塔里木盆地内的巴楚褶皱带（高带）是一个压缩构造带，该褶皱带由一系列斜带nw和se组成。该构造带蕴藏巨大的油气资源,是盆地油气勘探的前景区带,是石油地质学家和构造地质学家研究的热点地区。近十年来,在巴楚褶皱带内部和斜坡区开展了大量的地球物理勘探和钻井勘探,深部不同规模的巨型背斜构造及其相伴生的构造斜坡带均显示出喜人的油气资源和勘探前景,也为研究该带的挤压褶皱作用提供了丰富的基础数据。过去20年,塔里木盆地巴楚褶皱带的构造解释积累了丰富的资料,该褶皱带一直以来被视为断隆构造和走滑构造的典型例子。尽管开展了大量的学术研究和油气勘探,但有关该带主要构造特征的认识仍存在很大的争议,如主要断裂的产状和位置解释存在很大的差异:从形成深部的双重构造的低角度逆冲断层到完全切穿地层的高角度逆冲断层。本研究基于岩石变形新理论,聚焦野外构造解析和构造物理模拟实验结果,对塔里木盆地腹地巴楚隆起带的构造样式进行了全新的解释,认为巴楚褶皱带是一个以褶皱变形为主的挤压带,带内部分构造与大规模断层作用几乎无关,不同规模的膝褶型拆离背斜塑造了该隆起带的主体构造形态。本文也从膝褶型褶皱几何学和运动学出发,讨论了膝褶型褶皱形成的力学机制。1关于古起落架的构造属性和沉积特征巴楚褶皱带位于现今塔里木盆地腹地,是盆地内次级构造单元,按构造区划属于塔里木盆地中央隆起区西段,北邻柯坪断隆,东接卡塔克隆起,北东过渡为阿瓦提断陷,东南与塘古巴斯凹陷相连,向西南逐渐过渡为麦盖提低缓斜坡(一般将巴楚隆起与麦盖提低缓斜坡区简称巴麦地区)。目前,巴楚褶皱带的勘探程度和研究程度相对盆地内其他勘探区域还比较低,尤其是褶皱带两侧的大型斜坡区的勘探进展缓慢,更多的油气发现和突破仅局限于大型斜坡外围的低缓或低隆起构造区。随着勘探实践不断的深入,对一些基本问题也有了较为深入的认识:巴楚背斜构造带内局部构造的发育规模和展布均与“高角度断裂”或“高角度断裂带”有关,以背斜、“断背斜”、“断鼻”等基本构造类型为主,这就是巴楚褶皱带总体及局部构造中常见的一种所谓“两断夹一隆”的构造解释,其中“两断夹一隆”中的两断层一般为高倾角逆断层,其所构成共轭夹角的钝角角分线近于水平。对古隆起成因的看法各不相同,“隆起”及相伴的“斜坡(slope)”是沉积盆地内最为普遍的现象之一,有学者提出了坡折或坡褶带的概念,坡折带(slopebreak)为一地貌学名词,指地形坡度发生突变的区域或地带。贾承造等根据地层、构造的稳定性和活动性以及遭受剥蚀的期次和程度,将塔里木盆地古隆起分为3种类型:稳定古隆起、残余古隆起和活动古隆起,并认为巴楚隆起晚古生代以来长期发育,新生代强烈活动,属于活动古隆起。有学者基于对塔里木盆地的深部构造和地球物理数据分析和总结,认为中央隆起之下的地壳曾发生底侵作用,导致隆起之下地壳减薄;也有学者认为基底断裂体系展布控制巴楚隆起基本形态和格架。这些源于深部结构数据似乎暗示巴楚隆起的形成受到了基底构造的制约。基于隆起形成时代的差异,何登发等将塔里木盆地内的隆起分为早古生代古隆起、晚古生代古隆起和早中生代古隆起等,进而将塔里木盆地中央隆起分为叠加、塌陷和残存3种类型,认为塔中隆起存在整体升降和差异构造变形,并据此将巴楚隆起进一步划分为巴楚早古生代低凸起和巴楚–民丰中生代古隆起。冉启贵等从区域大地构造角度,将塔里木盆地中央隆起视为“板块汇聚作用或区域挤压作用有关的隆起”,均属于“与挤压挠曲作用相关的前缘隆起”,并认为挤压型古隆起是板块构造活动影响克拉通变形的系列产物。张抗根据克拉通盆地内古隆起的位置,将其分为盆地内部古隆起和盆地边缘古隆起,其中盆地边缘古隆起呈斜坡状向盆地内倾斜。并认为盆地内部古隆起由于两侧被生烃坳陷所围限,具有更好的含油气前景。汪泽成等从克拉通盆地演化角度出发,将古隆起划分为陆相含油气盆地古隆起和海相古隆起,而海相古隆起可分为4种类型:继承型、控沉积型、晚期定型(断裂隆升和挤压褶皱)和晚期改造型(断块和单斜),并强调海相古隆起具有发现大油气田的地质条件。何登发等根据塔里木盆地内古隆起的幅度、面积、走向、形态等几何要素,判别出塔里木盆地自震旦纪至今发育有多期古隆起,并认为二叠纪末期的构造运动,对本区的古隆起演化影响最为强烈,该时期是巴楚隆起、塔中隆起和古城墟隆起构成横贯盆地中央大型隆起的重要时期,并强调巴楚隆起周缘为断裂所围限,具有断隆的性质。何登发等认为随着塔里木盆地区的海陆变迁,盆地性质也从克拉通内盆地向周边断陷或前陆坳陷盆地转换,不同地质历史时期的隆起在纵向上相叠加,最终形成比较复杂的构造形态。显而易见,目前多数学者承认巴楚隆起存在,且对油气运移、聚集和圈闭产生深刻影响,具有巨大的油气资源前景,然而,由于巴楚地区露头稀少、隆起区内中生代地层的大面积缺失,就前中生代构造演化过程、三叠纪末隆起性质、现今巴楚隆起的构造样式及成因机制等基础地质问题仍存在很大争议。下面总结目前针对巴楚隆起及其斜坡带形成机制研究的几种不同的认识。1)沉积斜坡型:由于不同地区沉积速率差异从而造成地形坡度突变而形成,对碳酸盐岩地区而言,主要发育于碳酸盐岩台地或生物礁体的边缘,在地震剖面上一般与前积反射的顶部相对应,最为普遍的是构造活动较强烈的盆地中构造坡折带往往控制了沉积坡折带的发育。2)逆冲断裂控制斜坡型:巴楚隆起为海西晚期形成的构造古隆起,隆起构造以高角度逆冲断裂控制,古隆起形态与现今的隆起相似。3)混合斜坡型:塔里木盆地内的隆起和相伴的斜坡主要形成于古生代(特别是寒武纪和奥陶纪),且古生界斜坡可分为同沉积古斜坡、构造斜坡和叠合斜坡;并根据斜坡沉积物补偿特征,将斜坡分为上斜坡和下斜坡。4)基底卷入走滑挤压断裂斜坡型:巴楚隆起及其斜坡为基底卷入性走滑挤压断裂控制带,且自奥陶系至全新世发生多期构造活动,并认为这种基底卷入型的构造表现为逆冲和走滑断裂的双重特征,这种复合构造源于板块的斜向汇聚产生的远程效应。5)肖安成等通过断裂叠加构造研究,指出巴楚与柯坪地区曾隶属同一大地构造单元,巴楚隆起区的NW向断裂体系向北延伸进入柯坪褶皱冲断带,是同一构造带的延伸,主要形成于中新世至上新世。随着对“坡褶带”研究的不断深入,“构造坡褶带”的概念和思想逐渐被部分石油地质学者所推崇,提出陆相地层“构造坡褶带”的概念,并认为“构造坡褶带”的展布样式将在很大程度上决定了沉积体系和沉积层序的演化和发育,基准面和地貌是通过影响可容纳空间等来控制沉积作用的关键因素,在横向上和纵向上具有一定规模的坡折带才可能对地层的叠置样式及沉积体系的发育和演化产生明显的影响,坡折带又可以通过与其他因素如基准面、沉积物供给等的相互影响来控制构造与沉积。“构造坡褶带”的概念更多地强调同沉积构造长期活动引起的沉积斜坡明显突变的地带,值得注意的是这些学者认为形成“构造坡褶带”的基本构造样式是断裂和挠曲,因此,“构造坡褶带”普遍被解释为断裂坡褶带和挠曲坡褶带。从上述研究进展总结不难看出,对塔里木盆地巴楚隆起的构造及其演化解释的差异主要集中于斜坡性质和隆起内的构造样式的解释。这些不同的解释方案,总结如图1所示,无论是隆起边缘,还是隆起内部,高角度逆冲断裂构造均被认为是控制隆起构造格架的重要而且是唯一的构造样式。由于可供野外观测的露头有限,几乎所有二维地震测线都没有穿越野外露头,因此露头区的地质调查资料与地震资料之间的直接衔接相对较弱,因此,我们希望通过有限的野外地质露头的精细描述和相应的构造物理模拟,为解释该区深部构造样式提供基础和直接的信息。2野外构造观测巴楚褶皱带内的构造样式解释和构造变形演化的厘定,主要依赖于地震勘探方法和钻井资料,而对地表露头的详细构造观测和解析则相对薄弱,这在一定程度导致人们对构造样式认识的偏差,当然这也与本区地表岩石露头稀少有关。从现今的卫星遥感图解译(图2),可以清晰地识别出巴楚地区是塔里木盆地中央沙漠区唯一出露岩石的区域。针对这些露头开展详细的构造观测是认识该区基本构造样式的唯一窗口,也将为地球物理资料解释提供基本的依据和参考。研究区出露的岩石露头自东向西分别为:良里塔格山、别里塔格山、瓦吉里塔格山、小海子水库旁的玛扎山、大坂塔格山以及位于巴楚县南部的玛扎塔格山-鸟山-古董山,这些出露在沙漠中的古生代和新生代地层为我们进行构造观测提供了主要对象。本研究结合卫星遥感图和数字高程解析图像(图2和3),分别对这些露头和剖面进行较详细的野外构造观测和解析(构造要素投图采用等面积下半球投影)。这些出露地表的地层基本呈NW走向,规模不大,其中良里塔格山和大坂塔格山呈雁行状排列,以良里塔格山规模最大,其他露头,如小海子旁的玛扎山和瓦吉里塔格山,以出露大量火成岩及少量地层为特征。2.1共同构造形态的确立该露头区主要由良里塔格山主体和围绕该山的大小不等的小山组成,最高峰海拔1500m,山体大致走向为NW—SE向(图3)。良里塔格山出露地层主要为奥陶系灰岩、白云岩、泥质灰岩地层;对观测点地层产状平面投图,显示出显著的地层倾角分带性特征(图3和4)。根据地层倾角变化特征,大致可将这个小面积区域及附近分为A,B,C,D和E五个区带(图3(b)),A区、C区和E区域内地层近水平小于10º,而B和D区域内的地层突变为高角度(大于25°),每个区域内地层倾角相对稳定,这种平面上地层倾角的突然变化表现出膝褶和膝褶型褶皱(kink-stylefold)的基本特征,或被部分学者称为“angularfold”。剖面几何形态进一步揭示了这一构造形态,从剖面几何形态可见(图4),该膝褶型褶皱的左旋翼(西南翼)宽度明显大于右旋翼(东北翼),构成共轭膝褶带样式,且所夹持的背斜构造顶面地层近于水平,高角度倾斜地层仅出现在膝褶带内部。各观测点构造要素统计分析如图4(a)所示,褶皱轴和膝褶轴产状大致相当,NNW低角度倾伏,部分膝褶带内地层面上发育有微弱的倾向擦痕,暗示层间的滑动,褶皱两侧的膝褶型翼形成了宽阔型褶皱(图3和4)。良里塔格山另一重要构造样式为脆性断裂构造,脆性断裂为低角度断层,发生在低角度(平均地层倾角小于15º)的地层中(图5)。这些脆性断裂主要发育在膝褶带的翼部和膝褶外侧地层中,而褶皱核部未观测到断裂构造;这些断层与柯坪构造带走向基本一致,与褶皱带走向呈高角度切割。这种切割关系表明脆性逆冲构造晚于良里塔格膝褶型褶皱变形,并改造这些褶皱,这些出露地表的逆冲断裂构造可能与柯坪构造带同期或同属于一个逆冲体系。2.2膝关节关键构造模型的建立别里塔格山位于良里塔格山以西10km处,该山系NW-SE向延伸近25km,出露地表350~500m。野外观测点主要集中在西北端(图6(a))。别里塔格山主要出露奥陶系中-薄层灰岩、白云岩和泥灰岩地层,和顺层就位的基性岩床。观测点地层产状平面投图显示出地层产状显著的分带性,如图6(b)所示,观测区被分为A,B,C三个区域,A和C区域内的地层倾角明显高角度,B区域内的地层近于水平。图6(c)精细表达了地层产状突变和分带特征,A区的高倾角地层突变为B区的近水平地层区域,且地层倾角的分带性与地形高程变化基本一致(图6(b)和(c));卷入褶皱变形的地层平面几何形态显示出膝褶型褶皱特征,没有观测到脆性断裂。构造剖面表达出褶皱两翼地层明显的高角度倾斜(图6(b)),褶皱顶部地层水平或近于水平(图6(b)和(c)),呈现出紧闭膝褶型褶皱样式,膝褶带内陡立地层投影显示褶皱平均走向为NNW—SSE。综合在别里塔格地区的所有观测点,结合过该区的地震主测线L02(地震剖面上信息质量非常差),基于经典膝褶变形模型,恢复的构造样式如图7所示。褶皱呈现大型共轭膝褶带特征,膝褶带内地层倾角为高角度,自浅部向深部两条膝褶带边界汇聚,交于一点,地表褶皱顶冠向上突起,深部呈现V形褶皱(图7)。2.3陡立地层上普遍发生的擦痕大坂塔格山位于图木舒克市以西,出露的地层为奥陶系薄层和中层灰岩、白云岩、含硅质条带灰岩,露头近南北向延伸,延伸长度约50km(图8(a)),海拔达到1500m。北段山脉主要由向东高角度倾斜的奥陶系薄层灰岩形成,平均地层倾角62o(图8(a)和(b))。这些陡立地层面上普遍发育倾向擦痕(图8(d)),阶步方解石充填方式暗示这些陡立地层间发生了普遍的上盘向上的层间滑动。南端山脉主体为一紧闭褶皱(图9)和两侧一系列宽缓褶皱形成,褶皱走向NNW-SSE,褶皱核部地层近于直立(75º~90º)(图9(a)和(b)),向两翼逐渐过渡为高角度背倾(20º~50º),远离褶皱核部,地层倾角基本小于15º。这样一个几何样式类似于箱式褶皱发生突起作用(box-shapedlift-offfold),即这一构造样式可能是膝褶型褶皱,是持续挤压应变形成的紧闭褶皱(图9(c))。综合野外观测分析认为,大坂塔格山出露的陡立地层为膝褶带内地层,从擦痕运动学指示分析暗示这些东倾地层为右旋膝褶带。大坂塔格山南段出露的紧闭褶皱为膝褶型拆离褶皱后期应变的产物。由于缺乏精确的地层厚度和角度变化测量,所以很难较精确地解释拆离面的深度和缩短量。2.4层奥陶系中的单面山体巴楚地区除出露上述较大面积古生代岩层外,还零星出露很小规模的单面山,这些单面山地层具有高或中等角度倾角,统一倾斜向特征。距离柯坪逆冲带最近的单面山出露在巴楚县北2km三岔口镇,主要岩性为中~薄层奥陶系灰岩、含泥灰岩和白云岩,夹硅质条带;地层倾向北东,倾角平均37°(图10)。图木舒克市以西沙漠地区大量出露高角度倾斜地层组成的单面山体,这些单面山体主要出露在古生代薄层灰岩中,这些薄层主要为灰岩、白云岩和泥灰岩,单层厚度统计分析显示厚度差异性显著(图10(c)),暗示这些岩层分层作用明显,各向异性显著。根据我们对良里塔格、大坂塔格和别里塔格山膝褶型褶皱的观测,膝褶带发育的地层普遍为薄层~中厚层状地层,且地层岩性变化较大(如良里塔格山主要为灰岩、泥灰岩、白云岩互层),膝褶带内地层倾角中等或高角度倾斜,因此,我们解释巴楚地区沙漠零星出露的这些单面山可能为膝褶变形带内的倾斜地层。2.5地表露头褶皱型构造非控性构造基于对巴楚地区出露地层的野外构造观测和解析,基本认识如下。巴楚地区古生代地层露头主要构造样式为褶皱变形,这些褶皱变形以膝褶型背斜或单膝褶带变形为主(图11),也有少量弯滑褶皱和低角度逆断层。出露地表的断裂构造主要为小规模逆冲(良里塔格山),发育于褶皱翼部或翼部外侧,为调节断裂或柯坪体系的产物,而非主控断裂构造,褶皱核部未观测到断层(至少在地表未观测到);可以推测褶皱变形与断裂构造没有必然的联系。巴楚地区沙漠中零星出露的单面山可能为膝褶带内部高角度倾斜的地层。膝褶型褶皱发育的地层普遍具有如下特征:单层为中层或薄层,地层岩性变化较大,表现出显著的各向异性和地层分层特征。巴楚地区褶皱变形与逆冲断裂构造的切割关系暗示巴楚褶皱变形应早于柯坪逆冲构造带。3力方向利用共轭膝褶带样式可以估算局部或区域应力场方向。根据最大有效力矩准则(maximumeffectivemomentcriterion),Zheng等认为最大挤压应力(σ1)应出现在共轭膝褶带钝角角平分线方向上,而中间主应力(σ2)应在层面与共轭膝褶带相交轴方向上,最小主应力方向与σ1和σ2定义的平面垂直。最大有效力矩准则理论计算结果指示膝褶带边界与最大主挤压应力轴σ1之间的理论夹角为54.7°(图12)。理论计算和自然界统计一致表明这个角度范围为45°~65°[37,39,46,47,48,49,50]。基于上述理论,巴楚褶皱带3个区域野外露头观测计算的古应力方向如图12所示。在良里塔格背斜区,最大挤压应力位于北东象限,与膝褶带边界夹角为53º~64º;别里塔格和大坂塔格褶皱区,最大主应力方向为NE—SW向,与膝褶带边界夹角为48º和54º。与利用古地磁数据估算的主挤压应力方向为NE—SW一致(来源于玛扎塔格山中新世乌恰组的砂岩和泥岩)。野外构造解析和应力、应变分析一致表明,巴楚隆起区内存在膝褶型褶皱变形样式。单纯的依靠地质构造观测和低品质二维地震波反射资料解释无法厘定巴楚褶皱带内复杂的构造式样,因此需要设计物理模拟反演和揭示层状岩石发生膝褶型褶皱变形的条件、变形演化序列、与脆性断裂关系等。4国家机械对膝关节和外部结构的影响构造变形是应力场作用的结果,但是现今采集和观察到的大量地质信息和实例是构造地质演化最终结果和其中的某一幕,过程早已缺失或被后一幕构造演化所替代。因此,合理而又现实的研究途径是利用物理模拟实验方法再现和论证这些重要的构造形迹和过程。物理模拟就是用模型来近似地再现地质体受力、变形乃至破坏的过程,以追溯构造样式的演化过程,并预测未来。构造物理模拟实验已经被证明是研究盆地内部构造的有效工具。对于自然界和物质材料普遍发生的膝褶变形样式,一般认为是应力平行作用于层状变形体的产物。许多学者也针对这一构造样式开展了理论模拟实验工作,探讨膝褶变形的机制和过程问题[37,39,44,53,54,55,56,57]。Zheng等从理论层面第一次论证了自然界和实验条件下膝褶带与形成膝褶带构造的最大主应力之间的理论关系,并理论计算认为共轭膝褶带钝角角平分面方向为最大主应力方向,理论值为54.7°,这与我们在巴楚地区观测和估算的结果完全吻合。巴楚地区应力体系和共轭膝褶带角度分析显示(图12),最大主应力与共轭膝褶带边界之间的夹角介于“45°~64°”,符合最大有效力矩准则理论和统计范围。因此,我们认为巴楚地区的褶皱变形过程或形成膝褶的阶段是受控于最大有效力矩准则的。基于对研究区沉积岩性的认识,利用模拟相似性约束实验体物理性质和应力条件下,再现构造变形样式和过程,对比分析脆性破裂(主要为逆冲断裂)、褶皱变形、膝褶带构造的形成、转换、相互控制与关系以及演化过程。4.1沙层的挤压试验实验装置和实验测试条件参见文献。实验材料为:黄油,厚1cm;黏土,10层总厚5cm;沙层,厚4cm。实验的挤压速率为0.1mm/min,单侧位移10cm。照相间隔8min。4.2膝关节褶型骨折演化模式实验中设置厚度均匀的底面滑脱层(图13(a)),模拟过程显示在变形体边界首先发育膝褶型拆离褶皱(图13(b))。典型膝褶型拆离褶皱会伴随深部塑性物质的流动在能干层的中央位置发生(图13(b)和(c)),其侧旁次级拆离褶皱在深部表现出膝褶型褶皱样式,但在浅部或向上逐渐过度为弯滑褶皱样式(图13(c)),伴随弯滑褶皱的发育在层间出现层间空隙(图13(c)),这些层与层之间的拆离或剥离现象可能缘于上部覆盖物压实作用较小所致。伴随应变的进一步积累,中央部位的次级拆离核部紧闭,且向上突起,次级褶皱背斜顶部地层发生反向倒转(图13(d)),同时在拆离面附近发生断层穿层切割,并进入上部地层,即形成断层突破。另一条较大规模断裂在拆离褶皱翼部发育,对褶皱进行破坏作用。大量塑性物质在能干层中央褶皱带之下聚集呈“穹窿状”(图13(d)和(e))。对褶皱发育过程的垂向应变进行对比分析发现,垂向应变量超过110%,褶皱化过程导致大规模的垂向隆升(图13(b)~(d))。根据上述实验结果的分析以及与我们以往实验数据的对比,对膝褶型拆离褶皱和断裂构造形成机制的基本认识如下:1)挤压变形环境中,变形体在两侧(构造变形的边界或盆地的边界)首先形成低角度逆冲体系(普遍低于30º)和相关的褶皱变形区,随应变的持续,在变形体的中央部位发育高角度变形带,该变形带具有典型的类膝褶带和共轭膝褶带特征,并形成膝褶型隆起或弯滑褶皱;2)形成的共轭膝褶,其夹角基本稳定于105°~120°之间;3)形成膝褶型褶皱的有利条件是存在较厚的基底滑脱单元,诱发拆离褶皱的位置可能如拆离面的斜坡带、塑性物质汇聚抬升部位等;4)应变集中或持续挤压缩短应变体制导致拆离褶皱紧闭,核部地层近于直立或倒转,甚至抬升或隆升;5)持续挤压缩短变形体制,将导致逆冲断裂体系发育,并调节褶皱应变,其一为发育在拆离褶皱翼部的断裂,其二为发育于深部的拆离面或滑脱面,且突破拆离面切穿上覆地层的逆冲断裂,这两类断裂都对拆离褶皱进行改造和破坏。在低挤压速率情况下,深部的膝褶型拆离褶皱向上递变为弯滑的褶皱,而在应变的晚期,断层调节作用显示出侧翼断裂逐渐连通,向下切割下部地层,并与底面滑脱层单元连通(图13和14),这个演化序列我们总结为图14:膝褶型褶皱的形成早期如箱状褶皱的样式,是挤压变形的产物;随后的变形增强,将导致次级断裂的发育,次级断裂或伴生断裂主要发育于褶皱的翼部,并引起背斜突起;断裂对膝褶型背斜的深