余卓穎, 何碧竹*, 喬秀夫, 焦存禮, 曹自成, 王 珍,陳威威, 劉士林, 邱華標(biāo), 岳信東

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037; 2)中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083; 3)中國(guó)石化西北油田分公司研究院, 新疆烏魯木齊 830011; 4)中國(guó)石油大學(xué), 北京 102249

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塔里木盆地順托果勒地區(qū)早中志留世震積巖
——高分辨構(gòu)造事件的記錄

余卓穎1), 何碧竹1)*, 喬秀夫1), 焦存禮2), 曹自成3), 王 珍4),陳威威1), 劉士林2), 邱華標(biāo)3), 岳信東3)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037; 2)中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083; 3)中國(guó)石化西北油田分公司研究院, 新疆烏魯木齊 830011; 4)中國(guó)石油大學(xué), 北京 102249

摘 要:在塔里木盆地塔中隆起與滿加爾坳陷結(jié)合部——順托果勒地區(qū)的深鉆井巖心中, 發(fā)現(xiàn)了大量早中志留世軟沉積變形構(gòu)造。其中主要包括液化砂巖脈、液化角礫巖、觸變底劈構(gòu)造、觸變楔、負(fù)載構(gòu)造、球-枕構(gòu)造和復(fù)合混插構(gòu)造等。通過(guò)系統(tǒng)地觀察軟沉積變形構(gòu)造的巖石組成、構(gòu)造形貌及樣式、垂向分布的循環(huán)性、橫向分布的延展性、沉積環(huán)境及與古活動(dòng)斷裂的關(guān)系, 確定其為震積巖。結(jié)合該區(qū)斷裂早中志留世的發(fā)育特征, 推測(cè)發(fā)震斷裂主要可能是塔中隆起與滿加爾坳陷結(jié)合部的北東向走滑逆沖斷裂以及北西向剪切拉張斷裂。在早志留世柯坪塔格組沉積時(shí)約4 Ma中最少發(fā)生了26次古地震事件(震級(jí)M>5)。這些古地震記錄不僅反映了研究區(qū)志留紀(jì)構(gòu)造的活動(dòng)性, 也是彌補(bǔ)主構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中高頻次構(gòu)造事件脈動(dòng)性、循環(huán)性的重要證據(jù), 為重建中古生代的古構(gòu)造提供新的線索。

關(guān)鍵詞:軟沉積變形構(gòu)造; 震積巖; 高分辨構(gòu)造事件; 早中志留世; 順托果勒地區(qū); 塔里木盆地

本文由中石化西北分公司科研項(xiàng)目(編號(hào): KY2013-S-024)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(編號(hào): 12120115002001; 12120115026901)、國(guó)土資源部行業(yè)基金項(xiàng)目(編號(hào): 201011034)和國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金(編號(hào): 40921001)聯(lián)合資助。

軟沉積變形構(gòu)造是沉積物沉積時(shí)或沉積之后、未完全固結(jié)之前而發(fā)生變形的構(gòu)造。引起軟沉積物變形的地質(zhì)營(yíng)力很多, 由地震活動(dòng)觸發(fā)的軟沉積物變形構(gòu)造稱為震積巖。它們通常發(fā)育在被動(dòng)大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣、俯沖深部帶和走滑構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶中, 發(fā)育在淺海相、湖相、河流相沉積環(huán)境中(Maltman, 1984, 1994; 喬秀夫等, 1994; Van Loon, 2009; Owen and Moretti, 2011)。液化、觸變、水塑性、重力驅(qū)動(dòng)、脆性變形等是軟沉積物變形的主要驅(qū)動(dòng)力(Montenat et al., 2007; 喬秀夫等, 2006, 2013; Owen et al., 2011; He and Qiao, 2015)。地震誘發(fā)軟沉積變形構(gòu)造——震積巖的判別標(biāo)準(zhǔn)如下(Seilacher, 1969, 1984; 喬秀夫等, 1994, 2013; Obermeier, 1996; Montenat al., 2007; Moretti and Sabato, 2007; Berra and Felletti, 2011; He and Qiao, 2015): 1)變形構(gòu)造側(cè)向有連續(xù)性, 垂向具有重復(fù)性(地震幕的反映), 由未變形沉積層分隔, 在時(shí)間、空間上可由沉積地層約束; 2)變形層可以是沖積扇-河流相、湖相、海相等的各種沉積物; 3)變形層與未變形層顯示出相似的巖石學(xué)及沉積相特征; 4)變形與地震成因的源驅(qū)動(dòng)相關(guān); 5)變形在區(qū)域上呈帶狀分布, 變形的頻率、大小、強(qiáng)度具有向震中地區(qū)或同時(shí)期發(fā)震斷裂增加的特征。震積巖的研究對(duì)確定不同時(shí)間古地震事件序列、發(fā)震斷裂的活動(dòng)性, 了解古地震事件相關(guān)的古構(gòu)造背景及構(gòu)造形成動(dòng)力學(xué)有重要意義。

通過(guò)巖心識(shí)別軟沉積物變形構(gòu)造及開(kāi)展鉆井巖心中震積巖的研究, 得到越來(lái)越多的地質(zhì)家的關(guān)注, 并進(jìn)一步分析斷裂的古地震歷史(邵曉巖等, 2009; 何碧竹等, 2010; 喬秀夫等, 2011; Ezquerro et al., 2015)。他們?cè)诓煌愋团璧厣罹畮r心中識(shí)別并發(fā)現(xiàn)了大量的、多種類型的軟沉積變形構(gòu)造。這些變形構(gòu)造多為小尺度構(gòu)造, 大小由幾米至幾毫米,具有獨(dú)特的變形特征, 與周圍沉積巖形貌截然不同,極不協(xié)調(diào)。它們保留在陸棚、濱岸、潮坪、湖相等沉積環(huán)境的地層中, 與其鄰近的古斷裂的活動(dòng)性具有良好的響應(yīng), 被認(rèn)為地震誘發(fā)的形成的古地震記錄。而以往它們被誤認(rèn)為蟲跡、泥裂、風(fēng)暴沉積等(多為完井報(bào)告描述)沉積擾動(dòng)構(gòu)造。在塔里木盆地巖心中識(shí)別出了與野外露頭剖面中大尺度的、相同成因的軟沉積變形構(gòu)造, 主要包括液化砂巖脈、液化角礫巖、碟狀構(gòu)造、混滑層、球-枕構(gòu)造、軟沉積布丁、同沉積微斷裂等, 軟沉積變形構(gòu)造的變形原因與地震活動(dòng)強(qiáng)度、古地震活動(dòng)斷裂相關(guān)(何碧竹等, 2010;喬秀夫等, 2011; He et al., 2014)。

本文主要是通過(guò)對(duì)在塔里木盆地順托果勒地區(qū)重點(diǎn)區(qū)域探井SH9井志留系巖芯系統(tǒng)觀察, 識(shí)別出觸變底辟、觸變楔及復(fù)合型混插構(gòu)造等新的軟沉積變形構(gòu)造類型; 分析、明確了其形成的誘發(fā)因素主要為高頻次的古地震活動(dòng); 并將塔中隆起、順托果勒地區(qū)、滿加爾坳陷志留系沉積時(shí)期的古地震事件進(jìn)行對(duì)比, 填補(bǔ)了該區(qū)下志留統(tǒng)柯坪塔格組沉積時(shí)的古地震證據(jù); 分析了可能的發(fā)震斷裂, 提出震積巖-古地震的記錄, 可作為主構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中高頻次構(gòu)造事件的響應(yīng)和記錄。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地是前震旦基底上發(fā)育起來(lái)的中國(guó)陸上面積最大的含油氣盆地(賈承造等, 2004; 何登發(fā)等, 2005; 鄔光輝等, 2010; Xu et al., 2013)。它發(fā)育了從海相、海陸交互相到陸相的完整海侵-海退沉積旋回, 經(jīng)歷了包括震旦紀(jì)—中泥盆世、晚泥盆世—三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)—第四紀(jì)三個(gè)伸展-聚斂旋回演化階段(何登發(fā)等, 2005)。經(jīng)歷了加里東中期、加里東晚期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等6個(gè)二級(jí)演化階段(湯良杰和賈承造, 2007; 何碧竹等, 2015)。

研究區(qū)順托果勒地區(qū)位于塔里木盆地塔中隆起與滿加爾坳陷的結(jié)合部位(圖1)。塔中隆起位于塔里木盆地中央隆起帶中部, 面積為2.75×104km2,西以吐木休克斷裂東南段與巴楚斷隆相接, 東接古城墟隆起, 南以逆沖斷裂帶與塘古茲巴斯坳陷相接,北以斜坡與滿加爾坳陷相連。滿加爾坳陷位于塔里木盆地北部坳陷區(qū)的東部, 面積約為4.9×104km2,西部是阿瓦提坳陷, 南部為古城墟隆起, 東部為孔雀河斜坡。由于順托果勒地區(qū)所處的構(gòu)造位置, 確定了其是塔里木盆地古生代地層保存較多、較完整的地區(qū)之一。

順托果勒地區(qū)寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)位于塔里木盆地東部的克拉通坳陷內(nèi), 處于海相盆地—陸棚—臺(tái)地沉積環(huán)境中(陳景山等, 1999; 顧家裕等, 2005; 樊太亮等, 2007; 何碧竹等, 2009)。早、中奧陶世處于穩(wěn)定的克拉通沉積環(huán)境, 為塔中碳酸鹽臺(tái)地的東部;晚奧陶世早、中期塔中隆起與周圍形成了孤立臺(tái)地—臺(tái)地邊緣—斜坡體系, 順托果勒地區(qū)為塔中隆起與滿加爾坳陷的結(jié)合部, 為陸棚沉積環(huán)境, 發(fā)育了灰色、深灰色厚層泥巖和灰質(zhì)泥巖混積陸棚相。奧陶紀(jì)中晚期, 受南阿爾金洋及西昆侖洋的洋殼俯沖、消減、閉合作用, 在盆地南緣西昆侖北地體以及東南部的中南阿爾金地體發(fā)生了碰撞造山作用(Matte et al., 1996; Zhang et al., 2005; 許志琴等, 2011), 盆地南部為周緣前陸盆地。奧陶紀(jì)末, 在盆地北部南部廣大地區(qū)形成了志留系與奧陶系角度不整合, 構(gòu)造變形在滿加爾凹陷的中北部不明顯。在順托果勒地區(qū)形成志留系與奧陶系同構(gòu)造漸進(jìn)角度不整合, 即不整合面下為遭受剝蝕的上奧陶統(tǒng)低角度北北東傾單斜, 不整合面上為下志留統(tǒng)超覆沉積,反映了該區(qū)在晚奧陶世至早志留世, 經(jīng)歷了南部加速隆升、被剝蝕及未沉積, 之后減速隆升至再沉降的過(guò)程(何碧竹等, 2013)。

早志留世盆地開(kāi)始再次沉降, 但總體水體較晚奧陶世明顯變淺(賈承造等, 2004; 何登發(fā)等, 2005)。以陸棚、濱岸、潮坪沉積為主, 沉積相帶總體表現(xiàn)為南北向分帶、東西向展布的格局; 晚志留世—泥盆紀(jì)總體為濱岸-潮坪環(huán)境(賈進(jìn)華等, 2006)。

順托果勒地區(qū)志留系發(fā)育較為完整(圖2), 志留系—中泥盆統(tǒng)自下而上分為下志留統(tǒng)柯坪塔格組((O3-S1)k)、塔塔埃爾塔格組(S1t)、依木干他烏組(S2y)、上志留—中下泥盆統(tǒng)克茲爾塔格組((S3-D2)k),最大厚度可達(dá)1 700 m, 與下伏上奧陶統(tǒng)深灰色、黑灰色泥巖及上覆上泥盆統(tǒng)+石炭系淺灰色砂礫巖或淺灰色砂巖不整合接觸。由于晚奧陶世末塔里木盆地東南部抬升, 該區(qū)成為塔中隆起—滿加爾坳陷之間的斜坡過(guò)渡區(qū), 早志留世由北向南的逐層超覆,使得該區(qū)柯坪塔格組下部向南、南西缺失較多(何碧竹等, 2015)。SH9井鉆遇志留系—泥盆系厚約990 m,未鉆穿志留系柯坪組下部。從老到新包括下志留統(tǒng)柯坪塔格組(S1k)、塔塔爾塔格組(S1t)、中志留統(tǒng)依木干他烏組(S2y)、上志留統(tǒng)—中下泥盆統(tǒng)克孜爾塔格組。SH9井柯坪塔格組(S1k), 厚約460 m(未鉆穿志留系), 存在三個(gè)由細(xì)到粗的反旋回; 第一旋回主要由厚層深灰色泥巖至淺灰色、灰色細(xì)砂巖構(gòu)成,多發(fā)育水平層理及低角度斜層理; 第二旋回為厚層灰色泥巖夾粉砂巖向上變?yōu)榛疑猩皫r、淺灰色粉砂巖, 發(fā)育水平層理、低角度斜層理及小型槽狀交錯(cuò)層理; 第三旋回為中-薄層棕褐色泥巖向上變?yōu)楹只疑?xì)砂巖, 發(fā)育大量斜層理、槽狀交錯(cuò)層理。塔塔爾塔格組(S1t), 厚324 m, 仍然為下細(xì)上粗的反旋回, 存在兩套組合; 下部為厚層棕褐色泥巖夾褐灰色粉砂質(zhì)泥巖, 向上變?yōu)楹駥訙\棕色泥質(zhì)砂巖夾棕色粉砂質(zhì)泥巖; 上部為中-薄層棕色泥巖至淺棕色泥質(zhì)粉砂巖。依木干他烏組(S2y), 厚133 m, 主要由厚層棕紅色泥巖夾中-薄層灰白色粉砂巖、淺棕色砂巖組成?？俗螤査窠M, 厚度為72.5 m, 由厚層棕色、淺棕色砂巖夾薄層棕色泥巖組成, 與上覆下石炭統(tǒng)灰色泥巖、灰色砂巖呈不整合接觸, 缺失上泥盆統(tǒng)東河塘組地層(圖2)。從早志留世至及晚志留世, 主要為陸棚—濱岸—潮坪沉積(圖2)。

圖1　塔里木盆地構(gòu)造單元及研究井位分布圖(據(jù)He et al., 2014修改)Fig. 1 Sketch map of structural units and locations of studied wells in Tarim Basin (modified after He et al., 2014)

2 志留系軟沉積變形構(gòu)造的特征

在順托果勒地區(qū)SH9井志留系的巖心中, 識(shí)別出了大量、多層的軟沉積的變形構(gòu)造, 主要有液化砂巖脈、液化角礫巖、觸變底劈、觸變楔、負(fù)載和球-枕構(gòu)造、復(fù)合型混插構(gòu)造等。這些變形層均有巖性、巖相相近的單層、或多層未變形層所夾持或分隔。

2.1液化角礫巖和液化砂巖脈

液化砂巖脈是軟沉積沙層未固結(jié)前, 受振動(dòng)而發(fā)生液化流動(dòng), 向周圍軟沉積物垂向或者側(cè)向侵位,而形成板狀體。液化角礫巖是沙液化流動(dòng)穿刺相鄰泥質(zhì)層或其他軟沉積層使之角礫化(Guiraud and Plaziat, 1993; 喬秀夫等, 2006, 2013), 其本質(zhì)是由于液化沙侵位泥質(zhì)層被分割, 而形成了形態(tài)各異的“礫石”。通常液化角礫巖與液化砂巖脈共生。液化強(qiáng)度越大則分割的礫石形態(tài)越相似, 磨圓度越好。SH9井中可識(shí)別較多的液化角礫巖層(圖3), 如圖3a原始灰黑色泥層及紋層至少有4層, 其中第①層與第④層較厚層泥, 第②、③層為紋層泥。上部④層與下部①層保留液化流動(dòng)穿刺的特征, 中間部分角礫已經(jīng)被砂層侵位分割成細(xì)條帶狀。礫石棱角明顯, 分選差, 無(wú)磨圓; 最大礫徑可達(dá)4 cm, 長(zhǎng)軸定向排列, 顯示順層液化。圖3d為灰色含礫粉沙層液化侵位灰綠色泥質(zhì)層, 沙層垂向侵位流動(dòng)明顯, 造成泥質(zhì)層被分割和撕裂, 形成條帶狀、板狀液化角礫巖。同時(shí), 保留了垂直的液化砂巖脈。

還可見(jiàn)到多套液化砂巖脈。圖3e中下部的淺灰色液化含礫(褐色)沙脈向上侵入深灰色泥層, 攜帶細(xì)礫-粗砂向上繼續(xù)侵位, 形成了板狀的脈體。脈體由細(xì)礫和砂、粉砂構(gòu)成, 礫石直徑為0.1～0.2 cm。脈體切穿圍巖時(shí), 圍巖隨脈彎曲發(fā)生流動(dòng), 有拖曳的趨勢(shì)。伴隨著小型逆斷層發(fā)育, 形成了液化砂礫巖脈與逆沖斷層復(fù)合的軟沉積變形構(gòu)造。

2.2觸變底劈與觸變楔

圖2　順托果勒地區(qū)SH9井地層綜合柱狀圖Fig. 2 Stratigraphic column of well SH9 in Shuntuoguole area, Tarim Basin

當(dāng)細(xì)粒軟沉積物(淤泥、黏土軟硅質(zhì)層、碳酸鹽泥粒徑<0.005 mm)時(shí), 受地震剪切應(yīng)力作用, 導(dǎo)致細(xì)粒-黏土質(zhì)軟沉積物強(qiáng)度衰減, 發(fā)生復(fù)雜的流變現(xiàn)象為觸變(張虎臣, 1989; Tian et al., 2016)。觸變底劈是泥觸變流動(dòng)向上擠入細(xì)沙層或粉砂層形成的變形構(gòu)造(喬秀夫和李海濱, 2009; He and Qiao, 2015),可形成如火焰狀的泥質(zhì)構(gòu)造。SH9井志留系柯坪塔格組觸變底劈構(gòu)造(圖4)是深灰色泥質(zhì)層向上觸變流動(dòng)、向上擠入淺灰色灰泥質(zhì)粉沙層中, 部分刺穿上覆淺灰色粉沙層, 向上擠入成脈狀, 最終由于能量不足難以刺穿更上部的沉積層而終止, 形成觸變底劈構(gòu)造(圖4a)。向上觸變流動(dòng)的過(guò)程中還存在水平、側(cè)向的觸變流動(dòng), 形成水平、垂直、斜向的觸變脈, 形似搖曳的火焰(圖4b)。變形構(gòu)造的上下部明顯可見(jiàn)水平層狀、未變形的、深灰色灰質(zhì)泥巖層與淺灰色粉砂巖層互層, 表明其在未固結(jié)前未受到構(gòu)造作用而發(fā)生變形。

圖3　液化角礫巖與液化砂巖脈, SH9井, 下志留統(tǒng)柯坪塔格組, 順托果勒地區(qū)Fig. 3 Liquefied sand veins and liquefied breccias, well SH 9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

觸變楔常發(fā)育在較細(xì)的沉積物中, 在震動(dòng)條件下形成了向下的觸變流動(dòng)變形構(gòu)造, 具有較窄的楔形及重復(fù)出現(xiàn)的特征(Montenat et al., 2007; 喬秀夫等, 2013)。圖5顯示了順9井下志留統(tǒng)柯坪塔格組深灰色灰質(zhì)泥巖層與灰質(zhì)粉砂巖層互層中保留的觸變流動(dòng)構(gòu)造。薄-紋層深灰色泥向下觸變流動(dòng), 楔入薄層淺灰色沙層中, 形成的楔狀體。在楔狀體中可見(jiàn)近水平的細(xì)條狀粉砂層角礫, 并未完全被“觸變”,保留了原始的水平紋層特征。圖5b上部可見(jiàn)未變形的、水平紋層狀粉沙層和泥層互層; 而下部變形層中, 泥觸變引起圍巖變形, 形成楔狀體。其形成過(guò)程如下: (1)地震前, 泥、沙(或粉沙)互層的沉積層在自身重力和靜巖壓力下保持穩(wěn)定; (2)地震發(fā)生時(shí),軟的泥質(zhì)層受到震動(dòng)作用, 發(fā)生塑性流動(dòng), 泥向下侵入沙(或粉沙)層, 未固結(jié)的粉沙層被上覆泥層楔入, 沉陷的泥層形成上寬下窄的楔狀體; 泥在下陷流動(dòng)的過(guò)程中, 還向側(cè)向觸變侵位, 形成不規(guī)則的、齒狀的楔狀體邊緣; 泥層頂部下拉成凹形; (3)地震后, 震動(dòng)作用消失, 變形層被上覆新沉積巖層覆蓋, 充填了下凹部分, 泥質(zhì)層和粉沙層在自身重力和靜巖壓力下保持平衡。

2.3負(fù)載構(gòu)造

負(fù)載構(gòu)造是具有反密度梯度的沉積層, 在重力作用及地震震動(dòng)作用疊加驅(qū)動(dòng)下, 高密度沉積物垂直下沉、陷落形成的構(gòu)造。負(fù)載脫離母巖層完全陷落于下伏軟沉積層內(nèi)形成球-枕構(gòu)造。有關(guān)負(fù)載構(gòu)造地震觸發(fā)成因機(jī)制討論已相當(dāng)成熟(Owen, 1996; Moretti et al., 2002; 喬秀夫和李海兵, 2008)。地震誘發(fā)的負(fù)載構(gòu)造多為寬高比大于1的構(gòu)造, Moretti和Sabato(2007)提出負(fù)載寬度小于0.01 m有可能由單純超負(fù)荷形成。

SH9井中發(fā)育了多個(gè)的小尺度負(fù)載構(gòu)造層(圖6d), 在反密度沉積層中, 未固結(jié)巖層由于地震應(yīng)力的觸動(dòng), 高密度沙向低密度泥中流入, 受到橫向切應(yīng)力作用形成了負(fù)載變形構(gòu)造, 或不對(duì)稱負(fù)載構(gòu)造(圖6)。其負(fù)載寬度大多小于0.01 m, 淺灰色的沙層由于強(qiáng)烈振動(dòng)搖晃、加之自身重力作用下沉入下伏深灰色泥層中; 在下沉過(guò)程中, 負(fù)載體脫離母巖層,形成球體, 巖心中可見(jiàn)多層的砂質(zhì)球狀體, 直徑約0.5～0.8 cm, 形成球-枕變形層位于負(fù)載下方。由于同時(shí)存在球-枕構(gòu)造及液化砂巖脈, 應(yīng)是在強(qiáng)地震剪切應(yīng)力作用下誘發(fā)的軟沉積物液化變形。因此, 盡管負(fù)載構(gòu)造寬度雖然小于0.01 m, 但伴隨有球-枕構(gòu)造及液化脈的小型負(fù)載構(gòu)造也可能與地震振動(dòng)有關(guān)。

2.4復(fù)合混插構(gòu)造

混插構(gòu)造由Rossetti等(2011)年提出, 指上下疊置的兩種不同沉積單元的沙, 沿兩者界面附近垂向與側(cè)向相互液化侵位。兩組沉積單元的沙巖性相近,相互穿插侵位, 形成的變形主要在兩個(gè)軟沉積單元的接觸部位, 具有周期性的凹槽、凸起、砂球-橢球體、不規(guī)則波狀塊體等形態(tài)(He and Qiao, 2015)。圖7a中部(黑色箭頭處)淺灰色粉沙及灰綠色粉沙相互液化侵位, 形成淺灰色粉沙負(fù)載及淺灰色粉沙液化脈; 圖7b中部灰綠色粉沙與淺灰色粉沙沿界面處混插, 形成淺灰色沙向下的負(fù)載及淺灰綠色沙向上的液化擠入。同時(shí)還出現(xiàn)多個(gè)小型的液化沙脈, 兩種以上的不同粒度的軟沉積物相互穿插侵位, 并疊加了液化脈變形構(gòu)造, 筆者建議稱其為“復(fù)合混插構(gòu)造”。

3 志留紀(jì)軟沉積變形構(gòu)造對(duì)比及其形成動(dòng)力學(xué)

3.1軟沉積變形構(gòu)造的垂向序列及橫向?qū)Ρ?/p>

圖4　觸變底辟, SH9井, 下志留統(tǒng)柯坪塔格組,順托果勒地區(qū)Fig. 4 Thixotropic diapir, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

圖5　觸變楔, SH9井, 下志留統(tǒng)柯坪塔格組, 順托果勒地區(qū)Fig. 5 Thixotropic wedge, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

圖6　負(fù)載及球-枕構(gòu)造, SH9井, 下志留統(tǒng)柯坪塔格組, 順托果勒地區(qū)Fig. 6 Load cast and ball-pillow structures, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

在塔中隆起及滿加爾坳陷結(jié)合部的Z12井、SH2井、SH9及SH8井志留系巖心中都發(fā)現(xiàn)了密集的軟沉積變形構(gòu)造層(圖8), 表明軟沉積變形構(gòu)造垂向有循環(huán)及重復(fù)性、側(cè)向有延展性, 且與斷層活動(dòng)相關(guān), 應(yīng)是地震誘發(fā)的軟沉積變形構(gòu)造。塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶西北端上盤的SH2井在中志留統(tǒng)依木干他烏組發(fā)現(xiàn)18個(gè)軟沉積變形構(gòu)造層; 順托果勒低隆起中部的SH9井在下—中志留統(tǒng)軟沉積變形構(gòu)造更為發(fā)育, 在塔塔埃爾塔格組與柯坪塔格組發(fā)現(xiàn)軟沉積變形層有28個(gè)。順托果勒低隆起的SH8井軟沉積變形構(gòu)造較少, 在柯坪塔格組出現(xiàn)9個(gè)軟沉積變形層。塔中隆起帶上西中部的Z12井在依木干他烏組可識(shí)別了9個(gè)軟沉積變形層(喬秀夫等, 2011; He et al., 2014)。這些軟沉積變形構(gòu)造符合震積巖的判別標(biāo)準(zhǔn), 夾持在未變形層之間, 橫向可對(duì)比, 垂向具有多期旋回, 且在不同部位、不同沉積時(shí)期軟沉積變形構(gòu)造的出現(xiàn)具有差異性, 推測(cè)可能為古地震記錄——震積巖。

圖7　復(fù)合混插構(gòu)造, SH9井, 下志留統(tǒng)柯坪塔格組, 順托果勒地區(qū)Fig. 7 Complex plunged sediment mixtures, well SH9 of Lower Silurian Kepingtagh Formation in Shuntuoguole area

從識(shí)別出的軟沉積變形構(gòu)造橫向、垂向分布看,在塔中隆起上早志留世柯坪塔格組的變形強(qiáng)度較小、頻次較少; 而順托果勒地區(qū)早—中志留世塔塔埃爾塔格組沉積時(shí), 存在多期軟沉積變形構(gòu)造, 因此, 在早志留柯坪塔格組沉積時(shí)可能發(fā)生了高頻次的古地震事件。即志留紀(jì), 從早到晚, 塔中隆起北部及滿加爾坳陷的結(jié)合部的古地震活動(dòng)強(qiáng)度由南向北、由西向東具有向上逐漸增強(qiáng)、增多的趨勢(shì)。

3.2發(fā)震斷裂推測(cè)

古地震記錄與古地震活動(dòng)斷裂密切相關(guān)。劉穎和謝君裴(1984)整理了中國(guó)1955年以前近900年間歷次地震噴水冒沙資料, 發(fā)現(xiàn)隨著地震震級(jí)的加大發(fā)生液化的范圍越大, 震級(jí)為6時(shí), 液化范圍距離震中為50 km; 7級(jí)地震液化范圍達(dá)100 km, 8級(jí)地震時(shí)液化范圍可達(dá)200 km; 震級(jí)MS<5則未發(fā)現(xiàn)有噴水冒沙現(xiàn)象。Obermeier(1998)分析了淺源地震(<50 km)矩震級(jí)與地表液化作用的最大范圍關(guān)系;當(dāng)矩震級(jí)M>7時(shí), 研究區(qū)與世界上的液化識(shí)別范圍分別為40～50 km及100 km。矩震級(jí)為8時(shí), 液化作用范圍可分別達(dá)到200 km及300 km。矩震級(jí)M 6.5～7時(shí), 潛在的液化作用半徑 30～40 km; 矩震級(jí)M≤5時(shí), 未見(jiàn)液化證據(jù)。可見(jiàn)地震導(dǎo)致的液化作用范圍可以幫助推測(cè)同時(shí)期活動(dòng)的古地震斷裂。

塔中隆起及順托果勒地區(qū)發(fā)育早古生代的主要斷裂帶, 不僅有斷距較大的(幾百～2 000 m)、延伸較長(zhǎng)的(80～260 km)斷裂, 如塔中I號(hào)、塔中II號(hào)、塔中Ⅲ號(hào)、瑪東—塘北斷裂帶及部分北東向斷裂帶等; 還包括斷距較小(～20～幾百km)、延伸較短(5～ 20 km)的北東向、北西向斷裂系。斷層主要以逆沖斷裂為主(圖9), 斷裂走向具多樣性, 存在NW、NE、近南北向及近東西向多組斷裂(圖10)。塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶是距研究區(qū)最近且規(guī)模最大的斷裂, 其最大斷距可達(dá)2 000 m, 延伸長(zhǎng)度260 km, 是滿加爾坳陷與塔中隆起之間的分界斷裂(李曰俊等, 2008), 在早、中奧陶世為同沉積伸展斷裂, 傾向北東; 晚奧陶世早期為該斷裂劇烈活動(dòng)的時(shí)期, 仍為同沉積伸展斷裂; 在奧陶紀(jì)末反轉(zhuǎn)為逆沖斷層(何碧竹等, 2010), 傾向南西; 塔中I號(hào)斷裂西段大部分在志留系沉積前停止活動(dòng), 其次級(jí)反向斷裂活動(dòng)則在志留系活動(dòng)為主, 極少部分可活動(dòng)至二疊紀(jì)早期。塔中I號(hào)斷裂被北東向斷層切割分段。SH9井距塔中I號(hào)斷裂最近距離約為60 km(圖10)。

圖9　塔中隆起及順托果勒地區(qū)二維地震地質(zhì)解釋剖面(A-A’, B-B’)Fig. 9 2D seismic interpretation profiles of the Tazhong uplift and Shuntuoguole area (A-A’, B-B’)

圖10　塔中隆起及鄰區(qū)志留系斷裂分布圖(據(jù)中石化西北分公司, 2015修改)Fig. 10 The fault systems of the Silurian strata of Tazhong uplift and its adjacent areas (modified after Northwest Oilfield Company of SINOPEC, 2015)

在順托果勒低隆起還發(fā)育了NNW、NW、NNE、NE四組斷裂體系(圖9B, 10)。這些斷裂不同于塔中I號(hào)、II號(hào)等逆沖斷裂, 具有高傾角、小斷距、延伸短、走滑逆沖或剪切拉張的特征。剖面上主要有“人”字形、“Y”字形、樹枝狀斷裂樣式。從其控制地層發(fā)育厚度及分布的特點(diǎn), 表明這些斷裂多活動(dòng)于志留系—中下泥盆統(tǒng)沉積時(shí)期。其中北東向逆沖走滑斷裂垂向斷距較大、延伸距離長(zhǎng), 為主要斷裂; 北西向剪切拉張斷裂呈雁行排列, 沿北東向主逆沖斷裂展布, 反映了北東—南西向的拉伸, 可能為北東向逆沖斷裂的伴生斷裂; 此兩組斷裂反映了該時(shí)期順托果勒地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力特征及活動(dòng)斷裂控制范圍。SH9井距北東、北西向斷裂系的距離分別為11 km和8 km。

SH9井識(shí)別的軟沉積變形構(gòu)造, 主要分布在加里東中期II幕不整合面(S/O3)之上的志留系柯坪塔格組, 該時(shí)期主要活動(dòng)斷裂為順托果勒地區(qū)的北東向走滑逆沖斷裂、北西向剪切拉張斷裂, 以及塔中I號(hào)斷裂的次級(jí)反向逆沖斷裂。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的地震震級(jí)誘發(fā)液化作用的范圍(劉穎和謝君裴, 1984; Obermeier, 1998), 要使得該區(qū)發(fā)生高頻次的液化變形, 活動(dòng)的古地震斷裂北東向走滑逆沖及北西向剪切拉張斷裂古地震震級(jí)須>5級(jí), 塔中I號(hào)斷裂古地震震級(jí)須7級(jí), 塔中II號(hào)斷裂古地震震級(jí)須8級(jí)。在早志留世柯坪塔格組沉積的約4 Ma中最少記錄了26次古地震事件的發(fā)生, 且存在擠壓作用與液化作用共同存在的軟沉積變形構(gòu)造(圖3e)。因此,推測(cè)該區(qū)形成古地震記錄的發(fā)震斷裂以北東向走滑逆沖斷裂+北西向剪切拉張斷裂為主, 以塔中I號(hào)斷裂次級(jí)反向逆沖斷裂為輔。

3.3古地震活動(dòng)形成環(huán)境

中晚奧陶世, 南阿爾金洋、西昆侖洋發(fā)生了洋殼俯沖、消減、閉合的過(guò)程, 在塔里木盆地南部與西昆侖北地體以及東南部的中南阿爾金地體, 分別于474～449 Ma(Matte et al., 1996; 許志琴等, 2011) 及468～440 Ma(Zhang et al., 2005)發(fā)生了碰撞造山作用。隨著古昆侖洋盆繼續(xù)消減, 在晚志留世西昆侖地體與塔里木板塊發(fā)生碰撞(Liu et al., 2013), 形成晚志留世碰撞造山帶和周緣前陸盆地, 葉城—和田地區(qū)為其前緣隆起。志留紀(jì)末—中泥盆世的北阿爾金洋閉合, 阿爾金島弧完全與塔里木板塊拼合,形成碰撞造山帶(許志琴等, 2011; 張建新等, 2011)。深部結(jié)構(gòu)也揭示了塔里木巖石圈與青藏高原西北緣巖石圈相碰撞的證據(jù)(高銳等, 2001; 管燁等, 2001;李秋生等, 2002)。

中晚奧陶世夾持在西昆侖洋、南天山洋之間的塔里木地塊, 主要受西昆侖及阿爾金造山帶構(gòu)造作用的影響, 發(fā)生的構(gòu)造變形在盆地南部大部分區(qū)域地層呈北傾, 形成了盆地南部廣泛分布的北傾低角度單斜; 在盆地中南部的和田和塔中地區(qū)部分形成了中奧陶世與晚奧陶世的隆起, 并遭受剝蝕, 塔中隆起形成了加里東中期I幕(上奧陶與中奧陶統(tǒng))和加里東中期Ⅱ幕(志留系與上奧陶統(tǒng))不整合; 西昆侖山前的北東向和田古隆起和塘古茲巴斯凹陷中北東向斷褶帶以及塔中西部低隆起是該時(shí)期構(gòu)造變形最為劇烈的地區(qū)(何碧竹等, 2013)。

晚奧陶世, 塔中I號(hào)斷裂帶鄰近已發(fā)現(xiàn)了大量的上奧陶統(tǒng)古地震記錄(何碧竹等, 2010; 喬秀夫等, 2011; He et al., 2014), 證明塔中Ⅰ號(hào)斷裂晚奧陶世時(shí)期應(yīng)為古地震活動(dòng)斷裂, 區(qū)域構(gòu)造背景下斷裂的活動(dòng)是古地震發(fā)生的主要?jiǎng)恿Α?/p>

志留紀(jì), 順托果勒地區(qū)處于塔中隆起至及滿加爾坳陷的斜坡部位(圖9A), 應(yīng)是塔里木盆地相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。然而, 其構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于晚奧陶世, 伴隨著該時(shí)期北阿爾金洋的閉合, 在滿加爾凹陷出現(xiàn)了寬緩的褶皺, 發(fā)育北東向走滑逆沖及北西向剪切拉張斷裂。這些古地震斷裂的活動(dòng)為順托果勒地區(qū)志留系大量、高頻次軟沉積變形構(gòu)造的主要觸發(fā)誘因。

4 結(jié)論

(1)在塔里木盆地塔中隆起與滿加爾坳陷結(jié)合部——順托果勒地區(qū)重點(diǎn)探井SH9井中, 發(fā)現(xiàn)了下志留統(tǒng)多種類型的軟沉積變形構(gòu)造, 不僅存在包括液化砂巖脈、液化角礫巖、復(fù)合混插構(gòu)造等地震誘發(fā)的液化變形構(gòu)造, 還首次發(fā)現(xiàn)了地震誘發(fā)觸變流動(dòng)形成的觸變底辟與觸變楔, 以及明確了復(fù)合的小型負(fù)載、球-枕構(gòu)造及液化砂巖脈, 也可能是地震震動(dòng)造成。

(2)通過(guò)古地震記錄分布對(duì)比, 填補(bǔ)了早志留世古地震記錄, 使得塔中隆起—滿加爾坳陷志留紀(jì)震積巖序列更為完整, 古地震斷裂活動(dòng)性得以明確。控制SH9井的古地震事件的發(fā)震斷裂可能是順托果勒地區(qū)早志留世—晚泥盆世活動(dòng)的北東向走滑逆沖斷裂及北西向剪切拉張斷裂。

(3)古地震記錄是主構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期高分辨構(gòu)造事件的記錄及響應(yīng), 主要?jiǎng)恿?lái)源為不同時(shí)期區(qū)域構(gòu)造作用下的地震斷裂活動(dòng)。古地震活動(dòng)能夠改善儲(chǔ)集空間, 古活動(dòng)斷裂可以成為油氣運(yùn)移的通道, 對(duì)不同時(shí)期油氣成藏評(píng)價(jià)有重要意義, 值得進(jìn)一步研究。

致謝： 本文在研究中得到中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所許志琴院士、中石化西北油田分公司教授級(jí)高級(jí)工程師漆立新、黃太柱、云露、呂海濤、李宗杰、余騰孝、王保才以及中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所彭陽(yáng)研究員等的支持與幫助, 在此表示衷心的感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by Northwest Oilfield Company of SINOPEC (No. KY2013-S-024), China Geological Survey (Nos. 12120115002001 and 12120115026901), Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China (No. 201011034), and National Natural Science Foundation of China (No. 40921001).

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Seismites in the Early and Middle Silurian Strata of Shuntuoguole Area in Tarim Basin: Records of High-resolution Tectonic Events

YU Zhuo-ying1), HE Bi-zhu1)*, QIAO Xiu-fu1), JIAO Cun-li2), CAO Zi-cheng3), WANG Zhen4), CHEN Wei-wei1), LIU Shi-lin2), QIU Hua-biao3), YUE Xin-dong3)
1) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Exploration and Production Research Institute of SINOPEC, Beijing 100083; 3) Exploration and Production Research Institute of Northwest Oilfield Company of SINOPEC, Urumqi, Xinjiang 830011; 4) China University of Petroleum, Beijing 102249

Abstract:A lot of soft-sediment deformation structures (SSDS) in deep drilling cores are recognized in the Early and Middle Silurian strata of the Shuntuoguole area which is a conjunction of the Tazhong uplift and the Manjiaer depression in the Tarim Basin. The SSDS include liquefied sand veins, liquefied breccias, thixotropic diapirs, thixotropic wedges, load cast structures, ball - pillow structure deformation structures and complex plunge sediment mixture structures. The lithological composition, the structural morphologies and styles, the sequences of vertical distribution, the extensions of horizontal distributions and the sedimentary envoirment of soft sediment deformation structures are analyzed, and the relationship between the activity of the paleo-faults to the SSDS are discussed. These soft-sediment deformation structures are determined as various seismites. Combined with the faults in the Early and Middle Silurian strata in this area and adjacent areas, the authors hold that the seismogenic faults may be mainly the NE-trending strike-slip thrust faults and the smaller NW-trending extensional faults.There occurred at least 26 times paleo-earthquake events (with magnitude more than 5) during about 4 Ma of the deposition of the Kepingtagh Formation in Early Silurian. These paleo-earthquake records reflect the tectonic activities of Shuntuoguole area and its adjacent areas, complement the evidence of high-resolution tectonic events of the main tectonic movements with the pulsation and circularity, and provide the new clues for reconstruction of paleo-tectonics.

Key words:soft-sediment deformation structures; seismites; high-resolution paleo-earthquake events; Early and Middle Silurian; Shuntuoguole area; Tarim Basin

中圖分類號(hào):P511.2; P588.33; P534.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.08

收稿日期:2016-01-18; 改回日期: 2016-04-05。責(zé)任編輯: 閆立娟。

第一作者簡(jiǎn)介:余卓穎, 女, 1991年生。碩士研究生。研究方向?yàn)榕璧貥?gòu)造分析。

*通訊作者:何碧竹, 女, 1965年生。研究員。主要研究方向?yàn)榕璧貥?gòu)造分析及油氣勘探目標(biāo)評(píng)價(jià)等。E-mail: hebizhu@vip.sina.com。