魏巖巖，吳磊，周道卿，肖安成，黃凱

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心， 北京 100083；2.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310012；3.教育部含油氣盆地構(gòu)造研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引言

柴達(dá)木盆地地處青藏高原東北緣，其四周被祁連山、阿爾金斷裂及東昆侖山所環(huán)繞，保存了巨厚的中—新生界陸相碎屑沉積序列，受印度—亞洲板塊碰撞的影響，盆地內(nèi)部新生代構(gòu)造變形強(qiáng)烈，形成了一系列基底斷裂與褶皺，是研究青藏高原變形過(guò)程的理想地區(qū)[1-7]。柴達(dá)木盆地西南部(柴西南地區(qū))是指阿爾金左旋走滑斷裂以南、祁漫塔格造山帶以北、英雄嶺背斜帶以西的狹長(zhǎng)地帶，其內(nèi)新生代變形強(qiáng)烈，沉積過(guò)程連續(xù)，油氣資源豐富，一直以來(lái)是地質(zhì)與石油學(xué)家研究的熱點(diǎn)地區(qū)[7-14]。近年來(lái)，學(xué)者在該地區(qū)做了大量的研究，并對(duì)柴西南地區(qū)甚至柴達(dá)木盆地的變形機(jī)制提出了各種模型[7,9-14],其中阿拉爾斷裂的性質(zhì)及活動(dòng)時(shí)間在各種模型中起到了至關(guān)重要的作用。一般認(rèn)為，受祁漫塔格向北推覆的影響，在柴西南地區(qū)形成了一系列逆沖斷裂[5,7,11,15-19]。但也有學(xué)者認(rèn)為柴達(dá)木盆地南界受左旋走滑斷裂控制，柴西南地區(qū)的昆北斷裂、阿拉爾斷裂都是由于東昆侖走滑斷層逐漸向北擴(kuò)展而形成的[20]。另外，對(duì)于柴西南地區(qū)的變形時(shí)間也存在很大爭(zhēng)議，一些學(xué)者認(rèn)為柴西南地區(qū)斷裂的活動(dòng)時(shí)間較晚，大約在晚漸新世—早中新世期間開(kāi)始活動(dòng)[20-24]；另一些學(xué)者則認(rèn)為柴西南地區(qū)斷裂自新生代早期就開(kāi)始活動(dòng)[5,7,16-17]?？梢?jiàn)，柴西南地區(qū)變形機(jī)制非常復(fù)雜，還需要進(jìn)一步深入研究。本文選取柴達(dá)木盆地西部阿拉爾斷裂為研究對(duì)象，利用高精度的二維、三維地震反射數(shù)據(jù)，進(jìn)行幾何學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析，恢復(fù)出其走滑和逆沖分量，在此基礎(chǔ)上探討柴西南地區(qū)的斷裂性質(zhì)及其機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

1.1 柴達(dá)木盆地新生界地層劃分

柴達(dá)木盆地緊鄰阿爾金山、南祁連山和東昆侖—祁漫塔格三大物源區(qū)(圖1a)，其內(nèi)部保存了巨厚的中新生代陸相沉積，最厚處可達(dá)1×104m以上。柴達(dá)木盆地新生界沉積地層由老到新依次被劃分為路樂(lè)河組、下干柴溝下段、下干柴溝上段、上干柴溝組、下油砂山組、上油砂山組、獅子溝組以及七個(gè)泉組(表1)。本文依據(jù)前人磁性地層與化石定年研究結(jié)果，將路樂(lè)河組、下干柴溝組底界年齡分別限定為>52.0 Ma和44.2 Ma[25]，上干柴溝組底界年齡限定為35.5 Ma[26]，下油砂山組底界年齡限定為22.0 Ma[27]，上油砂山組、獅子溝組、七個(gè)泉組底界年齡分別限定為15.3 Ma、8.1 Ma、2.5 Ma[28]。

a—柴西南及鄰區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖；b—柴達(dá)木盆地及周緣地形圖；c—阿拉爾地區(qū)斷裂系統(tǒng)圖a—geological map of the SW Qaidam Basin and adjacent area;b—gigital elevation map (DEM) of the Qaidam basin and surrounding area;c—fault system of Alar area圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)概況Fig.1 Location and geological survey of the study area

表1 柴達(dá)木盆地新生代綜合地層

1.2 柴西南地區(qū)新生代構(gòu)造變形

柴西南地區(qū)新生代以來(lái)變形強(qiáng)烈，現(xiàn)今主要被第四系沉積所覆蓋。由于其豐富的油氣資源，柴西南地區(qū)是目前柴達(dá)木盆地勘探程度最高的區(qū)域，已有大量地震及鉆井資料[3]。三維及二維地震資料顯示平面上柴西南地區(qū)存在一系列呈肘狀分布的NNW向斷裂，如阿拉爾斷裂和昆北斷裂，剖面上表現(xiàn)為高角度基底斷裂[7,12]。對(duì)于這些斷裂的形成機(jī)制一直存在爭(zhēng)議。一般認(rèn)為該組斷裂是由于東昆侖—祁漫塔格造山帶向北逆沖到柴達(dá)木地塊之上而形成的逆沖斷裂[5,7,17-18]，但也有學(xué)者認(rèn)為該組斷裂是東昆侖構(gòu)造楔向北插入柴達(dá)木地塊中而引起的反向逆沖斷裂[22]或是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴(kuò)展而形成的左旋走滑斷裂[20], 根據(jù)斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或者地震屬性沿層切片特征推算出阿拉爾斷裂的走滑量超過(guò)了8 km[12,29]。柴西南地區(qū)除NNW向的主要斷裂外，還存在一系列近SN向的小斷裂，如阿拉爾斷裂兩側(cè)的躍東斷裂和Ⅲ號(hào)斷裂(圖1c)。對(duì)于阿拉爾斷裂及其周?chē)嗔训幕顒?dòng)時(shí)間也有不同的觀點(diǎn)，一些學(xué)者認(rèn)為阿拉爾斷裂、躍東斷裂以及Ⅲ號(hào)斷裂在形成機(jī)制以及形成時(shí)間上具有同一性，均為同一應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的一期構(gòu)造，形成時(shí)間大約在36 Ma或22.0 Ma左右[12,29]。然而有些學(xué)者則認(rèn)為昆北及阿拉爾斷裂活動(dòng)時(shí)間較早，自新生代初期或更早的時(shí)間就已經(jīng)在控制盆地的沉積[7,18]。

2 阿拉爾斷裂的變形特征

2.1 幾何學(xué)特征

祁漫塔格山前柴西南地區(qū)發(fā)育一系列NW—SE向肘狀斷層(如昆北、阿拉爾等斷裂)，平面上整體呈斜列式排列(圖1a)。阿拉爾斷裂特征最為顯著，其自阿爾金山前向東南延伸至盆地內(nèi)部，可分為NWW走向的西段和近SN走向的東段兩部分，兩段近于垂直。剖面上，阿拉爾斷裂表現(xiàn)為基底斷裂，斷面陡傾，傾角在50～76°之間；其西段傾向南，傾角相對(duì)較小，而東段傾向西，斷面近乎直立。剖面顯示，阿拉爾斷裂西段與昆北斷裂呈疊瓦狀向北逆沖，造成阿拉爾斷裂以南地層的整體抬升，斷裂上盤(pán)處于地形高部位，逆沖特征明顯(圖2)。此外，在阿拉爾斷裂的東側(cè)，還發(fā)育一個(gè)形態(tài)與其相似的躍東斷裂，也是由NWW走向的西段和近SN走向的東段兩部分組成，且其西段與阿爾金斷裂的西段相連，其東段與阿拉爾斷裂的東段平行，我們認(rèn)為其也是阿爾金斷裂系統(tǒng)的一部分(圖1c)。剖面上，躍東斷裂也與阿拉爾斷裂相似，斷面陡傾，以豎直抬升為主，且西段傾角較東段小。

圖2 過(guò)阿拉爾及周邊斷裂地震剖面及解釋剖面Fig.2 Seismic profiles crossing the Alar fault and their geological interpretation

2.2 阿拉爾斷裂水平縮短量

阿拉爾斷裂的東南部覆蓋有大面積的三維地震工區(qū)(圖1a)，工區(qū)內(nèi)包括阿拉爾斷裂的部分西段和東段。本文自西向東沿阿拉爾斷裂的走向等間隔選取了12條近似垂直于阿拉爾斷裂走向的地震剖面(包括近SN向6條和NEE向6條)，利用2D move軟件以新生界路樂(lè)河組底為參考面，計(jì)算出了每一條剖面的水平縮短量。剖面位置見(jiàn)圖3a，結(jié)果見(jiàn)圖3b，顯示阿拉爾斷裂的水平縮短量最大值位于北西段西部，為 3.2 km，向西快速過(guò)渡為1 km左右。

a—垂直于阿拉爾斷裂走向的地震剖面位置及編號(hào)；b—沿阿拉爾斷裂走向各地震剖面新生代總縮短量a—location and number of seismic sections perpendicular to the Alar fault strike;b—total Cenozoic shortening of seismic sections along the Alar fault圖3 地震剖面位置及新生代總縮短量Fig.3 Location and total Cenozoic shortening of seismic sections

2.3 活動(dòng)時(shí)間

本次研究利用地震剖面所反映的生長(zhǎng)地層來(lái)確定斷裂的活動(dòng)時(shí)間。剖面AA′位于研究區(qū)西側(cè)，剖面特征顯示阿拉爾斷裂上盤(pán)處于高地形位置，并且該區(qū)域自下干柴溝組下段，開(kāi)始接受沉積。同時(shí)，與斷裂下盤(pán)相比，上盤(pán)同時(shí)代的的地層沉積厚度要比下盤(pán)小很多(圖2a)。剖面BB′位于剖面AA′的東側(cè)，呈近SN向延伸，切過(guò)阿拉爾斷裂的東南段(圖2b)。從BB′剖面可以看出，阿拉爾斷裂上下盤(pán)新生代各時(shí)期地層均有沉積，但同時(shí)期地層均存在明顯的厚度差異，上盤(pán)地層沉積厚度遠(yuǎn)小于下盤(pán)沉積厚度。剖面AA′和剖面BB′的特征，表明阿拉爾斷裂自新生代初期以來(lái)一直活動(dòng)，并且控制著斷裂兩側(cè)的新生代沉積。

平面圖顯示，阿拉爾地區(qū)除發(fā)育一系列NW—SE向大斷裂外，還發(fā)育一些近SN向的小斷裂(如躍東斷裂，Ⅲ號(hào)斷裂)(圖1c)。躍東斷裂平面上呈肘狀展布，類(lèi)似于阿拉爾斷裂東南段，包括近似垂直的兩部分，北西段和東段，北西段向東延伸轉(zhuǎn)為向南延伸。剖面CC′顯示，該斷裂向下切穿基底，向上切穿上干柴溝組底界，并消失于上干柴溝組地層之中(圖2c)，同時(shí)其上盤(pán)地層有輕微褶皺變形，上干柴溝組以上地層均未發(fā)生錯(cuò)斷。這些特征表明，躍東斷裂的變形程度有限，僅在下干柴溝沉積之后有過(guò)微弱活動(dòng)，后期基本未活動(dòng)。剖面DD′中，Ⅲ號(hào)斷裂切穿下油砂山組之前地層，并且在上盤(pán)形成斷裂傳播褶皺(圖2d)。該剖面中，由褶皺翼部向核部逐漸減薄的生長(zhǎng)地層，自上干柴溝組開(kāi)始出現(xiàn)，并一直持續(xù)到七個(gè)泉組沉積末期，指示Ⅲ號(hào)斷裂發(fā)育于下干柴溝組沉積之后，并持續(xù)活動(dòng)(圖2d)。

3 討論

3.1 阿拉爾斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

前人依據(jù)斷裂兩側(cè)地層厚度差計(jì)算得到阿拉爾斷裂西、東兩段的最大豎直抬升量分別為3 km和1.8 km[7]。另外，一些學(xué)者認(rèn)為阿拉爾斷裂是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴(kuò)展而形成的左旋走滑斷裂[18], 并根據(jù)斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或地震屬性沿層切片特征推算出阿拉爾斷裂西段的走滑量超過(guò)了8 km[12，29]。由于阿拉爾斷裂向東并未一直延伸，而是轉(zhuǎn)為近SN向，阿拉爾斷裂NNW段的走滑量一種情況是被SN向的斷裂逆沖所吸收，這與我們上文計(jì)算出的水平縮短量不相符；另一種情況是整個(gè)阿拉爾斷裂上盤(pán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種情況下北西段與東段交匯的部位處于伸展背景下，與事實(shí)不符。上文計(jì)算結(jié)果可知阿拉爾斷裂的水平縮短量最大值位于北西段，只有3.2 km，向西快速過(guò)渡為1 km左右。如果像前人所述的阿拉爾斷裂北西段的走滑位移量為8 km，剩余5～7 km的走滑位移量是無(wú)法被消減掉的。從運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制而言，由于阿爾金斷裂東、西兩段近乎垂直，其西段的水平縮短量可認(rèn)為近似代表東段的走滑量，而東段的縮短量也約等于西段的走滑量，即斷裂在新生代期間所積累的水平縮短量，可近似地認(rèn)為是與剖面走向平行的該段斷裂的走滑量。在這種情形下，我們對(duì)阿拉爾斷裂水平縮短量的計(jì)算結(jié)果表明，其西段走滑量約為1 km，為左旋走滑分量，遠(yuǎn)小于該段的豎直抬升量和水平縮短量，是一個(gè)以逆沖為主的斷裂；而東段的走滑量則可達(dá)3.2 km，為右旋走滑分量，是該段豎直抬升量和水平縮短量的3倍左右，是一個(gè)以右旋走滑為主的斷裂。這與阿拉爾斷裂的幾何學(xué)形態(tài)是匹配的，地震反射剖面顯示，阿拉爾斷裂東段較西段更陡，因而更有利于走滑的發(fā)生。

前人對(duì)阿拉爾斷裂西段走滑量達(dá)到8 km的認(rèn)識(shí)可能是由于其忽視了斜向斷層活動(dòng)引起的標(biāo)志層在平面和剖面上的視覺(jué)錯(cuò)動(dòng)，因而未能從立體和實(shí)際位移等方面綜合分析兩盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)。例如圖4a、b所示，當(dāng)斷裂走向與標(biāo)志體走向不一致時(shí)，逆沖斷裂兩側(cè)的標(biāo)志層或構(gòu)造線投影到某一個(gè)面上時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出水平錯(cuò)移，在平面上造成走滑斷層的假象。只有當(dāng)斷層的走向與標(biāo)志體走向垂直時(shí)，才不會(huì)在平面上產(chǎn)生這種視覺(jué)誤差(圖4c)。從區(qū)域新生代地層厚度等值線可以看出[29]，阿拉爾斷裂上盤(pán)新生代地層的總體走向?yàn)镹NW，與阿拉爾斷裂西段斜交，符合圖4a中的情況，即阿爾金斷裂的逆沖活動(dòng)會(huì)在兩盤(pán)對(duì)應(yīng)地層的平面投影上造成左旋的錯(cuò)覺(jué)。因此本文認(rèn)為單純的通過(guò)對(duì)比斷裂兩側(cè)的地層厚度等值線或者地震屬性沿層切片特征來(lái)推算斷裂的走滑量是不合理的。

a、b—當(dāng)斷裂走向與地層走向不一致時(shí)，斷裂兩側(cè)的標(biāo)志層或構(gòu)造線投影到某一個(gè)面上時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出水平錯(cuò)移，給人在平面上造成左旋走滑或右旋走滑假象；c—當(dāng)斷裂走向與地層走向一致時(shí)，將斷點(diǎn)投影到同一平面上時(shí)未產(chǎn)生視覺(jué)誤差a、b—if the fault strike is inconsistent with formation strike, then when the marker layers or structural lines on both sides of the fault are projected onto a certain surface, they will show horizontal shift, giving the illusion of left-lateral strike-slip or right-lateral strike-slip on the plane;c—if the fault strike is inconsistent with formation strike, then there is no visual error when the break point is projected onto the same plane圖4 斜向斷層引起的斷層效應(yīng)Fig.4 Fault effect caused by oblique fault

3.2 阿拉爾斷裂形成機(jī)制

對(duì)于阿拉爾斷裂的性質(zhì)及形成機(jī)制一直存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為阿拉爾斷裂是東昆侖構(gòu)造楔引起的反沖斷裂[22]或是東昆侖走滑斷裂不斷向北傳遞擴(kuò)展而形成的左旋走滑斷裂[20]。最新的地震剖面顯示阿拉爾斷裂為一切穿基底的大斷裂，并且與南部的昆北斷裂呈疊瓦式向北逆沖，規(guī)模較大，否定了阿拉爾斷裂為一反沖斷裂。本文研究結(jié)果表明，盡管阿拉爾斷裂西段表現(xiàn)出一定的走滑斷裂特征，但其主體應(yīng)為一高角度逆沖斷裂，且其整體走向與南部祁漫塔格走向平行，因此可以推斷其主要受祁漫塔格造山帶向北的擠壓控制。地震剖面反映阿拉爾斷裂自新生代初期或更早的時(shí)間，就已經(jīng)啟動(dòng)，在新生代時(shí)期持續(xù)活動(dòng)，并控制了區(qū)域沉積。同時(shí)，上干柴溝組沉積時(shí)期，阿拉爾斷裂上盤(pán)發(fā)育生長(zhǎng)地層(圖2b)，并持續(xù)到七個(gè)泉組，指示上干柴溝組沉積時(shí)期，阿拉爾斷裂的運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生了改變，反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)可能發(fā)生了一次轉(zhuǎn)變(圖5)。阿拉爾斷裂周邊分布有較多的南北向小斷裂，這些斷裂基本都啟動(dòng)于上干柴溝組沉積前后，即漸新世早期。前人在柴西北地區(qū)的研究表明，晚始新世—早漸新世時(shí)期，阿爾金斷裂在中下地殼內(nèi)開(kāi)始韌性剪切，并一直持續(xù)到中中新世[29-31]。結(jié)合前人關(guān)于阿爾金斷裂的演化過(guò)程，本文推測(cè)阿拉爾斷裂可能在此時(shí)受阿爾金斷裂韌性剪切活動(dòng)的影響，產(chǎn)生了一定的左旋走滑分量，并被與之成高角度相交的南北向斷裂所調(diào)節(jié)吸收，形成了一系列近SN向的構(gòu)造帶，造成了EW向的小規(guī)?？s短。也就是說(shuō)，阿拉爾斷裂新生代的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征主要受到祁漫塔格造山帶向北擠壓的控制，同時(shí)也受到西側(cè)阿爾金左旋走滑斷裂系運(yùn)動(dòng)的影響。

a—新生代早期;b—新生代晚期a—early Cenozoic;b—late Cenozoic圖5 阿拉爾斷裂運(yùn)動(dòng)模式示意Fig.5 Sketch map showing the kinematics of the Alar fault

3.3 油氣勘探的意義

柴西南地區(qū)主要油田均分布于斷裂上盤(pán)，表明斷裂的活動(dòng)與油氣運(yùn)移、富集成藏密切相關(guān)。地面沉降和地?zé)釟v史表明該地區(qū)烴源巖在始新世中期開(kāi)始產(chǎn)油，始新世晚期(上干柴溝組沉積前)開(kāi)始大量生烴[32]。始新世晚期，長(zhǎng)期活動(dòng)的基底斷裂如阿拉爾斷裂活動(dòng)性逐漸加強(qiáng)，大量SN向的小斷裂形成。一方面，斷裂的擠壓作用導(dǎo)致沿著這些斷面發(fā)育大量的微裂縫，提高了孔隙的連通性和儲(chǔ)層的質(zhì)量，逐漸改變了柴達(dá)木盆地西南部巖石原始滲透率低[31-32]、存儲(chǔ)性能差的情況，從而使油氣的運(yùn)移和聚集更容易；同時(shí)斷裂上盤(pán)地層變形形成的背斜為聚集油氣提供的了空間，有助于形成斷控圈閉。另外，斷裂也是連接烴源巖和儲(chǔ)層的重要的通道, 通過(guò)斷裂的連通構(gòu)成了多種形式的生、儲(chǔ) 、蓋組合[33-35]。由此可見(jiàn)，柴西南地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)與油氣形成有良好的時(shí)空匹配關(guān)系，斷裂的形成與演化對(duì)油氣成藏起到了重要作用。

4 結(jié)論

本文在二維及三維地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)柴西南地區(qū)阿拉爾斷裂的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、活動(dòng)時(shí)間、斷裂性質(zhì)及形成機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，主要得出以下結(jié)論：

1)平面上，阿拉爾斷裂可分為近于垂直的西段(NWW走向)和東段(近SN走向)；剖面上，阿拉爾斷裂表現(xiàn)為基底斷裂，其西段傾向南，傾角相對(duì)較小，而東段傾向西，斷面近乎直立。

2)阿拉爾斷裂自新生代初期開(kāi)始活動(dòng)，西段以逆沖為主，水平縮短量和豎直抬升量均達(dá)到3 km以上，而左旋走滑量?jī)H為1 km左右；東段以右旋走滑為主，水平縮短量和豎直抬升量?jī)H為1 km左右，而走滑量達(dá)到3 km。

3)阿拉爾斷裂的形成和活動(dòng)受南側(cè)祁漫塔格造山帶向北擠壓和西側(cè)阿爾金左旋走滑斷裂的共同影響。柴西南地區(qū)斷裂活動(dòng)與油氣形成良好的時(shí)空匹配性是形成油田的關(guān)鍵因素，斷裂活動(dòng)提高滲透率、促進(jìn)形成背斜圈閉，并且起油氣運(yùn)移通道的作用。