塔里木盆地中部走滑断裂系统分布格局及其成因

李国会 李世银 李会元 孙 冲 谢 舟 李 飞

中国石油塔里木油田公司

0 引言

近年来，塔里木盆地中部（指塔北隆起—塔中凸起，以下简称台盆区）发现了一系列奥陶系碳酸盐岩走滑断裂和断控油气藏，逐渐形成塔北隆起—塔中凸起连片的大油气区，成为塔里木盆地重点油气勘探领域之一[1-4]。前人对塔里木盆地中央隆起、塔北隆起等区域的走滑断裂特征、控储控藏作用已有较多的研究。其中，李传新等[5-8]对塔里木盆地塔中凸起及其北斜坡的走滑断裂平剖面特征、活动期次进行了研究，认为塔中凸起及其北斜坡走滑断裂形成始于加里东中期，后期继承性活动，走滑断裂形成的动力机制为来自东南方向与阿尔金北缘北西向强烈斜向挤压作用；邓尚等[9-13]对塔里木盆地顺北及邻区主干走滑断裂带活动特征和期次、分段性特征进行了精细解剖，认为走滑断裂的主活动期为加里东中期Ⅲ幕，应力来自东南方向阿尔金岛弧强烈的斜向碰撞挤压作用；吕海涛等[14-16]对塔里木盆地塔北隆起走滑断裂体系及形成机制进行了研究，认为塔里木盆地北部走滑断裂发育花状构造、雁列构造等多种构造样式，“X”形共轭走滑断裂形成机制为近南北向挤压应力，主要形成期为中晚奥陶世。但前期的研究主要都集中在三维地震区块走滑断裂构造几何学特征与不同区块断裂的形成演化上，不同地区之间的认识也存在着分歧，而且缺少整体应力场分析，对塔里木盆地台盆区走滑断裂的整体格局及其形成机制尚不明确，制约了对已发现断裂带的精细勘探及外围区块走滑断裂带分布的预测与油气勘探部署。

为此，笔者在分析塔里木盆地三维地震资料解释成果的基础上，结合前人的研究成果及认识，描述了台盆区走滑断裂的总体展布格局，分析了走滑断裂的形成时期，结合该时期先存构造及恢复的区域构造应力状态探讨了该区走滑断裂的形成机制，预测了潜在走滑断裂的分布规律，以期为下一步针对断裂带的油气勘探部署提供技术支撑。

1 地质背景

塔里木盆地面积为56×104km2，是大型复合叠合盆地[17-19]。塔里木盆地中部显生宙地层发育齐全，厚度逾10 000 m，呈现“三隆四坳”的构造格局（图1）。塔里木盆地中部发育以奥陶系碳酸盐岩为主的多套储盖组合与含油气层段，奥陶系上部碳酸盐岩以石灰岩为主，基质物性较差，储集空间以次生溶蚀孔隙为主[1-3]。勘探开发实践与研究结果表明，走滑断裂在碳酸盐岩储层叠加改造、油气输导等方面的作用巨大[1-3,6,7,9,15]。目前，已发现的油气藏主要分布于塔北隆起南斜坡与塔中凸起北斜坡，位于隆起外围的北部坳陷阿满过渡带的一系列大型走滑断裂带油气勘探不断获得新突破，实现了从古隆起、古斜坡向盆地低部位的拓展[1-4]，北部坳陷已成为碳酸盐岩的勘探热点。

笔者本次研究的范围包括塔里木盆地塔北隆起、塔中凸起、巴楚凸起及其间的北部坳陷阿满过渡带（图1），该区是目前盆地内碳酸盐岩勘探开发的重点区域。随着三维地震资料越来越多，台盆区走滑断裂的平面特征已趋明朗，塔里木克拉通内走滑断裂主要发育区面积达9×104km2。

2 走滑断裂的几何学特征

通过三维地震资料解释，初步刻画出了台盆区奥陶系走滑断裂的整体发育特征（图1）。但受三维地震范围限制，目前落实的走滑断裂主要发育在塔北隆起、塔中凸起及其之间的阿满过渡带等3 个地区，各区之间走滑断裂的发育特征存在较大差异。

塔北隆起以北北西向、北北东向走滑断裂构成的“X”形共轭断裂为主，最大延伸长度约120 km，走滑断裂间相互错动痕迹不明显，这种特征在塔北隆起中部最为典型[10,12,14]，在奥陶系石灰岩顶面相干图上表现为规则“X”形共轭特征（图2）。共轭断裂发育范围北到东河塘—轮台逆冲断裂一线，南至塔北隆起南缘。塔北隆起西部的走滑断裂受晚期火成岩活动叠加改造断裂进一步复杂化，塔北隆起东部受下奥陶统—寒武系近南北向台缘造成的岩性相变影响，走滑断裂方向也发生变化，由对称“X”形渐变为与下奥陶统—寒武系台缘发育方向相似的近南北走向（图2）。按照断裂的延伸长度、活动强度、活动期次等划分出Ⅰ级走滑断层17 条（FⅠ1 ～FⅠ17）、Ⅱ级走滑断层24 条（FⅡ1 ～FⅡ24）。剖面特征以较为典型的哈拉哈塘地区为例（图3），走滑断裂在地震剖面上表现高角度近垂直断面，向下断至基底，在中奥陶统顶部呈花状撒开，垂向上多期活动造成的多个花状构造纵向叠置，形成“花上花”的构造样式。在中奥陶统顶部、二叠系顶部、白垩系—古近系形成3 层花状构造，在中奥陶统顶为压性正花状构造，在上奥陶统—二叠系、白垩系—古近系表现为张性负花状构造。

图1 塔里木盆地中部走滑断裂系统分布图

塔中凸起走滑断裂以北东向近平行展布，均表现为线性特征，最大延伸长度约135 km，与北西走向的塔中Ⅰ号断裂等逆冲断裂基本垂直，将逆冲断裂错开明显，表现为左行走滑特征，局部发育北东东向走滑断层（FⅠ22、FⅠ25 等）。塔中凸起共发育Ⅰ级走滑断层8 条（FⅠ18 ～FⅠ25）、Ⅱ级走滑断层21 条（FⅡ25 ～FⅡ45）。与塔北隆起走滑断裂相似，中央隆起走滑断裂向下垂直插入基底，向上在中奥陶统顶部、上奥陶统—泥盆系两层花状撒开，在中奥陶统顶部表现为压性正花状，上奥陶统—泥盆系为张性负花状特征（图4）。

图2 塔北地区奥陶系石灰岩顶面相干平面图

图3 塔北隆起哈拉哈塘地区走滑断裂地震剖面图

图4 塔中凸起走滑断裂地震剖面图

北部坳陷阿满过渡带主要发育贯通塔北隆起—中央隆起的FⅠ5 断裂和以FⅠ10、FⅠ17 为代表的一组北东向断裂（图1）。其中，FⅠ5 断裂从塔北隆起的北北西走向经北部坳陷中部的近南北走向到塔中凸起转变为北北东走向[9-11]，整体呈弓形；FⅠ5、FⅠ10、FⅠ17 断裂在地震剖面上向下断至基底，向上在中奥陶统顶部发育压性正花状构造、在上奥陶统—二叠系为张性负花状特征（图5）。

3 走滑断裂形成机制

3.1 走滑断裂形成时期

图5 阿满过渡带走滑断裂的地震剖面图

前人研究认为，台盆区走滑断裂的主要形成期为加里东中期（加里东中期Ⅲ幕），后期走滑断裂在此基础上继承性发育[5-15]。针对走滑断裂的活动特点，根据地震剖面上断裂断开的地质层位，同时按照不同期次活动形成的“正花状、负花状”等构造样式所代表的压性或张性的力学特点来判断走滑断裂的活动期次。塔北隆起、阿满过渡带、塔中凸起走滑断裂第一期花状构造均发育在中奥陶统顶部（图3～5），且在中奥陶统顶部造成的变形作用最强，其上部构造层断裂构造样式发生了明显变化，由压性“正花状”转变为张性“负花状”特征。分析认为，塔北隆起—塔中凸起走滑断裂形成时期为中奥陶世末期（加里东中期Ⅰ幕），与前人认识有所差异。走滑断裂在后期又经历了不同应力状态下的继承性发育，造成了断裂在中奥陶统以上构造层的差异性活动。

另外，根据塔中凸起的TZ2、塔北隆起的QG1、RP4-3等多口井碳酸盐岩断层破碎带原位方解石U-Pb同位素定年测定年龄约为距今460 Ma，同上奥陶统底部地质年龄基本一致。综合分析认为，塔里木盆地中部寒武系—奥陶系走滑断裂的形成期为中奥陶世末期。

3.2 先存构造及区域应力场特征

塔里木地块与古亚洲构造体系、特提斯构造体系的对接致使塔里木地块与周缘造山带处于统一区域动力学背景下，塔里木地块具有刚性特征，板块边缘的聚敛或离散作用是克拉通内部构造应力的来源[17-20]。中奥陶世，古昆仑洋开始俯冲消减，西昆仑地体与塔里木地块进入碰撞拼贴阶段，塔里木南部被动大陆边缘转向活动大陆边缘[19-23]，塔里木板块进入区域挤压阶段，盆地内部以来自西南缘的北东向挤压应力为主。在该应力作用下，塔里木地块中部及西南部基底古隆起发育区开始挠曲隆升，盆地中部地区发生强烈北东向冲断作用，塔中古隆起整体抬升，形成北西向大型断隆[24-26]。受西南板缘远程挤压应力影响，盆地北部地区形成近东西向水下低隆，从塔北隆起奥陶系一间房组沉积厚度整体变化不大的特征上来看，该时期盆地北部地区构造整体较为平缓，塔北古隆起幅度不大[25-26]（图6）。

图6 塔里木盆地上奥陶统沉积前古构造图

图7 塔里木盆地中奥陶世末期构造主应力迹线平面图

中奥陶世末，塔里木板块东南部与柴达木地块发生碰撞，导致南阿尔金洋盆最终闭合，陆—陆碰撞造山作用强烈[17-18,27-30]，形成了盆内来自东南缘的北西向强挤压应力。同时西南缘古昆仑洋开始闭合[19-24]，西南缘的挤压应力不断增强。此时板块北部受南天山洋洋壳的抵制作用形成由北向南的反作用力，但应力相对较弱。板缘活动产生的应力传递到盆地内部主要以水平应力为主，即最大主应力（σ1）方向为水平方向，该时期盆内形成了来自西南缘、东南缘强挤压及北部弱挤压的“三面挤压、南强北弱”构造应力特征。在盆地北部地区最大主应力为近南北向，盆地东南部地区为近北西向，盆地西南部为近北东向，盆地中部形成近南北走向的应力平衡面（图7）。

3.3 走滑断裂的成因

中奥陶世末期的先存构造和区域构造应力特征共同决定了塔里木盆地走滑断裂的发育特征及其内部的差异性。塔北隆起构造平缓，整体发育大台地沉积背景下均质性较好的碳酸盐岩脆性地层，在近南北向水平弱挤压应力场（图7）作用下发育“X”形共轭走滑断裂体系，该断裂体系属于弱挤压纯剪切的变形机制[3,14]，其特征为非旋转应变，发生共轭剪切对称破裂，对称破裂所夹锐角约为40°（图8-a）。根据安德森经典共轭走滑断裂模型，形成“X”形共轭走滑断裂的最大主应力方向为锐角夹角的平分线方向，即南北向，与板缘活动预测的主应力方向一致，进一步印证了构造应力分析的准确性。

该时期塔中北西向古隆起及逆冲断裂已经形成，在北北西向强挤压应力场（图7）作用下首先沿北西走向逆冲断裂面薄弱带形成走滑分量，通过应力分解可知另一应力分量的方向为与薄弱带走滑分量相垂直的北东方向（图8-b），北东向的剪切分量形成了垂直于塔中古隆起的北东向走滑断裂体系，切割先存逆冲断裂和古隆起。受主应力由东南向西北具有减小趋势的影响，塔中凸起走滑断裂体系整体表现为“东强西弱、南强北弱”的发育特征，同时造成了部分原有北西向逆冲断裂的活化。

图8 走滑断裂形成机制模式图

盆地西南缘的北东向和东南缘的北西向强挤压应力使得在北部坳陷及其以南地区东侧最大主应力方向为北西向，西侧的最大主应力方向为北东向（图7），在中间形成了近南北走向的应力平衡面。应力平衡面两侧的地块运动差异造就FⅠ5断裂（图1）的发育，分解了东、西两侧地块运动的相对位移。该断裂在南部调节东、西两侧地块运动的差异，向北随着应力减弱逐渐转换为塔北隆起“X”形断裂体系中的一条北北西向断裂。由于FⅠ5 断裂以西缺乏三维地震资料，利用二维地震资料解释的断层可靠性相对较差，因此该断裂以西在断裂纲要图中走滑断裂较少。

“三面挤压、北弱南强”的动力学特点决定了该时期台盆区地块整体表现为“南北缩减、东西扩张”的变形特征。在近南北向挤压下，塔北隆起的“X”形断裂体系北北东向断裂表现为左行特征，北北西向断裂表现为右行特征，塔北地块整体表现为非旋转向南推进的运动特点，“X”形断裂相互之间的错动距离相对较小。同时挤压应力造成的“东西扩张”运动趋势促进了北东走向的斜向转换断裂（FⅠ10、FⅠ17等断裂）的发育，成为塔北隆起走滑断裂向南逐渐消亡的边界限制断层，控制了塔北隆起走滑断裂的发育范围。这些断裂的斜向走滑有效地分解了南北向的地层缩减，同时造成转换断裂间的地块向两侧相对移动，为北部地层的非旋转楔入提供了容余空间。FⅠ5断裂及FⅠ17 断裂的左行造就了塔中地块的顺时针旋转，该时期台盆区FⅠ5 断裂东侧整体展现为“北部非旋转楔入、中部侧向移动让开，南部旋转推进”的运动学特征（图9）。这样的运动特征使得FⅠ5、FⅠ10、FⅠ17 断裂成为地块旋转运动的滑动面，形成了北部、中部、南部地块相对旋转运动的边界。

巴楚凸起及北部坳陷FⅠ5 断裂以西地区目前的三维地震资料相对较少，根据其北西走向古隆起和该时期北东向强挤压应力作用推测应发育类似FⅠ5 断裂东部的北东向走滑断裂及北西走向的转换断层（图9 中虚线表示的预测断裂），FⅠ5 断裂东、西两侧的转换断层呈现镜像对称关系。

综上研究表明，根据几何学、动力学、运动学差异，台盆区走滑断裂系统整体可划分为4 个体系：塔北隆起纯剪断裂体系、塔中凸起左行断裂体系、巴楚凸起右行断裂体系和阿满过渡带转换断裂体系。其中塔北隆起纯剪断裂体系以“X”形对称发育、呈北宽南窄的楔形向南非旋转楔入为特点；阿满过渡带转换断裂体系以FⅠ5 断裂东侧北东向断裂（FⅠ10、FⅠ17 断裂）和其西侧预测可能存在的北西向转换断层对称发育为特征，以向两侧旋转散开运动为主，分解南北向的地层缩减；塔中凸起左行断裂体系的特点是整体地块右旋，块内北东向走滑断裂左行；巴楚凸起右行断裂体系与塔中凸起左行断裂体系对称发育，表现为整体地块左旋，块内走滑断裂右行的特征。

图9 塔里木盆地中部走滑断裂及小地块运动特征示意图

4 结论

1）塔里木盆地台盆区走滑断裂的形成时期为中奥陶世末期，是在“三面挤压、南强北弱”的区域构造应力场及先存构造共同控制下形成的统一大型走滑断裂系统，奠定了走滑断裂的整体格局及后期继承性发育的基础。

2）从台盆区走滑断裂的整体格局来看，FⅠ5 断裂最为重要，调节了东西两侧地块的运动差异，是台盆区东部与西部走滑断裂体系的分界线，FⅠ10、FⅠ17 等转换断裂分解南北向地层缩减，形成了塔北隆起走滑断裂体系的南边界和东南部断裂体系的北边界，控制塔北隆起走滑断裂向南的发育范围。

3）台盆区走滑断裂系统整体划分为塔北隆起纯剪断裂体系、塔中凸起左行断裂体系、巴楚凸起右行断裂体系和阿满过渡带转换断裂体系4 个体系。

4）作为微地块运动的边界，FⅠ5、FⅠ10、FⅠ17等断裂活动强度大，断裂两侧相对滑动距离大，对储层改造及油气疏导作用强，是目前断控区最有利的勘探目标。预测FⅠ5 断裂西侧也应发育与FⅠ10 断裂对称的转换断层，巴楚凸起、塔中凸起西部应发育北东向走滑断裂，是下一步油气勘探值得关注的对象。

5）FⅠ10、FⅠ17 转换断裂的斜向走滑有效释放了南北向的挤压应力，同时其所控制的小块体整体移动可能造成其内部走滑断裂发育相对较弱，影响该区的储层发育和油气富集，在该区的油气勘探部署中需要注意。