塔里木盆地塘古孜巴斯坳陷西部中加里東期斷裂特征及形成機制

李浩武，王建君，鄔光輝, ，史玲玲，汪斌，胡湘瑜，高力

(1. 中國石油勘探開發研究院，北京，100083；2. 中山大學 海洋學院，廣東 廣州 510275；3. 中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒，841000)

1 區域地質概況

1.1 構造概況

塘古孜巴斯拗陷(簡稱塘古拗陷)位于塔里木盆地的西南部(圖1)，塔中隆起以南[1-2]，由瑪東沖斷帶、塘北次凹、塘南臺地、塘南次凹、塘南凸起等次級構造單元構成。塔里木盆地被北部的天山造山帶、西南部的西昆侖造山帶、東南部的阿爾金造山帶所圍限，在不同的地質歷史時期，塔里木地塊和周緣造山帶相互作用、互為響應，構成了現今復雜的盆-山體系[3-5]。

塘古拗陷內發育一系列凸向北西方向的弧形裂，根據斷裂的性質又可分為瑪東薄皮滑脫斷裂系統和塘南基底卷入斷裂系統?，敄|沖斷帶為一寬闊的北東向蓋層滑脫型褶皺沖斷帶，其由5 排近于平行的構造帶組成，沖斷層向下延伸收斂于中寒武統的膏鹽層，向上延伸止于志留系下統柯坪塔格組((S1k))或石炭系的底面。塘南基底卷入斷裂系統主要發育于塘南臺地內，斷裂總體上向北部凸起，斷距較小，平面延伸距離短，在剖面上大多具有斷至基底的特征。

1.2 沉積地層

塘古拗陷西部寒武系-上奧陶統下部(∈1-O3l)地層發育齊全。寒武紀初期發生第一次大規模海侵，下寒武統以白云巖和泥質白云巖為主，中寒武世海水范圍進一步退縮，塘古拗陷總體處于局限-蒸發臺地環境，以膏鹽沉積為主，構成了盆地內重要的滑脫層(∈2)。晚寒武世海水又一次入侵，其規模不斷加大，區內海水也逐漸加深，又演化為寬廣的局限臺地環境，此格局一直持續到早奧陶紀晚期，上寒武統至下奧陶統蓬萊壩組(∈3- O1p)以厚層含硅白云巖和白云巖為主，含少量灰巖夾層。

在早奧陶世晚期和中奧陶世，塘古拗陷西南部由于受和田河古隆起的影響而演變為臺地邊緣相[2,6]，鷹山組(O1-2y)沉積了一套砂屑灰巖。受中加里東期構造運動的影響，塔里木板塊與周緣地塊之間的運動方式由離散轉變為相互聚斂，晚奧陶世早期發育碳酸鹽巖(良里塔格組，O3l)，塘南地區屬于臺地相，邊緣發育臺緣礁灘相帶[2,6-7]。

奧陶系中晚期桑塔木組(O3s)沉積時，出現了大規模的海侵，形成了盆地范圍的深海環境，以發育深水濁積體系、深水陸棚及混積淺海-半深海體系為特征[8]，以海相碎屑巖沉積為主，桑塔木組除沖斷帶頂部局部缺失外，全區都有分布。

圖1 所示為塘古孜巴斯拗陷構造特征及區帶劃分圖。奧陶紀末期盆地遭受到強烈的擠壓和隆升，盆地迅速變淺，遭受強烈剝蝕，形成了奧陶紀末期廣泛分布的角度-微角度不整合，界面下伏地層遭受了強烈的擠壓變形，隨后進入志留紀周緣或弧后前陸盆地發育階段[8,19]。塘古拗陷西部目前僅殘存志留系下統柯坪塔格組，其主要分布于瑪東沖斷帶中北部地區，向南缺失尖滅，塘南臺地也基本全部缺失(圖1)，全區缺失志留系中上統至泥盆系下統地層。

圖1 塘古孜巴斯拗陷構造特征及區帶劃分圖Fig.1 Structure features of Tangguzibasi sag

石炭-二疊紀期間塘古拗陷西部發育海進-海退旋回，地層全區連續分布；中生代時區域隆升，未接受沉積，全區缺失侏羅-白堊系；古近紀初期，古特提斯海第3 次進入喀什-葉城拗陷，向東逐漸發生海侵，至漸新世，海水迅速退出，之后沉積轉變為陸相碎屑巖。新生界地層分布范圍廣，在本區連續分布。

2 斷裂特征與形成時間

2.1 瑪東沖斷帶

圖2 所示為瑪東至塘南地震剖面構造-地層解釋(位置見圖1 中A-A')。在過瑪東和塘南的剖面上(圖2)，可以看出，瑪東沖斷帶沖斷層由北西向南東依次變陡，斷層都在中寒武統膏鹽層中發生滑脫作用。鹽上、鹽下地層變形明顯不協調，以中寒武統膏鹽層為界，形成了鹽上和鹽下兩套變形系統。由于斷層的滑脫作用，奧陶系-上寒武統地層被高角度沖起，在斷裂帶的很多部位，上奧陶統桑塔木組地層已完全缺失，下奧陶統碳酸鹽巖直接角度不整合接觸于志留系或石炭系地層。由于中寒武統膏巖層的流動變形，在局部形成明顯的聚集增厚現象(圖2)。

圖3 所示為瑪東沖斷帶聯合剖面及其局部放大特征。沖斷帶由南至北，在典型的地震剖面中，前3 排沖斷層形成的局部洼陷內，桑塔木組具有明顯的上超沉積特征(圖3)。在JM98-640 剖面中，第①排和第②排斷層之間的小洼陷內，從底部開始與下伏地層(∈3-O3l)的上超關系就非常明顯，而下伏地層內部波組平行穩定，局部小洼陷是斷層沖斷作用的產物，沖斷作用發生于桑塔木組沉積之前。同樣，在HT00- 614和HT00-570 剖面上，第①排斷層和第②排斷層之間夾持的小洼陷，桑塔木組也表現出明顯的上超特征；在HT00-602 和HT00-598 剖面上，由第②排和第③排斷層夾持的小洼陷內，桑塔木組同樣具有明顯的上超特征。

因此可以判斷，前3 排沖斷層形成于桑塔木組沉積之前。受沖斷作用的影響，在兩條斷層之間形成局部的微型凹陷，之后海平面上升，微型凹陷淹沒于水下，桑塔木組開始沉積，沖斷帶大部分出露遭受剝蝕，可能并未接受沉積。而第④和第⑤排構造卻沒有表現出桑塔木組上超的特征，且斷層向上延伸至志留系(或石炭系)底部，可知第④排和第⑤排斷層形成于奧陶紀末至志留紀初。根據志留系西北厚、東南薄的特征，即第④排斷層要早于第⑤排斷層先結束沖斷活動，故接受志留系沉積的時間也要早一些。

2.2 塘南地區

從圖2 可以看出：塘南地區斷裂基本上都切穿寒武系，直達基底。寒武-奧陶系內部各套地震同相軸表現出基本相同的變形特征，鹽層上下構造協調一致，斷裂一般都較為高陡。

圖4 所示為過塘南1 井地震剖面，顯示斷層切入基底(位置見圖1 中B-B')。過塘南1 井的地震剖面MZ08-632(圖4)，也表現出與圖2 類似的特征，寒武-奧陶系變形特征協調一致，波組呈連續平行狀，斷裂切至基底，在東南方向出現了花狀結構特征，說明在此部位，斷裂具有一定的走滑分量。由于塘南地區缺失志留系和泥盆系地層，石炭系地層直接不整合與奧陶系之上，而斷裂向上延伸至石炭系底部。

從圖2 和4 可以看出：塘南地區的斷裂桑塔木組地層變形較為嚴重，且變形形態基本與下伏地層一致，共同經受了后期構造作用，說明斷裂作用發生在桑塔木組沉積之后。而本區缺失志留系和泥盆系，石炭系直接角度不整合覆蓋于桑塔木組之上，根據阿爾金主斷裂的活動時間推定，塘南地區斷裂形成對應的時間為奧陶紀末至志留紀初。

圖2 瑪東至塘南地震剖面構造-地層解釋Fig.2 Geological interpretation of seismic profile from Madong to Tangnan

圖3 瑪東沖斷帶聯合剖面及其局部放大特征Fig.3 Seismic profiles cross Madong thrust belt and their local magnified features

2.3 瑪東沖斷帶南部活化

以瑪東1 井南部北西-南東向斷層為界(圖1)，從橫穿構造帶的多條地震剖面上來看，北部斷層在形成之后基本停止活動(圖2)，而南部斷層在晚海西期明顯發生活化現象，斷層雖然未明顯錯斷石炭-二疊系地層，但在其中形成了一系列背形構造。這種活化作用影響范圍較大，從瑪東1 井南部至玉北1 井附近，五排斷層都在不同程度上發生了活化，尤其以前3 排最為明顯，圖5 所示為過瑪東沖斷帶南部剖面。

圖4 過塘南1 井地震剖面Fig.4 Seismic profile of Tangnan 1 well

圖5 過瑪東沖斷帶南部剖面Fig.5 Seismic profile cross the south part of Madong thrust belt

3 塘古拗陷斷裂形成動力學機制

3.1 阿爾金斷裂基本特征

圖6 所示為阿爾金斷裂基本特征及塔里木盆地主要斷裂展布(據崔軍文[9]、任建業[1]、李海兵[14]、劉興旺[15]等資料綜合編繪)。阿爾金斷裂位于青藏高原北側，分割塔里木盆地和柴達木盆地。西南起自郭扎錯，往北東，經庫牙克、茫崖、當今山口，至酒泉西，轉換為NWW 走向的北祁連逆沖斷裂系，呈向北凸出的弧形；往南西延伸，轉換為西昆侖NWW 向逆沖斷裂系[9](圖6)，延伸長度逾1 500 km[10-11]，斷裂傾角較陡，多在70°以上。沿斷裂有元古代及華力西期蛇綠巖分布[12]。阿爾金斷裂并非完全平直的巨型走滑斷裂，而具有線性與弧形相疊加的幾何學特征，沿阿爾金斷裂可識別出10 個與階狀線形段相伴的弧形段，自南西往北東依次為：阿斯騰塔格段、阿克塔格段、托庫孜達板段、庫木布彥山段、阿卡騰能山段、青新界山段、阿爾金山段、野馬山段、鷹嘴山段和寬灘山段[9](圖6)，線形段常被錯斷成階狀，斷續延伸或彼此重疊，并以右階狀排列為主。

圖6 阿爾金斷裂基本特征及塔里木盆地主要斷裂展布(據崔軍文[9]、任建業[1]、李海兵[14]、劉興旺[15]等資料綜合編繪)Fig.6 Geometric features of Altun fault and major faults of Tarim Basin

阿爾金斷裂是一條同時具有逆沖、左行走滑和正滑復雜力學性質的巨型斷裂系[9]。其在印度-歐亞板塊匯聚的大陸構造背景下具有多次脈沖式活動的特征[9,13-16]。阿爾金斷裂形成及其后期活動對塔里木盆地南部構造、沉積和油氣成藏產生了深遠的影響[1,15,17-20]。

3.2 加里東中期斷裂形成機制

中奧陶世末是塔里木盆地構造背景由伸展體制轉化為擠壓環境的重要轉折期[21-22]，除了塔北、塔西南等古隆起外，形成了巨型的中央古隆起-斜坡帶[22]。此時北祁連洋閉合，阿爾金地塊與塔里木地塊發生拼貼碰撞，卷入碰撞造山作用。張建新等[23]在阿爾金斷裂西段吐拉一帶的孔茲巖系樣品中獲得了447～462 Ma 的變質鋯石U-Pb 和Pb-Pb 年齡，并解釋為變質年齡；Jolivet 等[24]在新疆米蘭南部的阿爾金山北緣斷裂帶花崗巖樣品中獲得了441 Ma 的錯石U-Pb 年齡和383 Ma 的白云母40Ar/39Ar 年齡；劉永江等[13]對阿爾金山阿克塞和當金山地區出露的元古代、早古生代變質巖樣品中云母、角閃石和鉀長石單礦物的40Ar/39Ar同位素測年研究，遠離阿爾金中部剪切帶的樣品給出461～445.2 和414～342.8 Ma 的坪年齡，這2 組年齡分別代表了被阿爾金斷裂錯移的巖塊在晚奧陶世-早志留世和泥盆紀發生構造熱事件的記錄，應同南北祁連洋槽的閉合相關[13]。張建新等[23,25]對中阿爾金地塊的阿爾金巖群和南阿爾金俯沖碰撞帶中變質巖年代學測定，表明該區早古生代早期(485～505 Ma) 發生深俯沖和碰撞作用。南阿爾金西段存在中低壓麻粒巖相的變泥質巖(具有典型孔茲巖特征) 和基性麻粒巖，年齡在440～468 Ma 之間，表明阿爾金和中南阿爾金地塊明顯卷入到早古生代的碰撞造山作用。

圖7 所示為南部過瑪東和塘南的剖面(位置見圖1:C-C')。這些構造事件與塔里木盆地該時期南部及東南部的不整合特征相響應，部分地制約了塔里木地塊的構造演化[17]。由于阿爾金地塊與塔里木地塊的拼貼碰撞，在滿加爾-塘古孜巴斯一帶形成了北東向展布的周緣前陸盆地[26]，沉積物組構發生重大轉變，塘古拗陷西部由上奧陶統下部的良里塔格組臺地相，轉變為上部桑塔木組的碎屑巖。在阿爾金地塊上，近東西向、由南向北逆沖的南阿爾金斷裂在中奧陶世-志留紀的強烈活動，應與塔里木盆地內塘古孜巴斯拗陷西南北東向展布的斷裂發育處于同一時期，受同一區域構造應力場的作用，瑪東和塘南斷裂的形成都屬于對阿爾金地塊與塔里木地塊拼接的響應(圖6)。塘南基底卷入型斷裂屬于塘古弧后前陸盆地山前逆沖斷裂系統，而瑪東沖斷帶屬于前陸盆地的反沖斷裂系統，兩者對接之處為逆沖三角帶(圖2，4 和7)。

圖7 南部過瑪東和塘南的剖面(位置見圖1:C-C')Fig.7 Seismic profile cross south part of Madong and Tangnan area

3.3 瑪東沖斷帶南部斷裂的活化機制

原型盆地分析認為[17]：晚二疊世-三疊紀，古特提斯洋向中昆侖地體(這時為塔里木地塊的西南緣)下的俯沖達到高潮，最終導致南側的甜水海地體(羌塘板塊)與塔里木地塊發生碰撞。在塔西南地區晚二疊世杜瓦組上千米厚的陸相磨拉石建造的出現，標志著自(晚泥盆世)石炭紀-早二疊世發育起來的寬闊被動大陸邊緣及中二疊世的弧后伸展盆地遭受改造，晚二疊世形成了弧后前陸盆地。三疊紀時期，盆地西部與東部的大部分地區遭受剝蝕。晚三疊世，隨著南側碰撞事件的發生，擠壓作用達到高潮，盆地表現出強烈的隆升與剝蝕[6,27]。

同位素年代地質學提供了更加確鑿的證據。張傳林等[28]采用SHRIMP 鋯石 U-Pb 法定年測得的該構造帶東段眼球狀英云閃長巖的變質年齡為240 Ma；許志琴等[29]通過對康西瓦構造帶東段孔茲巖進行SHRIMP 鋯石 U-Pb 定年，認為鋯石206Pb/238U 年齡加權平均值在 245～256 Ma 之間的鋯石為變質或深熔成因，代表一次重要的變質事件；劉函等[30]通過對西昆侖造山帶及鄰區碎屑鋯石裂變徑跡定年的研究，也發現西昆侖地區曾在 235～267 Ma 之間發生過強烈的擠壓隆升作用，與古特提斯洋的俯沖碰撞關系密切；康磊等[31]測得康西瓦構造帶西段含石榴子石二云斜長片麻巖的變質年齡為(242.7±2.3) Ma，表明中三疊世早期西昆侖造山帶還處于古特提斯碰撞階段。

根據瑪東沖斷帶剖面變形特征(圖4)，斷裂帶附近上二疊統中部之下地震波組變形協調一致，而上二疊統中部以上地層變形幅度要小于下部地層，上二疊統上部地層在構造頂部遭受剝蝕，判斷瑪東沖斷帶南部斷裂的活化時期為二疊系沉積之后。同時，從剖面上可觀察出，自南向北，斷裂活化形成的圈閉幅度呈逐漸減小趨勢，至瑪東1 井以北，活化現象消失，從側面反映了斷層活化的力源可能來自于西南部?，敄|沖斷帶南部斷層活化與西昆侖碰撞造山的時代和力源方向相一致，推測其屬于古特提斯洋向中昆侖地體俯沖的產物。

4 不同構造樣式的成因

4.1 滑脫層厚度與構造樣式

塘古拗陷周緣中寒武統膏鹽層發育[32]，現今鉆遇中寒武統膏鹽層的井大多位于巴楚隆起和塔中隆起，膏巖層厚度介于140～490 m 之間[33]。塘古拗陷雖無井鉆至寒武系，但通過地震反射特征已實現了中寒武統膏鹽層的全區追蹤，基本明確了塘古拗陷中寒武統膏鹽層的展布范圍。

含鹽層系是疊合盆地最重要的滑脫層系，前人的研究表明，滑脫層的形成是由巖性、厚度及巖石強度決定[34]。在多期變形過程中，鹽巖層系厚度變化往往控制變形樣式和變形的傳遞[35]。在收縮帶內，滑脫褶皺發育在流動物質的總量經由重新分配作用能充填演化褶皺核的部位；而沖斷層則發育在流動物質不足以維持滑脫褶皺生長的地方[35]。在滑脫層厚度大的部位，更容易產生滑脫褶皺，而在滑脫層厚度小的部位，更容易產生沖斷層，切穿滑脫層[36-39]。從圖2 和5 可以看出：中寒武統膏鹽層厚度從瑪東向塘南呈逐漸減薄趨勢，瑪東地區中寒武統膏鹽層厚度大，因此更容易產生斷層滑脫；在塘南地區，中寒武統膏鹽層厚度小，因此也就影響了其流動形成鹽構造的能力，斷裂大多都切至基底。

圖8 加里東中期瑪東-塘南構造帶形成與阿爾金斷裂關系模式圖(據王宜昌[43]、何碧竹[44]、李海兵[45]等資料綜合編繪)Fig.8 The formation model of Tangnan and Madong thrust, Middle Caledonian

4.2 構造部位與構造樣式

前陸盆地系統中，在有膏鹽滑脫層發育的情況下，越靠近山前帶，越容易發育基底卷入型構造，而滑脫型構造往往發育在距山前帶較遠的位置，此特點在多個盆地的剖面和構造模擬實驗中都有所反映[34,36,39-42]。塘古拗陷內的斷裂形成主要受由南向北逆沖的南阿爾金斷裂在中奧陶世-志留紀的強烈活動控制，塘南地區更靠近阿爾金沖斷帶，因此也就更容易產生基底卷入型構造。而瑪東地區距離沖斷造山帶較遠，因而產生基底卷入構造的幾率相對來說較小。

4.3 不同基底類型導致構造樣式的差異

圖8 所示為加里東中期瑪東-塘南構造帶形成與阿爾金斷裂關系模式圖(據王宜昌[43]、何碧竹[44]、李海兵[45]等資料綜合編繪)。在塘古坳陷的不同位置，基底類型有所差異。從塔里木盆地航磁異常圖(圖8)上可明顯看出，塘南臺地與瑪4 井-葉城一帶存在明顯的航磁異常高，而塔中4 井-塘北2-瑪東1 井-玉北1 井-勝和2 井直至葉城西側屬于航磁低值區。根據王宜昌等[43]的研究，本區航磁異常高位于元古代塔克拉瑪干古裂谷分布區，裂谷中心巖漿上涌，火成巖十分發育，屬于元古界火成巖結晶基底發育區，表現出明顯的強磁異常。

在早奧陶世塔里木板塊與南昆侖板塊碰撞、中奧陶世至泥盆紀阿爾金斷裂強烈活動時，南東方向的擠壓應力向北西方向逐漸傳遞，由于塘南地區和瑪4井-葉城一帶屬于剛性的火成巖結晶基底，在同樣大小的應力作用下，相比軟弱基底，發生變形和破裂的難度大。而瑪東一帶屬于被2 塊剛性基底的夾持區，基底較為軟弱，當應力傳遞至瑪扎塔格-葉城一帶剛性區時，會發生向南東方向傳遞的反作用力，首先在瑪東地區產生反沖構造，隨著構造擠壓應力的進一步增強，塘南剛性基底區產生高角度基底卷入型斷裂。而瑪4 井-葉城一帶由于距主造山帶距離遠，受來自東南方向的擠壓應力影響小，同時基底堅硬，抗壓能力強，因此在中-晚加里東期未發生明顯的構造變形作用。從基底類型、應力場的作用方式判斷，瑪東地區斷裂的產生時間要比塘南地區早一些，瑪東地區在晚奧陶世就已經發生沖斷變形，而塘南地區斷裂產生的時間為奧陶紀末，這與剖面的實際觀測結果一致?，敄|、塘南中寒武膏鹽滑脫層厚度、基底類型、與阿爾金造山帶之間的距離3 種差異引起的構造面貌的不同可用圖8 的模式圖概括。

5 結論

1) 塘古孜巴斯拗陷內發育有瑪東蓋層滑脫沖斷體系和塘南基底卷入沖斷體系2 種類型的沖斷體系?，敄|沖斷體系由5 條近于平行的逆沖斷裂組成，其都在中寒武統膏鹽層內發生滑脫。塘南基底卷入沖斷體系由一系列向北西方向凸起的斷裂組成，其平面延伸距離都較小，斷距也較小，基本上都切穿寒武系地層，延伸至基底。瑪東沖斷帶南部在晚海西期發生了明顯的活化作用，在石炭-二疊系地層中形成了一系列的構造圈閉。

2) 中奧陶世至志留紀時，阿爾金地塊上近東西向、由南向北逆沖的阿爾及斷裂強烈活動，瑪東和塘南斷裂的形成，就屬于其構造應力場的產物。塘南斷裂帶屬于山前逆沖斷裂系統，瑪東斷裂帶屬于反沖斷裂系統，在兩者之間對接之處，形成了逆沖三角帶。而瑪東沖斷帶南部斷層在晚海西期的活化，屬于對古特提斯洋向中昆侖地體俯沖的響應。

3) 滑脫構造的形成，與滑脫層的厚度和構造所處位置密切相關?；搶雍穸仍酱?，越容易產生滑脫構造，厚度越小，越容易產生逆沖斷層。瑪東地區中寒武統膏鹽層厚度較塘南地區大，因此也就更容易產生滑脫構造。塘南地區緊鄰造山帶，更容易形成基底卷入型的斷裂。基于此兩點原因，瑪東地區發育滑脫構造，而塘南地區發育基底卷入構造。

4) 瑪東與塘南地區由于基底類型不同，導致斷裂形成時間也有所不同。塘南地區、瑪扎塔格-葉城一帶屬于火成巖結晶基底，瑪東一帶屬于變質程度低的軟弱基底，隨著塔里木板塊與阿爾金陸塊的碰撞，擠壓應力由南東方向向北西方向傳遞，由于受到瑪扎塔格-葉城剛性基底的阻擋作用，產生了由北西向南東方向的反作用力，在晚奧陶世初形成了瑪東反沖構造帶，而剛性基底產生破裂變形的難度大，在奧陶紀末擠壓應力很大時，才發生破裂，塘南地區斷裂形成于此時期。

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