庫車褶沖帶博孜敦底辟新生代鹽構造變形期次:來自鹽動力層序的證據

趙　博, 汪　新, 馮許魁, 韓長偉, 余養里(.中石油 東方地球物理公司研究院 庫爾勒分院, 新疆 庫爾勒 8400; 2.浙江大學 地球科學學院, 浙江杭州 0027; .教育部 含油氣盆地構造研究中心, 浙江 杭州 0027)

庫車褶沖帶博孜敦底辟新生代鹽構造變形期次:來自鹽動力層序的證據

趙博1, 汪新2,3, 馮許魁1, 韓長偉1, 余養里2,3
(1.中石油 東方地球物理公司研究院 庫爾勒分院, 新疆 庫爾勒 841001; 2.浙江大學 地球科學學院, 浙江杭州 310027; 3.教育部 含油氣盆地構造研究中心, 浙江 杭州 310027)

鹽動力層序是指被動鹽底辟周緣發育的一套角度不整合地層, 是識別鹽盆地早期被動底辟的標識。庫車地區鹽構造由于被上新世區域大規模擠壓事件顯著破壞, 其古新世–中新世的早期演化過程尚存在爭議。本文首次將鹽動力層序的研究方法運用在庫車地區鹽構造研究中, 并通過對庫車褶沖帶的博孜敦鹽底辟進行野外觀察、地層恢復、地震解譯后發現, 庫車地區博孜敦鹽底辟南西翼漸新統–中新統發育一套與鹽底辟活動相關的沉積層序, 小層序之間以角度不整合為界, 但隨著遠離底辟地層之間的接觸關系很快變為整合接觸, 符合直立狀復合型鹽動力層序的模型。由此認為, 庫車地區早期被動鹽底辟發育, 鹽構造的演化變形可分為兩個期次: 早期被動底辟期(漸新世–上新世早期)與后期擠壓改造期(上新世–現今)。通過對比物理模擬結果與地震資料解譯結果認為, 庫車地區早期被動底辟作用很可能受控于始新世以來的沖積扇沉積加載作用。

鹽動力層序; 變形期次; 鹽構造; 被動底辟作用; 庫車

0　引　言

鹽動力層序(halokinetic sequence)的概念自從20世紀90年代被提出以后, 在鹽構造研究中得到了廣泛應用(Giles and Rowan, 2012)。其意義在于可以將鹽構造演化的早期歷史通過地層之間接觸關系和巖性變化較好地保存下來, 為完整地分析鹽構造演化過程提供分析依據(例如, 墨西哥 La Popa鹽盆地, Rowan et al., 2003, 2012; Andrie et al., 2012; 法國sub-Alpine褶沖帶, Graham et al., 2012; 澳大利亞Central Flinders Ranges, Kernen et al., 2012)。

庫車坳陷位于南天山南麓, 是一個疊加型的前陸盆地。新生代以來受到南天山隆升影響, 該盆地經歷了大規模擠壓縮短事件, 與伊朗的扎格羅斯地區一起, 成為世界上為數不多的擠壓型鹽構造發育地區(Letouzey et al., 1995; McQuarrie, 2004), 具有極高研究價值。然而擠壓型鹽構造的最大特征就是其早期鹽構造形態容易被區域的擠壓作用所顯著改造, 從而使其早期演化史處于一個較難研究的“空白”狀態。因此, 理清庫車地區鹽構造的變形期次及早期演化過程對于了解擠壓型鹽構造發育過程有著極其重要的地質意義。

本文通過遙感影像、野外地質觀察和地震剖面的綜合解釋對庫車地區博孜敦底辟進行了研究, 以期對庫車地區的鹽構造早期演化過程提供新的證據和認識, 并將鹽動力層序的研究方法在庫車地區進行了實際檢驗, 希望為后續擠壓型鹽構造分析起到拋磚引玉的作用。

1　鹽動力層序分析原理和技術方法

1.1鹽動力層序

鹽動力沉積層序(halokinetic sequence)是指由近地表或噴出鹽流驅動的比較整合連續的披覆褶皺式生長地層, 規模與準層序組相當。鹽動力沉積層序的頂底界面都是角度不整合, 并且隨著遠離底辟逐漸變為平行不整合最終到整合(Giles and Lawton, 2002)。鹽動力沉積層序從幾何學形態上可分為2種最基本的形態(Giles and Rowan, 2012): 鉤狀鹽動力沉積層序(hook halokinetic sequences, 圖1a)和楔狀鹽動力沉積層序(wedge halokinetic sequences, 圖1b)。兩種形態的產生是鹽底辟抬升速率、地層的沉積速率、剝蝕速率和環境等因素共同作用的結果。一般來說, 鉤狀層序說明抬升/沉積之比較大, 楔狀反之。

1.2復合型鹽動力層序

復合型鹽動力層序(composite halokinetic sequence,圖 2)是指一系列規模相當的鹽動力沉積層序堆積成的三級層序, 并以角度不整合為界。堆疊的鉤狀鹽動力沉積層序組成直立狀復合鹽動力沉積層序(圖 2a), 頂、底不整合面近似平行。披覆褶皺減薄區較窄, 披覆褶皺軸面近平行于鹽與沉積物的界面。堆疊的楔狀鹽動力沉積層序組成傾斜狀復合鹽動力沉積層序(圖2b), 頂、底不整合面不平行。披覆褶皺的減薄區較寬。披覆褶皺軸面與底辟斜交。直立復合鹽動力沉積層序在底辟抬升與沉積速率之比較大時形成, 反之形成傾斜復合鹽動力沉積層序(Giles and Rowan, 2012)。

圖1　鹽動力層序示意圖(據Giles and Rowan, 2012修改)Fig.1　Conceptional model of halokinetic sequences

圖2　復合鹽動力層序示意(據Giles and Rowan, 2012修改)Fig.2　Conceptional model of composite halokinetic sequences

1.3鹽動力層序的野外觀察與恢復方法

鹽動力層序的野外觀察以產狀變化為主要特征, 其中復合鹽動力層序之間以角度不整合為界,角度不整合兩側地層可呈背形或向形; 而單一的鹽動力層序則以產狀逐漸變化為特征, 相鄰地層之間沒有突然的產狀變化。復合鹽動力層序在野外露頭上的表現形式可以相當復雜, 如想比較正確地恢復其原始形態需要做的工作包括: (1)準確測量產狀。復合鹽動力層序以角度不整合為界, 每一套小層序內部產狀也是變化的, 因此產狀變化始終是研究和觀測的重點。(2)地層分層及沉積學特征。鹽動力層序從根本上說是鹽底辟在不同沉積環境下鹽的抬升與負載沉降相互作用的結果, 而復合的鹽動力層序的成因就是沉積間隔和剝蝕作用, 所以在野外詳細的觀察和記錄地層的沉積學變化是十分重要的。(3)合理恢復模型。在野外得到原始數據之后,還必須要做的是鹽底辟的原始形態恢復。主要目的是在于更好地分析其形成過程, 進而對區域沉積史和構造史進行分析。而要對野外復雜產狀數據進行恢復, 就需要一個完整且合理的模型, 這也是鹽動力層序研究中最復雜的一步(圖 3, Rowan et al., 2012)。

2　庫車地區鹽構造演化期次研究現狀

作為典型再生前陸盆地, 庫車褶沖帶中生代盆地原型尚存在爭議(賈承造等, 2004; 賈承造, 2009;何登發等, 2009), 但對其新生代的構造背景認識較為統一, 一般認為是疊加在古生界–中生界之上的新生代再生前陸盆地(Lu et al., 1994; 盧華復等, 1999, 2000, 2001; 汪新等, 2002; 何登發等, 2009)。庫車坳陷在新生代沉積了兩套鹽層, 其中西部為古新統至始新統庫姆格列木群(E1-2km), 而東部則為中新統吉迪克組(N1j), 之后在上新世整個庫車地區開始了區域的大規模擠壓活動, 形成了現今盆地形態(圖 4)。相比于西部而言, 東部鹽構造較不發育, 變形特征以斷層相關褶皺為主, 西部則發育大量的擠壓型鹽構造。本文研究對象為鹽構造更為發育的庫車西部地區。

圖 3　對被動鹽底辟周緣地層的原始形態恢復(以墨西哥La Popa盆地為例, 據Rowan et al., 2012)Fig.3　Restoration of original stratal geometries flanking a passive salt diapir

對于庫車西部的鹽構造變形機制, 目前有兩種主流觀點(圖5)。第一種(圖5a)包括: 湯良杰等(2003)認為鹽構造可分為鹽層及鹽上沉積期、鹽構造初動期和鹽構造定型期。胡劍風等(2004)認為可分為鹽層沉積期、鹽枕期、鹽背斜期和鹽脊期。鄔光輝等(2004)認為鹽構造演化可分為鹽層沉積期、低幅度鹽枕期、鹽背斜期、鹽底辟期和底辟刺穿期 5個連續演化階段。雖然這幾種方案存在分劃的不同, 但都認為庫車地區的鹽構造是在擠壓作用下先形成整合型的鹽背斜, 之后被改造成刺穿型的鹽底辟構造。第二種(圖 5b)觀點認為: 鹽構造在鹽層沉積后即開始在上覆層的差異負載作用下形成刺穿型鹽構造, 之后在擠壓作用下被改造成現今形態(李世琴, 2009; 汪新等, 2009, 2010; 唐鵬程, 2011; Wu et al., 2014; Zhao and Wang, 2016)。

第一種觀點從地震剖面出發, 以鹽背斜的識別為主要依據, 認為在鹽層沉積后不形成任何構造,而是在上新世大規模擠壓開始后一期形成。第二種則主要從物理模擬的角度出發, 認為庫車地區的鹽構造無法在一期形成, 鹽底辟構造早于擠壓構造,隨后在擠壓開始后被繼續改造。二者主要區別就是在上新世大規模擠壓開始之前是否存在著出露地表的被動鹽底辟。筆者認為, 根據鹽動力層序的理論,如果庫車地區早期存在著先存的被動鹽構造, 那么在鹽構造翼部的漸新統–中新統中(即鹽層沉積后,擠壓開始前的沉積地層)應該發育相應的復合鹽動力層序, 否則該鹽構造應為區域擠壓中一次形成,也即是說, 庫車地區鹽構造演化的關鍵性問題即是鹽構造周緣能否找到這套復合型的鹽動力層序。

3　庫車地區博孜敦底辟實例

3.1博孜敦鹽底辟周緣地層野外觀察與地震解譯

博孜敦鹽底辟(圖 6)位于庫車褶沖帶西段克拉蘇構造帶的西邊界, 是整個庫車褶沖帶出露地表的第二大鹽底辟構造, 面積約 8 km2。博孜敦底辟的流變鹽層為古新統–始新統的庫姆格列木群(E1-2km)膏鹽層, 是典型的蒸發巖序列。在其南西翼出露地層依次為漸新統蘇維依組(E3s), 中新統吉迪克組(N1j), 中新統康村組(N1k), 上新統庫車組(N2k)和第四系西域組(Q1x), 而北東翼被現代沖擊扇沉積覆蓋。選取博孜敦底辟作為研究對象的原因是: (1)出露面積大, 是庫車地區鹽構造的典型代表; (2)南西翼地層出露完整, 便于調查鹽構造發育的變形期次; (3)盡管博孜敦鹽底辟緊鄰南天山山根(圖 6),但呈橢圓狀, 長軸方向 NW-SE向延伸, 沒有明顯被擠壓改造現象, 便于研究其早期可能的被動鹽構造過程。

由于博孜敦鹽底辟北東翼被現代沉積所覆蓋,所以選取其南西翼的兩條路線進行詳細的野外調查以觀察其地層接觸關系(圖6), 并在此基礎上進行鹽動力層序的恢復。

兩條野外調查線路顯示(圖 6b, c), 博孜敦鹽底辟南西翼出露的地層從蘇維依組(E3s)到庫車組(N2k),變形范圍較窄, 不超過1000 m, 地層產狀高陡, 傾角多為50°～80°。在南西翼的新生界內部共發育3套角度不整合, 分別為E3s/N1j, N1j/N1k, N1k/N2k之間。

圖4　庫車地區構造帶分布及鹽層沉積范圍(a)和庫車西段博孜敦底辟ETM衛星影像(b)Fig.4　Structural belts and the depositional range of the Kuqa Depression (a) and the ETM image of the Bozidun salt diapir, western Kuqa Depression (b)

新生界內部角度不整合記錄表明, 庫車褶沖帶的鹽構造發育在鹽層沉積后就應該立即發生, 否則地層之間接觸關系應為連續沉積過程, 地層會形成整合接觸。

另外, 過博孜敦底辟的地震剖面顯示(圖 7), 博孜敦底辟兩翼的地層厚度差異明顯, 北東翼明顯大于作者野外觀察的南西翼, 但漸新統至中新統在區域范圍內均為整合接觸, 厚度變化不大, 反應了在古近系的巖鹽沉積后, 區域應力場較為平穩, 地表所記錄的角度不整合影響范圍不超過 200 m, 在地震影像上無法反映。減薄的地層記錄了物源的方向來自于北東方向。

根據鹽動力層序的定義(Giles and Lawton, 2002), 我們認為在博孜敦底辟兩翼均發育一套復合型的鹽動力層序, 并依據變形范圍(小于200 m), 復合層序內部的層序均為鉤狀的鹽動力層序。復合的鹽動力層序說明庫車地區在上新世擠壓開始前的鹽構造活動并未中斷, 而是不斷地突破到地表, 形成新的鹽動力層序, 不同的小層序之間以角度不整合接觸,但是隨著地層遠離底辟的范圍, 地層之間的接觸關系迅速轉為整合接觸, 反應了區域應力場的平靜, 與Giles and Rowan (2012)所給的模型(圖2a)吻合。

圖5　關于庫車地區鹽構造形成的兩種觀點Fig.5　Two point of views regarding the salt-related structures in the Kuqa Depression (the key factor to identify the models is the existence of halokinetic sequences flanking salt diapirs)

圖6　博孜敦底辟南西翼地層野外調查及恢復(位置見圖4b, 據Zhao and Wang, 2016修改)Fig.6　Field observations and restoration of strata in southwest of the Baozidun diapir

根據鉤狀鹽動力層序的沉積模型, 我們對野外觀察地層記錄進行了原型恢復。恢復時以野外記錄的角度不整合為界, 分隔不同的小層序組, 并根據變形范圍, 將已經剝蝕的地層補全(圖6)。恢復圖顯示, 雖然博孜敦底辟周緣的鹽動力層序很大程度上已被剝蝕(～150 m), 但鹽動力層序內部發育的角度不整合依然較完好地保留下來, 可以較好地恢復博孜敦底辟負載地層在始新世–上新世早期的形態。

圖7　過博孜敦鹽底辟三維深度地震剖面(剖面橫縱比一致)Fig.7　3-D depth-scale seismic section cutting through the Bozidun diapir

3.2博孜敦底辟的早期演化過程

物理模擬實驗顯示, 被動鹽底辟的發育需要兩個重要條件: (1)鹽上地層的重力差異負載提供驅動力; (2)鹽下斜坡提供阻力(圖8, Ge et al., 1997)。其中, 鹽上地層的差異負載作用可單獨驅動鹽流, 是底辟形成的必要條件。而基底斜坡可起到控制底辟位置和促進底辟形成的作用(Ge et al., 1997; Wu et al., 2015)。相應地, 其動力學過程同樣分為兩部分: (1)鹽層沉積后, 負載地層從近端呈楔狀向前進積,造成了鹽上重力的不均勻分布, 鹽層在差異重力的驅動下向遠離沉積楔根部的方向(即物源方向)流動,近物源端的鹽層減薄, 而向遠離物源方向形成鹽層加厚, 為可能的鹽構造提供充足的鹽源; (2)基底斜坡處(鹽下先存構造等)使得巖鹽底部產生阻力突變,流動的巖鹽上隆, 造成沉積空間變小, 在鹽層的上涌和剝蝕作用的共同作用下, 鹽層突破地表, 形成底辟構造。

博孜敦底辟兩翼的沉積厚度差揭示了其早期可能受到南天山物源的沉積楔進積作用, 該進積楔會對古近系鹽層上表面產生差異負載作用, 驅動鹽流向遠離沉積楔根部(即沉積較厚的位置)流動, 為上覆層提供沉積空間; 而在博孜敦底辟位置處發育的鹽下基底斜坡會對該鹽流形成阻力, 使鹽流發生阻力突變而向上聚積, 上隆的鹽層占據了一定的負載沉積空間并形成鹽底辟構造。每一次大的鹽層突破至地表形成底辟會將其周緣地層向上彎褶, 被下一次的沉積物所覆蓋, 而這一次的底辟事件就會被一組鹽上負載內部的角度不整合所記錄下來, 也即是鹽動力層序(圖9a, b), 與Ge et al. (1997)所展示的物理模型過程相吻合。

圖8　沉積楔驅動鹽流形成被動鹽構造的物理模型Fig.8　Physical modeling of the dynamics of passive diapirism driven by progradation

由于博孜敦底辟的走向與上新世的擠壓方向近平行, 其早期形態得以部分地保留, 只是底辟的幅度有所減小, 縮短量主要被鹽下基底所吸收, 形成基底抬升。鹽層則被動上涌, 使得博孜敦底辟南西翼的鹽上負載向上彎褶出露地表并接受剝蝕作用,形成現今地表露頭形態(圖9c)。

4　討論與結論

對于庫車地區的鹽構造變形期次的爭議主要集中在上新世擠壓開始前早期被動鹽構造是否發育的看法上。作者的研究結果顯示, 庫車地區的早期被動鹽構造發育, 主要表現為博孜敦鹽底辟周緣可以發現鹽動力層序。但是這不表明庫車現今的所有鹽相關構造均是早期鹽底辟被后期擠壓改造形成, 而是應該具體構造具體分析。如大宛齊鹽枕就是一個上新世區域擠壓作用下形成的整合型鹽背斜(唐鵬程, 2011), 其演化不存在早期被動鹽底辟過程。另外,目前鹽動力層序的研究國際上還是以地表的直接觀察為主, 而對于無法出露地表的鹽構造, 由于鹽層對地震反射有遮蔽作用, 地震剖面往往不能很好地反應周邊地層情況, 對待類似的鹽構造分析時應盡量謹慎判斷(Ratcliff et al., 1992; Rowan et al., 2003)。

圖9　博孜敦底辟演化過程Fig.9　Dynamics model for the Bozidun salt diapir

鹽構造演化的期次研究是目前國際上的學術熱點問題。對于庫車坳陷, 這一重要問題仍需要進行深入的研究。本文通過對鹽動力層序(halokinetic sequences)的研究回顧, 總結了其在野外的幾何學特征, 肯定了其作為早期被動鹽構造的標識, 介紹了一種將其恢復至原始形態的方法, 并將其首次引入到庫車地區的研究中, 我們認為:

(1) 博孜敦底辟周緣地層發育鹽動力沉積層序,表明庫車地區新生代早期被動鹽底辟構造發育, 現今鹽盆地形態是在早期鹽盆地基礎之上被擠壓改造而來, 庫車地區的新生代鹽構造變形期次由此可分為兩期, 即早期被動底辟發育(漸新世–上新世早期),后期(上新世早期–現今)被區域大規模擠壓改造。

(2) 庫車地區的早期鹽構造過程受到了兩方面因素的控制, 即南天山的物源楔狀進積過程和基底斜坡的阻擋。其中, 物源的進積驅動了鹽層的流動,而鹽下基底斜坡則決定了鹽構造發育的位置。

(3) 庫車地區的鹽構造并非全部是早期鹽構造被改造而來, 而是應該針對每個鹽構造單獨進行鹽動力層序的研究, 以了解其具體的演化過程。但總體而言, 在鹽構造周緣的漸新統–早上新統內部發育鹽動力層序的情況下, 即可認定其有早期被動底辟階段; 如地層為整合接觸, 則其不發育早期被動底辟階段。

致謝: 感謝塔里木油田研究院庫車室的大力支持。感謝中石油杭州地質研究院唐鵬程博士在野外調查中提供的幫助。同時也非常感謝南京大學尹宏偉教授和另一位匿名評審在稿件修改過程中提供的寶貴意見, 使我們的文章質量有了很大的提高。

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Evolution of Cenozoic Salt-related Structures of Bozidun Salt Diapir, Kuqa Depression: Evidence from Halokinetic Sequences

ZHAO Bo1, WANG Xin2,3, FENG Xukui1, HAN Changwei1and YU Yangli2,3
(1. Korla Branch Research Institution, BGP Inc., CNPC, Korla 841001, Xinjiang, China; 2. School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China; 3. Research Center for Structures in OIL & GAS Bearing Basins, Ministry of Education, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

Occurrence of halokinetic sequences is regarded as the mark for early passive diapirism in salt basins. The evolution of salt structures in the Kuqa Depression of the Tarim Basin has long been debated, because partly the strongly remolded of the salt structures during the regional shortening. The latest method of halokinetic sequences, field sections, high-resolution seismic data and satellite images are used to study the Bozidun salt diapir, the second largest diapir in the Kuqa Depression, and results show that angular unconformities were preserved within the Oligocene to Miocene beds southwest of the Bozidun salt diapir, and the contact facies changed quickly from disconformable to conformable with increasing distance from the diapir, forming a typical composite halokinetic sequences stack. We thus conclude that the early passive diapirism was developed in the Kuqa Depression and the dynamics of salt structures in the Kuqa Depression could be divided into two stages, (a) the passive diapirism during Oligocene to Miocene led to the formation of the salt diapirs, and (b) the Pliocene to present shortening caused by the regional compression thatreshaped all pre-existing salt diapirs.

halokinetic sequences; evolutionary stages; salt diapir; passive diapirism; Kuqa Depression

P542

A

1001-1552(2016)05-0919-009

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.002

2015-05-07; 改回日期: 2015-06-07

項目資助: 國家重大專項(2011ZX05009-001)和庫車前陸深層油氣地質理論與勘探目標評價(2014E-2101)聯合資助。

趙博(1987–), 男, 博士, 從事構造地質學研究工作。Email: zjugeozb@qq.com