克拉通盆地內斷裂走滑變形特征

黃 雷, 劉池洋, 何發岐,賈會沖,周義軍,王 朝,王建強,劉永濤,,李 鑫

(1.西北大學 含油氣盆地研究所,陜西 西安 710069;2.中國石化華北油氣分公司,河南 鄭州 450006;3.東方地球物理公司研究院 長慶分院,陜西 西安 710021)

走滑斷裂在世界范圍內廣泛發育于靠近板塊或塊體活動邊界的不同構造環境,諸如洋陸板塊轉換邊界、陸內板塊碰撞帶、連接裂谷系統中伸展斷層轉換帶以及連接沖斷帶中逆斷層的轉換帶[1-3]。發育于這些活動構造背景的大型走滑斷裂帶已得到較深入的研究,如美國的圣安德魯斯走滑斷裂帶[4]、中國的阿爾金走滑斷裂帶[5]和郯廬走滑斷裂帶[6]。基于這些典型走滑斷裂帶的研究及物理模擬研究[7-10],走滑斷層特征與演化的相關理論認識得以建立。近年來的油氣勘探中,隨著三維地震資料在斷層識別中精度的提高,一類較為隱蔽的、發育于遠離活動板塊邊界和構造薄弱帶的克拉通盆地內部穩定區的走滑斷裂被發現并引起關注[2-3,11-12]。盡管此類走滑斷層在動力學成因上也被解釋為板塊間應力傳遞影響的結果,但相比之下，其在幾何學和運動學特征方面表現出較大的特殊性,諸如走滑規模與活動強度、走滑屬性與區域應力場間的關系等方面[11-13]。目前,有關克拉通盆地內部斷裂的幾何學、運動學以及動力學特征方面的基本規律尚不清楚。

中國大陸發育華北、塔里木和揚子3大古老克拉通,克拉通之上分別長期發育3個大型的克拉通盆地,即鄂爾多斯盆地、塔里木盆地和四川盆地。3大克拉通盆地也是中國十分重要的3個大型油氣生產基地。長期以來，3大克拉通盆地內部一直被認為構造較為穩定而甚少發育斷裂[14-16]。然而,近年來，隨著油氣勘探較高精度地震勘探工作的實施和地震資料的覆蓋,發現在這些所謂的克拉通穩定地區亦發育大量的走滑性質斷層,且均具有較好的油氣控制效應[11-12,17-19]，為研究克拉通盆地內走滑斷裂這一類型構造提供了難得的實例。本文通過綜合和對比3大克拉通盆地內典型地區的走滑斷裂的發育特征,總結和討論克拉通穩定塊體內走滑斷裂的基本發育特征和可能的動力學機制。

1 鄂爾多斯盆地西南部走滑斷裂特征

鄂爾多斯盆地面積25×104km2,位處華北克拉通西部,油、氣、煤、鈾等多種礦產資源同盆共存。該盆地克拉通基底形成于約1.85 Ga的多個小型陸塊的拼合[20],之后盆地經歷從中新元古代到新生代的長期、多階段的演化-改造;受加里東、印支、燕山和喜馬拉雅多期擠壓-伸展-走滑性質構造事件的影響,盆地周緣發生逆沖擠壓等強烈構造變形,尤其是盆地西緣最為典型與強烈[21-22]。盡管盆緣構造變形相對強烈,但在盆地邊緣到盆內的廣泛區域一直保持著相對的構造穩定,一直被認為斷裂等構造變形極少發育[15]。近幾年來,隨著三維勘探地震在鄂爾多斯盆地的應用,新近發現，在盆地內部發育大量的斷層與裂縫,這與以往對該盆地內部構造的認知產生較大差異。這一發現在基礎地質和油氣勘探方面均意義重大。

已有的勘探地震綜合研究揭示,鄂爾多斯盆地內部古生界—中生界主要發育NEE向、NW向和近S—N向3組斷裂,這3組不同走向的斷層分別作為優勢斷裂發育于不同層位,體現出斷層發育的分層性特征(見圖1，2)。

近南北向斷裂主要發育在下古生界,呈多條斷層近平行帶狀展布(見圖1);其中單條斷層延伸長度不大,在延伸方向上,其走向常在NNW到NNE之間變化,使得整個斷裂帶較為破碎。剖面上,該組斷裂近直立發育,向上切穿至石炭系—二疊系底部(T9層),極少穿透上古生界煤層,發育明顯的負花狀構造,指示斷層具有走滑性質。

北西—南東向斷裂在中生界三疊系尤為發育,少部分向下切穿至奧陶系，向上延伸至近地表淺部(見圖1)。在盆地西南部地區(鎮涇地區)(見圖2),部分NW向斷層在古生界—中生界貫穿發育,延伸數十千米,組成貫穿全區的主干斷層。NW向斷裂多表現為由若干小斷層雁列式排布組成的多個斷裂帶平行展布(見圖1);在西南部地區的NW向，主干斷層平面連續性較好,雁列式排布特征不明顯,指示其發育程度相對較高。該組斷層從盆緣到盆內,斷裂帶寬度、斷裂密度具有減小的趨勢。剖面上近直立,傾角多在80°以上,垂向斷距小;發育典型的花狀構造,上下貫穿發育的主干斷層則呈現縱向至少3期花狀構造分層疊置發育的特征,3期花狀構造大體以石炭—二疊系和侏羅系兩套煤系地層為界(見圖2),指示多期走滑活動疊加的特征。從斷層側接處的構造變形判斷,該組斷裂經歷了古生代的左旋走滑活動、早中生代的右旋以及之后的左旋走滑等多期次疊合演化。

北東東—南西西向斷層主要發育在淺部地層中(見圖1,2),大多數斷裂向下收斂于延長組下部(T6c層位附近),向上切穿新生代地層。平面上，該組斷裂呈現系列由近于平行的多條斷裂而組成斷裂帶,各斷裂帶之間等間距、近平行排列形成NEE向斷裂體系。帶內單條斷裂延伸小于10 km,斷裂帶延伸數十千米。在剖面特征上,這些斷裂近直立發育,每個斷層帶內的單斷層向下收斂構成花狀構造樣式,斷層垂直斷距較小,很少明顯錯斷同相軸,隱約可見正斷性質。在斷層右階側接處發育更明顯的伸展變形,指示該組斷層具有右旋走滑性質。在野外露頭發現的NEE向斷裂,據擦痕判斷其具有右旋張扭走滑性質。

圖1 鄂爾多斯盆地內部谷峰莊地區不同深度三維地震方差切片(據文獻[23]修改)Fig.1 3D seismic time slices from various depths in the Gufengzhuang area of the Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地西南部鎮涇地區三維地震切片及典型三維地震剖面解釋Fig.2 3D seismic time slice and interpreted seismic profile in the Zhenjing area of the southwestern Ordos Basin

總之,鄂爾多斯盆內主要有NEE向、NW向和近S—N向3組走滑性質的斷層發育,其中3組走滑斷裂體系的優勢發育層位不同,表現出主要在侏羅系以上、三疊系、古生界3個層系分層發育的特征。3組斷層多為近直立斷裂,斷裂傾角多為60°～90°,垂直斷距一般小于40 m, 平面貫穿性較差，分段發育,縱向連續性弱,其中NEE向斷裂在全盆地內發育更為明顯，連續性較好,指示其活動性更為廣泛、強烈。

2 塔里木盆地塔北隆起和塔中隆起北斜坡走滑斷裂特征

塔里木盆地面積56×104km2,是中國最大的克拉通內盆地,該盆地周緣經歷了古生代以來的多期次、多方向的塊體拼合事件,塑造了克拉通盆地基礎上多期疊合發育的盆地特征,盆地周緣以大型逆沖斷裂及斷層相關褶皺形成的褶皺沖斷帶為主的構造變形[24-26]。近年來,通過油氣勘探地震，在盆地內部的塔北隆起區和塔中隆起北斜坡帶發現大量走滑斷裂[11-12,27]。這些走滑斷裂的長度從數十千米到數百千米,其中延伸最長的SB5斷層長270 km,盆內不同位置的斷層展布具有較大差異(見圖 3)。

塔北隆起上斷層主要發育以NNE向和NNW向兩組斷層組成“X”型組合樣式[12,27]。該區內，在TP39斷層以西，NNW向斷層發育為主,而該斷層在東則以NNE向斷層為主[28](見圖3)。兩組主干斷層均向下切穿寒武系底界(T90),多數次一級的斷層則主要發育在T80—T60層間[12,27,29],在中新生代,部分主斷層(如TP39 斷層)持續活動[29](見圖4)。

塔北隆起內，斷層在剖面上具有明顯的分層性,表現為深層近直立斷層，淺層雁列式斷層復合疊加,或多個花狀構造上下疊加的特征[12,30](見圖4)。例如,NNE向TP39斷層在T90與T74之間為近直立斷層段,具有左旋走滑特征;而在T50之上則為明顯雁列式正斷層段,具有右旋走滑特征[12]。SB5斷層北段在T90 與 T74之間也表現為近直立斷層,具有逆斷距、右旋走滑性質;而在T70之上的淺層則表現為雁列式斷層,具有正斷距、左旋走滑性質[12,31]。其他斷層的類似分層性質表現的也較明顯,多顯示T74和T83是重要的分層界面[32],這兩個界面也是不同巖性的界面[30,33]。該區斷層水平滑移距較小(多小于1 km),其中規模較大的SB5斷層滑移距為0.3～1.4 km[34]。

塔中隆起北斜坡與塔北隆起區不同,存在多條NNE向斷層近平行發育,以20～40 km的間距展布[12],這些斷層垂直于塔中隆起走向。斷層在西部發生走向變化,SB5斷層以西，由NNE向變為NW向。NEE向斷層主要發育在古生界,剖面上也呈現出兩部分[35-36]:深層(T74至基底)呈近直立的逆斷距單斷層或正花狀構造,淺部(T70—T60)則呈負花狀構造特征,一般向上延伸終止在桑塔木組泥巖層。在平面上,深部斷層段通常由多段組成,形成斷層的側接和疊置區,這些地區在走滑作用下相應發育拉分和隆起構造。淺部斷層段則由多條NW向小型的正斷層雁列式排布組成,構成NEE向走滑斷層的伴生斷層,而主斷層與這些淺層小斷層之間的夾角大約為45°。

塔中隆起北斜坡斷裂帶內方解石膠結物的U-Pb原位定年給出的斷裂活動年齡為大約460 Ma(中奧陶世末)[37];該區淺部雁列正斷層的斷層生長指數分析顯示，其活動起于中志留世,在晚志留世—中泥盆世持續活動[29];深部層段右階斷層處發生擠壓隆起，淺部層段雁列正斷層的右階部位也發生擠壓隆起,據此推斷，斷層可能一直以右旋走滑活動為主[31，35-36],這與塔北隆起上的斷層活動史不盡相同,說明兩個地區的斷層活動在動力學演化上存在差異性。塔中隆起北斜坡晚奧陶世發育的河道砂體被斷層錯斷700～1 800 m,指示走滑斷層的滑移量小于2 km；同時其還具有從南向北滑移量減小的趨勢[35]。

3 四川盆地川中地區走滑斷裂特征

四川盆地面積26.0×104km2,為發育在揚子克拉通之上的疊合盆地[40],處于華南板塊西部、多塊體交接部位,周緣被米倉山、龍門山、大涼山、齊岳山等諸多塊體碰撞擠壓成因的山體圍繞[40-42]。在周緣這些造山帶多期次強烈構造活動中,盆地周緣發育大規模的逆沖斷層,但在盆地中部(川中地區)相對構造穩定,被認為較少斷層發育。近年來,三維地震資料同樣揭示，在這些原以為構造穩定的地區發育大量的走滑斷層。

圖3 塔里木盆地走滑斷裂分布平面圖(據文獻[28-29,38]修改)Fig.3 Distribution of strike-slip faults in the Tarim Basin

圖4 塔里木盆地走滑斷裂地震剖面(據文獻[12,31,39]原始剖面重新解釋)Fig.4 3D seismic sections in the Tarim Basin

三維地震資料揭示,川中地區至少發育6條10～35 km寬、近平行的走滑斷裂帶[43](見圖5)。這些斷裂帶整體呈現NWW向和近EW向,每個斷裂帶內包含多條不同長度的近直立斷層,最長者延伸可達200 km。這些斷層主要發育在震旦系—下古生界,向上延伸至上二疊統龍潭組和中下三疊統嘉陵江組、雷口坡組;在東部的部分斷層向上可斷至侏羅系和地表。剖面上,這些斷層通常呈現近直立和負花狀構造樣式,平面上可發育雁列式、馬尾狀構造,可見斷層和地層的水平錯斷,這些特征一并指示了斷層的走滑性質[44-45](見圖6)。

圖5 四川盆地斷裂體系圖(據文獻[43]修改)Fig.5 Distribution of fault system of the Sichuan Basin

在垂向剖面上,斷層具有明顯的分層性,呈現出多個花狀構造上下疊置的特征(見圖6)。在嘉陵江祖和雷口坡組500～1 000 m厚的膏鹽巖中,發育諸多小尺度雁列式斷層和褶皺,平面上介于兩個平行走滑斷裂帶之間或主走滑斷裂之上,被解釋為深層走滑斷層活動在淺部形成的伴生斷層[43]。實際上，在該套膏鹽巖層之上仍發育一些花狀構造(見圖6),這也顯示了斷層發育的分層性特征,而軟弱層在分層發育中起到一定的作用。川中地區的這些走滑斷層具有較小的位移量,其垂向正斷距約為30 m[46],水平滑移距可能為110～550 m[45,47]。

從發育的地質層位判斷,這些斷層被認為主要發育在早加里東期和晚海西期[45]。管樹巍等[43]通過對發育于磨溪和高石梯走滑斷層之間的小型凹陷構造縮短量和沉降量變化的分析,也認為該區斷裂在中生代之前的主要活動時間為晚震旦世、早奧陶世至早二疊世。考慮到部分斷層斷穿盆地最上部地層甚至地表,表明新生代喜馬拉雅期這些斷層持續活動[43,48]。

4 克拉通盆地內走滑斷裂發育共性特征

上述3大克拉通盆地內典型地區的走滑斷裂，盡管發育時期不盡相同,但表現出以下諸多相似性特征。

1) 在剖面和平面上均發育較典型的走滑斷裂標志性構造,如近直立斷層、花狀構造、線性構造、馬尾狀構造組合、斷層側接部位的拉分構造和擠壓隆起等。

2) 斷層普遍具有垂直斷距和水平滑移距均較小的特征,多數延伸較短的斷層滑移距并不明顯,對于百千米級別長度的斷層，其滑移距僅幾十米到幾百米，最大也僅為1千米左右,明顯偏小于全球其他地區正常走滑斷層同等規模情況下的走滑位移量[49]。

3) 正是由于斷距較小,其隱蔽性更強,品質較好的三維地震資料才能較好地揭示這些斷層的存在；野外露頭發現，多數斷層與裂縫較為相似,亦難于識別。

4) 斷層在垂向剖面上具有明顯的分層性,深淺層可發育多個相對獨立的花狀構造,形成上下疊置的特征。

圖6 四川盆地川中地區走滑斷裂典型地震剖面(據文獻[48]原始剖面重新解釋)Fig.6 Typical 3D seismic section in the central region of the Sichuan Basin

5) 平面上具分段性,單條斷層由諸多小尺度斷層分段連接而成;在其生長規律上也展示出延伸較長的斷層由多條較短斷層分段生長、最終連接而成[50]。

6) 走滑斷層演化程度較低,較小斷距和滑移距、垂向貫穿性差導致的分層性、平面分段性明顯等均指示斷層的演化程度較低。從露頭尺度來看，小型斷層有些呈現出似斷非斷的斷-縫過渡態,與傳統走滑斷層演化規律對比[8-9],其尚未形成貫穿性、較大型走滑帶,體現其在較低應力狀態下、斷裂的較初級變形階段。

7) 與盆緣構造要素和應力特征明顯不協調,在走向及運動學性質上脫耦。其走向上多與盆緣及盆緣斷層大角度/垂直相交而非平行;盆緣斷層多為周緣普遍擠壓環境下形成的逆(沖)斷層,而盆內穩定區較少發育與之相當的逆斷層,而是發育走滑斷層(張扭性偏多)；在發育時期上兩者則可能同期。

3大克拉通盆地內走滑斷層表現出的上述特征,盡管都不同程度地呈現出走滑斷層的典型特征,但在更多方面表現出與活動塊體邊緣發育的大型走滑斷裂的不同。如小位移特征、普遍低的發育成熟度、垂向分層發育、與盆緣構造的脫耦關系等特征指示了克拉通塊體內部走滑斷層的獨特之處,也暗示了這些走滑斷裂特殊的動力學成因機制。

5 克拉通盆地內走滑斷裂形成的動力學機制與發育模式探討

目前研究認為,克拉通盆地內走滑斷層發育的動力仍來源于板塊間的應力傳遞[3,11]。但這些盆內斷層與盆緣構造在方向與運動學性質上完全脫耦的現象表明,其形成的動力學是很難用簡單的應力傳遞所能解釋的;盆內走滑斷裂的形成基本對應盆緣的多期次擠壓變形事件,指示盆緣與盆內具有同應力源，但表現出完全不同的變形體系。對其動力學過程的理解需充分考慮以上矛盾的現象。

綜合考慮斷裂發育的基本特征與區域應力場演化的時序關系,提出該類斷裂的如下動力學發生過程(見圖7):盆地周緣區域在擠壓應力下,在盆緣產生垂直于最大擠壓應力方向的逆沖斷層等擠壓變形,而盆內相對處于穩定塊體內部,相應產生平行于該擠壓應力方向的裂縫或者兩組共軛相交的裂縫(見圖7A);在持續擠壓變形中或擠壓方向有所變化的情況下,盆內這些早期形成的裂縫會在應力-應變調節(見圖7B)或斜向應力作用下(見圖7C),選擇性活化發生走滑活動。野外露頭中可見到兩組共軛相交裂縫中的一組優勢發育，并可見其指示走滑活動的擦痕,這應是該活動方式較好的佐證。此外,穩定塊體在周緣擠壓下,易發生塊體旋轉,在旋轉中，塊體內部這些裂縫也相應發生扭動，以調整內部應力-應變而發生走滑活動(見圖7D)。塔里木盆地塔中隆起北斜坡和塔北隆起兩套走滑斷層體系，延伸連接并呈弧形特征,對其中SB5斷層走滑位移分析結果揭示，其具有中段小、南北兩段明顯大的特征[34,51],體現了南北兩段向中間生長相接的發育特征,此現象可能是塊體旋轉下斷裂生長擴展較好的響應;鄂爾多斯盆地西南部NW向玉都斷裂向北延伸與盆外的弧形斷裂相連接,也可能是這種塊體旋轉下的產物。這種塊體旋轉造成內部扭動變形的模式可以很好地解釋克拉通盆地在周緣擠壓背景下，其內部斷層緣何仍發育張扭性走滑。

總體而言,克拉通盆地內走滑斷層可能是在區域擠壓應力下產生的裂縫體系基礎上,在調節變形、斜向擠壓或(和)塊體旋轉下選擇性扭動活動,此過程可能也代表了斷裂最初級階段的生長過程。這一發育的動力學背景下,盆內完整塊體的特性使由盆外向盆內傳遞的區域應力主要在盆緣被吸收,傳至盆內的應力則相對較小,這也是盆內走滑斷裂相對活動較弱、演化程度低的根本原因。該模型強調在周緣區域擠壓應力下，克拉通塊體內新生斷層發育,而顯著區別于先存構造活化為主的成因解釋。

圖7 克拉通盆地內走滑斷層幾種可能的動力學形成模式圖Fig.7 Dynamic formation model for the Cratonic strike-slip fault

克拉通盆地內走滑斷層另一重要特征是縱向上的分層性。這一分層性包括同一走向斷層在不同層段的分期弱繼承發育，也包括不同層段(深度)發育不同走向的斷層。勘探實踐揭示，鄂爾多斯盆地中生界油藏中未發現來自下部古生界的天然氣，這一古生界和中生界含油氣系統的相對獨立性正是盆內斷層縱向分層發育的有利佐證。表面上來看，非能干層巖性界面對分層性起到重要作用，這種軟弱層造成斷層在其上下發生分層和脫耦的現象較為常見，國內外已有研究[52-53],但此處卻很難將其作為分層發生的根本原因來解釋。傳統的走滑斷層發育模式認為，斷層是由深部到淺部、自下而上貫穿性發育的,這也造成走滑斷裂在淺部發育成熟度較低而易呈現雁列式小斷層和強分段性，在深部則更成熟而易發育貫通性單一斷層[8-9]。然而，在這些盆內斷層發育中,卻存在與之相悖的現象:同一走向斷層上下層之間連通性較差,有時側接段發育于深部，而貫通段卻在上部,顯示在其發育過程中，深部斷層在淺層活動中并未持續強烈活動。這也說明該分層性是斷層在不同深度域、不同時期相對獨立活動的記錄。

實際上,全球范圍內地應力分布狀態研究揭示[23，54-55],在1 200～1 500 m以淺,構造應力占主導地位;進一步增深,靜水壓力所處的地位逐漸增大;在深度大于3 500 m 處,巖體處于完全靜水壓力狀態。換言之,在這些穩定塊體內部,傳遞自周緣的構造應力可能主要影響到盆內1 500 m以淺范圍的脆性變形, 產生相應期次的走滑變形活動; 多期次的構造疊加分別影響著現今不同深度的地層, 相應產生剖面上的斷層分層發育規律。 此過程中, 在應力相對較小的情況下, 深部斷層很難完全被活化而強烈活動, 僅發育弱于淺層的活動。 鄂爾多斯盆地經歷加里東、 印支、 燕山和喜馬拉雅多期構造運動的疊加, 展示的此斷層分層發育模式最為典型。 此外, 各構造界面多套非能干層的存在, 進一步增加了這一分層性的辨識度(見圖8)。

圖8 克拉通盆地內走滑斷層縱向分層發育演化模式示意圖Fig.8 Evolution model of stratified style of the Cratonic strike-slip fault

綜合以上提出的裂縫扭動成因的動力學形成機制和分層-分期獨立發育演化模型,不難理解,在這些克拉通盆地內，深層發育的一些基底斷裂(包括早期裂谷相關伸展斷層)在后期并未強烈活化而控制淺部斷層的發育,這些基底斷層僅作為薄弱構造帶而弱影響了晚期部分斷層的展布,但兩者之間的耦合程度較弱。從這一點講,克拉通內走滑斷層分層發育的特征可以更好地記錄區域應力的多期次疊加演化過程。

6 結論

1)克拉通內部穩定區斷裂主要表現為走滑性質,不同程度地表現出走滑斷層的典型特征;其也表現出與板塊/塊體邊界活動區發育的大型走滑斷裂的較大不同,普遍具有小位移、低發育成熟度特征,斷層在垂向上分層-分期發育,與盆緣構造在方向和動力學特征上脫耦。

2)克拉通盆地內走滑斷裂產生的動力來源盡管同于盆緣構造的區域應力場,但穩定、統一塊體的性質決定了其具有獨特的動力學成因：應是區域擠壓應力下產生的裂縫,在調節變形、斜向擠壓或塊體旋轉下選擇性扭動活動的發育過程,這一過程受先存斷裂構造影響弱,是斷裂生長發育在較初期階段的記錄，可能也是克拉通內穩定區構造應力傳遞的獨特方式的重要構造表現。

3)克拉通盆地內走滑斷層分層發育特征是構造應力在克拉通塊體內淺表層傳遞的反映,是分期次相對獨立活動的結果,不同于傳統認識的走滑斷層由下到上貫穿發育的模式;這一特征可以更好地記錄克拉通盆地多期次疊加區域應力演化的過程。