塔里木盆地玉北地区断裂构造差异变形及其控制因素
陈刚?┨懒冀塥┯嗵谛ⅹ?龙禹岳勇郭颖?┱判窆猹?谢欣彤
盆地与油藏研究中心，北京102249； 3中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐830011）
摘要：为揭示断裂构造差异变形特征及其成因机制，在二维和三维地震资料精细断裂解释的基础上，对塔里木盆地玉北地区断裂构造分层、分期和分区发育强度差异性进行了研究。结果表明：纵向上，断裂可以分为以逆冲构造为主的盐下基底构造、以盖层滑脱为主的盐上下古生界、以断层相关褶皱为主的上古生界和新生界4个构造层，自盐上下古生界至新生界构造变形总体逐渐减弱；平面上，玉北地区东部断裂活动更为强烈，以叠瓦冲断构造为主，次级断裂更为发育，密集分布，而玉北地区中西部冲断作用较弱，以逆冲滑脱、高角度逆冲构造为主，次级断裂不太发育，相对分散分布；断裂演化时间上，加里东中期玉北地区东部断裂活动强，中西部断裂活动较弱，加里东晚期—海西早期、海西晚期东部断裂相对稳定，中西部断裂活动相对较强，反映断裂活动自东向西的迁移特征；断裂构造发育位置、走向和分布受先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层等共同控制；加里东中期断裂主要密集发育于先存基底构造薄弱带，受SE向挤压应力控制，断裂沿中、下寒武统由NW向朝SE向被动逆冲，形成多排NE向差异分布的逆冲断裂带。
关键词：断裂构造；构造变形；分层差异；分期差异；控制因素；分布模式；玉北地区；塔里木盆地
中图分类号：P542文献标志码：A
0引言
玉北地区位于塔里木盆地麦盖提斜坡东段，是中国石化在塔里木盆地内重要的油气勘探接替区。玉北地区及其邻区经历了加里东中期、海西期、印支期—燕山期、喜马拉雅期等多期构造运动[19]，增加了断裂特征及其发育规律研究的复杂性。受多期构造活动的影响，玉北地区发育多个方向的断裂带，这些发育程度不同的断裂带组成了复杂的断裂系统。目前，针对玉北地区断裂相关研究主要集中在玉北地区东部冲断带[1017]、玛南断裂带[1819]等局部构造带，针对玉北地区整体的断裂发育、分布及其差异变形的研究尚未得到充分重视，尤其是玉北地区东部与中西部断裂样式、发育程度、演化迁移差异性及其控制因素等还缺少详细的探讨。由于玉北地区断裂构造不仅控制了奥陶系碳酸盐岩储层的发育[2024]，其构造演化、构造变形等也对油气成藏起到制约作用[78，2528]，所以充分了解其断裂构造发育、分布及其差异变形特征对油气富集规律的认识具有重要意义。
本文基于断裂构造解析方法，以最新的区域二维、重点区带三维地震资料精细剖面解释及其平面组合，建立塔里木盆地玉北地区断裂构造几何学模型，并揭示其平面分布规律，进一步分析其分层、分期和分区带差异构造变形特征及其主要控制因素。
1地质背景
塔里木盆地玉北地区东接塘古孜巴斯坳陷，北邻巴楚隆起，向南过渡为叶城—和田坳陷[2933]。其主体位于玛扎塔格构造带和玛南构造带之间，跨两个二级构造单元，据此可分为东部冲断区和中西部平台区，这两个分区分别隶属于塘古孜巴斯坳陷和麦盖提斜坡。玉北地区主体缺失部分上奥陶统、志留系—泥盆系和整个中生界，其余地层序列较为完整，自下而上分别为寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩地层、石炭系—二叠系海陆交互相地层和巨厚的新生代陆相碎屑地层。该区现今整体为向西南倾的区域性斜坡，整体为NW向，面积约12 958 km2（图1）。
玉北地区断裂主要以成排成带朝SE向逆冲为特征，发育有多排NE向逆冲断裂带和少数近EW向、NW向断裂带。玉北地区东部三维区断裂发育密集，由西向东分别为玉北7断裂带，玉北1断裂带和玉东1、2、3、4断裂带等6排断裂带；玉北地区中西部断裂发育程度相对较低，NE向的有皮山北2南断裂带、玉北8—皮山北1断裂带、玉北4断裂带，NW向的有皮山北2断裂带，近EW向的有玉中断裂带（图1）。
2断裂构造几何学特征
根据断裂性质，塔里木盆地玉北地区断裂类型可以分为挤压断裂、走滑断裂和复合型断裂（图2）。挤压断裂又可分为基底卷入断裂和盖层滑脱断裂。
图1塔里木盆地玉北地区构造位置
Fig.1Outline Structure Map of Yubei Area， Tarim Basin
图2断裂构造几何学样式
Fig.2Geometry Styles of Fault Structures
玉北地区基底卷入断裂样式有基底卷入断裂和基底断裂两种。基底卷入断裂主要位于玉北地区中西部，断裂向上断至古生界上部或新生界不等，断裂角度陡倾；基底断裂仅发育于基底—寒武系内，与基底卷入断裂范畴不同，指断裂发育层位位于基底（基底卷入断裂并没有层位的含义，可断至任意地层内）。这些断裂分别可以形成对冲和背冲断裂样式。
盖层滑脱断裂为上陡下缓的铲式逆冲滑脱断裂，既有较简单的“Y”字形样式，也发育较为复杂的叠瓦状逆冲、逆冲三角带等样式。盖层滑脱断裂多为在中、下寒武统膏盐岩层系内部滑脱的逆冲断裂，向上进入上古生界逐渐转为以褶皱作用为主。盖层滑脱断裂在古近系内部总体上不太发育，仅局部发育有断层滑脱褶皱。
走滑断裂以正花状样式为主（个别为半花状样式），由产状直立的主断裂和一些分支断裂组成，向下进入基底，向上断入奥陶系、石炭系—二叠系等不同层位。断裂主要为近EW向分布，个别为NNW向，主要位于NE向逆冲断裂尾端，总体分布较局限。其中一些走滑断裂明显受逆冲断裂叠加改造或具有明显逆冲分量，可组合形成不同断裂样式。
在实际剖面中，断裂样式比上述单一模式复杂得多，通常是由多种基本断裂样式构成的组合样式，诸如盖层滑脱基底卷入并置型、盖层滑脱基底断裂叠置型、盖层滑脱走滑断裂并置型和盖层滑脱走滑断裂叠置型等（图2）。
3断裂构造差异变形特征
3.1断裂构造分层差异特征
研究区内发育中、下寒武统膏盐岩和古近系膏盐岩两套区域滑脱层。寒武系膏盐岩仅阿瓦塔格组厚度为205～310 m，局部构造带超过1 000 m，古近系膏盐岩为120～258 m，这两套膏盐岩软弱层的发育对区内断裂构造变形具有控制作用。受该区发育的中、下寒武统与古近系两套膏盐岩滑脱层制约和下古生界顶面区域不整合面限制，断裂构造明显具有分层发育特征，可分为盐下基底构造层、盐上下古生界构造层、上古生界构造层和新生界构造层[图3（a）、（b），图4]。
3.1.1盐下基底构造层
盐下基底构造层主要发育在深层前寒武系（或前震旦系）变质基底层系中，整体以NE向为主，局部为NW向和近EW向。该构造层主要发育一些规模不大的逆冲断裂，每排断裂带一般由一组断裂夹持形成低幅度背冲断垒带，断垒构造上方盐岩软弱层系明显加厚，这可能是控制盖层内断裂形成的原因之一。依据深部基底构造的发育时期推测构造层断裂形成期为前寒武纪（或前震旦纪），并且构造层在加里东中期可能重新活动以调节盐上强烈逆冲作用及盐构造活动造成的构造缩短。
3.1.2盐上下古生界构造层
盐上下古生界构造层主体发育在早古生代地层中，断裂总体为NE向，与基底构造层总体一致，在断裂发育位置和断裂走向上明显具一致性。另外，玉北地区东部三维区断裂发育程度远远大于玉北地区中西部：东部断裂发育强度较中西部断裂大得多，东部断裂构造变形控制了巨厚的上奥陶统，单个逆冲位移最大可超过4 km；东部断裂发育密度比中西部更加密集。该构造层断裂活动强度和分布范围最大，是控制玉北地区断裂构造带形成演化的主控断裂发育形成的构造层。单条断层表现为沿中、下寒武统膏盐岩层系滑脱的铲式逆冲样式，玉北地区多数断裂几何学样式均可在该构造层发育。
3.1.3上古生界构造层
上古生界构造层分布在晚古生代地层（区内缺失中生界），断裂多为NE向，局部NW向和近EW向明显，断裂发育位置和走向整体上与下古生界构造层基本一致。总体来看，这套构造层内断裂相对不太发育，活动强度和分布范围相对下古生界要小。该构造层断裂主要位于玉北地区中西部，在玉北地区东部分布比较局限。这套构造层断裂断距不太明显，主要表现为断层相关褶皱等构造变形。
3.1.4新生界构造层
新生界构造层发育在浅层新生代地层中，构造特征总体与上古生界构造层类似，即断裂不太发育，主要位于玉北地区中西部北缘，分布比较局限。
An∈为前寒武系
图3断裂构造解释剖面
Fig.3Interpretation Profiles of Fault Structures
图4断裂构造分层分布
Fig.4Layering Distribution of Fault Structures
3.2断裂构造强度差异特征
玉北地区东部和中西部断裂发育程度明显不同。东部断裂发育相对密集，不到80 km宽度范围内发育6排NE向主要断裂带，相邻两排断裂带距离在4～10 km之间。每排断裂带宽度4～7 km，均由4条以上分支断裂组成；中西部断裂发育相对较分散，超过110 km宽度范围内发育3排NE向主要断裂带，相邻两排断裂带距离在24～30 km之间，每排断裂宽度1.3～4.6 km，由2～4条分支断裂组成（表1）。与之对应的是，玉北地区东部和中西部断裂变形程度也具有明显差异。东部断裂活动更为强烈，发育叠瓦状逆冲断裂、逆冲三角带等强烈冲断构造[图3（b）]，主断裂断距可达3.4 km，缩短量与缩短率分别可达4.73 km和288%（图5），断裂构造抬升造成构造带上缺失O3、S—D地层；而中西部冲断作用较弱，发育逆冲滑脱、高角度逆冲构造，主断裂断距一般小于200 m，缩短量不超过1 km，缩短率最大为4.4%（图5），断裂构造抬升相对弱，构造带与两侧地层展布的差异相对不太显著。玉北地区东部和中西部断裂构造卷入变形层位有差异（图2）：东部断裂主要断开下古生界，下古生界以上主要为断层相关褶皱变形；中西部断裂多为断开整个古生界，少数断入新生界。此外，玉北地区东部断裂带分段性强，其中玉北1、玉东3和玉东4断裂带均具有强烈分段性，断裂带在平面上类似于“N”字形延伸，主要表现为断裂带北段朝NW向逆冲[图3（a）]，中段朝SE向逆冲[图3（b）]，向南经走滑断裂[图1，图3（f）～（h）]转换为仍朝SE向逆冲的南段；中西部断裂带分段性总体不明显，仅在NE向逆冲断裂尾端发育走滑转换[图1，图3（c）、（d）]。
3.3断裂构造分期差异特征
3.3.1断裂构造活动期次
玉北地区中部玉北8—皮山北1断裂带、皮山北2南断裂带中奥陶统顶面不同程度削截，厚度整体减薄，上覆志留系—中泥盆统和上泥盆统分别向其超覆并尖灭，显示出加里东中期断裂活动对上覆沉积的控制作用；两个断裂带石炭系—二叠系都发育断层相关褶皱，为海西晚期断裂活动的响应[图6（a）、（b）]。玛南断裂带奥陶系顶面也不同程度削截减薄，石炭系底部厚度向构造带减薄，石炭系—二叠系发育断层相关褶皱，分别对应加里东中期和海西晚期断裂活动。玉北地区西部NW向皮山北2盖层内断裂带活动时间可能较晚，从其古生界变形的上下一致性推测为海西晚期开始活动的断裂，古近系与古生界的不一致变形则显示出喜马拉雅早期的一次断裂构造活动[图6（c）]。玉北地区东部6排断裂带上寒武统—中奥陶统明显卷入变形，上奥陶统底部向其超覆且顶部有削截，是中奥陶世断裂活
a为皮山北2南断裂带；b为玉北8断裂带；c为玉北4断裂带；d为玉北7断裂带；e为玉北1断裂带；f为玉东1断裂带；g为玉东2断裂带；h为玉东3断裂带；i为玉东4断裂带
图5主要断裂带构造变形程度
Fig.5Structural Deformation of Main Fault Zones
动的响应；部分断裂带石炭系—二叠系发育断层相关褶皱，是海西晚期断裂活动的响应[图6（d）]。而对于寒武系膏盐岩以下断入基底的断裂来说，一般认为其属于加里东早期发育或复活的基底断裂[14，17]。因此，玉北地区主要断裂带活动期次可分为加里东早期、加里东中期、加里东晚期—海西早期、海西晚期以及喜马拉雅早期。
3.3.2断裂分期差异分布
加里东中期与滑脱层相关的逆冲断裂在研究区大量发育[图7（a）]，是玉北地区断裂发育的主要时期；除NW向皮山北2南断裂带以外，其余断裂基本都有活动。在剖面上，断裂样式多样，主要有主断裂和反冲断裂上构成的“Y”字样式、多条断裂向同一方向逆冲形成的叠瓦状逆冲断裂和相向逆冲形成的逆冲三角带。在平面上，组成每排断裂带的分支断裂大致平行延伸。该期断裂在玉北地区东部发育程度高，断裂强烈逆冲并抬升剥蚀，使得构造带顶部缺失上奥陶统。断裂在玉北地区中西部发育相对较弱，仅造成中奥陶统顶面低角度削蚀和不太明显的地层减薄。
An∈为前寒武系；∈1y-∈2s为下寒武统玉儿土斯组—中寒武统沙依里克组；∈2a为中寒武统阿瓦塔格组；∈3ql为上寒武统丘里塔格组；O1p为下奥陶统蓬莱坝组；O12y—O2yj为中下奥陶统鹰山组；O3l为上奥陶统良里塔格组；C1b为下石炭统巴楚组；C1kl—C2x为下石炭统卡拉沙衣组—上石炭统小海子组
图6断裂构造活动期次解释剖面
Fig.6Interpretation Profiles of Different Fault Active Stages
图7断裂构造分期分布
Fig.7Staging Distribution of Fault Sturctures
玉北地区东部加里东晚期—海西早期断裂全部缺失志留系—中下泥盆统，理论上无法了解断裂活动情况，但根据构造背景和地层剥蚀特征，推测玉北地区加里东晚期—海西早期断裂应该有一定程度的活动。玉北地区中西部断裂活动则比较明显，分别不同程度控制了志留系—中泥盆统和上泥盆统的地层展布。剖面上可见断裂带上覆石炭系向构造带超覆并减薄，断裂构造变形相比早期有所减弱，但变形特征与早期没有大的变化。平面上，断裂分布较早期也有所减少，尤其是玉北地区东部断裂带仅局部活动。总体上，不论是断裂变形还是断裂分布，均继承了早期断裂构造变形[图7（b）]。
海西晚期断裂活动在玉北地区东部相对较弱，玉北7、玉北1、玉东3和玉东4断裂带发育与断裂相关的低幅褶皱，玉东1和玉东2断裂带不活动。对于玉北地区中西部来说，海西晚期主要断裂带均在该期有活动，是断裂的主要活动时期，并大致基本定型[图7（c）]。该期断裂活动形式总体表现为断层传播褶皱的方式，即下古生界断裂有明显错断，上古生界石炭系—二叠系内部断层错断不明显，以褶皱变形为主。平面上可见该期断裂活动在玉北地区东部明显减弱，断裂活动进一步向玉北地区西部转移，在总体继承发育的基础上出现了一些新生断裂。
喜马拉雅期对玉北地区断裂构造活动影响微弱，断裂局部发育，活动断裂主要位于各断裂带北端，断裂数量和延伸长度都比早期小得多[图7（d）]。
从断裂演化时间来看，加里东中期玉北地区东部断裂带活动强且断距大，玉北地区中西部断裂带活动相对弱且断距小；加里东晚期—海西早期、海西晚期玉北地区东部断裂相对较稳定，以部分老断裂复活为主，玉北地区中西部断裂活动相对较强，既有老断裂继承发育，也有新生断裂形成。因此，玉北地区断裂活动从加里东中期至加里东晚期—海西早期、海西晚期具有自东向西的迁移特征。
4断裂构造差异变形控制因素
4.1 断裂构造差异变形发育控制因素
塔里木盆地西南部具有NE向条带状排列的重、磁正异常与负异常分布特征[3435]。对比断裂发育位置和化极处理后的区域航磁化极异常图[36]显示，玉北地区断裂发育密集带大体与高磁异常区域重叠，表明玉北地区断裂发育可能与结晶基底发育的NE向重、磁异常条带分布有联系。玉北地区盖层断裂发育位置也与基底断裂具有一致性。玉北地区经历多期构造活动的叠加，盖层内断裂十分发育，但是主要断裂带走向基本没有发生大的变化，总体与基底断裂具有继承性（图4、7），说明基底先存构造对后期断裂发育位置与走向的制约。
玉北地区断裂走向与麦盖提斜坡、塘古孜巴斯坳陷区域构造应力场背景有密切关系[1112，3740]。塔里木盆地周边洋盆演化相关研究表明：南天山洋可能在海西早期以后开始俯冲和消减，海西晚期逐渐关闭，是一个东早西晚的“剪刀式”闭合过程[4142]；阿尔金—西昆仑洋可能在加里东中期开始俯冲和消减，海西早期逐渐关闭[43]，从构造背景来看逆冲断裂系统形成主要与加里东中晚期、海西早期后者的俯冲和碰撞造山有关[4447]。玉北地区发育NE向为主的逆冲断裂构造，与更易受南天山洋演化影响的巴楚地区主要发育NW向断裂构造明显不同，暗示加里东中期和海西早期玉北地区断裂构造与南天山洋演化可能不太密切。由此可以看出：加里东期、海西早期区域挤压构造应力主要来自SE向阿尔金—西昆仑洋地区，形成了一系列沿NE向展布的断裂；而海西晚期受南天山洋闭合和西昆仑造山带挤压应力影响改造，区域构造应力主要来自NW向[11，37，41，48]，玉北地区断裂系统受影响较小，断裂主要为继承性发育；至新生代，玉北地区反转沉降，属于西昆仑造山带前陆坳陷，总体上断裂活动微弱。
断裂分层分布受膏盐岩滑脱层控制。受中、下寒武统膏盐岩滑脱层控制，基底断裂向上终止于中、下寒武统阿瓦塔格组膏盐岩，逆冲滑脱断裂向下也同样终止于这套膏盐岩层系，膏盐岩很明显控制了这两套地层内的断裂分层延伸范围。断裂发育程度也与膏盐岩滑脱层变形发育程度有关。盐构造研究表明，挤压作用和重力负载都会触发盐构造变形的形成[49]。受加里东中期构造运动强烈挤压的影响，深层中、下寒武统盐岩层系发生塑性流动，形成断褶构造。重力负载包括剥蚀差异、沉积差异和构造变形差异等3类差异负荷作用。这3种重力负载在玉北地区东部和中西部之间都存在差异，玉北地区中西部在多期构造抬升中均处于相对高部位，东部处于相对低部位，东部与中西部具有强烈的差异剥蚀作用。另外，玉北地区东部断凹内沉积有厚达1 000 m的上奥陶统碎屑岩系，它具有较强的沉积差异负荷，与盐构造变形相互作用和互为因果；东部基底构造的发育和盐上断褶作用则进一步加强了盐岩层系的差异负荷。因此，在挤压作用和重力差异负载等影响下，膏盐岩主要在玉北地区东部构造带发生流动（图5），盐构造变形明显，相应的断裂发育程度较高，中西部膏盐岩层展布较为均匀，盐构造变形不太发育，相应的断裂发育程度较低。
上述分析表明，先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层共同控制了断裂发育位置、断裂走向和断裂分布。
4.2 断裂构造差异分布模式
玉北地区断裂主要在加里东中期形成。玉北地区东部断裂强烈冲断，中西部断裂相对较弱。断裂发育位置及其走向也主要在加里东中期定型，后期继承发育。因此，本文主要分析加里东中期断裂差异分布。
玉北地区东部与深部基底构造有关的断裂发育密集带是麦盖提斜披与塘古孜巴斯两个构造单元的过渡区域，是断裂构造发育的薄弱带，可能为塔里木盆地西南部古隆起的东部边界区域。玉北地区中西部断裂发育程度相对较弱，与航磁低异常带对应，不发育深部基底构造，可能为塔里木盆地西南部古隆起内部稳定区域。Hafner第一附加应力模式认为，断裂构造变形具有远离应力方向断裂发育逐渐减弱，断裂倾角逐渐增大的特征[50]。这与本区断裂差异构造变形特征较为吻合，进一步说明断裂构造差异变形与玉北地区东部处于构造薄弱带，靠近碰撞造山带有关，也与中西部处于稳定隆起区内部，远离断裂形成时期碰撞造山带有关。同时，玉北地区东部盐岩构造变形触发条件比中西部更为发育，因此，加里东中期断裂在东部更易发生。
加里东中期玉北地区断裂主要朝SE向逆冲，与区域构造应力方向相反，可能是受该区的隆坳格局中基底构造薄弱带和稳定带位置、地形关系等作用影响。从断裂控制的巨厚上奥陶统沉积可知，晚奥陶世玉北地区及其邻区隆坳格局的分异已十分强烈，玉北地区中西部发生隆升，缺失了上奥陶统大部分地层，东部塘古孜巴斯坳陷发生迅速沉降，连续沉积了巨厚上奥陶统碎屑岩层系。因此，在阿尔金洋俯冲和碰撞的影响下，塘古孜巴斯地区从早中奥陶世的碳酸盐岩台地背景转变为前陆坳陷，而玉北地区主体可能处于前陆隆起，玉北地区东部处于二者过渡区，形成构造斜坡地形，更易于盐岩层朝SE向塘古兹巴斯凹陷中滑动。在挤压作用和重力负载的共同影响下，断裂以类似于推土机工作原理[51]在区域滑脱层中向前陆坳陷被动逆冲，形成了玉北地区多排朝SE向逆冲的断裂构造带（图8）。
An∈为前寒武系
图8加里东中期断裂构造差异分布成因模式
Fig.8Genetic Model of Differential Distribution of Fault Structure at Middle Caledonian
5结语
（1）塔里木盆地玉北地区主要发育多排NE向逆冲断裂带和少数近EW向、NW向断裂带。断裂具有明显的分层构造变形特征，表现为受区域滑脱层和下古生界不整合面所限，自下而上分为盐下基底构造层、盐下上古生界构造层、上古生界构造层和新生界构造层。不同构造层变形样式和变形有差异，其中盐下基底构造以逆冲构造为主，盐上下古生界以盖层滑脱为主，上古生界和新生界以断层相关褶皱为主。自盐上下古生界至新生界，构造变形逐渐减弱。
（2）平面上断裂发育程度具有强烈的东、西差异特征。玉北地区东部断裂发育相对密集并强烈冲断，次级断裂更为发育，断裂以叠瓦冲断构造和逆冲三角带等为主，逆冲断裂抬升高，主断裂断距、缩短量和缩短率大；中西部断裂发育相对分散且冲断作用较弱，次级断裂不太发育，断裂以逆冲滑脱和高角度逆冲构造为主，主断裂断距、缩短量和缩短率小。
（3）加里东中期玉北地区主要断裂带均开始活动，此后经历了加里东晚期—海西早期、海西晚期和喜马拉雅期等多期活动。玉北地区东部和中西部断裂在多期活动中具有较大的差异：加里东中期东部断裂活动强，中西部断裂活动较弱；加里东晚期—海西早期、海西晚期东部断裂活动相对稳定，中西部断裂活动相对较强；喜马拉雅期断裂活动整体较弱，反映出断裂活动自东向西的迁移特征。
（4）玉北地区断裂发育位置、断裂走向和断裂分布受先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层等因素的共同控制。加里东中期主要断裂形成并定型，断裂主要密集发育于稳定隆起区和稳定沉降区之间的斜坡区和构造薄弱带。在挤压作用和重力负载的共同影响下，断裂以类似于推土机工作原理沿中、下寒武统滑脱层向塘古孜巴斯坳陷被动逆冲，形成多排NE向并朝SE向逆冲的断裂构造带。
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盆地与油藏研究中心，北京102249； 3中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐830011）
摘要：为揭示断裂构造差异变形特征及其成因机制，在二维和三维地震资料精细断裂解释的基础上，对塔里木盆地玉北地区断裂构造分层、分期和分区发育强度差异性进行了研究。结果表明：纵向上，断裂可以分为以逆冲构造为主的盐下基底构造、以盖层滑脱为主的盐上下古生界、以断层相关褶皱为主的上古生界和新生界4个构造层，自盐上下古生界至新生界构造变形总体逐渐减弱；平面上，玉北地区东部断裂活动更为强烈，以叠瓦冲断构造为主，次级断裂更为发育，密集分布，而玉北地区中西部冲断作用较弱，以逆冲滑脱、高角度逆冲构造为主，次级断裂不太发育，相对分散分布；断裂演化时间上，加里东中期玉北地区东部断裂活动强，中西部断裂活动较弱，加里东晚期—海西早期、海西晚期东部断裂相对稳定，中西部断裂活动相对较强，反映断裂活动自东向西的迁移特征；断裂构造发育位置、走向和分布受先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层等共同控制；加里东中期断裂主要密集发育于先存基底构造薄弱带，受SE向挤压应力控制，断裂沿中、下寒武统由NW向朝SE向被动逆冲，形成多排NE向差异分布的逆冲断裂带。
关键词：断裂构造；构造变形；分层差异；分期差异；控制因素；分布模式；玉北地区；塔里木盆地
中图分类号：P542文献标志码：A
0引言
玉北地区位于塔里木盆地麦盖提斜坡东段，是中国石化在塔里木盆地内重要的油气勘探接替区。玉北地区及其邻区经历了加里东中期、海西期、印支期—燕山期、喜马拉雅期等多期构造运动[19]，增加了断裂特征及其发育规律研究的复杂性。受多期构造活动的影响，玉北地区发育多个方向的断裂带，这些发育程度不同的断裂带组成了复杂的断裂系统。目前，针对玉北地区断裂相关研究主要集中在玉北地区东部冲断带[1017]、玛南断裂带[1819]等局部构造带，针对玉北地区整体的断裂发育、分布及其差异变形的研究尚未得到充分重视，尤其是玉北地区东部与中西部断裂样式、发育程度、演化迁移差异性及其控制因素等还缺少详细的探讨。由于玉北地区断裂构造不仅控制了奥陶系碳酸盐岩储层的发育[2024]，其构造演化、构造变形等也对油气成藏起到制约作用[78，2528]，所以充分了解其断裂构造发育、分布及其差异变形特征对油气富集规律的认识具有重要意义。
本文基于断裂构造解析方法，以最新的区域二维、重点区带三维地震资料精细剖面解释及其平面组合，建立塔里木盆地玉北地区断裂构造几何学模型，并揭示其平面分布规律，进一步分析其分层、分期和分区带差异构造变形特征及其主要控制因素。
1地质背景
塔里木盆地玉北地区东接塘古孜巴斯坳陷，北邻巴楚隆起，向南过渡为叶城—和田坳陷[2933]。其主体位于玛扎塔格构造带和玛南构造带之间，跨两个二级构造单元，据此可分为东部冲断区和中西部平台区，这两个分区分别隶属于塘古孜巴斯坳陷和麦盖提斜坡。玉北地区主体缺失部分上奥陶统、志留系—泥盆系和整个中生界，其余地层序列较为完整，自下而上分别为寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩地层、石炭系—二叠系海陆交互相地层和巨厚的新生代陆相碎屑地层。该区现今整体为向西南倾的区域性斜坡，整体为NW向，面积约12 958 km2（图1）。
玉北地区断裂主要以成排成带朝SE向逆冲为特征，发育有多排NE向逆冲断裂带和少数近EW向、NW向断裂带。玉北地区东部三维区断裂发育密集，由西向东分别为玉北7断裂带，玉北1断裂带和玉东1、2、3、4断裂带等6排断裂带；玉北地区中西部断裂发育程度相对较低，NE向的有皮山北2南断裂带、玉北8—皮山北1断裂带、玉北4断裂带，NW向的有皮山北2断裂带，近EW向的有玉中断裂带（图1）。
2断裂构造几何学特征
根据断裂性质，塔里木盆地玉北地区断裂类型可以分为挤压断裂、走滑断裂和复合型断裂（图2）。挤压断裂又可分为基底卷入断裂和盖层滑脱断裂。
图1塔里木盆地玉北地区构造位置
Fig.1Outline Structure Map of Yubei Area， Tarim Basin
图2断裂构造几何学样式
Fig.2Geometry Styles of Fault Structures
玉北地区基底卷入断裂样式有基底卷入断裂和基底断裂两种。基底卷入断裂主要位于玉北地区中西部，断裂向上断至古生界上部或新生界不等，断裂角度陡倾；基底断裂仅发育于基底—寒武系内，与基底卷入断裂范畴不同，指断裂发育层位位于基底（基底卷入断裂并没有层位的含义，可断至任意地层内）。这些断裂分别可以形成对冲和背冲断裂样式。
盖层滑脱断裂为上陡下缓的铲式逆冲滑脱断裂，既有较简单的“Y”字形样式，也发育较为复杂的叠瓦状逆冲、逆冲三角带等样式。盖层滑脱断裂多为在中、下寒武统膏盐岩层系内部滑脱的逆冲断裂，向上进入上古生界逐渐转为以褶皱作用为主。盖层滑脱断裂在古近系内部总体上不太发育，仅局部发育有断层滑脱褶皱。
走滑断裂以正花状样式为主（个别为半花状样式），由产状直立的主断裂和一些分支断裂组成，向下进入基底，向上断入奥陶系、石炭系—二叠系等不同层位。断裂主要为近EW向分布，个别为NNW向，主要位于NE向逆冲断裂尾端，总体分布较局限。其中一些走滑断裂明显受逆冲断裂叠加改造或具有明显逆冲分量，可组合形成不同断裂样式。
在实际剖面中，断裂样式比上述单一模式复杂得多，通常是由多种基本断裂样式构成的组合样式，诸如盖层滑脱基底卷入并置型、盖层滑脱基底断裂叠置型、盖层滑脱走滑断裂并置型和盖层滑脱走滑断裂叠置型等（图2）。
3断裂构造差异变形特征
3.1断裂构造分层差异特征
研究区内发育中、下寒武统膏盐岩和古近系膏盐岩两套区域滑脱层。寒武系膏盐岩仅阿瓦塔格组厚度为205～310 m，局部构造带超过1 000 m，古近系膏盐岩为120～258 m，这两套膏盐岩软弱层的发育对区内断裂构造变形具有控制作用。受该区发育的中、下寒武统与古近系两套膏盐岩滑脱层制约和下古生界顶面区域不整合面限制，断裂构造明显具有分层发育特征，可分为盐下基底构造层、盐上下古生界构造层、上古生界构造层和新生界构造层[图3（a）、（b），图4]。
3.1.1盐下基底构造层
盐下基底构造层主要发育在深层前寒武系（或前震旦系）变质基底层系中，整体以NE向为主，局部为NW向和近EW向。该构造层主要发育一些规模不大的逆冲断裂，每排断裂带一般由一组断裂夹持形成低幅度背冲断垒带，断垒构造上方盐岩软弱层系明显加厚，这可能是控制盖层内断裂形成的原因之一。依据深部基底构造的发育时期推测构造层断裂形成期为前寒武纪（或前震旦纪），并且构造层在加里东中期可能重新活动以调节盐上强烈逆冲作用及盐构造活动造成的构造缩短。
3.1.2盐上下古生界构造层
盐上下古生界构造层主体发育在早古生代地层中，断裂总体为NE向，与基底构造层总体一致，在断裂发育位置和断裂走向上明显具一致性。另外，玉北地区东部三维区断裂发育程度远远大于玉北地区中西部：东部断裂发育强度较中西部断裂大得多，东部断裂构造变形控制了巨厚的上奥陶统，单个逆冲位移最大可超过4 km；东部断裂发育密度比中西部更加密集。该构造层断裂活动强度和分布范围最大，是控制玉北地区断裂构造带形成演化的主控断裂发育形成的构造层。单条断层表现为沿中、下寒武统膏盐岩层系滑脱的铲式逆冲样式，玉北地区多数断裂几何学样式均可在该构造层发育。
3.1.3上古生界构造层
上古生界构造层分布在晚古生代地层（区内缺失中生界），断裂多为NE向，局部NW向和近EW向明显，断裂发育位置和走向整体上与下古生界构造层基本一致。总体来看，这套构造层内断裂相对不太发育，活动强度和分布范围相对下古生界要小。该构造层断裂主要位于玉北地区中西部，在玉北地区东部分布比较局限。这套构造层断裂断距不太明显，主要表现为断层相关褶皱等构造变形。
3.1.4新生界构造层
新生界构造层发育在浅层新生代地层中，构造特征总体与上古生界构造层类似，即断裂不太发育，主要位于玉北地区中西部北缘，分布比较局限。
An∈为前寒武系
图3断裂构造解释剖面
Fig.3Interpretation Profiles of Fault Structures
图4断裂构造分层分布
Fig.4Layering Distribution of Fault Structures
3.2断裂构造强度差异特征
玉北地区东部和中西部断裂发育程度明显不同。东部断裂发育相对密集，不到80 km宽度范围内发育6排NE向主要断裂带，相邻两排断裂带距离在4～10 km之间。每排断裂带宽度4～7 km，均由4条以上分支断裂组成；中西部断裂发育相对较分散，超过110 km宽度范围内发育3排NE向主要断裂带，相邻两排断裂带距离在24～30 km之间，每排断裂宽度1.3～4.6 km，由2～4条分支断裂组成（表1）。与之对应的是，玉北地区东部和中西部断裂变形程度也具有明显差异。东部断裂活动更为强烈，发育叠瓦状逆冲断裂、逆冲三角带等强烈冲断构造[图3（b）]，主断裂断距可达3.4 km，缩短量与缩短率分别可达4.73 km和288%（图5），断裂构造抬升造成构造带上缺失O3、S—D地层；而中西部冲断作用较弱，发育逆冲滑脱、高角度逆冲构造，主断裂断距一般小于200 m，缩短量不超过1 km，缩短率最大为4.4%（图5），断裂构造抬升相对弱，构造带与两侧地层展布的差异相对不太显著。玉北地区东部和中西部断裂构造卷入变形层位有差异（图2）：东部断裂主要断开下古生界，下古生界以上主要为断层相关褶皱变形；中西部断裂多为断开整个古生界，少数断入新生界。此外，玉北地区东部断裂带分段性强，其中玉北1、玉东3和玉东4断裂带均具有强烈分段性，断裂带在平面上类似于“N”字形延伸，主要表现为断裂带北段朝NW向逆冲[图3（a）]，中段朝SE向逆冲[图3（b）]，向南经走滑断裂[图1，图3（f）～（h）]转换为仍朝SE向逆冲的南段；中西部断裂带分段性总体不明显，仅在NE向逆冲断裂尾端发育走滑转换[图1，图3（c）、（d）]。
3.3断裂构造分期差异特征
3.3.1断裂构造活动期次
玉北地区中部玉北8—皮山北1断裂带、皮山北2南断裂带中奥陶统顶面不同程度削截，厚度整体减薄，上覆志留系—中泥盆统和上泥盆统分别向其超覆并尖灭，显示出加里东中期断裂活动对上覆沉积的控制作用；两个断裂带石炭系—二叠系都发育断层相关褶皱，为海西晚期断裂活动的响应[图6（a）、（b）]。玛南断裂带奥陶系顶面也不同程度削截减薄，石炭系底部厚度向构造带减薄，石炭系—二叠系发育断层相关褶皱，分别对应加里东中期和海西晚期断裂活动。玉北地区西部NW向皮山北2盖层内断裂带活动时间可能较晚，从其古生界变形的上下一致性推测为海西晚期开始活动的断裂，古近系与古生界的不一致变形则显示出喜马拉雅早期的一次断裂构造活动[图6（c）]。玉北地区东部6排断裂带上寒武统—中奥陶统明显卷入变形，上奥陶统底部向其超覆且顶部有削截，是中奥陶世断裂活
a为皮山北2南断裂带；b为玉北8断裂带；c为玉北4断裂带；d为玉北7断裂带；e为玉北1断裂带；f为玉东1断裂带；g为玉东2断裂带；h为玉东3断裂带；i为玉东4断裂带
图5主要断裂带构造变形程度
Fig.5Structural Deformation of Main Fault Zones
动的响应；部分断裂带石炭系—二叠系发育断层相关褶皱，是海西晚期断裂活动的响应[图6（d）]。而对于寒武系膏盐岩以下断入基底的断裂来说，一般认为其属于加里东早期发育或复活的基底断裂[14，17]。因此，玉北地区主要断裂带活动期次可分为加里东早期、加里东中期、加里东晚期—海西早期、海西晚期以及喜马拉雅早期。
3.3.2断裂分期差异分布
加里东中期与滑脱层相关的逆冲断裂在研究区大量发育[图7（a）]，是玉北地区断裂发育的主要时期；除NW向皮山北2南断裂带以外，其余断裂基本都有活动。在剖面上，断裂样式多样，主要有主断裂和反冲断裂上构成的“Y”字样式、多条断裂向同一方向逆冲形成的叠瓦状逆冲断裂和相向逆冲形成的逆冲三角带。在平面上，组成每排断裂带的分支断裂大致平行延伸。该期断裂在玉北地区东部发育程度高，断裂强烈逆冲并抬升剥蚀，使得构造带顶部缺失上奥陶统。断裂在玉北地区中西部发育相对较弱，仅造成中奥陶统顶面低角度削蚀和不太明显的地层减薄。
An∈为前寒武系；∈1y-∈2s为下寒武统玉儿土斯组—中寒武统沙依里克组；∈2a为中寒武统阿瓦塔格组；∈3ql为上寒武统丘里塔格组；O1p为下奥陶统蓬莱坝组；O12y—O2yj为中下奥陶统鹰山组；O3l为上奥陶统良里塔格组；C1b为下石炭统巴楚组；C1kl—C2x为下石炭统卡拉沙衣组—上石炭统小海子组
图6断裂构造活动期次解释剖面
Fig.6Interpretation Profiles of Different Fault Active Stages
图7断裂构造分期分布
Fig.7Staging Distribution of Fault Sturctures
玉北地区东部加里东晚期—海西早期断裂全部缺失志留系—中下泥盆统，理论上无法了解断裂活动情况，但根据构造背景和地层剥蚀特征，推测玉北地区加里东晚期—海西早期断裂应该有一定程度的活动。玉北地区中西部断裂活动则比较明显，分别不同程度控制了志留系—中泥盆统和上泥盆统的地层展布。剖面上可见断裂带上覆石炭系向构造带超覆并减薄，断裂构造变形相比早期有所减弱，但变形特征与早期没有大的变化。平面上，断裂分布较早期也有所减少，尤其是玉北地区东部断裂带仅局部活动。总体上，不论是断裂变形还是断裂分布，均继承了早期断裂构造变形[图7（b）]。
海西晚期断裂活动在玉北地区东部相对较弱，玉北7、玉北1、玉东3和玉东4断裂带发育与断裂相关的低幅褶皱，玉东1和玉东2断裂带不活动。对于玉北地区中西部来说，海西晚期主要断裂带均在该期有活动，是断裂的主要活动时期，并大致基本定型[图7（c）]。该期断裂活动形式总体表现为断层传播褶皱的方式，即下古生界断裂有明显错断，上古生界石炭系—二叠系内部断层错断不明显，以褶皱变形为主。平面上可见该期断裂活动在玉北地区东部明显减弱，断裂活动进一步向玉北地区西部转移，在总体继承发育的基础上出现了一些新生断裂。
喜马拉雅期对玉北地区断裂构造活动影响微弱，断裂局部发育，活动断裂主要位于各断裂带北端，断裂数量和延伸长度都比早期小得多[图7（d）]。
从断裂演化时间来看，加里东中期玉北地区东部断裂带活动强且断距大，玉北地区中西部断裂带活动相对弱且断距小；加里东晚期—海西早期、海西晚期玉北地区东部断裂相对较稳定，以部分老断裂复活为主，玉北地区中西部断裂活动相对较强，既有老断裂继承发育，也有新生断裂形成。因此，玉北地区断裂活动从加里东中期至加里东晚期—海西早期、海西晚期具有自东向西的迁移特征。
4断裂构造差异变形控制因素
4.1 断裂构造差异变形发育控制因素
塔里木盆地西南部具有NE向条带状排列的重、磁正异常与负异常分布特征[3435]。对比断裂发育位置和化极处理后的区域航磁化极异常图[36]显示，玉北地区断裂发育密集带大体与高磁异常区域重叠，表明玉北地区断裂发育可能与结晶基底发育的NE向重、磁异常条带分布有联系。玉北地区盖层断裂发育位置也与基底断裂具有一致性。玉北地区经历多期构造活动的叠加，盖层内断裂十分发育，但是主要断裂带走向基本没有发生大的变化，总体与基底断裂具有继承性（图4、7），说明基底先存构造对后期断裂发育位置与走向的制约。
玉北地区断裂走向与麦盖提斜坡、塘古孜巴斯坳陷区域构造应力场背景有密切关系[1112，3740]。塔里木盆地周边洋盆演化相关研究表明：南天山洋可能在海西早期以后开始俯冲和消减，海西晚期逐渐关闭，是一个东早西晚的“剪刀式”闭合过程[4142]；阿尔金—西昆仑洋可能在加里东中期开始俯冲和消减，海西早期逐渐关闭[43]，从构造背景来看逆冲断裂系统形成主要与加里东中晚期、海西早期后者的俯冲和碰撞造山有关[4447]。玉北地区发育NE向为主的逆冲断裂构造，与更易受南天山洋演化影响的巴楚地区主要发育NW向断裂构造明显不同，暗示加里东中期和海西早期玉北地区断裂构造与南天山洋演化可能不太密切。由此可以看出：加里东期、海西早期区域挤压构造应力主要来自SE向阿尔金—西昆仑洋地区，形成了一系列沿NE向展布的断裂；而海西晚期受南天山洋闭合和西昆仑造山带挤压应力影响改造，区域构造应力主要来自NW向[11，37，41，48]，玉北地区断裂系统受影响较小，断裂主要为继承性发育；至新生代，玉北地区反转沉降，属于西昆仑造山带前陆坳陷，总体上断裂活动微弱。
断裂分层分布受膏盐岩滑脱层控制。受中、下寒武统膏盐岩滑脱层控制，基底断裂向上终止于中、下寒武统阿瓦塔格组膏盐岩，逆冲滑脱断裂向下也同样终止于这套膏盐岩层系，膏盐岩很明显控制了这两套地层内的断裂分层延伸范围。断裂发育程度也与膏盐岩滑脱层变形发育程度有关。盐构造研究表明，挤压作用和重力负载都会触发盐构造变形的形成[49]。受加里东中期构造运动强烈挤压的影响，深层中、下寒武统盐岩层系发生塑性流动，形成断褶构造。重力负载包括剥蚀差异、沉积差异和构造变形差异等3类差异负荷作用。这3种重力负载在玉北地区东部和中西部之间都存在差异，玉北地区中西部在多期构造抬升中均处于相对高部位，东部处于相对低部位，东部与中西部具有强烈的差异剥蚀作用。另外，玉北地区东部断凹内沉积有厚达1 000 m的上奥陶统碎屑岩系，它具有较强的沉积差异负荷，与盐构造变形相互作用和互为因果；东部基底构造的发育和盐上断褶作用则进一步加强了盐岩层系的差异负荷。因此，在挤压作用和重力差异负载等影响下，膏盐岩主要在玉北地区东部构造带发生流动（图5），盐构造变形明显，相应的断裂发育程度较高，中西部膏盐岩层展布较为均匀，盐构造变形不太发育，相应的断裂发育程度较低。
上述分析表明，先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层共同控制了断裂发育位置、断裂走向和断裂分布。
4.2 断裂构造差异分布模式
玉北地区断裂主要在加里东中期形成。玉北地区东部断裂强烈冲断，中西部断裂相对较弱。断裂发育位置及其走向也主要在加里东中期定型，后期继承发育。因此，本文主要分析加里东中期断裂差异分布。
玉北地区东部与深部基底构造有关的断裂发育密集带是麦盖提斜披与塘古孜巴斯两个构造单元的过渡区域，是断裂构造发育的薄弱带，可能为塔里木盆地西南部古隆起的东部边界区域。玉北地区中西部断裂发育程度相对较弱，与航磁低异常带对应，不发育深部基底构造，可能为塔里木盆地西南部古隆起内部稳定区域。Hafner第一附加应力模式认为，断裂构造变形具有远离应力方向断裂发育逐渐减弱，断裂倾角逐渐增大的特征[50]。这与本区断裂差异构造变形特征较为吻合，进一步说明断裂构造差异变形与玉北地区东部处于构造薄弱带，靠近碰撞造山带有关，也与中西部处于稳定隆起区内部，远离断裂形成时期碰撞造山带有关。同时，玉北地区东部盐岩构造变形触发条件比中西部更为发育，因此，加里东中期断裂在东部更易发生。
加里东中期玉北地区断裂主要朝SE向逆冲，与区域构造应力方向相反，可能是受该区的隆坳格局中基底构造薄弱带和稳定带位置、地形关系等作用影响。从断裂控制的巨厚上奥陶统沉积可知，晚奥陶世玉北地区及其邻区隆坳格局的分异已十分强烈，玉北地区中西部发生隆升，缺失了上奥陶统大部分地层，东部塘古孜巴斯坳陷发生迅速沉降，连续沉积了巨厚上奥陶统碎屑岩层系。因此，在阿尔金洋俯冲和碰撞的影响下，塘古孜巴斯地区从早中奥陶世的碳酸盐岩台地背景转变为前陆坳陷，而玉北地区主体可能处于前陆隆起，玉北地区东部处于二者过渡区，形成构造斜坡地形，更易于盐岩层朝SE向塘古兹巴斯凹陷中滑动。在挤压作用和重力负载的共同影响下，断裂以类似于推土机工作原理[51]在区域滑脱层中向前陆坳陷被动逆冲，形成了玉北地区多排朝SE向逆冲的断裂构造带（图8）。
An∈为前寒武系
图8加里东中期断裂构造差异分布成因模式
Fig.8Genetic Model of Differential Distribution of Fault Structure at Middle Caledonian
5结语
（1）塔里木盆地玉北地区主要发育多排NE向逆冲断裂带和少数近EW向、NW向断裂带。断裂具有明显的分层构造变形特征，表现为受区域滑脱层和下古生界不整合面所限，自下而上分为盐下基底构造层、盐下上古生界构造层、上古生界构造层和新生界构造层。不同构造层变形样式和变形有差异，其中盐下基底构造以逆冲构造为主，盐上下古生界以盖层滑脱为主，上古生界和新生界以断层相关褶皱为主。自盐上下古生界至新生界，构造变形逐渐减弱。
（2）平面上断裂发育程度具有强烈的东、西差异特征。玉北地区东部断裂发育相对密集并强烈冲断，次级断裂更为发育，断裂以叠瓦冲断构造和逆冲三角带等为主，逆冲断裂抬升高，主断裂断距、缩短量和缩短率大；中西部断裂发育相对分散且冲断作用较弱，次级断裂不太发育，断裂以逆冲滑脱和高角度逆冲构造为主，主断裂断距、缩短量和缩短率小。
（3）加里东中期玉北地区主要断裂带均开始活动，此后经历了加里东晚期—海西早期、海西晚期和喜马拉雅期等多期活动。玉北地区东部和中西部断裂在多期活动中具有较大的差异：加里东中期东部断裂活动强，中西部断裂活动较弱；加里东晚期—海西早期、海西晚期东部断裂活动相对稳定，中西部断裂活动相对较强；喜马拉雅期断裂活动整体较弱，反映出断裂活动自东向西的迁移特征。
（4）玉北地区断裂发育位置、断裂走向和断裂分布受先存基底构造、构造应力场背景和膏盐岩滑脱层等因素的共同控制。加里东中期主要断裂形成并定型，断裂主要密集发育于稳定隆起区和稳定沉降区之间的斜坡区和构造薄弱带。在挤压作用和重力负载的共同影响下，断裂以类似于推土机工作原理沿中、下寒武统滑脱层向塘古孜巴斯坳陷被动逆冲，形成多排NE向并朝SE向逆冲的断裂构造带。
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