塔北-塔中區(qū)域構造地質大剖面解析及古隆起成因新解

劉長磊,張藝瓊,張 永,孫方源,陳槚俊,何登發(fā)

[中國地質大學(北京) 能源學院,北京 100083]

下古生界碳酸鹽巖是塔里木盆地非常重要的油氣勘探層系。前期勘探成果表明,在中深地區(qū)古生界寒武系鹽下蘊藏了豐富的油氣資源[1-5]。塔北隆起和塔中低凸起作為塔里木盆地典型的古生代古隆起,是盆地內重要的勘探區(qū)域。通過對古隆起古斜坡的重點勘探,在沙雅隆起南坡、塔中低凸起北斜坡的下古生界碳酸鹽巖層系內都取得了重大的勘探突破,發(fā)現(xiàn)了輪南、東河塘、輪臺、哈拉哈塘、塔河和塔中等油氣田。前人對塔北隆起和塔中低凸起的斷裂系統(tǒng)特征、構造演化期次、形成過程、控儲機理、油氣藏聚集與分布等方面進行了深入系統(tǒng)地研究[3,6-17]。隨著近年來塔北隆起和塔中北斜坡三維地震資料的豐富和完善,對古隆起的研究和認識取得了新的進展[18-20]。借助于高精度三維地震資料,在塔中北斜坡發(fā)現(xiàn)了順北油田和順南氣田,成為塔里木盆地石油勘探的新亮點[21]。

基于前人對塔北和塔中兩大古隆起取得的成果和認識,本文通過對過塔北隆起和塔中低凸起的一條二維區(qū)域構造地震大剖面進行精細解析和刻畫,揭示了不整合面和斷裂幾何學特征,并對兩個古隆起的形成演化提出了新的見解,旨在對比分析塔北和塔中古隆起在地層發(fā)育、斷裂幾何學和形成演化等方面的內在聯(lián)系和差異,為研究古隆起成因演化提供新的思路。

1 區(qū)域地質概況

塔里木盆地是一個長期發(fā)育的大型疊合復合盆地[16,22-23],具有“隆坳相間”的構造格局,周緣分別為南天山造山帶、西昆侖造山帶和阿爾金造山帶。

塔北隆起位于塔里木盆地北部(圖1),是塔里木盆地油氣最富集的構造單元之一。塔北隆起北部為庫車坳陷,向西為阿瓦提凹陷,向南為滿加爾凹陷,平面上可劃分為庫爾勒鼻狀凸起、輪臺凸起、輪南低凸起、英買力低凸起和溫宿鼻狀凸起等5個次級構造單元[13]。塔中低凸起位于塔里木盆地中央隆起帶的中央地帶,是一個形成于早古生代的古隆起[24-25],向北與滿加爾凹陷相接,向西和巴楚隆起相鄰,向東延伸至塔東隆起,向南與塘古孜巴斯坳陷相接,平面上可劃分為塔中北斜坡、塔中南斜坡、中央主壘帶和東部潛山等4個次級構造單元。

2 地層發(fā)育特征

根據(jù)塔北和塔中地區(qū)最新的鉆井、地震資料,建立了塔北-塔中地區(qū)的地震-地層系統(tǒng)(圖2)。

圖1 研究區(qū)構造單元劃分及地震測線位置Fig.1 Tectonic unit division and locations of seismic lines in the study area

塔北隆起自震旦系到新生界均有發(fā)育,隆起自南斜坡向塔北隆起中部的輪臺凸起和英買力地區(qū),受強烈抬升剝蝕作用,古生界由南向北逐漸減薄缺失,白堊系以角度不整合覆蓋于寒武系之上,中、新生界北厚南薄。塔中低凸起從震旦紀—第四紀地層發(fā)育齊全,震旦系和志留系從兩翼向隆起區(qū)逐漸減薄缺失,塔中地區(qū)整體缺失侏羅系。受加里東中晚期和海西早期構造活動的影響,塔中低凸起中央主壘帶地層剝蝕作用強烈,缺失志留系和中-下泥盆統(tǒng),局部地區(qū)缺失上奧陶統(tǒng)和泥盆系,上覆石炭系以高角度不整合覆蓋于下奧陶統(tǒng)之上。

圖2 塔北-塔中地區(qū)地震-地層綜合柱狀圖Fig.2 Seismic-stratigraphic composite column in the North and Central Tarim Basin

沉積特征上,塔北-塔中地區(qū)寒武系-奧陶系為海相沉積,志留系-二疊系為海陸交互相沉積,三疊系-第四系為陸相碎屑巖沉積。

3 構造地質剖面解析

本文選取了一條塔里木盆地中部南北向構造地震大剖面(圖1),依據(jù)斷層相關褶皺理論[23,26],對其進行了精細解析和刻畫(圖3),并選取了一條過塔北隆起軸部的南北向構造地震大剖面進行對比解析(圖4)。

3.1 構造幾何學特征

剖面A—A′構造單元從南向北依次為塔東南隆起、塘古孜巴斯坳陷、塔中低凸起、滿加爾凹陷、塔北隆起,地層從震旦系到第四系發(fā)育齊全(圖3)。塔東南地區(qū)缺失中生界,二疊系與上覆古近系呈角度不整合接觸。震旦系在塔中低凸起高部位缺失,寒武系厚度穩(wěn)定,局部因發(fā)育滑脫斷層而加厚,上奧陶統(tǒng)從塘古孜巴斯坳陷和滿加爾凹陷向塔中低凸起逐漸減薄,在塔中低凸起高部位剝蝕嚴重,缺失中奧陶統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)部分地層、志留系、泥盆系和侏羅系。在塔北地區(qū),下古生界剝蝕嚴重,輪臺斷裂使奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系均遭受剝蝕,白堊系以角度不整合覆蓋于寒武系之上。塔北地區(qū)不整合面廣泛發(fā)育,白堊系底界為一個穿時不整合面,削截下伏多個地層。中、新生界由南向北傾斜,地層發(fā)生明顯加厚(圖4)。

斷裂體系在塔東南地區(qū)、塔中低凸起和塔北隆起較為發(fā)育。塔東南隆起發(fā)育從南向北沖斷的逆沖斷裂帶,并發(fā)育數(shù)條反沖斷層,逆沖斷裂帶引起上覆地層強烈變形。塔中低凸起基底發(fā)育一條大型斷層轉折褶皺,使上覆地層向北沖斷,形成塔中Ⅰ號構造帶,中央主壘帶發(fā)育多條滑脫斷層,收斂于中寒武統(tǒng)膏鹽層之中,上覆地層受斷層活動影響,產生強烈的褶皺變形。

從地震剖面上看(圖3),塔中低凸起具有明顯的雙層結構。石炭系之下構造變形強烈,石炭系之上構造活動相對穩(wěn)定。塔中低凸起在下古生界表現(xiàn)為古隆起的形態(tài),石炭系之上則為寬緩的背斜。塔北隆起基底發(fā)育斷層轉折褶皺,輪臺斷裂從北向南沖斷,并形成多條反沖斷層。從地震剖面A—A′上可以看出,輪臺斷裂對先存反向逆沖斷層的改造作用強烈,上古生界遭受大面積抬升剝蝕,基底與中生界不整合接觸,以新生界吉迪克組為滑脫層,新生代發(fā)育多條滑脫斷層及復雜褶皺。同時,在地震剖面上,隆起之上的中新生界發(fā)育一系列小規(guī)模的正斷層組合(圖4)。

圖3 塔里木盆地中部近南北向構造地震大剖面(剖面A—A′，位置見圖1)Fig.3 Nearly NS-trending structural cross section in the central Tarim Basin(see Fig.1 for the location of section A-A′)a.原始地震剖面；b.解釋地震剖面；c.地震剖面線條圖

圖4 塔北隆起中部近南北向構造地震大剖面(TLMZ45+DQ263)Fig.4 Nearly NS-trending structural cross section in the central Tabei uplift(TLMZ45+DQ263)a.原始地震剖面；b.解釋地震剖面；c.地震剖面線條圖Flt.輪臺斷裂;Febt.牙哈-二八臺斷裂;Fyyg.野云溝斷裂; Fdn1.迪那南緣斷裂;Fyn.依南構造帶斷裂;Fyn.依奇克里克斷裂;Fj.基巖內幕折離斷裂;Ftn.庫車南斷裂

3.2 不整合面特征

受多期構造運動活動的影響,塔北-塔中地區(qū)的不整合面極為發(fā)育(圖5)。在地震剖面上可識別出塔北-塔中地區(qū)9個主要不整合面。

表現(xiàn)為寒武系與下伏震旦系之間的削截不整合,該不整合面主要分布在塔中地區(qū)(圖5a)。

表現(xiàn)為上-下奧陶統(tǒng)之間的低角度不整合接觸,中奧陶世以后,塔里木盆地整體轉換為擠壓構造環(huán)境,中奧陶統(tǒng)普遍抬升遭受剝蝕,該不整合面在塔北和塔中地區(qū)較為發(fā)育(圖5b)。

志留系在塔北和塔中地區(qū)均遭受較強的剝蝕作用,地層由翼部向隆起高部位減薄缺失,與下伏上奧陶統(tǒng)呈高角度不整合接觸,該不整合面是加里東晚期構造活動的結果(圖5c)。

圖5 塔北-塔中地區(qū)主要不整合面類型Fig.5 Types of main unconformities in the North and Central Tarim Basina.寒武系底界削截不整合；b.上奧陶統(tǒng)低角度不整合；c.志留系、上泥盆統(tǒng)底界高角度不整合；d.石炭系底界高角度不整合；e.三疊系底界角度不整合；f.白堊系底界削截不整合；g.古近系底界高角度不整合；h.第四系底界平行不整合

塔北隆起和塔中低凸起中-下泥盆統(tǒng)均遭受剝蝕,上泥盆統(tǒng)東河塘組與下伏地層以高角度不整合接觸,該不整合面的形成主要受海西早期構造運動的影響(圖5c)。

該不整合面在塔北隆起軸部較為發(fā)育,表現(xiàn)為上泥盆統(tǒng)與石炭系呈高角度不整合接觸,在塔中低凸起主要發(fā)育于中央主壘帶,石炭系以高角度不整合覆蓋于下伏奧陶系之上(圖5d)。

該不整合面主要分布在塔北地區(qū),二疊系由斜坡帶向隆起高部位減薄,與上覆三疊系呈角度不整合接觸(圖5e)。

該不整合面在塔北地區(qū)隆起高部位普遍發(fā)育,并具有穿時性,下伏石炭系、三疊系、侏羅系被上覆白堊系削截,該不整合面屬于印支期構造活動侵蝕面(圖5f)。

該不整合面主要發(fā)育在塔東南地區(qū),受車爾臣斷裂活動的影響,中生界被大范圍剝蝕,古近系以高角度不整合削截下伏地層。在塔北地區(qū),該不整合面之下缺失中-上白堊統(tǒng),古近系庫姆格列木群直接覆蓋于下白堊統(tǒng)之上(圖5g)。

該不整合面是喜馬拉雅運動活動形成的不整合面,與下伏新近系呈平行不整合接觸(圖5h)。

3.3 年代-地層格架

根據(jù)南北向構造地震大剖面A—A′,刻畫出其年代-地層格架剖面(圖6),可以更直觀的對比分析塔里木盆地中部由南向北的地層和不整合發(fā)育情況。震旦系從塘古孜巴斯坳陷和滿加爾凹陷向塔中低凸起削截,缺失年限約100 Ma,寒武系發(fā)育完整,為一套穩(wěn)定的海相沉積,中奧陶統(tǒng)在塔中地區(qū)整體缺失,年限約10 Ma,上奧陶統(tǒng)在塔中地區(qū)為一套礁灘相沉積。志留系和中-下泥盆統(tǒng)剝蝕嚴重,在滿加爾凹陷發(fā)育較為完整,缺失年限約70 Ma,上泥盆統(tǒng)東河塘組厚度較為穩(wěn)定,石炭系、二疊系在塔北地區(qū)局部缺失,年限約100 Ma。三疊系在塔東南遭受剝蝕,向北未有大范圍剝蝕,侏羅系在塔北地區(qū)局部發(fā)育,向南逐漸減薄缺失,年限約55 Ma,白堊系從北向南減薄缺失,年限約75 Ma,新生界整體發(fā)育齊全,未有大幅度剝蝕。受不同時期構造活動影響,兩大古隆起的不整合面在古生界廣泛發(fā)育(圖6),中新生界局部發(fā)育。塔中低凸起的地層缺失集中在下古生界,不整合面多為區(qū)域不整合面,塔北隆起古生界缺失嚴重,上古生界剝蝕殆盡,形成多期不整合面。

3.4 斷裂活動特征

根據(jù)對構造地震大剖面的軸面分析(圖3,圖4),結合地層變形及斷裂發(fā)育特征,從塔東南隆起到塔北隆起的基底變形,基本符合斷層轉折褶皺形態(tài)。

圖6 塔北-塔中地區(qū)年代-地層格架剖面Fig.6 Chrono-stratigraphic framework profile of the North and Central Tarim Basin

前期研究表明,新元古代南北塔里木板塊完成碰撞拼合,拼合過程中在中央隆起帶發(fā)生碰撞造山,并在塔中北緣形成了高磁異常帶,碰撞造山使塔中地區(qū)存在近東西向及北東向的地殼薄弱帶[27]。受西昆侖造山帶的影響,中奧陶世以后,由南向北的沖斷作用使基底開始活動,塔中基底發(fā)育大型斷層轉折褶皺。由基底斷層轉折褶皺產生的位移,一部分被塔中低凸起吸收,一部分經(jīng)過滿加爾凹陷,繼續(xù)向塔北地區(qū)傳遞。基底斷層轉折褶皺在塔中地區(qū)形成了以塔中Ⅰ號構造帶為代表的北西向逆沖斷裂體系,塔北地區(qū)亦在斷層前翼發(fā)生沖斷活動,在基底斷層之上形成早期的逆沖斷裂帶。

加里東中晚期—海西早期,是基底斷層活動的主要時期,也是兩大古隆起形成的主要時期。海西晚期—印支期,南天山的褶皺-沖斷作用,使塔北隆起遭受由北向南的強烈擠壓作用,發(fā)生大規(guī)模構造變形,在塔北隆起北側形成沙雅-輪臺斷裂帶,該斷裂帶對早期反向逆沖斷層強烈改造?；讛鄬愚D折褶皺的前翼因由北向南的沖斷作用而遭受破壞,在地震剖面上難以識別出前翼的向斜軸面。

從地震剖面上可以看出(圖3),塔北隆起和塔中低凸起的成因具有一定的相似之處,二者均受基底斷層控制,吸收了基底斷層轉折褶皺由南向北傳遞的位移。塔中低凸起是受基底斷層轉折褶皺活動而隆升形成的早古生代古隆起,地震剖面上可以清晰地識別出斷層轉折褶皺的向斜軸面和背斜軸面。塔北隆起是由南向北傳遞的位移傳至塔北地區(qū)時,基底再次形成斷層轉折褶皺,從而引起地層抬升,形成隆起。塔中低凸起形成后,以繼承性活動和微弱改造為主,中新生界斷層活動較弱。塔北隆起形成后,被南天山褶皺帶沖斷作用強烈改造,并在中新生界發(fā)育張扭性斷裂系統(tǒng)。

4 形成演化特征

盆地周緣洋盆的開啟、閉合與造山活動是古隆起深層斷裂及古隆起形成演化的主要動力學機制。本文通過對區(qū)域構造地震大剖面的精細解析,并根據(jù)兩大隆起的地層發(fā)育和不整合面特征、斷裂發(fā)育特征、地質結構特征,對塔北、塔中古隆起的成因提出了新的認識(圖7)。

加里東早期,受海侵活動影響,盆地內發(fā)育多個碳酸鹽巖臺地(圖7a)。早奧陶世末,受塔里木盆地自南向北的擠壓應力作用,前寒武紀基底轉折破裂,形成基底斷層轉折褶皺,基底斷層前緣形成沖斷體系,使中上奧陶統(tǒng)和志留系遭受大面積剝蝕,中奧陶世—志留紀是塔北和塔中地區(qū)基底斷層轉折褶皺強烈活動的時期,地層持續(xù)抬升,古隆起初見雛形(圖7b)。

海西早期,受南天山活動影響,塔里木盆地的持續(xù)擠壓應力引發(fā)自北向南的沖斷活動,形成了以輪臺斷裂為主的逆沖斷裂體系(圖7c),對塔北古隆起造成了破壞和改造作用。在此時期,塔中地區(qū)受擠壓持續(xù)抬升,中-下泥盆統(tǒng)被剝蝕殆盡,形成多個區(qū)域不整合面。海西晚期,受南天山洋閉合和造山活動影響,南天山褶皺帶與庫車早期前陸盆地形成并在前陸盆地之下形成一系列疊瓦狀逆沖斷裂帶(圖7c),塔北隆起繼續(xù)遭受由北向南的強烈擠壓作用,發(fā)生大規(guī)模構造變形,基底斷層活動減弱,塔北地區(qū)的輪臺斷裂繼續(xù)活動,塔中地區(qū)斷裂活動也明顯減弱,塔中古隆起基本定型。

中、新生代,塔中古隆起以微弱改造調整和深埋為主,古隆起保存完整(圖7d)。塔北隆起經(jīng)歷燕山期—喜馬拉雅期的緩慢沉積調整后,地層縮短程度減緩。經(jīng)歷了喜馬拉雅晚期的構造活動后,庫車山前帶地層強烈擠壓縮短變形,塔北古隆起再次遭受強烈的改造作用(圖7e)。

5 結論

1) 結合最新的鉆井和地震資料,塔北-塔中地區(qū)可識別出寒武系底界、上奧陶統(tǒng)底界、志留系底界、上泥盆統(tǒng)底界、石炭系底界、三疊系底界、白堊系底界、古近系底界和第四系底界等9個不整合面。根據(jù)不整合面的發(fā)育特征,可以看出,塔北隆起古生界、中生界構造運動較為強烈,地層遭受大面積剝蝕,塔中低凸起不整合面集中發(fā)育在古生界,指示塔中地區(qū)在古生代經(jīng)歷強烈構造運動。

2) 基底大型斷層轉折褶皺是塔北隆起和塔中低凸起形成的主要原因,由南向北的擠壓應力所產生的地層位移,被塔中低凸起吸收后繼續(xù)經(jīng)滿加爾凹陷向塔北地區(qū)傳遞,最終被塔北隆起吸收,形成古生代古隆起。

3) 塔北隆起形成后,受南天山褶皺帶沖斷作用的影響,由北向南的擠壓作用使古生代隆起遭受破壞,斷層轉折褶皺前翼被反向沖斷而不易識別。塔中低凸起形成后,以繼承性活動和微弱改造作用為主,新生界進入快速埋藏期,古隆起未遭受大范圍的破壞作用,隆起具有明顯的雙層結構,下古生界表現(xiàn)為古隆起形態(tài),石炭系之上表現(xiàn)為一個寬緩的背斜形態(tài)。