库车坳陷吐孜阿瓦特区块的地质构造特征与物理模拟

摘 要

库车坳陷吐孜阿瓦特区块的地质构造特征与物理模拟1． 中国石油塔里木油田公司 2．中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司 吴超等．库车坳陷吐孜阿瓦特区块的地质构造特征与物
库车坳陷吐孜阿瓦特区块的地质构造特征与物理模拟
1． 中国石油塔里木油田公司 2．中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司
 
吴超等．库车坳陷吐孜阿瓦特区块的地质构造特征与物理模拟．天然气工业，2012，32(5)：19-24．
    摘 要 吐孜阿瓦特区块位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏冲断带西段，处于多个构造带的交接部位，分为阿瓦特段和博孜段，盐上发育宽缓背驮向斜，盐下分为山前单斜带、盐下断褶带和前缘隆起带。该区块前缘发育阿瓦特逆冲断层，西缘发育走滑断层，东南缘发育包孜敦盐丘、温宿盐场盐丘和喀拉玉尔滚走滑断层。通过物理模拟实验，厘定了吐孜阿瓦特盐下变形机制，明确了阿瓦特段与博孜段同属盐盆地挤压变形，阿瓦特段挤压量为21 km，缩短率52.5％，博孜段挤压量为28 km，缩短率25.5％。同时，还搞清了吐孜阿瓦特盐盆地侧翼2条走滑断层的变形机制，认识到研究区内盐刺穿发育早于构造主要形成期，即盐刺穿从古近纪苏维依期开始，而构造主要发育期为新近纪康村期一库车期。该研究成果有助于区块内圈闭的落实及油气的发现。
    关键词 塔里木盆地 库车坳陷 吐孜阿瓦特区块 构造特征 盐底辟 物理模拟实验 圈闭落实 油气发现
    DOl：10．3787/j．issn．1000—0976．2012．05．005
1地质概况
吐孜阿瓦特区块位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏冲断带西段，处于多个构造区的交接部位。其西为乌什凹陷，东部与克拉苏冲断带的大北—克深区带相接，西南为温宿凸起，东南为拜城凹陷与秋里塔格冲断带的交接并消失的位置 [1](图1-a)。地面地质资料反映研究区构造变形非常复杂：在北部出露中生界地层，断层走向以近东西向为主；西部与乌什凹陷之间发育近南北向走滑断层；南部与秋里塔格冲断带及温宿凸起之间发育近南北走向的喀拉玉尔滚走滑大断裂[2]。研究区为库车坳陷油气勘探的新领域，其西部的乌什凹陷及东部均获得油气发现，展示该区较好的勘探前景[3-5]。因此研究吐孜阿瓦特区块的构造结构及变形特征，对该区圈闭落实及最终油气发现具有重要的现实意义。
2与盐层相关的构造特征
   吐孜阿瓦特地区沉积的地层以盐层为界分为3层：①以中生界和古生界组成的基底；②古新统—渐新统库姆格列木群(E1-2km)沉积的盐层；③渐新统—第四系组成的盐上地层，由老到新分别为苏维依组(E2-3s)、吉迪克组(N1J)、康村组(N1-2k)、库车组(N2k)和西域组(Q1x)。由于该区盐层发育，构造变形具有盐相关构造变形特征[6]。考虑盐顶、盐下目的层埋藏深度以及构造变形差异等因素将研究区自西向东划分为阿瓦特段和博孜段[6]，通过研究确定这两段的构造样式，同时分析研究区地面出露的盐底辟构造及其在地震剖面的特征。
图1 吐孜阿瓦特地区盐底辟构造图
 
 
2．1 阿瓦特段构造特征
    阿瓦特段北起北部构造带，向南推覆到温宿凸起之上，形成阿瓦特膏盐岩推覆体。
    阿瓦特段盐下发育北倾逆冲断层，最北部靠近山前发育F2逆冲断层，该断层以北中生界出露地表，由于野外地质调查未发现地表断层，说明F2隐伏在地表之下，古近系与白垩系之间为不整合。F2断层与F1断层之间发育多个逆冲断层和褶皱，形成向北抬高的叠瓦状逆冲断片。F1断层南为南温宿凸起边缘，该区发育中生代断陷盆地，这些断陷盆地被古新统库姆格列木群盐层覆盖，没有发生挤压变形(图2-a)。
    阿瓦特段盐上发育宽缓的背驮向斜，由E2-3s—Q的地层构成，向斜中心厚度在2.5 km左右，向斜南翼沿阿瓦特断层逆冲到温宿凸起之上，地层厚度明显薄于东部的博孜段和西部的鸟什凹陷等周缘区块。根据该段盐上N1-2k厚度差异推断，研究区中新世中、晚期开始抬升，上新世早期抬升速率加快，阿瓦特段局部残留明显薄于周缘的N2k进一步证实了这一观点。
    阿瓦特区块E1-2km盐层的构造变形可以分为2种类型：其一主要是在上覆岩层静岩压力作用下发生底辟构造变形，其二是在区域挤压应力作用下发生收缩构造变形[7-8]。由于阿瓦特区块盐上地层厚度薄，其盐层主要变形是在区域挤压应力作用下发生收缩构造变形，变形为不协调褶皱，在南部发生盐刺穿到地表。
图2阿瓦特段、博孜段构造解释模式图
2．2博孜段构造特征
    博孜段北侧山前古生界逆冲推覆于中生界之上，中生界高陡、倒转，第四系不整合于中生界之上，并且发生变形，表明北部构造带发生强烈的逆冲推覆(图2-b)。
    博孜段浅层为宽缓的向斜，构造变形微弱，同构造沉积特征清晰。浅层向斜北翼E2-3s发生前积作用，厚度由北往南减薄，表明渐新世盐岩在沉积差异负载作用下发生流动变形，形成早期盐撤凹陷；N1j—N1-2k下段地层基本等厚，仅在BZl井北侧发生微弱加厚；N1-2k上段和N2k—Q呈北薄南厚的楔状，地层倾角从深层到浅层变缓，为大型扇状生长地层，表明博孜段浅层向斜(晚期盐撤凹陷)开始形成于中新世晚期，并持续到现今。博孜段下伏盐岩发生侧向流动减薄，浅层凹陷北翼与基底直接接触，发育盐焊接构造。基底发育隐伏断层，形成叠瓦状逆冲构造，造成博孜段北翼抬升。
    博孜段盐层厚度明显薄于阿瓦特段，盐下构造变形受F1、F2断层控制，与阿瓦特段类似。
2．3盐底辟构造特征
    由于盐底辟是吐孜阿瓦特区块盐层变形的重要特征，对地面盐出露区及其在地震剖面上的特征进行了分析，确定了盐底辟变形时代及分布特点。在吐孜阿瓦特地区地面分布两处盐底辟：一处是北部的包孜敦盐底辟，另一处是南部的温宿盐场盐底辟(图1-a)。
    包孜敦盐底辟(图1-a)位于吐孜阿瓦特的阿瓦特段和博孜段的北部交界处，盐丘西北是阿瓦特段，而盐丘的东南部是博孜段。过包孜敦盐底辟的地震测线(图1-b)显示了明显的盐底辟反射特征，该特征与地面出露的盐层的位置完全一致，表明地面的盐层是由地下刺穿到地面。同时地震剖面反映包孜敦盐底辟西边新生界厚度在2 km左右，而东边的博孜段新生界沉积厚度超过6 km，说明阿瓦特段和博孜段构造变形存在差异。
    温宿盐场(图-a)位于阿瓦特和温宿凸起、拜城凹陷的交界处，穿过地面的阿瓦特断层。野外调查发现在温宿盐场北部的E2-3s和N1j出现了边缘向斜，说明在E1-2km盐岩沉积之后即出现了原始的盐构造，在上覆地层的重力作用下，盐岩开始形成盐底辟，之后上覆地层继续沉积，而盐岩继续底辟，从而形成了现今的边缘向斜。之后在断层的作用下整体抬升，使得部分盐流动到上覆地层之上。而在盐场南部，野外工作发现盐岩流动在近直立的上覆N1j之上。综上分析，盐是从北部底辟出露地表，然后再向南流动，最终在断层的推覆作用下，覆盖在上覆地层之上。
2．4构造分带性及断裂特征
根据构造样式的不同，将吐孜阿瓦特分为3个构造区带，由北至南分别为：①北部单斜带——主要由中生界地层组成基底，该区古构造发育，被后期挤压破坏，位于F2断层上盘；②盐下断褶带——位于盐丘北部，盐上地层被动抬升发育宽缓的背驮式向斜，盐下发育叠瓦状逆冲断层和背斜；③前缘隆起带——位于温宿凸起边缘，保留中生代断陷盆地(图2)。
地面断裂：吐孜阿瓦特前缘发育阿瓦特逆冲断层，西缘与乌什凹陷交界处发育走滑断层，东南缘与博孜段以及拜城凹陷、温宿凸起交界发育包孜敦盐丘、温宿盐场盐丘和喀拉玉尔滚走滑断层。以喀拉玉尔滚走滑断层西部发育阿瓦特断层、东部发育却勒断层(图1-a)。
    地下断裂：地下主要发育大型逆冲断裂将北部抬升至地表，使中生界出露的断穿基底的F2断裂，以及南部控制逆冲推覆体范围的断穿基底的F1断裂，在F1、F2断裂之间还发育多条小的断裂(图2)。
3物理模拟实验
 构造物理模拟是目前研究构造变形过程与成因机制有效手段之一。其实质是通过对研究对象的组合特征，利用相似条件选择试验材料，研究随应变量增加模型的变形特征和演化过程[9-11]。
3．1物理模拟相似性原则及实验材料的选择
    物理模拟要求实验室里的实验模型与自然界中的构造原型之间几何学、运动学及动力学相似。几何学相似即实验模型与地质原型在不同方向上比例尺相同；运动学相似要求实验模型的变形过程与地质原型相似；动力学相似要求地质原型所受的力在实验模型中均缩小相同的比例。根据相似性原则，实验中用干燥松散的纯石英砂来模拟沉积岩，用透明的硅胶来模拟塑性盐岩；同时可计算出物理模型与地质原型之间的应力缩放比例、时间缩放比例、应变率缩放比例以及位移速率缩放比例，从而得到挤压速率。
    根据吐孜阿瓦特变形特征，设计了针对两组二维模型研究阿瓦特段和博孜段变形特征及差异。为了得到理想的模拟效果，每组进行了5～6次实验，文中展示的是与实际构造变形最符合、效果最好且基本能恢复构造变形过程的结果。
3．2 实验l——阿瓦特段变形实验
    实验的边界条件由剖面的解释方案给出，具体参数如下：基底厚度为4 km；山前宽度为5 km；盐盆地宽度为40 km；盐层厚度为2 km；重力负载为(模拟盐底辟)1 km；挤压开始时间为N1J中段，12 Ma；(挤压后)同沉积地层厚度为2 km；挤压量为11.3 km(最小值)；挤压速率为7.2 mm/h。
    该实验参数设计上包括可调与不可调2种。根据相似性原则，新生界沉积厚度、盐厚度、挤压速率等均为不可调，而山前宽度、基底厚度、挤压量等均为可调。
    根据实际二维地震的解释方案以及参数，设计了吐孜阿瓦特地区的二维物理模拟实验模型，实验设计图如图3-a所示。实验模型长31 cm，宽30 cm，放置
在水平面上。基底石英砂厚度2 cm，模拟实际基底地层4 km，硅胶厚度1 cm，模拟实际盐层厚度2 km。该实验基底无滑脱层，用石英砂模拟硬性地层，用硅胶模拟盐岩(图3-a)。
    实验模拟重力负载(盐底辟)以及挤压两个过程。重力负载用白色以及蓝色石英砂标识，挤压过程用白色以及红色石英砂标识。各种颜色的石英砂在物性上完全一致。实验时，模型的左端固定，右端(移动端)活塞在微机控制的马达驱动下往左移动，模拟构造挤压，同时用红色和白色的石英砂进行同构造沉积的模拟。整个变形过程中，重力负载阶段不考虑剥蚀，在挤压阶段中，对于喷出地表的硅胶进行剥蚀。实验结束后对山前构造带进行一次剥蚀以显示其构造特征。实验l总挤压量为105 mm，相当于实际缩短量21 km。
图3 阿瓦特段物理模拟结果与实际地震剖面对比图
 
 
    图3-b是该实验结束后处于模型中心位置切面的解释结果，可作为该实验的典型代表剖面进行分析。根据实验，在重力负载阶段，硅胶在上覆层沉积差异负载作用下，发生被动底辟。随后在挤压作用力下，基底表现为一系列的逆冲叠瓦构造，发育方式为前展式，在总挤压量l05 mm的情况下，基底共发育4排逆冲叠瓦构造，该4排构造最北边断层即盐上盆地的北边界，而最南边变形前缘大致位于盐上盆地沉积的中心位置。断层倾角30°～40°，由于变形机制为前展式，所以基底构造终止于该位置，断层F1南面的基底不发生构造变形。在整个实验过程中，并未发现反向断层或突发构造。
    在盐的滑脱作用下，盐上层变形与盐下层变形不协调。盐上层主要表现为幅度很小的向斜盆地和推覆距离很大的逆冲推覆体，盐下前缘断层在挤压作用下即开始形成，直至挤压最终结束，始终在活动。而盐上负载则在盐的滑脱作用下推覆至盐盆地南边的硬性地层之上，并由于盐的聚集作用和基底的抬升作用，盐上
覆层被动抬升，与南边硬性地层之上的沉积厚度差异巨大。
    从实际地震剖面与物理模拟的结果对比图(图3-b、c)来看，该实验基本将阿瓦特段的构造变形情况真实地再现了出来，物理模拟的构造形态与地震剖面基本一致：盐下发育4排叠瓦逆冲断层，与地震剖面一致；物理模拟剖面断层倾角约30°，地震剖面断层倾角40°，二者基本吻合。该实验在边界条件的设计上和构造变形的过程上与真实情况基本一致，符合相似性原则，可以作为对该地区构造解释的有效证据。
3．3 实验2——博孜段变形实验
    博孜段位于阿瓦特地区东部，地震资料解释方案显示(图4)，盐上为一个巨大宽缓的向斜，该地区的新生界沉积厚度为7～8 km，远大于相邻的吐孜阿瓦特地区，基底主要表现为逆冲叠瓦状构造，盐层厚度较薄，调节了基底与上覆层之间的差异变形。由于该段的变形一直延伸到南部的却勒区块，物理模拟实验也延伸到却勒区块。
实验的边界条件由解释方案给出，具体参数如下：基底厚度为4 km；山前宽度为5 km；盐盆地宽度为70km；盐层厚度为2 km；重力负载为(模拟盐底辟)2 km；挤压开始时间为N1J中段，12 Ma；(挤压后)同沉积地层厚度为5.5 km；挤压量为20 km；挤压速率为7.2 mm/h。
图4博孜段物理模拟实验图
与实验1类似，该实验参数设计上包括可调与不可调2种。其中，新生界沉积厚度、盐厚度、挤压速率等均为不可调，而山前宽度、基底厚度、挤压量等均为可调。
    本实验采用早期有盐刺穿(模型一)与早期无盐刺穿(模型二)两个模型，来验证盐底辟的存在性及发育时间。
    模型一长56 cm，模拟实际剖面长度为ll2 km，宽30 cm。基底用蓝色和白色石英砂铺设，厚度为2cm，模拟实际基底厚度为4 km；盐层用无色透明硅胶进行模拟，厚度为l cm，模拟实际厚度为2 km；盐上地层用白色、蓝色和红色石英砂进行模拟，总厚度为3.8 cm，模拟实际地层厚度为7.6 km。不同颜色石英砂之间物性完全相同(图4-a)。
模型一共由2部分过程构成：①早期重力负载阶段，用蓝色和白色石英砂模拟，每次沉积厚度控制在2～3 mm，分4次加完，每次间隔约3 h，总厚度为1 cm，模拟实际厚度为2 km，在距离挤压端35 cm处模拟了一个初始盐底辟，不考虑剥蚀作用；②挤压阶段，用白色和红色石英砂进行模拟，实验时，实验左端固定，右端(移动端)活塞在微机控制的马达驱动下往左移动，模拟构造挤压。挤压速度为7.2 mm/h。在挤压的同时，加红色和白色石英砂以模拟同构造沉积作用，总厚度为2.8 cm，模拟实际地层厚度为5.6km，同时对喷出地表的硅胶进行剥蚀。实验2总挤压量为l4 cm，模拟实际挤压量为28 km。图4-b为实验2模型一的一条典型切面，该切片处于模型中心位置，消除实验装置侧面边界效应的影响，可以作为代表剖面对该实验进行分析。基底的构造样式表现为叠瓦状构造，变形方式为前展式，在14 cm的挤压量下，共发育了5排逆冲叠瓦构造，断层初始角度介于30°～40°。
基底变形将盐上的向斜北翼整体抬升，最前端的断层F1，位于向斜沉积中心北边，角度约为40°，F1的南边基底不再发生构造变形。盐上地层在初始盐底辟位置发育了推覆距离很大的前缘逆冲断层，并持续活动。以该前缘断层为界，北端发育为盐撤凹陷，呈巨大的向斜形态，向斜的南北两翼均可见红白色石英砂逐渐减薄，为典型的生长地层形态，代表伴随挤压的同构造沉积地层，前缘断层上盘是博孜段浅层向斜的南翼。前缘断层南端为幅度较小的却勒区块的米斯坎塔克背斜，背斜的北翼即为推覆体的下盘，南翼是未变形的盐上沉积。
    为确定是否存在早期发育的盐底辟，还进行了未设计初始盐底辟的模拟实验(模型二)，模型长60 cm，模拟实际剖面长度为120 km，宽为30 cm。采用同样的方式进行实验，得到了实验结果(图4-e、f)。
    图4-c、d、f为物理模拟实验的解释方案与实际地震资料解释方案的对比，显然只有早期存在盐底辟的模拟实验结果与地震剖面吻合，早期不存在盐底辟的
模拟实验结果与地震剖面不一致。由图4-c、d可见，物理模拟的构造形态与地震剖面基本一致：盐下发育5排逆冲叠瓦构造，断层倾角40°与地震剖面吻合；前缘断层下盘发育盐背斜，盐下不发育逆冲断层。实验结果向斜的北翼抬升较之实际剖面略高，这是由于实验材料和性质所限，叠瓦状构造会比自然界的真实情况更靠近挤压端。实验2模型一也基本满足相似性原则，可作为研究博孜段的有效证据。
    阿瓦特段、博孜段物理模型显示这两个区块同属盐盆地挤压变形，阿瓦特段挤压量为21 km,缩短率为52.5％，博孜段挤压量为28 km，缩短率为25.5％。说明阿瓦特段变形较博孜段更强烈。
4变形历史及主控因素
    通过构造解释方案和物理模拟实验，吐孜阿瓦特地区的构造期次主要分为4期(图5)。
 
图5 阿瓦特构造演化史图
    1)中生代及之前沉积了基底地层并形成了先存构造。
    2)古近纪—新近纪中新世早期，吐孜阿瓦特地区主要沉积了库姆格列木群(E1-2km)膏岩盐及上覆层苏维依组(E2-3s)和部分吉迪克组(N1j)，该阶段为构造相对平静期，主要是在上覆层差异负载的作用下盐层发生流动，在盐盆地的南边界发育被动盐底辟，形成早期盐构造。
    3)新近纪中新世中、晚期—上新世早期康村期(N1-2k)开始，南天山开始隆升，该区挤压开始，使得吐孜阿瓦特地区盐下基底开始抬升，并发育逆冲叠瓦构造，盐上覆层则发育为逆冲推覆体。
    4)上新世—第四纪，南天山开始强烈快速抬升，吐孜阿瓦特地区受到强烈挤压，继续发育和改造先前的盐构造和逆冲推覆构造。
    地震解释方案与物理模拟实验同时指示了该地区构造演化过程中构造变形的主控因素，主要包括以下几点。
    1)盐的沉积范围。对比阿瓦特段及博孜段可知，在挤压量相差不大的情况下，基底的隆升可以将阿瓦特段整体抬升，而博孜段由于盐盆地较宽则只有向斜的北翼被抬升，造成此差异的主要原因是盐盆地宽度。由于博孜段的盐盆地宽度为70～100 km，所以基底构造只能将向斜的北翼抬升，而无法将向斜整体抬升，所以该地区发育了沉积量巨大的盐撤凹陷，新近系沉积厚度约7 km。往西到阿瓦特段盐盆地南北向宽度的急剧缩小至40 km左右，在挤压量基本相同情况下，阿瓦特段的构造变形的缩短率是博孜段的两倍，致使该段基底的抬升量及盐岩的聚集厚度均较大，从而将阿瓦特段抬升至较高的位置，导致阿瓦特段盐上沉积的上新世库车组(N2k)厚度远薄于博孜段，新生界沉积最厚处只有3 km左右。这也是阿瓦特段盐上地层厚度明显小于西部的乌什凹陷、南边温宿凸起的厚度的原因。
    2)早期的盐构造。早期的盐底辟对现今的构造格局起着明显的控制作用，早期盐底辟的位置直接决定了先存构造变形的前缘位置。在没有早期盐底辟的情况下，构造前缘就是盐盆地边缘；存在早期盐底辟的情况下，盐底辟位置地层应变强度会弱于无底辟的地区，从而变为构造优先发育的位置，因此后期的挤压将会破坏原先的盐底辟，并在该位置发育逆冲断层，形成构造的前缘。而盐底辟南边地层则往往发育为幅度很小的盐背斜。
    3)区域构造应力及强度。分析地震资料解释方案我们可以发现，不同时期的构造应力变化是决定不同盐构造形态的最主要因素。在中新世之前，研究区域处于构造的平静期，构造的主应力为重力，因此主要发育被动盐底辟等构造，而在中新世及上新世以来的挤压使得研究区的主应力变为南北向的挤压应力，从而以发育挤压型盐构造为主并对先存构造进行了改造。
5 结论
1)吐孜阿瓦特盐下发育逆冲断层，盐上发育宽缓背驮向斜。分为3个带：山前单斜带、盐下断褶带、前缘隆起带。
    2)吐孜阿瓦特周缘发育断层：阿瓦特逆冲断层、吐孜阿瓦特西缘发育盐上走滑断层，同时地层受走滑的拖曳作用而形成褶皱、吐孜阿瓦特东缘发育包孜敦盐丘、温宿盐场盐丘和喀拉玉尔滚走滑断层。
    3)物理模拟实验显示阿瓦特段、博孜段同属盐盆地变形，前者挤压量为21 km(缩短率52.5％)，后者挤压量为28 km(缩短率25.5％)。
    4)吐孜阿瓦特构造主要分为2期：①早期发育盐底辟构造，吐孜阿瓦特南北两翼发育盐丘；②上新世南天山开始强烈抬升，吐孜阿瓦特地区受到强烈挤压，发育盐下逆冲断层。
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本文作者：吴超l 谢会文1 李勇l 唐怡2 李青l 陈元勇1
1.中国石油塔里木油田公司 2.中国石油川庆钻探工程公司地球物理勘探公司