塔里木盆地西北缘古木别孜断裂变形特征和构造转换

帕日地古丽·布苏克，谢会文，程晓敢，吴超，张欲清，徐振平，林秀斌，陈汉林

（1.浙江大学地球科学学院，杭州 310012；2.教育部含油气盆地构造研究中心，杭州 310012；3.中国石油塔里木油田勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000）

0 引言

新生代早期欧亚板块和印度板块持续碰撞汇聚导致了在晚古生代形成的南天山造山带的再次隆升，并向塔里木盆地大规模逆掩推覆和南北向地壳缩短，形成了现今南天山褶皱冲断带[1-7]。南天山山前褶皱冲断带在横向上具有明显的南北分带、东西分段的构造特征[8-9]，在东西方向上可以划分为库车段、乌什段、柯坪段和喀什北缘段。而且每一段中变形也存在差异，尤其是库车段，由于膏盐滑脱层分布的影响，库车段的构造格架从东到西存在非常明显的差异[10-12]。乌什段位于库车段西侧，是南天山山前褶皱冲断带的重要组成部分，其变形特征主要表现为冲断作用扩展到温宿凸起时，其前锋断层古木别孜断裂在温宿凸起的北缘发生了较大规模的向上突破，在其上盘形成了古木别孜背斜，并改造了温宿北断裂，形成了古木别孜构造带。古木别孜构造带在平面上可以划分为东段和西段，两段在空间上具有明显的构造差异性，从东段古木别孜断裂发生大规模地表突破到西段古木别孜断裂消失，古木别孜断裂从东到西为什么消失，其机制是什么，古木别孜构造带东、西段的构造差异是受什么因素控制及两段是如何实现构造转换的，对上述问题的厘定不仅有助于进一步揭示南天山和塔里木盆地之间盆山耦合关系及其冲断变形的构造转换，对乌什凹陷的形成演化具有重要意义，对塔里木盆地新区新领域勘探开发也具有一定指导作用。

前人对古木别孜构造带的主要断裂——古木别孜断裂的构造特征提出了不同的认识，大致可分为两大类：背冲构造[13-14]和盖层冲断滑脱构造[15-19]。第1种观点认为，古木别孜断裂位于乌什凹陷的上构造层并以背冲构造为主，下构造层为基底卷入的对冲构造，这种方案无法对地震剖面进行平衡恢复；第2种观点认为，古木别孜断裂在新生界内部发育、是断距较大的滑脱逆冲断裂，可以认为该断裂是一个无根断裂，该观点无法说明古木别孜断裂形成的动力来源。本文基于二维地震资料、钻井资料和野外地质调查资料，对古木别孜构造带从东到西进行了精细的构造解析，建立区域构造地质剖面，开展区域剖面内断裂的几何学与运动学定量分析；结合古木别孜构造带东、西段的构造变形和沉积特征，进一步探讨古木别孜构造带东段和西段的构造转换关系。

1 区域地质概况

古木别孜构造带位于塔里木盆地西北缘，北接乌什凹陷，南部与温宿凸起毗邻，东北与阿瓦特构造带相邻，西南延至柯坪断隆（见图1），对乌什凹陷构造格架形态具有重要的控制作用。塔里木盆地温宿凸起周缘2017年新钻探的新温地1井、新温地2井均获高产工业油流[20]，古木别孜构造带周缘也新钻了古木1井和乌探1井。

该构造带包括古木别孜断裂、温宿北断裂、古木别孜背斜、铁列米西背斜、窝依塔提尔背斜、东苏尔滚背斜、苏尔滚背斜、北尔滚背斜和羊尼阿瓦提背斜。该构造带整体呈北东东向展布，东西长约81 km，南北宽约12 km。

本文根据古木别孜构造带的构造变形和构造样式，将其分为东段和西段：D—D′剖面以东为东段，以西为西段（包括D—D′剖面）。东段主要包括古木别孜断裂、温宿北断裂、古木别孜背斜和铁列米西背斜。其中，古木别孜断裂表现为高角度逆冲断层，断面北倾，倾角为45°～60°。该断裂沿着中新统吉迪克组（N1j）含膏泥岩层自北向南滑脱冲出地表并在上盘形成古木别孜背斜。古木别孜背斜走向呈北东东至近东西向，中部向北突出，地表延伸约43 km。该背斜核部出露中—上新统康村组（N1—2k），从核部往两翼发育上新统库车组（N2k）及更新统西域组（Q1x）。古木1井附近发育北西向铁列米西背斜。古木别孜构造带西段包括温宿北断裂和一系列雁列式排布的小背斜，自东向西依次为窝依塔提尔背斜、东苏尔滚背斜、苏尔滚背斜、北尔滚背斜和羊尼阿瓦提背斜。除苏尔滚背斜和北尔滚背斜外，其他小背斜都被西域组砾岩所覆盖。其中，苏尔滚背斜核部出露库车组，而库车组与西域组呈不整合接触关系。

图1 古木别孜构造带及其周缘地质图和剖面位置展布

乌什段出露元古宇、古生界、中生界和新生界，钻井资料揭示盆地内部自下而上发育元古宇、三叠系、白垩系、古近系、新近系和第四系。古木别孜构造带东段有5个可用于地震层位标定的井，钻探结果显示，依拉2井和乌什2井古近系库姆格列木群只存在泥岩段和砂岩段，底部为砾岩段，属无盐岩段，整体粒度自上而下呈由细到粗的正旋回特征。库姆格列木群没有发育可作为变形滑脱层的膏盐岩，但是，吉迪克组发育了巨厚灰色泥岩和含膏褐色泥岩（见图2）。因此，不同于库车坳陷却勒地区广泛发育含膏盐层的库姆格列木群滑脱层[21-22]，本研究区滑脱层为吉迪克组的含膏泥岩层。

2 古木别孜构造带的变形特征

为了更好地解析古木别孜构造带的变形特征，本文选取了6条穿越南天山、乌什凹陷、古木别孜构造带及温宿凸起的南北向二维地震反射剖面，这些剖面原始数据均为叠后时间偏移剖面，笔者收集研究区地层的层速度资料，通过软件对6条叠后时间偏移剖面进行时深转换，时深转换中所采用的层速度值为各层的平均速度，具体层速度值如下：空气层为2 500 m/s，第四系为2 600 m/s，库车组为2 800 m/s，康村组为3 000 m/s，吉迪克组为3 500 m/s，古近系为3 600 m/s，白垩系为3 800 m/s，三叠系、古生界和元古宇均为4 000 m/s，其中空气层是指地表以上的剖面部分。

图2 古木别孜构造带内连井地层柱状图

2.1 古木别孜构造带东段的构造变形特征

2.1.1 区域剖面结构特征

A—A′、B—B′、C—C′剖面是3条位于古木别孜构造带东段且穿越南天山、乌什凹陷和温宿凸起的区域性剖面（见图3—图5）。区域性剖面结构自北向南可分为以下3个单元：①由高角度基底卷入断层控制和由古生界构成的南天山冲断体系；②乌什凹陷及其深部由古生界—中生界冲断片构成的双重（冲）构造体系；③向北逆冲的温宿北断裂、古木别孜断裂及其上盘背斜所构成的古木别孜构造带（东段）。

图3 研究区A—A′剖面及其地质解释（剖面位置见图1，乌探1井为投影）

图4 研究区B—B′剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

图5 研究区C—C′剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

南天山断裂体系由高角度逆冲神木园南断裂和神木园断裂构成，南天山及其邻区的低温热年代学研究结果表明，南天山冲断体系起始活动时间推测为渐新世晚期[23-25]，该时期神木园断裂和神木园南断裂活动强烈，导致古生界甚至元古宇都出露地表（见图3—图5）。乌什凹陷深部双重构造体系，由深部的下塔尕克断裂、塔木勒克断裂和顶板断层所构成，下塔尕克断裂、塔木勒克断裂和神木园南断裂向上在吉迪克组含膏泥岩层中汇聚构成了乌什凹陷深部双重构造的顶板断层，即古木别孜断裂的北段。在双重构造推动下，作为顶板断层前锋的古木别孜断裂向南滑移，在向南滑移的过程中受温宿凸起的阻挡而冲出地表，切穿了早期形成的温宿北断裂，并在上盘发育了古木别孜背斜。南部温宿凸起是由高陡的温宿北断裂和一些向南逆冲小断层所构成，根据生长地层分析表明，康村组为前生长地层，库车组和西域组为生长地层（见图3）；因此，乌什凹陷深部双重构造开始活动时间为库车组沉积之后，即上新世初期。同样，根据古木别孜断裂上盘的背斜发育特征，认为古木别孜断裂开始活动时间为第四纪初期。

2.1.2 古木别孜断裂横向上变化特征

乌什凹陷深部的双重构造体系逆冲断层滑移量转换成顶板断层古木别孜断裂向南的逆冲滑移量。古木别孜断裂在向南滑移过程中其滑移量一部分被古木别孜背斜所吸收，另一部分受温宿凸起的阻挡而转换为向上的滑移量导致古木别孜断裂突破到地表。本文利用软件获取了不同断裂和同一断裂不同位置的滑移量。以A—A′剖面为例，选取断层上下盘吉迪克组底界的滑移量为参照，可以获得A—A′剖面的双重构造体系断层的滑移量（见图6），它们分别是：下塔尕克断裂滑移量（L1）为0.87 km、塔木勒克断裂滑移量（L2）为0.91 km、神木园断裂滑移量（L3）为0.57 km。因此，深部3条断裂共同作用下向前传播的断层滑移量（L1+L2+L3）共为2.35 km，其中一部分是由古木别孜断裂继续向南滑移并突破到地表（古木别孜断裂滑移量（L）为1.21 km）所吸收，剩下1.14 km的滑移量被古木别孜背斜所吸收（见图3）。在B—B′剖面中，下塔尕克断裂滑移量（L1）为0.80 km、塔木勒克断裂滑移量（L2）为0.67 km、神木园南断裂滑移量（L3）为0.51 km，深部双重构造导致的总滑移量（L1+L2+L3）为1.98 km。该滑移量中0.91 km由古木别孜断裂继续向南滑移并突破到地表所吸收，剩余的1.07 km的滑移量被古木别孜背斜所吸收（见图4）。在C—C′剖面中，下塔尕克断裂滑移量（L1）为0.46 km、塔木勒克断裂滑移量（L2）为0.21 km、神木园南断裂滑移量（L3）为0.23 km，深部双重构造导致的滑移量（L1+L2+L3）为0.90 km，其中0.39 km由古木别孜断裂继续向南滑移并突破到地表所吸收，剩余的0.51 km滑移量被古木别孜背斜所吸收（见图5）。在横向上古木别孜断裂突破到地表的滑移量从东到西依次为1.21 km、0.91 km、0.39 km，呈现逐渐减小趋势，深部双重构造体系中的3条断层（下塔尕克断裂、塔木勒克断裂和神木园南断裂）的滑移量也呈往西逐渐减小趋势（见图7）。因此，深部双重构造贡献给顶板断层（古木别孜断裂）的滑移量往西逐渐减小，这导致了古木别孜断裂往西逐渐消失。

图6 A—A′剖面断裂滑移量定量分析（剖面位置见图1）

图7 古木别孜构造带内断裂滑移量变化趋势图

2.2 古木别孜构造带西段的构造变形特征

图8 D—D′剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

图9 E—E′剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

图10 F—F′剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

D—D′、E—E′和F—F′剖面是3条位于古木别孜构造带西段穿越南天山、乌什凹陷和温宿凸起的区域性剖面（见图8、图9、图10），根据剖面的结构特征可以划分为以下3个构造单元：由高角度基底卷入断层控制和由元古宇构成的南天山冲断体系；乌什西凹陷北缘逆冲构造体系；高角度向北逆冲温宿北断裂和温宿凸起内部向南逆冲的小型断裂所构成的古木别孜构造带（西段）。

南天山冲断体系南部边界断裂—神木园断裂和神木园南断裂发生大位移的冲断，导致元古宇被抬升到地表（见图8、图9）。乌什凹陷深部不发育双重构造，表现为向南逆冲叠瓦状构造，神木园南断裂突破到地表，并和塔木勒克断裂一起导致断裂上盘的变形。南部温宿凸起由向北逆冲温宿北断裂及其向南逆冲的分支断层所构成，温宿北断裂在新生代的活动时间为吉迪克组沉积之后，即中新世初期开始强烈活动，从而导致断裂两侧温宿凸起和乌什凹陷吉迪克组及其上地层的厚度差异。

3 古木别孜构造带的构造转换关系

古木别孜构造带的构造转换最大的特点是断裂滑移量从东段向西逐渐减小，直至西段断层消失（见图11）。导致这种现象的原因，前人研究认为，滑脱层和古隆起的发育对冲断带的构造变形具有重要的控制作用[26]。滑脱层的存在可以使构造变形大规模地向盆地内部传递[27-29]，而滑脱层之下古隆起的存在可以使变形传播到古隆起的位置时发生大规模的地表突破[26,30-31]。

从古木别孜构造带及其周缘的吉迪克组厚度来看，吉迪克组厚度从东到西逐渐减小（见图12、图13）。东段吉迪克组滑脱层厚度大，而往西吉迪克组滑脱层的厚度变小，导致作为滑脱层的吉迪克组的滑脱性能越来越弱。因此，在东段的东侧，由于吉迪克组的强滑脱性，深部冲断带的滑移量大部分可以转换成作为顶板断层（古木别孜断裂）沿吉迪克组的顺层滑移量；但是，往西的剖面由于吉迪克组的滑脱性减弱，深部冲断带的滑移量的一部分转换成作为顶板断层（古木别孜断裂）沿着吉迪克组的顺层滑移量，另一部分滑移量被断层上盘的变形所吸收，导致上盘地层的掀斜（变形）；直至西段，吉迪克组不具备滑脱性，深部冲断带的滑移量无法转换成沿吉迪克组的顺层滑移量，深部冲断层一方面导致上盘地层的变形，另一方面断层向上扩展并突破到地表。因此，吉迪克组厚度变化是导致古木别孜断裂滑移量空间变化的一个重要控制因素。

图11 古木别孜构造带拟三维立体几何学模型图（剖面位置见图1）

图12 古木别孜构造带及其周缘吉迪克组厚度等值线图

图13 古木别孜构造带及其周缘东西向联络线（剖面位置见图1）

图14 侧断坡构造解释图

古木别孜断裂的滑移量是从东段的东侧向西侧逐渐减小，到西段完全消失，东段和西段之间是如何转化的？在东西向地震联络测线上，乌什2井西侧可以清楚地看到存在一个向西小型逆冲断层及其上盘背斜构造形态（见图13、图14）。经分析，该小型逆冲断层是古木别孜断裂的一个南北向延伸的侧断坡。侧断坡是通过滑脱层间的构造-地层组合单元撕裂形成的，研究区由于古木别孜构造带东段发育了吉迪克组含膏泥岩滑脱层，而西段没有发育吉迪克组含膏泥岩滑脱层，引起两侧的缩短量不一致，其中东段缩短量为6.04 km，西段缩短量为3.16 km，导致了地层的撕裂，侧断坡形成。侧断坡和背斜构造组合样式称为侧断坡相关背斜[32]，铁列米西背斜的形成可能与撕裂断层及挤压应力方向斜交有关。

4 乌什段晚新生代构造演化过程

乌什段位于南天山山前地区，地震反射剖面较为清晰，为本文的变形时间的厘定提供了良好的记录。构造变形时间的确定直接关系到构造演化期次，而生长地层作为山前地区变形同构造沉积地层广泛用于限定山前褶皱冲断带的变形时间[33]；乌什凹陷东部双重构造之上的康村组地层厚度基本保持不变，属于前生长地层，而库车组和西域组地层厚度向北减薄，向南加厚，属于生长地层，生长地层的底界位于库车组底部（见图3—图5）。因此，可以确定深部双重构造活动时间是从库车组沉积开始，同样，根据古木别孜断裂上盘的背斜发育特征，可以认为第四纪早期古木别孜断裂开始沿着吉迪克组含膏泥岩往前滑脱并冲出地表。

本文以乌什段的东部为例，结合南天山冲断体系的变形时间，将乌什段晚新生代形成演化划分为两个阶段（见图15）。

①中新世早期（吉迪克组沉积期）。吉迪克组沉积早期，南天山冲断体系已经发生冲断，温宿凸起北缘断裂开始活动，导致温宿凸起再次大幅度抬升。而此时古木别孜断裂还未开始发育（见图15b）。

②上新世早期（库车组沉积期）。上新世早期，古木别孜构造带及其周缘在南天山向南逆冲推覆作用下，神木园南断裂、塔木勒克断裂和下塔尕克断裂开始活动导致乌什凹陷深部双重构造开始发育（见图15c），第四纪早期作为双重构造顶板断层的前锋断层，古木别孜断裂沿着吉迪克组含膏泥岩层开始向南滑脱，受温宿凸起的阻挡无法继续向南滑脱，导致上盘形成古木别孜背斜，并在后期古木别孜断裂切断温宿北断裂，突破到地表（见图15d）；最后，古木别孜背斜再遭受剥蚀，形成现今构造地貌形态（见图15e）。

图15 乌什段新生代构造演化示意图

5 结论

南天山褶皱冲断带乌什段自北向南可以划分为以下3个单元：①受高角度基底卷入断层控制的、由古生界和元古宇所构成的南天山冲断体系；②乌什凹陷及其深部由古生界—中生界冲断片构成的双重构造体系，双重构造体系顶板断层为沿着吉迪克组滑脱的古木别孜断裂；③由向北逆冲的温宿北断裂、古木别孜断裂及其上盘背斜所构成的古木别孜构造带。

古木别孜断裂在沿着吉迪克组含膏泥岩滑脱的过程中，其滑移量一部分转化为前锋逆冲量，另一部分被上盘古木别孜背斜所吸收；而古木别孜断裂的滑移量从东到西逐渐减小，从东段A—A′剖面的滑移量1.21 km，向西至C—C′剖面逐渐减小为0.39 km，而到了西段D—D′剖面（古木别孜背斜以西区域）滑移量消失。

古木别孜断裂的形成与吉迪克组含膏泥岩层的发育和温宿古隆起的阻挡作用有关，而自东向西在空间上的变形差异受控于吉迪克组含膏泥岩层的发育程度：东段吉迪克组含膏泥岩厚度大，剖面北侧的深部双重构造变形量较多的沿膏泥岩层向盆地内部滑脱传递；而往西吉迪克组滑脱层的厚度变小，深部双重构造变形量沿膏泥岩层向盆地内部传递逐渐减小；西段含膏泥岩层不发育，深部冲断构造的变形量无法沿吉迪克组向盆地内部滑脱传递，深部逆冲断层向地表突破，古木别孜断裂完全消失。古木别孜断裂滑移量向西最终消失是通过侧断坡来实现构造转换的。