柴达木盆地西北缘咸水泉背斜新生代变形特征及意义

柴达木盆地西北缘咸水泉背斜新生代变形特征及意义
黄凯;陈力琦;肖安成;沈亚;吴磊
【摘要】柴达木盆地西北部的新生代变形受北东向的挤压冲断和北东东向左旋走滑剪切的共同控制,我们依据地表地质调查、钻井以及三维地震资料,精细分析盆地西部英雄岭北端的咸水泉背斜的变形特征和机制.生长地层显示咸水泉背斜于晚中新世开始活动,更新世快速生长.背斜主要受北北西向的右旋基底逆冲断裂控制,具有明显的南北分段特征.南段受阿尔金断裂的影响很小,主要表现为北北西向的次级背斜及北西向的反冲断裂,缩短量较小;北段受阿尔金左旋走滑断裂的影响较大,主要表现为北西西向的次级背斜和反冲断裂,缩短量较大.本研究支持柴达木盆地整体为一挤压型盆地,西北侧阿尔金左旋走滑断裂对其变形的影响仅局限在有限的范围内.【期刊名称】《高校地质学报》
【年(卷),期】2018(024)005
【总页数】8页(P761-768)
【关键词】柴达木;阿尔金;背斜;变形特征
【作者】黄凯;陈力琦;肖安成;沈亚;吴磊
【作者单位】浙江大学地球科学学院,杭州 310012;教育部含油气盆地构造研究中心,杭州 310012;浙江省国土资源厅信息中心,杭州 310007;浙江大学地球科学学院,杭州 310012;教育部含油气盆地构造研究中心,杭州 310012;东方地球物理公司研究院地质研究中心,涿州 072751;浙江大学地球科学学院,杭州 310012;教育部含油气盆地构造研究中心,杭州 310012
【正文语种】中文
【中图分类】P618.13
1 引言
柴达木盆地是青藏高原内部最大的新生代沉积盆地（图1），其内沉积了连续而完整的新生界层序，是研究青藏高原远程效应引起的沉积作用和构造变形的理想地区。

柴达木盆地内的变形结构和地震震源机制的分析结果表明，其新生代构造变形以逆冲断裂及相关褶皱变形为主(刘志宏等，2005；王胜利等，2008；肖安成等，2006；Chen et al., 1999；Mao et al., 2016；Wei et al., 2016；Wu et al., 2014；Yin et al., 2008；Zhou et al., 2006)，受南侧祁曼塔格和北侧南祁连冲断体系的影响明显。

柴达木盆地西北边界为巨型的阿尔金左旋走滑断裂系，二者之间的沉积和构造耦合关系已被广泛研究，一般认为，阿尔金断裂对柴达木盆地的构造影响局限在狭长（宽度为30～60 km）的阿尔金斜坡内(刘重庆和周建勋，2013；尹成明等，2011；周建勋等，2006；Zhao et al.,2016)，其活动造成的阿尔金山隆升和剥露为柴达木盆地西北缘的新生代沉积提供了主要物源(付锁堂等，2015；刘欢等，2007；刘永江等，2001；任收麦等，2004；施泽进，2004；孙知明等，2012；肖安成等，2013；谢鸣谦，1991；袁四化等，2008；Cheng et al., 2016；Fu et al., 2015；Li et al., 2018；Wang et al., 2006, 2015；Wu et al., 2012a,b)。

但也有学者认为阿尔金断裂对柴达木盆地的影响范围一直到其东部，宽度达＞
200km（潘家伟等，2015）。

尽管存在争议，但大部分学者都认同柴达木盆地西北部同时受到来自阿尔金断裂系的左旋走滑和祁曼塔格与南祁连构造带逆冲推覆的双重影响。

这种独特的走滑与冲断双边界控制下的褶皱与断裂变形特点目前认识还比较缺乏。

为此，本文选取了柴达木盆地西部英雄岭背斜带北端的咸水泉背斜作为
研究对象（图1），利用三维地震反射资料，结合地表地质调查和钻井数据，对该背斜的变形特点进行了详细解剖，在此基础上探讨了阿尔金断裂系的左旋走滑对柴达木盆地内部逆冲和褶皱变形的影响方式和范围。

2 地质背景
图1 柴达木盆地西北缘咸水泉背斜及邻区地质图Fig. 1 Geological map of the Xianshuiquan anticline and its adjacent area, NW Qaidam
柴达木盆地分别被其西北部的阿尔金断裂、南部的祁曼塔格—东昆仑山和东北部
的南祁连山所环抱，整体海拔约3000 m，总面积约12×104 km2；其内主要被
中新生代的陆相碎屑岩填充，新生代的沉积中心主要沿着盆地中轴线向东迁移，最厚可达1×104 m以上（Wang et al., 2006；Yin et al., 2008；Zhu et al., 2006）。

柴达木盆地的新生界从老到新被分为路乐河组（LLH）、下干柴沟组下
段（LXG）、下干柴沟组上段（UXG）、上干柴沟组（SG）、下油砂山组（XY）、上油砂山组（SY）、狮子沟组（SZG）和七个泉组（QGQ）（青海省地质矿产局，1991）。

前人在柴达木盆地做了大量的磁性地层与化石定年工作，约束了这些地
层的年龄，一般认为路乐河组时代为晚古新世—早始新世，下干柴沟组时代为晚
始新世，上干柴沟时代为晚始新世末期到中新世初期，下油砂山组时代为早中新世，上油砂山组时代为晚中新世，狮子沟组时代为晚中新世后期到上新世，七个泉组时代为更新世（杨藩等，1992；Chang et al., 2015；Fang et al., 2007；Ji et al., 2017; Lu and Xiong, 2009；Sun et al., 2005）。

另外，Wang 等（2017）在柴北缘红沟地区的磁性地层工作则认为路乐河组的底界年龄仅为26 Ma（渐新世末期），但狮子沟组及以上地层的年龄差别却并不大。

本文采用Ji等（2017）和Fang等（2007）的磁性年代学结果（图2）。

柴达木盆地内发育了大量的NW-SW走向的褶皱变形带，变形的起始时间在盆地边缘较早（刘志宏等，2005；Wu et al., 2014），但强度较弱，盆地内的主要变形期发生在七个泉组沉积时期及以
后（Wei et al.,2016；Zhou et al., 2006）。

图2 柴达木盆地各地层的年龄Fig. 2 The chronology of the strata in Qaidam Basin
3 咸水泉背斜地表地质特征
咸水泉背斜位于英雄岭背斜带的北端（Wu et al., 2014），呈北北西走向；其北
西端被一条近NEE走向的阿尔金断裂系的分支断裂所限（图3），总体呈向南倾
伏的鼻状构造形态，地表出露地层为下油砂山组、上油砂山组、狮子沟组和七个泉组。

在野外地质调查、遥感解译以及前人已有填图结果的基础上（青海省地质局，1958），我们对该地区进行了精细的构造填图（图3），识别出五个次级的背斜。

平面上，这些次级背斜轴呈右阶雁列排布，靠北部的石油沟一号、石油沟二号高点背斜轴走向与南部华岩山高点、城墙沟高点、咸水泉高点背斜轴之间存在约15°的夹角（图3），南北两部分所控制的两翼地层产状也存在明显不一致的情况：前者以近东西走向为主，而后者则多为北北西走向。

图3 咸水泉背斜地表地质图和断裂图Fig. 3 Detailed surface geological map and fault systems of the Xianshuiquan anticline
4 咸水泉背斜深部结构与变形特征
基于咸水泉背斜的三维地震和钻井数据，勾画出了咸水泉背斜深部的断裂体系图（图3），同时展示了四条正切咸水泉背斜的横剖面和一条纵向剖面（图4），在平面和剖面上对咸水泉背斜的构造变形进行精细刻画。

4.1 断裂几何学特征及活动时间
咸水泉地区的深部断裂大致可以分为四组，在剖面上均表现为明显的陡倾逆断层特征（图4）。

图4 过咸水泉背斜地震剖面及其地质解释Fig. 4 Seismic profiles crossing the Xianshuiquan anticline and their geological interpretation
第一组断裂呈北东东走向，包括Fa1, Fa2，Fa3，断面向北陡倾，其活动造成了地层从盆地内部向阿尔金断裂系的快速减薄（图4e）。

断裂Fa1总断距较小，其上盘的生长地层自上干柴沟组就开始发育，至上油砂山组开始沉积时消失，表明其主要在晚始新世末期到早中新世期间活动，之后停止活动（图4e）。

断裂Fa2上盘缺失下油砂山组以下层序，下油砂山组直接与基底接触，这也被中3井、中6井、中9井等钻井资料证实（施泽进，2004），表明其主要活动于下油砂山组沉积之前，即中新世之前。

Fa3是一条在野外、遥感影像、剖面上都能较好识别的一条断裂，地震剖面上该断层上盘缺失了几乎全部新生代的地层（图4e），说明其和
Fa2一样，在新生代早期就开始活动。

第二组断裂呈北北西走向，包括Fb1，Fb2和Fb3，位于咸水泉背斜的东翼，剖
面上表现为陡倾的逆冲断裂，控制着咸水泉背斜的整体发育（图4a-d）。

该组断
层控制下的生长地层自狮子沟组沉积时开始发育，表明其开始活动时间在中新世晚期，较第一组断裂晚很多；此外，卷入变形的最新层序为七个泉组，表明其强烈活动在上新世后期（图4a-d）。

第三组呈北西走向，主要发育在Fb1和Fb2的上盘，包括Fc1，Fc2，Fc3，Fc4，Fc5，Fc6，Fc7，剖面上表现为断裂Fb1和Fb2上盘的次级反冲断裂，造成的断
距和地层褶皱变形幅度较小，其活动时间应该与第二组同（图4a-c）。

第四组呈北西西走向，主要发育在断裂Fa3与Fb3之间的区域，包括Fd1, Fd2（图3），在剖面上同样表现为断裂Fb3的反冲断裂，但活动强度较第三组明显
强很多（图4d）。

值得注意的是，第三组断裂与第四组断裂之间也正好是咸水泉
背斜地表南部三个次级背斜与北部两个次级背斜之间的分界区（图3）。

4.2 断裂运动学特征
上述分析表明，咸水泉地区发育的四组逆断裂中，第一组和第二组是主要断裂，第三、第四组是夹持在前两组之间的次级断裂。

第一组断裂的平、剖面几何学特征、
活动时间以及空间发育位置均与前人在柴西北地区研究得出的阿尔金断裂次级分支断裂的特征完全一致（肖安成等，2013; Zhao et al., 2016），推测其可能也是阿尔金断裂正花状构造的分支断裂，除逆冲分量外还具有一定的左旋走滑分量。

在断裂Fa3南侧，发育一系列近东西走向、与之呈小角度相交并呈左阶雁列式排列的
次级逆断裂（Fd1和Fd2），也指示该断裂具有一定的左旋走滑运动特征。

第二组断裂（Fb1，Fb2，Fb3）在剖面上表现为明显的逆冲特征。

在其上盘，发
育一系列与之呈小角度相交的次级逆断层，断面大都北倾，呈右阶雁列式排布，反映其第二组断裂除逆冲分量外，还有一定的右旋走滑特征（图3）。

此外，作者基于剖面A（图4a）对第二组断裂（Fb1和Fb2）与咸水泉背斜之间
的运动学关系开展了正演模拟。

之所以选择靠南侧的剖面是为了规避北部阿尔金断裂系对背斜形成的可能干扰。

这条剖面提供了良好的背斜形态和断层几何学约束。

Pei等(2017)通过对比研究发现三角剪切模型非常适合于柴达木盆地内新生代变形模拟。

在三角剪切模型中，褶皱的形态主要由三个参数控制：断层传播的距离与滑动距离的比值、剪切角和断层倾角（Pei et al., 2014，2017）。

在剖面上断层几
何学形态是确定的，因此只需要确定断层传播距离和滑动距离的比值及剪切角。

运用前人给出的参数区间和三角剪切算法运用流程，最终确定主要断层的传播距离和滑移距离比值为2，剪切角为90°，同时给定初始剪切位置（Pei et al., 2014）。

设置两组模型进行对比（图5），第一组地层完全水平状态，第二组为剖面左侧地层具有约10°倾角，右侧地层水平。

模拟结果表明，两组结果的模拟形态均与地震剖面A形态非常相似（图4a），这表明第二组断裂（Fb1和Fb2）是控制咸水泉背斜发育的主要断裂。

4.3 剖面平衡恢复结果
对A, B, C, D四条剖面进行时深转换后，运用三角剪切模型对其进行了平衡恢复，计算其缩短量。

因为这四条剖面的长度完全相同，因此可以直接比较它们的缩短量。

结果显示，南侧过第二、第三组断裂的 A, B, C三条剖面缩短量在600～900 m之间，而北侧过第二、第四组断裂的D剖面缩短量则大于1200 m，即越靠近阿尔金断裂系，变形显著增强（图6）。

5 讨论
图5 咸水泉背斜断裂及褶皱发育的运动学机制模拟Fig. 5 Simulation of fault kinematics of the Xianshuiquan anticline
图6 咸水泉背斜水平缩短量空间分布Fig. 6 Horizontal shortening of the Xianshuiquan anticline
上述研究结果表明，尽管咸水泉背斜整体表现为一个向南倾伏的鼻状背斜，受控于向东冲断的陡倾逆断层（Fb1，Fb2，Fb3），但是其内部的次级构造却表现为明显的南北分段现象。

南段主要包括第二组断裂的Fb1, Fb2以及其上盘的第三组反冲断裂，地表背斜为北北西向，缩短量小于900 m。

北段主要包括第二组断裂中的Fb3及其上盘的第四组反冲断裂，地表背斜表现为北西西向，与南段背斜之间有约15°的夹角，缩短量也相对较大，达1200 m以上。

考虑到北段Fa3和Fa2可能是阿尔金断裂的分支断裂，我们提出了一种机制模型来解释咸水泉背斜南、北段变形的差异性（图7）。

图7 咸水泉背斜变形机制示意图Fig. 7 Schematic diagram showing the deformation mechanism of the Xianshuiquan anticline
咸水泉背斜南段因为相对远离阿尔金断裂，主要受北北西向的具有一定右旋走滑分量的逆冲断裂Fb1和Fb2控制，在其上盘形成了北北西向的背斜和一系列呈雁列式展布的北西向反冲断裂（Fc1～Fc7）。

而咸水泉背斜的北段除了受其东翼北北西向的右旋逆冲断裂Fb3控制外，还受到其北侧断裂Fa3，Fa2的影响，这两条断裂可能是阿尔金断裂的分支断裂。

在Fa3, Fa2左旋走滑逆冲以及Fb3右旋逆冲挤压的共同作用下，咸水泉背斜的北段处于北北东-南南西向的强烈挤压环境，因
而形成了北西西向的相对紧闭的次级褶皱形态（图7）。

结合咸水泉背斜的缩短量自北向南逐渐减小的特点（图6），我们的研究表明阿尔金断裂系可能对柴达木盆地西北缘的新生代变形产生了较大的影响，但影响范围可能有限，并未向盆地内部延伸很远。

6 结论
本文在三维地震数据、钻井和野外地质调查的基础上，对柴达木盆地西北部咸水泉背斜的变形结构和机理进行了详细分析。

结果认为：
（1）咸水泉背斜发育有5个次级背斜，平面上呈右阶雁列分布，表明控制咸水泉背斜形成的主要断裂具有一定的右旋压扭分量；
（2）咸水泉背斜地区主要发育四组逆断裂系统，第一组为北东东走向，断面北倾，是阿尔金断裂系的一部分，第二组为北北西走向，断面西倾，主要控制咸水泉背斜的整体形态，第三组和第四组分别为一系列北东或北北东倾的、呈雁列式排布的逆断层，是第二组断裂上盘的反冲断裂；
（3）咸水泉背斜具有明显的南北分段特征，北部的两个次级背斜轴和南部的三个次级背斜轴的走向上有约15度左右夹角，二者所控制的两翼地层产状也存在明显不一致的情况；这种南北分段特征出现的原因是，北段除了受控于北东东向的挤压冲断外，还受到阿尔金断裂系左旋走滑冲断的强烈影响，二者交汇区发生了强烈的北北西向的挤压变形。

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