0 引言
箱形褶皱（Box fold）定义为顶部平缓开阔、两翼陡峭的褶皱构造［11］，也有学者采用箱状褶皱、共轭膝折褶皱、膝折褶皱等术语［7，12-21］。箱形褶皱在挤压构造区是一种较为常见的构造类型，其形成演化对区域构造变形机制有重要的指示意义，并且对油气的空间分布也有一定程度的控制作用［17，19］。在秋里塔格构造带东部的克孜勒努尔沟地区，发育一个较完整的大型箱形褶皱。该褶皱出露于克孜勒努尔沟山区公路西侧，交通较为便利，剖面出露良好，是研究秋里塔格东部地区新生代地层充填序列、构造变形特征与裂缝分布规律的天然实验室。该箱形褶皱是秋里塔格构造带东部浅层变形体系出露地表的部分，其变形特征与形成机制可为揭示该构造带的演化过程提供重要参考。因此，本文尝试结合地震剖面反映的深部地质结构与箱形褶皱内部的地质特征，分析其力学机制，并恢复该褶皱的构造演化史与油气成藏过程，从而为秋里塔格构造带的形成演化与油气成藏研究提供参考。
1 地质背景
秋里塔格构造带位于库车坳陷中部，是库车前陆冲断带的冲断前锋，整体表现为NEE—近EW向的长轴背斜，由多个背斜高点组成［7］。箱形褶皱位于秋里塔格构造带的东部、迪那气田以西，是东秋里塔格背斜核部因季节性辫状河（克孜勒努尔沟）冲刷剥蚀而出露地表的部分［图1（b）］。可观测的剖面位于河沟西侧，剖面近直立，方向为近NS向，高度约为120 m，南北方向长约为2 km，其中褶皱主体部分长约为400 m。褶皱北翼地层高角度北倾，南翼地层高角度南倾或近直立，核部地层近水平，具有典型的箱形褶皱特征（图2）。河沟东侧的剖面因差异风化作用影响形成雅丹地貌，但仍可见箱形褶皱的轮廓（图3）。秋里塔格构造带在新生代经历了由膏盐湖—滨浅湖—三角洲—冲积扇的超长期旋回，时间跨度约为66 Ma，岩性序列自下而上表现为膏盐岩—泥岩—砂泥岩互层—砂岩—砾岩的反粒序。地表箱形褶皱的地层为新近系吉迪克组中上部，位于新生代超长期旋回的中部，为膏盐湖—半深湖相沉积，岩性为中厚层泥岩与薄层石膏、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩的频繁互层（图4）。
图2 库车坳陷秋里塔格构造带箱形褶皱全貌及构造发育模式示意Fig.2 Full view and schematic structural model of the box fold in the Qiulitage structural belt of Kuqa Depression |
图3 库车坳陷秋里塔格构造带克孜勒努尔沟东侧雅丹地貌Fig.3 Yardang landform to the east of Kezilenuer stream in the Qiulitage structural belt of Kuqa Depression |
2 箱形褶皱地质特征
2.1 地质结构
2.2 断层特征
露头观察表明，秋里塔格构造带箱形褶皱的南翼发育数条北倾的逆冲断层和少量南倾反冲断层，断距一般小于5 m，内部常见具有双层结构的半透明—白色充填物［图6（d）］，全岩矿物分析表明充填物的主要成分为石膏（84.8%），此外还包含少量菱铁矿（11.5%）和石英（3.7%）；断层两盘地层常发育牵引构造，局部具有韧性剪切变形性质［图6（a）—图6（c）］。核部上部可见一条断穿多个层位的北倾铲式正断层，断面上陡下缓［图6（e）］；核部下部可见多条小型逆冲和反冲断层组成的背冲构造，形成“Y”字形组合［图6（f），图6（g）］。北翼发育2条主要的南倾反冲断层和多条小型逆冲/反冲断层，发育典型的牵引构造，其中上部的反冲断层上盘地层近水平、下盘地层近直立，向下又逐渐变缓，局部也具有韧性剪切变形性质［图6（h），图6（i）］。
2.3 裂缝特征
秋里塔格构造带箱形褶皱中裂缝发育，综合人工实测和三维激光扫描技术对其中的裂缝特征进行了分析。三维激光扫描是近些年来开展露头砂体、储层、裂缝等地质建模的新技术，它是利用激光测距原理，通过高速激光扫描快速获取测量对象表面的三维坐标数据，并建立高分辨率的三维模型，根据实际需求对模型进行分析，获取所需要的信息，具有扫描速度快、扫描面积广、不受光线和高陡地形影响的优点，尤其适用于面积较大的高陡剖面建模，有效地弥补了人工测量面积有限的不足。
利用该技术开展露头裂缝的识别与表征包括3个主要步骤（图7）：①使用三维激光扫描仪，对目标露头剖面进行多次覆盖扫描，得到三维点云数据体。本文研究所用仪器为奥地利Riegl公司的Terrestrial Laser Scanning（TLS）扫描仪Riegl VZ1000，扫描范围（指扫描仪距测量面的直线距离）为2.5~1 400 m，扫描精度为3 mm，扫描速率可达300 000 ps/s（即每秒30万个点），扫描仪在水平方向可360°旋转，在垂直方向的俯仰角均为50°。②将三维点云数据体导入到扫描仪配套的Riscan PRO软件中，对数据体进行拼接、删除冗余数据等预处理，并进行网格化。③根据裂缝识别标准，对裂缝进行识别与密度、产状等特征参数提取。
裂缝人工实测和三维激光扫描处理解释结果表明，秋里塔格构造带箱形褶皱前翼发育网状分布的张性裂缝，裂缝产状不定，开度不均一，小者仅有1 mm左右，大者可达2~3 cm，最大为5 cm，且多数已被石膏完全充填［图8（a），图8（b）］。随着距逆冲断层距离增加，裂缝密度有减小趋势［24］，因此推测这些网状张性裂缝主要形成于逆冲断层的伴生揉皱作用。褶皱核部上端以近EW走向的直立张性裂缝为主［图9（a）］，在纵向上可贯穿多个层，开度一般小于1 cm；下端发育近NS向的直立剪切裂缝［图9（b）］，在剖面上可见平直光滑的裂缝壁，开度通常在1 mm以下；核部上端和下端的裂缝中均未见明显的矿物充填［图8（c）］。褶皱后翼下部反冲断层的下盘密集发育近EW走向的高角度—近直立的剪切裂缝，纵向上可贯穿2~3个薄砂层，开度一般为0.5~2 mm，裂缝末端通常终止于砂层界面，在反冲断层附近还发育产状不定的张性裂缝，但发育范围明显小于前翼逆冲断层所控制的裂缝带，褶皱后翼的裂缝中亦未见明显的矿物充填［图8（d），图9（c）］。
图8 库车坳陷秋里塔格构造带箱形褶皱中的裂缝特征（照片位置见图2及图6）（a）、（b）前翼网状裂缝系统，石膏完全充填；（c）核部直立裂缝，无充填；（d）北翼下部反冲断层下盘的直立—高角度裂缝，无充填 Fig.8 Fractures characteristic in the box fold in the Qiulitage structural belt of Kuqa Depression（see Figs.2 and 6 for photo locations） |
3 箱形褶皱的形成机制
3.1 力学机制
箱形褶皱实质上是一种由2个共轭膝折（Conjugate kink）组成的构造［14，16］。膝折作用（Kinking）是兼具弯滑褶皱作用与剪切褶皱作用2种机制的褶皱作用，包括转折端不平行于层面的剪切滑动和两翼的层间滑动，多发育在有规律交替互层的多层岩系中，并且通常形成于造山带演化的晚期［11，16，20］。膝折分为对称膝折和不对称膝折，对称膝折一般称为尖棱褶皱（Chevron fold）；不对称膝折因剪切滑动形成膝折带，其两侧界面为与层面斜交的膝折面，膝折带以外仍为层间滑动［11，14，17，20-21］（图10）。在不对称膝折发育区，膝折面可以在2个方位上形成，这时膝折带可以相互交切形成共轭膝折，层间滑动通常局限于膝折的陡翼一侧，因此共轭膝折间的褶皱具有平整的箱形转折端，从而形成箱形褶皱的构造形态［14，17，20］。由于膝折面为应力集中带，因此易形成一些与膝折面近似平行的逆冲或反冲断层，但断距一般不大［12，17］。
秋里塔格构造带箱形背斜地层为多种岩性的频繁交替互层，具备发生膝折作用的物质基础。新近系吉迪克组沉积期以来，库车坳陷在喜马拉雅中期和晚期运动背景下遭受来自南天山自北向南的强烈挤压，秋里塔格构造带东部以古近系塑性膏盐层为区域滑脱层发生分层变形，盐下形成由逆冲和反冲断层控制的一系列断背斜，盐上形成一条北倾的主逆冲断层［2， 6， 25］。随着南天山造山带的不断挤压，盐上主逆冲断层持续活动，上盘向上滑移，盐上地层也逐渐隆升。盐上地层的持续缩短、隆升使主逆冲断层倾角逐渐变陡，断面正应力增大、剪应力减小，导致上盘地层向上滑移受阻，应变无法通过断盘的滑移进一步释放，因此应力开始在上盘靠近断层处集中，使地层变形加剧，在现今箱形褶皱前翼处的地层发生膝折。由于主逆冲断层的应力释放效应，现今所见的箱形褶皱前翼仅发育图10中所示的上部膝折面，下部膝折面已与主逆冲断层重合。靠近主逆冲断层的地层陡倾甚至直立，同时在上部膝折面处形成了数条断距不大的逆冲断层［图2，图5，图6（a）］。随着构造挤压应力进一步增大，前翼主逆冲断层上盘的地层变形和断层也无法完全释放逐渐增加的应变，因此应力开始在现今箱形褶皱的后翼处发生集中，导致该处地层也发生膝折，上部和下部膝折面均可见，并在膝折面及附近形成断距不大的反冲断层［图2，图5，图6（g），图6（h）］。
3.2 断层形成序列
油气成藏史恢复表明，秋里塔格地区具有“早油晚气”的成藏特征。新近系吉迪克组沉积中晚期—康村组沉积期主要充注三叠系湖相泥岩生成的原油，新近系库车组沉积期主要充注侏罗系煤系地层生成的煤型气，在现今主要含油气目的层白垩系和浅层古近系、新近系中均有不同程度的富集［3-4］。例如中秋1井在下白垩统巴什基奇克组获折日产气33.4×104 m3，折日产油21.4 m3，东秋5井在新近系钻遇多套油气显示层，东秋8井在古近系薄砂层获折日产气28×104 m3等［7］。在秋里塔格箱形褶皱南翼逆冲断层附近，先后发现了基里什等多个地表油苗，原油族组分分析结果表明，地表油苗与中秋1气藏原油的族组分相似（表1），应属于同一油源（三叠系湖相泥岩）。这表明地表油苗可能是褶皱前翼断层对早期形成的原油富集带造成破坏，或者前翼断层的形成与原油充注期大致吻合，使原油沿断层向上逸散而形成的。因此，褶皱前翼断层和派生裂缝的形成时间应在原油大规模充注开始之后或近于同时，即康村组沉积期或更晚形成。
表1 库车坳陷秋里塔格构造带原油族组分分析结果Table 1 Analysis results of crude oil group components in the Qiulitage structural belt of Kuqa Depression |
| 井号/油苗 | 饱和烃/% | 芳烃/% | 非烃/% | 沥青质/% | 饱芳比 |
|---|---|---|---|---|---|
| 东秋油苗 | 77.21 | 11.36 | 1.94 | 1.15 | 6.80 |
| 东秋油苗 | 82.03 | 10.28 | 1.14 | 0.89 | 7.98 |
| 中秋1井 | 73.72 | 17.87 | 1.49 | 0.11 | 4.13 |
| 中秋1井 | 81.55 | 14.32 | 0.88 | 0.26 | 5.69 |
| 中秋102井 | 76.23 | 13.41 | 0.37 | 0.52 | 5.68 |
断层或裂缝的矿物充填性可以反映其相对形成顺序，充填程度越高，形成时间一般越早［26-29］。新近系吉迪克组下部和古近系库姆格列木群均发育石膏层，可提供大量的Ca2+、SO4 2-形成高矿化度的地层水，原油在沿断层向地表运移的过程中，这些高矿化度的地层水也随之向上运移，随着埋深变浅、温压条件改变，地层水中的Ca2+、SO4 2-在前翼断层和网状裂缝中大量沉淀，形成现今所见的石膏充填物。断层或裂缝中的矿物充填一般形成于地下埋藏环境，因为当地层冲出地表后，即使有高矿化度的流体经断层向上运移，也会迅速在地面散失，无法在断层或裂缝中大规模沉淀结晶，因此推断箱形褶皱前翼断层形成时，吉迪克组仍处于浅埋藏条件而未冲至地表。但前翼断层的后期持续活动可错开其中的石膏充填物，破坏其胶结封闭性，因此现今仍有原油沿断层向地表逸散，形成地表油苗。褶皱后翼反冲断层附近目前尚未有地表油苗发现，断层和裂缝中也基本未见矿物充填，表明后翼断层的形成时间明显晚于前翼断层，这与地震结构剖面（图5）反映的断层特征和前陆冲断带的一般断层形成次序也是一致的［30-31］。
3.3 构造演化与油气成藏过程
根据断层形成序列分析、地震结构剖面及平衡剖面技术，对秋里塔格构造带箱形褶皱的构造演化和油气成藏过程进行了恢复，主要经历了3个阶段（图11）：
（1）库车组沉积前的构造平静期，对应的构造运动为喜马拉雅运动早中期（约5 Ma）。该阶段研究区及周缘的构造活动总体较为平静，仅发育一条断距不大的北倾逆冲断层，在断层上盘发育低幅度的背斜圈闭，古近系及上覆地层在区域上基本为等厚沉积。该阶段三叠系的湖相泥岩大量生油，沿断层向上运移，在上盘低幅度背斜下白垩统圈闭中富集，形成了早期的古油藏［4］。
（2）库车组沉积早中期的褶皱雏形期，对应的构造运动为喜马拉雅运动晚期的前期阶段（5~3 Ma）。南天山的逆冲推覆作用传播至秋里塔格构造带，此时古近系膏盐岩层埋深2 000~3 300 m，已达到极强的流动性。因此以膏盐岩层为区域滑脱层，研究区形成了盐上、盐下2套构造层。盐下的逆冲断层在该阶段进一步发育，上盘的背斜幅度增加；膏盐岩层及盐上构造层也发育1条北倾逆冲断层，在断层上盘形成了浅层背斜构造，并在断层附近形成了伴生网状裂缝发育带。该阶段三叠系及侏罗系的煤系烃源岩大量生气，在盐下断层上盘背斜圈闭发生充注，并使古油藏中的原油向下驱替至圈闭溢出点之外。同时，盐下、盐上逆冲断层及古近系的薄砂层连通，使被驱替至圈闭溢出点之外的原油沿断层向地表逸散，形成了地表油苗。古近系膏盐岩层使深部地层水富含Ca2+、SO4 2-，高矿化度的地层水也沿着断层向上运移，随着温压条件的变化，在浅层断层和伴生网状裂缝中大量沉淀，形成其中的石膏充填物［图8（a），图8（b）］。
（3）库车组沉积晚期—现今的褶皱定型与抬升剥蚀期，对应的构造运动为喜马拉雅运动晚期的后期阶段——新构造期（3 Ma~）。由北向南的逆冲推覆作用在该时期进一步发展，包括秋里塔格地区在内的库车坳陷整体发生挤压抬升。在此背景下，秋里塔格构造带形成了多条逆冲和反冲断层，前一阶段形成的盐下背斜气藏发生调整改造，形成多个断背斜气藏，并使膏盐岩层及盐上发生局部隆升；同时，天然气可随断层运移至古近系的薄砂层中富集，形成岩性上倾尖灭气藏。对于图11所示剖面，盐上主逆冲断层的上盘逐渐形成箱形褶皱形态，由于断层断至地表，油气保存条件差，因此盐上不易形成有效的油气圈闭，但在其他位置仍有形成浅层构造圈闭的可能（图12）。在区域抬升和局部隆升的背景下，盐上逆冲断层上盘褶皱边发育边抬升，最终冲至地表遭受剥蚀，形成现今所见的地表箱形褶皱。该阶段形成了3组裂缝系统：一是因地层弯曲变形而形成的近EW向张性裂缝，主要分布在核部上端［图9（a）］；二是受近NS向挤压应力形成的近NS向剪切裂缝，主要分布在核部下端［图9（b）］；三是因层间滑脱作用形成的近EW向剪切裂缝，主要分布在褶皱后翼的下部［图9（c）］。上述3组裂缝系统形成于近地表环境，高矿化度地层水缺乏结晶沉淀的地质条件，因此裂缝中基本不发育充填物［图8（c），图8（d）］。
4 讨论
4.1 核部断层成因与中性面分布
根据Ramsay的褶皱应变分布模式，背斜中性面以上的地层会派生出与背斜枢纽垂直的张应力，在挤压构造区形成平行于背斜枢纽的张裂缝和正断层，例如秋里塔格构造带东部的迪那2气田，背斜枢纽上即发育一系列的正断层；背斜中性面以下派生出垂直于枢纽的附加压应力，主要形成垂直于枢纽或与枢纽成一定夹角的剪切裂缝和逆断层。秋里塔格地表箱形褶皱核部地层虽然较为平缓，但仍有一定的弯曲度（图2），因此也发育Ramsay褶皱应变分布模式。褶皱核部的下端发育小型逆冲和反冲断层的组合，断距一般为1~2 m［图2，图6（e），图6（f）］，且发育近NS向的直立剪切裂缝［图8（c）］，表明其处于中性面以下；核部上端可见北倾正断层的发育，断距为2~3 m［图2，图6（d）］，同时在图8（c）所示范围以上可见发育平行于枢纽的近EW向直立张裂缝，表明其处于中性面以上。因此，推测秋里塔格箱形褶皱的中性面应位于图8（c）所示范围上方，如图2（a）中所示。
4.2 不同构造部位的裂缝成因
褶皱后翼主要以近EW向的剪切裂缝为主，常贯穿2~3个薄砂层，多终止于砂层界面［图8（d）］。这些裂缝主要与层间滑动作用有关，后翼的反冲断层作用对下盘地层产生挤压，造成薄砂层之间出现层间滑动，在砂层间形成了一系列的层间剪切裂缝。构造演化史表明，褶皱后翼反冲断层形成于近地表环境（图11），此时由于地层温度压力降低，吉迪克组的地层脆性增强，因此除了反冲断层所造成的牵引构造外，地层的塑性揉皱作用在后翼表现的并不明显，形成的裂缝也以层间剪切裂缝为主，而非与前翼类似的网状裂缝。同时，深部的高矿化度地层水即使通过主逆冲断层和反冲断层向后翼迁移，也仅能在地面以下的部分发生沉淀，在到达地表后会迅速散失于地面，无法沉淀于地面以上的断层和裂缝中，因此后翼的裂缝也未见明显的矿物充填。
4.3 对地震构造解释的启示
对于覆盖区的箱形褶皱，在地震剖面上常常被解释为高角度逆冲和反冲断层所夹持的“背冲构造”，或称“两断夹一隆”，但实际上这种解释出的高角度逆冲和反冲断层更可能是箱形褶皱的2个膝折带。这是因为在地震反射剖面中，超过40°的高倾角地层由于地震波的传播机制，不能接收到有效地震反射信息，形成信噪比低的地震反射空白带或者杂乱反射区，而膝折带的地层倾角往往在60°以上，导致膝折带无法正确成像，因而被误解释为高角度逆冲或反冲断层［17，19］。然而实际上，这种高角度逆冲和反冲断层的“双断”解释缺乏构造地质学的理论支持，与岩石断裂力学的理论和实验结果也是相悖的［19］。因此，当在覆盖区地震剖面上解释出高角度逆冲或反冲断层时应特别慎重，需考虑是否有可能发育膝折带。由于岩层的弯曲与层间剪切滑动是膝折带的主要变形方式，在膝折带及其附近地层会形成密集的裂缝发育带，提高地层的储集与渗流能力，当石油地质条件合适时便很可能形成油气藏［17，19］。因此，若能综合利用高分辨率深度偏移地震资料、相关地质数据以及平衡剖面技术，正确合理地解释出覆盖区的膝折带，则有望拓展原有油气藏的规模或发现新的油气勘探领域［17，19］。
4.4 浅层油气勘探潜力
秋里塔格东段的东秋5、东秋6和东秋8等3口钻井在主要目的层白垩系巴什基奇克组均未获突破，但东秋8井在古近系库姆格列木群薄砂层获折日产气28×104 m3，东秋5井在新近系钻遇多套油气显示层，这表明研究区的浅层（古近系及以上地层）具有一定规模的油气勘探潜力［7］。钻井资料表明，秋里塔格东段的古近系膏盐岩层相对较薄（300~1 500 m），因此盐下构造层的一些逆冲或反冲断层很可能已突破古近系的膏盐岩层，或者以古近系的薄砂层为桥梁，与盐上构造层的主逆冲断层连通（图5，图11），导致深部油气沿断层向浅层运移，在局部形成构造—岩性油气藏（如东秋8井古近系薄砂层）或运移至地表形成一系列地表油苗［图1（b）］。东秋5井位于东部箱形褶皱反冲断层下盘（图5），断层可作为油气的有效渗流通道，但由于断层断至地表，油气保存条件差，因此在该井的浅层见到多层油气显示，但未获工业油气流。另外，箱形褶皱后翼的反冲断层形成于新近系库车组沉积晚期（图11），此时的烃类充注以大规模天然气充注为主，基本不再有原油充注，因此在后翼反冲断层附近未发现地表油苗的存在［图1（b）］。东秋6井距断层较远［图1（b）］，缺乏有效的渗流通道，油气到达此处的难度较大，因此在全井段均未见录井油气显示。
5 结论
（1）塔里木盆地库车坳陷秋里塔格构造带地表箱形褶皱是在喜马拉雅中期和晚期自北向南的强烈挤压背景下，地层以古近系膏盐岩为滑脱层发生分层变形，在盐上构造层发生共轭膝折而形成的构造，其演化过程包括库车组沉积前的构造平静期、库车组沉积早中期的褶皱雏形期和库车组沉积晚期—现今的褶皱定型与抬升剥蚀期3个阶段。
（2）箱形褶皱前翼发育的北倾逆冲断层和网状裂缝体系形成于库车组沉积早中期，受深部高矿化度地层水影响，断层和裂缝被石膏大量充填，但断层的后期活动可将其错开；受褶皱应变分层作用控制，褶皱核部上部发育北倾张性断层及近EW向张性裂缝，下部发育小型背冲构造和近NS向的剪切裂缝，中性面推测位于地表褶皱的中下部；褶皱后翼发育南倾反冲断层和层间滑脱作用形成的近EW向层间剪切裂缝；褶皱核部和后翼受高矿化度地层水波及较小，发育的断层及裂缝均未见明显的矿物充填。
（3）在覆盖区地震剖面上解释出高角度逆冲或反冲断层时，需考虑是否发育膝折带，膝折带及附近地层储集和渗流能力较强，具有形成油气藏的潜力。正确地解释出覆盖区的膝折带，有望拓展原有油气藏的规模或发现新的油气勘探领域。
（4）盐下深层和盐上浅层断层体系相互连通使深部油气向浅层运移，因此研究区的浅层具有一定的油气勘探潜力，潜在的勘探领域包括在古近系薄砂层和下白垩统上部形成的构造—岩性油气藏，以及在盐上浅表背斜砂岩段形成的构造油气藏2类。
秋里塔格构造带的地表箱形褶皱发育丰富的地质现象，蕴含着大量的地质信息，本文仅为作者初步研究得出的一些粗浅认识，还有许多科学问题值得进一步研究。希望本文能起到抛砖引玉的作用，以期对秋里塔格构造带构造变形机制的深入分析及油气勘探提供理论支持。
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