0 引言
库车前陆冲断带构造建模经历了3个阶段，第一阶段是断层相关褶皱理论的引入与发展，解决了冲断带圈闭基本样式，但是该方法适合地表构造及中浅层构造，背斜主要受滑脱断裂控制；第二阶段是挤压型盐相关构造理论的引入和发展，解决了盐下圈闭发育的基本样式，明确了分层变形差异及地层能干性对分层变形的控制，提出盐下楔形冲断体的概念，但是盐岩与断背斜的关系不明确，盐下断背斜展布规律不清楚；第三阶段是构造转换带建模的引入和发展，明确控制变换带分段特征的三大因素（南天山差异挤压应力、古近纪多盐湖分布、前中生代先存古隆起），但是研究仅集中在白垩系及以上地层，深部构造研究薄弱。众多的科技工作者基于地震、钻井和露头资料，并结合数值模拟和物理模拟实验，对库车前陆冲断带挤压型盐相关构造的变形样式、特征与机理做了大量的研究和系统的分析［15-21］。基本上明确了库车前陆冲断带挤压型盐相关构造受控于膏盐岩分布、基底古隆起、先存断裂及差异挤压等因素，整体具有“南北分带、东西分段”的地质结构特征，垂向上以膏盐岩为界，具有“三位一体”分层构造变形的特征，盐上层滑脱逆冲，膏盐岩塑性流动，局部聚集，发育盐丘、盐枕、盐席等构造，盐下层逆冲叠瓦［10-22］。经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造活动，晚海西—印支期形成的冲断构造影响着中生界沉积，喜马拉雅期的构造活动对晚海西—印支期的逆冲构造具有较强的改造和破坏作用，逆冲断裂多期、多幕次的活动变形造成了现今地表、地下双复杂的构造特征［15，19］。
目前随着油气勘探向深层近（进）源挺近，逐渐认识到膏盐岩和煤系地层都具有滑脱性，但是，对库车前陆盆地广泛发育的侏罗系—三叠系煤系地层的研究相对薄弱。煤系地层既是烃源岩，也是盖层和滑脱层，目前对煤系地层在构造变形中的作用、构造变形样式以及构造变形机理的研究不够系统和深入。
本文综合利用近些年的高精度和高品质三维地震资料，丰富的钻井资料和露头资料，对库车前陆冲断带地层的发育特征、地层能干性差异进行系统描述和分析，首次提出多滑脱层构造建模的思路，通过精细全层系构造解释，建立了从浅层到深层多层滑脱的立体构造模式，实现了从挤压型单盐层滑脱向膏盐岩层、煤系地层多层滑脱的转变，创新性地提出了挤压型煤相关构造建模的思路，结合油气勘探实践对挤压型煤相关构造变形样式进行了初步的探索；并通过古隆起、膏盐岩分布、煤系地层分布的讨论，结合数值模拟和构造演化分析，深入探讨多滑脱层构造变形特征、变形机理与构造变形的控制因素，为库车前陆冲断带多滑脱层构造建模提供理论方法依据，有效地支撑库车前陆冲断带多目的层立体勘探。
1 区域地质背景
库车前陆冲断带处于塔里木盆地北缘与南天山造山带的过渡区，平面上近东西向展布，中部宽，向东西两侧逐渐收敛，发育北部单斜带、克拉苏构造带、拜城凹陷、秋里塔格构造带和阳霞凹陷等5个次级构造单元（图1）。经历多期挤压构造旋回，多期断裂继承性活动，具有“再生前陆盆地”的特征。中—新生代陆相沉积较厚，由北向南逐渐减薄，整体具有楔形的结构特征。发育2套膏盐岩，东秋8井区为2套膏盐岩的叠置区，东部为新近系吉迪克组（N1 j）膏盐岩分布区，厚度和面积较小，最厚可达1 800 m，向西部发生相变，转变为泥岩和膏泥岩；西部为古近系库姆格列木群（E1-2 km）膏盐岩分布区，厚度和面积较大，最厚可达6 000 m，这2套膏盐岩构成了库车前陆冲断带重要的盖层和滑脱层［2］。发育侏罗系阳霞组（J1 y）和克孜勒努尔组（J2 kz）、三叠系塔里奇克组（T3 t）3套煤系地层，煤系地层既是烃源岩，也是盖层和滑脱层（图2）。
库车前陆冲断带经历了多期构造活动，晚二叠世—早三叠世受南天山洋自东向西关闭的影响，形成库车前陆冲断带晚海西—印支期冲断构造楔，晚白垩世受到均衡翘倾作用，库车前陆冲断带整体隆升，上白垩统基本被剥蚀殆尽，古近纪处于碰撞后的调整阶段，整体表现出弱伸展的构造环境，新近纪—第四纪受亚欧板块碰撞造山的影响，南天山强烈隆升，库车前陆冲断带发生强烈冲断作用，形成现今构造形态［15］。
前人根据地层能干性差异与构造变形特征将库车前陆冲断带以膏盐岩为界，划分为盐上层、盐层、盐下层与基底等4个构造层［15］。前中生界划分为基底构造层，中生界划分为盐下构造层，包括下白垩统、侏罗系和三叠系，膏盐岩之上的地层划分为盐上构造层。膏盐岩作为软弱层，在构造挤压过程中发生收缩分层变形，盐上、盐下构造变形样式差异较大，盐上层以逆冲滑脱为主，发育褶皱滑脱构造，膏盐岩塑性流动，局部聚集，部分膏盐岩冲出地表形成盐席、盐刺穿等构造，盐下层以逆冲叠瓦构造为主，造山带附近发育基底卷入构造，向盆地方向过渡为盖层滑脱构造［15-23］。但是对煤系地层在构造变形中的作用缺乏研究，对多滑脱层构造建模未开展系统的研究。
2 库车前陆冲断带多滑脱层构造变形样式
图3 库车坳陷西段地质结构剖面Fig.3 Geological structure profile of western part of Kuqa Depression |
图4 库车坳陷中段地质结构剖面Fig.4 Geological structure profile in the middle part of Kuqa Depression |
2.1 库车前陆冲断带西段多滑脱层构造变形样式
库车前陆冲断带西段发育古近系库姆格列木群膏盐岩［2，24-26］，侏罗系—三叠系煤系地层，以膏盐岩和煤系地层等软弱层为界，纵向上划分为五大构造层，分别为盐上构造层（古近系苏维依组—第四系）、盐构造层（古近系库姆格列木群）、盐下构造层（白垩系）、煤构造层（侏罗系—三叠系煤系地层）和煤下层（前中生界）。受膏盐岩和煤系地层的影响，库车前陆冲断带西段具有分层变形的特征，在喜马拉雅期强逆冲推覆作用下，叠瓦逆冲构造发育，整个中生界破碎程度大，单盐层构造变形程度强、厚度差异大，煤层滑脱作用弱。盐上层发育滑脱褶皱，断层相关褶皱等构造；盐层发生塑性流动变形，局部聚集加厚或者流失减薄，形成盐枕、盐焊接、盐刺穿等构造；盐下层发育多排逆冲叠瓦构造和突发构造，造山带发育基底卷入断裂，向盆地方向过渡为盖层滑脱，逆冲断裂向下切穿煤系地层，收敛于三叠系底面的逆冲断裂；煤上层与白垩系同轴变形，被多排逆冲断裂切割；煤层发育煤背斜、断裂型层滑构造。整个中生界表现为楔形逆冲的特征，由造山带向盆地方向逐渐减薄，超覆于西秋古隆起上。
2.2 库车前陆冲断带中段多滑脱层构造变形样式
库车前陆冲断带中段处于古近系和新近系2套膏盐岩叠置区，侏罗系—三叠系煤系地层相对较厚，以膏盐岩和煤系地层等软弱层为界，纵向上划分为五大构造层，分别为盐上构造层（新近系康村组—第四系）、盐构造层（古近系库姆格列木群—新近系吉迪克组）、盐下构造层（白垩系）、煤构造层（侏罗系—三叠系煤系地层）和煤下构造层（前中生界）。受盐构造层和煤构造层的影响，库车前陆冲断带中段具有分层变形的特征。从露头、钻井、地震资料来看，克拉苏构造带冲断构造发育，北侧冲断褶皱强烈［2，27-30］，发育喀桑托开背斜和库姆格列木背斜，构造抬升强烈，楔形冲断构造发育，中生界破碎程度比西部弱，双盐层构造变形程度强、厚度差异小，煤层滑脱作用强。
盐上层构造样式主要有滑脱背斜、断弯褶皱、断层相关褶皱和对冲构造等，同时部分盐岩在挤压过程中冲出地表。盐上层最主要的特征是滑脱逆冲断裂通常与褶皱相伴生，有些表现为上陡下缓的铲式逆冲断层，向下消失于膏盐岩层内，有些断裂则冲出地表形成破冲断裂，断裂两侧的地层倾向相反，近对称分布。盐层作为非能干层，在构造变形中受到上覆地层重力、构造应力等作用，发生塑性流动局部聚集，发育盐推覆体、盐丘、冲断盐楔和盐脊等构造。盐下层发育基底卷入断裂，向盆地方向过渡为盖层滑脱断裂，构造样式主要有冲起构造、叠瓦构造、楔形逆冲构造和阶梯状逆冲构造等。盐下层的滑脱逆冲断裂向下消失于侏罗系煤系地层，冲断带前缘的逆冲断裂以三叠系煤系地层为滑脱面进行逆冲滑脱，冲断带终止于煤系地层消失的地方。煤系地层作为非能干层，能干性比盐层要强，在构造挤压过程中塑性变形能力相对较弱，以剪切滑脱逆冲为主，与上下地层整体表现出同轴变形的特征，剪切滑脱逆冲断裂附近煤系地层具有重叠增厚的特征，煤层内部可能会发生揉皱变形，煤系地层的构造变形样式主要有褶皱型层滑构造和断裂型层滑构造。煤下层在构造挤压前缘发育基底卷入断裂，向下切穿煤系地层，与上覆白垩系具有同轴变形的特征，往盆地方向挤压应力有所减弱，滑脱逆冲断裂消失于三叠系煤系地层，煤下层构造样式主要有多米诺式逆冲构造、对冲构造和滑脱冲断构造等。
2.3 库车前陆冲断带东段多滑脱层构造变形样式
盐上层发育断弯褶皱和冲起构造，滑脱逆冲断裂向下消失于膏盐岩层内，东秋6井区发育“Y”字形突发构造。新近系吉迪克组膏盐岩在滑脱断裂下盘聚集增厚，部分膏盐岩沿此断裂向上发生逆冲推覆。盐下构造层发育基底卷入逆冲断裂，向上消失于膏盐岩，迪那2井区厚层膏盐岩下方发育断弯褶皱，形成完整的背斜构造。煤系地层由造山带向盆地方向逐渐减薄，超覆到基底古隆起上，被多排逆冲断裂切割，断裂叠置部位煤系地层有增厚的趋势。煤下构造层发育多排向北抬升的基底卷入逆冲断裂，整个中生界表现出同轴变形的特征。
3 多滑脱层构造变形的形成机制
库车坳陷发育古近系库姆格列木群膏盐岩、新近系吉迪克组膏盐岩、侏罗系—三叠系煤系地层等多套滑脱层，受膏盐岩和煤系地层分布与沉积厚度的影响，盐相关构造与煤相关构造具有多期活动、复式变形、垂向叠置的特征。前人［1-3，6-30］通过大量的地震资料解释、构造建模、物理模拟和数值模拟等手段，对库车坳陷挤压型盐相关构造的变形样式、变形机理与控制因素进行了深入的研究，有效地指导了盐下构造解释、圈闭研究与油气勘探，随着油气勘探向近（进）源挺进，逐渐认识到煤系地层作为非能干层，在构造挤压过程中具有分层收缩滑脱变形的特征，煤系地层上下构造变形存在差异。本文结合精细的多滑脱层构造建模，从构造变形特征、滑脱层的分布、滑脱层对分层变形的控制作用开展分析，结合数值模拟进一步论证多滑脱层构造变形机制。
3.1 古隆起控制滑脱层分布及冲断带规模
库车坳陷经历了复杂的构造演化过程，是一个典型的“再生”前陆盆地。库车坳陷自西向东发育4个呈雁列式排列的古隆起（温宿古隆起、西秋古隆起、新和古隆起和牙哈古隆起），前人［17，21-23，25］对古隆起与盐构造的形成演化做了大量的研究，认为基底古隆起和古断裂控制着上覆盐构造的形成与演化。基底古隆起控制侏罗系—三叠系煤系地层的沉积厚度，侏罗系—三叠系向盆地方向逐渐减薄，超覆在古隆起上（图3—图5）。膏盐岩具有很强的塑性，通常从高势能区向低势能区流动聚集，古隆起周缘由于上覆地层厚度相对较薄，地层重力势能相对较弱，膏盐岩容易在此处聚集。古隆起一般发育在远离挤压端的位置，在挤压构造活动中，古隆起周缘的构造应力相对较弱，膏盐岩也容易向古隆起周缘聚集。构造挤压过程中，受到古隆起的阻挡，构造应力逐渐减弱，逆冲推覆前缘终止于古隆起周缘，在古隆起前缘仅发育少量的基底滑脱逆冲断裂。
3.2 膏盐岩滑脱层控制浅层及盐下逆冲构造
膏盐岩具有较强的塑性，构造挤压过程中盐层上下具有分层变形的特征。膏盐岩的脆塑性可能随着埋深的变化而发生变化，在浅层可能主要表现为弱塑性，起到滑脱层的作用，在挤压构造应力作用下，主要发育盐滑脱相关的构造。而随着埋深的增加，温度也在增加，膏盐岩主要表现为强塑性，以流动变形为主，在应力低势区聚集增厚，局部有可能突破地表形成盐刺穿、盐墙等构造。
构造应力的大小对构造样式具有重要的控制作用。造山带附近构造应力较强，膏盐层较薄，以基底卷入逆冲断裂为主，逆冲断裂冲出地表。往盆地方向构造应力逐渐减弱，同时膏盐岩相对较厚，对构造应力起到吸收和屏蔽的作用，逆冲推覆断裂比较发育，叠瓦逆冲带的范围更广。
3.3 煤系地层控制冲断带前缘及煤下逆冲构造
推覆挤压作用强度对构造变形样式具有重要的控制作用，在构造挤压端发育基底卷入逆冲断裂，向盆地方向，在基底古隆起前缘煤系地层消失的地方，主要发育盖层滑脱构造。煤系地层较薄、埋藏深、逆冲推覆作用强的区域，煤系地层上下分层变形特征不明显，主要发育成排、成带的基底卷入断裂，与上覆中生界同轴变形，地层厚度在逆冲断裂叠置区域有增厚的趋势，该区域煤系地层主要起到调节构造变形的作用。煤系地层较厚、埋藏浅、逆冲推覆强的区域，煤系地层上下分层变形特征不明显，与上覆白垩系同轴变形，挤压端发育多排逆冲断裂，向下收敛于逆冲主断裂，煤系地层在断裂下方叠置增厚，起到调节构造变形的作用。由此可以推测，强构造应力下煤系地层以基底卷入构造为主，随着构造应力的减弱，主要发育滑脱逆冲断裂，同时可以看到逆冲推覆构造终止于煤系地层消失的地方。
3.4 分层构造变形叠加特征
库车坳陷发育膏盐岩和煤系地层2套滑脱层，受到地层能干性差异的影响，在挤压构造活动中具有整体挤压、分层收缩、分层变形、垂向叠置的特征，盐上层受膏盐岩塑性流动的影响，发育滑脱逆冲构造、断层相关褶皱等构造；膏盐岩表现出较强的塑性流动能力，在低势能区和逆冲断裂下盘聚集增厚，发育盐丘、盐枕等构造，具有较强的分隔盐层上下构造变形的能力，盐下逆冲断裂很难突破膏盐层；盐下层发育多排逆冲叠瓦构造，逆冲断裂向下沿煤系地层滑脱，向上终止于膏盐层；煤系地层能干性比膏盐岩强，构造变形中主要发生剪切滑脱变形，煤系地层内部发生揉皱变形，煤系地层的流动性较弱，主要伴随着滑脱逆冲断裂发生垂向上的逆掩叠置增厚；煤下层向盆地方向由基底卷入向盖层滑脱转换，构造成排成带，逆冲断裂向上消失于煤系地层，向下收敛于基底滑脱面。垂向上整个中生界多层收缩、垂向叠置在一起，具有同轴变形的特征，煤下构造层逆冲断裂简单、构造更加宽缓（图6）。
根据库车前陆冲断带盐相关构造与煤相关构造的发育特征，通过设计对应的离散元数值模拟初始模型与各套地层的边界条件，分析挤压过程中盐层与煤层的构造变形过程及变形特征，探讨双滑脱层的构造变形机制。离散元数值模型设计为五层结构（盐上层、盐层、盐下层、煤层、煤下层），结合库车前陆冲断带中段南北向地质结构剖面的长度，将数值模型的变形空间大小按照1∶1 000的比例，设置为长500 m×60 m，并在此变形空间范围内创建20 000个半径为1~1.2 m的离散颗粒集。赋予每个离散颗粒重力加速度（9.81 m/s2），使这些离散颗粒达到重力作用下的平衡状态，得到数值模型的雏形，并根据库车前陆冲断带的地质结构特征，设计盐上层（厚15 m）、盐层（厚12 m）、盐下层（厚15 m）、煤层（厚5 m）和煤下层（厚13 m）的结构模型（图7）。各套岩层厚度的设置主要依据实际地震剖面和钻井资料，为了突出膏盐岩和煤系地层的变形特征，对其厚度进行了一定程度的放大处理。结合前人的研究成果，通过不同构造层数值模拟微观参数的设置来区分膏盐岩、煤层、岩层的物质属性。本文数值模型中使用的参数是盐上层、盐层、盐下层、煤层和煤下层不同颗粒集的微观输入参数，包括离散颗粒的强度与离散颗粒之间的连接强度和它们之间的摩擦系数，这些参数需要经过一系列的岩石二轴数值实验才能获得［16，18］。能够反映不同构造层岩石物理参数与数值模拟微观输入参数的对应关系，基本能够代表实际不同构造层相对的物质属性。对数值模型的右端施加挤压作用力，通过分析挤压过程中，盐层和煤层的收缩滑脱变形特征来分析多滑脱层对构造变形的控制作用。
前人［2-5］对库车前陆冲断带进行了大量的构造演化分析，基本认识到库车前陆冲断带的构造缩短率变化范围为25%~30%，因此，本文数值模拟固定左侧挡板，以0.001 m/step的速率向左侧推动右侧的挡板，以此来记录和分析数值模型收缩10%、20%和25%时的构造变形特征。模拟结果显示，当挤压作用发生后，模型发生收缩变形，当收缩率为10%时，盐上层发生褶皱变形，盐层开始发生塑性流动，局部发育盐底辟，盐下层发育一条滑脱逆冲断裂，煤层发生褶皱变形，煤下地层发育一条基底滑脱逆冲断裂，形成断层相关褶皱（图6）。当收缩率为20%时，盐上层滑脱逆冲断裂逐渐增多，挤压端构造隆升幅度持续增大，盐层流动性增强，在逆冲断裂下盘聚集增厚，盐下层滑脱逆冲断裂逐渐增多，形成叠瓦构造，煤层与其上覆地层发生同轴变形，煤下层沿基底滑脱面发育叠瓦逆冲断裂，形成宽缓的背斜构造（图6）。当收缩率为25%时，盐上层发育4排滑脱逆冲断裂，逆冲断裂向上冲出地表，向下消失于盐层，挤压端基底卷入断裂冲出地表，隆升幅度持续增大，盐层的塑性变形进一步增强，挤压端逆冲断裂下盘盐层持续聚集增厚，盐层内部的标志层发育紧闭褶皱、“W”和“Z”字形褶皱，盐下层发育多排背斜和断背斜构造，局部发育“Y”字形突发构造，逆冲断裂向上消失于盐层，向下沿煤层滑脱，煤层的褶皱幅度进一步增大，煤下层叠瓦逆冲断裂持续活动，形成范围更加宽缓，幅度较大的背斜构造（图6）。
4 库车坳陷多滑脱层的构造演化
库车坳陷中部南北向的构造演化分析及区域地质综合研究表明，库车坳陷中—新生代构造演化可以划分为3个阶段：晚海西—印支期（石炭纪末—三叠纪）周缘前陆盆地演化阶段；燕山期（侏罗纪—白垩纪）陆内坳陷盆地演化阶段；喜马拉雅期（古近纪—第四纪）陆内前陆盆地演化阶段（图8）。
晚海西—印支期（石炭纪末—三叠纪），南天山洋闭合，库车坳陷北缘开展造山，形成多排基底古冲断带，控制着中生界的沉积空间，地层沉积厚度自山前向盆地方向逐渐减薄。燕山期（侏罗纪—白垩纪），库车坳陷处于造山后的均衡调整阶段，侏罗系由山前向盆地方向逐渐减薄，超覆于基底古隆起上，白垩系在库车坳陷范围内分布稳定，反映了此时的构造活动相对稳定。在白垩纪末期，库车坳陷经历了整体抬升剥蚀，缺失上白垩统，受晚海西—印支期古构造分布差异的影响，局部剥蚀量存在差异，此时三叠系—侏罗系煤系地层开始发生分层变形，煤系地层上下开始发育逆冲滑脱断裂。喜马拉雅期（古近纪—第四纪）南天山强烈隆升，库车坳陷遭受强烈挤压，形成现今盐层上下、煤层上下分层变形，垂向叠置的构造形态。北部形成高角度基底卷入逆冲断裂，往盆地方向逐渐过渡为盖层滑脱断裂，整个中生界表现为同轴变形的特征，膏盐层和煤系地层之下都发育成排成带的逆冲断裂，具有两层楼的结构特征。
5 结论
（1）塔里木盆地库车坳陷发育膏盐岩和煤系地层等多套非能干层，在挤压构造变形过程中具有多期滑脱、复合变形、垂向叠置的构造变形特征，以膏盐岩和煤系地层为界，纵向上划分为盐上层、盐层、盐下层、煤层和煤下层等五大构造层。
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（2）库车前陆冲断带经历了晚海西—印支期、燕山期、喜马拉雅期等多期构造活动，晚海西—印支期形成的古冲断构造控制了中生界沉积格局。
（3）膏盐岩、煤系地层等滑脱层和古隆起分布差异共同控制着分层构造变形与冲断带前锋。盐上层以盖层滑脱为主，盐下发育叠瓦逆冲构造，膏盐岩塑性流动形成盐丘、盐枕、盐刺穿等构造，煤层揉皱变形，煤上地层剪切逆冲，煤下层滑脱逆冲，整个中生界具有同轴变形的特征，煤下层滑脱逆冲断裂简单，构造更加宽缓，油气勘探潜力较大。
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