Salt-related structural characteristics and deformation mechanism of the Zhongqiu-Dongqiu section of the Qiulitag structural belt, Tarim Basin

  • Yun-jiang DUAN ,
  • Hao-yu LUO ,
  • Hui-wen XIE ,
  • Zhen-ping XU ,
  • Xue-qi ZHANG ,
  • Jing-zhou ZHANG ,
  • Lei SHI ,
  • Rui YUAN
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  • Research Institute of Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla 841000,China

Received date: 2020-12-27

  Revised date: 2021-03-02

  Online published: 2021-07-22

Supported by

The National Key Research and Development Program of China(2019YFC0605505)

Highlights

Thick layers of gypsum rocks are widely developed in the Neogene and Paleogene of the Zhongqiu-Dongqiu section of the Qiulitag structural belt, Tarim Basin. However, due to the differences in the distribution of the salts, there are different structural styles and deformation mechanisms in the lower salt layer and upper salt layer of the Zhongqiu and Dongqiu, respectively. Based on the interpretation of 2D and 3D seismic data and the theoretical basis of the former continental basin system, a detailed analysis of the structural style of the Zhongqiu-Dongqiu section was carried out. Through detailed seismic interpretation, well-drilling, distribution of gypsum layer analysis, it is considered that the Zhongqiu section is located in the intersection and superposition area of the gypsum salt rock of Qomglemu Group and the gypsum salt rock of the Jidike Formation, with slippage and thrust imbricated structure developed under salt and recoil structure developed above salt. In the Dongqiu, the gypsum salt rock of the Jidike Formation is developed, and the large wide and slow anticline is developed under salt, and the slippage and thrust structure are developed in the upper salt layer, forming monocline or fault anticline. By means of discrete element numerical simulation and single factor variable method, through four groups of comparative simulation experiments, the mechanism of salt tectonic deformations in Zhongqiu and Dongqiu were discussed. Discrete element numerical simulation results show that the distribution of salt rock, syntectonic deposition and basement preexisting fault are the controlling factors of salt tectonic deformation in the Zhongqiu-Dongqiu Period. The distribution and superposition of salt layer significantly affect the tectonic deformation under salt layer. Multiple rows of thrust faults are formed in the developed area of salt layer. Syntectonic deposition weakens the tectonic deformation intensity under salt and has certain influence on the tectonic morphology. Preexisting faults mainly affect the tectonic style under salt and the vertical uplift amplitude of the extrusion end.

Cite this article

Yun-jiang DUAN , Hao-yu LUO , Hui-wen XIE , Zhen-ping XU , Xue-qi ZHANG , Jing-zhou ZHANG , Lei SHI , Rui YUAN . Salt-related structural characteristics and deformation mechanism of the Zhongqiu-Dongqiu section of the Qiulitag structural belt, Tarim Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2021 , 32(7) : 993 -1008 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.03.009

0 引言

国内外大量的研究工作和油气勘探实践证明,盐构造蕴藏着丰富的油气藏。盐岩具有密度低、塑性强的岩石物理特征,在构造挤压过程中容易发生塑性变形,可改变上覆地层的产状,形成背斜、断背斜、断块等构造圈闭1-5,盐层具有较强的封盖能力,是较好的区域盖层,能够为油气的保存提供最佳条件,同时对构造应力具有较强的封闭能力,构造运动产生的挤压应力主要集中在盐下构造,随着构造运动的推进,在盐下形成一定规模数量的断裂体系,可以成为油气运移通道6。近年来,前人对库车坳陷盐相关构造的构造变形特征做了大量的研究,对秋里塔格构造带总结出了很多重要理论认识1-10,但对于中秋—东秋段新近系吉迪克组膏盐岩发育区、古近系库姆格列木群膏盐岩发育区以及这2套盐层交会区构造变形样式的差异及变形机理的研究工作开展的较少。本文通过研究区由西向东3条过井的典型地震剖面进行构造地质解译,建立了中秋—东秋段构造模式,对盐上层、盐层和盐下层构造变形特征进行了分析,论述了双盐层和单盐层构造样式的差异性。采用离散元数值模拟手段,通过单因素变量控制法,研究中秋—东秋段盐构造变形机理,探讨挤压背景下,盐岩展布形态、同构造沉积、基底先存断裂等因素对中秋—东秋段盐构造变形的影响。取得了一些新认识,推进了中秋—东秋段盐构造建模研究。

1 区域地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地北缘,北临南天山,南接塔北隆起,具有“南北分带、横向分段、上下分层”的构造变形特征,次级构造单元由北向南划分为:北部单斜带、乌什凹陷、克拉苏—依奇克里克构造带、拜城凹陷、秋里塔格构造带和阳霞凹陷11图1(a)]。秋里塔格构造带依据其构造特点和分布特征,分为佳木—西秋段和中秋—东秋段,研究区是秋里塔格构造带中秋—东秋段。近年的油气勘探已经证实,中秋—东秋段新生界、中生界地层发育齐全,从新到老有库车组(N2 k)、康村组(N1-2 k)、吉迪克组(N1 j)、苏维依组(E2-3 s)、库姆格列木群(E1-2 km)、白垩系(K)、侏罗系(J)、三叠系(T)。中秋段发育新近系吉迪克组和古近系库姆格列木群2套膏盐岩,东秋段发育新近系吉迪克组膏盐岩,膏盐岩分布最厚的区域可达4 000 m,较薄的区域也有数百米,2套盐层交会叠置区位于中秋段中秋1井—东秋5井一带11
图1 库车前陆盆地区域地质与地质结构—构造剖面

Fig.1 Regional geological map and geological structure-tectonic section of Kuqa foreland basin

膏盐层作为塑性层,在挤压变形过程中,分隔盐上层和盐下层变形。盐上层发育盐滑脱逆冲构造,地层变形相对较弱。盐下层构造变形强烈,以滑脱冲断构造为主,发育成排、成带分布的背斜、断背斜构造2-79-10
秋里塔格构造带位于库车坳陷的最南缘,构造变形特征与克拉苏构造带相似,垂向分层变形特征明显,不同的是佳木—西秋段发育古近系膏盐岩,而中秋—东秋段发育新近系、古近系2套膏盐岩,膏盐岩和中生界滑脱层分布的差异性,导致盐下构造变形存在差异,佳木—西秋段盐下不发育冲断构造,中秋—东秋段盐下发育逆冲叠瓦构造,形成2~3个逆冲断片11

2 中秋-东秋段构造变形特征

库车前陆冲断体系由北向南可划分为楔顶构造带,前渊带和前缘隆起带12图1(b)]。不同的构造单元发育不同的构造类型,楔顶构造带处于挤压作用最强端,构造活动时间最早,以基底卷入构造为特征,发育大型逆冲断裂,断距大、横向和纵向延伸长,断层向下切割基底,向上可断穿膏盐层,局部断裂甚至可突破到地表。前渊带具有箕状特征,地层沉积相对较厚,发育新近系—古近系2套膏盐岩以及侏罗系、三叠系煤系地层,构造活动较晚,盐下主要发育沿三叠系煤系地层滑脱逆冲构造,断距一般较小,延伸短,断层始于三叠系煤系地层,向上终止于新近系—古近系膏盐岩;盐层发生塑性变形,在盐上背斜下方聚集加厚,发育盐枕、盐席等构造;盐上发育盐相关褶皱,断裂沿盐顶滑脱逆冲,形成盐上背斜和断背斜构造。前缘隆起带主要以塔北隆起的继承性构造为特征,该类型构造形成时间早,一般为印支期及其以前的古构造、古隆起和古断裂在喜马拉雅期再次活动形成的背形构造带。
中秋—东秋段主要位于库车前陆冲断带的前渊带,发育“滑脱+逆冲”为主的盐相关构造,冲断带前缘受控于中生界滑脱层,滑脱层消失的地方不发育冲断构造。
中秋—东秋段东西向地层差异性较大,构造样式多样13-19,主要受到喜马拉雅期南天山隆升施加的南北向挤压应力的作用,其构造样式和展布特征受到深层、浅层断裂以及古近系、新近系膏盐层分布的联合控制,纵向和横向上均存在较大差异1220-21。本文优选高精度三维地震资料对中秋—东秋段开展构造解释,自西向东选取了3条经过已钻井的代表性剖面进行构造地质解译,地震剖面的位置如图1(a)所示。

2.1 中秋段典型剖面解析

该剖面(剖面BB′)位于中秋段双盐层发育区,自南向北依次穿过了秋里塔格构造带中秋段和克拉苏构造带克拉段,经过中秋2井和克拉2井。其中,中秋2井钻揭新近系吉迪克组和古近系库姆格列木群2套膏盐岩层,克拉2井仅钻揭古近系库姆格列木群1套膏盐岩。库姆格列木群膏盐层分布范围广,吉迪克组膏盐层向西发生相变,膏盐层逐渐变薄消失。2套盐层在中秋段叠置沉积。受到膏盐层的影响,在剖面北部(克拉苏构造带),盐上地层作为一个整体沿库姆格列木群膏盐岩滑脱逆冲,发育北倾逆冲断裂F9,形成一排盐滑脱构造;剖面南部(中秋段),盐上地层作为一个整体沿吉迪克组膏盐层滑脱逆冲,发育1条南倾逆冲断裂F1,形成一排反冲构造。盐下构造主要受中生界滑脱层的控制,自北向南发育7条北倾逆冲断裂,逆冲断裂向下收敛于沿三叠系滑脱层滑脱逆冲的主断裂F2,向上消失于膏盐层内,形成滑脱逆冲叠瓦构造[图2(b)]。
图2 中秋—东秋段地震剖面BB′及其构造解析、地质构造剖面

Fig.2 Zhongqiu-Dongqiu seismic section(BB′) and its tectonic analytic map, geological structure profile

从构造解析剖面看出,古近系和新近系膏盐层都发生了塑性流动,具有局部增厚和减薄的特征,在断层F3以南,2套膏盐层在纵向上叠置增厚,协调变形。2套盐层在F2之上的褶皱核部聚集增厚,新近系吉迪克组膏盐层的厚度远大于古近系库姆格列木群膏盐层[图2(b)]。说明盐层分布形态对构造变形具有重要的控制作用。

2.2 中秋段与东秋段转换区典型剖面解析

该剖面(剖面CC′)位于中秋段与东秋段转换区,自南向北依次穿过了秋里塔格构造带中秋段和克拉苏构造带克拉段,经过东秋8井和克拉3井,东秋8井处于2套盐岩交会过渡部位,克拉3井仅发育薄层的库姆格列木群膏盐岩。
剖面中仍然发育2套膏盐岩,北部(克拉苏构造带)主要沉积库姆格列木群膏盐岩,南部(中秋—东秋转换带)主要沉积吉迪克组膏盐岩,库姆格列木群膏盐层往东逐渐变薄尖灭,吉迪克组膏盐层往东逐渐增厚,剖面南部膏盐岩上覆地层的构造样式与剖面BB′一致,发育一条南倾反冲断层F1,断裂向上冲出地表,向下消亡于吉迪克组膏盐层内,盐层及盐上地层作为一个整体沿该逆冲断层向北推覆,形成盐推覆构造,构造倾角较大,反映了盐层的塑性流动影响着盐上地层的变形;剖面北部发育2条切穿库姆格列木群薄层膏盐岩的逆冲断裂F8、F11,形成2排逆冲构造。吉迪克组盐层主要发育在剖面南部,在盐下逆冲断裂前缘聚集增厚形成盐枕构造;库姆格列木群膏盐岩主要发育在剖面北部,在挤压端逆冲断裂下盘聚集增厚形成盐三角带,向南逐渐变薄,岩性发生了变化,参杂了一些泥岩和白云岩成分,与下伏地层具有同轴变形的特征。剖面的盐下层自北向南发育4条北倾的逆冲断裂,克拉苏构造带的断裂具有垂向叠置的特征,中秋—东秋转换带主要发育1条沿三叠系滑脱层滑脱逆冲的断裂F2及其伴生的反向逆冲小断裂F15、F16和F17,反向逆冲小断裂向上突破薄层的库姆格列木群膏盐岩和膏泥岩断开吉迪克组底界,向下收敛于F2图3(b)]。
图3 中秋—东秋段地震剖面CC′及其构造解析、地质构造剖面

Fig.3 Zhongqiu-Dongqiu seismic section(CC′) and its tectonic analytic map, geological structure profile

2.3 东秋段典型剖面解析

该剖面(剖面DD′)位于东秋段,自南向北依次穿过了秋里塔格构造带东秋段和迪北构造带,经过迪深1井和迪北103井,迪深1井钻揭吉迪克组厚层膏盐岩,迪北103井没有钻遇膏盐层而是钻遇了膏泥岩,说明吉迪克组膏盐岩在东秋构造带东部地区分布范围窄,往北部迪北地区相变为膏泥岩,地层的塑变性变差。
该剖面盐上层构造样式与剖面BB′、CC′具有较大差异,盐上地层作为一个整体沿吉迪克组膏盐岩滑脱逆冲,发育北倾逆冲断裂F18,向上冲出地表,向下消亡于吉迪克组膏盐层内,形成一排盐滑脱逆冲构造。吉迪克盐层往北逐渐发生相变,膏质和泥质含量增加,盐层在盐下断层转折褶皱顶部偏南处聚集增厚形成盐枕,盐体的塑性流动在盐上层形成滑脱逆冲断裂,发育盐推覆构造。而剖面北部的迪北构造带地层塑性变差,主要发育断穿三叠系、侏罗系的逆冲小断裂,地层整体变形,由南向北依次抬升,说明膏盐层对构造变形的样式起到重要的控制作用。
盐下地层变形强烈,发育1条沿三叠系滑脱层滑脱逆冲的断裂F2,形成断层转折褶皱,受构造挤压的持续作用,在断层F2北侧发育1条逆冲断层F19向下收敛于断层F2,向上消失于吉迪克组膏盐层内,断距较小,横向延伸短,与南倾的逆冲断裂F20构成“Y”字型断裂组合[图4(b)]。
图4 中秋—东秋段地震剖面DD′及其构造解析、地质构造剖面

Fig.4 Zhongqiu-Dongqiu seismic section(DD′)and its tectonic analytic map, geological structure profile

2.4 沿中秋—东秋段构造走向的盐构造变形特征

上述3条典型剖面的解析表明,中秋—东秋段受膏盐岩分布差异的影响,由西向东盐上和盐下构造样式存在较大差异。膏盐层具有良好的封盖特性,膏盐层之下的中生代地层是中秋—东秋段油气勘探的主要目的层系151719。因此,居于膏盐层的分布特征及盐下构造样式特征对中秋—东秋段进行分段研究,总结盐上、盐下构造变形在东西向上的差异。结合地震剖面解析成果及膏盐岩分布特征,把中秋—东秋段划分为双盐层叠置区滑脱逆冲叠瓦状构造段和单盐层发育区断层传播褶皱构造段。
双盐层叠置区滑脱逆冲叠瓦扇构造段:该构造段位于中秋段,地表表现为北东走向的单排山脉,呈向北突出的弧形[图1(a)]。发育古近系库姆格列木群和新近系吉迪克组2套膏盐层,膏盐层之上发育被动顶板反冲构造,断层上盘整体表现为南倾的单斜,下盘整体表现为宽缓的背斜。膏盐岩在盐下逆冲构造高部位聚集增厚,形成盐构造三角带。盐下构造层发育1条沿中生界滑脱面滑脱逆冲的断裂,往上消失于膏盐层中,该断裂北部发育1~2条北倾的逆冲断裂,向下收敛于滑脱主断裂上,整体构成滑脱逆冲叠瓦扇构造[图2(c)]。
单盐层发育区断层传播褶皱构造段:该构造段位于东秋段,地表为近东西展布的单排山脉,与双盐层交会区平滑过渡[图1(a)]。发育新近系吉迪克组1套膏盐层,膏盐层之上发育盐滑脱构造,逆冲断裂上盘发育断层相关褶皱,下盘地层整体变形形成南倾的单斜构造。盐下层发育一排逆冲推覆断裂,形成断层传播褶皱,发育大型宽缓的背斜,背斜核部被断裂切割。膏盐岩在背斜南翼聚集增厚,盐下构造高点相对盐上构造高点向北迁移[图3(c),图4(c)]。
中秋—东秋段自西向东库姆格列木群膏盐岩厚度逐渐减薄,岩性发生相变,由膏盐岩变为膏泥岩、砂泥岩,吉迪克组膏盐岩厚度逐渐增厚,沉积范围逐渐变宽。膏盐层作为塑性软弱层,在挤压应力作用下发生塑性变形,控制着盐上层构造变形,在盐上层普遍发育盐滑脱构造。由于中秋—东秋段自西向东膏盐岩层发育数量、厚度、形态的变化,导致盐上层和盐下层构造变形存在差异。中秋段膏盐层沉积范围广、厚度大、构造变形强,盐上层发育被动顶板反冲构造,盐下层发育多条逆冲断裂,冲断带前锋向前传播的更远;东秋段膏盐岩沉积范围窄、厚度小、构造变形相对弱,盐上层发育盐滑脱构造,膏盐岩在断裂下盘聚集增厚,盐下层发育2条逆冲断裂,形成宽缓的背斜构造。中秋—东秋段盐下构造层主要发育北倾的逆冲断裂,构造变形自西向东逐渐减弱,逆冲断裂逐渐收敛,由逆冲叠瓦构造转变为单排断层相关褶皱,反冲及冲起构造发育程度增强。

3 盐构造变形机理离散元数值模拟

为了研究盐构造变形的控制因素,以中秋—东秋段的地质结构特征及构造变形特征为依据,设计了离散元颗粒流模型,进行数值模拟。

3.1 方法原理简介

离散元数值模拟方法是一种基于离散的具有弹性性质的颗粒之间接触准则的数值模拟方法,通过应力与位移准则来计算离散颗粒间的位移和形变,能够实现离散颗粒间的相互滑动、挤压变形和破裂,利用绑定颗粒集代替自然岩石,通过颗粒强度、颗粒间黏结强度以及摩擦系数来模拟不同应变强度的材料,来研究宏观变形的微观机理和宏观变形的动力学特征,适用于大应变量构造变形样式模拟实验分析以及岩石类介质内断层、动力响应等基础性问题22-25
离散颗粒间接触遵循颗粒接触准则,在受力发生运动的过程中遵循牛顿运动定律,所有颗粒集都在循环重复着力—速度—位移的计算,可以得到速度场和应力场,通过计算颗粒在每一时间所处的位置,能够模拟构造演化过程25。但对于受到多期伸展和挤压作用叠加控制的构造,离散元数值模拟方法很难再现其演化过程和分析其形成机理。

3.2 离散元数值模型构建

离散元数值模型是依据实验模拟对象而设置的离散颗粒的集合体,但是在现实的自然界中,地层中的岩石通常会受到重力和地应力的共同作用。因此,根据中秋—东秋段典型含盐构造剖面的实际长度(长约50 km,垂向深度约5.5 km),将模型按照1∶100的比例,设置为500 m×55 m,在该变形区内创建15 000个半径为0.5 m,分布形态符合高斯定律的颗粒集,并赋予这些离散颗粒重力加速度(9.81 m/s2),最终让这些离散颗粒集达到自然重力压实下的平衡状态,得到模型的雏形,根据中秋—东秋段的盐层分布特征,分别设置了单盐层模型[图5(a)]和双盐层模型[图5(b)]。
图5 中秋—东秋段单盐层和双盐层离散元数值模拟初始几何模型

Fig.5 The initial geometric model of single and double salt beds simulated by discrete element numerical simulation in Zhongqiu-Dongqiu section

根据已钻井的膏盐岩厚度、区域变化特征以及实际地震—地质剖面的结构特征,分别设定单盐层离散元初始模型盐下层(25 m×500 m)、盐层(10 m×150 m)、盐上层(30 m×500 m),设定双盐层离散元初始模型盐下层(20 m×500 m)、盐层1(8 m×150 m)、盐层2(10 m×280 m)、盐上层(35 m×500 m);为了清楚地显示变形特征,分别在盐下层、盐层和盐上层都设置了能干层,便于观测地层变形特征以及变形过程。
前人通过平衡剖面分析,表明秋里塔格构造带构造缩短率为24.46%~29.82%5,通过生长地层分析得出秋里塔格构造带盐层的主要构造变革期为上新世库车组和康村组沉积时期到更新世,距今约2.97 Ma526-28,该时期主要受到南天山隆升时产生的水平分力的挤压作用,因此以初始模型为基础,固定左侧挡板,在右侧施加压力。通过调试,设定右侧挡板的挤压速率为0.001 m/step(计算循环),直至缩短率达到30%,对模型的变形过程和结果进行记录分析,为了更好地做对比分析,通常对缩短率为10%、20%和30%的模型变形结果进行记录和分析。
根据前人对库车坳陷盐构造的物理模拟实验、平衡剖面恢复和构造演化研究,取得了一些认识,提出盐岩展布形态、沉积差异负载、挤压应力变化、先存构造、基底形态等因素的差异性,影响盐构造变形2-11。本文研究通过设定单层盐岩和双层盐岩展布形态、同构造沉积、基底先存断裂等因素,利用单因素分析方法探讨不同因素对中秋—东秋段盐构造变形的影响。

3.3 离散元数值模拟实验结果分析

3.3.1 模型一:单盐层模型

在单盐层初始模型的基础上,对右侧施加0.001 m/step的挤压运动速率,在运算过程中分别记录50 000 step(缩短率10%)、100 000 step(缩短率20%)和150 000 step(缩短率30%)时的变形结果(图6)。变形主要集中在挤压端盐层尖灭减薄的位置,在盐下层形成多排逆冲叠瓦断裂组合,挤压端盐层不发育的地方断裂突破上覆岩层。缩短率为10%时,模型的初始变形相对较弱,盐下层开始形成一排逆冲断裂,盐层开始缓慢的塑性流动,盐层内的能干层连续性较好,盐上层发育2条逆冲小断裂。缩短率为20%时,盐下层逆冲推覆变形进一步增强,形成2条逆冲断裂和1条反向逆冲断裂,构成“Y”字型断裂组合,盐层流动性进一步增强,盐上层垂向隆升幅度持续增大。缩短率为30%时,盐下层发育4条逆冲叠瓦断裂和3条反向逆冲小断裂,发育背斜和断背斜构造,挤压端由于不发育盐层,地层的塑性变弱、脆性变强,逆冲断裂突破上覆地层冲出地表,盐层在背斜构造上方聚集增厚,盐上层发育3条滑脱逆冲断裂。
图6 单盐层模型变形结果对比

Fig.6 Comparison of deformation results of single salt layer model

3.3.2 模型二:同构造沉积-单盐层模型

在单盐层初始模型的基础上,对模型右侧施加0.001 m/step挤压速率,当运算25 000 step(缩短率5%)时,在盐上层设计8 m厚的同构造沉积地层,分别对运算50 000 step(缩短率10%)、100 000 step(缩短率20%)和150 000 step(缩短率30%)时的变形结果进行记录和分析(图7)。
图7 同构造沉积—单盐层模型变形结果对比

Fig.7 Comparison diagram of deformation results of syntectonic sedimentation and single salt bed model

存在单层盐层时,变形首先发生于盐上层,随着同构造沉积层的加入,盐上地层首先发生褶曲和高角度的逆冲断裂,盐层发生塑性流动,盐下层变形较弱。缩短率为20%时,盐上层的逆冲断裂进一步发育,形成断背斜构造,膏盐层不断聚集增厚,盐层内能干层发生褶曲变形,形成“无根勾”型褶皱,靠近挤压端盐层不发育区发育前展式逆冲断裂和反向逆冲断裂,构成“Y”字型断裂组合。缩短率为30%时,盐上层发育滑脱逆冲断裂,盐内能干层形成“M”型紧闭褶皱,靠近挤压端盐层不发育区逆冲推覆断裂冲出地表,盐层发育区形成2条逆冲断裂和1条反向逆冲断裂,构成“Y”字型断裂组合,挤压端发育大型的背斜构造。

3.3.3 模型三:单盐层—同构造沉积—先存断裂模型

对初始模型靠近挤压端的盐下层设计1条先存断裂,在右侧施加0.001 m/step的挤压速率,运算25 000 step(缩短率5%)时,在盐上层设计8 m厚的同构造沉积地层,分别对运算50 000 step(缩短率10%)、100 000 step(缩短率20%)和150 000 step(缩短率30%)时的变形结果进行记录和分析(图8)。
图8 先存断裂—同构造沉积—单盐层模型变形结果对比

Fig.8 Comparison diagram of deformation results of pre-existing fault-syntectonic sedimentation-single salt bed model

运算开始后构造变形主要集中于事先设置的先存断裂处,逆冲断裂主要发育在靠近挤压端无盐层发育的区域,在盐下形成大规模的逆冲断裂组合。缩短率为10%时,基底先存断裂活化,发育一排逆冲推覆断裂,变形较弱;盐层开始塑性流动变形,盐间能干层连续性较好,变形微弱;盐上层变形较弱,仅在靠近挤压端发生褶曲变形。缩短率为20%时,基底先存断裂进一步活动,挤压前缘无盐层发育区形成4条逆冲推覆断裂;盐层内的能干层发生褶曲变形;盐上层形成2排逆冲断裂。缩短率为30%时,构造变形持续向前拓展,逆冲断裂往前推进到盐层发育区,共形成5排逆冲断裂,盐层发育区形成“Y”字型反冲断裂组合,发育背斜、断背斜构造;盐层在背斜下方聚集加厚;盐上层发育盐相关褶皱和滑脱逆冲断裂,发育背斜构造和盐撤凹陷。

3.3.4 模型四:同构造沉积—双盐层模型

在双盐层初始模型的基础上,对右侧施加0.001 m/step的挤压速率,当运算25 000 step(缩短率5%)时,在盐上层设计8 m厚的同构造沉积地层,分别对运算50 000 step(缩短率10%)、100 000 step(缩短率为20%)和150 000 step(缩短率为30%)时的变形结果进行记录和分析(图9)。存在双盐层相互叠置时,地层塑性较强,在盐下层形成6排逆冲叠瓦断裂和2条反向逆冲断裂,逆冲断裂消失于盐层尖灭的位置。缩短率为10%时,初始变形较弱,盐下层发育一条逆冲断裂;盐层开始塑性变形,底部的盐层变形相对较强,盐内能干层发生褶曲变形;盐上层发育大型宽缓的背斜。缩短率为20%时,盐层流动性进一步加强,在背斜下方聚集加厚,发育2条逆冲断裂和1条反向逆冲断裂;盐层塑变性进一步增强,盐内能干层形成“M”型褶皱;盐上层宽缓背斜的幅度进一步增大。缩短率为30%时,盐下层发育多排逆冲叠瓦断裂和“Y”字型反向调节断裂组合,逆冲断裂边界与盐层边界发育的位置基本一致,发育背斜、断背斜构造;盐层在背斜上方聚集增厚,盐内能干层形成“M”型和无根勾型褶皱;盐上发育盐滑脱逆冲断裂,发育背斜和断背斜构造。
图9 同构造沉积—双盐层模型变形结果对比

Fig.9 Comparison diagram of deformation results of syntectonic sedimentation and double salt bed model

4 讨论

本文设计了基底倾斜背景下的单盐层模型、同构造沉积—单盐层模型、基底先存断裂—同构造沉积—单盐层模型和同构造沉积—双盐层模型,通过对比分析模型变形过程中构造形态的变化特征,分析各构造要素对中秋—东秋段盐构造变形的影响。

4.1 实验模型局限性

本文研究设计的数值模拟模型均为二维空间模型,对模型的初始几何形态,先存断裂、先存基底形态、盐层分布形态都依据地质构造剖面进行简化处理,忽略了自然岩层中存在的温压系统、岩石孔隙流体压力、地层流体性质等因素对实验的影响。尽管对这些实验环境进行了简化处理,模拟过程和结果仍然能够体现出盐构造变形演化过程和变形机理。

4.2 同构造沉积的控制作用

当存在同构造沉积时(模型二),变形首先发生于盐上层,发育滑脱逆冲断裂,形成断背斜构造,盐下层发育逆冲推覆断裂及反向逆冲断裂组合,挤压前沿构造三角带隆升幅度56%,断裂倾角为45°左右。挤压变形过程中,同构造沉积主要通过影响浅层地层的厚度,在受力相同的情况下增大应力往前传播的阻力,影响断裂发育数量和垂向隆升幅度。模型一和模型二对比发现同构造沉积模型在收缩30%时发育4条逆冲断裂而无同构造沉积模型发育5条逆冲断裂,受同构造沉积的影响,在构造挤压端形成的逆冲断裂断距更大,垂向隆升幅度更大。

4.3 先存断裂的控制作用

当基底存在先存断裂时(模型三),挤压作用发生时,先存断裂活化,应力在先存断裂处得到释放,构造变形剧烈。盐下层发育多排叠瓦状逆冲断裂,盐内能干层形成“M”型等褶皱,挤压前沿隆升幅度为50%,逆冲断裂倾角为32°左右,对比模型二和模型三发现,模型三发育的逆冲断裂条数多于模型二,但断裂往前拓展的距离要小于模型二,模型二逆冲断裂边界与盐层边界一致,而模型三受先存断裂的影响逆冲断裂系统主要发育在挤压端,应力主要在先存断裂处被集中均匀的释放,因此逆冲断裂在挤压端紧密成排的分布,断裂倾角基本一致,而模型二由于缺少先存断裂,挤压变形中应力出现了不均匀传递的现象,挤压端形成高角度断裂,往应力传递方向断裂倾角逐渐变小。通过对比分析进一步证实基底先存断裂主要影响应力的传播范围,进而改变垂向分层变形结构,基底断裂通过影响盐层的塑性流动方式,控制盐层及其上覆地层的变形过程,可以决定盐构造发育的位置和过程。

4.4 盐层的控制作用

当存在双盐层时(模型四),盐下层形成多排逆冲断裂和反向逆冲断裂组合,挤压端构造三角带隆升幅度为50%,逆冲断裂倾角为40°左右,构造变形结果与中秋段构造地质剖面相类似。而当存在单盐层时(模型二),盐下层发育的逆冲断裂数量较少,盐层不发育区地层整体变形,在挤压端构造三角带隆升幅度为56%,逆冲断裂倾角为45°左右,构造变形结果与东秋段构造地质剖面类似,盐层不发育区地层塑性变弱,脆性增强,构造整体变形,发育多条逆冲断裂,并有部分断裂冲出地表。表明盐层的展布形态、埋深、纵向叠置关系主要影响盐下构造变形及挤压端垂向变形规模,盐层对应力具有较强的吸收能力,双盐层存在时,地层塑性增强,水平挤压力的垂向分力很难突破盐层向上传播,应力主要集中于盐下,因此在盐下层形成了规模巨大的逆冲推覆断裂及反向逆冲断裂组合,单盐层模型由于挤压端缺少盐层,地层塑性差,以脆性变形为主,因此在变形中挤压端隆升幅度大,断裂倾角陡。
对比4组数值模拟实验结果表明,中秋—东秋段盐构造变形受控于盐岩展布形态、基底先存断裂、同构造沉积等因素。当缩短率为30%时,4种模型盐上层都发育盐滑脱逆冲构造,盐层发生塑性变形,盐下层都发育逆冲构造。由于设定了不同的边界条件,导致断裂发育的倾向、断裂发育的数量、变形强度的大小以及变形延伸的范围有所差别。同构造沉积—双盐层模型盐上层发育被动顶板滑脱逆冲构造,盐下层发育多排逆冲构造,冲断带前锋向前传播的更远[图10(d)];单盐层模型无论是设定了同构造沉积、先存断裂、无同沉积构造边界条件,盐上层构造变形基本一致,盐下层发育逆冲构造,形成宽缓的背斜,而靠近挤压端没有盐层发育的部位,构造整体变形,逆冲断裂冲出地表,挤压端构造隆升幅度较大[图10(a)—图10(c)]。这也说明了在挤压变形中,盐层的分布形态对构造变形样式起到了关键性作用,这一点在现实构造变形中也得到了验证。中秋段发育2套盐层,在挤压应力作用下,盐下发育多排逆冲构造,冲断带前锋向前传播的更远[图2(b),图2(c)];中秋—东秋段转换部位,古近系膏盐岩逐渐发生相变,地层塑性变差,在构造变形中,盐下层逆冲断裂发育多条反向逆冲小断裂,切割古近系[图3(b),图3(c)];东秋段仅发育吉迪克组膏盐岩,在挤压应力作用下,盐下层发育一排逆冲断裂,形成宽缓的背斜,而靠近挤压端地层整体抬升变形,发育多条逆冲断裂,并且有部分断裂冲出地表[图4(b),图4(c)]。
图10 不同条件下最终模拟结果对比

Fig.10 Comparison of final simulation results under different conditions

前人通过物理模拟实验手段和平衡剖面研究方法,对库车坳陷盐构造变形特征和变形机理进行了大量的研究工作,探讨出库车坳陷盐构造受基底先存构造6、膏盐岩分布5-629、区域构造挤压应力和同构造沉积30-32的影响,具有垂向分层、横向分带的构造变形特征2931。盐上层发育盐滑脱逆冲构造;盐层发生塑性变形,形成盐丘、盐枕、盐席等构造;盐下层发育成排、成带的逆冲断裂。这些研究成果与本文的构造解析认识和数值模拟结果基本一致。不同的是,前人的研究都是基于单套盐层进行的模拟分析,对于存在2套盐层的构造变形特征和变形机理的研究较少。本文以库车坳陷秋里塔格构造带中秋—东秋段库姆格列木群和吉迪克组膏盐岩分布特征的认识为基础,结合中秋—东秋段由西向东经过已钻井典型地震剖面的精细解释,分析了沿构造走向双盐层和单盐层发育区构造变形的差异性,并以此为依据设计对应的数值模型,采用单一因素变量控制法、定量的模拟盐层展布形态、基底先存构造、同构造沉积对中秋—东秋段盐构造变形的控制作用,丰富了盐构造建模的研究领域。

5 结论

(1)塔里木盆地库车坳陷秋里塔格构造带中秋段处于双盐层发育区,与克深段斜向相接,具有较大的变形空间,构造样式与克深段相似,发育多排逆冲推覆构造;东秋段处于单盐层发育区,单层盐层较薄,与石膏和泥岩互层,地层塑性变差,发育单排逆冲断裂,地层同轴变形,次生逆冲小断裂发育,往南部整体表现为斜坡。
(2)离散元数值模拟结果表明中秋—东秋段盐构造变形受控于盐岩展布形态、基底先存断裂及同构造沉积等因素。盐层的展布、叠置关系通过影响应力的分布控制盐下构造变形,盐层消失的地方不发育盐下构造,存在双盐层时比存在单盐层时,盐下层发育更多的逆冲断裂和反向逆冲断裂组合;先存断裂主要影响应力的传播方向和范围,进而改变构造变形过程和构造形态;同构造沉积增加了浅层地层的重量,对盐下构造形态和垂向隆升幅度影响较大,变形首先发生于盐上层,盐上层发育背斜构造和滑脱逆冲断裂,构造挤压端形成的逆冲断裂断距更大,垂向隆升幅度更大,但是断裂发育的数量相对要少。
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Outlines

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