库车坳陷中段基底断裂特征及其对盐构造变形的影响*

杨克基 漆家福 刘傲然 张卫刚 马宝军 李 冬

（1.河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北地质大学 石家庄 050000；
2.河北地质大学地球科学学院 石家庄 050000；
3.中国石油大学（北京）地球科学学院 北京 102249；
4.中国石油长庆油田分公司 西安 710000）

盐构造的形成演化是一个长期而复杂的过程，其触发因素和控制条件众多，在不同的构造、沉积环境及不同演化阶段控制因素也有所差异（Hudec and Jackson，2007；
Li et al.，2012；
Nikolinakou et al.，2014）。盐构造变形的控制因素总体可分为盐层自身因素和外界条件两方面，前者主要包括盐层强度（Nikolinakou et al.，2014）、盐层厚度（Li et al.，2021）、盐层宽度、盐体几何形状、盐层在构造层中所处深度等；
后者主要包括构造活动速率和时间（李维波等，2017）、差异负荷（高麟等，2020）、同沉积和剥蚀作用及其速率（谢会文等，2014；
Wu et al.，2021）、基底先存构造（Dooley et al.，2017；
Neng et al.，2018）等。在上述因素中，基底构造在各种类型盆地中普遍存在，对后期盐构造变形具有十分强烈的控制作用。基底构造有多种类型，常见的有基底断裂、基底古隆起和基岩起伏等。基底断裂作为常见的一种先存构造，对构造变形的控制作用引起了众多研究者的关注（Burberry，2015；
Sun et al.，2018；
Schori et al.，2021）。地震地质资料分析以及模拟实验研究均表明，基底断裂对上覆盖层断裂体系的展布、剖面和平面样式、活动性均有较强控制作用（马宝军等，2009；
董敏等，2019）。基底断裂控制盆地断裂体系发育的根本原因在于其优先活动，先存断裂的规模越大，对后期断层的控制作用就越强（童亨茂等，2009）。基底断裂对新生断裂活动的控制作用可分为继承型、派生型、调节型、诱导型等多种类型（束宁凯等，2017）。

库车坳陷位于塔里木盆地和南天山之间的盆山耦合位置，其新生代盐构造的变形特征和形成机制一直是研究的热点。前人对该地区的盐构造变形进行了包括构造变形解析、物理和数值模拟等定性和定量研究（Wu et al.，2014；
李江海等，2020；
Wang et al.，2020），认为该地区盐构造变形的受控因素众多，主要包括原始盐湖数量（徐振平等，2009，2012）、含盐盆地宽度（Wu et al.，2014）、盐层厚度和性质（李艳友等，2013；
龙毅等，2020）、盐层浮力（余一欣等，2008）、挤压应力（李曰俊等，2009；
尹宏伟等，2011）、差异负荷（汪新等，2010；
唐鹏程等，2012）、早期盐底辟（Zhao and Wang，2016）等。库车坳陷基底断裂对盐构造变形的影响也引起了关注（Neng et al.，2018；
徐雯峤等，2020）。余一欣等（2006）和成亚等（2020）分别对库车坳陷中段的西秋构造带，以及坳陷东段的土格尔明等构造带的基底断裂在盐构造变形中的作用进行了分析，认为先存断裂在后期构造变形中会优先活动，在断裂后缘产生新断层，并将变形优先限制在先存断裂上盘。

前人对于库车坳陷盐构造变形控制因素已经进行了大量研究，但是目前专门针对库车坳陷，尤其是在库车坳陷中段这一盐构造变形最为典型的地区，基底断裂几何特征、演化以及不同构造带基底断裂的差异，及其在挤压应力下对盐构造样式和应力应变有何具体影响的研究还不够全面。本文在前人研究的基础上，基于最新的二维和三维地震资料解释方案，分析了不同构造带盐下层断裂的剖面样式和平面展布特征，并运用平衡剖面技术，恢复了库车坳陷南北向区域剖面的演化过程，探讨了基底断裂可能的形成过程。在此基础上，结合物理和数值模拟实验，分析了基底断裂对盐构造演化过程中变形样式、应力和应变的影响。

图1 库车坳陷构造单元划分及测线位置图Fig.1 Division of structural units and location of survey lines in the Kuqa Depression

2.1 基底变形解释方案

由于盐岩的屏蔽作用，库车坳陷盐下层地震资料品质不佳，解释方案有较大争议。尤其是位于山前的克拉苏构造带，盐下层遭受了强烈的挤压改造，变形尤为复杂，盐下层的地震解释方案有多种。漆家福等（2009a，2009b，2013）论述了克拉苏构造带盐下层可能的地震解释方案，认为浅层为盖层滑脱褶皱、深层为基底卷入的楔状叠瓦构造的“分层滑脱”模型更能合理地解释现有可靠的构造信息。

结合近年来最新的研究成果（李勇，2018；
Neng et al.，2018；
杨克基等，2018；
Li et al.，2021），本文将克拉苏构造带的地震资料解释为如图2所示样式。解释依据主要如下：1）重磁资料清晰显示，克拉苏断裂为切割深度超过16 000 m的陡倾基底卷入断裂，在其下盘则发育铲式盖层滑脱断裂（Neng et al.，2018）；
2）平衡剖面恢复结果显示克拉苏地区北缘发育先存的基底卷入断裂（高麟等，2020）；
3）基于面积—深度法的定量计算表明，克拉苏断裂下盘的盖层断裂滑脱深度约为10 km，大致相当于盆地基底与三叠系盖层之间的软弱面（Wang et al.，2017）。秋里塔格构造带盐下层构造变形相对简单，解释方案异议较小，现有研究多将其解释为对冲或背冲断块样式（余一欣等，2006；
余海波等，2015；
李勇，2018）。

2.2 基底断裂剖面特征

在确立了盐下层解释方案的基础上，本文对不同构造带基底断裂几何学特征的差异进行了分析。

过克拉苏构造带的三维地震剖面显示，该地区盐下层断裂整体上分为两部分：一是克拉苏断裂及克拉北断裂等高角度基底卷入主干断裂；
二是主干断裂下盘发育的次级铲式逆冲断裂，这些次级断裂向深部聚敛于盆地三叠系盖层底面，构成叠瓦扇样式（图2）。在克拉苏构造带内部，自西向东从大北区段到克深区段盐下层变形特征也有明显差异。大北段的地震资料（图2a）显示，该地区克拉苏断裂逆冲断距较小，而叠瓦扇前缘断裂逆冲位移较大，盐丘主要发育在叠瓦扇前缘断裂的下盘，其规模远大于克拉苏断裂顶部的盐丘。在大北和克深段的过渡区域（图2b），克拉苏断裂的逆冲位移有所增大，而叠瓦扇前缘断裂的逆冲位移则减小；
相应地，克拉苏断裂下盘的盐丘规模变大，而逆冲扇前缘断裂下盘的盐丘规模明显减小，两个盐丘的规模相当。在克深段，地震资料（图2c）显示盐下层断裂的断距差异较大，断距最大的为克拉苏断裂，而逆冲叠瓦扇南缘的断裂位移很小；
盐丘主要发育在克拉苏断裂下盘，叠瓦扇前缘断裂顶部盐底辟十分微弱。整体上，克拉苏构造带盐层的构造变形样式，自西向东，由大北段的双盐丘，逐渐转变为克深段的单盐丘。

图2 过克拉苏构造带的三维地震剖面及其解释图（剖面位置见图1）Fig.2 Interpretation results of seismic profiles crossing the Kelasu structure belt（section position in Fig.1）

秋里塔格构造带的地震资料（图3）显示，该地区基底断裂的逆冲位移均较小，明显弱于克拉苏构造带的基底断裂。这些基底断裂在剖面上表现为对冲或背冲样式，但在不同部位断裂的发育数量有所差异。

图3 过秋里塔格构造带的二维地震剖面及其解释图（剖面位置见图1）Fig.3 Interpretation results of seismic profiles crossing the Qiulitage structure belt（section position in Fig.1）

2.3 基底断裂平面特征

在对库车坳陷中生代原型盆地构造和古地理进行恢复的基础上，结合三维地震数据体解释成果，编制了库车坳陷白垩纪末期的断裂系统图（图4）。断裂系统图显示，库车坳陷除拜城凹陷外，其他各构造带均有基底断裂发育。这些断裂大多呈EW 走向，与构造带的延伸方向一致，但是不同构造带的基底断裂规模、产状和样式差异较大。其中克拉苏构造带的克拉苏断裂规模最大，其次为克拉北断裂，而秋里塔格构造带的基底断裂规模相对较小；
克拉苏构造带的基底断裂均向北倾，而秋里塔格构造带的基底断裂有南倾，也有北倾。在库车坳陷的东段，也有较多数量的基底断裂发育。

图4 库车坳陷白垩纪末期断裂系统图Fig.4 Fault system at the end of Cretaceous in the Kuqa Depression

本文结合区域构造—沉积背景，利用Move 2017 软件，恢复了库车坳陷NS 向区域大剖面的构造演化过程（图5），对库车地区基底断裂的演化过程进行了分析，将其划分为以下4 个阶段：

1）海西期造山后伸展塌陷阶段（图5a、图5b）：二叠纪末—三叠纪初，南天山洋关闭并碰撞造山，形成南天山海西期造山楔（李曰俊等，2009）；
侏罗纪在板块内部的应力松弛和造山后塌陷作用下，库车坳陷发生陆内裂陷，沉积了侏罗系厚层煤系烃源岩。位于盆山过渡带的克拉苏和北部单斜地区，在此期间很容易发生伸展塌陷，发育了数条NEE 向的高角度北倾伸展断裂。2）中生代末期挤压反转阶段（图5c）：晚白垩世，由于青藏高原地区Kohistan-Dras 岛弧与拉萨陆块碰撞的远程效应，库车坳陷整体遭受挤压（汤良杰等，2003a，2003b），造成上白垩统区域性缺失，克拉苏地区的先存断裂发生发生反转。在远离山前的秋里塔格地区，挤压应力诱发了对冲或背冲样式的逆冲断裂，但逆冲位移较小。3）古近纪弱伸展阶段（图5d）：古近纪以来，由于地壳均衡作用，库车坳陷转为近NS 向弱伸展构造环境（何光玉等，2003），沉积了厚层盐层。4）新近纪强烈挤压阶段（图5e）：中新世以来，伴随着印度—西藏碰撞的远程效应（刘志宏等，2000），南天山剧烈隆升，挤压应力达到峰值（郑淳方等，2016）。坳陷内基底断裂活动强烈，对上覆盐构造变形产生重要影响。

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图5 库车坳陷构造演化剖面Fig.5 Formation and evolution process of basement faults in the Kuqa Depression

基底断裂作为构造薄弱带，在后期构造变形中常常会优先活动，进而对构造变形产生重要影响。库车坳陷基底断裂对后期构造变形的控制作用，主要体现在以下方面。

4.1 对盐层原始沉积厚度的影响

库车坳陷白垩纪末期的古构造地理图显示，克拉苏大断裂（图6 中F1）位于当时的湖盆中心，而秋里塔格构造带基底断裂（图6 中F2、F3 等）位于深湖的南部边界。古新世初期库车坳陷转为弱伸展环境，先存的克拉苏大断裂位于盆山耦合薄弱带，非常容易发生裂陷活动，有利于沿着断裂带原始盐层沉积厚度的增大，进而对该地区后期盐构造剧烈的变形产生影响。而西秋构造带的基底断裂，由于发育在西秋古隆起之上，且位于湖盆边缘，其活动对盐层原始沉积厚度的影响较弱。

图6 库车坳陷白垩纪末期古构造地理图（据余海波等，2016）Fig.6 The paleotectonic geography at the end of Cretaceous in the Kuqa Depression

4.2 对盐底辟发育位置的影响

基底断裂作为构造薄弱带，在后期变形时容易沿断裂发生应力集中。在挤压作用的初期，即使遭受的应力较小，基底断裂也可优先活动，发生强烈逆冲。若断裂逆冲位移较大，可在断裂下盘形成可容空间，盐岩在此聚集形成盐背斜。克拉苏构造带的地震剖面（图2）显示，盐构造主要发育在具有较大逆冲位移的基底断裂的下盘。断裂的逆冲位移越大，其下盘的底辟背斜规模也越大。

至于秋里塔格构造带，该地区的基底断裂处于盐湖沉积边缘，原始沉积的盐层厚度很薄，无法为盐构造的发育提供充足源盐。中新世以来南天山的挤压应力向南传递过程中，甚至未能引发拜城凹陷盐下层发生变形，理论上秋里塔格构造带遭受的挤压应力应该更弱，不利于挤压盐构造的形成。但地震资料清晰显示秋里塔格构造带（尤其是西秋地区）盐构造规模巨大。经分析，这与盐下层断裂的活动有关：在中新世以来挤压应力向南传递过程中，基底断裂即使遭受很小的应力也可优先活动，盐岩在断裂顶部发生聚集增厚，形成规模巨大的盐构造。秋里塔格地区的地震剖面（图3）表明，该地区的盐背斜均发育在这些先存的基底断裂之上，而其规模则与基底断裂的数量有一定关系，基底断裂越密集，在后期活动时诱发的盐构造规模也越大。当然，除基底断裂外，西秋构造带规模巨大的盐构造还受到拜城凹陷同沉积等因素的影响，但基底断裂的作用至关重要。

此外，从库车坳陷基底断裂和盐底辟背斜的叠合图（图7）也可以看出，两者具有很好的吻合关系，表明基底断裂对盐构造的发育位置具有较强控制作用。

图7 库车坳陷基底断裂与盐背斜发育位置叠合图Fig.7 Superimposition map of basement faults and salt anticlines in the Kuqa Depression

4.3 对盐构造变形样式的影响

克拉苏和秋里塔格构造带虽然都表现出分层收缩变形特征，但变形样式有显著差异。克拉苏构造带大北段叠瓦扇前缘的盐丘表现为隐刺穿，规模较大，盐上层背斜完整，无断层发育；
叠瓦扇后缘的盐丘刺穿围岩，盐上层发育一条逆冲位移较大的断层。自大北段向东，隐刺穿盐枕的规模逐渐减小，盐上层变形随之变得微弱，刺穿盐丘的规模则有所增大。无论是大北段还是克深段，刺穿盐丘的上覆层均表现出明显的同沉积特征（上盘厚度小于下盘）。秋里塔格构造带盐丘表现为“单峰”或“双峰”形态，以刺穿或断裂形式与围岩接触，盐上层褶皱作用强烈，且有多条逆冲断层发育，断层切割背斜导致其形态复杂。

两个构造带变形的差异可能与基底断裂的活动性有关。克拉苏构造带位于山前，遭受的逆冲作用较强，基底断裂逆冲位移较大，盐岩主要在下盘聚集形成盐丘，形态较为简单。基底断裂的复活，促进了盐上层逆冲断裂的发育，导致盐上层具有明显的同沉积特征。而秋里塔格构造带的基底断裂，在中新世晚期复活时逆冲位移较小，无法在下盘形成可容空间，但可在断裂顶部形成应力扰动，促使盐岩在断裂顶部聚集增厚。在挤压应力和盐岩底辟共同作用下，盐上层发育多条逆冲断层，对背斜进行切割改造，导致其形态复杂。

此外，基底断裂的发育，对于拜城凹陷的构造变形也有重要控制作用。根据前文分析，拜城凹陷前新生代没有发育先存断裂。在中新世后期的构造挤压期间，其北侧的克拉苏构造带和南侧的秋里塔格构造带，由于基底断裂的复活，吸引了大量盐岩的流入，两者之间的拜城凹陷，则主要发生盐岩的撤离减薄，最终导致拜城地区形成盐撤凹陷，发育鱼尾构造，局部甚至发育焊接构造。

本文设计了有限元数值模拟和沙箱物理模拟实验，以定量分析基底断裂对盐构造发育过程中应力和应变的影响。

5.1 沙箱物理模拟实验

实验采用60～80 目的白色石英砂模拟盐上和盐下地层，用60 万分子量的硅胶模拟盐岩层。实验1 为原始模型，长度和宽度分别为60 cm 和30 cm，左侧挤压，挤压速率0.002 mm/s、总挤压量位移16 cm。实验2 在原始模型的基础上，在距离挤压端25 cm处，在盐下层预先埋入一块塑料薄片，用来模拟基底断裂。实验变形过程如下：

在原始实验模型中（图8），当挤压量为4 cm 时，盐下层和盐上层开始发生褶皱变形。当挤压量达到8 cm 时，盐下层开始形成明显的断裂，盐上层的褶皱数量增加。随着挤压作用的持续进行，当挤压量达到16 cm 时，盐下层和盐上层的变形都更加强烈，盐下层以发育发育逆冲断裂为主，盐上层以褶皱为主，断裂很少发育。整体上，盐上层变形的传播距离远大于盐下层。

图8 无基底断裂盐构造变形的物理模拟实验Fig.8 Physical simulation experiment of salt tectonic deformation without basement fault

在基底断裂模型实验过程中（图9），当挤压量为4 cm 时，基底断裂尚未开始活动。当挤压量达到12 cm 时，基底断裂开始有轻微活动，与原始模型相比，盐下层和盐上层变形向左传播的距离均较近。当挤压量达到16 cm 时，基底先存断裂的逆冲位移明显增大，在断裂的下盘盐岩聚集形成大规模盐丘。在基底断裂的顶部，盐上层的变形也较原始模型强烈，发育了一个紧闭背斜，背斜核部被断裂破坏。

图9 基底断裂影响下盐构造变形的物理模拟实验Fig.9 Physical simulation experiment of salt tectonic deformation with basement fault

与原始模型相比，基底断裂对盐构造变形的影响主要表现在以下方面：1）当达到一定挤压量时，远离挤压端的基底断裂也可发生活动，并在后续变形中促进盐岩在断裂下盘聚集，形成大规模底辟背斜；
2）基底断裂的复活吸收了部分收缩位移，从而一定程度上减弱了近挤压端盐下层的冲断作用；
3） 先存断裂的复活，促使了其顶部盐上层断裂的发育，并导致盐上层的褶皱更加紧闭；
4）受基底断裂影响，盐上层变形向前传播的范围有所减小，而盐下层变形传播范围则增大（图10）。这也表明虽然盐层的“拆离作用”使得盐上层和盐下层具有分层滑脱特征，基底断裂不能对盐上层冲断前锋的迁移产生直接影响，但可通过影响盐层的局部增厚以及盐上层局部变形的增强，从而间接改变盐上层冲断前锋向前陆的迁移距离。

图10 不同实验模型盐上层和盐下层变形范围对比Fig.10 Comparison of deformation range of suprasalt strata and subsalt strata in different experiment models

5.2 三维有限元数值模拟实验

相较于物理模拟实验，数值模拟在设置岩石力学参数、边界条件、载荷施加大小和方向等方面有极大优势。本次实验以图5 中盐层沉积之后，遭受强烈挤压之前（苏维依组沉积末期）的平衡剖面作为地质模型，采用岩土工程领域通用的Midas GTS NX（New experience of geo-technical analysis system）软件进行三维数值模拟。模型长为96 km、高13 km、宽7 km，划分为59 699 个节点，312 835 个网格（图11）。结合前人关于库车坳陷岩石力学性质（王子煜，2002）和应力场恢复（郑淳方等，2016）的研究成果，模型具体参数设置如表1 所示，挤压应力大小为100 MPa。模型的左侧约束X 方向位移，底面约束Z 方向位移，前后约束Y 方向位移，右侧施力。考虑到模型中基底、盐下层、盐层和盐上层的密度和层厚差异较大，自身重力对应力场也有较大影响，因此在载荷设置中添加了岩体“自重”这一因素（模型中间红色三角箭头的方向），以更加确切的模拟岩层在遭受挤压时应力场分布情况。

图11 数值模拟实验模型Fig.11 Geological model of numerical experiment model

表1 数值模拟实验参数表Table 1 Detailed parameters of numerical simulation experiment

最大剪应力的数值模拟结果（图12a）显示，在遭受自北向南的挤压时，剪应力最大值为284 449 kN/m2，分布在克拉苏基底大断裂底部；
最小值为1 289.68 kN/m2，分布在克拉苏断裂上覆盖层的近地表位置。自地表向深部，最大剪应力整体上呈递增的趋势，但基底断裂的顶部均出现了明显的剪应力异常现象，其中表现最为明显的是克拉苏断裂顶部，剪应力可达到63 011.91 kN/m2；
秋里塔格构造带基底断裂顶部的剪应力可达到47 280.86 kN/m2；
而位于两者之间的拜城凹陷，由于无基断裂发育，剪应力的分布和地层展布趋势一致，无异常出现，且值较小。最大剪应变模拟结果（图12b）显示，剪应变整体上沿着基底断裂带分布，最大值0.046 位于北部单斜带基底断裂中部，最小值0.000 20 位于该断裂底部。在各构造带基底断裂的顶部，也出现了明显的剪应变异常现象，尤其是秋里塔格构造带，其基底断裂顶部剪应变增大区非常明显，且严格受断裂分布范围控制，剪应变值可达到0.003 0；
克拉苏构造带基底断裂顶部也出现了应变增大区，但范围相对较小，应变值约0.002 2；
位于两者之间的拜城凹陷，剪应变相对较小。

图12 最大剪应力和剪应变数值模拟结果Fig.12 Numerical simulation results of maximum shear stress and strain

通过上述分析可知，即使在盐层遭受挤压的初期，远离山前的秋里塔格构造带，基底断裂顶部也会出现明显的剪应力和应变增大现象，进而在后期持续挤压过程中对盐构造的形成演化产生强烈影响。实验结果也进一步证明，克拉苏和秋里塔格构造带规模壮观的盐构造，与基底断裂复活造成的剪应力和剪应变增大有关，而拜城凹陷则因为无基底断裂发育，盐岩向两侧流走形成盐撤凹陷。

（1）库车坳陷克拉苏和秋里塔格构造带基底断裂均有发育，多呈近EW 向展布，但在样式上差异较大。克拉苏构造带基底断裂均为北倾，主干基底断裂与下盘次生断裂组成逆冲叠瓦扇构造；
秋里塔格构造带基底断裂多为对冲或背冲式。这些基底断裂向上均未刺穿盐层。

（2）库车坳陷基底断裂对盐构造变形的影响主要体现在以下方面：基底断裂的活动对于原始盐层的沉积厚度有一定控制作用；
基底断裂的分布控制了后期挤压盐底辟的发育位置；
基底断裂的样式对上覆盐构造样式有重要影响。

（3）物理模拟实验表明，当存在基底断裂时，受断裂复活影响，盐下层的构造变形范围向前陆的扩展距离变远，而盐上层的变形范围向前陆扩展距离变近。基底断裂的存在，也促进了其顶部盐上层发育新的逆冲断裂。数值模拟实验表明，即使远离山前的盆地腹部，在遭受挤压时，基底断裂也很容易复活，在断裂顶部和断块之间会出现明显的剪应力和剪应变增大区域。先存断裂复活造成的应力和应变集中，是断裂附近大规模盐构造发育的重要诱因。