前陆褶皱‒逆冲带构造样式及其油气富集规律是当前国内外聚焦的研究热点。我国西部地区前陆逆冲带油气勘探已取得重大进展, 如在库车坳陷的天山山前冲断带发现克拉2大气田、迪那1和迪那2气田, 在祁连山山前逆冲带酒西盆地青西坳陷中发现青西油田, 在上扬子北缘地区山前冲断带中发现孝泉-合兴场等十几个气田等, 显示前陆逆冲构造系统具有广阔的油气勘探前景。

祁连山北缘冲断带位于青藏高原东北缘, 是新生代高原生长的重要边界和记录。祁连山北缘发育北西-南东走向的河西走廊前陆盆地群, 其中酒西盆地位于冲断系西段北侧, 向西终止于阿尔金走滑断裂带。祁连山北缘冲断体系的逆冲变形进入酒西盆地内部, 导致盆地新生代地层卷入变形, 形成盆地内部北西-南东走向的褶皱‒冲断体系--老君庙、石油沟、石油河构造带, 是祁连山北缘冲断带西段重要的油气富集区^[1-3]。

对祁连山北缘冲断带西段老君庙构造带的构造样式及其构造演化争议很大。该区域早白垩世发生强烈的伸展断陷, 新生代经历坳陷沉积, 晚新生代以来遭受祁连山北缘逆冲体系北东向的逆冲推覆作用, 进入陆内前陆盆地演化阶段^[4-6]。本研究聚焦于酒西盆地老君庙构造, 通过对新三维地震资料的构造解释, 揭示老君庙构造带主控断裂的三维几何特征、断层属性、冲断岩席横向构造变形分布特征及构造演化。

1 祁连山北缘构造特征

祁连山北缘冲断带(山前)是北祁连造山带新生代向河西走廊盆地群逆冲推覆构造体系, 北界为龙首山断裂, 东界为同心‒固原断裂与华北板块相隔, 西缘以阿尔金走滑断裂与塔里木板块相连^{[4, 7-9]}, 著名的老君庙构造及石油沟构造就位于祁连山北缘冲断带^[2-3]。新近的深部大地电磁测深结构解释认为, 北祁连山逆冲体系总体上呈NWW向展布, 向南以冲断带根部断层为界深入北祁连山内部, 向北以冲断带前锋逆冲到酒西盆地腹部, 东西长1000 km, 南北宽15~80 km, 大地电磁测深结构剖面也显示, 北祁连断裂自深部向浅部逆冲在河西走廊中‒新生代沉积物之上^[10], 北祁连山根深度超过50 km, 且河西走廊盆地群之下存在低导电率区域。

王洪潜^[11]基于地震资料, 认为祁连山之下至少隐伏15 km左右的中新生代地层。黄华芳等^[12]通过对酒西坳陷南缘推覆构造的地质构造特征、古地磁特征、运动学和动力学特征分析, 推测北祁连山向北推覆开始于二叠纪, 至今向北的推覆距离达200 km, 其中侏罗纪后的推覆距离为100 km左右, 并指出推覆构造对酒西坳陷的盆地范围、基底形态、沉积物类型、有机质演化及油气赋存条件等均有明显控制作用。冯益民^[13]则认为大规模推覆体的形成不可能早于三叠纪末期, 推覆变形持续到侏罗纪末, 向北的推覆距离最大为50 km。

最近的研究及我们初步的野外勘查工作表明, 北祁连冲断带向河西走廊盆地群的逆冲挤压变形主要发生在晚新生代, 这一变形时间和事件与青藏高原北缘地区新生代隆升、挤压变形的时间基本上吻合^{[2, 3, 6, 14]}。赵贤正等^[15]和陆洁民等^[16]通过对酒西地区古流向分析和重矿物分析, 认为北祁连山在白杨河组(E3b)沉积时期开始隆升变形，且北祁连山在新近纪开始由南向北冲断。Liu等^[17]和方小敏等^[5]通过对祁连山北缘老君庙背斜新生代的磁性地层年龄、构造不整合面和逆冲断裂发育分析, 推断酒泉盆地南缘与祁连山冲断有关的背斜开始形成时间略微早于8.3 Ma, 大致为9.0 Ma, 北祁连山即在该时期(或至少不晚于该时期)开始向北冲断变形。陈柏林等^[18]认为祁连山冲断以“前展式”向北扩张, 变形年代向北变新, 并持续到第四纪。可见, 北祁连冲断带晚新生代以来经历了强烈的构造挤压, 这些挤压变形在盆地内发生普遍的逆冲推覆和叠瓦构造, 导致新生代沉积物卷入变形。

根据冲断带理论模式, 程晓敢^[19]和杨树锋等^[3]提出祁连山北缘冲断带存在原地冲断系统、近距离冲断系统和远距离冲断系统, 其中原地冲断系统又可划分为原地隐伏冲断系统和原地显露冲断系统。酒泉盆地南缘的冲断带己证实至少存在3个滑脱面, 由南而北产生收缩变形的薄皮冲断系统, 冲断体系北东向的冲断推覆距离超过50 km, 冲断带表现为“前展式”变形特征^[3], 后续的多期活动一直持续至第四纪, 甚至至今尚处于活动期^{[2, 5-6, 18, 20]}。一些研究也表明, 北祁连逆冲系统和酒西前陆冲断带垂向分层, 横向构造特征主要为拆离滑脱、断层传播褶皱和断层突破^{[2-3, 21-23]}。

2 老君庙构造带结构特征

老君庙构造带位于祁连山北缘逆冲断裂的北东前陆盆地区内, 总体上呈北西-南东走向, 西缘与北东走向的134隐伏走滑断裂链接, 向北东逐渐过渡为北西-南东走向, 南侧以祁连山北缘逆冲推覆断层为界, 东端被NNE-SSW走向的青头山走滑断层截切, 向东可能至嘉峪关隆起南缘(图 1)。基于地表出露形态、三维地震剖面解释及钻井揭示的地层对比, 老君庙构造带整体构造样式为三角剪切型断层传播褶皱, 并遭受晚期(第四纪以来)冲断改造。

为了确定老君庙冲断带剖面结构的空间变化, 分别选择老君庙冲断带东、中、西3个地段的代表性三维地震剖面, 对其构造变形进行分析和解释。

2.1 冲断带中段

冲断带中段主要位于弓形山地区, 在三维地震剖面上可以清晰地观测到上下结构的显著差异:深部表现为一个明显的低幅背形结构(图 2(a)), 背形内部楔体结构明显(图 2(b)~(d))。上构造层也存在两种结构差异, 即强烈不对称背斜区和强烈变形区, 强烈构造变形区内存在地层倒转和向斜构造, 强烈构造带内地层的倒转导致地震信号模糊(图 2(a)~(c))。在横跨老君庙构造带中部位置的所有地震剖面上, 均可见到类似的剖面结构特征, 指示老君庙构造带中部具有断层传播褶皱特点。断层前缘变形地层存在倒转、向斜等构造, 表明断层传播前缘经历过三角剪切变形(图 2(d)), 最终应变积累发生断层突破与冲断^[24], 在三角变形带内形成与褶皱变形有关的3组冲断层(图 2(b)~(c))。冲断带上盘白杨河组地层及以上年轻沉积地层基本上响应上盘不对称背斜构造, 冲断层下盘北东侧沉积地层(白杨河组至现今地层)亦形成微弱的向斜结构, 表明中部冲断层构造形成时代非常年轻。

冲断层下盘深部的“背形结构”总体上呈现向北东前陆方向的构造楔体形态(图 2(b)~(d)), 楔体内地层发生重复和加厚, 导致顶部形成低缓背斜(图 2(d))。该构造楔体底板滑动面几乎与地层平行, 可能为古生界内部石炭系‒二叠系的滑脱层面, 杨树锋等^[3]推测该滑脱层为石炭系太原组的黑色页岩和煤系, 或二叠系大黄沟组的灰绿色页岩。

在老君庙构造带中段, 上构造层为冲断结构, 引起地层垂向抬升; 下构造层表现为局部地层重复与滑脱。上部三角剪切型断层传播褶皱结构与深部逆冲构造楔体共同构成老君庙构造带中段的典型样式(图 2(d)), 冲断层与构造楔体共同起源于深部石炭系‒二叠系页岩滑脱层面。

2.2 冲断带东段

老君庙构造带东段上下结构差异依然明显。下部构造层总体结构为低缓背斜形态, 内部存在地层的有限重复, 呈典型的构造楔, 并引起上部地层低缓褶皱。上构造层为冲断构造, 且冲断带上盘背斜顶面平缓, 变形主要集中于三角剪切变形带内, 我们认为存在2或3条冲断层, 使得三角变形带遭受破坏, 夹持在冲断层之间的断夹块内地震波信息模糊, 局部仍可识别出陡变的地层, 表明地层在该处强烈倒转或呈陡立状态, 隐约可识别出断夹块内部存在向斜构造(图 3)。在东端L1096地震剖面中, 上构造层可识别出3条冲断层, 且后缘冲断层存在向上分支现象, 深部为构造楔形体(图 3(a))。

2.3 冲断带西段

老君庙构造带的西段位于134断裂与庙北断裂过渡区域(图 1), 在北东-南西向的地震剖面上, 构造带内的断裂结构为陡立或完全直立, 断裂面平行或分支向上传播, 呈现花状几何特征, 东南盘强烈抬升, 高出北西盘对应的地层(图 4), 断裂两侧地层虽然存在显著高程差, 但地震反射界面指示的地层则表现为平缓或微弱褶皱。这些几何学特点表明老君庙西段与134断裂交汇位置为走滑断裂, 且西南盘整体抬升, 逆冲分量相对较弱(图 4)。以往研究普遍认为134断裂为本区一条走滑性质的调节断裂或撕裂断裂, 但老君庙构造带西段位于134断裂交汇位置, 我们认为老君庙逆冲断裂向西逐渐过渡为走滑性质的134断裂。

2.4 老君庙冲断带构造样式及差异性分析

就区域构造而言, 老君庙构造带为祁连山北缘冲断体系向酒西盆地逆冲的前锋。该冲断体系前缘剖面上总体表现为三角剪切型的断层传播褶皱构造样式, 且遭受后期褶皱相关断层的高角度冲断改造。沿走向, 该冲断带东段上盘褶皱相对宽缓, 向中段逐渐过渡为单斜、紧闭褶皱。再向西, 断层转变为具有走滑兼逆冲性质、最终过渡为陡立的走滑断裂(即134断裂)。

上述剖面结构及沿走向的结构变化表明, 老君庙冲断带与其西侧翼的134断裂在深部可能为同一条断裂体系, 即北东-南西走向的134走滑调节断裂逐渐过渡为NEE走向走滑兼逆冲断裂, 最终转变为北西-南东走向的逆冲前锋(图 5); 134断裂与老君庙断裂组成统一的断裂带, 并与青头山断裂围限的块体构成一个独立的冲断上盘岩片。

3 老君庙构造带东西向调节挤压变形

根据1:20万地质图分析, 深部隐伏的134断裂在地表露头表现为北东-南西走向的左旋走滑断裂, 切割北祁连山古生界(图 1), 结合老君庙构造带冲断体系沿走向的结构变化, 推测老君庙构造带冲断带与134断裂是同一条断裂体系。134断裂在西侧主要表现为斜断坡性质, 其后缘靠近造山带表现为走滑剪切性质, 向NNE前陆方向逐渐过渡为走滑兼逆冲, 且逆冲前锋逐渐过渡为前断坡, 以三角剪切型冲断系向前陆方向推进(图 6)。

对老君庙逆冲前锋‒134断裂‒青头山断裂围限的冲断岩片进行分析, 发现在老君庙构造带内不仅存在北西-南东走向的冲断体系, 还存在近南北走向的宽缓褶皱, 褶皱轴迹与冲断带走向近垂直(图 5)。近南北走向的褶皱构造中, 卷入变形的地层主要为中生界及其以上的新生界, 褶皱南端宽缓, 向北逐渐变得紧闭(图 5)。这些褶皱变形几何特征一方面暗示统一的134‒老君庙断裂体系的存在, 另一方面也表明134‒老君庙‒青头山断裂体系围限的上盘岩片向北逆冲过程中产生近东西向挤压变形。

在横跨石油沟‒老君庙‒青西坳陷的三维地震剖面(图 6和7)上, 近东西向的收缩变形形成跨越本区的“三隆两坳”格局, 即老君庙背斜、石油沟背斜、青西反转背斜区以及两个向斜坳陷(图 6)。在134断裂上盘, 地层发生强烈的褶皱与逆冲叠置, 庙北Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号断裂的断裂面也发生弯曲变形(图 6)。庙北断裂冲断岩片向北的逆冲导致南盘地层多次重复, 显示南盘地层增厚、抬升及剥蚀。134断裂表现为向西逆冲在青西反转构造之上, 局部地区突破白杨河组地层(图 6)。134断裂上盘的地层强烈增厚和抬升主要体现在两个方面, 其一为东西向的收缩变形导致的背斜构造, 其二为老君庙逆冲岩片向北东方向的逆冲导致冲断岩片的重复(图 6和7)。最显著的证据是在134断裂的上盘可以观察到庙北Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号断裂的断裂面与地层发生同步褶皱变形, 这3条冲断岩席导致上盘地层重复(图 6)。

东西向的收缩变形跨越134断裂后进入青西坳陷, 并导致青西坳陷浅部白杨河组地层及其以上地层发生明显褶皱变形, 白杨河组地层发生同步褶皱变形(图 6和7)。由于134断裂和509断裂之间志留系古隆起的阻挡效应^[22], 以及东西向调节挤压变形应变量的限制, 我们认为东西向调节挤压应变只发生在白杨河组及其以上地层。

从后缘造山带向前陆方向, 134‒老君庙冲断带系统及青头山调节断裂组成一个南宽北窄的逆冲岩席(图 8)。在后缘靠近造山带方向, 134断裂主要表现为走滑特征, 向北逐渐过渡为斜断坡, 断裂表现为左旋走滑兼南盘的逆冲(图 8(a)和(b)), 断面东倾, 向北逐渐过渡为南倾(图 8)。这种断面几何的空间变化导致134‒老君庙断裂体系上盘地层(尤其是中生界及其上覆新生界地层)不但经历自南向北的逆冲体系的褶皱‒冲断改造, 同期也发生近东西向的收缩应变, 形成近南北走向的背斜‒向斜, 且应变量表现为南强北弱, 进而导致褶皱向北东方向逐渐变得紧闭(图 8(c))。

上述断裂空间结构分析表明, 老君庙冲断带上盘岩片不但发生强烈的冲断构造变形, 而且发生垂直冲断带近南北走向的宽缓褶皱变形, 对冲断层上盘岩席浅部新生代地层产生构造叠加。总之, 老君庙构造带内同期发育两组构造:北西-南东走向的三角剪切型冲断体系和近南北走向的褶皱体系。

4 134-老君庙断裂体系三维结构

基于上述对青西‒老君庙构造带三维地震剖面的构造解释, 我们认为在平面上, 134走滑断裂表现为构造调节边界, 向北东方向延伸, 并入老君庙冲断体系; 134调节断裂以西为窟窿山‒柳沟庄基底卷入型逆冲体系, 以东为老君庙三角剪切型褶皱‒冲断体系。在三维空间上, 134‒老君庙断裂体系结构如图 9所示。

以往对老君庙构造带西缘134断裂的构造解释中, 普遍认为134断裂为撕裂型走滑断裂, 调节山前逆冲褶皱体系向北的差异位移。从134断裂在地表的走向及地震剖面解释结果来看, 用简单撕裂型走滑调节断裂很难解释区内老君庙构造带内的一些构造现象: 1)与老君庙冲断带近垂直的南北向褶皱; 2) 134断裂在靠近逆冲前锋位置表现出强烈逆冲; 3) 134断裂东南盘表现出地层整体抬升; 4) 134断裂东南盘地层的多次重复效应; 5) 134断裂东南盘内断裂面发生的褶皱变形。

因此, 我们认为, 134断裂与老君庙冲断带为统一的断裂体系(图 9), 该体系由造山带向盆地方向发生走向弯曲, 断裂面靠近造山带处为陡立、正花状(侧翼), 向盆地方向断面逐渐过渡为东南倾(倾斜翼), 最终过渡为东西走向南倾冲断体系(前锋)。这种弯曲的断面几何引发老君庙冲断岩席上盘地层在向北逆冲过程中变形空间的逐渐变小, 导致垂直逆冲方向(东西向)的收缩应变。这种由逆冲岩片向北逆冲及变形空间变小引起的收缩应变又反作用于逆冲岩片上, 进而导致逆冲岩片和逆冲断面的褶皱变形。因此, 在东西向地震剖面上可以观测到地层褶皱、地层重复、庙北断层的断面弯曲变形, 以及庙北断裂与134断层相互交切等现象。在更大的区域, 如青西‒老君庙‒石油沟带, 东西向的收缩应变也导致白杨河组及其以上地层褶皱变形。

5 老君庙三角剪切型褶皱‒冲断带构造演化

断层传播褶皱作为褶皱冲断带内重要的构造样式, 其基本特征如下: 1)形态不对称, 前翼陡、窄, 后翼宽、缓; 2)向斜“固定”在断层端点处; 3)随深度加大, 褶皱越来越紧闭; 4)背斜轴面的分叉点与断层端点在同一地层面上; 5)背斜轴面在断面上的终止点与断层转折点之间的距离即为断层的倾向滑动量, 断层滑动量向上减小。

随着断层传播褶皱在地表和地震剖面上的大量解释与识别, 以及物理模拟实验结果的佐证, 一些新的构造现象和观测结果^{[1, 25-28]}引起人们的重视: 1)断层下盘的向斜与断层上盘的背斜常成对出现, 断层切过它们的共同翼; 2)前翼地层存在加厚或减薄现象; 3)褶皱前翼地层普遍发生旋转, 即靠近断层端点处地层变陡, 而向上地层变缓; 4)前翼地层变形强烈, 例如在前翼广泛发育指向前陆的剪切, 显示构造变形复杂, 呈现非均一变形特点。可以预见, 三角剪切模式为解释冲断带内褶皱地层增厚、地层倒转以及三角形变形带等特征提供了几何学支持。

基于三维地震剖面的构造解释, 发现老君庙构造带西段表现为走滑兼逆冲构造, 中段和东段表现为典型三角剪切型褶皱‒冲断结构, 且中段背斜结构表现为单斜, 具强烈不对称性, 东段的上盘褶皱平缓, 表现为箱状几何特征, 逆冲断裂面则表现为自深部向浅部逐渐变陡。这些结构特征与Branden-burg^[29]对三角剪切型断层传播褶皱的几何学数值模拟结果基本上一致(图 10)。倾角为30°的逆冲断裂向上传播, 首先在断裂上盘形成宽缓的三角形褶皱变形区(第一阶段, 图 10(a)), 随着断层向地表不断突破, 断层倾角逐渐变大, 上盘逐渐形成单斜结构, 下盘形成单向斜, 距离断层面越近, 背斜的不对称性越强烈(第二阶段, 图 10(a))。随着应变逐渐增大, 断层向上突破(图 10(b)), 倾角逐渐变大, 上盘形成典型的箱状褶皱(断面主要沿褶皱枢纽突破), 顶面平缓(第三阶段, 图 10(a))。这些结构特征在老君庙构造带前缘褶皱中均有保留。

6 结论

基于对祁连山北缘老君庙冲断带三维地震的构造解释，总结该冲断带构造特征如下。

1)  134‒老君庙断裂为统一的断层, 其后缘以走滑调节为主, 前锋为褶皱‒冲断系, 是本区重要的构造边界。

2)  老君庙构造带为“双层结构”, 浅部为三角剪切型褶皱‒冲断构造, 冲断带下盘深部发育向前陆方向的逆冲构造楔体。

3)  “134‒老君庙‒青头山”断裂围限的上盘岩片向前陆强烈冲断, 导致平行冲断带近东西方向的挤压调节变形, 引起浅部新生代地层形成近南北走向的褶皱变形。老君庙冲断岩片的上盘同期发育两组构造:北西-南东走向的三角剪切型冲断体系和近南北走向的褶皱体系。

4) 三角剪切型褶皱‒冲断演化模式暗示, 老君庙构造带先期曾形成过统一的背斜构造, 后期经历冲断改造。