北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第4期 2025年7月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 4 (July 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.058
国家科技重大专项(2025ZYGJCJ011)和中国石油国际勘探开发有限公司海外技术研发项目(25ZYGJCJ002)资助
收稿日期: 2024–05–28;
修回日期: 2024–09–19
摘要 为探究西西伯利亚盆地北部三叠纪发育的裂谷以及中生代–新生代发育的大量局部隆起和走滑断裂的形成机理, 对亚马尔–格达地区前中生代基底深部线状构造、沉积盖层构造发育史、古构造地貌及构造活动过程进行详细的分析, 得到以下结果: 1)深部线状构造可分为 NW 向、NE 向、近 EW 向和近 SN 向 4 组走向, NW 和 NE 走向的线状构造是前中生代乌拉尔褶皱系基底顶部褶皱、逆冲断层、逆断层和走滑断裂的构造响应, 近 SN 走向的线状构造有明显可识别的正断层, 是三叠纪地堑–裂谷的西部边界; 2)正断层(拉张)和背斜(挤压)具有相同的走向, 是由先发育 NW 向右行走滑断裂, 后发育 NE 向左行走滑断裂的相互运动造成, 两次走滑运动背景下形成背斜, 大多数正断层形成于占主导的右行走滑运动期间; 3)大多数隆起和断裂于侏罗纪开始发育, 之后经历多期基底深部线状构造活化运动, 与晚基米里期褶皱的形成、欧亚板块与印度板块的碰撞以及欧亚大陆北部广泛的区域拉张作用和裂谷作用相关; 4)大部分隆起可能与基底深部线状构造活化过程中的差异垂直升降运动相关, NE 走向和 NNE 走向的隆起和线状构造反映乌拉尔–新地褶皱带的褶皱、逆断层和逆掩断层, 而 NW 走向的隆起和线状构造对应跨欧亚板块的右行走滑断裂。
关键词 西西伯利亚盆地; 构造活动; 走滑断裂; 古隆起; 古构造地貌; 构造变形
西西伯利亚盆地是一个叠置在三叠纪裂谷体系之上的平缓的中生代–新生代坳陷盆地。三叠纪裂谷形成后, 在盆地普遍沉降的背景下, 构造挤压活动活跃, 局部隆起和断裂密集形成。前人对该盆地裂谷的形成、局部隆起和断裂的形成进行了大量理论分析。盆地发育裂谷是由苏尔科夫(Сурков)[1]首次提出, 之后许多学者对盆地裂谷进行研究。一些学者认为西西伯利亚盆地裂谷是大陆坳拉谷, 没有发展成板块扩张[2–3]。阿普洛诺夫(Аплонов)[4]根据古地磁资料的解释, 提出西西伯利亚盆地裂谷为大洋裂谷的假说, 其裂谷延伸长度达到 200～300km。虽然 Allen 等[5]不支持大洋裂谷的观点, 但也认为在格达半岛南部存在 3 个裂谷(三叉裂谷): 近 SN 走向的乌连戈伊–科尔托戈尔裂谷、NW 走向的亚马尔裂谷和 NE 走向的叶尼塞–哈坦加裂谷。索博诺夫(Соборнов)等[6]认为西西伯利亚盆地裂谷是由西伯利亚地台相对于东欧地台的顺时针旋转[7]引起沿跨欧亚板块断层[8]的左行走滑运动造成, 位移达 1000km。新西伯利亚国立大学地质学家反对西西伯利亚盆地三叠纪发育大洋裂谷的观点, 他们利用现代古地磁资料[9]、地震资料和 SG-6 超深井的钻探资料进行论证, 认为早三叠世无古海洋标志[10]。一些学者提及地震剖面上没有出现伴随裂谷作用的地壳拉张的明显标志[11–13]。多布列佐夫(Добрецов)等[14]指出, 应在更深的作用过程中寻找板块沉降的原因: 依靠深部的变质作用(下地壳的榴辉岩化), 或者依靠不局限于地壳内, 而是地幔层内由热对流引起的拉张。博奇卡列夫(Бочкарев)[15]提出, 早三叠世盆地裂谷的形成与盆地周缘的造山运动具有同步性, 需要区分乌拉尔褶皱系的单个褶皱期。
西西伯利亚盆地构造发育的一个重要特征就是正断层(拉张特征)和局部隆起(挤压特征)的共存, 许多学者用“水平剪切构造”来解释这个悖论[16–21]。然而, 该地区大部分局部隆起的走向为近SN向, 且与雁列式正断层的走向一致。新构造阶段的区域挤压应力也被认为是近 SN 向[17,22]。还有其他的解释, 例如, 列宾(Репин)[23]认为亚马尔地区的挤压应力为近 EW 走向。古地磁资料证明, 整个欧亚大陆北部在中生代不存在沿断层发生的大规模水平位移[9], 在新构造运动时期, 沿西西伯利亚盆地边缘共发生数百米到数十公里的位移[20]。对于西西伯利亚盆地构造的形成时期, 已达成共识的全球构造活跃期只有两个——新生代和晚侏罗世至早白垩世。例如, 菲利波维奇(Филиппович)[8]提到晚侏罗世、早白垩世阿普特阶早期、晚白垩世土仑阶和新近世这4 个构造活跃期。扎哈罗夫(Заха-ров)等[24]则划分出早侏罗世、中侏罗世、晚侏罗世和白垩纪这 4 个构造活跃期。库兹涅佐夫(Кузнец-ов)等[25]根据三维地震资料, 揭示盆地具有三叠纪、早侏罗世、早白垩世、晚白垩世和始新世–更新世 5 个复杂的构造活跃期。索博诺夫(Sobornov)等[26]根据盆地北部的地震资料, 提出盆地先后经历早三叠世、晚三叠世–早侏罗世、早白垩世、渐新世–上新世 4 个构造活跃期。
尽管西西伯利亚盆地拥有大量地质和地球物理资料, 但关于盆地构造的形成机制, 一直存在很大的分歧。对于盆地北部裂谷的形成、中–新生代沉积盖层局部隆起和断裂的形成, 迄今为止没有统一的明确的认识, 因此有必要在对钻井资料、地震资料以及潜在的重磁场资料进行综合的一致性解释基础上, 进一步厘清盆地前中生代基底构造、沉积盖层的隆起和断裂的特征和成因。本文通过对盆地北部亚马尔–格达地区构造发育史、古构造地貌和构造活动过程的分析, 绘制关键构造发育阶段的古构造地貌, 按照成因类型、形成和复活的时间与机制, 对沉积盖层已识别的隆起和断裂进行分类, 以期揭示隆起和断裂的形成期次与成因机制, 为西西伯利亚盆地同地史时期的古构造格局以及油气成藏关键要素在时空上的匹配关系提供地质学依据。
研究区位于西西伯利亚盆地北部, 属于陆地区域, 靠近盆地西部边缘(图 1)。西西伯利亚盆地东、西两侧分别是更古老的克拉通台地(东欧台地和西伯利亚台地), 东欧台地被乌拉尔褶皱带和佩霍伊褶皱带与西西伯利亚板块分开, 盆地北部被新地和泰米尔褶皱带控制[10,27]。多数探井资料揭示出盆地于晚古生代末最终拼接起来的非均质基底[12], 晚二叠世–三叠纪期间发生大规模的裂谷作用和岩浆喷发, 在地堑系内充填厚层的粗碎屑岩和火山岩, 构成所谓过渡层系[2]。早侏罗世末, 盆地的区域性裂后沉降标志着盆地盖层发育阶段的开始。侏罗纪以来, 盆地经历两个超级海侵–海退旋回, 沉积了以陆源碎屑岩为主的旋回性层序[27–29](图 2)。
西西伯利亚盆地中生代–新生代沉积盖层的形成过程, 始于前中生代基底经历裂谷作用后的有序沉降期(图 2), 推测是在软流圈的冷却和增重作用以及之后的沉积物重力作用下形成[10]。根据计算, 总共只有 30%～40%的现今沉降幅度是由沉积物的重量产生的, 而 60%～70%的沉降幅度是“真正的构造”热沉降的结果[30]。盆地新构造运动的出现是对以下全球构造事件的响应: 欧亚板块与印度板块的碰撞以及欧亚大陆北部广泛的区域拉张作用和裂谷作用[31], 盆地局部隆起的形成与基底断裂的挤压和反转相关[11,32]。
西西伯利亚盆地中–北部的三维地震资料解释结果表明, 沿基底地块边界发育具有走滑构造运动特征的雁列式断层系[16–21], 其中断层的长度为 102～ 5155m, 平均 1600m, 主要是近 SN 走向。右行走滑断裂形成 NW 走向的雁列式断层带, 而左行走滑断裂形成 NE 走向的雁列式断层带(图 3)。新波尔托夫(U)(图 1 中大写字母标识, 下同)地区, 侏罗系地层中近 EW 向的雁列式断层与近 SN 向展布的雁列式断层相互正交(图 3(c)), 且二者存在于同一构造变形主位移带中, 造成走滑断裂构造结构复杂化, 可能是由基底走滑断裂上早期沉积地层中形成的拉张作用造成。
目前, 已在西西伯利亚盆地进行重力场、磁力场探测和大量二维、三维地震勘探, 在盆地中–北部地区(约 34000km2)采集较多的三维地震资料。研究区内, 二维地震测网达到 8km×8km, 测线总长度约为 27000km, 三维地震资料较少, 只有 4 个区块的资料(图 3), 面积总共为 5450km2; 共有探井 156口, 其中绝大多数是在单个油气田和矿区内钻探, 因此探井在平面上的分布极不均衡。
本次研究过程中, 主要使用传统的层拉平方法和残余厚度法进行构造发育史和古构造地貌恢复。残余厚度法通过测量长期地质历史时期残余下来的地层厚度特征来恢复古构造地貌, 其前提是地层厚度在沉积后未经历剧烈的构造变形。西西伯利亚盆地的沉积盖层基本上没有遭受剥蚀, 因此可以使用该方法进行古构造地貌恢复。层拉平方法是地震解释工作中的一种常用技术, 用来研究各构造层的接触关系和构造发育史, 结合古构造地貌分析, 可以解剖断裂活动和构造形成的时间、构造运动的类型和方向, 最终可进行构造变形分解。因此, 可以根据每个阶段活跃的构造单元及其主要走向确定构造应力(受力)矢量的方向。对于正断层, 自重应力是最大主应力, 方向竖直向下, 最小主应力与断层走向正交; 对于逆断层, 自重应力是最小主应力, 方向竖直向下, 最大主应力与断层走向正交; 对于平移断层, 自重应力是中等主应力, 最大主应力与断层走向成 30°～45°夹角, 最大和最小主应力都为水平方向。
单个构造的构造运动强度最容易通过地震剖面进行分析, 即根据相应地层厚度的最大变化情况来分析。沿断层移动的最后一个(地层上最年轻的)层段, 决定正断层的最后一个活动期。逆断层的活动期较难确定, 因为在褶皱形成过程中, 逆断层在层段相对位移之后比较活跃, 可以通过该逆断层所在褶皱形成的时间来判断。走滑断层可通过对地层沿断层移动幅度的变化来分析。如果地层沿断层从上到下位移幅度逐渐增加, 表明断层具有按顺序、分阶段形成的特性, 是从最古老的构造活动期开始的; 如果位移幅度沿地层没有变化, 则表明断层是在所有地层沉积之后形成的。因此, 即使没有古构造地貌重建, 也可以通过只分析地震剖面来判断断层活动的时期。但是, 采用这种方法时往往难以确定位移幅度, 因此只能作为一种快速分析方法使用。
图 4 为盆地北部穿过研究区的 SW-NE 向区域地震大剖面, 显示盆地基底固结的时期和岩性、盆地裂谷和断裂[33]。西西伯利亚盆地北部主要构造活动发生在前中生代基底的深部断层(也称线状构造)上[10], 这些线状构造可能与断裂、基底地块边界或基底不均匀性相关。经过海西运动, 西西伯利亚盆地各微陆块内部及边缘的地层都进一步褶皱变形, 位于各古陆与微陆块之间的地槽型地层(深海相碳酸盐岩–硅质岩–泥质岩、火山岛弧和大洋残片等)发生褶皱抬升, 形成复背斜, 常构成褶皱基底隆起带, 而微陆块所在地区抬升幅度较小或相对沉降, 常构成坳陷带(图 4 和 5)。根据地震资料和重力场、磁力场资料[10,33–34], 可以识别出研究区内多走向深部线状构造、褶皱基底隆起及坳陷带(图 4～6), 深部线状构造可分为 NW 走向(西–肖亚哈、上季乌捷伊、涅伊京、北极、中–亚马尔、小亚马尔 2 号)、NE 走向(新波尔托夫)、近 EW 走向(西–肖亚哈(南部)、小亚马尔 1 号)和近 SN 走向(上–肖亚哈)的线状构造, 以 NW 和 NE 走向为主(图 1 和 6)。褶皱基底隆起主要发育在研究区南部、西部及北部, 坳陷带发育在研究区东部。
隆起: A.上季乌捷伊; B.西–肖亚哈; C.西–肖亚哈(南部); D.沃斯托奇; E.北–肖亚哈; F.南塔姆贝; G.萨尔曼诺; H.上–肖亚哈; I.涅伊京; J.北极; K.西–北极; L.中–亚马尔; M.努尔马; N.里福沃耶; O.罗斯托夫采夫; P.坎巴特伊; Q.小亚马尔1号; R.小亚马尔2号; S.小亚马尔; T.梅徳韦兹; U.新波尔托夫; V.东–新波尔托夫。下同
图1 西西伯利亚盆地北部构造格局及侏罗系顶部含油气地层局部隆起的分布(据文献[10,18]修改)
Fig. 1 Structural pattern of the northern West Siberian Basin and distribution of local oil and gas uplifts at the top of the Jurassic system (modified from Ref. [10,18])
1.浅海、海陆过渡相与陆相砂岩、粉砂岩、泥岩互层; 2.推断的三角洲硅质碎屑岩沉积序列; 3.浅海和水深25～200m以泥岩和粉砂岩为主的沉积序列; 4.浅海硅质碎屑岩; 5.近端硅质碎屑浊积岩; 6.凝缩段(泥岩段); 7.盆地页岩、泥岩、粉砂岩; 8.上新统–全新统沉积岩; 9.硅质碎屑岩与玄武岩互层; 10.煤层; 11.间歇段; 12.不整合面
图2 西西伯利亚盆地北部地层综合柱状图(据文献[15,18]修改)
Fig. 2 Comprehensive column chart of strata in the northern West Siberian Basin (modified from Ref. [15,18])
(a)为南塔姆贝区块沿侏罗系顶部反射层 TB 提取的地震倾角属性切片; (b)～(d)分别为萨尔曼诺、新波尔托夫和小亚马尔 2 号区块沿侏罗系顶部反射层 TB 提取的地震相干属性切片
图3 亚马尔–格达地区三维地震属性切片
Fig. 3 Three-dimensional seismic attribute slices in Yamal-Geddar region
图4 亚马尔–格达地区地震反射剖面
Fig. 4 Seismic reflection profile of Yamal-Geddar region
通过盆地北部亚马尔半岛南塔姆贝区块(F)各关键时期拉平的地震剖面(图 7), 证实盆地侏罗纪至新生代存在 5 个主要构造活跃期[10]: 早侏罗世托阿尔阶晚期–中侏罗世巴通阶、中侏罗世卡洛夫阶–早白垩世欧特里夫阶、早白垩世阿尔布阶晚期–晚白垩世赛诺曼阶、渐新世及中新世, 图 7 中可以清晰地看到这几期构造活动造成的隆起和断裂。早侏罗世托阿尔阶晚期–早白垩世欧特里夫阶造成的隆起和断裂在经历早白垩世巴雷姆阶–阿尔布阶早期的构造平稳期后又重新活跃起来, 背斜隆起幅度逐渐加大, 中新世时达到最大; 现今背斜构造从侏罗系到新生代地层具有继承性, 沿垂直枢纽方向跨度达 2000～5000m, 且隆起幅度和面积都较小。南塔姆贝区块绝大多数断裂只断至侏罗系顶部或下白垩统地层, 之后的构造活动在白垩系至新生界地层中没有形成明显的断层, 只发育一些地震波无法识别的微断裂和裂缝。
根据最新的钻井资料和三维地震数据(主要是研究区东北部的南塔姆贝(F)和萨尔曼诺(G)), 结合前人研究成果[10,35](主要是研究区中南部地区), 利用残余厚度法, 重建各关键时期古构造地貌图(图8～11)。
研究区中生代沉积盖层形成初期, 古地貌整体上表现为向 ENE 方向倾斜(图 8(a))的单斜地貌。几乎整个早侏罗世, 小亚马尔 2 号隆起北部以线状构造为主的西部地区都处于海平面以上, 遭受剥蚀并成为物源区, 沉积物沿着众多侵蚀形成的沟谷和河道被带至上–肖亚哈隆起东南部地区的沉积中心。这些沟谷之中表现最明显的位于西–北极隆起、中–亚马尔隆起北部、上季乌捷伊隆起及其以北地区。这种侵蚀形成的沟谷和河道受深部线状构造(断层)控制, 从南塔姆贝隆起到新波尔托夫隆起的弧形带大部分区域存在侵蚀痕迹。南塔姆贝隆起与萨尔曼诺隆起之间发育一条位于海平面之下的较大型沟谷, 把萨尔曼诺隆起孤立成岛屿。古裂谷另一种表现形式是上–肖亚哈隆起东部、萨尔曼诺隆起东南部和北极隆起东部的近 SN 向正断层。其中, 上–肖亚哈隆起东部和萨尔曼诺隆起东南部正断层是研究区内位移幅度最大的不连续正断层, 北极隆起东部正断层位移幅度较小。
Kz:新生界; K2:上白垩统; K1:下白垩统; J3:上侏罗统; J2:中侏罗统; J1:下侏罗统; T:三叠系; Pz2-3:中、上古生界; Pz1:下古生界; PR:前寒武纪地层
图5 西西伯利亚盆地北部深部地震反射剖面(据文献[33]修改)
Fig. 5 Deep seismic reflection profiles in the northern West Siberian Basin (modified from Ref. [33])
这个阶段的古地貌继续表现为单斜构造, 向ENE 方向倾斜(图 8(b))。该时期在西–肖亚哈和上季乌捷伊隆起–沃斯托奇隆起地区形成狭长的抬升区, 在南塔姆贝和萨尔曼诺隆起地区形成大型宽缓的抬升区。涅伊京隆起及其东南部的北极隆起两个构造中, 北极隆起形成较早, 形成一个 NW 向的非闭合长垣, 很可能由于 NW 向的逆断层作用将北极隆起西部与其东部单斜层的斜坡分开, 涅伊京隆起地区可能也经历一些抬升。
研究区西南部处于最高部位, 但是已经下沉到海平面以下, 沉积物开始在这里沉积。沉积物沿着小亚马尔隆起北部古沟谷向东北方向沉积中心所在的小亚马尔 1 号隆起北部和中–亚马尔隆起东北部方向运移。该阶段末期, 小亚马尔 2 号隆起南部长垣上出现隆起。由于沿NW方向的右行走滑断裂出现压剪, 沿着分布线状构造的小亚马尔 2 号隆起东南部开始生长, 而小亚马尔 1 号隆起为 ENE 走向, 这是 ENE 线状构造的逆断层活动或左行走滑运动的结果。
该阶段的古地貌表现为向 ESE 方向倾斜的单斜地貌, 最深的区域(沉积中心)位于中–亚马尔隆起东部和上–肖亚哈隆起东部地区, 表现最明显的是涅伊京和上季乌捷伊隆起, 涅伊京隆起的东南端表现为大型鼻状构造(图 9(a))。这个阶段的右行走滑运动沿着 NW 走向的深部线状构造继续进行, 在受挤压的走滑断裂末端形成近 EW 向的近等距隆起, 例如上季乌捷伊和小亚马尔 1 号隆起; 中北部地区南塔姆贝隆起、上–肖亚哈隆起和萨尔曼诺隆起地区形成近东西走向的鼻状构造。中南部地区, 小亚马尔 2 号隆起西北部的深部线状构造活动引起NW走向的努尔马–里福沃耶之间的隆起。里福沃耶隆起区域发育一个近 EW 向的向东延伸很远的鼻状构造, 中–亚马尔隆起区域深部线状构造由于右行走滑而受到挤压。
图6 西西伯利亚盆地北部前侏罗纪基底构造(据文献[10]修改)
Fig. 6 Pre-Jurassic basement structure map in the northern West Siberia Basin (modified from Ref. [10])
图7 南塔姆贝区块各关键期拉平的地震剖面
Fig. 7 Seismic profiles pulled flat at various key periods in the South Tambe block
断层数据根据文献[10]修改。细短线表示在给定时间内活跃的断层, 细长线表示深部的线状构造, 粗长线表示在该发育阶段活跃的深部线状构造; 现今隆起边界根据侏罗系顶部反射层 TB 构造图绘制; 深部活跃性线状构造用褶皱作用或水平位移的形式显示; 大写字母为图 1 中隆起的代号。下同
图8 亚马尔–格达地区中生代早期至早侏罗世托阿尔阶早期(a)、早侏罗世托阿尔阶晚期至中侏罗世巴通阶(b)古构造地貌
Fig. 8 Paleotectonic map of Yamal-Geddar area during the Early Mesozoic–Early Jurassic Toar (a), Late Early Jurassic Toar–Middle Jurassic Batun period (b)
罗斯托夫采夫隆起东部地区形成近 EW 走向的长垣, 小亚马尔隆起北部 ENE 走向的地堑可能已经反转, 发育一个抬升的长垣区。在小亚马尔 2 号–新波尔托夫隆起长垣上, 沿深部线状构造继续发育右行走滑断裂, 并形成 ENE 走向的隆起(如小亚马尔 1号隆起以及新波尔托夫隆起北部), 而长垣的西南部地区正在沉降, 发育孤立的隆起。
该时期的古地貌表现为向 NNE 方向倾斜的单斜地貌(图 9(b))。北部地区古地貌在现今的南塔姆贝隆起、萨尔曼诺隆起和上–肖亚哈隆起局部抬升, 而南部地区新波尔托夫隆起的西部地区相对于北部急剧抬升, 沉积中心向西北部上季乌捷伊隆起南部及北部地区迁移。上季乌捷伊、上–肖亚哈、南塔姆贝、萨尔曼诺、涅伊京、北极和新波尔托夫隆起仍然表现明显, 推测是由披覆过程和后沉积不均匀压实引起的。
该时期的古地貌表现为向 NE 方向倾斜的单斜地貌, 相对于早白垩世巴雷姆阶–阿普特阶时期的古地貌, 其坡度向东略有变化, 沉积中心向上–肖亚哈隆起东南部和萨尔曼诺隆起西北部的凹陷区迁移(图 10(a))。
图9 亚马尔–格达地区中侏罗世卡洛夫阶至早白垩世欧特里夫阶(a)和早白垩世巴雷姆阶至阿普特阶(b)古构造地貌
Fig. 9 Paleotectonic map of Yamal-Gda area during the Middle Jurassic Karlovian–Early Cretaceous Otrivian period (a), Early Cretaceous Baremian–Aptian period (b)
该时期的古地貌表现为向 NNE 方向倾斜的单斜地貌, 沉积中心再次位于上季乌捷伊隆起南部和南塔姆贝隆起东北部凹陷区(图 10(b))。早白垩世阿尔布阶早期构造活动间歇之后, 构造活动逐渐恢复, 雁列式正断层再次形成, 但沿深部线状构造发育的隆起和断层相对较少, 发育右行走滑运动。中部涅伊京长垣构造隆起明显, 上–肖亚哈和南塔姆贝隆起地区形成抬升区。NW 走向的涅伊京和北极隆起由于压剪增长复苏, 在古地貌中反差最明显。北极隆起东南部的隆起可以通过涅伊京–北极右行走滑断裂末端的挤压和(或)NE 走向的深部逆断层活动来解释。
该阶段地形反差最大, 推测上白垩统赛诺曼阶地层堆积之后, 新生代构造阶段首次形成许多隆起(图 11)。北部萨尔曼诺地区开始抬升, 沉积中心位于上季乌捷伊隆起南部至北极隆起以东的凹陷区, 构造形态变得反差更大并相互分割。大部分地区被一连串 NNW 走向的隆起幅度较高的长垣构造体系(单条长垣幅度为 150～400m, 延伸长度为30～85km)分割, 它们将涅伊京、北极、中–亚马尔、新波尔托夫隆起与首次形成的努尔马、小亚马尔 2 号隆起联合在一起。在隆起幅度显著的上季乌捷伊、涅伊京、北极、小亚马尔 2 号和新波尔托夫隆起上, 沿深部线状构造继续发育雁列式正断层。大多数隆起具有近 SN 的走向, 例如首先形成的隆起幅度较低的坎巴特伊隆起。该阶段开始时, 已经形成的许多隆起逐渐扩大规模, 局限于近 EW 走向的线状构造(如小亚马哈 1 号隆起、上–肖亚哈隆起和梅徳韦兹隆起等)没有继续增长, 而北极隆起的东部在没有近 EW 向线状构造的情况下经历沉降。
图10 亚马尔–格达地区早白垩世阿尔布阶早期(a)和早白垩世阿尔布阶晚期至晚白垩世赛诺曼阶(b)古构造地貌
Fig. 10 Paleotectonic map of Yamal-Geddar area during the Early Cretaceous Albian (a), Late Early Cretaceous Albian–Late Cretaceous Sainomannian period (b)
在研究区识别出的深部断层可分为 NW 走向、NE 走向、近 EW 走向和近 SN 走向的线状构造(图6)。由于格达半岛南部存在 3 个裂谷[5](图 1), 造成线状构造以 NW 走向和 NE 走向为主。从西西伯利亚盆地整体区域构造来看, NW 向的线状构造可能与佩霍伊褶皱带相关, NE 向的线状构造可能与新地褶皱带相关, 这些线状构造属于统一的乌拉尔褶皱系[12,31], 是前中生代乌拉尔褶皱系基底顶部褶皱、逆冲断层、逆断层和走滑断裂的构造响应, 在南喀拉–亚马尔地块内存在前侏罗纪的挤压褶皱及其西南边缘的逆冲带[26]。近 EW 向的线状构造可解释为更古老的文德纪早期贝加尔湖褶皱(图 4)的构造响应[36]。近 SN 走向的线状构造有明显可识别的正断层, 沿基底顶部的位移幅度很大(300～400m), 其中一部分正断层仅断至下白垩统地层底部。根据正断层以东上盘地层厚度增加的现象, 可以确定这些正断层形成的主要年代为三叠纪, 据此可推测三叠纪地堑–裂谷的西部边界(图 4 和 6)。
中生代至新生代沉积盖层形成的早期, 研究区大部分区域地势比较平缓, 但随着侏罗系和白垩系的沉积, 盆地发育幕式坳陷活动, 包括在新生代构造阶段。由于基底的差异抬升和较轻基底地块沉降强度较低, 局部隆起保留下来, 说明盆地的发育具有继承性(图 4～7)。在总体沉降背景下, 盆地发生构造挤压的脉冲活动, 沿着裂谷带形成较低级的线状构造。
图11 亚马尔–格达地区晚白垩世赛诺曼阶时期之后新构造子阶段1 (a)和子阶段2 (b)古构造地貌
Fig. 11 Neotectonic subphase-1 (a) and subphase-2 (b) paleotectonic map after the Late Cretaceous Sainomannian period in Yamal-Geddar region
Ⅰ: 中新世; Ⅱ: 渐新世; Ⅲ: 早白垩世阿尔布阶晚期至晚白垩世赛诺曼期; Ⅳ: 早白垩世阿尔布阶早期; Ⅴ: 早白垩世巴雷姆期至阿普特期; Ⅵ: 中侏罗世卡洛夫期至早白垩世欧特里夫期; Ⅶ: 早侏罗世托阿尔晚期至中侏罗世巴通期; Ⅷ: 中生代早期至早侏罗世托阿尔早期
图12 亚马尔–格达地区沉积盖层构造运动及断裂形成期次(据文献[10,35]修改)
Fig. 12 Diagram of tectonic movement and fault formation stages of sedimentary cap rocks in Yamal-Gyda area (modified from Ref. [10,35])
这些深部线状构造、基底隆起和坳陷带影响中生代–新生代沉积盖层的构造演化[10,34]。由于在沉积盖层的形成过程中, 盆地沿着这些线状构造发生不同方向的运动, 且二维地震剖面(图 5)上基底也没有明显的断裂特征以及伴随裂谷作用的明显地壳拉张标志[12–13], 所以这些深部断层的类型难以确定, 它们可能是逆断层、正断层或走滑断层。
研究区大多数隆起和断裂都经历 5 个最大的构造活跃期[25](图 12)。由于不同隆起带构造变形强度不同, 有些断层从基底发育, 切穿侏罗系–新近系, 并在新近系–第四系消失; 有些断层与基底断层明显相关, 但只断至侏罗系顶部或下白垩统。地震剖面显示的断裂活动位移幅度小, 不超过 1～2 个反射同相轴(图 4, 5 和 7)。总的来说, 沿着前中生代基底的深部线状构造发育右行走滑断裂, 它们伴随着隆起和雁列式近 SN 向断层的挤压而形成, 左行走滑断裂的特征仅在早侏罗世托阿尔阶晚期至中侏罗世巴通阶以及晚侏罗世至早白垩世可见。按照类型、形成与复活时间以及成因机制, 综合前人研究成 果[10,35], 我们对研究区中生代至新生代沉积盖层已识别的 22 个隆起及断裂进行详细的解剖。如图 12所示, 本文研究结果与盆地区域构造动力学背景基本上一致。早侏罗世托阿尔阶晚期至中侏罗世巴通阶、晚侏罗世至早白垩世欧特里夫阶的构造活跃期分别与北极地区的晚基米里期褶皱和加拿大盆地的开启痕迹相关, 而渐新世、中新世的构造活跃期与欧亚板块–印度板块碰撞以及欧亚大陆北部广泛的区域拉张作用和裂谷作用相关。本文研究区这些构造活跃期最大的不同之处只是形成的构造以及相应的最大主应力方向不同, 具体特征描述如下。
1)中生代早期至早侏罗世托阿尔阶早期: 正断层或者直接是三叠纪地堑–裂谷的西部边界, 或者是较老的地堑–裂谷的痕迹, 并控制三叠系地层的分布(图 4 和 5)。推测的其余古裂谷在这个阶段的古构造地貌中表现不明显。该阶段没有强烈的构造运动, 沉积中心逐渐向研究区东部倾伏, 并被从西南部和东北部沿侵蚀形成的沟谷和河道携带来的沉积物填充。最大主应力方向为垂直向下, 唯一活跃的构造单元是一个近 SN 向延伸的正断层。
2)早侏罗世托阿尔阶晚期至中侏罗世巴通阶: 至少分为两个构造活跃期子阶段。在第一个子阶段, NW 和 NNW 走向的线状构造变得更加活跃; 在第二个子阶段, NNE 走向的线状构造变得更加活跃。这是与最大主应力方向(挤压方向)从 NE 到 NW逆时针的旋转相关, 但第一个子阶段的贡献更大, 该阶段和所有后续阶段都是以 NW-NNW 走向为主的深部线状构造运动, 沿线状构造出现右行走滑和压剪作用, 形成隆起和共轭雁列式的近 SN 向正断层。该时期研究区南部地区沿着 NNW 走向和 NE走向的线状构造因中–亚马尔西北部地区的构造增长而发生走滑运动, 这个区域的隆起在研究区中部所有构造中最先形成, 而现今的中–亚马尔隆起在这个阶段尚未形成, 其所在区域仅形成雁列式正断层。在新波尔托夫地区首先活跃的是 NNW 走向的走滑断裂, 形成一系列隆起幅度相对较低的小型狭长隆起, 而在晚侏罗世, 断裂变形幅度明显增大的ENE 向走滑断裂变得活跃起来, 形成一定规模 ENE走向的构造(图 3)。
3)中侏罗世卡洛夫阶至早白垩世阿尔布阶早期: 分为两个阶段。①中侏罗世卡洛夫阶至早白垩世欧特里夫阶, 研究区内 NW-NNW 走向的深部线状构造继续活跃, 沿其走向出现右行走滑和压剪作用, 形成近 EW 走向的隆起和雁列式近 SN 向正断层。活跃的深部线状构造还包括经历了挤压和抬升的 NE 走向和 ENE 走向的深部断层, 最大主应力方向指向 NNW 方向。②早白垩世巴雷姆阶至阿普特阶开始, 构造活跃性开始减弱, 到早白垩世阿尔布阶早期, 构造活动继续不活跃, 处于间歇期。这两个时期, 最大主应力方向都垂直向下。
4)早白垩世阿尔布阶晚期至晚白垩世赛诺曼阶: 与侏罗纪–白垩纪之交时期相似, 以 NE 走向和NEE 走向为主、经受过挤压和逆断层运动的深部线状构造活跃起来, NW-NNW 走向的深部线状构造也活跃起来, 最终沿着这些深部线状构造发生右行走滑和压剪作用, 形成一系列隆起和雁列式近 SN 向的正断层。这个时期最大主应力方向为近 SN 向。
5)晚白垩世赛诺曼阶之后: 发生两次构造活跃期子阶段(图 11)。子阶段 1: 在 NNE 向的挤压作用下, 沿 NNW 向的深部线状构造继续进行右行走滑和压剪作用, 形成 NW 向隆起和雁列式近 SN 向正断层。子阶段 2: 由于 NW-NWW 向挤压, 走滑的方向改为左行走滑, 并形成近 SN 向和 NNE 向的隆起。这与最大主应力方向(挤压方向)从 NNE 到 NW向逆时针的旋转相关, 子阶段 1 的贡献相对较大。
总的来说, 从图 12 可以看出, 里福沃耶隆起和西–北极隆起发育最早, 它们在沉积盖层形成之前就已形成, 在新构造运动阶段形成的西–肖亚哈(南)、罗斯托夫采夫、努尔马和坎巴特伊隆起发育时间最晚, 其余大多数隆起和断裂是从侏罗纪开始形成; 小亚马尔 2号长垣以及涅伊京–北极长垣地带在所有阶段都保持抬升。
在研究区构造发育的晚白垩世赛诺曼阶之后阶段(渐新世和中新世), 出现正断层(拉伸特征)和背斜(挤压特征)具有相同走向的情况。从地球动力学的角度来看, 这是相互矛盾的, 但可以用走滑断裂两侧相互运动的顺序来解释。假定运动早期挤压方向为 NNE 向, 沿着 NNW 走向可发育右行走滑运动, 由于压剪作用而形成所有的 NW 向隆起; 运动晚期, 挤压方向为 NW-NWW 向, 沿所有 NW 向的深部线状构造发生左行走滑运动, 由于线状构造连接区的左行走滑运动形成更等距更圆的隆起, 形成 NNE向背斜。如果运动早期是近 SN 向挤压发挥作用, 那么意味着在新构造运动早期它将继续发挥作用, 然后在运动晚期转向近 EW 向, 结果是在运动早期形成正断层, 并开始形成隆起; 在运动晚期, 所有隆起继续增长, 形成新的近 SN 向构造。在两次走滑运动作用下形成背斜, 并且更多正断层仅在右行走滑运动占主导期间形成。这揭示压剪作用比转换拉张作用强, 也就解释了背斜构造的隆起幅度明显大于正断层变形幅度的现象。
由此可见, 在渐新世和中新世构造活动阶段, 首先在 NNE 向挤压的作用下, 沿 NNW 向的深部线状构造继续进行右行走滑和压剪作用, 形成 NW 向隆起和雁列式近 SN 向正断层, 然后由于 NW-NWW向挤压, 走滑的方向改为左行走滑(图 3(c)), 并形成近 SN 向和 NNE 向的隆起。根据西西伯利亚北部钻井岩芯的地质力学研究结果, 可以确定目前水平构造应力的各向异性系数较低(5%～10%)[10], 表明盆地边缘的任何构造扰动都可能导致水平应力矢量的急剧反转, 从而改变位移方向。
通常根据基底克拉通化时期低致密花岗岩的侵入来解释重力负异常, 西西伯利亚盆地克拉通化仅在早三叠世结束, 随后, 在沉积盖层的形成过程中, 这些相对较轻的基底地块比周围的基底地块沉降得更慢, 导致这些区域的隆起还可能经历纯粹的垂直相对上升构造运动[10,12]。裂谷盆地可能充满相对较重的致密火山岩, 比其他基底地块沉降得更快[10]。根据地震资料解释, 梅徳韦兹、罗斯托夫采夫、努尔马、小亚马尔 1 号和上–肖亚哈隆起的深部线状构造并不明显, 这些构造的形成主要是褶皱作用, 在没有破坏沉积盖层连续性的情况下, 主要通过差异性的垂直升降运动或走滑水平运动来解释。在沉积盖层形成之前, 已形成的里福沃耶隆起和西–北极隆起经受了最小的水平应力和垂直应力, 北极、涅伊京、上季乌捷伊和中–亚马尔隆起经受了最大的水平挤压应力, 其余隆起可能经历额外的基底深部线状构造活化过程中纯粹的差异性垂直升降运动。从二维和三维地震资料的解释结果中, 没有发现规模性水平剪切位移的明显特征, 侏罗纪和白垩纪的水平剪切位移幅度不显著(1～5km)(图 3～5)。考虑到三叠纪的裂谷作用没有明显拉伸, 可知在整个中生代, 构造地块没有明显的水平移动。因此, NE走向和 NNE 走向的隆起和线状构造反映新地褶皱带的褶皱、逆断层和逆掩断层, 而 NW 走向的隆起和线状构造对应跨欧亚板块或萨彦–佩霍伊板块[8]的右行走滑断裂。推测在二叠纪末期, 盆地北部新地褶皱带沿着该右行走滑断裂相对于乌拉尔褶皱带偏移[6]。因此, 新波尔托夫–努尔马–涅伊京–上季乌捷伊大型长垣构造很可能以前代表一个单一的近SN 向和 NNE 向的长垣, 沿着 NW 走向的右行走滑断裂系被分割成单独的褶皱。
本研究聚焦西西伯利亚盆地北部三叠纪裂谷系与中新生代局部隆起、走滑断裂的成因机制, 通过系统地分析亚马尔–格达地区基底构造格架、沉积盖层变形史及古构造地貌特征, 揭示研究区深部线状构造的成因差异及其对盖层构造的控制作用, 阐明多期走滑运动驱动下正断层与背斜共生的构造耦合关系, 建立侏罗纪以来基底活化与区域构造事件的时空关联, 最终厘定不同走向隆起带反映的板块边界性质与深部动力学过程, 得到如下结论。
1)亚马尔–格达地区识别出的深部线状构造走向可分为 NW 向、NE 向、近 EW 向和近 SN 向 4 组, NW 向的线状构造可能与佩霍伊褶皱带相关, NE 向的线状构造可能与新地褶皱带相关, 都是前中生代乌拉尔褶皱系基底顶部褶皱、逆冲断层、逆断层和走滑断裂的构造响应。近 EW 走向的线状构造可解释为更古老的贝加尔湖褶皱的构造响应。近 SN 走向的线状构造有明显可识别的正断层, 是三叠纪地堑–裂谷的西部边界。
2)正断层(拉张)和背斜(挤压)具有相同的走向, 首先在 NNE 向的挤压作用下, 沿 NNW 向的线状构造继续进行右行走滑和压剪作用, 形成 NW 向隆起和雁列式近 SN 向正断层, 然后由于 NW-NWW 向挤压, 走滑的方向改为左行走滑, 并且形成近SN向和 NNE走向的隆起, 更多的正断层仅在右行走滑运动占主导的期间形成。
3)侏罗纪至新生代存在早侏罗世托阿尔阶晚期至中侏罗世巴通阶、中侏罗世卡洛夫阶至早白垩世欧特里夫阶、早白垩世阿尔布阶晚期至晚白垩世赛诺曼阶、渐新世和中新世 5 个最大的构造活跃期, 第一、二阶段的构造活跃期与晚基米里期褶皱和加拿大盆地的开启相关, 而第四、五阶段的构造活跃期与欧亚板块–印度板块碰撞以及欧亚大陆北部广泛的区域拉张作用和裂谷作用相关, 大多数隆起和断层是从侏罗纪开始形成的。
4)除水平应力外, 单个基底地块可能经历了额外纯粹的基底深部线状构造活化过程中产生的差异性垂直升降运动, 造成多数隆起也可能经历额外的差异性垂直升降运动, NE 走向和 NNE 走向的隆起和线状构造反映新地褶皱带的褶皱、逆断层和逆掩断层, 而 NW 走向的隆起和线状构造对应跨欧亚板块的右行走滑断层。
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Paleogeomorphology and Tectonic Activity Processes in Yamal-Gyda Region of the Northern West Siberian Basin
Abstract The northern West Siberian Basin developed tectonic activity during the Triassic period with the deve-lopment of rift systems and throughout the Mesozoic-Cenozoic era with the formation of numerous local tectonic uplifts. In view of the fact that there is no unified and clear understanding on the formation mechanisms of the geological features, this paper presents a detailed analysis of deep linear structures of the pre-Mesozoic basement, the tectonic evolution of sedimentary cover, the paleogeomorphology, and tectonic activity processes of Yamal-Gyda region. The results reveal that: 1) Deep linear structures can be categorized into four groups of directions, NW, NE, nearly E-W and nearly N-S. The NW and NE linear structures are the structural responses of the folds, thrusts, reverse faults and strike-slip faults of the pre-Mesozoic basement linked to the Ural fold system. The nearly N-S lineaments are clearly identifiable normal faults that mark the western boundary of the Triassic rifting graben. 2) Normal faults (stretching) and anticlines (compression) exhibit identical tectonic orientations. These structures developed sequ-entially, first through dextral strike-slip faulting in the NW direction and subsequently through sinistral strike-slip faulting in the NE direction. Anticlines formed under the influence of these dual strike-slip movements, with most normal faults developing during the dominant right-lateral phase. 3) The initiation of most uplifts and faults occurred during the Jurassic period, followed by multiple episodes of reactivation of deep linear structures. These tectonic activities are closely linked to Late Cimmerian folding, the collision between the Eurasian Plate and the Indian Plate, as well as widespread regional extensional and rifting processes across the northern part of the Eurasian continent. 4) The majority of uplifts are likely tied to differential vertical movements generated during the activation of deep linear structures. The NE and NNE-trending uplifts and lineaments correlate with folds, reverse faults, and thrust faults associated with the Urals-Novaya Zemlya fold belt, while NW-trending uplifts and lineaments correspond to the dextral strike-slip faults across the Eurasia continent.
Key words West Siberian Basin; tectonic activity; strike-slip faults; paleo-uplift; paleogeomorphology; tectonic deformation