塔里木盆地位于天山和昆仑山两大造山带之间,面积约 560000 km 2,是我国最大的内陆盆地,盆地内油气等矿产资源非常丰富(贾承造等, 2004; 金之钧等, 2004; 肖序常等, 2007; 康玉柱等, 2009; 何文渊等, 2011)。多年来,在塔里木盆地及周边造山带开展了折射地震剖面调查、深反射地震剖面调查、地震体波层析成像方法和古地磁研究等地球物理探测(李秋生等, 2000; 方大钧等, 2006; 杨文采, 2010; 于常青等, 2012; 瞿辰等, 2013),推断的地壳厚度为 45~60 km 。由于塔里木盆地为沙漠覆盖,工作条件恶劣,台站布设极不均匀,目前研究程度仍然较低,盆地西南部的研究程度相对更低。为了建立塔里木盆地精细的三维构造模型,我们在开展地震和大地电磁法探测的同时(杨文采等,2015a、b),进行盆地西南部的地面重力数据采集处理,研究的目标是通过布格重力异常的三维反演,建立塔里木盆地西南部的密度扰动模型;并结合地壳三维电阻率模型模型,建立盆地西南部上地壳的三维构造模型。在以前的文章中(侯遵泽等, 2011;瞿辰等, 2013 ;杨文采等,2015c),我们已经讨论过塔里木地体的地震波速和三维电阻率模型(杨文采等,2015b),但是由于盆地西南部的重力数据较少,没有对此研究区提供更多的细节。本文在增加野外调查的基础上进行了分析计算,对 盆地西南部2~15 km 深度的密度扰动结构成像,并结合电阻率三维结构对构造进行分析,可为大地构造研究和深层油气资源勘查提供新的认识。
图1 塔里木盆地的断裂分布和研究区位置(图中方框)
Fig. 1 The fault map and studied area in Tarim Basin 构造单元编号:Ⅲ—巴楚隆起; Ⅳ—麦盖提斜坡; Ⅴ—昆仑山前坳陷带; Ⅵ—塘古孜巴斯坳陷
The structure units are: Ⅲ—Bachu uplifted zone; Ⅳ— Maigaiti slope; Ⅴ— Kunlun foreland depression; Ⅵ— Tonguzbas depression
塔里木盆地是中国最大的油气盆地。目前塔里木盆地已经成为中国主力油气产区之一。盆地西南部的天然气勘探也取得重要进展,发现了多个大型气田。塔里木盆地的结晶基底形成于 1.8 Ga以前。到 450 Ma以前,塔里木盆地从冈瓦纳大陆裂解,开始从南半球向北漂移(贾承造等, 2004;金之钧等, 2004;肖序常等, 2007; 康玉柱等, 2009; 何文渊等, 2011)。300 Ma以前,塔里木地体和哈萨克斯坦地体及西伯利亚克拉通碰撞,使古亚洲洋封闭,逐渐并入亚欧大陆的南沿(方大钧等, 2006; 杨文采, 2010, 2016,2017)。此后地体顺时针旋转并由海变陆,大约200 Ma以前,处于南方古特提斯洋中的羌塘地体向北漂移并与塔里木地体碰撞,使古特提斯洋封闭,形成塔里木地体南沿的昆仑碰撞造山带。65 Ma 以来,由于印度次大陆向亚欧板块的俯冲碰撞和青藏高原的地壳缩短隆升,塔里木盆地在整体断陷下沉的同时,局部受强烈挤压形成了巴楚隆起、塔北隆起和塔东南隆起。因此,塔里木盆地形成了复式叠加结构,即大约 5 km 以上为中新生代陆相沉积盆地,5 km 以下为古生代海相沉积盆地,古生代海相沉积盆地深度可达13 km 。塔里木岩石圈的电阻率三维结构的研究指出 (杨文采等 , 2015a、b),盆地内存在大规模低阻带,位于满加尔和罗布泊一带,深度从上地壳 15 km 到 90 km 地幔。推测这一低阻带形成于晚古生代古亚洲洋封闭阶段,是塔里木和哈萨克斯坦地体、西伯利亚克拉通发生碰撞的产物(杨文采, 2010)。图1为塔里木盆地的断裂分布图,它们也是盆地内隆起和坳陷构造的边界。研究区位于盆地的西南部,位置如图1中方框表示。塔里木盆地西南部主要包括巴楚隆起(本文编号为Ⅲ)、 塘古孜巴斯坳陷(本文编号为Ⅵ)、麦盖提斜坡(本文编号为Ⅳ)和昆仑山前坳陷带(本文编号为Ⅴ)四个构造单元。
根据塔里木盆地的沉积岩密度测定统计结果(杨文采, 2010), 新生代沉积岩的密度均值为2.4 g/cm3, 中生代沉积岩以碎屑岩为主, 密度均值为2.55 g/cm3。 古生代沉积岩以碳酸盐岩为主, 其密度均值为2.67 g/cm3, 元古宙结晶基岩密度变化大,多数在2.71~2.77 g/cm3之间。 由于沉积岩石含水,密度大小与岩石内部的孔隙裂缝发育有关, 而孔隙裂缝都是流体通道。深层古生代沉积岩以碳酸盐岩为主, 根据巴楚隆起碳酸盐岩段的测井记录可知,奥陶纪碳酸盐岩孔隙裂缝的油气储层密度和电阻率都明显降低。
塔里木盆地的碎屑岩和碳酸盐岩的电阻率变化范围很大,主要受其中的孔隙裂隙发育程度控制(杨文采等, 2016a, b)。碎屑岩电阻率与孔隙度呈负相关,最大孔隙度可达 28%,此时电阻率约为 1 m。此后电阻率随孔隙度降低指数升高,只在孔隙度小于 1% 时电阻率才能达到 100
m。碳酸盐岩电阻率与孔隙度也呈负相关,但是最大孔隙度为 9%,此时电阻率约为 5
m。此后电阻率随孔隙度降低指数升高,在孔隙度小于 1% 时电阻率可能达到 1000
m。碳酸盐岩中白云岩和礁灰岩孔隙度相对较高,因而电阻率相对较低。碳酸盐岩中电阻率最低的岩性为溶蚀风化壳。塔里木盆地内发现有二叠纪玄武岩和安山岩枝。据测定二叠纪玄武岩和密度2.8~2.9 g/cm3,电阻率 50~500
m。不过,二叠纪玄武岩常与凝灰质沙岩互层,这时互层电阻率可降低至 10~500
m。结晶基底中玄武岩电阻率高于 1000
m。前寒武纪结晶基底中的片麻岩电阻率一般大于 2000
m,构造破坏后电阻率可降低至 200
m 以下。
图2 塔里木盆地西南部原有(a)和2015年补测后的区域重力调查测网(b)
Fig. 2 The gravity survey map of the studied area in Tarim Basin before 2014 and in 2015
表1 由功率谱斜率计算小波细节对应的平均场源深度
Table 1 The calculated average depth correlated to the wavelets
层小波细节最小深度(km)最大深度(km)平均深度(km)深层D59.01912.20210.769中层D3+D46.1468.3507.435浅层D1+D22.0592.5082.197
塔里木盆地西南部原有的区域重力调查测网十分稀疏,见图2a,只能用于1∶250万的布格重力异常处理和编图(杨文采等, 2010;侯遵泽等, 2011)。2015年我们在塔里木盆地西南沙漠地区补充进行重力加密调查,取得布格重力异常方差不超过1 mGal, 在原有数据的基础上加入了新测的数据。进行了数据融合后,取得数据点位示于图2b。原计划2016年继续完成全区的重力测网加密,但由于项目停止,这项任务没能完成。虽然测网密度不够均匀,我们用新增数据改善研究精度,在处理时取数据范围为(E76°~81°;N36.5°~40°),做1∶100万比例尺的布格重力异常编图。塔里木盆地西南部布格重力异常平面图示于图3a。对比重力异常图与地质构造可见,巴楚隆起表现为正异常,塔西南坳陷表现为负异常,麦盖提斜坡表现为宽缓的梯度带。
我们用区域重力场的小波多尺度分解和分层密度反演方法,取得了地壳三维密度结构信息。地壳三维密度扰动成像的理论根据是位场理论,即布格重力异常场的尺度与场源埋藏深度呈现同步增大的关联(Telford,1991)。小波多尺度分析方法利用小波基的特征尺度,把地面叠加重力异常场按尺度分解,使产生的小波细节异常集重新恢复了特征尺度。由于特征尺度正比于场源埋藏深度(杨文采, 1997),因此,小波多尺度分析方法便可用于刻划地壳三维密度结构。我们经过多年研究,把小波多尺度分析、位场频率域解释理论和密度扰动反演方法有机地结合起来,形成了应用区域重力场刻划地壳三维密度结构的数据处理、反演解释和信息提取的方法系统,此系统分为区域重力场按场源分层、小波变换多尺度分析、场源分层深度反演及密度扰动反演四个子系统,详见以前论文(侯遵泽等,1997;杨文采等,2001,2015c、d;孙艳云等,2014; Sun Yanyun and Yang Wencai,2015,2016)。
在完成重力场小波变换多尺度分解之后, 得到重力小波细节 (D1+D2), (D3+D4), D5和5阶小波逼近。用广义线性反演方法求取目的层的密度扰动(见图3的b—d) ,这些结果主要反映了各深度等效层的横向密度相对变化。再对重力小波细节作二维傅立叶变换, 求它们的平均功率谱。无论在解析上还是在统计意义上, 重力场功率谱斜率都正比于场源埋藏深度。因此, 由功率谱斜率可以计算出小波细节对应的场源深度(表1), 使小波分析结果有对应的平均埋藏深度概念。由平均功率谱计算浅层 (D1+D2)平均深度为2.2 km , 中层 (D3+D4)求得平均深度为7.4 km ; 深层D5求得平均深度为10.8 km , 而5阶小波逼近的场源埋深为18.1 km ,反映地变质基底的不均匀性。
首先来看塔里木盆地西南部浅等效层的密度扰动(图3b), 中心深度为2.2 km 。根据密度扰动的梯度变化可划分出8个构造单元,其中高密度的构造单元有柯坪隆起(Ⅰ),巴楚隆起(Ⅲ),喀拉昆仑山前隆起(Ⅶ)和铁克里克山前隆起(Ⅷ)。在隆起带由于深部高密度地多层隆起,使密度在同一平面上升高。麦盖提斜坡(Ⅳ)是密度缓变带,密度向南减小。8个构造单元中低密度的构造单元有阿瓦提坳陷(Ⅱ),塘古孜巴斯坳陷(Ⅵ),昆仑山山前坳陷带(Ⅴ),它包含喀什坳陷,叶城坳陷和和田坳陷。坳陷带中新生代松散沉积物越多,密度越低。这种构造单元分布模式的形成和昆仑山脉受印度板块向北与亚欧板块碰撞有关,这次碰撞使昆仑山脉向北仰冲,造成巴楚推覆隆起和麦盖提斜坡,以及昆仑山山前带下陷和很厚的松散沉积物堆积,它们共同组成了推覆构造楔。推覆构造楔的前峰为巴楚隆起,后部为铁克里克山前隆起带;它呈叠瓦状逆冲构造楔,使塔里木西南盆地的基底在巴楚隆起南部出露于地面(肖序常等, 2007; 杨文采等,2010,2014, 2015e—f)。图2b中三角形标明已知天然气田位置,它们主要为浅层天然气。由图可见,已知天然气田呈现在隆起区或者隆起区的边缘,说明它们主要与断裂构造有关。因为山前坳陷沉积太快等原因,山前坳陷内部浅层油气成藏可能不大有利。
再来看塔里木盆地西南部的老地层的密度扰动(图3c), 中心深度为7.4 km 。根据密度扰动的梯度变化划分出10个构造单元,其中新增低密度的构造单元有喀拉昆仑山前断裂带(Ⅸ)和西昆仑山前断裂带(Ⅹ)。这两个带本来在铁克里克和喀拉昆仑山前隆起带下边,由于山前隆起带向北东推移,低密度的构造单元在5 km 深度以下进入图幅,同时柯坪隆起(Ⅰ)向北退缩。巴楚隆起(Ⅲ)在深部变宽的同时,麦盖提斜坡(Ⅳ)范围缩小了。随着深度加大,喀拉昆仑和西昆仑山的山前坳陷带(Ⅴ)分开了,喀什坳陷也不再与叶城坳陷相连。同时,铁克里克和喀拉昆仑山前隆起带相连在一起。它们和巴楚隆起一起组成一个向塘古孜巴斯坳陷开口的环形构造,把叶城—和田坳陷和麦盖提斜坡包围其中。在5~8 km 深度叶城—和田坳陷和喀什坳陷的低密度区面积都扩大了,对油气勘探来说是有利的。
最后来看塔里木盆地西南部深层的密度扰动(图3d), 中心深度为10.8 km 。在这个深度上,柯坪隆起(Ⅰ)和阿瓦提坳陷(Ⅱ)向北退缩,几乎退出了研究区范围。巴楚隆起(Ⅲ)和麦盖提斜坡(Ⅳ)都向北移动,而且麦盖提斜坡的范围进一步缩小了。高密度的喀拉昆仑山前隆起带继续向东扩展,铁克里克山前隆起带范围缩小,几乎快要消失了。随着深度的加大,和田坳陷和喀什坳陷还显示有低密度的沉积层,但是在深度10.8 km 叶城坳陷看来已经见到结晶基底了,因此和田坳陷和喀什坳陷的深层油气勘探仍然有希望。
塔里木盆地西南部上地壳三维密度扰动成像揭示了昆仑山脉向北仰冲推覆构造楔和山前坳陷带的立体结构,为盆山耦合动力学研究和深层油气勘探提供了新的认识。
在2011~2014年期间,我们对塔里木全盆进行了大地电磁测量,取得了701 个大地电磁测点数据,以后又进行了三维反演(杨文采等,2015a—b)。为提高反演空间分辨率,我们引入了最小梯度支撑泛函代替平滑模型约束,得到比较清晰的电性分界面,更有利于刻画地下构造。三维反演时采用的反演网格数为60×40×40,横向网格间距 20 km ×20 km ,水平方向网格间距 10 km ×6 km ,纵向深度按对数剖分 40 层。检验对比二维和三维反演电阻率剖面图证明,三维反演比二维反演的结果更精确。
图4 为盆地上部不同埋藏深度三维反演电阻率平面图,深度为 2 km , 4 km , 8 km 和15 km ,小红点为大地电磁测点位置。深度 2 km 的电阻率平面图(图 4a)显示盆地内部有2个低阻区,满加尔坳陷和罗布泊(L 1-2)和塔西南坳陷(L 5-6);后者的电阻率表现为 5~15 m,和低密度的昆仑山山前坳陷带(Ⅴ)位置完全对应(见图 3b)。盆地周边高阻的柯坪隆起(H1)向巴楚隆起延伸,电阻率表现为 50~1000
m 的高阻区。巴楚隆起与塔东南高阻隆起都为中新生代构造活动区,对应高大地热流和深度 2 km 平面上的高密度高电阻率。盆地内高大地热流区主要分布在巴楚隆起H1a与塔东南高阻隆起区H5,其它的地区大地热流值普遍低于 50 mV/m2 。深度 4 km 的电阻率平面图(图 4b)和深度 2 km 的电阻率平面图(图 4a)相比变化不大。深度 5 km 以上的塔北和塔中隆起都还没有清晰的高阻显示,因为它们是古生代的隆起,反映在深度 4 km 以下。总的说来,塔里木盆地浅层有大范围低电阻率分布区,主要是中新生代陆相碎屑沉积岩层含水的反映,局部高电阻率分布区与高大地热流分布区和高密度分布区吻合,反映新生代构造上隆。还值得注意的是,塔里木盆地浅层小于 3
m 的低阻区大都有油气田分布。
图 4c、4d 分别为深度 8 km 和 15 km 的三维反演电阻率平面图。深度 8 km 平面上盆地内主要分布古生代碳酸盐岩层,电阻率小于 10 m 的低阻区面积比中新生代的浅地层低阻区明显缩小。柯坪—巴楚隆起(图上编号 H 1),库鲁克塔格隆起(H 2)和塔东南隆起(H 5)三个高阻区面积有所扩大。随着低阻区的缩小,塔西南坳陷已经分解为二,即和田坳陷与莎车坳陷(图上编号分别为 L 5 和 L 6 )分开。巴楚隆起高阻区(图上编号 H 1a)向东继续扩展到克里雅河,和三维密度扰动成像的结果完全一致。此外,库车坳陷中高阻带开始显露,表明在 8 km 深处库车坳陷已有高阻结晶基底显露。深度 15 km 的电阻率平面图(图 4d)上显示的低电阻率区面积比 8 km 低阻区进一步缩小,满加尔坳陷(L1)和阿瓦提坳陷(L2)低阻区分开。此外,莎车坳陷低阻区面积进一步缩小,和三维密度扰对成像的结果完全一致。油气成藏伴随着活跃的流体活动,而流体呈现低电阻率。低电阻率地区很可能与大型特大型深层油气藏相关,塔西南的和田坳陷与莎车坳陷都是油气勘探的有利区段。此外,塔西南的麦盖提斜坡的东西两头有低密度和低电阻率异常区,反映了基底中有流体活动。
经过在塔里木盆地大地电磁的数据采集、资料处理和三维反演,取得测点分布比较均匀的盆地三维电阻率模型,从电性结构角度得到了盆地的三维构造,证明塔里木盆地三维电阻率模型和盆地西南部的密度结构有很好的相关性,支持盆地西南部密度扰动成像的结论。
本次研究表明,网度足够密的区域高精度重力测量可以获得关于沉积盆地深部构造的丰富信息,应用小波多尺度分析和三维反演方法可以把与深层构造有关的地质信息提取出来,客观地为沉积盆地内部构造演化和油气勘探提供依据。塔里木盆地西南部上地壳三维密度扰动成像揭示了昆仑山脉向北仰冲的推覆构造楔和山前坳陷带的立体结构,为盆山耦合动力学研究和深层油气勘探提供了新的认识。大地电磁数据三维反演取得的盆地三维电阻率模型,从电性结构角度得到了盆地的三维构造,证明塔里木盆地三维电阻率模型和盆地西南部的密度结构有很好的相关性,支持了盆地西南部密度扰动成像的结论。
(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)
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Methods:We have been carried out surface gravity and magnetotelluric investigations in 2012~2015, obtaining new geophysical data, which contain information of structures. The wavelet transformation and gravity inversion are used for three-dimensional density perturbation imaging of the upper crust layers, which produce density perturbation maps on planes at depths 2.2 km , 7.4 km and 10.8 km respectively, enabling us to insight the deep basin from viewpoint of density properties.
Results:The inversed 3D density perturbation model indicates that the studied region belongs to a special structure type called the upthrust nappe structure wedge, which contains several uplift and depression zones. From the 3D density perturbation maps one can see the vertical variation of the uplift and depression zones. Comparing with the 3D electrical resistivity maps that are inversed from magnetotelluric investigation data, we find that the low density anomalies are well coincided with the low electrical resistivity anomalies, while the high density anomalies are well correlated with the high electrical resistivity anomalies spatially, supporting the results of the 3D density perturbation imaging.
Conclusion:The results of the 3D density perturbation imaging reveal the details of the upthrust nappe structure wedge in the southwest Tarim basin, which was caused by the Cenozoic collision between the India subcontinent and the Eurasia plate as a long-distance effect.