塔里木盆地顺北5号走滑断裂带北-中段构造特征与多期构造叠加演化时-空序列

Northern and Central Segments of Shunbei No.5 Strike-Slip Fault Zone in Tarim Basin: Structural Characteristics and Spatio-Temporal Evolution Process

摘要

顺北5号走滑断裂带，以独特的“纵向分层、走向分段、多期构造叠加”为典型的宏观构造特征.因其构造变形的复杂性，准确掌握其构造特征，进而重建其构造叠加演化历史仍然是一个关键命题，这对于理解走滑断裂带时-空演化过程具有重要意义.研究以深钻井和高精度三维地震资料为基础，通过剖面、层面构造解析与剖面构造回剥反演，对顺北5号带北-中段构造变形特征与多期构造叠加变形时-空序列进行精细、全面的研究，得出如下结论：（1）深部（震旦系至中奥陶统）主剪切带内，不同层系构造特征差异显著，沿断裂带走向构造变形显著分段，在纵向、走向两个维度都表现出显著的应力-应变局部化特征.（2）浅部碎屑岩层内（上奥陶统至石炭系），发育走滑相关褶皱变形和三套雁列正断层组.三套雁列正断层组上下叠置、多期叠加变形.其中，第一、第二雁列正断层组与发育在同一层系的走滑相关压扭背斜分别同期耦合变形.（3）顺北5号带北-中段经历了初始破裂期（中奥陶世末-晚奥陶世初）、构造雏形期（桑塔木组沉积早-中期）、构造大发展期（柯坪塔格组沉积期）、构造继承性活动期（塔塔埃尔塔格组沉积中后期至东河塘组沉积前）、剪切方向反转期（晚石炭世-二叠纪）等5个阶段的构造叠加演化历史.

Abstract

The northern and central segments of the Shunbei No.5 strike-slip fault zone are characterized by multi-stage superimposing deformation along with the strike and vertical. Because of the complex structural deformation, it is challenging to understand the deformation and then reconstruct its spatio-temporal evolution process. Based on high-precision 3D seismic data, through precise structural interpretation and analysis of seismic profiles, as well as structural back-stripping restoration, in this study it conducted a more comprehensive study on the structural deformation and multi-stage evolution process of the fault zone, the conclusions are as follows. (1) In the deep sections (Sinian to Middle Ordovician), the principle deformation zone of the fault is characterized by stress-strain localization along with the strike and in the vertical. (2) In the upper sections (Upper Ordovician to Carboniferous), there are transpressional folds and three sets of en echelon normal faults. The three sets of en echelon normal faults are superimposed vertically and formed in different periods. Among them, the No.1 and No.2 en echelon normal faults formed simultaneously with the transpressional anticlines. (3) In general, the northern and central segments of the Shunbei No. 5 strike-slip fault zone had experienced five stages of structural evolution processes, they are the initial rupture period (in phase I of the middle Caledonian), structural embryonic period (the deposition period of the Sangtamu Formation), intense structural deformation period (the deposition period of the Kepingtage Formation), structural inheritance period (from the end of the Early Silurian to the Middle Devonian), and structural inversion period (in Permian).

关键词

构造特征 / 构造演化 / 走滑断裂 / 顺北地区 / 塔里木盆地 / 构造

Key words

structural characteristics / structural evolution / strike-slip fault / Shunbei area / Tarim basin / tectonics

0 引言

塔里木盆地中部深层-超深层发育复杂的走滑断裂系统，作为克拉通内走滑断裂研究的天然实验室和前沿领域，吸引了诸多学者的关注.前人对该地区分布在塔北隆起的“X”型纯剪切共轭走滑断裂系统、分布在顺北、顺南地区的多走向简单剪切走滑断裂带，以及分布在塔中地区的调节性走滑断裂系统进行了广泛而深入的研究，从构造几何学、运动学特征，变形期次，演化模式，成因机制与控油气作用等方面进行了深入探讨（Lan et al.，2015；漆立新，2016； Han et al.，2017， 2020；李培军等，2017； 邓尚等，2018，2019，2021；焦方正，2018；马德波等，2018； 王倩茹等，2018； Deng et al.，2019； Qiu et al.，2019；马安来等，2020； 漆立新等，2021；Sun et al.，2021； Wu et al.，2021； Shen et al.，2022； 周铂文等，2022）.在该地区走滑断裂研究中，构造特征和构造变形时-空序列始终是关键命题之一，这对于理解该地区走滑断裂带的形成演化和控油气作用具有重要意义.然而，由于构造解析的多解性，不同学者对同一条走滑断裂带的变形时-空序列（构造期次）存在不同观点和认识.

顺北5号走滑断裂带北-中段作为较早开展走滑断裂构造地质和油气地质研究的断裂带，目前的研究程度已处于较高水平.通过对前人研究成果的分析和本研究对该断裂带的解析，可以看到人们对于该断裂带构造特征的认识正逐渐深入，但观点和认识并不完全统一.如邓尚等（2018， 2019，2021）认为晚加里东期形成的右行雁列正断层仅发育在T₆ ³界面以下，而近期研究表明在T₆ ³界面上也存在右行雁列正断层（Shen et al.，2022）.又如Teng et al. （2020）认为该断裂带（段）的走滑变形始于早-中寒武世，同时在泥盆纪及以后便不再有走滑相关变形.与其认识不同，大多数研究认为早-中寒武纪处于稳定碳酸盐岩台地建造时期，尚未发生大规模走滑构造变形（Deng et al.，2019；Qiu et al.，2019）；同时，在泥盆系-石炭系同样发育指示左行走滑的雁列正断层（邓尚等，2018，2021； Deng et al.，2019； Sun et al.，2021； Shen et al.，2022）.再如Sun et al. （2021）将发育于浅部碎屑岩层中的雁列正断层解释为一套断层，由上奥陶统一直断至石炭系，但Shen et al. （2022）给出的解释则认为浅部碎屑岩层中发育多套雁列正断层.

前人对顺北5号带北-中段构造特征和构造活动期次的厘定，除了上述认识上的差异外，还有一个可能被误解的情况，即前人认为奥陶系碳酸盐岩层中压隆构造形成于压扭应力背景，而上奥陶统-柯坪塔格组内发育的雁列正断层形成于张扭应力背景下，上、下两套变形具有不同的应力背景，因此分属两期变形（邓尚等，2018，2019，2021； Sun et al.，2021； Shen et al.，2022）.然而，Stefanov and Bakeev （2015）和Asaoka et al. （2016）基于构造物理模拟、构造数值模拟揭示了深部主剪切带与浅部的雁列断层存在密切的成因联系——深部主剪切带走滑活动引发浅部雁列构造局部化变形，证明二者上下叠置的构造关系不单纯是两期构造垂向叠加改造的结果.

综上所述，顺北5号走滑断裂带北-中段构造变形特征和构造形成期次还存在诸多分歧，尚未达成广泛共识.鉴于上述问题，本研究通过层面、剖面精细构造解析、断距分析、构造回剥反演等方法对顺北5号带北-中段的构造变形特征进行更精细、更全面的解析，并在此基础上对该断裂带（段）的多期构造叠加演化时-空序列作进一步研究.

1 地质背景

1.1　区域概况

塔里木盆地是一个从新元古代罗迪尼亚超大陆裂解出来，具有古老克拉通结晶基底，经历多旋回构造运动叠加改造形成的大型叠合复合含油气沉积盆地（何登发和李德生，1996； 贾承造和魏国齐，2002； 李德生，2012； 刘家铎等，2014）.盆地内地层发育相对齐全，但周缘造山带、古大洋多期、多方位强烈俯冲碰撞，使地层遭受多期构造抬升剥蚀，导致不整合面广泛发育于盆地各构造单元及各层系，记录了盆地多期、多阶段、复杂的构造-沉积演化历史（何碧竹等，2011； 刘家铎等，2014； Qiu et al.，2019）.

顺托果勒低隆位于塔里木盆地中部，夹持于塔中隆起和塔北隆起之间，东西分别为满加尔坳陷、阿瓦提坳陷，整体呈“马鞍”状，是一个构造相对稳定的古构造单元（图1）.在盆地多阶段构造-沉积演化背景下，顺北及邻区发育了6个走滑断裂体系，包括：（1）塔北隆起“X”型似共轭走滑断裂体系；（2）顺北5号带及其西部NNW向为主的走滑断裂体系；（3）顺北1号带及其东部NE-NNE向走滑断裂体系；（4）顺南NNE-NEE向走滑断裂体系；（5）古城NEE向为主走滑断裂体系；（6）局限分布于塔中隆起的走滑断裂体系（图1a）.在上述若干走滑断裂系统及断裂带中，顺北5号走滑断裂带贯穿塔北隆起、顺托果勒低隆和塔中隆起，南北延伸超过270 km，走向多变，各段构造变形特征差异显著.在本研究中，我们将其分为塔北段、北-中段、南段和塔中段等4段，并选取北-中段作为研究对象（图1a）.该段总体上具有十分典型的纵向分层、走向分段差异变形和多期构造叠加特征（邓尚等，2018； Deng et al.，2019）.

1.2　地层

基于钻井及前人研究成果，顺北地区震旦系-二叠系岩石力学性质显著分层.从深往浅，该地区地层由多套碳酸盐岩、砂岩刚性层与多套泥岩、粉砂岩、膏岩软弱层互层构成（图2）.

震旦系-下寒武统：由砂岩（仅震旦系发育）、灰岩、白云岩构成，为能干层.中寒武统：由膏盐岩、膏质白云岩、白云岩互层构成，为相对软弱层.上寒武统-中奥陶统：厚2 000~3 000 m，下部为白云岩，上部为灰岩，为能干层.上奥陶统桑塔木组：由巨厚的泥岩夹薄层泥灰岩构成，为相对软弱层，顺北地区厚700~1 700 m，具有丰富的上超、下超、顶超等沉积现象（图2a）.志留系-石炭系：以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主，夹砂岩、薄层灰岩（仅石炭系发育），软弱层和能干层互层叠置，其同样具有前积结构.在顺北5号带发育的位置，还可以观察到柯坪塔格组存在生长加厚现象（图2a），是该断裂带同沉积构造变形的重要指示.最后，二叠系以玄武岩、英安岩为主要构成，应属于能干层（图2b）.

综上所述，顺北地区震旦系-下寒武统、上寒武统-中奥陶统、二叠系等是由碳酸盐岩、砂岩、火成岩构成的刚性层.而中寒武统、上奥陶统桑塔木组则是两套分别以膏岩和厚层泥岩夹泥灰岩或粉砂岩为主要组成的相对软弱层.上述软弱层、能干层互层叠置，为顺北地区走滑断裂带的分层构造变形奠定了物质基础.

2 构造变形特征

研究表明顺北地区走滑断裂带具有“纵向分层变形、主滑移带平面分段、垂向多期叠加”的宏观构造特征（邓尚等，2021）.前人针对顺北5号带北-中段的构造解析指出新元古界-中-上奥陶统以高陡走滑断层及各类花状构造发育为基本特征；中寒武统受膏岩盐软弱层的影响，可见滑脱构造发育；浅部的上奥陶统-石炭系碎屑岩层则以雁列正断层发育为特征.但对于各层系的构造变形细节，不同学者的认识存在些许差异（邓尚等，2018，2021； Deng et al.，2019； Teng et al.，2020； Sun et al.，2021； Shen et al.，2022； Tian et al.，2022）.基于本研究的构造解析，我们认为 顺北5号带北-中段在深层（震旦系-中-上奥陶统）发生的构造变形相当于经典走滑断层模型——里德尔剪切模型中的深部主位移带或主剪切带（principle displacement zone，PDZ）（Naylor et al.，1986； Richard et al.，1995； Deng et al.，2019），而在主位移带上方（上奥陶统-石炭系碎屑岩层），沿其走向发育的雁列正断层组则相当于主位移带走滑活动诱发的局部化应变带（Stefanov and Bakeev，2015）.

2.1　深层(震旦系-中-上奥陶统)主剪切带构造特征

2.1.1　震旦系-下寒武统构造变形特征

剖面构造解析表明震旦系-下寒武统主剪切带内高陡断层发育（图3，图4）.常见到两条近平行的高陡断层夹持着二者之间的挤压断块（图3a~3e，图4f）.在T₉ ⁰层面上，这类构造通常为狭长、线性的断背斜带，单个断背斜带延伸长度可达5~7 km，而宽度仅500~700 m（Shen et al.，2022； Tian et al.，2022）.该层系也可见单一高陡断层发育，具有压扭或纯走滑变形特征，局部也可见低幅度背斜（图3，图4b和4c）.除此之外，沿着顺北5号带北-中段，该层系也存在未被断层、褶皱改造的弱变形区段（图4e），其与上述的线性断背斜带、单一高陡断层变形带相间分布，展现出分段变形的特征（Tian et al.，2022）.

2.1.2　中寒武统构造变形特征

基于剖面构造解析及前人研究成果，顺北5号带北-中段在中寒武统含膏岩层内发育层间滑脱构造，包括滑脱褶皱、张扭/压扭滑脱断层等（图3b，图4d~4f）.这类构造是该层系软弱膏岩塑形变形和脆性断层共同作用的结果，也是该层系最具代表性的构造变形之一.此外，该层系具有代表性的构造变形还有发育于主剪切带两侧的次级剪切断层，它们与主剪切带在平面上的夹角一般为10°~30°（Tian et al.，2022）.尽管该层系发育有厚层膏岩盐，然而其中一些断层与上寒武统、下寒武统内发育的高陡断层侧向软连接或硬连接，使得震旦系至中-上奥陶统被高陡走滑断层“贯穿式”断错，形成强烈变形的、狭窄的主位移带（PDZ）（图3，图4a~4c和4f）.

2.1.3　上寒武统-中-上奥陶统构造变形特征

在上寒武统-中-上奥陶统内，顺北5号带北-中段的构造变形在剖面中表现为花状构造（正花状、负花状、复合花状）和单断式变形.其中，正花状构造既有较复杂的正花状构造（图3d、3f和图4c、4f），也有变形相对简单，呈“Y”字形的正花状构造（图4a）.与之相比，负花状构造样式更加简单，也通常呈对称或非对称的“Y”字形，由一条主剪切断层与一条调节断层构成（图4d）.通过构造精细解析，还可以发现一些花状构造同时具备张扭、压扭变形要素（可能为多期叠加变形），我们将其称为复合花状构造（图4b和4e）.除了各式花状构造，在顺北5号带上还可以发现各式由一条主剪切断层主导的构造变形.根据变形性质，进一步将这类构造称为单断式压扭构造（图3a和3e）、单断式张扭构造（图3b）、单断式纯走滑构造（图3c）.

在剖面中，上述压扭、张扭性质的各式花状构造在发育时往往伴随着奥陶系-志留系的褶皱变形，包括地层的褶皱隆升（图3a、3d、3f和图4a、4c、4f）或牵引向斜（图4d）.本研究将这类褶皱变形称为走滑断层相关褶皱变形，与发育在浅层的雁列正断层一样，它们都是走滑活动的重要记录，对于这类构造变形，将在后文作详细阐述.

通过高精度层面制图，各类在剖面中观察到的正花状构造或单断式压扭变形、负花状构造或单断式张扭变形、复合花状构造及单断式纯走滑变形等在层面T0图（如T₇ ⁴界面T0 图）中分别表现为局部的纺锤状压隆背斜（压隆段）、沿断裂带分布的带状拉分洼陷（拉分段）、伸展与挤压共存的复合变形段（复合变形段）及纯走滑变形段（平移段）（图5a），整体上表现出显著的分段变形特征.这反映出顺北5号带北-中段在区域统一应力场的作用下，不同区段具有不同的应力-应变状态（即应力-应变局部化）.

2.2　浅层碎屑岩走滑相关构造变形特征

对于顺北5号带北-中段，本研究所指的发育在浅层碎屑岩中的走滑相关构造包括雁列正断层和走滑相关褶皱变形.这二者是上奥陶统-石炭系碎屑岩中十分重要的构造组成要素，但前人的研究忽略或误解了碎屑岩层内雁列正断层的某些构造特征（邓尚等，2018； Teng et al.，2020； Sun et al. 2021； Shen et al.，2022），且并未过多关注走滑相关褶皱构造.因此，该层系中雁列正断层与走滑相关褶皱变形的构造特征及时-空关系仍存在疑问，对该问题的准确解答是揭开顺北5号带北-中段多期构造叠加演化时-空序列的关键.

2.2.1　雁列正断层构造特征

通过对T₇ ⁰、T₆ ³、T₅ ⁷界面的精细追踪、高精度成图和相干属性提取，我们可以观察到不同层系雁列正断层的构造变形样式存在显著差异.

在T₇ ⁰界面，可以观察到雁列正断层与受其控制的一系列小型地堑沿着深部主剪切带的走向分布.通过断层解析与组合，可以发现这些雁列正断层的延伸长度普遍在1.0~3.5 km，整体呈左阶雁列展布，NE-SW走向，与主剪切带走向夹角通常30°~60°（均值约45°），指示其在该走滑断裂带的右行走滑作用下形成（图5c和5d），与深部主剪切带的剪切方向一致（图5a和5b）.通过剖面构造精细解析，可以观察到错断T₇ ⁰界面的这套雁列正断层发育在上奥陶统桑塔木组至下志留统柯坪塔格组内.断层的下端点终止在T₇ ⁴界面上方，大多未与深部的主剪切断层硬连接；上端点则终止在T₆ ³界面下方，未断开T₆ ³界面（图3和图4）.在部分剖面中，相对于被该套雁列正断层强烈断开的柯坪塔格组底界（即T₇ ⁰界面），柯坪塔格组顶界（即T₆ ³界面）更加平整，变形极其微弱（图3a、3c、3e、3f和图4b、4d、4e）.基于该观察，我们将发育在上奥陶统桑塔木组至下志留统柯坪塔格组内的这套雁列正断层组称为第一雁列正断层组.进一步分析后，可以发现在该雁列正断层发育的位置，柯坪塔格组具有生长加厚现象，表明该雁列正断层组形成于柯坪塔格组沉积时期，为同沉积构造（图3和图4b~4e）.

与T₇ ⁰界面相比，T₆ ³界面被雁列正断层改造的程度很低.我们仅在5号带北段的SHB5、SHB5-4H井区及其附近观察到雁列正断层迹线，显示断距很小，延伸长度1 km以下，变形微弱（图5e）.相干属性图和断层组合结果揭示该雁列正断层组同样呈左阶雁列展布，NE-SW走向，与主剪切带夹角通常30°~35°，指示其同样在右行剪切作用下形成（图5e和5f）.剖面构造解析进一步揭示错断T₆ ³界面的该组雁列正断层发育在柯坪塔格组中、上部至塔塔埃尔塔格组中、上部.此外，以图3a、3c和图4c展示的剖面为例，错断T₆ ³界面的该雁列正断层（蓝色线条标记）的下端点与下伏第一雁列正断层组（黑色线条标记）的断层上端点未连接在一起，指示其与下伏的第一雁列正断层组并非同一套断层.此外，其发育时间应当为塔塔埃尔塔格组沉积后、东河塘组沉积前，即相当于加里东晚期-海西早期，与下部仅发育在桑塔木组-柯坪塔格组内的第一雁列正断层组不同期（图3a~3c和图4c、4d）.据此，我们将发育在柯坪塔格组中、上部至塔塔埃尔塔格组中、上部，错断T₆ ³界面的该雁列正断层组称为第二雁列正断层组.

与下伏的第一、第二雁列正断层相比，错断T₅ ⁷界面的雁列正断层组呈现出更多差异.该雁列正断层组呈NNW-SSE走向，右阶展布，断层延伸长度普遍为1 km左右，最长的两条雁列正断层见于SHB51X井区，延伸长度约2 km（图5g和5h）.上述现象表明该雁列正断层组形成于左行剪切作用，与下伏的第二、第一雁列正断层组及深部的主剪切带剪切方向均相反（图5）.这进一步表明该雁列正断层组与下伏的第二、第一雁列正断层并非同一套断层，本研究将其称为第三雁列正断层组.剖面构造解析揭示该雁列正断层组发育在下志留统塔塔埃尔塔格组-石炭系，断层未明显断至二叠系（图3c、3f，图4b、4d~4f），据此推断其形成时间为晚海西期（相当于晚石炭世-二叠纪）.

本研究的大量构造解析工作及前人的一些研究均表明第三雁列正断层之上并无与走滑活动相关的变形（图3和图 4），指示第三雁列正断层形成之后，顺北5号带北-中段构造格局定型，进入到深埋藏阶段.

最后，本研究基于剖面、平面构造综合解析，结合剖面断距分析，进一步发现：第一雁列正断层组变形最为强烈，断距最大，单一断层的延伸长度最长，导致的层面变形更剧烈（图5c、5d和图6）；第二雁列正断层组的变形强度最弱，断距最小，断层主要分布在断裂带的北段（图5e、5f和图6）；第三雁列正断层组变形强度居中，断距较小，断层的分布范围比第二雁列正断层组的分布范围大，但比第一雁列正断层组的分布范围小（5g、5h和图6）.

2.2.2　走滑断层相关褶皱构造特征

在浅部碎屑岩层中，除了发育上述的三套雁列正断层组，还发育与走滑相关的褶皱构造，但早期的研究大多未给予这类构造过多关注.在我们的研究中，从地震剖面和关键界面T0 图中都观察到了这类构造的存在.在这类变形中，比较明显的是一些与走滑相关的背斜（即压隆背斜），其发育在奥陶系-志留系.在剖面中，其变形区呈向上凸起的扇形，由深部至浅部，背斜的波长（或宽度）逐渐变大.部分背斜的形态在中、上奥陶统中相对紧闭，而在上奥陶统顶部至志留系中相对开阔，表现出一定的不协调性（图3a、3d、3f和图4a、4c、4f）.通过对典型剖面的背斜幅度进行测量统计，揭示褶皱幅度最大的位置见于T₇ ⁴界面附近，褶皱幅度可达100~180 m.自T₇ ⁴界面向上部和下部层系过渡，背斜幅度逐渐减小至0.相比于T₇ ⁴界面，T₇ ⁰、T₆ ³界面背斜幅度普遍50~100 m（图6a~6g）.在T₇ ⁴、T₇ ⁰、T₆ ³反射界面T0图中，可以观察到这类背斜变形区在空间中存在位置对应性： T₇ ⁴界面中可以观察到1~7号纺锤形的压隆背斜区，变形强烈（图5a，白底黑字标记）；在同样的平面投影位置，T₇ ⁰或T₆ ³界面中也可以观察到相应的层面海拔高值区（图5c中的1~7号变形区，白底黑字标记）或背斜变形区（图5e中的1~4变形区最典型，白底黑字标记）.基于剖面构造解析和层面T0图的相互验证，可以发现与走滑活动相关的这类褶皱变形不仅仅局限于T₇ ⁰界面以下，使奥陶系、志留系的大部分地层都发生了褶皱变形，记录了走滑活动的一些未被前人关注的关键信息.

2.2.3　雁列正断层与走滑断层相关褶皱的构造关系

显然，在剖面构造解析与T₇ ⁰界面T0图中，都可以发现第一、第二雁列正断层与走滑相关褶皱变形发育在同一层系，即不同体制的两套构造在空间中存在重合.在前文的论述中，我们已经明确第一、第二、第三雁列正断层组分别形成于柯坪塔格组沉积期（相当于加里东晚期）、塔塔埃尔塔格组沉积后至东河塘组沉积前（相当于加里东晚期-海西早期）和海西晚期（相当于晚石炭世-二叠纪）.基于奥陶系-志留系走滑相关褶皱构造变形特征，也可以大致判断走滑相关褶皱构造的发育时期为晚奥陶世至早志留世（加里东中-晚期）.因此，一个十分关键的问题就是：第一、第二雁列正断层组与走滑相关褶皱构造在时间维度，即形成时期上是否重合？

3 多期构造叠加变形时-空序列

对于断裂带多期构造叠加变形时-空序列这一问题，最关键的仍然是厘清第一、第二雁列正断层组与走滑相关褶皱构造的变形时序.对此，本文采用剖面构造回剥反演方法对该问题作进一步探讨，所使用的软件为StructuralSolver.

3.1　走滑断裂剖面构造回剥反演

构造回剥反演指的是从现今构造剖面出发，由新到老逐层去褶皱、去断距，将地层和构造变形逐层回剥至构造变形前的状态的一种地质构造研究方法.该方法可以反向揭示构造的多期叠加变形序列，为重建构造演化历史提供有用信息.通常，垂直走滑断裂带的剖面存在物质进、出，因此可能会认为剖面构造回剥反演方法并不适用.但是，我们仍然采用该方法对顺北5号走滑断裂带北-中段进行构造反演，主要有如下考虑：（1）一般认为顺北5号带北-中段具有小的走滑运动分量；（2）剖面、层面构造解析均表明地层的纵向隆升（压扭变形）、垂向断错（如单断式张扭变形）是顺北5号走滑断裂带北-中段构造变形的主要表现形式；（3）沿断裂带走向，地层厚度变化很小，因此即便有物质进出，剖面仍然可以保证相对面积守恒.最后，剖面构造回剥反演相当于从纵向二维平面中恢复走滑断裂带的纵向变形历史，理论上具有可行性.

一般情况下，均采用深度剖面进行构造回剥反演，特别是对于大型褶皱冲断带.但是，对于顺北5号带北-中段，我们仍然采用时间域剖面进行构造回剥反演，这主要是因为：（1）顺北地区地层厚度横向变化不大，地层平整，时间域剖面转为深度域剖面后，构造变形特征不会存在明显区别；（2）经测量对比，我们发现时间域和深度域的断距或褶皱幅度随深度的变化规律一致，表明用时间域剖面进行构造回剥反演不会影响最终结果.

最后一个关键问题，由于该断裂带（段）中走滑相关背斜的幅度自T₇ ⁴界面附近开始，向上、向下都在变小，因此，逐层回剥至T₇ ⁴界面附近时，T₇ ⁴界面下方的地层必然畸形下凹，脱离真实的变形样式.据此，我们只对T₇ ⁴界面上方的地层和构造基于Structural Solver垂向剪切(vertical shear)进行去褶皱和构造回剥，而对T₇ ⁴界面下方的构造进行手动调整恢复，不依赖计算机算法.此外，早期的研究普遍认为顺北地区走滑断裂带的初始活动时期为加里东中期I幕（Qiu et al.，2019； 邓尚等，2021），即中奥陶统碳酸盐岩沉积后.因此，当构造回剥至T₇ ⁴界面时，得到的剖面状态即为初始状态.

3.2　典型剖面构造回剥反演分析

为了更全面地揭示顺北5号走滑北-中段多期构造叠加变形历史，本研究从压隆段、单断式拉分段、复合变形段（基于T₇ ⁴界面厘定）分别选取了典型剖面进行构造回剥反演分析.

3.2.1　压隆段典型剖面构造回剥反演分析

本研究选取了过压隆段的典型剖面——剖面3d（图3d）进行构造回剥反演分析.该剖面在中、下奥陶统内发育正花状构造，在奥陶系-志留系有相应的走滑相关压扭背斜发育，该背斜在Td反射界面（本文命名的一个强地震反射界面）上、下的变形存在不协调性.此外，该剖面仅揭示第一、第三雁列正断层组，表明该剖面所过的局部区域，第二雁列正断层不发育（图3d）.

构造回剥反演时，通过去断距，我们首先消除最后一期变形——第三雁列正断层（图7a和7b），并将剖面逐层回剥至东河塘组沉积前的状态.此时东河塘组下伏的下志留统塔塔埃尔塔格组仍存在显著的褶皱变形，表明东河塘组沉积前，塔塔埃尔塔格组在压扭作用下发生了褶皱变形（图7c）.随后，对塔塔埃尔塔格组中部的Ta反射界面、柯坪塔格组中上部的Tb反射界面依次去褶皱，可以发现Tb反射界面（柯坪塔格组内）至Ta反射界面之间的地层处于相对平整状态（图7d）， Tb反射界面下伏层系的背斜幅度也相应减小（图7d，7e）.这表明塔塔埃尔塔格组褶皱变形的确切时间是其沉积的中后期至东河塘组沉积前，同时在该时期，其下伏层系经历了递进褶皱变形.进一步，通过对第一雁列正断层去断距，并对T₇ ⁰界面去褶皱，从而将剖面回剥至T₇ ⁰反射界面（图7f）.这时，我们可以看到原先出现在Td至Tb之间的背斜变形和第一雁列正断层都被消除，而Td界面下方的压扭背斜幅度进一步减小，变形减弱（图7e和7f）.这表明第一雁列正断层和Td、Tb之间的背斜均形成于柯坪塔格组沉积早-中期，即T₇ ⁰至Tb界面之间地层的沉积期；在该时期，Td界面下方的背斜经历了一次继承性变形.最后将Td、Te反射界面逐层去褶皱，回剥至Te反射界面，可以看到Td反射界面下方的褶皱变形已经完全消除，表明初始压隆变形发生于Te至Td界面间地层的沉积时期，即桑塔木组沉积早-中期（图7g和7h）.根据回剥至Td、Te、T₇ ⁴反射界面的结果，我们还可以进一步推测断裂带内断层的初始扩展和生长就发生在桑塔木组沉积的早-中期（图7g、7h和7i）.

综上，过压隆段的典型剖面3d的构造变形时-空序列可以总结如下： 加里东中期I幕（即中奥陶统碳酸盐岩沉积后），碳酸盐岩层内产生初始破裂（Qiu et al.，2019； 邓尚等，2021）；随后，在桑塔木组沉积早-中期，这些初始破裂开始扩展、生长为压扭断层，导致桑塔木组及中-上奥陶统碳酸盐岩层初始压隆变形；进入桑塔木组沉积中-后期，断层活动处于静默状态；进入柯坪塔格组沉积早-中期，同沉积构造——第一雁列正断层发育，同时先期压隆背斜伴随着发生第一次继承变形；进入柯坪塔格组沉积后期至塔塔埃尔塔格组沉积早-中期，断裂带处于构造活动静默状态，该状态在塔塔埃尔塔格组沉积中-后期至东河塘组沉积前被打破，发生了第二次压隆背斜继承变形；此后，在东河塘组、石炭系沉积后（相当于海西晚期），发生了左旋剪切活动，导致第三雁列正断层发育.此后，该剖面所在区段构造格局定型并进入深埋阶段（图7）.

3.2.2　张扭段（单断式拉分段）典型剖面构造回剥反演分析

过张扭段的典型剖面——剖面3b（图3b）中，上寒武统至中、上奥陶统被一条上部垂向断距大（约75 m），下部垂向断距小（25 m以下）的张扭主断层断错（图6i）.该主断层上部叠加着第一、第二雁列正断层组.第一雁列正断层组发育于上奥陶统桑塔木组至柯坪塔格组中-下部，断距最大的位置见于T₇ ⁰界面附近，近100 m（图6i）；第二雁列正断层组仅揭露一条断层，发育于柯坪塔格组上部至塔塔埃尔塔格组中-上部，断距最大的位置见于T₆ ³界面附近，仅25 m左右（图6i）.在第一、第二雁列正断层发育的层系，地层存在微弱的褶皱变形背景.整体上，受深部张扭主断层影响，断层东盘的奥陶系和志留系柯坪塔格组相对下降（图3b和图8a）.

基于对该剖面构造特征的准确把握，我们首先对T₆ ⁰界面（东河塘组底界）去褶皱，将剖面回剥至东河塘组沉积前，结果显示T₆ ⁰界面下伏构造无明显变化（图8a和8b）.随后对第二雁列正断层去断距、对Ta反射界面去褶皱，将剖面回剥至塔塔埃尔塔格组沉积中期，结果显示T₆ ³界面存在轻微褶皱变形，但其下伏构造仍无明显变化（图8c）.这表明在塔塔埃尔塔格组沉积早-中期，该剖面所在区段存在相对微弱的褶皱变形.之后，依次对T₆ ³、Tb反射界面去褶皱，将剖面回剥至柯坪塔格组沉积中-后期，结果显示T₆ ³、Tb界面下伏构造仍无明显变化，但可以更清楚地观察到Tb和T₇ ⁰界面之间的柯坪塔格组具有东盘厚、西盘薄的特点（图8d和8e）.这表明深部的张扭主断层（图8中红色线条标记的断层）强烈活动的时间应当是在柯坪塔格组沉积的早-中期，也是同沉积构造，与第一雁列正断层的活动时间一致.通过对第一雁列正断层去断距，同时消除T₇ ⁰界面东、西盘的纵向断距，并对其去褶皱，将剖面回剥至T₇ ⁰界面，可以进一步佐证上述推断（图8f）.此外，我们认为在桑塔木组沉积早期，该主断层处于初始走滑和生长扩展期，但未产生明显断距（图8f和8g）.

综上所述，典型剖面3b的构造叠加变形序列可以总结如下：桑塔木组沉积早期，区域性节理在右旋剪切作用下生长、扩展为断层，但无明显断距产生；随后，在桑塔木组沉积中-后期，断层活动处于静默状态；进入柯坪塔格组沉积早-中期，在右行剪切作用下，先期断层快速扩展为张扭主断层，导致断层东盘相对下降，同时东盘的柯坪塔格组生长加厚，此外，第一雁列正断层组断穿桑塔木组和柯坪塔格组，并与下部的张扭主断层侧向软连接；随后，进入塔塔埃尔塔格组沉积时期，先、后产生微弱的压扭变形和第二雁列正断层（右旋剪切变形）.在此之后，该剖面所经过的局部区域未遭受第三雁列正断层改造（图8）.

3.2.3　复合变形段典型剖面构造回剥反演分析

选取了过复合变形段的典型剖面——剖面4b（图4b）进行构造回剥反演分析.该剖面的上寒武统至中、上奥陶统内发育两条侧向叠接的主断层——F5-6和F5-7（图5b），构成 “Y”字形的窄剪切带.这两条主断层中间夹持着一个微型地堑断块，其两侧的上盘地层呈现出挤压变形的特征，表明该剖面可能经历过压扭、张扭多期叠加变形（图4b和图9a）.在该“Y”字型复合构造上方是第一雁列正断层组及受该断层组控制的局部地堑，其发育在上奥陶统桑塔木组和下志留统柯坪塔格组内.第一雁列正断层组上部未见第二雁列正断层组，但可见第三雁列正断层组将塔塔埃尔塔格组至石炭系的各地层错断，表明构造变形相对强烈.

基于对4b剖面构造特征的准确把握，我们首先对第三雁列正断层组去断距，并将剖面回剥至二叠系沉积前，此时下志留统塔塔埃尔塔格组至石炭系内构造变形已基本消除（图9a，9b）.随后，将剖面逐一回剥至T₆ ⁰和Ta反射界面，可以发现Ta界面下伏构造无明显变化，同时T₆ ³界面呈现出长波长褶皱的特点（图9d和9e）.通过去褶皱、去断距，进一步将剖面回剥至T₆ ³和Tb反射界面，可以看到柯坪塔格组在第一雁列正断层组发育的位置存在明显增厚，呈现出同沉积构造的特点（图9e和9f）.随后，对第一雁列正断层组去断距、对T₇ ⁰界面去褶皱，将剖面回剥至T₇ ⁰界面，可以发现桑塔木组中-上部已无明显变形，这进一步表明第一雁列正断层组的发育时间为柯坪塔格组沉积期.此外，我们认为“Y”字型断层组夹持的微型地堑与第一雁列正断层组同时期产生.最后，将剖面逐层回剥至Td和T₇ ⁴界面，可以确定早期弱压扭变形发生于桑塔木组沉积早期（图 9h和9i）.

基于对该剖面的构造回剥反演结果，可以将其形成演化序列总结如下：加里东中期I幕，该剖面所在的局部区段可能尚无断层发育，区域性节理并未扩展至该区段；随后，在桑塔木组沉积早期，该区段经历了弱压扭变形；进入桑塔木组沉积中-后期，断层活动处于静默状态；之后，进入柯坪塔格组沉积早、中期，同沉积构造——第一雁列正断层组发育，同时，深部的早期弱压扭变形在该时期叠加了张扭变形，导致复合变形段的产生；在下志留统塔塔埃尔塔格组沉积期至石炭系沉积期，再未发生显著构造变形，处于构造活动静默状态；该状态直到石炭系沉积后、第三雁列正断层组发育时才被打破（图9）.

在上述3条典型剖面的构造回剥反演中，中-下寒武统-震旦系内发育的构造无法用构造回剥的方法进行还原.前人一般认为寒武纪至早、中奥陶世，顺北地区处于稳定碳酸盐岩台地背景（Qiu et al.，2019），不具备走滑构造发育的条件.因此，本文认为，发育在中-下寒武统-震旦系内的构造与发育在奥陶系-志留系的构造形成时间一致，主要形成于桑塔木组沉积早期、柯坪塔格组沉积期等强烈构造活动期.在随后的塔塔埃尔塔格组至石炭系沉积期，中-下寒武统-震旦系内可能再未发生显著的构造变形.

3.3　多期构造叠加演化序列

通过细致的构造几何学、运动学解析、构造活动期次判识和典型剖面构造回剥反演分析， 顺北5号带北-中段多期构造叠加演化序列可以总结如下.

碳酸盐岩台地建造期（物质准备阶段）：自震旦纪末至中奥陶世末，塔里木盆地中部大部分地区都处于稳定碳酸盐岩台地背景，沉积了数千米厚的刚性碳酸盐岩层，为盆地中部走滑断裂带的发育做好了物质准备（图10）.

（1）初始破裂期：加里东中期I幕，受西昆仑-塔里木地块俯冲碰撞产生的远程应力影响，顺北及

邻区在上寒武统-中奥陶统碳酸盐岩层内开始发育定向展布的初始破裂（Qiu et al.，2019； 邓尚等，2021）.它们由碳酸盐岩层中的先存缺陷、裂缝等沿优势方位扩展而成.然而此时，沿现今断裂带的走向，构造变形并不明显（图11a）.

（2）构造雏形期：构造雏形的形成可以追溯到晚奥陶世桑塔木组沉积早-中期.根据构造回剥反演的结果，该时期在顺北5号带北中段的局部区段，已经在奥陶系碳酸盐岩层和桑塔木组底部产生了弱压扭作用导致的低幅压隆背斜（图7g和图9h）.据此可以推断在该时期，断层及受其控制的弱压扭、张扭构造已初具雏形；中、下寒武统内的断层也可能在该时期分层成核（图10和图11b）.

（3）构造大发展期：可以确定构造大发展、强烈活动的时间为柯坪塔格组沉积期.该时期，在桑塔木组-柯坪塔格组内沿深部主剪切带走向发育了强烈变形的雁列正断层带.构造回剥反演进一步揭示，同一时期深部主剪切带内压隆构造（图7c）、单断式张扭构造（图8d和8e）也在快速发育，断裂带右行走滑.沿断裂带可能还存在断层侧向叠接、连锁的情况.上述表明，该时期该断裂带遭受了强大的区域应力场作用，第一雁列正断层与深部主剪切带同时发生了极其强烈的变形，且二者上下联动，在时间、空间两个维度存在耦合.此外，还可以推断中寒武统内的层间盐滑脱构造、中-下寒武统-震旦系内的高陡断层也基本在该时期快速发展（图10和图11c）.

（4）构造继承性活动期：当柯坪塔格组沉积进入末期，第一雁列正断层组和深部主剪切带便逐渐停止活动，转入构造静默状态（图7d、图8c和图9d）.研究区也进入塔塔埃尔塔格组稳定沉积期，该状态直到塔塔埃尔塔格组沉积中后期才被打破.进入该时期，该断裂带在柯坪塔格组顶部至塔塔埃尔塔格组内开始发育第二雁列正断层组，同时伴随着压隆段背斜在奥陶系至塔塔埃尔塔格组内继承变形，致使中-上奥陶统内的压扭背斜构造幅度进一步增长.该时期，构造变形相对较弱、变形区域也比较局限（图5e和5f）.该构造活动阶段在东河塘组沉积前就已终止，随后进入石炭系稳定沉积阶段，构造活动再次转入静默状态（图10和图11d）.

（5）剪切方向反转期：石炭系沉积后，区域构造应力场出现重大变化，导致顺北5号带北-中段由早期的右行剪切活动转为左行剪切活动，从而产生右阶展布的第三雁列正断层组，断错下志留统塔塔埃尔塔格组至石炭系各地层.该时期，深部主剪切带的压隆段、张扭段等可能无明显继承变形（图10和图11e）.

然而，此处必须要指出的是，我们只通过构造解析和构造回剥反演的方法厘定了纵向二维空间中断裂带的构造叠加时-空序列，并基于此建立了该断裂带（段）的构造叠加演化模型（图11）.但是沿断裂带走向（横向二维空间）上，我们并未通过实证方法给出其时-空演化图景，而仅基于走滑断裂带的分段叠接、生长演化模式，给出了该断裂带沿走向的形成演化模式（图11a~11c）.这主要是沿断裂带走向上，缺乏断层生长、扩展和侧向叠接的历史证据，无法准确判断断裂带沿走向的叠接演化时-空序列.对于该问题，仍需要进一步研究.

4 问题与展望

4.1　深部主剪切带与浅部雁列正断层的构造关系

经典的黏土剪切实验（里德尔剪切物理模拟实验）表明，深部基底断层（通过底部木板的走滑错动来模拟）的相对错动会诱使浅部的黏土层产生雁列展布的张裂隙或R剪切破裂（Richard et al.，1995； Ueta et al.，2000； 肖阳等，2017）.随着计算机技术的进步，许多数值模拟实验也呈现了深部主剪切带走滑活动诱发浅部地层局部化变形，形成雁列断层系统的过程和机制（Naylor et al.，1986； Stefanov and Bakeev，2015； Asaoka et al.，2016）.不论是实验研究还是对活动走滑断裂的实地勘察（Rao et al.，2011； 潘家伟等，2022）都揭示了深部主剪切带走滑活动对浅层张性雁列构造存在显著的控制作用.

对于顺北5号带北-中段及同样存在类似构造组合的邻区走滑断裂带，可以推断浅部雁列正断层的发育正受控于深部主剪切带的走滑活动.然而在顺北5号带北-中段，如下两个关键问题仍有进一步研究和讨论的必要.

（1） 深部主剪切带分段变形与浅部雁列正断层的成因联系.构造解析表明：深部主剪切带由压隆段、单断式拉分段、复合变形段和纯走滑段等分段变形构成（基于T₇ ⁴界面厘定的分段；图5a，5b）.其中，压隆段在多期继承性压扭作用下，在奥陶系-志留系产生了压扭背斜变形.前人基于这类压隆构造的挤压背景和第一雁列正断层组的张扭背景，认为二者存在应力-应变机制上的差异，从而判定二者先后发育，分别形成于加里东中期III幕和加里东晚期（邓尚等，2018，2019，2021）.然而，这会引出一个问题：浅部的第一雁列正断层组发生强烈的右行剪切变形时，深部的主剪切带处于何种状态？ 基于前文对这两类变形成因联系的研究，毫无疑问，深部主剪切带也将处于强烈的右行走滑状态.然而，但凡主剪切带处于右行剪切状态，就不可避免发生断层分段叠接变形，产生压隆构造、拉分构造、纯走滑等局部化变形.因此，前人基于深部主剪切带局部应力-应变状态和浅部雁列正断层应力-应变状态的分析得出的二者分属两期变形的认识可能不符合走滑断裂带的变形规律.一般而言，局部应力-应变特征也不能反映整个主剪切带的古应力状态.对此，Stefanov and Bakeev （2015）基于构造数值模拟实验得出的结果或许可以部分解释我们在顺北5号带北-中段观察到的第一雁列正断层组“镶嵌”到局部压扭背斜中的现象（图3a、3d、3f和图4c）.其指出：在纵向上，浅部雁列正断层组作为深部主剪切带走滑活动的局部化应变带，其变形可能不受主剪切带走向局部化变形的影响.然而，对于我们观察到的上述现象，其机制仍需要更多实验研究作进一步验证.

（2） 多套雁列正断层组垂向叠加变形问题.本研究在顺北5号带北-中段的上奥陶统-石炭系厘定出三套雁列正断层组，它们先后发育于不同时期，断错不同层系，在纵向上叠加变形.一个关键的问题就是，晚期的雁列正断层组，如第三雁列正断层组发育时，下伏的第二、第三雁列正断层组及更深部的主剪切带有没有发生活动，其活动具有何种特点.本研究基于对该断裂带（段）构造特征和构造回剥反演结果的分析，认为第二、第三雁列正断层组在发育时，深部主剪切带、第一雁列正断层组可能发生了活化，从微观角度，断层角砾的胶结状态可能被再次打破，但宏观构造格局可能并未发生明显变化.然而该观点仍有待进一步研究予以证实.

4.2　岩石力学性质差异可能对构造变形产生的影响

在构造回剥反演过程中，一个无法回避的问题是：地层岩石力学性质的分层差异可能导致上、下层构造变形的不协调性.具体而言，在剖面3d中，我们观察到T₇ ⁶、T₇ ⁴、Te反射界面呈 “尖棱”褶皱样式，而Td至Ta反射界面间的地层则呈现出“圆弧”褶皱样式，二者构造样式在纵向上存在显著的不协调性（图3d； 图7a）.针对该现象，我们认为存在两种可能的解释：（1）多期构造叠加变形，致使深层比浅层吸收了更多应变量并被断层突破，从而深层呈现出“尖棱状”几何样式，而浅层则呈现出“圆弧”状几何样式.（2）Td反射界面下方的桑塔木组泥岩在尖棱状背斜隆起时，被侧向挤出，吸收了尖棱状背斜的一部分应变，导致Td及上覆地层遭受更弱的改造，进而导致上下层不协调变形.对此我们认为，某种程度上，桑塔木组泥岩层确实会通过侧向挤出吸收垂向褶皱变形.但是，基于多条剖面构造回剥反演的结果和在褶皱两翼识别到的疑似生长地层，我们认为这种现象主要是多期构造叠加变形的结果，桑塔木组软弱层对垂向应变的吸收效应并未影响整体的构造格局.

5 结论

顺北5号走滑断裂带北-中段经历多期构造叠加改造，在走向和纵向两个维度上都存在显著的应力-应变局部化现象，形成了“纵向分层、走向分段、多期构造叠加”的宏观构造变形特征.基于剖面、层面构造解析与剖面构造回剥反演，对其构造变形特征和多期构造叠加演化时-空序列总结如下.

（1）深部主剪切带构造特征：不同层系构造特征差异显著，分层变形；沿断裂带走向构造变形显著分段；在纵向、走向两个维度都表现出显著的应力-应变局部化特征.

（2）浅部碎屑岩层构造特征：发育走滑相关褶皱构造和三套雁列正断层组.走滑相关褶皱变形与第一、第二雁列正断层组均发育于上奥陶统-塔塔埃尔塔格组.走滑相关褶皱变形主要由走滑相关压扭背斜组成，是主剪切带压隆段多期褶皱叠加变形的结果.

（3）经历了5个阶段的多期构造叠加演化：①初始破裂期：加里东中期I幕，碳酸盐岩层中的先存缺陷、裂缝等扩展成初始破裂.②构造雏形期：桑塔木组沉积早-中期，在局部区段，弱压扭、弱张扭构造初具雏形；中、下寒武统内的断层可能分层成核.③构造大发展期：柯坪塔格组沉积期，第一雁列正断层与深部主剪切带同时强烈变形，二者上下联动，在时间、空间两个维度耦合变形.中寒武统内的层间盐滑脱构造、中-下寒武统-震旦系内的高陡走滑断层也在该时期快速发展，并趋于定型.④构造继承性活动期：塔塔埃尔塔格组沉积中后期至东河塘组沉积前，第二雁列正断层组发育，伴随着压隆背斜继承性变形.⑤剪切方向反转期：石炭系沉积后，区域构造应力场出现重大变化，早期右行剪切活动转为左行剪切活动，导致第三雁列正断层组发育.

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基金资助

国家自然科学基金企业发展联合项目(U19B6003-01)

中国石油化工股份有限公司科技部项目(P18047-2)