前陆盆地及其前陆冲断构造概念及研究现状

第一节　前陆盆地及其前陆冲断构造概念及研究现状

前陆盆地为造山带与相邻克拉通之间的盆地（陈发景，2007），在造山带前缘的构造带称为前陆盆地构造冲断带（如图1-1所示）。造山带为岩石圈强烈构造运动形成的狭长构造变形带，为一个复杂的、密集压缩的构造单元（许效松，2004），在地表形成线状隆起山脉（刘树根，2006），通常为板块缝合线或者陆内断块碰撞结合带。

图1-1　褶皱冲断带结构概念图（转据刘树根，2007）

近年来在前陆构造冲断带石油勘探方面取得了重大突破，对其构造及其分段性特征、对油气聚集的控制性研究成为国际地学界的焦点和热点领域。自1970年以来，国际上召开了若干次前陆逆冲推覆构造研讨会，出版了若干专著（Mcclay K. R. 1982，1992），逆冲推覆构造几何学、运动学和动力学模式已逐渐成熟，尤其是造山带前缘前陆构造冲断带的逆冲构造体系以及与逆冲断层相关的构造几何学与运动特征取得大量成果（Mitra，S. 1990），有比较全面的总结与概括，主要表现在：通过地球动力学研究，对构造冲断带发育的大地构造背景、成因机制、深浅部构造耦合机制都有了一定程度的认识（许志琴等，1996）。借助于石油地震资料，对冲断带的结构、尤其是三维构造几何学（Mitra S，1986）的认识取得重要进展。为建立冲断构造带演化新的运动学模型开展了相似模拟实验，对冲断构造的近地表作用及其冲断层活动特点的了解有重要的借鉴意义（Beaumont et al.，2004）。建立了一系列冲断层-相关褶皱的几何学与运动学模型（Boyer & Elliott，1982；Jamison，1987），更为清楚地反映出冲断构造机制，对同构造-褶皱活动的生长地层结构的了解大大丰富了对断裂活动及其期次的认识。构造作用、剥蚀作用与沉积作用之间相互作用关系的认识；对典型冲断区的深入解剖提供了大量研究实例，为开展构造冲断带的类比研究奠立了重要基础；在构造冲断带发现了大量油气田（薛良清等，2005）。

Price（1973）首次提出前陆盆地这一概念，其后Dickinson（1974）对欧洲的阿尔卑斯山前陆盆地和美洲科迪勒拉山前陆盆地进行研究，根据盆地的成因和位置提出了周缘前陆盆地和弧后前陆盆地的分类。D.A. Leckie（1992）等将前陆盆地定义为发育在线性收缩造山带和稳定克拉通之间的沉积盆地，沉积物来自造山带，并向造山带增厚。Decelles（1996）发表文章阐述了前陆盆地系统，丰富了前陆盆地的定义，对挠曲机制和可容空间有了新的认识。刘和甫（1995）总结中亚和我国中西部地区中、新生代前陆盆地的特点，提出了再生前陆盆地的概念，认为它是与弧后前陆盆地和周缘前陆盆地并列的第二类前陆盆地，此观点得到较多学者的赞同（陈发景，1996；卢华复，2000）。再生前陆盆地在沉降特征、构造样式及含油气性等方面与前两类盆地基本相似，还具有以下特征：一是造山作用与同时代的俯冲作用或碰撞作用无关，缺乏同时代的岩浆弧或蛇绿岩；二是常与特提斯构造阶段造山带在新特提斯构造阶段活动有关，故称“再生前陆盆地”。这种盆地曾称为山前盆地或山间盆地，从造山带成因来看主要与印度板块嵌入亚洲大陆，与古生代造山带在新生代再活动或再旋回造山作用有关。一些学者已将这类造山带称为再生造山带（邓起东，1999），或陆内造山带及板内造山带（崔盛芹，1999；张长厚，1996），也称为叠覆造山带（任纪舜，1999）。再生造山带耦合现象以天山南北两侧前陆盆地最为典型，再生造山带与再生前陆盆地之间耦合带主要为前陆构造冲断带，米仓山造山带也具有再生前陆盆地特征。

关于前陆盆地的性质，一般认为由造山带中的构造冲断带载荷引起的挠曲沉降形成盆地（Price，1973；Dickinson，1974；Beaumont，1981；Jordan，1981，1995）。Bird和Deway（1970）、Dickenson（1974）、Bally（1980 等用板块构造解释“前渊”的形成和演化，并用前陆盆地描述这一类盆地；Peter G. DeCelles & Katherine A. Giles（1996）提出前陆盆地系统概念，前陆盆地特点为：①前陆盆地沉积充填在横剖面上呈楔状，它的最厚部分与褶冲带相邻，或一部分位于褶冲带之下（Jordan，1995）；②前陆盆地沉积物主要来源于相邻的褶冲带，少数来源于该盆地的克拉通一侧（Dickinson等，1979；Schwab，1986；DeCelles等，1989）；③挠曲隆起或前隆可能将前陆盆地的主体部分与克拉通分开（Jacobi，1981；Karner等，1983），冲断层和相邻前陆盆地的沉降互为因果关系，构造地质学家开始利用所谓的“推土机”模式（Braathen，1999），或单侧临界锥体模式来分析造山带的结构和变形过程，并且用该模式定量地表述逆冲负荷、模拟前陆盆地的挠曲过程（Jamison等，1988；Flemings等，1989；Sinclair等，1992）。Beaumont等（1992）和Willett等（1993）用双侧临界锥体模式定量地表述了双侧造山带的变形过程。

前陆盆地造山带构造特别复杂，地震资料上很难直接得到清晰的地震图像。建立合理的地质模式，是地震资料预测构造、断层以及油气藏的基础。关于前陆构造及其盆地的形成机制、演化和前陆沉积体系、构造样式以及与造山作用关系，与矿产资源的关系（宋岩，2006；雷振宇，2001），挠曲沉降的动力学研究，近年来取得了明显进展。在构造带、造山带前缘中，关于断层相关褶皱的研究成果较多。国外研究较为成熟的地区是环太平洋域的阿尔伯特、落基山、阿巴拉契亚和特提斯域的比利牛斯、阿尔卑斯前陆盆地等。加拿大Rocky山前是经典的前陆盆地构造带的研究区，Bally 等（1966）较早的对南加拿大Rocky 山的构造演化进行了研究；Price等（1981）研究了Cordilleran 山构造冲断带；Thompson（1979，1981）提出薄皮构造模式、盲冲断层模式；构造的样式以及薄皮构造内的冲断层样式是由地层结构、应力场状态决定的（Jamison，1992）；Suppe等（1983；1990）提出断弯褶皱、断层传播褶皱模型；Suppe（1997）提出了一种多折曲断层转弯褶皱；Boyer and Elliott（1982）用顶板断层、底板断层解释双重构造滑动模式；Juan Conteras（1997）等用平板顶板断层定量分析了双重构造。Jamison（1987）提出了脱顶褶皱。随后各种各样的改型、变形断层相关褶皱样式被用来解释褶皱带的构造样式（Chester and Chester，1990；Mitra，1990，1992，1993；Erslev，1991；McNaught and Mitra，1993； Narr and Suppe，1994；Storti and Salvini，1996）。

许多学者采用模型模拟技术取得良好效果，岩石物理学实验、计算机数值模拟都取得了良好效果。以Beaumont（1981）和Quinlan等（1984）为代表的研究者，采用粘弹性挠曲型，从平面和剖面模拟盆地的沉降和沉积过程；Cadell H. M.（ 1989）对造山带进行模拟试验；Davy P. & Cobbold P. R.（1991）用四层大陆岩石圈进行造山带的缩短模型试验；Christopher Beaumont（1994）等用多层模型（1层、两层、4层模型）、底部岩石圈缩短模式，模拟计算了Pyrrenees、Appalachian等造山带动力学模型；孙岩，施泽进等用力学有限元计算方法进行层滑-倾滑断裂构造模型研究；F. STORTI等（1997）用砂箱模拟了楔形冲断带的形成过程，清晰地展现了冲断层、反冲断层、冲起构造的形成过程。

国内发育许多中、新生代含油气沉积盆地，类似于经典前陆盆地，研究较多的地区有川西（刘和甫等，1994；罗志立等，1995；刘树根等，1995；蔡立国等，1997）、准噶尔（吴晓智等，1996，曲国胜等，2008a.b，马宗晋等，2008，陈新发等，2008）、库车（汤良杰等，1991；1996；刘和甫等，1994；曹守连等，1994；田作基等，1995；何登发等，1996；陈发景等，1996；刘志宏等，1999；施泽进等，1999；贾承造等，2000；卢华复等，2000；吕修祥等，2000；魏国齐等，2000，曲国胜等，2001）、塔西南（肖安成，1996；曲国胜等，1996，1998，1999，2001，2003，2004，2005；金之钧等，2000）、柴达木（翟光明等，1997；夏文臣等，1998；杨明慧等，1998，1999；胡受权等，1999）和鄂尔多斯（李思田等，1995；刘少峰等，1996，1999；孙肇才，2000）、楚雄（蒲心纯等，1996；朱同兴等，1997；谭富文等，2000）、十万大山（张岳桥，1999）、羌塘（李勇等，2002）、河西走廊（毛明陆等，1996）等。尽管国内盆地具有类似的地球动力学背景、沉积充填序列，但是与国外的典型前陆盆地相比仍然存在显著的差异。实际上，它们可能是两种不同类型的沉积盆地（陈发景等，1992；罗志立等，1995；刘和甫等，2000；卢华复等，2000；金之钧等，2002）。Shuping Chen（2004）讨论了库车前陆盆地的构造样式、双重构造以及蒸发岩在构造运动中的作用。

前陆构造冲断带的研究和石油勘探密切相关，落基山山前冲断带共发育5排向东逆冲的冲断构造带，油气田紧靠断层分布，圈闭类型为逆掩断层上盘的断层相关构造构造。怀俄明-犹他州逆掩冲断带的油气田大多属于这种类型，该带已经发现19个油气田。20 世纪80 年代后期，东委内瑞拉盆地北部发现了富里尔高产油田带；哥伦比亚在东科迪勒拉山前缘发现了库西亚纳大油田，这些发现极大地促进了前陆盆地冲断带的研究，也使得前陆盆地及其构造带的研究从未停顿（McClay K. R.1981; Platt et al，1984; K R McClay，1990）。20世纪90年代后，沿安第斯前冲断带发现一系列油气田，如雅诺斯盆地库斯安娜油田，成为南美油气勘探热点，再次掀起了造山带前缘及其冲断构造油气勘探的高潮。

20世纪七八十年代国内在构造带内投入大量的勘探钻井，基本上都是失败的。但对前陆盆地的探索一直没有停顿，1999年克拉两大型油气田的发现，促成了中国国内前陆盆地构造带研究、勘探再次高潮。中国中西部有15个前陆盆地：库车（及其西延）、塔西南、塔东南、准噶尔南缘、博格达北缘（乌鲁木齐以东）、喀什、博格达山南缘（吐哈盆地台北缘）、柴达木盆地北缘、祁连山北缘、柴达木盆地西缘、鄂尔多斯西缘北段、鄂尔多斯西缘南段、龙门山前、大巴山前以及楚雄盆地。其中8个盆地——准噶尔南缘、库车、塔西南、博格达山南缘、柴达木盆地北缘、柴达木盆地西缘、鄂尔多斯西缘北段及龙门山前，发现油气藏并取得了一系列重大突破（马新华等，2000；孙龙德等，2002），发现了克拉2、依南2、白马庙、呼图壁、南八仙等多个大、中型气田，其中库车克拉2 号和依南2 号是两个储量规模超2 000×10⁸ m³ 的大型气田。这些前陆盆地大多由前陆冲断带、前渊、前缘斜坡和前缘隆起组成。由于晚期的强烈挤压构造作用，前陆冲断带往往形成多个与断层、褶皱有关的成排成带圈闭，如库车前陆冲断带就形成北部边缘冲断单斜带、喀桑托开依奇克里克背斜带、拜城拉分盆地、秋里塔格背斜带以及英买7 牙哈早期前缘隆起张扭性构造带等5 个构造带。2001年发现的迪那1、迪那2 和阿克1 气田也都位于南天山造山带的前陆构造冲断带上。2005～2007年，在龙门山前带大邑构造上获得高产气流，目前正在建设大型气田。2003～2008年，米仓山前也开展大规模的油气勘探，在山前构造带-通南巴构造带上，河坝1井获得高产气流，已经建成中小型的河坝场气田；2008年在通南巴构造带的东北端又发现大型礁滩相，具有重大勘探前景。

较之前两次研究高潮，目前的地震技术有了较大的进步，高叠加次数的三维地震资料采集技术、叠前偏移技术的应用，使得山前带的地震图像成像品质得到大幅度改善，能够相对准确的描述山前带的构造模式（John H. S，1999；Normand J. B，2002）。在现有技术条件下，构造冲断带的研究已经具有良好的基础，特别是近年来石油价格大幅度飙升，各大石油公司在山前带都投入巨资进行勘探，积累大量高品质的地震资料，盆山耦合关系得到清楚描述。

在石油资源日益紧缺、简单构造油气藏枯竭的状况下，在相当长的一段时间内，山前构造冲断带的研究都是地学热点。