侯旭波,吳智平,李 偉

(中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061)

濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育特征

侯旭波,吳智平,李 偉

(中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061)

以高精度三維地震資料和鉆井資料為基礎(chǔ),綜合運用構(gòu)造解析、平衡剖面恢復(fù)、斷層活動速率和反轉(zhuǎn)強度系數(shù)等方法,對濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育特征進行分析。結(jié)果表明:濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造以斷層反轉(zhuǎn)為主要表現(xiàn)形式,走向以NW向為主,剖面上表現(xiàn)為斷面延伸至新生界或隱伏于新生界之下 2種類型,卷入地層可劃分為擠壓剝蝕層序 (古生界)、壓-張過渡層序 (侏羅系)和拉張裂陷層序 (下白堊統(tǒng));負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的主反轉(zhuǎn)期為晚三疊世至早白堊世,斷層活動強度相應(yīng)經(jīng)歷了較大負(fù)值、較小負(fù)值和正值的變化;主反轉(zhuǎn)期內(nèi)反轉(zhuǎn)強度系數(shù)為 1～7,整體具有自北東向南西降低的趨勢。

濟陽坳陷;負(fù)反轉(zhuǎn)斷層;幾何學(xué)特征;反轉(zhuǎn)強度;斷層活動性

反轉(zhuǎn)構(gòu)造是一種疊加復(fù)合構(gòu)造,為同一地質(zhì)體在不同地質(zhì)歷史時期應(yīng)力改變造成伸展或壓縮構(gòu)造的垂向疊加。依據(jù)伸展構(gòu)造和壓縮構(gòu)造的疊加順序,可將反轉(zhuǎn)構(gòu)造分為正反轉(zhuǎn)和負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造兩大類[1]。反轉(zhuǎn)構(gòu)造作為一種重要的構(gòu)造類型,國內(nèi)外學(xué)者從幾何學(xué)、運動學(xué)及成因機制等方面展開了深入研究[2-11],理論體系得到快速發(fā)展。值得注意的是,現(xiàn)有的反轉(zhuǎn)構(gòu)造研究多集中于正反轉(zhuǎn)構(gòu)造,負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的研究相對較少。濟陽坳陷具有獨特的區(qū)域地質(zhì)背景及較高的勘探程度,成為負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造研究的理想?yún)^(qū)域,人們從不同方面對濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造進行了一些定性研究[12-16]。近年來,隨著定量分析技術(shù)的應(yīng)用及資料的積累,濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的研究趨于定量化[17-18],但整體而言,濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造定量化的研究僅限于局部,整體尚缺乏系統(tǒng)和規(guī)律性的認(rèn)識。筆者以濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造為研究對象,在對大量高精度三維地震資料精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上,從平面、剖面及層序等方面對負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的幾何學(xué)特征進行深入剖析,并運用平衡剖面技術(shù)、斷層活動速率法、反轉(zhuǎn)強度系數(shù)法等方法定量分析其運動學(xué)特征,以期取得對濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育特征系統(tǒng)和全面的認(rèn)識。

1 幾何學(xué)特征

地震資料分析表明,濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造以斷層的負(fù)反轉(zhuǎn)為主要表現(xiàn)形式,具體包括現(xiàn)今惠民凹陷的滋鎮(zhèn)斷層、陽信斷層,東營凹陷的石村斷層、陳南斷層 (東段)、王家崗地區(qū)次級斷層,車鎮(zhèn)凹陷的車西斷層、埕南斷層 (東段),沾化凹陷的羅西斷層、孤西斷層、五號樁斷層、孤東斷層以及埕島地區(qū)的埕北斷層、埕北 20斷層。坳陷東北部負(fù)反轉(zhuǎn)斷層相對發(fā)育,而西南部較少,整體近平行排列,傾向均為南西或南南西,走向盡管以北西向為主,但由西至東、由南至北斷層走向具有由北西或北西西向北北西遞變的趨勢 (圖 1)。

圖 1 濟陽坳陷中生代負(fù)反轉(zhuǎn)斷層平面分布Fig.1 Plane distribution ofM esozoic negative inversion faults in Jiyang depression

負(fù)反轉(zhuǎn)斷層在剖面上有兩種表現(xiàn)形式:一種為斷面延伸至新生界,部分?jǐn)嘀列陆?其斷面形態(tài)多為鏟式或坡坪式,規(guī)模較大,對中、新生代盆地的發(fā)育均起控制作用,是負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的主要表現(xiàn)形式,如五號樁斷層、埕南斷層等 (圖 2(a));另一種隱伏于新生界之下,埋藏較深,在地震剖面上不易識別,斷面形態(tài)表現(xiàn)為平面式或鏟式,該類負(fù)反轉(zhuǎn)斷層在區(qū)內(nèi)發(fā)育較少,規(guī)模相對較小,僅對中生代盆地的發(fā)育起控制作用,如王家崗地區(qū)次級斷層等 (圖 2(b))。

濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層卷入的地層包括古生界和中生界,存在 Pz/Mz、J/K1和 K1/E 3個明顯的角度不整合面,據(jù)此可以將卷入地層劃分為古生界、侏羅系、下白堊統(tǒng) 3個構(gòu)造層,缺失三疊系和上白堊統(tǒng)(圖 2,圖中測線位置見圖 1)。

古生界的剖面形態(tài)表現(xiàn)為向斷層面減薄的楔形。內(nèi)部地震反射特征穩(wěn)定,連續(xù)性較好,層序變形微弱,平行或亞平行結(jié)構(gòu);頂部層序與不整合面 Pz/Mz相交。這表明古生界原始沉積比較穩(wěn)定,后期層序頂部遭受削截,剝蝕厚度沿指向斷面的方向逐漸增大。

侏羅系剖面幾何形態(tài)呈現(xiàn)與古生界類似的楔形特征。層序內(nèi)部地震反射呈亞平行—亂崗狀結(jié)構(gòu),連續(xù)性中—低,底部層序沿指向斷面方向超覆于古生界之上,頂部層序與不整合面 J/K1平行,無遭受剝蝕的痕跡,因此侏羅系層序特征應(yīng)為侏羅紀(jì)時期地層披覆式沉積所致。

下白堊統(tǒng)剖面幾何形態(tài)表現(xiàn)為與侏羅系和古生界相反的楔形特征,其內(nèi)部層序可具體劃分蒙陰組(K1m)和西洼組 (K1x),二者呈微角度不整合接觸關(guān)系。層序內(nèi)部遠離斷面處地震反射呈發(fā)散狀,連續(xù)性中—高,近斷面處地震反射呈雜亂狀。蒙陰組沿背離斷面方向超覆于侏羅系之上,近斷面處地層的充填特征比較明顯;西洼組內(nèi)部層序與 K1m/K1x不整合面呈近平行關(guān)系,頂部層序具有削蝕特征。下白堊統(tǒng)層序特征體現(xiàn)了張性伸展斷層對地層沉積與剝蝕的控制作用。

綜上所述,依據(jù)各構(gòu)造層的層序特征將濟陽凹陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層卷入的地層劃分為受擠壓剝蝕層序(古生界)、壓-張過渡層序 (侏羅系)和拉張裂陷層序 (下白堊統(tǒng))。

2 運動學(xué)特征

2.1 反轉(zhuǎn)時期

反轉(zhuǎn)時期的確定是反轉(zhuǎn)構(gòu)造運動學(xué)研究的重要部分。負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的演化過程一般表現(xiàn)為由逆到正的轉(zhuǎn)變。受構(gòu)造活動影響,負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的不同演化階段對地層沉積與剝蝕的控制作用不同,導(dǎo)致形成不同的層序特征,并且在不同階段轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生了層序間的不整合面。因此,通過不整合面及卷入地層的層序特征分析可以確定反轉(zhuǎn)時期。

結(jié)合濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的層序特征分析,古生界“薄底”或“禿底”的特征[13]為負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的擠壓逆沖階段所致。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景資料,負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的擠壓逆沖期應(yīng)為晚三疊世,侏羅系和下白堊統(tǒng)層序特征則分別代表了侏羅紀(jì)的壓-張過渡階段和早白堊世的拉張裂陷階段,不整合面 K1/E則標(biāo)志著負(fù)反轉(zhuǎn)斷層一個完整演化序列的完成,即負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的主反轉(zhuǎn)期為晚三疊世至早白堊世。侏羅系層序特征顯示該時期負(fù)反轉(zhuǎn)斷層雖處于由逆到正的過渡階段,但仍表現(xiàn)為逆斷層性質(zhì),而下白堊統(tǒng)蒙陰組近斷面處充填特征比較明顯且近斷面處呈雜亂狀反射,表明蒙陰組沉積時期負(fù)反轉(zhuǎn)斷層已經(jīng)開始拉張,且斷層活動較強烈,因此負(fù)反轉(zhuǎn)斷層由逆到正的轉(zhuǎn)折點應(yīng)為侏羅系沉積后、蒙陰組沉積前。

2.2 斷層活動速率

濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層經(jīng)歷了由逆斷層到正斷層的演化過程,其活動強度可以借助斷層活動速率法來定量、直觀的描述。斷層活動速率定義為某一地質(zhì)時期內(nèi)的斷層落差與時間跨度的比值[19]。由于不同類型的斷層對兩盤地層所造成的沉積、剝蝕作用不同,因此其斷層活動速率計算方法不同。

當(dāng)負(fù)反轉(zhuǎn)斷層由逆斷層轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬訒r,斷層活動速率表現(xiàn)為由負(fù)值到正值的轉(zhuǎn)變,其絕對值則體現(xiàn)了斷層在某一階段的活動強度。筆者對濟陽坳陷不同測線處晚三疊世至早白堊世負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的活動速率進行了計算 (圖 3)。

晚三疊世負(fù)反轉(zhuǎn)斷層處于逆斷期,斷層活動速率為 -20～-70 m/Ma,各負(fù)反轉(zhuǎn)斷層均表現(xiàn)為強擠壓逆沖性質(zhì),坳陷西南部斷層活動速率平均值大于東北部,斷層活動強度呈現(xiàn)出自南西向北東降低的趨勢。侏羅紀(jì)負(fù)反轉(zhuǎn)斷層處于由逆到正的過渡期,斷層活動速率為 0～-10 m/Ma,表現(xiàn)為弱擠壓的性質(zhì),活動強度整體差異不大。早白堊世負(fù)反轉(zhuǎn)斷層進入正斷期,斷層活動速率為 30～55 m/Ma,坳陷東北部斷層活動速率平均值大于西南部,斷層活動強度呈現(xiàn)與晚三疊世相反的分布趨勢,但整體較晚三疊世略小。

綜合上述分析,主反轉(zhuǎn)期內(nèi)斷層活動速率表現(xiàn)為較大負(fù)值→較小負(fù)值→正值的變化,反映了不同應(yīng)力場作用下負(fù)反轉(zhuǎn)斷層由強擠壓逆沖→弱擠壓→拉張裂陷的發(fā)育過程,同時體現(xiàn)了晚三疊世擠壓應(yīng)力場南西強、北東弱和早白堊世拉張應(yīng)力場北東強、南西弱的分布特點。

2.3 反轉(zhuǎn)強度

濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造雖然經(jīng)歷了相同的演化階段,但是受區(qū)域應(yīng)力場及局部構(gòu)造影響,各負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的強度不同,因此定量描述反轉(zhuǎn)構(gòu)造強度對于反映不同區(qū)域負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的差異性及應(yīng)力場強弱有重要意義。目前定量表征反轉(zhuǎn)構(gòu)造強度的方法有構(gòu)造高程、生長指數(shù)、位移-距離曲線、反轉(zhuǎn)率等[8,20-21],但這些方法存在一定的缺點和不足,主要表現(xiàn)在:構(gòu)造高程與生長指數(shù)可以定量表征同生長斷層的反轉(zhuǎn)強度,但對于邊界控盆斷層則無法表征;反轉(zhuǎn)率、位移-距離曲線對于計算存在零點的反轉(zhuǎn)構(gòu)造比較有效,如果斷層發(fā)生完全反轉(zhuǎn),則不存在零點,這兩種方法則無法計算。

濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層多數(shù)為邊界控盆斷層,且均發(fā)生完全反轉(zhuǎn),不存在零點,因此以上定量表征方法對于濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造無法適用。筆者結(jié)合濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造具體實例,對定量表征方法進行改進,提出反轉(zhuǎn)強度系數(shù) (Ci)概念,即負(fù)反轉(zhuǎn)斷層拉張裂陷期滑移距離與擠壓剝蝕期滑移距離的比值,表達式為

式中,de為拉張裂陷期上盤下滑的位移,m;dc為擠壓剝蝕期斷層上盤上升的位移,m。

當(dāng)斷層發(fā)生完全反轉(zhuǎn)時,上盤下滑必須先抵消逆斷階段上升的位移量才能繼續(xù)下滑表現(xiàn)為正斷層,因此 de=de′+dc,故反轉(zhuǎn)強度系數(shù)為 Ci=(de′+dc)/dc,de′為反轉(zhuǎn)后顯示的上盤下滑的視位移,m(圖 4)。斷層未完全反轉(zhuǎn)時,de＜dc,Ci＜1;斷層恰好完全反轉(zhuǎn)時,de=dc,Ci=1;斷層繼續(xù)拉張下滑,完全反轉(zhuǎn)為正斷層時,de＞dc,Ci＞1。

反轉(zhuǎn)強度系數(shù)法克服反轉(zhuǎn)率、位移-距離曲線等方法的缺點,對于生長斷層和邊界控盆斷層均適用,可以定量表征未完全反轉(zhuǎn)斷層和已完全反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度。但是,反轉(zhuǎn)強度系數(shù)計算方法必須建立在對反轉(zhuǎn)構(gòu)造過程精確分析的基礎(chǔ)上。本文中運用平衡剖面技術(shù)對負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的演化過程進行了恢復(fù),以確保對反轉(zhuǎn)構(gòu)造演化過程的精確描述,進而求取拉張位移 de和擠壓位移 dc,以此為基礎(chǔ)計算了濟陽坳陷各負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度系數(shù) (表 1)。

圖 4 計算反轉(zhuǎn)強度系數(shù)的參數(shù)求取示意圖Fig.4 Stetch map of parameters to calculate inversion intensity coefficient

表 1 濟陽坳陷各負(fù)反轉(zhuǎn)斷層反轉(zhuǎn)強度系數(shù)Table 1 Inversion intensity coefficients of negative inversion faults in Jiyang depression

由表 1可見,濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層強度系數(shù)為1～7,負(fù)反轉(zhuǎn)斷層均完全反轉(zhuǎn)。不同負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度不同,同一負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的不同區(qū)段反轉(zhuǎn)強度也存在差異性。埕南斷層反轉(zhuǎn)強度系數(shù)為6.936,反轉(zhuǎn)強度最大,孤東斷層反轉(zhuǎn)強度系數(shù)為1.67,反轉(zhuǎn)強度最小。坳陷內(nèi)各負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的強度系數(shù)平均值為 4.14,反轉(zhuǎn)強度相對較大。NW走向負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度均大于近 SN走向負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度,表明區(qū)域應(yīng)力場主應(yīng)力方向以 NES W為主。NW向各組反轉(zhuǎn)強度系數(shù)平均值具有自北東向南西降低的趨勢,即坳陷東北部負(fù)反轉(zhuǎn)斷層的反轉(zhuǎn)強度整體大于西南部。

綜合上述分析可知,斷層活動強度晚三疊世南西強、北東弱和早白堊世北東強、南西弱的分布特點致使研究區(qū)逆沖強度西南部大于東北部,而拉張強度則東北部大于西南部,造成反轉(zhuǎn)強度自北東向南西降低。

3 結(jié) 論

(1)濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造以斷層的負(fù)反轉(zhuǎn)為主要表現(xiàn)形式,平面上以 NW(NWW)走向為主,整體近平行排列,剖面上表現(xiàn)為斷面延伸至新生界或隱伏于新生界之下 2種類型,卷入的地層依據(jù)層序特征可劃分為受擠壓剝蝕層序 (古生界)、壓-張過渡層序 (侏羅系)和拉張裂陷層序 (下白堊統(tǒng))。

(2)濟陽坳陷負(fù)反轉(zhuǎn)斷層主反轉(zhuǎn)期可分為晚三疊世的擠壓逆沖期、侏羅紀(jì)的壓-張過渡期和早白堊世的拉張裂陷期,斷層活動速率相應(yīng)表現(xiàn)為較大負(fù)值→較小負(fù)值→正值的變化,且活動強度具有晚三疊世南西強、北東弱和早白堊世北東強、南西弱的分布特點。

(3)反轉(zhuǎn)強度系數(shù)法克服了反轉(zhuǎn)率、位移-距離曲線等方法的缺陷,對于生長斷層和邊界控盆斷層均適用,可以定量表征其反轉(zhuǎn)強度。濟陽坳陷各負(fù)反轉(zhuǎn)斷層在主反轉(zhuǎn)期內(nèi)反轉(zhuǎn)強度系數(shù)值為 1～7,斷層均完全反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)強度具有自北東向南西降低的趨勢。

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Development characteristics ofM esozoic negative inversion structures in Jiyang depression

HOU Xu-bo,WU Zhi-ping,L IWei
(College of Geo-Resources and Info rm ation in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

Based on high-precision seis mic data and drilling data,the development characteristicsofMesozoic negative inversion structures in Jiyang depressionwere studied by using themethodsof structural analysis,balanced cross section,fault activity rate and inversion intensity coefficient.The results show that the main manifestation of theMesozoic negative inversion structures in Jiyang depression is fault inversion and the fault strike ismainlyNW trending.The negative inversion structures in the vertical section extended to Cenozoic or buried in Cenozoic.Involved for mation is subdivided into extrusion and thrusting sequence(Paleozoic),extrusion-extension sequence(Jurassic)and extension chasmic sequence(Lower Cretaceous).The main inversion phase is from Late Triassic to Early Cretaceous and the activity intensity of the negative inversion fault correspondingly shows larger negative values,s maller negative values and positive values.The inversion intensity coefficient in main inversion phase is from 1 to 7,and overall inversion intensity decreases from northeast to southwest.

Jiyang depression;negative inversion fault;geometry characteristics;inversion intensity;fault activity

P 542.3

A

1673-5005(2010)01-0018-06

2009-06-20

國家油氣專項課題(XQ-2004-03);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20090133120003)

侯旭波 (1980-),男 (漢族),山東濰坊人,博士研究生,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。

(編輯 徐會永)