陳樹(shù)光 ,任建業(yè)辛云路張建麗吳 峰

( 1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)石油華北油田地球物理勘探研究院，河北 任丘 062552)

渤海灣盆地是中國(guó)重要的油氣產(chǎn)區(qū),其盆地構(gòu)造演化特征及形成機(jī)制備受關(guān)注(陳發(fā)景和汪新文,1997;侯貴廷等,1998,2001;Allen et al.,1997,1998;任建業(yè)等,2010;Qi and Yang,2010;童亨茂等,2013)。由于沙北地區(qū)處于中石油和中海油礦區(qū)的鄰接部位,因此,以往的地質(zhì)研究程度不高。但是,該區(qū)不論是前新生代的逆沖構(gòu)造,還是古近紀(jì)發(fā)生的應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化和盆地形成機(jī)制以及新近紀(jì)的共軛走滑斷裂體系的發(fā)育,都是渤中坳陷乃至整個(gè)渤海灣盆地的典型代表,也是本文研究的重點(diǎn)。因此本研究不論對(duì)渤海灣盆地的發(fā)育演化過(guò)程及形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)還是對(duì)本區(qū)的石油勘探都將具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沙北地區(qū)處于南堡凹陷和渤中凹陷兩個(gè)典型富生烴凹陷之間的鞍狀過(guò)渡區(qū),其西南和東北分別與沙壘田凸起和石臼坨凸起相接(圖1),地理位置獨(dú)特。根據(jù)李淑玲等(2014)對(duì)華北地區(qū)的研究,沙北地區(qū)大體上處于燕山基底和魯西基底的過(guò)渡部位,主要為太古宙和古元古代時(shí)期形成的地臺(tái)結(jié)晶基底?；字习l(fā)育了古生界和中生界。由于受到印支運(yùn)動(dòng)的影響,發(fā)育了印支期逆沖構(gòu)造體系,該逆沖構(gòu)造體系對(duì)新生代盆地的形成演化產(chǎn)生了重要影響。盆地新生界包括古近系的沙河街組(Es3-Es1)和東營(yíng)組(Ed),以及新近系的館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)和第四系(Q)(圖2)。

2 盆地結(jié)構(gòu)構(gòu)造與斷裂體系特征

2.1 盆地前新生代構(gòu)造界面厘定

圖1 沙北地區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location of the Shabei area

研究區(qū)北部鄰區(qū)Pgx2井和Pgx1井的標(biāo)定結(jié)果表明(圖3),在盆地基底太古宇之上發(fā)育一套中–強(qiáng)振幅、中等連續(xù)性、與下伏地層不整合接觸的古生代寒武紀(jì)地層。在盆地內(nèi)部,根據(jù) 5-5X井和 6-2X井鉆遇的中生界所測(cè)同位素年齡以及古生物分析,表明為侏羅紀(jì)–白堊紀(jì)地層,該套地層在地震剖面上表現(xiàn)為中–弱振幅,中–差連續(xù)性,同時(shí)對(duì)下伏地層具有較為明顯的削截特征。由于前新生代地層在研究區(qū)及鄰區(qū)地震反射特征相似、結(jié)構(gòu)相同,根據(jù)井–震標(biāo)定結(jié)果,最終在地震上識(shí)別、追蹤了研究區(qū)古生界底界面Tg2和中生界底界面TG。結(jié)合前人對(duì)華北地區(qū)中生代構(gòu)造演化的區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景研究,印支期由于受到華南板塊對(duì)華北板塊的碰撞造成的南北向擠壓,產(chǎn)生了近EW向展布的褶皺-逆沖構(gòu)造系。而燕山期由于受到太平洋板塊的俯沖作用,發(fā)育 NE或 NNE向展布的褶皺–逆沖構(gòu)造系(趙越等,1994;周立宏等,2003;吳智平等,2007)。同時(shí),從研究區(qū)地震解釋結(jié)果來(lái)看,逆沖構(gòu)造發(fā)生在中生代(侏羅紀(jì)–白堊紀(jì))之前,展布方向?yàn)榻?EW 或 NWW向。因此,認(rèn)為研究區(qū)逆沖構(gòu)造應(yīng)發(fā)生在印支期。

2.2 盆地前新生代構(gòu)造特征

利用3D地震剖面的精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造解釋,在盆地前新生代識(shí)別出了逆沖構(gòu)造系,確定了逆沖構(gòu)造的兩種表現(xiàn)型式,即逆沖反轉(zhuǎn)構(gòu)造和逆沖未反轉(zhuǎn)構(gòu)造。

2.2.1 逆沖反轉(zhuǎn)構(gòu)造

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)特征,認(rèn)為石南 1號(hào)和石南 3號(hào)控盆斷層在早期發(fā)育了逆沖反轉(zhuǎn)構(gòu)造,該逆沖反轉(zhuǎn)斷層的平面展布為NNE凸向的弧形展布形態(tài)(圖1)。根據(jù)垂直斷層不同區(qū)段(方向)的3D地震剖面的精細(xì)解釋(圖4),發(fā)現(xiàn)其地層結(jié)構(gòu)在斷陷期的半地塹盆地中,中、新生界具有從緩坡隆起區(qū)向盆地沉降中心增厚的趨勢(shì),而深部的古生界則表現(xiàn)為向盆地沉降中心減薄,即在半地塹盆地中,中、新生界在靠近控盆斷層處表現(xiàn)為逐漸增厚,而古生界在靠近控盆斷層的方向,厚度顯著減薄,甚至呈尖滅狀,即所謂“負(fù)向結(jié)構(gòu)”。任建業(yè)等(2009)認(rèn)為“負(fù)向結(jié)構(gòu)”是識(shí)別印支期逆沖斷層的重要地層結(jié)構(gòu)標(biāo)志。這種結(jié)構(gòu)在濟(jì)陽(yáng)坳陷和黃驊坳陷等盆地中廣泛發(fā)育,據(jù)此識(shí)別了大量印支期逆沖構(gòu)造(譚明友等,1996;汪澤成等,1998;宗國(guó)洪等,1999;雷超等,2008;任建業(yè)等,2009)。

圖2 沙北地區(qū)地層發(fā)育特征及演化過(guò)程Fig.2 Stratigraphy and evolution of the Shabei area

圖3 盆地前新生代層序界面的井震標(biāo)定Fig.3 Well-seismic calibration of the pre-Cenozoic sequence boundary of the basin

圖4 渤中西次洼逆沖負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造地震剖面解釋圖(平面位置及斷層展布見(jiàn)圖1)Fig.4 Profiles of seismic interpretation of the negative inversion thrust structures in the Bozhong West Sub-sag(location and fault distribution shown in Fig.1)

2.2.2 逆沖未反轉(zhuǎn)構(gòu)造

沙北地區(qū)中生代除了發(fā)育逆沖反轉(zhuǎn)構(gòu)造外,在垂直4號(hào)構(gòu)造帶的NE向地震剖面深層還可以識(shí)別出中生代的逆沖未反轉(zhuǎn)構(gòu)造,其平面展布從南端6-1X井處向NW方向延伸至Pgx1井(圖1)。從圖5地震剖面上來(lái)看,在 4號(hào)構(gòu)造帶東側(cè)深部古生界和中生界中發(fā)育一東緩西陡的背斜,而在 4號(hào)構(gòu)造帶西側(cè)深部的古生界和中生界中則發(fā)育一西緩東陡的不對(duì)稱向斜,二者之間發(fā)育一條向北東中等傾斜的逆沖斷層,該斷層導(dǎo)致卷入東側(cè)背斜的老地層逆沖到西側(cè)向斜之上,逆沖斷層的前端被后期發(fā)育的新近紀(jì)的花狀構(gòu)造切割。同時(shí)在沙東北斜坡帶的深部,沙河街組之下發(fā)育兩條逆沖斷層(圖5,EE′),這兩條逆沖斷層由西向東逆沖,靠西側(cè)的一條上盤(pán)為前寒武系逆沖到古生界之上,其前端被新近紀(jì)發(fā)育的走滑正斷層削截切割;而靠剖面中部的逆沖斷層其上盤(pán)保留了較厚的古生界,但可以觀察到前寒武系與古生界的逆沖接觸關(guān)系,該斷層的前端被沙河街組底界面削截。結(jié)合渤海灣盆地區(qū)域構(gòu)造背景及其這些斷層 NW 向展布特征所體現(xiàn)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),推斷這些逆沖斷層屬于中生代區(qū)域擠壓背景下發(fā)育的逆沖構(gòu)造,特別是東側(cè)的逆沖斷層,逆沖到了古生界之上,并由此形成了新生代的古潛山,并對(duì)新生界的發(fā)育產(chǎn)生重要影響。

圖5 沙北地區(qū)逆沖未反轉(zhuǎn)構(gòu)造地震剖面解釋圖(平面位置見(jiàn)圖1)Fig.5 Profiles of seismic interpretation of the non-negative inversion thrust structures in the Shabei area

2.3 盆地新生代結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征

沙北地區(qū)新生代經(jīng)歷了從斷陷盆地到坳陷盆地的演化過(guò)程,其中斷陷期盆地結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為復(fù)雜,從西北部到東南部盆地結(jié)構(gòu)存在明顯差異。

沙北地區(qū)西北部盆地的基本構(gòu)造格架表現(xiàn)為地塹式結(jié)構(gòu),南部邊界為沙北斷層,北部邊界為石南 1號(hào)(柏各莊)斷層,這兩條控盆斷層控制了古近紀(jì)沙河街組–東營(yíng)組沉積時(shí)期的盆地邊界。在盆地內(nèi)部,發(fā)育的NW向4號(hào)斷層控制了曹妃甸次洼的沉積,因此,4號(hào)斷層將盆地內(nèi)部地塹結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化,由沙北斷層和石南1號(hào)斷層NW段作為邊界的地塹演變成了一個(gè)由東北側(cè)的石南1號(hào)斷層控制的半地塹和由沙北斷層與4號(hào)斷層控制的地塹組合而成的復(fù)式地塹結(jié)構(gòu)。

沙北地區(qū)中部和東南部盆地結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為北東斷南西超的半地塹(圖4、5)?？傮w上由石南 1號(hào)斷層控制的沙河街組和東營(yíng)組,向西南部延伸,超覆在沙東北緩坡帶上,形成一個(gè)大的半地塹盆地。但由于盆地內(nèi)部發(fā)育NW向的4號(hào)斷層,控制了古近紀(jì)沙東北小次洼的沉積,從而使半地塹復(fù)雜化,變成了由石南斷層控制的石南小次洼半地塹和由 4號(hào)斷層控制的沙東北小次洼半地塹復(fù)合成一個(gè)復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu)。新近紀(jì)時(shí)期邊界斷裂的繼承式活動(dòng)和區(qū)域性走滑斷裂帶的形成導(dǎo)致盆地內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化,邊界斷層面附近可見(jiàn)顯示扭動(dòng)性質(zhì)的典型特征“窄向斜”,盆地內(nèi)走滑斷裂以負(fù)花狀構(gòu)造為特征。這些走滑斷層大多近陡直,但是延伸到基底隆起帶之上常受到隆起地形的控制而沿斜坡順向滑動(dòng)消失,在沙東北斜坡帶地層較薄的部位可切穿基底,并在沙東北斜坡帶形成東傾的小臺(tái)階。

2.4 盆地?cái)嗔洋w系特征

以上盆地結(jié)構(gòu)的形成,主要受研究區(qū)發(fā)育的不同時(shí)代的4套斷裂體系控制(圖6)。最早的一套是中生代印支期的逆沖斷裂體系,可分為兩類,一類是發(fā)生了負(fù)反轉(zhuǎn)的逆沖斷層,這類斷層典型特征表現(xiàn)為“負(fù)向結(jié)構(gòu)”,主要分布在研究區(qū)東部;另一類是目前在地震剖面上仍然可清晰地識(shí)別的逆沖斷層,主要發(fā)育在 4號(hào)構(gòu)造帶和沙東北斜坡帶的深部。4號(hào)構(gòu)造帶深部的逆沖斷層表現(xiàn)為由北東向南西逆沖,并成為4號(hào)構(gòu)造帶深部潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造要素。沙東北斜坡帶深部的逆沖斷層表現(xiàn)為由南西向北東逆沖,有時(shí)可見(jiàn)兩條相同幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆沖斷層組合成疊瓦狀逆沖斷層系。這兩套不同逆沖方向的逆沖斷層的對(duì)接部位在沙東北小次洼的深層,構(gòu)造上表現(xiàn)為所謂的“變形三角區(qū)”。

圖6 沙北地區(qū)斷裂體系及所控制的盆地結(jié)構(gòu)模式圖Fig.6 Model for the fault systems and basin structures of the Shabei area

古近紀(jì)活動(dòng)的斷裂系統(tǒng)主要為沙北斷層、石南1號(hào)斷層以及4號(hào)斷層,并控制了該時(shí)期的沉積。在沙河街時(shí)期,沙北斷層和石南 1號(hào)斷層的活動(dòng)主要集中在北東區(qū)段;東營(yíng)時(shí)期,這兩條斷層控制的沉積中心呈近EW向展布(圖7),而NW向的4號(hào)斷層為調(diào)節(jié)區(qū)域應(yīng)力平衡發(fā)育的轉(zhuǎn)換斷裂。因此,認(rèn)為沙河街組主要是受 NE向正斷層控制,而東營(yíng)組則主要受EW向斷層的控制。

新近紀(jì)斷裂是研究區(qū)最顯著、發(fā)育最普遍的斷裂構(gòu)造,平面上表現(xiàn)為大型的 NW 和 NE向走滑斷裂帶組合而成的共軛斷裂系,其剖面形態(tài)表現(xiàn)為典型的負(fù)花狀構(gòu)造。

圖7 沙北地區(qū)新生代不同時(shí)期地層沉積厚度、構(gòu)造格架及應(yīng)力分析Fig.7 Plots showing the thickness of sedimentation,tectonic framework,and stress analysis of the strata in different Cenozoic stages of the Shabei area

3 盆地構(gòu)造演化過(guò)程分析

3.1 新生代盆地古構(gòu)造格架

在新生代,渤海灣盆地海域部分裂陷期通常劃分為4個(gè)裂陷幕,即孔店組為裂陷I幕,沙四段為裂陷 II幕,沙三段為裂陷 III幕,沙二段–東營(yíng)組為裂陷IV幕。而沙北地區(qū)同樣屬于海域部分,情況卻較為特殊,缺失孔店組–沙四段,沙二、沙三地層分布局限,沙一段地層分布較為廣闊,但厚度較薄。根據(jù)現(xiàn)有地震資料,很難將沙三段和沙一二段分開(kāi),而東營(yíng)組底界面地震反射卻非常清楚,故從實(shí)際資料及勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際需要出發(fā),將沙北地區(qū)古近系劃分為 2個(gè)裂陷幕,即沙三段–沙一段(統(tǒng)稱為沙河街組)為裂陷 I幕,東營(yíng)組為裂陷 II幕。同時(shí),根據(jù)盆地裂后期沉降速率特點(diǎn),從明上段開(kāi)始,沉降速率明顯增強(qiáng),這一點(diǎn)與前人研究的裂后期熱沉降過(guò)程呈冪指數(shù)衰減的特征完全不同(Mckenzie,1978),反映了裂后期異常加速沉降過(guò)程。因此,將裂后期劃分為熱沉降幕(館陶–明下段,Ng-N1m2)和加速沉降幕(明上段–第四系,N2m1-Q)。

根據(jù)沙北地區(qū)新生代不同時(shí)期地層的沉積厚度、控盆斷裂體系特征以及典型剖面構(gòu)造演化模擬結(jié)果,恢復(fù)了研究區(qū)新生代的古構(gòu)造格架(圖7)。

裂陷 I幕(沙河街組):研究區(qū)整體來(lái)看,石南 1號(hào)斷層的NE區(qū)段、沙北斷層以及4號(hào)斷層北段具中等強(qiáng)度的活動(dòng),并控制了相應(yīng)區(qū)段上盤(pán)的沉降中心,分布在盆地的東西兩端。而盆地中部的大部分地區(qū),構(gòu)造活動(dòng)非常微弱,地層沉積較薄,從而形成了東西低,中間高的古構(gòu)造格局。

裂陷 II幕(東營(yíng)組):該時(shí)期是研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的時(shí)期,沙北斷層、4號(hào)斷層、石南1號(hào)斷層以及沙北斷層向東的延伸斷層均具有比較強(qiáng)烈的活動(dòng),分別控制了曹妃甸次洼、沙東北小次洼以及渤中西次洼,同時(shí)這些次洼代表了該時(shí)期的三個(gè)沉降中心。所以整體上來(lái)看,該時(shí)期盆地內(nèi)部表現(xiàn)為“三洼夾一凸”的構(gòu)造格局。三洼指曹妃甸次洼、沙東北小次洼和渤中西次洼;一凸指 4號(hào)構(gòu)造帶,其深層的逆沖斷層是盆地內(nèi)部古近紀(jì)存在盆內(nèi)低隆起的重要因素。

熱沉降幕(館陶–明下段):從該時(shí)期開(kāi)始,盆地進(jìn)入坳陷階段。在館陶組沉積早期,沙北斷層有一定的活動(dòng)量,控制了館陶早期曹妃甸次洼的沉積,盆內(nèi)其他斷層活動(dòng)非常微弱,同時(shí)沙壘田凸起和石臼坨凸起開(kāi)始接受沉積。所以,該時(shí)期沉積范圍顯著擴(kuò)大,形成了盆內(nèi)幾個(gè)次洼連成一片的構(gòu)造格局。

加速沉降幕(明上段–第四系):該時(shí)期沙北斷層和 4號(hào)斷層北段具有較為顯著的活動(dòng),其斷層古落差達(dá)到 350～500 m。從沉積厚度、斷層活動(dòng)性以及沉降史模擬來(lái)看,該時(shí)期盆地不同部位沉降速度表現(xiàn)不同,總體上繼承了古近紀(jì)的構(gòu)造格局,在曹妃甸次洼和渤中西次洼沉降速度較快,形成了兩個(gè)較大的沉降中心,而沙壘田凸起、石臼坨凸起以及 4號(hào)構(gòu)造帶沉降速度較慢,沉積厚度較薄。

3.2 盆地構(gòu)造形成演化分析

在盆地構(gòu)造層分析、斷裂體系特征、古構(gòu)造格架等綜合研究的基礎(chǔ)上建立了研究區(qū)構(gòu)造演化模式,在縱向上將本區(qū)劃分了四期構(gòu)造演化階段(圖8)。

(1)中生代擠壓剝蝕階段。區(qū)域研究表明(漆家福等,2003;吳智平等,2003),印支運(yùn)動(dòng)期間華北板塊和揚(yáng)子板塊碰撞所產(chǎn)生的區(qū)域性近南北向擠壓作用導(dǎo)致古生界及之前地層發(fā)生逆沖褶皺并抬升剝蝕。在研究區(qū),不論是逆沖反轉(zhuǎn)構(gòu)造還是逆沖未反轉(zhuǎn)構(gòu)造,其逆沖方向都有從 SSW向NNE逆沖的特點(diǎn)。根據(jù)鉆井和地震資料解釋發(fā)現(xiàn),研究區(qū)在中生界印支期之后,發(fā)育了 NW 向斷陷盆地,并沉積了較厚的中生界,圖3、圖4(AA′)、圖5(GG′)等地震剖面均揭示了這一點(diǎn),這與前人認(rèn)為中生代發(fā)育 NW向渤海斷塹系的認(rèn)識(shí)是一致的(侯貴廷等,2001)。到白堊紀(jì)末期,燕山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的區(qū)域抬升剝蝕形成了本區(qū)新生界底界面。

圖8 沙北地區(qū)構(gòu)造形成演化模式Fig.8 Formation and evolution model of the structures in the Shabei area

(2)沙河街組NW-SE向拉伸階段。該時(shí)期為沙北地區(qū)的初始裂陷期,根據(jù)地層沉積厚度、斷層活動(dòng)性、以及沉降史模擬,沙河街組的沉降中心有兩個(gè),分別是近 EW 向的沙北斷層控制的曹妃甸次洼以及石南 1號(hào)斷層北東段控制的渤西次洼,沉降中心整體上呈NE或NEE向,沉積厚度達(dá)1000 m以上。鉆井揭示,其中沙三的貢獻(xiàn)最大,沙一次之,沙二最薄。區(qū)域研究結(jié)果也表明,沙三時(shí)期斷裂活動(dòng)最強(qiáng),沉積最厚;沙二時(shí)期渤海灣整體處于斷陷活動(dòng)的平靜期,湖盆范圍顯著收縮,湖平面下降;到沙一時(shí)期,湖平面上升,構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng),但沉積厚度和控盆斷層活動(dòng)性卻不及沙三,同時(shí)其頂界面存在較嚴(yán)重削截現(xiàn)象,說(shuō)明沙一晚期湖平面再次出現(xiàn)短暫的下降。整體上,該裂陷幕表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)性由強(qiáng)到弱,湖平面變化由上升到下降的趨勢(shì)。從該裂陷幕主要活動(dòng)斷層的正斷層性質(zhì)、延伸方向以及沉降中心展布判斷,該時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)方向應(yīng)為NW-SE向伸展。

(3)東營(yíng)組近SN向拉伸階段。在經(jīng)歷了裂陷I幕末期短暫的湖平面下降以及構(gòu)造平靜期后,東三–東二時(shí)期,沙北地區(qū)再次進(jìn)入強(qiáng)烈的裂陷階段。從古構(gòu)造格架圖(圖7)上可以看出,該時(shí)期的沉降中心依然繼承了裂陷I幕的特點(diǎn),不過(guò),由石南1號(hào)斷層控制的東部沉降中心得到了顯著擴(kuò)張,發(fā)育在古潛山上的4號(hào)構(gòu)造帶南部地區(qū)已明顯發(fā)生了同步沉降,4號(hào)斷層南段具有中等到弱強(qiáng)度的活動(dòng)性,對(duì)沙東北小次洼等次級(jí)沉降中心具有一定的控制作用。4號(hào)構(gòu)造帶北部地區(qū)具有中–強(qiáng)強(qiáng)度的活動(dòng)性,與沙北斷層一起對(duì)曹妃甸次洼具有較強(qiáng)的控制作用。從斷層活動(dòng)性和沉積厚度圖(圖7)上可看出,近EW向的沙北斷層和石南1號(hào)的NEE-EW-NWW段活動(dòng)性較強(qiáng),沉積厚度較大,達(dá)2000 m左右,而石南1號(hào)斷層的 NNW 段活動(dòng)性卻很弱,其控制的沉積厚度也較薄,僅 600 m左右,作者認(rèn)為這與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)镾N向伸展有關(guān)。

(4)新近紀(jì)熱沉降與共軛走滑階段。在經(jīng)歷了東營(yíng)期末區(qū)域擠壓抬升、剝蝕后,沙北地區(qū)開(kāi)始進(jìn)入裂后熱沉降階段。整體上,館陶組的沉降速率最低,平均在40 m/Ma,明下段開(kāi)始增強(qiáng),達(dá)到60 m/Ma。但是從明上段開(kāi)始,研究區(qū)開(kāi)始快速沉降,其沉降速率最大達(dá)到了 140 m/Ma(圖2),明顯快于熱沉降幕,因此,研究區(qū)裂后熱沉降階段的演化不是一般意義上的沉降速率銳減的過(guò)程,而是不斷增強(qiáng)的演化過(guò)程。此外,盆地進(jìn)入新近紀(jì)以來(lái),沙北斷層及其向東的延伸部分與 4號(hào)構(gòu)造帶形成了典型的共軛走滑斷裂體系(圖9),在主干斷層的旁側(cè),發(fā)育一系列雁列式排列的近 EW 向展布的小斷層,這與郯廬斷裂帶的持續(xù)右旋走滑作用是分不開(kāi)的。

圖9 沙北地區(qū)新近紀(jì)共軛走滑平面圖、應(yīng)力分析(a)及剖面花狀構(gòu)造(b)圖Fig.9 Map showing the conjugated Neogene strike-slips (a)and seismic profile of the structures (b)in the Shabei area

4 新生代構(gòu)造演化機(jī)制探討

沙北地區(qū)處于渤海灣盆地的中北部,地理位置獨(dú)特,構(gòu)造演化過(guò)程復(fù)雜,其形成機(jī)制與渤海灣盆地密不可分,長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)于渤海灣盆地的形成演化機(jī)制存在不同的認(rèn)識(shí)。主要有以下三種觀點(diǎn):(1)認(rèn)為渤海灣盆地是一個(gè)伸展盆地,以伸展作用為主(陸克政等,1997;周建勛和周建生,2006;童亨茂等,2013);(2)認(rèn)為渤海灣盆地是一個(gè)伸展走滑盆地,伸展構(gòu)造和走滑構(gòu)造是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立、相互關(guān)聯(lián)的新生代構(gòu)造系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)伸展構(gòu)造和走滑構(gòu)造在不同時(shí)期其側(cè)重點(diǎn)不同(漆家福,2004;Qi and Yang,2010);(3)認(rèn)為渤海灣盆地是一個(gè)新生代走滑拉分盆地(Allen et al.,1998;侯貴廷等,2001;任建業(yè)等,2010)。同時(shí),每種觀點(diǎn)內(nèi)部不同學(xué)者認(rèn)識(shí)也不盡相同。比如,陸克政等強(qiáng)調(diào)NW-SE向伸展作用;周建勛等則認(rèn)為是 SN向伸展起主導(dǎo)作用;童亨茂等則認(rèn)為是兩期伸展斜向疊加的構(gòu)造作用模式(40 Ma前,NW-SE方向伸展;40 Ma后,SN方向伸展)。從本文研究看,盡管童亨茂等主張的兩期伸展疊加模式符合應(yīng)力場(chǎng)變化前后的伸展作用,但其應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)僅強(qiáng)調(diào)伸展作用,而忽視了走滑作用的影響。另外對(duì)走滑拉分盆地的認(rèn)識(shí),同樣有差別。侯貴廷等認(rèn)為渤海灣盆地為始新世形成的典型走滑拉分盆地,而Allen等和任建業(yè)等則認(rèn)為是斜向走滑拉分盆地。從以上分析看,爭(zhēng)議的焦點(diǎn)應(yīng)是走滑作用是否對(duì)盆地的形成演化有影響,以及是如何影響的？

從整個(gè)渤海灣盆地的中、新生代構(gòu)造演化來(lái)看,中生界沉積時(shí)期,伊佐奈岐板塊開(kāi)始出現(xiàn)在中國(guó)東部,并以正北斜向高速俯沖于歐亞板塊之下(Engebretson et al.,1985;Maruyama et al.,1997),此時(shí)伊佐奈岐板塊與歐亞板塊邊界相互作用力傳遞到板內(nèi)產(chǎn)生的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)使 NNE走向的郯廬斷裂帶發(fā)生大規(guī)模左旋走滑活動(dòng)(Xu and Zhu,1994;朱光等,2003),其東側(cè)地層發(fā)生大規(guī)模北移,其西側(cè)地層在走滑壓扭作用的強(qiáng)摩擦力影響下發(fā)生了NE-SW 向的斷陷活動(dòng),同時(shí),通過(guò)對(duì)渤海灣盆地巖石圈厚度研究發(fā)現(xiàn),中生代華北板塊根部丟失了120 km的深部物質(zhì),致使地幔上涌和巖石圈快速減薄(Menzies et al,1993;翟明國(guó)等,2003)。以上因素均可能促使郯廬斷裂帶西側(cè)自北向南發(fā)育三組 NW向斷塹系(侯貴廷等,2001),亦即沙北地區(qū)中生代發(fā)育NW向斷陷盆地的重要因素。到孔店組–沙四段時(shí)期,太平洋板塊開(kāi)始出現(xiàn)在中國(guó)東部,其對(duì)歐亞大陸的俯沖速度較先前伊佐奈岐板塊顯著下降,且在其俯沖后撤作用下,軟流圈上涌,地殼減薄(圖10a),且在新生代地層沉積前,渤海灣盆地發(fā)育了大規(guī)模的火山活動(dòng)(周建國(guó),2006),接著在盆地四周發(fā)生裂陷作用,而盆地中心部位(如渤中坳陷)并沒(méi)有發(fā)生裂陷作用。故根據(jù)裂谷作用和熱穹窿火山活動(dòng)的相對(duì)時(shí)間,來(lái)判斷主動(dòng)或被動(dòng)裂谷的原則(Sengor and Burke,1978),渤海灣盆地新生代應(yīng)是一種主動(dòng)裂谷的發(fā)育模式(周建國(guó),2006),這應(yīng)是解釋沙北地區(qū)新生代早期不發(fā)育該套地層的原因所在。

圖10 渤海灣盆地新生代構(gòu)造演化動(dòng)力學(xué)背景Fig.10 Dynamic settings for the Cenozoic tectonic evolution in the Bohai Gulf Basin

到沙三時(shí)期(42 Ma),太平洋板塊的俯沖方向由NNW向突然變成了NWW向(朱光等,2003;Ren et al.,2002),同時(shí)該時(shí)期印度板塊與歐亞板塊發(fā)生了硬碰撞,其遠(yuǎn)程效應(yīng)可以影響到渤海灣盆地甚至中國(guó)東北盆地群(劉池洋等,2009;楊承志等,2014),正是在上述動(dòng)力學(xué)背景下,導(dǎo)致渤海灣盆地東部的郯廬斷裂帶和西部的蘭聊斷裂帶均開(kāi)始發(fā)生右旋走滑活動(dòng)(漆家福等,2008;祁鵬等,2010),且兩條大型走滑構(gòu)造帶所控制和影響的盆地的沉降中心分別沿著走滑帶向南(渤中坳陷)、北(黃驊坳陷中北部)方向遷移,處在東西兩條走滑帶的中間部位(如研究區(qū))則影響較弱,沉積較薄,說(shuō)明兩條斷裂帶疊合部位的相互作用力還處于初始階段。到東營(yíng)時(shí)期(32 Ma以后),NNE向的郯廬斷裂帶和蘭聊斷裂帶發(fā)生了較為強(qiáng)烈的右旋走滑活動(dòng),且兩條走滑帶之間的疊合部位相互作用力明顯增強(qiáng),進(jìn)而在疊合區(qū)域產(chǎn)生了近SN向的伸展作用(韓會(huì)軍和鄭德順,2007;祁鵬等,2010),并開(kāi)始發(fā)育大量的EW向斷層(圖7),同時(shí)盆地沉降中心由早期的多個(gè)演變成一個(gè)(渤中坳陷),表現(xiàn)出較為典型的走滑拉分盆地的特征。但從渤海灣盆地形成的動(dòng)力學(xué)角度看,太平洋板塊的俯沖后撤以及軟流圈物質(zhì)的上涌(圖10)仍是盆地發(fā)生斷陷活動(dòng)的直接因素,板塊之間相互作用導(dǎo)致的深大斷裂走滑作用控制并影響了斷陷盆地的走向以及斷裂體系的展布方向,所以,從東營(yíng)時(shí)期開(kāi)始(有些地區(qū)是沙一段),渤海灣盆地應(yīng)是在裂陷伸展作用下形成的斜向走滑拉分盆地。

新近紀(jì)以來(lái),太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖偏轉(zhuǎn)到正西或南西西向,使NNE向郯廬斷裂帶和蘭聊斷裂帶持續(xù)發(fā)生著右旋走滑活動(dòng)(童亨茂等,2008),從而夾在兩條走滑斷裂帶之間的重疊區(qū)域持續(xù)產(chǎn)生近南北向的伸展作用力,這是包括研究區(qū)在內(nèi)的多個(gè)坳陷在新近紀(jì)均產(chǎn)生近EW向小斷裂的重要原因(圖7)。同時(shí),在南北向伸展作用力下,在沙壘田凸起上以及沙北斷層及其東部的南傾斷層發(fā)生了右旋走滑活動(dòng),NW向4號(hào)斷層作為區(qū)域應(yīng)力調(diào)節(jié)斷裂,發(fā)生了相應(yīng)的左旋走滑活動(dòng),并由此產(chǎn)生了 NW 和NE向區(qū)域性的共軛走滑斷裂系(圖9)。此外,從明上段開(kāi)始(5.1 Ma),印度板塊與歐亞板塊的碰撞使喜馬拉雅山快速隆升,其引起的遠(yuǎn)程效應(yīng)及其地幔物質(zhì)的向東流動(dòng)可能是導(dǎo)致渤海灣盆地發(fā)生加速熱沉降的重要因素。

5 結(jié) 論

(1)在渤海灣盆地沙北地區(qū)基底內(nèi)識(shí)別出了印支期逆沖構(gòu)造系,確定了中生代逆沖構(gòu)造存在負(fù)反轉(zhuǎn)型和未反轉(zhuǎn)型兩種表現(xiàn)型式。其中,負(fù)反轉(zhuǎn)型構(gòu)造形成了中生代 NW 向斷陷盆地,未反轉(zhuǎn)型逆沖構(gòu)造形成了古潛山,并可能成為中生代油氣勘探的有利部位。

(2)研究了沙北地區(qū)盆地結(jié)構(gòu)和斷裂體系特征,識(shí)別出了盆地中、新生代發(fā)育的四期斷裂體系,并控制了盆地四個(gè)構(gòu)造演化階段,即中生代的擠壓剝蝕、沙河街時(shí)期NW-SE向伸展、東營(yíng)時(shí)期近SN向伸展以及新近紀(jì)的熱沉降和共軛走滑階段。

(3)通過(guò)對(duì)渤海灣盆地沙北地區(qū)構(gòu)造演化過(guò)程的研究,揭示了渤海灣盆地新生代東營(yíng)組(由于應(yīng)力傳遞的滯后作用,有些地區(qū)是沙一段)底界面是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生顯著變化的節(jié)點(diǎn),認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是渤海灣盆地形成斜向走滑拉分盆地的起點(diǎn)。

(4)探討了盆地不同時(shí)期構(gòu)造演化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)背景,認(rèn)為地幔物質(zhì)的上拱導(dǎo)致的地殼減薄是中、新生代斷陷盆地形成的直接因素,板塊之間的重組事件導(dǎo)致的盆地走滑作用是控制斷陷盆地走向及斷裂體系展布方向的重要因素。新近紀(jì)發(fā)育的NW和NE向共軛走滑斷裂系,是在持續(xù)右旋走滑作用下,產(chǎn)生的近南北向伸展作用的背景下發(fā)生的。

致謝:感謝中國(guó)石油大學(xué)(華東)陳清華教授和另一位匿名外審專家以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)佟殿君老師、雷超老師對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn),使本文的深度和質(zhì)量有了較大提高。

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