高坤順 吳慶勛 彭靖淞 郭 穎 馬正武

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

渤海海域位于華北板塊渤海灣盆地中東部，東臨膠遼隆起，西臨黃驊坳陷與燕山造山帶，南部與濟陽坳陷相鄰，北部與下遼河坳陷相鄰，著名的郯廬斷裂貫穿其東部[1-2](圖1)。近年來，隨著勘探程度的不斷提高，前新生代基底潛山油氣藏逐漸成為渤海海域重要油氣藏類型之一，相繼在前寒武系變質(zhì)巖、下古生界碳酸鹽巖以及中生界火山巖中獲得了不錯的發(fā)現(xiàn)[2]。然而，由于渤海海域歷經(jīng)多階段構(gòu)造演化，基底地層、結(jié)構(gòu)分布規(guī)律及其成因認識不清，郯廬斷裂以東以雙層結(jié)構(gòu)為主，中生界直接覆蓋在前寒武系之上，而郯廬斷裂以西則以“中生界+古生界+前寒武系”三層結(jié)構(gòu)為主。鉆探結(jié)果表明，渤海前寒武系基底巖性復(fù)雜多樣，時代歸屬不明確，且并非都是變質(zhì)巖基底，東西向上具有明顯的差異性：郯廬斷裂以東鉆遇中上元古界碳酸鹽以及千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖等淺變質(zhì)巖，而郯廬斷裂內(nèi)部及西側(cè)鉆遇的前寒武系多為片麻巖及不同程度的混合巖。渤海海域前寒武紀地勢西高東低，中生代末地勢西低東高，前新生代構(gòu)造演化呈現(xiàn)明顯的“蹺蹺板”現(xiàn)象。孟慶洋 等[3-4]認為“蹺蹺板”運動是地質(zhì)體在地質(zhì)過程中受外力影響而產(chǎn)生的一種運動形式，其中多期次構(gòu)造變動是主因。前人研究表明,華北克拉通經(jīng)多塊體先后拼貼、同期聯(lián)合和后期裂解，形成了復(fù)雜多樣的構(gòu)造格局[5-9]。喬秀夫 等[8]認為古郯廬斷裂可能是造成渤海灣盆地前寒武系地層差異的原因。蔡東升等[9]認為渤海位于多個塊體的拼接位置，渤海前新生代基底構(gòu)造演化可能與板塊活動有著密切的關(guān)系。前人研究成果為渤海前新生代構(gòu)造演化研究打下了堅實基礎(chǔ)，然而有關(guān)渤海前新生代構(gòu)造演化的“蹺蹺板”現(xiàn)象鮮有報道。

圖1 渤海海域區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)文獻[2]修改)Fig.1 Regional geological map of Bohai sea area(modified from reference[2])

本文綜合運用鉆井、鋯石U-Pb年代學(xué)分析和微體古生物化石等資料，明確了渤海海域前新生代基底時代歸屬,在三維地震精細解釋的基礎(chǔ)上刻畫了古生界和中生界侏羅系殘余地層分布范圍,最后結(jié)合宏觀構(gòu)造背景對渤海前新生代構(gòu)造演化“蹺蹺板”現(xiàn)象進行了分析。

1 前寒武紀地層時代歸屬

1.1 前寒武系碳酸鹽巖

渤海海域前寒武系碳酸鹽巖殘留地層分布較少，僅有3口探井鉆遇。前人對該段地層進行過多輪次的古生物送樣分析，但未發(fā)現(xiàn)化石，僅在A井的巖石薄片鏡下發(fā)現(xiàn)少量的疊層石。該套地層一直以來只能根據(jù)其巖性組合特征，通過區(qū)域巖性對比將其暫歸中—上元古界。A井位于遼東凹陷南洼東部斜坡帶(圖1)，前寒武系上覆地層為古近系厚層泥巖夾薄層砂巖；前寒武系上部為大套淺灰色、淺褐灰色泥晶灰?guī)r(少量為深褐灰色)，夾薄層灰色頁巖；前寒武系下部為綠灰色、灰綠色千枚巖、板巖與變質(zhì)石英砂巖互層，夾2套厚層灰綠色、棕綠色輝綠巖巖脈，可以與遼東半島金州地區(qū)上元古界興民村組頂部干島子灰?guī)r段、中部王家坦頁巖段，下部周家崴子砂巖段組合[10-11]進行類比(圖2)。

針對該套地層進行了微體古生物疑源類取樣分析，共取9塊樣品(圖2)，其中在兩塊泥板巖樣品分析中發(fā)現(xiàn)豐富的疑源類化石，化石組合面貌總體屬種單一，分別為精細網(wǎng)面球藻Dictyosphaeradeliicatas、瘤面球藻屬Lophospheridiumsp.、網(wǎng)面球藻屬Dictyosphaerasp.(圖3)，其中精細網(wǎng)面球藻Dictyosphaeradeliicatas含量豐富，占到組合的80%～90%。

圖2 渤海東部前寒武系對比Fig.2 Correlation of pre-Cambrian in eastern Bohai sea

a、b—精細網(wǎng)面球藻Dictyosphaeradeliicatas；c—網(wǎng)面球藻屬Dictyosphaerasp.；d—瘤面球藻屬Lophospheridiumsp.

圖3 渤海東部A井前寒武系疑源類化石
Fig.3 Suspected fossils of pre-Cambrian in A well ineastern Bohai sea

據(jù)報道，具網(wǎng)紋飾的球形疑源類精細網(wǎng)面球藻Dictyosphaeradeliicatasvb.首次發(fā)現(xiàn)于山西洛南前寒武系高山河組，大致相當于青白口系[9]；后來又發(fā)現(xiàn)于華北地臺南緣河南汝州上元古界汝陽群白草坪組[12-13]。瘤面球藻屬Lophospheridiumsp.建立于湖北宜昌田家園子震旦系陡山沱組[14-15]。

結(jié)合化石類型鑒定及地層巖性分析，確定渤海海域東部前寒武系碳酸鹽巖屬于上元古界。這為渤海海域元古界碳酸鹽巖地層的劃分與對比提供了可靠的依據(jù)，填補了渤海海域新元古代疑源類化石研究的空白。

1.2 前寒武系變質(zhì)巖

采取LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年技術(shù)分區(qū)域測得5塊變質(zhì)巖樣品年齡(圖4)。鋯石U-Pb年代學(xué)測定在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室(GPMR)利用LA-ICP-MS分析完成,激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，ICP-MS為Agilent 7500a。

郯廬斷裂帶西側(cè)兩塊變質(zhì)巖樣品(樣品1、樣品2)記錄了2 482±27、2 834±83 Ma兩組變質(zhì)巖結(jié)晶年齡。樣品1位于沙壘田凸起西部，取樣深度為2 814.1 m，為前寒武系斜長片麻巖，上覆地層為新生界東營組三段泥巖；鋯石呈橢圓形，具有核邊結(jié)構(gòu)。對樣品1顆粒鋯石測試34個年齡測點，年齡諧和圖中鋯石U-Pb實驗投點基本上落在不一致性曲線上或附近，不一致線與一致線的上交點年齡(代表原始鋯石結(jié)晶年齡)為2 482 Ma(古元古代)，下交點年齡為220 Ma(圖4a)。樣品2位于沙壘田凸起東部，取樣深度為2 738.1 m，為前寒武系淺粒質(zhì)和變粒質(zhì)混合巖，上覆地層為新生界東營組二段砂泥巖互層；鋯石呈橢圓形，具有核邊結(jié)構(gòu)。對樣品2選取了43個測點，其中4個測試點的誤差相關(guān)度大于1，無法成圖，故舍去；年齡諧和圖中鋯石U-Pb實驗投點大部分落在不一致性曲線上及其附近，不一致線與一致線的上交點年齡為2 834 Ma(中太古代晚期)，下交點年齡為321 Ma(圖4b)。

郯廬斷裂帶內(nèi)兩塊變質(zhì)巖樣品(樣品3、樣品4)記錄了3 055±38 Ma、3 029±46 Ma兩組變質(zhì)巖結(jié)晶年齡。樣品3位于渤南低凸起東部，取樣深度為3 486.6 m，為前寒武系混合花崗巖，上覆地層為古生界碳酸鹽巖;鋯石呈橢圓形，除極少數(shù)表面光滑外，絕大多數(shù)表面粗糙斑雜，環(huán)帶不明顯。對樣品3顆粒鋯石測試47個年齡測點，年齡諧和圖中鋯石U-Pb實驗投點大部分落在不一致性曲線上或附近，不一致線與一致線的上交點年齡為3 055 Ma(中太古代)，下交點年齡為173 Ma(圖4c)。樣品4也位于渤南低凸起，取樣深度3 058.6 m，為前寒武系混合花崗巖，上覆地層為新生界沙河街組—孔店組的砂礫巖，鋯石特征和樣品3一致，年齡諧和圖顯示其不一致線與一致線的上交點年齡為3 029 Ma，下交點年齡為86 Ma(圖4d)。

郯廬斷裂帶東側(cè)一塊變質(zhì)巖樣品(樣品5)記錄了1 794 Ma變質(zhì)結(jié)晶年齡。樣品5位于廟西北凸起，取樣深度為1 345 m，為前寒武系石英片巖，上覆地層為新生界館陶組砂泥巖;鋯石呈次棱角狀和渾圓狀,絕大多數(shù)樣品具有環(huán)帶。對樣品5所分析的29個測點均位于諧和圖的一致線上，其年齡集中于1 205～2 823 Ma，較年輕的1 205 Ma和1 208 Ma年齡測點偏離諧和圖上的一致線，不能代表其形成年齡；絕大多數(shù)樣品的年齡集中于1 800 Ma左右，其加權(quán)平均年齡為1 794 Ma(圖4e、f)。

從測年數(shù)據(jù)展布上看，郯廬斷裂西側(cè)變質(zhì)巖年齡為2 500 Ma左右，郯廬斷裂帶內(nèi)變質(zhì)巖年齡約為3 000 Ma，郯廬斷裂帶東側(cè)變質(zhì)巖年齡約為1 800 Ma，因此渤海海域前寒武系變質(zhì)巖地層具有西老東新的特征。

2 古生界—中生界殘余地層分布

研究表明，渤海海域古生界以寒武系和奧陶系碳酸鹽巖為主，僅在郯廬斷裂帶以西局部殘存石炭系和二疊系。大致以郯廬斷裂帶為界，斷裂帶以西擠壓變形強度相對較弱，普遍發(fā)育古生界薄底或禿底等反轉(zhuǎn)構(gòu)造；斷裂帶以東擠壓變形作用則相對較強，表現(xiàn)為強烈隆升，研究區(qū)古生界幾乎剝蝕殆盡(圖5)。侏羅系在渤海海域分布十分局限，僅在西部凹陷區(qū)局部殘存(圖6)。白堊系以火山巖為主，分布廣泛，僅在部分凸起區(qū)有所缺失。

圖5 渤海海域古生界殘余地層分布Fig.5 Distribution of residual strata of Paleozoic in Bohai sea

圖6 渤海海域侏羅系殘余地層分布Fig.6 Distribution of residual strata of Jurassic in Bohai sea

3 前新生代構(gòu)造演化“蹺蹺板”現(xiàn)象及其成因機制

渤海海域前寒武紀地勢明顯西高東低，而到了中生代末轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞯蜄|高，呈現(xiàn)明顯的“蹺蹺板”現(xiàn)象。太古宙—古元古代，渤海海域歷經(jīng)多期變質(zhì)事件，在約1 800 Ma形成統(tǒng)一的結(jié)晶基底[6-8]，華北地臺克拉通化。中元古代，渤海海域進入裂陷槽發(fā)育階段，從長城系到薊縣系再到青白口系構(gòu)成了一套完整的裂谷盆地沉積序列[16]。到了新元古代南華紀，Rodinia超大陸開始裂解[8]，郯廬斷裂西側(cè)裂陷槽沉積地層遭受隆升，幾乎剝蝕殆盡；郯廬斷裂東側(cè)轉(zhuǎn)入大規(guī)模裂陷沉降，沉積了一套海相碎屑巖及碳酸鹽巖。元古代末，受薊縣運動影響，渤海海域整體隆升，由中、新元古代裂陷差異沉降的似蓋層沉積階段轉(zhuǎn)化為一個新的早古生代穩(wěn)定的克拉通發(fā)育階段[17]。古生代之后，受印支期華南、華北兩板塊剪刀式碰撞作用影響[18]，橫向擠壓差異導(dǎo)致郯廬斷裂左行走滑活動，郯廬斷裂東側(cè)強烈隆升，古生界幾乎剝蝕殆盡，郯廬斷裂西側(cè)仍殘存一定厚度的古生界，地勢轉(zhuǎn)變?yōu)闁|高西低。到了早中侏羅世，研究區(qū)轉(zhuǎn)入濱太平洋構(gòu)造體系域，伊澤奈崎板塊開始向東亞板塊俯沖[19]，郯廬斷裂東側(cè)進一步隆升，導(dǎo)致僅在渤海西部局部發(fā)育侏羅系。晚侏羅世—早白堊世，伊澤奈崎板塊俯沖運動方向和速度發(fā)生轉(zhuǎn)變[7]，地幔隆升，華北克拉通遭受破壞，研究區(qū)發(fā)生強烈伸展反轉(zhuǎn)和大規(guī)模巖漿活動。晚白堊世，伊澤奈崎板塊逐漸消失，庫拉板塊正向(NWW向)俯沖于亞洲大陸之下，渤海整體隆升剝蝕，缺失上白堊統(tǒng)[20]?？偟膩砜?，Rodinia超大陸的裂解控制了前寒武紀渤海地勢西高東低；印支期華南、華北兩板塊剪刀式碰撞以及伊澤奈崎板板塊早期的俯沖作用決定了中生代地勢西低東高(圖7)。因此，板塊的裂解和聚合是造成研究區(qū)前新生代構(gòu)造演化”蹺蹺板”現(xiàn)象的主要原因。

圖7 渤海海域前新生代構(gòu)造演化“蹺蹺板”現(xiàn)象形成過程示意圖Fig.7 Schematic of “seesaw” phenomenon in pre-Cenozoic tectonic evolution in Bohai sea

4 結(jié)論

1) 渤海海域首次發(fā)現(xiàn)新元古代疑源類化石，從而明確了渤海東部所鉆遇的前寒武系碳酸鹽巖時代歸屬為新元古代的震旦紀。鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)表明，渤海海域前寒武系具有西老東新的特征。古生界和侏羅系殘余地層分布特點表明，渤海海域前寒武紀地勢西高東低，中生代末轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞯蜄|高，構(gòu)造演化具有明顯的“蹺蹺板”現(xiàn)象。

2) 南華紀Rodinia超大陸的裂解控制了渤海海域前寒武紀地勢西高東低。印支期華南、華北兩板塊剪刀式碰撞，擠壓作用東強西弱；燕山早期，伊澤奈崎板塊NW向俯沖作用使得渤海東部進一步隆升，兩期構(gòu)造運動造就了渤海海域中生代地勢東高西低的特征。因此，板塊的裂解和聚合是造成研究區(qū)前新生代構(gòu)造演化“蹺蹺板”現(xiàn)象的主要原因。