吳 林，陳清華，劉 寅，王 璽，張曉丹，孫 珂，陳傳浩

[1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；3.中國(guó)石油 東方地球物理公司 新興物探開發(fā)處，河北 涿州 072751]

裂陷盆地伸展方位與構(gòu)造作用及對(duì)構(gòu)造樣式的控制
——以蘇北盆地高郵凹陷南部斷階帶為例

吳 林1,2，陳清華2，劉 寅2，王 璽2，張曉丹3，孫 珂2，陳傳浩2

[1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；3.中國(guó)石油 東方地球物理公司 新興物探開發(fā)處，河北 涿州 072751]

南部斷階帶為蘇北盆地高郵凹陷邊界構(gòu)造帶，由吳堡斷階帶和真武斷階帶兩個(gè)部分組成，具有復(fù)雜的構(gòu)造作用過(guò)程和構(gòu)造樣式。在南部斷階帶幾何學(xué)特征研究基礎(chǔ)上，以應(yīng)力-應(yīng)變分析理論為指導(dǎo)，利用平衡剖面法反演所得的伸展率進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，明確高郵凹陷各時(shí)期的優(yōu)勢(shì)伸展方位，從而分析南部斷階帶的構(gòu)造作用及其對(duì)構(gòu)造樣式的控制。結(jié)果表明，高郵凹陷優(yōu)勢(shì)伸展方位經(jīng)歷了NW向(K2t2—E2d)，NS向(E2s)和NW向(Ny—Qd)的變化過(guò)程，首次從定量角度深入認(rèn)識(shí)了高郵凹陷晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向。由于不同時(shí)期優(yōu)勢(shì)伸展方位與斷階帶呈不同角度斜交，吳堡斷階帶經(jīng)歷了純伸展、右行走滑-伸展與純伸展3期構(gòu)造作用，形成了平面斜交式和剖面馬尾狀的簡(jiǎn)單斷層組合樣式；真武斷階帶經(jīng)歷了左行走滑-伸展、右行走滑-伸展和左行走滑-伸展3期構(gòu)造作用，形成了平面網(wǎng)格式與剖面復(fù)式馬尾狀的復(fù)雜斷層組合樣式。伸展速率與走滑速率研究表明，斷階帶伸展與走滑作用主要發(fā)生在阜寧組、戴南組和三垛組，多期次的走滑-伸展作用是南部斷階帶構(gòu)造樣式的主要控制因素。

伸展；走滑；伸展方位；構(gòu)造樣式；斷階帶；高郵凹陷；蘇北盆地

晚中生代—新生代是中國(guó)東部斷陷盆地發(fā)育的主要時(shí)期，這一時(shí)期區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)頻繁變化、斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，加強(qiáng)該時(shí)期的構(gòu)造作用研究，對(duì)油氣勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。蘇北盆地是中國(guó)東部重要的含油氣盆地，高郵凹陷作為內(nèi)部最為典型與重要的凹陷之一，其運(yùn)動(dòng)學(xué)研究一直備受關(guān)注[4-7]。受到郯廬斷裂帶活動(dòng)的影響，高郵凹陷發(fā)育于走滑-拉分背景之下，這時(shí)區(qū)域伸展方向與邊界主斷層走向斜交，易發(fā)生斜滑作用而產(chǎn)生走滑分量[8-9]。然而前人對(duì)高郵凹陷的區(qū)域伸展方向和伸展程度分析不清晰，缺乏考慮走滑因素[9-11]，也忽略了斷階帶內(nèi)部不同位置構(gòu)造樣式的差異性，不能準(zhǔn)確全面地認(rèn)識(shí)斷階帶的構(gòu)造作用過(guò)程。因此，本文在南部斷階帶幾何學(xué)特征研究基礎(chǔ)上，利用平衡剖面法反演出地質(zhì)剖面各時(shí)期的伸展率，再通過(guò)不同地質(zhì)剖面同一時(shí)期伸展率大小的橫向?qū)Ρ龋鞔_高郵凹陷各時(shí)期的優(yōu)勢(shì)伸展方位，進(jìn)一步分析南部斷階帶的構(gòu)造(伸展與走滑)作用及其對(duì)構(gòu)造樣式的控制，并計(jì)算南部斷階帶各階段伸展量與走滑量，實(shí)現(xiàn)斷階帶斷陷盆地發(fā)育期的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，為高郵凹陷油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

高郵凹陷是在晚白堊世儀征運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中、新生代斷陷盆地，凹陷結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為南斷北超，其構(gòu)造演化與中國(guó)東部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)[8]。中生代時(shí)期，板塊碰撞引起的區(qū)域推覆作用使高郵凹陷基底形成了真武斷裂[9]。晚白堊世以來(lái)，下?lián)P子地區(qū)由古特提斯構(gòu)造域演變?yōu)樘窖髽?gòu)造域，其構(gòu)造演化主要受控于太平洋板塊運(yùn)動(dòng)[7]。由于西太平洋區(qū)伊澤納崎板塊NNW向高速俯沖于歐亞大陸之下，下?lián)P子地區(qū)處于弧后擴(kuò)張環(huán)境[8]，巖石圈減薄，發(fā)生 NW-SE 向區(qū)域性伸展作用，真武斷裂復(fù)活并微弱活動(dòng)，繼承性演化為真①斷層、吳①斷層，沉積泰州組(K2t，65～83 Ma)。古近紀(jì)時(shí)期，高郵凹陷進(jìn)入斷陷盆地發(fā)育階段，從老到新依次沉積阜寧組(Elf，54.9～65 Ma)、戴南組(E2d，50.5～54.9 Ma)，真②斷層和吳②斷層強(qiáng)烈活動(dòng)，成為南部控凹邊界斷層，同時(shí)發(fā)育一系列與之平行或斜交的次級(jí)斷層，這些斷層共同構(gòu)成南部斷階帶。晚始新世，太平洋板塊的俯沖方向由NNW向轉(zhuǎn)為NWW向，與此同時(shí)印度板塊與歐亞板塊的碰撞使中國(guó)大陸東部產(chǎn)生近EW向的區(qū)域擠壓應(yīng)力場(chǎng)[8]，而NNE走向的郯廬斷裂帶同時(shí)發(fā)生右行走滑作用，兩種力學(xué)環(huán)境派生出近SN向拉張應(yīng)力場(chǎng)，該時(shí)期沉積的三垛組(E2s，38～50.5 Ma)中真②斷層三段式、右行左列的分布方式(圖1b)也證明了SN向的拉張應(yīng)力場(chǎng)。新近紀(jì)，高郵凹陷進(jìn)入坳陷階段，郯廬斷裂帶活動(dòng)性明顯減弱，高郵凹陷重新接受NW-SE 向區(qū)域性伸展作用，但與古新世NW-SE向伸展相比有明顯的減弱，披覆性沉積鹽城組(N2y，2～24.6 Ma)和東臺(tái)組(Qd，0～2 Ma)。

2 南部斷階帶幾何學(xué)特征

南部斷階帶為高郵凹陷邊界構(gòu)造帶，南鄰蘇南隆起和吳堡低凸起(圖1a，b)，北鄰高郵凹陷深凹帶，由東段的吳堡斷階帶和西段的真武斷階帶組成[9]，長(zhǎng)約100 km。平面走向北東東-北東向，呈條帶狀，剖面傾向北西西-北西向，呈臺(tái)階狀北掉。南部斷階帶最大沉積厚度達(dá)5 000 m，油氣富集程度較高，前人對(duì)于南部斷階帶內(nèi)部主要斷層已有較為詳細(xì)的總結(jié)[8,10-11]，可分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和次級(jí)斷層，約200余條。

2.1 吳堡斷階帶

指吳①斷層、吳②斷層及周圍次級(jí)斷層組成的構(gòu)造帶，即南部斷階帶東段部分，該構(gòu)造帶總體走向NE向(圖1b，c)。吳①斷層同為控制凹陷和斷階帶發(fā)育的I級(jí)邊界斷層，平面呈線型發(fā)育，走向NE向，剖面形態(tài)呈板式(Gz64.48測(cè)線)、鏟式(Gz72.28測(cè)線)，且斷層傾角從Gz48.68到Gz72.28有逐漸變小的趨勢(shì)。吳①斷層切穿了晚白堊世泰州組，上、下盤各時(shí)期地層厚度不一致，屬于生長(zhǎng)斷層，加強(qiáng)吳①斷層活動(dòng)性分析對(duì)高郵凹陷構(gòu)造演化研究至關(guān)重要。吳②斷層為后期替代吳①斷層控制凹陷發(fā)育的Ⅱ級(jí)斷層，西段斜交于吳①斷層中部，走向NE。吳②斷層剖面形態(tài)呈板式(Gz64.48測(cè)線)，在深部相交于吳①斷層，并組合成“Y”字型(Gz56.88測(cè)線)，吳②斷層切穿了新生界，也具有生長(zhǎng)性質(zhì)。次級(jí)斷層總體走向近EW向，與吳①斷層、吳②斷層斜交發(fā)育，剖面上多呈階梯狀組合出現(xiàn)(Gz48.68、Gz72.28測(cè)線)，部分與吳②斷層組合成馬尾狀形態(tài)(Gz64.48測(cè)線)。

2.2 真武斷階帶

指真①斷層、真②斷層及周圍次級(jí)斷層組成的構(gòu)造帶，即南部斷階帶西段部分，該構(gòu)造帶總體走向NEE向(圖1b，c)。真①斷層為控制凹陷和斷階帶發(fā)育的Ⅰ級(jí)邊界斷層，平面呈彎曲線型發(fā)育，走向NEE向，剖面形態(tài)呈鏟式(G15，G25和G46測(cè)線)、坡坪式(G9和G33測(cè)線)，且斷層傾角從G3到G46有逐漸變大的趨勢(shì)。真①斷層切穿了晚白堊世泰州組，上、下盤各時(shí)期地層厚度不一致，屬于生長(zhǎng)斷層，加強(qiáng)真①斷層活動(dòng)性分析對(duì)高郵凹陷構(gòu)造演化研究同樣重要。Ⅱ級(jí)斷層包括真②斷層和紀(jì)③斷層。真②斷層總體平行于真①斷層發(fā)育，走向NNE向，自西至東又分為真②-3斷層(G3和G9測(cè)線)、真②-2斷層(G9，G15和G25測(cè)線)、真②-1斷層等3段(G25，G33和G46測(cè)線)，3段式真②斷層呈雁列式疊置發(fā)育，并在深部相交于真①斷層，剖面形態(tài)呈板式(G3和G15測(cè)線)、鏟式(G25和G33測(cè)線)，真②斷層切穿了新生界，也具有生長(zhǎng)性質(zhì)。紀(jì)③斷層平面走向NE向，連接真①斷層和真②-1斷層。次級(jí)斷層發(fā)育明顯受高級(jí)別斷層控制，走向包括近EW，NE和NEE向，其延伸距離、斷層規(guī)模較小，大多只切穿新生界部分層位。值得注意的是，真②斷層將次級(jí)斷層分為特征不同的南、北兩個(gè)部分：南部次級(jí)斷層分布在真①斷層和真②斷層之間，數(shù)量較多，平面組合成斜交式、網(wǎng)格式形態(tài)，剖面多呈階梯式組合發(fā)育(G25測(cè)線)，且在深部交于真①斷層，與真①斷層組合成馬尾狀形態(tài)(G9，G15和G25測(cè)線)；北部次級(jí)斷層分布在真②斷層北部，數(shù)量較少，平面組合成斜交式、平行式形態(tài)，且在深部交于真②斷層，與真②斷層組合成馬尾狀形態(tài)(G25和G33測(cè)線)。

圖1 高郵凹陷南部斷階帶構(gòu)造單元特征Fig.1 Structural elements characteristics of the south fault terrace in the Gaoyou Saga.蘇北盆地構(gòu)造單元；b.高郵凹陷構(gòu)造單元；c.南部斷階帶反射層斷裂系統(tǒng)及主干測(cè)線位置；d.部分主干測(cè)線地質(zhì)解釋剖面

3 高郵凹陷優(yōu)勢(shì)伸展方位

3.1 優(yōu)勢(shì)伸展方位數(shù)學(xué)模型

在復(fù)雜的伸展構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，盆地不同方位均呈現(xiàn)不同程度的構(gòu)造變形響應(yīng)[12-13]，其中伸展程度(即伸展率)最大的方位即為優(yōu)勢(shì)伸展方位，加強(qiáng)該內(nèi)容研究是分析斷階帶伸展與走滑作用的重要前提[14-16]。為此本次建立如下二維數(shù)學(xué)模型[17]，假設(shè)某地質(zhì)體在持續(xù)的X軸向拉伸作用下發(fā)生均勻遞進(jìn)變形，變形過(guò)程中的第i期應(yīng)變橢圓和第j期應(yīng)變橢圓如圖2所示，考慮到變形過(guò)程中的面積守恒定律，相對(duì)于第i期來(lái)說(shuō)，第j期應(yīng)變橢圓存在擠壓區(qū)和伸展區(qū)，下面對(duì)伸展區(qū)的優(yōu)勢(shì)伸展方位進(jìn)行論證。

如圖2，假設(shè)第i期應(yīng)變橢圓的長(zhǎng)軸、短軸分別為ai和bi，應(yīng)變橢圓上第一象限的任意一變形點(diǎn)A的坐標(biāo)為(xi，yi)，xi>0，yi>0，該變形點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線即為變形長(zhǎng)度di，di與X軸夾角為θi，θi>0，則有如下

圖2 均勻遞進(jìn)變形過(guò)程中應(yīng)變橢圓變化示意圖Fig.2 Variation of strain ellipse in uniform progressive deformation

公式：

(1)

(2)

(3)

經(jīng)計(jì)算可得：

(4)

(5)

(6)

假設(shè)伸展變形作用后的第j期應(yīng)變橢圓的長(zhǎng)軸、短軸分別為aj和bj，由于變形過(guò)程中面積守恒，變形點(diǎn)X坐標(biāo)值增大，Y坐標(biāo)值相應(yīng)減小，第j期變形點(diǎn)B(xj，yj)對(duì)應(yīng)第i期變形點(diǎn)A(xi，yi)，xj>0，yj>0，變形長(zhǎng)度為dj，dj與X軸夾角為θj，θj>0，則有如下關(guān)系式：

(7)

(8)

同理可得dj，xj，yj的計(jì)算公式。由前述伸展率計(jì)算公式可知，變形點(diǎn)A(xi，yi)到B(xj，yj)的伸展率即為dj/di-1，X軸方向伸展率為aj/ai-1，因此優(yōu)勢(shì)伸展方位的論證即轉(zhuǎn)化為dj/di與aj/ai的大小關(guān)系比較問(wèn)題，以t表示該比值，設(shè)aibi=ajbj=m(定值)，則有：

(9)

均勻變形過(guò)程中局部面積也守恒，由A對(duì)應(yīng)B可知，扇形AOC和扇形BOD面積相等。根據(jù)橢圓中扇形面積的數(shù)學(xué)計(jì)算公式可知：

1/2 aibiarctan[(tanθi) ai/bi]

=1/2 ajbjarctan[(tanθi)aj/bj]

(10)

即：

aitanθi/bi=ajtanθi/bj

(11)

代入t可得：

t2= (1+tanθi2)/(1+tanθj 2)

(12)

由于θi>θj，tanθi>tanθj，則t>1，即aj/ai>dj/di。不難得出結(jié)論，X軸向拉伸作用下發(fā)生的均勻遞進(jìn)變形，該方向的伸展率也最大，即優(yōu)勢(shì)伸展方位上的伸展率最大，而定義伸展率最大的方位即為優(yōu)勢(shì)伸展方位。因此，優(yōu)勢(shì)伸展方位和伸展率最大方位為互等命題，找出伸展率最大的方位即可明確區(qū)域伸展方向。

3.2 高郵凹陷優(yōu)勢(shì)伸展方位

利用平衡剖面技術(shù)，對(duì)斷階帶不同方位的地質(zhì)剖面進(jìn)行構(gòu)造演化分析[12]，可以得出多組伸展量與伸展率數(shù)據(jù)，根據(jù)前述論證結(jié)果分析出優(yōu)勢(shì)伸展方位。

地質(zhì)剖面的選取需注意以下幾個(gè)原則：①同組地質(zhì)剖面盡量以一點(diǎn)為中心放射狀平均分布；②同組地質(zhì)剖面的數(shù)量越多，越能全面地反映不同方位的伸展率大??；③選取地質(zhì)剖面盡量少地切過(guò)兩種走向大或急劇變化的斷層；④多考慮幾組地質(zhì)剖面，檢驗(yàn)不同方案所表達(dá)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)是否一致。本次以高郵凹陷中部永安地區(qū)永20井為中心(圖1)，選取了12條區(qū)域地質(zhì)剖面，呈“米”字形從不同方向切過(guò)整個(gè)高郵凹陷，相鄰剖面之間間隔15°。根據(jù)前人對(duì)高郵凹陷構(gòu)造演化的認(rèn)識(shí)，分5個(gè)時(shí)期討論了高郵凹陷晚白堊世以來(lái)的優(yōu)勢(shì)伸展方位(表1；圖3)。

1) NW向伸展期(K2t2—E2d)

K2t2—E1f1時(shí)期，優(yōu)勢(shì)伸展方位為NW-SE向，伸展率達(dá)16.75%，明顯大于其它方向伸展率，表明NW-SE向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)開始對(duì)高郵凹陷形成拉伸作用。泰二段時(shí)期，盆地開始接受區(qū)域伸展作用，邊界Ⅰ級(jí)斷層真①斷層和吳①斷層同時(shí)開始活動(dòng)(圖4)，活動(dòng)速率約50 m/Ma，兩斷層的東部邊緣活動(dòng)性稍小。邊界斷層的活動(dòng)拉開了斷陷盆地發(fā)育的序幕[8]。

E1f2—E1f4時(shí)期，伸展率較泰二段—阜一段時(shí)期明顯增大，約5%～15%，優(yōu)勢(shì)伸展方位依然為NW-SE向，伸展率達(dá)17.33%，同時(shí)相鄰的NWW-SEE和NNW-SSE方向伸展率接近NW-SE方向，約15%左右，表明NW-SE方向強(qiáng)烈拉伸增強(qiáng)了相鄰方向的拉伸作用，該時(shí)期高郵凹陷伸展作用強(qiáng)烈[8]。真①斷層和吳①斷層達(dá)到活動(dòng)高峰，活動(dòng)速率達(dá)到100 m/Ma以上，二者中部活動(dòng)性最大達(dá)300 m/Ma左右。受真①斷層控制，真②斷層和紀(jì)③斷層開始形成于真①斷層的東西兩端(圖4)，其活動(dòng)速率約為50 m/Ma，相對(duì)小于真①斷層。

E2d時(shí)期，優(yōu)勢(shì)伸展方位依然為NW-SE向，伸展率達(dá)9.23%，總體伸展率較阜二段—阜四段時(shí)期明顯減小，約5%～10%，同時(shí)NNE-SSW方向伸展率也不可忽略，顯示了優(yōu)勢(shì)伸展方位的變化跡象。真①斷層活動(dòng)性呈現(xiàn)階段性變化，不同段活動(dòng)速率相差較大，介于0～100m/Ma，這與凹陷內(nèi)部強(qiáng)烈發(fā)育的真②斷層有關(guān)，在統(tǒng)一拉張作用下，二者活動(dòng)性相互補(bǔ)償[8]。若真①斷層某段活動(dòng)速率小，則該段平行處則發(fā)育活動(dòng)速率較大的真②斷層。吳①斷層走向變化相對(duì)較小，主體段活動(dòng)性依然較大，其走向轉(zhuǎn)折端形成吳②斷層[11]，二者活動(dòng)速率約100～200 m/Ma，也呈現(xiàn)相互補(bǔ)償?shù)奶卣鳌?/p>

2) NS向伸展期(E2s)三垛組，各方向伸展率依然較小，但優(yōu)勢(shì)伸展方位變?yōu)镹S方向，伸展率約10.5%，表明此時(shí)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)為NS向拉伸。真①斷層不同段活動(dòng)性差距較小，活動(dòng)速率為10 m/Ma左右，吳①斷層活動(dòng)性繼續(xù)減弱，活動(dòng)速率介于0～10 m/Ma。真②斷層3段式正式形成[10](圖4)，由西至東依次為真②-3斷層、真②-2斷層、真②-1斷層，呈右旋疊置而形成調(diào)節(jié)帶，活動(dòng)速率為10～100 m/Ma左右。吳②斷層沿走向延伸發(fā)育，活動(dòng)性較戴南組時(shí)期有所減小，活動(dòng)速率為10～100 m/Ma左右。

表1 高郵凹陷不同走向剖面伸展率(剖面位置見圖1b)

圖3 高郵凹陷不同走向剖面各時(shí)期伸展率玫瑰花圖Fig.3 Rose diagrams of extensional rate of different strike profiles during each period in the Gaoyou Saga. K2t2—E1f 1;b. K1f 2—E1f 4;c. E2d;d. E2s;e. Ny—Qd

3) NW向伸展期(Ny—Qd)

鹽城組之后，高郵凹陷全區(qū)統(tǒng)一坳陷沉降[6-7]，各方向伸展率明顯減小，優(yōu)勢(shì)伸展方位又變?yōu)镹W-SE方向，NW-SE向拉伸作用逐漸衰退。各級(jí)斷層活動(dòng)性明顯減小(圖4)，活動(dòng)速率約為0～10 m/Ma左右，斷階帶東西兩側(cè)活動(dòng)性明顯小于中部。

為了使計(jì)算結(jié)果更為可信，研究中還選取了吳堡斷階帶北部地區(qū)的一組“米”字形剖面進(jìn)行了驗(yàn)證。基于伸展率大小劃分高郵凹陷優(yōu)勢(shì)伸展方位，其定量研究結(jié)果較前人構(gòu)造演化認(rèn)識(shí)[5-6,8,10]更為精確，同時(shí)各伸展期的伸展程度與斷層活動(dòng)性程度一致性較好。

4 南部斷階帶伸展與走滑作用

前已述及，晚白堊世高郵凹陷發(fā)育以來(lái)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)先后表現(xiàn)為NW，NS和NW向拉伸，而真武斷階帶和吳堡斷階帶走向分別為NEE和NE向，因此二者不同時(shí)期表現(xiàn)出不同類型的伸展與走滑作用。本次自西而東選取21條地質(zhì)剖面(圖1c)對(duì)伸展量和走滑量進(jìn)行計(jì)算，其中前14條剖面走向NNW向，垂直切過(guò)真武斷階帶，后7條剖面走向NW向，垂直切過(guò)吳堡斷階帶。

4.1 吳堡斷階帶

泰州組-戴南組沉積時(shí)期，吳堡斷階帶接受NW向垂向拉伸，發(fā)生純伸展作用，此時(shí)并無(wú)走滑分量。通過(guò)對(duì)NWW向7條地質(zhì)剖面的計(jì)算認(rèn)為，吳堡斷階帶平均伸展量約為1.9 km，其中K2t2—E1f1，E1f2—E1f4和E2d的伸展量分別約為0.3，1.1和0.5 km。

三垛組沉積時(shí)期，吳堡斷階帶接受NS向斜向拉伸，以伸展作用為主，同時(shí)發(fā)生右行走滑作用。計(jì)算該時(shí)期吳堡斷階帶的平均伸展量約為0.7 km。同時(shí)測(cè)量吳堡斷階帶總體走向?yàn)镹E45°，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向銳夾角為45°，因此計(jì)算其走滑量約為0.7 km。同樣需要注意，三垛組走滑位移為-0.7 km。相干體是地震數(shù)據(jù)中地質(zhì)信息的集中反映，等時(shí)切片往往可以反映沉積體的發(fā)育情況[18]。圖5a，b為吳堡斷階帶周莊地區(qū)1 376 ms和1 446 ms相干體等時(shí)切片，該時(shí)間域?qū)?yīng)了戴南組二段時(shí)期，經(jīng)歷了后期三垛組NS向的一期斜向伸展作用。圖中沖積扇體發(fā)育明顯，且深部扇體發(fā)育在淺部扇體的東北部，鉆井、巖心數(shù)據(jù)表明二者為同一扇體，且物源相同。綜合分析認(rèn)為，該沖積扇體由于右行走滑作用而發(fā)生頂部偏移。根據(jù)扇體物源通道中間點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)距離，測(cè)算走滑量為687 m，與理論計(jì)算結(jié)果一致性較好。

圖4 高郵凹陷南部斷階帶各時(shí)期主要斷層活動(dòng)速率Fig.4 Displacement rate of major fault for each period of the south fault terrace in the Gaoyou Sag

鹽城組之后沉積時(shí)期，吳堡斷階帶重新接受NW-SE向垂向拉伸，再次變?yōu)榧兩煺棺饔?，其伸展量約為0.3 km。

4.2 真武斷階帶

泰州組-戴南組沉積時(shí)期，真武斷階帶接受NW向斜向拉伸，以伸展作用為主，同時(shí)發(fā)生左行走滑作用。通過(guò)對(duì)NWW向14條地質(zhì)剖面的計(jì)算認(rèn)為，真武斷階帶平均伸展量為3.5 km，其中K2t2—E1f1，E1f2—E1f4和E2d的伸展量分別約為0.5，1.9和1.1 km。同時(shí)測(cè)量真武斷階帶總體走向?yàn)镹E65°，該時(shí)期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向NW45°，因此計(jì)算其走滑量約為1.3 km，其中K2t2—E1f1，E1f2—E1f4和E2d的走滑量分別約為0.2，0.7和0.4 km。

三垛組沉積時(shí)期，真武斷階帶接受NS向斜向拉伸，以伸展作用為主，同時(shí)發(fā)生右行走滑作用。計(jì)算該時(shí)期真武斷階帶的平均伸展量約為1.6 km，而此時(shí)斷階帶走向與受力方向之間銳夾角為65°，因此其走滑量約為0.7 km。假設(shè)左行走滑位移為正，則三垛組右行走滑位移為-0.7 km。

鹽城組之后沉積時(shí)期，真武斷階帶再次接受NW向斜向拉伸，發(fā)生左行走滑-伸展作用，伸展量為0.8 km，同理計(jì)算其走滑量約為0.2 km。圖5c，d為真武斷階帶曹莊地區(qū)830 ms和840 ms相干體等時(shí)切片，該時(shí)間域?qū)?yīng)了三垛組末期，經(jīng)歷了后期鹽城組NW向的一期斜向伸展作用。圖中河道沉積體發(fā)育明顯，二者之間形態(tài)略有變化，但均被真②-2斷層切割并錯(cuò)開，發(fā)生左行走滑作用。根據(jù)河道中間相當(dāng)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)距離，測(cè)算走滑量約190 m左右，與理論計(jì)算結(jié)果一致性較好。

圖5 高郵凹陷南部斷階帶相干體等時(shí)切片的地質(zhì)解釋(位置見圖1c)Fig.5 Geological interpretation of seismic variance in seismic time slices of the south fault terrace in the Gaoyou Sag(the profile locationwas shown in Fig.1c)a.吳堡斷階帶1 376 ms；b.吳堡斷階帶1 446 ms；c.真武斷階帶830 ms；d.真武斷階帶840 ms

結(jié)果表明，晚白堊世以來(lái)，真武斷階帶和吳堡斷階帶一直以伸展作用為主，伸展量不斷積累增大，并且發(fā)生著不同形式的走滑作用，形成了南部斷階帶平面帶狀、剖面箕狀的盆地結(jié)構(gòu)，這也是斷陷盆地發(fā)育的典型盆地結(jié)構(gòu)。吳堡斷階帶經(jīng)歷了純伸展、右行走滑-伸展與純伸展3期作用，真武斷階帶經(jīng)歷了左行走滑-伸展、右行走滑-伸展與左行走滑-伸展3期作用。結(jié)合沉積時(shí)間可計(jì)算出伸展速率與走滑速率。圖6表明，斷階帶伸展與走滑作用伴隨著高郵凹陷的形成演化，并具有初期弱、中期強(qiáng)、晚期弱的特點(diǎn)，其中較強(qiáng)的時(shí)期主要指阜寧組、戴南組和三垛組。上述計(jì)算的伸展量、走滑量均是針對(duì)整個(gè)斷階帶來(lái)說(shuō)的，而不是某一條斷層，但這些應(yīng)變量可能是該期活動(dòng)性較強(qiáng)的某一條或幾條斷層貢獻(xiàn)的。同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中，忽略了盆地張開過(guò)程中斷階帶的平面和剖面形態(tài)變化。

5 伸展方位與走滑作用對(duì)構(gòu)造樣式的控制

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于正向、斜向裂陷作用及其構(gòu)造樣式研究越來(lái)越受重視，前人研究成果表明[19-23]，當(dāng)中間主應(yīng)力方向與先存邊界斷層平行時(shí)(圖7a)，可產(chǎn)生平面平行式、剖面馬尾狀的斷層組合樣式，其主要成因機(jī)制為伸展作用，對(duì)應(yīng)正向裂陷作用；當(dāng)中間主應(yīng)力與先存邊界斷層斜交時(shí)(圖7b)，可產(chǎn)生平面斜交式、剖面馬尾狀的斷層組合樣式，其主要成因機(jī)制為伸展-走滑作用成因[22-23]，對(duì)應(yīng)斜向裂陷作用。漆家福(2012)利用應(yīng)力摩爾圓解釋了上述兩種裂陷作用下構(gòu)造樣式類型的成因和應(yīng)力狀態(tài)[20]。吳堡、真武斷階帶在統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)背景下經(jīng)歷了多期次不同形式的正向、斜向裂陷作用過(guò)程，其構(gòu)造樣式也具有明顯可對(duì)比性，本次以此為典型案例，分析裂陷作用中伸展與走滑作用對(duì)構(gòu)造樣式的控制。

圖6 高郵凹陷南部斷階帶伸展與走滑速率曲線Fig.6 Linear relationship between the rate of extension and the rate of strike-slip in the south fault terrace in the Gaoyou Sag①真武斷階帶伸展速率曲線；②吳堡斷階帶伸展速率曲線；③真武斷階帶走滑速率曲線；④吳堡斷階帶走滑速率曲線

圖7 伸展與伸展-走滑構(gòu)造發(fā)育模式及應(yīng)力狀態(tài)圖解[14]Fig.7 Maps showing the structural pattern and its stress pattern during extension and extension-slip[14]

吳堡斷階帶平面上發(fā)育一系列雁列式張剪斷層，且與主斷層呈銳夾角相交，剖面上發(fā)育馬尾狀斷層組合，說(shuō)明吳堡斷階帶具有伸展-走滑成因[8]，且只發(fā)育一期的伸展-走滑作用，銳夾角指示了三垛期的右行走滑-伸展作用。

真武斷階帶平面上網(wǎng)格式組合的兩組斷層均與主斷層斜交，剖面上馬尾狀或階梯狀斷層組合被真②斷層分割為兩組，認(rèn)為真武斷階帶為伸展-走滑成因，而且很可能發(fā)育多期次不同形式的伸展-走滑作用。研究認(rèn)為，近EW走向次級(jí)斷層與主斷層的銳夾角指示了三垛期的右行走滑-伸展作用，右行右列的3段式真②斷層也可證明這一點(diǎn)；近NE走向次級(jí)斷層與主斷層的銳夾角指示了泰州組—戴南組、鹽城組—東臺(tái)組的左行走滑-伸展作用。

圖8 高郵凹陷南部斷階帶西部地區(qū)次級(jí)斷層落差(m)Fig.8 Secondary fault’s throw(m) in the west of the south fault terrace in the Gaoyou Saga.戴南組一段；b.三垛組一段；c.鹽城組一段

以南部斷階帶西部為例，該地區(qū)斷層發(fā)育程度高(圖1c)，其走向主要分為3組，分別為NEE，NE和NW向，本次統(tǒng)計(jì)了該地區(qū)13條斷層不同時(shí)期的斷層落差，斷層活動(dòng)可分為3期。戴一段時(shí)期，在NW向伸展作用下，NEE走向的真②-2斷層形成較大落差，同時(shí)發(fā)育了NE走向的次級(jí)斷層，斜交于真②-2斷層(圖8a)，形成了第1期平面斜交式、剖面馬尾狀構(gòu)造樣式。垛一段時(shí)期，真②-2斷層在NS向伸展作用下繼續(xù)活動(dòng)，而NE走向次級(jí)斷層活動(dòng)性明顯減弱(圖8b)，形成了另外一組與真②-2斷層斜交的NW走向次級(jí)斷層，即第2期平面斜交式、剖面馬尾狀構(gòu)造樣式。鹽一段時(shí)期，伸展方向又變?yōu)镹W向，NE走向次級(jí)斷層再次活動(dòng)，斜交于真②-2斷層，而NW走向的次級(jí)斷層并無(wú)斷層落差(圖8c)，即形成了第3期平面斜交式、剖面馬尾狀構(gòu)造樣式，類似于第1期。因此，當(dāng)多期次斷層活動(dòng)可疊合形成復(fù)雜的斷層組合樣式。

6 結(jié)論

1) 在應(yīng)力-應(yīng)變分析和理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，利用平衡剖面法反演所得的伸展率進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可明確盆地各時(shí)期的優(yōu)勢(shì)伸展方位，盡管這種地質(zhì)剖面反演法是一種老思路，但應(yīng)用到盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)定量分析研究中并不多見，可為成熟探區(qū)構(gòu)造解析提供新的思路。高郵凹陷各時(shí)期的優(yōu)勢(shì)伸展方位經(jīng)歷了NW向(K2t2—E2d)，NS向(E2s)和NW向(Ny—Qd)的變化過(guò)程，首次從定量角度深入認(rèn)識(shí)了高郵凹陷晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向。不同伸展方向下，南部斷階帶內(nèi)部吳①、吳②、真①、真②斷層具有不同的活動(dòng)特征。

2) 由于吳堡斷階帶和真武斷階帶走向不同，在K2t2—E2d，E2s和Ny—Qd時(shí)期，吳堡斷階帶經(jīng)歷了純伸展、右行走滑-伸展、純伸展3期作用，真武斷階帶經(jīng)歷了左行走滑-伸展、右行走滑-伸展、左行走滑-伸展3期作用。斷階帶不同時(shí)期的伸展量、伸展速率、走滑量、走滑速率計(jì)算結(jié)果表明，伸展與走滑作用主要發(fā)生在阜寧組、戴南組和三垛組時(shí)期。

3) 多期次、多形式的走滑-伸展作用對(duì)南部斷階帶構(gòu)造樣式具有控制作用，吳堡斷階帶一期右行走滑-伸展作用形成了平面斜交式、剖面馬尾狀的簡(jiǎn)單斷層組合樣式，真武斷階帶3期走滑-伸展作用形成了平面網(wǎng)格式、剖面復(fù)式馬尾狀的復(fù)雜斷層組合樣式。

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(編輯 董 立)

Extension direction and tectonism in rift basins and their control on structural style: A case study on the south fault terrace in the Gaoyou Sag,Subei Basin

Wu Lin1,Chen Qinghua2,Liu Yin2,Wang Xi2,Zhang Xiaodan3,Sun Ke2,Chen Chuanhao2

[1.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,PetroChina,Beijing100083,China; 2.SchoolofGeoscience,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China; 3.NewResourcesGeophysicalExplorationDivision,BGPInc.,CNPC,Zhuozhou,Hebei072751,China]

As the tectonic boundary belt,the south fault terrace,which consists of Wubao fault terrace and Zhenwu fault terrace,has complicated tectonic history and style.Based on the geometrical characteristics of the south fault terrace,guided by the stress-strain theory and extensional rate from the balanced section,we figured out the dominate extensional direction in different periods and analyzed the amount of extension and strike-slip of the south fault terrace,and their control on structural style.The evolution of the dominate extension direction of the Gaoyou sag can be divided into three stages since the late Cretaceous,including NW(K2t2-E2d),NS(E2s),and NW(Ny-Qd).Detailed understanding of the direction of stress field in the Gaoyou sag was obtained since the late Cretaceous in a quantitative way for the first time.Because the dominate extensional direction is not always parallel with the axis of fault terrace,Wubao fault terrace experie-nced 3 periods of tectonism,extension,right-lateral slip-extension,and extension.This resulted in the simple faults style with skew traces in plane view and horse tail-like in profiles.Similarly,Zhenwu fault terrace also experienced 3 periods of tectonism,left-lateral slip-extension,right-lateral slip-extension and left-lateral slip-extension,which resulted in the complicated faults style of grid fault trace in plane view and duplex horse tail-like in profiles.The study on the history of extension rate and strike-slip shows that E1f,E2dand E2swere the main periods of extension and strike-slip,which played a key role in the formation of structural style.

extension,strike-slip,extensional direction,structural style,fault terrace,Gaoyou Sag,Subei Basin

2015-04-14;

2016-12-12。

吳林(1987—)，男,博士，含油氣盆地分析與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)。E-mail:wulin06@petrochina.com.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472176)。

0253-9985(2017)01-0029-10

10.11743/ogg20170104

TE122.2

A