王孝轅, 黃江波, 楊海風, 鄧 輝, 李果營, 郭 軒

( 中海石油(中國)有限公司天津分公司 渤海石油研究院,天津 300459 )

0 引言

隨著對郯廬斷裂帶認識的不斷深入，有關(guān)渤海海域構(gòu)造成因演化研究取得進展[1-5]。目前，對于郯廬斷裂帶渤南段對凹陷和凸起構(gòu)造演化的控制作用有較大分歧。在渤海灣盆地東南部，郯廬斷裂帶新生代右旋走滑活動形成濰坊凹陷至萊州灣凹陷等一系列典型拉分盆地[6-7]。彭文緒等認為，萊州灣凹陷不具有典型走滑拉分盆地的性質(zhì)，萊州灣凹陷及萊北低凸起成因于早期裂谷疊加晚期走滑改造[8-10]。黃雷等提出，萊州灣凹陷沙三段沉積前與沙三段沉積后具有不同的構(gòu)造背景，沙三段沉積前為左旋走滑影響下的斷陷盆地，沙三段沉積后為右旋走滑作用改造下的斷陷—坳陷盆地[11]。

目前，將萊州灣凹陷和萊北低凸起作為整體進行構(gòu)造演化分析的研究較少，缺乏郯廬斷裂帶右旋走滑對盆—山演化關(guān)系的研究。在三維地震資料精細解釋基礎(chǔ)上，根據(jù)斷裂體系特征、構(gòu)造樣式和地層厚度等資料，筆者分析萊北低凸起的演化過程，揭示郯廬斷裂右旋走滑對萊北低凸起形成及其周緣盆地演化的控制機理，明確沙一二段和東三段沉積時期萊北低凸起西側(cè)古溝谷演化對沉積的控制作用，為凸起斜坡區(qū)尋找有利儲集層發(fā)育區(qū)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

萊北低凸起位于渤海海域南部，呈北東向菱形展布，凸起北東和南西方向分別傾沒于黃河口凹陷和萊州灣凹陷東北洼，總體表現(xiàn)為“一脊兩翼”的構(gòu)造格局(見圖1)。萊北低凸起南北兩側(cè)受伸展斷層分割，東西兩側(cè)為郯廬走滑斷層夾持，伸展應(yīng)力和走滑剪切應(yīng)力共同控制萊北低凸起的形成和演化。鉆井資料揭示，萊北低凸起之上缺失古近系孔店組、沙四段，局部缺失東一段，新生界自下而上發(fā)育古近系沙三段、沙一二段和東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組。

區(qū)域地質(zhì)研究表明，對于渤海灣盆地，地幔上涌和郯廬斷裂走滑活動是構(gòu)造運動的雙動力源，在新生代演化過程中，具有多旋回疊加和多成因機制復(fù)合的特征[12-15]，整體可細分為5個演化階段，即孔店組—沙四段沉積時期的裂陷Ⅰ幕(65.0～42.0 Ma)；始新世沙三段沉積時期的裂陷Ⅱ幕(42.0～38.0 Ma)；漸新世沙一二段沉積時期的盆地第一裂后熱沉降拗陷階段(38.0～32.0 Ma)；漸新世東營組沉積時期的裂陷Ⅲ幕(32.0～23.3Ma)；館陶組至明下段沉積時期的第二裂后熱沉降階段(23.3～5.3 Ma)。雙動力源、多期次的構(gòu)造運動使郯廬斷裂帶，尤其是萊北低凸起圍區(qū)構(gòu)造演化變得非常復(fù)雜，走滑—伸展應(yīng)力導(dǎo)致凸起北西和南東向再次沉降，走滑—擠壓應(yīng)力導(dǎo)致北東和南西向隆升甚至“溢出”，構(gòu)造變形呈中心對稱分布于萊北低凸起周圍(見圖2)。

圖1 萊北低凸起區(qū)域位置Fig.1 Location of Laibei low uplift

2 走滑作用

2.1 共軛走滑與塊體旋轉(zhuǎn)

Nicholson C等研究表明，夾持與走滑斷層之間的塊體具有共軛滑動和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)[16]。近平行的兩條主走滑斷層同時發(fā)生滑動位移時，夾持于其間的塊體兩側(cè)受到相反的應(yīng)力作用，導(dǎo)致塊體發(fā)生扭動旋轉(zhuǎn)，誘導(dǎo)出共軛走滑斷層，或使先存斷裂發(fā)生共軛走滑。主走滑斷層間的共軛次級走滑斷層是由走滑應(yīng)力場的R′(共軛Reidel剪切)破裂產(chǎn)生的[17]。扭動旋轉(zhuǎn)使塊體邊緣呈現(xiàn)中心對稱式的伸展區(qū)和擠壓區(qū)(見圖3[16])。

研究區(qū)萊北1號大斷層走向近東西向，兩端與郯廬走滑斷裂相交，在郯廬斷裂右行走滑運動誘導(dǎo)下，具備左行走滑的條件。萊北1號斷裂在走向上形成多個S型彎曲段。走滑斷層S型彎曲段兩側(cè)形成對稱的增壓段和釋壓段[18]。平面上，萊北1號斷層S型彎曲段可分為外凸段(向南凸出)和內(nèi)凹段(向北凸出)，地震剖面可見萊北1號斷裂外凸段西側(cè)局部處于擠壓背景，背斜形態(tài)明顯(見圖4(a、c、e))；在外凸段東側(cè)局部處于伸展背景，呈負地形或小型伸展斷塊構(gòu)造(見圖4(b、d、f))。這一對稱構(gòu)造變形特征充分說明萊北1號斷層具有左行走滑特征：在斷層上盤左行運動方向上，外凸段西側(cè)形成正阻增壓區(qū)，導(dǎo)致地層隆升；外凸段東側(cè)形成反阻釋壓區(qū)，地層松弛沉降。同時，考察與研究區(qū)具有相似構(gòu)造背景的渤南1號斷裂，在其外凸段的東西兩側(cè)也出現(xiàn)相同的構(gòu)造變形(見圖4(g-h))，表明渤南1號斷層和萊北1號斷層不僅控制對應(yīng)凹陷的構(gòu)造沉降，又與郯廬斷裂帶中、東兩支共同作用于黃河口凹陷—萊北低凸起旋轉(zhuǎn)斷塊(簡稱旋轉(zhuǎn)塊體)，形成早期伸展構(gòu)造疊加晚期走滑旋轉(zhuǎn)的獨特構(gòu)造樣式，萊北低凸起即為旋轉(zhuǎn)塊體南側(cè)高部位。

圖2 渤海海域構(gòu)造—地層綜合圖Fig.2 Tectono-stratigraphy of Bohai Sea area

2.2 應(yīng)變對稱性

走滑斷層兩側(cè)斷塊的位移方向相反，斷層末端兩側(cè)斷層局部應(yīng)力狀態(tài)及其引起的變形也相反，一側(cè)發(fā)生收縮隆升，另一側(cè)發(fā)生伸展沉降，走滑位移轉(zhuǎn)化為局部的垂直升降位移[19]。研究區(qū)主走滑斷層與共軛走滑斷層近垂直相交，運動方向在斷層交匯處表現(xiàn)為匯聚或發(fā)散，匯聚處走滑位移量轉(zhuǎn)化為垂向隆升，發(fā)散處走滑位移量轉(zhuǎn)化為伸展沉降，應(yīng)變在塊體四角呈中心對稱分布，平面上塊體呈簡單剪切應(yīng)變形態(tài)，對稱應(yīng)變也是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的主因。

研究區(qū)對稱應(yīng)變分為擠壓和伸展兩種類型。在萊北低凸起南西向發(fā)育一組繼承性雁列式正斷層(見圖5)，單斷層走向為北東東向；斷層組整體沿北西西向延伸展布，局部正斷層之間可見北西西向斷裂。斷層組屬于次生走滑成因早期張破裂斷層，旋轉(zhuǎn)塊體在順時針旋轉(zhuǎn)過程中遇阻，導(dǎo)致次生走滑斷層出現(xiàn)以調(diào)節(jié)擠壓位移量、形成局部塊體“溢出”的早期構(gòu)造形態(tài)(見圖6)。在萊北低凸起北東向區(qū)域，旋轉(zhuǎn)對稱性導(dǎo)致呈現(xiàn)擠壓環(huán)境，但與南西向不同，受郯廬斷裂遮擋，古近系以縱彎褶皺方式將橫向擠壓位移量轉(zhuǎn)換為縱向變形而被吸收(見圖7)。

對稱伸展主要體現(xiàn)在研究區(qū)北西向的黃河口凹陷中洼和南東向的萊州灣凹陷東北洼，受東西向邊界斷層左行走滑作用控制，旋轉(zhuǎn)塊體北西向和南東向分別向東和向西平移，造成兩個地區(qū)在古近紀時期伸展

圖3 走滑斷層間斷塊旋轉(zhuǎn)模式Fig.3 Block rotation model between strike-slip faults

圖4 伸展邊界斷層的左行走滑證據(jù)Fig.4 Evidence of sinistral strike-slip of extensional boundary faults

沉降速率增大，沉積地層較厚，形成對稱沉降的構(gòu)造格局(見圖8)。黃河口凹陷中洼的洼陷面積沉降幅度明顯大于萊州灣凹陷東北洼的，主要由于始新世早期渤海灣盆地主要受控于南北向伸展應(yīng)力場，在渤海海域東南部地區(qū)形成塹壘相間的構(gòu)造樣式，黃河口凹陷處于地塹區(qū)，而萊州灣凹陷東北洼處于地壘區(qū)。至始新世末期郯廬斷裂帶走滑構(gòu)造活動增強，剪切應(yīng)力場控制渤南1號斷層至萊北1號斷層之間旋轉(zhuǎn)塊體的應(yīng)變，在郯廬斷裂右行走滑作用下，渤南1號斷層出現(xiàn)共軛左行走滑特征，在郯廬走滑斷層中支與渤南1號斷層交匯處(旋轉(zhuǎn)塊體北西向)出現(xiàn)離散沉降，早期伸展沉降形成的黃河口凹陷中洼又疊加走滑成因的離散沉降，致使洼陷規(guī)模更加擴大。萊北低凸起南東向處于早期凸起區(qū)，隨郯廬斷裂走滑作用的增強，郯廬走滑斷層?xùn)|支與萊北1號斷層也形成離散沉降區(qū)，屬于凸起區(qū)疊加走滑成因離散沉降，洼陷形成時間相對較晚，規(guī)模也相對較小(見圖6)。

圖5 黃河口凹陷—萊北低凸起方差切片F(xiàn)ig.5 Variance slice of Huanghekou sag-Laibei low uplift

圖6 黃河口凹陷—萊北低凸起旋轉(zhuǎn)塊體模式Fig.6 Rotating block model of Huanghekou sag-Laibei low uplift

圖7 萊北低凸起北東側(cè)擠壓應(yīng)變特征(剖面位置見圖1)

圖8 萊北低凸起伸展應(yīng)變特征(剖面位置見圖1)Fig.8 Characteristic of extension strain of Laibei low uplift(section position as shown in fig.1)

3 構(gòu)造演化

為明確萊北低凸起的構(gòu)造演化史，利用最新的鉆井和地震資料，以及平衡剖面技術(shù)研究構(gòu)造演化史,選取萊北低凸起東側(cè)南北向地震剖面(BB′)和西側(cè)北北東向地震剖面(CC′)分別進行構(gòu)造恢復(fù)。萊北低凸起對角線方向具有相似的構(gòu)造特征：北東側(cè)與南西側(cè)構(gòu)造抬升明顯，地層厚度小。北西側(cè)和南東側(cè)沉降速率較高，地層厚度大。萊北低凸起整體歷經(jīng)5個演化階段(見圖9)。

圖9 萊北低凸起構(gòu)造演化剖面(剖面位置見圖1)Fig.9 Structural evolution sections of Laibei low uplift(section position as shown in fig.1)

3.1 孔店組—沙四段沉積期

孔店組和沙四段沉積期，渤海海域東南部地區(qū)受南北向伸展拉張作用控制，形成多米諾式掀斜斷塊，萊州灣凹陷北斷南超的半地塹構(gòu)造格局基本定型。研究區(qū)萊北1號伸展斷層控制早期萊州灣凹陷的沉積充填，在斷層根部沉積超過1 km厚的孔店組和沙四段地層，沿東西走向整體地層厚度較為均勻，而上升盤萊北低凸起遭受抬升剝蝕，缺失孔店組和沙四段地層。

3.2 沙三段沉積期

沙三段沉積期，隨郯廬斷裂帶右行走滑活動逐漸增強，北北東向的剪切作用與南北向伸展作用共同控制掀斜斷塊構(gòu)造運動和幾何形態(tài)。在剪切作用下，渤南1號斷層和萊北1號斷層出現(xiàn)左行走滑特征。由于旋轉(zhuǎn)斷塊北西側(cè)走滑斷層和派生走滑斷層運動方向為離散狀態(tài)，黃河口凹陷中洼沉降中心向西遷移，沉降速率加快，凹陷內(nèi)部走滑派生斷層增多；隨著黃河口凹陷中洼規(guī)模的擴大，萊北低凸起及其北部緩坡帶沙三段地層覆蓋范圍也逐步增大。萊北1號斷層?xùn)|端上升盤在左行走滑控制下向西遷移，萊州灣凹陷東北洼雛形顯現(xiàn)，沉降中心靠近萊北1號斷層上升盤，地層向北逐漸掀斜減薄，北部缺失沙三段頂部地層。

3.3 沙一二段沉積期

沙一二段沉積期，隨伸展斷層活動減弱，渤海灣盆地進入裂后短暫熱沉降階段[20]。郯廬斷裂右行走滑活動依然較強，旋轉(zhuǎn)塊體在剪應(yīng)力作用下北西側(cè)和南東側(cè)持續(xù)沉降，同時北東側(cè)和南西側(cè)的擠壓作用也隨之加劇。旋轉(zhuǎn)塊體南西側(cè)受擠壓作用而產(chǎn)生早期調(diào)節(jié)次生走滑斷層，剖面可見貫穿基底并在古近系呈小規(guī)模負花狀特征，次生走滑斷層與郯廬走滑斷層運動方向相反。同處于擠壓環(huán)境的塊體南東側(cè)整體向南抬升，沙一二段沉積減薄，東西向剖面可見擠壓褶皺。

3.4 東營組沉積期

東營組沉積期，渤海灣盆地再次進入強烈斷陷期，在走滑剪切作用和伸展作用下，研究區(qū)整體沉降接受沉積，斷陷區(qū)東營組地層厚度大于凸起區(qū)的。萊州灣東北洼快速伸展沉降，洼陷規(guī)模顯著擴大，受馬尾狀鏟式斷層分割，洼陷結(jié)構(gòu)呈多斷塊復(fù)雜化特征。根據(jù)北西西向剖面，萊北低凸起中央隆起帶披覆背斜形態(tài)定型。東營組沉積末期，受東營運動影響[21-24]，渤海海域發(fā)生區(qū)域反轉(zhuǎn)，研究區(qū)在斜坡高部位等局部地區(qū)缺失東一段地層。

3.5 館陶組—明化鎮(zhèn)組沉積期

新近系沉積期，受巖石圈均衡作用和地殼冷卻收縮影響，渤海灣盆地發(fā)生整體沉降，形成大尺度拗陷盆地[25]。伸展斷層活動性較弱，走滑斷層有繼承性活動，在主走滑附近發(fā)育一系列北東和近東西向走滑派生斷層。萊北低凸起及其圍區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定，館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積厚度穩(wěn)定，沉積中心逐漸向北部渤中凹陷遷移。

4 對沉積體系的控制作用

斷陷盆地同沉積斷裂與沉積砂體的分布密切相關(guān)，同時盆緣帚狀或叉狀斷裂系發(fā)育又與走滑作用的疊加有密切關(guān)系[26]。由于不存在長期剝蝕區(qū)，萊北低凸起難以作為萊州灣凹陷北部陡坡帶物源區(qū)，古近系沉積期主要物源位于研究區(qū)西南的墾東凸起，并由郯廬走滑斷裂中支形成的古溝谷作為碎屑體系的輸砂通道[27-29]，來自墾東凸起的物源經(jīng)由輸砂通道向黃河口凹陷和萊州灣搬運碎屑物質(zhì)，形成規(guī)模較大的辮狀河三角洲沉積體系。北東東向的走滑派生斷層形成的斷裂坡折，控制沉積體系在凸起北部斜坡的展布范圍和形態(tài)。沉積體系向前推進和卸載過程受萊北低凸起構(gòu)造演化控制，沉積規(guī)模在不同時期具有差異性。

4.1 輸砂體系

受氣候、湖平面、構(gòu)造和沉積作用影響，輸砂通道可以與沉積坡折相互轉(zhuǎn)化，侵蝕溝谷在早期起輸砂作用，隨基準面上升，侵蝕溝谷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e溝谷[30]。沙河街組沉積末期，在塊體旋轉(zhuǎn)作用下,萊北低凸起北西向沉降速率開始增大，導(dǎo)致郯廬走滑斷層形成的古溝谷在黃河口凹陷邊緣向東西兩側(cè)擴張，平面呈北寬南窄的幾何形態(tài)。同時，來自墾東凸起的沉積體系隨可容納空間的逐漸增大，提前卸載于萊北低凸起西側(cè)。東營組沉積期，萊北低凸起北西向沉降加速，古溝谷敞開角度進一步增大，并在郯廬走滑派生斷層控制下逐步過渡為古沉積坡折，致使辮狀河三角洲前緣砂體沿古等深線向東分流(見圖10)。

4.2 沉積規(guī)模

沙河街組沉積末期，走滑—旋轉(zhuǎn)構(gòu)造作用處于初始階段，郯廬斷裂帶形成的古溝谷沿南北向延伸，東西兩側(cè)范圍相對局限。來自墾東凸起的辮狀河三角洲沉積體系沿古溝谷發(fā)育過路充填沉積，主要為水下分流河道沉積微相，砂地比較低，砂巖單層厚度小于12 m，且與泥巖互層沉積，反映該時期湖盆構(gòu)造較為平緩，河流作用是三角洲形成的主控因素。

圖10 萊北低凸起北部斜坡帶沙一二段和東三段古地貌Fig.10 Paleogeomorphic map of 1st and 2nd member of Shahejie formation and 3rd member of Dongying formation in northern slope of Laibei low uplift

東營組沉積期，走滑—旋轉(zhuǎn)構(gòu)造運動增強，沉積溝谷變?yōu)槌练e坡折，可容納空間增大，辮狀河三角洲沉積體系范圍顯著增大。垂向上，以河口壩沉積為主，單層砂體厚度超過20 m，砂地比大于50%。平面上，三角洲前緣砂體受波浪改造作用而形成寬緩的席狀砂層(見圖11)。

圖11 萊北低凸起北部斜坡帶沙一二段和東三段沉積相Fig.11 Sedimentary facies map of 1st and 2nd member of Shahejie formation and 3rd member of Dongying formation in northern slope of Laibei low uplift

5 結(jié)論

(1)萊北低凸起新生界自下而上發(fā)育古近系沙三段、沙一二段、東營組，以及新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組。缺失古近系孔店組、沙四段，局部缺失東一段。對應(yīng)5個構(gòu)造演化階段，其中沙三段之下存在明顯角度不整合，表明該時期萊北低凸起經(jīng)歷復(fù)雜的構(gòu)造變形。

(2)郯廬斷裂中支和東支的右行走滑運動使萊北低凸起邊界斷層發(fā)生共軛走滑運動。在主走滑斷層與共軛走滑斷層共同控制下，萊北低凸起發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致北西側(cè)和南東側(cè)出現(xiàn)伸展沉降，北東側(cè)和南西側(cè)出現(xiàn)擠壓形變，形成現(xiàn)今“一脊兩翼”的構(gòu)造格局。

(3)沙三段沉積期，黃河口凹陷中洼伸展沉降范圍不斷向東南擴張；至東營組沉積期，郯廬走滑斷層中支形成的古溝谷規(guī)模逐漸向東擴展并向沉積坡折轉(zhuǎn)化，萊北低凸起北部沉積坡折帶向東南延伸，來自墾東凸起物源區(qū)的辮狀河三角洲沉積體系展布范圍較沙河街組的向東擴大。

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