單帥強(qiáng)，何登發(fā)，方成名，張煜穎，胡美玲

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國石化 勘探分公司，成都 610041；4.中國石油 華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552

高陽低凸起位于渤海灣盆地冀中坳陷中部，介于保定凹陷和饒陽凹陷之間，屬于冀中坳陷中—新生代伸展變形系統(tǒng)的一部分[1-4]。橫穿冀中坳陷的地學(xué)斷面、深地震測深剖面和地震反射剖面均反映，高陽低凸起的形成與兩側(cè)凹陷的發(fā)育有著密切的關(guān)系[5-8]。何登發(fā)等[7,9]對冀中坳陷古潛山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造成因類型進(jìn)行了研究，并把高陽低凸起作為一種特殊類型的潛山，對其成因進(jìn)行了初步探討。目前，有關(guān)冀中坳陷中部伸展變形系統(tǒng)的研究大多針對坳陷內(nèi)發(fā)育的大型斷層本身[3-4]，而從高陽低凸起成因角度探討冀中坳陷中部伸展變形系統(tǒng)演化過程的研究還未有報道。研究高陽低凸起的構(gòu)造發(fā)育特征和成因機(jī)制，不僅有助于全面認(rèn)識該凸起的形成、演化及其與相鄰凹陷發(fā)育過程之間的關(guān)系，更好地服務(wù)于區(qū)內(nèi)潛山領(lǐng)域的油氣勘探，還將為冀中坳陷中區(qū)中—新生代伸展變形系統(tǒng)的分析和區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究提供借鑒。

本文利用覆蓋冀中坳陷中部的二維和三維地震資料，建立了橫穿坳陷的北西—南東向大剖面；在層位標(biāo)定和精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，對比分析了高陽低凸起不同位置的構(gòu)造特征及其開始發(fā)育的時間；通過區(qū)內(nèi)地震資料的系統(tǒng)解釋與成圖，揭示了高陽低凸起的三維構(gòu)造幾何學(xué)特征?；谏鲜龉ぷ?，從冀中坳陷中部伸展變形系統(tǒng)整體出發(fā)，探討了高陽低凸起的成因機(jī)制與演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造位置與構(gòu)造演化

根據(jù)“東西分帶、南北分區(qū)”的構(gòu)造特征，冀中坳陷自西向東可分為西部凹陷帶、中央凸起帶和東部凹陷帶，由南向北分為南、中、北3個區(qū)[10-12]。高陽低凸起位于冀中坳陷中區(qū)、中央凸起帶的中部，西連保定凹陷，東接饒陽凹陷，東南部與劉村—深澤低凸起相鄰，南側(cè)以衡水?dāng)鄬訛榻缗c無極—藁城低凸起和晉縣凹陷相隔，北部與霸縣凹陷相鄰(圖1)。從構(gòu)造位置上來看，高陽低凸起及冀中坳陷中區(qū)整體處于太行山山前大型拆離斷層的上盤，斷層滑脫面深度在15～20 km之間[5,8]。

晚中生代，華北克拉通構(gòu)造體制由近南北向收縮變?yōu)楸蔽魑鳌蠔|東向伸展[13-14]。在該背景下，克拉通東部巖石圈發(fā)生大規(guī)模減薄[15-18]，渤海灣盆地開始發(fā)育。晚中生代至古近紀(jì)，盆地西部的冀中坳陷在太行山山前斷層及多條規(guī)模較大的次級斷層控制下，經(jīng)歷了長期的斷陷活動[7-9,19]，發(fā)育了大型伸展變形系統(tǒng)[3-4,8,20]，使得冀中坳陷與太行山隆起過渡地帶上地殼厚度發(fā)生較明顯的變化(圖1a)。新近紀(jì)以來，隨著冀中坳陷整體進(jìn)入熱沉降階段，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動微弱[1,3-4,19]。

圖1 渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起構(gòu)造位置(a)及冀中坳陷中南部前新生界分布(b)上地殼厚度據(jù)文獻(xiàn)[21]。

1.2 地層發(fā)育特征

本文基于鉆井資料分析和地震解釋結(jié)果，建立了高陽低凸起及鄰區(qū)地層綜合柱狀圖(圖2)。根據(jù)高陽低凸起地層發(fā)育特征及識別出的區(qū)域性不整合面，將其在縱向上劃分為5個構(gòu)造層，分別為太古宇—古元古界構(gòu)造層、中元古界構(gòu)造層、古生界構(gòu)造層、古近系構(gòu)造層和新近系—第四系構(gòu)造層(圖2)。高陽低凸起上普遍缺失在保定凹陷南部和饒陽凹陷南部發(fā)育的中生界以及饒陽凹陷北部發(fā)育的新元古界青白口系(圖1b)。

圖2 渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起及鄰區(qū)地層綜合柱狀圖

太古宇—古元古界構(gòu)造層在凸起上未被鉆井揭示，主要依據(jù)區(qū)域地層對比和地震解釋來識別。該套地層巖性為變質(zhì)巖[22]，在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布(圖1b)。中元古界構(gòu)造層包括長城系(Ch)和薊縣系(Jx)，在凸起范圍內(nèi)全區(qū)分布，并遭受斷層切割、改造作用(圖1b)。長城系為高深1井(井位見圖1)所揭示，鉆遇厚度1 750.5 m，巖性包括石英砂巖、粉砂質(zhì)頁巖和白云巖[23]；薊縣系亦被多口鉆井(高5、高6、高8、高深1等，井位見圖1)鉆遇，厚度為19.6～396 m，巖性以白云巖為主，也發(fā)育有石英砂巖。古生界構(gòu)造層包括寒武系(-C)和奧陶系(O)，主要分布在凸起東南部(圖1b)，在凸起上未被鉆井鉆遇，其巖性和厚度的確定主要根據(jù)深縣、饒陽等凹陷內(nèi)鉆井資料及區(qū)域性剖面的解釋結(jié)果(圖3)。古生界與下伏中元古界為平行不整合接觸。

研究區(qū)內(nèi)古近系構(gòu)造層發(fā)育于強(qiáng)烈伸展斷陷背景下[7-9]，地層受斷層控制作用明顯。巖性上，孔店組—沙四段主要為砂巖和泥巖，底部發(fā)育礫巖，地層厚度0～762 m，與下伏地層呈角度不整合接觸(圖3，圖4)；沙三段—沙二段為砂、泥巖互層，厚度61～660 m；沙一段發(fā)育泥巖、油頁巖和砂巖，厚度142～491 m；東營組主要為砂巖和泥巖，厚度151～571 m。新近系—第四系構(gòu)造層作為拗陷階段產(chǎn)物，斷層數(shù)量和活動強(qiáng)度均明顯減小。館陶組底部發(fā)育礫巖，向上為泥巖和砂巖，厚度332～633 m，與下伏古近系為角度不整合接觸(圖3，圖4)；明化鎮(zhèn)組以砂巖為主，夾有泥巖，厚度662～1 066.5 m；第四系平原組主要為礫石、砂和砂質(zhì)黏土，厚度為220～433.5 m。

圖3 過渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起南部的區(qū)域性剖面(a)及解釋結(jié)果(b)剖面位置見圖1b中AA′。

圖4 過渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起北部的區(qū)域性剖面(a)及解釋結(jié)果(b)剖面位置見圖1b中BB′。

2 高陽低凸起構(gòu)造特征

研究發(fā)現(xiàn)，高陽低凸起的構(gòu)造特征沿走向發(fā)生明顯變化。本文選取橫穿保定凹陷至饒陽凹陷的區(qū)域性剖面(圖3，圖4)，對比分析高陽低凸起不同部位的構(gòu)造特征，并結(jié)合二維和三維地震資料的系統(tǒng)解釋結(jié)果，建立高陽低凸起的三維構(gòu)造幾何學(xué)模型，揭示其空間構(gòu)造特征。

2.1 高陽低凸起南部剖面構(gòu)造特征

冀中坳陷中區(qū)南部最重要的構(gòu)造為西側(cè)的太行山山前斷層和東側(cè)的獻(xiàn)縣斷層(圖3),在二者的控制下，冀中坳陷中部整體表現(xiàn)出“雙斷式”的特征。作為兩側(cè)邊界斷層的共同上盤，高陽低凸起呈寬緩的背斜形態(tài)，且西翼相對東翼較陡(圖3)。在太行山山前斷層的直接影響下，背斜西翼延伸至保定凹陷內(nèi)部并構(gòu)成該凹陷的前中生界基底，而背斜東翼則通過蠡縣斜坡進(jìn)入饒陽凹陷(圖3)。

層位解釋結(jié)果表明，在高陽低凸起的南部，構(gòu)成凸起的地層包括太古宇—古元古界，中元古界長城系、薊縣系，古生界寒武系和奧陶系。地震剖面顯示，凸起西翼的地層時代要老于東翼(圖3)。在凸起頂部區(qū)域性不整合面之下，奧陶系厚度自東向西逐漸減薄，于凸起高部位發(fā)生尖滅，導(dǎo)致下伏寒武系和薊縣系向西依次出露。兩側(cè)相鄰凹陷內(nèi)在斷陷早期均發(fā)育有中生代地層，并且不同時代的斷陷期地層均由凹陷向凸起方向發(fā)生超覆(圖3)。

凸起內(nèi)部斷層不發(fā)育。上覆新生界內(nèi)存在數(shù)量不多的次級斷層，但對地層厚度沒有明顯的控制作用。凸起西翼向保定凹陷過渡位置發(fā)育一系列傾向SE的控沉積斷層，向下終止于薊縣系內(nèi)部(圖3)。

2.2 高陽低凸起北部剖面構(gòu)造特征

冀中坳陷中區(qū)北部同樣為“雙斷式”的構(gòu)造格局，但東側(cè)的邊界斷層由南部的獻(xiàn)縣斷層變?yōu)轳R西斷層，二者的幾何學(xué)特征有著明顯的差別，并且馬西斷層上盤次級斷層的數(shù)量增多、規(guī)模變大(圖3，圖4)。同時，太行山山前斷層的幾何學(xué)特征也發(fā)生一定程度的變化。位于兩側(cè)邊界斷層之間的高陽低凸起仍然表現(xiàn)出背斜的特征，西翼陡而東翼較緩(圖4)。與凸起南部相比，北部的寬度變窄(圖3，圖4)。

高陽低凸起北部地層由太古宇—古元古界、中元古界長城系和薊縣系組成。薊縣系頂部為區(qū)域性不整合面，其上直接覆蓋孔店組—沙四段(圖4)。兩側(cè)相鄰凹陷內(nèi)斷陷早期發(fā)育的地層在時代上具有明顯差異，保定凹陷內(nèi)斷陷期最老地層為孔店組—沙四段，而饒陽凹陷內(nèi)則為沙三段—沙二段(圖4)。

高陽低凸起北部最顯著的構(gòu)造特征是凸起上發(fā)育一系列規(guī)模不等的次級斷層。其中，規(guī)模較大的甚至切穿長城系，并對孔店組—沙二段的地層厚度有著不同程度的影響(圖4)。此外，凸起上覆的新生界內(nèi)也存在多條不同傾向的斷層，少數(shù)向下終止于凸起內(nèi)部(圖4)。

保定凹陷內(nèi)發(fā)育與構(gòu)造反轉(zhuǎn)有關(guān)的“蛇頭狀”背斜，背斜核部的斷陷期地層遭受不同程度的剝蝕；饒陽凹陷內(nèi)至蠡縣斜坡上存在一些規(guī)模較大的次級斷層，這些斷層垂向斷距大，并控制斷陷期地層厚度(圖4)。

2.3 高陽低凸起三維構(gòu)造特征

在對覆蓋冀中坳陷中區(qū)的地震資料進(jìn)行系統(tǒng)解釋的基礎(chǔ)上，利用斷層數(shù)據(jù)和中—新生界底部區(qū)域性不整合面(研究區(qū)南部為中生界底界面，北部為新生界底界面)的層面數(shù)據(jù)，建立了高陽低凸起及鄰區(qū)的三維構(gòu)造幾何學(xué)模型(圖5)。

太行山山前斷層構(gòu)成了冀中坳陷西側(cè)的邊界斷層，而東側(cè)的邊界斷層則由獻(xiàn)縣斷層、馬西斷層等組成(圖5)。在兩側(cè)邊界斷層的控制下，冀中坳陷中區(qū)前中—新生界底面整體呈寬緩的背斜形態(tài)，背斜的兩翼分別終止于兩側(cè)的邊界斷層。高陽低凸起位于背斜的高部位，凸起的寬度由南向北逐漸變窄(圖5)。

圖5 渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起三維構(gòu)造幾何學(xué)模型

高陽低凸起東側(cè)的饒陽凹陷內(nèi)發(fā)育有多條規(guī)模較大的次級斷層，這些斷層多為NW—SE走向，空間延伸距離遠(yuǎn)，并逐漸向太行山山前斷層逼近；而西側(cè)的保定凹陷內(nèi)幾乎不發(fā)育大規(guī)模次級斷層(圖5)。凸起上存在一系列規(guī)模較小的斷層，在凸起北部，斷層數(shù)量多且規(guī)模相對較大(圖5)。

3 討論

3.1 冀中坳陷中區(qū)伸展變形系統(tǒng)特征

變形系統(tǒng)是指分布在一定區(qū)域范圍內(nèi)的、在同一地球動力學(xué)環(huán)境下同時形成的、具有不同幾何學(xué)和運動學(xué)特征的各種構(gòu)造變形的組合[24]。冀中坳陷中區(qū)的伸展變形系統(tǒng)由晚中生代以來發(fā)育于區(qū)內(nèi)的太行山山前斷層、獻(xiàn)縣斷層、馬西斷層等大型邊界斷層和一系列次級斷層及斷層伴生構(gòu)造組合而成[1,3-4,8]，這一變形系統(tǒng)主導(dǎo)了冀中坳陷中區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造格局。在該變形系統(tǒng)的影響下，冀中坳陷中區(qū)與北區(qū)、南區(qū)表現(xiàn)出顯著不同的構(gòu)造特征[7-9,20]。

大型鏟式正斷層是冀中坳陷中區(qū)伸展變形系統(tǒng)的主體。大量實例和物理模擬實驗均表明，鏟式正斷層在伸展過程中會導(dǎo)致其上盤老地層發(fā)生旋轉(zhuǎn)而形成滾動背斜[25-26]。滾動背斜通常表現(xiàn)出明顯的不對稱性，一翼產(chǎn)狀較陡而另一翼較緩，且陡傾翼地層發(fā)生旋轉(zhuǎn)的程度與斷層的位移量有關(guān)。傾向相反的兩條鏟式正斷層相向發(fā)生位移時，會導(dǎo)致共同上盤的兩側(cè)均發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成“雙向旋轉(zhuǎn)型”滾動背斜。斷層位移量大的一側(cè)，地層旋轉(zhuǎn)程度大，產(chǎn)狀較陡。

冀中坳陷中區(qū)兩側(cè)發(fā)育的太行山山前斷層、獻(xiàn)縣斷層、馬西斷層等具有典型的鏟式正斷層的特征(圖3，圖4)。晚中生代以來，上述斷層先后開始活動，在其共同上盤發(fā)育了“雙向旋轉(zhuǎn)型”滾動背斜，高陽低凸起即為該背斜的主體部分。凸起形成之后，隨著斷層的持續(xù)活動，兩翼地層的旋轉(zhuǎn)程度不斷增大，同時，兩側(cè)凹陷內(nèi)發(fā)育的斷陷期地層逐漸超覆于凸起之上(圖3，圖4)。這一現(xiàn)象也表明，凸起的形成與相鄰凹陷的發(fā)育是統(tǒng)一的過程，均受控于區(qū)內(nèi)伸展變形系統(tǒng)的演化。

沿走向上，高陽低凸起由南向北逐漸變窄，這也與冀中坳陷中區(qū)伸展變形系統(tǒng)的空間發(fā)育特征有關(guān)。由南向北，冀中坳陷東側(cè)邊界斷層的走向朝NW方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其與西側(cè)邊界斷層之間的距離減小，同時，饒陽凹陷內(nèi)一些規(guī)模較大的次級斷層也逐漸向太行山山前斷層逼近(圖5)，從而使得共同上盤的“雙向旋轉(zhuǎn)型”背斜向北變窄。

3.2 高陽低凸起的成因模式

高陽低凸起現(xiàn)今構(gòu)造特征的形成，是冀中坳陷中區(qū)伸展變形系統(tǒng)長期演化的結(jié)果。前文分析表明，凸起的構(gòu)造特征從南向北發(fā)生了顯著的變化，不同地區(qū)在形成時間、次級斷層發(fā)育特征等方面有著較大的差異(圖3，圖4)。在對高陽低凸起的二維和三維特征進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，分別建立了凸起南部(圖6)和北部(圖7)的成因演化模式。

研究表明，太行山山前斷層在燕山期為逆斷層[2,27-28]。在其控制下，冀中坳陷西部前中生界發(fā)生大規(guī)模抬升(圖6a，圖7a)，并遭受剝蝕[29]。隨后，該斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)進(jìn)入伸展階段，剝蝕形成的區(qū)域性不整合面隨著地層的沉積得以保留(圖3，圖4)。同時，冀中坳陷中區(qū)東側(cè)的邊界斷層也相繼開始活動，在兩側(cè)斷層的共同作用下，其上盤發(fā)生雙向旋轉(zhuǎn)形成寬緩背斜。根據(jù)相鄰凹陷內(nèi)斷陷期最老地層的時代判斷，冀中坳陷中區(qū)南部要先于北部發(fā)生斷陷活動，從而確定高陽低凸起南部開始形成的時間早于北部。

保定凹陷南部和饒陽凹陷南部發(fā)育的中生代地層表明，區(qū)內(nèi)太行山山前斷層南段和獻(xiàn)縣斷層南段均于晚中生代開始伸展活動，二者的共同上盤初步形成了寬緩的背斜形態(tài)，并且西翼產(chǎn)狀相對較陡(圖6b)?？椎杲M—沙四段沉積時期，兩側(cè)邊界斷層持續(xù)活動，上盤進(jìn)一步發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同樣是西側(cè)旋轉(zhuǎn)程度大，兩側(cè)凹陷內(nèi)分別發(fā)育的次級斷層對背斜的翼部進(jìn)行切割改造(圖6c)。沙三段—沙二段沉積時期，兩翼旋轉(zhuǎn)程度相近，背斜進(jìn)一步發(fā)育；兩側(cè)凹陷內(nèi)次級斷層持續(xù)對背斜翼部進(jìn)行改造，東側(cè)次級斷層的規(guī)模和斷距相對較大(圖6d)。沙一段—東營組沉積時期，獻(xiàn)縣斷層活動強(qiáng)度大于太行山山前斷層，導(dǎo)致背斜東翼旋轉(zhuǎn)程度大，同時，東側(cè)發(fā)育的次級斷層仍對背斜形態(tài)進(jìn)行改造(圖6e)。東營組沉積末期，太行山山前斷層發(fā)生一定程度的正反轉(zhuǎn)，造成其上盤斷陷期地層遭受剝蝕，隨后，高陽低凸起基本定型(圖6f)。新近紀(jì)—第四紀(jì)，區(qū)域性沉降使得凸起埋深加大，并形成現(xiàn)今形態(tài)(圖6g)。

圖6 渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起南部成因演化模式

冀中坳陷中區(qū)北部，西側(cè)保定凹陷內(nèi)斷陷期最老地層為古近系孔店組—沙四段，而東側(cè)饒陽凹陷內(nèi)最老的斷陷期地層為沙三段—沙二段(圖4)。這一現(xiàn)象表明，區(qū)內(nèi)太行山山前斷層北段和馬西斷層開始伸展的時間分別為孔店組—沙四段沉積時期和沙三段—沙二段沉積時期。

孔店組—沙四段沉積時期，太行山山前斷層北段的強(qiáng)烈活動，使得其上盤前新生界發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成滾動背斜，并造成冀中坳陷中區(qū)東部發(fā)育一系列逆斷層(圖7b)，導(dǎo)致地層因遭受剝蝕而減薄(圖4)。沙三段—沙二段沉積時期，兩側(cè)的邊界斷層均發(fā)生強(qiáng)烈伸展，“雙向旋轉(zhuǎn)型”滾動背斜于此時開始形成，背斜兩翼的旋轉(zhuǎn)程度大體相當(dāng)；東側(cè)除馬西斷層外，饒陽凹陷內(nèi)還發(fā)育其他規(guī)模較大的斷層，對背斜的東翼產(chǎn)生明顯的改造作用(圖7c)。沙一段—東營組沉積時期，東側(cè)斷陷活動強(qiáng)度大于西側(cè)，造成背斜東翼的旋轉(zhuǎn)程度大于西翼(圖7d)。東營組沉積末期，沿太行山山前斷層的構(gòu)造反轉(zhuǎn)也使得其上盤地層遭受一定程度的剝蝕(圖7e)，同時，高陽低凸起北部形態(tài)調(diào)整完成。新近紀(jì)—第四紀(jì)，凸起整體發(fā)生沉降，形成最終形態(tài)(圖7f)。

圖7 渤海灣盆地冀中坳陷高陽低凸起北部成因演化模式

4 結(jié)論

(1)高陽低凸起在成因上屬于“雙向旋轉(zhuǎn)型”滾動背斜，其形成演化主要受控于冀中坳陷中區(qū)兩側(cè)邊界斷層的持續(xù)伸展活動；西側(cè)太行山山前斷層早期活動強(qiáng)，東側(cè)獻(xiàn)縣、馬西斷層晚期活動強(qiáng)，導(dǎo)致高陽低凸起西翼相對東翼較陡。

(2)受控于冀中坳陷中區(qū)伸展變形系統(tǒng)的演化，高陽低凸起與兩側(cè)的保定凹陷和饒陽凹陷具有協(xié)同發(fā)育的成因關(guān)系，三者的形成過程都表現(xiàn)出“南早北晚”的特征。