魯西隆起北部磁村斷層走滑特征及其控藏意義

趙 利 ,李 理 ,劉 卉

(1.中國石油大學 地球科學與技術學院,山東 青島 266580;2.中國石油 東方物探研究院,河北 涿州 072751)

伸展環境下的走滑斷層活動與同期正斷層的系統分析同等重要。在伸展斷裂系統中,這些走滑斷層常以調節伸展的方式產生,不同學者冠以不同的名稱,如橫向構造、變換斷層、傳遞斷層、調整斷層、撕裂斷層等(馬杏垣等,1983;Dahlstrom,1970;Morley et al.,1990;任文忠,1989;燕守勛等,1996)。如,魯西隆起北部放射狀斷層就是華北板塊東部中新生代伸展–走滑(張扭性)背景下產生的調節斷層。前人對這些斷層的研究多側重于其形成機制方面,強調伸展調節成因或砥柱隆升產生放射狀斷層組合成因(金振奎等,1999;燕守勛等,1996;杜子圖等,1999;任文忠,1989;牛樹銀等,2012),對斷層帶內部的地質現象及其對沉積的控制尚未開展深入研究。本研究通過露頭區地質調查,詳細解剖這類走滑斷層的特征及其對沉積的控制,對比露頭區與坳陷區之間斷層發育的異同、類比斷層性質及活動對沉積砂體的控制,將有助于探討盆地內伸展與盆地周邊走滑之間的關系,并最終為盆地內斷層解析及其控沉積研究提供一定的參考。

1 地質背景

魯西隆起北部放射狀斷層位于泰山-魯山-沂山以北,濟陽坳陷以南,東、西側分別被郯廬斷裂與蘭聊斷裂所夾持(圖1a)。這些斷層包括上五井斷層(F8)、淄河斷層(F9)、磁村斷層(F10)、白泉-五色崖斷層(F11)、文祖斷層(F12)等,傾向東或西,傾角較陡,左旋或右旋,呈放射狀向北撒開。其中,上五井斷層向北東延伸進入青東凹陷,與郯廬斷裂斜交;磁村斷層向北西延伸進入東營凹陷與惠東斷層相連;文祖斷層向北西延伸進入惠民凹陷與白橋斷層相連。

圖1 魯西隆起與濟陽坳陷地質簡圖Fig.1 Simplified geologic map of the western Shandong Uplift and Jiyang Depression

研究區位于華北板塊中、東部,出露地層總體北傾,傾角 10°～30°不等,由南向北主要有太古宙(Ar)花崗巖、閃長巖、輝長巖和泰山群,古–中元古代(Pt1-2)二長花崗巖、鉀長花崗巖和輝長巖,早古生代(?-O2)白云巖、灰巖、鮞粒灰巖等,晚古生代本溪組(C2b)、太原組(C2t)、山西組(P1s)、石盒子組(P2s)碎屑巖,三疊系鳳凰山組(T1f),侏羅系坊子組(J1f)、三臺組(J2s),以及第四系(Q)未固結的黃土層(圖1b,山東省地質礦產局,1991;呂朋菊等,1990 )。區內存在 3個主要的不整合:寒武系與前寒武系之間的異巖不整合(?/Ar(Pt)),加里東運動形成的本溪組與中奧陶統八陡組之間的平行不整合(C2b/O2b),印支運動形成的坊子組與鳳凰山組之間的角度不整合(J1f/T1f)

2 磁村斷層宏觀特征

磁村斷層(F10),又稱金山–姚家峪斷層,位于魯西隆起北部放射狀斷層的中部,走向近南北,為一條東傾的右旋走滑斷層。斷層南起萊蕪市苗山鎮,向北延伸經淄博,錯斷齊廣斷層后隱伏進入東營凹陷的博興洼陷。也有學者根據重力異常圖(楊輝等,2005;王國芝,2006;李理,2013),認為磁村斷層繼

3 斷裂帶內構造特征

3.1 線性構造

露頭觀測點位于斷層東盤石炭系太原組(圖1b),巖性為泥巖、頁巖、粉砂巖夾砂巖、灰巖、煤層等(圖2a～f)。這種巖石組合埋藏壓實之后,在再次經受構造應力作用后容易產生多種線性構造。觀測點發現了兩種線理構造:石香腸構造(圖2e)和“菱形構造”(圖2f)。這兩種線理是受斷層帶內復雜的應力場和巖石組合的綜合影響形成的。續向北延伸,與分割惠民凹陷和東營凹陷的惠東斷層相連(圖1a)。根據山東省1∶20萬地質圖顯示(圖1b),斷層由多條次一級斷層側列連接組成,呈明顯的右行右階式,表明斷層除右旋走滑性質之外還具有一定的正斷層性質,存在一定的正斷距(李理,2013)。對其進行了詳細地野外地質調查,如,在淄博市蕉莊鎮茜草村北部(36°33.847′N,117°49.500′E),斷層傾向東,東、西兩盤錯斷了太古宙花崗巖、南傾的下古生界、上古生界和中生界,地層具有明顯的錯斷對應關系,且斷層東盤下降,西盤上升,為一條東傾右旋正-走滑斷層。斷層帶及兩盤地質構造發育明顯,如線理、擦痕、斷層巖、牽引構造等,分述如下。

石香腸構造是巖層在經歷埋藏壓實之后,不同力學性質互層的巖石再次受到垂直或近垂直巖層的擠壓造成的(馬杏垣,1999),即兩次應力作用過程中最大主應力方向始終與巖層垂直(圖3a→b)。從圖2e中可以看出,夾在土黃色泥巖、粉砂巖之間的強硬層受擠壓而在平行層理方向發生張裂,使其在剖面上形成形態各異的“石香腸”。同時,強硬層在受力過程中還會在剖面上發育張節理和“X”型剪節理,這些節理如果受力繼續發育,會有可能使石香腸斷成兩塊。

對比石香腸構造的橫斷面形態可以發現,露頭區有兩種石香腸:矩形石香腸和藕節形石香腸。對于這種差異,其影響因素主要取決于兩方面:一是互層巖層之間的黏度差(圖3b);二是強硬層受擠壓而發生張裂時的強弱(馬杏垣,1999)。很明顯,觀測點處發現的這兩種石香腸構造相鄰不遠,因此其差異主要是由巖層的黏度差不同造成的:矩形石香腸構造的上、下都為泥質含量較高的薄層粉砂巖,其黏度差大;而藕節形石香腸構造的上、下為中厚層粉砂巖,黏度差小。

觀測點附近還發育另外一種線理——“菱形構造”。不同于石香腸構造,該構造產出于軟弱-粉砂質泥巖中,橫斷面像一個個扁平的四棱錐(圖2f),本文暫時稱之為“菱形構造”。“菱形構造”是巖層在經歷埋藏壓實的基礎上,相對軟弱的巖層再次受到與巖層斜交的擠壓而未發生破裂變形時形成,后期應力場中最大主應力與巖層斜交(圖3a→c)。可以設想,這種應力過程如果作用于強硬層中,則容易產生菱形石香腸構造。

在經歷埋藏壓實基礎上,如果當后期應力場中最大主應力與巖層平行時,巖層中還會產生另外兩種線性構造:在強硬層中產出窗欞構造,在泥質或粉砂質軟弱層中產生鉛筆構造(圖3a→d)。但在野外觀測中未發現這兩種構造。

通過上述分析可以看出,對于相同的巖石組合,線性構造的形態和類型取決于后期應力場特征。在原始水平沉積之后,地層埋藏壓實,前期應力場環境如圖3a所示。其后,地層遭受后期構造應力場影響:當最大主應力垂直于巖層時,所成線理為藕節形、矩形石香腸構造,因應力場與正斷層的相對應,故其多與正斷層伴生;當最大主應力與巖層斜交時,產生的線理為“菱形構造”、菱形石香腸構造,因應力場與斜滑斷層的相對應,故其多與斜滑斷層伴生,而磁村斷層屬于此類,既有走滑分量又有伸展分量;當最大主應力與巖層平行時,所成線理為鉛筆構造、窗欞構造,因應力場與逆斷層或走滑斷層的相對應,故其多與這兩類斷層伴生(當 σ3直立時,與逆斷層應力場對應,所成線理水平;當 σ3水平時,與走滑斷層應力場對應,所成線理水平線理直立)。當然,斷裂帶內巖層破碎,應力場更復雜,可能使得多種線理共生。

藕節形、矩形石香腸構造,以及菱形構造幾種線理的并存,進一步說明磁村斷層為伸展-走滑斷層。

圖3 巖性、構造應力場對線性構造的影響Fig.3 Lithology and tectonic stress field effects on the linear structure

3.2 斷面特征

在斷裂帶的第二個觀測點(36°34.088′N,117°49.485′E),通過觀察碎裂灰巖的發育、斷層兩盤地層的產狀,判斷斷層為伸展-走滑斷層(圖2a～c)。斷層傾向東,傾角近于直立,西盤為奧陶系北庵莊組(O2b)灰巖,地層產狀為 25°∠10°;東盤為石炭系太原組(C2t)碎屑巖,地層產狀為 80°∠27°;斷層帶內以碎裂灰巖為主,后期遭受一定的風化(圖2b)。

磁村斷層及附近還發現了指示斷盤運動方向的牽引構造、擦痕和反階步。露頭特征表明,磁村斷層傾向東,東盤發育的牽引構造弧形凸出方向指向南東(圖2d),即磁村斷層東盤向南運動,為右旋走滑斷層。擦痕和反階步在同一觀測點產出。擦痕向南東方向變細,其側伏角亦指向南東,結合反階步的陡坎亦指向南東,得出磁村斷層東盤同樣向南運動,為右旋走滑斷層(圖2g)。而遠觀磁村斷層西盤,即上升盤(圖2h),可以看到山峰彼此相連呈直線向南延伸,每座山峰之間的巖石受風化剝蝕而被搬運到東側下降盤,并形成沖溝。如果磁村斷層發生走滑活動,那么從沖溝處搬運來的沉積物將會沿著斷層走向發生遷移,形成沉積疊瓦(圖4b)。

4 磁村斷層運動學特征

4.1 磁村斷層活動模式

根據磁村斷層內的地質現象和斷層宏觀特征(圖2),以及前人總結走滑斷層的活動特征,建立了磁村斷層的走滑活動及控沉積模式(圖4)。

對于走滑斷層而言,斷層帶內派生構造多樣,局部應力場也多富于變化。沿斷層走向上,斷盤運動逃逸區處于伸展應力場,常發育R、R'、T等張性斷層并演化成為斷陷盆地;而在斷盤運動指向區處于擠壓應力場,常發育褶皺、逆斷層等正向構造并抬升成為物源區(圖4a)。此外,當走滑斷層具有垂向分量時,上升盤同樣也能成為物源區,且受斷層傾角陡的緣故多發育沖溝(圖2h、4a)。當沉積物通過河流或沖溝從抬升區或上升盤搬運到盆地區時,沉積中心會對主斷層的走滑活動產生特有的響應。對于伸展-走滑斷層而言,物源區提供的沉積物會穿過走滑斷層沿沖溝搬運到盆地中。由于持續的走滑活動,導致盆地中的沉積扇體相對于沖溝發生錯位,在剖面或平面上形成沉積疊瓦(圖4b,①、②、③)。而對于走滑-伸展斷層,由于斷層的斜滑作用,沉積扇體會在空間內進行斜向疊加,形似“階梯”,其遷移路徑反映斷層活動的旋向、走滑分量大小等斷層運動學信息。從露頭觀察到的拖曳褶皺、擦痕、階步、斷層遠觀圖等判斷,磁村斷層屬于伸展-走滑斷層的活動模式。

圖4 磁村斷層活動模式Fig.4 Model of the Cicun Fault activity

4.2 與盆地內沉積現象對比

磁村斷層走滑活動對沉積的控制,可以用來對比研究盆地內具有走滑性質的斷層及其與沉積的關系。在東營凹陷中,經過中、新生代疊合演化后,內部控洼斷層都經歷過后期構造應力場轉變的影響(鄭德順,2006;于建國等,2009;薛雁等,2013),使得走滑相關斷層以走滑-伸展斷層為主。當凹陷內斷層走向與區域主伸展方向不垂直時,這些正斷層會發生斜向滑動。正是斷層具有的這種走滑性質,控制著凹陷內沉積砂體的展布、沉積中心的遷移以及沉積模式,進而影響油氣成藏和分布。

磁村斷層向北延伸進入博興洼陷后,與高青–平南斷層共用平南段(楊輝等,2005;王國芝,2006;趙利,2012;李理,2013)。平南斷層西側是青城凸起,東側為博興洼陷,斷層以走滑-伸展方式活動。通過高青凸起抬升史和博興洼陷沉積中心遷移研究表明(王國芝,2006),平南斷層的右旋走滑活動從沙四(E1-2s4)開始控制博興洼陷內沉積中心的遷移。在沙四段–東營組沉積過程中,沉積中心不斷向北側向遷移。其中,沙三期和沙一期沉積遷移比較明顯。此外,研究還通過砂層對比建立沙三段沉積砂體的空間展布關系,發現砂層組空間上的側向疊置關系如圖4c,顯示控洼斷層具有明顯的右旋走滑性質。

通過三維地震水平時間切片的研究發現(畢義泉,2002),東營凹陷西北部王莊地區(圖1中F15位置處)砂礫巖體從古新世–早始新世沙四下亞段(E1-2s4下)開始發育(地震雙程走時 2.5 s),沉積砂體由北向南推進,其位置位于利 85井以南(圖5a);隨著斷層的不斷演化,當地層發育到早始新世沙三下亞段(E2s3下,1.7 s)時,濱南斷層界限則發育到利371、利562以北,沉積砂體也相應地向東北部遷移;將不同時期的沖積扇體疊置發現,利37–利852–利85沉積砂體具有明顯的向北東方向的側向疊加、遷移現象,最終形成沉積疊瓦,并指示該段北東走向邊緣斷層在正斷的同時具有一定的右旋走滑性質;而利 561砂體則向北西側向加積,遷移微弱,指示斷層北西走向的該段具有一定的左旋走滑性質。綜合上述分析來看,濱南斷層上、下兩盤整體沿南北向伸展,當斷層走向與主伸展方向斜交時,北東走向段產生右旋走滑分量,北西走向段產生左旋走滑分量,并相應控制了沉積砂體的遷移和展布。

圖5 橫張斷層的走滑分量造成的沉積響應Fig.5 Sedimentation responses to the strike slip of trans-extensional faults

在陳南斷層中段(圖1中F14位置處)也發現同樣的地質現象。斷層整體走向近東西,斷層活動以南北向伸展為主,其上升盤發育多個沖溝,沉積物從上升盤的沖溝進入洼陷內,形成沉積扇體。這些扇體在剖面構造背斜形態,稱為扇背斜(鐘建華等,2008)。當位于沖溝位置處正斷層具有走滑性質時,沉積扇體在沿斷層走向的剖面上(圖5b)就會發生側向遷移,導致扇背斜頂點向一側發生偏移,從而使背斜軸面傾斜,最終形成斜歪背斜(圖5c)。從圖5b可以看出,坨120、坨124井對應陳南斷層的北西走向段,該段在南北向伸展時會產生左旋走滑分量,使上述兩井位置處對應的沉積砂體向北西遷移,導致剖面上的扇背斜頂點向左偏移(圖5c)。同理,坨123、坨225井對應陳南斷層的北東走向段,該段產生的右旋走滑分量導致在剖面上的扇背斜頂點向右偏移(圖5c)。但對于鹽16井而言,該位置處因陳南斷層沒有產生走滑分量或分量非常小,形成的扇背斜頂點無側向偏移,最終對應形成直立背斜(圖5c)。

上述扇背斜是由低位域時沉積扇的砂礫巖體形成主體、后被高位域時的細粒蓋層覆蓋而成的背斜。一旦有油氣運移進來、聚集成藏,扇背斜將成為一種巖性油氣藏,其內油氣分布受控于砂礫巖體之間的連通性、細粒蓋層的側向封堵能力等因素(鐘建華等,2008)。如果背斜發育成直立背斜,那么直井能夠最大可能的穿過各層構造高點、貫穿油層多,打井效率高。如果背斜發育成斜歪背斜,背斜頂點發生側向遷移,有必要沿背斜軸跡打一口斜井。此外,斜歪背斜內部砂體之間連通性更加復雜、蓋層的側向封堵強弱更加不確定,使其內油氣分布復雜,必然增加開發的難度。

5 磁村斷層形成機制

以磁村斷層為代表的放射狀斷層有多種成因解釋,且主要的幾條大斷層都延伸進入坳陷內部,成為坳陷與隆起耦合的紐帶(王桂梁等,1992;燕守勛等,1996;李理和鐘大賚,2006),因此,在其形成機制分析時要綜合考慮區域動力學背景及周邊地質構造特征。前人對其成因持有三個基本觀點:一是強調魯西地塊發育砥柱構造的影響,認為砥柱在穹窿狀拱升過程中產生了同心環狀–放射狀斷層,同時砥柱的旋扭作用使放射狀斷層具有走滑性質(金振奎等,1999;劉冠德等,2007;于建國等,2009;牛樹銀等,2012);二是強調沂沭斷裂帶左旋活動的作用,即魯西地塊產生旋轉構造應力場,放射狀斷層作為派生斷層與沂沭斷裂帶形成帚狀構造動力學模型(于建國等,2009;杜子圖等,1999);三是受魯西區域伸展構造應力場影響,放射狀斷層調節魯西地區NW 向斷層的活動,被稱為調整斷層(燕守勛等,1996;李理和鐘大賚,2006)。雖然人們對晚中生代以來魯西地區的成因演化存在不同的見解,但對這些斷層的走滑調節作用有著一致的認識。那么,導致這些放射狀斷層初始形成的主控因素是魯西砥柱隆升作用呢,還是走滑調節伸展作用呢？筆者傾向于后者,原因如下:

采用磷灰石裂變徑跡的方法研究魯西隆起的抬升史,得出魯西隆起快速抬升且與濟陽坳陷分隔發生在44 Ma之后(李理等,2006;唐智博,2010)。據此,魯西砥柱穹窿狀拱升成因的放射狀–同心環狀構造產生于44 Ma以后的可能性較大。然而,在對磁村斷層活動時期定年分析時,采集到的斷層泥的K-Ar全巖測年數據為104 Ma(李理等,2012),這與魯西北部放射狀斷層產生、活動時代是不相符的。此外,從走滑斷層一側斷盤構造升降的觀點來看,當郯廬斷裂左旋活動時,濟陽坳陷作為塊體位移的逃逸區產生伸展斷陷,發育成盆地(李三忠等,2005);魯西隆起作為塊體運動的指向區發生擠壓緩慢抬升,并遭受剝蝕成為物源區。在這個演化中,隆、坳實現耦合。與此同時在盆山連接過渡帶上,為調節斷陷沉降區的差異伸展或擠壓抬升區的橫推錯斷,研究區的放射狀斷層于是就以走滑斷層的形式產生了。根據山東省 1∶20萬區域地質圖估算的放射狀斷層走滑量多在10～20 km之間,而郯廬斷裂左旋走滑階段濟陽坳陷伸展量在15～30 km之間(燕守勛等,1996;姜慧超等,2008;趙利,2012),對比可以看出放射狀斷層走滑對盆地內的伸展是起匹配調節作用的。

在44 Ma隆坳分離之后,濟陽坳陷轉為NE向伸展且強度減弱,同時魯西隆起上的構造形變以快速隆升為主。這些構造轉變導致放射狀斷層在隆起上的調節作用減弱甚至停止,而斷層在盆地內部分則繼承性發育,如前述平南斷層。因此,綜合斷層形成機制和區域構造演化,推測魯西隆起上放射狀斷層的活動時期為 163～104 Ma和 67～43 Ma(李理等,2012)。

6 控藏意義

作為一個多期疊合盆地,渤海灣盆地內斷層在經歷應力場轉變時常具有斜滑特性(李理和鐘大賚,2006;鄭德順,2006;于建國等,2009 );此外受郯廬斷裂、蘭聊斷裂和太行山山前斷裂影響,其還有可能是一個伸展+走滑應力場背景下形成的盆地(漆家福等,1995;李鵬舉等,1995),這使得盆地會產生走滑斷層和斜滑斷層。這些斷層的走滑特征必然會對沉積有所影響。如,在下遼河坳陷金縣地區,郯廬斷裂的持續右旋走滑活動使得沙河街晚期至東營末期的沉積砂體不斷被錯開,使其向右橫向遷移,在平面上出現明顯的橫向疊置現象,在剖面上形成“魚躍式”砂體發育模式,與圖4b模式一致(鄧津輝等,2010)。在渤海海域遼東帶,沙二段形成的扇三角洲沉積體被營–濰斷裂帶遼東段錯開;進入東營期,東三段–東一段的辮狀三角洲受砂體切入凹陷位置點遷移影響,砂體由北向南發生明顯的遷移疊置,同樣與圖4b模式類似(徐長貴等,2008)。然而,在研究盆地內走滑活動對沉積的控制作用,抑或沉積對走滑構造的響應時存在一定的難度。這主要是因為盆內沉積過程不可觀察、多沉積體的時序及空間疊置難以確定。因此,加強盆地周邊地質調查以尋找沉積規律,通過沉積砂體的時序辨別及建模分析來確定砂體的時空演化,應該是渤海灣盆地內斷層走滑控制沉積以及成藏研究的一個重要方面。

7 結 論

(1)磁村斷層內構造和斷層巖發育,發現有擦痕、階步、碎裂灰巖、牽引褶皺、多種石香腸構造、“菱形構造”等。其中,石香腸構造和“菱形構造”受控于巖性及斷裂帶內復雜的應力場因素,與其他證據共同指示磁村斷層為一條右旋伸展-走滑斷層。

(2)斷層走滑活動對沉積具有控制作用,在沉積盆地內表現為多處伸展-走滑型斷層和走滑-伸展型斷層控沉積的沉積遷移現象,并發現了走滑伸展作用產生的斜歪扇背斜現象。這種控制作用使沉積砂體沿斷層走向展布,進而控制油氣成藏和分布。

(3)磁村斷層形成于晚中生代以來魯西地塊的張扭性應力場,其主要成因是魯西隆起不同塊體差異伸展所致,起調節不同塊體應變的作用。

致謝:成文之后得到中國海洋大學李三忠教授、中國石油大學(華東)鐘建華教授的細致審閱,并提出了寶貴的修改意見。在此一并致謝！

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