萊北低凸起構造成因演化及其對沉積體系的控制作用

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，有關渤海海域構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，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—山演化關系的研究。在三維地震資料精細解釋基礎上，根據斷裂體系特征、構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古溝谷演化對沉積的控制作用，為凸起斜坡區尋找有利儲集層發育區提供指導。

1 地質概況

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，總體表現為“一脊兩翼”的構造格局(見圖1)。萊北低凸起南北兩側受伸展斷層分割，東西兩側為郯廬走滑斷層夾持，伸展應力和走滑剪切應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，新生界自下而上發育古近系沙三段、沙一二段和東營組，新近系館陶組、明化鎮組。

區域地質研究表明，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、多期次的構造運動使郯廬斷裂帶，尤其是萊北低凸起圍區構造演化變得非常復雜，走滑—伸展應力導致凸起北西和南東向再次沉降，走滑—擠壓應力導致北東和南西向隆升甚至“溢出”，構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

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效應[16]。近平行的兩條主走滑斷層同時發生滑動位移時，夾持于其間的塊體兩側受到相反的應力作用，導致塊體發生扭動旋轉，誘導出共軛走滑斷層，或使先存斷裂發生共軛走滑。主走滑斷層間的共軛次級走滑斷層是由走滑應力場的R′(共軛Reidel剪切)破裂產生的[17]。扭動旋轉使塊體邊緣呈現中心對稱式的伸展區和擠壓區(見圖3[16])。

研究區萊北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)和內凹段(向北凸出)，地震剖面可見萊北1號斷裂外凸段西側局部處于擠壓背景，背斜形態明顯(見圖4(a、c、e))；在外凸段東側局部處于伸展背景，呈負地形或小型伸展斷塊構造(見圖4(b、d、f))。這一對稱構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，外凸段西側形成正阻增壓區，導致地層隆升；外凸段東側形成反阻釋壓區，地層松弛沉降。同時，考察與研究區具有相似構造背景的渤南1號斷裂，在其外凸段的東西兩側也出現相同的構造變形(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凹陷的構造沉降，又與郯廬斷裂帶中、東兩支共同作用于黃河口凹陷—萊北低凸起旋轉斷塊(簡稱旋轉塊體)，形成早期伸展構造疊加晚期走滑旋轉的獨特構造樣式，萊北低凸起即為旋轉塊體南側高部位。

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

2.2 應變對稱性

走滑斷層兩側斷塊的位移方向相反，斷層末端兩側斷層局部應力狀態及其引起的變形也相反，一側發生收縮隆升，另一側發生伸展沉降，走滑位移轉化為局部的垂直升降位移[19]。研究區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為匯聚或發散，匯聚處走滑位移量轉化為垂向隆升，發散處走滑位移量轉化為伸展沉降，應變在塊體四角呈中心對稱分布，平面上塊體呈簡單剪切應變形態，對稱應變也是產生旋轉效應的主因。

研究區對稱應變分為擠壓和伸展兩種類型。在萊北低凸起南西向發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，旋轉塊體在順時針旋轉過程中遇阻，導致次生走滑斷層出現以調節擠壓位移量、形成局部塊體“溢出”的早期構造形態(見圖6)。在萊北低凸起北東向區域，旋轉對稱性導致呈現擠壓環境，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換為縱向變形而被吸收(見圖7)。

對稱伸展主要體現在研究區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，旋轉塊體北西向和南東向分別向東和向西平移，造成兩個地區在古近紀時期伸展

圖3 走滑斷層間斷塊旋轉模式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力場，在渤海海域東南部地區形成塹壘相間的構造樣式，黃河口凹陷處于地塹區，而萊州灣凹陷東北洼處于地壘區。至始新世末期郯廬斷裂帶走滑構造活動增強，剪切應力場控制渤南1號斷層至萊北1號斷層之間旋轉塊體的應變，在郯廬斷裂右行走滑作用下，渤南1號斷層出現共軛左行走滑特征，在郯廬走滑斷層中支與渤南1號斷層交匯處(旋轉塊體北西向)出現離散沉降，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，致使洼陷規模更加擴大。萊北低凸起南東向處于早期凸起區，隨郯廬斷裂走滑作用的增強，郯廬走滑斷層東支與萊北1號斷層也形成離散沉降區，屬于凸起區疊加走滑成因離散沉降，洼陷形成時間相對較晚，規模也相對較小(見圖6)。

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

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

圖7 萊北低凸起北東側擠壓應變特征(剖面位置見圖1)

圖8 萊北低凸起伸展應變特征(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 構造演化

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

圖9 萊北低凸起構造演化剖面(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造格局基本定型。研究區萊北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造運動和幾何形態。在剪切作用下，渤南1號斷層和萊北1號斷層出現左行走滑特征。由于旋轉斷塊北西側走滑斷層和派生走滑斷層運動方向為離散狀態，黃河口凹陷中洼沉降中心向西遷移，沉降速率加快，凹陷內部走滑派生斷層增多；隨著黃河口凹陷中洼規模的擴大，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號斷層東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，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，旋轉塊體在剪應力作用下北西側和南東側持續沉降，同時北東側和南西側的擠壓作用也隨之加劇。旋轉塊體南西側受擠壓作用而產生早期調節次生走滑斷層，剖面可見貫穿基底并在古近系呈小規模負花狀特征，次生走滑斷層與郯廬走滑斷層運動方向相反。同處于擠壓環境的塊體南東側整體向南抬升，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，研究區整體沉降接受沉積，斷陷區東營組地層厚度大于凸起區的。萊州灣東北洼快速伸展沉降，洼陷規模顯著擴大，受馬尾狀鏟式斷層分割，洼陷結構呈多斷塊復雜化特征。根據北西西向剖面，萊北低凸起中央隆起帶披覆背斜形態定型。東營組沉積末期，受東營運動影響[21-24]，渤海海域發生區域反轉，研究區在斜坡高部位等局部地區缺失東一段地層。

3.5 館陶組—明化鎮組沉積期

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構造穩定，館陶組和明化鎮組沉積厚度穩定，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，同時盆緣帚狀或叉狀斷裂系發育又與走滑作用的疊加有密切關系[26]。由于不存在長期剝蝕區，萊北低凸起難以作為萊州灣凹陷北部陡坡帶物源區，古近系沉積期主要物源位于研究區西南的墾東凸起，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由輸砂通道向黃河口凹陷和萊州灣搬運碎屑物質，形成規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。沉積體系向前推進和卸載過程受萊北低凸起構造演化控制，沉積規模在不同時期具有差異性。

4.1 輸砂體系

受氣候、湖平面、構造和沉積作用影響，輸砂通道可以與沉積坡折相互轉化，侵蝕溝谷在早期起輸砂作用，隨基準面上升，侵蝕溝谷逐漸轉變為沉積溝谷[30]。沙河街組沉積末期，在塊體旋轉作用下,萊北低凸起北西向沉降速率開始增大，導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擴張，平面呈北寬南窄的幾何形態。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。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 沉積規模

沙河街組沉積末期，走滑—旋轉構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—旋轉構造運動增強，沉積溝谷變為沉積坡折，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 結論

(1)萊北低凸起新生界自下而上發育古近系沙三段、沙一二段、東營組，以及新近系館陶組、明化鎮組。缺失古近系孔店組、沙四段，局部缺失東一段。對應5個構造演化階段，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歷復雜的構造變形。

(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，萊北低凸起發生順時針旋轉，導致北西側和南東側出現伸展沉降，北東側和南西側出現擠壓形變，形成現今“一脊兩翼”的構造格局。

(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模逐漸向東擴展并向沉積坡折轉化，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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