渤海海域遼西凹陷北部走滑斷裂特征及地質意義

黃 雷, 劉池洋, 王飛龍，吳 奎，王廣源，趙志平

(1.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司, 天津 300452)

郯廬斷裂帶是貫穿中國東部的巨型斷裂帶,控制或影響了一系列中新生代盆地的形成與演化,如中生代合肥盆地、膠萊盆地[1],中新生代渤海灣盆地[2-3],新生代伊通地塹(盆地)[4-5]等。正因其特殊的區(qū)域位置和控盆效應,郯廬斷裂帶在區(qū)域地質和石油地質的研究中廣受關注[3,6-11]。郯廬斷裂帶在演化上大體經歷了中生代大規(guī)模左旋走滑活動、新生代早期伸展活動和新生代中晚期的右旋走滑活動幾個階段[2,6-8,11-12],在對相應盆地的影響上普遍表現(xiàn)出明顯的走滑活動特征[1,2,4]。這一斷裂帶的走滑性質及對盆地演化的影響，在渤海灣盆地北部的遼河拗陷陸區(qū)和海域均具有較系統(tǒng)研究(見圖1)。其中,在遼河拗陷海域(文獻中多稱“遼東灣拗陷”),目前的研究認為，遼中—遼東凹陷帶發(fā)育明顯的走滑斷層,并歸其為郯廬斷裂帶內斷層[7,10],但針對遼西凹陷內部斷層的性質鮮有分析;在遼河拗陷陸區(qū)(文獻中多稱“下遼河拗陷”),目前的勘探資料揭示，在西部凹陷和東部凹陷均識別出新生代走滑斷層,并歸為郯廬斷裂帶內斷層[13-17]。基于目前對兩相鄰構造單元內走滑斷層的識別及分析,漆家福等[14]認為，郯廬斷裂帶在陸區(qū)下遼河拗陷呈兩支,分別展布于東部凹陷和西部凹陷內,向南延伸至海域遼東灣拗陷變?yōu)橐恢?分布于遼中—遼東凹陷帶內,這一認識代表了目前多數(shù)學者對郯廬斷裂帶在渤海灣盆地北部發(fā)育特征的認識。渤海灣盆地內的油氣勘探實踐業(yè)已表明,在目前所厘定出的這些新生代郯廬走滑斷裂帶分布區(qū)內,該斷裂帶的走滑活動對油氣聚集成藏起到關鍵作用[18-21]。

然而,渤海海域遼東灣拗陷最新的勘探資料顯示,在遼西凹陷內也發(fā)育明顯的走滑斷層。這一發(fā)現(xiàn)使學者對郯廬斷裂帶在渤海灣盆地的展布有了新的認識,為更全面地認識郯廬斷裂帶的特征與演化提供了很好的素材，也會為遼西地區(qū)油氣勘探提供新的思路。本研究主要根據(jù)最新的勘探地震資料,對緊鄰遼河拗陷西部凹陷的遼西凹陷北部地區(qū)的走滑斷裂系統(tǒng)進行識別與分析,重新認識郯廬斷裂帶在下遼河拗陷—遼東灣拗陷的展布；同時，對研究區(qū)內走滑斷層的油氣控制作用進行相應的分析。

1 區(qū)域地質概況

渤海灣盆地為新生代斷陷盆地,是中國最重要的含油氣盆地之一,內部包含多個富含油氣的負向一級構造單元(拗陷),其中遼河拗陷為盆地最北部的一個拗陷單元(見圖1a),也是渤海灣盆地中最重要的富油氣拗陷之一。

遼河拗陷包括陸上和渤海海域兩部分,其中陸上區(qū)域習慣被稱為“下遼河拗陷”,內部包含西部凹陷、東部凹陷與中央凸起3個二級構造單元,呈兩凹夾一凸的不對稱箕狀斷陷結構[14-15,22](見圖1b);遼河拗陷的海域部分習慣稱作“遼東灣拗陷”或“遼東灣地區(qū)”,內部自西向東依次可劃分成遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起、遼東凹陷等5個二級構造單元,這些二級構造單元呈凸凹相間展布,在多數(shù)區(qū)域也呈現(xiàn)不對稱箕狀斷陷結構(見圖1b)[18,20]。從海、陸兩部分構造單元的對應情況來看,陸上西部凹陷與海域的遼西凹陷相互連通,應為遼河拗陷的同一構造單元;遼西凸起為陸上中央凸起在海域的不連續(xù)延伸;東部凹陷對應海域的遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷3個構造單元(見圖1b)。研究表明,遼東凸起應該是在郯廬斷裂帶走滑改造作用下的晚成凸起,該凸起使早先遼東灣東部的大凹陷分割而成遼中和遼東凹陷兩部分[23-26],這也進一步說明，海域遼東—遼中凹陷是陸上東部凹陷的自然延伸。

研究區(qū)位于海域遼西凹陷北部,處于與陸上西部凹陷過渡銜接的部位(見圖1b)。從研究區(qū)新生界底構造面貌的立體顯示來看,在遼西凹陷內部還存在一個次級正向構造單元帶——中央構造帶(見圖2)。地震資料揭示,遼西凹陷北部呈現(xiàn)東斷西超的不對稱箕狀斷陷結構,凹陷內的中央構造帶屬于反轉構造成因的洼中隆構造(見圖3)。

圖1 遼河拗陷區(qū)域位置及構造綱要圖Fig.1 Map showing location of Liaohe sub-basin and the regional tectonic elements

圖2 研究區(qū)遼西北洼新生界底構造面貌立體顯示圖Fig.2 Three-dimension display for the structural framework of the Cenozoic bottom of the north part of the Liaoxi graben

目前，針對遼河拗陷陸區(qū)和海域各構造單元的區(qū)域地質研究揭示[14-15,18-20],其構造特征與演化以及盆地的充填特征均具較好的同步性和一致性,與整個渤海灣盆地的演化也表現(xiàn)為較好的一致性。但是，因其整個拗陷帶狹長展布于郯廬斷裂帶內,與渤海灣盆地其他拗陷相比,其受郯廬斷裂帶走滑作用的影響更為明顯和廣泛,內部斷層也多呈平行于郯廬斷裂帶的NE—NNE向,具伸展和走滑兩類活動方式。目前研究認為,在陸上區(qū)域的東部凹陷和西部凹陷均存在屬于郯廬斷裂帶的走滑斷層[13-15,17];海域部分的走滑斷層主要發(fā)育于遼中—遼東凹陷區(qū)[7,10,19-20]；遼西凹陷區(qū)的走滑斷層鮮有報道,少數(shù)已識別出的具走滑性質的斷層被認為是由先期伸展斷層疊加走滑活動所產生[27]。

圖3 遼西凹陷北部地震剖面Fig.3 Seismic section in the north part of the Liaoxi graben

2 研究區(qū)走滑斷層的特征與展布

研究區(qū)內斷層主要走向為NE向、NNE向、近EW向;全區(qū)發(fā)育多條主干斷層,幾條主干斷層間可在平面上通過平行側接關系延伸而貫穿全區(qū),從空間分布位置上可分為凹陷邊界斷層和凹陷內部斷層兩類(見圖4)。其中,勘探地震資料揭示，凹陷內部斷層普遍具有典型的走滑斷層特點,主要依據(jù)包括以下幾個方面。

1)剖面上,發(fā)育典型的花狀構造(見圖3),表現(xiàn)為淺層向上撒開的系列斷層收斂到深層深插基底的直立斷層；直立斷層走向NE向,遠離邊界鏟式控凹斷層,顯示走滑斷層獨立發(fā)育的特征,而非在伸展斷層基礎之上疊加走滑而成。

2)平面上,深淺層均發(fā)育大量雁列排布的斷層組合(見圖4),這些雁列斷層往往處于NE向主干斷層兩側,為伸展斷層,顯示走滑斷層在右旋走滑活動下所產生伴生斷層的排布特征。

3)兩側發(fā)育雁列伴生斷層的NE向主斷層,在平面上產狀多變,或近直立、或東傾、或西傾,表現(xiàn)出走滑斷層所特有的絲帶效應(見圖5)。

對研究區(qū)內的斷層從平面和剖面上結合分析，探究它們之間的內在關聯(lián)和規(guī)律(見圖4,5)：平面展布上,除控制遼西凹陷發(fā)育的東部邊界鏟式正斷層以外,研究區(qū)內部主要發(fā)育3條主干斷層,圍繞這3條主干斷層均不同程度地發(fā)育雁列式小斷層,若將主干斷層和兩側的伴生斷層看成一個斷層組,則可把研究區(qū)凹陷內部的斷層分成3個斷層組(見圖4,5中F1～F3斷層組)。

對3個斷層組在平面和剖面上進行追蹤發(fā)現(xiàn),F2和F3由南向北均通過斷層疊置關系過渡為F1而消失,F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三個斷層(組)均在深層匯聚收斂至同一條近直立的基底斷層而組成一個花狀構造(見圖4,5):在研究區(qū)南部，F(xiàn)2和F3二個主斷層(組)組成花狀構造的分枝斷層收斂匯聚于深部基底；研究區(qū)北部則主要為F1主斷層直立深插基底；在研究區(qū)中部的F2，F(xiàn)3主斷層與F1主斷層疊置區(qū)則表現(xiàn)為3條主斷層組成花狀構造的分枝斷層收斂匯聚于深部基底。

上述斷層分布特征表明,研究區(qū)凹陷內主要走滑斷層(即F1～F3斷層組)均以花狀構造樣式收斂于遼西凹陷的中央部位前新生代基底;沿此走滑斷層帶，一些與走滑相關的反轉構造發(fā)育，從而形成中央構造帶(見圖5)。值得注意的是,這些走滑斷層均遠離新生代的邊界控凹斷層，說明這些走滑斷層(如圖4中的F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3斷裂組)并非在新生代(早期)伸展斷層的基礎之上疊加走滑所成,而是獨立于伸展斷層(控凹邊界斷層)的新生走滑斷層。

圖4 遼西凹陷北部古近系內部(沙三段頂部)斷層與圈閉疊合圖及新近系底部斷層分布圖Fig.4 Maps show faults and traps within Paleogene strata, and faults at the bottom of the Neogene strata

3 走滑斷層演化史

走滑斷層在其彎曲、疊置區(qū)會發(fā)生局部擠壓變形或伸展變形,并以發(fā)育花狀構造為典型特征[28-33];這些特殊部位發(fā)生的局部擠壓或伸展構造變形亦可看做是走滑活動發(fā)生的標志性指示構造。因此,通過分析這些走滑活動在特殊部位伴隨產生的局部構造變形(尤其是在擠壓彎曲或疊置區(qū)的背斜)的發(fā)育演化史,可以很好地約束走滑活動的演化史。利用這一思路,筆者曾很好地約束了渤海其他地區(qū)郯廬斷裂帶的演化史[11]。

研究區(qū)內沿主干斷層也發(fā)育許多的斷層彎曲、疊置區(qū)。主干斷層右旋走滑活動過程中,在呈右階排布的斷層疊置或彎曲部位,會產生局部擠壓應力作用,導致背斜構造發(fā)育[11]；這類背斜的軸線往往與主干斷層呈銳夾角斜交,在走滑應變橢球體中對應擠壓變形的發(fā)育部位,因其與走滑活動的伴生關系,可稱為走滑相關褶皺。實際上,如前所述及，研究區(qū)凹陷內沿著基底直立斷層一線發(fā)育的洼中隆構造(即中央構造帶),即是走滑斷層在平面多處彎曲、疊置部位發(fā)生局部擠壓形成的背斜構造的集合體。也正因如此,整個中央構造帶并不連續(xù)展布,而成串珠狀分布(見圖2)。因此，對區(qū)內該類典型的背斜演化史進行分析,即可獲得走滑活動史[11]。研究中選取的典型背斜位于沿F3斷層發(fā)育的疊置區(qū)內(見圖5中Line E),主斷層在走滑活動下，在該部位產生的局部擠壓應力形成兩翼完好發(fā)育的完整背斜。

研究中，對過該背斜的地震剖面(Line E)進行新近系館陶組底、東營組二段底、東營組三段底、沙河街組二段底通層拉平，以恢復其各期構造的形態(tài)(見圖6)。在沙二段底部(Te層)拉平后,下伏地層無褶皺形態(tài)(見圖6d),而東營組底部(Td層)拉平后,下伏地層有輕微褶皺形態(tài)(見圖6c),這表明這一走滑相關褶皺開始形成于沙三段沉積之后,間接指示右旋走滑活動開始于沙三段沉積之后(40 Ma左右);東二上亞段底(Tc層)拉平后的地震剖面顯示，該層下伏地層褶皺形態(tài)明顯,且與現(xiàn)今構造形態(tài)與幅度基本一致(見圖6b)，這表明該構造主要形成時期為東三段和東二下亞段沉積期,對應相應右旋走滑活動的強烈主活動期;館陶組底(Ta層)拉平之后,古近系內褶皺幅度較Tc層拉平后的剖面有所增加,同時上部新近系內也有一定背斜形態(tài)顯示(見圖6a),這表明在Tc層之上地層沉積期間,該背斜仍有持續(xù)緩慢增強,也即右旋走滑活動仍在持續(xù)進行,但活動強度有明顯變弱的趨勢。

注：Q+N 第四系和新近系;E3d1 古近系東營組一段;E3d2u 古近系東營組二段上亞段;E3d2L 古近系東營組二段下亞段;E3d3 古近系東營組三段;E2s1+2 古近系沙河街組一段和二段;E2s3+4 古近系沙河街組三段和四段;Ta 新近系底部反射界面;Tb 東二上亞段底部反射界面;Tc 東二下亞段底部反射界面;Td 東三段底部反射界面;Te 沙二段底部反射界面;Tf 新生界底部反射界面圖5 遼西凹陷北部聯(lián)合地震剖面圖Fig.5 Serial NW-SE cross-sections across the study area

該背斜的發(fā)育演化史表明,研究區(qū)內相關走滑斷層在沙三段沉積末期發(fā)生走滑活動,東營期為走滑活動最強烈期,新近紀走滑活動持續(xù)發(fā)生,但活動變弱。

注：剖面位置為圖5中Line E的一部分圖6 研究區(qū)典型走滑相關擠壓背斜構造地震剖面各層拉平圖Fig.6 Sections flatted on the horizons of bottom

4 討 論

4.1 研究區(qū)走滑斷層與新生代郯廬斷裂帶的關系

上述分析表明,遼西凹陷內部走滑斷層的走滑活動始于沙三段沉積之后,具有獨立新生性,而并非古近紀早期(沙三期及以前)伸展斷層基礎之上的走滑疊加效果。這些斷層的走向均呈NE向,與郯廬斷裂帶的走向一致。在活動時間上,這些斷層右旋走滑活動始于40 Ma左右,這與渤海其他地區(qū)郯廬斷裂帶以及陸上下遼河拗陷內郯廬走滑斷裂帶活動時間是完全一致的[6,11,16,23-24]。從空間展布上來看,遼西凹陷內這些走滑斷層與目前陸上西部凹陷內識別出的郯廬走滑斷裂具有很好的對應連續(xù)性,對比斷裂樣式及其組合發(fā)現(xiàn)[13,15-16],兩者極可能走向相連或平行相接(見圖1)。據(jù)此認為,遼西凹陷內的這些走滑斷層應該屬于郯廬斷裂帶內的一支,且平行于遼中—遼東凹陷內的新生代右旋郯廬斷裂帶存在;該支斷層向北與遼西凹陷內的郯廬斷裂西支屬同一斷層,均為依蘭—伊通斷裂的南延部分(見圖1)。

以往研究因限于資料原因,并未在海域遼西凹陷區(qū)系統(tǒng)識別出典型的走滑斷層,所以在郯廬斷裂帶分布的認識上,研究者傾向于認為遼河西部凹陷的郯廬走滑斷裂帶西支向南延伸至海域時,與東部凹陷的郯廬斷裂帶東支交匯并作一支,與海域遼中—遼東凹陷內郯廬斷裂帶相連接[15]。從斷層幾何學展布規(guī)律來看,為何在該區(qū)突然發(fā)生如此變化(兩支并作一支)讓人難以解釋;此外,假若如此,西支斷層彎曲并與東支合并,在走滑活動中必然因其斷層的彎曲相應產生與南北鄰區(qū)構造不協(xié)調的變形特征(如大規(guī)模的擠壓凸起等),但實際的盆地構造面貌并未有此反映(見圖1)。本研究在遼西凹陷北部海陸過渡區(qū)識別出的走滑斷層與其他區(qū)段內郯廬斷裂帶具有極大的可比性,并可將其作為郯廬斷裂帶的西支,很好地解釋了新生代郯廬斷裂帶入海南延展布這一問題,即郯廬斷裂帶由陸上的下遼河拗陷入渤海海域繼續(xù)保持東西兩支平行發(fā)育。

以上對遼西凹陷北部斷層發(fā)育特征及活動史的分析表明,凹陷內部多數(shù)斷層在新生界內部表現(xiàn)為典型的走滑斷層樣式,其走滑活動始于沙三段沉積末期或之后(40 Ma左右)。而包括研究區(qū)在內的渤海灣盆地演化史研究認為,新生界沙三段沉積期間及之前是盆地的主斷陷期[19-20,22],這表明研究區(qū)內斷層活動在65～40 Ma時，應主要表現(xiàn)為伸展性質,從盆地充填地層特征來看,邊界控凹主斷層的主伸展活動期也應在該階段(見圖5)。由此可推測,研究區(qū)內的斷裂系統(tǒng)在新生代期間大體經歷了兩個主要發(fā)育階段:古近紀早期(65～40 Ma)凹陷邊界斷層的強烈伸展活動;之后(40 Ma左右以來)凹陷中心部位走滑斷層活動和邊界斷層的伸展—走滑復合改造。凹陷內部走滑斷裂體系均收斂于凹陷中心的前新生界基底內部,推測在新生代凹陷中心部位存在構造薄弱帶,這一構造薄弱帶在古近紀早期的伸展活動中卻未發(fā)生明顯的再活動,但在晚期的走滑活動中卻發(fā)生強烈的再活動。考慮到新生代郯廬斷裂走滑帶是在中生代走滑斷裂帶基礎上繼承發(fā)育而來,且該斷裂帶在中生代期間具有數(shù)百公里的巨大走滑活動量[8,9,12,34-35],推測研究區(qū)走滑斷裂體系所在的新生代凹陷中心處應該亦是中生代郯廬斷裂帶的發(fā)育部位。

4.2 油氣地質意義

在油氣勘探中,沿走滑斷裂帶往往是油氣聚集有利圈閉的發(fā)育區(qū),如渤海海域其他區(qū)段內的郯廬斷裂帶[21],北美圣安德斯走滑斷裂帶內[36-37]。實際上,研究區(qū)內發(fā)育的走滑斷層在凹陷內部斷續(xù)分布,在斷層右旋左階的錯接、疊置或彎曲部位,其走滑活動伴隨的局部擠壓應力,形成了凹陷內的由一系列串珠狀洼中隆構造構成的中央構造帶,這一構造帶也是區(qū)內油氣圈閉發(fā)育的主要構造單元(見圖4)。這些構造圈閉往往具有很好的背斜形態(tài),且處于凹陷內部,為烴源巖所包圍,一般具有較好的油氣聚集條件。目前區(qū)內已發(fā)現(xiàn)的油氣多位于此類構造圈閉內(見圖7)。

注：構造所在位置見圖4圖7 遼西北洼北部走滑相關擠壓背斜型圈閉Fig.7 Hydrocarbon trap related to inverted anticlinal structure

5 結 論

1)渤海海域遼西凹陷北部存在明顯的走滑斷層,在新生代具有明顯的右旋走滑活動性質,活動時期在沙三段沉積晚期之后至今(40 Ma左右以來),其中東營組中下部沉積期間活動最為強烈;這些走滑斷層深部均收斂于前新生界基底直立走滑斷層，應該為先存基底斷層新生代右旋走滑再活動的產物。

2)遼西凹陷走滑斷層北與遼河西部凹陷內走滑斷層可較好地延伸并走向相連或平行相接,在活動時間和展布特征上與遼河拗陷陸上部分及遼東凹陷內的走滑斷層均具有很好的一致性,因而一并可歸屬為郯廬斷裂帶內部斷裂體系。郯廬斷裂帶在整個遼河拗陷均具有東西兩支展布的特征,該特征應源于郯廬斷裂帶在該區(qū)前新生代東西兩支的發(fā)育模式。

3)遼西凹陷內部走滑斷層的新生代走滑活動形成凹陷內部的中央走滑反轉帶,控制了構造圈閉的發(fā)育,是油氣的有利聚集帶。