渤海海域西南部中生代構造演化過程與潛山形成機制

肖述光 呂丁友 侯明才 胡賀偉 黃 志

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 2. 成都理工大學沉積地質研究院3. “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學

0 引言

古潛山亦稱潛山構造，是指古地層長期遭受風化、侵蝕、斷裂、褶皺作用形成的古地貌殘丘、斷塊山、殘余背斜等古地形高點，而后被新的沉積物覆蓋。渤海灣盆地的潛山為新生界底不整合面之下的基巖隆起構造，其形成和最終定型是前新生代各期構造運動的結果。已有的研究從區域尺度厘定了太古界—古元古界華北克拉通基底年齡和拼合過程、中新元古代伸展盆地性質及空間展布[1-4]，恢復了古生代渤海灣盆地多旋回疊合演化過程[5-6]，識別了中生代印支、燕山關鍵變革期的地殼變形特征[5-6]，重建了印支—燕山期的構造格局[7-15]。這些研究成果清楚表明中生代的印支—燕山運動是塑造渤海灣盆地潛山形態和使其最終定型的關鍵。然而，中生代的構造演化過程的研究還不夠清晰，潛山最終定型的機制還不十分明確。渤海海域西南部處于多個構造單元的交匯部位，具有復雜的斷裂體系和完整的潛山地層，保存了較為完整的構造演化歷史記錄；大量的地震資料和近年實施的多口鉆井為揭示渤海灣盆地中生代的構造演化過程和探究潛山的定型機制提供了資料基礎。筆者基于對該區三維地震資料精細的地層解釋和構造樣式的識別，分析了中生代的構造演化過程，厘定了渤海海域西南部的潛山類型及分布，探究了潛山的定型機制，深化了渤海海域西南部前新生代的構造演化研究，以期為渤海灣盆地潛山的油氣勘探提供了堅實的地質基礎支撐。

1 地質背景

渤海海域西南部西起歧南斷階帶，東至郯廬西支走滑斷裂帶，北抵沙壘田凸起，南接埕子口凸起，面積約1.6×104km2，整體呈凹凸相間的構造格局，共包含五凹四凸，即歧口凹陷、南堡凹陷、渤中凹陷、沙南凹陷、埕北凹陷和石臼坨凸起、沙壘田凸起、埕北低凸起、埕子口凸起（圖1）。同時，區內北西、北東和近南北向斷層縱橫交織，斷裂系統十分發育，形成了歧南斷階帶、中央走滑帶、沙中斷裂帶、郯廬西支走滑斷裂帶等4大斷裂帶。研究區經歷了復雜多階段的構造—沉積旋回，在以混合巖化花崗巖、片麻巖、麻粒巖、石英砂巖等為主要巖性的太古界基底之上，自下而上發育4套潛山沉積層系：下古生界寒武系—奧陶系（ —O）淺海臺地相碳酸鹽夾頁巖及砂巖層系、上古生界石炭系—二疊系（C—P）海陸交互相碳酸鹽巖/煤系和紅色碎屑巖層系、中侏羅統（J2）灰色凝灰質碎屑巖系和火山角礫巖層系、下白堊統（K1）凝灰質灰巖夾角礫巖層系（圖1）。

圖1 渤海海域西南部區域構造圖及潛山地層綜合柱狀圖

2 潛山結構及構造特征

渤海海域西南部潛山經歷了多期構造活動的建造和改造，形成了復雜多樣的內幕結構和構造樣式[16-17]。通過對地層—地震相模式總結和斷裂的精細解釋，明確了該區發育的主要潛山結構類型和構造樣式。

2.1 潛山地層地震相類型與內幕結構劃分

潛山內幕不同時代地層及巖群具有相應獨特的地震反射特征，通過井震標定和精細對比解釋，建立了基底太古界、寒武系—奧陶系、石炭系—二疊系、中—下侏羅統、上侏羅統—下白堊統等5大地層組合單元標志性地震反射特征及地震相模式，具體特征如表1所示。

表1 渤海海域西南部潛山地層及其地震相特征表

根據潛山內幕殘留地層組成將渤海海域西南部潛山結構類型分為3類：單層結構、雙層結構、三層結構。單層結構型是指僅殘留太古界禿頂式潛山，其主要分布在沙壘田凸起和渤中19-6潛山構造帶。雙層結構型包括殘留太古界和古生界、太古界和中生界兩種亞型潛山，主要分布沙壘田凸起北翼、沙中構造帶。三層結構型則是指太古界、古生界、中生界均有殘留的潛山，主要分布在歧南斷階帶和埕北低凸起等地區[17]。

2.2 潛山構造樣式

渤海海域西南部經歷了復雜的構造發展過程，構造應力場性質既有張性、壓性，又有扭性[17]，因此形成了伸展、擠壓、走滑、反轉4類不同性質的構造樣式（圖2）。

伸展構造樣式在該區廣泛分布，是在區域或局部拉張作用下形成的使地殼或巖石圈伸展減薄的構造變形組合，與正斷層活動有關。該區經歷的多幕裂陷作用形成了半地塹、地塹、斷階、復雜“Y”形組合等多種次級構造樣式（圖2-a）。

擠壓構造樣式是在水平擠壓應力作用下，地層發生沖斷、褶皺，由一系列逆斷層組成的構造樣式。該區經歷多期強度不同的擠壓構造作用，在地震上可以識別出殘存的逆沖推覆構造、背沖構造、對沖構造、沖起構造、構造三角帶等多種次級擠壓構造樣式（圖2-b）。

圖2 渤海海域西南部潛山典型構造樣式圖

走滑構造樣式一般由一系列產狀陡傾的大型—巨型平移斷層及其間的斷夾塊體組成。郯廬西支走滑斷裂等多條走滑斷層貫穿該區，平面和剖面上均表現出明顯走滑變形的特征。平面上，可見淺層雁列式、羽狀小型正斷層組合；剖面上表現為花狀構造或陡立的斷層帶組合及斷夾塊的相間排列。不同時期的走滑伴隨不同程度的擠壓或拉張作用，在強烈的走滑作用下，由于兩大相鄰的塊體之間或擠壓堆垛導致斷夾塊的隆起成山（圖2-c），或剪切拉張導致釋壓成谷。

反轉構造為同一地質體在不同演化時期應力改變而形成的一種復合構造。渤海海域西南部經歷了多個擠壓—拉張—擠壓的構造旋回，正負兩種反轉構造均有發育，其中規模最大、分布最廣的為北西向斷層早逆晚正負反轉所形成的薄底或禿底構造（圖2-d），其標志性特征為靠近斷層一側寒武系—奧陶系或石炭系—二疊系明顯減薄甚至缺失。

3 中生代構造演化與斷裂體系發育

構造的形成和演化具有一定時限，亦即褶皺和斷裂體系發育不僅具有地區性，而且具有時代性。因此，可以通過對區域褶皺和斷裂活動期次、方式和強度的分析來劃分構造運動的期次，并結合二維構造的恢復來探討各期構造運動的運動學和動力學特征。

渤海海域西南部所處的華北克拉通位于古亞洲洋、特提斯洋和太平洋構造體系域交匯位置[18]，自元古宙末期以來，經歷了不同期次、不同方向、不同性質構造運動疊加演化的過程。整體而言，中生代以前的構造運動以整體垂直升降為主，構造相對簡單，斷裂欠發育。進入到中生代構造演化階段以來，該區水平方向構造作用日趨活躍，形成多個“擠壓—拉張—擠壓”構造旋回，并伴隨多期幕式走滑剪切，導致不同期次、不同性質、不同走向的斷裂體系在時空上疊加，最終形成縱橫交錯網格狀復雜斷裂系統。鑒于此，筆者對構造活動期次進行了劃分，明確該區潛山內幕主要經歷了印支期、燕山早期、燕山中期、喜馬拉雅期等4期構造運動，并首次識別了渤海海域燕山早期構造運動形跡，厘清了各關鍵構造期斷裂形成機制和分布特征。

3.1 印支運動與斷裂體系發育

晚—中三疊世，由于揚子板塊與華北板塊由點到線式的接觸碰撞，華北克拉通內部廣泛發育逆沖斷裂及相關褶皺等擠壓構造樣式[12-13,19-20]。在南北向強擠壓應力場下，渤海海域西南部發育北西西至近東西向展布的寬緩褶皺以及成排分布的大型逆沖斷層，如沙南斷層、埕北斷層、海一斷層等。這些斷層規模較大，走向延伸長度超過40 km，斷面傾角較大且呈鏟狀，上陡下緩，平面上呈現成排分布的特征（圖3-a），推測這些斷層為大型逆掩斷層的沖起前緣，在地殼深部存在統一的低角度逆沖推覆面。此期構造運動造成三疊系的沉積缺失，并導致古生界局部剝蝕。特別是在沖起構造的前緣，古生界剝蝕強烈，可見明顯的削截角度不整合界面。在后期伸展背景下，這些逆沖斷裂普遍發生反轉正斷，形成古生界向著靠近斷層的一側逐漸減薄或缺失的薄底或禿底構造現象（圖4-a）。

3.2 燕山運動Ⅰ幕與斷裂發育特征

早—中侏羅世，受伊佐奈崎板塊西向俯沖影響，

華北板塊由特提斯洋構造體系域轉入濱太平洋構造體系域，渤海海域西南部發生第二次大規模擠壓構造作用[14-15,21-25]。與印支期近東西構造體系不同，燕山早期主要表現為北西—南東向縮短構造，廣泛發育北東向逆沖斷裂和褶皺（圖3-b）。從變形方式來看，印支期以基底卷入的沖起構造和寬緩褶皺為主，而燕山早期則發育多種不同的擠壓構造樣式。其中，西側歧南斷階帶主要發育小型蓋層滑脫的薄皮逆沖構造，形成逆沖三角構造和雙重構造等構造樣式（圖4-b）。沙壘田凸起、沙南凹陷、埕北低凸起和埕北凹陷等中部地區則發育與印支期相似的成排分布的基底卷入高角度逆沖斷層。在該區東側，則發育規模宏大的左行平移逆斷層——郯廬西支走滑斷裂。郯廬西支走滑斷裂燕山早期劇烈的左行走滑逆沖導致渤中19-6潛山構造帶大幅隆升和強烈的風化剝蝕，形成凹陷區近南北向的古老太古宇變質巖低潛山構造。此外，有學者通過對大別造山帶東緣韌性剪切帶野外露頭和熱年代學的研究也確證郯廬斷裂南段早侏羅世存在左行逆平移活動[26]。

圖3 渤海海域西南部主干斷裂體系演化圖

圖4 渤海海域西南部不同構造期典型構造形跡的地質剖面圖

3.3 燕山運動Ⅱ幕與斷裂發育特征

晚侏羅世—早白堊世，伊佐奈崎板塊向歐亞板塊俯沖匯聚的角度及速率發生急劇變化，以更快的速度向北及北北西運動[26-28]，引發地幔底辟上涌，造成華北克拉通的破壞——巖石圈顯著減薄，發生強烈的火山噴發和陸內裂解。南北向水平引張作用之下，先存印支期及燕山早期逆沖斷裂作為地殼中的薄弱帶易于應力集中而發生伸展反轉，成為控制該時期盆地結構和沉積充填的邊界斷層，如沙南、埕北、海一、海四、羊二莊等斷層均具有明顯的早逆晚正反轉特征（圖4-a、b）。同時，在陡坡帶發育一系列與主干伸展斷裂走向一致的次級伴生斷層，形成“Y”形組合樣式。在緩坡帶則發育同向階梯狀斷層。另外，板塊間斜向匯聚作用還形成北東—南西向左行剪切應力場，導致該區發育一組北北東至近南北向左行正平移斷層（圖3-c），如沙東斷層、郯廬西支走滑斷裂等，并控制局部洼陷發育和上侏羅統—下白堊統沉積展布（圖5）。

3.4 喜山運動與斷裂發育特征

新生代以來，受太平洋板塊低角度高速斜向俯沖作用和印度板塊向北匯聚碰撞的遠程響應影響，渤海海域西南部處于南北向引張和北東向右行剪切雙重應力場中，發育伸展和走滑兩套斷裂系統。一方面，在近南北向拉張作用之下，先存的北西西和北東向斷裂發生伸展活化，同時還形成沙中斷裂等一系列東西向新生斷層，發育由板式主干伸展斷裂以及淺層伴生斷裂組合成的似花狀構造樣式。另一方面，在右旋剪切應力場下，形成北西和北東向共軛走滑斷裂體系（圖3-d、4-c）。

4 潛山差異形成演化機制

前已述及，渤海海域西南部中生代經歷了多個“擠壓—拉張—擠壓”構造旋回，多期構造活動不僅控制著網格狀復雜斷裂系統的形成，同時導致了眾多不同類型潛山構造發育。整體而言，該區潛山經歷了4個演化階段：第一階段為古生代物質基礎形成階段，屬于沉積建造期，構造運動以整體垂直隆升為主，構造欠發育；第二階段為印支期至燕山早期持續擠壓隆升與潛山構造雛形階段；第三階段為燕山中期塊斷隆升及潛山初始格局形成階段；第四階段為新生代以來改造與快速埋藏階段，包括古近紀伸展改造和新近紀熱沉降埋藏（圖5、6）。但是，由于各個構造時期，特別是在印支期和燕山早期兩大關鍵構造期，構造變形方式與強度的差異，導致該區潛山構造特征呈現出顯著的東西分帶的特征。根據潛山構造和殘留內幕結構特征差異，具體可劃分為西側殘留逆沖型潛山帶、中部反轉翹傾型潛山帶和東側復雜走滑斷塊型潛山帶。

圖5 渤海海域西南部東西向潛山構造演化剖面圖

圖6 渤海海域西南部北東向潛山構造演化剖面圖

西側殘留逆沖型潛山帶以歧南潛山為代表，印支期擠壓強度較弱，以輕微的撓曲構造變形為主；燕山早期是該類潛山構造形成的關鍵構造期，持續、多幕擠壓作用之下，發育低角度薄皮逆沖構造，潛山構造初始形成；燕山中期拉張背景下，先存逆沖斷裂發生伸展反轉，早期潛山發生塊斷差異隆升，構造幅度和規模隨之擴大；燕山晚期該區擠壓反轉強度較弱，對潛山改造較??；喜馬拉雅期，潛山被進一步伸展改造并快速埋藏（圖5）。

中部反轉翹傾型潛山帶主要包括埕北低凸起、沙中構造帶和沙壘田凸起等潛山構造。此類潛山的形成與殘留逆沖型潛山有所不同，其主要是受北西西或近東西向印支期擠壓逆沖和燕山中期伸展反轉斷層的控制，燕山早期構造變形微弱，對潛山構造發育演化影響較?。▓D6）。

東側渤中19-6復雜走滑斷塊型潛山構造帶成因最為復雜，印支、燕山、喜馬拉雅等各期構造運動均對潛山構造的形成具有較強的塑造作用，其中尤以燕山早期左行走滑逆沖作用控制作用最為顯著。印支期，南北向擠壓作用導致該區背沖構造樣式及相關褶皺的發育，潛山構造開始形成；燕山早期，受北西—南東向擠壓作用，發育近南北向左行走滑逆沖的郯廬西支走滑斷裂，形成受其控制的強制褶皺帶，強烈隆升剝蝕；燕山中期在郯廬西支走滑斷裂走滑拉張作用下渤中19-6潛山構造帶發生差異隆升，并進一步剝蝕夷平，形成平緩的潛山臺地；燕山晚期（晚白堊世）受南北向弱擠壓作用，持續抬升剝蝕并形成寬緩的背斜形態，高點位于潛山構造北部。喜馬拉雅早期，在幕式壓扭作用下，南部發生反轉隆升，潛山形態基本定型（圖5）。

5 結論

1）渤海海域西南部中新生代經歷了多期構造運動，形成了由北東、北西和近南北向等3組斷裂組成的復雜網格狀斷裂系統。其中，北西向斷裂初始形成于印支期，為逆沖性質，燕山中期和喜馬拉雅期發生伸展反轉；北東向斷裂起源于燕山早期逆斷層，燕山中期及喜馬拉雅期遭受走滑拉張改造；南北向斷裂則經歷了燕山早期左行逆平移、燕山中期右行走滑拉張和喜馬拉雅期多幕右旋走滑活動。

2）渤海海域西南部潛山形成可劃分為4個演化階段：前印支期穩定地臺沉積建造階段、印支—燕山早期持續擠壓褶皺成山階段、燕山中期伸展塊斷隆升與潛山初始格局形成階段、喜馬拉雅期走滑—伸展疊合改造與快速埋藏階段。其中，印支期和燕山早期是兩大關鍵構造形成期。

3）由于關鍵構造期變形樣式和強度的差異，導致渤海海域西南部潛山構造表現出顯著的分帶性，可分為西側歧南殘留逆沖褶皺型潛山帶、中部埕北/沙中/沙壘田等反轉翹傾型潛山帶和西段渤中19-6復雜走滑斷塊型潛山構造帶。