南黃海盆地東北凹構造特征及伸縮率研究

張田，朱偉林，鐘鍇，付曉偉，陳春峰，高順莉

1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092

2.同濟大學海洋資源研究中心，上海 200092

3.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335

南黃海東北凹位于南黃海盆地北部坳陷的東北部（圖1），總體呈 NEE 向展布，面積約 1.2×104km2，最大沉積厚度約10 km，是北部坳陷各凹陷中埋藏較深、面積相對較大的一個沉積凹陷，也是北部坳陷中唯一鉆遇侏羅紀地層的凹陷[1-2]。南黃海盆地東北凹僅有中海油上海分公司于2008年鉆探的1口探井（RC20-2-1），揭示了第四系——上侏羅統，未見油氣顯示。

圖1 南黃海盆地及鄰區構造區劃簡圖Fig.1 Tectonic map of the South Yellow Sea Basin and its adjacent areas

目前，南黃海盆地東北凹構造特征方面的研究相對薄弱，僅見少量地層剝蝕方面的報道[3-4]，鮮有涉及構造演化、構造反轉[5]、成因機制等方面的研究，也未曾開展過伸縮率等方面的定量研究工作，這在一定程度上制約著南黃海盆地東北凹的油氣勘探進程。

本文通過選取南黃海盆地東北凹典型地震剖面，開展精細的構造解釋，系統梳理東北凹的構造樣式特征。同時，采用平衡剖面恢復技術和伸縮率計算方法，分析了東北凹各時期的伸縮率與構造變形特征。最后，結合深部動力學背景和區域應力場特征，探討了東北凹的構造演化歷程，填補了南黃海盆地東北凹構造特征研究方面的空白，為進一步推進南黃海盆地東北凹的油氣勘探進程奠定了堅實的資料基礎。

1 區域地質特征

南黃海盆地主要位于揚子板塊，是下揚子板塊沿北東方向的海域延伸部分[6]。南黃海盆地的北界以千里巖隆起北斷裂與華北板塊相鄰，南界以江山-紹興斷裂與華夏板塊相接，西界以蘇北-濱海斷裂與蘇北盆地相連，東界為南黃海東緣斷裂。需要指出的是，南黃海盆地北部和南部邊界為兩期碰撞造山帶（華北-下揚子板塊碰撞造山、下揚子-華夏板塊拼合）的產物，表現為復雜的逆沖斷裂帶特征[7-9]；而西部和東部邊界受控于區域上晚中生代以來古太平洋板塊的多期次俯沖作用，迄今表現為區域性走滑斷裂的性質[10-12]。

南黃海盆地整體具有“三隆夾兩坳”的構造格局，從北到南依次為千里巖隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷、勿南沙隆起[13]。其中，北部坳陷共發育7個凹陷（東北凹、北凹、中凹、西凹、南凹、東凹、群山凹陷）和6個凸起（北部凸起、東二凸起、東一凸起、西部凸起、南部凸起、群山西凸起），凹陷和凸起相間分布，各構造單元總體呈NEE-近EW向展布。東北凹位于北部坳陷東北部（圖1），其西北側為千里巖隆起，南側為北部凸起和東二凸起。

南黃海盆地東北凹自晚三疊世開始發育，接受了中、新生代巨厚的河流、湖泊相及濱淺海相沉積建造，自下而上依次為上三疊統（T3）、下侏羅統（J1）、中——上侏羅統（J2+3）、下白堊統（K1）、上白堊統泰州組（K2t）、古近系古新統阜寧組（E1f）、始新統戴南組（E2d）和三垛組（E2s），新近系鹽城組（N1y）及第四系東臺組（Qpdt），最大沉積厚度約 10 000 m（表1）。

東北凹構造演化經歷了晚侏羅世儀征運動和漸新世末三垛運動兩期構造反轉作用，分別以Tk40和T20角度不整合界面為代表，界面之下地層遭受顯著的擠壓、褶皺、抬升剝蝕。以兩次構造運動為界，可以將東北凹的構造演化大體劃分為3個階段：晚三疊世——侏羅紀的初始斷陷階段、白堊紀——漸新世的裂陷-反轉階段、新近紀——第四紀的區域沉降階段（表1）。

2 構造樣式特征

在凹陷結構方面，南黃海盆地東北凹主要受控于西北側、南側的鏟式同沉積斷層和東側的構造斜坡，著重表現為箕狀斷陷特征；相應地，在地層沉積厚度方面，表現出“西北厚、東南薄”的不對稱楔形特征。在構造樣式方面，東北凹主要發育伸展構造（犁式正斷層、順向斷層、反向斷層）、走滑構造（負花狀）和反轉構造等多種構造組合樣式（圖2）。

2.1 伸展構造

南黃海盆地東北凹發育的伸展構造主要包括同沉積犁式正斷層、順向/反向斷層（圖2）。同沉積犁式正斷層也稱鏟式正斷層，其特點是隨著深度增加，斷層傾角“上陡下緩”，愈向下斷層傾角愈緩，接近于水平；斷層斷距也具有“上小下大”的特征，說明在斷層發育的早期，即東北凹形成初期，斷層活動強度最大，對沉積的控制作用也最大。順向/反向斷層是指東北凹斜坡部位發育的與斜坡傾向相同的順向正斷層和與斜坡傾向相背的反向斷層，且這些順向斷層/反向斷層具有多米諾式組合特征，剖面上呈疊瓦狀，平面上呈雁列式展布。

2.2 走滑構造

南黃海盆地東北凹發育的走滑構造主要為負花狀構造。主干走滑斷層與伴生的分支斷層構成的上寬下窄、似“花朵”狀的破裂帶稱為花狀構造。其中，負花狀構造是在張扭作用下產生的，其大多數斷層具有正斷距（圖2）。東北凹發育的負花狀構造大多位于凹陷中央部位，主要起到局部重力及應力調節作用。

2.3 反轉構造

東北凹的地震剖面中可識別出兩期明顯的構造反轉特征，以T20和Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層遭受顯著的擠壓抬升剝蝕（圖2）。其中，Tk40不整合面代表晚侏羅世儀征運動，南黃海盆地東北凹經歷的第一次擠壓構造反轉，界面之下的侏羅系遭受強烈擠壓抬升剝蝕，侏羅紀地層背斜形態明顯，界面上下地層呈角度不整合接觸關系。T20不整合面代表漸新世末期三垛運動，界面之下地層發生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統上部和漸新統沉積。

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圖2 南黃海盆地東北凹地震剖面特征（剖面位置見圖1）Fig.2 Characteristics of seismic sections in north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

3 平衡剖面恢復與伸縮率計算

平衡剖面技術是一種遵循幾何守恒原則而建立的地質剖面正演與恢復方法，已成為區域構造應力分析與構造變形恢復的重要手段，是構造演化定量分析的有效方法。平衡剖面恢復主要遵循層長和面積守恒，由于研究區主要為剛性巖層，本文運用層長守恒法則繪制平衡剖面，即假定地層厚度不變，巖層在變形后的長度和初始沉積時的長度是相同的[14]。利用平衡剖面技術將現今的剖面進行巖石變形和地層伸縮變形的恢復，從而得到南黃海盆地東北凹各時期的伸展和壓縮量，獲取各演化階段的構造變形和展布特征。

假設每條地震剖面原始長度為L0，變形后長度為L1，伸展率、壓縮率=（L1-L0）/L0×100%，正值代表伸展，負值代表收縮。對選取的3條地震剖面分別恢復了晚三疊世（T3）、早侏羅世（J1）、中——晚侏羅世（J2+3）、白堊世（K）、古新世——始新世（E1+2）、漸新世（E3）等各時期的地質剖面，得到各時期剖面的伸縮率（表2），部分平衡剖面恢復結果見圖3。

表2 南黃海盆地東北凹伸縮率計算結果Table 2 The extensional and compressional rate of north-east sag，the South Yellow Sea Basin

研究表明，南黃海盆地東北凹的伸縮率具有如下特征：

（1）晚三疊世（T3）、早侏羅世（J1）沉積時期南黃海盆地東北凹整體處于弱伸展階段，且早侏羅世（J1）沉積時期的伸展強度（伸縮率為2.6%～4.5%）總體大于晚三疊世（T3）沉積時期（伸縮率為1.8%～3.7%）（圖4），說明由晚三疊世（T3）到早侏羅世（J1），東北凹的伸展強度有逐漸增強的趨勢。同時，晚三疊世（T3）沉積時期，東北凹的中部伸縮率最大（伸縮率為3.7%），其次為南部（伸縮率為2.6%）和北部（伸縮率為1.8%），說明晚三疊世（T3）時期，東北凹中部的伸展強度最大，大于凹陷南部和北部（圖5）。早侏羅世（J1）沉積時期，東北凹的南部、中部和北部的伸縮率，具有與晚三疊世（T3）相似的規律（圖5）。

（2）中——晚侏羅世（J2+3）沉積時期，南黃海盆地東北凹整體轉為收縮階段，伸縮率為-3.2%～-7.6%（圖4），說明在中——晚侏羅世（J2+3）沉積之后東北凹經歷了第一次構造反轉作用，該期構造反轉對應于中——晚侏羅世儀征運動，在東北凹以Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯。此外，該時期東北凹北部的伸縮率（-7.6%），總體大于中部（-6.2%）和南部（-3.2%），說明該期構造反轉作用強度在東北凹具有“北強南弱”的特征（圖5）。

（3）白堊世（K）、古新世——始新世（E1+2）沉積時期，南黃海盆地東北凹再次處于伸展狀態，且古新世——始新世（E1+2）沉積時期的伸展強度（伸縮率為4.4%～7.0%）總體大于晚白堊世（K）沉積時期（伸縮率為1.5%～3.2%）（圖4），表明從白堊世（K）到古新世——始新世（E1+2），東北凹的伸展強度有逐漸增強的趨勢。同時，白堊世（K）沉積時期，東北凹南部的伸縮率（3.2%）大于北部（2.3%）和中部（1.5%）；古新世——始新世（E1+2）沉積時期，北部的伸縮率（7.0%）大于南部（5.6%）和中部（4.4%）（圖5）。

圖3 南黃海盆地東北凹構造演化Fig.3 The tectonic evolution section of north-east sag in the South Yellow Sea Basin

圖4 南黃海盆地東北凹伸縮率時間變化趨勢（剖面位置見圖1）Fig.4 The difference of extensional - compressional rates in different tectonic evolution stages of north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

圖5 南黃海盆地東北凹伸縮率空間變化趨勢（剖面位置見圖1）Fig.5 The difference of extensional -compressional rates in different space of north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

（4）漸新世（E3）沉積時期，東北凹發生了明顯的收縮，伸縮率為-3.0%～-5.2%（圖4），東北凹中部的伸縮率（-5.2%）略大于南部（-4.5%）和北部（-3%）（圖5）。說明在漸新統（E3）沉積之后，南黃海盆地東北凹經歷了第二次構造反轉作用，該期構造反轉作用對應于漸新世末三垛運動，以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統上部和漸新統沉積。

南黃海盆地東北凹各時期的伸縮率變化特征剛好與東北凹的構造演化歷程相耦合，即東北凹存在兩期伸展階段（T3-J1）和（K-E2）,伸縮率為正值，且每個伸展階段的伸縮率均是“由小到大”逐漸增強，表明伸展作用“由弱向強”過渡；而每期伸展階段的結束，均存在一次構造反轉作用，伸縮率為負值，代表著凹陷伸展作用向擠壓作用的調整，即南黃海東北凹具有“弱伸展→強伸展→構造反轉”的構造演化規律，這與中國東部各盆地（凹陷）具有相似的演化特征。

4 構造演化特征

南黃海盆地處于古亞洲構造域和濱太平洋構造域的核心區域，位于下揚子板塊東北緣[15]，是一個中——新生界陸相沉積疊加于中——古生界海相碳酸鹽巖沉積之上的疊合盆地。南黃海盆地東北凹作為一個晚三疊世開始發育的中——新生界沉積凹陷，經歷了中——晚侏羅世儀征運動、漸新世末三垛運動等多期構造運動的疊加改造，且構造運動與東北凹構造樣式的時空展布、發育期次和成因機制之間表現出良好的耦合關系。其中，晚中生代以來，古太平洋板塊相對歐亞板塊的俯沖作用是控制南黃海盆地東北凹構造、沉積演化的最關鍵因素。

4.1 初始斷陷階段（三疊紀末——侏羅紀）

三疊紀末，揚子板塊與華北板塊發生碰撞，形成秦嶺-大別-蘇魯造山帶[16-17]，徹底改變了中國東部古生代盆地的發展格局，中國東部逐漸由古亞洲構造域轉向濱太平洋構造域[18]。印支運動結束后，南黃海盆地東北凹開始進入初始斷裂階段，發育了少量上三疊統和近2 000 m的侏羅系沉積地層[1-2]。進入晚侏羅世，中國東部深部地球動力學背景和區域應力場特征又發生了巨大的轉變，古太平洋板塊開始以NW向、低角度相對歐亞板塊俯沖[19]，南黃海盆地東北凹經歷了第一次構造反轉（儀征運動），強烈的擠壓應力作用導致上侏羅統頂界發育以Tk40為代表的角度不整合界面，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯。

4.2 裂陷-反轉階段（白堊紀——古近紀）

進入早白堊世，古太平洋板塊俯沖角度逐漸變陡，導致地幔上涌、板片后撤，中國東部構造應力體制發生了根本性的轉折，由NW-SE向擠壓應力環境轉換為區域性拉張應力環境，此時南黃海盆地東北凹開始進入裂陷階段，發育白堊系和古近系沉積地層。直到漸新世末，隨著古太平洋板塊俯沖速率的加大[20]，南黃海盆地東北凹經歷了第二次構造反轉（三垛運動），以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統上部和漸新統沉積。

4.3 區域沉降階段（新近紀——第四紀）

新近紀以來，隨著海水的侵入和地殼的均衡沉降，南黃海盆地東北凹整體進入區域沉降階段。

5 結論

（1）南黃海盆地東北凹經歷了多期構造運動的疊加改造，在凹陷內發育伸展構造（犁式正斷層、順向斷層、反向斷層）、走滑構造（負花狀）和反轉構造等多種構造組合樣式。

（2）東北凹經歷兩期構造反轉：①中——晚侏羅世沉積后，東北凹經歷第一期構造反轉，對應晚侏羅世儀征運動，以Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯；②漸新統沉積后，東北凹經歷第二期構造反轉，對應漸新世末三垛運動，以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統上部和漸新統。

（3）平衡剖面恢復和伸縮率計算結果表明：①晚三疊世、早侏羅世，東北凹整體處于弱伸展階段，且早侏羅世伸展強度大于晚三疊世；②中——晚侏羅世，東北凹整體轉為收縮階段，對應第一次構造反轉（儀征運動）；③白堊紀和古新世——始新世，東北凹再次處于伸展狀態，且從白堊紀到古新世——始新世，伸展作用逐漸增強；④漸新世，東北凹再次發生明顯收縮，對應第二次構造反轉（三垛運動）。

（4）南黃海盆地東北凹的構造演化與區域應力場特征息息相關，是對“晚中生代以來，古太平洋板塊相對歐亞板塊俯沖匯聚速率和方向的改變”的局部響應。相應地將南黃海盆地東北凹的構造演化大體劃分為3個階段：晚三疊世——侏羅紀的初始斷陷階段、白堊紀——古近紀的裂陷-反轉階段、新近紀——第四紀的區域沉降階段。