渤海灣盆地底辟構造變形特征及成因機制分析

劉明明，馬寶軍，申方樂，龍鵬宇，劉馬釗

1. 河北地質大學 地球科學學院，河北 石家莊 050031；2. 河北地質大學 華信學院，河北 石家莊 050700

0 引言

渤海灣盆地是中國東部重要的含油氣盆地，在地質演化過程中形成了伸展和走滑兩類斷裂系統[2]，控制了盆地內的油氣藏。近年來隨著地震勘探的深入，人們發現盆地內還發育大量的底辟構造；其控制了局部地區的構造變形。目前對于渤海灣地區底辟構造的幾何學特征和控制因素的認識尚不夠全面和深入，不同構造帶底辟構造的差異性也缺少對比研究。伸展環境下底辟構造的發育有沒有規律？對盆地內油氣生成、運移及成藏有多大影響？這些問題都缺少系統的分析。本文應用地震地質剖面精細解釋、構造分析等方法對盆地內東濮凹陷、東營凹陷、萊州灣凹陷與遼東灣坳陷地區的底辟構造進行分析，通過幾何學、動力學、運動學分析可加深對伸展裂陷背景下底辟構造的變形特征和機理的認識，也可為今后該地區的油氣勘探提供一定的指導意義。

1 區域地質背景

渤海灣盆地位于中國東北部，是新生代太平洋板塊向我國東部俯沖導致華北克拉通破壞背景下形成的伸展裂陷盆地[3]，郯廬斷裂帶貫穿渤海灣盆地東部，其新生代的走滑活動對盆地形成演化有重要影響。渤海灣盆地主要由下遼河坳陷、冀中坳陷、黃驊坳陷、渤中坳陷、濟陽坳陷、臨清坳陷、遼東灣坳陷、昌濰坳陷等多個次級坳陷與隆起組成（圖1），由于經歷過多期、復雜的構造活動，所以渤海灣盆地構造變形十分復雜，包括伸展構造系統、走滑構造系統、反轉構造系統和疊加構造系統等。盆地新生界主要為一套河湖相碎屑巖沉積，自下而上依次發育孔店組（Ek）、沙河街組（Es）、東營組（Ed）、館陶組（Ng）、明化鎮組（Nm）和平原組地層（Qp）[4]。其中鹽巖主要發育在沙河街組四段（Es4）；泥巖則常與其他巖性互層分布在各個層位，其中沙河街組是主要的分布層位。

圖1 渤海灣盆地構造體系及底辟構造分布圖Fig. 1 Tectonic system and diapir distribution map of Bohai bay basin

2 底辟構造的分布及形態

渤海灣盆地泥巖和鹽巖分布范圍較廣，但已發現的典型底辟構造主要發育在東濮凹陷、東營凹陷、萊州灣凹陷及遼東灣坳陷等幾個次級構造單元（圖1）。不同地區底辟構造幾何學變形特征差異較大。

2.1 東濮凹陷鹽底辟構造幾何形態

東濮凹陷位于渤海灣盆臨清坳陷西側，伸展、走滑是凹陷內主要的構造樣式類型，鹽底辟在凹陷內發現較多[6]。地震地質和鉆探資料分析表明，東濮凹陷的典型鹽底辟構造主要分布于中央隆起文留構造帶內[7-8]。過該地區的剖面顯示（圖2）底辟構造發育在兩條主干斷裂（文西斷層與文東斷層）夾持的壘塊之上[9]，地壘之上發育多條次級斷層，鹽層位于沙河街組一段（沙一鹽） 、沙河街組三段第二亞段（文9鹽）與沙河街組三段第四亞段（文23鹽），均有底辟變形，但鹽構造發育較明顯的層位為文9鹽層，該層位雖整體延伸范圍較小但是沉積厚度巨大，為鹽構造的發育提供了充足源鹽[10]。改造最為強烈的一套膏鹽層則為文23鹽巖層：斷層在鹽層內滑脫，導致鹽層局部垂向運移、聚集，破壞了沙河街組三段與沙河街組二段，形成拱張背斜構造。

圖2 東濮凹陷過文23井剖面位置及地質剖面圖（據參考文獻[9]修改）Fig. 2 Section position and geological profile of Guowen 23 well in Dongpu sag

文23鹽的物質局部來源于沙河街組三段第四亞段，后由于斷層構造活動鹽巖變形造成文23鹽局部輕微刺穿上覆地層，使得鹽層流動到其他地層中。

2.2 東營凹陷底辟構造幾何學形態特征

東營凹陷位于渤海灣盆地中南部濟陽坳陷，整體表現為北斷南超的復式半地塹式；主要發育伸展、伸展—走滑構造樣式，其在中央斷裂背斜帶東部發育典型的底辟構造，主要為鹽—泥拱張構造[11]（圖3）。地質剖面顯示，中央隆起帶內發育的塑性拱張背斜帶主要分布在辛鎮構造帶與郝家—現河莊構造帶內[12]。郝家—現河莊構造帶內過東風5井等的地震地質解釋剖面顯示：該地區的鹽巖層厚度整體較均勻，在鹽構造較為發育的區域地層呈中間厚，兩翼薄特征；鹽層發育于被較分散的斷層分割的斷塊之間，分布不連續；鹽層常在重力作用下順斷層滑脫。底辟核部也被復雜的斷層切割。

從剖面圖可看出，斷層穿過沙河街組二段地層、沙河街組三段地層與沙河街組四段地層，沙河街組二段地層以泥巖與砂巖互層；沙河街組三段地層以深灰色泥巖、油頁巖與薄層砂巖及碳酸鹽巖夾層為主；沙河街組四段地層則以灰色砂巖、礫巖以及鹽巖與石膏夾層為主，為該區域鹽構造發育提供了物質基礎。典型的鹽構造樣式發育在東營凹陷的沙河街組四段鹽巖層（圖3），該鹽巖隨斷層延伸，變形顯著；形成輕微上拱沙河街組三段鹽上層的鹽—泥拱張構造。

圖3 東營凹陷東風5-東風1-東風3-東風2鹽構造發育剖面位置及地質剖面圖（據參考文獻[12]修改）Fig. 3 Location and geological profile of salt structure development section of Dongfeng 5-Dongfeng 1-Dongfeng 3-Dongfeng 2 in Dongying sag

2.3 萊州灣凹陷底辟構造幾何學形態特征

萊州灣凹陷位于渤海灣盆地中南部濟陽坳陷的東部，同樣也發育有鹽底辟構造，其主要分布在墾利11井和墾利17井附近，過墾利11井與17井鹽構造地震地質解釋剖面顯示，郯廬斷裂帶的分支從該凹陷東部穿過（圖4），呈南北向展布，近平行于區域拉張方向，鹽體的刺穿特征明顯（圖4a與圖4b），底辟構造的幾何學形態在不同區域也有明顯不同。

圖4 萊州灣凹陷墾利區鹽刺穿（b）與鹽枕構造（a,c）剖面位置與構造特征（據參考文獻[13],[18]修改）Fig. 4 The position and structural characteristics of salt piercing （b） and salt pillow structure （a,c） profiles in Kenli area, Laizhou bay depression

萊州灣凹陷沙河街組四段含有較厚的巖鹽和膏鹽層，是該區域底辟構造發育的重要源鹽。墾利17區與11區中部鹽層發生聚集隆起（圖4a與圖4b），主動刺穿上覆地層，在鹽巖層上拱的作用下；地層橫向拉張，沿鹽層滑脫，發育正斷層伴生構造，鹽上地層則發育背斜，且斷層發育豐富的相關區域鹽巖變形強烈；與此同時也發育了大量的鹽相關構造。地震地質剖面顯示墾利11區發育有刺穿型鹽鼻狀鹽構造樣式（圖4b）；又因鹽巖聚集程度不集中，則在順地層的三角地帶殘留鹽體形成了鹽滾構造（圖4b）；另外在墾利11區的東部（圖4c）鹽刺穿強度較弱，鹽層順地層發育，并順地層不整合處尖滅；鹽層和上覆地層變形連續，形成典型的整合鹽枕構造[13-14]（圖4c）。

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2.4 遼東灣坳陷泥底辟構造幾何學形態特征

遼東灣坳陷內主要發育泥底辟，其主要分布在遼中凹陷的中段部位。橫穿遼中坳陷底辟的地震地質剖面（圖5）表明，泥底辟構造被遼中1號走滑斷裂切穿，該斷裂是郯廬斷裂帶遼東灣段的兩大主干斷裂之一，呈北東方向展布。在遼中1號斷裂作用下，泥底辟構造兩側的地層沉積特征發生了變化：即靠近泥底辟兩翼的地層產狀較陡，泥底辟頂部的地層也發生了破裂與塌陷，形成了在剖面上與遼中1號主斷裂整體呈“V”字型的正斷層[15]（圖5）。

圖5 遼東灣坳陷泥底辟構造發育剖面位置及地震地質剖面圖Fig. 5 Location of mud diapir structural development profile and seismic geology profile in Liaodong Bay depression

鉆探資料表明，該泥底辟構造底辟核主要由沙河街組四段（Es4）泥巖組成。主干斷層穿過凹陷內沙河街組（Es）、東營組（Ed）、館陶組（Ng）與明化鎮組（Nm）地層，為泥巖底辟提供上涌的通道。

3 底辟構造變形機制

底辟構造的變形機制較為復雜，比較受到大多數人認同的是多數底辟構造變形受到先存基底觸發、差異負荷、斷層阻擋等這幾種因素的控制，但不同盆地背景下控制因素差異較大。通過對渤海灣盆地不同地區底辟構造變形特征的分析，結合區域地質動力條件，來分析渤海灣地區底辟構造的形成機制。

根據前文所述，渤海灣裂陷盆地伸展斷裂和走滑斷裂非常發育，且泥巖、鹽巖在盆地范圍內也分布較廣，但是目前的地震和鉆探資料表明底辟構造的發育卻僅限于局部地區，目前僅在東濮凹陷、東營凹陷、萊州灣凹陷與遼東灣坳陷的局部構造位置識別出了鹽拱張背斜、鹽—泥拱張構造、鹽枕、鹽滾、刺穿型鹽鼻狀構造和泥底辟等底辟構造樣式[16-20]。在上述次級構造單元中，底辟構造明顯的地區大都有斷層的強烈活動。而在沒有斷裂分布的地區，底辟構造的發育并不明顯。由此可知，斷裂（包括伸展斷裂及具有走滑性質的郯廬斷裂帶的分支斷裂）的活動，對鹽體的塑性流動及其最終定位有著重要影響。

東濮凹陷內底辟構造發育的部位整體剖面形態為地壘形態，地壘頂部次級斷裂密集發育，說明由于拉張作用而造成局部地層基底隆起，形成斷裂；同時鹽巖等流體物質則在差異壓實作用下沿斷裂縫隙向局部流動集中，發生上拱現象，引起上覆地層變薄并發育分散的小規模斷層，此時兩側洼陷與壘塊發生與底辟拱張方向垂直的伸展應力，為沿塑性層面發生重力滑脫提供了有利條件[19]。根據剖面分析也證實鹽底辟并沒有發生強烈的鹽刺穿現象，而是主要發育鹽拱張背斜的構造樣式，其原因可能為在斷層活動的影響下，產生地壘斷塊，鹽源層上覆地層的差異壓實作用明顯，受此影響塑性鹽巖順向構造高部位（壓力低部位）流動和局部集中，鹽體發生拱張導致上覆地層彎曲變形而形成鹽背斜。上覆地層也因引張而發生斷陷使鹽背斜復雜化（圖2）[21-23]。

東營凹陷底辟層發育的沙河街組四段等層位為巨厚的鹽膏層與泥巖互層，從剖面可看出，斷層對鹽巖段的改造較大，這些斷層從鹽巖層中穿過；同時伴隨著區域伸展作用的加強與重力作用的影響，形成順切鹽—泥層的滑脫斷層，給底辟構造發育提供了上涌通道，這些塑性地層則順層流動、聚集, 伴隨上覆鹽層的褶皺作用和上覆層的牽引作用，形成了輕微鹽—泥拱張構造[12]。同時也使上覆地層產生拱張構造和拱張斷裂[24]，并在背斜拱張頂部由張性斷層組成了地塹。

萊州灣凹陷是郯廬斷裂帶內一個北斷南超的箕狀凹陷,盆地的主邊界斷層發育在盆地的東、西以及北側[25],鹽底辟發育區即墾利11區與17區位于盆地東側主邊界斷層處。東邊界斷層為郯廬斷裂帶的分支，新生代具有較強的走滑性質，從剖面可看出東邊界斷裂不但控制著鹽構造的區域展布，斷裂持續活動在其附近誘發的次級斷裂，對底辟構造的形成也起到至關重要作用，這些斷裂一方面構成了底辟物質上涌通道，直接控制了底辟構造的發育位置，另一方面，這些斷裂表現為走滑和伸展交替活動的特征，在走滑活動較弱時期，則表現為伸展性質，當其伸展作用強烈時，則可能導致鹽層上覆層斷裂較發育部位產生差異壓實，進一步促進了鹽巖在弱應力區的聚集增厚，最終在墾利11與17區發生聚集形成鹽構造。

遼東灣坳陷泥底辟構造發育與遼中1號走滑斷層活動密切相關，該斷層作為郯廬斷裂帶的分支，其主斷裂面切割深度大，斷面南段直立，北斷東傾[26]；表現出了典型的走滑斷裂特征。結合前人研究，該區域泥底辟構造發育機制與萊州灣地區差異較大，它是在遼中1號斷裂帶的走滑壓扭與反轉活動中，遭受局部擠壓應力，泥巖在自身重力作用下首先向凹陷中央流動，之后在擠壓作用下沿著遼中1號斷裂薄弱帶向上刺穿，最終形成泥底辟構造。

綜上分析，渤海灣盆地各區域內底辟構造的發育受多種因素控制，而主要強調的是這些底辟構造均與斷裂之間有密切關系，其形成與斷裂帶的長期活動有關。斷裂作用直接控制著底辟構造的發育位置，在斷裂活動強度較大的構造位置，底辟刺穿強度大，構造樣式多樣；相反，塑性地層難以發生流動聚集，或僅發生小規模的聚集增厚，也并未發生刺穿。另外在斷裂拉張活動的影響下造成的上覆層差異壓實、斷裂走滑壓扭活動產生的局部擠壓、自身重力滑動等這些次要因素的影響也是底辟構造發育的重要動力。

4 結論

綜合分析渤海灣盆地內的底辟構造，得出如下認識：

（1）渤海灣盆地發現的底辟構造集中在東濮凹陷的文留構造、東營凹陷中央隆起帶、萊州灣凹陷墾利11區和17區與遼東灣坳陷遼中凹陷1號斷裂周緣。

（2）渤海灣盆地鹽構造發育的主要樣式有鹽拱張背斜、鹽滾、鹽—泥拱張構造、刺穿型鹽鼻狀構造與整合鹽枕構造等。泥底辟主要集中在遼東灣坳陷，表現為刺穿型拱張構造樣式。

（3）在渤海灣盆地內已發現的鹽底辟和泥底辟均分布在斷裂附近，表明斷裂活動對盆地內的底辟構造有重要控制作用。并且在斷裂拉張活動作用下，造成的上覆層差異壓實、斷裂走滑壓扭活動產生的局部擠壓等是盆地內底辟構造發育的重要動力。