遼西金羊盆地重力場與斷裂構造特征研究

郇恒飛，高 鐵，孫守亮，李永飛，時 彬

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省地質礦產調查院，遼寧 沈陽 110031

0 引言

金嶺寺-羊山盆地（金羊盆地）是遼西地區最大的中生代盆地，蘊含多種礦產資源，是煤、油、氣礦產勘探的重要區域［1-2］，近幾年獲得不少油氣新發現［3-6］.前人研究主要集中于金羊盆地的烴源巖、沉積相、地層層序等問題［5-10］，對該盆地的整體斷裂分布特征研究較少.前人利用區域重力資料對該盆地劃分次級凹陷，進行油氣遠景評價等［11］，而盆地斷裂構造體系、地層空間展布形態等基礎問題還不清晰.而非震物探在油氣勘探前期解決這些基礎問題具有獨特的優勢［12-16］，對于油氣遠景評價具有重要作用.重力勘探作為地球物理勘探中的一種重要方法，其對盆地巖體、構造等識別能力使之成為研究地質構造的重要手段［17-18］.近幾年來，中國地質調查局沈陽地質調查中心在遼西金羊盆地實施油氣基礎地質調查項目，目前在該區完成1∶5萬高精度重力測量2 130 km2，目的之一就是系統研究區內重力場特征，確定盆地的斷裂構造體系，為該區油氣遠景評價提供依據.本文通過重力異常分離、斷裂識別組合法［19-20］、重震剖面聯合反演，結合地表地質、鉆井等資料，研究該區重力場及斷裂構造空間展布特征，分析主要斷裂的作用及地質意義，為金羊盆地油氣遠景評價提供物探證據.

1 研究區地質與地球物理概況

1.1 地質概況

金羊盆地位于華北地臺燕山臺褶帶東北緣的中段，西側以南天門斷裂帶為界與北票盆地、朝陽盆地和建昌盆地相鄰，是遼西北東向展布的早中生代陸相盆地之一［7］（圖1）.金羊盆地邊界部位出露中新元古界和古生界地層.盆地主體廣泛分布侏羅紀地層，占盆地總面積的90%以上，是該盆地重要的充填地層.盆地基底為前晚古生界地層，因構造變動出露地表與逆斷層一起構成了盆地的邊界［4-8］.金羊盆地內部呈現“三凹兩凸”的構造格局，即馬友營子凹陷、章吉營子凹陷、松嶺門凹陷、東部鼻隆帶和羊山隆起［11］.

圖1 金羊盆地及鄰區地質概圖（據文獻［4］修改）Fig.1 Geological sketch map of Jinyang Basin and adjacent areas（Modified from Reference［4］）

中三疊世末以來，本區受印支、燕山運動的影響發生了強烈的構造巖漿活化作用，褶皺和斷裂發育，以北東向為主，北西向次之，此外還有一些近東西向、北東東向斷裂及韌性剪切帶.這些構造控制著眾多火山機構、中生代盆地的分布和盆內陸相火山-沉積巖系的空間展布，形成了由太古宇—古生界組成的基底隆起和中新生代盆地相間的構造格局［8，19-21］.

1.2 巖石地層物性特征

巖石地層的物性差異是地球物理勘探的前提，也是地質解釋的重要依據.本研究通過對研究區及周邊出露的巖石進行物性測量，獲取不同巖石地層的密度特征，總結研究區巖石地層密度的變化規律.

本區巖石地層密度由新到老變化總趨勢呈逐漸正向增大的特征.1）白堊系義縣組地層出露于研究區東部，以中基性火山巖、火山碎屑巖為主，密度一般在2.32～2.72 g/cm3之間，平均為2.50 g/cm3，為中低密度層.2）侏羅系地層為盆地中生界主要蓋層，地層齊全，巖性復雜.該系地層自上而下密度為正向增大的趨勢，總體來看，侏羅系地層為中密度層.土城子組地層以陸相粗碎屑為主，局部含火山碎屑成分，巖性主要為復成分礫巖、雜砂巖、砂巖、粉砂巖，密度一般在2.28～2.68 g/cm3之間，平均為2.45 g/cm3，為低密度層；髫髻山組以中基性的火山巖為主，密度值一般在2.32～2.67 g/cm3之間，平均為2.57 g/cm3，相對較高；海房溝組-北票組地層以陸相碎屑巖為主，密度值一般在2.30～2.77 g/cm3之間，平均為2.49 g/cm3，相對較低；興隆溝組地層也以中基性的火山巖為主，但平均密度為2.65 g/cm3，相對較高.3）前侏羅系基底主要為古生界、元古宇和太古宇地層，巖性以灰巖、白云巖、變質巖為主，平均密度為2.70 g/cm3，為高密度層.4）區內巖體局部分布，主要為花崗巖、閃長巖和輝綠巖.花崗巖密度均值2.58 g/cm3，為低密度體；閃長巖密度均值2.68g/cm3，為中密度體；輝綠巖密度均值3.02 g/cm3，為高密度體.

2 研究區重力場特征及其地質意義

2.1 布格重力異常特征

從布格重力異常圖（圖2）可以看出，布格重力異常總體具有西低東高的特征.布格重力異常變化明顯，重力高與重力低值帶之間發育有多條寬緩的北東向重力梯級帶，主要位于研究區中部.這些寬緩的重力梯級帶反映了密度體的變化及巖性的差異，地表地質對應著侏羅系土城子組和髫髻山組的地層接觸邊界.依據重力場特征將研究區劃分為I、II、III 三個異常區.I 區為重力異常低值帶，位于北四家子、章吉營子一帶，總體呈北東向展布，異常中心較寬闊，異常東翼梯度變化較陡，西翼大多延伸出研究區.該重力異常低值帶從南至北由3 個重力局部異常構成，異常中心分別位于北四家子、七道嶺北部、章吉營子.結合地質及物性資料，認為該區是金羊盆地凹陷的主體區域，整體反映了中生界沉積蓋層的分布.局部重力低異常主要對應于侏羅系土城子組地層的分布，同時其下伏的髫髻山組、海房溝組、北票組、興隆溝組等中生界沉積地層厚度較大.II 區為重力異常高值帶，位于七道嶺—巴圖營一線東部，總體呈北東向展布，異常規模較大，向東北延伸出研究區.該區與I 區重力異常以北東向異常梯級帶為界，反映了研究區東西部地層具有較大的差異.該區地表地質為侏羅系髫髻山組地層，上覆土城子組已被全部剝蝕，局部零星出露元古宇長城系，推測該區缺失古生界地層，元古宇與中生界地層呈不整合接觸.該區重力高異常主要由基底隆起引起，中生界蓋層殘留厚度較薄.III 區為重力異常低值帶，位于根德營子一帶，由松嶺門重力低、根德營子重力高和羊山重力低3 個局部異常構成.根據地表出露和鉆井分析，松嶺門重力低主要為盆地蓋層引起，根德營子重力高推測為基底向東隆起引起，羊山重力低由已知地質信息推測，可能由中酸性巖體侵入引起.

圖2 研究區布格重力異常圖Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of the study area

2.2 重力區域異常特征

布格重力異常既包含沉積蓋層的異常信息，又包含基底起伏、巖性變化及地殼深部因素等引起的異常信息，是地下所有密度不均勻體的綜合反映.本研究采用向上延拓、趨勢面分析、小波變換多方法進行重力場分離，綜合對比獲得研究區重力區域異常（圖3），反映了研究區重力區域場特征.圖中重力區域異常值西低東高，反映了該區深部地質構造特征，表現出兩低一高的異常形態.已有地質、測井、物性等資料表明，金羊盆地在其發生、發展的演化過程中受燕山運動多期次影響，前中生界底面起伏大［7］.章吉營子和北四家子一線的重力低是中生界凹陷的反映，中生界地層埋藏深度大；而地藏寺、劉龍臺鎮和上園鎮一帶的重力高是基底隆起的反映，中生界地層埋藏深度小.該重力高西側存在明顯的異常梯級帶，呈北東向平行展布，巴圖營附近等值線較密集，推斷盆地的邊緣處有深大斷裂.綜上所述，研究區重力區域場形態主要反映了測區前中生界底面（基底）的分布和起伏特征，大體呈西低東高分布.

圖3 研究區重力區域異常圖Fig.3 Regional gravity anomaly map of the study area

2.3 重力剩余異常特征

重力剩余異常由布格重力異常與重力區域異常相減獲取（圖4），所顯示的隆凹格局更加細致，地質信息更豐富，反映了該區局部構造的特征.重力剩余異常總體上異常組合呈條帶狀及橢圓狀分布，條帶狀異常軸向多呈北東向延伸，重力高、重力低呈帶狀相間排列，各個異常之間常常以密集的重力梯級帶分隔，局部異常的這種分布特征是區內淺部地質構造的反映.圖4 中有幾處變化較明顯的局部異常.結合已有地質等資料，對章吉營子凹陷有了新認識：該凹陷不是單獨個體，還可劃分為3 個次級凹陷，中間有凸起相隔；羊山—七道嶺一線出現局部重力高異常，由該處形成背斜構造的侏羅系地層較薄引起；二十家子-松嶺門一帶局部重力低突出，由此處沉積相對較厚的侏羅系地層引起；羊山-根德營子一帶存在侵入巖體造成了該處局部重力低.同時，章吉營子與巴圖營之間的斷凸規模不大，但離沉積中心較近，構造發育利于油氣運聚，且形成較好的圈閉，對油氣資源勘探具有重要意義.

圖4 研究區重力剩余異常圖Fig.4 Residual gravity anomaly map of the study area

3 研究區斷裂構造特征

3.1 斷裂構造研究方法

重力線性異常的識別提取是劃分斷裂、巖性界限等地質要素的重要依據.目前常用的斷裂識別方法主要有垂向導數、解析信號振幅、總水平導數、斜導數、θ圖、歸一化的垂向導數標準偏差等［22］.本研究采用小子域濾波分別結合水平總梯度模、水平方向導數的方法［21，23］，提取重力場反映的斷裂構造信息（圖5）.小子域濾波可緊縮重力梯級帶，增強線性異常.水平總梯度模和方向導數能較好地確定主次斷裂的展布規律，反映不同期次斷裂的異常信息.同時結合區內重力剩余場異常、地震剖面、重震綜合解譯剖面及以往區域地質成果資料，開展斷裂特征的綜合劃分與識別，最終確定研究區內的斷裂構造體系.

圖5 布格重力線性異常提取結果Fig.5 Extraction of Bouguer gravity linear anomaly

3.2 典型重力剖面綜合解譯

在研究區內選取7 條重力剖面進行正反演定量擬合確定地質-地球物理模型，以地質、物性、地震、鉆井等資料進行約束，最終完成典型剖面的地質解譯，為研究本區斷裂的性質及空間展布特征提供依據.本文選取研究區中部G4 剖面（位置見圖2）解譯結果詳述，見圖6.

圖6 G4 剖面綜合解譯結果圖Fig.6 Comprehensive interpretation of G4 section

G4 剖面位于研究區中部，西起孫家灣鄉，經巴圖營，東至地藏寺西側，呈北西西向展布.地表地質顯示西部大面積被土城子組地層覆蓋，中東部大面積出露髫髻山組地層.重力剩余異常曲線清晰地呈現西低東高的特征，中西部重力異常低且較穩定，東部重力異常最高；而航磁剩余異常曲線反映整體為平靜磁場，僅在22 km 處為高磁異常，推測為由北側巴圖營與劉龍臺間的強磁異常引起的磁異常效應；在重力水平總梯度異常曲線上有多處明顯的極值，推測該區域斷裂十分發育；地震剖面反射波同相軸清晰，反映出西部地層埋深大，東部地層明顯抬升.解譯結果顯示該剖面呈中西部深東部淺的構造特征，由西部的向斜和東部的背斜組成復式褶皺，而由東向西的F6、F7、F8 等一系列逆斷層，使得從向斜核部到背斜核部，地層逐步抬升，由F8 抬升后土城子組地層全部被剝蝕，開始逐步剝蝕髫髻山組.在剖面西部，F3 和F4 背沖的逆斷層形成局部凸起，同樣使地層明顯抬升形成背斜.綜上可見，該剖面發育的多條基底逆斷層，產狀上陡下緩，對地層的空間改造作用明顯，使地層出現不同程度的抬升.

3.3 斷裂構造特征

研究區斷裂分布圖（圖7）顯示，區內斷裂十分發育.共識別出主要斷裂28 條，主要由北東向、北西向2組斷裂組成，這與前人對該區的斷裂構架認識一致.區內斷裂性質以逆斷層為主，平移斷層次之，其中逆斷層主要呈北東向展布.平移斷層主要呈北西向展布，多表現為左行平移性質，部分為右行平移，同時部分兼具張性或者壓扭性.斷裂活動具多期性和較強的繼承性［2］，北東向斷裂多被北西向斷裂錯斷成多段，因此，北東向斷裂為早期斷裂，北西向斷裂為后期斷裂.區內斷裂對沉積尚未起控制作用，主要對金羊盆地的構造形態進行后期的多次改造.北東向斷裂相比北西向斷裂對盆地的發展影響更大，部分影響了凸起與凹陷的邊界，該類斷裂有5 條，為F1、F2、F5、F7、F8，其余斷裂主要對研究區局部構造或地層沉積起改造作用，該類斷裂有23 條.本文主要研究對凹陷起決定作用的斷裂.

圖7 研究區斷裂分布圖Fig.7 Distribution of faults in the study area

F1 斷裂呈北東向展布于研究區西緣的南部，自北四家子鄉，經南雙廟鄉，終止于孫家灣鄉南，傾向北西，產狀較陡，為逆沖斷層.該斷裂切割中生界和前侏羅系地層，F19、F22 等北西向平移斷層將其錯斷為多段.在重力剩余異常上表現為重力高與重力低異常的分界線，重力水平總梯度模（圖5b）和135°水平方向導數（圖5d）上有較清晰且連續的線性異常.F1 斷裂的下盤為沉積較全且較厚的侏羅系地層，而在上盤殘余較薄的侏羅系地層.基底淺，西側有薊縣系、寒武系等地層出露，大面積出露基底地層的區域在構造上位于南天門斷裂帶，推測F1 斷裂可能為南天門斷裂帶東緣隱伏的次級斷裂.

F2 斷裂呈北東向展布于研究區西緣的北部，經南八家子鄉，傾向北西，產狀上陡下緩，為逆沖斷層，斷距較大，北西向平移斷層將其錯斷為多段.該斷裂在重力剩余異常上同樣表現為重力高與重力低異常的分界線，重力水平總梯度模（圖5b）和135°水平方向導數（圖5d）上有較清晰且連續的線性異常，地震資料同樣顯示該斷裂的存在［21］.F2 斷裂的下盤為沉積較全且較厚的侏羅系地層，而在上盤殘余較薄的侏羅系地層，且基底埋深較淺.西側有薊縣系、寒武系、石炭-二疊系等地層出露，大面積出露基底地層的區域在構造上位于南天門斷裂帶，推測F2 斷裂也可能為南天門斷裂帶東緣隱伏的次級斷裂.

F5 斷裂呈北東向展布于研究區南部，自羊山鎮起，傾向南東，產狀較陡，為逆沖斷層，斷距較大，F19、F22、F23 等北西向平移斷層將其錯斷為多段.該斷裂在重力剩余異常上表現出西部重力低、東部重力高，重力水平總梯度模（圖5b）和135°水平方向導數（圖5d）上有較清晰且連續的線性異常.該斷裂西側與F1 斷裂對沖形成凹陷，斷層逆沖使東側上盤抬升形成凸起.

F7 和F8 斷裂呈北東向平行展布于研究區東緣的北部，自七道嶺東開始，經巴圖營東到上園鎮西，傾向南東，產狀較陡，為逆沖斷層，F25、F26 等北西向平移斷層將其錯斷為多段.該組斷裂處于重力異常梯級帶上，西部重力剩余異常低，東部重力剩余異常高，重力水平總梯度模（圖5b）和135°水平方向導數（圖5d）上有較清晰且連續的線性異常.F7、F8 逆沖斷裂帶使東部地層抬升，造成髫髻山組地層大面積出露地表，土城子組地層剝蝕嚴重，為西側章吉營子凹陷和東側劉龍臺凸起的分界帶，推測為金羊盆地東部邊緣處的深大斷裂帶.

有些小的局部構造也非常重要，分布在凹陷或凸起的內部.如研究區西北部呈北東向平行展布的F3、F4 斷裂.該組斷裂自孫家灣鄉開始到章吉營子鄉南，皆為逆沖斷層，產狀較陡，在重力水平總梯度模（圖5b）和135°水平方向導數（圖5d）中都有清晰且連續的極值線性異常.F3 與F4 逆斷層背沖形成局部凸起帶，將研究區西部凹陷區分為南北兩個凹陷單元.F10 斷裂呈北東向展布于研究區東北角，自劉龍臺鎮開始向北至上園鎮，北部延伸出研究區，為一正斷層，傾向北西，在北部被F28 平移斷層平移為近南北向，斷裂在地表出露于北票市上園鎮柳黃屯、義縣劉龍臺鄉至凌海市龍千臺一帶，長35～40 km，沿該斷裂帶發育有擠壓破碎帶、斷層面、擦痕、斷層泥等.F10 斷裂使下盤的長城系高于莊組和侏羅系髫髻山組巖石破碎強烈，而在上盤沉積一定范圍的白堊系義縣組地層，為金羊盆地東緣斷裂帶的一部分.

4 結論

（1）研究區中生界與基底巖系有明顯密度差異，為本文研究的主密度界面.研究區的西部凹陷、中東部凸起和中南部凹陷共同引起重力場的變化，西部凹陷的中生界沉積地層全且厚度較大.研究區重力區域場形態主要反映了測區前中生界底面（基底）西深東淺的空間分布特征.

（2）重力剩余場具高、低相間排列的特征，高低異常間以密集的重力梯級帶分隔，反映了研究區凹隆格局及凹隆間發育的斷裂.研究區內的章吉營子凹陷還可劃分為3 個次級凹陷，同時區內背斜及斷凸等構造高點利于油氣聚集.

（3）在火山巖覆蓋區，重震聯合反演可以很好地發揮各方法的優勢，互相補充，為研究區的斷裂特征及地層展布提供重要的基礎資料.

（4）重震資料的綜合研究可合理地確定研究區的斷裂體系，即主要由北東向和北西向2 組斷裂構成.該區斷裂主要對金羊盆地的次級構造形態進行后期的多次改造，形成凹、凸相間的構造特征，這對盆地的油氣遠景評價具有重要意義.