黃 超，余朝華，張桂林，傅良同，袁志云，范興燕

1.中國地質(zhì)大學能源學院，北京 100083

2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

3.中化石油勘探開發(fā)公司，北京 100031

0 前言

郯廬斷裂帶是一條發(fā)育在歐亞大陸東部的巨型陸內(nèi)走滑斷裂，其構造演化對整個亞洲大陸及周邊板塊的形成和演化起著非常重要的作用［1－3］。自1957年發(fā)現(xiàn)以來，郯廬斷裂一直是國內(nèi)外眾多學者研究的熱點。大多數(shù)學者認為郯廬斷裂形成于印支期由華南板塊與華北板塊的碰撞產(chǎn)生［4－7］，且整個中生代和新生代持續(xù)活動［8］。盡管郯廬斷裂帶左行走滑的距離尚存在很多爭議（Xu［9］，740km；萬天豐等［10］，300～430km；王小鳳等［11］，中南段300km，北段100～150km）；但眾多學者均認為，其左行走滑活動發(fā)生在中生代［4－6，11－18］。 侏羅紀－早白堊世早期，郯廬斷裂帶發(fā)生了大規(guī)模的左旋走滑，并在中侏羅世末期，強烈左旋走滑中向北擴展到東北地區(qū)［19－20］。晚白堊世晚期以來，郯廬斷裂帶中南段和北段的構造演化具有明顯的差異性，斷裂帶北段在晚白堊世晚期就開始了右行走滑［11，19－20］，中南段在晚白堊世晚期－古近紀早期表現(xiàn)為強烈伸展而后開始右行走滑，但新生代右行走滑開始的時間還沒有統(tǒng)一定論［21－25］。

走滑位移的厘定對于確定走滑斷裂兩側(cè)地質(zhì)體的古構造位置、恢復古構造形態(tài)、研究走滑活動對郯廬斷裂兩側(cè)一系列中、新生代盆地的形成和演化具有十分重要的意義。長期以來，關于郯廬斷裂走滑位移距離的研究集中在前新生代左行走滑所產(chǎn)生的位移量，主要通過對出露在郯廬斷裂中南段兩側(cè)的一系列巖石和巖相帶分析對比來確定位移量的大?。?1，24，26－27］。由于新生代巨厚沉積的覆蓋而缺乏可靠的地質(zhì)對比點，新生代右行走滑所產(chǎn)生的位移鮮有涉及。相對前新生代左行走滑數(shù)百千米的位移量來說，新生代右行走滑產(chǎn)生的位移量要小得多，只有數(shù)十千米［21，24］，這就需要一套更為精確的方法來加以確定。筆者以走滑拉分盆地中主邊界斷層的走滑速率與盆地的沉降速率的定量數(shù)值關系為基礎，以夾在郯廬斷裂中段東西兩支間的濰北凹陷為研究對象，通過對該凹陷新生代沉積埋藏史的恢復確定了郯廬斷裂中段新生代右行走滑位移量的大小。

1 研究方法

1.1 前人研究方法

兩盤地質(zhì)體對比法是最常用來確定走滑斷層走滑位移的方法［21，24，26－28］。該方法的關鍵在于尋找可靠的地質(zhì)參考點（巖相／巖性帶、化石帶、斷層帶等），走滑斷層兩側(cè)地質(zhì)參考點在走滑前是拼接在一起的，而后由于走滑導致了兩者的分離，沿著斷層走向兩者間的距離就代表走滑位移大小。該方法的應用與地質(zhì)參考體的選取密切相關，選取不同的地質(zhì)體對比參考往往導致不同的結果，這也是郯廬斷裂帶前新生代左行走滑位移距離仍然存在爭論的主要原因。

自1990年以來，古地磁資料越來越多地被用來追蹤和恢復塊體的運動軌跡［29－31］，該方法對于古地理構造格局的重建和研究相鄰塊體間的相互作用十分有用。Glider等［13］首次將本方法應用于郯廬斷裂走滑位移的研究上，通過對郯廬斷裂兩盤所采集樣本古地磁的實驗室測定恢復了斷層兩盤的古緯度，并最終得出了郯廬斷裂左行走滑位移超過500 km的結論。該方法比較適用于近南北向的構造運動恢復，但由于在樣本采集、處理過程中累計誤差的影響，該方法的結果大多近乎粗略，不適用于短距離走滑位移的確定。

1.2 本文研究方法

自從走滑活動在走滑斷層聚斂和釋放區(qū)域能分別造成抬升和沉降這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，為了定量研究走滑運動與縱向運動（抬升或升降）之間的數(shù)值關系，很多學者開展了一系列的理論研究和模式試驗［32－35］。Rodgers［32］通過彈性預測模型計算出斷層走滑所造成的縱向位移是斷層走滑位移的10%～15%，而砂箱模型試驗的結果表明縱向位移是走滑位移 的 15% ～30%［33－34］。Woodcock 等［35］根據(jù)走滑前后體積守恒原則分析了斷層走滑速率與抬升（或沉降）速率之間的數(shù)值關系，筆者所采用的研究方法即源于這一思路。

在走滑拉分盆地中（為研究方便，假設為平行四面體，如圖1所示），W，L，H和θ分別為盆地的寬度、長度、沉積厚度和相鄰兩邊的夾角。根據(jù)走滑前后盆地體積不變的原理，有

由于（2）式中最后一項含有“dLdH”這一二階微量，可以忽略不計，則

（5）式表明，在走滑拉分盆地中，邊界走滑斷層的走滑位移量與盆地的沉降（或抬升）量存在線性的數(shù)值關系，這一結論與Hempton等［35］砂箱試驗的結果是一致的。

圖1 走滑拉分盆地三維模型圖Fig.1 3DModel of pull－apart basin

在走滑盆地演化發(fā)展的過程中，邊界斷層的走滑位移（L）與盆地的沉降（或抬升）量（H）都可以看作是時間（t）的函數(shù)，則（5）式可以表達為

如果考察一個現(xiàn)今發(fā)生的走滑拉分過程、走滑拉分盆地的面積（S0）、盆地寬度（W0）、沉降深度（H0）及相鄰兩邊的夾角（θ0）這些參數(shù)通過一定的技術手段可以獲取，根據(jù)形變前后體積守恒原理：

對比（9）式與（6）式，走滑拉分盆地中走滑速率與盆地沉降（或抬升）速率的比值（C0）可用現(xiàn)今盆地的相關參數(shù)來加以表述。（9）式建立了走滑拉分盆地中邊界走滑斷層的走滑速率與盆地的沉降（或抬升）速率之間定量的數(shù)值關系，為筆者提供了一條通過恢復走滑拉分盆地沉降史來間接計算邊界走滑斷層走滑位移的新方法。

2 研究實例

郯廬斷裂南起湖北廣濟［36］，左行走滑切割了大別山構造帶和蘇魯構造帶［26］，在萊州灣與遼東灣間沒入渤海，向北切過下遼河盆地，經(jīng)沈陽后分兩支（依蘭－伊通斷裂和敦化－密山斷裂）向北東方向延伸（圖2）。新生代郯廬斷裂的右行走滑導致了在郯廬斷裂中段東西兩支間發(fā)育了一系列走滑拉分性質(zhì)的凹陷［37－38］（圖2）。

2.1 研究區(qū)概況

濰北凹陷是夾在郯廬斷裂中段東西兩支間的一個走滑拉分性質(zhì)的凹陷，凹陷整體呈平行四邊形，總面積約880km2，其形成和演化主要受到新生代郯廬斷裂右行走滑運動的影響和控制（圖3a）。凹陷東西兩側(cè)分別被郯廬斷裂東西兩支與魯東隆起帶和濰北凸起分割開來，向南超覆在濰縣凸起之上，根據(jù)凹陷結構形態(tài)和斷層的分割可分為北部洼陷帶、中部斷階帶、南部斜坡帶和東部斷鼻帶4個構造單元（圖3a）。濰北凹陷東西向的剖面是一個典型的地塹結構（圖3b），鏟狀的昌邑－大店斷裂和鄌郚－葛溝斷裂將凹陷與魯東隆起帶和濰北凸起分割開，凹陷內(nèi)地層厚度基本穩(wěn)定，在鄰近兩邊界斷層的附近地層中發(fā)育負花狀構造［38］，這被看作邊界斷層發(fā)生右行走滑的重要證據(jù)。南北向剖面表現(xiàn)為一個典型的半地塹形態(tài)（圖3c），北部的邊界斷層——古城－濰河口斷層是一條高角度正斷層，斷距達數(shù)千米，凹陷內(nèi)地層向南超覆于濰縣凸起之上。

2.2 沉積埋藏史恢復

恢復盆地的沉積埋藏史常涉及到壓實校正、古水深校正和海平面變化校正幾個方面的內(nèi)容［41］。就濰北凹陷而言，由于其形成演化過程中海水深度和海平面變化值相對于其數(shù)千米的沉積深度而言可以忽略不計，因此，濰北凹陷的埋藏史恢復主要是去壓實校正問題。本次研究過程中選擇了位于凹陷主體構造內(nèi)的4口鉆井，利用地層回剝法來進行去壓實校正（井位位置見圖4a，地質(zhì)分層數(shù)據(jù)見表1）。

圖2 濰北凹陷及鄰區(qū)區(qū)域構造圖（據(jù)文獻［21，39］修編）Fig.2 Regional structural map of Weibei sag and adjacent area（modified after references［21，39］）

2.2.1 壓實系數(shù)

在正常的壓力梯度下，沉積物在埋藏過程中，其孔隙度（φ（h））與埋藏深度（h）呈指數(shù)關系［42］：

式中：h，φ0和C分別為埋藏深度（m）、地面孔隙度和壓實系數(shù)（m－1）。

表1 濰北凹陷4口井地質(zhì)分層Table 1 Formation correlation table of the four wells in Weibei sag

圖3 濰北凹陷構造略圖（a）、濰北凹陷東西向剖面（b）、濰北凹陷南北向剖面（c）（據(jù)文獻［40］修編）Fig.3 Sketch map of Weibei sag（a），W－E section across Weibei sag（b）and N－S section across Weibei sag（c）（modified after reference［40］）

壓實系數(shù)反映的是沉積物抗壓實能力的參數(shù)。通常而言，對于單一巖性的沉積物來說，其壓實系數(shù)是一定的，可以通過實驗室測量；而對于混合巖性的沉積物，其壓實系數(shù)可以根據(jù)各組成巖性的壓實系數(shù)和體積組分通過回歸分析獲得。鉆井揭示的各層、段巖性組成如表2所示，各巖性地面孔隙度和壓實系數(shù)如表3所示。

在此基礎上通過回歸分析得出了各層、段的綜合壓實系數(shù)，即方程組（11）中e的指數(shù)。從圖4中可以看出，r2都很高，說明數(shù)據(jù)點的一致性好，回歸得到的壓實系數(shù)能夠代表巖層的真實情況。

表2 濰北凹陷地層巖性成分Table 2 Lithological percentage of strata in Weibei sag

2.2.2 剝蝕厚度

古近紀晚期，中國東部經(jīng)歷了一次大范圍的抬升，形成了中國東部盆地中廣泛存在的新近系與古近系之間的不整合面。在濰北凹陷中東營組和沙一段－沙三段被剝蝕殆盡，甚至凹陷南部斜坡帶上部分孔店組上段也被剝蝕（圖3b、c），地層剝蝕厚度從北向南呈線性增加的趨勢。邱楠生等［45］利用鏡質(zhì)體反射率和磷灰石裂變徑跡資料對濰北凹陷的熱演化史進行了分析和研究，計算出央5井和昌67井的剝蝕厚度分別為1 100m和1 300m，根據(jù)這4口井在南北向剖面上的相對位置及地層殘余厚度的變化情況，計算出偽1井和昌17井的剝蝕厚度分別為1 000m和1 800m。

表3 典型巖性的巖石物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of typical lithologies

2.2.3 地層回剝

在地層的沉積埋藏過程中，巖石顆粒之間的孔隙隨著上覆壓力的增加而不斷減小，而巖石骨架的體積保持不變［41］：

式中：h1，h2和h′1，h′2分別為地層埋藏前后的頂、底面深度；φ（h）是地層孔隙度隨埋藏深度的變化函數(shù)。以（12）式為基礎，從現(xiàn)今地層埋藏的頂、底面出發(fā)，利用地層回剝法可逐步恢復凹陷的沉積埋藏史（圖5）。

圖4 濰北凹陷各地層壓實系數(shù)回歸分析圖Fig.4 Regression analysis plots of strata compaction factor in Weibei sag

2.2.4 沉積埋藏史

從偽1、央5、昌67和昌17 4口井的埋藏曲線來看（圖6），濰北凹陷新生代沉積過程可以分成3個階段：

早－中古近紀快速沉降階段（65.0～36.5 Ma）。陡峭的埋藏曲線反映出這一階段較大的沉降速率。這一階段偽1、央5、昌67和昌17 4口井的沉降速率分別為0.182 7、0.159 0、0.129 5、0.100 4 km／Ma，顯示出從凹陷南斜坡到北部洼陷帶沉降速率不斷增加，這一階段凹陷的平均沉降速率為0.142 9km／Ma（表4）。

晚古近紀抬升剝蝕階段（36.5～24.6Ma）。這一階段凹陷處于抬升剝蝕的過程中。由于抬升的程度不一，不同構造部位的剝蝕量和剝蝕速率也不相同，偽1、央5、昌67和昌17 4口井的剝蝕速率分別為0.048 9、0.055 1、0.070 8、0.116 3km／Ma，從北部洼陷帶到南部斜坡帶剝蝕速率逐漸增大，這一時 期凹陷的平均剝蝕速率為－0.072 8km／Ma（表4）。

圖5 濰北凹陷4口井地層回剝圖Fig.5 Strata back－stripping of the four wells in Weibei sag

圖6 濰北凹陷4口井埋藏史曲線Fig.6 Subsidence curves of the four wells in Weibei sag

表4 濰北凹陷4口井沉降速率Table 4 Subsidence rate of the four wells in Weibei sag

新近紀－現(xiàn)今的熱沉降階段（24.6Ma～現(xiàn)今）。抬升剝蝕之后，凹陷整體沉降，沉降速率相對較小。這一階段偽1、央5、昌67和昌17 4口井的沉降速 率分別 為 0.046 6、0.032 5 、0.036 7、0.014 1km／Ma，凹陷的平均沉降速率為0.032 5 km／Ma（表4）。

3 討論與結論

3.1 郯廬斷裂中段右行走滑開始的時間

中國東部大陸的形成和演化主要受太平洋－歐亞板塊間的俯沖［24，46－47］、印度－歐亞板塊間的碰撞［48－50］和日本?；『髷U張作用的影響［3，24－25］，而在這些因素中，太平洋板塊的俯沖作用被看作是最重要的因素［47］。作為中國東部最重要的構造形跡，郯廬斷裂帶新生代構造演化必然也受到上述因素的控制。

自晚中生代以來，太平洋－歐亞板塊間的俯沖速率、方向和俯沖角度發(fā)生了幾次重大的改變［47，51］。俯沖速率和方向的改變反映了板塊間相互作用力強弱和方向的變化，而俯沖角度的大小則反映了板塊間相互作用的范圍和規(guī)模，低角度的俯沖往往是板塊上層地殼部分的碰撞和擠壓，而高角度的俯沖往往導致地幔物質(zhì)的參與。晚白堊世晚期，兩板塊間的俯沖速率大而俯沖角度較小［47，51］，太平洋板塊向西北方向推擠歐亞板塊，在這種應力背景下，整個中國東部處于NW－SE方向的擠壓應力作用下，這一擠壓導致了中國東部普遍存在的中生界與新生界間不整合面的形成（圖7a）。新生代早期，俯沖角度增加到中等角度［51］，這種高角度的俯沖引起了地幔對流、巖石圈減薄和大規(guī)模裂陷［24－25，52］。這種高角度俯沖可能是中國東部古近紀早期大規(guī)模裂陷發(fā)生的直接原因（圖7b）。始新世中期（39.5Ma），太平洋板塊相對歐亞板塊的俯沖方向發(fā)生了逆時針旋轉(zhuǎn)，從北西轉(zhuǎn)變成正西［47］，這種旋轉(zhuǎn)使得太平洋板塊與歐亞板塊間的相互作用力方向發(fā)生改變，從開始的北西向轉(zhuǎn)變成正西，旋轉(zhuǎn)前的應力方向與NE走向的郯廬斷裂帶近乎垂直，而后者與之斜交，旋轉(zhuǎn)后板塊間相互作用力沿著郯廬斷裂帶走向的分量可能是引起新生代郯廬斷裂帶發(fā)生右行走滑的原因（圖7c），這一推斷與Hsiao等［21］通過遼東灣地區(qū)地震剖面上地層沉積特征變化而得出的40Ma作為右行走滑活動開始時間的結論是一致的。因此，認為始新世中期（39.5Ma）郯廬斷裂帶中段開始右行走滑。

圖7 中國東部晚中生代－新生代構造格局與演化Fig.7 Late Mesozoic－Cenozoic plate－tectonic framework and evolution of East China

花狀構造通常被看作是走滑斷層發(fā)生走滑活動的一個重要標志。在切過郯廬斷裂的地震剖面上，花狀 構造 十 分 發(fā) 育［3，37－38］，這 些 花 狀 構 造 不 僅 發(fā) 育在古近系中，新近系中也有發(fā)育，且很多分支斷層還切割了第四系。花狀構造的持續(xù)發(fā)育，說明了始新世中期以后，郯廬斷裂持續(xù)右行走滑。此外，有記錄以來沿著郯廬斷裂帶發(fā)生了多次高強度的地震活動（如1668年郯城8.5級地震、1888年渤海7.5級地震、1975年海城7.3級地震，城市位置見圖2），這些地震活動的發(fā)生也從另一方面印證了郯廬斷裂帶持續(xù)的右行走滑。

3.2 郯廬斷裂帶新生代右行走滑位移

將濰北凹陷的相關參數(shù)（盆地面積S＝880 km2，盆地寬度W＝33km，θ＝60°）和4口井的平均沉降深度（H＝4km）代入（9）式可得

由此可見，濰北凹陷的縱向（抬升或沉降）速率約為走滑速率 的 13%（1／C0），這 與 Rodgers［32］、Hempton等［33］和 Hempton等［34］通過理論研究和模型試驗得出的比例十分接近。

郯廬斷裂中段從始新世中期（39.5Ma）開始右行走滑，且持續(xù)至今。由于不同時期濰北凹陷的沉降速率不同，故分時段求取郯廬斷裂新生代右行的走滑位移。

快速沉降階段（39.5～36.5Ma）：這一時期的平均沉降速率為0.083 4km／Ma（表4）；走滑速率（km／Ma）；走滑距離L1＝0.642 2×（39.5－36.5）＝1.93（km）。

抬升剝蝕階段（39.5～36.5Ma）：這一時期的平均抬升剝蝕速率為0.072 8km／Ma，走滑速率（km／Ma），走滑距離L2＝0.560 6×（36.5－24.6）＝6.67（km）。

熱沉降階段（24.6Ma至今）：這一時期的平均沉降速率為0.032 5km／Ma，走滑速率，走滑距離L3＝0.250 3×（24.6－0）＝6.16（km）。

由此，整個新生代郯廬斷裂中段右行走滑位移為

Zhang等［24］在考察馬陵山斷層南段兩側(cè)上白堊統(tǒng)王氏群時發(fā)現(xiàn)斷層兩側(cè)地層存在明顯的色差（研究區(qū)位置見圖2），根據(jù)斷層兩側(cè)地層的并置關系推斷斷層發(fā)生了14～16km的右行走滑位移，此外，斷層兩側(cè)馬陵山不對稱的地形也顯示出同樣的位移量，因此，他指出郯廬斷裂新構造運動以來的右行走滑位移為14～16km。這一結論與筆者的計算結果十分接近。

Hsiao等［21］根據(jù)遼東灣地區(qū)郯廬斷裂兩側(cè)沉積中心的位錯得出了30～40km的新生代右行走滑位移量（研究區(qū)位置見圖2）。顯然，這一結果遠大于本次的計算結果。筆者認為，渤海灣盆地的拉張斷陷始于古新紀早期，而郯廬斷裂的右行走滑開始于始新世中期，在走滑開始前，斷層兩側(cè)的沉積中心早已成形，且大多數(shù)的沉積中心并非零位錯地并置在斷層兩側(cè)，現(xiàn)今觀察到的沉積中心間的位錯距離除了走滑造成的外，還包括走滑之前早已存在的部分，因此，真正有走滑造成的沉積中心間位錯應小于現(xiàn)今觀察到的最小偏差量，即小于30km。筆者的計算結果在這一區(qū)間范圍內(nèi)。

通過本次的推導計算及與其他學者結論的對比研究，筆者認為郯廬斷裂中段新生代右行走滑位移量約為15km。

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