黃 雷, 劉池洋, 王飛龍,吳 奎,王廣源,趙志平
(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司, 天津 300452)
郯廬斷裂帶是貫穿中國東部的巨型斷裂帶,控制或影響了一系列中新生代盆地的形成與演化,如中生代合肥盆地、膠萊盆地[1],中新生代渤海灣盆地[2-3],新生代伊通地塹(盆地)[4-5]等。正因其特殊的區(qū)域位置和控盆效應(yīng),郯廬斷裂帶在區(qū)域地質(zhì)和石油地質(zhì)的研究中廣受關(guān)注[3,6-11]。郯廬斷裂帶在演化上大體經(jīng)歷了中生代大規(guī)模左旋走滑活動(dòng)、新生代早期伸展活動(dòng)和新生代中晚期的右旋走滑活動(dòng)幾個(gè)階段[2,6-8,11-12],在對(duì)相應(yīng)盆地的影響上普遍表現(xiàn)出明顯的走滑活動(dòng)特征[1,2,4]。這一斷裂帶的走滑性質(zhì)及對(duì)盆地演化的影響,在渤海灣盆地北部的遼河拗陷陸區(qū)和海域均具有較系統(tǒng)研究(見圖1)。其中,在遼河拗陷海域(文獻(xiàn)中多稱“遼東灣拗陷”),目前的研究認(rèn)為,遼中—遼東凹陷帶發(fā)育明顯的走滑斷層,并歸其為郯廬斷裂帶內(nèi)斷層[7,10],但針對(duì)遼西凹陷內(nèi)部斷層的性質(zhì)鮮有分析;在遼河拗陷陸區(qū)(文獻(xiàn)中多稱“下遼河拗陷”),目前的勘探資料揭示,在西部凹陷和東部凹陷均識(shí)別出新生代走滑斷層,并歸為郯廬斷裂帶內(nèi)斷層[13-17]。基于目前對(duì)兩相鄰構(gòu)造單元內(nèi)走滑斷層的識(shí)別及分析,漆家福等[14]認(rèn)為,郯廬斷裂帶在陸區(qū)下遼河拗陷呈兩支,分別展布于東部凹陷和西部凹陷內(nèi),向南延伸至海域遼東灣拗陷變?yōu)橐恢?分布于遼中—遼東凹陷帶內(nèi),這一認(rèn)識(shí)代表了目前多數(shù)學(xué)者對(duì)郯廬斷裂帶在渤海灣盆地北部發(fā)育特征的認(rèn)識(shí)。渤海灣盆地內(nèi)的油氣勘探實(shí)踐業(yè)已表明,在目前所厘定出的這些新生代郯廬走滑斷裂帶分布區(qū)內(nèi),該斷裂帶的走滑活動(dòng)對(duì)油氣聚集成藏起到關(guān)鍵作用[18-21]。
然而,渤海海域遼東灣拗陷最新的勘探資料顯示,在遼西凹陷內(nèi)也發(fā)育明顯的走滑斷層。這一發(fā)現(xiàn)使學(xué)者對(duì)郯廬斷裂帶在渤海灣盆地的展布有了新的認(rèn)識(shí),為更全面地認(rèn)識(shí)郯廬斷裂帶的特征與演化提供了很好的素材,也會(huì)為遼西地區(qū)油氣勘探提供新的思路。本研究主要根據(jù)最新的勘探地震資料,對(duì)緊鄰遼河拗陷西部凹陷的遼西凹陷北部地區(qū)的走滑斷裂系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別與分析,重新認(rèn)識(shí)郯廬斷裂帶在下遼河拗陷—遼東灣拗陷的展布;同時(shí),對(duì)研究區(qū)內(nèi)走滑斷層的油氣控制作用進(jìn)行相應(yīng)的分析。
渤海灣盆地為新生代斷陷盆地,是中國最重要的含油氣盆地之一,內(nèi)部包含多個(gè)富含油氣的負(fù)向一級(jí)構(gòu)造單元(拗陷),其中遼河拗陷為盆地最北部的一個(gè)拗陷單元(見圖1a),也是渤海灣盆地中最重要的富油氣拗陷之一。
遼河拗陷包括陸上和渤海海域兩部分,其中陸上區(qū)域習(xí)慣被稱為“下遼河拗陷”,內(nèi)部包含西部凹陷、東部凹陷與中央凸起3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,呈兩凹夾一凸的不對(duì)稱箕狀斷陷結(jié)構(gòu)[14-15,22](見圖1b);遼河拗陷的海域部分習(xí)慣稱作“遼東灣拗陷”或“遼東灣地區(qū)”,內(nèi)部自西向東依次可劃分成遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起、遼東凹陷等5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,這些二級(jí)構(gòu)造單元呈凸凹相間展布,在多數(shù)區(qū)域也呈現(xiàn)不對(duì)稱箕狀斷陷結(jié)構(gòu)(見圖1b)[18,20]。從海、陸兩部分構(gòu)造單元的對(duì)應(yīng)情況來看,陸上西部凹陷與海域的遼西凹陷相互連通,應(yīng)為遼河拗陷的同一構(gòu)造單元;遼西凸起為陸上中央凸起在海域的不連續(xù)延伸;東部凹陷對(duì)應(yīng)海域的遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷3個(gè)構(gòu)造單元(見圖1b)。研究表明,遼東凸起應(yīng)該是在郯廬斷裂帶走滑改造作用下的晚成凸起,該凸起使早先遼東灣東部的大凹陷分割而成遼中和遼東凹陷兩部分[23-26],這也進(jìn)一步說明,海域遼東—遼中凹陷是陸上東部凹陷的自然延伸。
研究區(qū)位于海域遼西凹陷北部,處于與陸上西部凹陷過渡銜接的部位(見圖1b)。從研究區(qū)新生界底構(gòu)造面貌的立體顯示來看,在遼西凹陷內(nèi)部還存在一個(gè)次級(jí)正向構(gòu)造單元帶——中央構(gòu)造帶(見圖2)。地震資料揭示,遼西凹陷北部呈現(xiàn)東斷西超的不對(duì)稱箕狀斷陷結(jié)構(gòu),凹陷內(nèi)的中央構(gòu)造帶屬于反轉(zhuǎn)構(gòu)造成因的洼中隆構(gòu)造(見圖3)。
圖1 遼河拗陷區(qū)域位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Map showing location of Liaohe sub-basin and the regional tectonic elements
圖2 研究區(qū)遼西北洼新生界底構(gòu)造面貌立體顯示圖Fig.2 Three-dimension display for the structural framework of the Cenozoic bottom of the north part of the Liaoxi graben
目前,針對(duì)遼河拗陷陸區(qū)和海域各構(gòu)造單元的區(qū)域地質(zhì)研究揭示[14-15,18-20],其構(gòu)造特征與演化以及盆地的充填特征均具較好的同步性和一致性,與整個(gè)渤海灣盆地的演化也表現(xiàn)為較好的一致性。但是,因其整個(gè)拗陷帶狹長(zhǎng)展布于郯廬斷裂帶內(nèi),與渤海灣盆地其他拗陷相比,其受郯廬斷裂帶走滑作用的影響更為明顯和廣泛,內(nèi)部斷層也多呈平行于郯廬斷裂帶的NE—NNE向,具伸展和走滑兩類活動(dòng)方式。目前研究認(rèn)為,在陸上區(qū)域的東部凹陷和西部凹陷均存在屬于郯廬斷裂帶的走滑斷層[13-15,17];海域部分的走滑斷層主要發(fā)育于遼中—遼東凹陷區(qū)[7,10,19-20];遼西凹陷區(qū)的走滑斷層鮮有報(bào)道,少數(shù)已識(shí)別出的具走滑性質(zhì)的斷層被認(rèn)為是由先期伸展斷層疊加走滑活動(dòng)所產(chǎn)生[27]。
圖3 遼西凹陷北部地震剖面Fig.3 Seismic section in the north part of the Liaoxi graben
研究區(qū)內(nèi)斷層主要走向?yàn)镹E向、NNE向、近EW向;全區(qū)發(fā)育多條主干斷層,幾條主干斷層間可在平面上通過平行側(cè)接關(guān)系延伸而貫穿全區(qū),從空間分布位置上可分為凹陷邊界斷層和凹陷內(nèi)部斷層兩類(見圖4)。其中,勘探地震資料揭示,凹陷內(nèi)部斷層普遍具有典型的走滑斷層特點(diǎn),主要依據(jù)包括以下幾個(gè)方面。
1)剖面上,發(fā)育典型的花狀構(gòu)造(見圖3),表現(xiàn)為淺層向上撒開的系列斷層收斂到深層深插基底的直立斷層;直立斷層走向NE向,遠(yuǎn)離邊界鏟式控凹斷層,顯示走滑斷層獨(dú)立發(fā)育的特征,而非在伸展斷層基礎(chǔ)之上疊加走滑而成。
2)平面上,深淺層均發(fā)育大量雁列排布的斷層組合(見圖4),這些雁列斷層往往處于NE向主干斷層兩側(cè),為伸展斷層,顯示走滑斷層在右旋走滑活動(dòng)下所產(chǎn)生伴生斷層的排布特征。
3)兩側(cè)發(fā)育雁列伴生斷層的NE向主斷層,在平面上產(chǎn)狀多變,或近直立、或東傾、或西傾,表現(xiàn)出走滑斷層所特有的絲帶效應(yīng)(見圖5)。
對(duì)研究區(qū)內(nèi)的斷層從平面和剖面上結(jié)合分析,探究它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和規(guī)律(見圖4,5):平面展布上,除控制遼西凹陷發(fā)育的東部邊界鏟式正斷層以外,研究區(qū)內(nèi)部主要發(fā)育3條主干斷層,圍繞這3條主干斷層均不同程度地發(fā)育雁列式小斷層,若將主干斷層和兩側(cè)的伴生斷層看成一個(gè)斷層組,則可把研究區(qū)凹陷內(nèi)部的斷層分成3個(gè)斷層組(見圖4,5中F1~F3斷層組)。
對(duì)3個(gè)斷層組在平面和剖面上進(jìn)行追蹤發(fā)現(xiàn),F2和F3由南向北均通過斷層疊置關(guān)系過渡為F1而消失,F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3三個(gè)斷層(組)均在深層匯聚收斂至同一條近直立的基底斷層而組成一個(gè)花狀構(gòu)造(見圖4,5):在研究區(qū)南部,F(xiàn)2和F3二個(gè)主斷層(組)組成花狀構(gòu)造的分枝斷層收斂匯聚于深部基底;研究區(qū)北部則主要為F1主斷層直立深插基底;在研究區(qū)中部的F2,F(xiàn)3主斷層與F1主斷層疊置區(qū)則表現(xiàn)為3條主斷層組成花狀構(gòu)造的分枝斷層收斂匯聚于深部基底。
上述斷層分布特征表明,研究區(qū)凹陷內(nèi)主要走滑斷層(即F1~F3斷層組)均以花狀構(gòu)造樣式收斂于遼西凹陷的中央部位前新生代基底;沿此走滑斷層帶,一些與走滑相關(guān)的反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育,從而形成中央構(gòu)造帶(見圖5)。值得注意的是,這些走滑斷層均遠(yuǎn)離新生代的邊界控凹斷層,說明這些走滑斷層(如圖4中的F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3斷裂組)并非在新生代(早期)伸展斷層的基礎(chǔ)之上疊加走滑所成,而是獨(dú)立于伸展斷層(控凹邊界斷層)的新生走滑斷層。
圖4 遼西凹陷北部古近系內(nèi)部(沙三段頂部)斷層與圈閉疊合圖及新近系底部斷層分布圖Fig.4 Maps show faults and traps within Paleogene strata, and faults at the bottom of the Neogene strata
走滑斷層在其彎曲、疊置區(qū)會(huì)發(fā)生局部擠壓變形或伸展變形,并以發(fā)育花狀構(gòu)造為典型特征[28-33];這些特殊部位發(fā)生的局部擠壓或伸展構(gòu)造變形亦可看做是走滑活動(dòng)發(fā)生的標(biāo)志性指示構(gòu)造。因此,通過分析這些走滑活動(dòng)在特殊部位伴隨產(chǎn)生的局部構(gòu)造變形(尤其是在擠壓彎曲或疊置區(qū)的背斜)的發(fā)育演化史,可以很好地約束走滑活動(dòng)的演化史。利用這一思路,筆者曾很好地約束了渤海其他地區(qū)郯廬斷裂帶的演化史[11]。
研究區(qū)內(nèi)沿主干斷層也發(fā)育許多的斷層彎曲、疊置區(qū)。主干斷層右旋走滑活動(dòng)過程中,在呈右階排布的斷層疊置或彎曲部位,會(huì)產(chǎn)生局部擠壓應(yīng)力作用,導(dǎo)致背斜構(gòu)造發(fā)育[11];這類背斜的軸線往往與主干斷層呈銳夾角斜交,在走滑應(yīng)變橢球體中對(duì)應(yīng)擠壓變形的發(fā)育部位,因其與走滑活動(dòng)的伴生關(guān)系,可稱為走滑相關(guān)褶皺。實(shí)際上,如前所述及,研究區(qū)凹陷內(nèi)沿著基底直立斷層一線發(fā)育的洼中隆構(gòu)造(即中央構(gòu)造帶),即是走滑斷層在平面多處彎曲、疊置部位發(fā)生局部擠壓形成的背斜構(gòu)造的集合體。也正因如此,整個(gè)中央構(gòu)造帶并不連續(xù)展布,而成串珠狀分布(見圖2)。因此,對(duì)區(qū)內(nèi)該類典型的背斜演化史進(jìn)行分析,即可獲得走滑活動(dòng)史[11]。研究中選取的典型背斜位于沿F3斷層發(fā)育的疊置區(qū)內(nèi)(見圖5中Line E),主斷層在走滑活動(dòng)下,在該部位產(chǎn)生的局部擠壓應(yīng)力形成兩翼完好發(fā)育的完整背斜。
研究中,對(duì)過該背斜的地震剖面(Line E)進(jìn)行新近系館陶組底、東營組二段底、東營組三段底、沙河街組二段底通層拉平,以恢復(fù)其各期構(gòu)造的形態(tài)(見圖6)。在沙二段底部(Te層)拉平后,下伏地層無褶皺形態(tài)(見圖6d),而東營組底部(Td層)拉平后,下伏地層有輕微褶皺形態(tài)(見圖6c),這表明這一走滑相關(guān)褶皺開始形成于沙三段沉積之后,間接指示右旋走滑活動(dòng)開始于沙三段沉積之后(40 Ma左右);東二上亞段底(Tc層)拉平后的地震剖面顯示,該層下伏地層褶皺形態(tài)明顯,且與現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)與幅度基本一致(見圖6b),這表明該構(gòu)造主要形成時(shí)期為東三段和東二下亞段沉積期,對(duì)應(yīng)相應(yīng)右旋走滑活動(dòng)的強(qiáng)烈主活動(dòng)期;館陶組底(Ta層)拉平之后,古近系內(nèi)褶皺幅度較Tc層拉平后的剖面有所增加,同時(shí)上部新近系內(nèi)也有一定背斜形態(tài)顯示(見圖6a),這表明在Tc層之上地層沉積期間,該背斜仍有持續(xù)緩慢增強(qiáng),也即右旋走滑活動(dòng)仍在持續(xù)進(jìn)行,但活動(dòng)強(qiáng)度有明顯變?nèi)醯内厔?shì)。
注:Q+N 第四系和新近系;E3d1 古近系東營組一段;E3d2u 古近系東營組二段上亞段;E3d2L 古近系東營組二段下亞段;E3d3 古近系東營組三段;E2s1+2 古近系沙河街組一段和二段;E2s3+4 古近系沙河街組三段和四段;Ta 新近系底部反射界面;Tb 東二上亞段底部反射界面;Tc 東二下亞段底部反射界面;Td 東三段底部反射界面;Te 沙二段底部反射界面;Tf 新生界底部反射界面圖5 遼西凹陷北部聯(lián)合地震剖面圖Fig.5 Serial NW-SE cross-sections across the study area
該背斜的發(fā)育演化史表明,研究區(qū)內(nèi)相關(guān)走滑斷層在沙三段沉積末期發(fā)生走滑活動(dòng),東營期為走滑活動(dòng)最強(qiáng)烈期,新近紀(jì)走滑活動(dòng)持續(xù)發(fā)生,但活動(dòng)變?nèi)酢?/p>
注:剖面位置為圖5中Line E的一部分圖6 研究區(qū)典型走滑相關(guān)擠壓背斜構(gòu)造地震剖面各層拉平圖Fig.6 Sections flatted on the horizons of bottom
上述分析表明,遼西凹陷內(nèi)部走滑斷層的走滑活動(dòng)始于沙三段沉積之后,具有獨(dú)立新生性,而并非古近紀(jì)早期(沙三期及以前)伸展斷層基礎(chǔ)之上的走滑疊加效果。這些斷層的走向均呈NE向,與郯廬斷裂帶的走向一致。在活動(dòng)時(shí)間上,這些斷層右旋走滑活動(dòng)始于40 Ma左右,這與渤海其他地區(qū)郯廬斷裂帶以及陸上下遼河拗陷內(nèi)郯廬走滑斷裂帶活動(dòng)時(shí)間是完全一致的[6,11,16,23-24]。從空間展布上來看,遼西凹陷內(nèi)這些走滑斷層與目前陸上西部凹陷內(nèi)識(shí)別出的郯廬走滑斷裂具有很好的對(duì)應(yīng)連續(xù)性,對(duì)比斷裂樣式及其組合發(fā)現(xiàn)[13,15-16],兩者極可能走向相連或平行相接(見圖1)。據(jù)此認(rèn)為,遼西凹陷內(nèi)的這些走滑斷層應(yīng)該屬于郯廬斷裂帶內(nèi)的一支,且平行于遼中—遼東凹陷內(nèi)的新生代右旋郯廬斷裂帶存在;該支斷層向北與遼西凹陷內(nèi)的郯廬斷裂西支屬同一斷層,均為依蘭—伊通斷裂的南延部分(見圖1)。
以往研究因限于資料原因,并未在海域遼西凹陷區(qū)系統(tǒng)識(shí)別出典型的走滑斷層,所以在郯廬斷裂帶分布的認(rèn)識(shí)上,研究者傾向于認(rèn)為遼河西部凹陷的郯廬走滑斷裂帶西支向南延伸至海域時(shí),與東部凹陷的郯廬斷裂帶東支交匯并作一支,與海域遼中—遼東凹陷內(nèi)郯廬斷裂帶相連接[15]。從斷層幾何學(xué)展布規(guī)律來看,為何在該區(qū)突然發(fā)生如此變化(兩支并作一支)讓人難以解釋;此外,假若如此,西支斷層彎曲并與東支合并,在走滑活動(dòng)中必然因其斷層的彎曲相應(yīng)產(chǎn)生與南北鄰區(qū)構(gòu)造不協(xié)調(diào)的變形特征(如大規(guī)模的擠壓凸起等),但實(shí)際的盆地構(gòu)造面貌并未有此反映(見圖1)。本研究在遼西凹陷北部海陸過渡區(qū)識(shí)別出的走滑斷層與其他區(qū)段內(nèi)郯廬斷裂帶具有極大的可比性,并可將其作為郯廬斷裂帶的西支,很好地解釋了新生代郯廬斷裂帶入海南延展布這一問題,即郯廬斷裂帶由陸上的下遼河拗陷入渤海海域繼續(xù)保持東西兩支平行發(fā)育。
以上對(duì)遼西凹陷北部斷層發(fā)育特征及活動(dòng)史的分析表明,凹陷內(nèi)部多數(shù)斷層在新生界內(nèi)部表現(xiàn)為典型的走滑斷層樣式,其走滑活動(dòng)始于沙三段沉積末期或之后(40 Ma左右)。而包括研究區(qū)在內(nèi)的渤海灣盆地演化史研究認(rèn)為,新生界沙三段沉積期間及之前是盆地的主斷陷期[19-20,22],這表明研究區(qū)內(nèi)斷層活動(dòng)在65~40 Ma時(shí),應(yīng)主要表現(xiàn)為伸展性質(zhì),從盆地充填地層特征來看,邊界控凹主斷層的主伸展活動(dòng)期也應(yīng)在該階段(見圖5)。由此可推測(cè),研究區(qū)內(nèi)的斷裂系統(tǒng)在新生代期間大體經(jīng)歷了兩個(gè)主要發(fā)育階段:古近紀(jì)早期(65~40 Ma)凹陷邊界斷層的強(qiáng)烈伸展活動(dòng);之后(40 Ma左右以來)凹陷中心部位走滑斷層活動(dòng)和邊界斷層的伸展—走滑復(fù)合改造。凹陷內(nèi)部走滑斷裂體系均收斂于凹陷中心的前新生界基底內(nèi)部,推測(cè)在新生代凹陷中心部位存在構(gòu)造薄弱帶,這一構(gòu)造薄弱帶在古近紀(jì)早期的伸展活動(dòng)中卻未發(fā)生明顯的再活動(dòng),但在晚期的走滑活動(dòng)中卻發(fā)生強(qiáng)烈的再活動(dòng)??紤]到新生代郯廬斷裂走滑帶是在中生代走滑斷裂帶基礎(chǔ)上繼承發(fā)育而來,且該斷裂帶在中生代期間具有數(shù)百公里的巨大走滑活動(dòng)量[8,9,12,34-35],推測(cè)研究區(qū)走滑斷裂體系所在的新生代凹陷中心處應(yīng)該亦是中生代郯廬斷裂帶的發(fā)育部位。
在油氣勘探中,沿走滑斷裂帶往往是油氣聚集有利圈閉的發(fā)育區(qū),如渤海海域其他區(qū)段內(nèi)的郯廬斷裂帶[21],北美圣安德斯走滑斷裂帶內(nèi)[36-37]。實(shí)際上,研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的走滑斷層在凹陷內(nèi)部斷續(xù)分布,在斷層右旋左階的錯(cuò)接、疊置或彎曲部位,其走滑活動(dòng)伴隨的局部擠壓應(yīng)力,形成了凹陷內(nèi)的由一系列串珠狀洼中隆構(gòu)造構(gòu)成的中央構(gòu)造帶,這一構(gòu)造帶也是區(qū)內(nèi)油氣圈閉發(fā)育的主要構(gòu)造單元(見圖4)。這些構(gòu)造圈閉往往具有很好的背斜形態(tài),且處于凹陷內(nèi)部,為烴源巖所包圍,一般具有較好的油氣聚集條件。目前區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的油氣多位于此類構(gòu)造圈閉內(nèi)(見圖7)。
注:構(gòu)造所在位置見圖4圖7 遼西北洼北部走滑相關(guān)擠壓背斜型圈閉Fig.7 Hydrocarbon trap related to inverted anticlinal structure
1)渤海海域遼西凹陷北部存在明顯的走滑斷層,在新生代具有明顯的右旋走滑活動(dòng)性質(zhì),活動(dòng)時(shí)期在沙三段沉積晚期之后至今(40 Ma左右以來),其中東營組中下部沉積期間活動(dòng)最為強(qiáng)烈;這些走滑斷層深部均收斂于前新生界基底直立走滑斷層,應(yīng)該為先存基底斷層新生代右旋走滑再活動(dòng)的產(chǎn)物。
2)遼西凹陷走滑斷層北與遼河西部凹陷內(nèi)走滑斷層可較好地延伸并走向相連或平行相接,在活動(dòng)時(shí)間和展布特征上與遼河拗陷陸上部分及遼東凹陷內(nèi)的走滑斷層均具有很好的一致性,因而一并可歸屬為郯廬斷裂帶內(nèi)部斷裂體系。郯廬斷裂帶在整個(gè)遼河拗陷均具有東西兩支展布的特征,該特征應(yīng)源于郯廬斷裂帶在該區(qū)前新生代東西兩支的發(fā)育模式。
3)遼西凹陷內(nèi)部走滑斷層的新生代走滑活動(dòng)形成凹陷內(nèi)部的中央走滑反轉(zhuǎn)帶,控制了構(gòu)造圈閉的發(fā)育,是油氣的有利聚集帶。