渤海灣盆地古近紀(jì)構(gòu)造變革的穿時(shí)特征及成因探討：以渤海海域西南部和陸上濟(jì)陽(yáng)坳陷為例

劉一鳴，吳智平

(1.山東省深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島，266580)

幕式構(gòu)造演化過(guò)程作為裂陷盆地最重要的構(gòu)造特征之一，其蘊(yùn)含了大地構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)變的重要信息。作為中國(guó)東部最重要的含油氣盆地之一，渤海灣盆地是發(fā)育在華北克拉通東部塊體之上的中、新生代的陸內(nèi)裂陷盆地。自中生代以來(lái)，先后經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)等多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造，其盆地格局經(jīng)歷了多幕式的構(gòu)造演化過(guò)程，可以分為中生代前裂陷期、古近紀(jì)裂陷沉降期和新近紀(jì)以來(lái)的后裂陷熱沉降期3個(gè)階段[1-2]。人們對(duì)渤海灣盆地經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期勘探，其剩余資源劣勢(shì)化與勘探對(duì)象復(fù)雜化的特征日趨明顯，對(duì)地質(zhì)理論與勘探技術(shù)提出了更高的要求。目前，研究熱點(diǎn)也逐漸開(kāi)始向深層和超深層領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，盆地內(nèi)潛山構(gòu)造作為當(dāng)前勘探的重點(diǎn)引起了廣泛關(guān)注[3-5]。然而，明確新生代的構(gòu)造的疊加改造作用是揭示深層構(gòu)造演化的基礎(chǔ)和前提。隨著近年來(lái)油氣勘探的不斷深入，盡管渤海灣盆地新生代構(gòu)造演化在空間上存在著顯著的構(gòu)造差異性分區(qū)效應(yīng)已經(jīng)得到充分認(rèn)識(shí)，但仍存在著一些關(guān)鍵問(wèn)題未能得到合理解釋，晚始新世的全球板塊重組事件導(dǎo)致了包括渤海灣盆地在內(nèi)的中國(guó)近海新生代盆地的差異性演化[6]，但是盆地內(nèi)“海-陸”不同坳陷構(gòu)造轉(zhuǎn)型的時(shí)間具有明顯差異，對(duì)其成因認(rèn)識(shí)缺乏深入的探討，對(duì)穿時(shí)的構(gòu)造變革特征的厘定及其成因還不清晰。

渤海海域西南部地區(qū)是渤海灣盆地的一個(gè)重要的構(gòu)造單元，其處于“海域”渤中坳陷和“陸上”濟(jì)陽(yáng)坳陷之間的過(guò)渡位置，其特殊的地理位置造就了獨(dú)特的構(gòu)造演化特征，構(gòu)造發(fā)育特征與相鄰2個(gè)坳陷具有明顯的差異。研究區(qū)南部濟(jì)陽(yáng)坳陷以孔店組—沙四段沉積期作為盆地構(gòu)造轉(zhuǎn)型期已被廣泛認(rèn)同[6-9]，而對(duì)于渤海海域盆地則大多認(rèn)為是在沙三段沉積期末發(fā)生了一次重要的構(gòu)造變革事件[10-11]，由此導(dǎo)致了盆地構(gòu)造展布、主控?cái)嗔洋w系及沉積格局的轉(zhuǎn)變。關(guān)于這種差異的原因：一是地層歸屬的分歧而導(dǎo)致的差異性認(rèn)識(shí)；二是裂陷期幕次劃分的依據(jù)和成因認(rèn)識(shí)各不相同；三是不同構(gòu)造單元對(duì)區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境轉(zhuǎn)變的響應(yīng)具有差別。

與此同時(shí)，由于研究區(qū)橫跨中海油渤海油田和中石化勝利油田2個(gè)礦區(qū)，“海-陸”不同礦區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)及勘探程度存在著差異，導(dǎo)致海域油田與陸上油田的探明儲(chǔ)量相差懸殊。目前，對(duì)渤海海域西南部構(gòu)造特征相關(guān)的研究多集中于新近紀(jì)走滑斷裂對(duì)淺層油氣聚集的控制[12-13]，近年來(lái)，其中生代構(gòu)造演化及潛山構(gòu)造也逐漸成為一些學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[3-4]，以往受整合資料的局限，前人對(duì)該地區(qū)構(gòu)造特征缺乏系統(tǒng)性、整體性的研究，其新生代裂陷期構(gòu)造差異演化的成因仍不明確，在一定程度上制約了該區(qū)的油氣勘探實(shí)踐?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前針對(duì)渤海周邊“海-陸”不同坳陷構(gòu)造轉(zhuǎn)型時(shí)期的厘定尚不統(tǒng)一，對(duì)構(gòu)造變革前后盆地構(gòu)造特征的認(rèn)識(shí)還不明確，關(guān)于“穿時(shí)”構(gòu)造變革事件的地球動(dòng)力學(xué)成因探討鮮被提及。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者通過(guò)整合“海-陸”礦區(qū)最新的地震和鉆井資料，在對(duì)不同礦區(qū)三維地震解釋資料進(jìn)行統(tǒng)層處理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)渤海海域西南部古近紀(jì)構(gòu)造特征開(kāi)展系統(tǒng)研究，從不整合面特征、斷裂體系、褶皺發(fā)育和沉積響應(yīng)等方面進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而明確研究區(qū)與周緣坳陷裂陷期構(gòu)造轉(zhuǎn)型過(guò)程的差異，探討其構(gòu)造疊加與改造作用的成因機(jī)制，以期為認(rèn)識(shí)渤海灣盆地整體的構(gòu)造成因與演化提供約束，同時(shí)為明確油氣“貧-富”差異分布的成因提供指導(dǎo)。

1 盆地構(gòu)造格架

渤海海域西南部盆地位于渤海灣盆地中部，整體為NW向展布，呈現(xiàn)“三凸夾兩凹”的構(gòu)造格局，自北向南由沙壘田凸起、沙南凹陷、埕北低凸起、埕北凹陷和埕子口凸起5 個(gè)構(gòu)造單元組成(圖1)。埕北凹陷和沙南凹陷以NW 向夾持于埕北低凸起南北兩側(cè)，其西部與黃驊坳陷相鄰、東部與渤中坳陷相連、南部與濟(jì)陽(yáng)坳陷相接(圖1(a))。盆地構(gòu)造格局表現(xiàn)為北東斷南西超的箕狀半地塹結(jié)構(gòu)，地層向南超覆于埕子口凸起之上。其中沙南凹陷位于中海油渤海油田礦區(qū)，埕北凹陷則主體處在中石化勝利油田礦區(qū)。受周緣發(fā)育的深大斷裂影響，研究區(qū)被圍限在NE 走向的郯廬斷裂帶、蘭聊斷裂帶和NW走向的張家口—蓬萊斷裂帶之間，新生代主要發(fā)育有NW，NE和NEE(近EW)向斷裂體系，受中生代先存斷裂在古近紀(jì)復(fù)活的影響，自北向南發(fā)育的NW向沙南斷層和埕北斷層控制了研究區(qū)的凸凹格局。

沙南斷層和埕北斷層被認(rèn)為是張家口—蓬萊斷裂在渤海海域的2條分支斷層[14]，同時(shí)分別作為沙壘田凸起和埕北低凸起的邊界斷層，其控制了2個(gè)獨(dú)立凹陷自中生代以來(lái)的發(fā)育演化。地震反射剖面揭示了NW向沙南斷層和埕北斷層持久的演化歷史，其剖面形態(tài)表現(xiàn)為高角度鏟式正斷層，切穿盆地基底構(gòu)造層，在淺部層系與一系列次級(jí)斷層組合成“似花狀”構(gòu)造樣式，體現(xiàn)了盆地演化以持續(xù)的伸展變形為特征，后期疊加了顯著的走滑效應(yīng)(圖2)。地層的“薄底”現(xiàn)象體現(xiàn)了由逆斷到正斷的構(gòu)造反轉(zhuǎn)過(guò)程，主要體現(xiàn)在下、中侏羅統(tǒng)地層由南西向北東超覆，而上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)則自北東南向西超覆(圖2)，這一特征與濟(jì)陽(yáng)坳陷發(fā)育的羅西斷裂、孤西斷裂等NW向新生代基底斷裂高度一致[15-16]。總體來(lái)看，NW 向斷裂體系的發(fā)育演化控制了渤海海域西南部盆地的構(gòu)造格局，既體現(xiàn)了中生代構(gòu)造的繼承發(fā)育，又體現(xiàn)了新生代走滑作用的疊加改造。

NEE走向的1，2，3和4號(hào)斷層為活躍在古近紀(jì)晚期的張性斷層，其剖面特征多表現(xiàn)為板式正斷層，可切穿至盆地基底，對(duì)漸新統(tǒng)地層的沉積有顯著的控制作用(圖2)。除此之外，在2 個(gè)凹陷內(nèi)均可發(fā)現(xiàn)一系列新生型次級(jí)斷裂發(fā)育，其斷面多切穿沙二段或東營(yíng)組地層底界，且上下兩盤地層厚度相當(dāng)，反映了后期活動(dòng)特征，從而約束了其起始活動(dòng)時(shí)間為漸新世(沙二段至東營(yíng)組沉積期)。NEE 向斷裂體系的發(fā)育特征體現(xiàn)了其古近紀(jì)后期對(duì)早期構(gòu)造格局的改造作用，其發(fā)育演化使得盆地構(gòu)造特征復(fù)雜化和多樣化。

圖2 渤海海域西南部盆地構(gòu)造格架及主控?cái)嗔洋w系Fig.2 Tectonic framework and major controlling fault system of southwest Bohai sea basin

就盆地構(gòu)造演化而言，研究區(qū)NW向構(gòu)造格局定型于燕山期早白堊世[4,17]，晚白堊世的構(gòu)造抬升剝蝕，造成了上白堊統(tǒng)地層的廣泛缺失；古近紀(jì)以來(lái)在太平洋板塊俯沖后撤和洋中脊俯沖作用的控制之下[18]，新生代裂陷盆地繼承性發(fā)育；始新世中—晚期受太平洋板塊俯沖轉(zhuǎn)向和郯廬斷裂帶右旋走滑的影響，裂陷盆地結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的構(gòu)造轉(zhuǎn)型；漸新世盆地發(fā)生持續(xù)裂陷，但其強(qiáng)度明顯減弱；自新近紀(jì)以來(lái)，由于巖石圈均衡沉降，研究區(qū)主要表現(xiàn)為疊加有共軛走滑效應(yīng)的拗陷沉降[17]。盆地的演化經(jīng)歷了早白堊世裂陷幕、晚白堊世構(gòu)造抬升、早古近紀(jì)裂陷幕、晚古近紀(jì)裂陷幕以及新近紀(jì)的走滑拗陷階段[18]，其構(gòu)造特征體現(xiàn)了多幕式的演化過(guò)程以及伸展、擠壓和走滑應(yīng)力的疊加效應(yīng)。盆地古近紀(jì)裂陷層序自下而上充填了孔店組(Ek)、沙河街組(Es4，Es3，Es2，Es1)和東營(yíng)組(Ed)等湖相碎屑巖沉積地層，主要發(fā)育扇三角洲、辮狀河三角洲、近岸水下扇和湖泊相等不同的沉積相類型。已有研究揭示了研究區(qū)中生代復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，本研究側(cè)重于對(duì)古近紀(jì)幕式裂陷過(guò)程的精細(xì)刻畫，進(jìn)而探討渤海灣盆地始新世構(gòu)造轉(zhuǎn)型過(guò)程及動(dòng)力機(jī)制。

2 始新世構(gòu)造變革的穿時(shí)特征

2.1 構(gòu)造轉(zhuǎn)換界面的厘定

不整合面作為盆地構(gòu)造變革事件最直接的證據(jù)，記錄了兩幕不同構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)育特征。渤海西南部海域裂陷層序內(nèi)部發(fā)育有多個(gè)不整合界面，其中新生界底界面(T100)和新近系底界(T20)這2個(gè)角度不整合最為明顯，其分別代表了新生代裂陷旋回的開(kāi)始與結(jié)束，目前已被廣泛關(guān)注。相比之下，人們對(duì)沙三段與沙二段地層之間的角度不整合(T50)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，其具有顯著的地層削截特征和地層撓曲變形特征，且該界面在渤海海域廣泛存在，揭示了其蘊(yùn)含著豐富的地球動(dòng)力學(xué)信息，反映出可能在始新世中—晚期(沙三段沉積期末)發(fā)生了重要的區(qū)域性構(gòu)造變革事件。推測(cè)該事件的發(fā)生可能是濟(jì)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)在渤海海域的響應(yīng)[19]，濟(jì)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)作為濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組地層沉積期發(fā)生的一次重要構(gòu)造變動(dòng)，以發(fā)生大起大落的塊斷運(yùn)動(dòng)和階段性的斷塊翹傾活動(dòng)為特征，對(duì)油氣的運(yùn)聚提供了有利的區(qū)域性成油背景。

就該構(gòu)造界面(T50)在研究區(qū)的表現(xiàn)而言，其主要發(fā)育褶皺不整合和削截不整合2種樣式。其中削截不整合全區(qū)表現(xiàn)明顯，斷裂下降盤沙三段及下伏地層旋轉(zhuǎn)翹傾，翹傾部位遭受剝蝕而被削平[20]，沙二段及上覆地層與不整合面近于平行，從而與沙三段地層斜交，形成明顯的削截不整合(圖3(a)和(b))。褶皺不整合構(gòu)造樣式主要發(fā)育于沾化凹陷之中的孤北洼陷內(nèi)(圖1(b))，在相向發(fā)育的埕東斷層和長(zhǎng)堤斷層之間，發(fā)育凹中隆構(gòu)造，孔店組至沙三段地層具有明顯的同期變形特征，而上覆地層相對(duì)平緩；同時(shí)，沙三段地層頂部具有明顯的削截現(xiàn)象，其厚度橫向展布不均，具有中間薄、兩側(cè)厚的特征(圖3(c))。該構(gòu)造的發(fā)育特征表明盆地在始新世中—晚期經(jīng)歷了由伸展到擠壓的構(gòu)造反轉(zhuǎn)過(guò)程，在沙三段沉積期末NEE 向擠壓作用的控制之下，凹陷內(nèi)地層發(fā)生撓曲變形形成背斜，其頂面遭受剝蝕，形成顯著的角度不整合(T50)，界面之上主要為沙二段至東營(yíng)組辮狀河三角洲砂泥巖，與界面之下發(fā)育的湖相泥巖形成顯著對(duì)比。研究區(qū)在該時(shí)期發(fā)育的角度不整合與渤海海域南部地區(qū)具有高度一致性[10]，揭示了同期構(gòu)造變形活動(dòng)的發(fā)生。

圖3 渤海海域西南部T50不整合面地震反射特征Fig.3 Seismic reflection characteristics of T50 unconformity in southwest Bohai Sea

2.2 中生代先存斷裂的差異性表現(xiàn)

就先存斷裂的構(gòu)造特征而言，“陸上”濟(jì)陽(yáng)坳陷中生代NW 向先存斷裂在新生代發(fā)生構(gòu)造復(fù)活，其多表現(xiàn)為繼承性活動(dòng)，并控制了盆地古近系孔店組至沙河街四段的沉積(圖4(a))，決定了NW 向展布的構(gòu)造格局。然而，隨著古近紀(jì)中期應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，濟(jì)陽(yáng)坳陷NW 向先存斷裂開(kāi)始消亡(圖4(a))，先期主控的NW 向斷裂停止了正斷活動(dòng)，NE向張扭性斷裂成為優(yōu)勢(shì)活動(dòng)斷裂體系，并開(kāi)始控制了盆地的構(gòu)造格局。相比之下，“海上”坳陷則表現(xiàn)為持續(xù)性繼承中生代NW 向構(gòu)造格局(圖2(b))，盡管古近紀(jì)晚期發(fā)育的NE向斷裂體系對(duì)盆地進(jìn)行強(qiáng)烈改造，然而，可能同時(shí)受地層力學(xué)性質(zhì)、先存構(gòu)造強(qiáng)度等因素影響，在海域發(fā)育的NW向斷裂作為先存構(gòu)造薄弱帶，其持續(xù)的張扭性活動(dòng)得以維持，使其免受向NE向構(gòu)造格局轉(zhuǎn)型，構(gòu)成了NE向郯廬斷裂帶與NW向斷裂共軛的構(gòu)造格局，體現(xiàn)了NW向持續(xù)繼承性活動(dòng)并維持了NW向主控的構(gòu)造格局，應(yīng)力場(chǎng)方向與先存斷裂之間夾角存在斜向伸展再活動(dòng)，有時(shí)是再活動(dòng)斷裂為主導(dǎo)，有時(shí)是新生其他方位斷裂為主導(dǎo)。

可以看出，受不同構(gòu)造位置、不同規(guī)模先存斷裂對(duì)區(qū)域構(gòu)造環(huán)境差異響應(yīng)的控制，“海-陸”不同坳陷先存斷裂在新生代的表現(xiàn)形式既存在著一致性，也存在著顯著差異。具體來(lái)說(shuō)，“海-陸”坳陷先存斷裂在古近紀(jì)初期均繼承了中生代活動(dòng)特征，表現(xiàn)為NW向基底斷裂“顯性”復(fù)活，并決定了盆地早期NW向的構(gòu)造格局；隨著古近紀(jì)中期應(yīng)力環(huán)境的轉(zhuǎn)變，其構(gòu)造差異性演化特征開(kāi)始凸顯，依據(jù)先存的NW向斷裂表現(xiàn)形式的不同，可以分為“繼承—消亡型”和“持續(xù)繼承型”(圖4(b)和(c))，不同類型斷裂控制了“海-陸”不同盆地的發(fā)育演化，進(jìn)而決定了后期盆地構(gòu)造面貌的差異。

圖4 濟(jì)陽(yáng)坳陷地震剖面揭示的先存NW向斷裂發(fā)育特征及不同先存斷裂復(fù)活模式Fig.4 Characteristics of pre-existing faults in Jiyang depression and reactivation models for different pre-existing faults

2.3 古近紀(jì)斷裂體系的差異性轉(zhuǎn)型

研究區(qū)主要發(fā)育NW向、NEE向和NE向斷裂體系，受多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，不同構(gòu)造幕之間斷裂體系發(fā)育特征存在著明顯的差異。就古近紀(jì)斷裂體系而言，研究區(qū)在晚始新世中—晚期(沙三段沉積期)經(jīng)歷了明顯的轉(zhuǎn)型過(guò)程，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

從控盆斷裂的演化特征來(lái)看，孔店組—沙四段沉積期，中生代先存斷裂具有顯著的復(fù)活效應(yīng)，NW 向沙南斷裂和埕北斷裂，NE 向沙壘田2 號(hào)斷裂、埕東斷裂和埕子口斷裂的繼承性活動(dòng)控制了盆地早期的構(gòu)造格局。至沙三段沉積期(中始新世)，各方向斷層斷距增大，活動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，反映出盆地發(fā)生了強(qiáng)烈的裂陷作用(圖5(a))。其中NW向沙南斷裂和埕北斷裂可達(dá)160 m/Ma，相對(duì)其他方向斷裂(30～80 m/Ma)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，顯示了對(duì)盆地格局的主要控制作用。與此同時(shí)，在凹陷斜坡開(kāi)始發(fā)育一系列NEE 向斷裂，但其斷裂活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較弱，盆地依然表現(xiàn)為NW向斷裂主控的構(gòu)造格局。自沙二段沉積期以來(lái)，盆地裂陷強(qiáng)度減弱，各方向主干斷裂斷距明顯減小，先期NW向主控?cái)嗔鸦顒?dòng)強(qiáng)度急劇降低，而NEE 向斷裂體系活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)(圖5(b))，體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)活動(dòng)斷裂體系的轉(zhuǎn)型過(guò)程。

從次級(jí)斷裂的發(fā)育特征來(lái)看，以沙三段地層頂面(T50)為界，其上下發(fā)育了2 套不同的斷裂體系。界面之下的NW 向先存斷裂多終止于該界面，而界面之上則密集發(fā)育一系列板式排列的新生型次級(jí)斷裂(圖6)。整體來(lái)看，該時(shí)期NW 向斷裂體系趨于消亡，而NEE 向斷裂體系相對(duì)發(fā)育，盆地在古近紀(jì)經(jīng)歷了由NW向斷裂控盆到NW向和NEE向斷裂體系共軛控盆的轉(zhuǎn)型，反映了古近紀(jì)中—晚期區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向由近NS 向伸展向NNW 向伸展的轉(zhuǎn)變，研究區(qū)各時(shí)期活動(dòng)斷裂體系展布很好地體現(xiàn)了這一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

圖6 渤海海域西南部古近紀(jì)晚期新生型次級(jí)斷裂發(fā)育特征Fig.6 Characteristics of secondary faults in late Paleogene in southwest Bohai sea basin

相比之下，研究區(qū)南側(cè)的濟(jì)陽(yáng)坳陷在沙四段沉積期就發(fā)生了由NW向向NEE向的構(gòu)造轉(zhuǎn)型[6-7]，主要體現(xiàn)在孔店組沉積期主控的NW 向孤西、羅西、陽(yáng)信和滋鎮(zhèn)斷層逐漸消亡(圖5(c))，取而代之的是，NEE 向的埕南、無(wú)南、寧南、陳南和平南斷層強(qiáng)烈活動(dòng)對(duì)先期構(gòu)造格局的疊加改造[8](圖5(d))。沙三段沉積以后，整體繼承了沙四段沉積期NEE 向的盆地格局(圖5(d))，NW 向斷層基本消亡，同時(shí)，后期疊加有NE向走滑構(gòu)造形跡?？梢钥闯觯瑵?jì)陽(yáng)坳陷在沙四段沉積期發(fā)生了構(gòu)造轉(zhuǎn)型，在沙三段沉積期已經(jīng)轉(zhuǎn)換為NEE 向主控的構(gòu)造格局，而渤海海域盆地在構(gòu)造轉(zhuǎn)型上表現(xiàn)出明顯的非同步性，在沙三段沉積期末才開(kāi)始受NEE 向構(gòu)造的控制和影響?！昂?陸”不同坳陷近乎相同的構(gòu)造轉(zhuǎn)型過(guò)程在時(shí)間上具有不一致性，這種“穿時(shí)”構(gòu)造變革的動(dòng)力機(jī)制需進(jìn)一步探討。

圖5 渤海海域西南部與濟(jì)陽(yáng)坳陷古近紀(jì)兩幕裂陷期斷裂體系展布及垂向活動(dòng)強(qiáng)度Fig.5 Transformation of faults of Paleocene episodes of rifting in southwest Bohai Sea and Jiyang Depression

2.4 沉積-沉降中心遷移特征的差異

依據(jù)“構(gòu)造-沉積”耦合的思想，沉積地層作為裂陷過(guò)程的物質(zhì)記錄，可以很好地反映出裂陷作用的強(qiáng)弱。結(jié)合各地質(zhì)時(shí)期沉積地層厚度展布特征，可以看出“海-陸”不同凹陷的沉積-沉降中心在古近紀(jì)均發(fā)生了明顯的遷移，但其轉(zhuǎn)型時(shí)間存在著差異。

就海域凹陷而言(圖7(a)和(b))，由于沙一、二段沉積地層厚度較薄，其演化規(guī)律不明顯，分別選取代表兩幕主裂陷期的沙三段和東營(yíng)組地層厚度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在埕北低凸起以北的沙南凹陷，沙三段地層與其上覆的東營(yíng)組地層沉積具有“蹺蹺板”式的遷移規(guī)律，沙三段地層厚度具有“西厚東薄”的特征，沉積中心位于沙南凹陷西洼(圖7(a))；到東營(yíng)組沉積期則具有相反的規(guī)律，沉積地層“西薄東厚”，沉積中心遷移至沙南凹陷東洼(圖7(b))。在南部的埕北凹陷，沙三段沉積期沉積中心位于NW向埕北斷層控制的洼陷之中，至東營(yíng)組沉積期，沉積地層中心逐漸向東遷移，且呈NE向展布，體現(xiàn)出NE向斷裂體系的控制作用?？梢钥闯觯Ｓ虻某练e地層展布顯示出自西向東遷移的規(guī)律，由NW 向主控向NE 向主控轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。從區(qū)域上來(lái)看，沙壘田凸起北鄰的南堡凹陷也有著相似的遷移規(guī)律[21-22]，揭示了沙三段沉積期后發(fā)生了廣泛而深刻的構(gòu)造轉(zhuǎn)換作用。

與此相似，“陸上”的濟(jì)陽(yáng)坳陷盡管在古近紀(jì)也發(fā)生了沉積-沉降中心的遷移過(guò)程(圖7(c)和(d))，然而，其發(fā)生轉(zhuǎn)型的時(shí)間要早于渤海海域盆地轉(zhuǎn)型的時(shí)間。以東營(yíng)凹陷為例，沙四段沉積期表現(xiàn)為由陳南斷裂和石村斷裂帶控制的半地塹斷陷盆地[6]，沙四段地層充填其中，呈NWW(近EW)向展布(圖7(c))。進(jìn)入沙三段沉積期，受控于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的NW-SE向轉(zhuǎn)變，沙三段及上覆地層展布方向轉(zhuǎn)變?yōu)镹EE向(圖7(d))。其地層展布趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變顯示了沙四段沉積期末構(gòu)造轉(zhuǎn)換作用的發(fā)生?？偟膩?lái)看，渤海海域西南部盆地與其南部的濟(jì)陽(yáng)坳陷沉積中心轉(zhuǎn)型時(shí)間存在著顯著差異，體現(xiàn)了“穿時(shí)”的構(gòu)造變革特征。

圖7 渤海海域沙南凹陷與濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷裂陷期沉積中心遷移對(duì)比圖Fig.7 Comparison of migrating characteristics of depocenters of two distinct episodic rifting

3 穿時(shí)構(gòu)造變革的成因探討

以上研究結(jié)果表明，渤海西南部海域在始新世中—晚期(沙三段沉積期末)經(jīng)歷了顯著的構(gòu)造變革事件，從而導(dǎo)致了主控?cái)嗔洋w系、沉積中心以及盆地構(gòu)造格局的轉(zhuǎn)變，該期構(gòu)造轉(zhuǎn)型與渤海海域南部地區(qū)具有高度一致性[10]，但相對(duì)于陸上濟(jì)陽(yáng)坳陷(沙四段沉積期末)則具有明顯的非同步性。作為渤海灣盆地的次級(jí)構(gòu)造單元，它們的發(fā)育演化是太平洋板塊、印度板塊與歐亞板塊的相互作用和地球深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程共同控制的結(jié)果[23]。在上述動(dòng)力邊界的控制之下，郯廬斷裂帶和蘭聊斷裂帶作為研究區(qū)緊鄰的切穿巖石圈的深大斷裂，其活動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變和強(qiáng)度的變化無(wú)疑會(huì)對(duì)研究區(qū)的構(gòu)造轉(zhuǎn)型產(chǎn)生重要影響[24]。

3.1 地幔熱隆起主導(dǎo)的巖石圈動(dòng)力學(xué)

前人對(duì)渤海灣盆地的動(dòng)力學(xué)過(guò)程開(kāi)展了深入的研究，認(rèn)為其為地幔熱活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的陸內(nèi)裂陷盆地[25-26]。最新研究表明，由莫霍面的起伏產(chǎn)生的“莫霍面斜坡”與淺層地殼“最大剝蝕面”等構(gòu)造變形特征具有顯著的時(shí)空耦合關(guān)系[27]，揭示了深部殼幔結(jié)構(gòu)對(duì)盆地發(fā)育演化的控制和制約。渤海灣盆地存在3 個(gè)NNE 向的莫霍面隆起帶，控制了新生代盆地北東向延伸的構(gòu)造格局。相比“陸上”濟(jì)陽(yáng)坳陷，渤海海域渤中坳陷具有較淺的軟流圈頂面埋藏深度[28](圖8(a))，反映出海域盆地可能更多地受到地幔熱物質(zhì)上涌引發(fā)的伸展活動(dòng)的控制。

巖漿活動(dòng)是明確地球深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程的窗口[29]，其伴生的火成巖作為明確深部地?；顒?dòng)的探針，其發(fā)育特征及時(shí)空展布規(guī)律可以很好地反映深部活動(dòng)歷史。渤海灣盆地古近紀(jì)火山巖分布體現(xiàn)了自盆地邊緣向盆地中心遷移規(guī)律，渤中坳陷廣泛分布有大量晚古近紀(jì)火山巖[30](圖8(b))，反映出渤海海域在該時(shí)期古近紀(jì)晚期處于裂陷中心的位置。此外，基于構(gòu)造-熱演化數(shù)值模擬的巖石圈拉張系數(shù)定量分析結(jié)果表明[31]，渤海灣盆地不同時(shí)期拉張中心存在著遷移特征，在孔店組沉積期，濟(jì)陽(yáng)坳陷(拉張系數(shù)為1.38)遠(yuǎn)高于渤中坳陷(拉張系數(shù)為1.00)，而在沙四段沉積期，渤中坳陷(拉張系數(shù)為1.27)要強(qiáng)于濟(jì)陽(yáng)坳陷(拉張系數(shù)為1.12)。同時(shí)，熱流模擬結(jié)果揭示了濟(jì)陽(yáng)坳陷在約40 Ma優(yōu)先達(dá)到峰值85～88 mW·m-2[32]，而渤中坳陷所處的渤海海域在24.6 Ma 熱流達(dá)到最大值100 mW·m-2[31]，體現(xiàn)了古近紀(jì)裂陷中心由濟(jì)陽(yáng)坳陷向渤海海域發(fā)生轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)。

圖8 渤海灣盆地深部地質(zhì)背景示意圖[28]及新生代火山巖分布[30]Fig.8 Sketch maps showing deep dynamics and Cenozoic volcanic rocks distribution of Bohai Bay basin

3.2 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換與構(gòu)造變形場(chǎng)的關(guān)系

渤海灣盆地新生代伸展構(gòu)造和走滑構(gòu)造是淺層次地殼中2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造系統(tǒng)[1,25]，它們?cè)诳臻g上相互利用、改造，形成了相互疊加的復(fù)雜構(gòu)造關(guān)系。其中，伸展裂陷活動(dòng)主要由地幔熱物質(zhì)上涌所主導(dǎo)，而走滑變形更多地受到周緣板塊活動(dòng)誘導(dǎo)的郯廬斷裂脈動(dòng)式活動(dòng)的控制[33-35]。

近年來(lái)，對(duì)華北克拉通的研究取得了豐碩的成果，揭示了華北克拉通破壞在早白堊世達(dá)到峰值[36]，伴隨地幔上涌和軟流圈的隆升，中國(guó)東部進(jìn)入了大規(guī)模的裂陷或斷陷盆地階段。受太平洋板塊的NNW向俯沖的控制和影響，郯廬斷裂帶、蘭聊斷裂帶等NE 向斷裂發(fā)生大規(guī)模的左旋走滑作用，產(chǎn)生了NE—SW向的拉張應(yīng)力場(chǎng)[7]，從而導(dǎo)致了先期NW 向斷層發(fā)生由擠壓到拉張的構(gòu)造轉(zhuǎn)換[18]，并伴隨著盆地雛形的形成。自新生代以來(lái)，由于太平洋板塊俯沖速率的降低，伴隨洋脊俯沖的發(fā)生(圖9(a))，古近紀(jì)早期的構(gòu)造活動(dòng)由地幔熱隆起引發(fā)的區(qū)域性拉張所主導(dǎo)[37]，受先存斷裂復(fù)活的影響，渤海灣盆地中部盆地繼承了中生代的北西斷南東超的構(gòu)造格局。

根據(jù)熱點(diǎn)軌跡，古近紀(jì)中期太平洋板塊俯沖方向經(jīng)歷了一次重要轉(zhuǎn)變[38]，其俯沖方式由NNW向斜向低速俯沖轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW 正向高速俯沖[39-41](圖9)。伴隨著印度板塊與歐亞板塊的全面碰撞，郯廬斷裂帶的活動(dòng)方式發(fā)生了由左旋走滑向右旋走滑的轉(zhuǎn)變[24,42]，與西側(cè)的蘭聊斷裂發(fā)生共軛右旋走滑作用，派生出NWW 的拉張應(yīng)力環(huán)境。同時(shí)，地幔熱物質(zhì)上涌產(chǎn)生的水平拉張?jiān)谏橙芜_(dá)到峰值[30,43]，它們的共同作用決定了盆地的優(yōu)勢(shì)伸展方向。自沙二段沉積期以來(lái)，太平洋板塊持續(xù)高速俯沖導(dǎo)致了郯廬斷裂帶的大規(guī)模右旋走滑活動(dòng)，其派生的拉張應(yīng)力導(dǎo)致一系列NEE 向斷層的活動(dòng)性增強(qiáng)，次級(jí)斷層數(shù)量明顯增多。由于該時(shí)期深部地幔熱活動(dòng)引發(fā)的拉張作用有所減弱[33]，各方向斷層活動(dòng)強(qiáng)度均明顯減弱，其盆地構(gòu)造格局可能更多地受到由板緣動(dòng)力誘導(dǎo)的拉張作用的控制。

圖9 區(qū)域應(yīng)力轉(zhuǎn)換的地質(zhì)背景[40]Fig.9 Regional geological background for stress transitions[40]

3.3 伸展與走滑應(yīng)力的復(fù)合下的差異性構(gòu)造轉(zhuǎn)型

盆地新生代構(gòu)造格局體現(xiàn)了繼承性與改造性并存的特點(diǎn)。在古近紀(jì)初期，盆地結(jié)構(gòu)具有明顯的NW 向構(gòu)造形跡，自西向東發(fā)育的NW 向羅西、孤西、埕北—長(zhǎng)堤—五號(hào)樁斷裂帶控制了潛山和凸起的規(guī)律性展布，體現(xiàn)了對(duì)中生代構(gòu)造格局的繼承。始新世中—晚期，受郯廬斷裂等大型NNE向走滑斷裂轉(zhuǎn)型的影響，華北東部地區(qū)新生代發(fā)生重大構(gòu)造轉(zhuǎn)型，區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)向NNW—SSE向伸展發(fā)生了轉(zhuǎn)變[6-7]。盆地構(gòu)造格局表現(xiàn)為受到NEE 向新生斷裂體系的改造，其率先發(fā)生在渤海灣盆地南部的濟(jì)陽(yáng)坳陷(沙四段沉積期)，表現(xiàn)為古近紀(jì)中—晚期北東斷南西超的半地塹對(duì)中生代北西斷南東超半地塹的強(qiáng)烈改造(圖9)，垂向上形成了NE 向與NW 向盆地相干型疊合的構(gòu)造格局[7]。構(gòu)造變革前后盆地構(gòu)造格局發(fā)生了顯著改變，盆地由早期的單斷式半地塹結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)型為雙斷式塹壘構(gòu)造，由伸展構(gòu)造主控轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋瑯?gòu)造的疊加改造。

而渤海海域西南部盆地則表現(xiàn)為在沙三段沉積期前后顯著差異的兩幕斷陷特征。孔店組至沙三段沉積期，以NW 向斷裂控盆為主，新生的NEE 斷裂并未對(duì)盆地結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，盆地構(gòu)造格局表現(xiàn)為一系列彼此孤立的箕狀半地塹，呈現(xiàn)“群湖抱山”的古地貌特征；進(jìn)入沙二段沉積期以后，NW 向沙南斷裂和埕北斷裂表現(xiàn)為張扭性變形，與NEE向斷裂體系共同控制了盆地構(gòu)造格局。沙三段頂部界面(T50)之上則表現(xiàn)為截然不同的構(gòu)造-沉積面貌，反映了隨著斷陷湖盆范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，NEE向斷裂體系對(duì)盆地結(jié)構(gòu)的改造效應(yīng)。

“海-陸”差異性構(gòu)造轉(zhuǎn)型的原因可能受控于伸展與走滑應(yīng)力的復(fù)合作用。在古近紀(jì)初期，受洋脊俯沖和深部地幔物質(zhì)上涌的影響，盆地處于強(qiáng)烈伸展階段，并繼承了中生代NW 向的構(gòu)造格局。自沙四段沉積期以來(lái)，伴隨著盆地裂陷中心由濟(jì)陽(yáng)坳陷向渤中坳陷的遷移，濟(jì)陽(yáng)坳陷裂陷作用減弱，其構(gòu)造演化可能更多地受到走滑應(yīng)力的控制(圖9)，其派生出NNW—SSE拉張應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致了盆地向NEE 向構(gòu)造格局轉(zhuǎn)型(圖10(a))。而在渤海海域西南部盆地，由地幔上涌導(dǎo)致的伸展作用相對(duì)較強(qiáng)，走滑作用對(duì)盆地的影響相對(duì)不明顯，盡管開(kāi)始發(fā)育有NEE 向的新生斷裂，但其并未改變盆地NW向斷裂主控的構(gòu)造格局(圖10(a))。至沙三段沉積期之后，隨著地幔熱物質(zhì)上涌產(chǎn)生的伸展強(qiáng)度降低，盆地裂陷作用明顯減弱，深大斷裂走滑活動(dòng)派生的NNW拉張應(yīng)力相對(duì)增強(qiáng)，渤海海域盆地發(fā)生構(gòu)造轉(zhuǎn)型，向NW 和NEE 向斷裂共軛控盆的構(gòu)造格局轉(zhuǎn)變。因此，先存斷裂的差異性復(fù)活和郯廬斷裂帶活動(dòng)方式的轉(zhuǎn)型是研究區(qū)新生代盆地格局對(duì)中生代盆地格局繼承和改造的關(guān)鍵，由地幔熱物質(zhì)上涌產(chǎn)生的水平拉張與深大走滑斷裂派生拉張的配比關(guān)系決定了渤海灣盆地始新世“穿時(shí)”構(gòu)造變革事件的發(fā)生(圖10(b))。

圖10 渤海灣盆地中部盆地構(gòu)造轉(zhuǎn)型特征及成因示意圖Fig.10 Sketch map of characteristics and origin of the Paleogene differential tectonic transition

結(jié)合中國(guó)南海北緣新生代盆地的研究，發(fā)現(xiàn)在始新世中—晚期也發(fā)生了類似的構(gòu)造變革事件，盆地構(gòu)造面貌發(fā)生了顯著的變化[44-47]。在珠江口盆地恩平凹陷、惠州凹陷表現(xiàn)尤為明顯，始新統(tǒng)文昌組與上覆漸新統(tǒng)恩平組之間具有明顯的削截現(xiàn)象，由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了主控?cái)嗔洋w系由NEE 向朝NWW 向轉(zhuǎn)型；同時(shí)，前期分割性較強(qiáng)的湖盆趨于連通，湖盆范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，沉積體系由半深湖—深湖背景下的扇三角洲向?yàn)I淺湖背景下的辮狀河三角洲轉(zhuǎn)變[44]。此外，不同學(xué)者對(duì)中國(guó)近海的東海盆地和瓊東南盆地等開(kāi)展了系列研究[24]，發(fā)現(xiàn)該期構(gòu)造變革事件廣泛存在。因此，對(duì)該構(gòu)造轉(zhuǎn)型特征及動(dòng)力學(xué)成因的深入探討不僅能為明確中國(guó)近海盆地的動(dòng)力學(xué)成因提供約束，同時(shí)能為低成熟探區(qū)的高效油氣勘探提供重要指導(dǎo)。

4 石油地質(zhì)意義

始新世中—晚期的構(gòu)造變革揭開(kāi)了渤海灣盆地中部差異性演化的序幕，渤海海域西南部古近紀(jì)早期以孤立盆地發(fā)育為特征，其分割性強(qiáng)，沙三段發(fā)育中深湖—深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖，具有厚度大、范圍廣的特點(diǎn)，其有機(jī)質(zhì)類型好，主要以I型和II1型為主，僅沙南西洼總生烴量可達(dá)44 億t[48]。在古近紀(jì)中、晚期，前期相對(duì)孤立的斷陷湖盆趨于連通，以辮狀河三角洲和濱淺湖相發(fā)育為特點(diǎn)，并控制形成了沙一、二段和東三段等有效烴源巖。其中，沙一、二段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型多為II1型和III型，而東營(yíng)組有機(jī)質(zhì)類型多樣，以II1型為主[48]。而濟(jì)陽(yáng)坳陷烴源巖發(fā)育層系多，自沙四段至東營(yíng)組發(fā)育了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖。可以看出，構(gòu)造變革事件導(dǎo)致的幕式裂陷演化過(guò)程造成了烴源巖發(fā)育的差異。

伴隨著區(qū)域構(gòu)造變革事件的發(fā)生，NEE 向斷裂體系對(duì)先期NW向的構(gòu)造格局進(jìn)行強(qiáng)烈改造，研究區(qū)表現(xiàn)為NW 向和NEE 向斷裂體系共軛控盆的構(gòu)造格局。由于NEE 向斷層發(fā)育，沙南凹陷和埕北凹陷內(nèi)部形成東洼與西洼，在埕北低凸起上，形成了溝、嶺。在沙南凹陷的南部緩坡帶發(fā)育的“截坡”斷層導(dǎo)致斷階帶發(fā)育，對(duì)油氣垂向疏導(dǎo)；在埕北凹陷的西南緩坡帶上“順坡”斷層形成溝壑成為物源通道。在古近紀(jì)晚期，NW向斷層對(duì)構(gòu)造格局的控制作用較前期明顯減弱，導(dǎo)致了埕北低凸起在東二段沉積期基本處于消亡階段，成為水下低凸起接受淺湖相沉積。該時(shí)期NEE 向斷層的控制作用相對(duì)增強(qiáng)，導(dǎo)致沙南東洼、孤北洼陷和樁西洼陷等深洼發(fā)育，地層的快速埋藏有利于多套烴源巖的發(fā)育。

值得關(guān)注的是，以往對(duì)NW向斷層的走滑效應(yīng)缺乏深入的認(rèn)識(shí)，先存的NW向埕北斷層和沙南斷層在NNW向斜向伸展作用下發(fā)生張扭性變形，沿其走向發(fā)生彎曲形成走滑釋壓區(qū)和增壓區(qū)[17,49]。由于局部應(yīng)力的差異，不同段的構(gòu)造形態(tài)存在著顯著差異(圖11(b)和(c))。在走滑彎曲構(gòu)造的增壓段，斷層陡直，其側(cè)向封堵性強(qiáng)，凹陷內(nèi)地層撓曲變形，有利于形成有效的斷層圈閉，是油氣藏發(fā)育的有利區(qū)帶(圖11(b))；在走滑彎曲構(gòu)造的釋壓段，斷層良好的疏導(dǎo)性利于油氣的垂向運(yùn)移，進(jìn)而在斷層下盤形成潛山油氣藏及淺層油氣藏(圖11(c))。以埕北斷層走滑釋壓段為例，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)斷層封閉性進(jìn)行定量分析，計(jì)算所得沙三段地層封堵系數(shù)為0.475，沙二段至沙一段封堵系數(shù)為0.48，表明其封堵性偏差，斷面處于開(kāi)啟狀態(tài)，其較好連通性有利于油氣垂向疏導(dǎo)，多個(gè)鉆井也揭示了其在淺層及潛山優(yōu)勢(shì)成藏(圖11(d))。因此，走滑斷裂形成的局部應(yīng)力場(chǎng)差異導(dǎo)致的斷裂疏導(dǎo)連通性差異是潛山成藏的關(guān)鍵。研究區(qū)該構(gòu)造特征揭示了盆地構(gòu)造轉(zhuǎn)型導(dǎo)致構(gòu)造變形的差異性和“源-儲(chǔ)”配置的多樣性，進(jìn)而控制了油氣的優(yōu)勢(shì)成藏位置，而構(gòu)造變革事件的穿時(shí)特征可能是導(dǎo)致油氣資源“貧-富”差異分布的重要控制因素。

圖11 渤海灣盆地構(gòu)造變革后油氣成藏模式及成因示意圖Fig.11 Sketch map of model and origin of hydrocarbon accumulation after Eocene tectonic transition

5 結(jié)論

1)受控于伸展與走滑并存的多動(dòng)力源區(qū)域地質(zhì)背景，渤海西南部海域新生代構(gòu)造演化體現(xiàn)了多幕式的構(gòu)造演化過(guò)程和不同時(shí)期伸展與走滑的復(fù)合效應(yīng)。NW走向的沙南斷層和埕北斷層在中生代先存斷裂的基礎(chǔ)上繼承性發(fā)育，控制了渤海海域西南部盆地的凸凹格局?；趯?duì)“海-陸”坳陷構(gòu)造變革界面的厘定以及斷裂體系轉(zhuǎn)型和沉積中心遷移特征的對(duì)比研究，識(shí)別出始新世中—晚期構(gòu)造變革事件具有穿時(shí)特征，其控制了盆地向NNE向構(gòu)造格局的轉(zhuǎn)型。

2)地幔深部物質(zhì)上涌產(chǎn)生的水平拉張與深大走滑斷裂控制的巖石圈優(yōu)勢(shì)伸展方向的疊加復(fù)合控制了渤海海域新生代裂陷盆地的發(fā)展演化，先存斷裂的發(fā)育規(guī)模與復(fù)活方式?jīng)Q定了差異性構(gòu)造改造作用，同一時(shí)期伸展與走滑應(yīng)力的配比關(guān)系控制了渤海灣盆地中部“海陸穿時(shí)”構(gòu)造變革事件的發(fā)生。下一步的研究將利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同動(dòng)力來(lái)源進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，以便為深入認(rèn)識(shí)其成因提供依據(jù)。

3)始新世中—晚期的構(gòu)造變革事件導(dǎo)致了不同層系烴源巖發(fā)育特征的差異，其穿時(shí)變革特征控制了不同構(gòu)造格局的差異性改造，造成了有利圈閉的再定位，決定了“源-儲(chǔ)”配置的多樣性，進(jìn)而導(dǎo)致了油氣資源的差異性富集。先存NW向斷層的走滑彎曲變形控制了渤海海域的優(yōu)勢(shì)成藏部位，而NEE 向斷裂的改造作用決定了濟(jì)陽(yáng)坳陷油氣的規(guī)律性富集，這對(duì)于走滑-伸展疊加背景盆地的油氣勘探靶區(qū)的選擇具有指導(dǎo)意義。