海拉尔盆地贝尔凹陷伸展断层转折褶皱作用及其对沉积作用的制约

刘志宏，梅 梅，柳行军，吴相梅，万传彪，林东成，高军义

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072751

3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

海拉尔盆地贝尔凹陷伸展断层转折褶皱作用及其对沉积作用的制约

刘志宏1，梅 梅1，柳行军2，吴相梅3，万传彪3，林东成3，高军义3

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072751

3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

海拉尔盆地是叠置于内蒙—大兴安岭古生代碰撞造山带之上的中新生代盆地，总体上呈北东向展布，由3坳、2隆5个一级构造单元组成，自西向东依次为扎贲诺尔坳陷、嵯岗隆起、贝尔湖坳陷、巴彦山隆起和呼和湖坳陷，其中贝尔凹陷是贝尔湖坳陷南部的1个二级构造单元。贝尔凹陷的控陷断层为1个上凸、2个上凹断层转折组合构成的犁式正断层，在深部发育伸展双重构造。在犁式正断层上盘由于上凸断层转折产生的活动轴面与断层面为同旋向剪切，而上凹断层转折产生的活动轴面与断层面为反旋向剪切，在断层上盘形成2个背斜中间夹1个向斜的构造组合。由活动轴面与固定轴面之间滚动面的宽度确定控陷断层F1在早白垩世南屯期晚期的水平伸展量为6 850m。贝尔坳陷伸展断层转折褶皱的几何学和运动学特征，反映了断层滑移速率、构造沉降速率和沉积速率对凹陷内沉积地层变形特征的影响和构造活动对沉积作用和油气地质条件的制约。贝尔凹陷南屯组上段内部角度不整合的形成与变形作用中的剥蚀作用和沉积间断无关，而是由于半地堑从略欠补偿充填向过补偿充填状态转变时，沉积速率相对于构造沉降速率显著增加所致。

伸展构造；断层转折褶皱作用；生长地层；沉积作用；角度不整合；贝尔凹陷；海拉尔盆地

0 引言

构造变形及其对沉积作用的制约是研究盆地形成机制和演化过程的重要科学问题，长期以来一直倍受国内外地质学家的关注［1－7］。自20世纪80年代末以来，先后有多位学者在断裂作用、褶皱作用及其与同构造沉积作用（或称为地层生长作用）之间关系的研究方面，建立了挤压和伸展构造体制下的生长断层相关褶皱的几何学与运动学模型［1－3，8－14］，提出了隆升速率、沉积速率和断层滑移速率之间的定量关系，为研究构造变形及其与沉积作用的关系提供了新思路、新方法。断层的滑移及褶皱作用在上覆同构造沉积中得以保存，生长地层的几何学和运动学特征为断层、褶皱的形成机制研究提供了新证据。生长断层相关褶皱模型的提出使准确地确定盆地的构造特征、变形过程和形成时代成为现实，为进一步研究盆地的构造演化奠定了基础［1，5－7，13，15－17］。

1 海拉尔盆地地质概况

海拉尔盆地是叠置于内蒙—大兴安岭古生代碰撞造山带之上的中新生代盆地［15，18－19］。盆地基底为古生界和前古生界海相、海陆交互相地层，盖层主要由中生界白垩系和新生界古近系、新近系组成，其中以下白垩统为主，地层总厚度达6 000m。白垩系自下而上划分为下白垩统兴安岭群、铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组、伊敏组，上白垩统青元岗组。兴安岭群主要以凝灰质砂砾岩和火山岩为主，厚度为100～500m。铜钵庙组为一套杂色砂砾岩夹泥岩，厚度为500～800m。南屯组为一套河湖相沉积，可以划分为上、下2段：下段以黑色泥岩为主，局部夹油页岩及砂岩，厚度为150～200m；上段为厚层粉砂岩、黑色泥岩夹煤层，向盆地边缘粒度变粗。大磨拐河组下部以深湖—半深湖相沉积为主，上部为湖沼相沉积，厚度一般为600～800m，最厚达1 033 m。伊敏组为一套砂泥岩和煤层呈不等厚互层的沼泽相沉积，厚度为600～1 000m。青元岗组为一套紫红、棕红、灰绿色泥岩夹砂岩，底部为灰白色、杂色砂砾岩，厚度为150～220m［20］。海拉尔盆地的主要生油层系分布于铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组，目前已经在基底、兴安岭群、铜钵庙组、南屯组和大磨拐河组发现工业油气藏［19］。

海拉尔盆地总体呈北东向展布，经地质和地球物理工作证实，盆地由3坳、2隆5个一级构造单元组成：自西向东依次为扎贲诺尔坳陷、嵯岗隆起、贝尔湖坳陷、巴彦山隆起和呼和湖坳陷。其中贝尔凹陷是位于贝尔湖坳陷南部的1个二级构造单元（图1）。研究表明，海拉尔盆地经历了多次伸展作用和挤压作用［15，18－19，21－22］，主要发育4个方向的构造带：NE向断层带、NEE向断层带、NS向断层带和NW向断层带。其中：NE向、NEE向和NS向断层带都是控制盆地形成的长期活动断层，经历了多期伸展作用和挤压作用；NW向断层带是较晚形成的走滑断层带，对上述3个方向构造主要起破坏和改造作用。在早白垩世，海拉尔盆地经历了4个变形阶段：兴安岭期—南屯期的NW—SE向伸展作用阶段，大磨拐河期—伊敏期早期的NW—SE向挤压作用阶段，伊敏期晚期的近EW向伸展作用阶段，伊敏期末期的近EW向挤压作用阶段。

图1 海拉尔盆地构造单元划分图与剖面位置Fig.1 Structural units of the Hailar basin and location of the cross section

2 伸展构造的几何学、运动学特征及其对沉积作用的控制

在上地壳脆性域中，伸展构造的类型主要是滚动构造，即伸展断层转折褶皱，这已经被物理模拟试验和野外地质事实所证实。犁式正断层是伸展构造中最常见的构造现象，随着深度增加其倾角逐渐减小至近水平［8］。脆性上地壳的伸展主要是通过断层上盘沿着犁式正断层的滑动来实现的。在滑动过程中，断层上盘和下盘之间的空间被沿着库仑剪切面方向的重力坍塌而充填补充，相应地形成了以犁式正断层上盘前生长地层顶面为底面和断层为边界的半地堑空间，年轻的沉积地层随着半地堑的发育而逐渐充填。这种犁式正断层可以微分为倾角随深度增加而逐渐变缓的面状段，在横剖面上表现为线状段［3］。Xiao等［12］、Shaw 等［9］分别依据变形在横剖面上面积平衡的原则对这种变形做出了定量化的几何学描述，分析了通过沉积地层记录的半地堑发育的几何学和运动学要素，并引入了在挤压构造域中提出的活动轴面、固定轴面（不活动轴面）和生长轴面以及生长地层、生长三角的概念，建立了伸展断层相关褶皱的几何学、运动学模型。漆家福等［5］、贾东等［14］认为犁式正断层上盘盆地的发育过程、犁式正断层的产状以及断层上盘的变形方式直接影响了上盘盆地的形态和变形特征。

海拉尔盆地分别在兴安岭群—南屯组沉积时期和伊敏组沉积中期为伸展断陷盆地，是受犁式正断层控制的箕状断陷［18－19，21－22］。在对研究区主干地震剖面解释时发现，海拉尔盆地的伸展构造具有膝折变形的特征，基本上符合伸展断层转折褶皱模型，并且在发生变形的同时始终伴随着沉积作用，变形构造的几何学、运动学特征对沉积作用产生重要影响，同样沉积作用也始终记录着变形作用的过程。本文采用伸展断层相关褶皱理论，选取海拉尔盆地具有代表性的地震剖面（图2）进行精细地质解释，研究南屯组上段沉积时期伸展构造的几何学、运动学特征及其对断陷中沉积作用的控制，根据控陷犁式正断层的几何形态、已经压实的同断陷期生长地层厚度和在地震剖面上观察到的库仑剪切方向（轴面的方向），构建了南屯组上段沉积时期半地堑发育的平衡正演几何学和运动学模型（图3）。

图2 海拉尔盆地贝尔凹陷line3600地震剖面地质解释图Fig.2 Geological interpretation of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

由图2可见：剖面line3600显示早期正断层控制了凹陷的形成与演化，并且受后期挤压反转作用影响较小，基本保持了兴安岭群—南屯组沉积时期构造变形的几何学特征。在下白垩统兴安岭群—南屯组下段（T5—T23）沉积时期，盆地发育多个同向正断层组合，它们共同控制了这一时期同生地层的沉积作用和构造变形：在断层上盘，靠近控陷断层F1、F2、F3、F4等部位地层厚度最大，远离断层地层的厚度逐渐减小直至稳定，但厚度在空间上差异较小，反映了每一个控陷正断层的活动强度不大。在南屯组上段（T23—T22）沉积时期，早期控陷断层F2、F3、F4等的活动强度逐渐减弱直至停止，凹陷主要受断层F1控制，具有半地堑型盆地的基本构造特征，断层上盘的地层厚度在靠近控陷断层F1的部位最大，远离断层地层的厚度逐渐减薄，但厚度在空间上的差异十分显著，反映了断层F1在南屯组上段沉积时期强烈活动，凹陷由多个规模较小的控陷断层控制的小型断陷群演变为由一个规模较大的犁式正断层控制的大型断陷。凹陷中褶皱轴面明显将不同倾斜区地层倾角的变化分隔开来，断层上盘地层产状的转折变化可以反映出其下伏控陷正断层是由断坪和断坡组成的，可用图2的模式来解释其几何构型。

图3 海拉尔盆地贝尔凹陷line3600剖面伸展断层转折褶皱的正演模型Fig.3 Sequential models of extensional fault－band fold of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

从地震剖面反射特征看，图2中有明显的断层面反射现象，总体呈上陡、下缓的犁式正断层特征，向深部断层的倾角逐渐变缓，并在2～2.5s发育伸展双重构造；由伸展断层转折褶皱几何学可以推测断陷深部发育的多个控陷正断层在更深的部位可能归并于一个近水平的拆离面上。这一控陷正断层至少存在3个明显的断层倾角转折处（X1、X2、X3），它们构成了控制断层上盘地层变形的3个褶皱轴面，分隔了褶皱轴面两侧倾角不同膝折变形的倾斜地层。这些对应于控陷正断层转折处的褶皱轴面被解释为活动轴面，对于它们的定位可以依据断层上盘地层反射界面的倾角变化来确定，倾角变化应该与断层转折处所产生的简单剪切运动相吻合［3，12］，这些活动轴面的产状（倾斜的剪切方位）反映了库仑剪切的角度。在控陷断层的各个转折处都发育活动轴面，随着断层上盘地层沿着底部拆离面滑动，地层通过活动轴面发生膝折剪切，形成膝折变形的滚动区。不活动轴面是从活动轴面中分离平移出来的，活动轴面与不活动轴面之间的距离随着断层的持续滑动而不断加宽，这种由2个轴面所围限的滚动区的宽度等于沉积物堆积以来所发生的断层水平滑动量的大小［3］（图2、图3）。在上凹型断层转折之上（断层倾角随深度变缓），膝折变形的地层、活动轴面一般与主断层呈反旋向关系，上凸的断层转折褶皱（断层倾角随深度变陡）一般与主断层呈同旋向关系，产生与主断层具有相同倾向的掀斜地层和活动轴面。图2中的3个活动轴面（X1、X2、X3）和与之平行的3个不活动轴面（或称固定轴面X’1、X’2、X’3）由上盘地层的产状变化来确定，它们构成了3个相互叠置的滚动区，具有基本一致的滚动宽度，表明控陷断层F1在南屯组上段沉积时期的水平伸展量为6 850 m。其中活动轴面（X1）固定在上凸型的断层转折之上，轴面与主断层倾向相同（倾向南东），而活动轴面（X2、X3）固定在上凹型断层转折之上，轴面与主断层倾向相反（倾向北西）。在具有1个上凸和2个上凹断层转折组合的断层面上，由于上凸断层转折产生的轴面与断层面为同旋向剪切，而上凹断层转折产生的轴面与断层面为反旋向剪切，所以在能够伸展背景下形成2个背斜构造（分别在图2中的X1、X’2附近）中间夹1个向斜（在图2中的X2、X’1附近）的构造组合。

图4 海拉尔盆地贝尔凹陷line3600南屯组上段内部的角度不整合Fig.4 Angular unconformity within the Upper Member of Nantun Formation of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

海拉尔盆地贝尔凹陷伸展断陷早期沉积物记录的滚动宽度比后期沉积物记录的滚动宽度要大，结果这些同构造生长地层形成向上变窄的滚动区，称生长三角；生长三角是由生长地层中活动轴面与不活动轴面所围限的，生长地层中的不活动轴面也叫生长轴面［12］。生长三角中生长轴面的斜率反映了沉积速率与断层滑动速率的比值［3］。由图2B可知：在南屯组上段沉积早期生长轴面的斜率很小，沉积速率与断层滑动速率的比值很小，说明盆地处于快速拉张时期；相比之下沉积物的供给相对不足，半地堑盆地处于略欠饱和充填状态，水体逐渐变深，处于深湖相—半深湖相的还原环境，此时盆地的沉积速率很低，主要沉积了一套富含有机质的黑色泥岩［18，20］，为海拉尔盆地最主要的烃源岩层位之一。而在南屯组上段沉积晚期生长轴面的斜率很大，沉积速率与断层滑动速率的比值很大，说明盆地的拉张速率明显变小；相比之下沉积物的供给相对过剩，盆地的可容空间逐渐变小，半地堑盆地处于过饱和充填状态，水体逐渐变浅，由深湖相—半深湖相转变为浅湖相、三角洲相的沉积环境，此时盆地的沉积速率明显增大，黑色泥岩中所夹的砂岩层位明显增多［18，20］，这些砂岩可以构成较好的油气储层。另外，在地震剖面（图2、图4）中还可以观察到，凹陷东部斜坡南屯组上段中生长轴面上、下地层之间存在一个角度不整合；该不整合为沉积不整合，与剥蚀作用和沉积间断无关［3］，不整合的上、下地层向盆地深部过渡为假整合或整合接触关系，而且生长轴面的倾角发生了较大变化，由活动轴面、生长地层层面以及向上变窄的生长轴面构成了生长三角形态的变化（图2、图3），同样沉积速率与断层滑动速率的比值明显增大。

在对研究区具有代表性的地震剖面line3600精细地质解释和综合分析的基础上，建立了南屯组上段沉积时期半地堑发育的平衡正演几何学和运动学模型，反映了断层滑移速率、构造沉降速率和沉积速率对凹陷内沉积地层变形特征的影响和构造活动对沉积作用的控制。在南屯组二段沉积之前（T23之下），断层上盘的沉积作用受包括断层F1、F2、F3、F4在内的多个控陷正断层控制（图2）；尽管整个断陷盆地的伸展量很大，但每一个控陷断层的伸展量并不大，地层的厚度在靠近控陷断层附近较大，远离断层地层的厚度逐渐减小，但地层厚度在横向上的变化并不十分显著。在南屯组上段沉积时期，其他断层的活动强度明显减弱或停止活动，断层F1成为主要控陷断层，并形成了现在的几何特征（图3A）。南屯组上段沉积初期（T23之上），断层F1强烈活动，断层滑动所造成的构造沉降速率大于沉积速率，此时凹陷处于略欠补偿环境，由于陆相盆地中沉积中心一般与构造沉降中心基本一致，因此沉积作用只限于断层上盘构造最低点，同沉积地层变形区限制在断层上盘由先存的地层顶面、活动轴面和生长轴面限制的楔形生长区内（图3B、C）。随着沉降量不断增大而沉积未能填满凹陷，凹陷内的断隆不断出露水面（剥蚀面），剥蚀作用和沉积作用都开始增大，凹陷开始由略欠补偿向补偿过渡，最终达到沉积速率接近构造沉降速率，凹陷内部处于补偿状态，凹陷东部远离断层的斜坡带为无沉积区，不整合出露。由于凹陷从略欠补偿向过补偿状态转变时，沉积速率相对于构造沉降速率显著增加，形成角度不整合（图2、图3D、图4）。当沉积物填满由构造沉降控制的可容空间时，由于区域上的沉降作用，造成整个凹陷处于沉降状态，并且此时的沉积速率较高，所以形成的沉积地层覆盖了整个伸展断陷（图2、图3D）。上述不整合为油气的聚集提供了有效的储集空间。

3 结论

1）海拉尔盆地贝尔凹陷的控陷断层为1个上凸、2个上凹断层转折组合构成的犁式正断层，在深部发育伸展双重构造。在伸展背景下由于上凸断层转折产生的轴面与断层面为同旋向剪切，而上凹断层转折产生的轴面与断层面为反旋向剪切，在断层上盘形成2个背斜中间夹1个向斜的构造组合。由活动轴面与固定轴面之间滚动面的宽度确定控陷断层F1在下白垩统南屯组上段沉积时期的水平伸展量为6 850m。

2）海拉尔盆地贝尔凹陷伸展正断层的几何学和运动学特征，反映了断层滑移速率、构造沉降速率和沉积速率对凹陷内沉积地层变形特征的影响和构造活动对沉积作用和油气地质条件的控制。在半地堑盆地中，南屯组上段内部角度不整合的形成与变形作用中的剥蚀作用和沉积间断无关，而是由于断陷从略欠补偿充填向过补偿充填状态转变时，沉积速率相对于构造沉降速率显著增加所致。

谨以此文祝贺我的母校——原长春地质学院创建60周年。

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Extensional Fault－Bend Folding and Its Constrains on the Sedimentation of Beier Sag in Hailar Basin

Liu Zhi－hong1，Mei Mei1，Liu Hang－jun2，Wu Xiang－mei3，Wan Chuan－biao3，Lin Dong－cheng3，Gao Jun－yi3

1.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China
2.BureauofGeophysicalProspecting，PetroChina，Zhuozhou072751，Hebei，China
3.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment，DaqingOilFieldItd.Co.，PetroChina，Daqing163712，Heilongjiang，China

Hailar basin is a Meso－Cenozoic basin which superimposed on the Inner Mongolia－Greater Hinggan Mountain Paleozoic collision orogenic belt.The basin，trending north－east，is consist of five first－order structural units （three depressions and two uplifts），from west to east are Zhalenuoer depression，Cuogang uplift，Beier Lake depression，Bayanshan uplift and Huhe Lake depression.Beier sag is a second－order structural unit in the south of Beier Lake depression.The control subsidence fault of Beier sag is a listric normal fault which consists of a convex and two concave fault－bend，and formed extensional duplex in depth.The shear rotation of active axial surface caused by convex fault－bend is the same as the fault plane，the shear rotation of active axial surface caused by concave fault－bend is contrary to the fault plane，and two anticline sandwiching a syncline formed in hanging wall of listric normal fault.The horizontal extension of the control subsidence fault F1is 6 850mduring Late Nantun Period in the Early Cretaceous，determined by the rollover width between active axial surface and inactive axial surface.The geometry and kinematics of extensional fault－bend fold in Beier sag reflect the impact of the fault slip rate，the tectonic subsidence rate，deposition rate on deformation characteristics of sedimentary strata and constrains on the sedimentation and petroleum geological conditions in the depression.The internal angular unconformity of the Upper Member of Nantun Formation in Beier sag developed without erosion or hiatus on deformation due to increases in deposition rate relative to subsidence rate，where half－graben compartments change from sediment－underfilled to overfilled conditions.

extensional structure；fault－bend folding；growth strata；sedimentation；angular unconformity；Beier sag；Hailar basin

P54；P618.13

A

1671－5888（2012）05－1330－08

2012－02－05

国家自然科学基金项目（41072150）

刘志宏（1962—），男，教授，博士，博士生导师，主要从事造山带演化与盆地构造研究，E－mail：liuzhih＠jlu.edu.cn。