济阳坳陷东部垦东－孤东潜山带走滑断层特征与成因分析

余朝华，黄 超，祁成祥，余 鹏

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；3.中海油伊拉克有限公司，北京 100010；4.中国石油化工股份有限公司胜利油田物探研究院，山东东营 257022）

1 区域地质概况

垦东－孤东潜山带位于济阳坳陷东部，邻近郯庐断裂带，受大规模断陷和走滑活动的双重影响，构造形态异常复杂。该潜山构造带整体呈北西向，东北方向倾没入黄河口凹陷之中，西南方向与孤南－富林洼陷相连，向东与郯庐断裂带相接，西北方向通过断层与长堤潜山相通，南部与青坨子凸起相连（图1a）。

垦东－孤东潜山带是由垦东潜山和孤东潜山两个独立的潜山组成。垦东潜山是一个在新近系潜山背景下发育起来的新近系披覆、古近系超覆的高潜山披覆构造（图1b），潜山内古生界分布范围较小而中生界分布于大部分地区，由于新生代早期和东营末期的两次区域性抬升，古近系地层遭受严重剥蚀，普遍缺失沙一段以下地层，东一段也被剥蚀殆尽，新近系披覆层全区均有分布，第四系平原组全区稳定分布［1］。孤东潜山是在燕山运动期开始发育，在喜山期继承发展的一个被后期断层复杂化的潜山披覆背斜构造（图1b），潜山下古生界地层向西南抬高，向北东下倾，形成“断块山”，孤东潜山经历了较长时间的抬升剥蚀在渐新世中—晚期下沉，接受沉积，整体缺失沙四段，沙二、三段超覆沉积，沙一段及其上地层覆盖全区［2］。

垦东断层和孤东断层分别是垦东潜山和孤东潜山的成山断层，受郯庐断裂新生代右行走滑活动的影响，这两条断层表现出明显的走滑性质，是济阳坳陷东部重要的走滑断层。

垦东断层和孤东断层分别是垦东潜山和孤东潜山的成山断层，受渤海湾盆地新生代早期张裂的影响，两条断层的下降盘沉积了巨厚的新生界地层，断层断距达数百米，表现为明显的正断层。同时，受到郯庐断裂新生代右行走滑活动的影响，垦东断层和孤东断层又兼具走滑性质，是济阳坳陷东部重要的走滑断层，断裂两侧的凸起和凹陷有着明显的错位。由于垦东断层和孤东断层在不同的构造环境下受多种地质应力的综合影响，造就了现今两条断层复杂的构造形态，目前就其发生走滑的动力机制尚无统一定论。

大量的油气勘探实践表明，走滑构造带往往是油气聚集的有利区带［3］。济阳坳陷东部垦东－孤东潜山带是胜利油田非常重要的油气产区，对该区带内走滑断层特征及形成机制的研究有助于分析走滑活动对油气聚集成藏的影响，从而指导该区和有相似构造背景地区的油气勘探。

图1 孤东—垦东潜山带区域构造（a）及地质剖面（b）

2 构造特征

2.1 剖面特征

作为垦东潜山和孤东潜山的成山断层，垦东断层和孤东断层分别是这两个潜山主体构造带与孤南－富林洼陷的分界断层。从剖面上看，垦东断层和孤东断层都十分陡峭，断层倾角为60°～70°，且断层切割深度大，切割了从太古代到新生代各个不同时期的地层。

这两条断层在剖面上的主要特征是在古近系地层发育明显的向上打开、向下收敛的负花状构造（图2），而花状构造通常被看作是断层发生走滑活动的直接证据。根据Harding等对负花状构造形成的力学成因的探讨［4］，负花状构造的产生是张扭应力作用的结果。垦东断层和孤东断层附近古近系地层中发育的负花状构造一方面证明了这两条断层的走滑断层性质，同时反映出新生代早期济阳坳陷东部处于张扭的应力背景下。

除了古近系地层中发育的负花状构造，垦东断层和孤东断层在古近系下部，特别是中生代以前的地层中表现出明显的正断层性质，断层下降盘沉积了厚层的新生代、中生代和古生代地层（图1b），而断层上升盘的潜山主体部分由于受到多次抬升剥蚀的影响，古生代和中生代地层减薄甚至缺失（图2），这说明在走滑发生之前，垦东－孤东地区发生过大规模的断陷，济阳坳陷东部处于拉张应力环境下。

2.2 平面特征

垦东断层和孤东断层整体都呈北东走向，与郯庐断裂带的走向基本平行，平面上延伸距离较长（图1a）。

图2 过垦东断层（a）和孤东断层（b）典型地震剖面（测线A 和测线B）

垦东断层和孤东断层平面上的最大特征是附近伴生有雁行排列的正断层。从过垦东断层的相干切片（图3a）上看，垦东断层是一条明显的相关系数很低的暗色条带，呈直线状向北东方向延伸。此外，在垦东断层附近还发育一系列北东东走向，相互平行的伴生雁行正断层，该组正断层发育在古近纪地层中，通过与过垦东断层的地震剖面（图2a）对比发现，平面上呈雁行排列的这组断裂正是剖面上形成花状构造的各分支断裂（图2a和图3b）。该组正断层呈约45°斜交，与主走滑断层形成“入”字型结构，符合在右旋走滑应力作用下形成的主走滑带与伴生雁行正断层的几何学关系（图3c）。

图3 垦东潜山东部1 620ms相干切片

3 形成机制分析

3.1 区域构造背景

垦东－孤东潜山带位于渤海湾盆地和郯庐断裂带的构造结合部，其形成和发展受到渤海湾盆地和郯庐断裂带构造演化的双重影响和制约。中国东部大陆的形成和演化主要受到太平洋－欧亚板块间的俯 冲［6－9］、印度—欧亚板块间的碰撞［10－13］和日本海弧后扩张作用的影响［8，14－15］，而在这些因素中，太平洋板块的俯冲作用被看作是最重要的因素［6］。

自中生代以来，太平洋—欧亚板块间的俯冲速率、方向和俯冲角度发生了几次重大的改变［6，16］。俯冲速率和方向的改变直接影响着板块间的相互作用力的大小和方向，而俯冲角度的大小则直接决定着板块间的相互作用所影响的范围和深度。

中生代晚期，太平洋板块正向俯冲于欧亚板块之下，且俯冲角度逐渐增大［16］。这种高角度的正向俯冲引起了地幔对流、岩石圈减薄和大规模裂陷［8，15，17］。这可能是中国东部古近纪早期大规模裂陷发生的直接原因（图4a）。此时的郯庐断裂带和渤海湾地区均处于拉张断陷之中，这也是垦东断层和孤东断层在花状构造之下表现为正断层的原因。

到了始新世中期（39.5 Ma），太平洋板块相对欧亚板块的俯冲方向发生了逆时针旋转，由正向俯冲转而变成斜向俯冲［6］。这种旋转使得太平洋板块与欧亚板块间的相互作用力方向发生改变，从开始的北西向转而变成正西，旋转前的应力方向与北东走向的郯庐断裂带近乎垂直，而后者与之斜交，旋转后板块间相互作用力沿着郯庐断裂带走向的分量可能是引起郯庐断裂带的右行走滑的直接原因（图4b）。这一推断与Hsiao等［20］通过辽东湾地区地震剖面上地层沉积特征变化而得出的40 Ma作为右行走滑活动开始时间的结论基本一致。在郯庐断裂带的右行走滑活动的诱导下，垦东断层和孤东断层发生走滑，在古近系地层中形成负花状构造。

印度洋板块与欧亚板块的碰撞开始于古新世中期（55～60 Ma）［21］，印度洋板块向东北方向推挤着欧亚板块。到了始新世中期（39.5 Ma），在于太平洋板块的西向俯冲和印度洋板块的北东方向碰撞的共同作用下，整个中国东部处于北东—南西向的挤压应力之下（图4b）。

3.2 走滑成因分析

为进一步分析垦东断层和孤东断层发生走滑的力学机制，我们以潜山带中生代顶面构造形态为模型（图5a），结合始新世中期郯庐断裂带开始右行走滑的应力背景，探讨在北东—南西向的挤压作用下块体的形变机制。

图4 古新世—始新世早期（a）和始新世中期（b）中国东部构造应力背景

图5 走滑断层形成机制分析示意

从规模上来看，垦东潜山的规模远大于孤东潜山带，且垦东潜山向南与青坨子凸起相连，再向西与济阳坳陷内最大规模的凸起之一的陈家庄凸起相接。在北东—南西向的挤压应力作用下，由于垦东潜山受到青坨子凸起乃至远处相连的陈家庄凸起的阻挡，而孤东潜山东北和西南两面邻洼，北西向排列的垦东－孤东潜山带在北东—南西向的挤压应力作用下发生逆时针旋转（图5b）。由于东部和南部地区受到隆起带的限制，垦东－孤东潜山带的旋转中心位于东南角，这使得沿北西向展布的潜山带的不同的构造部位所获得的转动速率和转动力矩是不一样的。当这种差异转动长期的积累效应超过潜山之间现存分割断裂面的强度时，潜山带的各段就会沿着原先存在的分割断裂面分段扭动。且从距离旋转中心的距离来看，长堤潜山的扭动速率和力矩最大，孤东潜山次之，垦东潜山最小。相邻块体之间扭动程度的差异，使得相邻两块体沿着分割断层面发生相对滑移，在这种作用下，潜山间的分割断层逐渐演化成为走滑断层（图5b）。

4 结束语

垦东断层和孤东断层是济阳坳陷东部重要的走滑断层。平面上，两断层呈北东向延伸，与郯庐断裂带平行，在主走滑断层附近发育一系列的雁行断裂，这些断裂与走滑断层呈45°斜交，形成“入”字型结构。剖面上，两断面陡立，切割深度大，在古近系下部，特别是中生代以前的地层中表现出明显的正断层性质，而在古近系与新近系地层中发育明显的负花状构造。

中生代晚期—新生代早期，由于太平洋板块的正向高角度俯冲，引起了地幔对流、岩石圈减薄和大规模裂陷，此时的垦东断层和孤东断层表现为正断层性质。到了始新世中期，在太平洋板块正西向俯冲和印度洋板块北东向推挤的共同作用下，中国东部处于北东—南西向的挤压之下，由于垦东潜山南部受青坨子凸起和陈家庄凸起所限，垦东－孤东潜山带在北东—南西向挤压应力作用下，绕东南角发生逆时针旋转，且由于各潜山距离旋转中心的距离不同，相邻块体之间扭动程度存在差异，这种差异扭动使得相邻两块体沿着分割断层面发生相对滑移，最终使得潜山之间的分割断层演变成走滑断层。

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