金湖凹陷铜城断层构造特征与成因分析

张卫海，王 韬，何 畅，杨立干，刘喜欢

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中国石化江苏油田分公司地质科学研究院，江苏扬州225009）

金湖凹陷铜城断层构造特征与成因分析

张卫海1，王 韬1，何 畅1，杨立干2，刘喜欢2

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中国石化江苏油田分公司地质科学研究院，江苏扬州225009）

依据高精度三维地震资料与前人对金湖凹陷乃至苏北盆地构造的分析成果，在构造理论指导下应用构造解析方法，对铜城断层构造特征与成因进行研究。结果表明：铜城断层近SN延伸，断面具“丝带效应”，其东、西两盘诸断层发育规模、活动性和剖面样式有所差异，铜城断层与两盘断层不具成因上的“世代关系”，但具有构造分区作用；区域应力和先存构造是影响铜城断层形成与演化的主要因素；古新世—早始新世NW—SE向伸展作用时，铜城断层为具有调节作用的变换断层，并不受郯庐断裂的走滑作用影响，中始新世近SN向伸展作用下，又叠加以主动走滑性质，断层规模扩大，渐新世至早中新世近EW向挤压应力造成南段断面倒转而呈“逆断层”特征；铜城断层形成于伸展环境，在挤压环境中受到局部改造，具有走滑性质、多期活动、逐次发育特征。

金湖凹陷；铜城断层；新生代；走滑断层；断层成因

经历多期构造运动、具有复杂构造特征已然是中国大多数含油气盆地的共性［1-2］。金湖凹陷中南部的铜城断裂构造带即是苏北盆地中典型的复杂构造带。构造带内的铜城断层因其成因复杂，演化多期，构造特征独特，受到众多学者关注。杨晓兰等［3］认为铜城断层是具走滑性质的逆断层；邱旭明［4］认为铜城断层是因郯庐断裂的扭动作用而形成的压扭构造；刘玉瑞等［5］认为铜城断层是郯庐断裂右行扭动形成的“P”剪切走滑断层；叶绍东［6］认为铜城断层是一条典型的走滑断层；能源等［7］认为铜城断层是调节石港断层和杨村断层应力应变的变换断层。笔者在汲取前人成果的基础上，依据构造解析流程从多角度对铜城断层及其旁侧断层的构造几何学和运动学特征进行分析。

1　地质概况

金湖凹陷位于苏北盆地西南部，历经仪征、吴堡、真武、三垛、盐城多期构造运动，具有不同走向、不同性质、不同时期断层纵横交织的构造面貌［7-8］，铜城断层横亘于龙岗-汊涧次凹间（图1）。地层自下而上依次为泰州组、阜宁组、戴南组、三垛组、盐城组和东台组，其中阜宁组、戴南组和三垛组是主要油气富集段［8-9］。

图1　金湖凹陷构造简图Fig.1 Simplified structural map of Jinhu sag

2　断层构造特征

2.1平面特征

平面上铜城断层南起杨村断层走向转折处，北抵天2南断层，表现为一条近SN延伸的线型构造。两侧发育一系列正断层，多为北倾或北偏西倾，正断层间呈平行式排列，还有若干断层与铜城断层相交。西盘正断层走向偏NEE，与铜城断层呈近垂直相交；东盘正断层走向偏NE，与铜城断层呈锐角相交（图2）。

2.2剖面特征

剖面显示无论南段还是北段，铜城断层西盘具有明显的拖曳现象，东盘则呈上拱构造。断层向下切达基底，向上可断至三垛组顶部但并未向外散开，实质上是一条孤立的断层，剖面上表现出“似花状”。

不同位置的剖面表明沿走向断层产状发生变化：铜城断层南段断面东倾，倾角大，约为80°，呈逆断层特征；中南段断面转为西倾，高角度下切，断面倾角为70°～75°，表现为正断层特征；中北段断面西倾，为正断层，倾角变缓为65°～70°；北段断面倾向不变，倾角减小到约55°，并且断层在浅部被天2南断层限制。除南段具有逆断层形式外，铜城断层大部分表现为断面西倾的正断层样式，倾角由南向北逐渐变缓反映断层的走滑性质向北逐渐减弱。

铜城断层东、西盘构造具有显著差异：西盘断层密度较大，断层规模较小，断距为20～200 m，主要为北倾板式断层，地层掀斜、旋转较弱，呈多米诺式排列，浅部次级断层不发育；东盘断层稀疏但规模较大，主断层断距多大于100 m，最大可超过500 m，断面多北倾，形态铲式或似椅式，地层掀斜、旋转较强，剖面以多米诺式排列为主，兼有“y”字型组合等。两盘断层均可上断至三垛组顶部，但东盘断层下切深度明显大于西盘（图3）。

图3　铜城断层及其旁侧剖面特征Fig.3 Profile characteristics of Tongcheng fault and adjacent faults

3　断层活动特征

正断层或逆断层都是倾向滑动断层，通过计算古落差（考虑了构造抬升产生的剥蚀）即可表征断层活动性特点。尽管古落差不能表现纯走滑作用产生的走滑强度，但铜城断层具有走滑性质的同时兼具正断层或逆断层性质，故可以利用古落差衡量其整体活动强度。选取几条典型断层，依据三维地震资料，沿断层走向依次选取若干剖面位置计算古落差，据此判断断层的活动规律。

研究结果表明，铜城断层活动最早可追溯至阜二+三段沉积期（以下称阜二+三期），并且局限在南段活动，至阜四段沉积期（以下称阜四期，并将其与阜二+三期并称阜宁期），断层活动性南强北弱，表明断层是由南向北扩展；戴南组沉积期（以下称戴南期）断层整体活动性弱，仅在几处孤立段有微弱活动，但北扩范围增大；三垛组沉积期（以下称三垛期）断层的活动性最强，各段活动强度较均匀，北端终止于天2南断层。

铜城断层两盘断层活动特征不同：东盘的天33北断层、天2南断层阜宁期与三垛期活动范围相当，西盘的天40北断层、天72东断层阜宁期活动范围远小于三垛期，说明东盘断层具有长期活动特点，西盘断层更多是晚期活动。戴南期断层活动强度低、活动范围小，三垛期断层活动性最强、活动范围最大，活动强度东盘断层明显大于西盘（图4）。

通过断层活动性分析可以得出以下判断：铜城断层形成时间较早，阜二+三期南段即开始形成，而其旁侧的天33北断层和天2南断层已与现今规模近似，说明铜城断层并不控制旁侧断层的形成；戴南期断层活动性均较弱，说明区域伸展作用并不强烈；三垛期断层活动达到最强，较前期变化显著，伸展作用显著增强；盐城组沉积期及以后进入稳定的拗陷阶段，断层活动微弱。

4　成因分析与讨论

4.1区域构造背景

铜城断层是在区域构造发展、演化及作用下的产物，无论是断裂的形成基础、应力场条件及后期改造，都与区域构造背景密切相关。本文中综合多方面资料，梳理了苏北盆地形成演化的区域构造背景，为解释铜城断层形成的应力场条件奠定了基础。

图4　铜城断层及其旁侧典型断层古落差分布Fig.4 Throw distribution of Tongcheng fault and adjacent faults

泰州组沉积之前形成的先存构造对现今盆地演化起到重要作用［8］。中三叠世末印支期扬子板块与华北板块的聚敛运动，在苏北盆地内形成了一系列NEE走向、倾向NNW的逆冲断层［11］，晚侏罗世西太平洋区伊泽纳崎大洋向北俯冲引起中国东部的挤压环境，在苏北盆地内又形成一系列NNE向左行平移断层［12-13］，由此形成苏北盆地内两套重要的基底断层系统。现今盆地的边界断层如杨村断层、吴堡断层等，盆地的内部断层如石港断层、盐城断层等都源于上述基底断层系统［14-15］。

晚白垩世区域应力场发生重大变革，开始由区域性挤压扭动向区域性拉张转变，盆地演化进入全新的地史时期［16］。此后中国东部的构造演化受太平洋-欧亚板块间的俯冲、印度-欧亚板块间的碰撞和日本海弧后扩张作用及深部岩浆活动的影响，其中太平洋板块的俯冲作用影响尤为重要［17］（图5，根据文献［18-19］修改）。

晚白垩世，太平洋板块NW向高速小角度俯冲产生NW-SE向挤压应力场［18］。古新世—早始新世，太平洋板块俯冲速率降低，俯冲角度增大，引起地幔对流、岩石圈减薄和大规模裂陷，在中国东部产生NW-SE向伸展作用［18-19］。中始新世（40Ma）太平洋板块俯冲方向由NW转为近EW向［20］，相应的中国东部应力体制转为近SN向伸展［14-15，20-22］。渐新世—早中新世，浅部板块碰撞与深部岩浆活动共同作用引起中国东部盆地在近EW挤压环境下广泛反转，苏北盆地对应三垛运动［23］。新近纪—第四纪盆地进入平稳的拗陷阶段［24］。

综上所述，盆地形成过程主要受控于板块运动产生的区域动力学环境。苏北含油气盆地自晚白垩世开始形成，成盆前的先存构造尤其是两组基底断层在盆地形成中作用显著，并影响包括铜城断层在内的一系列断层的形成与演化。尤其是古新世—早始新世由于太平洋板块俯冲产生NW-SE向伸展、至中始新世转变为近SN向的伸展、渐新世至早中新世由太平洋板块俯冲速率回返引起近EW向挤压这三期区域应力变化，对铜城断层的形成与演化起到决定性的影响。

图5　中国东部晚中生代—新生代构造应力背景Fig.5 Late Mesozoic-Cenozoic teconic stress background of East China

4.2铜城断层成因分析

走滑构造在区域构造中可作为独立的构造体现，也可作为一个组成单元提供构造转换和调整，前者可称为“非调节性”走滑断层，后者常称为调节断层或变换断层［25］。两者的主要区别在于前者在区域应力下主动走滑，后者则是被动产生位移，受之于与其相连的伸展区的差异伸展控制［26］。铜城断层平面上呈一条线性构造，剖面上具有“丝带效应”［27］，符合走滑断裂的鉴定标志。研究认为，它是一条形成于伸展环境、并在挤压环境中受到局部改造，具有走滑性质、多期活动、渐次发育特征的复杂走滑断层。

盆地伸展伴随先存构造的复活与改造，边界杨村断层源于基底断层［28］，走向具有明显两段式：以铜城断层为界，南段NE向，北段NEE向（图1、2）。同一应力在不同方向构造上具有差异性作用，NWSE伸展时（阜宁期—戴南期正值此时），沿汊涧—便宜集—龙岗，杨村断层水平拉长强度呈“V”型，相应的杨村断层上盘剖面伸展率呈“V”型（图6，杨村断层水平拉长强度根据文献［29］），趋势上铜城断层的位置需要调节最大的伸展位移，应力模拟结果也显示铜城断层与杨村断层相交处具有最大主差应力，表明此处最有利于断层形成。

铜城断层旁侧伸展活动差异反映其调节局部应力应变具有必然性。断层活动性在NW-SE伸展时东盘断层强于西盘，原因在于先存断层在两盘存在不同的优势方向。伸展早期的活动断层反映了更多先存构造的信息［22］，由图7反映西盘先存断层优势方向近EW向，东盘偏NE向，东盘与伸展方向更匹配，所以伸展强度大于西盘，图8（a）也证实东盘断层附近主差应力更大，更有利于断层活动。可见，NW-SE向伸展时铜城断层东、西两盘的局部应力应变需要调节。

郯庐断裂右行走滑发生在中始新世近SN向伸展作用下［18，30］，而在NW-SE向伸展时，近NE走向的郯庐断裂表现为伸展活动并不产生走滑作用。在NW-SE向伸展环境下，铜城断层的形成不受郯庐断裂的走滑作用影响，而是在区域伸展作用下形成的具有调节作用的变换断层。

三垛组沉积中后期为近SN向伸展阶段，区域应力方向与铜城断层走向平行，同时郯庐断裂右行走滑，这两方面作用都有利于铜城断层主动走滑；西盘断层走向有利于伸展（图8（b）），东盘断层长期活动易于进一步伸展，其活动性仍大于西盘。东、西两盘仍存在一定的应力应变差异，有利于被动走滑作用的产生，使得铜城断层兼具变换断层与主动走滑断层的性质，断层进一步扩张。

图6　杨村断层与其上盘伸展强度变化趋势图Fig.6 Extensional intensity of Yangcun fault and its upper-wall

图7　阜二+三段沉积期活动断层走向玫瑰花图Fig.7 Rose diagram of active faults strike of Fu 2+3 Member sedimentary period

图8　不同阶段主差应力分布Fig.8 Distribution of principal stresses difference of different stage

铜城断层东、西两盘断层活动性曲线都为中部大两端小的“拱形”或“分段形”（图4），属于单断层或断段独立生长［31］，并且铜城断层北端被天2南断层终止，未能自然衰减倾没（图2、3）。这表明铜城断层与其两盘断层虽彼此影响但不具有成因上的“世代关系”，同时先存的构造格局对后期构造演化具有重要影响，甚至制约铜城断层的延伸扩展。区域应力环境虽然产生主动走滑，但作用时间较短且较晚，所以现今主动走滑特征不甚明显。

伸展作用下铜城断层不具有产生逆断层特征的应力环境，通过应力模拟判断铜城断层南段的逆断层属于“欺压式逆断层”［32-33］。渐新世至早中新世近EW向挤压环境下，铜城断层南部为高值区且走向与挤压方向垂直（图8（c）），导致断盘间相互作用，断面变陡并倒转，产生“欺压式反转”，从而呈现现今的逆断层特征。

5　结 论

（1）铜城断层具有多个走滑断层的典型识别标志。断层两侧在构造几何学和运动学上差异显著，因此铜城断层虽与两侧断层不具有成因上的“世代关系”，但客观上实现了构造分区作用。

（2）铜城断层是区域应力作用和先存构造共同影响下的产物。区域应力决定先存构造的形成和演化，而区域应力方向的多期变化、平面上区域应力作用差异及东西两盘先存构造在同一区域应力下的响应差异决定了铜城断层发育的位置、活动方式、断面产状变化及延伸范围。

（3）根据区域应力变化，铜城断层演化可分3期：古新世—早始新世NW-SE向伸展下铜城断层开始形成，表现为具有调节作用的变换断层；中始新世为近SN向伸展，区域构造活动整体强烈，铜城断层在变换断层基础上叠加主动走滑性质，断层规模扩大；渐新世—早中新世，近EW向挤压应力造成铜城断层南段断面倒转而呈逆断层特征，使铜城断层成为形成于伸展环境、并在挤压环境中受到局部改造，具有走滑性质、多期活动、渐次发育特征的复杂断层。

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（编辑 徐会永）

Structural characteristics and genetic analysis of Tongcheng fault in Jinhu sag

ZHANG Weihai1，WANG Tao1，HE Chang1，YANG Ligan2，LIU Xihuan2
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Geological Scientific Research Institute of Jiangsu Oilfield Company，SINOPEC，Yangzhou 225009，China）

Using the high-precision 3D seismic data，and based on the previous results of structural analysis of Jinhu sag and Subei Basin，this paper analyzed the structural features and discussed the genesis of the Tongcheng fault.The results show that the Tongcheng fault strikes SN，and its fault-plane has the feature of"Ribbon Effect".The scale，activity and section structure pattern of the faults in the west side are different from the east side.The Tongcheng fault has no genetic relationship with the faults on its both sides，but it may have played a role in structural dividing.The regional stress and pre-structure has important influence on the fault's evolution.During Paleocene to early Eocene，the Tongcheng fault formed and was controlled by NW-SE extension.The fault was a transfer fault which played a role in the structural accommodating，but wasn't affected by the strike-slip Tan-lu fault in this stage.In Eocene the Tongcheng fault grew and owned property of active strikeslip，controlled by the near SN extension.During Oligocene to early Miocene，the south plane of the fault reversed and the fault became a reverse fault caused with near EW compression.The Tongcheng fault began to form in extensional environment，and experienced local modification in compressional environment.In summary the fault is featured as strike-slip，multi-periodic activities and varying fault nature at different structural stage.

Jinhu sag；Tongcheng fault；Cenozoic；strike-slip fault；fault genesis

P 542

A

1673-5005（2015）05-0018-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.05.003

2015-03-15

张卫海（1963-），男，教授，博士，研究方向为石油地质学。E-mail：zwh7117@163.com。

引用格式：张卫海，王韬，何畅，等.金湖凹陷铜城断层构造特征与成因分析［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2015，39（5）：18-26.

ZHANG Weihai，WANG Tao，HE Chang，et al.Structural characteristics and genetic analysis of Tongcheng fault in Jinhu sag［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（5）：18-26.