渤海海域渤南地区新生代断裂体系与盆地演化

刘 超，李 伟，吴智平，张晓庆，陈兴鹏，李春锐中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院，青岛266580



渤海海域渤南地区新生代断裂体系与盆地演化

刘 超，李 伟，吴智平，张晓庆，陈兴鹏，李春锐
中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院，青岛266580

摘要：利用现今丰富的三维地震资料，将地震剖面解释与相干切片分析相结合，对渤海海域渤南地区断裂发育与盆地结构进行研究，明确了断裂体系及构造演化特征。结果表明：新生代郯庐断裂渤南段可分为东、中、西三支，并与受郯庐走滑断裂影响的近EW向、NW向和NE向主干断裂体系共同组成了渤南地区网格状的构造格局；而区域应力背景的改变导致渤南地区走滑和伸展作用的强弱发生了变化，使得构造演化可划分为左旋走滑-强伸展、右旋走滑-强伸展和弱走滑-弱伸展三个阶段，第一阶段孔店组～沙四段郯庐断裂东支强烈活动，中支和西支活动微弱，NW向和近EW向大断裂活动形成了黄河口凹陷和莱州湾凹陷的盆地格局；第二阶段沙三段～东营组走滑断裂三支及其他方向主干断裂均活动，NE向和近EW向次级断裂开始发育，各盆地持续性伸展断陷；第三阶段馆陶组-明化镇组右旋走滑减弱，郯庐断裂中支和西支发育呈一系列NE向雁列断层，东支及其他方向主干断裂附近次级小断层继续增多，各盆地转为了整体的坳陷。

关键词：郯庐断裂；断裂体系；盆地结构；构造演化；新生代；渤南地区

First author：LIU Chao，Master Degree Candidate；E-mail：liuchao0426@126.com

渤南地区是渤海海域重要的油气勘探区，受NNE向郯庐断裂和NWW向张家口—蓬莱断裂的影响形成“四凸夹三凹”的格局，即渤南低凸起、黄河口凹陷、莱北低凸起、莱州湾凹陷、潍北凸起、青东凹陷和垦东凸起，面积约6000 km2，结合最新的渤海勘探资料及渤南地区古近系发育的断裂体系，其构造单元区划如图1所示。新生界发育的地层自下而上有古近系的孔店组、沙河街组和东营组，新近系的馆陶组和明化镇组（姜丽娜和邹华耀，2009；孙和风等，2012）。

图1 渤南地区构造单元及主干断裂分布Fig.1 Map showing major tectonic units and main faults of Bonan area

郯庐走滑断裂带一直是中国区域地质研究的热点之一，其在平面展布上表现为明显的分段性，众多学者以张家口—蓬莱断裂为界向南称为南段（王国纯，1998；徐杰等，1999；汤良杰等，2011；张鹏等，2007），渤南段又可以分为东、西两支（吴时国等，2006；龚再升等，2007；漆家福等，2008；姜丽娜和邹华耀，2009），均为NNE走向且自渤南低凸起向南延伸到莱州湾凹陷南部，分布于莱北低凸起的东西两侧。而渤南地区除郯庐断裂外，古近纪其他方向的断裂呈近EW向和NW向展布，新近纪以来走滑断裂和边界大断裂持续活动组成了复杂的调节断裂系统（孙和风等，2012）。就渤南地区内部次一级构造单元而言，包括黄河口凹陷（邓津辉等，2007；朱秀香等，2009；于海波等，2010；董足华等，2012）、莱州湾凹陷（吴时国等，2006；彭文绪等，2009、2010；王永利等，2010；牛成民，2012；黄雷等，2012；吴国强等，2013）和渤南低凸起（王根照和胡望水，2008；吕丁友等，2011），其断裂体系及盆地演化众多学者进行了相关的研究。

但是渤南地区新生代各时期构造应力背景的差异性，使得区域走滑与伸展作用的叠加具有复杂性（漆家福，2004；余一欣等，2011；陈凯等，2012；吴智平等，2013），加之断裂剖面解释和平面组合存在的多解性，使得该区断裂体系及盆地演化认识存在争议，具体有以下三个方面的问题：①研究区西侧深部大断裂直立，具有走滑特征，其是否与郯庐断裂具有联系缺乏认识，这对渤南地区走滑断裂东西方向上的差异性研究具有重要的意义；②各时期不同方向的主干断裂和次级断裂错综复杂，使得对渤南地区断裂体系特征缺乏清晰的认识；③渤南地区作为新生代渤海湾盆地的一部分，在演化上具有与整体盆地相一致的幕式裂陷，但是在各演化阶段又具有本身的独特之处，前人缺乏从整个渤南地区的视角出发来探讨其构造演化的阶段性特征。

针对以上问题，本文从郯庐断裂东西方向上发育的差异性出发，从不同方向主干断裂的精细刻画和描述入手，分析了新生代断裂体系的时空差异性；加之区域构造演化的阶段性特征，明确了渤南地区的断裂发育和盆地演化，为渤南地区的油气勘探提供了基础和借鉴。

1 渤南地区断裂体系

充分利用现今丰富的三维地震资料，将地震剖面解释和水平切片分析相结合，对断裂体系进行精细、立体解析。

1.1 NNE向断裂

渤南地区有九条NNE向主干断裂，古近系其发育的平面位置见图1，整体而言，地震剖面上表现为高角度板式、铲式，与次级断裂形成负花状或似花状组合；水平切片上深部主干断裂连续，浅部主干断裂不发育而是表现为一系列呈雁列状组合的的次级断裂。黄河口凹陷西侧的黄西1号断裂和黄西2号断裂，近SN走向且具有丝带效应，平面延伸距离约为29 km和13 km，切片上深部主断面清晰可见而浅部发育的次级断裂为NE向雁列式的断层组合，剖面上看下部层系主断面近直立，浅部大多在东营组之上撒开形成花状组合，表现为走滑性质，吻合于郯庐断裂带NNE向的走滑特征（平面深、浅切片见图2A，地震剖面见图3AA′）。渤南地区中部发育的莱州西支2号断裂和莱州西支4号断裂剖面上断面亦近直立，浅部切穿至了新近系馆陶组的地层，这两条走滑断裂组成了走滑转换带，使得次级断裂大量发育且剖面上看形态多样（平面深、浅切片见图2B，地震剖面见图3 BB′）。而莱州东支断裂分三条，最东侧一条断面呈铲式兼具有拉张和走滑性质，另外两条断裂深部交于该条断裂，浅部切穿至了第四系地层，次级断裂与三条走滑断裂相交呈“Y”字型（平面深、浅切片见图2C，地震剖面见图3 CC′）。

渤南地区西侧走滑性质断裂的认识，结合前人认为的郯庐断裂渤南段东、西分支的特征（龚再升等，2007；漆家福等，2008；姜丽娜和邹华耀，2009，孙和风等，2012），从水平相干切片和地震剖面上均能够看出东、中、西具有差异性，据此将其划分为东、中、西三支，剖面上西支走滑断裂仅切穿至东营组的地层，而东支与中支均切穿新近系以来的浅部地层。从空间结构的整体来看，西支主要表现为弱走滑到中等强度走滑断裂，规模小且越到浅层走滑特征越不明显，表现为一系列NE向雁列式展布的次级断层；中支弱走滑、中等走滑与强走滑性质的断裂均有发育，走滑强度由深部层系到浅部层系、由南向北逐渐减弱；东支均为强走滑断裂，各层系平面上断裂清晰可见且调节性质的次级断裂发育。东、中、西走滑强度的差异性，结合图4A的T8深部层系底面立体图，识别出东、中、西支走滑断裂的形态，由此建立了如图4B所示的空间结构差异模式图。

1.2 其他方向主干断裂

（1）近EW向：包括三条一级断裂和五条二级断裂（图1），主要发育于郯庐断裂渤南段中支两侧，典型的以莱北断裂为例，是莱州湾凹陷北部的边界断裂，浅层主断面北侧发育一系列雁列状展布的次级断层；整体走向为近EW向，但在其西侧靠近郯庐断裂带中部分支的莱州西支4号断裂处转变为NNE向（深、浅部切片见图2D），这种在郯庐走滑断裂附近被拖拽扭动的现象反映了近EW向断裂被走滑断裂的改造，根据断层走向的偏转，更可能是左旋走滑拖移，推测莱北断裂可能在郯庐断裂左旋走滑阶段就发生了这种改造。

图2 渤南地区不同方向典型断裂深、浅部相干切片Fig.2 The deep and shallow time slice along different directions in Bonan area

图3 郯庐断裂带渤南段西、中、东三支地震剖面Fig.3 The western，middle and eastern seismic profiles of Tanlu Fault in Bonan Area

（2）NW向：有黄北断裂和黄河口3号断裂（图1），以拉张性质为主，黄北断裂表现为走滑-拉张性质，地震剖面上其与次级断裂形成“Y”字型或多级“Y”字型组合，平面上黄北断裂被郯庐断裂带中部分支切割成东、中、西三段（深、浅切片见图2E），中段与东段的错动明显吻合于郯庐右旋走滑的方向。

（3）NE向：主要发育在郯庐断裂带东支与中支之间，有莱北1号断裂和莱北2号断裂（图1），以莱北1号断裂为例，平面上浅部主断面较连续，次级断裂发育少且排列不规则，少数呈羽状排列，深部则为单一主干断裂，次级断裂不发育（深、浅切片见图2F），剖面上断面为中、高角度板式或铲式，主干断裂与次级断裂形成“Y”字型组合。

综合上述四组方向断裂的分析可以看出，渤南地区除受郯庐走滑断裂的影响外，还叠加有区域的伸展作用，加之走滑和伸展作用强弱的变化，使得断裂切穿的层位具有差异性。下部层系（T8，孔店组～沙三段的底界面）各方向断裂均有发育，基本出现了研究区的所有主干断裂，次级断裂少，主断裂连续且断距大；中部层系（T5、T3，沙一、二段的底界面和东营组的底界面）主断裂与下部层系相差不大，沿郯庐断裂带两侧次级断裂数量明显增多，T5构造层NNE向断裂和部分近EW向断裂主断面连续，NE向则由许多次级断裂排列而成，T3构造层断裂数量继续增多，不连续性增强，次级断裂雁列式排列或与主断裂羽状相交；上部层系（T，明化镇组下段的顶界面）主干断裂不连续，由一系列小断裂组成断裂带，次级断裂发育且主要集中在NNE向走滑断裂附近呈雁列状，部分NW或近EW向断裂附近次级断裂也发育，与主断裂组成帚状构造体系（各构造层系断裂系统图见图5）。

图4 渤南地区T8立体图及郯庐断裂带渤南段空间结构差异模式图Fig.4 The T83-D images and the structural mode in space of Tanlu Fault in Bonan area

总而言之，渤南地区新生代断裂体系受控于NNE向郯庐断裂走滑作用，且郯庐断裂带渤南段分为东、中、西三支，由西到东、由北到南走滑作用增强，而近EW向、NW向和NE向主干断裂受走滑作用的影响为走滑-拉张性质的断裂，平面形态上被走滑断裂拖拽、切割改造，这四组方向的主断裂共同组成了渤南地区网格状的构造格局。

2 渤南地区构造演化

前人研究成果及区域动力学资料表明，新生代以来软流圈上隆、岩石圈伸展减薄及太平洋板块向欧亚板块俯冲产生的SW向挤压及NNE向走滑，使得渤海湾盆地新生代时期构造演化具有多幕式裂陷、多旋回叠加和多成因机制复合的特征（蔡东升等，2001；李思田等，2004；徐长贵，2007）。在此区域应力背景之下，渤南地区大范围的演化具有同步性但局部对比幅度不一且变化较大，尤其是受NNE向郯庐断裂带渤南段和NWW向张家口-蓬莱断裂带构成的共轭剪切系统（漆家福等，2010）的影响，发育了四组方向的大型断裂，按照断裂的性质可分为伸展断裂、走滑断裂和走滑—伸展断裂。

本文选取断层活动速率参数对渤南地区主干断裂的活动性进行了定量的表征，断层活动速率为某一地质时期内的断层落差与时间跨度的比值，断层落差则指垂直于断层走向的剖面上两盘相当层之间的铅直距离，其不受上升盘是否存在地层缺失的限制、不受盆地整体沉降的影响，能够反映盆地内不同部位断层的活动性，加之断层活动速率弥补了断层落差缺少时间标尺的界定，使得断层活动速率能够反映盆地内不同时期断层活动的相对强弱变化，方便而且准确率高（郑德顺等，2004）；通过在地震剖面上读取主干断裂的断层落差，计算了21条主干断层在新生代不同时期的平均断层活动速率，明确了不同方向主干断裂活动性的强弱差异（图6）。同时运用平衡剖面技术对NE向的大剖面（图7，测线见图1DD′）进行了恢复分析，根据恢复的剖面得出了各个时期伸展率指数（图8），然后结合区域构造发展史，将渤南地区新生代的构造演化分为了三个阶段。

图5 渤南地区各构造层系断裂系统图Fig.5 The fault system map of each structural layer in Bonan area

2.1 孔店期-沙四期

孔店期-沙四早中期为燕山-喜山构造运动的过渡早期，太平洋板块对欧亚板块的俯冲方向为NNW向，郯庐断裂带为左旋走滑，加之地幔上涌产生的水平拉张应力场（李伟，2010），渤南地区处于左旋走滑影响下的裂陷伸展活动，主要表现为NW向断裂和近EW向断裂控盆，NW向黄北断裂西段与中段的左旋走滑错动和近EW向莱北断裂西侧左旋扭动拖拽在后期断裂平面形态上的表现，反映了该时期的左旋走滑断裂活动。黄河口地区普遍缺失了这套地层，仅在西北部靠近沙南凹陷的地区存在，NW向的黄北断裂是先存断裂继承性微弱活动控盆，近EW向的黄河口2号断裂是裂陷伸展过程中的新生断层较强活动，使得黄河口凹陷西部“隆-洼”格局初步显现。莱州湾地区近EW向莱北断裂作为主控断层剧烈活动（图6C），形成半地堑式箕状断陷盆地格局（黄雷等，2012），凹陷内垦利1号和2号断裂也在活动，形成了北次洼和南次洼，而沉积中心在北次洼，与此同时莱北低凸起东南侧莱州东支断裂活动东北次洼也开始接受沉积。

图6 渤南地区各方向主干断裂在新生代不同时期的平均断层活动速率Fig.6 The average fault activity rate from the main faults of all directions，during different periods of the Cenozoic in Bonan area

图7 渤南地区北东向地震剖面Fig.7 The NE-trending seismic profile of Bonan area

图8 剖面各时期的伸展率Fig.8 The extension rates of the profile at different times

沙四末期太平洋板块俯冲方向由NNW转为NWW，同时印度板块开始向北俯冲，与欧亚板块强烈挤压碰撞，二者的共同作用在华北地区产生了右旋走滑剪切应力场（吴智平等，2004、2013），使得郯庐断裂带由左旋转为右旋，中国大陆东部处于右旋剪切应力场之中。就渤南地区而言，沙三期前后具有不同的构造背景，前者可能为左旋走滑影响下的断陷盆地，其后则为右旋走滑作用改造下的断陷—坳陷盆地，主干断裂的活动性在沙三期前后发生了明显的变化，大多数断层活动速率明显增大，这一突变可能正与区内应力场转换有关。特别是莱州湾地区沙三期前后凹陷轴向发生明显的变化，由南北向伸展转为近东西向伸展（任建业等，2009），使得沙三期之后NE向的次级断裂数量明显增多，反映出了这种明显的构造转换；而凹陷东北部受莱州东支走滑断裂的影响，使得东北次洼规模不断扩大，整个凹陷沉积中心由北次洼向东北次洼迁移（牛成民，2012），不仅可以判断右旋走滑作用要强于之前左旋晚期的走滑作用，而且可以作为沙三期前后区域应力场变化的佐证。

2.2 沙三期-东营期

郯庐断裂带已转变为右旋走滑，同时地幔上涌产生的水平拉张作用表现强烈，渤南地区整体以北西向拉张为主，四组方向的断裂活动性均较强（图6）。该时期断陷作用最强烈，湖盆范围总体比孔店期-沙四期更大些，表现为稳定的伸展盆地特征，控盆边界主干断层黄北断裂和莱北断裂发生继承性活动，且由早期的板式演化为铲式正断层（图7），但是NE方向的伸展率减小（图8），表明该方向较孔店-沙四期拉张作用有所减弱、走滑作用相对增强，致使莱州湾凹陷东侧受东支走滑断裂影响更明显，沉积中心分布在了东北次洼，而黄河口凹陷受中支走滑断裂影响形成了中部走滑隆起带，“隆-洼”典型格局就此形成，东侧NE向的莱北1号断裂和莱北2号断裂开始活动，黄河口凹陷东部断阶带开始形成。

到了沙一、二期整体应力方向与沙三期相似，但走滑作用与伸展作用的强弱对比发生了变化，拉张应力逐渐减弱，剪应力依然较强，控盆边界伸展断层仍继承性活动，但垂向活动性减弱伸展率减小（图8），受右旋走滑作用的影响相对增强，各方向主干断裂的活动性均明显的减弱（图6），表明沙一、二期有一个重要的裂后短暂热沉降坳陷阶段（余宏忠，2009）。东营期初，断陷湖盆继续发育，控盆边界伸展断层发生继承性活动的同时，受右旋走滑作用的影响，走滑断裂附近发育了大量的次级断层，与三支走滑断裂在平面上呈羽状、帚状和梳状组合。

到了东营末期，印度板块与欧亚板块的再次碰撞造成华北板块向东逃逸，西太平洋板块侧向俯冲造成日本海盆地弧后扩张产生的向西推挤（蔡东升等，2001；朱光等，2004），使得华北东部产生近东西向的挤压应力场，致使渤海湾盆地在此时整体回返，抬升剥蚀，形成与上覆馆陶组明显的角度不整合，这一次升降运动是整个渤海湾盆地区由断陷转为坳陷的标志，可称为“渤海湾升降”。

2.3 馆陶期-明化镇期

古近纪裂陷过程中地幔柱强烈上拱、岩石圈减薄，伴随进行的伸展作用使得沉积物卸载、下地壳温度持续上升，加之软流圈对岩石圈的热烘烤使得其弹性刚度降低并开始向塑性蠕动变形机制转变。进入新近纪，由于岩石圈均衡作用及地壳冷却收缩，使得整个渤海湾盆地断陷发育阶段转化为坳陷发育阶段（邓津辉等，2007）。而渤南地区该时期西支和中支主干断裂不发育或不连续由一系列NE向的雁列断层组成，表现为弱走滑，东支主干断裂较连续，其附近发育有近EW向的次级断层，与主干断裂呈帚状。各方向的主干断裂断层活动速率均较弱（图6），近EW向活动性较强些，如渤南断裂和莱北断裂具有稍强的活动性。

2.4 渤南地区构造演化模式

从区域的整体结构而言，将其分为四个结构不同、叠置而上的构造层，分别为前新生界盆地基底构造层、孔店组-沙四段构成的下构造层、沙三段-东营组构成的盆地中部构造层和新近系盆地上部构造层。渤南地区盆地演化受控于地幔上涌产生的水平拉张与郯庐走滑作用产生的扭动剪切叠加的区域应力背景，结合上述三个阶段的构造特征，将其划分为左旋走滑-强伸展、右旋走滑-强伸展和弱走滑-弱伸展三个不同的演化阶段（图9）：（a）孔店期-沙四期左旋走滑为主，郯庐断裂东支强烈活动，中支和西支不发育或发育不连续，NW向和近EW向控盆断裂活动，形成了黄河口凹陷和莱州湾凹陷北断南超的盆地格局，沙四末期发生了从左旋到右旋的转变；（b）沙三期-东营期，郯庐断裂带三条分支均活动，盆地持续性伸展断陷，除各方向主干断裂活动外，NE向和近EW向次级断裂亦开始活动，数量逐渐增多；（c）新近系馆陶期-明化镇期右旋走滑有所减弱，主干断裂带在平面上不连续，中支和西支发育一系列NE向雁列断层，东支走滑断裂及其它近EW向、NW向、NE向主干断裂附近次级断裂的数量继续增多，这些断层仅发育在新近系地层中。

图9 渤南地区构造演化模式Fig.9 The structural evolution model of Bonan area

3 结论及启示

（1）渤南地区新生代NNE向郯庐断裂可分为东、中、西三支，由西到东、由北向南走滑作用依次增强；受其影响其他方向断裂，即包括近EW向、NW向和NE向主干断裂被走滑断裂拖拽和切割改造共同组成了渤南地区网格状的构造格局。不同方向的断裂表现有拉张性质、走滑性质和走滑—拉张性质，体现了伸展和走滑作用的叠加复合性。

（2）由于区域应力背景的改变，郯庐断裂左旋到右旋的转变、拉张作用与走滑作用强弱的转变、地幔上涌水平拉张和热沉降的转变，可将渤南地区的构造演化分为左旋走滑-强伸展、右旋走滑-强伸展和弱走滑-弱伸展三个不同的演化阶段，每个演化阶段断裂发育及盆地结构具有明显的差异性。

（3）在明确断裂体系发育和构造演化特征的基础之上，从不同方向、不同性质的断裂出发，可研究不同时期的沉积响应、圈闭及储层的发育特征，为渤南地区的油气勘探提供参考和借鉴。

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中图分类号：TE121.2

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）02-317-10

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015077

收稿日期：2015-04-16；修回日期：2015-08-07

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（27R1101053A）；国家油气重大专项课题（2011ZX05023-006-05）联合资助

作者简介：刘超，男，1991年，生硕士研究生在读，地质学专业；E-mail：liuchao0426@126.com

Development Characteristics of the Cenozoic Fault System and Basin Evolution of Bonan Area in Bohai Sea

LIU Chao，LI Wei，WU Zhiping，ZHANG Xiaoqing，CHEN Xingpeng，LI Chunrui
The Academy of Earth Science and Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China

Abstract:Abundant 3D seismic data were used，combined with the characteristics of seismic profile and time slices，the fault development and basin structure of Bonan area were researched.Furthermore，characteristics of the fault system and the structural evolution were delineated.The Cenozoic Tanlu fault in Bonan area was divided to eastern，middle and western branches.These branches interact with the EW-trending，NW-trending and NE-trending were associated with the strike-slip movement of the Tanlu fault，leading to the formation of the grid structural pattern in Bonan area due to changing stress field.There fore，changes in the relative importance between extension and strike-slip occurred in Bonan area.The Cenozoic structural evolution can be classified into three evolutionary stages，i.e.，left lateral slip with strong extension，right lateral slip with strong extension and weak slip and weak extension.During the first stage of Ek-Es4，the Eastern Branch moved greatly but the Middle and the Western Branch weakly.The EW-trending，NW-trending controlled the basin pattern of the Huanghekou Sag and Laizhouwan Sag.During the second stage of Es3-Ed，three branches of the strike-slip fault and the main faults of other directions became activated.The secondary faults of the NE-trending and the near EW-trending faults began to develop.The two basins underwent persistent extension and rift.During the third stage of Ng-Nm，right-lateral strike-slip changed to weak，en-echelon faults of the NE-trending faults that appeared near the Middle and Western Branch，and secondary faults were increasingly developed.Two basins were transformed into initial rift.

Key words:Tanlu fault zone；fault system；basin structure；evolutionary stage；Cenozoic；Bonan area