胶莱盆地莱阳凹陷莱西断层断裂性质及成因机制

张 波，吴智平，刘 华，李 众

(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 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015； 3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

胶莱盆地莱阳凹陷莱西断层断裂性质及成因机制

张 波1,2，吴智平1，刘 华2，李 众3

(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 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015； 3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

为了明确胶莱盆地莱阳凹陷莱西断层的断裂性质及成因机制，利用莱阳凹陷重力资料及新采集处理二维地震资料，对莱西断层进行识别与描述，并对其几何学特征和形成机理进行分析。莱西断层发育带状展布、花状构造、海豚效应等构造样式，并且断层两侧地质体沿断层走向左行错开约4.4 km，是一条典型的左行走滑断层。晚白垩世末期—古新世时期，研究区构造应力场为NEE-SWW向挤压，牟平—即墨断裂带由晚白垩世早期的伸展作用转换成右行走滑，而莱西断层剪切方向与其相反，是牟平—即墨断裂带的共轭左行走滑断层。莱西断层并不控制白垩纪地层的沉积，因此不是莱阳凹陷的西部控凹断层，而是凹陷内部的一条分带断层，在其切割作用下莱阳凹陷被分成东西2部分。

共轭断层；走滑断层；牟平—即墨断裂带；莱西断层；莱阳凹陷；胶莱盆地

莱西断层位于胶莱盆地莱阳凹陷中西部，NNW走向，地理位置上位于山东省莱阳市与莱西市之间。目前对于莱西断层断裂性质的认识主要存在3种观点：一种观点认为莱西断层是莱阳凹陷的控凹正断层，与五龙村断层一起控制了整个白垩纪地层的沉积[1-4]；第二种观点也认为莱西断层是莱阳凹陷的控凹正断层，但是主要控制着上白垩统王氏组的发育[5-6]；第三种观点认为莱西断层是莱阳凹陷的西界断层，性质上属于传递断层，主要作用是调节晚白垩世王氏期差异伸展量[7]，此观点是1995年提出的，由于当时研究区各类资料相对较少，并未对断层的特征进行详细分析与描述。形成上述认识差异的主要原因是在莱阳凹陷形成以后，经历了多期构造挤压作用，构造变形、岩浆活动和剥蚀作用都很强烈，地表起伏不平，地震资料稀缺且品质较差[8-12]，进而制约了对研究区构造特征的认识。近期，莱阳凹陷新采集部分二维地震资料，同时也对老资料进行了重新处理，测网密度基本达到1.2 km×1.2 km，并且剖面质量得到了显著改善，波组特征明显，断层显示清晰，这为研究区构造特征研究提供了方便。笔者利用重力及新出站二维地震资料，在莱西断层识别与描述的基础上，对其断裂性质及成因机制进行了探讨，以期对研究区下步构造特征研究及油气勘探有所指导。

1 地质背景

莱阳凹陷位于胶莱盆地东北部，主轴向为东西走向，南部以五龙村断层和大野头凸起相接，西、北临胶北隆起，东界为牟平—即墨断裂带(图1)。该凹陷具有较好的烃源岩及生储盖组合[8]，目前已钻探浅井6口，其中4口井见显示，另外还有多处油气露头显示，是胶莱盆地油气显示最为丰富和最有潜力的勘探区[8-9,13]。

1.1 区域构造背景

胶莱盆地的形成主要受控于沂沭断裂带和牟平—即墨断裂带的走滑活动，是一个中生代走滑拉分盆地[7,14-16]。而莱阳凹陷临近牟平—即墨断裂带，在形成过程中主要受牟平—即墨断裂带控制。该断裂带纵贯胶东半岛中部, 将胶莱盆地分割成东西2部分，总体走向北东40°～50°, 陆上长度大于330 km, 宽度40～50 km，由大致平行的、等间距的一系列断层组成，倾角较陡，这些断层均具有明显的走滑平移性质，平移距在十数千米以上[1,14]。它们在平移过程中, 破坏并改造了莱阳凹陷的原有形态，同时发生断块翘倾活动和差异升降，造成断裂带现今复杂的面貌。

1.2 地层特征

根据岩石组合类型、构造变形特征、变质程度，可将莱阳凹陷地层划分为基底和盖层两大岩系。莱阳凹陷的变质基底层由太古界胶东群、下元古界荆山群、粉子山群及上元古界蓬莱群组成，其上发育由莱阳组、青山组、王氏组组成的白垩系陆相碎屑沉积及火山岩[9]。其中莱阳组地层保存最为完整，自下而上分为逍仙庄段、止凤庄段、马耳山段、水南段、曲格庄段和龙旺庄段。莱阳组地层在东部的牟平—即墨断裂带广泛出露。青山组地层主要由火山熔岩和火山碎屑岩组成，主要出露于凹陷的北部及牟平—即墨断裂带西部一带，牟平—即墨断裂带上该组地层剥蚀殆尽。王氏组地层为河湖相红色碎屑岩，大面积出露于凹陷的西部、南部和中部，北部和东部遭受剥蚀。

图1 胶莱盆地莱阳凹陷构造纲要

2 莱西断层识别与描述

2.1 断层识别

2.1.1 断层重力特征

图2是莱阳地区布格重力异常的垂向二阶导数图，图中北部边界重力正异常区为莱阳凹陷北界胶北隆起，中部近E-W走向条带状重力正异常区为莱阳凹陷南界大野头凸起，二者之间重力负异常区为莱阳凹陷。从图中可以清晰地分辨出3条大断层：其中1号断层为NE走向的桃村—东陡山断层，该断层是牟平—即墨断裂带的西支，也是莱阳凹陷的东边界；2号断层为近E-W走向的五龙村断层，是莱阳凹陷的控凹断层；3号断层为莱西断层，NNW走向，向北延伸至胶北隆起，向东南延伸交于桃村—东陡山断层，该断层横切大野头凸起和五龙村断层中段，将莱阳凹陷分为东西2个次洼。图中莱西断层两侧的地质体在不同地段的重力特征存在明显差异，以中部洼陷带重力负异常区为界，南段西侧为重力负异常区，东侧为重力正异常区；而北段则相反，西侧为重力正异常区，东侧为重力负异常区，反映出断层南北两段的断裂性质截然相反。通过对重力特征的初步分析认为，莱西断层两侧地质体具有明显的错动现象，具有走滑断层的特点[15]。

2.1.2 断层剖面特征

研究区地震资料经过重新处理，剖面质量得到显著改善，波组特征明显，断点清晰，更有利于断层识别。结合重力资料，在剖面上对莱西断层进行了识别。

图3是2条过莱西断层的交叉地震剖面，其中图3a为S-N向798.9地震剖面，该剖面南至大野头凸起，北至胶北隆起，与莱西断层呈小角度锐角斜交(图2)。地震剖面上莱西断层表现为正断层特征，断层北倾，坡度较缓，视倾角约为5°～15°。莱西断层上盘的莱阳组与青山组地层厚度变化不大，基本不受莱西断层控制。而王氏组由于在盆地演化后期抬升，北部剥蚀量较大，从而呈现出南厚北薄的特征，但是从地震剖面上其内部各同相轴之间基本平行，表明地层厚度变化不大，莱西断层也不控制王氏组地层的沉积。

图3b为E-W向275.0地震剖面，该剖面西至莱西断层，东至牟平—即墨断裂带西支断层桃村—东陡山断层，与莱西断层呈大角度锐角斜交(图2)。地震剖面上莱西断层东倾，视倾角约为40°～50°，向东断层下部交于桃村—东陡山断层。由于五龙村断层与该剖面平行，因此其在剖面上表现为平行于沉积地层分布。莱西断层下盘胶东群出露地表，上盘各地层组保留较为完整，莱西断层展现为陡—缓—陡的正断层形态，但是五龙村断层断面反射在剖面上表现为上盘上升、下盘下降，莱西断层又展现出逆断层特征。莱西断层上盘莱阳组与青山组地层厚度均具有东厚西薄的特点，表明莱西断层不控制地层的沉积。由于盆地演化后期东部抬升剧烈，王氏组在东部剥蚀量较大，呈现出西厚东薄的特征，但是其内部地层厚度也具有向西减薄的特点，说明莱西断层不控制王氏组地层的沉积。剖面上莱西断层整体上表现为上正下逆形态，且不控制地层沉积，依此推断莱西断层活动时期为白垩纪之后。

图2 胶莱盆地莱阳凹陷布格重力异常垂向二阶导数图

图3 胶莱盆地莱阳凹陷过莱西断层的交叉地震剖面

2.2 断层描述

在断层识别的基础上，结合重力资料，利用新处理地震剖面，对莱西断层进行了全区闭合追踪与描述，由于研究区钻井少且深度浅，因而无法进行准确的时深转换。为解决这一问题，结合区域速度分析资料[17]，利用研究区叠加速度和地层速度之间的关系，拟合出研究区时深关系d=0.335 2×t1.285 7。利用该时深关系对莱西断面t0图进行时深转换，得到莱西断面埋深图(图4)。从莱西断层埋深图上分析，莱西断层断面走向约155°，倾向约65°，其产状与时间剖面对比有所差异，呈现出上缓下陡的形态，上部最大倾角50°～55°，向下逐步变陡，断层底部过渡到65°左右。断层顶部出露地表，向东交于桃村—东陡山断层之上。

3 莱西断层断裂性质

应用重力及地震资料对莱西断层进行了识别与描述，初步分析认为莱西断层具有走滑断层特征。为了更明确莱西断层断裂性质，对其几何学特征进行了深入分析，结果显示莱西断层具有以下4个典型的走滑断层特征。

图4 胶莱盆地莱阳凹陷莱西断层断面

3.1 带状展布

带状展布是走滑构造带在平面上的重要特征[15]，通常是指主干走滑断层在横向分布较窄、纵向延伸较长且平直，并切穿其他构造的单一主干断层或断层带[18]，这反映了应力与断裂走向平行，应力集中释放在主位移带附近[19]。从横切莱西断层的不同E-W向剖面(图5)上可以看出，莱西主断层与分支断层所形成的断层带分布在莱西断层两侧1～5 km的范围内；而且在断层走向方向上延伸距离较远，地震资料范围内(图4)，NNW向延伸约40 km，在莱阳地区地质填图上莱西断层呈NNW向延伸，延伸距离近50 km。同时在野外可以观察到莱西主断层带内分布有糜棱岩，并且在断层两侧可见到构造硅化带，具有走滑断层特征。

3.2 花状构造

花状构造是走滑断层在地震剖面上的典型特征[18-26]，根据组成地层构造形态的差异，可分为正花状构造和负花状构造2种类型，在横切莱西断层的地震剖面中2种类型的构造均可见到(图5)。在图5a所示的地震剖面中，主干断层莱西断层与分支断层均呈现为正断层状态，断裂带中的白垩纪地层总体表现为向形特征，断层间为地堑断片，整体上呈出负花状构造形态。在图5b所示的地震剖面中，主干断层莱西断层与分支断层均呈现为逆断层状态，断裂带中的白垩纪地层总体表现为背形特征，断层间为地垒断片，整体上呈现出正花状构造形态。花状构造特征的存在表明莱西断层是一条走滑断层。

3.3 海豚效应

海豚效应是指在不同的横切同一断层的剖面上，断层的断裂性质表现为正、逆相反的特征[15,19,27-28]，即同一条断层在倾向不变的前提下沿走向方向断层性质的变化[18]，从剖面上看既是正断层又是逆断层，时正时逆[29]。图5是2条横切莱西断层的东西向地震剖面。图5a中莱西断层下盘胶东群出露地表，上盘各地层组保留较为完整，莱西断层在上部呈现为正断层形态，但其下部在切割五龙村断层断面反射处呈逆断层形态。图5b中莱西断层西侧白垩纪地层分布较齐全，东侧仅有上白垩统王氏组地层分布，莱西断层展现为逆断层特征，与图5a中的莱西断层性质相反。通过横切莱西断层的地震剖面对比分析可以看出，莱西断层在不同剖面上表现出正、逆相反的断裂性质，具有走滑断层所特有的海豚效应。

另外，将莱西断层两侧地层垂直投影到莱西断层上制作出莱西断层Allan图(图6)，可以更清楚地看出海豚效应。图中，大约以桩号270.0为界，在其北部莱西断层表现为正断层特征，下盘地层均老于上盘地层；在其南部莱西断层开始表现为逆断层特征，下盘莱阳组、青山组、王氏组地层由北向南依次与上盘胶东群对接。反映出莱西断层具有走滑断层的特征。

图5 胶莱盆地莱阳凹陷横切莱西断层的SW向地震剖面

图6 胶莱盆地莱阳凹陷莱西断层Allan图

图7 胶莱盆地莱阳凹陷各组段底面构造

3.4 断层两侧地质体水平错开

断层两侧的各种地质界线和地质体被错开是判断走滑断层的重要依据[15,30]。通过研究区重力特征的初步分析，莱西断层两侧地质体具有明显的错动现象，但不能准确确定断裂两侧地质体走滑距离。结合钻井资料，利用新处理地震资料，对莱阳凹陷王氏组、青山组和莱阳组底面进行了追踪解释和成图(图7)。从图中各层段的底面构造图可以看出，莱西断层均呈现正断特征，并且莱西断层切割五龙村断层，两侧断点发生相对左行平移，平移距也基本相同。从图中量得莱西断层两侧五龙村断层的断点在莱阳组底面构造图上相对滑移距约4.85 km，在青山组底面构造图上相对滑移距约4.83 km，在王氏组底面构造图上相对滑移距约4.84 km，考虑到作图误差，取平均滑移距为4.84 km。根据莱西断层走向及倾向，可以计算出莱西断层两侧地质体在莱西断层走向上左行走滑距离约4.39 km，断层上盘地质体沿倾向方向滑动距离约2.04 km。

而从莱西断层Allan图(图6)上量得莱西断层上下盘莱阳组底面走滑距离约4.4 km，青山组底面走滑距离约4.38 km，王氏组底面走滑距离约4.39 km，与从莱阳组底面构造图上计算的左行走滑距离基本相同，考虑到作图误差，将莱西断层左行走滑距离定为4.4 km。

在莱阳凹陷各层段底面构造图成图的基础上，计算了各层段的残余厚度(图8)。从图中王氏组残余厚度图分析(图8a)，在莱西断裂带，莱西断层及其分支断层控制的各断块见地层厚度差异明显，但是这些断块间厚度的差异并不能说明莱西断层对地层沉积具有控制作用，这是因为莱阳凹陷在新生代没有接受沉积，而是整体遭受抬升剥蚀[2]，莱西断裂带各断块间地层厚度的差异，是由于“负花状”组合的“花心”处地层剥蚀程度弱于两侧而造成的。在上覆有王氏组地层的地区，青山组和莱阳组地层残余厚度图能更清楚地反映出莱西断层的性质(图8b，c)，在王氏组地层覆盖区，青山组和莱阳组地层因未遭受剥蚀而保持了原始沉积地层厚度特征，从图中可以看出在莱西断层及其分支断层作用范围内，青山组和莱阳组地层厚度平稳过渡，没有厚度突变现象，说明莱西断层及其分支断层不控制沉积，这些断层的作用只是使它们两侧的地层发生相对滑动。

综上所述，莱西断层在平面上表现为横向分布较窄、纵向延伸较长且平直的带状展布形态，在横切断层的剖面上见花状构造特征，并具有海豚效应，断层两侧地质体沿断层走向左行错开约4.4 km、沿倾向滑动距离约2.04 km，并根据断层两侧地质体相对错动的关系，认为莱西断层是一条左行走滑断层。它不是莱阳凹陷的西部边界控凹断层，而是莱阳凹陷内部的一条分带断层，将莱阳凹陷分割成莱阳次洼和莱西次洼。

图8 胶莱盆地莱阳凹陷各组段残余厚度

4 莱西断层成因机制探讨

4.1 断层形成时期

莱阳凹陷是一个中生代走滑拉分盆地，其形成主要受控于沂沭断裂带和牟平—即墨断裂带的走滑活动。沂沭断裂带是郯庐断裂带的山东段, 呈NNE向延伸，而牟平—即墨断裂带是郯庐断裂带的一个主要分支。自中生代以来2条断裂带经历了2期走滑活动，第一期是早—中侏罗世的左行走滑活动，第二期是晚白垩世末期—古新世的右行平移走滑活动[31-34]。莱西断层是莱阳凹陷内部的一条走滑断层，它的形成必定受控于这2期走滑活动中的一期。前已述及，莱西断层并不控制断层上盘白垩纪地层的沉积，同时它切割了莱阳凹陷所有的白垩纪地层以及五龙村断层和大野头凸起，将莱阳凹陷分割成东西2个次洼——莱阳次洼和莱西次洼，并且由于莱西断层的作用，其两侧地质体发生了相对左行滑动，因此莱西断层的形成时间应为白垩纪以后。综上所述，莱西断层的形成受控于沂沭断裂带和牟平—即墨断裂带晚白垩世—古新世的右行平移走滑活动。

4.2 断层成因机制

晚白垩世王氏晚期亚洲东部大陆边缘由安第斯型转变为西太平洋型[2]，印度板块向欧亚板块俯冲[35]，沂沭断裂带及邻区构造应力场转变为NEE-SWW向挤压[14]，牟平—即墨断裂带由晚白垩世早期的伸展作用转换成右行走滑，盆地构造应力体制转为近N-S向引张[31]。利用里德尔剪切模式(图9)[35-37], 可以说明莱西断层的成因机制。晚白垩世晚期，牟平—即墨断裂带是主走滑带(PDZ)，其断裂性质为右行走滑，莱西断层与其交角约80°，并且剪切位移方向与其相反，因此莱西断层是牟平—即墨断裂带的共轭里德尔(R’)剪切破裂，其性质为左行走滑。在莱西断层左行剪切作用下，其两侧地质体发生相对左行滑移，同时由于盆地构造应力近N-S向引张，使右侧地质体沿莱西断层倾向方向发生滑动，莱阳凹陷被分割成莱阳次洼和莱西次洼。

图9 右行里德尔剪切模式

5 结论

(1)通过重力及新采集处理二维地震资料的精细解释，识别出莱西断层具有走滑断层特征，该断层在平面上呈现出带状展布特征，在横切断层的剖面上发育花状构造和海豚效应等走滑断层典型标志，断层两侧地质体被该断层左行错开约4.4 km，因此莱西断层是一条左行走滑断层。

(2)莱西断层形成于晚白垩世末期—古新世时期，受牟平—即墨断裂带右行平移走滑活动所控制，是牟平—即墨断裂带的共轭走滑断层。该断层并没有控制白垩纪地层的沉积，不是莱阳凹陷的西部控凹断层，而是莱阳凹陷内部的一条分带断层，在其左行走滑作用下，莱阳凹陷被分割成莱阳次洼和莱西次洼。

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(编辑 韩 彧)

Fracture properties and formation mechanism of Laixi fault in Laiyang Sag, Jiaolai Basin

Zhang Bo1,2, Wu Zhiping1, Liu Hua2, Li Zhong3

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.Exploration&DevelopmentResearchInstitute,SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China;3.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

The Laixi fault was identified and described, and its geometric features and formation mechanism were also analyzed based on the gravity data and new 2D seismic data of the Laiyang Sag in order to clarify the fracture properties and formation mechanism of the Laixi fault. Several structural styles were found in the Laixi fault, such as zonal distribution, flower structure and dolphin effect. The geologic bodies on both sides of the fault showed a sinistral offset of 4.4 km, indicating a typical sinistral strike-slip fault. From the Late Cretaceous to Paleocene, the tectonic stress field in the study area was NEE-SWW compression. The activity of the Muping-Jimo fault zone converted from extension to dextral strike-slip, while the Laixi fault had an opposite direction, which was a conjugate strike slip fault of the Muping-Jimo fault zone. The Laixi fault did not control the sediment of the Cretaceous; therefore, it was not a concave boundary fault in the west of the Laiyang Sag, but an internal split fault, which cut the Laiyang Sag into two parts.

conjugate fault; strike-slip fault; Muping-Jimo fault zone; Laixi fault; Laiyang Sag; Jiaolai Basin

2016-07-12；

2017-01-06。

张波(1972—)，男，在读博士研究生，高级工程师，从事油气勘探及石油地质综合研究。E-mail：zhangbo667.slyt@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司油气勘探专项(P13134)资助。

1001-6112(2017)02-0213-09

10.11781/sysydz201702213

TE121.1

A