渤海海域辽西凹陷北部走滑断裂特征及地质意义

黄 雷, 刘池洋, 王飞龙，吴 奎，王广源，赵志平

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司, 天津 300452)

郯庐断裂带是贯穿中国东部的巨型断裂带,控制或影响了一系列中新生代盆地的形成与演化,如中生代合肥盆地、胶莱盆地[1],中新生代渤海湾盆地[2-3],新生代伊通地堑(盆地)[4-5]等。正因其特殊的区域位置和控盆效应,郯庐断裂带在区域地质和石油地质的研究中广受关注[3,6-11]。郯庐断裂带在演化上大体经历了中生代大规模左旋走滑活动、新生代早期伸展活动和新生代中晚期的右旋走滑活动几个阶段[2,6-8,11-12],在对相应盆地的影响上普遍表现出明显的走滑活动特征[1,2,4]。这一断裂带的走滑性质及对盆地演化的影响，在渤海湾盆地北部的辽河拗陷陆区和海域均具有较系统研究(见图1)。其中,在辽河拗陷海域(文献中多称“辽东湾拗陷”),目前的研究认为，辽中—辽东凹陷带发育明显的走滑断层,并归其为郯庐断裂带内断层[7,10],但针对辽西凹陷内部断层的性质鲜有分析;在辽河拗陷陆区(文献中多称“下辽河拗陷”),目前的勘探资料揭示，在西部凹陷和东部凹陷均识别出新生代走滑断层,并归为郯庐断裂带内断层[13-17]。基于目前对两相邻构造单元内走滑断层的识别及分析,漆家福等[14]认为，郯庐断裂带在陆区下辽河拗陷呈两支,分别展布于东部凹陷和西部凹陷内,向南延伸至海域辽东湾拗陷变为一支,分布于辽中—辽东凹陷带内,这一认识代表了目前多数学者对郯庐断裂带在渤海湾盆地北部发育特征的认识。渤海湾盆地内的油气勘探实践业已表明,在目前所厘定出的这些新生代郯庐走滑断裂带分布区内,该断裂带的走滑活动对油气聚集成藏起到关键作用[18-21]。

然而,渤海海域辽东湾拗陷最新的勘探资料显示,在辽西凹陷内也发育明显的走滑断层。这一发现使学者对郯庐断裂带在渤海湾盆地的展布有了新的认识,为更全面地认识郯庐断裂带的特征与演化提供了很好的素材，也会为辽西地区油气勘探提供新的思路。本研究主要根据最新的勘探地震资料,对紧邻辽河拗陷西部凹陷的辽西凹陷北部地区的走滑断裂系统进行识别与分析,重新认识郯庐断裂带在下辽河拗陷—辽东湾拗陷的展布；同时，对研究区内走滑断层的油气控制作用进行相应的分析。

1 区域地质概况

渤海湾盆地为新生代断陷盆地,是中国最重要的含油气盆地之一,内部包含多个富含油气的负向一级构造单元(拗陷),其中辽河拗陷为盆地最北部的一个拗陷单元(见图1a),也是渤海湾盆地中最重要的富油气拗陷之一。

辽河拗陷包括陆上和渤海海域两部分,其中陆上区域习惯被称为“下辽河拗陷”,内部包含西部凹陷、东部凹陷与中央凸起3个二级构造单元,呈两凹夹一凸的不对称箕状断陷结构[14-15,22](见图1b);辽河拗陷的海域部分习惯称作“辽东湾拗陷”或“辽东湾地区”,内部自西向东依次可划分成辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起、辽东凹陷等5个二级构造单元,这些二级构造单元呈凸凹相间展布,在多数区域也呈现不对称箕状断陷结构(见图1b)[18,20]。从海、陆两部分构造单元的对应情况来看,陆上西部凹陷与海域的辽西凹陷相互连通,应为辽河拗陷的同一构造单元;辽西凸起为陆上中央凸起在海域的不连续延伸;东部凹陷对应海域的辽中凹陷、辽东凸起和辽东凹陷3个构造单元(见图1b)。研究表明,辽东凸起应该是在郯庐断裂带走滑改造作用下的晚成凸起,该凸起使早先辽东湾东部的大凹陷分割而成辽中和辽东凹陷两部分[23-26],这也进一步说明，海域辽东—辽中凹陷是陆上东部凹陷的自然延伸。

研究区位于海域辽西凹陷北部,处于与陆上西部凹陷过渡衔接的部位(见图1b)。从研究区新生界底构造面貌的立体显示来看,在辽西凹陷内部还存在一个次级正向构造单元带——中央构造带(见图2)。地震资料揭示,辽西凹陷北部呈现东断西超的不对称箕状断陷结构,凹陷内的中央构造带属于反转构造成因的洼中隆构造(见图3)。

图1 辽河拗陷区域位置及构造纲要图Fig.1 Map showing location of Liaohe sub-basin and the regional tectonic elements

图2 研究区辽西北洼新生界底构造面貌立体显示图Fig.2 Three-dimension display for the structural framework of the Cenozoic bottom of the north part of the Liaoxi graben

目前，针对辽河拗陷陆区和海域各构造单元的区域地质研究揭示[14-15,18-20],其构造特征与演化以及盆地的充填特征均具较好的同步性和一致性,与整个渤海湾盆地的演化也表现为较好的一致性。但是，因其整个拗陷带狭长展布于郯庐断裂带内,与渤海湾盆地其他拗陷相比,其受郯庐断裂带走滑作用的影响更为明显和广泛,内部断层也多呈平行于郯庐断裂带的NE—NNE向,具伸展和走滑两类活动方式。目前研究认为,在陆上区域的东部凹陷和西部凹陷均存在属于郯庐断裂带的走滑断层[13-15,17];海域部分的走滑断层主要发育于辽中—辽东凹陷区[7,10,19-20]；辽西凹陷区的走滑断层鲜有报道,少数已识别出的具走滑性质的断层被认为是由先期伸展断层叠加走滑活动所产生[27]。

图3 辽西凹陷北部地震剖面Fig.3 Seismic section in the north part of the Liaoxi graben

2 研究区走滑断层的特征与展布

研究区内断层主要走向为NE向、NNE向、近EW向;全区发育多条主干断层,几条主干断层间可在平面上通过平行侧接关系延伸而贯穿全区,从空间分布位置上可分为凹陷边界断层和凹陷内部断层两类(见图4)。其中,勘探地震资料揭示，凹陷内部断层普遍具有典型的走滑断层特点,主要依据包括以下几个方面。

1)剖面上,发育典型的花状构造(见图3),表现为浅层向上撒开的系列断层收敛到深层深插基底的直立断层；直立断层走向NE向,远离边界铲式控凹断层,显示走滑断层独立发育的特征,而非在伸展断层基础之上叠加走滑而成。

2)平面上,深浅层均发育大量雁列排布的断层组合(见图4),这些雁列断层往往处于NE向主干断层两侧,为伸展断层,显示走滑断层在右旋走滑活动下所产生伴生断层的排布特征。

3)两侧发育雁列伴生断层的NE向主断层,在平面上产状多变,或近直立、或东倾、或西倾,表现出走滑断层所特有的丝带效应(见图5)。

对研究区内的断层从平面和剖面上结合分析，探究它们之间的内在关联和规律(见图4,5)：平面展布上,除控制辽西凹陷发育的东部边界铲式正断层以外,研究区内部主要发育3条主干断层,围绕这3条主干断层均不同程度地发育雁列式小断层,若将主干断层和两侧的伴生断层看成一个断层组,则可把研究区凹陷内部的断层分成3个断层组(见图4,5中F1～F3断层组)。

对3个断层组在平面和剖面上进行追踪发现,F2和F3由南向北均通过断层叠置关系过渡为F1而消失,F1，F2，F3三个断层(组)均在深层汇聚收敛至同一条近直立的基底断层而组成一个花状构造(见图4,5):在研究区南部，F2和F3二个主断层(组)组成花状构造的分枝断层收敛汇聚于深部基底；研究区北部则主要为F1主断层直立深插基底；在研究区中部的F2，F3主断层与F1主断层叠置区则表现为3条主断层组成花状构造的分枝断层收敛汇聚于深部基底。

上述断层分布特征表明,研究区凹陷内主要走滑断层(即F1～F3断层组)均以花状构造样式收敛于辽西凹陷的中央部位前新生代基底;沿此走滑断层带，一些与走滑相关的反转构造发育，从而形成中央构造带(见图5)。值得注意的是,这些走滑断层均远离新生代的边界控凹断层，说明这些走滑断层(如图4中的F1，F2，F3断裂组)并非在新生代(早期)伸展断层的基础之上叠加走滑所成,而是独立于伸展断层(控凹边界断层)的新生走滑断层。

图4 辽西凹陷北部古近系内部(沙三段顶部)断层与圈闭叠合图及新近系底部断层分布图Fig.4 Maps show faults and traps within Paleogene strata, and faults at the bottom of the Neogene strata

3 走滑断层演化史

走滑断层在其弯曲、叠置区会发生局部挤压变形或伸展变形,并以发育花状构造为典型特征[28-33];这些特殊部位发生的局部挤压或伸展构造变形亦可看做是走滑活动发生的标志性指示构造。因此,通过分析这些走滑活动在特殊部位伴随产生的局部构造变形(尤其是在挤压弯曲或叠置区的背斜)的发育演化史,可以很好地约束走滑活动的演化史。利用这一思路,笔者曾很好地约束了渤海其他地区郯庐断裂带的演化史[11]。

研究区内沿主干断层也发育许多的断层弯曲、叠置区。主干断层右旋走滑活动过程中,在呈右阶排布的断层叠置或弯曲部位,会产生局部挤压应力作用,导致背斜构造发育[11]；这类背斜的轴线往往与主干断层呈锐夹角斜交,在走滑应变椭球体中对应挤压变形的发育部位,因其与走滑活动的伴生关系,可称为走滑相关褶皱。实际上,如前所述及，研究区凹陷内沿着基底直立断层一线发育的洼中隆构造(即中央构造带),即是走滑断层在平面多处弯曲、叠置部位发生局部挤压形成的背斜构造的集合体。也正因如此,整个中央构造带并不连续展布,而成串珠状分布(见图2)。因此，对区内该类典型的背斜演化史进行分析,即可获得走滑活动史[11]。研究中选取的典型背斜位于沿F3断层发育的叠置区内(见图5中Line E),主断层在走滑活动下，在该部位产生的局部挤压应力形成两翼完好发育的完整背斜。

研究中，对过该背斜的地震剖面(Line E)进行新近系馆陶组底、东营组二段底、东营组三段底、沙河街组二段底通层拉平，以恢复其各期构造的形态(见图6)。在沙二段底部(Te层)拉平后,下伏地层无褶皱形态(见图6d),而东营组底部(Td层)拉平后,下伏地层有轻微褶皱形态(见图6c),这表明这一走滑相关褶皱开始形成于沙三段沉积之后,间接指示右旋走滑活动开始于沙三段沉积之后(40 Ma左右);东二上亚段底(Tc层)拉平后的地震剖面显示，该层下伏地层褶皱形态明显,且与现今构造形态与幅度基本一致(见图6b)，这表明该构造主要形成时期为东三段和东二下亚段沉积期,对应相应右旋走滑活动的强烈主活动期;馆陶组底(Ta层)拉平之后,古近系内褶皱幅度较Tc层拉平后的剖面有所增加,同时上部新近系内也有一定背斜形态显示(见图6a),这表明在Tc层之上地层沉积期间,该背斜仍有持续缓慢增强,也即右旋走滑活动仍在持续进行,但活动强度有明显变弱的趋势。

注：Q+N 第四系和新近系;E3d1 古近系东营组一段;E3d2u 古近系东营组二段上亚段;E3d2L 古近系东营组二段下亚段;E3d3 古近系东营组三段;E2s1+2 古近系沙河街组一段和二段;E2s3+4 古近系沙河街组三段和四段;Ta 新近系底部反射界面;Tb 东二上亚段底部反射界面;Tc 东二下亚段底部反射界面;Td 东三段底部反射界面;Te 沙二段底部反射界面;Tf 新生界底部反射界面图5 辽西凹陷北部联合地震剖面图Fig.5 Serial NW-SE cross-sections across the study area

该背斜的发育演化史表明,研究区内相关走滑断层在沙三段沉积末期发生走滑活动,东营期为走滑活动最强烈期,新近纪走滑活动持续发生,但活动变弱。

注：剖面位置为图5中Line E的一部分图6 研究区典型走滑相关挤压背斜构造地震剖面各层拉平图Fig.6 Sections flatted on the horizons of bottom

4 讨 论

4.1 研究区走滑断层与新生代郯庐断裂带的关系

上述分析表明,辽西凹陷内部走滑断层的走滑活动始于沙三段沉积之后,具有独立新生性,而并非古近纪早期(沙三期及以前)伸展断层基础之上的走滑叠加效果。这些断层的走向均呈NE向,与郯庐断裂带的走向一致。在活动时间上,这些断层右旋走滑活动始于40 Ma左右,这与渤海其他地区郯庐断裂带以及陆上下辽河拗陷内郯庐走滑断裂带活动时间是完全一致的[6,11,16,23-24]。从空间展布上来看,辽西凹陷内这些走滑断层与目前陆上西部凹陷内识别出的郯庐走滑断裂具有很好的对应连续性,对比断裂样式及其组合发现[13,15-16],两者极可能走向相连或平行相接(见图1)。据此认为,辽西凹陷内的这些走滑断层应该属于郯庐断裂带内的一支,且平行于辽中—辽东凹陷内的新生代右旋郯庐断裂带存在;该支断层向北与辽西凹陷内的郯庐断裂西支属同一断层,均为依兰—伊通断裂的南延部分(见图1)。

以往研究因限于资料原因,并未在海域辽西凹陷区系统识别出典型的走滑断层,所以在郯庐断裂带分布的认识上,研究者倾向于认为辽河西部凹陷的郯庐走滑断裂带西支向南延伸至海域时,与东部凹陷的郯庐断裂带东支交汇并作一支,与海域辽中—辽东凹陷内郯庐断裂带相连接[15]。从断层几何学展布规律来看,为何在该区突然发生如此变化(两支并作一支)让人难以解释;此外,假若如此,西支断层弯曲并与东支合并,在走滑活动中必然因其断层的弯曲相应产生与南北邻区构造不协调的变形特征(如大规模的挤压凸起等),但实际的盆地构造面貌并未有此反映(见图1)。本研究在辽西凹陷北部海陆过渡区识别出的走滑断层与其他区段内郯庐断裂带具有极大的可比性,并可将其作为郯庐断裂带的西支,很好地解释了新生代郯庐断裂带入海南延展布这一问题,即郯庐断裂带由陆上的下辽河拗陷入渤海海域继续保持东西两支平行发育。

以上对辽西凹陷北部断层发育特征及活动史的分析表明,凹陷内部多数断层在新生界内部表现为典型的走滑断层样式,其走滑活动始于沙三段沉积末期或之后(40 Ma左右)。而包括研究区在内的渤海湾盆地演化史研究认为,新生界沙三段沉积期间及之前是盆地的主断陷期[19-20,22],这表明研究区内断层活动在65～40 Ma时，应主要表现为伸展性质,从盆地充填地层特征来看,边界控凹主断层的主伸展活动期也应在该阶段(见图5)。由此可推测,研究区内的断裂系统在新生代期间大体经历了两个主要发育阶段:古近纪早期(65～40 Ma)凹陷边界断层的强烈伸展活动;之后(40 Ma左右以来)凹陷中心部位走滑断层活动和边界断层的伸展—走滑复合改造。凹陷内部走滑断裂体系均收敛于凹陷中心的前新生界基底内部,推测在新生代凹陷中心部位存在构造薄弱带,这一构造薄弱带在古近纪早期的伸展活动中却未发生明显的再活动,但在晚期的走滑活动中却发生强烈的再活动。考虑到新生代郯庐断裂走滑带是在中生代走滑断裂带基础上继承发育而来,且该断裂带在中生代期间具有数百公里的巨大走滑活动量[8,9,12,34-35],推测研究区走滑断裂体系所在的新生代凹陷中心处应该亦是中生代郯庐断裂带的发育部位。

4.2 油气地质意义

在油气勘探中,沿走滑断裂带往往是油气聚集有利圈闭的发育区,如渤海海域其他区段内的郯庐断裂带[21],北美圣安德斯走滑断裂带内[36-37]。实际上,研究区内发育的走滑断层在凹陷内部断续分布,在断层右旋左阶的错接、叠置或弯曲部位,其走滑活动伴随的局部挤压应力,形成了凹陷内的由一系列串珠状洼中隆构造构成的中央构造带,这一构造带也是区内油气圈闭发育的主要构造单元(见图4)。这些构造圈闭往往具有很好的背斜形态,且处于凹陷内部,为烃源岩所包围,一般具有较好的油气聚集条件。目前区内已发现的油气多位于此类构造圈闭内(见图7)。

注：构造所在位置见图4图7 辽西北洼北部走滑相关挤压背斜型圈闭Fig.7 Hydrocarbon trap related to inverted anticlinal structure

5 结 论

1)渤海海域辽西凹陷北部存在明显的走滑断层,在新生代具有明显的右旋走滑活动性质,活动时期在沙三段沉积晚期之后至今(40 Ma左右以来),其中东营组中下部沉积期间活动最为强烈;这些走滑断层深部均收敛于前新生界基底直立走滑断层，应该为先存基底断层新生代右旋走滑再活动的产物。

2)辽西凹陷走滑断层北与辽河西部凹陷内走滑断层可较好地延伸并走向相连或平行相接,在活动时间和展布特征上与辽河拗陷陆上部分及辽东凹陷内的走滑断层均具有很好的一致性,因而一并可归属为郯庐断裂带内部断裂体系。郯庐断裂带在整个辽河拗陷均具有东西两支展布的特征,该特征应源于郯庐断裂带在该区前新生代东西两支的发育模式。

3)辽西凹陷内部走滑断层的新生代走滑活动形成凹陷内部的中央走滑反转带,控制了构造圈闭的发育,是油气的有利聚集带。