松辽盆地南部梨树断陷正断层演化特征

邓铭哲，左宗鑫，邱 岐，白 帆

(1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油物探技术研究院，南京 211103)

盆地演化的动力学机制是陆内构造变形重要的研究内容之一[1-3]。松辽盆地是中国东北地区主要的断陷—坳陷沉积盆地，鄂霍茨克洋和古太平洋板块的先后俯冲、鄂霍茨克洋俯冲消减后的陆陆碰撞及其岩浆活动为早白垩世以来松辽盆地的形成演化提供了直接的动力来源[4-6]，多方向、不同性质的构造应力在盆内留下了清晰的构造—沉积记录[7-11]，使之成为研究板块构造复合叠加背景下盆内响应方式的良好窗口。

走滑构造活动对松辽盆地的影响是近几年逐步受到重视的研究方向[12-14]，而这一方向中一个非常关键的问题是，松辽盆地南部断陷内正断层的演化过程是怎样的，断陷期地层沉积演化的过程受到走滑构造活动的控制吗？松辽盆地南部梨树断陷空间位置上靠近郯庐断裂北段，多条走滑断裂分布于断陷内，是松南地区走滑—伸展构造活动研究的热点区域[15-16]，但目前针对梨树断陷断陷期正断层结构和演化过程的研究仍存在许多争议，主控断陷构造的桑树台断裂早期研究以二维地震剖面解释为主，缺乏更加细致的分析[17-21]，有观点认为，桑树台断裂带由苏家屯断裂、桑树台断裂、金山断裂组成[21]，但断裂演化过程中是否受到走滑作用影响尚未说明，断陷东南部秦家屯断裂被认为是走滑作用形成的[22]，也有观点认为秦家屯断裂为一正断层，但断裂结构、演化过程仍存在单一断裂面正断层[17]、雁列式排列正断层[15-16]和正断层后期改造[23-25]等不同认识。上述问题，一定程度上影响了梨树断陷伸展构造活动乃至整个松辽盆地走滑—伸展活动模式、盆地早白垩世演化动力学机制的总结。

为解决此问题，通过开展梨树地区1 800 km2三维地震资料的解释，对梨树桑树台断裂、秦家屯断裂进行了几何学特征的研究，利用断距统计方法进行了断裂生长演化模式的解析，针对下白垩统火石岭组沉积期、沙河子组沉积期断裂的演化过程进行了总结，提出了新的认识。

1 区域地质背景

松辽盆地发育在东北地区多个块体拼合形成的基底之上，内部沉积地层以白垩系、古近系为主，主要断裂带的走向为北北东—南南西向和近东西向、北西—南东向(图1a)，其中北北东—南南西向的德都—大安断裂(F3)、青冈—乾安断裂(F4)、四平—德惠断裂(F6)和近南北走向的嫩江—白城断裂(F1)均为走滑断裂，松南地区靠近郯庐断裂北支依兰—伊通断裂(F7)。

图1 松辽盆地南部梨树断陷地质背景

松辽盆地南部的白垩纪演化过程可分为早白垩世断陷和晚白垩世拗陷2个阶段，松南地区经历了下白垩统登娄库组沉积期末和上白垩统嫩江组—明水组沉积期2个时期的构造反转， 其中下白垩统登娄库组沉积期末为区域断裂带活动自右行走滑—伸展向左行走滑—挤压转变，上白垩统嫩江组—明水组沉积期为区域构造应力性质由伸展向挤压转变。

2 梨树断陷主要正断层结构特征

2.1 桑树台断裂地质结构特征

桑树台断裂是梨树断陷的控断陷构造，整体呈南北走向，断裂面东倾。在垂直于地震走向的剖面上(图2)，桑树台断层为一条铲状正断层，上盘地层包括火石岭组—泉头组，整体呈半地堑结构分布于上白垩统之下(图2b)。桑树台断裂的南段和北段均存在分支断裂。南段的金山断裂与桑树台断裂在深部相连，倾向与桑树台断裂相同，上盘地层为火石岭组—泉头组，各组地层在断点部位都具有明显的增厚现象。桑树台主断裂面在金山断裂西侧，上盘地层为火石岭组和泉头组，火石岭组地层明显增厚(图2a)。桑树台断裂北部为苏家屯断裂，上盘地层包括火石岭组—泉头组，其中营城组、登娄库组断距较大，泉头组一段断距较小。桑树台断裂上盘地层为火石岭组—泉头组，其中沙河子组、营城组、登娄库组断距较大。桑树台断裂北段剖面上(图2c)，苏家屯断裂和桑树台断裂上盘地层具有靠近断裂面增厚的现象，桑树台断裂被近直立的皮家断裂切割。

桑树台断裂南段上盘地层靠近断裂面厚度较大，远离断裂面厚度相对减薄，形成了类似滚动背斜的构造样式(图2a)。桑树台断裂中段地层靠近断裂面增厚，地层形态整体向下弯曲，形成低幅度背斜(图2b，c)。桑树台断裂北段，断裂控制的地层同样具有靠近断裂面层厚增加的特征。

图2 松辽盆地梨树断陷桑树台断裂地震剖面解释方案 剖面位置见图1b。Fig.2 Interpretation of seismic profiles of Sangshutai Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

2.2 秦家屯断裂地质结构特征

秦家屯断裂带整体为一倾向南东的正断层，自南西向北东展布，DD′剖面至GG′剖面依次自南向北排列(图3)。

DD′剖面位于秦家屯断裂所在区域南部，断裂整体展布于火石岭组—泉头组中，断裂面平直，断距较小。EE′剖面上，秦家屯断裂主要位于登娄库组—火石岭组中，断裂面呈铲状弯曲，与上覆火石岭组、沙河子组具有半地堑的结构样式，在秦家屯断裂东南方向，还存在一条与其类似的控火石岭组、沙河子组沉积的铲状正断层。FF′剖面走向为南南东—北北西，秦家屯断裂的基本特点与EE′剖面一致，此处从秦家屯断裂上部端点发育分断裂，成为秦家屯北支断裂，断裂端点附近地层弯曲，具有背斜形态。GG′剖面与FF′剖面平行。剖面中，秦家屯断裂北支的规模较大，仍与秦家屯断裂相连，上覆地层同样形成背斜，秦家屯断裂为控制火石岭组—沙河子组沉积的铲状正断层。

800 ms相干切片上(图4a)，秦家屯断裂不可见；1 200 ms深度上可见秦家屯断裂的两端出露(图4b)；在1 600 ms深度上(图4c)，秦家屯断裂平面上为一向北西方向凸出的弧形，其南西端向南延伸，其北东端向北东方向延伸；在2 000 ms深度上(图4d)，南端延伸方向变为南南东向，北端延伸方向变为正东向。秦家屯北支断裂自秦家屯断裂主断裂面向北东方向延伸，整体埋藏较浅(图4c)。剖面中与秦家屯断裂同样具有控火石岭组沉积作用的正断层，在平面上也具有与秦家屯断裂相似的形态特征，整体表现为向北西侧凸出的弧形。

图3 松辽盆地梨树断陷秦家屯断裂地震解释方案 剖面位置见图1b。Fig.3 Interpretation of seismic profiles of Qinjiatun Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

图4 松辽盆地梨树断陷秦家屯断裂在不同深度的平面展布形态 切片范围见图1b。Fig.4 Distribution patterns of Qinjiatun Fault at different time depths, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

秦家屯断裂剖面上以铲状形态为主，平面上以弧形形态为主，其结构属于较为典型的正断层结构。

3 断距统计与断层生长过程分析

断距统计是进行正断层生长过程分析的最有效方法[27-28]。前人研究表明[29-31]，典型正断层的生长过程可分为两种主要的模式。在第一种模式中，初期小规模正断层以相对独立的方式生长，相互之间不产生影响。断裂生长主要以平面上断层沿走向延伸；剖面上断裂面形成后，上盘向下滑动，断裂不向上、向下生长。在断距水平投影上为一完整的弧形形态；在断距垂向投影图上，各数据点连接形成单斜直线。第二种模式中，盖层中的小规模正断层与基底中的大规模正断层在伸展作用过程中同时开始延伸，最终连接形成规模更大、结构更为复杂的正断层。断裂在水平方向上的延伸较弱，在垂直方向上延伸较强，向上、向下的生长作用强烈。在断距水平投影上，小规模正断层断距投影形成的上凸弧形相互叠置，基底断裂断距投影形成的弧形中部发育“平顶”；在断距垂向投影上，当断裂各层断距按地层沉积顺序自下而上排列时，各数据点连接形成上凸弧形。

3.1 桑树台断裂断距分析及断裂生长模式

沿南北方向，在三维地震数据中以20道(500 m)为间隔，统计了桑树台断裂上盘、下盘间对应地层底界之间水平断距和垂直断距。根据断距统计结果和断距统计曲线形态的差异，将line320至line880的部分划分为桑树台断裂的南段，将line880至line2160的部分划分为中段，将line2160至line2440的部分划分为北段(图5A)。

桑树台断裂各地层断距的水平投影具有完整的上凸弧形形态，弧顶位于断裂中段，具有类似“平顶”的特征。桑树台断裂南段上盘各个层位的断距均较小，在断距水平投影图上，各地层断距自南向北逐渐增加，但变化幅度有限，其中火石岭组和沙河子组的断距较为接近(图5A(1)、(2))，断裂上盘火石岭组的断距在局部小于沙河子组断距(图5A(3))。自南向北，桑树台断裂中段断距水平投影曲线从近平直斜线过渡为整体呈向上凸出的弧形，弧形的中部局部向下凹(图5A(4)、(5)、(6))。在这一范围内，桑树台断裂上盘各个层位的断距都较大，相对line320至line880间断距有明显的增加，火石岭组与沙河子组间的断距仍较为接近，但整体保持了火石岭组断距大于沙河子断距的特征。中段南部火石岭组和沙河子组断距略大于中段北部。line2160上，营城组、登娄库组的断距明显增加，在断距水平投影图上形成局部明显上凸的形态(图5A(7))。桑树台北段，断裂断距整体减小，局部营城组、沙河子组断距大于火石岭组断距(图5A(9))。

图5 松辽盆地梨树断陷桑树台断裂断距统计(A)与断距垂向投影和生长模式(B)Fig.5 Fault distance statistics (A) and vertical projection and growth mode (B) of Sangshutai Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

3.2 秦家屯断裂断距分析及断裂生长模式

除桑树台断裂外，梨树断陷火石岭组—沙河子组内存在多条呈北东—南西走向的弧形正断层，这些断裂主要集中于断陷东南部，其中以秦家屯断裂规模最大、最具有代表性。秦家屯断裂的断距统计方法与桑树台断裂相同，由于秦家屯北支断裂不具有明显的控沉积特征，因此不统计此条断裂的断距。根据断距统计结果和断距投影形态，将秦家屯断裂分为自line960至line1200的A段、line1200至line1820的B段和line1820至line 2160 的C段。其中，A段整体走向为北北东—南南西向，B段line1200至line1500与C段line1940至line2160走向与A段相同，其余部分为北东—南西走向。

如图6A所示，秦家屯断裂A段内的水平断距(H)和垂直断距(t)均较小；在断距水平投影图中，B段内，秦家屯断裂上盘火石岭组、沙河子组的断距相对较大；C段内，火石岭组底界的断距较大。泉头组、登娄库组、营城组在秦家屯断裂内分布较少，主要分在断裂A段、B段。秦家屯断裂主要沉积的地层为火石岭组、沙河子组，断距水平投影图在断裂A段、B段、C段内均形成了相对完整的弧形形态，各弧形相互叠置。

断距统计结果表明，秦家屯断裂的演化过程存在多种不同的模式，水平方向上断裂规模的扩展和浅部、深部断裂相互连接是断裂形成的主要过程。A段、C段主要为早期断裂端点向上、向下延伸(图6B-a)。B段的正断层生长模式较为复杂，第一种浅部一条端点向上、向下延伸的正断层与深部一条端点向下生长的正断层相连(图6B-b)；第二种浅部、深部各存在一条端点向上、向下生长的正断层，随着断层生长，最终两条断裂连接形成一条断层(图6B-c)；第三种与A段生长模式相同(图6B-d)；第四种浅部正断层向下生长，与深部沿端点向上、向下生长的断裂相连(图6B-e)。B段向C段的过渡区域，断裂的生长演化模式与C段相同(图6B-f)。

3.3 断裂演化过程对比及其地质意义

桑树台断裂的演化过程是梨树断陷早白垩世伸展断陷过程的缩影，秦家屯断裂则代表了梨树断陷内控制地层局部沉积的其他正断层。对比两者的地质结构和生长过程，能够细化对梨树断陷伸展过程的认识。

在断裂规模上，桑树台断裂远大于秦家屯断裂，在断裂演化初期，桑树台断裂就已经奠定了现今断裂的基本格局，秦家屯断裂则是在演化过程中逐步扩展形成了现今的断裂形态。在断裂演化模式上，桑树台断裂虽然存在多种演化模式，但是整体以单一断裂面向上、向下延伸为主，水平方向的生长较少；秦家屯断裂各部分的断裂演化模式则以水平方向上生长和垂向上不同断裂生长后相连通作用为主。显然，秦家屯断裂较小的规模使得其更容易受到构造活动的影响，形成了垂向上多段式的连接演化过程。桑树台断裂的断距水平投影图整体呈中间断距大、发育“平顶”的上凸弧形，各部位断距变化过程连贯，地层沉积中心没有明显改变；秦家屯断裂不同时期的断距水平投影图形态明显不同，反映出沉积中心发生了剧烈变化。秦家屯断裂B段南部主要控制沙河子组沉积，北部主要控制火石岭组沉积；C段主要控制火石岭组的沉积，控沙河子组沉积的作用较B段南部更弱(图6)。由于B、C段具有不同的走向，不同时期地层的断距变化表明不同地层沉积期正断层的伸展方向发生了改变，即从火石岭组沉积期北东东—南西西向的伸展，转变为沙河子组沉积期近南东—北西方向的伸展。

图6 松辽盆地秦家屯断裂断距统计(A)与断距垂向投影和生长模式(B)Fig.6 Fault distance statistics (A) and vertical projection and growth mode (B) of Qinjiatun Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

梨树断陷内早白垩世早期正断层的活动方式可以总结为：火石岭组沉积期，桑树台断裂中段、秦家屯断裂在近东西方向的伸展作用下，形成了桑树台中段南北向、秦家屯断裂A段、C段北北东—南南西走向的断裂形态，B段南部也逐步形成；沙河子组沉积期，桑树台断裂继续演化，区域的伸展方向发生了调整，形成了B段北部北东—南西走向的断裂面，主控了沙河子组沉积，桑树台断裂由于自身规模较大，主断裂面形态已经固定，并未受到明显影响，在北段、南段局部形成了沙河子组断距大于火石岭组断距的现象。

东北地区发育多条走滑断裂，其中德惠—四平断裂、依兰—伊通断裂与梨树断陷空间上较为接近。前人研究表明，德惠—四平断裂和依兰—伊通断裂在早白垩世以左行走滑为主要活动模式[32-33]。对梨树断陷内的正断层而言，伸展方向从北东东—南西西变为近南东—北西，属于逆时针变化，与梨树断陷处于左行走滑断裂带左侧区域内的应力场有关。

因此，可以认为区域上的走滑作用对梨树断陷内正断层的活动产生了影响，但主要表现为伸展方向的调整，不形成新的走滑构造。

4 结论

(1)松辽盆地南部梨树断陷桑树台断裂演化过程以垂向上单一断裂面向下延伸为主，受近东西向伸展构造应力控制，基本未受到后期伸展方向调整的影响，断裂初始形成时规模较大是桑树台断裂受伸展方向调整影响较小的原因。

(2)秦家屯断裂演化过程以水平方向上延伸和垂向上不同断裂面相互延伸—连接的方式为主，火石岭组沉积期受北东东—南西西伸展方向控制，沙河子组沉积期受北东—南西伸展方向控制。

(3)桑树台断裂、秦家屯断裂在断裂规模、生长模式和受区域伸展方向调整的影响程度上存在较大不同。梨树断陷早白垩世早期伸展活动受走滑作用影响，发生了伸展方向的调整。