渤海湾盆地底辟构造变形特征及成因机制分析

2021-11-08刘明明马宝军申方乐龙鹏宇刘马钊

河北地质大学学报 2021年5期

刘明明，马宝军，申方乐，龙鹏宇，刘马钊

1. 河北地质大学地球科学学院，河北石家庄 050031；2. 河北地质大学华信学院，河北石家庄 050700

0 引言

渤海湾盆地是中国东部重要的含油气盆地，在地质演化过程中形成了伸展和走滑两类断裂系统[2]，控制了盆地内的油气藏。近年来随着地震勘探的深入，人们发现盆地内还发育大量的底辟构造；其控制了局部地区的构造变形。目前对于渤海湾地区底辟构造的几何学特征和控制因素的认识尚不够全面和深入，不同构造带底辟构造的差异性也缺少对比研究。伸展环境下底辟构造的发育有没有规律？对盆地内油气生成、运移及成藏有多大影响？这些问题都缺少系统的分析。本文应用地震地质剖面精细解释、构造分析等方法对盆地内东濮凹陷、东营凹陷、莱州湾凹陷与辽东湾坳陷地区的底辟构造进行分析，通过几何学、动力学、运动学分析可加深对伸展裂陷背景下底辟构造的变形特征和机理的认识，也可为今后该地区的油气勘探提供一定的指导意义。

1 区域地质背景

渤海湾盆地位于中国东北部，是新生代太平洋板块向我国东部俯冲导致华北克拉通破坏背景下形成的伸展裂陷盆地[3]，郯庐断裂带贯穿渤海湾盆地东部，其新生代的走滑活动对盆地形成演化有重要影响。渤海湾盆地主要由下辽河坳陷、冀中坳陷、黄骅坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷、临清坳陷、辽东湾坳陷、昌潍坳陷等多个次级坳陷与隆起组成（图1），由于经历过多期、复杂的构造活动，所以渤海湾盆地构造变形十分复杂，包括伸展构造系统、走滑构造系统、反转构造系统和叠加构造系统等。盆地新生界主要为一套河湖相碎屑岩沉积，自下而上依次发育孔店组（Ek）、沙河街组（Es）、东营组（Ed）、馆陶组（Ng）、明化镇组（Nm）和平原组地层（Qp）[4]。其中盐岩主要发育在沙河街组四段（Es4）；泥岩则常与其他岩性互层分布在各个层位，其中沙河街组是主要的分布层位。

图1 渤海湾盆地构造体系及底辟构造分布图Fig. 1 Tectonic system and diapir distribution map of Bohai bay basin

2 底辟构造的分布及形态

渤海湾盆地泥岩和盐岩分布范围较广，但已发现的典型底辟构造主要发育在东濮凹陷、东营凹陷、莱州湾凹陷及辽东湾坳陷等几个次级构造单元（图1）。不同地区底辟构造几何学变形特征差异较大。

2.1 东濮凹陷盐底辟构造几何形态

东濮凹陷位于渤海湾盆临清坳陷西侧，伸展、走滑是凹陷内主要的构造样式类型，盐底辟在凹陷内发现较多[6]。地震地质和钻探资料分析表明，东濮凹陷的典型盐底辟构造主要分布于中央隆起文留构造带内[7-8]。过该地区的剖面显示（图2）底辟构造发育在两条主干断裂（文西断层与文东断层）夹持的垒块之上[9]，地垒之上发育多条次级断层，盐层位于沙河街组一段（沙一盐）、沙河街组三段第二亚段（文9盐）与沙河街组三段第四亚段（文23盐），均有底辟变形，但盐构造发育较明显的层位为文9盐层，该层位虽整体延伸范围较小但是沉积厚度巨大，为盐构造的发育提供了充足源盐[10]。改造最为强烈的一套膏盐层则为文23盐岩层：断层在盐层内滑脱，导致盐层局部垂向运移、聚集，破坏了沙河街组三段与沙河街组二段，形成拱张背斜构造。

图2 东濮凹陷过文23井剖面位置及地质剖面图（据参考文献[9]修改）Fig. 2 Section position and geological profile of Guowen 23 well in Dongpu sag

文23盐的物质局部来源于沙河街组三段第四亚段，后由于断层构造活动盐岩变形造成文23盐局部轻微刺穿上覆地层，使得盐层流动到其他地层中。

2.2 东营凹陷底辟构造几何学形态特征

东营凹陷位于渤海湾盆地中南部济阳坳陷，整体表现为北断南超的复式半地堑式；主要发育伸展、伸展—走滑构造样式，其在中央断裂背斜带东部发育典型的底辟构造，主要为盐—泥拱张构造[11]（图3）。地质剖面显示，中央隆起带内发育的塑性拱张背斜带主要分布在辛镇构造带与郝家—现河庄构造带内[12]。郝家—现河庄构造带内过东风5井等的地震地质解释剖面显示：该地区的盐岩层厚度整体较均匀，在盐构造较为发育的区域地层呈中间厚，两翼薄特征；盐层发育于被较分散的断层分割的断块之间，分布不连续；盐层常在重力作用下顺断层滑脱。底辟核部也被复杂的断层切割。

从剖面图可看出，断层穿过沙河街组二段地层、沙河街组三段地层与沙河街组四段地层，沙河街组二段地层以泥岩与砂岩互层；沙河街组三段地层以深灰色泥岩、油页岩与薄层砂岩及碳酸盐岩夹层为主；沙河街组四段地层则以灰色砂岩、砾岩以及盐岩与石膏夹层为主，为该区域盐构造发育提供了物质基础。典型的盐构造样式发育在东营凹陷的沙河街组四段盐岩层（图3），该盐岩随断层延伸，变形显著；形成轻微上拱沙河街组三段盐上层的盐—泥拱张构造。

图3 东营凹陷东风5-东风1-东风3-东风2盐构造发育剖面位置及地质剖面图（据参考文献[12]修改）Fig. 3 Location and geological profile of salt structure development section of Dongfeng 5-Dongfeng 1-Dongfeng 3-Dongfeng 2 in Dongying sag

2.3 莱州湾凹陷底辟构造几何学形态特征

莱州湾凹陷位于渤海湾盆地中南部济阳坳陷的东部，同样也发育有盐底辟构造，其主要分布在垦利11井和垦利17井附近，过垦利11井与17井盐构造地震地质解释剖面显示，郯庐断裂带的分支从该凹陷东部穿过（图4），呈南北向展布，近平行于区域拉张方向，盐体的刺穿特征明显（图4a与图4b），底辟构造的几何学形态在不同区域也有明显不同。

图4 莱州湾凹陷垦利区盐刺穿（b）与盐枕构造（a,c）剖面位置与构造特征（据参考文献[13],[18]修改）Fig. 4 The position and structural characteristics of salt piercing （b） and salt pillow structure （a,c） profiles in Kenli area, Laizhou bay depression

莱州湾凹陷沙河街组四段含有较厚的岩盐和膏盐层，是该区域底辟构造发育的重要源盐。垦利17区与11区中部盐层发生聚集隆起（图4a与图4b），主动刺穿上覆地层，在盐岩层上拱的作用下；地层横向拉张，沿盐层滑脱，发育正断层伴生构造，盐上地层则发育背斜，且断层发育丰富的相关区域盐岩变形强烈；与此同时也发育了大量的盐相关构造。地震地质剖面显示垦利11区发育有刺穿型盐鼻状盐构造样式（图4b）；又因盐岩聚集程度不集中，则在顺地层的三角地带残留盐体形成了盐滚构造（图4b）；另外在垦利11区的东部（图4c）盐刺穿强度较弱，盐层顺地层发育，并顺地层不整合处尖灭；盐层和上覆地层变形连续，形成典型的整合盐枕构造[13-14]（图4c）。

44%的学生认为创业孵化基地运行一般，11%的学生认为创业孵化基地运行存在问题。虽然高校以不同的形式为大学生提供创业场所及基础设施，然而不同高校对创业孵化基地在学生创新创业教育中的重要性认识不到位，没有相关的管理机制和配套举措，创业孵化基地的运行质量令人担忧(吴光明,2014)。

2.4 辽东湾坳陷泥底辟构造几何学形态特征

辽东湾坳陷内主要发育泥底辟，其主要分布在辽中凹陷的中段部位。横穿辽中坳陷底辟的地震地质剖面（图5）表明，泥底辟构造被辽中1号走滑断裂切穿，该断裂是郯庐断裂带辽东湾段的两大主干断裂之一，呈北东方向展布。在辽中1号断裂作用下，泥底辟构造两侧的地层沉积特征发生了变化：即靠近泥底辟两翼的地层产状较陡，泥底辟顶部的地层也发生了破裂与塌陷，形成了在剖面上与辽中1号主断裂整体呈“V”字型的正断层[15]（图5）。

图5 辽东湾坳陷泥底辟构造发育剖面位置及地震地质剖面图Fig. 5 Location of mud diapir structural development profile and seismic geology profile in Liaodong Bay depression

钻探资料表明，该泥底辟构造底辟核主要由沙河街组四段（Es4）泥岩组成。主干断层穿过凹陷内沙河街组（Es）、东营组（Ed）、馆陶组（Ng）与明化镇组（Nm）地层，为泥岩底辟提供上涌的通道。

3 底辟构造变形机制

底辟构造的变形机制较为复杂，比较受到大多数人认同的是多数底辟构造变形受到先存基底触发、差异负荷、断层阻挡等这几种因素的控制，但不同盆地背景下控制因素差异较大。通过对渤海湾盆地不同地区底辟构造变形特征的分析，结合区域地质动力条件，来分析渤海湾地区底辟构造的形成机制。

根据前文所述，渤海湾裂陷盆地伸展断裂和走滑断裂非常发育，且泥岩、盐岩在盆地范围内也分布较广，但是目前的地震和钻探资料表明底辟构造的发育却仅限于局部地区，目前仅在东濮凹陷、东营凹陷、莱州湾凹陷与辽东湾坳陷的局部构造位置识别出了盐拱张背斜、盐—泥拱张构造、盐枕、盐滚、刺穿型盐鼻状构造和泥底辟等底辟构造样式[16-20]。在上述次级构造单元中，底辟构造明显的地区大都有断层的强烈活动。而在没有断裂分布的地区，底辟构造的发育并不明显。由此可知，断裂（包括伸展断裂及具有走滑性质的郯庐断裂带的分支断裂）的活动，对盐体的塑性流动及其最终定位有着重要影响。

东濮凹陷内底辟构造发育的部位整体剖面形态为地垒形态，地垒顶部次级断裂密集发育，说明由于拉张作用而造成局部地层基底隆起，形成断裂；同时盐岩等流体物质则在差异压实作用下沿断裂缝隙向局部流动集中，发生上拱现象，引起上覆地层变薄并发育分散的小规模断层，此时两侧洼陷与垒块发生与底辟拱张方向垂直的伸展应力，为沿塑性层面发生重力滑脱提供了有利条件[19]。根据剖面分析也证实盐底辟并没有发生强烈的盐刺穿现象，而是主要发育盐拱张背斜的构造样式，其原因可能为在断层活动的影响下，产生地垒断块，盐源层上覆地层的差异压实作用明显，受此影响塑性盐岩顺向构造高部位（压力低部位）流动和局部集中，盐体发生拱张导致上覆地层弯曲变形而形成盐背斜。上覆地层也因引张而发生断陷使盐背斜复杂化（图2）[21-23]。

东营凹陷底辟层发育的沙河街组四段等层位为巨厚的盐膏层与泥岩互层，从剖面可看出，断层对盐岩段的改造较大，这些断层从盐岩层中穿过；同时伴随着区域伸展作用的加强与重力作用的影响，形成顺切盐—泥层的滑脱断层，给底辟构造发育提供了上涌通道，这些塑性地层则顺层流动、聚集, 伴随上覆盐层的褶皱作用和上覆层的牵引作用，形成了轻微盐—泥拱张构造[12]。同时也使上覆地层产生拱张构造和拱张断裂[24]，并在背斜拱张顶部由张性断层组成了地堑。

莱州湾凹陷是郯庐断裂带内一个北断南超的箕状凹陷,盆地的主边界断层发育在盆地的东、西以及北侧[25],盐底辟发育区即垦利11区与17区位于盆地东侧主边界断层处。东边界断层为郯庐断裂带的分支，新生代具有较强的走滑性质，从剖面可看出东边界断裂不但控制着盐构造的区域展布，断裂持续活动在其附近诱发的次级断裂，对底辟构造的形成也起到至关重要作用，这些断裂一方面构成了底辟物质上涌通道，直接控制了底辟构造的发育位置，另一方面，这些断裂表现为走滑和伸展交替活动的特征，在走滑活动较弱时期，则表现为伸展性质，当其伸展作用强烈时，则可能导致盐层上覆层断裂较发育部位产生差异压实，进一步促进了盐岩在弱应力区的聚集增厚，最终在垦利11与17区发生聚集形成盐构造。

辽东湾坳陷泥底辟构造发育与辽中1号走滑断层活动密切相关，该断层作为郯庐断裂带的分支，其主断裂面切割深度大，断面南段直立，北断东倾[26]；表现出了典型的走滑断裂特征。结合前人研究，该区域泥底辟构造发育机制与莱州湾地区差异较大，它是在辽中1号断裂带的走滑压扭与反转活动中，遭受局部挤压应力，泥岩在自身重力作用下首先向凹陷中央流动，之后在挤压作用下沿着辽中1号断裂薄弱带向上刺穿，最终形成泥底辟构造。

综上分析，渤海湾盆地各区域内底辟构造的发育受多种因素控制，而主要强调的是这些底辟构造均与断裂之间有密切关系，其形成与断裂带的长期活动有关。断裂作用直接控制着底辟构造的发育位置，在断裂活动强度较大的构造位置，底辟刺穿强度大，构造样式多样；相反，塑性地层难以发生流动聚集，或仅发生小规模的聚集增厚，也并未发生刺穿。另外在断裂拉张活动的影响下造成的上覆层差异压实、断裂走滑压扭活动产生的局部挤压、自身重力滑动等这些次要因素的影响也是底辟构造发育的重要动力。