松辽盆地南部孤店断陷断裂构造特征及演化

刘伟 ，唐大卿 ，2，陈明月 ，张勇杰 ，陈栗 ，李楠

（1.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074；2.构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中国石油吉林油田分公司勘探开发研究院，吉林 松原 138000）

0 引言

孤店断陷位于松辽盆地中央坳陷区南部的华字井阶地，西北紧邻扶新隆起带，西南为长岭凹陷，处于重要的二级含油构造带上，邻区先后发现扶余、新立、木头和双沱子等油田［1-2］。孤店地区经历多轮地震物探调查，明确了“两洼一隆”的构造格局，并相继在南北两端发现了少量油气显示［3］。2010年部署于断陷中部“洼中隆”构造部位的岭深1井在沙河子组获得高产工业气流，揭示出孤店断陷深层具有良好的天然气勘探潜力，但由于经历了多期伸展-挤压旋回作用［4-5］，孤店断陷断裂构造十分发育且断裂成因演化比较复杂，使得该区地层破碎严重，导致后续的岭深7等探井均未获得油气突破［6］。此外，尽管前人对孤店断陷构造特征及演化开展了一系列研究［7-9］，但受早期资料等限制，对孤店断陷的深层结构构造特征、断裂活动机制、反转改造过程等基础地质的认识不够深入和系统。

基于上述现状，本文在孤店断陷三维地震资料精细构造解释基础上，对其断裂构造类型、几何学特征、活动期次及成因演化进行深入探讨，以期达到对孤店断陷断裂活动规律的重新认识，为本区油气勘探实践提供理论参考，同时还可以丰富对松辽盆地断裂构造特征及成因演化的系统认识。

1 地质概况

松辽盆地中央坳陷区南部位于嫩江—松花江以南，面积约8.5×103km2，按基底形态及构造格局进一步划分为长岭凹陷、红岗阶地、扶新隆起带和华字井阶地［10］。孤店断陷位于华字井阶地中北部，是一个相对完整和独立的沉积构造单元，东部为东南隆起区的登娄库背斜带，西部为中央坳陷区的长岭凹陷（见图1）。

图1 松辽盆地南部孤店断陷构造位置

孤店断陷是一个典型的西断东超箕状断陷，总体呈南北向展布，面积约500 km2，具典型的基底、盖层双层结构特征，基底之上发育中、新生代地层，包括中生界上侏罗统和白垩系，以及新生界古近系、新近系和第四系［11］，自下而上发育了 T5，T42，T41，T4，T3，T2等多个构造不整合面，揭示出孤店断陷构造演化的复杂性和多期性。孤店断陷深层火石岭组和沙河子组的煤系地层及暗色泥岩为本区有效烃源岩，同时火石岭组和沙河子组储层也比较发育，为主要勘探目的层，有效储层累计厚度为30～90 m，最大储层厚度可达120 m，形成了孤店断陷深层自生自储的致密气成藏模式。

2 断裂构造类型

与松辽盆地构造演化相统一，孤店断陷在演化过程中经历了燕山期和喜山期多个伸展-挤压构造旋回作用［4-5］，断陷内部断裂构造比较发育、断裂类型复杂多样，并表现出多期差异活动特征，大量早期形成的断裂受后期构造运动的影响而重新活动，从而使得本区断裂活动具有明显的继承性活动或反转改造等特征。

2.1 根据断层力学性质分类

孤店断陷主要经历了燕山期和喜山期构造运动，特别是在燕山期经历了多期伸展-挤压构造旋回，发育了一系列形态各异的断层，各期构造运动形成的断层在性质、发育数量及规模、展布特征等方面有很大差异，按力学或运动学特征，可将孤店断陷断裂构造分为张性或张扭性正断层、逆断层和反转断层3种类型。

张性和张扭性断层在研究区大量发育，主要分布于东部斜坡带的断阶构造肩部和断陷深洼区内发育的低凸起部位（见图2）。

图2 孤店断陷典型断裂构造特征地震解释剖面

由图2可见，孤店断陷张性或张扭性正断层在垂向上具有明显的分层差异活动特征，T4界面之下的下构造层（断陷构造层）张性断裂活动特征明显；张扭性正断层主要发育于T4界面至T2界面偏上的中构造层，尤其以T2界面的断裂构造最为典型。孤店断陷逆断层和反转断层发育相对较少，其中逆断层仅在边界主断层附近的上盘有少量发育，其成因与喜山期盆地强烈反转有关，是边界主断层附近的下降盘在反转逆冲过程中发生强烈褶皱和逆断作用的产物（见图2a）。反转断层主要发育在西侧的边界大断裂 （孤店断层）上，剖面呈现出“下正上逆”的典型正反转构造特征，其成因与松辽盆地演化晚期所经历的幕式挤压反转事件相统一，为嫩江组沉积末期以来区域应力场发生多期幕式转换的结果。

2.2 根据断层级序分类

按断层级别与规模分类是断裂分类的传统研究方法之一，通常断裂分为控盆一级断裂、控凹（坳）二级断裂、控带三级断裂和控圈四级断裂等［12］。孤店断陷是松辽盆地中央坳陷区内部的一个次级构造单元，上述传统分类不适合该小型半地堑的断裂分类，故在此将孤店断陷作为一个相对独立和完整的沉积构造单元，将控制该半地堑形成演化的西侧边界断裂（孤店断层）确定为一级断裂，进而将发育于东侧缓坡带的大型调节性断裂划分为二级断裂，除此之外的中、小型断裂统一划分为三级断裂（见图3）。

图3 孤店断陷断裂分级剖面

3 断裂平、剖面特征及空间分布规律

断裂构造是孤店断陷最主要的构造类型，也是本文研究的重要内容。研究区内的断层具有明显的分期、分区、分带、分层等差异活动特征（见图4），并对该区的沉积构造及油气成藏产生重要控制作用。

图4 典型构造界面断裂体系分布及倾向特征

3.1 断裂平面特征

由研究区典型构造界面断裂体系分布可见（见图4），孤店断陷断裂平面走向以NNE，NNW及近NS向为主，断裂构造平面分布复杂多样。由T5，T42和T41构造界面所揭示的断裂体系分布特征表明，孤店断陷在其深部断陷构造层的断裂比较发育，其中最醒目的孤店断裂呈曲折状分布，平面形态和断距特征均揭示出明显的分段差异活动特征。除控盆边界断裂外，其他断裂主要分布于缓坡带的断阶区或断陷内部的低凸起地区（见图2，3），具有成片发育的特征，尤其在断陷南部的岭深7井东侧呈密集分布，而在断陷北部断裂发育数量明显减少，具有明显的分区特征。

此外，孤店断陷断裂的倾向也复杂多变，总体以东倾或西倾为主，少量为南倾或南西倾向等。其中，边界断裂总体倾向向东，缓坡带的西倾断裂发育数量明显多于东倾断裂。青山口组沉积初期发育的断裂多为倾向相向的扭张性断层，并形成现今T2界面，呈带状分布的断裂体系。

3.2 断裂剖面特征

断层剖面特征是描述断层形态和活动的重要内容，断层剖面特征主要包括断面形态和组合特征2方面。孤店断陷断裂剖面形态及组合样式具有的特征：1）断裂数量众多且分期、分区、分段活动特征显著，断裂主要发育于中、下构造层（见图2）；2）既发育拉张正断层，也发育扭张正断层，扭张正断层的剖面组合具有明显的似花状或花状特征；3）边界断裂的断面形态复杂多变，不同段呈现出不同特征，以铲式为主，此外还有座椅式、坡坪式等，而且晚期均发生了反转挤压与逆冲改造（见图2a）；4）研究区断裂的剖面组合样式主要有地堑或复合地堑、地垒、断阶、花状、似花状及“Y”形等（见图2、图3），断裂组合样式以张性或张扭性构造样式为主。

3.3 断裂空间分布规律

孤店断陷断裂分期差异活动在地震剖面上表现为断裂明显受T4，T2等数个区域性不整合界面分割，断裂分期分层活动特征明显（见图2）。不同构造层断裂发育特征为：1）分布于下构造层的断陷期断裂平面呈片状分布，且北部少、南部多，部分断裂后期发生继承性活动；2）分布于中构造层底部和顶部的2套不同成因的断裂均很发育，有部分断裂向下断穿T4等反射界面；3）盆地发育晚期，断裂活动主要表现为边界断裂的强烈反转逆冲并断穿所有地层，导致在T2界面之上的上构造层除边界断裂活动外，其余地区断裂不发育。

孤店断陷断裂的分区、分带差异性主要表现为除边界断裂外，断陷内部多数断裂主要发育于缓坡带的断阶构造肩部或洼陷内部低凸起地区（见图4）。断陷期的拉张断裂在斜坡带成片发育，在斜坡带高部位发育的断裂多数为西倾，而在低部位发育的断裂多数为东倾；在青山口组沉积初期发育的扭张性断裂除了发育于西侧边界断裂带之外，还大量发育于东侧斜坡带的断阶构造肩部，总体表现为2组倾向相向的断裂呈雁列式排列和带状展布特征。

4 断层活动期次

结合研究区的区域动力背景和孤店断陷构造演化特征分析认为，孤店断陷断裂活动与松辽盆地中新生代所经历的多旋回构造运动及松辽盆地断裂活动总体特征相统一。研究区断裂活动主要经历了四大阶段6个活动期次，即断陷期（火石岭组—营城组沉积期）的3期幕式伸展、断坳转换期（登娄库组沉积期）的1期弱伸展、稳定坳陷期（泉头组—嫩江组沉积期）的1期短暂而强烈的张扭性伸展，以及构造反转期（嫩江组末期—现今）边界主断裂的幕式反转逆冲（见图5）。在各阶段中，断裂的活动方式包括单期活动和多期活动，多期活动又包括多期继承性活动和多期反转改造活动。

图5 孤店断陷断裂分期差异活动特征

孤店断陷断裂活动期次与松辽盆地及孤店断陷的演化阶段相统一，火石岭组—营城组沉积期为孤店断陷的断陷发育期，结合地震剖面所反映的地层发育特征、断距及前人研究成果等认为，该阶段孤店断陷相继经历了初始断陷（火石岭组沉积期）、强烈断陷（沙河子组沉积期）和弱断陷（营城组沉积期）3个次级阶段，期间由于区域应力场的转换，形成了3个伸展-挤压构造旋回并分别发育了 T42、T41和 T4构造不整合面［11］（见图6），3个伸展阶段正好与上述三幕断陷发育阶段相对应，并导致了该阶段断裂构造的3期幕式伸展，该时期的断裂活动表现出明显的继承性活动和生长断裂发育特征（见图 5）。

图6 孤店断陷典型构造不整合面发育特征

登娄库组沉积期为孤店断陷的断坳转换期，断裂活动强度较断陷期明显减弱，主要表现为一、二级大断裂发生较弱的继承性活动；泉头组—嫩江组沉积期为稳定坳陷期，该时期松辽盆地以稳定沉降为主，断裂活动较弱，但在青山口组沉积初期，因区域应力场的突发性转变，在全盆范围发育了大量带状展布的扭张性断裂［13］，形成 T2界面丰富而复杂的断裂体系（见图 5e）；此后的嫩江组末期—现今，因区域应力场发生的幕式挤压与区域隆升，孤店断陷进入构造反转阶段，边界主断裂随之发生幕式逆冲和分段差异反转，并最终形成现今构造面貌（见图 2、图 3、图 5f）。

5 断裂活动机制与演化模式

5.1 区域动力背景

孤店断陷的构造演化与松辽盆地所处的板块构造位置、区域应力场特征及盆地演化过程密切相关，特别是燕山期的多期伸展-挤压构造旋回，对东北地区诸多盆地沉积构造演化及油气成藏具有重要控制作用［14］。

晚侏罗世—早白垩世早期，松辽地区地幔活动最强［15］，盆地演化的主要动力来自地幔。而到了早白垩世中期，地幔活动较前期有所减弱，运动方向也由先期的向北西转变为向南东，并呈现明显的隆升状态，这种变化的地幔流对岩石圈底部产生剪切作用，使松辽地区岩石圈发生了非均匀拉伸作用，上地壳伸展变形以脆性破裂为主，而下地壳伸展变形则主要是韧性剪切，形成上部倾角陡、至深部变缓的犁式断层和拆离断层，进而形成一系列地堑或半地堑［16］。

早白垩世晚期—晚白垩世早期，盆地在重力作用下，演化由先期的以伸展作用为主转变为热收缩沉降，结果为盆地在先存断陷的基础上发生断坳转换，该时期对应登娄库组沉积期［17］。晚白垩世晚期，松辽盆地整体进入萎缩阶段［18］，地幔活动继续减弱，深部地幔作用对盆地演化已不起主要作用，而来自周缘板块的作用成为盆地演化的主导动力，特别是盆地在来自东部或东南部挤压应力的作用下，一改前期的差异沉降而转变为大规模的褶皱回返，从而在盆内形成褶皱隆起和挤压坳陷相间分布的构造格局［19］，这些不同性质的构造带走向大致为NE向，具有东强西弱的特点，盆地沉积沉降中心向西北迁移且沉积范围逐渐减小，形成了古近系—新近系与下伏中生界区域性角度不整合 （见图 7）。

图7 松辽盆地典型构造格架地质剖面

喜山期，中国东部地区构造运动主要受控于太平洋板块向欧亚板块的俯冲，形成了中国大陆滨太平洋NNE向构造线、弧后盆地群及玄武岩的广泛分布［20］。在太平洋板块多期幕式俯冲作用的影响下，松辽盆地新生代构造应力场表现为不同地质时期具不同的应力场性质和主应力方向［21］，导致盆地演化晚期伸展-挤压构造事件呈幕式交替发生，最终形成相对较薄的新生代地层，并在其间发育了多个构造不整合面。

5.2 断裂演化过程

孤店断陷各关键构造变革期的断裂演化模式如图8所示，下面对本区断裂构造演化作具体分析。

图8 孤店断陷关键构造变革期断裂演化模式

5.2.1 断陷期（火石岭组—营城组沉积期）

5.2.1.1 初始断陷期（火石岭组沉积期）

初始断陷期是指上侏罗统火石岭组沉积时期。晚侏罗世早期松辽盆地演化在地壳大范围隆起和强烈岩浆喷发的背景下开始，火石岭组沉积期为盆地演化的初始张裂阶段。孤店断陷边界断裂为先期基底老断裂，该阶段由初期拉张作用逐渐过渡到后期的剪切作用［9］，形成了规模较小的NNW，SN向断层，由于活动强度较弱，该期断层对断陷的控制作用并不明显。火石岭组沉积末期，区域应力场发生调整转换，孤店断陷遭受挤压反转，局部地层遭受抬升剥蚀并形成T42构造不整合面。在火石岭组沉积期孤店断层尚未形成，断陷区内的边界断裂由6条规模不一的次级断裂组成，中部2条规模较大的断层基本控制了当今孤店断陷的规模 （见图 5a）。

5.2.1.2 强烈断陷期（沙河子组沉积期）

强烈断陷期发生在早白垩世沙河子组沉积时期。早白垩世早期古太平洋板块俯冲消减［22］，区域拉张作用在东北地区产生了一系列NNE走向的裂陷带，松辽地区开始形成规模不等、孤立分布的中小型裂陷［23］。该时期孤店断陷边界断裂进入强烈伸展活动期［13］，伸展速率加快，伸展量明显增大，由早期分隔断裂逐渐发育成首尾相连而贯通或侧接（见图5b），同时断陷内部生长断裂也大量发育。到了沙河子组沉积末期，区域应力场再次发生调整转换，孤店断陷遭受一定程度的挤压反转，主断裂带附近地层发生褶皱变形，顶部地层遭受剥蚀并形成T41构造不整合（见图6）。

5.2.1.3 弱断陷期（营城组沉积期）

经历了沙河子组沉积末期的反转构造之后，区域构造应力场再次转变为伸展性质，开始了营城组沉积期，该时期孤店断陷继承了沙河子组沉积构造格局，为继承性断陷发育期［24］。区域应力场的转换造成孤店断层伸展速率显著减慢，断层规模变小，主要表现为断层水平断距的减小（见图5c）。

5.2.2 断坳转换期（登娄库组沉积期）

断坳转换期是下白垩统登娄库组沉积时期。该时期盆地处于近EW向拉张应力减弱、地壳垂直升降运动加强的转化阶段，因此伸展作用减弱，盆地开始逐渐区域性下沉，孤店断陷接受沉积的面积明显变大，登娄库组初期沉积的地层超覆在下伏地层之上，沉积初期有少量生长断裂活动（见图4d），之后活动逐渐减弱并停止，揭示出该区由断陷逐渐向坳陷过渡。

5.2.3 稳定坳陷期（泉头组—嫩江组沉积期）

稳定坳陷期是指上白垩统泉头组—嫩江组沉积时期。该时期地壳以不均一的整体下沉作用为主，致使本区开始进入大幅度稳定沉降的坳陷阶段［25］，盆地的沉积范围较断陷期明显扩大，东南隆起区与盆地主体形成统一的湖盆。该时期构造运动趋于稳定，同沉积断层不发育。

值得注意的是，在青山口组沉积初期，因区域应力场发生突变，盆地基底的差异沉降作用明显，同时还伴有水平方向的扭动应力场作用，导致孤店断层发生强烈的张扭活动，在其附近发育了一组与之近于平行展布的张扭断裂带，该组张扭断裂与孤店断层间呈雁列伴生关系（见图5e）。

5.2.4 构造反转期（嫩江组末期—现今）

嫩江组沉积末期，太平洋板块的运动方向由NNW调整为NWW，欧亚板块的运动方向由早白垩纪的SSW转为SSE，导致西北太平洋构造域大洋板块在该时期对欧亚大陆产生近于正向的俯冲和强烈挤压［26-27］，与此同时日本海开始扩张［28］，松辽盆地承受了上述区域构造事件导致的西向挤压作用 （即所谓嫩江运动），在松辽盆地内部产生大量褶皱、隆升和构造反转，且总体上呈东部强西部弱的特点［29-32］，盆地东南部构造反转尤为强烈（见图7），是此次构造反转运动的中心。孤店断陷位于松辽盆地东南部，边界主断裂在嫩江组沉积末期发生较强烈的反转逆冲，形成大型冲断背斜构造并导致其顶部地层遭受强烈剥蚀。此后的晚白垩世明水组沉积末期，在强烈的区域性反转挤压作用下，边界主断裂再次发生强烈反转逆冲，孤店断陷构造格局基本定型（见图 5f）。

6 结论

1）孤店断陷断裂构造非常发育，并对深层天然气运聚成藏具有重要控制作用。断裂构造的类型按运动学特征可分为张性或张扭性正断层、逆断层及反转断层；按断层级别与规模可分为一级控边断裂、二级缓坡带同向调节性主干断裂及三级断陷内部次级断裂。多期幕式活动的一级边界断裂和斜坡带二级主干断裂控制着继承性断陷的发育。

2）孤店断陷断裂平面走向以NNE，NNW及近NS向为主，剖面组合类型主要有地堑或复合地堑、地垒、断阶、花状或似花状及“Y”形等。断裂空间展布呈现出明显的差异活动特征，西侧陡坡带的边界大断裂蜿蜒曲折并具有典型的分期、分段差异性，东侧缓坡带断裂成片（下构造层）或成带（T2构造界面）发育且具有明显的分期、分区和分层差异活动特征。

3）孤店断陷断裂活动期次与松辽盆地中新生代所经历的多旋回构造运动相统一，主要经历了四大阶段6个活动期次。

4）孤店断陷断裂构造演化是松辽盆地断裂构造演化的缩影，先后经历了断陷期生长断层的多幕继承性活动、断坳转换期主干断裂的弱继承性活动、稳定坳陷期短暂而强烈的扭张断层活动及构造反转期边界断裂的幕式反转逆冲四大演化阶段。孤店断陷中、新生代经历的多期伸展-挤压（反转）构造旋回主要是西北太平洋构造域大洋板块对东北亚大陆边缘的俯冲作用和松辽盆地深部地质作用双重控制的结果，而且区域应力场方向在平面上具有右旋偏转特征，孤店断陷断裂发育特征及其成因演化正是上述地球动力学特征的表现形式和浅层响应。