黃河口凹陷南斜坡新生代斷裂構造特征及演化

陳 磊， 楊 波， 宿 雯， 鄔 靜， 王雪蓮， 甄彥琴

( 1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580 )

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黃河口凹陷南斜坡新生代斷裂構造特征及演化

陳 磊1,2， 楊 波1， 宿 雯1， 鄔 靜1， 王雪蓮1， 甄彥琴1

( 1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580 )

黃河口凹陷新生代斷裂復雜多樣，巖漿活動頻繁。利用三維地震資料，根據斷裂體系特征、構造演化分析、地層厚度變化及鉆井資料等，研究黃河口凹陷南斜坡新生代斷裂構造特征及演化規律，分析斷裂體系在古新世—早始新世斷陷期、晚始新世—漸新世強走滑與強拉張期、新近紀走滑與熱沉降期三個階段的區域應力背景及演化特征。結果表明：研究區斷裂體系劃分為走滑斷裂、拉張—走滑斷裂和走滑—拉張斷裂等三種斷裂類型，以及“階梯狀”“負花狀”“雁列式”和“復合花狀”等四種斷裂組合類型，并具有“三元”構造層結構特征；巖漿活動規律與斷裂演化史具有同步性，斷裂體系演化規律控制巖漿活動的時空差異性。該研究結果對復雜構造區斷裂解釋和巖漿活動模式建立具有參考意義。

斷裂體系； 巖漿活動； 構造特征； 新生代； 黃河口凹陷； 渤海灣盆地

0 引言

隨著勘探開發程度的不斷深入，與火山巖相關的非常規油氣藏成為研究熱點。中國東部多個盆地相繼在火山巖及巖下獲得突破，如松遼盆地在徐家圍子中生界發現大型火山巖氣藏，渤海灣盆地濟陽坳陷黃河口凹陷、黃驊坳陷南堡凹陷在新生界火山巖下發現大型油田，遼河坳陷東部凹陷在新生界發現規模性火山巖油氣藏[1-4]。與火山巖相關的油氣藏成為各大盆地油氣儲量持續增長的重要接替區，巖漿活動區逐步成為油氣勘探的新領域。全球巖漿活動模式主要分為板緣和板內兩種類型，板塊運動控制巖漿活動帶，形成環太平洋、大洋中脊、東非裂谷和阿爾卑斯—喜馬拉雅—印度四大板塊邊界巖漿活動帶[5]；板內巖漿活動分布不均衡，地區差異較大，主要受走滑斷裂、邊界伸展大斷裂控制[6-10]，其中郯廬走滑斷裂帶控制中國東部巖漿巖的形成與分布，是中國東部最主要的火山活動帶。

人們研究郯廬走滑斷裂帶與油氣富集關系，提出走滑轉換帶控藏機制、走滑轉換帶控砂原理及走滑斷裂—巖漿活動聯合控藏等。如朱秀香等[11]分析黃河口凹陷走滑轉換帶，提出轉換帶控制圈閉發育、砂體展布和油氣運移疏導體系的形成，以及中央隆起區的油氣聚集；彭文緒等[12]分析沙壘田凸起走滑斷裂，提出走滑斷層多期活動控制圈閉的形成及兩盤古近系的沉積，并對油氣聚集和重新分配產生影響；徐長貴[13]提出陸相斷陷盆地源—匯時空耦合控砂原理、盆緣走滑斷裂源—匯體系等控砂模式；楊克基等[14]認為走滑斷裂不僅能直接形成斷塊、背斜和斷背斜等圈閉，還間接引起泥底辟構造，影響烴源巖的成熟演化、儲層發育、油氣運移及保存。

已有成果多集中于油氣成藏方面的研究[15-19]，對斷裂演化特征、機制及其與巖漿活動的關系等缺乏研究。根據地震、鉆井等勘探資料，筆者分析渤海海域南部黃河口凹陷新生代斷裂體系特征，探討新生代區域應力背景與斷裂演化特征、斷裂與巖漿活動演化關系，為下一步油氣勘探提供指導。

1 地質概況

黃河口凹陷位于渤海海域南部，屬于渤海灣盆地濟陽坳陷，面積約為3.300×103km2(見圖1)，為中生界基底上發育的新生代凹陷，具有“北斷南超”的箕狀凹陷特點。凹陷北部以北西向伸展大斷裂與渤南低凸起為界，南部以地層逐漸減薄超覆的萊北低凸起為特征，東、西部分別以郯廬斷裂東支、西支與廟西凹陷、長堤潛山帶為界。凹陷受郯廬斷裂新生代走滑作用控制，被分割為東、中、西三個洼陷，郯廬斷裂中支分隔凹陷西洼和中洼。鉆探資料顯示，凹陷基底為中生界地層，凹陷區上覆新生界沉積蓋層，包括孔店組、沙河街組一段至三段(簡稱沙一段、沙二段和沙三段)、東營組一段至三段(簡稱東一段、東二段和東三段)、館陶組、明化鎮組下段(簡稱明下段)和明化鎮組上段(簡稱明上段)，以及平原組地層。南部萊北低凸起區沙河街組地層至平原組地層直接覆蓋于中生界基底之上。凹陷發育三個區域不整合面，即中生界與新生界界面(T8)、沙三段與沙二段界面(T5)、東營組與館陶組界面(T2)，地層之間呈角度不整合或平行不整合接觸。研究區位于黃河口凹陷中洼南斜坡，古近系以發育辮狀河三角洲和曲流河三角洲沉積體系為特征，沙河街組至東營組沉積時期伴隨間歇性大規模火山活動，發育多套火山巖地層；新近系以發育河流相和淺水三角洲沉積體系為特征。

圖1 研究區位置Fig.1 The location of the study area

2 斷裂分布、發育特征及展布規律

2.1 斷裂分布及發育特征

根據地震資料、剖面特征與水平切片特征，以及斷裂發育特征、模式和性質，將黃河口凹陷南斜坡斷裂系統分為以走滑為主的斷裂系統和以伸展為主的斷裂系統(見圖2 ，其中SS-1、SS-2為走滑斷裂，ESS為拉張—走滑斷裂)，以走滑為主的斷裂系統主要包括NNE向走滑斷裂和EW向拉張—走滑斷裂；以伸展為主的斷裂系統主要包括EW向及NE向走滑—拉張斷裂。研究區斷裂發育特征見圖3。

2.1.1 NNE向走滑斷裂

郯廬走滑斷裂在渤海南段分為東、中、西三支，中支斷裂橫穿黃河口凹陷，表現為一組走滑斷裂(SS-1和SS-2)，平面上呈NNE向展布，延伸距離為20～25 km。SS-1具有顯性走滑特點，在地震資料上，斷裂特征清晰且易識別，是分隔西洼和中洼的邊界斷裂，控制黃河口凹陷的演化；SS-2具有隱性走滑特點，發育于中洼，受火成巖和斷裂活動強度影響，平、剖面特征不清晰，在地震資料上識別較困難。

中支斷裂SS-1具有南、北分段特征(見圖2、圖3(a-b))，南段位于低凸起區，主斷裂面近于直立，斷面東傾，下部切穿基底，上部斷至近地表，伴生斷裂欠發育，與晚期斷裂構成簡單“Y”型分布，平面呈單一線狀展布；北段位于凹陷斜坡區，主斷裂面近于直立，下部切穿基底，中部斷至漸新統，剖面上與古近系斷裂構成“負花狀”組合構造，深部呈線狀展布特征，淺部平面上呈“雁列狀”排列，剖面上構成復合“Y”型分布，根部連接于下部走滑主斷裂。根據南、北段剖面對比，可見明顯的“海豚效應”，南段表現為逆斷層特點，北段表現為正斷層特點。

圖2 研究區不同時期斷裂分布特征Fig.2 The distribution characteristics of faults in different periods of the study area

中支斷裂SS-2同樣具有南、北分段特征(見圖2(a-b)、圖3(c-d))，南段位于萊北低凸起，主斷裂面直立，下部切穿基底，中部斷至漸新世火成巖地層，兩側地層呈高角度“屋脊狀”反射結構特征，與古近系斷裂在火成巖地層構成“負花狀”組合構造，在火成巖地層上，新近系地層晚期“雁列狀”排列的斷裂呈多級“Y”型分布。由于受古近紀巖漿活動影響，地層巖性條件復雜，引起地震相雜亂，地震資料質量較差，走滑斷裂特征并不清晰，具有隱性走滑特征。北段位于凹陷區，走滑斷裂表現為單一直立斷面形態，多斷至始新統，平面上呈斷續線狀延伸展布，與早期斷裂構成“負花狀”組合構造。

2.1.2 EW向拉張—走滑斷裂

在走滑作用基礎上，該類斷裂由疊加拉張作用形成(ESS)，早期表現為弱拉張特點，控沉積作用微弱，中期表現為強烈擠壓特點，夾持于兩條走滑斷裂之間，具有左旋平移特點。整體走向為近EW向，平面上延伸距離約為6 km，傾向正北，主斷裂傾角較大，具有上陡下緩的產狀特征；剖面上與次級斷裂構成“復合花狀”組合構造[20]。深部為一系列次級斷裂與主斷裂相交，呈“斜交式”組合；淺部為一系列近東西向展布的斷層，呈“平行狀”組合(見圖2(a、c)、圖3(e))。

2.1.3 EW向及NE向走滑—拉張斷裂

在拉張基礎上，該類斷裂由疊加走滑作用形成(SSE)，是研究區發育最為廣泛的一類斷裂，整體呈NE向展布，平面上延伸距離為2～10 km，傾向以北西向為主。主斷裂產狀變陡，存在三種表現形式：第一種依附于走滑斷裂派生，多發育于深層，剖面上與走滑斷裂呈“負花狀”組合構造，平面上沿走滑斷裂呈羽狀排列；第二種依附于拉張—走滑斷裂派生，深、淺層發育，剖面上與主斷裂呈反向搭接形成“復合花狀”組合構造，平面上與主斷裂呈“斜交式”組合；第三種主要發育于斜坡帶，斷裂多表現為獨立發育和持續活動特征，幾乎沒有派生斷層，深部斷穿基底，淺部斷至近地表，古近紀表現為較強的控凹陷、控沉積特征(見圖2、圖3(f))。

圖3 研究區斷裂發育特征Fig.3 The development characteristics of fault in the study area

2.2 斷裂展布規律

根據三類斷裂的延伸長度、切割深度及排列組合關系，研究區斷裂展布具有明顯的“三元”結構特征：下部孔店組—沙三段構造層(古新統—下始新統)被NNE向走滑斷裂、EW向拉張—走滑斷裂及NE向走滑—拉張斷裂切割，主斷裂面連續并斷至中生界基底，次級斷裂發育較少。中部沙二段—東一段構造層(下始新統—上漸新統)主斷裂繼承下部構造層的發育特征，NNE向走滑斷裂SS-1北段次級斷裂逐步增多，多呈NE向“雁列式”排列。上部館陶組—明化鎮組構造層(新近系)被NNE向走滑斷裂和EW向拉張—走滑斷裂切割，NNE向走滑斷裂的斷裂面不連續，表現為由一系列NE向雁列式斷裂組成的斷裂帶；EW向拉張—走滑斷裂持續活動并伴生大量晚期斷裂；第三種走滑—拉張斷裂再次活化，但伴生斷裂不發育。

在垂向上，三段構造層的斷裂結構模式具有差異性，主要發育四種斷裂組合類型：

(1)“階梯狀”組合構造，發育于孔店組—沙三段構造層，為多條第三種走滑—拉張斷裂，平面上呈“平行式”組合，剖面上構成“階梯狀”組合構造，屬于凹陷區向凸起區的過渡帶，主要控制孔店組—沙三段構造層的沉積演化及其他兩個構造層的構造變形(見圖4(a))。

(2)“負花狀”組合構造，發育于沙二段—東一段構造層，NNE向走滑斷裂與第一種走滑—拉張斷裂呈羽狀相交，平面上呈“斜交式”組合，剖面上構成“負花狀”組合構造(見圖4(b))。

(3)“雁列式”組合構造，發育于館陶組—明化鎮組構造層，走滑斷裂晚期表現為NE向“雁列式”展布特征，沒有連續的主斷面，剖面上為多級“Y”型或復合“Y”型組合(見圖4(c))。

(4)“復合花狀”組合構造，發育于“三元”構造層，EW向拉張—走滑斷裂與第二種走滑—拉張斷裂平面上呈“斜交式”組合，剖面上構成“復合花狀”組合構造(見圖4(d))，主要控制東西向構造帶的發育。

圖4 研究區主要斷裂組合類型Fig.4 Fault assemblage types in the study area

3 斷裂演化史

根據斷裂展布規律、“三元”結構特點、構造演化和區域應力背景，將研究區斷裂體系演化劃分為三個階段。

3.1 古新世—早始新世

新生代古新世—早始新世，受太平洋板塊俯沖方向由NNW向到NWW向(或正向)轉變，以及印度板塊NNE向歐亞大陸碰撞的影響，郯廬斷裂帶由左旋轉為擠壓兼右行平移，同時引起中國東部大陸軟流圈上涌、巖石圈拆沉。渤海灣盆地表現為右旋弱走滑與水平強拉張的疊合特征，渤海灣盆地發生強烈斷陷活動[21-24]。該時期是渤海灣盆地凹凸構造基本格局定型的重要時期。黃河口凹陷演化速率加快，進入快速沉降期，凹凸構造格局基本定型，具有“北斷南超”的箕狀凹陷特征。恢復黃河口凹陷構造發育史，該時期SN向水平伸展率可達2.6%～3.2%(見表1)，沉降速率達到200 m/Ma。

表1 黃河口凹陷不同構造演化階段水平伸展率與壓縮率(伸展為正，壓縮為負)

Table 1 Extensional and compressive ratios in different structural evolutions stage of Huanghekou sag

演化階段不同方向伸展與壓縮率/%SNNE-SWEWNW-SE古新世3.23.64.44.4早始新世2.60.50.33.7晚始新世1.90.20.30.9漸新世-1.0-0.4-3.3-1.2早中新世0.10.90.20.5晚中新世2.02.82.32.4

中支走滑斷裂由左旋轉為右旋，斷裂切穿基底，但斷裂右旋活動微弱，基本不控制沉積活動。在區域南北向強烈水平拉張力作用下，拉張—走滑斷裂和第三種走滑—拉張斷裂開始形成并活動，斷裂切穿中生界基底，控制研究區沉積體系的展布和凹凸構造的基本格局(見圖5(a))。早始新世末期(沙三段沉積末期)，隨著區域構造整體抬升并遭受強烈剝蝕，渤海灣盆地區域不整合面(T5)形成，是凹陷由斷陷期進入斷—坳轉換期的重要標志，斷裂體系演化隨之發生改變。

3.2 晚始新世—漸新世

晚始新世—漸新世，太平洋板塊向正西方向加速俯沖[25]，造成菲律賓海板塊與西南日本的碰撞及日本海的裂開，使東部大陸裂陷作用逐漸衰減；相應地，郯廬斷裂帶等NNE向深斷裂受日本海擴張派生的NE-SW向擠壓影響而發生右旋走滑位移，使渤海灣盆地表現出主壓應力軸為NE-SW或NEE-SWW向的復雜區域應力場特征，總體具有右旋強走滑與水平強拉張的應力疊合特征[23]。該時期黃河口凹陷演化由多方向、多應力機制控制，早期，SN向水平伸展率為1.9%(見表1)，拉張作用較之前開始降低，第三類走滑—拉張斷裂活動變弱，控凹陷、控沉積作用大幅減弱，凹陷沉降速率減小，斷陷結構特征明顯變弱(見圖5(b))；晚期，EW向水平壓縮率可達-3.3%(見表1)，表現為強烈的擠壓作用，中支走滑斷裂發生強烈右旋走滑位移，兩盤地層厚度差別明顯。走滑斷裂活動表現出“南強北弱、東強西弱”的特點，走滑作用具有由南部凸起區向北部凹陷區逐步減弱、SS-1活動強度大于SS-2的特征。根據地層厚度和斷裂切割關系，確定SS-1走滑位移超過3 km[26]，將黃河口凹陷分割成西洼和中洼兩個洼陷，控制SN向構造帶的發育，并引起大規模的火山活動。

在右旋走滑應力背景下，拉張—走滑斷裂表現出反向左旋走滑斷裂性質，對應里德爾應力橢球體中的共軛剪切破裂帶，與右旋走滑斷裂構成研究區的共軛剪切走滑斷裂體系。由于受兩條右旋走滑斷裂的約束作用，左旋走滑位移較小，但擠壓作用引起地層強烈變形；同時第一種、第二種走滑—拉張斷裂開始產生，對應里德爾應力橢球體中的張性破裂(T)，活動強度相對較大，分別與中支走滑斷裂、拉張—走滑斷裂構成“負花狀”和“復合花狀”組合構造。該階段斷裂體系的差異活動改變之前的構造格局，是凹陷由斷陷期向坳陷期轉換的關鍵時期。隨著漸新世末期(東營組沉積末期)發生東營運動，再次引起區域構造整體抬升并遭受強烈剝蝕，渤海灣盆地區域不整合面(T2)形成，凹陷逐步進入斷裂后熱沉降階段。

3.3 新近紀

新近紀，太平洋板塊開始出現弧后擴張及弧后盆地，造成向西的側向推擠力；加之沖繩海槽弧后擴張向西推擠中國東部大陸，郯廬斷裂帶整體呈現較強的右旋走滑活動，渤海灣盆地總體表現右旋走滑與熱沉降的疊合特征[6,20,27-28]。該時期凹陷沉積速率再次加大，總體進入坳陷期，黃河口凹陷早中新世各方向伸展率急劇減小，晚中新世各方向伸展率為2.0%～2.8%，具有走滑和拉張作用疊合特征，進入新構造運動時期。中支走滑斷裂持續活動，但活動強度明顯減弱，表現出“南強北弱、東強西弱”的特點，具有不同演化階段的走滑斷裂差異發育特征[29]。SS-1南段持續活動，淺部斷至近地表；北段走滑作用變弱，主破裂面不發育，表現為發育一系列NE向“雁列式”斷裂。SS-2南段活動明顯減弱，表現為發育少量次級“雁列式”斷裂；北部斷裂完全停止活動。EW向拉張—走滑斷裂和第三種走滑—拉張斷裂再次活化，垂向活動強度增大，并伴生眾多晚期斷裂，共同控制淺層構造群的發育(見圖5(c))。

綜上所述，在新生代板塊運動背景下，受地幔隆升引起的水平伸展及太平洋板塊斜向俯沖引起的NNE向右旋走滑等雙重作用控制，渤海灣盆地在時空上受伸展和走滑交互疊加作用影響，斷裂演化特征受區域應力場演化控制，具有古新世—早始新世斷陷、晚始新世—漸新世強走滑與強拉張、新近紀走滑與熱沉降三個演化階段特征。

圖5 研究區構造演化史Fig.5 Tectonic evolution history in the study area

4 巖漿活動

受區域應力影響，研究區斷裂復雜多樣且活動持久，引起新生代大規模的幔源成因巖漿活動[7,30]。巖漿活動具有多期噴發、中心式和裂隙式噴發特點，活動規律與斷裂演化特征具有一致性。

早始新世，渤海灣盆地受右旋弱走滑與水平強拉張應力控制，走滑斷裂、拉張—走滑斷裂活動微弱，黃河口凹陷以強烈斷陷活動為主要特征，大型控凹走滑—拉張斷裂發育。由于斷裂切穿基底深度有限，無法溝通上地幔巖漿，該時期火成巖主要沿走滑斷裂和拉張—走滑斷裂零星分布，沿斷裂呈點狀展布，巖漿活動規模較小，具有中心式噴發特點，巖性主要為少量玄武巖和凝灰巖(見圖6(a)，其中亮色代表火成巖)。

漸新世中晚期，受右旋強走滑與水平強拉張應力控制，整個黃河口凹陷進入斷—坳轉換期，走滑斷裂發生強烈右旋活動，拉張—走滑斷裂和走滑—拉張斷裂也進入活躍期。渤海灣盆地海域內莫霍界面埋深較淺，約為30 km[31]，而郯廬走滑斷裂在始新世時期切割深度已達30～40 km[32]，具備形成大規模被動型巖漿活動的地質背景。研究區走滑斷裂、拉張—走滑斷裂發生強烈活動并切穿基底，直達上地幔巖漿房，成為巖漿活動的主通道[6,21]；與走滑斷裂、拉張—走滑斷裂連接的新生界走滑—拉張斷裂，可作為巖漿噴發至地表的次級通道，兩者共同構成巖漿高效噴發的斷裂輸導體系。因此，該時期巖漿活動規模和頻率明顯增大，巖漿活動持續近9 Ma，多達20次以上，火山巖與砂泥巖、火山碎屑巖等頻繁互層沉積，巖性以溢流相玄武巖和爆發相凝灰巖為主(見圖7)。此外，沙三段地層中發育部分巖脈狀侵入巖，巖性為輝綠巖。根據泥巖顏色及區域構造背景，研究區巖漿噴發環境為水下噴發的還原環境，漸新世晚期噴發規模達到頂峰，溢流相玄武巖呈層狀或片狀覆蓋大面積地區，最大分布面積超過60 km2(見圖6(b))。漸新世中期，巖漿活動表現為沿走滑、拉張—走滑主斷裂通道呈中心式噴發模式，噴發范圍局限，分布面積為1～2 km2；漸新世晚期，巖漿活動表現為沿走滑、拉張—走滑斷裂主通道呈裂隙式噴發模式，沿走滑—拉張斷裂通道呈中心式噴發模式，巖漿活動進入全面噴發期，溢流相和爆發相幾乎覆蓋研究區，分布范圍最廣，侵出相分布相對局限；漸新世末期，巖漿活動逐步減弱，表現為中心式噴發模式。

圖6 研究區不同演化階段火成巖分布特征Fig.6 The distribution characteristics of igneous rock in different periods of the study area

圖7 研究區BZ34-A構造連井剖面Fig.7 The profile of connected wells of the structure BZ34-A in the study area

新近紀—第四紀，隨著渤海灣盆地右旋走滑力的減弱，黃河口凹陷整體進入斷裂后熱沉降階段，走滑斷裂、拉張—走滑斷裂活動性減弱，缺乏被動型巖漿活動形成條件，研究區巖漿活動完全停止；而郯廬走滑斷裂東支活動性強度明顯增強，巖漿活動中心也由黃河口凹陷遷移到東部萊州灣凹陷[33]。

綜上所述，走滑斷裂、拉張—走滑斷裂是溝通上地幔巖漿房的主要通道，其活動性強度決定巖漿活動的規模與期次，與之連接的伴生斷裂是巖漿二次輸導的重要通道，控制巖漿活動的局部噴發中心和平面展布范圍。

5 結論

(1)黃河口凹陷南斜坡新生代斷裂體系可劃分為走滑斷裂、拉張—走滑斷裂、走滑—拉張斷裂三種主要類型，發育“階梯狀”“負花狀”“雁列式”“復合花狀”等四種主要斷裂組合類型，垂向上具有“三元”構造層結構特征。

(2)新生代斷裂演化可劃分為古新世—早始新世的斷陷期、晚始新世—漸新世的強走滑與強拉張期、新近紀的走滑與熱沉降期三個演化階段，總體受地幔隆升引起的水平伸展和太平洋板塊斜向俯沖引起的NNE向右旋走滑等雙重作用控制，在時空上受伸展和走滑交互疊加作用影響，斷裂演化特征受區域應力場演化控制。

(3)巖漿活動規律與斷裂演化史具有同步性，斷裂體系演化規律控制巖漿活動的時空差異性。走滑斷裂、拉張—走滑斷裂活動性強度決定巖漿活動的規模與期次，與之連接的伴生斷裂控制巖漿活動的局部噴發中心和平面展布范圍。

(4)總結斷裂體系、區域應力、巖漿活動的演化特征及相互關系，為復雜構造區斷裂解釋和巖漿活動模式的建立提供思路，在斷裂、巖漿活動對油氣的控藏研究方面具有指導意義。

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2016-01-26；編輯：朱秀杰

國家科技重大專項( 2011ZX05023-006)

陳 磊(1982-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事油氣成藏方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2016)04-0028-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.004