伊通盆地西北緣差異變形構造模式及成因機制

陳 凱， 劉 震，吳克強， 賀君玲，宋立斌 ，揭君曉

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 1002249；3.中國石油吉林油田公司勘探部，吉林 松原 138000； 4.中國石油吉林油田公司勘探開發研究院，吉林 松原 138001）

伊通盆地歷經40 多年勘探取得了豐碩的勘探成果，分別在莫里青、鹿鄉及岔路河三個斷陷發現了莫里青油田、雙陽油田和梁家含油氣構造，尤其是在莫里青斷陷西北緣發現了高產油氣流井區以及岔路河斷陷西北緣發現重要的斷層-巖性油氣聚集帶，進一步提升了伊通盆地西北緣勘探價值。佳木斯-伊通斷裂帶是我國東部著名的郯廬斷裂帶向北延伸段的分支之一[1，2]，在其構造帶中段發育東北地區最復雜的走滑型含油氣盆地——伊通盆地[3，4]，其形成與演化過程中疊加伸展、走滑、盆緣基底隆升和盆地擠壓反轉等復合構造作用，盆地構造及演化變得復雜而特殊[5-7]。前人研究工作多集中于伊通盆地性質及盆地內部斷裂體系特征[8-13]、盆地內部二級斷陷及構造帶沉積演化與充填特征[14-19]、盆地內次級構造單元油氣成藏規律[20-26]等方面，而由于盆緣三維地震資料不完整以及品質較差，對西北緣這個特殊的構造單元不同區帶構造特征差異性及成因機制認識成果較少，制約了油氣的勘探進程，故對西北緣油氣差異分布規律進行研究對該區下一步油氣勘探具有重要意義。

1 區域概況

伊通盆地位于長春市和吉林市之間，隸屬于郯廬斷裂向北延伸的佳-伊斷裂帶內發育的一個狹長型走滑-伸展盆地。伊通盆地夾持于大黑山地壘和那丹哈達嶺隆起之間，是受兩個北東向邊界走滑斷裂控制的狹長地塹[3]。可以劃分為莫里青、鹿鄉以及岔路河3 個二級構造單元，并在此基礎上進一步劃分為西北緣斷褶帶等14個三級構造單元[4，20]（圖1）。該斷褶帶貫穿南北整個盆地，平面上呈狹長狀、北東向展布，主要由西北緣走滑邊界大斷層和斷褶帶內夾持的一系列次級逆沖斷層和相關的變形褶皺所構成，斷褶帶寬窄不一，平均1.0～2.5 km，沿該逆沖斷層前緣下降盤的上傾部位為有利的油氣聚集帶。伊通盆地主要沉積古近系地層，厚度約2 000～6 000 m，總體呈北西厚、南東薄，古近系自下而上發育始新統雙陽組、奢嶺組、永吉組，漸新統萬昌組、齊家組和新近系岔路河組以及第四系地層。

圖1 伊通盆地西北緣構造位置

2 西北緣構造特征

宏觀上，西北緣斷褶帶受走滑伸展-走滑隆升-擠壓多期構造活動形成，具有連續的、統一的整體性特點。微觀上，受基底性質、幾何形態、邊界條件、局部應力變化與斷陷發育程度等多種因素的制約，具有明顯的分段性特征。

2.1 西北緣構造樣式類型

西北緣不同區帶構造樣式主要有四種類型：強走滑擠壓型、走滑擠壓型、弱走滑擠壓型及強擠壓型，下面結合剖面分別敘述各種類型構造樣式的特征，剖面位置見圖1。

2.1.1 強走滑擠壓型

主要發育在伊通盆地西北緣西南部莫里青斷陷西北緣靠山鎮-馬鞍山地區，構造樣式表現為西北緣邊界斷裂上段陡直，向下曲面，呈弧形突面朝向盆外，剖面上呈正半花狀構造，斷層上升盤無地震反射，為整體性花崗巖巖體，基底隆起幅度高，抬升剝蝕強烈，斷層下降盤受大黑山基巖塊體隆升派生出側向擠壓應力，發育一系列逆沖斷層，向盆地內側擠壓的水平位移距離總體不大。

此類構造樣式主要由于莫里青斷陷西北緣邊界斷裂強烈的基底走滑擠壓作用，使大黑山垂直隆升幅度較大，邊界斷裂前緣盆地內派生一系列側向擠壓形成的小型逆沖斷裂，且斷裂下降盤地層變形由盆緣向盆內逐漸變弱（圖2），整體以隆升為主，側向擠壓為輔，具有典型走滑-逆沖作用所具有的特定表現形式。

圖2 伊通盆地西北緣強走滑擠壓型構造樣式（A-A’剖面）

2.1.2 走滑擠壓型

主要發育在伊通盆地西北緣中部鹿鄉斷陷大南鎮-奢嶺鎮地區，剖面呈正花狀構造，斷層上升盤基巖片體呈楔狀向上逆沖，造成斷層間夾持的沉積層強烈變形，并向上呈弧形凸起，基本不具有原始的地層形態（圖3）。這種構造樣式主要由于鹿鄉斷陷范圍小，大黑山與五星構造之間圍巖相距較近，隆升的基巖塊體互相限制，垂直隆升幅度較高，擠壓變形的范圍小，匯聚的擠壓應力只能在基底巖系中產生一系列斷裂，這些斷裂相互錯動并造成塊體之間地層強烈褶皺變形。

圖3 伊通盆地西北緣走滑擠壓型構造樣式（B-B’剖面）

2.1.3 弱走滑擠壓型

主要發育在伊通盆地西北緣東北部岔路河斷陷新安堡-波泥河子地區，剖面上呈似花狀構造。新安堡地區西北緣邊界斷裂呈弧形向盆外突出，傾向東南，地震剖面顯示分層變形，斷層下降盤淺層呈不對稱小背斜，深層呈逆沖斷片疊加，地層變形由盆緣向盆內逐漸變弱，邊界斷層前緣派生一系列小型的逆沖斷層，向凹陷弧形突出，但斷裂的規模和活動強度小得多，斷褶帶內反射層同相軸具有一定的連續性（圖4）。波泥河子地區西北緣邊界斷層呈直立上沖，僅邊界斷層前緣發育的逆沖斷層規模和擠壓強度更弱。斷層間夾持的沉積層變形相對較弱，基本保持原始沉積特征；局部由于泥質巖類發育而形成強烈揉皺變形的塑性體（圖5）。這類構造樣式主要是由于大黑山與那丹哈達嶺相距范圍大，圍巖應力相對較弱，大黑山隆起幅度低。在基巖塊體隆起幅度相對較低條件下，派生的側向擠壓應力作用也相應較弱，在前緣伴生發育一系列次生的小型逆沖斷層；同時，由新安堡地區向波泥河子地區大黑山的隆升進一步減弱，由隆升作用派生的側向擠壓應力也相應減弱，構造變形逐漸變小。

圖4 伊通盆地西北緣弱走滑擠壓型構造樣式（C-C’剖面）

圖5 伊通盆地西北緣弱走滑擠壓型構造樣式（D-D’剖面）

2.1.4 強擠壓型

主要發育在伊通盆地西北緣東北部岔路河斷陷樺皮場地區，剖面上呈翹傾不對稱楔形或疊瓦狀特征，西北緣邊界斷裂傾向反向朝盆外，同時發育單條或多條平行傾向盆外的逆沖斷層，控凹主逆斷層與凹陷中心軸向呈平行展布（圖6）。這類構造樣式主要是由于大黑山隆起與那丹哈達嶺地塊持續發生北東東-南西西向匯聚運動，盆地總體處于擠壓狀態，持續的側向擠壓應力使盆緣向盆內發生擠壓逆沖作用，從而使西北緣斷褶帶持續擠壓變形，在盆緣前端發育似撓曲凹陷。

圖6 伊通盆地西北緣強擠壓型構造樣式（E-E’剖面）

總體來看，伊通盆地西北緣構造具有明顯的分段性和差異性特征。莫里青斷陷西北緣變形最強烈，大黑山體隆升幅度大，斷褶帶擠壓破碎強烈，斷褶帶范圍最廣；鹿鄉斷陷西北緣變形程度有所減弱，大黑山隆升幅度減弱，斷褶帶內部擠壓破碎；岔路河斷陷西北緣過奢嶺鎮后明顯減弱且斷褶帶向邊界斷裂收斂，盆緣地層破碎程度均逐漸減弱，斷褶帶范圍變小；而樺皮場地區，大黑山山體隆升幅度不大，斷褶帶主要受側向擠壓逆沖作用形成典型逆沖疊瓦扇構造。根據上述典型特征，認為伊通盆地西北緣走滑作用依次消減，側向擠壓作用增強，這很可能與盆地和大黑山基底塊體性質及盆緣邊界作用力的不均衡有關。

2.2 西北緣構造差異性變形模式

西北緣深大斷裂走滑作用導致大黑山塊體差異隆升，并伴隨區域側向擠壓形成伊通盆地西北緣斷褶帶，其發育的構造樣式屬于典型的基底卷入型走滑-逆沖構造。根據前文不同區帶構造樣式差異性可以建立兩種結構模型，分別為莫里青-鹿鄉斷陷西北緣“正半花狀構造”結構模型（圖7）和岔路河斷陷“分層變形、垂向疊置”結構模型（圖8）。其中，莫里青-鹿鄉斷陷西北緣正半花狀構造主要表現為斷層面近地表傾角較大、淺中 層傾角變緩，往深部傾角進一步變陡，并收斂為一條主斷裂。縱向上斷裂帶的斷層組成正花狀或者正半花狀構造，反映了斷層的走滑變形特征。同時平面上呈分支復合，沿主干構造帶發育雁行排列斷層或褶皺；垂直山體方向具有一定規模的擠壓構造特征（圖2，圖3）。岔路河斷陷西北緣為“分層變形、垂向疊置”構造，其分層變形表現為垂向上以軟弱巖層為滑脫層分割深、淺層構造，淺層以斷層相關褶皺變形為主，深層以韌性擠壓反轉構造變形為主；而垂向疊置主要表現為垂向上深、淺層構造各自變形未發生大的橫向位移，蓋層與基底構造同步進行。軟弱層上部發育不對稱背斜，主逆沖斷層傾向為北西，呈現西翼緩、東翼陡，擠壓作用由西向東，軟弱層下部發育一系列同向次級正反轉斷層組成楔狀疊瓦構造。西北緣邊界斷層后期反轉活動屬于區域性正反轉斷層。岔路河斷陷西北緣斷褶帶走向南向北結構特征有一定變化，新安堡段軟弱層上部褶皺比較完整，發育似花狀不對稱緊閉的背斜（圖4），而到了波泥河子段（圖5） 和樺皮場段（圖6），不對稱背斜逐漸過渡為單斜或疊瓦逆沖扇形態。

圖8 岔路河斷陷西北緣構造帶模式

影響伊通盆地西北緣構造變形樣式的兩個方面的因素：①深層高角度基底正斷層后期反轉作用。伊通盆地形成期走滑-伸展作用導致西北緣高角度基底卷入的同沉積正斷層發育，盆地后期走滑-擠壓作用使先期高角度正斷層更容易發生反轉位移，因為西北緣邊界斷裂受垂向剪切應力和水平側向應力共同作用的合力方向是斜向上的。北東東-南西西向區域擠壓應力場使大黑山與那丹哈達嶺塊體匯聚，西北緣斷裂走滑壓扭作用、大黑山隆起產生的垂直剪切應力以及區域水平側向擠壓應力共同疊加作用于伊通盆地，易形成基底卷入型走滑-逆沖構造，在其深部誘發形成高角度逆沖斷層，淺部蓋層發育斷層相關褶皺。②塑性巖層厚度差異控制構造變形的能干性。始新世末期沉積的永吉組泥巖作為區域性非能干型軟弱層直接影響到西北緣構造分層變形。莫里青斷陷和鹿鄉斷陷西北緣大黑山隆起幅度高，剝蝕作用、走滑作用強烈，垂直剪切作用強，基底卷入逆沖斷層角度或位移量較大，而沉積的永吉組泥巖塑性層厚度較薄，形成的次級逆沖斷層向上直接沖破永吉組軟弱巖層，形成典型的深淺層疊置相通的正花狀構造；岔路河斷陷西北緣大黑山隆起幅度低，走滑作用較弱，垂直剪切作用力弱，側向擠壓作用強，基底卷入逆沖斷層角度或位移量較小，而岔路河斷陷沉積了巨厚的永吉組地層，成為沉積蓋層變形的重要滑脫層，深層形成的次級逆沖斷層難以向上突破上覆巨厚的永吉組軟弱巖層而在內部滑脫消失，淺層蓋層受側向擠壓發生褶皺變形，深層基底卷入反轉逆沖變形以及淺層蓋層滑脫褶皺變形同步發生，不存在先后順序，剖面上表現為“分層變形、垂向疊置”的構造特征，在其下盤形成一系列次級中-低角度逆沖斷層，在剖面上構成楔狀疊瓦構造，而上盤的擠壓收縮作用使盆地蓋層發育披覆褶皺或蓋層滑脫褶皺。

3 西北緣差異特征成因

前文所述沿南西-北東方向西北緣大黑山隆起幅度逐漸減小，深大斷裂走滑作用強度逐漸減弱，基底卷入走滑構造特征不明顯。研究發現走滑作用強度的減弱主要與伊通盆地發育的三組基底斷裂有關，其中，近東西向的三條基底斷裂的構造轉換作用是走滑作用減弱的主要原因。

3.1 伊通盆地基底斷裂體系

利用地球物理方法計算處理得出基底重磁異常圖進而編制了伊通盆地基底斷裂構造綱要格架圖，研究區內主要發育北東向、北西向、近東西向共三組方向基底斷裂（圖9）。其中，早期北東向邊界斷裂深層切割近東西向深大斷裂，晚期又被近北西向斷裂切割，斷裂整體呈共軛網狀，三組基底斷裂的共同作用控制了盆地內部構造。北東向基底斷裂主要為兩條不對稱的連續性相對較好的邊界深大斷裂，其中，盆地西北緣邊界斷裂為高角度陡直的張-扭性走滑斷裂，是分割大黑山隆起與盆地沉積層的控盆斷裂。近東西向基底斷裂為三條近平行排列的大型正斷層，將盆地南北分割成四塊，同時，被北東向斷裂切割，成為西北緣邊界斷裂走滑過程中重要的轉換調節斷層。北西向基底斷裂為三條活動相對較弱的晚期斷裂，一定程度上控制古水系的走向。趙文智等[26]提出沉積盆地基底斷裂后期構造活動主要表現為“顯性”或“隱性”活動。圖9 顯示近東西向F1、F2和F3三條基底斷裂貫穿伊通盆地，其中，地震剖面顯示F1 基底斷裂發育在盆地內部，為北東東向馬鞍山斷層，其分割莫里青斷陷與鹿鄉斷陷，控制雙陽組-奢嶺組地層沉積，斷距較大，雙陽組沉積厚度近800 m，斷層產狀較陡，具有明顯的伸展拉張性質，斷層“顯性”活動。地震剖面顯示F2基底斷層發育在盆地內部，為二號斷層，作為被佳伊斷裂錯斷的西拉木倫斷裂在伊通盆地的一部分，分割鹿鄉斷陷和岔路河斷陷，F2斷層與西北緣邊界斷裂共同控制了奢嶺鎮地區深斜裂陷槽的發育，斷層剖面特征呈坡坪式正斷層，上緩下陡，垂直斷距大，斷裂活動強烈，斷層持續活動，上下盤地層厚度差異非常大，雙陽組沉積厚度達近1 000 m；地震剖面顯示F3基底斷裂發育在盆地內部表現為基底斷裂弱活動形成的一組斜列的次級斷層，分割新安堡凹陷與波太凹陷，控制早期雙陽組的地層沉積，斷裂后期活動弱，地層隆升，屬于基底隱伏斷裂，雙陽組初始斷陷期斷裂活動不強，斷距較小，斷裂兩側雙陽組沉積厚度差異小，以微斷斜坡形式控制早期新安堡凹陷與波泥河子—樺皮場地區波太凹陷古地形地貌，斷裂“隱性”活動。

圖9 伊通盆地及鄰區基底主要斷裂體系分布

3.2 近東西向基底斷裂轉換帶

MORLEY C K 和THOMAS W A 提出構造轉換帶調節構造變形區的構造平衡。西北緣走滑型斷褶帶構造轉換帶類型在平面上可以分為同向疊置型、終止轉換型和交匯疊置型三種（圖10）。其中，莫里青地區強走滑擠壓型斷裂構造轉變為大南地區走滑擠壓型斷裂構造，西北緣邊界斷裂是以同向疊置型過渡的，其轉換帶發育在伊丹凸起的北面至大南鎮附近，該處發育切割邊界的橫切張剪性基底斷層F1，分割莫里青斷陷和鹿鄉斷陷，起到走滑帶內多條同向斷層調節斷褶帶構造轉換的作用，表現為西北緣邊界斷裂都持續傾向盆內，走滑位移繼承性傳遞，走滑作用使大黑山塊體隆升幅度大，側向擠壓相對較小（圖10a）。

大南地區走滑擠壓型斷裂構造轉變為新安堡地區弱走滑擠壓型斷裂構造，西北緣邊界斷裂以交匯疊置型轉換帶過渡，轉換帶發育于奢嶺鎮附近，F2斷層分割鹿鄉斷陷和岔路河斷陷，這種類型的轉換帶是伊通盆地所特有的（圖10b）。該區段處在鹿鄉斷陷的大南凹陷與五星構造帶以及岔路河斷陷的新安堡凹陷的交匯部位，主要由西北緣走滑斷層、派生的逆沖斷層與F2斷層空間上的組合、交匯與延伸構成交匯疊置型構造轉換帶，其中西北緣走滑斷裂傾向盆內，派生的逆沖斷層傾向盆外，F2斷層傾向北西，受走滑、伸展和擠壓三種應力共同作用，其形成原因與斷裂活動的時間序次有關，即早期西北緣邊界斷裂走滑伸展與F2正斷層拉張先期活動，使西北緣邊界斷層與F2斷層之間形成伊通盆地窄而深的裂陷槽，發育位置大概在奢嶺鎮附近，晚期西北緣邊界斷裂走滑擠壓下，使得西北緣邊界斷層派生的控藏逆斷層逐漸拼合到F2斷層上，F2正斷層在該處轉換為逆沖控藏斷層，并使得裂陷深槽逐漸關閉，裂隙槽內地層強烈變形，同時五星構造與大黑山的拼合部位地層也相應的強烈變形。

最后，新安堡地區弱走滑擠壓型斷裂構造轉變為波太地區強擠壓型斷裂構造，西北緣邊界斷裂以終止轉換型過渡，其轉換帶發育在新安堡地區和波泥河子地區之間（圖10c），該處發育一系列切割邊界的橫切張剪性基底斷層F3，分割新安堡凹陷與波太凹陷，起到調節斷褶帶構造轉換的作用，表現為西北緣邊界斷裂傾向由盆內轉化為盆外，走滑作用繼續減弱，斷褶帶逆沖斷層擠壓作用明顯。

圖10 西北緣斷褶帶主要構造轉換帶類型

4 結論

（1）伊通盆地西北緣構造樣式具有橫向分段特征。根據西北緣不同區帶斷裂組合變形特征與變形強度分段差異性可以分為4 種類型構造樣式：強走滑擠壓型構造樣式、走滑擠壓型構造樣式、弱走滑擠壓型構造樣式及強擠壓型構造樣式。從南西向北東方向總體上走滑作用減弱明顯，莫里青斷陷西北緣斷褶帶斷裂活動最強，鹿鄉斷陷西北緣斷褶帶斷裂活動次之，岔路河斷陷西北緣斷褶帶斷裂活動相對弱一些。

（2）伊通盆地西北緣兩期走滑差異疊加作用形成兩種構造變形新模式。分別為莫里青-鹿鄉斷陷西北緣深淺層疊置相通“正半花狀構造”和岔路河斷陷西北緣深淺層的“分層變形、垂向疊置構造”變形模式；其影響因素主要為深層高角度基底正斷層后期反轉作用、永吉組的塑性巖層厚度差異控制的構造變形的能干性。

（3）三組方向基底斷裂和近東西向基底斷裂轉換帶是西北緣斷褶帶構造樣式差異主要成因。伊通盆地主要發育北東向控盆邊界斷裂、近東西向基底轉換斷裂、北西向晚期控水系三組基底斷裂，其中，近東西向的三條基底斷裂對北東向的控制盆地形成的邊界斷裂走滑過程中具有轉換調節作用。可以劃分為莫里青-大南地區西北緣同向疊置轉換型、大南-奢嶺地區西北緣交叉疊置轉換型、萬昌北-波太西北緣終止疊置轉換型三種構造轉換類型。