渤海灣盆地滄東凹陷沙河街期構造演化及動力機制

摘 要：基于地震和鉆井資料，在分析研究區沙河街組斷層、古地貌等特征的基礎上，對滄東凹陷沙河街期構造演化特征進行了分析，結合區域動力學背景探討了滄東凹陷沙河街組的形成動力機制。結果表明，滄東凹陷主要存在平面狀、鏟狀、座椅狀和坡坪狀4種斷層剖面類型，斷層剖面組合樣式為“Y”型、斷階型、“人”字型和花狀構造，斷層平面組合特征為雁列狀、“羽”狀和側列狀。沙河街組不同沉積時期古地貌特征差異較大，總體表現出沉降中心由帶狀分布轉化為面狀分布，各構造單元趨于穩定沉積的地貌特征。盆地在沙河街期經歷了強烈斷陷期（沙三段沉積期）、斷陷萎縮期（沙二段沉積期）和斷拗期（沙一段沉積期）3個演化階段。沙三段-沙二段沉積期主要受地幔柱作用導致的伸展作用影響，沙一段沉積期主要受地幔柱作用導致的熱沉降作用影響。

關鍵詞：伸展作用；地幔柱作用；演化特征；動力機制；沙河街組；滄東凹陷

Tectonic evolution and dynamic mechanism in Shahejie Formation， Cangdong Depression， Bohai Bay Basin

MA Ruijun1， LI Yong2， LIU Huifang3， ZHANG Chenbo1

（1.Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， Sichuan， China;

2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Chengdu University of Technology，

Chengdu 610059， Sichuan， China;

3.Dagang Oilfield Company， PetroChina， Tianjin 300280， China）

Abstract： Based on seismic and drilling data， this paper analyzes the tectonic evolution characteristics of the Shahejie Formation in the Cangdong Depression based on the analysis of the faults and paleogeomorphology of the Shahejie Formation. It discusses the dynamic mechanism of the formation of the Shahejie Period in the Cangdong Depression in combination with the regional dynamic background. The results show that there are four main types of fault profiles in Cangdong Depression， namely planar， shovel-shaped， seat-shaped and slope-shaped; four fault profile combination styles of \"Y\" shape， fault step type， \"human\" shape and flower-shaped structure， and three fault plane combination characteristics of goose column shape， \"feather\" shape and lateral row shape. The paleogeomorphological characteristics of the Shahejie Formation vary significantly in different sedimentary periods and generally show that the subsidence center is transformed from a zonal distribution to a planar distribution， and each tectonic unit tends to be stable. In the Shahejie Formation， the basin has experienced three evolutionary stages： intense fault depression （Es3 sedimentary period）， fault depression compression （Es2 sedimentary period） and fault depression period （Es1 sedimentary period）. The Es3-Es2 are mainly affected by the extensional effect caused by mantle plume， and the Es1 is primarily influenced by the thermal subsidence caused by mantle plume.

Keywords： extension; mantle plume; evolutionary characteristics; dynamic mechanism; Shahejie Formation; Cangdong Depression

渤海灣盆地是在太平洋板塊俯沖背景下，在地幔對流伸展和斜走滑拉分雙重動力源控制下形成的新生代復雜疊合斷陷盆地（侯貴廷等，2001；Peng Jingsong et al.，2018；胡志偉等，2019），具有明顯的伸展斷陷特征，不同部位有不同程度的走滑改造（Li W et al.，2021；趙利等，2016），在這種構造活動背景下，位于渤海灣盆地中部的滄東凹陷，其斷層特征和構造演化表現得更加復雜。近年來，隨著盆地勘探程度的提高，沙河街組表現出良好的油氣勘探潛力（劉子藏等，2010）。基于其特殊的區域構造位置和油氣地質意義，前人對滄東凹陷古近紀的構造演化過程開展過一定的研究，一般認為古近紀孔三段—孔一下亞段沉積期為拗陷期，孔一上亞段—東營組沉積期為斷陷期，其中，孔一上亞段沉積期為正向伸展斷陷期，沙三段—東營組沉積期為走滑伸展階段（葉琳等，2013；顏照坤，2014）。

目前，對滄東凹陷沙河街組沉積時期內的構造演化特征及動力機制的研究相對較少，本文利用地震和鉆井資料，在分析滄東凹陷沙河街組斷層、古地貌特征的基礎上，對滄東凹陷沙河街期構造演化過程進行了研究，并對其形成的動力機制作了探討，為今后該地區油氣勘探預測提供借鑒。

1 "地質背景

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的南部（圖1），屬渤海灣盆地三級構造單元，北以孔店構造帶為界，南至烏馬營斷裂構造帶，東西分別以徐西斷層和滄東斷層為界，是一個NNE向延伸的多期疊合盆地。研究區涵蓋了滄東、常莊、南皮三大次級凹陷以及孔店構造帶、舍女寺鼻狀構造帶、小集斷裂構造帶和烏馬營斷裂構造帶四大構造帶，呈現出隆凹相間的構造格局（圖1）。據前人研究成果，滄東凹陷新生代地層自下而上分別為孔店組（Ek）、沙河街組（Es）、東營組（Ed）、館陶組（Ng）和明化鎮組（Nm），其中沙河街組自下而上又劃分為沙三段、沙二段和沙一段。

2 "斷層形態及其組合特征

斷層是鑒別構造活動和發展演化的基本地質標志，區域斷層的形態及組合樣式一般能夠反映一定的構造運動。滄東凹陷經歷多期構造活動，其斷層形態和組合特征較為復雜。本節從斷層剖面形狀、斷層剖面組合樣式和斷層平面組合樣式3個方面對滄東凹陷沙河街組斷層及其組合特征進行詳細分析。

2.1 "斷層剖面形狀特征

滄東凹陷可識別出平面狀、鏟狀、座椅狀、坡坪狀4種斷層剖面類型（圖2）。平面狀斷層剖面通常表現為筆直的線條狀，規模較小，切割深度相對較淺，分布范圍廣，區內的滄東斷層和徐西斷層的周緣地區均發育此類產狀。鏟狀斷層剖面呈現上部陡峭、下部緩和的特點，研究區內的徐西斷層北段存在這種剖面類型。座椅狀斷層剖面通常表現為上部陡峭、中部緩和、下部陡峭的椅狀，具有斷面較長，切割深度大等特點，主要見于滄東斷層的中段和徐西斷層的南段。相對于座椅狀，坡坪狀斷層的斷面傾角較緩，但其切割規模較大，切穿地層深度大，區內的滄東斷層存在這種產狀類型。

2.2 "斷層剖面組合樣式

不同產狀和規模的斷層之間在剖面上呈現出不同的組合關系，這些組合形式對于探討研究區內的斷層活動和構造演化具有重要的意義。滄東凹陷可識別出“Y”型、斷階型、“人”字型和花狀構造4種斷層剖面組合樣式（圖3）。其中：“Y”型斷層組合是指主斷層與位于其上方的反向斷層相結合，形成形似字母“Y”的斷層形態，這種組合樣式可分為簡單“Y”型（只有單一反向斷層發育的情況）和復雜“Y”型（存在多個反向斷層的情況），這兩種形式在滄東凹陷內都比較常見；斷階型斷層組合是指次級斷層與主斷層平行排列，呈階梯狀的形態，根據次級斷層與主斷層的傾斜方向可分為同向斷階型和反向斷階型，研究區內的小集-段六撥斷裂帶存在這類組合樣式；“人”字型斷層是指由兩條傾向相反的斷層交匯而成的組合樣式，這類組合樣式主要見于孔店凸起周緣；花狀構造是走滑斷層的伴生構造，走滑斷層自上而下發散為若干條次級斷層，在剖面上呈現花狀形態，在滄東凹陷的邊界大斷層下盤可識別出小規模的花狀構造，其主要切割沙河街組地層，由此說明滄東凹陷在沙河街組沉積期間曾發生走滑作用。

2.3 "斷層平面組合特征

滄東凹陷的沙三段底界和沙一段底界斷層的平面組合可以概括為3種形式：雁列狀、“羽”狀和側列狀。雁列狀斷層組合通常表現為多條傾向相同的斷層首尾相接，形似雁列狀，此類組合是走滑作用在改造或疊加在拉張構造上形成的典型構造樣式，在滄東凹陷內一般見于烏馬營構造斷裂帶中。“羽”狀斷層組合通常表現為多條傾向相同且平行排列的次級斷層與主干斷層相交，形似羽毛狀，這種組合形式通常表示走滑作用或者橫向調節作用，研究區內一般見于烏馬營斷裂帶、小集-段六撥斷裂帶中。側列狀斷層組合是指多個斷層沿著相同的走向和傾向相互側向連接，常見于孔店構造帶南部地區。對比沙三段和沙一段斷層分布圖（圖4），沙一段凹陷內次級斷裂大量發育，多為NEE向走向，且呈雁列狀或羽狀，指示沙一段沉積期存在走滑作用。

3 "古地貌特征

通過地層厚度等值線圖和埋藏時深圖，用以揭示沙三段沉積初期、沙二段沉積初期和沙一段沉積初期的古地貌特征，從而判斷滄東凹陷沙河街組不同沉積時期構造活動的相對強弱，進而分析構造演化特征。

3.1 "沙三段沉積期古地貌特征

從圖5 a可看出，沙三段沉積期具有多個沉降中心，沉降中心整體呈斜列式展布，表明滄東凹陷在沙河街組沉積期存在走滑作用（葉琳，2013；孫晶，2010）。該時期的地層沉積最厚區域位于滄東次凹西側，地層平均厚度大于700 m，其次是靠近徐西斷層一側的常莊次凹和南皮次凹，地層平均厚度在500 m左右，而盆地中部地區沉積厚度較薄，地層平均厚度在300 m以下。靠近邊界大斷層根部的地層沉積厚度顯著大于盆地其他區域，這表明滄東斷層和徐西斷層對地層沉積起到明顯的控制作用，沙三段沉積期斷層的伸展作用較強。如圖6 a所示，沙三段沉積期地形起伏大，各構造單元古落差較大，相比于徐西斷層一側，滄東斷層一側的古落差更大，表明該時期構造活動較強烈，同時滄東斷層的活動性強于徐西斷層。

3.2 "沙二段沉積期古地貌特征

如圖5 b所示，沙二段沉積期與沙三段沉積期相比，地層總體厚度較薄，沉降中心未發生大的變化，但靠近徐西斷層一側的沉降中心總體呈現出向盆地南部和中部移動的趨勢，這表明邊界斷層對地層沉積的控制作用減弱，斷層的伸展作用也有所減弱。地層沉積以常莊次凹和南皮次凹沉積最厚，沉積厚度在200 m左右，滄東斷層根部滄東次凹沉積厚度明顯變薄，沉積最厚區域可容納空間范圍變小，并呈現北移趨勢，說明該時期應力集中區域出現北移的趨勢。盆地北側的孔店凸起地層沉積最薄，盆地北側的孔店凸起范圍變大，地層沉積厚度顯著減小，推測是由于該時期滄東凹陷北部構造抬升，孔店凸起進一步遭受風化剝蝕而導致地層減薄或缺失。

3.3 "沙一段沉積期古地貌特征

如圖5 c所示，該時期地層沉積厚度較沙二段時期增厚，最大地層厚度在400 m左右，分布在滄東次凹北部。靠近徐西斷層一側，沉降中心由前兩個階段的多沉降中心串聯帶狀分布轉化為面狀展布。同時，徐西斷層一側的沉降范圍進一步向盆地中心擴大遷移，位于滄東斷層一側的沉降范圍向北東方向擴大遷移，表明斷層對沉降中心分布的控制作用進一步減弱，沙一段沉積期斷層的伸展作用減弱。由圖6 b可知，該時期地層沉積范圍明顯擴大，各構造單元古落差較小，呈現出穩定沉積的狀態。同時，該階段孔店凸起的可容納空間變大，地層厚度顯著增加，這顯然與較弱的伸展作用不符合，因此，沙一段沉積期可容納空間變大可能是區域性坳陷作用等其他因素造成的。

4 "滄東凹陷沙河街組沉積期構造演化特征

通過對滄東凹陷沙河街組斷層的組合特征、典型構造樣式及古地貌特征等方面的綜合分析，可以判斷滄東凹陷在沙河街組沉積期不僅存在伸展作用，而且存在走滑作用，與前人研究具有較為一致的認識，但根據古地貌分析以及前人研究結果，可以判斷滄東凹陷在沙三段沉積期、沙二段沉積期和沙一段沉積期又具有不同的構造作用強度。滄東斷層和徐西斷層對滄東凹陷的地層沉積具有明顯的控制作用，使其呈現出楔狀展布特征，兩條邊界大斷層在沙河街期發育為同沉積斷層，表現出強烈的伸展作用。

沙三段沉積期滄東凹陷各構造單元古落差較大，斷層活動強烈，表明沙三段沉積期是沙河街組伸展作用最強的階段。該時期滄東斷層的正斷活動呈現北強南弱的特征，導致靠近滄東斷層一側的地層沉積厚度整體上北厚南薄，北部滄東斷層根部古落差較大，沉積作用較強，物源物質易堆積，發育扇三角洲，而靠近滄東斷層一側的南部區域地形起伏低，高差相對較小，發育辮狀河三角洲。該時期徐西斷層由北到南則表現為一致的較強正斷活動，總體上呈現出3個沉降中心（常莊沉降區、小集沉降區和烏馬營沉降區），高差較大，發育陡坡帶，易形成三角洲沉積相，但由于缺乏物源供給（趙少澤，2021），常莊沉降區和小集沉降區主要為湖泊相沉積，烏馬營地區為扇三角洲相沉積。該時期滄東斷層和徐西斷層的正斷活動導致凹陷內幾個次凹的沉降中心發育在斷層根部。受兩條邊界斷層正向拉伸作用的影響，斷層下降盤地層發生翹傾作用，研究區北部的孔店凸起在該時期抬升成為陸地。

沙二段沉積期滄東凹陷的伸展作用有所減弱，尤其在滄東斷層北段表現得最為明顯。邊界斷層活動減弱直接導致了滄東凹陷沉積面積減小，孔店凸起變大，沉積范圍和沉積厚度顯著減小。靠近滄東斷層一側的北部區域在該階段主要發育湖泊相沉積，靠近徐西斷層一側的區域主要發育三角洲相沉積。該時期徐西斷層一側的沉降中心向遠離邊界斷層一側移動，但依舊顯示出斜列式的分布特征。

沙一段沉積期滄東凹陷的伸展作用較弱，同時表現出拗陷作用的特征。首先，根據地層厚度圖和埋藏時深圖反映的古地貌特征可以看出，與沙三段沉積期相比，沙一段沉積期古地形較為緩和，且沉降中心遠離斷層的根部，徐西斷層一側沉降中心繼續向中部擴散遷移，說明斷層對沉降中心分布的控制作用減弱，這表明沙一段沉積期的伸展作用較弱。其次，有研究證實滄東凹陷沙河街組沉積期的伸展量和伸展率相對較低，表明沙一段沉積期的伸展作用微弱，且遠小于沙三段沉積期（葉婷婷等，2023）。由于構造活動減弱，古地貌高差減小，物源物質輸入減少，導致該階段以湖泊相沉積為主，并發育碳酸鹽灘壩。沉降中心的轉移以及斷層發育花狀構造并呈現雁列狀或羽狀，表明該階段凹陷的構造運動方式發生了轉變，由簡單的拉伸作用轉變為走滑拉伸作用。從地層厚度等值線圖可以看出，與沙三段和沙二段相比，沙一段沉積范圍最大，且孔店凸起沉積范圍顯著減小，地層厚度顯著增加，這顯然與較弱的伸展作用不符合，因此，沙一段較大的可容納空間可能是區域拗陷作用下海水大規模入侵造成的。

綜上，本文認為，滄東凹陷在沙河街組沉積期屬于同裂陷期的走滑伸展階段，其中沙三段沉積期滄東凹陷的伸展作用最強，為強烈斷陷期，沙二段沉積期伸展作用減弱，為斷陷萎縮期，沙一段沉積期滄東凹陷表現出較弱的伸展作用和拗陷作用，為斷拗期。同時，據前人對黃驊坳陷沙一期礦物巖石特征、古生物特征以及地球化學特征的綜合研究（金振奎等，2002；陳世悅等，2012；楊有星等，2013；高福紅等，2017；魯慶偉，2021），證實了黃驊坳陷沙一段沉積期發生過海侵，本文推測滄東凹陷沙一段沉積期較大的可容納空間可能與區域性拗陷作用導致海水入侵有關（圖7）。

5 "滄東凹陷沙河街組沉積期盆地構造形成機制

滄東凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷的一個次級構造單元，其構造演化首先服從于渤海灣盆地的動力機制。一般認為，渤海灣新生代構造演化的動力來源主要有板塊相對運動和地幔柱作用（任建業，2018；趙重遠，1984；孟慶任等，1993；周建勛等，2006；李明剛等，2013）。本文認為，滄東凹陷沙河街組沉積期的構造演化特征主要受地幔柱作用控制，而板塊相對運動則對研究區的走滑特征起控制作用。

5.1 "地幔柱作用與滄東凹陷沙河街期構造演化的關系

地幔柱作用強調地球深部構造與物質的垂向運動，以地殼隆升、火山作用和大陸裂解為主要特征（周連成等，2004；肖龍，2004）。通過對地震資料、沉積特征和巖石礦物的綜合研究，證實新生代中國東部存在地幔柱構造事件，該地幔柱可能是形成于晚侏羅世—晚白堊世的松遼盆地，后由于華北板塊北移，在始新世時地幔柱移動到京津—渤海灣地區（肖龍等，2004）。自古近紀以來，渤海灣盆地受地幔柱作用控制形成了主動伸展型盆地（陸現彩等，1998；張飛鵬，2020）。根據朱曉青（2009）的地幔柱模型研究，可以將渤海灣盆地的構造演化劃分為3個階段：從晚侏羅世到古新世的熱隆起階段，孔店組沉積期到沙河街組二段沉積結束的熱伸展階段，沙河街組一段沉積期開始的熱沉降階段。通過對滄東凹陷構造演化過程的分析，本文認為沙三段—沙二段沉積期可劃分為熱伸展期，該時期盆地主要受地幔柱作用導致的伸展作用影響，沙一段沉積期為熱沉降期，該時期盆地主要受地幔柱作用導致的拗陷作用影響。同時，據前人研究結果，黃驊坳陷內部及其周緣深大斷裂（郯廬斷裂、鹽山-歧口-蘭聊斷裂）的伸展作用主要發生在孔店組—沙三段沉積期（張亞敏等，2000；徐佑德，2009），該時期與熱伸展期相對應，推測深大斷裂的強伸展作用很可能是受該時期地幔柱作用影響。滄東凹陷孔店構造帶周緣的沙三段—沙二段發育玄武巖，而沙一段并無玄武巖的發育（孟元庫等，2013；金春爽等，2012），這表明地幔柱作用是逐漸減弱的。

地幔柱作用引起的渤海灣盆地伸展使滄東凹陷在沙三段沉積期強烈伸展，造成研究區NE-SW向的滄東斷層和徐西斷層兩個邊界斷層活動性較強，這一時期斷層控制沉積作用，沉降中心分布在斷層根部，沙三段底界呈現較大的古地貌差異，山高水深，陸源物質供給充足，沉積地層厚度較大。

沙二段沉積期是地幔熱伸展向地幔熱沉降的過渡階段，該時期伸展作用及邊界斷層活動減弱，可容納空間增長速率較慢，滄東凹陷各構造單元古落差減小，地層沉積厚度顯著變小，沉降中心向凹陷內部遷移，邊界斷層的正向伸展作用減弱。

地幔柱作用減弱導致滄東凹陷在沙一段沉積期以熱沉降為主，該時期滄東凹陷處于斷坳期，邊界斷層活動性明顯減弱，地形趨于平緩，沉積范圍擴大，出現較大的可容納空間。

5.2 "板塊相對運動與滄東凹陷沙河街期構造演化的關系

板塊相對運動產生的區域應力場是深斷裂發生走滑作用的主要動力源（漆家福等，1995），本文認為板塊相對運動對研究區的走滑特征起控制作用，使滄東凹陷在沙河街組沉積期發生斜向伸展。古近紀中始新世約42 Ma，太平洋板塊對歐亞大陸的俯沖方向由北北西向轉為北西西向（圖8），這種轉變造成北東-南西向展布的郯廬斷裂和太行山斷裂出現強烈的右旋走滑延伸，在各板塊綜合協調運動下，渤海灣盆地成為走滑拉分盆地。滄東凹陷位于這兩條基底走滑斷裂的重疊部分，受右旋走滑分量的影響，滄東凹陷的邊界斷層發生斜向拉伸，造成沙河街組沉積期的沉降中心呈斜列式展布，并在徐西斷層下降盤發育近東西向的帚狀或雁列狀分布的斷層。

6 "結論

通過對滄東凹陷沙河街組斷層形態及組合特征、古地貌特征的分析，得出以下結論：

1）對滄東凹陷共識別出平面狀、鏟狀、座椅狀、坡坪狀4種斷層剖面類型；4種斷層剖面組合樣式，分別為“Y”型、斷階型、“人”字型和花狀構造；斷層平面組合可以總結為“羽”狀、雁列狀、側列狀3種。

2）滄東凹陷沙河街組沉積期沉降中心由沙三段沉積期和沙二段沉積期的多沉降中心串聯帶狀分布轉化為沙一段沉積期的面狀展布，地層沉積范圍逐步擴大，各構造單元古落差減小，逐漸呈現出穩定沉積的狀態。

3）滄東凹陷在沙河街期屬于同裂陷期的走滑伸展階段，沙三段沉積期滄東凹陷的伸展作用最強，為強烈斷陷期，沙二段沉積期伸展作用減弱，為斷陷萎縮期，沙一段沉積期滄東凹陷表現出較弱的伸展作用和拗陷作用，為斷拗期。

4）滄東凹陷形成演化的動力來源主要是地幔柱作用，而板塊相對運動主要使其出現走滑特征。沙三期—沙二期為熱伸展期，該時期盆地受地幔柱作用導致的伸展作用影響，沙一期為熱沉降期，該時期盆地主要受地幔柱作用導致的拗陷作用影響。沙河街期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方向的轉變使滄東凹陷自沙二期所受走滑分量逐步增加，從而呈現出走滑特征。

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收稿日期：2023-12-19；修回日期：2024-03-15

基金項目：中國石油大港油田分公司項目滄東凹陷沙河街組綜合地質研究（DGYT-2018-JS-289）資助

第一作者簡介：馬瑞浚（2000- ），女，在讀碩士，研究方向：地質學。E-mail：1240185078@qq.com

通信作者簡介：李勇（1963- ），男，教授，主要從事含油氣沉積盆地動力學、石油與天然氣地質勘查與評價研究工作。E-mail：liy@cdut.edu.cn

引用格式：馬瑞浚，李勇，劉會紡，張晨博，2024.渤海灣盆地滄東凹陷沙河街期構造演化及動力機制［J］.城市地質，19（4）：545-553