黄河口凹陷南斜坡新生代断裂构造特征及演化

陈 磊， 杨 波， 宿 雯， 邬 静， 王雪莲， 甄彦琴

( 1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580 )



黄河口凹陷南斜坡新生代断裂构造特征及演化

陈 磊1,2， 杨 波1， 宿 雯1， 邬 静1， 王雪莲1， 甄彦琴1

( 1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580 )

黄河口凹陷新生代断裂复杂多样，岩浆活动频繁。利用三维地震资料，根据断裂体系特征、构造演化分析、地层厚度变化及钻井资料等，研究黄河口凹陷南斜坡新生代断裂构造特征及演化规律，分析断裂体系在古新世—早始新世断陷期、晚始新世—渐新世强走滑与强拉张期、新近纪走滑与热沉降期三个阶段的区域应力背景及演化特征。结果表明：研究区断裂体系划分为走滑断裂、拉张—走滑断裂和走滑—拉张断裂等三种断裂类型，以及“阶梯状”“负花状”“雁列式”和“复合花状”等四种断裂组合类型，并具有“三元”构造层结构特征；岩浆活动规律与断裂演化史具有同步性，断裂体系演化规律控制岩浆活动的时空差异性。该研究结果对复杂构造区断裂解释和岩浆活动模式建立具有参考意义。

断裂体系； 岩浆活动； 构造特征； 新生代； 黄河口凹陷； 渤海湾盆地

0 引言

随着勘探开发程度的不断深入，与火山岩相关的非常规油气藏成为研究热点。中国东部多个盆地相继在火山岩及岩下获得突破，如松辽盆地在徐家围子中生界发现大型火山岩气藏，渤海湾盆地济阳坳陷黄河口凹陷、黄骅坳陷南堡凹陷在新生界火山岩下发现大型油田，辽河坳陷东部凹陷在新生界发现规模性火山岩油气藏[1-4]。与火山岩相关的油气藏成为各大盆地油气储量持续增长的重要接替区，岩浆活动区逐步成为油气勘探的新领域。全球岩浆活动模式主要分为板缘和板内两种类型，板块运动控制岩浆活动带，形成环太平洋、大洋中脊、东非裂谷和阿尔卑斯—喜马拉雅—印度四大板块边界岩浆活动带[5]；板内岩浆活动分布不均衡，地区差异较大，主要受走滑断裂、边界伸展大断裂控制[6-10]，其中郯庐走滑断裂带控制中国东部岩浆岩的形成与分布，是中国东部最主要的火山活动带。

人们研究郯庐走滑断裂带与油气富集关系，提出走滑转换带控藏机制、走滑转换带控砂原理及走滑断裂—岩浆活动联合控藏等。如朱秀香等[11]分析黄河口凹陷走滑转换带，提出转换带控制圈闭发育、砂体展布和油气运移疏导体系的形成，以及中央隆起区的油气聚集；彭文绪等[12]分析沙垒田凸起走滑断裂，提出走滑断层多期活动控制圈闭的形成及两盘古近系的沉积，并对油气聚集和重新分配产生影响；徐长贵[13]提出陆相断陷盆地源—汇时空耦合控砂原理、盆缘走滑断裂源—汇体系等控砂模式；杨克基等[14]认为走滑断裂不仅能直接形成断块、背斜和断背斜等圈闭，还间接引起泥底辟构造，影响烃源岩的成熟演化、储层发育、油气运移及保存。

已有成果多集中于油气成藏方面的研究[15-19]，对断裂演化特征、机制及其与岩浆活动的关系等缺乏研究。根据地震、钻井等勘探资料，笔者分析渤海海域南部黄河口凹陷新生代断裂体系特征，探讨新生代区域应力背景与断裂演化特征、断裂与岩浆活动演化关系，为下一步油气勘探提供指导。

1 地质概况

黄河口凹陷位于渤海海域南部，属于渤海湾盆地济阳坳陷，面积约为3.300×103km2(见图1)，为中生界基底上发育的新生代凹陷，具有“北断南超”的箕状凹陷特点。凹陷北部以北西向伸展大断裂与渤南低凸起为界，南部以地层逐渐减薄超覆的莱北低凸起为特征，东、西部分别以郯庐断裂东支、西支与庙西凹陷、长堤潜山带为界。凹陷受郯庐断裂新生代走滑作用控制，被分割为东、中、西三个洼陷，郯庐断裂中支分隔凹陷西洼和中洼。钻探资料显示，凹陷基底为中生界地层，凹陷区上覆新生界沉积盖层，包括孔店组、沙河街组一段至三段(简称沙一段、沙二段和沙三段)、东营组一段至三段(简称东一段、东二段和东三段)、馆陶组、明化镇组下段(简称明下段)和明化镇组上段(简称明上段)，以及平原组地层。南部莱北低凸起区沙河街组地层至平原组地层直接覆盖于中生界基底之上。凹陷发育三个区域不整合面，即中生界与新生界界面(T8)、沙三段与沙二段界面(T5)、东营组与馆陶组界面(T2)，地层之间呈角度不整合或平行不整合接触。研究区位于黄河口凹陷中洼南斜坡，古近系以发育辫状河三角洲和曲流河三角洲沉积体系为特征，沙河街组至东营组沉积时期伴随间歇性大规模火山活动，发育多套火山岩地层；新近系以发育河流相和浅水三角洲沉积体系为特征。

图1 研究区位置Fig.1 The location of the study area

2 断裂分布、发育特征及展布规律

2.1 断裂分布及发育特征

根据地震资料、剖面特征与水平切片特征，以及断裂发育特征、模式和性质，将黄河口凹陷南斜坡断裂系统分为以走滑为主的断裂系统和以伸展为主的断裂系统(见图2 ，其中SS-1、SS-2为走滑断裂，ESS为拉张—走滑断裂)，以走滑为主的断裂系统主要包括NNE向走滑断裂和EW向拉张—走滑断裂；以伸展为主的断裂系统主要包括EW向及NE向走滑—拉张断裂。研究区断裂发育特征见图3。

2.1.1 NNE向走滑断裂

郯庐走滑断裂在渤海南段分为东、中、西三支，中支断裂横穿黄河口凹陷，表现为一组走滑断裂(SS-1和SS-2)，平面上呈NNE向展布，延伸距离为20～25 km。SS-1具有显性走滑特点，在地震资料上，断裂特征清晰且易识别，是分隔西洼和中洼的边界断裂，控制黄河口凹陷的演化；SS-2具有隐性走滑特点，发育于中洼，受火成岩和断裂活动强度影响，平、剖面特征不清晰，在地震资料上识别较困难。

中支断裂SS-1具有南、北分段特征(见图2、图3(a-b))，南段位于低凸起区，主断裂面近于直立，断面东倾，下部切穿基底，上部断至近地表，伴生断裂欠发育，与晚期断裂构成简单“Y”型分布，平面呈单一线状展布；北段位于凹陷斜坡区，主断裂面近于直立，下部切穿基底，中部断至渐新统，剖面上与古近系断裂构成“负花状”组合构造，深部呈线状展布特征，浅部平面上呈“雁列状”排列，剖面上构成复合“Y”型分布，根部连接于下部走滑主断裂。根据南、北段剖面对比，可见明显的“海豚效应”，南段表现为逆断层特点，北段表现为正断层特点。

图2 研究区不同时期断裂分布特征Fig.2 The distribution characteristics of faults in different periods of the study area

中支断裂SS-2同样具有南、北分段特征(见图2(a-b)、图3(c-d))，南段位于莱北低凸起，主断裂面直立，下部切穿基底，中部断至渐新世火成岩地层，两侧地层呈高角度“屋脊状”反射结构特征，与古近系断裂在火成岩地层构成“负花状”组合构造，在火成岩地层上，新近系地层晚期“雁列状”排列的断裂呈多级“Y”型分布。由于受古近纪岩浆活动影响，地层岩性条件复杂，引起地震相杂乱，地震资料质量较差，走滑断裂特征并不清晰，具有隐性走滑特征。北段位于凹陷区，走滑断裂表现为单一直立断面形态，多断至始新统，平面上呈断续线状延伸展布，与早期断裂构成“负花状”组合构造。

2.1.2 EW向拉张—走滑断裂

在走滑作用基础上，该类断裂由叠加拉张作用形成(ESS)，早期表现为弱拉张特点，控沉积作用微弱，中期表现为强烈挤压特点，夹持于两条走滑断裂之间，具有左旋平移特点。整体走向为近EW向，平面上延伸距离约为6 km，倾向正北，主断裂倾角较大，具有上陡下缓的产状特征；剖面上与次级断裂构成“复合花状”组合构造[20]。深部为一系列次级断裂与主断裂相交，呈“斜交式”组合；浅部为一系列近东西向展布的断层，呈“平行状”组合(见图2(a、c)、图3(e))。

2.1.3 EW向及NE向走滑—拉张断裂

在拉张基础上，该类断裂由叠加走滑作用形成(SSE)，是研究区发育最为广泛的一类断裂，整体呈NE向展布，平面上延伸距离为2～10 km，倾向以北西向为主。主断裂产状变陡，存在三种表现形式：第一种依附于走滑断裂派生，多发育于深层，剖面上与走滑断裂呈“负花状”组合构造，平面上沿走滑断裂呈羽状排列；第二种依附于拉张—走滑断裂派生，深、浅层发育，剖面上与主断裂呈反向搭接形成“复合花状”组合构造，平面上与主断裂呈“斜交式”组合；第三种主要发育于斜坡带，断裂多表现为独立发育和持续活动特征，几乎没有派生断层，深部断穿基底，浅部断至近地表，古近纪表现为较强的控凹陷、控沉积特征(见图2、图3(f))。

图3 研究区断裂发育特征Fig.3 The development characteristics of fault in the study area

2.2 断裂展布规律

根据三类断裂的延伸长度、切割深度及排列组合关系，研究区断裂展布具有明显的“三元”结构特征：下部孔店组—沙三段构造层(古新统—下始新统)被NNE向走滑断裂、EW向拉张—走滑断裂及NE向走滑—拉张断裂切割，主断裂面连续并断至中生界基底，次级断裂发育较少。中部沙二段—东一段构造层(下始新统—上渐新统)主断裂继承下部构造层的发育特征，NNE向走滑断裂SS-1北段次级断裂逐步增多，多呈NE向“雁列式”排列。上部馆陶组—明化镇组构造层(新近系)被NNE向走滑断裂和EW向拉张—走滑断裂切割，NNE向走滑断裂的断裂面不连续，表现为由一系列NE向雁列式断裂组成的断裂带；EW向拉张—走滑断裂持续活动并伴生大量晚期断裂；第三种走滑—拉张断裂再次活化，但伴生断裂不发育。

在垂向上，三段构造层的断裂结构模式具有差异性，主要发育四种断裂组合类型：

(1)“阶梯状”组合构造，发育于孔店组—沙三段构造层，为多条第三种走滑—拉张断裂，平面上呈“平行式”组合，剖面上构成“阶梯状”组合构造，属于凹陷区向凸起区的过渡带，主要控制孔店组—沙三段构造层的沉积演化及其他两个构造层的构造变形(见图4(a))。

(2)“负花状”组合构造，发育于沙二段—东一段构造层，NNE向走滑断裂与第一种走滑—拉张断裂呈羽状相交，平面上呈“斜交式”组合，剖面上构成“负花状”组合构造(见图4(b))。

(3)“雁列式”组合构造，发育于馆陶组—明化镇组构造层，走滑断裂晚期表现为NE向“雁列式”展布特征，没有连续的主断面，剖面上为多级“Y”型或复合“Y”型组合(见图4(c))。

(4)“复合花状”组合构造，发育于“三元”构造层，EW向拉张—走滑断裂与第二种走滑—拉张断裂平面上呈“斜交式”组合，剖面上构成“复合花状”组合构造(见图4(d))，主要控制东西向构造带的发育。

图4 研究区主要断裂组合类型Fig.4 Fault assemblage types in the study area

3 断裂演化史

根据断裂展布规律、“三元”结构特点、构造演化和区域应力背景，将研究区断裂体系演化划分为三个阶段。

3.1 古新世—早始新世

新生代古新世—早始新世，受太平洋板块俯冲方向由NNW向到NWW向(或正向)转变，以及印度板块NNE向欧亚大陆碰撞的影响，郯庐断裂带由左旋转为挤压兼右行平移，同时引起中国东部大陆软流圈上涌、岩石圈拆沉。渤海湾盆地表现为右旋弱走滑与水平强拉张的叠合特征，渤海湾盆地发生强烈断陷活动[21-24]。该时期是渤海湾盆地凹凸构造基本格局定型的重要时期。黄河口凹陷演化速率加快，进入快速沉降期，凹凸构造格局基本定型，具有“北断南超”的箕状凹陷特征。恢复黄河口凹陷构造发育史，该时期SN向水平伸展率可达2.6%～3.2%(见表1)，沉降速率达到200 m/Ma。

表1 黄河口凹陷不同构造演化阶段水平伸展率与压缩率(伸展为正，压缩为负)

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

演化阶段不同方向伸展与压缩率/%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渐新世-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

中支走滑断裂由左旋转为右旋，断裂切穿基底，但断裂右旋活动微弱，基本不控制沉积活动。在区域南北向强烈水平拉张力作用下，拉张—走滑断裂和第三种走滑—拉张断裂开始形成并活动，断裂切穿中生界基底，控制研究区沉积体系的展布和凹凸构造的基本格局(见图5(a))。早始新世末期(沙三段沉积末期)，随着区域构造整体抬升并遭受强烈剥蚀，渤海湾盆地区域不整合面(T5)形成，是凹陷由断陷期进入断—坳转换期的重要标志，断裂体系演化随之发生改变。

3.2 晚始新世—渐新世

晚始新世—渐新世，太平洋板块向正西方向加速俯冲[25]，造成菲律宾海板块与西南日本的碰撞及日本海的裂开，使东部大陆裂陷作用逐渐衰减；相应地，郯庐断裂带等NNE向深断裂受日本海扩张派生的NE-SW向挤压影响而发生右旋走滑位移，使渤海湾盆地表现出主压应力轴为NE-SW或NEE-SWW向的复杂区域应力场特征，总体具有右旋强走滑与水平强拉张的应力叠合特征[23]。该时期黄河口凹陷演化由多方向、多应力机制控制，早期，SN向水平伸展率为1.9%(见表1)，拉张作用较之前开始降低，第三类走滑—拉张断裂活动变弱，控凹陷、控沉积作用大幅减弱，凹陷沉降速率减小，断陷结构特征明显变弱(见图5(b))；晚期，EW向水平压缩率可达-3.3%(见表1)，表现为强烈的挤压作用，中支走滑断裂发生强烈右旋走滑位移，两盘地层厚度差别明显。走滑断裂活动表现出“南强北弱、东强西弱”的特点，走滑作用具有由南部凸起区向北部凹陷区逐步减弱、SS-1活动强度大于SS-2的特征。根据地层厚度和断裂切割关系，确定SS-1走滑位移超过3 km[26]，将黄河口凹陷分割成西洼和中洼两个洼陷，控制SN向构造带的发育，并引起大规模的火山活动。

在右旋走滑应力背景下，拉张—走滑断裂表现出反向左旋走滑断裂性质，对应里德尔应力椭球体中的共轭剪切破裂带，与右旋走滑断裂构成研究区的共轭剪切走滑断裂体系。由于受两条右旋走滑断裂的约束作用，左旋走滑位移较小，但挤压作用引起地层强烈变形；同时第一种、第二种走滑—拉张断裂开始产生，对应里德尔应力椭球体中的张性破裂(T)，活动强度相对较大，分别与中支走滑断裂、拉张—走滑断裂构成“负花状”和“复合花状”组合构造。该阶段断裂体系的差异活动改变之前的构造格局，是凹陷由断陷期向坳陷期转换的关键时期。随着渐新世末期(东营组沉积末期)发生东营运动，再次引起区域构造整体抬升并遭受强烈剥蚀，渤海湾盆地区域不整合面(T2)形成，凹陷逐步进入断裂后热沉降阶段。

3.3 新近纪

新近纪，太平洋板块开始出现弧后扩张及弧后盆地，造成向西的侧向推挤力；加之冲绳海槽弧后扩张向西推挤中国东部大陆，郯庐断裂带整体呈现较强的右旋走滑活动，渤海湾盆地总体表现右旋走滑与热沉降的叠合特征[6,20,27-28]。该时期凹陷沉积速率再次加大，总体进入坳陷期，黄河口凹陷早中新世各方向伸展率急剧减小，晚中新世各方向伸展率为2.0%～2.8%，具有走滑和拉张作用叠合特征，进入新构造运动时期。中支走滑断裂持续活动，但活动强度明显减弱，表现出“南强北弱、东强西弱”的特点，具有不同演化阶段的走滑断裂差异发育特征[29]。SS-1南段持续活动，浅部断至近地表；北段走滑作用变弱，主破裂面不发育，表现为发育一系列NE向“雁列式”断裂。SS-2南段活动明显减弱，表现为发育少量次级“雁列式”断裂；北部断裂完全停止活动。EW向拉张—走滑断裂和第三种走滑—拉张断裂再次活化，垂向活动强度增大，并伴生众多晚期断裂，共同控制浅层构造群的发育(见图5(c))。

综上所述，在新生代板块运动背景下，受地幔隆升引起的水平伸展及太平洋板块斜向俯冲引起的NNE向右旋走滑等双重作用控制，渤海湾盆地在时空上受伸展和走滑交互叠加作用影响，断裂演化特征受区域应力场演化控制，具有古新世—早始新世断陷、晚始新世—渐新世强走滑与强拉张、新近纪走滑与热沉降三个演化阶段特征。

图5 研究区构造演化史Fig.5 Tectonic evolution history in the study area

4 岩浆活动

受区域应力影响，研究区断裂复杂多样且活动持久，引起新生代大规模的幔源成因岩浆活动[7,30]。岩浆活动具有多期喷发、中心式和裂隙式喷发特点，活动规律与断裂演化特征具有一致性。

早始新世，渤海湾盆地受右旋弱走滑与水平强拉张应力控制，走滑断裂、拉张—走滑断裂活动微弱，黄河口凹陷以强烈断陷活动为主要特征，大型控凹走滑—拉张断裂发育。由于断裂切穿基底深度有限，无法沟通上地幔岩浆，该时期火成岩主要沿走滑断裂和拉张—走滑断裂零星分布，沿断裂呈点状展布，岩浆活动规模较小，具有中心式喷发特点，岩性主要为少量玄武岩和凝灰岩(见图6(a)，其中亮色代表火成岩)。

渐新世中晚期，受右旋强走滑与水平强拉张应力控制，整个黄河口凹陷进入断—坳转换期，走滑断裂发生强烈右旋活动，拉张—走滑断裂和走滑—拉张断裂也进入活跃期。渤海湾盆地海域内莫霍界面埋深较浅，约为30 km[31]，而郯庐走滑断裂在始新世时期切割深度已达30～40 km[32]，具备形成大规模被动型岩浆活动的地质背景。研究区走滑断裂、拉张—走滑断裂发生强烈活动并切穿基底，直达上地幔岩浆房，成为岩浆活动的主通道[6,21]；与走滑断裂、拉张—走滑断裂连接的新生界走滑—拉张断裂，可作为岩浆喷发至地表的次级通道，两者共同构成岩浆高效喷发的断裂输导体系。因此，该时期岩浆活动规模和频率明显增大，岩浆活动持续近9 Ma，多达20次以上，火山岩与砂泥岩、火山碎屑岩等频繁互层沉积，岩性以溢流相玄武岩和爆发相凝灰岩为主(见图7)。此外，沙三段地层中发育部分岩脉状侵入岩，岩性为辉绿岩。根据泥岩颜色及区域构造背景，研究区岩浆喷发环境为水下喷发的还原环境，渐新世晚期喷发规模达到顶峰，溢流相玄武岩呈层状或片状覆盖大面积地区，最大分布面积超过60 km2(见图6(b))。渐新世中期，岩浆活动表现为沿走滑、拉张—走滑主断裂通道呈中心式喷发模式，喷发范围局限，分布面积为1～2 km2；渐新世晚期，岩浆活动表现为沿走滑、拉张—走滑断裂主通道呈裂隙式喷发模式，沿走滑—拉张断裂通道呈中心式喷发模式，岩浆活动进入全面喷发期，溢流相和爆发相几乎覆盖研究区，分布范围最广，侵出相分布相对局限；渐新世末期，岩浆活动逐步减弱，表现为中心式喷发模式。

图6 研究区不同演化阶段火成岩分布特征Fig.6 The distribution characteristics of igneous rock in different periods of the study area

图7 研究区BZ34-A构造连井剖面Fig.7 The profile of connected wells of the structure BZ34-A in the study area

新近纪—第四纪，随着渤海湾盆地右旋走滑力的减弱，黄河口凹陷整体进入断裂后热沉降阶段，走滑断裂、拉张—走滑断裂活动性减弱，缺乏被动型岩浆活动形成条件，研究区岩浆活动完全停止；而郯庐走滑断裂东支活动性强度明显增强，岩浆活动中心也由黄河口凹陷迁移到东部莱州湾凹陷[33]。

综上所述，走滑断裂、拉张—走滑断裂是沟通上地幔岩浆房的主要通道，其活动性强度决定岩浆活动的规模与期次，与之连接的伴生断裂是岩浆二次输导的重要通道，控制岩浆活动的局部喷发中心和平面展布范围。

5 结论

(1)黄河口凹陷南斜坡新生代断裂体系可划分为走滑断裂、拉张—走滑断裂、走滑—拉张断裂三种主要类型，发育“阶梯状”“负花状”“雁列式”“复合花状”等四种主要断裂组合类型，垂向上具有“三元”构造层结构特征。

(2)新生代断裂演化可划分为古新世—早始新世的断陷期、晚始新世—渐新世的强走滑与强拉张期、新近纪的走滑与热沉降期三个演化阶段，总体受地幔隆升引起的水平伸展和太平洋板块斜向俯冲引起的NNE向右旋走滑等双重作用控制，在时空上受伸展和走滑交互叠加作用影响，断裂演化特征受区域应力场演化控制。

(3)岩浆活动规律与断裂演化史具有同步性，断裂体系演化规律控制岩浆活动的时空差异性。走滑断裂、拉张—走滑断裂活动性强度决定岩浆活动的规模与期次，与之连接的伴生断裂控制岩浆活动的局部喷发中心和平面展布范围。

(4)总结断裂体系、区域应力、岩浆活动的演化特征及相互关系，为复杂构造区断裂解释和岩浆活动模式的建立提供思路，在断裂、岩浆活动对油气的控藏研究方面具有指导意义。

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2016-01-26；编辑：朱秀杰

国家科技重大专项( 2011ZX05023-006)

陈 磊(1982-)，男，硕士研究生，工程师，主要从事油气成藏方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2016)04-0028-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.004