莱北低凸起构造成因演化及其对沉积体系的控制作用

王孝辕, 黄江波, 杨海风, 邓 辉, 李果营, 郭 轩

( 中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院,天津 300459 )

0 引言

随着对郯庐断裂带认识的不断深入，有关渤海海域构造成因演化研究取得进展[1-5]。目前，对于郯庐断裂带渤南段对凹陷和凸起构造演化的控制作用有较大分歧。在渤海湾盆地东南部，郯庐断裂带新生代右旋走滑活动形成潍坊凹陷至莱州湾凹陷等一系列典型拉分盆地[6-7]。彭文绪等认为，莱州湾凹陷不具有典型走滑拉分盆地的性质，莱州湾凹陷及莱北低凸起成因于早期裂谷叠加晚期走滑改造[8-10]。黄雷等提出，莱州湾凹陷沙三段沉积前与沙三段沉积后具有不同的构造背景，沙三段沉积前为左旋走滑影响下的断陷盆地，沙三段沉积后为右旋走滑作用改造下的断陷—坳陷盆地[11]。

目前，将莱州湾凹陷和莱北低凸起作为整体进行构造演化分析的研究较少，缺乏郯庐断裂带右旋走滑对盆—山演化关系的研究。在三维地震资料精细解释基础上，根据断裂体系特征、构造样式和地层厚度等资料，笔者分析莱北低凸起的演化过程，揭示郯庐断裂右旋走滑对莱北低凸起形成及其周缘盆地演化的控制机理，明确沙一二段和东三段沉积时期莱北低凸起西侧古沟谷演化对沉积的控制作用，为凸起斜坡区寻找有利储集层发育区提供指导。

1 地质概况

莱北低凸起位于渤海海域南部，呈北东向菱形展布，凸起北东和南西方向分别倾没于黄河口凹陷和莱州湾凹陷东北洼，总体表现为“一脊两翼”的构造格局(见图1)。莱北低凸起南北两侧受伸展断层分割，东西两侧为郯庐走滑断层夹持，伸展应力和走滑剪切应力共同控制莱北低凸起的形成和演化。钻井资料揭示，莱北低凸起之上缺失古近系孔店组、沙四段，局部缺失东一段，新生界自下而上发育古近系沙三段、沙一二段和东营组，新近系馆陶组、明化镇组。

区域地质研究表明，对于渤海湾盆地，地幔上涌和郯庐断裂走滑活动是构造运动的双动力源，在新生代演化过程中，具有多旋回叠加和多成因机制复合的特征[12-15]，整体可细分为5个演化阶段，即孔店组—沙四段沉积时期的裂陷Ⅰ幕(65.0～42.0 Ma)；始新世沙三段沉积时期的裂陷Ⅱ幕(42.0～38.0 Ma)；渐新世沙一二段沉积时期的盆地第一裂后热沉降拗陷阶段(38.0～32.0 Ma)；渐新世东营组沉积时期的裂陷Ⅲ幕(32.0～23.3Ma)；馆陶组至明下段沉积时期的第二裂后热沉降阶段(23.3～5.3 Ma)。双动力源、多期次的构造运动使郯庐断裂带，尤其是莱北低凸起围区构造演化变得非常复杂，走滑—伸展应力导致凸起北西和南东向再次沉降，走滑—挤压应力导致北东和南西向隆升甚至“溢出”，构造变形呈中心对称分布于莱北低凸起周围(见图2)。

图1 莱北低凸起区域位置Fig.1 Location of Laibei low uplift

2 走滑作用

2.1 共轭走滑与块体旋转

Nicholson C等研究表明，夹持与走滑断层之间的块体具有共轭滑动和旋转效应[16]。近平行的两条主走滑断层同时发生滑动位移时，夹持于其间的块体两侧受到相反的应力作用，导致块体发生扭动旋转，诱导出共轭走滑断层，或使先存断裂发生共轭走滑。主走滑断层间的共轭次级走滑断层是由走滑应力场的R′(共轭Reidel剪切)破裂产生的[17]。扭动旋转使块体边缘呈现中心对称式的伸展区和挤压区(见图3[16])。

研究区莱北1号大断层走向近东西向，两端与郯庐走滑断裂相交，在郯庐断裂右行走滑运动诱导下，具备左行走滑的条件。莱北1号断裂在走向上形成多个S型弯曲段。走滑断层S型弯曲段两侧形成对称的增压段和释压段[18]。平面上，莱北1号断层S型弯曲段可分为外凸段(向南凸出)和内凹段(向北凸出)，地震剖面可见莱北1号断裂外凸段西侧局部处于挤压背景，背斜形态明显(见图4(a、c、e))；在外凸段东侧局部处于伸展背景，呈负地形或小型伸展断块构造(见图4(b、d、f))。这一对称构造变形特征充分说明莱北1号断层具有左行走滑特征：在断层上盘左行运动方向上，外凸段西侧形成正阻增压区，导致地层隆升；外凸段东侧形成反阻释压区，地层松弛沉降。同时，考察与研究区具有相似构造背景的渤南1号断裂，在其外凸段的东西两侧也出现相同的构造变形(见图4(g-h))，表明渤南1号断层和莱北1号断层不仅控制对应凹陷的构造沉降，又与郯庐断裂带中、东两支共同作用于黄河口凹陷—莱北低凸起旋转断块(简称旋转块体)，形成早期伸展构造叠加晚期走滑旋转的独特构造样式，莱北低凸起即为旋转块体南侧高部位。

图2 渤海海域构造—地层综合图Fig.2 Tectono-stratigraphy of Bohai Sea area

2.2 应变对称性

走滑断层两侧断块的位移方向相反，断层末端两侧断层局部应力状态及其引起的变形也相反，一侧发生收缩隆升，另一侧发生伸展沉降，走滑位移转化为局部的垂直升降位移[19]。研究区主走滑断层与共轭走滑断层近垂直相交，运动方向在断层交汇处表现为汇聚或发散，汇聚处走滑位移量转化为垂向隆升，发散处走滑位移量转化为伸展沉降，应变在块体四角呈中心对称分布，平面上块体呈简单剪切应变形态，对称应变也是产生旋转效应的主因。

研究区对称应变分为挤压和伸展两种类型。在莱北低凸起南西向发育一组继承性雁列式正断层(见图5)，单断层走向为北东东向；断层组整体沿北西西向延伸展布，局部正断层之间可见北西西向断裂。断层组属于次生走滑成因早期张破裂断层，旋转块体在顺时针旋转过程中遇阻，导致次生走滑断层出现以调节挤压位移量、形成局部块体“溢出”的早期构造形态(见图6)。在莱北低凸起北东向区域，旋转对称性导致呈现挤压环境，但与南西向不同，受郯庐断裂遮挡，古近系以纵弯褶皱方式将横向挤压位移量转换为纵向变形而被吸收(见图7)。

对称伸展主要体现在研究区北西向的黄河口凹陷中洼和南东向的莱州湾凹陷东北洼，受东西向边界断层左行走滑作用控制，旋转块体北西向和南东向分别向东和向西平移，造成两个地区在古近纪时期伸展

图3 走滑断层间断块旋转模式Fig.3 Block rotation model between strike-slip faults

图4 伸展边界断层的左行走滑证据Fig.4 Evidence of sinistral strike-slip of extensional boundary faults

沉降速率增大，沉积地层较厚，形成对称沉降的构造格局(见图8)。黄河口凹陷中洼的洼陷面积沉降幅度明显大于莱州湾凹陷东北洼的，主要由于始新世早期渤海湾盆地主要受控于南北向伸展应力场，在渤海海域东南部地区形成堑垒相间的构造样式，黄河口凹陷处于地堑区，而莱州湾凹陷东北洼处于地垒区。至始新世末期郯庐断裂带走滑构造活动增强，剪切应力场控制渤南1号断层至莱北1号断层之间旋转块体的应变，在郯庐断裂右行走滑作用下，渤南1号断层出现共轭左行走滑特征，在郯庐走滑断层中支与渤南1号断层交汇处(旋转块体北西向)出现离散沉降，早期伸展沉降形成的黄河口凹陷中洼又叠加走滑成因的离散沉降，致使洼陷规模更加扩大。莱北低凸起南东向处于早期凸起区，随郯庐断裂走滑作用的增强，郯庐走滑断层东支与莱北1号断层也形成离散沉降区，属于凸起区叠加走滑成因离散沉降，洼陷形成时间相对较晚，规模也相对较小(见图6)。

图5 黄河口凹陷—莱北低凸起方差切片Fig.5 Variance slice of Huanghekou sag-Laibei low uplift

图6 黄河口凹陷—莱北低凸起旋转块体模式Fig.6 Rotating block model of Huanghekou sag-Laibei low uplift

图7 莱北低凸起北东侧挤压应变特征(剖面位置见图1)

图8 莱北低凸起伸展应变特征(剖面位置见图1)Fig.8 Characteristic of extension strain of Laibei low uplift(section position as shown in fig.1)

3 构造演化

为明确莱北低凸起的构造演化史，利用最新的钻井和地震资料，以及平衡剖面技术研究构造演化史,选取莱北低凸起东侧南北向地震剖面(BB′)和西侧北北东向地震剖面(CC′)分别进行构造恢复。莱北低凸起对角线方向具有相似的构造特征：北东侧与南西侧构造抬升明显，地层厚度小。北西侧和南东侧沉降速率较高，地层厚度大。莱北低凸起整体历经5个演化阶段(见图9)。

图9 莱北低凸起构造演化剖面(剖面位置见图1)Fig.9 Structural evolution sections of Laibei low uplift(section position as shown in fig.1)

3.1 孔店组—沙四段沉积期

孔店组和沙四段沉积期，渤海海域东南部地区受南北向伸展拉张作用控制，形成多米诺式掀斜断块，莱州湾凹陷北断南超的半地堑构造格局基本定型。研究区莱北1号伸展断层控制早期莱州湾凹陷的沉积充填，在断层根部沉积超过1 km厚的孔店组和沙四段地层，沿东西走向整体地层厚度较为均匀，而上升盘莱北低凸起遭受抬升剥蚀，缺失孔店组和沙四段地层。

3.2 沙三段沉积期

沙三段沉积期，随郯庐断裂带右行走滑活动逐渐增强，北北东向的剪切作用与南北向伸展作用共同控制掀斜断块构造运动和几何形态。在剪切作用下，渤南1号断层和莱北1号断层出现左行走滑特征。由于旋转断块北西侧走滑断层和派生走滑断层运动方向为离散状态，黄河口凹陷中洼沉降中心向西迁移，沉降速率加快，凹陷内部走滑派生断层增多；随着黄河口凹陷中洼规模的扩大，莱北低凸起及其北部缓坡带沙三段地层覆盖范围也逐步增大。莱北1号断层东端上升盘在左行走滑控制下向西迁移，莱州湾凹陷东北洼雏形显现，沉降中心靠近莱北1号断层上升盘，地层向北逐渐掀斜减薄，北部缺失沙三段顶部地层。

3.3 沙一二段沉积期

沙一二段沉积期，随伸展断层活动减弱，渤海湾盆地进入裂后短暂热沉降阶段[20]。郯庐断裂右行走滑活动依然较强，旋转块体在剪应力作用下北西侧和南东侧持续沉降，同时北东侧和南西侧的挤压作用也随之加剧。旋转块体南西侧受挤压作用而产生早期调节次生走滑断层，剖面可见贯穿基底并在古近系呈小规模负花状特征，次生走滑断层与郯庐走滑断层运动方向相反。同处于挤压环境的块体南东侧整体向南抬升，沙一二段沉积减薄，东西向剖面可见挤压褶皱。

3.4 东营组沉积期

东营组沉积期，渤海湾盆地再次进入强烈断陷期，在走滑剪切作用和伸展作用下，研究区整体沉降接受沉积，断陷区东营组地层厚度大于凸起区的。莱州湾东北洼快速伸展沉降，洼陷规模显著扩大，受马尾状铲式断层分割，洼陷结构呈多断块复杂化特征。根据北西西向剖面，莱北低凸起中央隆起带披覆背斜形态定型。东营组沉积末期，受东营运动影响[21-24]，渤海海域发生区域反转，研究区在斜坡高部位等局部地区缺失东一段地层。

3.5 馆陶组—明化镇组沉积期

新近系沉积期，受岩石圈均衡作用和地壳冷却收缩影响，渤海湾盆地发生整体沉降，形成大尺度拗陷盆地[25]。伸展断层活动性较弱，走滑断层有继承性活动，在主走滑附近发育一系列北东和近东西向走滑派生断层。莱北低凸起及其围区构造稳定，馆陶组和明化镇组沉积厚度稳定，沉积中心逐渐向北部渤中凹陷迁移。

4 对沉积体系的控制作用

断陷盆地同沉积断裂与沉积砂体的分布密切相关，同时盆缘帚状或叉状断裂系发育又与走滑作用的叠加有密切关系[26]。由于不存在长期剥蚀区，莱北低凸起难以作为莱州湾凹陷北部陡坡带物源区，古近系沉积期主要物源位于研究区西南的垦东凸起，并由郯庐走滑断裂中支形成的古沟谷作为碎屑体系的输砂通道[27-29]，来自垦东凸起的物源经由输砂通道向黄河口凹陷和莱州湾搬运碎屑物质，形成规模较大的辫状河三角洲沉积体系。北东东向的走滑派生断层形成的断裂坡折，控制沉积体系在凸起北部斜坡的展布范围和形态。沉积体系向前推进和卸载过程受莱北低凸起构造演化控制，沉积规模在不同时期具有差异性。

4.1 输砂体系

受气候、湖平面、构造和沉积作用影响，输砂通道可以与沉积坡折相互转化，侵蚀沟谷在早期起输砂作用，随基准面上升，侵蚀沟谷逐渐转变为沉积沟谷[30]。沙河街组沉积末期，在块体旋转作用下,莱北低凸起北西向沉降速率开始增大，导致郯庐走滑断层形成的古沟谷在黄河口凹陷边缘向东西两侧扩张，平面呈北宽南窄的几何形态。同时，来自垦东凸起的沉积体系随可容纳空间的逐渐增大，提前卸载于莱北低凸起西侧。东营组沉积期，莱北低凸起北西向沉降加速，古沟谷敞开角度进一步增大，并在郯庐走滑派生断层控制下逐步过渡为古沉积坡折，致使辫状河三角洲前缘砂体沿古等深线向东分流(见图10)。

4.2 沉积规模

沙河街组沉积末期，走滑—旋转构造作用处于初始阶段，郯庐断裂带形成的古沟谷沿南北向延伸，东西两侧范围相对局限。来自垦东凸起的辫状河三角洲沉积体系沿古沟谷发育过路充填沉积，主要为水下分流河道沉积微相，砂地比较低，砂岩单层厚度小于12 m，且与泥岩互层沉积，反映该时期湖盆构造较为平缓，河流作用是三角洲形成的主控因素。

图10 莱北低凸起北部斜坡带沙一二段和东三段古地貌Fig.10 Paleogeomorphic map of 1st and 2nd member of Shahejie formation and 3rd member of Dongying formation in northern slope of Laibei low uplift

东营组沉积期，走滑—旋转构造运动增强，沉积沟谷变为沉积坡折，可容纳空间增大，辫状河三角洲沉积体系范围显著增大。垂向上，以河口坝沉积为主，单层砂体厚度超过20 m，砂地比大于50%。平面上，三角洲前缘砂体受波浪改造作用而形成宽缓的席状砂层(见图11)。

图11 莱北低凸起北部斜坡带沙一二段和东三段沉积相Fig.11 Sedimentary facies map of 1st and 2nd member of Shahejie formation and 3rd member of Dongying formation in northern slope of Laibei low uplift

5 结论

(1)莱北低凸起新生界自下而上发育古近系沙三段、沙一二段、东营组，以及新近系馆陶组、明化镇组。缺失古近系孔店组、沙四段，局部缺失东一段。对应5个构造演化阶段，其中沙三段之下存在明显角度不整合，表明该时期莱北低凸起经历复杂的构造变形。

(2)郯庐断裂中支和东支的右行走滑运动使莱北低凸起边界断层发生共轭走滑运动。在主走滑断层与共轭走滑断层共同控制下，莱北低凸起发生顺时针旋转，导致北西侧和南东侧出现伸展沉降，北东侧和南西侧出现挤压形变，形成现今“一脊两翼”的构造格局。

(3)沙三段沉积期，黄河口凹陷中洼伸展沉降范围不断向东南扩张；至东营组沉积期，郯庐走滑断层中支形成的古沟谷规模逐渐向东扩展并向沉积坡折转化，莱北低凸起北部沉积坡折带向东南延伸，来自垦东凸起物源区的辫状河三角洲沉积体系展布范围较沙河街组的向东扩大。

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