郯庐断裂带对潍北盆地演化的控制作用

胶莱盆地发育于郯庐断裂带东侧的鲁东地区,是白垩纪时期的断陷盆地,其基本构造格局受郯庐断裂带(沂沭断裂带)、五荣断裂、牟即断裂控制,不同时期的盆地原型遭受了后期不同类型的改造作用,盆地内主要构造类型是断层及其所控制的断块和褶皱构造。
1.构造单元划分
根据重磁异常、地震和区域地质资料分析,对胶莱盆地构造单元进行了重新划分,共划分出八个次一级构造单元,即高密凹陷、诸城凹陷、莱阳凹陷、海阳凹陷、中楼-石场凹陷、牟即构造带、柴沟隆起、大野头凸起。每个构造单元又可分为若干次级构造单元(图3-23)。

图3-23 胶莱盆地构造单元划分图

2.基本构造特征及断裂系统
胶莱盆地是一个拉分断陷盆地,断裂活动控制着盆地的形成和发展,NNE向郯庐断裂带和NE向五荣断裂是主控断裂,构成盆地边界。盆地内部牟即断裂造成东西分区的构造格局,两区的构造演化和现今形态明显不同。近EW向的五龙村断裂、平度断层、胶县断层、百尺河断层的活动使盆地南北分带,盆地各组断裂的相互切割导致了构造叠加。
(1)盆地基本构造特征
胶莱盆地在垂向表现为两个不同层次的结构特征:盆地基底和盖层。前者褶皱变形强烈,后者以块断为主。断裂活动使基底大幅度差异升降,并使作为盖层的白垩系呈楔形和梯形块状沉积体充填于盆地内部的半地堑、地堑之中,这一作用在盆地发展后期更为明显。
构造复杂、基底起伏大是胶莱盆地的特点。以牟即断裂为界,盆地东部基底埋藏浅,西部埋藏深。在盆地西部,柴沟和大野头地区基底埋藏浅,其中大野头地区基底岩系已大面积出露地表,莱阳、高密、诸城地区基底埋藏深,基底起伏高差达8000m。
断块构造是胶莱盆地的主要构造类型。在盆地发育阶段和盆后阶段的不同级别、不同方向的断裂使盆地盖层形成了众多形态、规模各异的断块。节理构造在白垩系也相当发育。
从莱阳组、青山组、王氏组的地层展布特征看,胶莱盆地在莱阳期、青山期、王氏期三个时期的基本构造格局不同。莱阳期盆地的主控断裂是郯庐断裂、五荣断裂和牟即断裂,有两个沉降中心,分别位于诸城地区和莱阳地区。青山期盆地主要受牟即断裂控制。王氏期控制盆地发育的是盆内近EW向的五龙村断裂、平度断层、胶县断层、百尺河断层等,盆地表现为地堑、半地堑和地垒的组合(图3-24)。
(2)断裂系统及与郯庐断裂带的关系
1)断裂走向与级序。胶莱盆地及周边地区断裂构造极为发育(图3-25),根据断裂的地球物理特征、断裂规模及对构造单元的控制作用,可将断裂划分为四级:

图3-24 胶莱盆地区域构造剖面图


图3-25 胶莱盆地及周边地区断裂构造分布图

一级断裂。包括郯庐断裂(沂沭断裂)、五荣断裂、牟即断裂,其规模巨大,构成盆地边界,并控制着盆地的形成和演化。
郯庐断裂带:位于胶莱盆地西侧,也称沂沭断裂带,由四条主干断裂构成,东部昌邑-大店断裂构成胶莱盆地的西界,在靠近昌邑-大店断裂的景芝地区,莱阳组底部出露地表,为复成分砾岩,砾石巨大,棱角状,成分为元古于变质岩,具边缘相特点,受沂沭断裂带控制。胶莱盆地沉降中心的诸城地区靠近沂沭断裂,该断裂是盆地发育的主要控制断裂。
五荣断裂:是胶北地块与胶南地体的分界断裂,NEE-SWW走向,在航磁异常图上表现为密集梯度带,分割性十分明显。控制盆地的五荣断裂是一条向北陡倾、倾角>60°的正倾滑断层,东西延伸长140km。断层上盘铅直断距为1~2km,控制了盆地内早白垩世莱阳组沉积。
牟即断裂:走向NE,主要由近于平行且等距排列的四条正平移断裂组成,该断裂穿过胶莱盆地,将其分为东西两部分。该断裂在早白垩世主要为张性活动,在晚白垩世及以后主要为左旋平移活动并具有挤压性质。早白垩世莱阳期已明显呈张性活动,在北部莱阳地区控制着莱阳组的沉积;青山期张性活动增强,切割深度加大,导致岩浆上涌,火山喷发,牟即断裂发生较大规模的左旋平移活动,错开了早期形成的岩浆岩体和断裂,水平滑距约60km。在左旋平移的同时,该断裂带受挤压抬升,没有接受沉积,并发育有挤压变形构造,表现为压扭断裂的特征。
二级断裂。二级断裂是盆地内部规模较大的断裂,对盆地内二级构造单元的发育和演化具有明显的控制作用,并为二级构造单元的分界断裂。二级断裂走向均为近EW向的正断层,受一级断裂的控制,多期活动,主要活动于王氏组沉积期。
平度断层:发育于平度地区,EW向延伸,长约30km。断面向南倾,上陡下缓呈铲形。平度断层构成胶莱盆地北界,北盘为胶东群,南盘发育白垩系和古近系黄县组,主要控制了平度洼陷晚白垩世王氏组沉积,对莱阳组沉积也有一定的控制作用。
五龙村断层:位于莱阳凹陷南缘,EW向延伸,断面向北倾,倾角60~70°,为一高角度正断层,呈上陡下缓的犁形。断层北盘为莱阳凹陷,南盘为大野头凸起。该断层主要活动时期是王氏期,控制了莱阳凹陷中王氏组的发育。
胶县断层:位于柴沟地垒北侧,近WE向延伸,长80km,主断面向北倾,为正断层。胶县断层于莱阳组沉积晚期已开始活动,导致柴沟地垒与高密凹陷的分离,王氏期强烈活动。
百尺河断层:发育于诸城凹陷北缘,近WE向延伸,长76km,断面向南倾,上陡下缓呈犁形,最大铅直断距大于8000m。该断层于莱阳组沉积晚期开始活动,对莱阳期沉积有一定的控制作用,王氏期是其强烈活动时期。
三、四级断层。盆地内部的三、四级断层规模较小,受一级和二级断裂的控制,对凹陷内部的构造带和洼陷有明显的控制作用。该类断层地表出露不多,现已发现近百条,主要集中在高密凹陷和牟即断裂带,主要走向有NW、NE、NNE和近EW向。
断裂走向统计特征。通过分别对四类断裂的走向方位统计,其基本规律表现在:
第一类区域性大断裂以NNE走向(20°~30°)为主,该方位应属于郯庐断裂系统,反映了区内郯庐断裂系的主导地位。
第二类断裂数量最多,其中优势方位为NNE至NE向(20°~45°),也属于郯庐断裂系,同时次要的优势方位为NW-SE向(300°~330°),与郯庐断裂系方向基本直交。
第三类断层是通过重磁资料解释确定的,存在3个优势方位,它们分别是:NW-SE向、NE-SW向和EW向。NW-SE向和NE-SW向断裂方位几乎直交,这两组断层与第二类次级断层方位一致。
通过地震剖面建立的第四类断层也有3个优势方位,分别是:NW-SE、WE和NE-SW,其中NW-SE向和WE向方位占主导地位,NE-SE向断裂不甚发育。
断裂活动规律及与郯庐断裂的关系。断裂走向统计分析表明,胶莱盆地受三组断裂构造的控制,而这三组断裂明显又受区域大断裂的控制。
a.郯庐断裂带与胶莱盆地断裂的交切关系。
胶莱盆地的西界为郯庐断裂带(沂沭断裂带),即昌邑-大店断裂和安丘-莒县断裂,这两条断裂通常认为是鲁东地块与鲁西地块的边界,同时也控制了沂沭裂谷。从图3-25中可以清楚地看到胶莱盆地西界断裂之间的相互切割关系。在五莲-莒县地区,向西倾的昌邑-大店断裂截切了中楼-石场凹陷和诸城凹陷西南缘的青山组火山岩,同时控制了断层上盘安丘-莒县裂谷带的大盛组沉积;但在诸城西部贾悦、孟疃一带,该断裂被晚白垩世王氏组红土崖段所覆盖,并被东西向贾悦断裂所截切。贾悦断裂是一条向南倾的正断层,它横切安丘-莒县裂谷带,并控制了红土崖段箕状断陷盆地。野外调查发现,贾悦断裂向西延伸没有超越安丘-莒县断裂,而是终止在这条断裂带的东侧。
上述断裂交切关系及其所控制的地层时代为胶莱盆地和郯庐断裂带之间的演化序列提供了重要依据。通过分析,安丘-莒县断裂可能是最主要的边界断裂,活动时期较长,该断裂在早白垩世莱阳组沉积时期已成为诸城凹陷和中楼-石场凹陷的西部边界;在晚白垩世时期,该断裂多次右旋走滑活动限制了W-E向贾阅断裂的活动;昌邑-大店断裂活动时期主要在早白垩世晚期的大盛组沉积时期,以正断层为主,成为安丘-莒县裂谷带的西界断层;诸城北缘的百尺河断裂,其活动时代更晚,主要发生在晚白垩世时期。
b.牟即断裂带与胶莱盆地断裂的交切关系。
牟即断裂带由几条相互平行、NNE走向断裂组成,其中最主要的断裂包括:桃村-东陡山断裂、郭城断裂、即墨断裂、朱吴断裂、青岛断裂等。桃村-东陡山断裂是一条典型的左旋走滑断裂,走滑运动使晚燕山期牙山岩体和院格庄岩体左旋错移了约25km,早白垩世向东倾滑活动控制了郭城凹陷的西界。已有的年龄测试数据显示,牙山岩体锆石U-Pb年龄为138~158Ma,Rb-Sr年龄为164Ma,与胶北玲珑期花岗岩体侵入时代一致。根据岩体年龄推断,桃村-东陡山断裂左旋走滑活动发生的时代应晚于岩体侵入时代,但早于郭城凹陷形成时代,可能在150~140Ma之间。桃村-东陡山断裂向西南延伸与控制莱阳凹陷南界的W-E向五龙村断裂相接,形成了走滑-伸展断裂组合,这种断裂组合的活动时期主要发生在晚白垩世王氏组沉积期,桃村-东陡山断裂具有右旋走滑运动特征。
郭城断裂构成了郭城凹陷的东界,向北延伸与桃村-东陡山断裂汇聚,向南延伸可能与即墨断裂相连。朱吴断裂和青岛断裂是一条主要边界断裂,二者共同构成了NE走向胶南-威海造山带的东界。从控盆角度分析,朱吴断裂和青岛断裂是重要的控盆断裂,控制了海阳凹陷的形成和发展。
上述NNE向断裂尽管继承了基底造山带断裂形态,但在成盆阶段,均属郯庐断裂系,向南延伸可能与NNE走向、斜切胶南隆起带的日照断裂带相联。从图3-25可以看出,日照断裂带切断了诸城凹陷南界五莲断裂,指示左旋错移,但终止于W-E走向的百尺河断裂,表明断裂左旋走滑运动发生在早、晚白垩世之间。联系到桃村-东陡山断裂左旋走滑运动,我们推断,牟即断裂带至少发生过2次重要的左旋走滑运动:第一次发生在胶莱盆地形成之前,第二次发生在早、晚白垩世之间。
3.胶莱盆地的构造演化
综合胶莱盆地沉积充填史、构造应力场演化及岩浆活动,胶莱盆地经历了早白垩世莱阳期断陷盆地、早白垩世青山期火山盆地和晚白垩世—古新世断陷盆地的时空叠合,每个时期形成的盆地原型特征具有差异性,郯庐断裂带对胶莱盆地各时期盆地原型的形成及后期的改造均具有重的控制或影响。
通过对沂沭裂谷系、胶莱盆地和北黄海盆地的沉积特征、成盆阶段、主要构造事件和岩浆活动序列的系统对比,将沂沭裂谷系和胶莱盆地的演化历史划分为3个成盆阶段。
(1)早白垩世莱阳期伸展断陷阶段
莱阳组沉积时期,胶莱原形盆地如何展布及其沉积特征是一个有争议的问题。本项研究基于对胶莱盆地地层沉积特征、岩相古地理特征、盆地构造特征、深部地球物理场特征等综合分析研究,认为莱阳期胶莱原型盆地由两个NNE走向的断陷槽组成,分别称为莒县-诸城断陷槽和朱吴-即墨断陷槽。所谓断陷槽是指这些断陷表现为延伸长、断陷深而窄等特点,剖面形态极不对称,受基底边界断裂控制。莒县-诸城断陷槽由中楼-石场断陷、莒县断陷、诸城断陷等组成,其西界位于安丘-莒县断裂带中段,沿胶南隆起带的北缘发育;朱吴-即墨断陷槽由若干个相互独立或半独立的断陷组成,如朱吴断陷、发城断陷、黄崖底-中荆断陷、即墨断陷等,主要沿牟即断裂带发育。这两个断陷槽主体沿苏鲁造山带北界断裂的控制,这条边界断裂目前隐伏在这些断陷带的深部,如诸城凹陷北界百尺河断裂是该边界断裂的地表延伸。该期断陷阶段的一个显著的特征是,沿莒县-诸城断陷槽和朱吴-即墨断陷槽,火山喷发作用非常活跃,构成了莱阳火山旋回的中心带。沿断陷槽带局部地段发生强烈的中基性和中酸性火山喷发活动,在海阳凹陷龙王庄组地层中夹有多层火山喷发岩,在中楼-石场凹陷,莱阳组上部(城山后组)发育一套巨厚的中酸性火山喷发岩。根据断陷盆地的沉积-火山活动特征,该期断陷作用属于被动拉张成因,主拉张方向为NW-SE向,拉张作用主要与苏鲁造山带碰撞后的应力松弛和构造垮塌作用有关。
(2)早白垩世青山期大陆裂谷作用阶段
至早白垩世中晚期,古太平洋板块向东亚大陆俯冲的深入,中国东部岩石圈动力学过程发生重大变化,岩石圈减薄作用加强,东亚陆缘进入了陆内裂谷演化阶段。郯庐断裂带山东段两堑夹一垒的沂沭裂谷系形成,而早期形成的胶莱盆地演化为火山盆地,火山喷发中心位于莒县-诸城断陷槽和朱吴-即墨断陷槽。这个裂谷作用过程可以划分为2个幕次:早幕以大规模的中酸性火山喷发活动为标志,火山盆地发育;晚幕时期大规模火山活动已经停止,以拉张断陷作用为主,沂沭断陷盆地开始形成和发育,在断陷盆地中沉积了一套分选和磨圆均很差的砂砾岩,砾石中含大量的火山喷发岩。在胶南-威海造山带,大规模的复式花岗岩体(崂山期花岗岩体,同位素年龄为123~113Ma)相继侵入;在胶北隆起区,不仅有花岗岩体的侵入,同时发育一组与郯庐断裂带平行的裂隙和破裂面,沿裂隙和破裂面发育了不同类型的岩脉,形成密集的岩脉带(同位素年龄为126~120Ma),成为胶东金矿的富集地区。
(3)晚白垩世—古新世斜拉断陷发育阶段
到晚白垩世时期,区域构造应力场发生重大转换,该时期以南北向引张作用占主导,在早白垩世断陷盆地和火山盆地的基础上,叠加了箕状地堑盆地,控制了晚白垩世王氏组和古新世金岗口组沉积。这个时期形成的断陷盆地主要集中在沂沭断裂带和牟即断裂带之间,即现今胶莱盆地的轮廓基本形成。沿沂沭断裂带本身,局部地段发育拉分断陷盆地,如潍北凹陷、莱州湾凹陷等。沿牟即断裂带也发育小型拉分盆地,如郭城凹陷、北黄海中部断陷带等。值得指出的是,在这个断陷盆地发育阶段,没有大型的花岗类岩浆侵入活动,但有中基性火山活动。火山岩以玄武岩、橄榄玄武岩为主(同位素年龄73Ma),在鲁西地区还有金伯利岩,说明这期走滑伸展作用影响到了上地幔。
在上述白垩纪伸展作用过程中,伴随着碱性花岗岩浆侵入活动和火山作用。花岗岩侵入作用主要集中在早白垩世时期,有2期主要岩浆侵入期:郭家岭期花岗侵入岩,侵入时代为130~126Ma,与早白垩世莱阳期伸展阶段同时;崂山期花岗侵入岩,侵入时代123~113Ma。这些花岗岩以碱性、无水和非造山作用为特点,与早白垩世青山期大陆裂谷作用阶段地壳物质重熔而成。火山活动贯穿整个白垩纪伸展历史,其中早白垩世中晚期双峰式火山作用最强烈,时代集中在123~108Ma,这正是大陆裂谷作用的高峰期;而晚白垩世以基性、超基性玄武岩喷溢为主,火山活动强度较小,时代为73Ma。

1.断陷盆地伸展率
盆地构造运动学特征主要表现在基底的水平伸展运动、垂直差异升降运动以及断块体掀斜和翘倾运动(漆家福等,1995),其中基底水平伸展运动为最主要的运动形式。地壳在水平方向的伸展变形强弱程度可以用伸展量E、伸展率e、伸展系数β和伸展速率v等参数来定量化表示。设剖面上地壳的原始长度为L0,经过时间为t(Ma)的伸展变形后,长度变为L1,则:

郯庐断裂带演化对两侧盆地石油地质条件的控制与影响


图3-5 合肥盆地主要东西向断层活动速率演变直方图

式中:E(伸展量)表示剖面上盆地基底(滑脱面之上的地壳)伸长的总量;e(伸展率)表示单位长度的基底的伸长量,常以百分数表示;v(伸展速率)表示单位基底长度在单位地质时间内的伸展长度,为方便起见,这里统一采用单位m/(Ma·km)。
(1)郯庐断裂带营潍段旁侧凹陷的伸展率
郯庐断裂带营潍段南部的潍北凹陷、青东凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷在古近纪主要是南北方向伸展(表3-2,表3-3,表3-4,图3-6),它们新生代的总伸展量为5.4~8.6km,伸展率为27.4%~30.2%,其中孔店组-沙河街组四段沉积时期伸展量占整个新生代伸展量的69.1%~95.0%,新近纪的伸展量占整个新生代伸展量3.6%~30.9%。从伸展速率看(图3-6),孔店组-沙河街组四段沉积时期的递进伸展速率为0.11~0.40km/Ma;沙河街组三段沉积时期,潍北凹陷伸展作用停止,其他三个凹陷的递进伸展速率为0.18~0.42km/Ma,黄河口凹陷最大;沙河街组二段、一段和东营组沉积时期的伸展速率整体偏低,为0~0.08km/Ma,但在新近纪的递进伸展速率又略有增大,0.02~0.14km/Ma。
位于断裂带北部的辽东湾中北地区(剖面号为LZ293,LZ255)浅层次地壳新生代伸展量为10.2~13.4km,伸展率为26%左右,伸展作用从沙河街组三段沉积时期开始,沙河街组三段和东营组沉积时期是该区伸展作用两个强烈发生时期,这两个时期的伸展量占整个新生代伸展量的86.8%~90.5%。从伸展速率看,沙河街组三段沉积时期最高,递进水平伸展速率为0.9~1.45km/Ma;其次是沙河街组一段、二段和东营组沉积时期,递进伸展速率为0~0.86km/Ma,新近纪伸展速率最低(0~0.06km/Ma)。
介于它们之间的渤中(渤中1070、过PL19-3、PL7-1-1剖面)和辽东湾南部(剖面号LZ102)地区,新生代具有多向伸展特征。新生代浅层次地壳总伸展量为2.4~12.3km,整个新生代伸展率为3.0%~23.0%,南北方向和近东西方向剖面伸展活动较为强烈,如渤中1070剖面和过PL7-1-1剖面,而北西—南东方向的剖面伸展程度弱,如LZ102。沙河街组三段和东营组沉积时期的伸展量占整个新生代伸展量的34.0%~61.1%,该值较辽东湾中北部地区的86.8%~90.5%明显偏低,相反新近纪伸展量占整个新生代伸展量的比率显著增加,达到5.1%~47.3%,反映新生代营潍断裂带构造活动自两端向中部迁移。伸展速率变化很大,如LZ102和过蓬莱19-3井剖面的整个新生代各地质时期的伸展速率都不超过0.17km/Ma,而渤中1070和过PL7-1-1井的剖面伸展速率较高,最高达到1.33km/Ma。总的来看,渤中和辽东湾南部地区沙河街组二段、一段沉积时期和新近纪的水平伸展速率明显较辽东湾地区、潍北-黄河口地区要高。
总之,渤海湾地区新生代伸展作用方向、主要发生时间和强度都是不同的,南段是南北方向伸展,伸展作用主要发生在孔店组—沙河街组三段沉积时期;中部渤中—辽东湾南部地区具有多向伸展特征,近东西方向和南北方向伸展作用最为强烈,主要伸展作用发生在沙三段至东营组沉积时期,特别是新近纪强烈伸展作用区别于其他地区;辽东湾中北部地区主要是北西—南东方向伸展,主要伸展活动发生在沙河街组三段和东营组沉积时期。
表3-2 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展量数据表


表3-3 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展率变化数据表


续表



图3-6 营潍段旁侧凹陷的伸展量、伸展率、伸展速率演变图

表3-4 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展速率数据表


(2)济阳坳陷新生代伸展活动
根据两条剖面所处的构造位置、地震剖面的解释,对其进行了不同的构造演化阶段划分。对新近纪以前的每一构造演化阶段,运用平衡剖面原理进行了构造运动学分析、断裂发育及活动分析。
1)568测线伸展活动分析。位于济阳坳陷中部的568测线现今剖面总长度为147.16km。该剖面构造发育划分了五个阶段,即馆陶组沉积前、沙三沉积前、沙四沉积前及孔店组沉积前。馆陶组沉积以来,济阳坳陷进入盆地演化的坳陷沉降阶段,岩石圈拉张活动基本停止,所以这一阶段盆地伸展量和伸展率基本为0。沙三至东营组阶段伸展量9.14km,阶段伸展率6.62%,阶段平均伸展速率为3.36m·Ma-1·km-1;沙四段-孔店组阶段伸展量15.87km,阶段伸展率为13.01%,阶段平均伸展速率为5.91m·Ma-1·km-1;可以看出(表3-5),沙三段至东营组期间伸展量显著小于沙四段至孔店组期间的数值,伸展率后者是前者的接近一倍,伸展速率后者也显著快于前者。新生代沉积前原始剖面长度为122.15km,古近纪和新近纪期间伸展量25.01km,古近纪和新近纪总伸展率20.47%,古近记和新近纪内平均伸展速率为4.91m·Ma-1·km-1(图3-7)。
表3-5 济阳坳陷568测线的阶段伸展量、伸展率与伸展速率



图3-7 济阳坳陷568线阶段伸展量、伸展率和伸展速率对比图

通过对该剖面进行断层发育统计分析可知,Ek沉积前剖面上共有断层9条,Es3沉积前剖面上共有断层25条,Ng沉积前剖面上共有断层43条,现今剖面上共有断层44条,即Ek-Es4期间新发育16条断层,Es3-Ed期间新发育18条断层,Ng以来仅新发育1条断层。显而易见,Ek-Es4和Es3-Ed是济阳坳陷地壳拉张、断层发育的两个主要阶段。
2)济阳-昌潍58测线。58测线位于济阳坳陷南部,依次穿越临清坳陷东部、鲁西南隆起和昌潍坳陷,同时横穿郯庐断裂带。58测线全长291.0km,构造发育阶段共划分为五期:Ng-Qp、Es3-Ed、Es4、Ek及前新生代。依据剖面平衡恢复结果计算各阶段的伸展量、伸展率及阶段平均伸展速率(表3-6),可以看出,Ek阶段伸展量和伸展率最大,分别为11.03km和4.11%;Es3-Ed阶段次之,阶段伸展量和伸展率分别为7.69km和2.71%;Es4阶段伸展量和伸展率最小,分别为4.21km和1.51%,但该阶段的平均伸展速率是最大的,达5.03m·Ma-1·km-1。Ek和Es3-Ed阶段相比,前者的平均伸展速率大于后者,分别为2.17m·Ma-1·km-1和1.38m·Ma-1·km-1。58剖面古近-新近纪累积拉张量为22.93km,古近-新近系伸展率8.55%,古近-新近系平均伸展速率2.05m·Ma-1·km-1(图3-8)。
表3-6 济阳坳陷58测线的阶段伸展量、伸展率与伸展速率



图3-8 济阳坳陷L58线段伸展量、伸展率和伸展速率对比图

东西向的58剖面与南北向的568剖面同期对比,可以看出,各个演化阶段东西向的58剖面的伸展率均不足南北向568剖面的1/2,Es3-Ed、Es4-Ek和整个古近-新近系的伸展率,58剖面分别为2.71%、5.68%和8.55%,而568剖面则分别达到了6.62%、13.03%和20.47%。各阶段的平均伸展速率,南北向568剖面亦均大于东西向58剖面一倍以上,Es3-Ed、Es4-Ek和古近-新近系的平均伸展速率,568剖面分别为3.63m·Ma-1·km-1、5.91m·Ma-1·km-1和4.91m·Ma-1·km-1,58剖面仅分别为1.38m·Ma-1·km-1、2.58m·Ma-1·km-1和2.05m·Ma-1·km-1,前者分别是后者的2.62倍、2.29倍、2.40倍。由此可以说明,新生代期间,济阳坳陷南北向拉张强度显著大于东西向,这与济阳坳陷新生代地应力场分布相吻合。沙四段沉积期,区域上为北北西-南南东向强烈拉张,郯庐断裂带发生右行伸展走滑,从而造成济阳坳陷在南北向强烈伸展断陷。
由该剖面断层发育数量统计分析可知,Ek沉积前剖面上共有断层15条,Es4沉积前剖面上共有断层30条,Es3沉积前剖面上共有断层39条,Ng沉积前剖面上共有断层49条,现今剖面上共有断层49条,也就是说,Ek期新发育15条断层,Es4期新发育9条断层,Es3-Ed期间新发育10条断层,Ng以来没有新断层发育。由此可以看出,新生代期间该剖面所穿过地区地壳拉张强度、断层活动性是逐渐减弱的。
(3)伸展率的时空差异
不同地区伸展率的对比可以在剖面上清楚的识别。济阳坳陷L568剖面上(图3-9,图3-10),沙三段至东营组时期伸展量显著小于沙四段至孔店组期间的数值,伸展率后一阶段(13.01%)大于前一阶段(5.62%)接近一倍,伸展速率后一阶段(5.91m·Ma-1·km-1)也显著快于前一阶段(3.36m·Ma-1·km-1)。古近纪的伸展量(25.01km)和伸展率(20.47%)亦均大于中生代(12.55km和11.45%)约一倍,而伸展速率(4.91m·Ma-·km-1)则显著快于中生代,约是中生代(1.05m·Ma-1·km-1)的5倍。该剖面Ek+Es4与Es3+Ed相比,各项伸展参数具有明显差异,伸展率和伸展速率早期明显大于晚期,而断层数晚期大于早期。

图3-9 渤海湾盆地四条剖面不同阶段伸展速率对比图


图3-10 渤海湾盆地四条剖面不同阶段伸展率对比图

济阳坳陷L58测线中Ek阶段伸展量(11.03km)和伸展率(4.11%)最大,Es3-Ed(7.69km,2.71%)阶段次之,Es4阶段伸展量(4.21km)和伸展率(1.51%)最小,但该阶段的平均伸展速率(5.03m·Ma-1·km-1)却是最大的。Ek+Es4和Es3+Ed相比,前者的平均伸展速率(2.58m·Ma-1·km-1)大于后者(1.38m·Ma-1·km-1)。
鲁西隆起LN90-151测线中平均伸展率(5.03%)要比渤海湾盆地内各个坳陷(15%~40%)小得多。尽管鲁西隆起区与渤海湾盆地中新生代共同处于整个中国东部岩石圈强烈伸展的大地构造背景之下,但由于鲁西地块岩石圈相对冷而坚硬,致使该地区中、新生代时期仅发生了相对比较微弱的基底裂陷活动。
临清坳陷馆陶凸起至鲁西隆起LQ-421测线与济阳坳陷L568测线相对比,古近纪阶段的地壳平均伸展率(分别为17.82%和20.47%)、伸展系数(1.18和1.2)以及伸展速率(4.27和4.91)三项参数,数值大小均接近,显示具有较大的拉张强度和一致的变化规律,但由这两条测线中生代的伸展参数对比可以看出,济阳坳陷中生代地壳拉张强度要大于临清坳陷东部。
济阳坳陷内NE向剖面伸展率在孔店-沙四期明显高于北西向剖面(图3-11),这与前文中NW向断层在该时期的活动速率最大相对应。
2.断陷盆地沉降量
(1)营潍断裂带古近纪沉降量分析
按照地层回剥思路分析求出古埋藏深度是分析构造沉降量的常规方法,然后进一步根据均衡原理消除沉积负荷造成的沉降量,就可以得到凹陷的构造沉积量。上述计算过程是按照Watts等(1976)提出的根据现今地层厚度计算沉积量方法编制的构造沉降史模拟软件计算的,计算过程中没有考虑湖盆水体重量和全球海平面升降因素对构造沉降量的影响,也没有考虑局部地层的剥蚀厚度。最终得到的各新生代沉积凹陷的构造沉降量曲线见图3-12。
从营潍断裂带新生代沉积凹陷埋藏史、构造沉降史曲线、沉积速率数据(表3-7)可以得到以下认识:
1)营潍断裂带新生代沉积凹陷形成时代有明显不同,断裂带南段的潍北凹陷、青东凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷在孔店组至沙四段沉积时已经形成,中部的渤中凹陷和渤东凹陷和北段的辽中凹陷形成于沙三段沉积时期,辽东凹陷直到渐新世才成为独立的凹陷单元。新生代盆地演化分为古近纪裂陷和新近纪后裂陷两个主要阶段,前者为构造沉降阶段,后者为热沉降阶段,但是各凹陷不同演化阶段的沉积速率和构造沉降速率有较大的差别(表3-7)。

图3-11 济阳坳陷北东、北西向剖面伸展率对比图


图3-12 郯庐断裂带营潍段新生代沉积凹陷构造沉降史曲线

表3-7 郯庐断裂带营潍段新生代沉积凹陷沉积速率数据


2)在沉积速率方面,孔店组-沙河街组四段沉积时期,营潍断裂带的沉积主要分布在断裂带南段,沉积速率为55.25~355.58m/Ma,自南向北沉积速率总体呈降低趋势。沙河街组三段沉积时期沉积速率最大,达到391.04~773.09m/Ma,以黄河口凹陷和辽中凹陷最大,而位于中部的渤中凹陷和渤东凹陷相对较小,为471.68~491.11m/Ma。沙河街组二段至一段沉积时期沉积速率除渤中凹陷、渤东凹陷达到500m/Ma,其他介于75.68~157.67m/Ma之间。东营组沉积时期沉积速率为111.24~482.67m/Ma,渤中凹陷最大。新近纪馆陶组沉积时期沉积速率为28.22~297.56m/Ma,明化镇组沉积时期为25.17~143.77m/Ma,黄河口凹陷、渤中凹陷和渤东凹陷沉积速率最大,其两侧均迅速变小。第四纪沉积速率为50~250m/Ma。平均来看,沙河街组三段沉积时期沉积速率最高,达到547m/Ma;沙河街组二段至一段、东营组、孔店组-沙河街组四段和第四系沉积时期其次,平均为165~241m/Ma;新近纪最低,为83~110m/Ma。
3)在构造沉降速率方面,孔店组-沙河街组四段沉积时期,构造沉降速率为31~190m/Ma,潍北凹陷最高。沙河街组三段沉积时期,构造沉降速率为36~456m/Ma,黄河口和辽中凹陷最高;沙河街组二段-一段沉积时期,构造沉降速率为28~204m/Ma,渤中和渤东凹陷最高;东营组沉积时期,为36~186m/Ma,渤中凹陷最高;新近纪为12~110m/Ma,渤中和渤东凹陷最高。平均而言,沙河街组三段和第四系沉积时期构造沉降速率最高,其次是孔店组-沙河街组四段、沙河街组二段-一段和东营组沉积时期,最低的是新近纪馆陶组和明化镇组沉积时期。
4)对比各凹陷的埋藏史曲线和构造沉降量曲线大致可以分为4类:第一种类型以潍北、青东凹陷为代表,新生代构造沉降史曲线为三段型,第一段为孔店组-沙河街组四段沉积时期,构造沉降曲线斜率较大,沉降速率大,达到0.190mm/a,沉降迅速。第二段为沙河街组三段—东营组沉积时期,构造沉降曲线平缓抬升或缓慢下降,代表盆地缓慢沉积或遭受轻度剥蚀。第一、第二段的构造沉降史曲线组合类型代表了拉分盆地的构造沉降史曲线特征,这主要是由于拉分盆地一般较窄,伸展裂陷阶段冷得较快,缺乏紧跟裂陷期后的热沉降阶段。第三段为新近纪又开始较大幅度沉降,但斜率明显小于第一阶段,沉降速率仅为0.012~0.072mm/a,代表坳陷期热沉降阶段,该段代表整个渤海湾盆地的热沉降阶段。辽东凹陷也属于此种类型。第二种类型是以辽东湾地区的辽中凹陷为代表,主要由四段组成,沙河街组三段和东营组沉积时期是两个快速的沉降阶段,构造沉降速率为0.110~0.457mm/a。中间平缓过渡段构造沉降速率为0.026mm/a。新近纪以来构造沉降速率为0.020mm/a。该曲线类型为裂陷盆地的构造沉降史曲线特征,陡段代表裂陷阶段构造沉降,缓段代表坳陷阶段构造沉降。第三种类型是以渤中、渤东凹陷为代表,自沙河街组三段开始形成以来,持续沉降,沉降速率较大,平均达到0.143mm/a,构造沉降曲线可以分为两段,24Ma前平均沉降速率达到0.223mm/a,以后平均沉降速率变缓,为0.078mm/a。第四种类型以莱北凹陷和黄河口凹陷为代表,凹陷形成为孔店组沉积时期,但是孔店组—沙河街组四段沉积时期构造沉降速率较小,直到沙河街组三段沉积时期构造沉降速率明显加大,黄河口凹陷的达到0.335mm/a。沙河街组二段开始直至明化镇组沉积时期,构造沉降速率变缓,平均为0.038mm/a。该种类型实际上是第一和第二种类型的叠加。
上述分析表明,营潍断裂带新生代沉积凹陷裂陷阶段和后裂陷阶段的沉积速率、构造沉降速率、埋藏史特征均有较大不同,新生代不同凹陷沉积速率、构造沉降速率、埋藏史特征差异也很大,反映断裂带古近纪以来构造演化的阶段性和横向上自两侧向中部迁移特征。
(2)研究区古近纪沉降量对比分析
将渤海湾盆地各坳陷分阶段沉积速率(图3-13)、构造沉降速率(图3-14)和构造沉降量(图3-15)进行对比,可以显示它们空间上的变化规律及其与郯庐断裂带的关系。

图3-13 渤海湾盆地各坳陷分阶段沉积速率对比图

在沉积速率方面(图3-13),古近纪时期较大的沉积速率出现在黄骅坳陷、辽东坳陷、渤中坳陷和济阳坳陷,也就是主要出现在渤海湾盆地东侧的郯庐断裂带上及其附近。但各坳陷出现最大沉积速率的阶段是有差异的。若分阶段对比看,在各个阶段最大沉积速率主要是发生在郯庐断裂带内及其旁侧,如孔店期发生在昌潍坳陷和济阳坳陷;沙四期发生在渤中坳陷和济阳坳陷;沙三期除黄骅坳陷外为辽东、渤中和济阳坳陷;沙一期除黄骅坳陷外为渤中和辽东陷;东营期为辽东和渤中坳陷。但在整体沉积速率较弱的沙二期,较大沉积速率就发生在远离郯庐断裂带的临清、黄骅和冀中坳陷。这显示古近纪渤海湾盆地断陷期间,郯庐断裂带内及其旁侧沉积速率都较大,显然该巨型断裂带对此具有明显的控制作用。

图3-14 渤海湾盆地各坳陷分阶段沉降速率对比图


图3-15 渤海湾盆地各坳陷分阶段构造沉降量对比图

由渤海湾盆地各坳陷构造沉降速率对比图可见(图3-14),各阶段的最大构造沉降速率主要是出现在郯庐断裂带上及其旁侧,如孔店期的昌潍与济阳坳陷,沙四期的渤中与济阳坳陷,沙三期的辽东与渤中坳陷、沙一期的渤中与辽东坳陷以及东营期的辽东与渤中坳陷。
纵观古近纪渤海湾盆地各坳陷累计构造沉降量可见(图3-15),显然郯庐断裂带内及旁侧的渤中、济阳、辽东与昌潍坳陷构造沉降量较大,其他坳陷则相对较小。对比各坳陷的构造沉降量曲线(图3-15),显然郯庐断裂带上及旁侧的济阳、渤中、辽东及昌潍坳陷在古近纪的构造沉降量较大,而远离郯庐断裂带的临清与冀中坳陷构造沉降量较小,黄骅坳陷介于其间。这皆明显指示作为巨型构造带的郯庐断裂带是断陷活动中的强活动带,控制着强断陷带发育其内或其旁侧。这主要是由于郯庐断裂带对岩石圈的破坏,使其在伸展活动中成为强活动带。
新近纪以来,构造沉降量在各坳陷差别较大(表3-8)。从北往南,构造沉降量逐渐减小,渤中坳陷最大达1100m,依次是黄骅坳陷歧口凹陷800m,济阳坳陷东营凹陷450m,昌潍坳陷潍北凹陷600m,临清坳陷600m。特别是在明化镇沉积时期以来,各坳陷的差别更大。渤中坳陷在馆陶组沉积期间的构造沉降量最大,为850m;其次是冀中坳陷的饶阳凹陷;而在明化镇期以后的时间内,济阳坳陷沉降了不到100m,黄骅坳陷则沉降了530m左右。这种现今的持续下沉将一方面将导致现今地温梯度比济阳坳陷低,另一方面,也会对古近系烃源岩的演化造成较大的影响。昌潍坳陷在东营构造运动造成的抬升量最大,导致了最终的沉降量最小。
合肥盆地的构造沉降/抬升特征与渤海湾地区有明显的差异,其古近纪构造沉降量远小于渤海湾地区,在古近纪以来以构造抬升为主。
尽管上述各坳陷的构造沉降史还受到各自控盆断裂的影响(如潍北凹陷受其北部的古城-潍河断裂活动的影响较大),甚至控盆断裂的影响有时起主要作用。但是,从构造沉降史及构造沉降量的研究可以反映出郯庐断裂在宏观上对其两侧坳陷构造演化的控制作用。正是由于古近纪以来构造演化(沉降量)的差别,导致了各坳陷烃源岩成烃演化的差异。

图3-16 渤海湾盆地各坳陷新生代构造沉降曲线对比图

表3-8 各坳陷新近纪时期构造沉降量模拟表

潍北凹陷位于山东省潍坊市北部,跨越昌邑、潍县两县,盆地面积约880km²。该盆地东部以郯庐断裂带中段昌邑-大店断裂与鲁东隆起为界,西部以鄌郚-葛沟断裂与昌北凸起、侯镇凹陷分界,北与昌北凸起以古城潍河口断层分隔,南界与潍县凸起毗邻,是一个以古近系始新统分布为主、呈北断南超的不对称箕状凹陷。由此可见,潍北凹陷是郯庐断裂带内走滑裂陷盆地。潍北凹陷的形成演化与郯庐断裂在中新生代的活动密切相关,也由此导致潍北凹陷在成盆、成烃与成藏等方面有别于济阳坳陷,而成为具有特色的含油气盆地。

潍北凹陷是昌潍坳陷的一个次级构造单元(中国石油地质志(卷六),1993)。昌潍坳陷构造上处于三大构造单元交汇处,东部以郯庐断裂带的昌邑-大店断裂与鲁东隆起分隔,西南部以益都断裂与鲁西隆起为界,南部以断裂与汞丹山凸起为邻;北部以近东西向的广南断裂、古-城潍河口等断层分别与昌北凸起和广饶凸起分界(图3-26)。

区内包括潍北、侯镇、牛头镇、潍坊、朱鹿、昌乐6个凹陷和潍县、朱留店、寿光3个凸起,总面积为4420km²。其中凹陷面积3410km²,凸起面积1010km²。从潍北凹陷的形成演化和充填地层等特征分析,潍北凹陷主要成盆期在始新世孔店期,而且受周缘断裂尤其是昌邑-大店断裂与鄌郚-葛沟断裂控制,只是到新近系沉积时,受区域整体坳陷作用的影响才和临近的凹陷一起构成统一沉积盆地。

1.基底及构造层

(1)基底

1)基底层位的认识。现今的潍北凹陷一般是指始新世以来形成的新生代盆地。由于盆地内部很少有钻井钻穿古近系进入中生界,使得深层(前古近系)地震信息得不到认识,同时由于孔三段发育厚层火成岩,也使得前古近系的地震信息微弱,由此导致对盆地基底性质的认识不清楚。从区域地质背景看,在白垩纪前,潍北凹陷属于渤海湾盆地的一部分,发育地层和构造运动与济阳坳陷相似。从郯庐断裂系中段,即沂沭段的构造特点来看,断裂带横剖面结构总体上表现为“垒-堑”结构,位于该段内的汞丹山地垒与马站地堑和安丘-吕县地堑构成明显“垒-堑”结构。在这两个地堑内均发育下白垩统,厚度达到1000~2000m。上下白垩统之间为不整合接触,且岩性差异很大。下白垩统青山组主要由砂砾岩、中性安山岩及火山碎屑岩组成,在近主干断裂边部发育巨大的火山弹与火山集块岩,表明断裂对地堑内火山喷发的控制。上白垩统王氏组主要由紫红色砂砾岩与黄绿色页岩,局部夹泥灰岩。控制马站地堑和安丘-吕县地堑的边界大断裂均属于郯庐断裂带的组成部分,而且向北延伸至潍北凹陷,由此推测潍北凹陷在白垩纪时也可能存在“垒-堑”结构,并且广泛发育下白垩统地层,岩性主要为砂砾岩、中性安山岩及火山碎屑岩。上述郯庐断裂沂沭段广泛发育的下白垩统火成岩是郯庐断裂在早白垩世拉张裂陷作用的产物。

图3-26 昌潍坳陷构造纲要图

2)基底形成演化。若将潍北凹陷的基底定为前古近系,那么该盆地基底的形成演化经历两大阶段,即华北地台盖层发育阶段(古生代)和走滑裂陷阶段(白垩纪)。

a.华北地台盖层发育阶段。

此阶段主要发生在古生代,潍北凹陷还属于济阳坳陷的一部分。从区域资料看,在寒武纪-奥陶纪,整个地区以稳定沉降的碳酸盐岩台地沉积为主。中奥陶世末,加里东运动使全区抬升,缺失晚奥陶世—早石炭世沉积。到中晚石炭世又开始下降,形成了C—P分布较广的海陆交互相碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。二叠纪末的海西运动又使全区整体抬升,导致缺失三叠纪沉积。上述几次运动均以振荡运动为主要形式,只见地层大面积和大段缺失,未发生强烈的构造变形和大量的岩浆侵入活动。

b.白垩纪走滑裂陷阶段。郯庐断裂系启动时间在晚三叠世,当时主要出现在大别与苏鲁造山带之间,并未沿入潍北凹陷。郯庐断裂系的北、中、南三段呈现自南而北分段递进生长迁移的特征(王小风,2000)。从潍北凹陷所处的中段即沂沭断裂带构造变形、地层接触关系以及火山活动分析,白垩纪初时期郯庐断裂活动主要表现为走滑活动,随后在早白垩世中期发生了断陷活动,一方面深部岩浆活动强烈,另一方面在浅层的沉积盖层形成垒-堑结构明显的构造特征。

在早白垩世伸展活动中,岩浆活动沿大断裂向上喷出。在上述地堑内,发育下白垩统青山组为一套中基性的火山岩与火山碎屑岩沉积,火山岩的分布主要沿大断裂附近。同时也可以看到下白垩统或直接不整合在太古宇及古生界碳酸盐岩之上,或与太古宇断层接触。

早白垩世末期,早期的裂陷反转地层抬升遭受剥蚀,造成上、下白垩统之间不整合接触,在马站的下窑等地可见上、下白垩统呈角度不整合接触。晚白垩世,裂陷作用减弱,上白垩统王氏组主要沉积一套粗碎屑火山岩角砾以及古生界的灰岩角砾,这些沉积物主要来自坳陷周围的下白垩统火山岩以及古生界的碳酸盐岩,构造变形相对较弱。白垩纪末,该区又经历了走滑挤压作用,导致白垩系地层褶皱和抬升剥蚀,使得白垩系残存地层分布局限,以及古近系地层与白垩系不整合接触。白垩纪末的走滑挤压与郯庐断裂系由左行走滑转变为右行走滑有关。就潍北凹陷而言,新生代又进入走滑裂陷盆地形成的新阶段。

2.构造层划分

不整合面是构造层序划分的基础。地震揭示潍北凹陷从孔店组到新近系可划分出6个不整合面,即始新统孔三段与白垩系王氏组、孔三段与孔二下亚段、孔二中亚段与孔二上亚段、孔一段与沙河街组、沙河街组与馆陶组、馆陶组与明化镇组。除孔三段与白垩系王氏组、馆陶组与沙河街组为区域性不整合外,其余不整合为局部不整合。其中,孔三段与孔二下亚段不整合分布柳疃断层以北,地震剖面上表现为超覆尖灭现象,表明孔二下亚段沉积范围在柳疃断层以北。孔二中亚段与孔二上段不整合出现在灶户鼻状构造,地震剖面上表现为削蚀现象,表明该时期昌邑-大店断裂的走滑作用造成了灶户地区挤压,地层抬升遭受剥蚀。

依据地层不整合性质,结合区域构造特征,将潍北凹陷划分出三个一级构造层序,从下向上依次为Ts₁构造层序,Ts₂构造层序以及Ts₃构造层序(图3-27)。

图3-27 潍北凹陷构造层序划分图

Ts₁构造层序包括太古宇—白垩系,记录了潍北凹陷形成前的基底形成演化。Ts₂构造层序包括始新统—渐新统,即孔店组和沙河街组,它记录了潍北凹陷的形成与发展,是潍北凹陷主要发育期的产物,也是油气勘探的目标层系,其中孔店组可细分为三段,即孔三段、孔二段、孔一段,累计厚度在500~4000m之间。该构造层序由于受郯庐断裂走滑作用的影响,构造复杂,断层发育。

Ts₃构造层序包括新近系馆陶组和明化镇组以及第四系平原组,记录了潍北凹陷萎缩阶段沉积充填和构造演化特征,累计厚度为900~1300m。该构造层构造相对简单,含油气性差。

3.潍北凹陷构造发育特征

(1)构造格架

潍北凹陷与济阳坳陷在成盆机制上存在较大差异,它不是简单断陷盆地,而是受郯庐断裂活动控制的走滑-裂陷盆地,是受近南北向拉张作用而沿NNE向边界断裂发生右行走滑拉张,而沿近东西向断裂发生正断活动。因此,许多断层在剖面上多表现为“坐椅”状而非“犁”状,也就是说,它是走滑与断陷两种机制共同作用的集中表现。

穿盆地的构造格架剖面建立,是认识盆地结构的基础。从不同位置的构造剖面可以看出潍北凹陷具有以下的结构特点:①在南北向上,潍北凹陷呈北断南超的箕型,北部边界断裂潍河口断裂为大型断裂,其下降盘沉积厚度巨大,基底埋深为5000~6000m,南部总体上为地层超覆或尖灭的斜坡,地震剖面上可明显看出孔店组不同层段的地层向南厚度减薄,沙河街组四段和孔一段上亚段在南部斜坡地层尖灭,在盆地东南角靠近东边界断裂部位地层缺失最为严重;②不同构造位置的南北向剖面,构造样式差异明显。在东利鱼以西至盆地西边界,主干断层多为近东西向展布、断面倾向南,断层排列近似平行于北部边界断层;在灶户以东地区,主干断层多为北东向展布、断面倾向北,断层排列呈雁行式与东部边界断层斜交,在灶户、东利鱼之间地区,断层复杂,既有南倾断层,又有北倾断层,平面上表现为NE向和NWW向两组断层;③在东西方向上,总体表现为双断式,且东部埋深比西部浅。

潍北凹陷结构的上述特点,有别于简单箕状断陷结构,主要原因在于潍北凹陷不是单纯的伸展断陷,而是由于走滑断裂走滑伸展裂陷,盆地的形成即受到伸展作用控制,同时也受到扭滑作用的影响,两者在力学机制上存在很大差异。

(2)断裂体系

a.边界断裂。根据潍北凹陷构造解释以及沉积充填特征的分析,可知控制潍北凹陷新生代形成演化的边界断裂有3条,即盆地东边界的昌邑-大店断裂、西边界的鄌郚-葛沟断裂以及盆地北部边缘的古城-潍河口断裂,其中前两条断裂属于郯庐断裂带中段的组成部分。

昌邑-大店断裂:是划分鲁东隆起和沂沭断裂带的边界断层,也是潍北凹陷的东界断裂。该断裂是一条长期活动的基底断裂,在布格重力异常图上表现为重力等值线密集带,走向北北东,在区内延长25km。在二维地震67.8测线和三维地震62线上表现为明显的负花状构造,表明该断裂在潍北凹陷具有断层走滑性质。与该断裂所伴生次级断层多呈雁行式排列,而且大多数倾向北,断层下降盘的灶户鼻状构造也是该断裂走滑挤压作用的结果。

鄌郚-葛沟断裂:是划分鲁西隆起和沂沭断裂带的边界断裂,也是潍北凹陷的西界断裂;同样是一条长期活动的具有走滑断层性质的基底断裂,在布格重力异常图上表现为重力等值线密集带,走向北北东,在区内延长12km。与该断裂所伴生次级断层多呈雁行式排列,而且大多数倾向南。

古城—潍河口断裂:是划分昌北凸起与潍北凹陷的边界断裂,在布格重力异常图上表现为重力等值线密集带,走向由北东转为近东西向,横贯全区,长达45km。实际上,该断裂在盆地形成早期(孔三、孔二下亚段沉积期)为NE向和NWW向两组雁行式排列的张扭性正断层组成,它们对潍北凹陷北部早期的火山活动有明显的控制作用。

b.控带断层。潍北凹陷内除控制盆地发生发展的边界断裂外,还存在着控制二级构造带发育的断层(又称之为控带断层),共有4条,即柳瞳断层、柳南断层、西利渔北断层和灶户断鼻带西界断层。

柳疃断裂,是划分南部斜坡带与瓦城断阶带和灶户断鼻带的二级断层,也是控制孔二段沉积的断层,走向近东西向,长达30km以上,落差西大东小,一般100~800m(T8反射层),在昌83井附近归并于柳南断层上。

柳南断层,是控制孔二段沉积的二级断层,走向近北东向,落差一般为100~450m(T8反射层),中间大两头小。断层的北段在昌33井附近交于昌邑-大店断层之上。在区内延长约16km。从三维地震资料看,柳南断层也具有走滑性质,在剖面上表现为负花状构造。

西利渔北断层,是划分瓦城断阶带与北部洼陷带的一条二级断层,为一条长期活动的继承性断层,也是一条临近盆地的反向正断层。走向近东西,断点清楚可靠,断层落差变化大,T8反射层的落差为20~200m。

(3)构造样式。

构造样式解析是盆地构造研究的基础研究内容,同时也是油气地质条件分析的主要方面。根据潍北凹陷构造特征,在主干剖面上识别出9种基本构造样式(图3-28)。

1)走滑构造样式。花状构造是最基本的、也是最常见的走滑构造样式,拉分盆地通常发育负花状构造。潍北凹陷东界昌邑—大店断裂北段发育明显的花状构造,在盆地东北部新作的二维67.8测线上,在东部边界断层上出现类似于塌陷的构造现象,实际上它是一个正花状构造。在东部三维剖面上,表现出东部边界断层近于直立,可识别出花状构造样式。另外,在柳南断裂上也可识别出负花状构造,以中部主干断裂为支柱平移向两侧派生出小的正断层分支。这些均表明东界大断裂具有明显的走滑运动特征。

图3-28 潍北凹陷基本构造样式图

2)伸展构造样式。

a.正断层构造样式。正断层是最基本的伸展构造样式。潍北凹陷正断层组合样式多样,在剖面上的组合样式主要有以下几种:“Y”字型断层、座椅状断层、“帚状断层”、“反向屋脊”型断层。

正断层平面组合主要有雁列式组合、平行式组合和变换断层组合。雁列式组合断层组合在盆地东部最为常见,表现为一系列正断层呈NE向展布,与东边界断裂即昌邑一大店断裂成锐角状,或相交、或远离。这种断层组合方式具有典型的走滑构造特征。平行式组合断层组合主要分布在盆地西部,表现为一系列NWW向断层平行状排列。变换断层组合是指当一条断层伸展量逐渐减小乃至消失时,其伸展作用会由另一条断层替代,通常变换断层两侧相邻正断层倾向发生变换,呈相对共轭型(Morely,1984)。变换断层组合在渤海湾盆地很常见,在潍北凹陷的利鱼和灶户之间也很发育,是有利于油气富集的断层组合类型。

b.背斜构造样式。不同正断层断面样式伴生不同的褶皱构造,根据不同类型褶皱成因机理及与不同断面样式间的关系,在理论上可识别出四种不同类型的褶皱,即牵引褶皱、逆牵引褶皱、滚动褶皱和由它们叠加复合而形成的复合褶皱。

牵引褶皱又称断层传播褶皱(Mitra,1993)或强制褶皱(Withjack,1990),通常局限于紧靠断层面的区域,规模一般较小。向斜形成于正断层的上盘,背斜见于下盘。下盘向斜往往呈不对称状,靠近断层一侧为陡翼,远离断层的一侧为缓翼。向斜轴线平行于断面。牵引褶皱可形成于上述所有三种正断层断面样式附近。牵引褶皱很大程度上是由于断层侧向和向上传播(断层生长的结果)到断层端部的单斜挠曲部位时而形成。沿断层面的磨擦拖曳和差异压实作用亦可形成此类褶皱(Hatcher,1994)。

逆牵引褶皱的几何形态与牵引褶皱相反,在上盘形成背斜,下盘形成向斜。与牵引褶皱相比,逆牵引褶皱的规模一般比牵引褶皱大,分布范围较广,逆牵引褶皱的发育表明位移随离开断面距离增加而减小,这是对断层作用的弹性(有时挠性)响应。逆牵引褶皱的半径随位移而增加,如果断层的规模随时间而增加,相关褶皱的宽度和幅度也会随之增加。一般地,上盘逆牵引褶皱的幅度高于下盘逆牵引褶皱的幅度,这主要表现为逆牵引褶皱下盘变形不太明显。大多数逆牵引褶皱与平面状或略具铲形形态的断层有关(Schlische,1995)逆牵引褶皱是断层作用引起的弹性(有时挠性)变形的结果。

滚动褶皱常见于与伸展作用有关的厚层沉积序列中,如墨西哥湾沿岸地和渤海湾盆地。滚动背斜具有以下特征:①滚动背斜大多为宽缓、不对称的短轴背斜,轴线与主断层线近于平行,陡翼靠断层面一侧;②滚动背斜常沿生长断层下降盘呈串珠状分布;③深、浅层构造高点不符合,向深部逐渐偏移,高点偏移轨迹与断面大体平行,背斜幅度向下增大,向上减小;④滚动背斜高点距断层线较近;⑤滚动背斜顶部往往为次级同向和反向断层所切割,构成复杂的顶部地堑断裂系滚动褶皱是由铲状正断层上盘的断弯褶皱作用所形成的(Sha,1997)。铲形正断层上盘地层的拉张造成断层上盘和下盘之间产生潜在的空隙;上盘塌陷充填此隙,在铲形断面之上形成“滚动”。

在正断层附近,常出现牵引褶皱和逆牵引褶皱的叠置及滚动褶皱和牵引褶皱的叠置,从而形成复合褶皱,这类复合褶皱因其叠置方式不同,可构成不同表现形式的复合褶皱,主要包括①上为牵引褶皱,下为逆牵引褶皱;②上为逆牵引褶皱,下为牵引褶皱;③L为牵引褶皱,下为滚动褶皱;④上为滚动褶皱,下为牵引褶皱。复合褶皱与上述三种断面样式的正断层密切相关,其中第四种表现形式仅与坡坪式正断层有关。

c.反转构造样式。潍北凹陷存在构造反转现象,从地震剖面上看,主要表现为Tr反射层断距大T₈反射层断距小,再往上到T₇-T₁断距又增大。从平面看,断层反转现象主要发育在盆地的东南部。这表明孔三、孔二下亚段断层活动强烈,断距增大,到孔二下亚段末期,由于昌邑-大店断裂的走滑挤压作用,早期正断层在挤压力下发生反转,孔二中—沙河街沉积期的区域拉张,导致上覆地层的断距增大。

(4)构造单元划分

潍北凹陷构造形态较为简单,在南北向剖面上表现为北断南超的箕状盆地,在东西向剖面上表现为夹在两条边界大断裂中的双断式断陷。根据上述三条控带断层,可将潍北凹陷划分出四个二级构造单元(图3-29),从北往南依次为北部洼陷带、瓦城断阶带、灶户断鼻带、南部斜坡带。

北部洼陷带:位于昌51—昌14井断裂(T8构造图)(即西利-渔北断裂)以北,古城潍河口断裂以南,面积约195km²,该带构造简单,断层少,是盆地内新生界沉积最厚的地带,孔二段为深湖相、较深湖相沉积,同时沿北界潍河口断裂发育一系列大型冲积扇。

瓦城断阶带:位于柳疃断层以北,西利-渔北断层以南,西界为盆地边界的一级断层,东界与灶户断鼻带无明显界线,暂以地震692.6测线为界。面积约175km²。该带在区域性北倾的背景上,被东西向的三级断层切割成台阶状,在较大断层的下降盘形成一些小滚动构造。该带又被次一级断层切割成许多断块。

灶户断鼻带:位于盆地东部灶户一带,是一个在高古地形背景上长期发育的继承性鼻状构造;其轴向朝东南抬起,向西北倾伏,被北东、北西和近东西向三组断层所切割,形成众多断块,使鼻状构造变得非常破碎,断鼻带面积约270km²。它是潍北凹陷主要产油区。

南部斜坡带:位于盆地南部边缘,北以柳疃断层为界,南至盆地边缘,东、西为两条一级边界断层所限。构造简单,为一个由南向北倾斜的单斜带,面积约150km²。缺失沙四段和孔店组上部地层,单斜带东边,受昌邑-大店断裂的影响,发育昌8井鼻状构造和柳疃南滚动鼻状构造。

3.潍北凹陷形成演化与郯庐断裂带的关系

潍北凹陷构造演化主要受控于郯庐断裂带的活动。郯庐断裂活动强弱、走滑作用方式的改变以及应力场的变化等,均对潍北凹陷的构造演化产生重要影响。这些影响表现在不同时期构造伸展—挤压—走滑作用方式上,对各时期构造作用特点的深入分析将有助于人们认识该盆地的构造演化特征、成盆机制和油气成藏规律,同时又为研究郯庐断裂带的形成与形变提供了有力证据。综合上述各方面的认识,提出潍北凹陷的构造演化历史。

图3-29 潍北凹陷构造单元划分图

图3-30 潍北凹陷及邻区白垩纪末的构造形迹示意图

(1)白垩纪走滑裂陷阶段

从区域构造背景分析,郯庐断裂在早白垩世初主要表现为左行走滑作用,随后在早白垩世中期发生断陷活动,在沂沭断裂带内整体表现为受郯庐断裂带控制的“垒-堑”结构,地堑内沉积厚度巨大,下白垩统青山组火山岩和粗碎屑岩发育,火山岩沿主断裂分布。这些特征揭示郯庐断裂在早白垩世发生了强烈的裂陷作用,导致了深部岩浆的大量侵入以及粗碎屑的堆积。晚白垩世的继续断陷活动,使凹陷内充填了上白垩统王氏组。白垩纪末期,郯庐断裂走滑裂陷作用转变为挤压作用,导致白垩系普遍遭受剥蚀,在潍北凹陷及邻区形成了NE向雁行式排列的褶皱,这些相间排列的褶皱为古近纪形成隆凹相间的构造格局奠定了基础(图3-30),也为潍北新生代走滑盆地的形成奠定了基础。

(2)孔店组孔三段沉积期走滑裂陷阶段

进入新生代,郯庐断裂在区域近南北向伸展应力作用下,由左行走滑转变为右行走滑。孔店组沉积初期(三段沉积期),潍北凹陷边界断裂发生右行走滑作用,在两断裂之间形成NE向和NW向两组断层,在凹陷北部表现为“锯齿”排列(图3-31),同时引发大规模的玄武岩喷发。本次火山活动具旋回性的喷发特点,形成玄武岩中的泥质岩夹层。火山喷发的同时,盆地在逐渐下沉,当火山活动结束后,盆地基本格架已经形成。

图3-31 潍北凹陷孔三、二沉积期构造纲要图

(3)孔二-沙河街期——拉张断陷阶段

大规模火山活动结束后,盆地继续下沉,由于沉积物充填速度远小于下沉速度,环境由浅湖向半深湖和深湖发展,在玄武岩底上沉积了灰至深灰色泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩夹泥质岩。由于此过程基底下沉快,湖水深,沉积速度比较缓慢,沉积物颗粒细,以泥为主;加之当时气候潮湿,湖泊中有大量生物活动,河水也把有机质带入湖中,沉积物中有机质十分丰富,对形成生油岩非常有利。到孔二下亚段沉积末,凹陷东边界昌邑-大店断裂发生反转,导致凹陷东南部的孔二下亚段抬升、剥蚀。

孔二中—沙河街组沉积期,受渤海湾盆地区域伸张作用的影响,潍北凹陷北部潍河口断裂正断活动明显(图3-32),形成以北部为沉降中心的箕状断陷,沉积厚度达2000~2500m。孔二下亚段的湖泊演化到孔二中亚段时,周围隆起区开始形成较大的河流,河水把大量粗粒物质带入湖中,特别是湖泊东、西、北部边缘因山高坡陡,物源丰富,形成大量扇三角洲堆积于湖泊边缘。由于当时湖水深、地形陡,受地震、山洪影响,可能诱发浊积事件,在上述扇三角洲前缘深水区形成浊积扇,沉积孔二中亚段砾岩、砂砾岩。以后基底继续下沉,沉积作用日趋平静,沉积物堆积速度小于基底下沉速度,向半深湖至深湖发展,当湖平面达到最高位时,沉积了孔二上亚段中的油页岩,此时的湖水深度可能是有史以来最深的,盆地充填整体表现为饥饿式沉积。以后基底下沉速度减缓、充填速度增加,由早期的深湖逐渐向浅湖演化。

孔一期是潍北凹陷盆地演化史中的一个重要转折期。首先表现在气候上,以前气候潮湿多雨,沉积物以灰、深灰色为背景,以后气候炎热干旱,沉积物以紫色、紫红色为背景;其次表现在水体明显变浅上,主要以浅湖-滨浅湖和三角洲沉积为主;第三,表现在沉积方面,以前为快速下沉缓慢充填,以后为缓慢下沉快速充填,孔一下亚段时,四周物质源源涌入,在东、西、北三边形成众多扇三角洲,南部地形平缓,在湖边发育冲积平原。

总之,孔二下至沙河街期,盆地以充填作用为主,盆地逐渐收缩,至孔一上—沙河街沉积期,此时盆地可能已被填满,四周物源少而细,气候相当干旱,为一种滨浅湖环境。

图3-32 潍北凹陷孔一段—沙河街沉积期构造纲要图

(4)沙河街期末——反转作用

沙河街期末,昌邑-大店断裂又发生反转,形成了NW向延伸的灶户鼻状构造,同时在凹陷东南部可见沙河街组顶部(T1反射层)被削截现象。

(5)新近纪—第四纪——区域坳陷与走滑挤压作用

进入新近纪,受区域构造影响,潍北凹陷已成为渤海湾盆地的一个组成部分,表现为整体坳陷。但是,馆陶组末期昌邑-大店断裂发生走滑挤压作用,在凹陷东北部可见馆陶组地层被剥蚀。