海拉爾盆地貝爾凹陷伸展斷層轉折褶皺作用及其對沉積作用的制約

劉志宏，梅 梅，柳行軍，吳相梅，萬傳彪，林東成，高軍義

1.吉林大學地球科學學院，長春 130061

2.東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072751

3.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712

海拉爾盆地貝爾凹陷伸展斷層轉折褶皺作用及其對沉積作用的制約

劉志宏1，梅 梅1，柳行軍2，吳相梅3，萬傳彪3，林東成3，高軍義3

1.吉林大學地球科學學院，長春 130061

2.東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072751

3.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712

海拉爾盆地是疊置于內(nèi)蒙—大興安嶺古生代碰撞造山帶之上的中新生代盆地，總體上呈北東向展布，由3坳、2隆5個一級構造單元組成，自西向東依次為扎賁諾爾坳陷、嵯崗隆起、貝爾湖坳陷、巴彥山隆起和呼和湖坳陷，其中貝爾凹陷是貝爾湖坳陷南部的1個二級構造單元。貝爾凹陷的控陷斷層為1個上凸、2個上凹斷層轉折組合構成的犁式正斷層，在深部發(fā)育伸展雙重構造。在犁式正斷層上盤由于上凸斷層轉折產(chǎn)生的活動軸面與斷層面為同旋向剪切，而上凹斷層轉折產(chǎn)生的活動軸面與斷層面為反旋向剪切，在斷層上盤形成2個背斜中間夾1個向斜的構造組合。由活動軸面與固定軸面之間滾動面的寬度確定控陷斷層F1在早白堊世南屯期晚期的水平伸展量為6 850m。貝爾坳陷伸展斷層轉折褶皺的幾何學和運動學特征，反映了斷層滑移速率、構造沉降速率和沉積速率對凹陷內(nèi)沉積地層變形特征的影響和構造活動對沉積作用和油氣地質(zhì)條件的制約。貝爾凹陷南屯組上段內(nèi)部角度不整合的形成與變形作用中的剝蝕作用和沉積間斷無關，而是由于半地塹從略欠補償充填向過補償充填狀態(tài)轉變時，沉積速率相對于構造沉降速率顯著增加所致。

伸展構造；斷層轉折褶皺作用；生長地層；沉積作用；角度不整合；貝爾凹陷；海拉爾盆地

0 引言

構造變形及其對沉積作用的制約是研究盆地形成機制和演化過程的重要科學問題，長期以來一直倍受國內(nèi)外地質(zhì)學家的關注［1－7］。自20世紀80年代末以來，先后有多位學者在斷裂作用、褶皺作用及其與同構造沉積作用（或稱為地層生長作用）之間關系的研究方面，建立了擠壓和伸展構造體制下的生長斷層相關褶皺的幾何學與運動學模型［1－3，8－14］，提出了隆升速率、沉積速率和斷層滑移速率之間的定量關系，為研究構造變形及其與沉積作用的關系提供了新思路、新方法。斷層的滑移及褶皺作用在上覆同構造沉積中得以保存，生長地層的幾何學和運動學特征為斷層、褶皺的形成機制研究提供了新證據(jù)。生長斷層相關褶皺模型的提出使準確地確定盆地的構造特征、變形過程和形成時代成為現(xiàn)實，為進一步研究盆地的構造演化奠定了基礎［1，5－7，13，15－17］。

1 海拉爾盆地地質(zhì)概況

海拉爾盆地是疊置于內(nèi)蒙—大興安嶺古生代碰撞造山帶之上的中新生代盆地［15，18－19］。盆地基底為古生界和前古生界海相、海陸交互相地層，蓋層主要由中生界白堊系和新生界古近系、新近系組成，其中以下白堊統(tǒng)為主，地層總厚度達6 000m。白堊系自下而上劃分為下白堊統(tǒng)興安嶺群、銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組，上白堊統(tǒng)青元崗組。興安嶺群主要以凝灰質(zhì)砂礫巖和火山巖為主，厚度為100～500m。銅缽廟組為一套雜色砂礫巖夾泥巖，厚度為500～800m。南屯組為一套河湖相沉積，可以劃分為上、下2段：下段以黑色泥巖為主，局部夾油頁巖及砂巖，厚度為150～200m；上段為厚層粉砂巖、黑色泥巖夾煤層，向盆地邊緣粒度變粗。大磨拐河組下部以深湖—半深湖相沉積為主，上部為湖沼相沉積，厚度一般為600～800m，最厚達1 033 m。伊敏組為一套砂泥巖和煤層呈不等厚互層的沼澤相沉積，厚度為600～1 000m。青元崗組為一套紫紅、棕紅、灰綠色泥巖夾砂巖，底部為灰白色、雜色砂礫巖，厚度為150～220m［20］。海拉爾盆地的主要生油層系分布于銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組，目前已經(jīng)在基底、興安嶺群、銅缽廟組、南屯組和大磨拐河組發(fā)現(xiàn)工業(yè)油氣藏［19］。

海拉爾盆地總體呈北東向展布，經(jīng)地質(zhì)和地球物理工作證實，盆地由3坳、2隆5個一級構造單元組成：自西向東依次為扎賁諾爾坳陷、嵯崗隆起、貝爾湖坳陷、巴彥山隆起和呼和湖坳陷。其中貝爾凹陷是位于貝爾湖坳陷南部的1個二級構造單元（圖1）。研究表明，海拉爾盆地經(jīng)歷了多次伸展作用和擠壓作用［15，18－19，21－22］，主要發(fā)育4個方向的構造帶：NE向斷層帶、NEE向斷層帶、NS向斷層帶和NW向斷層帶。其中：NE向、NEE向和NS向斷層帶都是控制盆地形成的長期活動斷層，經(jīng)歷了多期伸展作用和擠壓作用；NW向斷層帶是較晚形成的走滑斷層帶，對上述3個方向構造主要起破壞和改造作用。在早白堊世，海拉爾盆地經(jīng)歷了4個變形階段：興安嶺期—南屯期的NW—SE向伸展作用階段，大磨拐河期—伊敏期早期的NW—SE向擠壓作用階段，伊敏期晚期的近EW向伸展作用階段，伊敏期末期的近EW向擠壓作用階段。

圖1 海拉爾盆地構造單元劃分圖與剖面位置Fig.1 Structural units of the Hailar basin and location of the cross section

2 伸展構造的幾何學、運動學特征及其對沉積作用的控制

在上地殼脆性域中，伸展構造的類型主要是滾動構造，即伸展斷層轉折褶皺，這已經(jīng)被物理模擬試驗和野外地質(zhì)事實所證實。犁式正斷層是伸展構造中最常見的構造現(xiàn)象，隨著深度增加其傾角逐漸減小至近水平［8］。脆性上地殼的伸展主要是通過斷層上盤沿著犁式正斷層的滑動來實現(xiàn)的。在滑動過程中，斷層上盤和下盤之間的空間被沿著庫侖剪切面方向的重力坍塌而充填補充，相應地形成了以犁式正斷層上盤前生長地層頂面為底面和斷層為邊界的半地塹空間，年輕的沉積地層隨著半地塹的發(fā)育而逐漸充填。這種犁式正斷層可以微分為傾角隨深度增加而逐漸變緩的面狀段，在橫剖面上表現(xiàn)為線狀段［3］。Xiao等［12］、Shaw 等［9］分別依據(jù)變形在橫剖面上面積平衡的原則對這種變形做出了定量化的幾何學描述，分析了通過沉積地層記錄的半地塹發(fā)育的幾何學和運動學要素，并引入了在擠壓構造域中提出的活動軸面、固定軸面（不活動軸面）和生長軸面以及生長地層、生長三角的概念，建立了伸展斷層相關褶皺的幾何學、運動學模型。漆家福等［5］、賈東等［14］認為犁式正斷層上盤盆地的發(fā)育過程、犁式正斷層的產(chǎn)狀以及斷層上盤的變形方式直接影響了上盤盆地的形態(tài)和變形特征。

海拉爾盆地分別在興安嶺群—南屯組沉積時期和伊敏組沉積中期為伸展斷陷盆地，是受犁式正斷層控制的箕狀斷陷［18－19，21－22］。在對研究區(qū)主干地震剖面解釋時發(fā)現(xiàn)，海拉爾盆地的伸展構造具有膝折變形的特征，基本上符合伸展斷層轉折褶皺模型，并且在發(fā)生變形的同時始終伴隨著沉積作用，變形構造的幾何學、運動學特征對沉積作用產(chǎn)生重要影響，同樣沉積作用也始終記錄著變形作用的過程。本文采用伸展斷層相關褶皺理論，選取海拉爾盆地具有代表性的地震剖面（圖2）進行精細地質(zhì)解釋，研究南屯組上段沉積時期伸展構造的幾何學、運動學特征及其對斷陷中沉積作用的控制，根據(jù)控陷犁式正斷層的幾何形態(tài)、已經(jīng)壓實的同斷陷期生長地層厚度和在地震剖面上觀察到的庫侖剪切方向（軸面的方向），構建了南屯組上段沉積時期半地塹發(fā)育的平衡正演幾何學和運動學模型（圖3）。

圖2 海拉爾盆地貝爾凹陷line3600地震剖面地質(zhì)解釋圖Fig.2 Geological interpretation of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

由圖2可見：剖面line3600顯示早期正斷層控制了凹陷的形成與演化，并且受后期擠壓反轉作用影響較小，基本保持了興安嶺群—南屯組沉積時期構造變形的幾何學特征。在下白堊統(tǒng)興安嶺群—南屯組下段（T5—T23）沉積時期，盆地發(fā)育多個同向正斷層組合，它們共同控制了這一時期同生地層的沉積作用和構造變形：在斷層上盤，靠近控陷斷層F1、F2、F3、F4等部位地層厚度最大，遠離斷層地層的厚度逐漸減小直至穩(wěn)定，但厚度在空間上差異較小，反映了每一個控陷正斷層的活動強度不大。在南屯組上段（T23—T22）沉積時期，早期控陷斷層F2、F3、F4等的活動強度逐漸減弱直至停止，凹陷主要受斷層F1控制，具有半地塹型盆地的基本構造特征，斷層上盤的地層厚度在靠近控陷斷層F1的部位最大，遠離斷層地層的厚度逐漸減薄，但厚度在空間上的差異十分顯著，反映了斷層F1在南屯組上段沉積時期強烈活動，凹陷由多個規(guī)模較小的控陷斷層控制的小型斷陷群演變?yōu)橛梢粋€規(guī)模較大的犁式正斷層控制的大型斷陷。凹陷中褶皺軸面明顯將不同傾斜區(qū)地層傾角的變化分隔開來，斷層上盤地層產(chǎn)狀的轉折變化可以反映出其下伏控陷正斷層是由斷坪和斷坡組成的，可用圖2的模式來解釋其幾何構型。

圖3 海拉爾盆地貝爾凹陷line3600剖面伸展斷層轉折褶皺的正演模型Fig.3 Sequential models of extensional fault－band fold of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

從地震剖面反射特征看，圖2中有明顯的斷層面反射現(xiàn)象，總體呈上陡、下緩的犁式正斷層特征，向深部斷層的傾角逐漸變緩，并在2～2.5s發(fā)育伸展雙重構造；由伸展斷層轉折褶皺幾何學可以推測斷陷深部發(fā)育的多個控陷正斷層在更深的部位可能歸并于一個近水平的拆離面上。這一控陷正斷層至少存在3個明顯的斷層傾角轉折處（X1、X2、X3），它們構成了控制斷層上盤地層變形的3個褶皺軸面，分隔了褶皺軸面兩側傾角不同膝折變形的傾斜地層。這些對應于控陷正斷層轉折處的褶皺軸面被解釋為活動軸面，對于它們的定位可以依據(jù)斷層上盤地層反射界面的傾角變化來確定，傾角變化應該與斷層轉折處所產(chǎn)生的簡單剪切運動相吻合［3，12］，這些活動軸面的產(chǎn)狀（傾斜的剪切方位）反映了庫侖剪切的角度。在控陷斷層的各個轉折處都發(fā)育活動軸面，隨著斷層上盤地層沿著底部拆離面滑動，地層通過活動軸面發(fā)生膝折剪切，形成膝折變形的滾動區(qū)。不活動軸面是從活動軸面中分離平移出來的，活動軸面與不活動軸面之間的距離隨著斷層的持續(xù)滑動而不斷加寬，這種由2個軸面所圍限的滾動區(qū)的寬度等于沉積物堆積以來所發(fā)生的斷層水平滑動量的大?。?］（圖2、圖3）。在上凹型斷層轉折之上（斷層傾角隨深度變緩），膝折變形的地層、活動軸面一般與主斷層呈反旋向關系，上凸的斷層轉折褶皺（斷層傾角隨深度變陡）一般與主斷層呈同旋向關系，產(chǎn)生與主斷層具有相同傾向的掀斜地層和活動軸面。圖2中的3個活動軸面（X1、X2、X3）和與之平行的3個不活動軸面（或稱固定軸面X’1、X’2、X’3）由上盤地層的產(chǎn)狀變化來確定，它們構成了3個相互疊置的滾動區(qū)，具有基本一致的滾動寬度，表明控陷斷層F1在南屯組上段沉積時期的水平伸展量為6 850 m。其中活動軸面（X1）固定在上凸型的斷層轉折之上，軸面與主斷層傾向相同（傾向南東），而活動軸面（X2、X3）固定在上凹型斷層轉折之上，軸面與主斷層傾向相反（傾向北西）。在具有1個上凸和2個上凹斷層轉折組合的斷層面上，由于上凸斷層轉折產(chǎn)生的軸面與斷層面為同旋向剪切，而上凹斷層轉折產(chǎn)生的軸面與斷層面為反旋向剪切，所以在能夠伸展背景下形成2個背斜構造（分別在圖2中的X1、X’2附近）中間夾1個向斜（在圖2中的X2、X’1附近）的構造組合。

圖4 海拉爾盆地貝爾凹陷line3600南屯組上段內(nèi)部的角度不整合Fig.4 Angular unconformity within the Upper Member of Nantun Formation of seismic profile line3600of Beier sag in Hailar basin

海拉爾盆地貝爾凹陷伸展斷陷早期沉積物記錄的滾動寬度比后期沉積物記錄的滾動寬度要大，結果這些同構造生長地層形成向上變窄的滾動區(qū)，稱生長三角；生長三角是由生長地層中活動軸面與不活動軸面所圍限的，生長地層中的不活動軸面也叫生長軸面［12］。生長三角中生長軸面的斜率反映了沉積速率與斷層滑動速率的比值［3］。由圖2B可知：在南屯組上段沉積早期生長軸面的斜率很小，沉積速率與斷層滑動速率的比值很小，說明盆地處于快速拉張時期；相比之下沉積物的供給相對不足，半地塹盆地處于略欠飽和充填狀態(tài)，水體逐漸變深，處于深湖相—半深湖相的還原環(huán)境，此時盆地的沉積速率很低，主要沉積了一套富含有機質(zhì)的黑色泥巖［18，20］，為海拉爾盆地最主要的烴源巖層位之一。而在南屯組上段沉積晚期生長軸面的斜率很大，沉積速率與斷層滑動速率的比值很大，說明盆地的拉張速率明顯變小；相比之下沉積物的供給相對過剩，盆地的可容空間逐漸變小，半地塹盆地處于過飽和充填狀態(tài)，水體逐漸變淺，由深湖相—半深湖相轉變?yōu)闇\湖相、三角洲相的沉積環(huán)境，此時盆地的沉積速率明顯增大，黑色泥巖中所夾的砂巖層位明顯增多［18，20］，這些砂巖可以構成較好的油氣儲層。另外，在地震剖面（圖2、圖4）中還可以觀察到，凹陷東部斜坡南屯組上段中生長軸面上、下地層之間存在一個角度不整合；該不整合為沉積不整合，與剝蝕作用和沉積間斷無關［3］，不整合的上、下地層向盆地深部過渡為假整合或整合接觸關系，而且生長軸面的傾角發(fā)生了較大變化，由活動軸面、生長地層層面以及向上變窄的生長軸面構成了生長三角形態(tài)的變化（圖2、圖3），同樣沉積速率與斷層滑動速率的比值明顯增大。

在對研究區(qū)具有代表性的地震剖面line3600精細地質(zhì)解釋和綜合分析的基礎上，建立了南屯組上段沉積時期半地塹發(fā)育的平衡正演幾何學和運動學模型，反映了斷層滑移速率、構造沉降速率和沉積速率對凹陷內(nèi)沉積地層變形特征的影響和構造活動對沉積作用的控制。在南屯組二段沉積之前（T23之下），斷層上盤的沉積作用受包括斷層F1、F2、F3、F4在內(nèi)的多個控陷正斷層控制（圖2）；盡管整個斷陷盆地的伸展量很大，但每一個控陷斷層的伸展量并不大，地層的厚度在靠近控陷斷層附近較大，遠離斷層地層的厚度逐漸減小，但地層厚度在橫向上的變化并不十分顯著。在南屯組上段沉積時期，其他斷層的活動強度明顯減弱或停止活動，斷層F1成為主要控陷斷層，并形成了現(xiàn)在的幾何特征（圖3A）。南屯組上段沉積初期（T23之上），斷層F1強烈活動，斷層滑動所造成的構造沉降速率大于沉積速率，此時凹陷處于略欠補償環(huán)境，由于陸相盆地中沉積中心一般與構造沉降中心基本一致，因此沉積作用只限于斷層上盤構造最低點，同沉積地層變形區(qū)限制在斷層上盤由先存的地層頂面、活動軸面和生長軸面限制的楔形生長區(qū)內(nèi)（圖3B、C）。隨著沉降量不斷增大而沉積未能填滿凹陷，凹陷內(nèi)的斷隆不斷出露水面（剝蝕面），剝蝕作用和沉積作用都開始增大，凹陷開始由略欠補償向補償過渡，最終達到沉積速率接近構造沉降速率，凹陷內(nèi)部處于補償狀態(tài)，凹陷東部遠離斷層的斜坡帶為無沉積區(qū)，不整合出露。由于凹陷從略欠補償向過補償狀態(tài)轉變時，沉積速率相對于構造沉降速率顯著增加，形成角度不整合（圖2、圖3D、圖4）。當沉積物填滿由構造沉降控制的可容空間時，由于區(qū)域上的沉降作用，造成整個凹陷處于沉降狀態(tài)，并且此時的沉積速率較高，所以形成的沉積地層覆蓋了整個伸展斷陷（圖2、圖3D）。上述不整合為油氣的聚集提供了有效的儲集空間。

3 結論

1）海拉爾盆地貝爾凹陷的控陷斷層為1個上凸、2個上凹斷層轉折組合構成的犁式正斷層，在深部發(fā)育伸展雙重構造。在伸展背景下由于上凸斷層轉折產(chǎn)生的軸面與斷層面為同旋向剪切，而上凹斷層轉折產(chǎn)生的軸面與斷層面為反旋向剪切，在斷層上盤形成2個背斜中間夾1個向斜的構造組合。由活動軸面與固定軸面之間滾動面的寬度確定控陷斷層F1在下白堊統(tǒng)南屯組上段沉積時期的水平伸展量為6 850m。

2）海拉爾盆地貝爾凹陷伸展正斷層的幾何學和運動學特征，反映了斷層滑移速率、構造沉降速率和沉積速率對凹陷內(nèi)沉積地層變形特征的影響和構造活動對沉積作用和油氣地質(zhì)條件的控制。在半地塹盆地中，南屯組上段內(nèi)部角度不整合的形成與變形作用中的剝蝕作用和沉積間斷無關，而是由于斷陷從略欠補償充填向過補償充填狀態(tài)轉變時，沉積速率相對于構造沉降速率顯著增加所致。

謹以此文祝賀我的母?！L春地質(zhì)學院創(chuàng)建60周年。

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Extensional Fault－Bend Folding and Its Constrains on the Sedimentation of Beier Sag in Hailar Basin

Liu Zhi－h(huán)ong1，Mei Mei1，Liu Hang－jun2，Wu Xiang－mei3，Wan Chuan－biao3，Lin Dong－cheng3，Gao Jun－yi3

1.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China
2.BureauofGeophysicalProspecting，PetroChina，Zhuozhou072751，Hebei，China
3.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment，DaqingOilFieldItd.Co.，PetroChina，Daqing163712，Heilongjiang，China

Hailar basin is a Meso－Cenozoic basin which superimposed on the Inner Mongolia－Greater Hinggan Mountain Paleozoic collision orogenic belt.The basin，trending north－east，is consist of five first－order structural units （three depressions and two uplifts），from west to east are Zhalenuoer depression，Cuogang uplift，Beier Lake depression，Bayanshan uplift and Huhe Lake depression.Beier sag is a second－order structural unit in the south of Beier Lake depression.The control subsidence fault of Beier sag is a listric normal fault which consists of a convex and two concave fault－bend，and formed extensional duplex in depth.The shear rotation of active axial surface caused by convex fault－bend is the same as the fault plane，the shear rotation of active axial surface caused by concave fault－bend is contrary to the fault plane，and two anticline sandwiching a syncline formed in hanging wall of listric normal fault.The horizontal extension of the control subsidence fault F1is 6 850mduring Late Nantun Period in the Early Cretaceous，determined by the rollover width between active axial surface and inactive axial surface.The geometry and kinematics of extensional fault－bend fold in Beier sag reflect the impact of the fault slip rate，the tectonic subsidence rate，deposition rate on deformation characteristics of sedimentary strata and constrains on the sedimentation and petroleum geological conditions in the depression.The internal angular unconformity of the Upper Member of Nantun Formation in Beier sag developed without erosion or hiatus on deformation due to increases in deposition rate relative to subsidence rate，where half－graben compartments change from sediment－underfilled to overfilled conditions.

extensional structure；fault－bend folding；growth strata；sedimentation；angular unconformity；Beier sag；Hailar basin

P54；P618.13

A

1671－5888（2012）05－1330－08

2012－02－05

國家自然科學基金項目（41072150）

劉志宏（1962—），男，教授，博士，博士生導師，主要從事造山帶演化與盆地構造研究，E－mail：liuzhih＠jlu.edu.cn。