濟(jì)陽坳陷東部墾東－孤東潛山帶走滑斷層特征與成因分析

余朝華，黃 超，祁成祥，余 鵬

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；3.中海油伊拉克有限公司，北京 100010；4.中國石油化工股份有限公司勝利油田物探研究院，山東東營 257022）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

墾東－孤東潛山帶位于濟(jì)陽坳陷東部，鄰近郯廬斷裂帶，受大規(guī)模斷陷和走滑活動的雙重影響，構(gòu)造形態(tài)異常復(fù)雜。該潛山構(gòu)造帶整體呈北西向，東北方向傾沒入黃河口凹陷之中，西南方向與孤南－富林洼陷相連，向東與郯廬斷裂帶相接，西北方向通過斷層與長堤潛山相通，南部與青坨子凸起相連（圖1a）。

墾東－孤東潛山帶是由墾東潛山和孤東潛山兩個(gè)獨(dú)立的潛山組成。墾東潛山是一個(gè)在新近系潛山背景下發(fā)育起來的新近系披覆、古近系超覆的高潛山披覆構(gòu)造（圖1b），潛山內(nèi)古生界分布范圍較小而中生界分布于大部分地區(qū)，由于新生代早期和東營末期的兩次區(qū)域性抬升，古近系地層遭受嚴(yán)重剝蝕，普遍缺失沙一段以下地層，東一段也被剝蝕殆盡，新近系披覆層全區(qū)均有分布，第四系平原組全區(qū)穩(wěn)定分布［1］。孤東潛山是在燕山運(yùn)動期開始發(fā)育，在喜山期繼承發(fā)展的一個(gè)被后期斷層復(fù)雜化的潛山披覆背斜構(gòu)造（圖1b），潛山下古生界地層向西南抬高，向北東下傾，形成“斷塊山”，孤東潛山經(jīng)歷了較長時(shí)間的抬升剝蝕在漸新世中—晚期下沉，接受沉積，整體缺失沙四段，沙二、三段超覆沉積，沙一段及其上地層覆蓋全區(qū)［2］。

墾東斷層和孤東斷層分別是墾東潛山和孤東潛山的成山斷層，受郯廬斷裂新生代右行走滑活動的影響，這兩條斷層表現(xiàn)出明顯的走滑性質(zhì)，是濟(jì)陽坳陷東部重要的走滑斷層。

墾東斷層和孤東斷層分別是墾東潛山和孤東潛山的成山斷層，受渤海灣盆地新生代早期張裂的影響，兩條斷層的下降盤沉積了巨厚的新生界地層，斷層斷距達(dá)數(shù)百米，表現(xiàn)為明顯的正斷層。同時(shí)，受到郯廬斷裂新生代右行走滑活動的影響，墾東斷層和孤東斷層又兼具走滑性質(zhì)，是濟(jì)陽坳陷東部重要的走滑斷層，斷裂兩側(cè)的凸起和凹陷有著明顯的錯(cuò)位。由于墾東斷層和孤東斷層在不同的構(gòu)造環(huán)境下受多種地質(zhì)應(yīng)力的綜合影響，造就了現(xiàn)今兩條斷層復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)，目前就其發(fā)生走滑的動力機(jī)制尚無統(tǒng)一定論。

大量的油氣勘探實(shí)踐表明，走滑構(gòu)造帶往往是油氣聚集的有利區(qū)帶［3］。濟(jì)陽坳陷東部墾東－孤東潛山帶是勝利油田非常重要的油氣產(chǎn)區(qū)，對該區(qū)帶內(nèi)走滑斷層特征及形成機(jī)制的研究有助于分析走滑活動對油氣聚集成藏的影響，從而指導(dǎo)該區(qū)和有相似構(gòu)造背景地區(qū)的油氣勘探。

圖1 孤東—墾東潛山帶區(qū)域構(gòu)造（a）及地質(zhì)剖面（b）

2 構(gòu)造特征

2.1 剖面特征

作為墾東潛山和孤東潛山的成山斷層，墾東斷層和孤東斷層分別是這兩個(gè)潛山主體構(gòu)造帶與孤南－富林洼陷的分界斷層。從剖面上看，墾東斷層和孤東斷層都十分陡峭，斷層傾角為60°～70°，且斷層切割深度大，切割了從太古代到新生代各個(gè)不同時(shí)期的地層。

這兩條斷層在剖面上的主要特征是在古近系地層發(fā)育明顯的向上打開、向下收斂的負(fù)花狀構(gòu)造（圖2），而花狀構(gòu)造通常被看作是斷層發(fā)生走滑活動的直接證據(jù)。根據(jù)Harding等對負(fù)花狀構(gòu)造形成的力學(xué)成因的探討［4］，負(fù)花狀構(gòu)造的產(chǎn)生是張扭應(yīng)力作用的結(jié)果。墾東斷層和孤東斷層附近古近系地層中發(fā)育的負(fù)花狀構(gòu)造一方面證明了這兩條斷層的走滑斷層性質(zhì)，同時(shí)反映出新生代早期濟(jì)陽坳陷東部處于張扭的應(yīng)力背景下。

除了古近系地層中發(fā)育的負(fù)花狀構(gòu)造，墾東斷層和孤東斷層在古近系下部，特別是中生代以前的地層中表現(xiàn)出明顯的正斷層性質(zhì)，斷層下降盤沉積了厚層的新生代、中生代和古生代地層（圖1b），而斷層上升盤的潛山主體部分由于受到多次抬升剝蝕的影響，古生代和中生代地層減薄甚至缺失（圖2），這說明在走滑發(fā)生之前，墾東－孤東地區(qū)發(fā)生過大規(guī)模的斷陷，濟(jì)陽坳陷東部處于拉張應(yīng)力環(huán)境下。

2.2 平面特征

墾東斷層和孤東斷層整體都呈北東走向，與郯廬斷裂帶的走向基本平行，平面上延伸距離較長（圖1a）。

圖2 過墾東斷層（a）和孤東斷層（b）典型地震剖面（測線A 和測線B）

墾東斷層和孤東斷層平面上的最大特征是附近伴生有雁行排列的正斷層。從過墾東斷層的相干切片（圖3a）上看，墾東斷層是一條明顯的相關(guān)系數(shù)很低的暗色條帶，呈直線狀向北東方向延伸。此外，在墾東斷層附近還發(fā)育一系列北東東走向，相互平行的伴生雁行正斷層，該組正斷層發(fā)育在古近紀(jì)地層中，通過與過墾東斷層的地震剖面（圖2a）對比發(fā)現(xiàn)，平面上呈雁行排列的這組斷裂正是剖面上形成花狀構(gòu)造的各分支斷裂（圖2a和圖3b）。該組正斷層呈約45°斜交，與主走滑斷層形成“入”字型結(jié)構(gòu)，符合在右旋走滑應(yīng)力作用下形成的主走滑帶與伴生雁行正斷層的幾何學(xué)關(guān)系（圖3c）。

圖3 墾東潛山東部1 620ms相干切片

3 形成機(jī)制分析

3.1 區(qū)域構(gòu)造背景

墾東－孤東潛山帶位于渤海灣盆地和郯廬斷裂帶的構(gòu)造結(jié)合部，其形成和發(fā)展受到渤海灣盆地和郯廬斷裂帶構(gòu)造演化的雙重影響和制約。中國東部大陸的形成和演化主要受到太平洋－歐亞板塊間的俯 沖［6－9］、印度—?dú)W亞板塊間的碰撞［10－13］和日本海弧后擴(kuò)張作用的影響［8，14－15］，而在這些因素中，太平洋板塊的俯沖作用被看作是最重要的因素［6］。

自中生代以來，太平洋—?dú)W亞板塊間的俯沖速率、方向和俯沖角度發(fā)生了幾次重大的改變［6，16］。俯沖速率和方向的改變直接影響著板塊間的相互作用力的大小和方向，而俯沖角度的大小則直接決定著板塊間的相互作用所影響的范圍和深度。

中生代晚期，太平洋板塊正向俯沖于歐亞板塊之下，且俯沖角度逐漸增大［16］。這種高角度的正向俯沖引起了地幔對流、巖石圈減薄和大規(guī)模裂陷［8，15，17］。這可能是中國東部古近紀(jì)早期大規(guī)模裂陷發(fā)生的直接原因（圖4a）。此時(shí)的郯廬斷裂帶和渤海灣地區(qū)均處于拉張斷陷之中，這也是墾東斷層和孤東斷層在花狀構(gòu)造之下表現(xiàn)為正斷層的原因。

到了始新世中期（39.5 Ma），太平洋板塊相對歐亞板塊的俯沖方向發(fā)生了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由正向俯沖轉(zhuǎn)而變成斜向俯沖［6］。這種旋轉(zhuǎn)使得太平洋板塊與歐亞板塊間的相互作用力方向發(fā)生改變，從開始的北西向轉(zhuǎn)而變成正西，旋轉(zhuǎn)前的應(yīng)力方向與北東走向的郯廬斷裂帶近乎垂直，而后者與之斜交，旋轉(zhuǎn)后板塊間相互作用力沿著郯廬斷裂帶走向的分量可能是引起郯廬斷裂帶的右行走滑的直接原因（圖4b）。這一推斷與Hsiao等［20］通過遼東灣地區(qū)地震剖面上地層沉積特征變化而得出的40 Ma作為右行走滑活動開始時(shí)間的結(jié)論基本一致。在郯廬斷裂帶的右行走滑活動的誘導(dǎo)下，墾東斷層和孤東斷層發(fā)生走滑，在古近系地層中形成負(fù)花狀構(gòu)造。

印度洋板塊與歐亞板塊的碰撞開始于古新世中期（55～60 Ma）［21］，印度洋板塊向東北方向推擠著歐亞板塊。到了始新世中期（39.5 Ma），在于太平洋板塊的西向俯沖和印度洋板塊的北東方向碰撞的共同作用下，整個(gè)中國東部處于北東—南西向的擠壓應(yīng)力之下（圖4b）。

3.2 走滑成因分析

為進(jìn)一步分析墾東斷層和孤東斷層發(fā)生走滑的力學(xué)機(jī)制，我們以潛山帶中生代頂面構(gòu)造形態(tài)為模型（圖5a），結(jié)合始新世中期郯廬斷裂帶開始右行走滑的應(yīng)力背景，探討在北東—南西向的擠壓作用下塊體的形變機(jī)制。

圖4 古新世—始新世早期（a）和始新世中期（b）中國東部構(gòu)造應(yīng)力背景

圖5 走滑斷層形成機(jī)制分析示意

從規(guī)模上來看，墾東潛山的規(guī)模遠(yuǎn)大于孤東潛山帶，且墾東潛山向南與青坨子凸起相連，再向西與濟(jì)陽坳陷內(nèi)最大規(guī)模的凸起之一的陳家莊凸起相接。在北東—南西向的擠壓應(yīng)力作用下，由于墾東潛山受到青坨子凸起乃至遠(yuǎn)處相連的陳家莊凸起的阻擋，而孤東潛山東北和西南兩面鄰?fù)?，北西向排列的墾東－孤東潛山帶在北東—南西向的擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（圖5b）。由于東部和南部地區(qū)受到隆起帶的限制，墾東－孤東潛山帶的旋轉(zhuǎn)中心位于東南角，這使得沿北西向展布的潛山帶的不同的構(gòu)造部位所獲得的轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動力矩是不一樣的。當(dāng)這種差異轉(zhuǎn)動長期的積累效應(yīng)超過潛山之間現(xiàn)存分割斷裂面的強(qiáng)度時(shí)，潛山帶的各段就會沿著原先存在的分割斷裂面分段扭動。且從距離旋轉(zhuǎn)中心的距離來看，長堤潛山的扭動速率和力矩最大，孤東潛山次之，墾東潛山最小。相鄰塊體之間扭動程度的差異，使得相鄰兩塊體沿著分割斷層面發(fā)生相對滑移，在這種作用下，潛山間的分割斷層逐漸演化成為走滑斷層（圖5b）。

4 結(jié)束語

墾東斷層和孤東斷層是濟(jì)陽坳陷東部重要的走滑斷層。平面上，兩斷層呈北東向延伸，與郯廬斷裂帶平行，在主走滑斷層附近發(fā)育一系列的雁行斷裂，這些斷裂與走滑斷層呈45°斜交，形成“入”字型結(jié)構(gòu)。剖面上，兩斷面陡立，切割深度大，在古近系下部，特別是中生代以前的地層中表現(xiàn)出明顯的正斷層性質(zhì)，而在古近系與新近系地層中發(fā)育明顯的負(fù)花狀構(gòu)造。

中生代晚期—新生代早期，由于太平洋板塊的正向高角度俯沖，引起了地幔對流、巖石圈減薄和大規(guī)模裂陷，此時(shí)的墾東斷層和孤東斷層表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)。到了始新世中期，在太平洋板塊正西向俯沖和印度洋板塊北東向推擠的共同作用下，中國東部處于北東—南西向的擠壓之下，由于墾東潛山南部受青坨子凸起和陳家莊凸起所限，墾東－孤東潛山帶在北東—南西向擠壓應(yīng)力作用下，繞東南角發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且由于各潛山距離旋轉(zhuǎn)中心的距離不同，相鄰塊體之間扭動程度存在差異，這種差異扭動使得相鄰兩塊體沿著分割斷層面發(fā)生相對滑移，最終使得潛山之間的分割斷層演變成走滑斷層。

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