金湖凹陷銅城斷層構(gòu)造特征與成因分析

張衛(wèi)海，王 韜，何 暢，楊立干，劉喜歡

（1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.中國石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州225009）

金湖凹陷銅城斷層構(gòu)造特征與成因分析

張衛(wèi)海1，王 韜1，何 暢1，楊立干2，劉喜歡2

（1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.中國石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州225009）

依據(jù)高精度三維地震資料與前人對金湖凹陷乃至蘇北盆地構(gòu)造的分析成果，在構(gòu)造理論指導(dǎo)下應(yīng)用構(gòu)造解析方法，對銅城斷層構(gòu)造特征與成因進(jìn)行研究。結(jié)果表明：銅城斷層近SN延伸，斷面具“絲帶效應(yīng)”，其東、西兩盤諸斷層發(fā)育規(guī)模、活動性和剖面樣式有所差異，銅城斷層與兩盤斷層不具成因上的“世代關(guān)系”，但具有構(gòu)造分區(qū)作用；區(qū)域應(yīng)力和先存構(gòu)造是影響銅城斷層形成與演化的主要因素；古新世—早始新世NW—SE向伸展作用時，銅城斷層為具有調(diào)節(jié)作用的變換斷層，并不受郯廬斷裂的走滑作用影響，中始新世近SN向伸展作用下，又疊加以主動走滑性質(zhì)，斷層規(guī)模擴(kuò)大，漸新世至早中新世近EW向擠壓應(yīng)力造成南段斷面倒轉(zhuǎn)而呈“逆斷層”特征；銅城斷層形成于伸展環(huán)境，在擠壓環(huán)境中受到局部改造，具有走滑性質(zhì)、多期活動、逐次發(fā)育特征。

金湖凹陷；銅城斷層；新生代；走滑斷層；斷層成因

經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動、具有復(fù)雜構(gòu)造特征已然是中國大多數(shù)含油氣盆地的共性［1-2］。金湖凹陷中南部的銅城斷裂構(gòu)造帶即是蘇北盆地中典型的復(fù)雜構(gòu)造帶。構(gòu)造帶內(nèi)的銅城斷層因其成因復(fù)雜，演化多期，構(gòu)造特征獨(dú)特，受到眾多學(xué)者關(guān)注。楊曉蘭等［3］認(rèn)為銅城斷層是具走滑性質(zhì)的逆斷層；邱旭明［4］認(rèn)為銅城斷層是因郯廬斷裂的扭動作用而形成的壓扭構(gòu)造；劉玉瑞等［5］認(rèn)為銅城斷層是郯廬斷裂右行扭動形成的“P”剪切走滑斷層；葉紹東［6］認(rèn)為銅城斷層是一條典型的走滑斷層；能源等［7］認(rèn)為銅城斷層是調(diào)節(jié)石港斷層和楊村斷層應(yīng)力應(yīng)變的變換斷層。筆者在汲取前人成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)構(gòu)造解析流程從多角度對銅城斷層及其旁側(cè)斷層的構(gòu)造幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行分析。

1　地質(zhì)概況

金湖凹陷位于蘇北盆地西南部，歷經(jīng)儀征、吳堡、真武、三垛、鹽城多期構(gòu)造運(yùn)動，具有不同走向、不同性質(zhì)、不同時期斷層縱橫交織的構(gòu)造面貌［7-8］，銅城斷層橫亙于龍崗-汊澗次凹間（圖1）。地層自下而上依次為泰州組、阜寧組、戴南組、三垛組、鹽城組和東臺組，其中阜寧組、戴南組和三垛組是主要油氣富集段［8-9］。

圖1　金湖凹陷構(gòu)造簡圖Fig.1 Simplified structural map of Jinhu sag

2　斷層構(gòu)造特征

2.1平面特征

平面上銅城斷層南起楊村斷層走向轉(zhuǎn)折處，北抵天2南斷層，表現(xiàn)為一條近SN延伸的線型構(gòu)造。兩側(cè)發(fā)育一系列正斷層，多為北傾或北偏西傾，正斷層間呈平行式排列，還有若干斷層與銅城斷層相交。西盤正斷層走向偏NEE，與銅城斷層呈近垂直相交；東盤正斷層走向偏NE，與銅城斷層呈銳角相交（圖2）。

2.2剖面特征

剖面顯示無論南段還是北段，銅城斷層西盤具有明顯的拖曳現(xiàn)象，東盤則呈上拱構(gòu)造。斷層向下切達(dá)基底，向上可斷至三垛組頂部但并未向外散開，實(shí)質(zhì)上是一條孤立的斷層，剖面上表現(xiàn)出“似花狀”。

不同位置的剖面表明沿走向斷層產(chǎn)狀發(fā)生變化：銅城斷層南段斷面東傾，傾角大，約為80°，呈逆斷層特征；中南段斷面轉(zhuǎn)為西傾，高角度下切，斷面傾角為70°～75°，表現(xiàn)為正斷層特征；中北段斷面西傾，為正斷層，傾角變緩為65°～70°；北段斷面傾向不變，傾角減小到約55°，并且斷層在淺部被天2南斷層限制。除南段具有逆斷層形式外，銅城斷層大部分表現(xiàn)為斷面西傾的正斷層樣式，傾角由南向北逐漸變緩反映斷層的走滑性質(zhì)向北逐漸減弱。

銅城斷層?xùn)|、西盤構(gòu)造具有顯著差異：西盤斷層密度較大，斷層規(guī)模較小，斷距為20～200 m，主要為北傾板式斷層，地層掀斜、旋轉(zhuǎn)較弱，呈多米諾式排列，淺部次級斷層不發(fā)育；東盤斷層稀疏但規(guī)模較大，主斷層斷距多大于100 m，最大可超過500 m，斷面多北傾，形態(tài)鏟式或似椅式，地層掀斜、旋轉(zhuǎn)較強(qiáng)，剖面以多米諾式排列為主，兼有“y”字型組合等。兩盤斷層均可上斷至三垛組頂部，但東盤斷層下切深度明顯大于西盤（圖3）。

圖3　銅城斷層及其旁側(cè)剖面特征Fig.3 Profile characteristics of Tongcheng fault and adjacent faults

3　斷層活動特征

正斷層或逆斷層都是傾向滑動斷層，通過計(jì)算古落差（考慮了構(gòu)造抬升產(chǎn)生的剝蝕）即可表征斷層活動性特點(diǎn)。盡管古落差不能表現(xiàn)純走滑作用產(chǎn)生的走滑強(qiáng)度，但銅城斷層具有走滑性質(zhì)的同時兼具正斷層或逆斷層性質(zhì)，故可以利用古落差衡量其整體活動強(qiáng)度。選取幾條典型斷層，依據(jù)三維地震資料，沿?cái)鄬幼呦蛞来芜x取若干剖面位置計(jì)算古落差，據(jù)此判斷斷層的活動規(guī)律。

研究結(jié)果表明，銅城斷層活動最早可追溯至阜二+三段沉積期（以下稱阜二+三期），并且局限在南段活動，至阜四段沉積期（以下稱阜四期，并將其與阜二+三期并稱阜寧期），斷層活動性南強(qiáng)北弱，表明斷層是由南向北擴(kuò)展；戴南組沉積期（以下稱戴南期）斷層整體活動性弱，僅在幾處孤立段有微弱活動，但北擴(kuò)范圍增大；三垛組沉積期（以下稱三垛期）斷層的活動性最強(qiáng)，各段活動強(qiáng)度較均勻，北端終止于天2南斷層。

銅城斷層兩盤斷層活動特征不同：東盤的天33北斷層、天2南斷層阜寧期與三垛期活動范圍相當(dāng)，西盤的天40北斷層、天72東斷層阜寧期活動范圍遠(yuǎn)小于三垛期，說明東盤斷層具有長期活動特點(diǎn)，西盤斷層更多是晚期活動。戴南期斷層活動強(qiáng)度低、活動范圍小，三垛期斷層活動性最強(qiáng)、活動范圍最大，活動強(qiáng)度東盤斷層明顯大于西盤（圖4）。

通過斷層活動性分析可以得出以下判斷：銅城斷層形成時間較早，阜二+三期南段即開始形成，而其旁側(cè)的天33北斷層和天2南斷層已與現(xiàn)今規(guī)模近似，說明銅城斷層并不控制旁側(cè)斷層的形成；戴南期斷層活動性均較弱，說明區(qū)域伸展作用并不強(qiáng)烈；三垛期斷層活動達(dá)到最強(qiáng)，較前期變化顯著，伸展作用顯著增強(qiáng)；鹽城組沉積期及以后進(jìn)入穩(wěn)定的拗陷階段，斷層活動微弱。

4　成因分析與討論

4.1區(qū)域構(gòu)造背景

銅城斷層是在區(qū)域構(gòu)造發(fā)展、演化及作用下的產(chǎn)物，無論是斷裂的形成基礎(chǔ)、應(yīng)力場條件及后期改造，都與區(qū)域構(gòu)造背景密切相關(guān)。本文中綜合多方面資料，梳理了蘇北盆地形成演化的區(qū)域構(gòu)造背景，為解釋銅城斷層形成的應(yīng)力場條件奠定了基礎(chǔ)。

圖4　銅城斷層及其旁側(cè)典型斷層古落差分布Fig.4 Throw distribution of Tongcheng fault and adjacent faults

泰州組沉積之前形成的先存構(gòu)造對現(xiàn)今盆地演化起到重要作用［8］。中三疊世末印支期揚(yáng)子板塊與華北板塊的聚斂運(yùn)動，在蘇北盆地內(nèi)形成了一系列NEE走向、傾向NNW的逆沖斷層［11］，晚侏羅世西太平洋區(qū)伊澤納崎大洋向北俯沖引起中國東部的擠壓環(huán)境，在蘇北盆地內(nèi)又形成一系列NNE向左行平移斷層［12-13］，由此形成蘇北盆地內(nèi)兩套重要的基底斷層系統(tǒng)?，F(xiàn)今盆地的邊界斷層如楊村斷層、吳堡斷層等，盆地的內(nèi)部斷層如石港斷層、鹽城斷層等都源于上述基底斷層系統(tǒng)［14-15］。

晚白堊世區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生重大變革，開始由區(qū)域性擠壓扭動向區(qū)域性拉張轉(zhuǎn)變，盆地演化進(jìn)入全新的地史時期［16］。此后中國東部的構(gòu)造演化受太平洋-歐亞板塊間的俯沖、印度-歐亞板塊間的碰撞和日本?；『髷U(kuò)張作用及深部巖漿活動的影響，其中太平洋板塊的俯沖作用影響尤為重要［17］（圖5，根據(jù)文獻(xiàn)［18-19］修改）。

晚白堊世，太平洋板塊NW向高速小角度俯沖產(chǎn)生NW-SE向擠壓應(yīng)力場［18］。古新世—早始新世，太平洋板塊俯沖速率降低，俯沖角度增大，引起地幔對流、巖石圈減薄和大規(guī)模裂陷，在中國東部產(chǎn)生NW-SE向伸展作用［18-19］。中始新世（40Ma）太平洋板塊俯沖方向由NW轉(zhuǎn)為近EW向［20］，相應(yīng)的中國東部應(yīng)力體制轉(zhuǎn)為近SN向伸展［14-15，20-22］。漸新世—早中新世，淺部板塊碰撞與深部巖漿活動共同作用引起中國東部盆地在近EW擠壓環(huán)境下廣泛反轉(zhuǎn)，蘇北盆地對應(yīng)三垛運(yùn)動［23］。新近紀(jì)—第四紀(jì)盆地進(jìn)入平穩(wěn)的拗陷階段［24］。

綜上所述，盆地形成過程主要受控于板塊運(yùn)動產(chǎn)生的區(qū)域動力學(xué)環(huán)境。蘇北含油氣盆地自晚白堊世開始形成，成盆前的先存構(gòu)造尤其是兩組基底斷層在盆地形成中作用顯著，并影響包括銅城斷層在內(nèi)的一系列斷層的形成與演化。尤其是古新世—早始新世由于太平洋板塊俯沖產(chǎn)生NW-SE向伸展、至中始新世轉(zhuǎn)變?yōu)榻黃N向的伸展、漸新世至早中新世由太平洋板塊俯沖速率回返引起近EW向擠壓這三期區(qū)域應(yīng)力變化，對銅城斷層的形成與演化起到?jīng)Q定性的影響。

圖5　中國東部晚中生代—新生代構(gòu)造應(yīng)力背景Fig.5 Late Mesozoic-Cenozoic teconic stress background of East China

4.2銅城斷層成因分析

走滑構(gòu)造在區(qū)域構(gòu)造中可作為獨(dú)立的構(gòu)造體現(xiàn)，也可作為一個組成單元提供構(gòu)造轉(zhuǎn)換和調(diào)整，前者可稱為“非調(diào)節(jié)性”走滑斷層，后者常稱為調(diào)節(jié)斷層或變換斷層［25］。兩者的主要區(qū)別在于前者在區(qū)域應(yīng)力下主動走滑，后者則是被動產(chǎn)生位移，受之于與其相連的伸展區(qū)的差異伸展控制［26］。銅城斷層平面上呈一條線性構(gòu)造，剖面上具有“絲帶效應(yīng)”［27］，符合走滑斷裂的鑒定標(biāo)志。研究認(rèn)為，它是一條形成于伸展環(huán)境、并在擠壓環(huán)境中受到局部改造，具有走滑性質(zhì)、多期活動、漸次發(fā)育特征的復(fù)雜走滑斷層。

盆地伸展伴隨先存構(gòu)造的復(fù)活與改造，邊界楊村斷層源于基底斷層［28］，走向具有明顯兩段式：以銅城斷層為界，南段NE向，北段NEE向（圖1、2）。同一應(yīng)力在不同方向構(gòu)造上具有差異性作用，NWSE伸展時（阜寧期—戴南期正值此時），沿汊澗—便宜集—龍崗，楊村斷層水平拉長強(qiáng)度呈“V”型，相應(yīng)的楊村斷層上盤剖面伸展率呈“V”型（圖6，楊村斷層水平拉長強(qiáng)度根據(jù)文獻(xiàn)［29］），趨勢上銅城斷層的位置需要調(diào)節(jié)最大的伸展位移，應(yīng)力模擬結(jié)果也顯示銅城斷層與楊村斷層相交處具有最大主差應(yīng)力，表明此處最有利于斷層形成。

銅城斷層旁側(cè)伸展活動差異反映其調(diào)節(jié)局部應(yīng)力應(yīng)變具有必然性。斷層活動性在NW-SE伸展時東盤斷層強(qiáng)于西盤，原因在于先存斷層在兩盤存在不同的優(yōu)勢方向。伸展早期的活動斷層反映了更多先存構(gòu)造的信息［22］，由圖7反映西盤先存斷層優(yōu)勢方向近EW向，東盤偏NE向，東盤與伸展方向更匹配，所以伸展強(qiáng)度大于西盤，圖8（a）也證實(shí)東盤斷層附近主差應(yīng)力更大，更有利于斷層活動。可見，NW-SE向伸展時銅城斷層?xùn)|、西兩盤的局部應(yīng)力應(yīng)變需要調(diào)節(jié)。

郯廬斷裂右行走滑發(fā)生在中始新世近SN向伸展作用下［18，30］，而在NW-SE向伸展時，近NE走向的郯廬斷裂表現(xiàn)為伸展活動并不產(chǎn)生走滑作用。在NW-SE向伸展環(huán)境下，銅城斷層的形成不受郯廬斷裂的走滑作用影響，而是在區(qū)域伸展作用下形成的具有調(diào)節(jié)作用的變換斷層。

三垛組沉積中后期為近SN向伸展階段，區(qū)域應(yīng)力方向與銅城斷層走向平行，同時郯廬斷裂右行走滑，這兩方面作用都有利于銅城斷層主動走滑；西盤斷層走向有利于伸展（圖8（b）），東盤斷層長期活動易于進(jìn)一步伸展，其活動性仍大于西盤。東、西兩盤仍存在一定的應(yīng)力應(yīng)變差異，有利于被動走滑作用的產(chǎn)生，使得銅城斷層兼具變換斷層與主動走滑斷層的性質(zhì)，斷層進(jìn)一步擴(kuò)張。

圖6　楊村斷層與其上盤伸展強(qiáng)度變化趨勢圖Fig.6 Extensional intensity of Yangcun fault and its upper-wall

圖7　阜二+三段沉積期活動斷層走向玫瑰花圖Fig.7 Rose diagram of active faults strike of Fu 2+3 Member sedimentary period

圖8　不同階段主差應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of principal stresses difference of different stage

銅城斷層?xùn)|、西兩盤斷層活動性曲線都為中部大兩端小的“拱形”或“分段形”（圖4），屬于單斷層或斷段獨(dú)立生長［31］，并且銅城斷層北端被天2南斷層終止，未能自然衰減傾沒（圖2、3）。這表明銅城斷層與其兩盤斷層雖彼此影響但不具有成因上的“世代關(guān)系”，同時先存的構(gòu)造格局對后期構(gòu)造演化具有重要影響，甚至制約銅城斷層的延伸擴(kuò)展。區(qū)域應(yīng)力環(huán)境雖然產(chǎn)生主動走滑，但作用時間較短且較晚，所以現(xiàn)今主動走滑特征不甚明顯。

伸展作用下銅城斷層不具有產(chǎn)生逆斷層特征的應(yīng)力環(huán)境，通過應(yīng)力模擬判斷銅城斷層南段的逆斷層屬于“欺壓式逆斷層”［32-33］。漸新世至早中新世近EW向擠壓環(huán)境下，銅城斷層南部為高值區(qū)且走向與擠壓方向垂直（圖8（c）），導(dǎo)致斷盤間相互作用，斷面變陡并倒轉(zhuǎn)，產(chǎn)生“欺壓式反轉(zhuǎn)”，從而呈現(xiàn)現(xiàn)今的逆斷層特征。

5　結(jié) 論

（1）銅城斷層具有多個走滑斷層的典型識別標(biāo)志。斷層兩側(cè)在構(gòu)造幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)上差異顯著，因此銅城斷層雖與兩側(cè)斷層不具有成因上的“世代關(guān)系”，但客觀上實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造分區(qū)作用。

（2）銅城斷層是區(qū)域應(yīng)力作用和先存構(gòu)造共同影響下的產(chǎn)物。區(qū)域應(yīng)力決定先存構(gòu)造的形成和演化，而區(qū)域應(yīng)力方向的多期變化、平面上區(qū)域應(yīng)力作用差異及東西兩盤先存構(gòu)造在同一區(qū)域應(yīng)力下的響應(yīng)差異決定了銅城斷層發(fā)育的位置、活動方式、斷面產(chǎn)狀變化及延伸范圍。

（3）根據(jù)區(qū)域應(yīng)力變化，銅城斷層演化可分3期：古新世—早始新世NW-SE向伸展下銅城斷層開始形成，表現(xiàn)為具有調(diào)節(jié)作用的變換斷層；中始新世為近SN向伸展，區(qū)域構(gòu)造活動整體強(qiáng)烈，銅城斷層在變換斷層基礎(chǔ)上疊加主動走滑性質(zhì)，斷層規(guī)模擴(kuò)大；漸新世—早中新世，近EW向擠壓應(yīng)力造成銅城斷層南段斷面倒轉(zhuǎn)而呈逆斷層特征，使銅城斷層成為形成于伸展環(huán)境、并在擠壓環(huán)境中受到局部改造，具有走滑性質(zhì)、多期活動、漸次發(fā)育特征的復(fù)雜斷層。

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（編輯 徐會永）

Structural characteristics and genetic analysis of Tongcheng fault in Jinhu sag

ZHANG Weihai1，WANG Tao1，HE Chang1，YANG Ligan2，LIU Xihuan2
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Geological Scientific Research Institute of Jiangsu Oilfield Company，SINOPEC，Yangzhou 225009，China）

Using the high-precision 3D seismic data，and based on the previous results of structural analysis of Jinhu sag and Subei Basin，this paper analyzed the structural features and discussed the genesis of the Tongcheng fault.The results show that the Tongcheng fault strikes SN，and its fault-plane has the feature of"Ribbon Effect".The scale，activity and section structure pattern of the faults in the west side are different from the east side.The Tongcheng fault has no genetic relationship with the faults on its both sides，but it may have played a role in structural dividing.The regional stress and pre-structure has important influence on the fault's evolution.During Paleocene to early Eocene，the Tongcheng fault formed and was controlled by NW-SE extension.The fault was a transfer fault which played a role in the structural accommodating，but wasn't affected by the strike-slip Tan-lu fault in this stage.In Eocene the Tongcheng fault grew and owned property of active strikeslip，controlled by the near SN extension.During Oligocene to early Miocene，the south plane of the fault reversed and the fault became a reverse fault caused with near EW compression.The Tongcheng fault began to form in extensional environment，and experienced local modification in compressional environment.In summary the fault is featured as strike-slip，multi-periodic activities and varying fault nature at different structural stage.

Jinhu sag；Tongcheng fault；Cenozoic；strike-slip fault；fault genesis

P 542

A

1673-5005（2015）05-0018-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.05.003

2015-03-15

張衛(wèi)海（1963-），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭偷刭|(zhì)學(xué)。E-mail：zwh7117@163.com。

引用格式：張衛(wèi)海，王韜，何暢，等.金湖凹陷銅城斷層構(gòu)造特征與成因分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，39（5）：18-26.

ZHANG Weihai，WANG Tao，HE Chang，et al.Structural characteristics and genetic analysis of Tongcheng fault in Jinhu sag［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（5）：18-26.