高郵凹陷真武斷裂構(gòu)造演化特征

吳　林，束寧凱，陳清華，肖　斐

（1.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東青島266580；2.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東東營257000）

高郵凹陷真武斷裂構(gòu)造演化特征

吳林1，束寧凱1，陳清華1，肖斐2

（1.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東青島266580；2.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東東營257000）

真武斷裂是蘇北盆地高郵凹陷重要的基底斷裂，研究其演化規(guī)律對認識高郵凹陷的構(gòu)造演化特征至關(guān)重要。在斷裂構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場狀態(tài)將真武斷裂的構(gòu)造演化分為擠壓、反轉(zhuǎn)和伸展共3個主要時期。擠壓期，真武斷裂為印支期板塊碰撞所形成的逆沖斷裂；反轉(zhuǎn)期，真武斷裂繼承性演化為真①斷層和吳①斷層，二者的構(gòu)造演化特征存在差異；伸展期，受真①斷層和吳①斷層影響，形成真②斷層和吳②斷層等一系列次級斷層，共同組成了真武斷裂帶和吳堡斷裂帶。高郵凹陷真武斷裂伸展期砂箱模擬實驗結(jié)果表明，區(qū)域拉張應(yīng)力場和作為基底斷裂的真武斷裂是高郵凹陷南部邊界斷裂帶構(gòu)造演化的2個重要因素。

構(gòu)造演化 基底斷裂 砂箱模擬實驗 真武斷裂 高郵凹陷

高郵凹陷南部斷裂帶是蘇北盆地油氣富集程度最高的地區(qū)，針對其構(gòu)造演化特征的研究成果較為豐富［1-8］。前人研究認為，真①斷層作為高郵凹陷南部控凹邊界斷層，其早期為印支期基底逆沖斷層［2-3］，晚期由于區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生改變反轉(zhuǎn)形成伸展性質(zhì)的正斷層；真①斷層為基底斷裂的繼承性發(fā)育，與深部的逆沖斷層相接。同樣為控凹邊界斷層的吳①斷層，目前僅有少數(shù)學者認為其與真①斷層同樣為早期基底逆沖斷層［3］。由于對該斷裂構(gòu)造演化規(guī)律認識不清，導(dǎo)致對吳堡斷裂帶性質(zhì)沒有統(tǒng)一的定論，如右行走滑性質(zhì)［3-4］、早期左行走滑晚期右行走滑性質(zhì)［2］以及斜滑性質(zhì)［5-6］等。近年來，關(guān)于裂陷盆地基底斷裂的研究越來越受到重視［5-12］，中外大量的研究成果和砂箱模擬實驗結(jié)果證實［9-12］，基底斷裂對盆地蓋層的變形具有重要影響，控制著裂陷盆地的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造演化［8-12］，甚至控制其沉積規(guī)律［13］和油氣分布特征［14-15］。真武斷裂是高郵凹陷重要的基底斷裂，但對其與南部真武斷裂帶和吳堡斷裂帶的關(guān)系尚不明確，且對于基底斷裂與蓋層斷裂之間的構(gòu)造演化模式也鮮有研究。為此，筆者利用地震、地質(zhì)等資料對真武斷裂進行解釋，并根據(jù)區(qū)域應(yīng)力場狀態(tài)對真武斷裂的構(gòu)造演化特征進行分期研究，以期為高郵凹陷油氣地質(zhì)研究提供指導(dǎo)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

高郵凹陷是在晚白堊世儀征運動的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中—新生代疊合盆地，為南斷北超、南陡北緩的半地塹式裂陷盆地［2］；其東西長約為100km，南北寬約為30km，面積約為2670km2。高郵凹陷內(nèi)部主要發(fā)育真武斷裂帶、吳堡斷裂帶和漢留斷裂帶等，其斷層主要呈北東東、東西和北北東向展布。真①斷層和吳①斷層為一級控凹邊界斷層，真②斷層和吳②斷層為控制深凹帶發(fā)育的二級斷層，其中真②斷層自東向西可進一步分為真②-1、真②-2和真②-3斷層。在泰州組沉積末期，真①斷層和吳①斷層開始活動。阜四段沉積時期，斷層活動達到高峰，同時真②-3斷層和吳②斷層開始活動，而真②-1斷層和真②-2斷層則發(fā)育于戴南組沉積早期。始新世，真②斷層、漢留斷層和吳②斷層強烈活動，在高郵凹陷形成了南部斷階帶、中部深凹帶和北部斜坡帶3個構(gòu)造單元。三垛組沉積末期，研究區(qū)各斷層的活動速率明顯減小，至鹽城組沉積時期停止活動。

勘探實踐證實，穿過高郵凹陷的NG-13，G44和G78共3條二維地震剖面對明確其區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有重要作用［16-17］。這3條地震剖面分別位于高郵凹陷的西部、中部和東部（圖1），均為北北西走向，由南至北主要涉及溱潼凹陷、通揚隆起、高郵凹陷、金湖凹陷和建湖隆起等多個構(gòu)造單元。NG-13，G44 和G78地震剖面顯示，研究區(qū)南部邊界斷裂均延伸至深部古生界，表現(xiàn)為鏟式斷裂特征，但傾角略有差異，分別為45°～60°，35°～50°和30°～45°，由西至東斷裂傾角呈減小趨勢。

圖1　高郵凹陷構(gòu)造單元及南部斷裂系統(tǒng)劃分Fig.1　TectonicunitsandsouthernfaultsystemofGaoyousag

在區(qū)域構(gòu)造及基底斷裂解釋過程中發(fā)現(xiàn)，高郵凹陷南部發(fā)育1條磁性基底界面突變帶和印支運動構(gòu)造界面突變帶，其西段和東段的走向分別為北東東和北東向，是研究區(qū)重要的地質(zhì)界面［17］。重力和磁力異常數(shù)據(jù)也顯示在高郵市與揚州市之間發(fā)育1條北東走向的異常帶［17］，均反映出大規(guī)模基底斷裂的構(gòu)造形跡。同時為了提高地層和構(gòu)造解釋的準確度，須結(jié)合鉆、測井及地質(zhì)分層數(shù)據(jù)作為控制點進行標定；例如根據(jù)荻2井的分層數(shù)據(jù)，準確地標定了G78地震剖面古生界與中生界的分界線。

2　真武斷裂構(gòu)造演化特征

2.1擠壓期

真武斷裂是由區(qū)域應(yīng)力場擠壓所形成，其活動特征與力學機制密切相關(guān)。三疊紀，揚子板塊強烈俯沖于華北板塊之下，古地磁數(shù)據(jù)顯示，揚子板塊與華北板塊最南端（蘇魯與大別的分界點）先接觸并碰撞［18］。下?lián)P子地區(qū)以蘇魯與大別的分界點為頂點、以南西—北東走向的北側(cè)板塊邊界為軸，發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，自南西至北東方向與華北板塊發(fā)生剪刀式拼貼碰撞。下?lián)P子地區(qū)北部南西段具有碰撞較早、持續(xù)時間長、擠壓作用力大以及變形程度高的特點，而北東段則具有碰撞較晚、持續(xù)時間短、擠壓作用力小以及變形程度低的特點。

印支運動晚期，變形波及揚子板塊內(nèi)部，其構(gòu)造變形程度由蘇魯造山帶和郯廬斷裂帶向東、南方向逐漸傳遞并減弱，地層也由西北向東南方向越來越新［19］。下?lián)P子地區(qū)北部形成蘇北沖斷區(qū)，發(fā)育金湖—高郵推覆帶等多個推覆構(gòu)造帶［20］。真武斷裂是金湖—高郵推覆帶南部的邊界逆沖斷層，為高郵凹陷和金湖凹陷的重要基底斷裂（圖2）。地震資料解釋結(jié)果表明，真武斷裂在平面上呈彎曲線性、剖面上呈鏟式發(fā)育，延伸長度大于100km（即G78與NG-13地震剖面之間的垂直距離）。其西段走向北東東，傾向北北西，傾角較大；東段走向北東，傾向北西，傾角較小。由于構(gòu)造變形程度西強東弱，致使真武斷裂具有西段陡、東段緩的特點。

圖2　高郵凹陷真武斷裂擠壓期構(gòu)造發(fā)育模式Fig.2　CompressiontectonicmodeofZhenwu faultinGaoyousag

2.2反轉(zhuǎn)期

早白堊世晚期，西太平洋區(qū)伊澤納崎板塊持續(xù)向北北西方向俯沖，下?lián)P子地區(qū)處于弧后擴張環(huán)境，巖石圈減薄，發(fā)生北北西—南南東向區(qū)域性伸展作用，從而取代了早期的擠壓應(yīng)力場［5］。蘇北沖斷區(qū)發(fā)育的一系列推覆構(gòu)造帶停止向南擠壓逆沖，真武斷裂受拉張應(yīng)力作用，斷層和地層發(fā)生反轉(zhuǎn)（類似于渤海灣盆地）［21］，習稱為黃橋轉(zhuǎn)換事件。蘇北地區(qū)向南東方向翹起、傾向北西的古生界遭受剝蝕，殘余古生界沿真武斷裂旋轉(zhuǎn)回滑，形成高郵凹陷雛形（圖3），而蘇北地區(qū)的11個箕狀斷陷也在該時期形成。分析真武斷裂帶和吳堡斷裂帶深部和上升盤的地層及構(gòu)造特征認為，在反轉(zhuǎn)期，真武斷裂繼承性演化為真①斷層和吳①斷層，其主要原因為逆沖推覆帶在自身重力作用下沿原逆沖斷裂回滑而形成［22］。事實上，蘇北地區(qū)印支期擠壓作用與燕山期伸展作用的受力方向一致，但其受力大小不同；因此，在后期拉張應(yīng)力作用下，真武斷裂處于構(gòu)造破裂的優(yōu)勢帶而優(yōu)先活動，受其控制的次級逆沖斷層活動順序次之。后期發(fā)育的真①斷層和吳①斷層繼承真武斷裂及其構(gòu)造形態(tài)，二者在反轉(zhuǎn)期為同一斷層。其中，真①斷層位于真武斷裂西段，為北東東走向，北北西傾向；吳①斷層位于真武斷裂東段，為北東走向，北西傾向。相對于吳①斷層來說，真①斷層的走向與區(qū)域拉伸方向（北北西向）垂直而處于優(yōu)勢伸展方向，且真①斷層的傾角大于吳①斷層，因此在反轉(zhuǎn)期真①斷層的活動性大于吳①斷層。

2.3伸展期

早白堊世—古新世，在經(jīng)歷了短暫的反轉(zhuǎn)期后，高郵凹陷形成并受到北北西向拉張應(yīng)力作用。始新世—漸新世，太平洋板塊的俯沖方向由北北西向轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽魑飨?，同時印度板塊與歐亞板塊的碰撞使中國大陸向東擠出，二者共同作用使中國東部產(chǎn)生近東西向的區(qū)域擠壓應(yīng)力場，因而在北北東走向的郯廬斷裂帶發(fā)生右行走滑運動，高郵凹陷受到近東西向的區(qū)域擠壓及郯廬斷裂右行走滑的雙重影響［5］，二者派生出近南北向的拉張應(yīng)力場。在北北西向和南北向拉張應(yīng)力作用下，高郵凹陷進入裂陷盆地發(fā)育階段。為了明確伸展期高郵凹陷的構(gòu)造演化特征，利用砂箱模擬實驗?zāi)M晚白堊世—漸新世真武斷裂的構(gòu)造演化過程。

2.3.1實驗?zāi)Ｐ图敖Y(jié)果

砂箱模擬實驗采用的砂箱模型為30cm×20 cm，選擇一定濕度的金剛砂、石英砂及混合砂。由于基底斷裂對于構(gòu)造格局的演化和形成具有重要的控制作用，因此在砂箱底層利用塑料薄膜模擬出真武斷裂作為基底斷裂。設(shè)置受力環(huán)境對實驗結(jié)果至關(guān)重要，考慮研究區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場背景，分4個階段進行砂箱模擬實驗。其中，第1和第2階段分別對應(yīng)晚白堊世和古新世，第3和第4階段分別對應(yīng)始新世和漸新世。

第1階段在模型邊界施加北北西—南南東向拉張應(yīng)力。真武斷裂開始活動，局部曲折化，根據(jù)產(chǎn)狀可分為北東東走向的真①斷層和北東走向的吳①斷層。其中，真①斷層的走向與應(yīng)力場方向垂直，活動性較大；吳①斷層的走向與應(yīng)力場方向斜交，活動性較小（圖4a）。

第2階段在模型邊界繼續(xù)施加北北西—南南東向拉張應(yīng)力。真①斷層和吳①斷層持續(xù)活動，在曲折邊界處產(chǎn)生次級斷裂。真①斷層北部開始出現(xiàn)3條雁列式組合的次級斷層，且走向與真①斷層平行，同時在吳①斷層轉(zhuǎn)折處發(fā)育北東走向的次級斷層（圖4b）。

第3階段在模型邊界施加南北向拉張應(yīng)力。真①斷層和吳①斷層活動性減小，但次級斷層的規(guī)模和數(shù)量增大。其中，真①斷層北部3條雁列式組合的次級斷層規(guī)模增大，局部重疊組成真②斷層，自東至西依次命名為真②-1斷層、真②-2斷層和真②-3斷層，且這3條次級斷層的平面形態(tài)由于拉張應(yīng)力方向的轉(zhuǎn)變而發(fā)生弧形彎曲。吳①斷層轉(zhuǎn)折處北東走向次級斷層的規(guī)模增大成為吳②斷層。此外，在模型北部邊界發(fā)育近東西向的漢留斷層（圖4c）。

第4階段在模型邊界繼續(xù)施加南北向拉張應(yīng)力。真①斷層和吳①斷層基本停止活動，但次級斷層的規(guī)模和數(shù)量繼續(xù)增大。真①斷層與真②斷層之間發(fā)育的次級斷層增多，真②斷層末端變?yōu)楸睎|走向，其北側(cè)次級斷層與真②斷層斜交或平行；在真②-1、真②-2和真②-3斷層之間產(chǎn)生近南北向的變換斷層。吳①斷層與吳②斷層之間發(fā)育的次級斷層亦增多，二者之間產(chǎn)生走滑位移。漢留斷層的規(guī)模繼續(xù)增大，其延伸距離也相應(yīng)加大，發(fā)育一系列與其斜交的次級斷層（圖4d）。

2.3.2基于砂箱模擬實驗的構(gòu)造演化認識

從砂箱模擬實驗結(jié)果（圖4）可以看出，真①斷層與真②斷層之間發(fā)育的次級斷層以平行式組合為主，也有斜交式組合，走向為近北東東向或北東向；吳堡斷裂帶發(fā)育的斷層以斜交式組合為主，走向為近東西向或北東向。斷層剖面形態(tài)均為鏟式，局部復(fù)雜化為坡坪式。其中，真武斷裂帶的斷層組合表現(xiàn)為階梯狀和Y型；吳堡斷裂帶的斷層組合較為復(fù)雜，表現(xiàn)為階梯狀和Y型組合，以及蓮花狀和帚狀組合等［5］。

基于砂箱模擬實驗，歸納出高郵凹陷真武斷裂伸展期構(gòu)造演化特征的6點認識：①真武斷裂和區(qū)域拉張應(yīng)力場是高郵凹陷構(gòu)造演化的2個重要因素。②真武斷裂作為基底斷裂，對高郵凹陷南部邊界斷裂帶的發(fā)育演化具有重要的控制作用，后期斷裂的發(fā)育均為繼承真武斷裂或受其影響所形成，且級別低于真武斷裂。③真武斷裂在拉張初期分段演化為真①斷層和吳①斷層，繼而出現(xiàn)真②斷層和吳②斷層等一系列次級斷層，最終形成真武斷裂帶和吳堡斷裂帶，研究區(qū)北部受其影響形成漢留斷裂帶，共同組成高郵凹陷的主要斷裂體系。④在拉張應(yīng)力作用早期，次級斷裂的形成主要受主干斷裂控制，其走向平行或斜交于主干斷裂；拉張應(yīng)力作用晚期，次級斷裂的演化主要受區(qū)域應(yīng)力場控制，其走向逐漸垂直于區(qū)域拉伸方向。研究區(qū)早期斷裂主要為北東東和北東走向，后期斷裂主要為東西走向（圖5）。⑤距離主干斷裂越近，次級斷裂受其控制作用越強，反之則越弱。⑥吳堡斷裂帶的成因為斜滑作用［5-6］，當區(qū)域拉張應(yīng)力場方向與主干斷裂走向斜交時，二者之間的角度越小，越易于產(chǎn)生走滑位移，發(fā)育走滑斷層。

圖5　高郵凹陷真武斷裂伸展期斷裂走向Fig.5　StrikedirectionoftheextensionalZhenwu faultinGaoyousag

3　結(jié)論

通過地震資料解釋和區(qū)域應(yīng)力場狀態(tài)分析，認為真武斷裂是高郵凹陷重要的基底斷裂，其構(gòu)造演化主要分為擠壓期、反轉(zhuǎn)期和伸展期3個階段，且具有不同的特征。擠壓期，真武斷裂形成于印支期板塊碰撞，是金湖—高郵推覆帶的前鋒逆沖斷裂；反轉(zhuǎn)期，真武斷裂繼承性演化為西段的真①斷層和東段的吳①斷層；伸展期，受真①斷層和吳①斷層影響，形成真②斷層和吳②斷層等一系列次級斷層，組成了真武斷裂帶、吳堡斷裂帶和漢留斷裂帶等主要斷裂體系。分析真武斷裂伸展期砂箱模擬實驗結(jié)果認為，區(qū)域拉張應(yīng)力場和真武斷裂是高郵凹陷南部邊界斷裂帶構(gòu)造演化的2個重要因素。因此，在研究區(qū)構(gòu)造解析中須重視基底斷裂的構(gòu)造演化及其對盆地的控制作用。

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編輯鄒瀲滟

TectonicevolutionofZhenwufaultinGaoyousag

WuLin1，ShuNingkai1，ChenQinghua1，XiaoFei2

（1.SchoolofGeosciences，ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），QingdaoCity，ShandongProvince，266580，China；2.SennuoShengliEngineeringCo.，Ltd.，ShengliOilfield，DongyingCity，ShandongProvince，257000，China）

ZhenwufaultisanimportantbasementfaultinGaoyousag，whichiscrucialtounderstandingthestructuralcharacteristicsofGaoyousag.Basedonthefaultinterpretationandtheregionalstressfield，theevolutionofZhenwufaultcould bedividedintothreestages：compressionstage，inversionstageandextensionstage.Duringthecompressionstage，Zhenwu faultwasathrustfaultformedbythecollisionoftheIndosinianplate；duringtheinversionstage，ZhenwufaultevolvedinherentlyintoZhen①faultandWu①faultwhichdifferfromeachother；duringtheextensionstage，aseriesofsecondary faultsformedundertheinfluenceofZhen①faultandWu①fault，suchusZhen②faultandWu②fault，whichresultedin theformationofZhenwufaultzonesandWubaofaultzones.TheresultsofsandboxexperimentmodelingZhenwufaultduringtheextensionstageshowthatZhenwufault，asthebasementfault，andregionalstressfieldarethemostimportanttwo factorsthatcontroltheevolutionofsouthernboundaryfaultzonesinGaoyousag.

tectonicevolution；basementfault；sandboxmodelingexperiment；Zhenwufault；Gaoyousag

TE111.2

A

1009-9603（2015）01-0037-05

2014-11-01。

吳林（1987—），男，安徽六安人，在讀博士研究生，從事油氣區(qū)構(gòu)造解析研究。聯(lián)系電話：（0532）86981250，E-mail：19534644@sohu.com。

國家科技重大專項“煤層氣開發(fā)技術(shù)經(jīng)濟評價”（2009ZX05042-001）。