雙帚狀斷層的成因和生長(zhǎng)發(fā)育

李 理, 時(shí)秀朋, 胡秋媛, 陳 衍

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071; 3.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院西部分院,山東東營(yíng) 257000;4.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

雙帚狀斷層的成因和生長(zhǎng)發(fā)育

李 理1,2, 時(shí)秀朋1,3, 胡秋媛1,4, 陳 衍1,2

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071; 3.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院西部分院,山東東營(yíng) 257000;4.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

通過幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和成因分析及物理模擬試驗(yàn),對(duì)渤海灣盆地臨南洼陷雙帚狀斷層的成因及演化進(jìn)行研究。結(jié)果表明:夏口斷層為東端收斂、西端撒開的張剪帚狀斷層,早白堊世受伸展與右行走滑作用產(chǎn)生,新生代受伸展疊加走滑作用繼續(xù)發(fā)育成為一條走滑—正斷層,臨邑“帚狀斷層”西斂東撒,為新生代正向以及斜向伸展疊加走滑的產(chǎn)物,其撒開端與收斂端級(jí)別相同而非次級(jí)斷層;雙帚狀斷層出現(xiàn)在古新世—早始新世,活動(dòng)強(qiáng)度由收斂端向撒開端遷移,即夏口斷層由西向東遷移,臨邑?cái)鄬佑蓶|向西變強(qiáng),并在漸新世后超過了夏口斷層直到上新世;早白堊世以來區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化、蘭聊斷層的走滑作用及魯西隆起新生代的抬升是控制雙帚狀斷層形成和發(fā)育的根本因素。

帚狀構(gòu)造; 物理模擬; 中—新生代; 渤海灣盆地

帚狀斷層,又稱馬尾狀斷層[1],是一系列次級(jí)斷層與主斷層構(gòu)成的斷層平面組合,包括張扭和壓扭兩種。作為晚中生代背景下發(fā)育的新生代斷陷盆地,渤海灣盆地中發(fā)育許多張扭性帚狀斷層[2-8]。除受控于走滑作用外,還與不同時(shí)期伸展以及伸展疊加走滑有關(guān)。如寧南、無南斷層為走滑作用形成的帚狀構(gòu)造組合;受控于沙四期右旋走滑構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),惠民凹陷臨北帚狀構(gòu)造自北而南、自撒開端向收斂端演化,平面上由多組北東向雁列式展布正斷層組成;東營(yíng)凹陷中央隆起帶西段帚狀生長(zhǎng)斷層是中始新世近SN向伸展構(gòu)造和晚始新世NE向伸展構(gòu)造及右旋走滑構(gòu)造綜合作用的結(jié)果[5-7]。作為惠民凹陷的次級(jí)構(gòu)造單元,臨南洼陷南北邊界由反對(duì)稱的雙帚狀斷層構(gòu)成。南邊界夏口斷層燕山期為走滑斷層、新生代伸展作用下持續(xù)發(fā)育,可以連通多套烴源層。北邊界臨邑?cái)鄬訛樽员倍?、自撒開端到收斂端發(fā)育的正斷層組合,構(gòu)造模式和物理模擬得出臨邑?cái)鄬由乘钠诘綎|營(yíng)期發(fā)育,控制了洼陷沉積和主要三角洲(鼻狀構(gòu)造) 的發(fā)育和遷移[6,9]。然而這種雙帚狀斷層的成因尚無系統(tǒng)論證,也沒有詳細(xì)的關(guān)于其發(fā)育過程以及二者如何控制和影響洼陷內(nèi)部斷層發(fā)育的闡述。筆者依據(jù)臨南洼陷斷層幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,利用構(gòu)造物理模擬方法,對(duì)臨南洼陷雙帚狀斷層的成因和生長(zhǎng)發(fā)育過程進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

臨南洼陷位于惠民凹陷西南部,走向NEE,由北傾的夏口斷層及南傾的臨邑?cái)鄬铀?南面為臨南斜坡帶,北面以中央隆起帶與滋鎮(zhèn)洼陷分開(圖1),是一個(gè)在晚中生代背景下新生代逐漸發(fā)育形成的地塹。中生界為白堊系西洼組(K1x),厚度中心位于夏口斷層的西北部,新生界包括孔店組(E1-2k)、沙河街組(E2s)(分E2s4、E2s3、E2s2、E3s1段)、東營(yíng)組(E3d)和館陶組(N1g)、明化鎮(zhèn)組(N2m)及第四系平原組(Qp)。北部臨邑?cái)鄬映饰鞑渴諗?、向東撒開的帚狀,南部的夏口斷層為東部收斂、向西撒開的帚狀,構(gòu)成共軛雙帚狀構(gòu)造。洼陷內(nèi)斷層延伸方向一般為近EW向或近NE向,與夏口、臨邑?cái)鄬诱共挤较蚧疽恢?將內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜化。

圖1 惠民凹陷及鄰區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified tectonic map of Huimin Sag and its adjacent area

2 臨邑雙帚狀斷層的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

選取惠民凹陷I-I′地震剖面研究雙帚狀斷層的特征,從得到的構(gòu)造剖面(圖2,剖面位置見圖1)看,夏口斷層發(fā)育時(shí)間早,中生代開始發(fā)育,斷層傾角大,呈板式;臨邑?cái)鄬影l(fā)育時(shí)間晚,E2s3才開始發(fā)育,傾角相對(duì)較小,呈包心菜或Y字形。西、中、東部地震剖面得到的橫剖面上斷層特征明顯不同(圖3),平衡剖面技術(shù)回剝得出不同時(shí)期平均落差(同一地層厚度差)和平均活動(dòng)速率(落差/沉積時(shí)間)差別較大(表1)。除剖面外,斷層平面上也多有不同。

圖2 惠民凹陷I-I′剖面Fig.2 Profile I-I′ in Huimin Sag

2.1 夏口斷層

夏口斷層總體走向NEE,傾向NNW,傾角大小沿走向不盡相同。平面上主斷層由近NE和NEE向斷層交替組成,呈反S狀(圖1)剖面上,斷層切斷新生界、中生界、古生界至太古宇(圖2),中生代開始活動(dòng),之后逐漸減弱至新近紀(jì)(表1)。中生代斷層西部活動(dòng)最強(qiáng),東部較弱。E1-2k—E2s4期開始,最強(qiáng)處遷移至中部,之后活動(dòng)逐漸減弱;東部斷層活動(dòng)盡管弱,但E3s1—E3d期開始變強(qiáng)。總體上斷層活動(dòng)強(qiáng)度由西向中、東部遷移。

圖3 臨南洼陷橫剖面Fig.3 Cross profile of Linnan subsag

時(shí)期平均落差/m夏口斷層西部中部東部臨邑?cái)鄬游鞑恐胁繓|部平均活動(dòng)速率/(m·Ma-1)夏口斷層西部中部東部臨邑?cái)鄬游鞑恐胁繓|部N1g—Q10010060750300304.44.32.632.212.91.3E3s1—E3d2503002404501504022.727.321.840.913.63.6E2s3—E2s245090020015045014056.3112.525.018.856.317.5E1-2k—E2s495019507015050044043.288.63.26.822.720.0Mz1250500430———8.73.53.0———

2.2 臨邑?cái)鄬?/h3>

臨邑?cái)鄬邮嵌鄺l斷層的左階組合,平面上走向NE-NEE,呈向北凸出的弧形，傾向南,呈西斂東撒的帚狀。撒開端分支斷層平面上亦呈弧形,傾向南,平行狀—微雁行狀排列(圖1)。

剖面上,斷層呈鏟式切斷整個(gè)新生界至古生界,次級(jí)斷層與主斷層呈馬尾狀、羽狀或“卷心菜”狀;亦或4條斷層呈平行狀(圖2、3)。斷層落差、活動(dòng)速率在E2s3之前中部大,E2s3以后逐漸向西部增大,即自東向西逐漸增強(qiáng)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn),夏口斷層活動(dòng)早,臨邑?cái)鄬油?古近紀(jì)夏口斷層活動(dòng)強(qiáng)度明顯大于臨邑?cái)鄬?但E3s1—E3d期后,臨邑?cái)鄬游鞑炕顒?dòng)明顯強(qiáng)于夏口斷層,特別是新近紀(jì)。因此,E3s1—E3d是兩條斷層活動(dòng)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換期?？傮w上,夏口斷層中生代—古近紀(jì)活動(dòng)向東增強(qiáng),臨邑?cái)鄬觿t相反,古近紀(jì)—新生代活動(dòng)向西增強(qiáng)。

3 臨邑雙帚狀斷層的力學(xué)成因和演化

3.1 中生代

圖2中夏口斷層上盤石炭系—二疊系比下盤薄,說明上盤曾上升遭受過剝蝕,即夏口斷層曾為逆斷層。晚三疊世華北、揚(yáng)子板塊的近SN向碰撞,導(dǎo)致近EW向褶皺、逆斷層及NE向郯廬斷裂等走滑斷層的產(chǎn)生[10]。夏口逆斷層此時(shí)產(chǎn)生,同時(shí)產(chǎn)生的還有陵縣—陽(yáng)信斷層(圖4(a))。夏口斷層北盤(上盤)控制的最老地層西洼組(K1x)與NEE斷層走向一致,而南盤則有SN向展布的三臺(tái)組(J2s)且厚度大于上盤,證明其控凹作用始于早白堊世。K1x厚度中心在臨南洼陷西部,說明NE向西段活動(dòng)強(qiáng)烈。斷層向西沿SW向至臨清坳陷,與蘭聊斷層呈銳角相交,且K1x厚度比臨南洼陷西部更厚,說明越靠近蘭聊斷層其活動(dòng)強(qiáng)度越大。

早白堊世受NW-SE向伸展和郯廬斷裂帶強(qiáng)烈左行走滑、蘭聊斷層右行走滑[10-13]作用,夏口斷層NE段開始發(fā)育,為正斷層,魯西地塊SSW向構(gòu)造逃逸產(chǎn)生的斜向伸展,使其具有右行張剪性質(zhì),亦可看成蘭聊斷層的R破裂;而原印支期NEE向逆斷層性質(zhì)的夏口斷層負(fù)反轉(zhuǎn)為正斷層,二者疊加組成反S形,成為張剪性右行走滑斷層。斷層西部NE段因靠近蘭聊斷層,活動(dòng)性更強(qiáng),控制的K1x必然厚度大(表1)。主斷層還派生了一系列近EW向小斷層,具有張剪性質(zhì),但不控制沉積。它們與主斷層在平面上構(gòu)成帚狀,夏口帚狀斷層開始形成(圖4(b))。夏口斷層在早白堊世是一條具有復(fù)合性質(zhì)的右行帚狀斷層,且由西向東發(fā)育,西部因靠近蘭聊斷層故而活動(dòng)強(qiáng)(表1)。與夏口斷層成因相同(圖4(b)),早白堊世陵縣—陽(yáng)信斷層亦強(qiáng)烈活動(dòng),控制了北部K1x沉積(圖2)。晚白堊世末期,經(jīng)歷擠壓反轉(zhuǎn)[12-14],夏口斷層具有一定的逆沖性質(zhì)。

3.2 新生代

3.2.1 古新世—早始新世

E1-2k—E2s4時(shí)期,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與早白堊世相同,但強(qiáng)度較中生代弱[12-14](圖4(c))。在總體近SN向伸展作用下,夏口斷層NE段受斜向伸展開始正斷活動(dòng),但具有一定的走滑分量,垂向斷距相對(duì)較小;近NEE段與伸展作用垂直,正斷層活動(dòng)強(qiáng)烈,故最強(qiáng)活動(dòng)遷移至中部疊覆段,并產(chǎn)生次級(jí)斷層—玉皇廟斷層;東部因遠(yuǎn)離蘭聊斷層,斷層活動(dòng)相對(duì)較弱。此外,最西部近EW向小斷層亦開始了正斷層活動(dòng)(圖4(c)),但規(guī)模相對(duì)較小(圖3(a))。

陵縣—陽(yáng)信斷層此時(shí)亦強(qiáng)烈活動(dòng),作為次級(jí)同傾向斷層,受正向伸展由北向南近EW段臨邑?cái)鄬赢a(chǎn)生,斷層活動(dòng)強(qiáng);受斜向伸展其NE段也開始發(fā)育,但活動(dòng)弱(表1)。即中、東部近EW段斷層落差大,為正斷層;西部NE段落差小,為走滑-正斷層,東撒西斂的帚狀斷層自此形成(圖4(c))。

3.2.2 中始新世—漸新世

E2s3時(shí)期約為距今43 Ma,本區(qū)仍受NW-SE向伸展作用;郯廬斷裂帶轉(zhuǎn)為右行走滑,但走滑量不大,約40 km,蘭聊斷層仍為右行走滑活動(dòng),但強(qiáng)度較弱[13-15]。夏口斷層NE段強(qiáng)勢(shì)正斷活動(dòng),下盤發(fā)育大量鼻狀構(gòu)造;NEE段及最西部近EW向小斷層受斜滑作用,成為走滑—正斷層,整個(gè)帚狀斷層進(jìn)一步發(fā)育。同樣,臨邑?cái)鄬訓(xùn)|部EW段活動(dòng)明顯減弱,強(qiáng)烈正斷活動(dòng)遷移至中部NE段(圖4(d))。

E3s1—E3d時(shí)期,依然受NW-SE向伸展,夏口帚狀斷層持續(xù)活動(dòng)至23 Ma,但強(qiáng)度減弱,小于臨邑?cái)鄬?圖4(d),表1),為44～37 Ma魯西隆起快速抬升[16]造成。臨邑?cái)鄬幼顝?qiáng)活動(dòng)則遷移至西部NE段,中段迅速減弱,東部近EW段基本不活動(dòng)。

3.2.3 新近紀(jì)

中新世以來,渤海灣盆地整體熱沉降,斷層活動(dòng)減弱,夏口斷層活動(dòng)強(qiáng)度減至最弱,分析魯西隆起23 Ma以來的快速抬升[16]起到了強(qiáng)烈抑制作用。受蘭聊斷層右旋走滑影響,臨邑?cái)鄬与S之活動(dòng),靠近蘭聊斷層的西部NE段活動(dòng)最強(qiáng)(表1)。

3.3 力學(xué)成因及發(fā)育演化

臨邑雙帚狀斷層是晚中生代以來走滑和伸展作用的產(chǎn)物,是一種特殊的斷層組合。夏口斷層早白堊世受伸展和右行走滑作用形成,具有右行走滑性質(zhì),帚狀斷層為其派生斷層;新生代受強(qiáng)烈伸展疊加走滑作用繼續(xù)發(fā)育,最終成為一條走滑-正斷層。臨邑?cái)鄬邮切律?斜向伸展作用(疊加弱的走滑作用)的正斷層組合,具有右行走滑性質(zhì);其撒開端斷層非次級(jí)斷層,與收斂端同級(jí)別。

雙帚狀發(fā)育演化分5個(gè)階段:①早白堊世夏口帚狀斷層開始形成(圖4(b));發(fā)育初期西部NE段受蘭聊走滑作用影響大,活動(dòng)最強(qiáng)。晚白堊世擠壓反轉(zhuǎn),具有一定的逆沖性質(zhì);②E1-2k—E2s4時(shí)期,蘭聊斷層活動(dòng)減弱,主要受NW-SE向伸展疊加SSW向塊體逃逸,夏口斷層西部活動(dòng)開始減弱、中部NEE段迅速增強(qiáng);與此同時(shí),NEE-NE向臨邑?cái)鄬印皰咧忝纭弊员毕蚰弦来涡纬?且強(qiáng)勢(shì)活動(dòng),西部NE段活動(dòng)相對(duì)弱,東強(qiáng)西弱、東撒西斂的臨邑帚狀斷層隨即形成。至此臨邑共軛雙帚狀斷層開始出現(xiàn),臨南洼陷(地塹)快速擴(kuò)展開來(圖4(c));③E2s3—E2s2期受NW-SE向伸展作用,夏口斷層活動(dòng)迅速減弱,中段仍然最強(qiáng),東段開始增強(qiáng);臨邑?cái)鄬幼顝?qiáng)活動(dòng)亦在中段,東段則迅速減弱,造成臨南洼陷中部擴(kuò)展較快(圖4(d));④E3s1—E3d期,受控于NW-SE向伸展,兩條斷層活動(dòng)強(qiáng)弱開始轉(zhuǎn)換,臨邑?cái)鄬訌?qiáng)、夏口斷層弱,并一直持續(xù)到新近紀(jì);⑤新近紀(jì)受蘭聊斷層的影響,臨邑?cái)鄬踊顒?dòng)強(qiáng)烈,特別是西部,夏口斷層活動(dòng)弱,是魯西地塊快速隆起造成的。

總之,夏口斷層活動(dòng)大致向東增強(qiáng),臨邑?cái)鄬觿t相反,新生代活動(dòng)向西增強(qiáng)。盡管二者有諸多不同,但其活動(dòng)強(qiáng)度均由撒開端向收斂端遷移,這種遷移規(guī)律總體上是右行走滑活動(dòng)的結(jié)果。

圖4 臨南洼陷雙帚狀斷層成因分析(斷層名稱同圖1)Fig.4 Mechanism of double broom fault in Linnan subsag

4 雙帚狀斷層發(fā)育演化的構(gòu)造物理模擬

4.1 物理模擬相似原則

構(gòu)造物理模擬遵循相似原則。雙帚狀斷層的發(fā)育經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),期間有4次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和方向的改變,現(xiàn)有物理模擬儀和試驗(yàn)材料尚不能實(shí)現(xiàn)這些條件。雙帚狀斷層始于E1-2k-E2s4時(shí)期,并基本成型,故本文中模擬選擇這段重要發(fā)育期。該時(shí)期主要受NW-SE向伸展疊加魯西地塊SSW向構(gòu)造逃逸,以及蘭聊斷層右行剪切力,既有伸展又有走滑。選定長(zhǎng)×寬×高為38 cm×32 cm×8 cm的模具,模具中間有斜縫,采用單向拉伸(南側(cè))即可實(shí)現(xiàn)上述張剪效應(yīng)(圖5(a))。模型南邊界齊廣斷層為自由邊界,西邊界為蘭聊斷層,北、東邊界分別為雙帚狀北端和東端(圖5(b),斷層編號(hào)同圖1),模擬區(qū)域南北約為40 km,試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度為28 cm,該方向相似比例系數(shù)為7.0×10-6。

圖5 構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)裝置及模型Fig.5 Analogue modeling experimental device and experimental model

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞,模型鋼板底部敷上一層厚度1 mm的塑料薄膜,薄膜四周再與活動(dòng)擋板連接。夏口帚狀斷層在白堊紀(jì)已發(fā)育,試驗(yàn)前在薄膜上預(yù)置。選用天然石英砂(內(nèi)聚力50 Pa,內(nèi)摩擦角31°～41°)來模擬淺部地殼脆性庫(kù)侖行為[17],加入5%凡士林,以稍微提高其黏聚強(qiáng)度,在大約20～30 g/cm2力作用下壓實(shí)成層。試驗(yàn)證明,當(dāng)石英砂與凡士林為4.56∶0.67時(shí),對(duì)應(yīng)內(nèi)聚力為0.15 Ma、內(nèi)摩擦角為30°的脆性圍巖[18]。本試驗(yàn)中石英砂:凡士林為95∶5,依然滿足脆性變形條件。由于三疊系被剝蝕殆盡,早白堊世斷層發(fā)育時(shí)地層為殘存古生界,其厚度為2 700 m,反復(fù)試驗(yàn)確定石英砂厚度為1 cm,垂向相似比例系數(shù)為3.7×10-6。

試驗(yàn)選用中國(guó)石油大學(xué)(華東)構(gòu)造物理模擬裝置,操作步驟見文獻(xiàn)[19]。通過平流泵中蒸餾水的流速變化來調(diào)節(jié)施力值,從而達(dá)到半定量—定量模擬的效果。根據(jù)“逐步逼近原則”,確定平流泵的流速為20 mL/min。

4.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

試驗(yàn)進(jìn)行了14.5 min,模擬E1-2k—E2s4時(shí)期,對(duì)應(yīng)距今65～42.4 Ma[20],時(shí)間相似系數(shù)為1.56 Ma/min(圖6)。通過計(jì)算,試驗(yàn)前5個(gè)階段(圖6(a)～(e))大致對(duì)應(yīng)孔店期,后3個(gè)階段(圖6(f)～(h))大致對(duì)應(yīng)沙四期。試驗(yàn)結(jié)果為:

(1)試驗(yàn)最初的E1-2k初期,施力方向南側(cè)1號(hào)斷層先活動(dòng),初具掃帚狀,北側(cè)僅規(guī)模較小的①號(hào)斷層發(fā)育(圖6(a))。

(2)1號(hào)和①號(hào)斷層繼續(xù)發(fā)育,2號(hào)斷層和北部②號(hào)斷層開始出現(xiàn)(圖6(b))。

(3)第3階段1號(hào)斷層持續(xù)發(fā)育,特別是與拉伸方向垂直段,發(fā)散端出現(xiàn)眾多次級(jí)斷層,2號(hào)斷層隨之發(fā)育;北側(cè)① 、②號(hào)斷層與伸展垂直段發(fā)育快,其間產(chǎn)生了走向近一致的NE向次級(jí)小斷層,NEE-NE向③ 、④號(hào)斷層開始發(fā)育,① ～④號(hào)大致呈帚狀(圖6(c))。

(4)④號(hào)斷層沿SW迅速擴(kuò)展成收斂端,與① ～③號(hào)斷層構(gòu)成帚狀;1號(hào)斷層NEE段擴(kuò)展快,2號(hào)斷層略有發(fā)育,雙帚狀形態(tài)較為清晰(圖6(d))。

(5)試驗(yàn)8 min大致對(duì)應(yīng)孔店末期,1號(hào)帚狀斷層發(fā)育強(qiáng)于北側(cè)帚狀斷層,2號(hào)斷層持續(xù)發(fā)育,其間發(fā)育雁行狀次級(jí)斷層,①～④號(hào)發(fā)散端活動(dòng)強(qiáng),收斂端活動(dòng)弱,雙帚狀形態(tài)清晰(圖6(e))。

此后3個(gè)階段(圖6(f)～(h))大致對(duì)應(yīng)沙四期?？傮w趨勢(shì)仍然是1號(hào)帚狀斷層強(qiáng)于北側(cè)帚狀斷層,且雙帚狀斷層近EW向段發(fā)育快,如1號(hào)斷層中段和北側(cè)帚狀斷層的發(fā)散端。注意到1號(hào)斷層發(fā)散端斷層似乎特別發(fā)育,這是石英砂與鋼板之間摩擦力小造成的,并非真實(shí)的結(jié)果。最終1號(hào)斷層西撒東斂,①～④號(hào)斷層大致反對(duì)稱,東撒西斂,試驗(yàn)結(jié)束。

根據(jù)相似理論,模擬結(jié)果可以用來與地質(zhì)實(shí)際類比,故推斷1號(hào)斷層代表夏口斷層,①～④號(hào)斷層代表臨邑?cái)鄬?。E1-2k時(shí)期,1號(hào)斷層先活動(dòng),活動(dòng)強(qiáng)度大于對(duì)側(cè)斷層,且中段近EW向活動(dòng)最強(qiáng),與夏口斷層相符;斷層①～④由北向南、由NEE段到NE段依次產(chǎn)生,即由東向西發(fā)育,構(gòu)成東端撒開、西端收斂的帚狀,且東段和中段活動(dòng)強(qiáng),這與臨邑?cái)鄬釉撈诨顒?dòng)相符。兩條斷層的活動(dòng)/發(fā)育規(guī)律和強(qiáng)度與前述分析相符,即模擬較好地再現(xiàn)了雙帚狀斷層的形成和發(fā)育,印證了雙帚狀斷層在E1-2k—E2s4時(shí)期的力學(xué)成因。此外,模擬中的2號(hào)斷層代表玉皇廟斷層(F3),其發(fā)育受控于夏口斷層(F2)NEE段強(qiáng)烈的正斷活動(dòng)。F3可以看成是F2的次級(jí)斷層,而臨邑?cái)鄬?F4)則是陵縣—陽(yáng)信斷層(F5)的次級(jí)斷層。因此,F3和F4是級(jí)別更高斷層活動(dòng)過程中大致對(duì)稱向盆地中心發(fā)育的產(chǎn)物。次級(jí)斷層的活動(dòng)是主斷層強(qiáng)弱的體現(xiàn),F4明顯強(qiáng)于F3,說明陵縣—陽(yáng)信斷層比夏口斷層活動(dòng)強(qiáng),與實(shí)際剖面相符(圖2)。

雙帚狀斷層的發(fā)育和演化與油氣密切相關(guān)。古近紀(jì)夏口斷層的活動(dòng),形成了江家店—瓦屋東雁行式斷裂,控制臨南洼陷南部的沉積、成藏及油氣聚集,斷層根部發(fā)育的鼻狀構(gòu)造控制了油氣的運(yùn)聚。臨邑?cái)鄬邮諗慷讼陆当P發(fā)育的唐莊、大蘆家等鼻狀構(gòu)造,是油氣聚集的有利構(gòu)造,也是臨盤油田的主要含油構(gòu)造。古近紀(jì)臨邑?cái)鄬拥幕顒?dòng)強(qiáng)度由東向西遷移,而夏口斷層則由西向東遷移,導(dǎo)致油氣在垂向上沿上述方向由老到新分布,這種規(guī)律對(duì)今后的勘探工作有一定的指導(dǎo)意義。

圖6 臨南洼陷雙帚狀斷裂構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)Fig.6 Analogue modeling of double broom fault in Linnan subsag

5 結(jié) 論

(1)夏口帚狀斷層是早白堊世伸展與走滑應(yīng)力場(chǎng)和新生代伸展應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)物。夏口斷層發(fā)育早,因NW-SE向伸展應(yīng)力場(chǎng)和蘭聊斷層的右行走滑作用始于早白堊世,新生代受NW-SE向和SSW向伸展應(yīng)力場(chǎng)疊加弱的走滑應(yīng)力場(chǎng)繼續(xù)發(fā)育;臨邑帚狀斷層形成晚,始于E1-2k—E2s4時(shí)期,是新生代伸展應(yīng)力場(chǎng)疊加走滑應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)物。

(2)夏口帚狀斷層?xùn)|端收斂、西端撒開,其中撒開端帚狀小斷層為派生斷層,早白堊世為具有張剪性質(zhì)的右行走滑斷層,新生代發(fā)育成為走滑-正斷層;臨邑?cái)鄬邮怯晌鞫薔E向正斷層和東端4條近EW向正斷層組成的新生代“帚狀斷層”,其撒開端斷層非次級(jí)斷層,與收斂端同級(jí)別,并非真正意義的帚狀斷層,而是正向+斜向伸展作用的走滑-正斷層組合。

(3)E1-2k—E2s4時(shí)期夏口、臨邑一南一北兩斷層組成了雙帚狀,且夏口斷層活動(dòng)強(qiáng),臨邑?cái)鄬踊顒?dòng)弱,這種南強(qiáng)北弱的態(tài)勢(shì)一直持續(xù)到E2s3—E2s2時(shí)期。E3s1—E3d期二者強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換,北強(qiáng)南弱,并一直持續(xù)到新近紀(jì)N1g—N2m。

(4)總體上,中生代—古近紀(jì)夏口斷層活動(dòng)向東增強(qiáng),臨邑?cái)鄬觿t相反,古近紀(jì)—新近紀(jì)活動(dòng)向西增強(qiáng)。盡管二者有諸多不同,但其活動(dòng)強(qiáng)度均由撒開端向收斂端遷移。

[1] NICOLAS B. Principles of rock deformation[M].Dordrecht: D Reidel Publishing Company,1987.

[2] 漆家福. 渤海灣新生代盆地的兩種構(gòu)造系統(tǒng)及其成因解釋[J]. 中國(guó)地質(zhì),2004,31(1):15-27.

QI Jiafu.Two tectonic systems in the Cenozoic Bohai Bay basin and their genetic interpretation [J]. Geology in China,2004,31(1):15-27.

[3] 楊橋,魏剛,馬寶軍,等. 郯廬斷裂帶遼東灣段新生代右旋走滑變形及其模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 石油與天然氣地質(zhì),2009,30(4):483-489.

YANG Qiao, WEI Gang, MA Baojun, et al. Characteristics and modeling of the Cenozoic right-lateral slip deformation in the Liaodong Bay segment of the Tan-Lu fault zone[J]. Oil & Gas Geology,2009,30(4):483-489.

[4] 李明剛,楊橋,張健. 黃驊拗陷新生代構(gòu)造樣式及其演化[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,33(1):71-77.

LI Minggang,YANG Qiao,ZHANG Jian. The Cenozoic structural style and its evolution in Huanghua depression[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2011,33(1):71-77.

[5] 倪金龍,劉俊來,林玉祥,等. 惠民凹陷西部深層斷裂樣式與古近紀(jì)盆地原型的性質(zhì)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,35(1):20-27.

NI Jinlong,LIU Junlai,LIN Yuxiang,et al. Style of deep faulting and its control on the Paleogene basin evolved into the western Huimin depression,Eastern China[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2011,35(1):20-27.

[6] 賈紅義,譚明友,韓波,等. 渤海灣盆地惠民凹陷臨北地區(qū)帚狀構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2013,35(1):92-97.

JIA Hongyi,TAN Mingyou,HAN Bo,et al. Physical simulation of brush structure in Linbei area,Huimin Sag,Bohai Bay Basin[J]. Petroleum Geology & Experiment,2013,35(1):92-97.

[7] 許淑梅,馬云,王金鐸,等.東營(yíng)凹陷中央隆起帶西段“帚狀生長(zhǎng)斷層系”發(fā)育特征及成因機(jī)制[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2011(6):75-83.

XU Shumei,MA Yun,WANG Jinduo,et al. Characteristics and genetic mechanism of "broom-like syn-depositional faults" in west segment of central uplift belt in Dongying depression[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2011(6):75-83.

[8] 張翠梅,劉曉峰. 南堡凹陷邊界斷層及成盆機(jī)制[J].石油學(xué)報(bào),2012,33(4):581-587.

ZHANG Cuimei,LIU Xiaofeng. The boundary faults and basin-formation mechanism of Nanpu sag[J]. Acta Petrolei Sinica,2012,33(4):581-587.

[9] 李亞哲,金鑫.惠民凹陷走滑構(gòu)造特征及其對(duì)油氣的控制[J].海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài),2008,24(4):7-12.

LI Yazhe,JIN Xin. Characteristics of strike-slip structure in Huimin sag and its control to oil and gas[J]. Marine Geology Letters,2008,24(4):7-12.

[10] 朱光,徐佑德,劉國(guó)生,等. 郯廬斷裂帶中—南段走滑構(gòu)造特征與變形規(guī)律[J]. 地質(zhì)科學(xué),2006,41(2):226-241.

ZHU Guang,XU Youde,LIU Guosheng,et al. Structural and deformational characteristics of strike-slippings along the middle-southern sector of the Tan-Lu fault zone[J]. Chinese Journal of Geology,2006,41(2):226-241.

[11] 劉建忠,李三忠,周立宏,等. 華北板塊東部中生代構(gòu)造演化與盆地格局[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2004,24(4):45-54.

LIU Jianzhong,LI Sanzhong,ZHOU Lihong,et al. Mesozoic tectonics and basin distribution in the Eastern North China Plate[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2004,24(4):45-54.

[12] LI S Z,SUO Y H,SANTOSH M,et al. Mesozoic to Cenozoic intracontinental deformation and dynamics of the North China Craton[J]. Geological Journal,2013,48(5):543-560.

[13] 李理,趙利,劉海劍,等. 渤海灣盆地晚中生代—新生代伸展和走滑構(gòu)造及深部背景[J]. 地質(zhì)科學(xué),2015,50(2):446-472.

LI Li,ZHAO Li,LIU Haijian,et al. Late Mesozoic to Cenozoic extension and strike slip structures and deep background of Bohai Bay Basin[J]. Chinese Journal of Geology,2015,50(2):446-472.

[14] 李理,譚明友,張明振,等. 濰北—萊州灣凹陷郯廬斷裂帶新生代走滑特征[J].地質(zhì)科學(xué),2009,44(3): 855-864.

LI Li,TAN Mingyou, ZHANG Mingzhen,et al. The Cenozoic strike-slip characteristics along the TanLu Fault Zone of the Weibei-Laizhouwan area[J]. Chinese Journal of Geology, 2009, 44(3): 855-864.

[15] HSIAO L Y,GRAHAM S A,TILANDER N. Seismic reflection imaging of a major strike-slip fault zone in a rift system:Paleogene structure and evolution of the Tan-Lu fault system,Liaodong Bay,Bohai Offshore, China[J]. America Association of Petroleum Geologist Bulletin,2004,88(1): 71-97.

[16] 李理,鐘大賚. 泰山新生代抬升的裂變徑跡證據(jù) [J]. 巖石學(xué)報(bào),2006,22(2):457-464.

LI Li, ZHONG Dalai. Fission track evidences of Cenozoic uplifting events of the Taishan Mountain, China[J]. Acta Petrologica Sinica, 2006,22(2):457-464.

[17] DAVYP H, COBBOLD P R. Experiments on shortening of a 4-layer model of the continental lithosphere[J]. Tectonophysics,1991,188(1/2):1-25.

[18] 王抒. 京滬高速鐵路淺埋大跨隧道下穿高速公路的安全風(fēng)險(xiǎn)管理[D]. 北京:北京交通大學(xué),2010.

WANG Shu. Safety risk management of expressway in shallow buried and large span tunnel of Beijing-Shanghai high-speed railway[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2010.

[19] 時(shí)秀朋,李理,龔道好,等.構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(6):1728-1735.

SHI Xiupeng,LI Li,GONG Daohao,et al. The development and application of structure physical modeling[J]. Progress in Geophysics,2007,22(6):1728-1735.

[20] 姚益民,修申成,魏秀玲,等.東營(yíng)凹陷下第三系ESR測(cè)年研究[J].油氣地質(zhì)與采收率,2002,9(2):31-34.

YAO Yimin,XIU Shencheng,WEI Xiuling,et al. Researches on the ESR geochronometry in Palaeogene of Dongying depression[J]. Oil & Gas Recovery Technology,2002,9(2):31-34.

Mechanismandgrowthofbroom-likefaults

LI Li1,2, SHI Xiupeng1,3, HU Qiuyuan1,4, CHEN Yan1,2

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China; 2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China;3.WestBranchofResearchInstituteofExploration&Development,SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying257000,China; 4.ShengliInstituteofChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China)

The formation and evolution of the double broom-like faults in Linnan sag of Bohai Bay Basin were studied by using geometrical, kinematic and genetic analyses and analogue modeling. The results are as follows: Xiakou fault is a tensional-shear broom-like fault mainly formed by the extension and dextral strike slip faulting in the early Cretaceous, in which the fault plan converged at the eastern end and opened at the western end. The fault continued to develop in the Cenozoic by extension and dextral strike slipping to form a strike slip-normal fault. Linyi fault is a normal fault with a "broom-shaped" west end bunching and an eastern end opening, which was formed by the Cenozoic orthodox and oblique extension. The opening end and the converging ends of the fault are at the same fault level. The double-broom-like fault appeared in the Paleocene/Early Eocene, and the faulting activity intensifies from the convergent end to the opening end, resulting in a strong western end of Linyi fault and a strong eastern end of Xiakou fault. The intensity of fault activity of Linyi fault is greater than that of Xiakou fault in the Oligocene until the Pliocene. The strike-slip faulting of Langliao fault, the regional tectonic stress field since the Early Cretaceous, and the Cenozoic uplifting of Luxi uplift were the fundamental controlling factors of the formation and development of the double-broom fault.

broom-like structure; analogue modeling; Meso-Cenozoic; Bohai Bay Basin

2017-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41672193)

李理(1967-)，女，教授，博士，研究方向?yàn)闃?gòu)造地質(zhì)學(xué)及盆地構(gòu)造。E-mail：lilywmwys@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)06-0041-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.06.005

TE 121.2

A

李理,時(shí)秀朋,胡秋媛,等.雙帚狀斷層的成因和生長(zhǎng)發(fā)育[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(6):41-49.

LI Li, SHI Xiupeng, HU Qiuyuan, et al. Mechanism and growth of broom-like faults[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):41-49.

(編輯 徐會(huì)永)