渤海灣盆地徐水凹陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造演化

單帥強(qiáng),張煜穎,張銳鋒

[1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2. 中國石油 華北油田分公司，河北 任丘 062552]

地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究是開展盆地分析的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)盆地形成演化和相關(guān)資源、能源賦存的重要窗口。盆地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括由區(qū)域性不整合面限定的構(gòu)造層和被斷層(帶)切割的斷塊(斷裂系統(tǒng))[1]。

徐水凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷，西側(cè)緊鄰太行山隆起。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造演化的研究對(duì)于分析區(qū)內(nèi)油氣成藏要素的發(fā)育情況有著重要的意義，也將為揭示太行山山前斷層的發(fā)育特征提供線索。此外，由于雄安新區(qū)在構(gòu)造位置上處于徐水凹陷的東部(圖1)，研究徐水凹陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)還將有助于全面分析雄安新區(qū)所在區(qū)域的地殼穩(wěn)定性。前人從斷裂的幾何特征和活動(dòng)性入手，在徐水凹陷及鄰區(qū)開展了相應(yīng)的工作，并在斷裂級(jí)次、發(fā)育時(shí)間和活動(dòng)強(qiáng)度等方面取得了重要認(rèn)識(shí)[2-3]。最新的航磁結(jié)果也局部顯示了徐水凹陷基底的起伏特征[4]。然而，目前的研究尚未對(duì)徐水凹陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)開展系統(tǒng)的分析，構(gòu)造演化方面的研究也有待深入[5]。

本文利用高精度的地震和鉆井資料，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)填圖成果，借鑒前人對(duì)盆地構(gòu)造格局和斷裂發(fā)育特征的研究方法[6-8]，對(duì)徐水凹陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造演化進(jìn)行研究。通過“井、震”結(jié)合，建立了研究區(qū)的地層系統(tǒng)，并根據(jù)區(qū)域性不整合面的發(fā)育，對(duì)構(gòu)造層進(jìn)行劃分；在對(duì)地震剖面進(jìn)行精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，揭示了主要斷裂的發(fā)育特征；運(yùn)用平衡剖面技術(shù)，恢復(fù)了徐水凹陷古近紀(jì)以來的構(gòu)造演化過程，并探討了其構(gòu)造演化的控制因素。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造位置及區(qū)域構(gòu)造演化

徐水凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷西部凹陷帶的中部，西鄰太行山隆起，東接容城凸起，南連保定凹陷，北臨廊固凹陷、大興凸起和北京凹陷(圖1)，勘探面積約900 km2。

作為渤海灣盆地的一部分，徐水凹陷在大地構(gòu)造位置上處于華北克拉通的東部[9-10](圖1)。徐水凹陷及鄰區(qū)完整地經(jīng)歷了華北克拉通太古宙至中生代的演化過程[11]。晚中生代以來，在太行山山前斷層的控制下，冀中坳陷西部凹陷帶開始發(fā)育[12-15]，斷陷活動(dòng)持續(xù)至古近紀(jì)末期[16-17]。新近紀(jì)-第四紀(jì)，徐水凹陷及鄰區(qū)進(jìn)入熱沉降階段[17-18]。

1.2 地層發(fā)育特征

鉆井資料揭示，徐水凹陷內(nèi)發(fā)育的新生代地層自下至上包括古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系明化鎮(zhèn)組和第四系平原組(圖2，圖3)。其中，沙河街組由下到上分為沙(沙河街組)四段、沙三段、沙二段和沙一段。孔店組主要包括砂巖和泥巖，底部發(fā)育礫巖，厚度247～1 380 m；沙四段以泥巖為主，夾有薄層砂巖，層厚0～746 m；沙三段-沙二段發(fā)育砂泥巖互層，沉積環(huán)境為河流相和濱淺湖相，地層厚度為0～1 807 m；沙一段以淺湖相泥巖和砂巖為主，包括頁巖，厚度變化范圍在0～1 088 m；東營組局部發(fā)育，巖性為砂巖和泥巖，厚度較??；明化鎮(zhèn)組主要有河流相的砂、泥巖構(gòu)成，底部發(fā)育礫巖，層厚430～627 m；平原組發(fā)育礫石、粉砂、中砂和粘土，厚214～296 m。

徐水凹陷內(nèi)僅有龍1井鉆遇前新生界，孔店組之下為新元古界青白口系(圖3)；而在冀中坳陷的其它地區(qū)，前新生界被大量鉆井所揭示[19-20]；在研究區(qū)西側(cè)的太行山隆起，前新生界(主要是中新元古界、太古宇-古元古界)也有著廣泛的出露(圖1)。

圖1 徐水凹陷構(gòu)造位置(a)及冀中坳陷中部構(gòu)造單元及地震測(cè)線位置(b)Fig.1 Structural location of Xushui Sag(a) and the structural units and locations of seismic profiles in central Jizhong Depression(b)

圖2 徐水凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Xushui Sag

2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.1 區(qū)域性不整合面

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)的鉆井和地震資料的系統(tǒng)解釋，共識(shí)別出2個(gè)明顯的區(qū)域性不整合面：古近系底部角度不整合面和新近系底部角度不整合面(圖3—圖5)。

古近系底部角度不整合面分隔了凹陷內(nèi)斷陷期地層與下伏中新元古界。在NW-SE向的地震剖面上可以觀察到孔店組超覆于該不整合面之上，而下伏地層遭受明顯的剝蝕，二者之間為典型的角度不整合接觸(圖4)。

新近系底部角度不整合面形成于渤海灣盆地?cái)嘞萜谂c拗陷期之間，并在整個(gè)盆地內(nèi)廣泛分布[21-22]。徐水凹陷內(nèi)不同方向的地震剖面上均清晰地顯示了該不整合面的發(fā)育(圖4，圖5)。不整合面附近，地層產(chǎn)狀發(fā)生顯著改變，下伏古近系遭受強(qiáng)烈剝蝕，并與上覆地層呈明顯的角度相交(圖4，圖5)。

2.2 構(gòu)造層劃分

構(gòu)造層通常是指一定構(gòu)造單元里，某個(gè)特定的構(gòu)造時(shí)期內(nèi)形成的、具有共同構(gòu)造變形特征的構(gòu)造-地層組合[23]。區(qū)域性的地層不整合面往往作為構(gòu)造層之間的界線[6]。

在前人研究的基礎(chǔ)上[19-20]，根據(jù)識(shí)別出的區(qū)域性不整合面，在研究區(qū)內(nèi)縱向上劃分出3套構(gòu)造層：基底構(gòu)造層(太古宇-中新元古界)、古近系構(gòu)造層、新近系-第四系構(gòu)造層(圖2)。

圖3 徐水凹陷NE-SW向連井剖面(井位見圖1b)Fig.3 NE-SW trending well-tie profile in the Xushui Sag(see Fig.1b for the well location)

基底構(gòu)造層在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布[19-20]。其中，太古宇-古元古界巖性以片麻巖為主(圖2)。該套地層經(jīng)歷了中-新元古代以來長期、復(fù)雜的演化過程，研究區(qū)內(nèi)古近紀(jì)的斷陷活動(dòng)對(duì)其現(xiàn)今的構(gòu)造格局有著明顯的控制作用；中新元古界(包括長城系、薊縣系和青白口系)作為冀中坳陷潛山領(lǐng)域勘探的重要目的層[20]，在研究區(qū)內(nèi)遭受強(qiáng)烈的斷層切割、改造作用，在凸起部位地層厚度明顯減薄(圖4，圖5)。

古近系構(gòu)造層包括孔店組、沙河街組和東營組，不同地層在研究區(qū)內(nèi)的分布范圍有著明顯的區(qū)別(圖4，圖5)。在NW-SE向的地震剖面上，該構(gòu)造層呈“碗狀”，頂部遭受強(qiáng)烈剝蝕，內(nèi)部斷層相對(duì)不發(fā)育(圖4)；NE-SW向剖面則顯示，該構(gòu)造層自北向南顯著減薄，頂部同樣遭受剝蝕，而內(nèi)部發(fā)育多條不同傾向的次級(jí)斷層(圖5)。

新近系-第四系構(gòu)造層全區(qū)分布。與下伏地層相比，明化鎮(zhèn)組和平原組地層產(chǎn)狀發(fā)生了較大的變化，整體較為平緩且向東傾斜(圖4)。地層厚度自西向東逐漸增大，而南北向上則沒有表現(xiàn)出明顯的厚度變化(圖4，圖5)。該構(gòu)造層內(nèi)部基本上不發(fā)育次級(jí)斷層(圖4，圖5)。

2.3 主要斷裂特征

地震資料解釋結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)最主要的斷裂為太行山山前斷層。該斷層不僅是徐水凹陷的邊界斷層，還是整個(gè)渤海灣盆地與太行山隆起的分界[12，24]。在該斷層的控制下，徐水凹陷表現(xiàn)出西斷東超的構(gòu)造格局(圖4)。太行山山前斷層在研究區(qū)內(nèi)呈NE走向，斷面傾向SE，斷層沿走向上延伸長度大于40 km(圖1)；在地震剖面上，斷層上陡下緩，表現(xiàn)出典型的犁式斷層特征(圖4)。圖4所示剖面未完全顯示出斷層面最終變平的位置，但在保定凹陷內(nèi)，NW-SE向剖面揭示出斷層滑脫面深度在5 500～6 500 ms[19]。斷層上盤同沉積地層的發(fā)育特征表明，研究區(qū)內(nèi)的太行山山前斷層于古近紀(jì)早期(孔店組-沙四段沉積時(shí)期)開始強(qiáng)烈活動(dòng)，并控制地層沉積，同時(shí)，斷層上盤內(nèi)發(fā)育有規(guī)模較大的次級(jí)斷層，導(dǎo)致孔店組-沙四段發(fā)生明顯加厚(圖4)；而沙三段-東營組的發(fā)育受太行山山前斷層的影響相對(duì)較小(圖4)。

圖4 過徐水凹陷的NW-SE向地震剖面(a)及解釋結(jié)果(b)(剖面位置見圖1b中AA′)Fig.4 NW-SE trending seismic profile(a)in the Xushui Sag and its interpretation(b)(see Fig.1b AA′ for the profile location)Qp.第四系平原組；Nm.新近系明化鎮(zhèn)組；Ed.古近系東營組；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店組

前人在研究整個(gè)太行山山前斷層的分段性時(shí)，曾注意到NWW向發(fā)育的淶水?dāng)鄬覽24-25]，但均未對(duì)其幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行分析。本次研究中，通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)NE-SW向地震剖面的解釋，清晰地顯示了淶水?dāng)鄬拥陌l(fā)育特征(圖5)。與太行山山前斷層類似，淶水?dāng)鄬釉谄拭嫔弦脖憩F(xiàn)為犁式斷層，斷層面滑脫深度大于5 500 ms。剖面顯示，太行山山前斷層的斷面被淶水?dāng)鄬铀懈?，并隨上盤地層一起發(fā)生變形(圖5)。根據(jù)上盤同沉積地層發(fā)育特征，認(rèn)為淶水?dāng)鄬訌?qiáng)烈活動(dòng)于沙三段-東營組沉積時(shí)期，并使徐水凹陷具有北斷南超的特征。

3 構(gòu)造演化

通過對(duì)古近系進(jìn)行精細(xì)解釋，在其內(nèi)部識(shí)別出一系列地層超覆和剝蝕尖滅點(diǎn)(圖6)。在綜合這些信息和前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用編制平衡剖面的手段，恢復(fù)了徐水凹陷古近紀(jì)以來的構(gòu)造演化過程(圖7，圖8)，并將其分為4個(gè)階段。

圖8)，并將其分為4個(gè)階段。

3.1 強(qiáng)烈斷陷階段(古新世—早始新世)

晚中生代，渤海灣盆地于華北克拉通東部巖石圈大規(guī)模減薄的背景下開始發(fā)育[10，26-27]，冀中坳陷也進(jìn)入斷陷階段[12，19，24]。古近紀(jì)是冀中坳陷發(fā)育的主要時(shí)期[13-14]。古新世—早始新世，太行山山前斷層強(qiáng)烈活動(dòng)，徐水凹陷內(nèi)沉積了厚度較大的孔店組-沙四段(圖4)。龍1井揭示該套地層殘余厚度達(dá)1 380 m。圖5顯示沿太行山山前斷層走向方向上，孔店組-沙四段由SW向NE發(fā)生減薄，且在淶水?dāng)鄬由媳P附近，該套地層沒有發(fā)生加厚，表明這一時(shí)期淶水?dāng)鄬訉?duì)徐水凹陷內(nèi)的沉積過程沒有明顯的控制作用。

3.2 斷陷持續(xù)發(fā)育階段(早始新世—晚漸新世)

沙四段沉積之后，研究區(qū)內(nèi)斷陷活動(dòng)持續(xù)發(fā)育。前人研究成果表明，渤海灣盆地內(nèi)古近紀(jì)斷陷活動(dòng)具有明顯的幕式特征[17-18,22]。研究區(qū)古近系內(nèi)部發(fā)育的一系列地層超覆和尖滅現(xiàn)象(圖6)也表明了這一特征。

NW-SE向地震剖面顯示，太行山山前斷層上盤沙三段-東營組厚度向斷層方向逐漸減薄(圖4，圖7)；而NE-SW向地震剖面及相應(yīng)的演化剖面則顯示，該套地層厚度由南向北顯著加厚(圖5，圖8)。這些現(xiàn)象表明，在這一階段(沙三段-東營組沉積時(shí)期)，淶水?dāng)鄬拥幕顒?dòng)對(duì)徐水凹陷的發(fā)育起主要的控制作用。此外，通過分析NW-SE方向上沙三段-東營組的厚度變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，沉積中心具有向NW方向遷移的特征(圖4，圖7)，這一現(xiàn)象暗示了淶水?dāng)鄬拥幕顒?dòng)逐漸向NW方向遷移。

3.3 斷-拗過渡階段(漸新世末—早中新世)

大量研究表明，古近系東營組沉積末期，區(qū)域性的擠壓使得斷陷期地層遭受不同程度的剝蝕[17]，并產(chǎn)生了新近系底部的區(qū)域性角度不整合(圖7)。

圖6 徐水凹陷古近系內(nèi)部地層超覆和剝蝕尖滅現(xiàn)象(剖面位置見圖1b中CC′)Fig.6 Stratigraphic overlapping,denudation and pinch-out within the Paleogene sequences in the Xushui Sag(see Fig.1b CC′ for the profile location)a—e.地震剖面；a′—d′.解釋結(jié)果Qp.第四系平原組；Nm.新近系明化鎮(zhèn)組；Ed.古近系東營組；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店組

圖7 徐水凹陷NW-SE向構(gòu)造演化剖面(剖面位置見圖1b中AA′)Fig.7 NW-SE trending tectonic evolution section in the Xushui Sag(see Fig.1b AA′ for the section location)a.孔店組-沙四段沉積時(shí)期；b.沙三段-沙二段沉積時(shí)期；c.沙一段沉積時(shí)期；d.東營組沉積時(shí)期；e.反轉(zhuǎn)期；f.明化鎮(zhèn)組沉積之前；g.現(xiàn)今剖面Qp.第四系平原組；Nm.新近系明化鎮(zhèn)組；Ed.古近系東營組；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店組

圖8 徐水凹陷NE-SW向構(gòu)造演化剖面(剖面位置見圖1b中BB′)Fig.8 NE-SW trending tectonic evolution section in the Xushui Sag(see Fig.1b BB′ for the section location)a.孔店組-沙四段沉積時(shí)期；b.沙三段-沙二段沉積時(shí)期；c.沙一段沉積時(shí)期；d.東營組沉積時(shí)期；e.明化鎮(zhèn)組沉積之前；f.現(xiàn)今剖面Qp.第四系平原組；Nm.新近系明化鎮(zhèn)組；Ed.古近系東營組；Es1.古近系沙一段；Es2.古近系沙二段；Es3.古近系沙三段；Es4.古近系沙四段；Ek.古近系孔店組

該不整合面的出現(xiàn)，標(biāo)志著徐水凹陷的構(gòu)造演化由斷陷階段進(jìn)入拗陷階段。本次研究中，將這一時(shí)期稱為斷-拗過渡階段。與鄰區(qū)相比[19，28]，徐水凹陷內(nèi)缺失新近系下部館陶組，表明研究區(qū)內(nèi)這一時(shí)期所遭受的擠壓作用可能較為強(qiáng)烈。

3.4 拗陷階段(晚中新世—第四紀(jì))

晚中新世—第四紀(jì)(相當(dāng)于明化鎮(zhèn)組-平原組沉積時(shí)期)，徐水凹陷內(nèi)的斷陷活動(dòng)顯著減弱，不同方向的地震剖面上均顯示這一時(shí)期基本上不發(fā)育次級(jí)斷層，區(qū)內(nèi)主要發(fā)生熱沉降，地層產(chǎn)狀平緩(圖4，圖5)。也有研究表明，太行山山前斷層于第四紀(jì)期間發(fā)生過活動(dòng)[3]。

4 徐水凹陷構(gòu)造演化控制因素

綜合分析地震解釋和剖面復(fù)原結(jié)果發(fā)現(xiàn)，徐水凹陷的構(gòu)造演化受控于不同方向上斷層的差異性活動(dòng)。古近紀(jì)早期，太行山山前斷層強(qiáng)烈活動(dòng)，徐水凹陷表現(xiàn)為典型的半地塹，具有西斷東超的結(jié)構(gòu)，斷層活動(dòng)對(duì)孔店組-沙四段的沉積有著明顯的控制作用(圖7)；沙三段-東營組沉積時(shí)期，地層厚度變化主要表現(xiàn)在NE-SW方向上，反映了淶水?dāng)鄬拥膹?qiáng)烈活動(dòng)，此時(shí)徐水凹陷表現(xiàn)為北斷南超的半地塹(圖5)。同時(shí)，凹陷南部的地層因掀斜抬升而遭受剝蝕(圖5，圖8)，NW-SE向的地震剖面因大致平行于淶水?dāng)鄬佣憩F(xiàn)出“碗狀”結(jié)構(gòu)。

因此，認(rèn)為在強(qiáng)烈斷陷階段，太行山山前斷層的活動(dòng)控制了徐水凹陷的發(fā)育，而在隨后的斷陷持續(xù)發(fā)育階段，太行山山前斷層的控制作用減弱，淶水?dāng)鄬拥幕顒?dòng)主導(dǎo)了徐水凹陷的發(fā)展。兩條斷層的共同作用，使得徐水凹陷表現(xiàn)出早期西斷東超，晚期北斷南超的構(gòu)造格局。

在斷-拗過渡階段，太行山山前斷層發(fā)生一定程度的正反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致早期沉積地層遭受剝蝕，而在這一階段淶水?dāng)鄬踊旧喜话l(fā)生活動(dòng)。晚中新世以來的拗陷階段，兩條斷層均沒有明顯活動(dòng)，研究區(qū)以發(fā)生熱沉降為主。

5 結(jié)論

1) 徐水凹陷新生界內(nèi)共發(fā)育古近系底部和新近系底部2個(gè)區(qū)域性不整合面，在縱向上劃分出3套構(gòu)造層：基底構(gòu)造層、古近系構(gòu)造層和新近系-第四系構(gòu)造層。

2) 區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要斷層包括NE向的太行山山前斷層和NWW向的淶水?dāng)鄬樱吖餐饔檬沟眯焖枷荼憩F(xiàn)出西斷東超、北斷南超的構(gòu)造格局。

3) 徐水凹陷是在太行山山前斷層上盤發(fā)育的新生代斷陷盆地，其經(jīng)歷的演化過程可以分為4個(gè)階段：強(qiáng)烈斷陷階段、斷陷持續(xù)發(fā)育階段、斷-拗過渡階段和拗陷階段。徐水凹陷的構(gòu)造演化受控于不同方向上斷層的差異性活動(dòng)。