北黃海東部次盆地中新生代原型盆地分析*

簡曉玲 劉金萍 王改云

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510760； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東廣州 510760)

盆地構(gòu)造演化和盆地原型性質(zhì)的研究是含油氣盆地分析和油氣勘探的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對(duì)認(rèn)識(shí)多期改造的疊合盆地的生烴潛力及油氣藏分布規(guī)律具有重要意義[1-5]。北黃海東部次盆地是我國海域勘探及研究程度較低的一個(gè)盆地，近些年在北黃海海域逐步開展了系列油氣調(diào)查工作，就構(gòu)造演化和盆地性質(zhì)也開展了一些研究[6-9]，但受早期二維地震資料品質(zhì)和鉆井資料稀少的制約，系統(tǒng)的原型盆地分析尚未開展。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用近年來新獲取的高品質(zhì)三維地震資料、重處理的二維地震資料及鉆井資料，結(jié)合盆地發(fā)育的區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景，確定了北黃海東部次盆地各構(gòu)造演化階段的原型盆地性質(zhì)，為更好地理解該盆地的油氣地質(zhì)條件奠定了基礎(chǔ)。

1 區(qū)域和盆地構(gòu)造背景

北黃海東部次盆地位于中朝板塊東南部，屬于華北板塊向東部海區(qū)的延伸部分，西鄰郯廬斷裂和渤海灣盆地，北臨遼東隆起，東接朝鮮北部地塊，南連魯東-劉公島隆起和蘇膠-臨津江碰撞造山帶[10-13](圖1)。北黃海東部次盆地經(jīng)歷了中新生代多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加和改造，形成了多旋回的構(gòu)造-沉積組合，自中侏羅世以來開始沉降接受沉積，自下而上發(fā)育中侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、漸新統(tǒng)和新近系—第四系[14-15]；盆地發(fā)育了數(shù)量眾多、規(guī)模不等、形態(tài)各異、性質(zhì)不同的斷裂，平面展布方向主要為NE、NW向，少量近EW或SN向斷裂分布，其中F1、F2斷裂是盆地兩條重要的控盆大斷裂，控制了盆地中新生代的沉積構(gòu)造演化[16-17]。以反映區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重大不整合面Rg、R4和R1為界，自下而上將東部次盆地劃分為三個(gè)構(gòu)造層，即基底構(gòu)造層及中生代斷陷層(下構(gòu)造層)、新生代斷陷層(中構(gòu)造層)、新生代坳陷層(上構(gòu)造層)，上、中、下三個(gè)構(gòu)造層構(gòu)成了該盆地的沉積蓋層(圖2)。

圖1 北黃海東部次盆地地理位置(a)及構(gòu)造區(qū)劃(b)Fig.1 Geographical location (a)and tectonic division (b)of the East sub-basin,northern Yellow Sea

圖2 北黃海東部次盆地地層格架及構(gòu)造層劃分(剖面位置見圖1)Fig.2 Stratigraphic framework and structural layers of the East sub-basin,northern Yellow Sea(see Fig.1 for location)

2 原型盆地性質(zhì)分析

北黃海東部次盆地是一個(gè)中新生代殘留疊合型盆地，總體上經(jīng)歷了中、新生代兩次成盆過程，即早白堊世末—始新世和漸新世末—中新世早期兩期大的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，尤其是前者，導(dǎo)致北黃海東部次盆地遭受強(qiáng)烈剝蝕，盆地原型被嚴(yán)重破壞。為明確該盆地各構(gòu)造演化階段的原型盆地性質(zhì)，從盆地自身各構(gòu)造層的構(gòu)造特征(關(guān)鍵不整合界面、盆地結(jié)構(gòu)、同沉積斷裂體系等)出發(fā)，同時(shí)結(jié)合盆地發(fā)育的動(dòng)力學(xué)背景、郯廬斷裂帶的走滑活動(dòng)及區(qū)域上盆地間的橫向?qū)Ρ鹊龋罱K合理地確定北黃海東部次盆地各構(gòu)造演化階段的原型盆地性質(zhì)(圖3)。

2.1 中侏羅世—早白堊世區(qū)域左旋背景下的伸展裂陷-走滑伸展盆地

2.1.1中—晚侏羅世伸展裂陷盆地(Rg—R5)

中—晚侏羅世地層是盆地的一個(gè)二級(jí)構(gòu)造層(圖3)，發(fā)育于印支期形成的基底之上，底界面為Rg區(qū)域性不整合界面，頂界面為R5不整合界面。Rg界面全區(qū)分布，其上覆中—晚侏羅世地層與下伏基底具有明顯的不同結(jié)構(gòu)，Rg具明顯的起伏變化特征，盆地中部較為平坦，向盆地邊緣逐漸抬升。R5界面主要以整合或假整合為主，在盆地南部終止于F1控盆大斷裂的下降盤，其余部位上超尖滅于Rg界面，上超充填中—晚侏羅世沉積(圖4)。該構(gòu)造層主要表現(xiàn)為平行—亞平行結(jié)構(gòu)，席狀或席狀披蓋以及楔狀外形。

圖3 北黃海東部次盆地原型盆地性質(zhì)劃分綜合柱狀圖Fig.3 Integrated histogram of the nature of the prototype basins in the East sub-basin,northern Yellow Sea

圖4 北黃海東部次盆地界面發(fā)育特征(剖面位置見圖1)Fig.4 The feature of interfaces of the East sub-basin,northern Yellow Sea(see Fig.1 for location)

該套地層所經(jīng)受的剝蝕較小，但后期的火山活動(dòng)對(duì)原型盆地的破壞，尤其是盆地東南部F1、F2斷裂所夾持的盆地?cái)嗦Р课灰约癋2斷裂的新生代斷陷活動(dòng)增加了認(rèn)識(shí)北黃海東部次盆地侏羅世時(shí)期原型盆地的難度。盆地構(gòu)造古地理、同沉積斷裂活動(dòng)等特征表明該時(shí)期原型盆地的性質(zhì)為伸展裂陷型盆地，主要證據(jù)為：①該時(shí)期盆地結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為受NW向F1斷裂控制的SW斷NE超的箕狀半地塹斷陷結(jié)構(gòu)，沉積分布范圍較小，僅發(fā)育于盆地較深凹部位，盆地格局表現(xiàn)為南部中央凹陷和北部緩坡帶，中央凹陷走向隨著F1斷裂走向呈NW—SE向長軸展布(圖5a1)；②盆地同生次級(jí)斷裂規(guī)模小、數(shù)量少，但主體和F1控盆斷裂走向相近(NW向)(圖5b1)。上述特征清晰地表明了該時(shí)期盆地為典型的受NE—SW向張應(yīng)力控制的伸展裂陷型盆地。

中—晚侏羅世為盆地的初始裂陷發(fā)育時(shí)期，從區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景來看，該時(shí)期為印支擠壓期后盆地進(jìn)入燕山期伸展的初始發(fā)育期。郯廬斷裂在該時(shí)期左旋活動(dòng)，但是規(guī)模不大，受伊澤納崎NW向緩慢俯沖作用的控制[18]，盆地主要表現(xiàn)為NE—SW向的伸展應(yīng)力，以發(fā)育NW向的伸展裂陷為主要特征。此時(shí)北黃海東部次盆地的性質(zhì)和同時(shí)期靠近郯廬斷裂帶NW走向的渤海灣盆地、魯西南盆地等中生代盆地具有相似的原型盆地性質(zhì)，即同為區(qū)域左旋背景下發(fā)育的伸展裂陷盆地。

圖5 北黃海東部次盆地關(guān)鍵時(shí)期原始厚度(a)與斷裂系統(tǒng)(b)Fig.5 Original thickness (a)and fracture system (b)during the critical period of the East sub-basin,northern Yellow Sea

2.1.2早白堊世走滑伸展盆地(R5—R4)

下白堊統(tǒng)整合或假整合于R5界面之上，該界面斷層錯(cuò)斷明顯，大部分區(qū)域以無明顯特征的中—弱振幅、中—低連續(xù)反射為主，與上下反射基本呈整合接觸，局部見削截不整合。頂界面R4界面是區(qū)內(nèi)重要的不整合界面，為中生界與新生界的分界面，錯(cuò)斷強(qiáng)烈，反射特征多變：在盆地西北部為振幅較強(qiáng)的連續(xù)反射，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的剝蝕不整合特征，其下地層被層層削截；在盆地的北部為一套斜層的頂界，呈雙相位，振幅較強(qiáng)、連續(xù)性較好，不整合特征突出；在盆地的深凹部位，振幅變?nèi)?、連續(xù)性較差，反射特征不明顯；在盆地東南部缺失，在盆地邊緣終止于邊界斷層下降盤或Rg界面之上(圖4)。

對(duì)盆地關(guān)鍵不整合面發(fā)育特征及剝蝕量進(jìn)行研究是開展原型盆地分析的重要內(nèi)容[19-23]，早白堊世北黃海東部次盆地由于在晚白堊世整體隆升而遭受強(qiáng)烈而廣泛的剝蝕。按照“井資料定點(diǎn)約束，地震趨勢追蹤”的井震結(jié)合的研究思路，利用聲波時(shí)差法、鏡質(zhì)體反射率法恢復(fù)了研究區(qū)單井剝蝕量(表1)，結(jié)合地震剖面資料分析各測線的剝蝕量展布趨勢(圖6)，通過相互校正，得到了盆地R4界面地層剝蝕量展布圖，最大剝蝕量達(dá)1 600 m(圖7)。從圖7可以看出，R4界面剝蝕量大，分布范圍廣，整體表現(xiàn)出北小南大的特點(diǎn)。該時(shí)期剝蝕量高值集中分布在靠近F1斷層中段的區(qū)域，其等值線長軸與F1斷層走向基本一致，表明該時(shí)期構(gòu)造反轉(zhuǎn)主要受到F1斷層的控制，即F1斷層在早白堊世—古新世經(jīng)歷了一次擠壓逆沖過程，它控制了R4界面的隆升剝蝕。

表1 北黃海東部次盆地單井剝蝕量Table 1 Denudation amount of wells in the East sub-basin,northern Yellow Sea

圖6 北黃海東部次盆地地層趨勢法計(jì)算剝蝕量典型剖面(剖面位置見圖1)Fig.6 Typical profile of the denudation amount calculated by the stratigraphic trend method in the East sub-basin, northern Yellow Sea(see Fig.1 for location)

圖7 北黃海東部次盆地早白堊世剝蝕厚度Fig.7 Denuded thickness of the East sub-basin in the Early Cretaceous, northern Yellow Sea

殘留盆地結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征及盆地的古地貌恢復(fù)顯示該時(shí)期盆地特征與侏羅世時(shí)期盆地的格局相比發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①白堊世盆地范圍較侏羅世明顯擴(kuò)大，盆地沉積沉降中心沿F1斷層向NW向遷移，盆地向西向北沉積范圍較侏羅世明顯擴(kuò)展(圖5a2)；②伴隨著盆地向北西方向的遷移擴(kuò)展，相應(yīng)新發(fā)育了一些控制該時(shí)期沉積的斷裂體系，并且這些主要斷裂明顯表現(xiàn)為兩個(gè)方向，一組為NEE走向，另一組為和F1斷裂走向相近的NW走向(圖5b2)，表明該時(shí)期原型盆地的斷裂體系具有明顯的共軛剪切特征，兩組斷裂分別相當(dāng)于圖8中的同向走向滑動(dòng)斷層和反向走向滑動(dòng)斷層。由此看來，早白堊世盆地的走滑張扭活動(dòng)是該時(shí)期盆地發(fā)育的主旋律，據(jù)此可將該時(shí)期的原型盆地性質(zhì)定義為走滑伸展盆地。

注：C為扭動(dòng)導(dǎo)出的擠壓分量；E為扭動(dòng)導(dǎo)出的拉張分量；IR為內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。

圖8早白堊世盆地NW和NEE向共軛剪切斷裂發(fā)育示意圖
Fig.8DiagramofNWandNEEconjugateshearfracturedevelopmentintheEarlyCretaceous

早白堊世，伊澤納崎板塊NNW向的快速俯沖[18]，歐亞板塊東部左旋剪切應(yīng)力發(fā)育，郯廬斷裂發(fā)生明顯的左旋走滑活動(dòng)，該時(shí)期也是華北克拉通東部巖石圈拆沉減薄、巖漿大量活動(dòng)的重要時(shí)期[24]。北黃海東部次盆地在早白堊世左旋走滑活動(dòng)盛行，發(fā)育NW和NEE向的共軛剪切斷裂，以走滑張扭裂陷活動(dòng)為主，因此將該時(shí)期的盆地性質(zhì)定義為走滑伸展盆地。

晚白堊世，伊澤納崎板塊和太平洋板塊同時(shí)NWW向向歐亞大陸板塊俯沖，中國東部區(qū)域性的左旋活動(dòng)停止，大部分地區(qū)處于隆升剝蝕狀態(tài)，僅少數(shù)低洼地區(qū)接受沉積，北黃海東部次盆地的隆升剝蝕一直持續(xù)到始新世。

2.2 古近紀(jì)區(qū)域右旋背景下的走滑伸展盆地

2.2.1始新世—早漸新世走滑伸展盆地(R4—R2)

晚白堊世以來的區(qū)域隆升剝蝕在北黃海東部次盆地一直持續(xù)到始新世才重新開始接受沉積，頂界面R2總體是一個(gè)下削上超面，除了被局部發(fā)育的地塹式斷裂系統(tǒng)切割外，大部分區(qū)域連續(xù)性好，斷裂較少，在盆地邊緣被R1削截或終止于邊界斷層的下降盤(圖4)。該時(shí)期F2斷層開始活動(dòng)，但F1斷層仍然對(duì)該期沉積起主控作用。地震剖面解釋顯示該時(shí)期F1斷層對(duì)地層具有明顯的控制作用，且最大地層沉積厚度位于F1斷裂的下降盤(圖5a3)。F2斷裂與其派生的次級(jí)斷裂走向上呈小角度相交(圖5b3)，且表現(xiàn)出明顯的右旋張扭派生關(guān)系(圖9)。

圖9 古近紀(jì)F2斷裂與其派生斷裂右旋走滑發(fā)育模式Fig.9 Developmental pattern of the F2 fault and its derived fault right-lateral slip in the Paleogene

新生代以來印度板塊向歐亞板塊俯沖并在中國東部形成右旋張扭應(yīng)力場，始新世中晚期(43 Ma)印度板塊和歐亞板塊開始碰撞及太平洋板塊由NW向俯沖轉(zhuǎn)為NWW向俯沖導(dǎo)致中國東部強(qiáng)烈的右旋張扭活動(dòng)[25-26]，該時(shí)期是整個(gè)中國東部強(qiáng)烈的斷陷發(fā)育期，且以NE向盆地構(gòu)造為主體。在北黃海東部次盆地內(nèi)，該時(shí)期NEE向的F2斷裂開始活動(dòng)，并在凹陷內(nèi)發(fā)育眾多與F2斷裂具派生關(guān)系的NWW或近EW向的雁列式斷裂。因此，從應(yīng)力機(jī)制上講，該時(shí)期為右旋張扭應(yīng)力機(jī)制，早期左旋應(yīng)力機(jī)制形成的盆地格局仍對(duì)該時(shí)期盆地的發(fā)育具有一定的影響和控制作用，F(xiàn)1斷裂仍然控制著盆地的最大沉積沉降中心。從盆地發(fā)育階段來講，該時(shí)期是左旋應(yīng)力機(jī)制形成的NW向盆地格局向右旋應(yīng)力機(jī)制形成的NE向盆地格局過渡轉(zhuǎn)換時(shí)期，從原型盆地性質(zhì)上來說仍是走滑伸展型盆地。

2.2.2晚漸新世走滑伸展盆地(R2—R1)

晚漸新世是盆地F2斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)期，F(xiàn)1斷裂在該時(shí)期的活動(dòng)大大減弱，盆地的沉積沉降中心完全轉(zhuǎn)移到F2斷層下降盤(圖5a4)，盆內(nèi)右旋派生斷裂發(fā)育，該時(shí)期NEE向的右旋張扭構(gòu)造為盆地的主體特征(圖5b4)。盆地南部F1和F2斷裂所夾持的斷階因F1和F2活動(dòng)性的差異而形成斷隆帶，并使斷隆帶的下伏地層遭受一定程度的剝蝕，且上部沉積了較薄的晚漸新世地層。

區(qū)域右旋走滑應(yīng)力場的持續(xù)作用是導(dǎo)致該時(shí)期NEE向F2斷裂的強(qiáng)烈發(fā)育和NEE向張扭構(gòu)造為主體的盆地特征的原因，因該時(shí)期盆地的沉積沉降中心向F2斷層收縮，形成小而深的快速斷陷沉積盆地，從原型盆地性質(zhì)上來講屬走滑伸展盆地。

2.3 新近紀(jì)區(qū)域沉降背景下的坳陷盆地

漸新世末—中新世初，盆地?cái)嗔鸦顒?dòng)停止，構(gòu)造活動(dòng)趨于平靜，北黃海東部次盆地進(jìn)入裂后區(qū)域沉降階段，初期在一些斷裂局部形成的扭壓區(qū)部位或盆地?cái)嗦^(qū)(盆地內(nèi)或盆地周緣)存在一定量的地層剝蝕，但整體來講地層剝蝕量不大。

新近紀(jì)以來盆地進(jìn)入裂后熱沉降階段，這一點(diǎn)和中國東部眾多斷陷盆地的發(fā)育過程是一致的，該時(shí)期的盆地原型為典型的裂后熱沉降機(jī)制形成的坳陷盆地。

3 盆地發(fā)育演化模式

從平面上(圖10)看，北黃海東部次盆地經(jīng)歷了兩期構(gòu)造變革期。第一期始于中侏羅世，盆地呈NW向，為受F1斷裂控制的單一沉降沉積中心；早白堊世，受區(qū)域左旋構(gòu)造的影響，主沉降沉積中心向北西遷移，盆地范圍明顯擴(kuò)大，呈幾個(gè)孤立的小規(guī)模沉積沉降中心，盆地發(fā)育NW向和NEE向兩組共軛斷裂體系。第二期始于始新世，于晚漸新世最盛，為NE或NEE向的構(gòu)造發(fā)育期，沉積沉降中心主要受NEE向的F2斷裂控制。始新世—漸新世早期東部次盆地中生代NW向的盆地構(gòu)局繼承性發(fā)育，同時(shí)代表區(qū)域右旋應(yīng)力體制的NEE向盆地構(gòu)造開始形成，F(xiàn)2斷裂此時(shí)開時(shí)活動(dòng)。盆地主沉積沉降中心仍受F1斷裂控制，同時(shí)F2斷裂也控制了盆地一個(gè)相對(duì)小規(guī)模的沉積沉降中心，且受F2斷裂右旋張扭活動(dòng)的影響，中部坳陷內(nèi)發(fā)育了眾多雁列式、平面走向與F2斷裂呈小角度斜交的NEE或近EW向的右旋派生斷裂體系。晚漸新世，區(qū)域右旋體制下的NEE向盆地構(gòu)造完全主導(dǎo)了盆地的發(fā)育，NEE走向的F2斷裂強(qiáng)烈斷陷活動(dòng)且控制了盆地單一的沉積沉降中心，東部坳陷內(nèi)與F2斷裂呈右旋張扭派生關(guān)系的斷裂進(jìn)一步發(fā)育。

圖10 北黃海東部次盆地發(fā)育演化模式Fig.10 Development and evolution model in the East sub-basin,northern Yellow Sea

從垂向上(圖10)看，在晚白堊世期間盆地經(jīng)歷不均衡反轉(zhuǎn)隆升過程，并遭受嚴(yán)重的剝蝕，這種隆升帶有一定的擠壓性質(zhì)，主要表現(xiàn)為沿南側(cè)F1斷裂的反轉(zhuǎn)和褶皺變形?？拷麱1斷裂地層剝蝕嚴(yán)重的地方整個(gè)白堊系被剝蝕殆盡，且侏羅系也遭受一定的剝蝕。自始新世開始，盆地F2斷裂開始發(fā)育，且逐漸控制盆地的沉積沉降中心。F1斷裂和F2斷裂所夾持的地塊形成斷隆帶，接受較薄的地層沉積，且在旋轉(zhuǎn)隆升的過程中形成一定的剝蝕。而F2斷裂下降盤則接受了厚度較大的新生代沉積。盆地裂陷活動(dòng)一直持續(xù)到古近紀(jì)末期，新近紀(jì)盆地進(jìn)入裂后坳陷沉降發(fā)育階段。對(duì)盆地內(nèi)中生界主要勘探目的層來說，則經(jīng)歷了早期淺埋—中期隆升—后期深埋的沉積過程，這一過程對(duì)含油氣盆地的成烴、成藏均有很大影響，因此應(yīng)特別重視該盆地各項(xiàng)油氣地質(zhì)條件的匹配關(guān)系研究。

4 結(jié)論

1) 北黃海東部次盆地中新生代發(fā)育了伸展裂陷盆地、走滑伸展盆地及坳陷盆地3類性質(zhì)的原型盆地。中—晚侏羅世，表現(xiàn)單一的斷裂走向和箕狀斷陷型結(jié)構(gòu)，為伸展裂陷型盆地，是該時(shí)期區(qū)域左旋剪切應(yīng)力在盆地內(nèi)派生的NE—SW向拉張應(yīng)力作用的結(jié)果；早白堊世—晚漸新世，經(jīng)歷了早期區(qū)域左旋剪切應(yīng)力向晚期區(qū)域右旋剪切應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，盆地表現(xiàn)為箕狀斷陷結(jié)構(gòu)兼具明顯走滑張扭特征，為走滑伸展盆地；中新世—第四紀(jì)，為典型的裂后沉降型坳陷盆地。

2) 北黃海東部次盆地發(fā)育演化過程主體表現(xiàn)為由新生代受F2斷裂控制的NEE向斷陷盆地疊加在中生代受F1斷裂控制的NW向斷陷盆地之上，之后進(jìn)入裂后坳陷沉降階段；沉積沉降中心經(jīng)歷了先NW向遷移再NEE向遷移的過程。