南黃海盆地東北凹構(gòu)造特征及伸縮率研究

張?zhí)?，朱偉林，鐘鍇，付曉偉，陳春峰，高順莉

1.同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

2.同濟(jì)大學(xué)海洋資源研究中心，上海 200092

3.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335

南黃海東北凹位于南黃海盆地北部坳陷的東北部（圖1），總體呈 NEE 向展布，面積約 1.2×104km2，最大沉積厚度約10 km，是北部坳陷各凹陷中埋藏較深、面積相對較大的一個沉積凹陷，也是北部坳陷中唯一鉆遇侏羅紀(jì)地層的凹陷[1-2]。南黃海盆地東北凹僅有中海油上海分公司于2008年鉆探的1口探井（RC20-2-1），揭示了第四系——上侏羅統(tǒng)，未見油氣顯示。

圖1 南黃海盆地及鄰區(qū)構(gòu)造區(qū)劃簡圖Fig.1 Tectonic map of the South Yellow Sea Basin and its adjacent areas

目前，南黃海盆地東北凹構(gòu)造特征方面的研究相對薄弱，僅見少量地層剝蝕方面的報道[3-4]，鮮有涉及構(gòu)造演化、構(gòu)造反轉(zhuǎn)[5]、成因機制等方面的研究，也未曾開展過伸縮率等方面的定量研究工作，這在一定程度上制約著南黃海盆地東北凹的油氣勘探進(jìn)程。

本文通過選取南黃海盆地東北凹典型地震剖面，開展精細(xì)的構(gòu)造解釋，系統(tǒng)梳理東北凹的構(gòu)造樣式特征。同時，采用平衡剖面恢復(fù)技術(shù)和伸縮率計算方法，分析了東北凹各時期的伸縮率與構(gòu)造變形特征。最后，結(jié)合深部動力學(xué)背景和區(qū)域應(yīng)力場特征，探討了東北凹的構(gòu)造演化歷程，填補了南黃海盆地東北凹構(gòu)造特征研究方面的空白，為進(jìn)一步推進(jìn)南黃海盆地東北凹的油氣勘探進(jìn)程奠定了堅實的資料基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

南黃海盆地主要位于揚子板塊，是下?lián)P子板塊沿北東方向的海域延伸部分[6]。南黃海盆地的北界以千里巖隆起北斷裂與華北板塊相鄰，南界以江山-紹興斷裂與華夏板塊相接，西界以蘇北-濱海斷裂與蘇北盆地相連，東界為南黃海東緣斷裂。需要指出的是，南黃海盆地北部和南部邊界為兩期碰撞造山帶（華北-下?lián)P子板塊碰撞造山、下?lián)P子-華夏板塊拼合）的產(chǎn)物，表現(xiàn)為復(fù)雜的逆沖斷裂帶特征[7-9]；而西部和東部邊界受控于區(qū)域上晚中生代以來古太平洋板塊的多期次俯沖作用，迄今表現(xiàn)為區(qū)域性走滑斷裂的性質(zhì)[10-12]。

南黃海盆地整體具有“三隆夾兩坳”的構(gòu)造格局，從北到南依次為千里巖隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷、勿南沙隆起[13]。其中，北部坳陷共發(fā)育7個凹陷（東北凹、北凹、中凹、西凹、南凹、東凹、群山凹陷）和6個凸起（北部凸起、東二凸起、東一凸起、西部凸起、南部凸起、群山西凸起），凹陷和凸起相間分布，各構(gòu)造單元總體呈NEE-近EW向展布。東北凹位于北部坳陷東北部（圖1），其西北側(cè)為千里巖隆起，南側(cè)為北部凸起和東二凸起。

南黃海盆地東北凹自晚三疊世開始發(fā)育，接受了中、新生代巨厚的河流、湖泊相及濱淺海相沉積建造，自下而上依次為上三疊統(tǒng)（T3）、下侏羅統(tǒng)（J1）、中——上侏羅統(tǒng)（J2+3）、下白堊統(tǒng)（K1）、上白堊統(tǒng)泰州組（K2t）、古近系古新統(tǒng)阜寧組（E1f）、始新統(tǒng)戴南組（E2d）和三垛組（E2s），新近系鹽城組（N1y）及第四系東臺組（Qpdt），最大沉積厚度約 10 000 m（表1）。

東北凹構(gòu)造演化經(jīng)歷了晚侏羅世儀征運動和漸新世末三垛運動兩期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，分別以Tk40和T20角度不整合界面為代表，界面之下地層遭受顯著的擠壓、褶皺、抬升剝蝕。以兩次構(gòu)造運動為界，可以將東北凹的構(gòu)造演化大體劃分為3個階段：晚三疊世——侏羅紀(jì)的初始斷陷階段、白堊紀(jì)——漸新世的裂陷-反轉(zhuǎn)階段、新近紀(jì)——第四紀(jì)的區(qū)域沉降階段（表1）。

2 構(gòu)造樣式特征

在凹陷結(jié)構(gòu)方面，南黃海盆地東北凹主要受控于西北側(cè)、南側(cè)的鏟式同沉積斷層和東側(cè)的構(gòu)造斜坡，著重表現(xiàn)為箕狀斷陷特征；相應(yīng)地，在地層沉積厚度方面，表現(xiàn)出“西北厚、東南薄”的不對稱楔形特征。在構(gòu)造樣式方面，東北凹主要發(fā)育伸展構(gòu)造（犁式正斷層、順向斷層、反向斷層）、走滑構(gòu)造（負(fù)花狀）和反轉(zhuǎn)構(gòu)造等多種構(gòu)造組合樣式（圖2）。

2.1 伸展構(gòu)造

南黃海盆地東北凹發(fā)育的伸展構(gòu)造主要包括同沉積犁式正斷層、順向/反向斷層（圖2）。同沉積犁式正斷層也稱鏟式正斷層，其特點是隨著深度增加，斷層傾角“上陡下緩”，愈向下斷層傾角愈緩，接近于水平；斷層斷距也具有“上小下大”的特征，說明在斷層發(fā)育的早期，即東北凹形成初期，斷層活動強度最大，對沉積的控制作用也最大。順向/反向斷層是指東北凹斜坡部位發(fā)育的與斜坡傾向相同的順向正斷層和與斜坡傾向相背的反向斷層，且這些順向斷層/反向斷層具有多米諾式組合特征，剖面上呈疊瓦狀，平面上呈雁列式展布。

2.2 走滑構(gòu)造

南黃海盆地東北凹發(fā)育的走滑構(gòu)造主要為負(fù)花狀構(gòu)造。主干走滑斷層與伴生的分支斷層構(gòu)成的上寬下窄、似“花朵”狀的破裂帶稱為花狀構(gòu)造。其中，負(fù)花狀構(gòu)造是在張扭作用下產(chǎn)生的，其大多數(shù)斷層具有正斷距（圖2）。東北凹發(fā)育的負(fù)花狀構(gòu)造大多位于凹陷中央部位，主要起到局部重力及應(yīng)力調(diào)節(jié)作用。

2.3 反轉(zhuǎn)構(gòu)造

東北凹的地震剖面中可識別出兩期明顯的構(gòu)造反轉(zhuǎn)特征，以T20和Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層遭受顯著的擠壓抬升剝蝕（圖2）。其中，Tk40不整合面代表晚侏羅世儀征運動，南黃海盆地東北凹經(jīng)歷的第一次擠壓構(gòu)造反轉(zhuǎn)，界面之下的侏羅系遭受強烈擠壓抬升剝蝕，侏羅紀(jì)地層背斜形態(tài)明顯，界面上下地層呈角度不整合接觸關(guān)系。T20不整合面代表漸新世末期三垛運動，界面之下地層發(fā)生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統(tǒng)上部和漸新統(tǒng)沉積。

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圖2 南黃海盆地東北凹地震剖面特征（剖面位置見圖1）Fig.2 Characteristics of seismic sections in north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

3 平衡剖面恢復(fù)與伸縮率計算

平衡剖面技術(shù)是一種遵循幾何守恒原則而建立的地質(zhì)剖面正演與恢復(fù)方法，已成為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析與構(gòu)造變形恢復(fù)的重要手段，是構(gòu)造演化定量分析的有效方法。平衡剖面恢復(fù)主要遵循層長和面積守恒，由于研究區(qū)主要為剛性巖層，本文運用層長守恒法則繪制平衡剖面，即假定地層厚度不變，巖層在變形后的長度和初始沉積時的長度是相同的[14]。利用平衡剖面技術(shù)將現(xiàn)今的剖面進(jìn)行巖石變形和地層伸縮變形的恢復(fù)，從而得到南黃海盆地東北凹各時期的伸展和壓縮量，獲取各演化階段的構(gòu)造變形和展布特征。

假設(shè)每條地震剖面原始長度為L0，變形后長度為L1，伸展率、壓縮率=（L1-L0）/L0×100%，正值代表伸展，負(fù)值代表收縮。對選取的3條地震剖面分別恢復(fù)了晚三疊世（T3）、早侏羅世（J1）、中——晚侏羅世（J2+3）、白堊世（K）、古新世——始新世（E1+2）、漸新世（E3）等各時期的地質(zhì)剖面，得到各時期剖面的伸縮率（表2），部分平衡剖面恢復(fù)結(jié)果見圖3。

表2 南黃海盆地東北凹伸縮率計算結(jié)果Table 2 The extensional and compressional rate of north-east sag，the South Yellow Sea Basin

研究表明，南黃海盆地東北凹的伸縮率具有如下特征：

（1）晚三疊世（T3）、早侏羅世（J1）沉積時期南黃海盆地東北凹整體處于弱伸展階段，且早侏羅世（J1）沉積時期的伸展強度（伸縮率為2.6%～4.5%）總體大于晚三疊世（T3）沉積時期（伸縮率為1.8%～3.7%）（圖4），說明由晚三疊世（T3）到早侏羅世（J1），東北凹的伸展強度有逐漸增強的趨勢。同時，晚三疊世（T3）沉積時期，東北凹的中部伸縮率最大（伸縮率為3.7%），其次為南部（伸縮率為2.6%）和北部（伸縮率為1.8%），說明晚三疊世（T3）時期，東北凹中部的伸展強度最大，大于凹陷南部和北部（圖5）。早侏羅世（J1）沉積時期，東北凹的南部、中部和北部的伸縮率，具有與晚三疊世（T3）相似的規(guī)律（圖5）。

（2）中——晚侏羅世（J2+3）沉積時期，南黃海盆地東北凹整體轉(zhuǎn)為收縮階段，伸縮率為-3.2%～-7.6%（圖4），說明在中——晚侏羅世（J2+3）沉積之后東北凹經(jīng)歷了第一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，該期構(gòu)造反轉(zhuǎn)對應(yīng)于中——晚侏羅世儀征運動，在東北凹以Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯。此外，該時期東北凹北部的伸縮率（-7.6%），總體大于中部（-6.2%）和南部（-3.2%），說明該期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用強度在東北凹具有“北強南弱”的特征（圖5）。

（3）白堊世（K）、古新世——始新世（E1+2）沉積時期，南黃海盆地東北凹再次處于伸展?fàn)顟B(tài)，且古新世——始新世（E1+2）沉積時期的伸展強度（伸縮率為4.4%～7.0%）總體大于晚白堊世（K）沉積時期（伸縮率為1.5%～3.2%）（圖4），表明從白堊世（K）到古新世——始新世（E1+2），東北凹的伸展強度有逐漸增強的趨勢。同時，白堊世（K）沉積時期，東北凹南部的伸縮率（3.2%）大于北部（2.3%）和中部（1.5%）；古新世——始新世（E1+2）沉積時期，北部的伸縮率（7.0%）大于南部（5.6%）和中部（4.4%）（圖5）。

圖3 南黃海盆地東北凹構(gòu)造演化Fig.3 The tectonic evolution section of north-east sag in the South Yellow Sea Basin

圖4 南黃海盆地東北凹伸縮率時間變化趨勢（剖面位置見圖1）Fig.4 The difference of extensional - compressional rates in different tectonic evolution stages of north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

圖5 南黃海盆地東北凹伸縮率空間變化趨勢（剖面位置見圖1）Fig.5 The difference of extensional -compressional rates in different space of north-east sag，the South Yellow Sea Basin（see Fig.1 for profile location）

（4）漸新世（E3）沉積時期，東北凹發(fā)生了明顯的收縮，伸縮率為-3.0%～-5.2%（圖4），東北凹中部的伸縮率（-5.2%）略大于南部（-4.5%）和北部（-3%）（圖5）。說明在漸新統(tǒng)（E3）沉積之后，南黃海盆地東北凹經(jīng)歷了第二次構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，該期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用對應(yīng)于漸新世末三垛運動，以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發(fā)生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統(tǒng)上部和漸新統(tǒng)沉積。

南黃海盆地東北凹各時期的伸縮率變化特征剛好與東北凹的構(gòu)造演化歷程相耦合，即東北凹存在兩期伸展階段（T3-J1）和（K-E2）,伸縮率為正值，且每個伸展階段的伸縮率均是“由小到大”逐漸增強，表明伸展作用“由弱向強”過渡；而每期伸展階段的結(jié)束，均存在一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用，伸縮率為負(fù)值，代表著凹陷伸展作用向擠壓作用的調(diào)整，即南黃海東北凹具有“弱伸展→強伸展→構(gòu)造反轉(zhuǎn)”的構(gòu)造演化規(guī)律，這與中國東部各盆地（凹陷）具有相似的演化特征。

4 構(gòu)造演化特征

南黃海盆地處于古亞洲構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的核心區(qū)域，位于下?lián)P子板塊東北緣[15]，是一個中——新生界陸相沉積疊加于中——古生界海相碳酸鹽巖沉積之上的疊合盆地。南黃海盆地東北凹作為一個晚三疊世開始發(fā)育的中——新生界沉積凹陷，經(jīng)歷了中——晚侏羅世儀征運動、漸新世末三垛運動等多期構(gòu)造運動的疊加改造，且構(gòu)造運動與東北凹構(gòu)造樣式的時空展布、發(fā)育期次和成因機制之間表現(xiàn)出良好的耦合關(guān)系。其中，晚中生代以來，古太平洋板塊相對歐亞板塊的俯沖作用是控制南黃海盆地東北凹構(gòu)造、沉積演化的最關(guān)鍵因素。

4.1 初始斷陷階段（三疊紀(jì)末——侏羅紀(jì)）

三疊紀(jì)末，揚子板塊與華北板塊發(fā)生碰撞，形成秦嶺-大別-蘇魯造山帶[16-17]，徹底改變了中國東部古生代盆地的發(fā)展格局，中國東部逐漸由古亞洲構(gòu)造域轉(zhuǎn)向濱太平洋構(gòu)造域[18]。印支運動結(jié)束后，南黃海盆地東北凹開始進(jìn)入初始斷裂階段，發(fā)育了少量上三疊統(tǒng)和近2 000 m的侏羅系沉積地層[1-2]。進(jìn)入晚侏羅世，中國東部深部地球動力學(xué)背景和區(qū)域應(yīng)力場特征又發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，古太平洋板塊開始以NW向、低角度相對歐亞板塊俯沖[19]，南黃海盆地東北凹經(jīng)歷了第一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)（儀征運動），強烈的擠壓應(yīng)力作用導(dǎo)致上侏羅統(tǒng)頂界發(fā)育以Tk40為代表的角度不整合界面，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯。

4.2 裂陷-反轉(zhuǎn)階段（白堊紀(jì)——古近紀(jì)）

進(jìn)入早白堊世，古太平洋板塊俯沖角度逐漸變陡，導(dǎo)致地幔上涌、板片后撤，中國東部構(gòu)造應(yīng)力體制發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)折，由NW-SE向擠壓應(yīng)力環(huán)境轉(zhuǎn)換為區(qū)域性拉張應(yīng)力環(huán)境，此時南黃海盆地東北凹開始進(jìn)入裂陷階段，發(fā)育白堊系和古近系沉積地層。直到漸新世末，隨著古太平洋板塊俯沖速率的加大[20]，南黃海盆地東北凹經(jīng)歷了第二次構(gòu)造反轉(zhuǎn)（三垛運動），以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發(fā)生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統(tǒng)上部和漸新統(tǒng)沉積。

4.3 區(qū)域沉降階段（新近紀(jì)——第四紀(jì)）

新近紀(jì)以來，隨著海水的侵入和地殼的均衡沉降，南黃海盆地東北凹整體進(jìn)入?yún)^(qū)域沉降階段。

5 結(jié)論

（1）南黃海盆地東北凹經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動的疊加改造，在凹陷內(nèi)發(fā)育伸展構(gòu)造（犁式正斷層、順向斷層、反向斷層）、走滑構(gòu)造（負(fù)花狀）和反轉(zhuǎn)構(gòu)造等多種構(gòu)造組合樣式。

（2）東北凹經(jīng)歷兩期構(gòu)造反轉(zhuǎn)：①中——晚侏羅世沉積后，東北凹經(jīng)歷第一期構(gòu)造反轉(zhuǎn)，對應(yīng)晚侏羅世儀征運動，以Tk40角度不整合界面為代表，界面之下地層褶皺、抬升剝蝕明顯；②漸新統(tǒng)沉積后，東北凹經(jīng)歷第二期構(gòu)造反轉(zhuǎn)，對應(yīng)漸新世末三垛運動，以T20角度不整合界面為代表，界面之下地層發(fā)生明顯的隆升、剝蝕，缺失始新統(tǒng)上部和漸新統(tǒng)。

（3）平衡剖面恢復(fù)和伸縮率計算結(jié)果表明：①晚三疊世、早侏羅世，東北凹整體處于弱伸展階段，且早侏羅世伸展強度大于晚三疊世；②中——晚侏羅世，東北凹整體轉(zhuǎn)為收縮階段，對應(yīng)第一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)（儀征運動）；③白堊紀(jì)和古新世——始新世，東北凹再次處于伸展?fàn)顟B(tài)，且從白堊紀(jì)到古新世——始新世，伸展作用逐漸增強；④漸新世，東北凹再次發(fā)生明顯收縮，對應(yīng)第二次構(gòu)造反轉(zhuǎn)（三垛運動）。

（4）南黃海盆地東北凹的構(gòu)造演化與區(qū)域應(yīng)力場特征息息相關(guān)，是對“晚中生代以來，古太平洋板塊相對歐亞板塊俯沖匯聚速率和方向的改變”的局部響應(yīng)。相應(yīng)地將南黃海盆地東北凹的構(gòu)造演化大體劃分為3個階段：晚三疊世——侏羅紀(jì)的初始斷陷階段、白堊紀(jì)——古近紀(jì)的裂陷-反轉(zhuǎn)階段、新近紀(jì)——第四紀(jì)的區(qū)域沉降階段。