松遼盆地南部梨樹斷陷正斷層演化特征

鄧銘哲，左宗鑫，邱 岐，白 帆

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油物探技術(shù)研究院，南京 211103)

盆地演化的動力學機制是陸內(nèi)構(gòu)造變形重要的研究內(nèi)容之一[1-3]。松遼盆地是中國東北地區(qū)主要的斷陷—坳陷沉積盆地，鄂霍茨克洋和古太平洋板塊的先后俯沖、鄂霍茨克洋俯沖消減后的陸陸碰撞及其巖漿活動為早白堊世以來松遼盆地的形成演化提供了直接的動力來源[4-6]，多方向、不同性質(zhì)的構(gòu)造應力在盆內(nèi)留下了清晰的構(gòu)造—沉積記錄[7-11]，使之成為研究板塊構(gòu)造復合疊加背景下盆內(nèi)響應方式的良好窗口。

走滑構(gòu)造活動對松遼盆地的影響是近幾年逐步受到重視的研究方向[12-14]，而這一方向中一個非常關(guān)鍵的問題是，松遼盆地南部斷陷內(nèi)正斷層的演化過程是怎樣的，斷陷期地層沉積演化的過程受到走滑構(gòu)造活動的控制嗎？松遼盆地南部梨樹斷陷空間位置上靠近郯廬斷裂北段，多條走滑斷裂分布于斷陷內(nèi)，是松南地區(qū)走滑—伸展構(gòu)造活動研究的熱點區(qū)域[15-16]，但目前針對梨樹斷陷斷陷期正斷層結(jié)構(gòu)和演化過程的研究仍存在許多爭議，主控斷陷構(gòu)造的桑樹臺斷裂早期研究以二維地震剖面解釋為主，缺乏更加細致的分析[17-21]，有觀點認為，桑樹臺斷裂帶由蘇家屯斷裂、桑樹臺斷裂、金山斷裂組成[21]，但斷裂演化過程中是否受到走滑作用影響尚未說明，斷陷東南部秦家屯斷裂被認為是走滑作用形成的[22]，也有觀點認為秦家屯斷裂為一正斷層，但斷裂結(jié)構(gòu)、演化過程仍存在單一斷裂面正斷層[17]、雁列式排列正斷層[15-16]和正斷層后期改造[23-25]等不同認識。上述問題，一定程度上影響了梨樹斷陷伸展構(gòu)造活動乃至整個松遼盆地走滑—伸展活動模式、盆地早白堊世演化動力學機制的總結(jié)。

為解決此問題，通過開展梨樹地區(qū)1 800 km2三維地震資料的解釋，對梨樹桑樹臺斷裂、秦家屯斷裂進行了幾何學特征的研究，利用斷距統(tǒng)計方法進行了斷裂生長演化模式的解析，針對下白堊統(tǒng)火石嶺組沉積期、沙河子組沉積期斷裂的演化過程進行了總結(jié)，提出了新的認識。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地發(fā)育在東北地區(qū)多個塊體拼合形成的基底之上，內(nèi)部沉積地層以白堊系、古近系為主，主要斷裂帶的走向為北北東—南南西向和近東西向、北西—南東向(圖1a)，其中北北東—南南西向的德都—大安斷裂(F3)、青岡—乾安斷裂(F4)、四平—德惠斷裂(F6)和近南北走向的嫩江—白城斷裂(F1)均為走滑斷裂，松南地區(qū)靠近郯廬斷裂北支依蘭—伊通斷裂(F7)。

圖1 松遼盆地南部梨樹斷陷地質(zhì)背景

松遼盆地南部的白堊紀演化過程可分為早白堊世斷陷和晚白堊世拗陷2個階段，松南地區(qū)經(jīng)歷了下白堊統(tǒng)登婁庫組沉積期末和上白堊統(tǒng)嫩江組—明水組沉積期2個時期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)， 其中下白堊統(tǒng)登婁庫組沉積期末為區(qū)域斷裂帶活動自右行走滑—伸展向左行走滑—擠壓轉(zhuǎn)變，上白堊統(tǒng)嫩江組—明水組沉積期為區(qū)域構(gòu)造應力性質(zhì)由伸展向擠壓轉(zhuǎn)變。

2 梨樹斷陷主要正斷層結(jié)構(gòu)特征

2.1 桑樹臺斷裂地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

桑樹臺斷裂是梨樹斷陷的控斷陷構(gòu)造，整體呈南北走向，斷裂面東傾。在垂直于地震走向的剖面上(圖2)，桑樹臺斷層為一條鏟狀正斷層，上盤地層包括火石嶺組—泉頭組，整體呈半地塹結(jié)構(gòu)分布于上白堊統(tǒng)之下(圖2b)。桑樹臺斷裂的南段和北段均存在分支斷裂。南段的金山斷裂與桑樹臺斷裂在深部相連，傾向與桑樹臺斷裂相同，上盤地層為火石嶺組—泉頭組，各組地層在斷點部位都具有明顯的增厚現(xiàn)象。桑樹臺主斷裂面在金山斷裂西側(cè)，上盤地層為火石嶺組和泉頭組，火石嶺組地層明顯增厚(圖2a)。桑樹臺斷裂北部為蘇家屯斷裂，上盤地層包括火石嶺組—泉頭組，其中營城組、登婁庫組斷距較大，泉頭組一段斷距較小。桑樹臺斷裂上盤地層為火石嶺組—泉頭組，其中沙河子組、營城組、登婁庫組斷距較大。桑樹臺斷裂北段剖面上(圖2c)，蘇家屯斷裂和桑樹臺斷裂上盤地層具有靠近斷裂面增厚的現(xiàn)象，桑樹臺斷裂被近直立的皮家斷裂切割。

桑樹臺斷裂南段上盤地層靠近斷裂面厚度較大，遠離斷裂面厚度相對減薄，形成了類似滾動背斜的構(gòu)造樣式(圖2a)。桑樹臺斷裂中段地層靠近斷裂面增厚，地層形態(tài)整體向下彎曲，形成低幅度背斜(圖2b，c)。桑樹臺斷裂北段，斷裂控制的地層同樣具有靠近斷裂面層厚增加的特征。

圖2 松遼盆地梨樹斷陷桑樹臺斷裂地震剖面解釋方案 剖面位置見圖1b。Fig.2 Interpretation of seismic profiles of Sangshutai Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

2.2 秦家屯斷裂地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

秦家屯斷裂帶整體為一傾向南東的正斷層，自南西向北東展布，DD′剖面至GG′剖面依次自南向北排列(圖3)。

DD′剖面位于秦家屯斷裂所在區(qū)域南部，斷裂整體展布于火石嶺組—泉頭組中，斷裂面平直，斷距較小。EE′剖面上，秦家屯斷裂主要位于登婁庫組—火石嶺組中，斷裂面呈鏟狀彎曲，與上覆火石嶺組、沙河子組具有半地塹的結(jié)構(gòu)樣式，在秦家屯斷裂東南方向，還存在一條與其類似的控火石嶺組、沙河子組沉積的鏟狀正斷層。FF′剖面走向為南南東—北北西，秦家屯斷裂的基本特點與EE′剖面一致，此處從秦家屯斷裂上部端點發(fā)育分斷裂，成為秦家屯北支斷裂，斷裂端點附近地層彎曲，具有背斜形態(tài)。GG′剖面與FF′剖面平行。剖面中，秦家屯斷裂北支的規(guī)模較大，仍與秦家屯斷裂相連，上覆地層同樣形成背斜，秦家屯斷裂為控制火石嶺組—沙河子組沉積的鏟狀正斷層。

800 ms相干切片上(圖4a)，秦家屯斷裂不可見；1 200 ms深度上可見秦家屯斷裂的兩端出露(圖4b)；在1 600 ms深度上(圖4c)，秦家屯斷裂平面上為一向北西方向凸出的弧形，其南西端向南延伸，其北東端向北東方向延伸；在2 000 ms深度上(圖4d)，南端延伸方向變?yōu)槟夏蠔|向，北端延伸方向變?yōu)檎龞|向。秦家屯北支斷裂自秦家屯斷裂主斷裂面向北東方向延伸，整體埋藏較淺(圖4c)。剖面中與秦家屯斷裂同樣具有控火石嶺組沉積作用的正斷層，在平面上也具有與秦家屯斷裂相似的形態(tài)特征，整體表現(xiàn)為向北西側(cè)凸出的弧形。

圖3 松遼盆地梨樹斷陷秦家屯斷裂地震解釋方案 剖面位置見圖1b。Fig.3 Interpretation of seismic profiles of Qinjiatun Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

圖4 松遼盆地梨樹斷陷秦家屯斷裂在不同深度的平面展布形態(tài) 切片范圍見圖1b。Fig.4 Distribution patterns of Qinjiatun Fault at different time depths, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

秦家屯斷裂剖面上以鏟狀形態(tài)為主，平面上以弧形形態(tài)為主，其結(jié)構(gòu)屬于較為典型的正斷層結(jié)構(gòu)。

3 斷距統(tǒng)計與斷層生長過程分析

斷距統(tǒng)計是進行正斷層生長過程分析的最有效方法[27-28]。前人研究表明[29-31]，典型正斷層的生長過程可分為兩種主要的模式。在第一種模式中，初期小規(guī)模正斷層以相對獨立的方式生長，相互之間不產(chǎn)生影響。斷裂生長主要以平面上斷層沿走向延伸；剖面上斷裂面形成后，上盤向下滑動，斷裂不向上、向下生長。在斷距水平投影上為一完整的弧形形態(tài)；在斷距垂向投影圖上，各數(shù)據(jù)點連接形成單斜直線。第二種模式中，蓋層中的小規(guī)模正斷層與基底中的大規(guī)模正斷層在伸展作用過程中同時開始延伸，最終連接形成規(guī)模更大、結(jié)構(gòu)更為復雜的正斷層。斷裂在水平方向上的延伸較弱，在垂直方向上延伸較強，向上、向下的生長作用強烈。在斷距水平投影上，小規(guī)模正斷層斷距投影形成的上凸弧形相互疊置，基底斷裂斷距投影形成的弧形中部發(fā)育“平頂”；在斷距垂向投影上，當斷裂各層斷距按地層沉積順序自下而上排列時，各數(shù)據(jù)點連接形成上凸弧形。

3.1 桑樹臺斷裂斷距分析及斷裂生長模式

沿南北方向，在三維地震數(shù)據(jù)中以20道(500 m)為間隔，統(tǒng)計了桑樹臺斷裂上盤、下盤間對應地層底界之間水平斷距和垂直斷距。根據(jù)斷距統(tǒng)計結(jié)果和斷距統(tǒng)計曲線形態(tài)的差異，將line320至line880的部分劃分為桑樹臺斷裂的南段，將line880至line2160的部分劃分為中段，將line2160至line2440的部分劃分為北段(圖5A)。

桑樹臺斷裂各地層斷距的水平投影具有完整的上凸弧形形態(tài)，弧頂位于斷裂中段，具有類似“平頂”的特征。桑樹臺斷裂南段上盤各個層位的斷距均較小，在斷距水平投影圖上，各地層斷距自南向北逐漸增加，但變化幅度有限，其中火石嶺組和沙河子組的斷距較為接近(圖5A(1)、(2))，斷裂上盤火石嶺組的斷距在局部小于沙河子組斷距(圖5A(3))。自南向北，桑樹臺斷裂中段斷距水平投影曲線從近平直斜線過渡為整體呈向上凸出的弧形，弧形的中部局部向下凹(圖5A(4)、(5)、(6))。在這一范圍內(nèi)，桑樹臺斷裂上盤各個層位的斷距都較大，相對line320至line880間斷距有明顯的增加，火石嶺組與沙河子組間的斷距仍較為接近，但整體保持了火石嶺組斷距大于沙河子斷距的特征。中段南部火石嶺組和沙河子組斷距略大于中段北部。line2160上，營城組、登婁庫組的斷距明顯增加，在斷距水平投影圖上形成局部明顯上凸的形態(tài)(圖5A(7))。桑樹臺北段，斷裂斷距整體減小，局部營城組、沙河子組斷距大于火石嶺組斷距(圖5A(9))。

圖5 松遼盆地梨樹斷陷桑樹臺斷裂斷距統(tǒng)計(A)與斷距垂向投影和生長模式(B)Fig.5 Fault distance statistics (A) and vertical projection and growth mode (B) of Sangshutai Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

3.2 秦家屯斷裂斷距分析及斷裂生長模式

除桑樹臺斷裂外，梨樹斷陷火石嶺組—沙河子組內(nèi)存在多條呈北東—南西走向的弧形正斷層，這些斷裂主要集中于斷陷東南部，其中以秦家屯斷裂規(guī)模最大、最具有代表性。秦家屯斷裂的斷距統(tǒng)計方法與桑樹臺斷裂相同，由于秦家屯北支斷裂不具有明顯的控沉積特征，因此不統(tǒng)計此條斷裂的斷距。根據(jù)斷距統(tǒng)計結(jié)果和斷距投影形態(tài)，將秦家屯斷裂分為自line960至line1200的A段、line1200至line1820的B段和line1820至line 2160 的C段。其中，A段整體走向為北北東—南南西向，B段line1200至line1500與C段line1940至line2160走向與A段相同，其余部分為北東—南西走向。

如圖6A所示，秦家屯斷裂A段內(nèi)的水平斷距(H)和垂直斷距(t)均較??；在斷距水平投影圖中，B段內(nèi)，秦家屯斷裂上盤火石嶺組、沙河子組的斷距相對較大；C段內(nèi)，火石嶺組底界的斷距較大。泉頭組、登婁庫組、營城組在秦家屯斷裂內(nèi)分布較少，主要分在斷裂A段、B段。秦家屯斷裂主要沉積的地層為火石嶺組、沙河子組，斷距水平投影圖在斷裂A段、B段、C段內(nèi)均形成了相對完整的弧形形態(tài)，各弧形相互疊置。

斷距統(tǒng)計結(jié)果表明，秦家屯斷裂的演化過程存在多種不同的模式，水平方向上斷裂規(guī)模的擴展和淺部、深部斷裂相互連接是斷裂形成的主要過程。A段、C段主要為早期斷裂端點向上、向下延伸(圖6B-a)。B段的正斷層生長模式較為復雜，第一種淺部一條端點向上、向下延伸的正斷層與深部一條端點向下生長的正斷層相連(圖6B-b)；第二種淺部、深部各存在一條端點向上、向下生長的正斷層，隨著斷層生長，最終兩條斷裂連接形成一條斷層(圖6B-c)；第三種與A段生長模式相同(圖6B-d)；第四種淺部正斷層向下生長，與深部沿端點向上、向下生長的斷裂相連(圖6B-e)。B段向C段的過渡區(qū)域，斷裂的生長演化模式與C段相同(圖6B-f)。

3.3 斷裂演化過程對比及其地質(zhì)意義

桑樹臺斷裂的演化過程是梨樹斷陷早白堊世伸展斷陷過程的縮影，秦家屯斷裂則代表了梨樹斷陷內(nèi)控制地層局部沉積的其他正斷層。對比兩者的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生長過程，能夠細化對梨樹斷陷伸展過程的認識。

在斷裂規(guī)模上，桑樹臺斷裂遠大于秦家屯斷裂，在斷裂演化初期，桑樹臺斷裂就已經(jīng)奠定了現(xiàn)今斷裂的基本格局，秦家屯斷裂則是在演化過程中逐步擴展形成了現(xiàn)今的斷裂形態(tài)。在斷裂演化模式上，桑樹臺斷裂雖然存在多種演化模式，但是整體以單一斷裂面向上、向下延伸為主，水平方向的生長較少；秦家屯斷裂各部分的斷裂演化模式則以水平方向上生長和垂向上不同斷裂生長后相連通作用為主。顯然，秦家屯斷裂較小的規(guī)模使得其更容易受到構(gòu)造活動的影響，形成了垂向上多段式的連接演化過程。桑樹臺斷裂的斷距水平投影圖整體呈中間斷距大、發(fā)育“平頂”的上凸弧形，各部位斷距變化過程連貫，地層沉積中心沒有明顯改變；秦家屯斷裂不同時期的斷距水平投影圖形態(tài)明顯不同，反映出沉積中心發(fā)生了劇烈變化。秦家屯斷裂B段南部主要控制沙河子組沉積，北部主要控制火石嶺組沉積；C段主要控制火石嶺組的沉積，控沙河子組沉積的作用較B段南部更弱(圖6)。由于B、C段具有不同的走向，不同時期地層的斷距變化表明不同地層沉積期正斷層的伸展方向發(fā)生了改變，即從火石嶺組沉積期北東東—南西西向的伸展，轉(zhuǎn)變?yōu)樯澈幼咏M沉積期近南東—北西方向的伸展。

圖6 松遼盆地秦家屯斷裂斷距統(tǒng)計(A)與斷距垂向投影和生長模式(B)Fig.6 Fault distance statistics (A) and vertical projection and growth mode (B) of Qinjiatun Fault, Lishu Fault Depression, Songliao Basin

梨樹斷陷內(nèi)早白堊世早期正斷層的活動方式可以總結(jié)為：火石嶺組沉積期，桑樹臺斷裂中段、秦家屯斷裂在近東西方向的伸展作用下，形成了桑樹臺中段南北向、秦家屯斷裂A段、C段北北東—南南西走向的斷裂形態(tài)，B段南部也逐步形成；沙河子組沉積期，桑樹臺斷裂繼續(xù)演化，區(qū)域的伸展方向發(fā)生了調(diào)整，形成了B段北部北東—南西走向的斷裂面，主控了沙河子組沉積，桑樹臺斷裂由于自身規(guī)模較大，主斷裂面形態(tài)已經(jīng)固定，并未受到明顯影響，在北段、南段局部形成了沙河子組斷距大于火石嶺組斷距的現(xiàn)象。

東北地區(qū)發(fā)育多條走滑斷裂，其中德惠—四平斷裂、依蘭—伊通斷裂與梨樹斷陷空間上較為接近。前人研究表明，德惠—四平斷裂和依蘭—伊通斷裂在早白堊世以左行走滑為主要活動模式[32-33]。對梨樹斷陷內(nèi)的正斷層而言，伸展方向從北東東—南西西變?yōu)榻蠔|—北西，屬于逆時針變化，與梨樹斷陷處于左行走滑斷裂帶左側(cè)區(qū)域內(nèi)的應力場有關(guān)。

因此，可以認為區(qū)域上的走滑作用對梨樹斷陷內(nèi)正斷層的活動產(chǎn)生了影響，但主要表現(xiàn)為伸展方向的調(diào)整，不形成新的走滑構(gòu)造。

4 結(jié)論

(1)松遼盆地南部梨樹斷陷桑樹臺斷裂演化過程以垂向上單一斷裂面向下延伸為主，受近東西向伸展構(gòu)造應力控制，基本未受到后期伸展方向調(diào)整的影響，斷裂初始形成時規(guī)模較大是桑樹臺斷裂受伸展方向調(diào)整影響較小的原因。

(2)秦家屯斷裂演化過程以水平方向上延伸和垂向上不同斷裂面相互延伸—連接的方式為主，火石嶺組沉積期受北東東—南西西伸展方向控制，沙河子組沉積期受北東—南西伸展方向控制。

(3)桑樹臺斷裂、秦家屯斷裂在斷裂規(guī)模、生長模式和受區(qū)域伸展方向調(diào)整的影響程度上存在較大不同。梨樹斷陷早白堊世早期伸展活動受走滑作用影響，發(fā)生了伸展方向的調(diào)整。