南堡凹陷構(gòu)造變形與構(gòu)造樣式

南堡坍塌位于中國(guó)北方克拉通的東北部。燕山褶皺帶的南緣。它是渤海盆地北部的三個(gè)負(fù)向構(gòu)造單元。這是黃巖東北部的一個(gè)富烴凹陷。油氣資源極其豐富（周海敏等，2000、2001、2004、2005）。北以西南莊斷層與老王莊凸起、西南莊凸起相接;南以斜坡或斷階帶與沙壘田凸起相連;東與柏各莊斷層與柏各莊凸起、馬頭營(yíng)凸起及石臼坨凹陷相鄰;西以澗南-新港潛山與北塘凹陷相隔(圖1)。南堡凹陷斷層非常發(fā)育,已有的研究和勘探實(shí)踐表明,凹陷內(nèi)沉積物的充填、沉積層序的發(fā)育和分布、火山巖的發(fā)育和分布、油氣藏的形成和演化(包括圈閉的形成及有效性、油氣運(yùn)移、聚集和成藏等)等都與斷層的分布和活動(dòng)密切相關(guān)(董月霞等,2000;周海民等,2000,2001;王家豪等,2002;徐安娜等,2006;姜華等,2009;馬乾等,2011;范柏江等,2011)。另外三維地震資料已覆蓋整個(gè)凹陷,而且資料品質(zhì)優(yōu)良,可以為構(gòu)造精細(xì)解釋提供可靠的資料保障。因此,斷裂系統(tǒng)和構(gòu)造樣式研究不僅可以為南堡凹陷進(jìn)一步的油氣勘探服務(wù),同時(shí)也為斷裂系統(tǒng)研究的理論探索提供了條件。南堡凹陷斷裂系統(tǒng)和構(gòu)造樣式研究前人已作了一些研究,周海民等(2000,2001)認(rèn)為南堡凹陷屬于拉分伸展型凹陷,由北西—南東向伸展加上北西向柏各莊斷層的左行走滑而成;徐安娜等(2006)則認(rèn)為屬于復(fù)雜走滑-伸展型斷陷,其形成受到4條北北東向右旋走滑斷層帶控制;石振榮等(2000)甚至認(rèn)為是長(zhǎng)期兼有走滑作用的伸展機(jī)制和短期擠壓機(jī)制交替變化而成的凹陷,周天偉等(2009)認(rèn)為南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)是南北向伸展作用的結(jié)果。前3種觀點(diǎn)認(rèn)為南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)的成因都涉及與走滑作用相關(guān),但其斷層的分布和活動(dòng)難以用統(tǒng)一的應(yīng)力場(chǎng)加以解釋,如徐安娜等(2006)的右旋走滑斷層控制的模型與4號(hào)構(gòu)造帶的斷層組合樣式相矛盾;周天偉等(2009)的南北向伸展模型可以基本合理地解釋淺層(E3d及以上反射層)斷裂系統(tǒng)的成因機(jī)制,但難以解釋深層(E2s3)斷層的分布和活動(dòng)(地震資料揭示北東向的斷層強(qiáng)烈活動(dòng),對(duì)沉積起控制作用,E3d以后活動(dòng)不明顯,而近東西、北東東向斷層對(duì)沒(méi)有控制作用,表明是后期活動(dòng)的)。對(duì)斷裂系統(tǒng)成因的認(rèn)識(shí)歸納起來(lái)至少存在以下幾方面的問(wèn)題:(1)南堡凹陷伸展構(gòu)造和走滑構(gòu)造的作用和關(guān)系存在爭(zhēng)議;(2)不同構(gòu)造樣式的性質(zhì)和分布規(guī)律沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí);(3)對(duì)斷裂系統(tǒng)(包括斷裂系統(tǒng)的劃分、分布規(guī)律和成因機(jī)制)缺乏系統(tǒng)的研究。本論文針對(duì)上述問(wèn)題,在新完成的南堡凹陷三維聯(lián)片地震資料系統(tǒng)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上,應(yīng)用先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式(童亨茂等,2009;Tongetal.,2010,2011;童亨茂,2011;2012),通過(guò)斷層分布特征和活動(dòng)的定量分析,結(jié)合構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)成果,提出南堡凹陷兩期伸展(E2s3期間為北西—南東方向伸展;E2s1以來(lái)為南北方向伸展)的構(gòu)造作用模式,它可以系統(tǒng)合理地解釋南堡凹陷復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的形成演化,并首次在渤海灣盆地區(qū)內(nèi)確定了應(yīng)力體制轉(zhuǎn)化的時(shí)間點(diǎn)。預(yù)期該認(rèn)識(shí)可以推廣到整個(gè)渤海灣盆地。1氣成與斷層研究現(xiàn)代伸展構(gòu)造的研究成果和物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,裂陷盆地內(nèi)主控?cái)鄬拥膸缀涡螒B(tài)和活動(dòng)性質(zhì)對(duì)盆地的形成和演化、沉積物充填和油氣成藏有重要的控制作用(周建勛等,1999;陸克政,2001;Dooleyetal.,2003;漆家福等,2006)。南堡凹陷主控?cái)鄬影ā翱匕肌钡奈髂锨f斷層、柏各莊斷層、高柳斷層,“控帶”的南堡斷層(1號(hào)斷層)、蛤坨斷層(4號(hào)斷層),以及5號(hào)斷層(圖2)。由于沙北斷層(凹陷南部的邊界斷層)在三維工區(qū)以外,本文不詳細(xì)闡述。1.1剖面形態(tài)及活動(dòng)特征西南莊斷層為南堡凹陷西北側(cè)及北側(cè)邊界,為南堡凹陷與澗南潛山、老王莊凸起、西南莊凸起構(gòu)造帶的分隔性斷裂,長(zhǎng)約58km,是凹陷的主控邊界斷裂(圖2),控制凹陷的形成和演化;同時(shí)也是北堡-老爺廟構(gòu)造帶的主控?cái)鄬?并對(duì)南堡1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)構(gòu)造帶起輔助的控制作用。西南莊斷層是一大型的長(zhǎng)期活動(dòng)的生長(zhǎng)正斷層,剖面形態(tài)表現(xiàn)為鏟式或坡坪式。受西南莊斷層控制的區(qū)域,南堡凹陷總體呈“北斷南超”的復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu)(圖3)。西南莊斷層具有顯著的分段性。根據(jù)走向和活動(dòng)性的差異,西南莊斷層可以劃分為4段:西段(X西),中西段(X中西),中東段(X中東),北東段(X北東),分段點(diǎn)正是高柳斷層、1-1號(hào)斷層和5號(hào)斷層與其的連接點(diǎn)(圖2),西段可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)亞段(X西a和X西b)。不同段落的斷層走向、性質(zhì)和活動(dòng)存在顯著的差異:西段(老爺廟構(gòu)造以西)為北東東(X西a亞段)和近東西向(X西b亞段),古近紀(jì)的活動(dòng)量相對(duì)較小,從西向東逐漸增大(圖4a);中西段近東西走向,活動(dòng)量在西南莊斷層中是最大的,斷層最大剖面滑距達(dá)到近12000m(圖4a);中東段北東走向,活動(dòng)量?jī)H次于中西段;北東段北北東走向,古近紀(jì)E2s3到E3d3期間活動(dòng),E3d1—E3d2期間沒(méi)有活動(dòng),活動(dòng)量總體也比較小(圖4a)。新近紀(jì)以來(lái),西南莊斷層不同段落的活動(dòng)性也存在一定的差異,但其差異比古近紀(jì)要小很多。1.2凹陷結(jié)構(gòu)與活動(dòng)量柏各莊斷裂為南堡凹陷與東部的柏各莊凸起、馬頭營(yíng)凸起及石臼坨凸起的分隔性斷裂,全長(zhǎng)約60km,北西走向,是凹陷東北側(cè)的主控邊界斷層,剖面形態(tài)表現(xiàn)主要為平板式。柏各莊斷層控制的區(qū)域,凹陷結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為復(fù)式地塹結(jié)構(gòu)(圖5)。根據(jù)斷層活動(dòng)量的差異以及斷層平剖面組合的變化,以高柳斷層為界,柏各莊斷層可以劃分為兩段:西北段(B西北)和東南段(B東南)。西北段和東南段雖然走向均為北西向,但活動(dòng)性存在很大的差異(圖4b):西北段E3d1-2期間沒(méi)有活動(dòng),E2s3—E3d3期間活動(dòng)量也比較小;東南段長(zhǎng)期活動(dòng),活動(dòng)量很大,(斷層最大剖面滑距達(dá)到近9000m),僅次于西南莊斷層。柏各莊斷層是在先存深大斷裂(周海民等,2000,2001)的基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的,從斷層的平面組合特征分析,具有顯著左旋走滑分量。1.3“控帶斷層”的形成和發(fā)展高柳斷層是凹陷內(nèi)連接西南莊斷層和柏各莊斷層的一條大型生長(zhǎng)正斷層,是高柳構(gòu)造帶的主控?cái)鄬?剖面形態(tài)為坡坪式或鏟式。根據(jù)斷層的走向和活動(dòng)性,高柳斷層可以劃分為兩段:西段(G西)和東段(G東)。西段北西西走向,E2s3期間有活動(dòng)(圖6a,圖2),E3s1以來(lái)強(qiáng)烈活動(dòng);東段東西走向,E2s3期間沒(méi)有活動(dòng)(不存在),E3s1以來(lái)形成并強(qiáng)烈活動(dòng)(圖6a,圖2)。前人都把高柳斷層作為凹陷內(nèi)的二級(jí)斷層(即“控帶斷層”,周海民等,2000,2001;徐安娜等,2006),但根據(jù)本文的研究,高柳斷層在地史期間斷層的性質(zhì)是發(fā)生變化的。南堡凹陷高柳斷層以北缺少E3d1—E3d2地層,在此期間,西南莊斷層北東段(X北東)和柏各莊斷層的西北段(B西北)沒(méi)有活動(dòng),高柳斷層是此期間的凹陷的主控邊界斷層(圖7);另外,高柳斷層?xùn)|段在E2s3并不存在(圖2)。這樣,高柳斷層在E3s1—E3d3期間是一條控制高柳構(gòu)造帶的二級(jí)斷層,但E3d1—E3d2期間,高柳斷層在該地段取代西南莊斷層和柏各莊斷層,與西南莊斷層中東段一起成為凹陷的邊界主控?cái)鄬?。高柳斷層西段在E2s3期間則是一條變換斷層(圖2)。高柳斷層的活動(dòng)強(qiáng)度和西南莊斷層和柏各莊斷層是同一量級(jí)(斷層最大剖面滑距達(dá)到6600m,圖4c),活動(dòng)強(qiáng)度總體從西向東不斷減小。1.4東緣期次活動(dòng)的斷層系統(tǒng)南堡斷層(1號(hào)斷層)和蛤坨斷層(4號(hào)斷層)分別是南堡1號(hào)和4號(hào)構(gòu)造帶的主控?cái)鄬?是凹陷內(nèi)2條主要的二級(jí)斷層。1號(hào)斷層北東走向,從生長(zhǎng)指數(shù)看,1號(hào)斷層主要在沙河街組沉積期間活動(dòng),對(duì)沙河街組的沉積有明顯的控制作用,斷距從西南向北東方向逐漸減小(圖6b,圖4d);E3d—N1g沉積期間,除西段在E3d3—E3d2期間有一定的活動(dòng)性外,其他幾乎沒(méi)有活動(dòng);N2m期間,除1號(hào)斷層主斷層有顯著活動(dòng)外,還發(fā)育大量的分支斷層,這些斷層在剖面上構(gòu)成復(fù)式“Y”形構(gòu)造(圖3),在平面組成梳狀構(gòu)造(圖7,圖8中的南堡1號(hào)子斷裂系統(tǒng))。4號(hào)斷層北西走向,與柏各莊斷層平行,這是南堡凹陷僅有的一條北西走向的二級(jí)斷層。4號(hào)斷層在E2s3期間有一定的活動(dòng),E3d(特別是E3d3)期間強(qiáng)烈活動(dòng),在N1g期間活動(dòng)基本停止后,N2m以來(lái)再次強(qiáng)烈活動(dòng)(圖6c,圖4e)。E3d—N2m期間,除4號(hào)斷層主斷層有顯著活動(dòng)外,還發(fā)育大量的分支斷層,這些斷層在剖面上構(gòu)成復(fù)式“Y”形構(gòu)造(圖9),在平面組成掃帚狀構(gòu)造(圖7,圖8中的南堡4號(hào)子的斷裂系統(tǒng))。根據(jù)斷層的平面組合特征,1號(hào)斷層和4號(hào)斷層分別具有顯著的右旋和左旋活動(dòng)分量,是典型的扭張性斷層。2南堡凹陷地質(zhì)樣式通過(guò)對(duì)南堡凹陷三維聯(lián)片地震資料系統(tǒng)的構(gòu)造解析,并結(jié)合剖面和剖面的砂箱模擬實(shí)驗(yàn)成果和現(xiàn)代伸展構(gòu)造理論,確定南堡凹陷是典型的斜向伸展構(gòu)造樣式,其中受鏟式和(或)坡坪式邊界正斷層及盆內(nèi)基底先存斷裂聯(lián)合控制的復(fù)式“Y”形樣式是南堡凹陷基本的剖面構(gòu)造樣式,其次是復(fù)式“X”形、“多米諾式”斷塊構(gòu)造、“階梯式”斷塊構(gòu)造、和“鏟式扇”斷塊構(gòu)造樣式,并且這些構(gòu)造樣式分布具有明顯的規(guī)律。2.1臥式“y”形樣式特征及構(gòu)造控制策略復(fù)式“Y”形樣式是南堡凹陷基本的剖面構(gòu)造樣式,十分典型。該樣式分布的地區(qū)最廣,除柏各莊斷層構(gòu)造帶外,復(fù)式“Y”形樣式滲透到南堡凹陷所有構(gòu)造帶中,其中北堡-老爺廟構(gòu)造帶、南堡1號(hào)、4號(hào)構(gòu)造中復(fù)式“Y”形樣式占絕對(duì)的主導(dǎo)地位;南堡2號(hào)和3號(hào)構(gòu)造中復(fù)式“Y”形樣式占主體(還發(fā)育復(fù)式“X”形樣式和“多米諾式”斷塊構(gòu)造);高柳斷層帶發(fā)育復(fù)式“Y”形樣式,但不占主體(以發(fā)育“階梯式”斷塊構(gòu)造、和“鏟式扇”斷塊構(gòu)造樣式為主)。根據(jù)本文的研究總結(jié),復(fù)式“Y”形樣式具有以下特征:(1)分支斷層向下逐級(jí)搭接收斂到主斷層上,剖面上構(gòu)成復(fù)雜的“Y”形(圖5的南堡3號(hào)構(gòu)造);(2)在復(fù)式“Y”形樣式發(fā)育的范圍內(nèi),伸展量從上到下不斷減小;(3)隨著反傾斷層的搭接,主斷層位移可以表現(xiàn)為上大下小(向下位移甚至可能消失,如圖3的南堡斷層)的特征;(4)容易形成復(fù)式斷背斜構(gòu)造,對(duì)圈閉的形成比較有利。根據(jù)現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論和物理模擬實(shí)驗(yàn)成果,“Y”形樣式是滾動(dòng)塌陷成因的(McClay,1990;周建勛等,1999;Dooleyetal.,2003),其復(fù)雜程度與地層滾動(dòng)程度(塌陷根部和頂部伸展量的差異)、塌陷規(guī)模和演化歷史相關(guān)。根據(jù)塌陷的成因,南堡凹陷的復(fù)式“Y”形樣式分為3個(gè)類型:(1)鏟式邊界斷層控制型,以北堡構(gòu)造為代表;(2)坡坪式邊界斷層控制型,以老爺廟構(gòu)造為代表;(3)鏟式或坡坪式邊界斷層與凹陷內(nèi)二級(jí)斷層聯(lián)合控制型,以南堡1號(hào)構(gòu)造和4號(hào)構(gòu)造為代表(圖3,圖5,圖9)。2.2“x”形的局部區(qū)域“X”形樣式是共軛正斷層控制的、下部壘塊隆升和上部塌陷成對(duì)出現(xiàn)的構(gòu)造樣式。南堡凹陷的“X”形樣式分布在南堡1~3號(hào)構(gòu)造帶的局部區(qū)域(圖2的南堡1號(hào)構(gòu)造),表現(xiàn)為復(fù)式“X”形樣式。通過(guò)對(duì)比分析,南堡2號(hào)和3號(hào)構(gòu)造復(fù)雜的斷層組合是滾動(dòng)塌陷和基底隆升塌陷聯(lián)合作用的結(jié)果,即是復(fù)式“Y”形和“X”形樣式的復(fù)合體。2.3“階梯式”斷層的形態(tài)“多米諾式”和“階梯式”均是剖面平行排列的正斷層組合,它們之間的最大區(qū)別是斷層在活動(dòng)過(guò)程中有沒(méi)有顯著的旋轉(zhuǎn),另外“多米諾式”是平面式斷層,而“階梯式”斷層的形態(tài)多是鏟式。“階梯式”和“鏟式扇”的區(qū)別是后者斷層向下收斂到一條主斷層上?！半A梯式”和“鏟式扇”斷塊構(gòu)造樣式主要在高柳斷層帶和柏各莊斷層帶發(fā)育(圖5的柏各莊斷層帶),“多米諾式”斷塊構(gòu)造則主要在南堡1號(hào)~4號(hào)構(gòu)造帶以南的斜坡上發(fā)育(圖3的南部斜坡)。3斷裂體系劃分?jǐn)嗔严到y(tǒng)是一套在有成生聯(lián)系的斷層系列。根據(jù)斷層的成因和組合規(guī)律,本文把南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)平面上劃分為4個(gè)斷裂系統(tǒng),分別為:北堡-老爺廟斷裂系統(tǒng),高柳斷裂系統(tǒng),柏各莊斷裂系統(tǒng)和南堡斷裂系統(tǒng),其中南堡斷裂系統(tǒng)和高柳斷裂系統(tǒng)進(jìn)一步分別可以劃分為3個(gè)和2個(gè)子斷裂系統(tǒng)(圖7,圖8);縱向上劃分為上下兩套斷裂系統(tǒng):下部E2s3斷裂系統(tǒng),上部E3d—Q斷裂系統(tǒng),E3s1-2為上下兩個(gè)斷裂系統(tǒng)的過(guò)渡層。下面分別從橫向和縱向闡述上述各斷裂系統(tǒng)的特征和演化。3.1構(gòu)造演化階段下面分別從斷層的走向、組合特征、性質(zhì)和成因機(jī)制和演化等方面來(lái)闡述橫向上的4個(gè)斷裂系統(tǒng)。(1)北堡-老爺廟斷裂系統(tǒng):主要由北堡構(gòu)造和老爺廟構(gòu)造的斷層組成,其斷層走向在不同的反射層中均以北東東為主(圖10),以平行交織狀的組合為特征。這一斷裂系統(tǒng)中的所有斷層都是在西南莊斷層和5號(hào)斷層的直接控制下形成的、滾動(dòng)塌陷構(gòu)造的各級(jí)分支斷層(剖面上為復(fù)式“Y”形樣式),斷層分布和組合的細(xì)微差異主要是由西南莊斷層剖面幾何形態(tài)和走向的差異造成的,斷層性質(zhì)主要是鏟式正斷層。從不同反射層斷層的斷距分布特征和滾動(dòng)背斜的形成演化(滾動(dòng)背斜從東營(yíng)期開(kāi)始形成)可以確定,該斷裂系統(tǒng)中的斷層主要在東營(yíng)期開(kāi)始發(fā)育,N1g期間活動(dòng)較弱或沒(méi)有活動(dòng),N2m以來(lái)強(qiáng)烈活動(dòng)。(2)高柳斷裂系統(tǒng):由高柳構(gòu)造帶的斷層組成,高柳斷層是該斷裂系統(tǒng)的主控?cái)鄬?系統(tǒng)內(nèi)的斷層均是由高柳斷層控制或派生形成的。根據(jù)斷層組合特征和剖面構(gòu)造樣式的差異,從東到西進(jìn)一步可以劃分為2個(gè)子斷裂系統(tǒng),分別為高柳西子斷裂系統(tǒng),高柳東子斷裂系統(tǒng)。高柳西子斷裂系統(tǒng)主斷層(高柳斷層西段)的走向?yàn)楸蔽飨?次級(jí)斷層近東西走向(圖10),次級(jí)斷層以平行和平行交織狀組合為特征,剖面以發(fā)育以高柳斷層為主斷層的“鏟式扇”斷塊構(gòu)造樣式為特征。高柳東子斷裂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,以高柳斷層為主體、走向近東西、平行組合為特征,發(fā)育小型復(fù)式“Y”形樣式。高柳斷裂系統(tǒng)的主斷層是長(zhǎng)期發(fā)育的斷層,而分支斷層是在不同演化階段(E3s1、E3d、N2m)逐漸形成的,導(dǎo)致不同反射層斷層的走向出現(xiàn)一定的差異(圖10)。柏各莊斷裂系統(tǒng)是整個(gè)凹陷相對(duì)最為簡(jiǎn)單的斷裂系統(tǒng),斷層組合以“梳狀”為特征,柏各莊主斷層北西走向,分支斷層北東東走向(圖10),剖面發(fā)育“鏟式扇”構(gòu)造樣式。其中主斷層是長(zhǎng)期活動(dòng)的斷層,分支斷層活動(dòng)時(shí)期主要是N2m以來(lái)。(3)南堡斷裂系統(tǒng):由南堡1號(hào)~4號(hào)構(gòu)造帶的斷層組成,根據(jù)斷層組合特征和剖面構(gòu)造樣式的差異,總體是在南堡斷層和蛤坨斷層構(gòu)成的“人”字形先存斷裂格架,以及2號(hào)、3號(hào)斷層的聯(lián)合控制下,在斜向伸展作用中形成的。該斷裂系統(tǒng)從東到西可以進(jìn)一步劃分為3個(gè)子斷裂系統(tǒng),分別為南堡1號(hào)子斷裂系統(tǒng),南堡2~3號(hào)子斷裂系統(tǒng)和南堡4號(hào)子斷裂系統(tǒng)。南堡1號(hào)子斷裂系統(tǒng)的斷層以“帚狀”組合為特征,南堡斷層是該斷裂系統(tǒng)的主控?cái)鄬?構(gòu)成“帚把”,其分支斷層都向西收斂到南堡斷層上。主斷層為北東走向,分支斷層北東東或近東西走向。南堡2~3號(hào)子斷裂系統(tǒng)的斷層主要為北東東走向,以平行或平行交織狀組合為特征。南堡4號(hào)子斷裂系統(tǒng)的斷層也以“帚狀”組合為特征,蛤坨斷層是該子斷裂系統(tǒng)的主控?cái)鄬?構(gòu)成“帚把”,其分支斷層都向東收斂到蛤坨斷層。主斷層北西走向,分支斷層北西西、近東西或北東東走向(圖10)。3.2上、下構(gòu)造變形系統(tǒng)的相互關(guān)系(1)上部斷裂系統(tǒng):主要在E3s1、E3d、N1g和N2m的地層發(fā)育。上部斷裂系統(tǒng)6個(gè)反射層(E3s1、E3d3、E3d2、E3d1、N1g和N2m)中斷層的方向(圖11)、斷層的組合和延伸特征(圖7和圖8)上下均表現(xiàn)出很好的一致性,并且大多數(shù)斷層現(xiàn)今還在活動(dòng),為活動(dòng)斷層(圖12)。表明E3s1以來(lái),南堡凹陷的構(gòu)造應(yīng)力體制沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。(2)下部斷裂系統(tǒng):主要在E2s3發(fā)育。與上部斷裂系統(tǒng)相比,斷層的走向和組合關(guān)系有明顯的差異:除北西的變換斷層(4號(hào)斷層)和上部斷裂系統(tǒng)向下切割的斷層外,E2s3發(fā)育的生長(zhǎng)斷層大多為北東向(圖2中黑色的斷層,圖11中北東走向的斷層);生長(zhǎng)斷層的數(shù)量相對(duì)較少,組合比較簡(jiǎn)單,但E2s3期間的活動(dòng)量均比較大。上下兩套斷裂系統(tǒng)能清晰地區(qū)分,主要與在E3d發(fā)育的大套泥巖所起的分隔作用有關(guān)。4簡(jiǎn)言之：系統(tǒng)的形成和發(fā)展4.1裂陷盆地構(gòu)造作用模式無(wú)震海嶺所揭示的板塊運(yùn)動(dòng)表明,在一百多個(gè)Ma以來(lái),太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向只在40Ma發(fā)生過(guò)一次改變(Gordonetal.,1986;Sharpetal.,2006)。據(jù)此,Tong(2010)指出,中國(guó)東部新生代以來(lái),區(qū)域伸展方向很可能只在40Ma時(shí)發(fā)生過(guò)一次改變。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合中國(guó)東部大量裂陷盆地的構(gòu)造解析實(shí)踐和模擬實(shí)驗(yàn)成果(童亨茂等,2009;周天偉等,2009;孟令箭等,2009),提出了中國(guó)東部新生代裂陷盆地兩期伸展的構(gòu)造作用模式(40Ma前:北西—南東方向伸展;40Ma后:南北向伸展)(Tong,2010)。后面的分析表明,應(yīng)用先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式(Tongetal.,2010,2011;童亨茂,2011),兩期伸展的構(gòu)造作用模式,可以系統(tǒng)、合理地解釋南堡凹陷復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的形成和演化。4.2北西—南堡凹陷E2s3期斷裂系統(tǒng)分析南堡凹陷在經(jīng)歷中生代的構(gòu)造演化后,形成了很多先存斷裂,其中北西走向的柏各莊斷裂是一超殼斷裂(周海民等,2000),是該地區(qū)規(guī)模最大的先存斷裂,還包括大量北東向(如2號(hào)、3號(hào)先存斷裂)、少量近東西向(西南莊斷層的中西段)和北西向(如4號(hào)先存斷裂)的先存斷裂,其中西南莊先存斷裂就是由北東向、北北東向和近東西向的先存斷裂組合而成。進(jìn)入E2s3期后,南堡凹陷發(fā)生北西—南東方向強(qiáng)烈的伸展裂陷作用。按照先存構(gòu)造條件下的斷層作用模式(Tongetal.,2010,2011;童亨茂,2012),先存斷裂首先開(kāi)始活動(dòng),活動(dòng)量的大小和活動(dòng)的先后次序決定于先存斷裂的產(chǎn)狀和斷面的力學(xué)性質(zhì),其中與北西—南東伸展作用方位越協(xié)調(diào)(北東方向,如西南莊斷層的北東段)、斷面內(nèi)聚力越小和斷面摩擦系數(shù)越小的先存斷裂的活動(dòng)性就越強(qiáng)。雖然柏各莊先存斷裂的方位與伸展方向很不協(xié)調(diào),但由于柏各莊先存斷裂是一超殼斷裂(周海民等,2000),斷面內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)都應(yīng)很小,結(jié)果活動(dòng)性也很強(qiáng)。西南莊先存斷裂北東向和近東西向段落與伸展方向均比較協(xié)調(diào),但北東方向協(xié)調(diào)性相對(duì)更強(qiáng),結(jié)果北東段落(西南莊斷層的中東段和北東段)的活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)。隨著伸展作用的繼續(xù),不受先存斷裂控制的、與伸展方向垂直的正斷層開(kāi)始發(fā)育。上述所有斷層都對(duì)E2s3的沉積有控制作用。在E2s3期北西—南東方向的伸展作用下(表1),西南莊先存斷裂活動(dòng)成為南堡凹陷的主控邊界斷層,其中,北東方向的中東段和北東段活動(dòng)性與伸展方向基本垂直,協(xié)調(diào)性較好,斷層性質(zhì)為比較典型的正斷層,活動(dòng)性也比較強(qiáng);西段和中西段與伸展方向斜交,斷層性質(zhì)為斜滑正斷層。柏各莊先存斷裂與伸展方向近于平行,與伸展作用最不協(xié)調(diào),斷層性質(zhì)應(yīng)該為走滑斷層,在沉積上表現(xiàn)為協(xié)調(diào)沉降的斷層,在E2s3期間是一邊界變換斷層(圖2)。高柳斷層西段和4號(hào)斷層和伸展方向平行,是南堡凹陷E2s3期間的變換斷層構(gòu)造帶,以走滑活動(dòng)為主(圖2),對(duì)沉積也有一定的控制作用。5號(hào)、1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)斷層為E2s3期間凹陷內(nèi)主要的二級(jí)斷層,北東走向,對(duì)E2s3沉積有重要的控制作用(圖2),其中2號(hào)和3號(hào)斷層可以確定是在先存斷裂基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的。小斷層很少發(fā)育。4.3構(gòu)造組合及構(gòu)造意義南堡凹陷經(jīng)E2s2時(shí)期的構(gòu)造相對(duì)平靜期(表1)后,進(jìn)入E3s1后,區(qū)域構(gòu)造作用方式轉(zhuǎn)化為南北向伸展。E3s1-Q期間在南北方向的伸展作用下,E2s3期間形成的斷層均作為該時(shí)期的先存斷裂而發(fā)生作用,但由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化,斷層的走向、性質(zhì)、活動(dòng)強(qiáng)度等均發(fā)生了根本的變化。除北東段外,西南莊繼續(xù)成為南堡凹陷的主控邊界斷層,但不同段落的活動(dòng)性卻發(fā)生了變化,其中,近東西方向的中西段與南北向的伸展作用協(xié)調(diào)性最好,活動(dòng)最為強(qiáng)烈;北東方向的西段和中東段與伸展方向斜交,斷層性質(zhì)為斜滑正斷層;北北東走向的北東段與伸展方向不協(xié)調(diào),已停止活動(dòng)(圖7)。高柳斷層西段向東擴(kuò)展,形成高柳斷層?xùn)|段,整條高柳斷層形成,并一起強(qiáng)烈活動(dòng)(圖7)。由于高柳斷層以北特殊的“三角形”形態(tài),高柳斷層形成后,應(yīng)力難以傳遞到高柳斷層以北的區(qū)域。這樣,高柳斷層以北區(qū)域的斷層(包括西南莊斷層的北東段和柏各莊斷層的西北段)基本停止活動(dòng),該地區(qū)缺失E3d1-2的地層,高柳斷層成為該段落的主控邊界斷層(圖7)。柏各莊先存斷裂與伸展方向夾角變大,與伸展作用的協(xié)調(diào)性增強(qiáng),斷層性質(zhì)由E2s3期間的走滑斷層轉(zhuǎn)化為斜滑斷層。由于高柳斷層的發(fā)育,柏各莊斷層的西北段活動(dòng)基本停止,東南段成為南堡凹陷的主控邊界斷層。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)斷層成為凹陷內(nèi)部的主要先存構(gòu)造。由于上述4條斷層與伸展方向均不協(xié)調(diào),而它們之間的距離又比較近,在南北向伸展作用開(kāi)始初期,斷層總體沿先存斷裂發(fā)育;但隨著伸展作用的繼續(xù)和沉積物厚度的增加,先存斷裂的作用逐漸減小,構(gòu)造作用(應(yīng)力場(chǎng))的影響逐漸增大,并由于先存構(gòu)造之間相互影響,形成復(fù)雜的斷層構(gòu)造組合。具體表現(xiàn)為1號(hào)斷層和4號(hào)斷層繼續(xù)活動(dòng),但活動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱或停止活動(dòng),新形成北東東和近東西向的次級(jí)斷層大都收斂到1號(hào)斷層或4號(hào)斷層上,成為1號(hào)或4號(hào)斷層的分支斷層,與1號(hào)斷層和4號(hào)斷層在平面上分別構(gòu)成“梳狀構(gòu)造”和“帚狀構(gòu)造”,在剖面上構(gòu)成復(fù)式“Y”形構(gòu)造,從而分別形成南堡1號(hào)和南堡4號(hào)上部子斷裂系統(tǒng)(圖7和圖8);2號(hào)斷層和3號(hào)斷層也繼續(xù)活動(dòng),但活動(dòng)減弱的速度高于1號(hào)和4號(hào)斷層,到E3d末期已停止活動(dòng),另外新形成的北東東向和近東西向的斷層,并非都是2號(hào)和3號(hào)斷層的分支斷層,與2號(hào)和3號(hào)斷層有鏈接和交切的關(guān)系,導(dǎo)致斷層在平面上呈平行交織狀組合,共同構(gòu)成南堡2~3號(hào)上部子斷裂系統(tǒng)。E3d期間,除個(gè)別斷層(如4號(hào)斷層)外,凹陷內(nèi)斷層的活動(dòng)性大部分都很弱,南堡凹陷整體表現(xiàn)為“斷拗”特征(凹陷邊界受斷層控制,凹陷內(nèi)部表現(xiàn)為拗限沉降特征)。到N1g時(shí)期,南堡凹陷進(jìn)入第2個(gè)構(gòu)造平靜期(表1),包括邊界斷層在內(nèi)的大部分?jǐn)鄬油Ｖ够顒?dòng),N1g的地層均表現(xiàn)為等厚特征,表現(xiàn)為比較完全的拗限沉降特征。進(jìn)入N2m期后,南北向的伸展構(gòu)造作用繼續(xù)(表1),而且作用強(qiáng)度較E3d期間顯著加強(qiáng),E3s1-E3d期間形成的斷層繼承性活動(dòng),而且有大量新斷層的產(chǎn)生。所有新產(chǎn)生的斷層均收斂到先存斷層上,構(gòu)成分支斷層,在剖面上主要表現(xiàn)為復(fù)式“Y”形構(gòu)造樣式(圖3,圖5和圖9),在平面上主要表現(xiàn)為平行狀或平行交織狀組合(圖7和圖8)。N2m以來(lái)和E3d時(shí)期相比,除了斷層的數(shù)量大幅度增加外,斷層的方位、組合方式和斷層的性質(zhì)都沒(méi)有發(fā)生變化。N2m以來(lái)到現(xiàn)今,幾乎所有的斷層都持續(xù)活動(dòng),表現(xiàn)為活動(dòng)斷層,而且斷層的數(shù)量不斷增加(圖12)。周天偉等(2009)南北向伸展的沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w再現(xiàn)了南堡凹陷淺層(E3d及以上)斷裂系統(tǒng)的基本特征。但通過(guò)細(xì)致的對(duì)比發(fā)現(xiàn),該實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷裂系統(tǒng)的相似性局限于宏觀層面,多處局部構(gòu)造則存在明顯的差異,原因很可能是該模型沒(méi)有考慮凹陷內(nèi)部的先存構(gòu)造。而考慮內(nèi)部先存構(gòu)造后,南北向伸展的沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芎玫卦佻F(xiàn)了南堡凹陷淺層斷裂系統(tǒng)特征,包括局部構(gòu)造都具有很高的相似性(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果將另文闡述)。表明南堡凹陷淺層南北向伸展模型的合理性。南堡凹陷上述“兩期伸展”的分析結(jié)果可以很好地解釋南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)特征(見(jiàn)第2、3節(jié)闡述的斷層特征),表明“兩期伸展”構(gòu)造模式的合理性。4.4“沖突”及“大區(qū)域”層序e前面的構(gòu)造研究分析表明,南堡凹陷也存在“兩期伸展”的構(gòu)造作用。雖然通過(guò)太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的時(shí)間而確定中國(guó)東部大區(qū)域的應(yīng)力體制變化的時(shí)間點(diǎn)為40Ma(童亨茂,2011),但由于應(yīng)力傳遞是需要時(shí)間,盆地內(nèi)應(yīng)力體制轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)晚于40Ma。而到目前為止,包括渤海灣盆地在內(nèi)的中國(guó)東部裂陷盆地中,還沒(méi)有一個(gè)盆地給出了一個(gè)確定的應(yīng)力體制轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)。而南堡凹陷由于其特殊的構(gòu)造形態(tài),通過(guò)本文的研究分析,找到可以比較準(zhǔn)確的應(yīng)力體制轉(zhuǎn)化時(shí)間點(diǎn)。對(duì)南堡凹陷高柳以北地區(qū)構(gòu)造解釋時(shí)發(fā)現(xiàn),該地區(qū)東西向側(cè)線地層厚度存在“蹺蹺板”式的變化(圖13):E2s3地層的厚度呈現(xiàn)出西厚東薄的楔形;E2s2地層為等厚;E3s1和E3d3地層則為呈現(xiàn)為西薄東厚的楔形。造成這種現(xiàn)象的原因是:在北西—南東方向伸展時(shí)期,北東向的西南莊斷層的北東段與伸展方向比較協(xié)調(diào),活動(dòng)明顯比柏各莊斷層強(qiáng)烈,為該地區(qū)沉積作用的主控?cái)鄬?造成該時(shí)期(E2s3)沉積的地層呈現(xiàn)西厚東薄的楔形特征;在南北向伸展時(shí)期,柏各莊斷層與伸展方向的協(xié)調(diào)程度高于西南莊斷層北東段,而且柏各莊斷層是一超殼斷裂(周海民等,2000),內(nèi)聚力也比較小,結(jié)果柏各莊斷層的活動(dòng)明顯比西南莊斷層強(qiáng)烈,取代西南莊斷層,成為該地區(qū)沉積作用的主控?cái)鄬?造成該時(shí)期((E2s1—E3d3)沉積的地層呈現(xiàn)西薄東厚的楔形特征;地層等厚沉積時(shí)期(E2s2)正好是應(yīng)力體制過(guò)渡的平靜期(表1)。地層的這種厚度變化特征,可以比較準(zhǔn)確地說(shuō)明E2s3末(40Ma)是構(gòu)造應(yīng)力體制變化的時(shí)間點(diǎn),E2s2(40~38Ma)時(shí)期是應(yīng)力體制過(guò)渡時(shí)的平靜期,以后轉(zhuǎn)化為南北方向伸展。表明南堡凹陷應(yīng)力體制轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)與大區(qū)域是大體一致的,大約有2Ma的時(shí)間滯后。南堡凹陷高柳以北地區(qū)地層厚度存在的“蹺蹺板”式變化(圖13),一方面為應(yīng)力體制的轉(zhuǎn)換提供了準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn),另一方面,應(yīng)力轉(zhuǎn)換也為這“蹺蹺板”式變化提供了合理的解釋。這一時(shí)間點(diǎn)的確定,對(duì)整個(gè)渤海灣盆地乃至中國(guó)東—南部裂陷盆地的構(gòu)造研究具有極其重要的意義。初步的研究表明,渤海灣盆地的遼河西部凹陷、黃驊坳陷,東海陸架盆地的西湖凹陷,南海北部的北部灣盆地、珠江口盆地等都具有類似的特征。5討論5.1斷裂構(gòu)造帶的構(gòu)造意義長(zhǎng)期以來(lái),斷層的“雁列”、“梳狀”組合均被認(rèn)為與走滑作用相關(guān),是走滑作用的判別標(biāo)志(陸克政等,1997)。由于南堡凹陷發(fā)育典型的梳狀斷層組合(如柏各莊斷層和1號(hào)斷層帶),有很多研究者認(rèn)為南堡凹陷的形成演化與走滑作用相關(guān)(周海民等,2000,2001;徐安娜等,2006;石振榮等,2000)。最近的研究表明,斷層的“雁列”、“梳狀”組合并不是走滑盆地的專利。Morley(2004,2007)指出,在有先存構(gòu)造的條件下,裂陷盆地內(nèi)可以發(fā)育“雁列”、“梳狀”、“帚狀”斷層組合;童亨茂等(2009)、孟令箭等(2009)指出北部灣盆地潿西南凹陷的2號(hào)“雁列”斷層構(gòu)造帶和3號(hào)斷層?xùn)|“梳狀”斷層構(gòu)造帶是斜向伸展作用形成,并用模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。童亨茂等(2009,2010)進(jìn)一步應(yīng)用“先存構(gòu)造活動(dòng)性準(zhǔn)則”,從力學(xué)機(jī)理上闡明先存構(gòu)造與伸展方向斜交時(shí),在遞進(jìn)伸展變形的中后期,可以形成“雁列”、“梳狀”、“帚狀”等斷層組合,若先存構(gòu)造兩側(cè)基底的巖性相同,發(fā)育“雁列”斷層組合,并在先存構(gòu)造的上方或一側(cè)發(fā)育;而先存構(gòu)造兩側(cè)基底的巖性存在顯著差異時(shí),則發(fā)育“梳狀”或“帚狀”斷層組合。5.2裂陷盆地走滑斷層與正斷層間構(gòu)造作用的演化按照Harding的走滑應(yīng)變橢圓(陸克政等,2001),走滑作用可以產(chǎn)生各類性質(zhì)的斷層(正斷層、斜滑正斷層、走滑斷層、斜滑逆斷層,逆斷層)。Morley(2004,2007)指出,在先存構(gòu)造條件下,裂陷盆地可以發(fā)育從正斷層→走滑斷層的完整系列斷層(正斷層,斜滑正斷層,走滑斷層),Tong等(2010)進(jìn)一步從力學(xué)機(jī)理上闡述了這一認(rèn)識(shí)。但它們之間存在區(qū)別:走滑盆地中,走滑作用是形成其他類型斷層的控制因素(因),走滑斷層是主動(dòng)的;而在裂陷盆地中,伸展作用是形成走滑斷層(也包括正斷層,斜滑正斷層)的控制因素,走滑斷層是被動(dòng)的(果)。走滑斷層也不是走滑盆地的專利,這一點(diǎn)在盆地構(gòu)造分析中需要特別重視,不能一看到有走滑斷層的表現(xiàn)(如雁列構(gòu)造、帚狀構(gòu)造),就確定是走滑成因的,而是需要綜合分析。5.3向宣傳的構(gòu)造模型渤海灣盆地構(gòu)造面貌十分復(fù)雜,有多種構(gòu)造作用模式來(lái)解釋其形成機(jī)制。目前主要有4種構(gòu)造作用模式:北西一南東向伸展模式(馬杏垣等,1983;陸克政等,1997);走滑拉分模式(Mannetal.,1983;Chenetal.,1988,侯貴廷等,2001),北西一南東向伸展疊加北北東向右行走滑模式(胡朝元,1982;Qietal.,2010),南北向伸展模式(周建勛等,2006)。但上述模式均無(wú)法系統(tǒng)地解釋整個(gè)渤海灣盆地的構(gòu)造現(xiàn)象,如北西—南東方向伸展模式無(wú)法解釋淺層,特別是館陶組和明化鎮(zhèn)組廣泛發(fā)育的東西向斷層的分布特征;走滑拉分模式中郯廬斷裂是主控走滑斷裂,但其控制沙河街組地層的斷面為典型的鏟式正斷層,另外,渤海灣盆地西南沒(méi)有大規(guī)模右行走滑活動(dòng)的證據(jù);北西一南東向伸展疊加北北東向右行走滑模式只能解釋沿走滑帶局限分布的東西向分布的斷層;南北向伸展模式可以很好地解釋渤海灣盆地東營(yíng)期以來(lái)的構(gòu)造變形,但無(wú)法解釋沙三期北東—北北東斷層是控制盆地沉積的主要斷層,及構(gòu)造線和地層厚度等值線主體為北東—北北東延伸的特征。渤海灣盆地的構(gòu)造形成機(jī)制一直存在顯著的爭(zhēng)議。兩期斜向伸展疊加的構(gòu)造作用模式(40Ma前,北西—南東方向伸展;40Ma后,南北方向伸展)不僅可以合理地解釋南堡凹陷的