地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (2): 612-626   PDF    
辽河盆地东部凹陷新生代伸展-走滑构造作用及断裂构造特征
李思伟1,2, 黄玉龙1,2, 冯玉辉3, 郭彦民4, 张斌4, 王璞珺1,2     
1. 东北亚生物演化与环境教育部重点实验室(吉林大学), 长春 130061;
2. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
3. 沈阳师范大学古生物学院, 沈阳 110034;
4. 中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院, 辽宁 盘锦 124010
摘要:基于最新的三维地震资料处理与地震剖面解释、地震相干切片分析和平衡剖面恢复等方法,对辽河盆地东部凹陷所发育的断裂几何形态、盆地演化过程和走滑构造平面特征进行研究,并结合区域板块构造活动背景,分析其对郯庐断裂带新生代时期活动的响应.结果表明:辽河盆地东部凹陷为伸展和走滑两期构造变形叠加的产物,是具有"下断上坳"双层结构的裂谷型盆地.盆地演化过程经历了强烈断陷期(Es3)、区域隆升期(Es2)、断坳转化期(初始走滑期)(Es1)、坳陷沉降期(强烈走滑期)(Ed)和构造反转期(Ng-现今)5个演化阶段.研究区主要发育正断层、逆断层、走滑正断层和走滑逆断层4种断层类型,经伸展间歇期和后期区域挤压作用,发育两期正反转构造.盆地经历的走滑运动过程可细化为初始走滑(Es1),强烈走滑(Ed)和衰减走滑(Ng)3个阶段.
关键词: 郯庐断裂带      辽河盆地      东部凹陷      走滑构造      构造演化     
Cenozoic extension and strike-slip tectonics and fault structures in the Eastern Sag, Liaohe Depression
LI SiWei1,2, HUANG YuLong1,2, FENG YuHui3, GUO YanMin4, ZHANG Bin4, WANG PuJun1,2     
1. Key Laboratory for Evolution of Past Life and Environment in Northeast Asia(Jilin University), Ministry of Education, Changchun 130061, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
3. College of Paleontology Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China;
4. Research Institute of Exploration & Development, Petro China Liaohe Oilfield Company, Panjin Liaoning 124010, China
Abstract: Latest seismic data processing and seismic profile interpretation, seismic coherency slice analysis and balanced profile restoration, had been used to researches on the fault geometric morphology, basin evolution process and planar features of strike-slip structure in the Eastern Sag of Liaohe Depression. In addition, the responses to Cenozoic episodic activities of Tan-Lu fault zone are also analyzed on basis of the background of regional plate activities. The results show that the Eastern Sag of Liaohe Depression is a rift-type basin with two-layer structure, namely, the lower fault-depression and the upper depression subsidence, which had been underwent two-phase tectonic deformation superimposition of extension and strike-slip. The basin has experienced five evolutionary stages, respectively, strong fault depression (Es3), regional uplift (Es2), fault-depression transformation (initial strike-slip)(Es1), depression subsidence (strong strike-slip) (Ed) and tectonic inversion (Ng to present). There are four types of faults including normal fault, reverse fault, strike-slip normal fault and strike-slip reverse fault, and two positive inversion structures by extension diapause and later regional compression. The strike-slip process of the basin can be divided into three stages such as initial strike-slip (Es1), strong strike-slip (Ed) and attenuated strike-slip (Ng).
Keywords: Tan-Lu fault zone    Liaohe Depression    Eastern Sag    Strike-slip structure    Structural evolution    
0 引言

郯庐断裂带从辽河盆地穿过,延伸至沈北凹陷,与“依兰—伊通断裂”和“密山—敦化断裂”交汇、截接(Qi et al., 2013; Li et al., 2013),主要发生过两次规模较大的走滑运动,分别在中生代白垩纪和新生代古近纪(Wang et al., 2003; Chen et al., 2005),其中古近纪晚期右行走滑的确切路径尚未明确(单家增等, 2001, 2003)(图 1a).目前关于郯庐断裂带辽河段的展布范围主要有以下两种观点:一些学者强调其走滑性质,只将盆地内产状较陡、走滑特征明显的断裂归属为郯庐断裂带的组成部分,认为辽河盆地西部凹陷的台安—大洼断层和东部凹陷的营口—佟二堡断层是郯庐断裂带辽河段的两条分支断层(Yu et al., 2008; 慕德梁等,2009姚继峰等,1995).而另一些学者则将整个辽河盆地断裂看做一个统一的走滑断裂系统,并非认为它只是一条或两条分支走滑断裂,盆地中的走滑构造都归属于郯庐断裂带的一部分(汤良杰等,2011).另外,前人对于辽河盆地类型及其形成机制也存在争议,一些观点将其视为拉分盆地,主要受NNE-NE走向的右旋走滑断裂控制、拉分形成(Chen and Nábelek, 1988; Allen et al., 1997).另一些观点则认为大型铲式正断层在盆地的形成过程中起主导作用,即辽河盆地为裂谷盆地(Ma and Wu, 1987; Qi and Yang, 2010).产生上述分歧的原因在于对辽河盆地断裂体系及其与郯庐断裂带间的关系分析不够透彻,成因机理有待深入剖析,且大多数研究工作集中在西部凹陷(Tong et al., 2008; 李明刚等,2010于福生等,2015杨雪等,2006),而对东部凹陷的相关构造研究相对匮乏.此外,根据现有研究成果来看,东部凹陷在构造上的复杂程度要高于西部凹陷的.针对上述问题,本文通过对辽河盆地东部凹陷最新的三维地震资料进行系统解释、同沉积断裂系统与沉积地层厚度关系分析,结合典型地震剖面构造发育史恢复和三维地震相干切片解析等研究,总结断裂发育特征、构造样式和盆地演化阶段,探讨盆地形成机制与郯庐断裂带辽河段的活动时间,为郯庐断裂带走滑活动规律研究提供相关地质依据.

图 1 渤海湾盆地构造格架图(a)与研究区平面位置(b)及辽河盆地东部凹陷断裂体系分布图(c) Fig. 1 Regional tectonic framework map of Bohai Bay Basin (a), location of study area (b) and fault system in the Eastern sag of the Liaohe Depression (c)
1 区域构造背景

辽河盆地为渤海湾盆地内一个二级负向构造单元,位于渤海湾盆地东北部,呈北东向展布,是一个在前中生代基底之上发育起来的中、新生代盆地,由东部凹陷、西部凹陷、大民屯凹陷、沈北凹陷及中央凸起、东部凸起和西部凸起7个构造单元组成.其中,西部凹陷、中央凸起和东部凹陷构成“两堑夹一垒”的构造格局,这与受郯庐断裂带所控制的区域在构造特征上具有一致性(Xu et al., 1987; Zhu et al., 2005; Zhang et al., 2003)(图 1b).

辽河盆地东部凹陷沉积了巨厚的新生界地层,自下而上依次为古新统房身泡组(Ef)、始新统沙河街组三段(下文简称沙三段,Es3)、渐新统沙河街组一段(下文简称沙一段,Es1)、渐新统东营组(Ed)和中新统馆陶组(Ng)地层.东部凹陷普遍缺失沙河街组四段(Es4)和沙河街组二段(Es2)地层,房身泡组主要分布在凹陷两侧靠近盆缘地区,凹陷内始新世裂陷从沙三段开始(陈振岩等,2002),主要由陆相碎屑岩组成,构造活动强烈,火山岩极为发育,钻井揭示的基底地层有太古宇的结晶变质岩、古生界的碳酸盐岩和中生界的火山岩、碎屑岩等.生成油气的烃源岩主要集中在沙三段地层,储存油气的储层主要是沙三段与沙一段的砂岩、火山岩和基底潜山的碳酸盐岩、变质岩.

由于近年来辽河盆地油气勘探的不断深入,东部凹陷高精度的三维地震资料已覆盖整个凹陷,面积超过3000 km2,各类钻井500余口,钻井数量和密度在单个凹陷内较高,上述资料条件为辽河盆地东部凹陷精细构造解析提供了可靠的资料保障.

2 研究方法 2.1 地震层位标定

研究区三维地震数据的采集和处理工作由中国石油辽河油田公司勘探开发研究院提供并完成,本文主要进行地震层位解释及构造分析工作.地震解释中的层位数据主要来自于地震剖面中所经过的钻井,地震剖面所经过的钻井越多,地层界面反射振幅强度越高连续性越好,该剖面的地层层位解释就越准确.单井中的地层层位划分主要是通过钻井钻遇的地层中含有的古生物化石或岩石样品经同位素测年来进行约束的.

为了进行层位标定和获取时深关系,把测井资料和地震资料联系起来的合成地震记录的制作是非常必要的.本文制作合成记录的方法是用声波和密度测井曲线计算波阻抗及反射系数,由于测井段地震主频在25~35 Hz范围内,因此选择30 Hz的Ricker子波与反射系数进行褶积运算,从而得到合成地震记录(图 2).合成地震记录的数学表达式为

图 2 单井层位合成地震记录标定 (a)合成记录中时间为双程反射时间;(b)单井岩性剖面薄层和夹层经合并简化处理. Fig. 2 Calibration of synthetic seismogram of borehole strata (a) The time in the synthetic seismogram is the two way time; (b) The lithology in the borehole is simplified.

式中S(t)为地震子波的波形;R(t)为地震剖面的反射系数.联合使用密度曲线和声波时差曲线计算反射系数,其数学表达式为

其中,υ为速度,ρ为密度,ρυ为介质的波阻抗.

2.2 地震相干属性体的提取

地震剖面只能判断该区域在横向上所受的应力情况,即通过断块的抬升和下降或地层褶皱现象判断所受的挤压或是拉张应力,该区域是否发生走滑运动往往需要依赖是否发育花状构造来判断,但有些剖面上即使发生了走滑运动,也不发育花状构造,此时纵向上的走滑属性就需要断裂在平面上的展布情况来进行辅助判断.地震体的相干性通常用于绘制三维地震中的细微断层或其他构造的不连续性(Bahorich and Farmer, 1995).通过分别计算在主干测线和联络测线方向上的局部波形相似性,获取三维地震的相干性.我们使用Landmark软件(SeisWorks 3D模型)来生成地震相干立方体,其值介于0(较低的相干性和相邻构造体之间没有相似性,指示断层发育位置)和1(较高的相干性和相邻构造体之间具有相同属性).利用地震相干体来改进和约束地震剖面中的断层解释,以便更好地分析郯庐断裂带与辽河盆地东部凹陷中相关构造之间的关系.

2.3 平衡剖面制作方法

由于辽河盆地东部凹陷在形成和发育过程中经历了走滑构造运动,本文在对走滑构造运动前形成的地层进行恢复时,是以主干走滑断裂一侧(下盘)为固定盘,对断层另一侧进行恢复的.构造发育史恢复可简要归纳为以下几步:首先对研究区内前人的相关构造研究成果进行整理,了解研究区内的主要构造期次及构造样式,确立区域地质构造格架;接着对选定的典型地震剖面(C-C′)进行精细解释,由于东部凹陷主要受NE向的郯庐走滑断裂带控制,因此选择垂直于主构造带走向方向的NW-SE向地震剖面作为典型地震剖面进行构造发育史恢复是合理的;然后根据地震、测井和井深等资料制作时深尺进行时-深转换,时深转换部分主要是在合成地震记录制作过程中完成,制作合成地震记录即可获得时间与深度的对应关系,并完成时深尺的拟合.本次研究采用2Dmove软件对选取的典型地震剖面建立二维地质模型,对地震剖面中的构造层逐层进行压实校正→断距消除→层拉平过程,最终将各层剖面恢复到水平状态.压实校正主要采用Sclater-Christie算法(Sclater and Christie, 1980),通过赋予地层初始孔隙度和压实系数进行单层的去压实过程.断距消除过程中对于正断层(包括走滑正断层)控制的区域采用斜剪切算法(Simple Shear),对于逆断层(包括走滑逆断层)控制的区域采用断层平行流算法(Fault Parallel Flow)进行断距消除.斜剪切算法是假定断层形成的过程中上盘的变形是沿一系列平行钉线发生,这些钉线穿过断层面,剪切钉线的长度不随变形而发生变化(图 3a).断层平行流算法是基于颗粒层流(颗粒沿断层斜面流动)理论.将断层面分割成不连续的倾斜段,每一个倾角变化点标记一个平分线.流线是通过将不同等分线上的离断层等距离的点连接起来构成的,上盘地层的颗粒沿着这些断层平行的流线运动(图 3b)(桂宝玲等,2012).层拉平过程主要采用优先面积守恒其次层长守恒的原则进行,最后综合分析各个时期的剖面构造形态,推演构造演化史.

图 3 斜剪切和断层平行流算法示意图(据任启强等,2015) Fig. 3 Diagram of simple shear and fault parallel flow algorithm (after Ren et al., 2015)
3 结果 3.1 区带划分与沉积序列划分

根据凹陷内层位标定和构造解释结果,将辽河盆地东部凹陷划分为4个部分:①欧利坨子和黄沙坨地区,下文简称欧黄地区;②于楼、小龙湾和热河台地区,下文简称于小热地区;③红星、黄金带和驾掌寺地区,下文简称红黄驾地区;④大平房地区.这4个地区的盆地结构和区内所发育的构造样式具有一定的相似性(图 1c).

东部凹陷新生界发育沙三段、沙一段、东营组和馆陶组4个构造层.根据地震剖面上的地层分布情况与断裂之间的关系,将这4个构造层连同前新生代基底划分为3个盆地沉积充填序列:①整个新生代盆地是在前新生代基底之上发育起来的,前新生代基底为前裂谷阶段;②沙三段和沙一段在地震剖面中表现为沉积地层厚度受断裂控制,因此沙三段和沙一段为同裂谷阶段;③东营组和馆陶组在地震剖面中显示坳陷整体接受区域沉降,沉积地层厚度不再受断裂控制,东营组和馆陶组为后裂谷阶段.

3.2 断层类型与叠加构造

根据断层两盘相对运动,可以将断层划分为正断层、逆断层和平移断层.规模巨大的平移断层通常称为走滑断层,断层两盘往往不完全沿断层的走向或倾斜方向滑动,因此断层经常兼有逆或正-走滑滑动特征,常称为走滑逆断层或走滑正断层.反转构造为同一地质体在不同演化时期应力改变而形成的一种复合构造,区域应力场从拉张转变为同方向挤压体制下所产生的构造,称为正反转构造,反之则为负反转构造.

依据地震剖面上观察到的断层性质及构造组合类型,辽河盆地东部凹陷发育有正断层、逆断层、走滑正断层和走滑逆断层4种断层类型以及正反转构造.

(1) 走滑逆断层,由压扭性应力作用形成的断层,剖面上表现为正花状构造(图 4图 7),地震剖面解释中最常见的构造样式,这与盆地在东营组沉积时期发生强烈走滑后,紧接着发生的区域挤压作用有关.还有一些正花状构造发生在张扭性应力为主的负花状构造下部,与之构成复合花状构造,作为调节上覆负花状构造下降断块自身重力产生向下挤压应力的释放构造(图 4).

图 4 辽河盆地东部凹陷欧黄地区典型地震剖面解释(A-A′, 剖面位置见图 1c) PDZ:主位移走滑带. Fig. 4 Interpretation of typical seismic profiles in Ou-Huang area through the Eastern Sag of Liaohe Depression (A-A′, See Figure 1c for profile location) PDZ: principal displacement zone.

(2) 走滑正断层,由张扭性应力作用形成的断层,剖面上表现为负花状构造(图 5图 7),断层主要形成于东营组沉积时期,也有一些是由早先形成的正断层被后期走滑构造运动改造而成,多见于走滑构造中挤压应力骤降的部位.

图 5 辽河盆地东部凹陷于小热地区典型地震剖面解释(B-B′, 剖面位置见图 1c) Fig. 5 Interpretation of typical seismic profiles in Yu-Xiao-Re area through the Eastern Sag of Liaohe Depression (B-B′, See Figure 1c for profile location)

(3) 正断层,指上盘相对下降、下盘相对上升的断层,由于研究区受走滑构造运动影响强烈,因而从地震剖面解释结果来看,只受横向拉张应力而形成的正断层在全区并不多见,仅在于小热地区西斜坡上的沙一段底部和东营组中见到(图 5).

(4) 逆断层,表现为上盘相对上升、下盘相对下降,并且在相邻剖面中未发现有走滑迹象,主要见于前裂谷阶段的基底和后裂谷阶段的盖层中发育(图 6图 7).因为造成盆地区域挤压的主体时间相对较晚(东营组沉积后),持续时间相对较短,控制盆地形成的主体应力还是以横向的拉张应力和纵向的剪切应力为主,所以这种断层发育也相对较少.

图 6 辽河盆地东部凹陷红黄驾地区典型地震剖面解释(C-C′, 剖面位置见图 1c) Fig. 6 Interpretation of typical seismic profiles in Hong-Huang-Jia area through the Eastern Sag of Liaohe Depression (C-C′, See Figure 1c for profile location)
图 7 辽河盆地东部凹陷大平房地区典型地震剖面解释(D-D′, 剖面位置见图 1c) Fig. 7 Interpretation of typical seismic profiles in Dapingfang area through the Eastern Sag of Liaohe Depression (D-D′, See Figure 1c for profile location)

正反转构造为区域应力场从拉张转变为同方向挤压体制下所产生的构造,在地震剖面上表现为地层受挤压作用褶皱变形向上凸起形成背斜,较为多见(图 6图 7).实际上,研究区发育的正反转构造为两期构造运动的产物,从研究区缺失沙河街组二段地层的情况来看,很明显在沙三段地层沉积后,全区经历了一次区域性挤压抬升过程,造成沉积间断甚至地层剥蚀现象,第一期正反转构造就在这次构造运动中形成.东营组沉积末期,全区再次发生区域性挤压作用,形成第二期正反转构造.由于东营组时期为强烈走滑期,在凹陷内发育了大量走滑构造,部分正花状构造中分支断裂所夹持的背斜断块同样属于正反转构造.

3.3 盆地结构与主干断裂特征

从盆地尺度纵向上整体来看,盆地结构在沿主干断裂不同部位各不相同,位于南部的红黄驾和大平房地区盆地呈“东断西超”的半地堑结构(图 6图 7),而向北则逐渐转变为中间地垒,两侧地堑分别向东西两侧超覆的“两堑夹一垒”结构(图 4图 5).主干断裂在盆地的不同部位也表现出一定的差异性,位于盆地最东侧的主干断裂F2在盆地的不同部位倾向是相同的,都为向东倾,但不同部位断层性质则有变化,位于盆地中南部红黄驾和大平房地区断层表现为由东向西的挤压作用,而在北部于小热和欧黄地区则表现为拉张作用,这表明走滑断裂在纵向上不同位置的应力状况不同,主干走滑断裂在纵向上各点所受应力不同的现象为“海豚效应”(Zolnai, 1991).这种分段性的特征在位于地震剖面中部的主干断裂F1表现的更为明显,F1断裂在凹陷中南部表现为单一断裂(图 5图 6图 7),延伸到凹陷北部则分为两支,即由单一的F1断裂拆分为F3和F4两条分支断裂(图 4),这一现象在下文中的主干断裂平面图中显示的更直观(图 8).F1断裂在中南部,单一的主干断裂在地震剖面上发生了倾向的多次变化,在大平房地区F1主干断裂表现为向东倾(图 7),到了红黄驾地区,则表现为向西倾(图 6),而在于小热地区,F1断裂又表现为向东倾(图 5),主干走滑断裂在纵向上倾向发生变化的这种现象被称为“丝带效应”(Harding, 1985, 1990).

图 8 辽河盆地东部凹陷沙一段三维地震相干切片解释 Fig. 8 Coherence slice interpretation of the first member of Shahejie Formation from 3D seismic data in the Eastern Sag of Liaohe Depression
3.4 走滑断裂平面相干解释

图 8所示的地震相干平面图显示了三维地震反射数据在沙一段地层中的断层分布情况(F1断裂,F2断裂,雁列正断层组和其他断层).从平面图上来看,凹陷南部大平房地区发育的雁列正断层组与主干断裂之间的关系(所夹锐角在走滑构造中指示本盘的运动方向)与右行走滑应变椭圆应变模式相一致(Wilcox et al., 1973; Harding, 1985, 1990刘晓文等,2016),表明辽河盆地东部凹陷的走滑断裂系统是在右旋走滑作用控制下形成的(图 8a).

渐新世以来的右行走滑运动在辽河盆地东部凹陷并不是表现为纯走滑活动,而是在不同区域存在不同的特征,在凹陷北部欧黄地区主体表现为压扭,且分岔为东西两支断裂,中部于小热地区情况比较复杂,总体表现为张扭和压扭复合(或叠加)的区域,南部红黄驾和大平房地区则逐渐表现为张扭,甚至从走滑构造变形转化为伸展构造变形(图 8b).

4 讨论 4.1 构造发育史

构造演化剖面不仅能够再现构造的演化过程,同时可清晰反映断裂的主要活动时期.从地震剖面解释结果来看,沙三段地层沉积厚度较大,地层呈楔状结构,表明该地层形成时期断层活动强烈,这一时期形成的基底伸展型断层对其上盘沉积的地层具有明显的控制作用;沙一段地层沉积厚度较小,且横向分布范围较沙三段沉积时期相对萎缩,地层同样为楔状结构,层内层序近水平,边界断层具有明显的沙三期继承性;东营组地层中发育了大量正/负花状构造和反转构造,主干断层对其上盘沉积地层的控制作用不明显,显示了该地层沉积时期主要受走滑作用影响,馆陶组地层中断裂只发生了继承性活动,构造活动强度微弱.

由以上地层发育和断裂活动情况的分析表明,东部凹陷新生代主要有4期地层沉积、1次走滑构造运动和2次正反转构造叠加,因此将构造演化分为沙一段沉积前、东营组沉积前、东营组沉积期(构造反转前)、东营组沉积期(构造反转后)和现今时期5个演化阶段.其中沙一段沉积前和东营组沉积前盆地主体表现为伸展变形,东营组沉积期和现今时期盆地主体表现为走滑变形,盆地整体呈现“下断上坳”的双层结构.每一时期断层活动的特征不同,有些断层甚至在不同时期表现出不同的活动性质,这主要与盆地不同时期的动力学机制有关.东部凹陷在新生代时期,先后受地幔热底辟活动引起的地壳伸展作用和板块俯冲远程传递到板块内部引起的深断裂带走滑作用的双重动力学机制所控制,区域构造应力场的不断调整及相互作用使得地壳伸展作用与深断裂走滑作用在不同时期具有此消彼长的特征(漆家福和陈发景,1992孙洪斌和张凤莲,2002).

(1) 沙一段沉积前(沙三段沉积时期):古新世—始新世,太平洋板块向欧亚板块进行俯冲,由于弧后扩张作用引起辽河盆地区域性NWW-SEE向拉张,东部凹陷在前新生代继承性NNE-NE断裂的背景下,沙三段沉积期形成了NWW-SEE向伸展的沉积湖盆,断层走向和湖盆的走向一致,以NNE-NE向为主,断层位移较小,分布均匀.随着深部地幔热底辟作用加强,东部凹陷发生强烈裂陷伸展,形成沙三段沉积的伸展断陷湖盆,发育受向西倾斜的NNE-NE向基底主边界断层控制,凹陷结构表现为半地堑型式,该时期断陷沉降较快,控盆断裂F2产状较陡,凹陷西斜坡上NE向倾向与主边界断层反向的正断层处在酝酿期,即将发生破开形成反向断层,反映凹陷在NWW-SEE斜向引张力作用下的伸展构造变形.盆地整体呈现“东断西超”构造格局,沉积中心位于剖面东侧的控盆边界断层F2附近(图 9a).

图 9 辽河盆地东部凹陷新生代构造发育史剖面(C-C′剖面) Fig. 9 Cenozoic structural evolution profiles through the Eastern Sag of Liaohe Depression (C-C′ profile)

(2) 东营组沉积前(沙一段沉积时期):盆地在沙三段沉积末期,太平洋板块的俯冲速率有所提升,向欧亚大陆的俯冲方向由NNW向变为近NWW向,受其远程效应的影响,郯庐断裂带开始发生右旋走滑运动(Allen et al., 1997; Hsiao et al., 2004),走滑压扭作用初始介入盆地形成演化过程,并促使第一期反转构造的形成(Su et al., 2009; 杨克基等,2016; 池英柳和赵文智,2000),盆地整体区域抬升,造成沉积间断甚至发生剥蚀作用.直到沙一段地层沉积开始,盆地重新以伸展作用为主,沙一期沉积的地层较沙三段地层在横向分布上具有一定的萎缩,厚度和规模也比沙三段地层要小一些,为断坳转化和初始走滑阶段(图 9b).

(3) 东营组沉积期(构造反转前):渐新世时期,地幔热底辟作用逐渐减弱,郯庐断裂带NNE向深断裂在晚渐新世东营组沉积时期发生强烈的右旋走滑位移,使得东部凹陷东营组沉积期具有走滑变形特点.由于走滑作用的逐渐增强,伸展作用持续减弱,反应在地层分布上,东营组沉积时期地层不再受断裂控制,盆地整体接受沉积,最直观的改变就是沉积中心的迁移,沉积中心从断陷时期的东侧控盆边界断层F2附近逐渐向盆地中心迁移(F1).受上覆地层压力影响,在沙河街组沉积时期形成的走向NE向倾向与边界断层反向的酝酿期正断层破开形成断裂(图 9c).

(4) 东营组沉积期(构造反转后):这一时期活动的主干断层基本继承了沙河街组沉积期的特征并对盆地后裂谷阶段沉积的地层产生了重要影响:①改造了控盆边界断层,形成了正反转构造和走滑逆断层;②在凹陷内部发育NNE向基底走滑断裂带,形成花状构造;③在凹陷南部和中南部发育近东西向的雁列断层组合.东营组沉积末期的区域挤压作用使早先形成的控盆断裂倾角变大,甚至与原来的倾向方向相反(图 9d).

(5) 现今时期:东营组沉积以后,区域挤压持续作用,辽河盆地地层被抬升,遭受风化剥蚀.此后,盆地进入热沉降阶段,盆地整体沉降并接受沉积,形成馆陶组地层,且构造活动微弱,只有部分主干断裂尚有活动(图 9e).

4.2 走滑活动时间

由于主干走滑断层在地震剖面中垂向上具有贯通性,且多为早先形成的控盆断层经后期走滑作用改造而成,因此利用主干走滑断层难以确定走滑活动时间.根据沙一段的三维地震相干切片解释结果,凹陷内中部和北部走滑断层横向上以挤压作用为主,而在凹陷南部大平房地区挤压作用减弱,形成了大量雁列正断层.这些雁列正断层与主干走滑断裂同为盆地走滑构造期形成的产物,由于其在垂向地层中的延伸范围有限,可以根据其与地层之间的切割关系来确定走滑作用活动时间.

根据大平房地区地震剖面解释(图 7),提取代表不同深度的连续的地震相干时间切片来对应各组地层界面,通过观察雁列正断层组在连续的地震相干时间切片中的分布范围与发育情况来推断走滑作用活动时间.图 10a为双程反射时间1.0 s的地震相干时间切片,对应大平房地区馆陶组底.图 10b为双程反射时间1.5 s的地震相干时间切片,对应东营组沉积期.图 10c为双程反射时间2.0 s的地震相干时间切片,对应大平房地区东营组底.图 10d为双程反射时间2.5s的地震相干时间切片,对应大平房地区沙一段底.图 10e为双程反射时间3.0 s的地震相干时间切片,对应沙三段沉积期.

图 10 大平房地区三维地震不同相干时间切片解释 Fig. 10 Interpretation of coherence slices of different time intervals from 3D seismic data in Dapingfang area

从这些连续的代表不同深度的地震相干时间切片解释结果来看,在图 10b图 10c图 10d中在两支主干走滑断层夹持的断块中可以观察到雁列正断层组.雁列正断层在地震相干时间切片中呈羽状、鳞片状,断层之间的断块具有一定的相干性,内部结构清晰,整体走向呈NEE-SWW到E-W向.其中图 10c中断块内部结构最为清晰,表明雁列正断层组形成的主体时期为东营期.图 10b可以观察到雁列正断层组发育范围与图 10c相当,内部结构相较于图 10c稍显杂乱,但仍可以观察到两侧主干走滑断裂所夹断块中雁列正断层组的分布情况.图 10a较之于图 10b主干断裂的走向明显发生变化,两支主干走滑断层夹持的断块内部结构与雁列正断层组的反射结构不一致,表明在馆陶组地层中雁列正断层不发育.图 10d雁列正断层组的分布范围较图 10c明显缩小,但断块内部结构比较清晰,表明雁列正断层组在沙一段地层中也较为发育,但分布范围不及其在东营组地层.图 10e主干断裂所夹持的断块内部结构整体表现杂乱,与其他时间相干切片有较大的不同,表明在沙三段地层中不再发育雁列正断层组.由此可以判断沙一期为初始走滑期,但剪切应力还没有成为影响盆地发育的主导应力,此时的盆地主导应力仍为拉张应力,但剪切应力已经开始介入.东营组沉积时期雁列正断层组发育范围最广,走滑作用最强,馆陶组沉积时期走滑作用明显减弱.因此,根据代表不同深度的连续的地震相干时间切片中雁列正断层组发育情况,将走滑构造运动分为以下3个阶段:沙一段沉积期盆地初始走滑,东营组沉积期强烈走滑,馆陶组沉积期衰减走滑.

4.3 东部凹陷的形成机制与盆地类型

在裂谷盆地中大型的张性正断层一般作为控制盆地沉积的控盆断裂(Dawers and Underhill, 2000),在辽河盆地中这些控盆断裂主要的形成时期为古新世-始新世,在渐新世时期盆地停止伸展(Ren et al., 2002),走滑断裂系统活动的初始时间为渐新世,右旋走滑活动一直持续至现今时期(Hsiao et al., 2004李宏伟和许坤,2001).辽河盆地新生代盆地伸展裂开的动力学来源可能为印度板块与欧亚板块的碰撞作用(Molnar and Tapponnier, 1975, 1977; Jolivet et al., 1990; Ye et al., 1987; Yin, 2000; Liu et al., 2004)、西太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用(Northrup et al., 1995; Zhang et al., 2003)或者板内地幔柱作用(肖龙等,2004高知云和章濂澄,1993).

结合地震剖面系统解释、三维地震连续相干时间切片分析和构造发育史恢复结果,走滑构造运动主要发生在渐新世沙一段和东营组沉积时期,而且主体构造发育在后裂谷阶段的地层中,盆地内的伸展断层在始新世甚至古新世就有强烈的活动.因此,辽河盆地应属于裂谷型盆地.盆地类型属于裂谷型而非拉分型的另一个证据是盆地的主扩张方向与主干走滑断裂走向几乎垂直(图 47),主测线方向的地震剖面大体为盆地横向展布的最大延伸方向,而且在构造演化史恢复过程中,同裂谷期阶段向后裂谷期阶段转化过程发生的沉积中心迁移现象也是沿着垂直于主干走滑断裂走向的方向进行的.因此,辽河盆地是由古新世-始新世伸展作用和渐新世走滑作用叠加形成的裂谷盆地.

5 结论

(1) 辽河盆地东部凹陷主要发育正断层、逆断层、走滑正断层和走滑逆断层4种断层类型.断陷早期形成的正断层,多被后期的走滑作用所改造,因此在地震剖面中较为少见.走滑正断层在地震剖面上表现为负花状构造,走滑逆断层在剖面上表现为正花状构造,两种走滑构造分布位置主要受其所在区域的应力作用控制.逆断层于断陷中晚期形成,主要发育在东营组和馆陶组后裂谷阶段形成的地层中.正反转构造从成因上讲为两次挤压作用的产物,东营后期正花状构造分支断裂所夹持的背斜也属于正反转构造.

(2) 辽河盆地具有下断上坳的双层结构,是伸展和走滑联合作用下形成的裂谷盆地.盆地在形成过程中主要经历5个演化阶段:强烈断陷期(Es3),盆地受伸展作用为主;挤压隆升期(Es2),盆地受短暂的挤压作用整体抬升;断坳转化期(Es1),伸展与走滑共同作用时期,同时该时期也是初始走滑期,走滑作用开始介入盆地演化阶段;强烈走滑期(Ed),总体上以走滑作用为主,伸展作用较弱,盆地进入拗陷阶段,地层厚度不再受断层控制,该时期盆地沉积中心发生迁移,从东侧的控盆断层附近迁移到盆地中部;挤压反转期(Ng-现今),盆地整体受挤压作用影响,走滑作用持续进行,但走滑强度大幅降低,盆地进入萎缩阶段,断层活动微弱.

(3) 从发育雁列断裂的南部地区连续的地震相干时间切片来看,辽河盆地东部凹陷的走滑运动活动主体时间为沙一期和东营期两个时期,经历了沙一期初始走滑,东营期强烈走滑和馆陶期衰减走滑3个阶段.

致谢  衷心感谢评审专家在评审过程中所付出的辛苦工作,提出的建设性修改意见使本文的论述和表达更为清晰、严谨,令我受益匪浅.
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