東營凹陷構造演化與斷裂成因分析

東營凹陷構造演化與斷裂成因分析

東城凹陷發(fā)育著許多生長擾動，其活動影響了地層的沉積和剝離，控制了塌陷的形成和發(fā)展?？梢哉f，斷裂活動代表了古代和現(xiàn)代東平塌陷的構造活動，是構造活動的主要形式。因此,研究斷層的活動規(guī)律,就能夠揭示東營凹陷古近紀構造活動的特征。自20世紀以來,前人就對東營凹陷古近紀的斷裂活動做過大量的研究工作,但只限于對東營凹陷局部構造特征的研究。筆者利用斷層落差法,在東營凹陷古近紀斷裂構造幾何學研究的基礎上,分析凹陷各級斷層在沙河街期和東營期的斷裂活動特征,以期對東營凹陷的構造演化特征取得整體的認識。1陳南斷層-南緣基底結構東營凹陷位于濟陽坳陷東南部,為渤海灣盆地濟陽坳陷中的一個次級構造單元,是受陳家莊南基底大斷裂控制的箕狀斷陷盆地。凹陷北以陳南斷層為界,與陳家莊凸起相鄰,南以齊河-廣饒斷裂為界,與魯西隆起及廣饒凸起相鄰,向西以平南斷層和高青斷層為界,向東與青坨子凸起相鄰(圖1)。受陳南大斷裂的控制,東營凹陷主要發(fā)育有北東向、北西向和近東西向3組基底正斷層。北緣的陳南斷層西段走向為北東東向或近東西向,東段為北西西—東西向;西緣的平南斷層和高青斷層的總體走向為北東—北北東向。東營凹陷的斷層在中部和南部以北傾為主,與陳南斷層的傾向相反;北部斷層傾向主要向南傾,與陳南斷層的傾向相同;在西部受高青、平南、濱南等斷層的控制,斷層傾向以南東向為主。2中斷活動特征2.1層演化史及斷層活動強度的假設條件由于東營凹陷是受斷層控制的伸展半地塹,除在凹陷內部存在正常發(fā)育的生長斷層外,北部邊界存在規(guī)模大、活動時期長、上升盤缺失的控凹斷層,斷層生長指數(shù)為無窮大,無法使用其準確地研究這些邊界斷層在各個地質時期的活動強度,因此本文中采用斷層古落差法來研究東營凹陷斷裂活動特征。在應用斷層古落差研究生長斷層演化史及斷層活動強度時有以下前提和假定條件:(1)準確可靠的上、下盤地層單位的對比;(2)剝蝕區(qū)生長斷層上、下盤剝蝕厚度一致;(3)斷層落差沒有考慮沉積壓實因素;(4)研究區(qū)斷層的斷面產狀一致。當然,在計算斷層古落差時還應考慮塑性流動和古水深等因素的影響。在有沉積補償?shù)那闆r下,沉積盆地的沉降幅度等于沉積物的厚度,可以用兩盤地層厚度分別代表生長斷層兩盤的下降幅度。雖然計算斷層古落差應考慮壓實作用、剝蝕作用、塑性流動、古水深等因素的影響,但只要斷層線附近沉積表面沒有明顯的高度差,就可以用兩盤的地層厚度差代表兩盤的下降幅度差,而不必考慮整個盆地是否有沉積補償。根據(jù)斷層切割深度及斷層的規(guī)模,可將東營凹陷生長斷層分為三級,其中一級斷層基本為古近系的邊界斷層,落差達千米,如陳南斷層、高青斷層和濱南斷層;二級斷層是控制構造帶的主斷層,落差在數(shù)十至數(shù)百米,如平南斷層、石村斷層、勝永斷裂、中央斷裂、陳官莊斷裂、八面河斷裂和博興斷裂;而由一、二級斷層派生的三級斷層落差則不大。2.2雙向拉伸構造模式東營凹陷在古近紀經(jīng)歷了強烈的伸展活動,按照構造與沉積旋回,對應著6個三級構造層序的發(fā)育時期,將研究時期(沙三期到東營期)劃分為6次伸展活動,即沙三早期、沙三中期、沙三晚期—沙二早期、沙二晚期—沙一期、東營早期、東營晚期。根據(jù)伸展斷層的延伸方向,可以看出凹陷斷層伸展方向為雙向伸展構造模式,即北西南東向和近南北向。其中,在近南北向上,東營凹陷東部636測線上的伸展量和伸展率最大的時期是沙三下。從沙三期至東營期,伸展活動強弱交替,沙三下、沙三上—沙二下時期、東營早期是強烈伸展期,沙三中期、沙二上—沙一期、東營晚期屬于弱伸展期(表1)。2.3沙二期—主要斷裂活動特征陳南斷裂位于東營凹陷的北部,是東營凹陷和陳家莊凸起的邊界斷裂,主斷層和在下降盤與其大角度相交的數(shù)量不多的次級斷層組合。沙三早期,陳南斷層明顯分為東西兩段,斷層西段走向近東西,東段走向近南北。該斷裂上升盤是陳家莊凸起剝蝕區(qū),沙三—東營期斷層落差由大變小(表2)。勝永斷裂由勝坨斷層和永安鎮(zhèn)斷層組成,位于陳南斷裂的下降盤,屬于“二臺階”斷裂,呈弧形,主斷層南傾,派生的次級斷層主要位于主斷層的下降盤并與主斷層相交。斷裂活動早期強烈,晚期變弱。在沙三期—沙二早期,斷裂活動強烈,勝永斷層分為東西兩段;在沙二晚期—東營期,斷裂活動相對減弱,勝永斷層在平面上呈弧形發(fā)育。中央斷裂帶位于勝永斷裂的南部,呈北東東向延伸,分東西兩段。西段由一系列走向東西的左列雁行式斷層組成,反映出斷裂帶的右旋走滑性質,主斷層傾向為北北西向,位于斷裂帶的南側。中央斷裂東段由一系列走向近東西向的斷層平行排列,西部斷層以南傾為主,東部斷層以北傾為主。在沙三期—沙二早期,斷層活動較強烈,主要發(fā)生在中央斷裂東段,且發(fā)生斷裂活動的主要為主干斷層;在沙二晚期—東營期斷裂活動明顯減弱,在主干斷層活動的同時,其派生斷層及分支斷層較為發(fā)育,且斷裂活動主要發(fā)生在中央斷裂的西段(表2)。陳官莊王家崗斷裂帶位于陳官莊與王家崗地區(qū),面積約400km2。斷裂延伸較長(5km左右),發(fā)育時間早,走向為北東東向,傾向為北北西向,傾角為30°～55°。在剖面上呈現(xiàn)上陡下緩,在平面上以兩條大致平行的斷裂帶呈雁列排列。沙三—沙二期,斷裂為強烈的拉張期,沙二末—東營期,斷裂活動減弱。石村斷裂位于陳官莊王家崗斷裂帶的西南部,為東營凹陷基底主斷裂之一,是博興洼陷與利津洼陷和牛莊洼陷的分界,呈北西向延伸,傾角為30°～45°,長約40km。斷裂由一系列東西走向的斷層右列雁行式排列而成,反映出左旋走滑性質,內部斷層以南傾為主。此斷層活動時期較早,主要活動時期為侏羅晚期—白堊早期,孔店—沙四早期,進入沙二晚期石村斷層大部分消亡,沙一—東營期,大型繼承性石村鼻狀構造基本定型。八面河斷裂位于東營凹陷的東南角,為東營凹陷東南邊界,靠近魯西隆起呈北東向延伸,傾向為南東向,傾角為50°～60°,延伸長度約36km。斷裂主要活動時間為侏羅晚期—白堊早期,孔店—沙四期,進入沙二晚期基本停止活動。其內部斷層具分叉和左列雁行組合,反映出右旋走滑特征。2.4利津、牛莊洼陷晚構造單元特征東營凹陷斷層發(fā)育,盆地邊緣一級斷層和內部二級斷層的活動形成半地塹、半地壘和地塹地壘形式的斷塊體。在東營凹陷的東半部,利津、牛莊洼陷在沙三—沙二期、沙一—東營期為反向半地塹組合型式,從北向南構造單元依次為利津半地塹、中央隆起帶半地壘、牛莊半地塹(圖1)。根據(jù)沙三—沙二期、沙一—東營期半地塹和半地壘斷塊體組合的分布特點可以看出,整個東營凹陷具有南北分區(qū)塊斷的構造特征。2.5陳南斷層特征東營凹陷在沙三—沙二下沉積時期,構造應力場近北西向拉伸,北東向斷裂活動強烈,湖盆向北西斷、南東超的半地塹轉化,為盆地斷陷作用和擴張作用的主要階段,盆地的沉降幅度加大,擴張速度加快,區(qū)內主要斷層處于發(fā)育高峰時期。沙三早期,東營凹陷活動明顯的斷層有45條。陳南斷層呈東西兩段特征明顯,勝永斷層分為東西兩段,中央斷層由主斷層和與其斜交的派生斷層組成,派生斷層主要發(fā)育在主斷層的下降盤,陳官莊斷層、八面河斷層和石村斷層均為雁列式斷層。落差最大的斷層是勝坨斷層,達450m;其次是中央斷裂帶主斷層的東段,達300m(圖2)。沙三中期,除盆地邊緣陳南斷裂強烈活動之外,發(fā)育于東營凹陷南斜坡上的反向調節(jié)式斷裂帶——陳官莊王家崗斷裂帶的活動明顯加強;沙三晚期,緩坡帶反向斷裂活動向盆地內部遷移,梁家樓現(xiàn)河弧形滑脫斷裂帶活動加強,與北側強烈活動的勝北斷層對接,形成了大型弧形滑脫斷裂構造體系。沙二上亞段至東營組沉積期伸展裂陷活動減弱,凹陷基本保持前期形成的構造格局。該時期除主干斷層繼續(xù)活動外,其次生或分支斷層活動活躍,北西向斷層消亡或僅有微弱活動,如石村斷層大部分消亡,僅東南端有微弱活動;北北東向及北東東向斷層穩(wěn)定發(fā)育,地層均呈北東向展布,尤其北東東向斷層活動增強;近東西向的伸展斷層如濱北斷層穩(wěn)定發(fā)育。該時期凹陷內一些大型繼承性鼻狀構造基本定形,如石村鼻狀構造等。東營中央背斜帶及其復雜的斷裂系統(tǒng)在構造及非構造因素的共同作用下也已形成。在該時期,東營凹陷明顯活動的斷層有45條,斷裂系統(tǒng)與沙二晚期—沙一期基本一致,斷層條數(shù)增加,累積斷層落差明顯小于沙三晚期—沙二早期。陳南斷層的弧形特征明顯,其東段斷層落差最大達280m,其次是勝坨斷層和中央斷層中段主斷層,落差達150m;中央斷層中段的一條分支斷層,其落差為100m(圖3)。2.6區(qū)域構造背景沙三—沙二早期,東營凹陷北東向斷裂活動強烈,區(qū)內主要斷層處于發(fā)育高峰時期,沙三早、中期,東營凹陷中央斷裂東段、高青斷裂、陳南斷裂及其二臺階上的勝永斷裂活動強度較大,陳南斷層明顯分為東西兩段,斷層落差較大。沙二—沙一期與沙三—沙二早期的斷裂活動差異較大,斷層條數(shù)增加,累積斷層落差明顯小于沙三晚期—沙二早期,中央斷層由主斷層和與其斜交的派生斷層組成,派生斷層主要發(fā)育在主斷層的北盤(下降盤),東營凹陷中央斷裂西段、高青斷層、陳南斷裂及勝永斷層活動強度較大。東營晚期,斷裂系統(tǒng)與沙二晚期—沙一期基本一致,累積斷層落差明顯小于沙二晚期—沙一期,勝坨斷層、中央斷裂帶北界斷層及高青斷層和濱北斷層的派生斷層勝永斷裂活動強度較大。斷層沿走向分段活動的特征反映出東營凹陷內具有區(qū)域性的伸展應變調節(jié)。其原因可能是由于地幔上涌引起的地殼北西—南東向引張作用,并在北北東向深斷裂帶右旋走滑位移導致的近南北向引張的共同作用下,東營凹陷表現(xiàn)出北西南東向和南北向的雙向伸展變形的基本特點。東營凹陷的各個斷裂的主干斷層活動時間較長,貫穿整個第三紀,往往是一側主干斷層活動,在不同走向段上又為多期、多組不同產狀的次級或派生正斷層切割。在北部邊界的陳南斷層南斷裂的影響下,凹陷中部的中央斷裂在沙二—沙一期斷裂活動達到頂峰,之后活動強度衰減,到了東營組末期中央斷裂構造帶已經(jīng)定型;靠近中央凹陷南部邊緣的石村斷層在沙三期以前就已經(jīng)開始發(fā)育,到了沙二晚期其活動基本停止;凹陷南部邊緣的陳官莊斷層活動至沙二晚期后向南超覆在魯西隆起區(qū),從而在構造橫剖面上形成了東營凹陷北斷南超的構造格局。3沙三—結論(1)斷層落差可定義為某地質歷史時期的垂直斷層滑距,應用斷層落差法可以解決傳統(tǒng)的斷層生長指數(shù)無法有效反映斷層上升盤缺失的問題。(2)東營凹陷在古近紀經(jīng)歷了6次強烈的伸展活動,在近南北向的伸展方向上,沙三—東營期伸展活動強弱交替。沙三下、沙三上—沙二下時期、東營早期是強烈的伸展期;沙三中、沙二上—沙一期、東營晚期屬于弱伸展期。(3)東營凹陷的斷層在平面上、剖面上有多種不同的幾何形態(tài)。盆地邊緣斷層和內部斷層的活動形成東營凹陷內部的半地塹、半地壘和地塹地壘形式的斷塊體,其斷塊體組合分布使整個東營凹陷具有南北分區(qū)塊斷的構造特征。(4)斷裂活動的時空分布具有不均一性。沙三—沙二早期,東營凹陷的斷裂活動強度普遍較大,活動主要為主干斷層;沙二晚期