渤海湾盆地地球动力学.indd

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1 渤海湾盆地地球动力学 侯贵廷著 科学出版社职教技术出版中心 北京

2 内容简 介 渤海湾盆地是我国东部重要的含油气盆地, 是目前我国油气总产量最高的盆地 本书通过大地构造 构造地质 沉积相分析 火山岩地球化学 重磁层析成像和力学数值模拟, 全面系统地研究了渤海湾盆地中 - 新生代构造演化及其地球动力学, 提出渤海湾盆地是一个中 - 新生代的复合型叠合盆地 中生代渤海湾地区在郯庐断裂带内发育北北东向裂谷, 而在郯庐断裂带以西发育一系列雁行排列的北西向狭窄地堑 ; 新生代渤海湾盆地发展成控盆断裂为北东东和北北东走向的拉分盆地 渤海湾盆地是在华北克拉通东部地台基础上发展起来的一个中 - 新生代叠合型裂谷盆地, 是华北克拉通破坏的产物, 也是华北克拉通破坏的重要地质事件标志 渤海湾盆地地球动力学研究对渤海湾盆地深部油气勘探和克拉通破坏研究具有重要的理论和实践意义 本书可供地质学类科研人员以及高等院校相关专业的师生参考 图书在版编目 (CIP) 数据渤海湾盆地地球动力学 / 侯贵廷著. 北京 : 科学出版社,2014 ISBN Ⅰ.1 渤 Ⅱ.1 侯 Ⅲ.1 渤海湾盆地 - 地球动力学 Ⅳ.1P942 2 P541 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2014) 第 号 责任编辑 : 王钰 / 责任校对 : 马英菊责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 耕者设计工作室 科学出版社发行 北京东黄城根北街 16 号 邮政编码 : 出版 印刷 各地新华书店经销 * 2014 年 6 月第一版开本 :B5( ) 2014 年 6 月第一次印刷印张 :13 1/4 字数 : 定价 : 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 ) 销售部电话 编辑部电话 (BA08) 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

3 Preface 序 渤海湾盆地是中国油气资源最丰富的盆地, 也是中国东部岩石圈最薄的地 区, 在中国东部大地构造研究中具有重要的理论意义和油气勘探意义 渤海湾盆 地的深部地质及其地球动力学研究在我国东部地质研究中相对薄弱 渤海湾盆地 的构造演化及成因机制研究是中国东部大地构造, 尤其是华北克拉通破坏研究的 重点 搞清渤海及邻区的构造演化及其动力学机制对渤海湾盆地的深层油气勘探 具有重要的指导意义 本书以渤海湾盆地的构造特征研究为基础, 运用叠合盆地分析方法, 如构 造解析 沉积相 平衡剖面和应力场数值模拟等方法, 研究渤海湾盆地及邻区的 中 - 新生代构造演化 本书还利用深部地质的重磁层析成像方法, 结合火山岩同 位素示踪的壳幔演化分析, 综合研究渤海湾盆地形成的地球动力学 本书系统研究了渤海湾盆地的伸展构造 走滑构造和反转构造等类型 渤 海湾盆地在中 - 新生代经历了大规模伸展和走滑运动 中生代渤海地区的构造 主要为郯庐断裂带左旋走滑及其以西的北西向雁列式狭窄断陷的伸展构造 古 近纪沙河街时期因郯庐断裂转为右旋走滑导致渤海湾盆地发展成为拉分盆地, 盆地内部发生广泛的大规模伸展运动 古近纪东营时期和新近纪渤海湾盆地内 的走滑运动再次加强, 导致花状构造和反转构造比较发育 根据构造 - 沉积相分析, 结合生长断层的生长指数 沉积厚度变化和平衡剖 面分析, 认为渤海湾盆地各期控盆断裂控制了盆地的中 - 新生代沉积物厚度和沉 积相分布, 断陷强度和沉积中心具有从盆地边缘向渤中拗陷迁移的演化趋势 中 生代沉积在东部基本沿郯庐断裂带分布, 而在西部沿北西向渤张断裂带及在鲁西 地区一些北西向小型地堑内分布, 新生界部分继承或部分相干叠加在中生界盆地 上, 因此渤海湾盆地是一个中 - 新生代叠合型盆地 科学出版社职教技术出版中心 根据中生代晚三叠世和晚侏罗世两个时期华北克拉通的构造格局, 利用二 维弹性有限元数值模拟方法, 计算得到这两个时期华北克拉通的构造应力场

4 ii 渤海湾盆地地球动力学 模拟结果与实测应力方向十分吻合, 表明华北克拉通在中生代从晚三叠世到晚侏罗世是从古亚洲洋域向太平洋域转换的重要时期, 是华北克拉通破坏的关键时期 该时期郯庐断裂带对华北克拉通东部的早期破坏起重要作用 从晚三叠世到晚侏罗世, 华北东部的区域最大主压应力方向从近南北向转化为北西向, 也是郯庐断裂带发生左旋走滑的主要时期 新生代渤海湾盆地在沙三期和东营期两个重要的裂谷发育时期, 在北东东 - 南西西向区域挤压作用力下先存断裂格局可以形成近东西向最大主压应力, 有利于近东西向次级正断层的发育, 有利于近南北向的伸展拉分 渤海的火山岩是壳下富集型岩石圈地幔的部分熔融成因, 是中 - 新生代华北克拉通破坏而形成的板内大陆裂谷环境火山活动的产物 渤海火山岩的岩浆源从中生代至新生代具有从典型的富集型地幔向接近原始地幔演化的趋势, 这可能与新生代渤海地区大规模的岩石圈伸展减薄有关, 是深部地幔物质上涌与富集型地幔混染的结果 基于渤海中部重磁异常高的层析成像研究, 我们得到渤海地区深部地质结构 研究表明, 渤中重磁异常高是同一场源体引起的, 很可能是一个深成基性 - 超基性侵入岩体, 并在中浅层次形成火山岩或次火山岩构造 该基性 - 超基性深成岩体可能是下地壳底部板底垫托的基性 - 超基性岩浆沿渤中拗陷北西向和北北东向两组具走滑性质的岩石圈断裂交汇处向上运移而侵位于中下地壳的岩浆囊冷却结晶而成, 其中部分较轻的基性 - 超基性岩浆由于上地壳伸展作用释压熔融而向上泵吸至地表喷出, 形成基性火山岩或次火山岩构造, 而富集 Yb Ni 和 Cr 的石榴石和尖晶石等较高密度的物质则残留在地壳深部的基性 - 超基性岩浆囊中, 形成重磁异常高区 结合盆地分析和深部地质学研究, 本书最后提出渤海湾盆地靠近大型走滑断裂带的拆离 - 纯剪切地球动力学成因模式 本书最后一章利用弹性有限元数值模拟方法, 对裂谷概念模型开展了裂谷发育和演化的动力学机制及影响因素分析 有限元模拟结果表明, 区域拉张作用力和岩石圈持续减薄最有利于裂谷的发育和演化, 是多种因素中最重要的影响作用 铲形正断层比高角度正断层更有利于裂谷的发育和演化 本书绪论 第一章由侯贵廷 李乐和张庆莲执笔, 第二章至第八章由侯贵廷执笔, 第九章由张鹏和侯贵廷执笔, 结语由侯贵廷执笔, 张庆莲清绘了本书全部插图 感谢张庆莲 张鹏 叶良新 杨默函 华金玉 史艳丽 王传成 王延

5 序 iii 欣 肖芳锋 李乐 孟庆峰 舒武林 鞠玮和陈小龙参加了部分工作 感谢中国海洋石油总公司研究院的罗毓晖教授 武文来教授和蔡东升教授等给予的大力帮助 感谢中国石油化工总公司胜利油田的刘兴才局长和地质录井公司的陈嘉树总地质师给予的支持和帮助 感谢中国石油天然气总公司辽河油田的陈振岩总地质师的大力支持和帮助 感谢北京大学地球空间学院的史教授和中国科学院地质地球物理研究所的刘长风研究员在地球物理方面的指导和帮助 侯贵廷 2014 年 5 月 5 日 北京大学燕园 科学出版社职教技术出版中心

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7 Contents 目录 序 绪论 1 第一章裂谷盆地构造研究进展 5 第一节裂谷盆地分类的进展 6 第二节裂谷盆地的伸展构造 13 第三节裂谷盆地的走滑构造 16 第四节裂谷盆地的深部地质 20 第五节裂谷动力学机制研究历史 24 第二章渤海湾盆地区域地质 29 第一节区域地质背景 32 第二节渤海湾盆地中生代格局 37 第三节新生代华北克拉通破坏 41 第三章渤海湾盆地构造地质特征 45 科学出版社职教技术出版中心 第一节断裂构造分布特征 47 第二节伸展构造系统 52 第三节构造运动学恢复与分析 58 第四节走滑构造系统 72 第五节反转构造特征 79 第四章渤海湾盆地中 - 新生代应力场 82 第一节华北中生代应力场数值模拟 82 第二节渤海湾盆地新生代应力场数值模拟 92

8 vi 渤海湾盆地地球动力学 第五章渤海湾盆地的构造 - 沉积体系 100 第一节区域地层特征 100 第二节构造 - 沉积分析 105 第六章渤海地区火山活动 113 第一节火山活动的时空分布 113 第二节火山岩的地球化学 119 第七章渤海重磁异常层析成像 126 第一节渤海重磁异常基本特征 126 第二节层析成像的基本方法 129 第三节渤海中部磁位场层析成像 131 第四节渤海中部重力位场层析成像 139 第五节渤海中部重磁异常高的深部地质意义 148 第八章渤海湾盆地构造演化动力学 151 第一节渤海湾盆地中 - 新生代构造性质 151 第二节渤海湾盆地构造演化及动力学模式 156 第九章裂谷盆地动力学分析 163 第一节主动裂谷发育过程的数值模拟 164 第二节被动裂谷发育的影响因素分析 173 结语 191 主要参考文献 193

9 绪 论 华北板块东部的渤海湾盆地是我国重要的石油工业基地 盆地陆上部分的研究 和勘探开发程度较高 渤海是渤海湾盆地的海域部分 以前由于渤海油气区属于对 外合作区, 地质资料对外保密, 海洋勘探资料较少公开, 因此, 渤海的地质研究相 对薄弱, 特别是渤海中 - 新生代的详细构造演化及地球动力学研究则更少 1993 年 以来, 从渤海湾盆地南部至北部, 作者先后主持了有关济阳拗陷 渤海拗陷和下辽 河拗陷的构造地质课题 这些研究工作为系统研究渤海湾盆地的构造演化及地球动 力学机制奠定了坚实的基础 渤海湾经济圈是我国继珠江三角洲经济圈和长江三角洲经济圈的又一个国家 重点发展的地区 搞清渤海及邻区的构造演化和动力学机制与油气分布的关系, 对于渤海湾盆地深层和海上的油气勘探具有重要的指导意义 20 世纪 80 年代以来 一些学者陆续对渤海的各种地质问题进行了研究, 发表了一系列文章和专著 郝 科学出版社职教技术出版中心 书俭和王春华 (1982) 对渤海地区居里面深度进行了研究 陈墨香等 (1984) 对 渤海的热流场进行研究, 计算出渤海的热流值和地温梯度分布 刘星利 (1987) 研究了渤海构造展布与油气分布的关系 1987 年出版的 中国石油地质志 第 16 卷上册是渤海油田第一次比较系统地对外公开渤海海域的石油地质基础资料和 研究成果, 比较系统地总结了渤海的地理 地层 构造和生储盖石油地质基本特 征 张之立和邓玉琼 (1989) 研究了渤海陆缘地震的力学特征和成因 孙若昧等 (1993) 对渤海及其邻区开展了地震层析成像研究, 初步提出渤海深部构造样 式 张恺 (1993) 和滕吉文等 (1997) 分别探讨了渤海的地球物理场和深部壳 - 幔结构及其与油气分布的关系 另外, 近二十年来增加了大量渤海外围各拗陷的

10 2 渤海湾盆地地球动力学 研究资料和文献 ( 漆家福等,2008,2010) 这些研究都为渤海及邻区的构造演化研究和地球动力学分析奠定了基础, 使深入系统地研究渤海及邻区的构造演化和动力学成为可能 渤海是一个半封闭的现代陆表海, 为海陆交互相, 是一个第四纪陆表海盆地 海底地质构造单元划分表明渤海是中 - 新生代渤海湾盆地的海域部分, 因此, 渤海及邻区地球动力学研究不能孤立地只研究渤海海域, 而应该考虑研究整个渤海湾盆地, 甚至整个华北克拉通 近二十年来一些学者先后研究了渤海湾盆地的构造特征 陈发景 (1983) 提出渤海湾盆地是一个伸展盆地, 以伸展构造为主 进入 20 世纪 90 年代以来, 国内一些学者开始逐渐认识到走滑构造的作用 ( 钱祥麟,1994; 陆克政和王章俊,1997; 侯贵廷等,1998) 陆克政和王章俊等 (1997) 和王涛 (1996) 在中国东部中 - 新生代盆地研究中分别提到走滑构造也是渤海湾盆地的主要构造类型 ( 漆家福等,2008,2010) 但以上仅局限在渤海湾盆地的陆上部分的研究, 对渤海海域的伸展构造和走滑构造等构造类型和构造演化的研究很少 渤海海域是渤海湾盆地岩石圈最薄的地区, 位于四大基底单元的交汇处, 郯庐断裂带也从该海域经过, 因此, 渤海海域的构造类型和构造演化研究是渤海湾盆地形成机制研究的基础和关键 近三十年来, 对渤海湾盆地形成机制的认识有许多学者论述过, 可以归纳为三种观点 其一, 认为渤海湾盆地属于弧后盆地, 也就是说盆地形成的动力学原因是新生代太平洋板块向亚洲大陆俯冲产生的弧后扩张作用 ( 李德生,1979; 李德生和薛苏浩,1983; 刘和甫,1993; 王涛,1996) 其二, 认为是大陆板内 主动裂谷, 动力来源于渤海中部下方存在 地幔柱 作用 ( 马杏垣等, 1983;Ma and Wu,1987) 其三, 认为是大陆板内 被动裂谷, 印度板块与欧亚大陆板块碰撞引起华北板块向东逃逸, 从而在华北东部形成新生代伸展拉张的构造环境 ( 朱夏等,1983; 赵重远和刘池洋,1990; 钱祥麟,1994) 分析以上各种观点, 假如中国东部受太平洋板块俯冲引起弧后扩张作用, 那么中国东部各盆地 ( 松辽盆地 渤海湾盆地 南华北盆地和江汉盆地等 ) 应该有统一的演化历史 实际上, 这些盆地的发展演化很不一样 例如, 松辽盆地在晚侏罗世火山活动强烈, 断陷发育, 早白垩世时整体拗陷, 古近纪抬升 ; 而渤海湾盆地晚侏罗世只有断陷, 早白垩世才发生大规模火山活动, 古近纪发生大规模的强烈断陷, 新近纪则以拗陷发育为主 ( 刘德来,1996; 陆克政和王章俊,1997; 侯贵廷等, 1998) 显然, 这些平行于东亚大陆边缘呈北北东向展布的盆地并非受太平洋弧

11 绪论 3 后统一的构造环境控制, 每个盆地有各自独立的动力学成因机制 假如渤海湾盆 地是地幔柱成因的主动裂谷, 则大地热流值很高, 可是该盆地内的大地热流值低 于美国盆岭省典型被动裂谷盆地的热流值, 而且热流值等值线明显受盆地凸起和 凹陷的构造格架控制, 明显受控伸展构造格局, 与 地幔柱 成因观点不一致 另外, 渤海湾盆地紧邻太平洋西岸, 中 - 新生代明显受太平洋板块俯冲的影 响, 印度板块与欧亚板块新生代的碰撞作用只是对华北板块的远程效应, 因此, 不能只考虑华北板块向东逃逸产生的拉张环境, 太平洋板块对中国东部的影响应 该是最直接的, 尤其是中生代晚期 郯庐断裂带从渤海湾盆地东部经过, 这条北 北东向的大型岩石圈断裂的中 - 新生代走滑构造作用对渤海湾盆地一定具有重要 影响 20 世纪 90 年代以来, 学者们开始逐渐认识到要从整个东亚构造系统全面地 考虑渤海湾盆地的成因机制, 并从先存断裂格局来分析断裂构造演化序列 ( 钱祥 麟,1994; 陆克政和王章俊,1997; 侯贵廷等,1998; 童亨茂等,2003) 不但 要考虑太平洋板块的直接作用和印度板块的远程效应影响, 还要考虑扬子板块对 华北板块碰撞的持续效应和郯庐断裂带的作用 (Hsiao et al.,2004; 漆家福等, 2008,2010;Li et al.,2012a,2012b) 根据以上综合分析, 渤海湾盆地的构造演化及其地球动力学还存在以下几个 问题有待解决, 成为本书的主要研究内容 问题 (1) 盆地的性质 基本构造类型及其运动学研究 (2) 盆地的主要成盆断陷期的划分和断陷活动强度及其沉积中心的迁移 (3) 渤海火山岩成因及其源区的壳幔演化问题 (4) 渤海中部的重磁高异常体的性质及其深部地质意义 (5) 渤海湾盆地的构造应力场演化问题 (6) 渤海湾盆地形成的地球动力学模式 钱祥麟 (1994) 和侯贵廷等 (1998,1999,2000,2001,2003;Hou et al.,2010,2014) 先后多次提出要系统地从东亚统一的大地构造背景分析中国 东部和渤海湾盆地构造问题 首先要重视以下几点根本事实和基本认识 : (1) 扬子板块对华北板块碰撞后晚中生代的持续推挤效应 (2) 晚中生代郯庐断裂的左旋走滑运动及其以西发育雁列的北西向窄小 地堑系 科学出版社职教技术出版中心 (3)42Ma 太平洋板块由北北西向俯冲转为北西西向俯冲, 使中国东部的

12 4 渤海湾盆地地球动力学 构造应力场发生改变, 郯庐断裂带由左旋走滑转为右旋走滑 (4) 古近纪以来华北板块内发育一系列断陷盆地, 如始新世开始形成的渤海湾盆地和渐新世开始形成的汾渭地堑, 华北克拉通发生了破坏活动 (5) 古近纪渐新世 (32Ma) 以来日本海的打开和朝鲜半岛的裂离以及青藏高原的急剧隆升, 两种作用在华北地区存在耦合作用 渤海是渤海湾盆地的一部分, 只有渤中拗陷是其独有的, 其他拗陷都是陆上各拗陷延伸的海域部分 因此, 本书是以渤海海域为主并结合邻区的研究成果, 统一研究渤海湾盆地的构造演化及其成因机制 从华北板块区域地质对比分析, 渤海湾盆地与华北板块上的其他各种规模的中 - 新生代断陷盆地有一定的相互联系 从华北板块中 - 新生代所处的大地构造位置分析, 研究渤海及邻区的构造演化及地球动力学应该放到中 - 新生代整个东亚大地构造系统中研究 要运用板块构造学和现代大陆地质学理论, 从各板块的相互作用和内部活动 深部构造与浅部构造 各块体运动学和动力学机制来进行系统研究, 运用盆地分析的方法, 从盆地构造 沉积作用和火成活动以及应力场分析入手, 结合华北板块及东亚构造系统分析, 探讨渤海及邻区中 新生代构造演化及其地球动力学机制 近十年来, 大量有关盆地分析 伸展构造 走滑构造和壳幔演化及深部地质等大陆地质学的新成果为深入研究渤海湾盆地的构造演化及地球动力学奠定了坚实的基础 以板块构造学和深部地质学理论为基础的地质思维和先进的数值模拟方法为我们全面系统地研究渤海湾盆地形成机制提供了有效的研究路线和手段 本书对渤海湾盆地的中 - 新生代构造做了详细 系统的研究, 并开展了运动学和动力学的定量分析 本书采用构造与沉积相结合的分析方法, 结合控盆断裂的生长指数和伸展率的统计分析, 提出渤海及邻区中 - 新生代盆地演化史, 厘定了中 - 新生代渤海湾盆地的三个重要裂谷发育时期和发育规律及强度 ; 并利用重磁层析成像技术反演深部构造, 结合火山岩的同位素地球化学分析, 提出渤海湾盆地中 - 新生代构造演化的地球动力学模式

13 第一章裂谷盆地构造研究进展 5 第一章裂谷盆地构造研究进展 大地构造学自 19 世纪末和 20 世纪初槽台学说建立至 60 年代板块构造学说诞生 以前, 在地质学界固定论占主导地位, 是以一维的垂直升降运动解释地壳运动 20 世纪 60 年代板块构造学说建立之后, 对地壳运动的认识发生了重大的飞 跃, 人类开始以活动论观点从水平运动和垂直运动二维的角度来认识地壳运动 (Sengor,1990), 包括重新认识裂谷盆地 裂谷 (rift) 这个词最早用来描述东非地区那种有火山和地震活动的狭长而 深陷的大型断陷湖盆, 即东非大裂谷 后来,Burke 和 Sengor(1986) 给出了裂 谷定义, 即岩石圈伸展破裂而形成的狭长断陷 二十多年来, 裂谷的理论和研究方法及其油气勘探都得到全面发展 全球 30% 的油气资源富集在各类大陆裂谷盆地内, 可见裂谷盆地具有重要的油气勘探 价值 近些年来, 我国开展海外油气资源评价也促进了全球裂谷盆地研究和油气 勘探实践的发展 裂谷概念提出后, 近几十年来裂谷本身的定义没有多大变化, 主要研究进展 是大陆裂谷类型的分类及其动力学机制研究 科学出版社职教技术出版中心

14 6 渤海湾盆地地球动力学 第一节裂谷盆地分类的进展 国内学者近三十年来开展了裂谷分类 裂谷构造和沉积及其油气地质的研究 李德生 (1979) 朱夏等(1983) 陈发景(1983) 高明修(1983) 漆家福和陈发景 (1992) 陆克政和王章俊(1997) 侯贵廷等(1998) 先后对国内重点裂谷盆地 ( 如渤海湾盆地 ) 开展了盆地地质和油气地质的研究工作, 主要集中在盆地性质讨论 盆地构造单元划分 构造样式研究 沉积地质和油气地质研究方面, 而裂谷盆地形成的动力学机制方面研究一直比较薄弱 国际上根据板块构造理论将裂谷盆地分为稳定大陆边缘裂谷系列和活动大陆边缘裂谷系列 其中, 稳定大陆边缘的裂谷包括陆内裂谷 陆缘裂谷和边缘海裂谷 活动大陆边缘裂谷包括弧后裂谷和弧间裂谷等 根据裂谷形成的力学机制, 国际上将裂谷分为拉张成因裂谷 挤压成因裂谷和走滑成因裂谷 从岩石圈地球动力学方面, 裂谷分为三种动力学模式, 即纯剪切模式 (Mckenzie 模式 ) 简单剪切模式 (Wernick 模式 ) 和混合模式 (Barbier 模式 )(Ziegler and Cloetingh, 2004) 其中, 简单剪切模式又被 Lister 和 Davis (1989) 发展成为简单剪切 - 拆离模式, 而 Barbier 提出的混合模式是纯剪切模式和简单剪切模式的复合模式, 并未考虑中地壳的近水平拆离作用 Ziegler 和 Cloetingh(2004) 在 Earth Science Review 上系统总结了国际上百年来裂谷理论的研究进展和现状, 认为近二十年来, 国际上裂谷研究的热点主要集中于主动裂谷和被动裂谷分类及其地球动力学机制研究, 并针对以上三种动力学模型从岩石圈尺度利用地球物理勘探手段和数值模拟技术开展裂谷盆地动力学机制研究 ( 侯贵廷等,2003;Lin et al.,2005; 李乐等,2011) 一 裂谷的定义与分类 裂谷是地球深层作用的地表断陷构造, 以高角度断层为界呈长条状的地

15 第一章裂谷盆地构造研究进展 7 壳下降区 在 1894 年, 英国人 Gregory 在研究东非大裂谷时, 首次使用了 rift valley ( 裂谷 ) 一词, 用来描述东非发育火山与地震 狭长而深陷的大型地堑 (Ziegler and Cloetingh,2004) 裂谷是板块构造运动过程中, 大陆崩裂至大洋开启的初始阶段的构造类型, 也是岩石圈板块生长边界的构造类型, 在陆壳区 大洋中脊上均有发育, 代表威尔逊旋回的初始阶段 大陆裂谷多为二元结构 ( 俗称 牛头结构 ): 早期为断陷期, 对应裂谷下部构造层 - 断陷, 为同裂谷阶段 ; 晚期为拗陷期, 对应裂谷上部构造层 - 拗陷, 为后裂谷阶段 ( 图 1-1) (a) 断陷期 (b) 拗陷期 滨湖相 深湖 - 半深湖相 河流 - 泛滥平原相 火山岩 图 1-1 裂谷的演化阶段及其双构造层 ( 刘和甫等,2005) 裂谷盆地的分类包括形态分类 构造分类和动力学分类等 1. 大陆裂谷的形态分类 按大陆裂谷控盆断裂的平面形态划分, 可以分出六种形态, 如图 1-2 所示 (1) 平行带状 : 通常由一些平行的半地堑及它们之间的横向凸起组成 (2) 侧列状 : 由平行不连续的侧列叠复构造单元组成裂谷 (3) 雁列状 : 在走滑断层构造中常见, 近似直立断层, 伴生正或负花状构 造, 为区域扭动作用的产物 科学出版社职教技术出版中心 (4) 锯齿状 : 通常为两条平行的接近型边界正断层和其间相接的横向凸起及分支正断层组成 (5) 狗腿状 : 除侧列并置的边界正断层, 还有与之相连并呈 30 相交的另一分支断层, 组成狗腿状断层形状 (6) 似弧状 : 两条不同方向的边界正断层及其控制的伸展断块常近似弧状分布

16 8 渤海湾盆地地球动力学 沉积盆地 沉积盆地 沉积盆地 沉积盆地 沉积盆地 (a) 平行带状 (b) 侧列状 (c) 雁列状 沉积盆地 沉积盆地 沉积盆地 沉积盆地 (d) 锯齿状 (e) 狗腿状 (f) 似弧状 凹陷 凸起 图 1-2 裂谷的平面形态分类 ( 李思田等,2004) 2. 大陆裂谷的构造分类按大陆裂谷的剖面构造可以分为三类 :1 非旋转式正断层控制的 ( 对称的 ) 地堑和地垒 [ 图 1-3(a)];2 由旋转式正断层控制的 ( 多米诺式 ) 掀斜半地堑 [ 图 1-3(b)];3 由铲式正断层控制的 ( 滚动的 ) 半地堑 [ 图 1-3(c)] 两个相邻的裂谷系之间会存在过渡带, 称为裂谷间的调节带 调节带的类型决定了盆地的沉积充填和沉积相, 对油气成藏和有利区的分带十分重要 该调节带可以分为高地势调节带 ( 无调节断层 ) 和低地势调节带 ( 发育调节断层 )( 图 1-4)

17 第一章裂谷盆地构造研究进展 9 (a) (b) (c) 图 1-3 裂谷的剖面构造形式分类 ( 李思田等,2004) 高地势调节带 低地势调节带 (a) 高地势调节带 (b) 低地势调节带 图 1-4 裂谷间的调节带类型 (Ebinger, 2001) 3. 裂谷的地球动力学分类 裂谷的地球动力学分类是以裂谷的构造地质特征 构造应力场和深部地质 特征综合对比提出的反映裂谷形成机制的分类 裂谷地球动力学分类主要成果 发表在 20 世纪 80 年代, 代表人物包括 Mckenzie Wernicke Barbier Lister 等 人, 这些学者先后提出裂谷形成的三种地球动力学模式, 即纯剪切模式 简单 剪切 - 拆离模式和复合模式 (1) 纯剪切模式 : 很好地解释了对称地堑和地垒, 裂谷最大沉降区域与地 幔上拱最高区呈镜像对称 [ 图 1-5(a)](Ziegler and Cloetingh,2004) (2) 简单剪切 - 拆离模式 : 纯剪切模式虽然很好地解释了镜像对称裂谷 的类型, 但无法解释最大沉降中心与地幔上拱区不一致的裂谷 简单剪切模式 很好地解释了铲形低角度控盆断裂的形成, 并解释了沉降中心与地幔上拱区不 协调的动力学机制 [ 图 1-5(b)](Wernicke,1981) 1989 年,Lister 等 ( 作 者的合作导师 ) 根据美国盆岭省大型深反射地震剖面解释成果提出在中下地壳 存在近水平的拆离面, 提出了新的裂谷动力学模式 简单剪切 - 拆离模式 (Ziegler and Cloetingh,2004) 科学出版社职教技术出版中心

18 10 渤海湾盆地地球动力学 纯剪切 (a) 纯剪切模式 (Mekenzie 1978 简单剪切 - 拆离 (b) 简单剪切 - 拆离模式 Wernicke,1981;Lister and Daivis,1989 复合剪切 (c) 复合模式 Barbier 等,1986 地壳 对流软流圈 岩石圈地幔 塑性变形带 图 1-5 裂谷的地球动力学分类模式 (Ziegler and Cloetingh, 2004) (3) 复合模式 : 实际上, 自然界的裂谷形成机制很复杂, 一种模式不可能全面解释各种裂谷的地球动力学成因机制 复合模式, 即多数裂谷常常在浅部为简单剪切作用的结果, 而在深部为纯剪切成因, 中部为拆离作用的结果 [ 图 1-5(c)] (Ziegler and Cloetingh,2004) 二 主动裂谷和被动裂谷的地球动力学模式 Sengor 等 (1985) 在美国地球物理学家大会上提出了被动裂谷的概念, 将

19 第一章裂谷盆地构造研究进展 11 裂谷盆地分成主动裂谷和被动裂谷两类 Ziegler 和 Cloetingh(2004) 进一步从地球动力学机制上对主动裂谷和被动裂谷的成因进行了分析 ( 图 1-6) 主动裂谷与被动裂谷在浅层裂谷形态和构造上差别不大, 关键差异在于裂谷的成因是否与地幔柱相关, 与地幔柱活动密切相关的裂谷为主动裂谷, 反之为被动裂谷 地幔柱模型 0 0 深度 /km 拉张破裂模型 (a) 主动裂谷 0 0 深度 /km (b) 被动裂谷地壳岩石圈地幔同裂谷沉积 对流软流圈 流动模式 前裂谷沉积 图 1-6 主动裂谷和被动裂谷的动力学模型 (Ziegler and Cloetingh,2004) 控制裂谷演化的深部地球动力是认识裂谷成因的关键 ( Z i e g l e r a n d Cloetingh,2004) 大陆裂谷是超大陆裂解初期或裂解过程中的产物, 是岩石圈 伸展裂解的产物 超大陆是大型岩石圈板块聚合体, 它们的拼合对岩石圈下地幔来说起到隔热的作用, 导致热流值上升, 因此在超大陆下方可以形成上升的地幔对流系统 这些作用于岩石圈底部的拖曳力和软流圈熔融空间的增大同时进行, 在软流圈 - 岩石圈边界的热异常区逐渐上移使得大陆表面大规模隆起, 随着浅部构造应力场作用, 岩石圈减薄, 使软流圈 - 岩石圈边界进一步上升, 这是岩石圈 100 科学出版社职教技术出版中心

20 12 渤海湾盆地地球动力学 伸展和下地幔热作用对岩石圈共同作用的结果 这两种作用不是都占主导地位, 当地幔上涌的热作用为主导作用时, 称该裂谷为 主动裂谷 [ 图 1-6(a)], 而当岩石圈伸展为主导作用时, 称该裂谷为 被动裂谷 [ 图 1-6(b)](Ziegler and Cloetingh,2004) 在地壳和岩石圈地幔的非均质性条件下, 岩石圈的减薄在时空上受热作用或伸展作用的控制 沿早期存在的岩石圈薄弱带, 如残留的缝合带, 导致岩石圈解体, 在岩石圈薄弱带上首先产生软流圈隆起, 最初形成一个相当宽的薄弱带 通常来说, 被动裂谷作用是受远源区域构造应力场控制, 应变集中在岩石圈的薄弱带, 热作用小, 热沉降作用小 ; 而主动裂谷作用主要受岩石圈地幔热异常控制, 一般与地幔柱活动密切相关, 早期存在隆升和较强烈的火山活动, 如大火成岩省, 因此后期的热沉降量很大 (Ziegler and Cloetingh,2004) 被动裂谷作用的证据是岩石圈的伸展和减薄 逐渐被软流圈的被动上升所代替以及上软流圈和下岩石圈物质的局部熔融 因此, 岩石圈伸展和减压作用以及上软流圈 - 下岩石圈的局部熔融使早期的软流圈上隆发育较窄的底辟, 进一步发展为地壳 - 地幔边界下方的碟状板底垫托 [ 图 1-6(b)](Ziegler and Cloetingh,2004) 从地球动力学角度分析, 主动裂谷的驱动力是主动的地幔柱活动, 而被动裂谷的驱动力是区域伸展应力作用, 地壳与地幔之间存在岩浆板底垫托作用 (Ziegler and Cloetingh,2004) 另外, 近三十年来, 深部地质学研究成果告诉我们岩石圈的流变分层结构和伸展构造的拆离机制及壳幔关系有助于我们深入了解裂谷的地球动力学成因 走滑构造 伸展构造和深部地质作用等认识让我们能更全面地研究裂谷盆地地球动力学 拆离模式 拉分盆地 地块的旋转和逃逸 板底垫托等都是大陆地质学的新认识, 并成为裂谷盆地地球动力学研究的理论基础

21 第一章裂谷盆地构造研究进展 13 第二节裂谷盆地的伸展构造 在 20 世纪 80 年代以前, 有关造山带研究的文献很多, 但有关伸展构造研究的 文献较少, 仅限于高倾角正断层的浅层脆性变形研究 裂谷的最重要特征就是边 界断层具有伸展构造特征, 是拉张构造, 但早期研究局限于张性边界断层的浅层 脆性构造研究 20 世纪 80 年代, 随着大陆深反射地震探测计划 (COCORP) 的实施, 陆续 发现了铲形正断层和韧性剪切带, 开始了大陆裂谷构造的动力学机制研究, 尤 其是深部地质的地球物理勘探和研究 作为大陆构造变形的三种基本地质作用 之一的伸展作用, 日益受到大陆地质学家的重视 (Mckenzie, 1978;Hoseman and England, 1986;Lister and Davis,1989; White and Mckenzie,1989;Bally et al.,1990) 近三十年来, 伸展构造的几何学 运动学和地球动力学模式取得了突破性的 进展 (Lister and Davis,1989;Reston,1988,1990;Lister et al.,1991;kusznir and Ziegler,1992) 伸展作用研究有两个突出成果 : 第一, 认识到伸展作用不仅 发生在上地壳浅部, 而是整个岩石圈的伸展作用 ; 第二, 以整个岩石圈的流变分 层结构为基础, 提出岩石圈分层的伸展模式, 探讨伸展作用的地球动力学模式 伸展构造按几何形态和运动方式分为两类, 即旋转类和非旋转类 旋转伸 展断层以铲形断层为主, 也有面形断层 ; 非旋转伸展断层只有面形断层 伸展 构造的主干伸展断层主要有三种形态, 即面形断层 铲形断层和坡坪式断层 ( 图 1-7) 伸展作用按层次分为浅层脆性伸展和深层韧性伸展或流变伸展 (Lister and Davis,1989) 科学出版社职教技术出版中心 按构造层次划分, 伸展构造的主要构造形式有拆离断层 变质核心杂岩和 下地壳网状菱形流变体 拆离断层是一种浅层产状较陡 向下延伸较深可至中地

22 14 渤海湾盆地地球动力学 (a) 面形断层 (b) 铲形断层 (c) 坡坪式断层 图 1-7 伸展断层的主要形态壳 产状较缓的大型铲状伸展断层和拆离面 拆离断层的活动方式有两种 : 1 表层分叉剥裂 ;2 向底板的深切 (Lister and Davis,1989) 伸展作用主要有三种基本模式, 即纯剪切模式 简单剪切模式和拆离 - 纯剪切模式 (Ziegler and Cloetingh,2004) 最早提出的伸展模式是纯剪切模式 该模式成功地解释了对称堑垒分布的裂谷盆地成因, 较好地描述了岩石圈减薄对颈缩拉张作用的镜像对应性, 说明均衡再平衡是导致地壳沉降的原因之一 [ 图 1-5(a)] (Ziegler and Cloetingh,2004) 纯剪切模式由上地壳对称的铲形断层系组成, 伸展量较小 盆地沉降大 地壳减薄强烈, 铲形断层收敛于中地壳, 不延伸至下地壳, 中下地壳为网状菱形 流变体 在拉张环境中, 岩石圈机械拉伸和减薄导致盆地差异沉降形成断陷 拉张作用后, 随着地热梯度的再平衡和岩石圈冷却导致盆地整体沉降而发育拗陷 世界各地裂谷盆地的研究尤其是美国盆岭省伸展构造的深入研究使人们认识到大多数裂谷盆地是不对称的半地堑盆地 在伸展构造体系中, 主体构造是低角度的拆离断层, 是地壳或岩石圈在简单剪切作用下形成的, 可发育在中地壳层次上, 也可以切穿整个岩石圈 Lister 和 Davis(1989) 提出了 拆离 - 纯剪切模式, 即在上地壳为简单剪切的拆离断层延伸至下地壳转为纯剪切作用 浅部一般为简单剪切成因的多米诺骨牌式半地堑系, 同时, 深部的莫霍面上隆区与盆地沉降中心区呈镜像对应, 表明深部存在纯剪切作用 [ 图 1-5(c)] 拆离- 纯剪切模式既解释了岩石圈伸展引起的盆地大幅度沉降问题, 又解释了伸展盆地的大规模伸展问题 伸展盆地在演化过程中并不是一直处于伸展状态, 随着区域应力场的变化,

23 第一章裂谷盆地构造研究进展 15 也存在挤压变形期 在挤压过程中, 伸展构造系统会产生反转作用, 常表现为断层逆向滑动及同生长沉积物的挤出 在反转过程中, 同生断层层序在早期断层面上缩短, 同时下降盘地层也产生逆冲断层或褶皱 (Ziegler and Cloetingh, 2004) 尤其要注意在挤压强度小和时间短的伸展盆地内由于挤压缩短后又重新伸展, 反复多次拉张和挤压的应力场变换, 反转构造容易被忽略 在这种盆地内分析反转构造要注意因反转作用抬升后又被剥蚀覆盖而成的削截关系 ( 图 1-8) ( 晁吉祥和徐志斌,1994; 侯贵廷等,2004) 因此, 地震地层学研究对伸展盆地的反转构造分析十分重要 削截关系 地震反射层 反转的生长断层 盖层和不整合 古老的基底 图 1-8 伸展盆地内反转构造的地震地层学特征 ( 晁吉祥和徐志斌,1994) 科学出版社职教技术出版中心

24 16 渤海湾盆地地球动力学 第三节裂谷盆地的走滑构造 近三十年以来, 随着板内构造变形的研究, 人们越来越认识到走滑作用的重要性 走滑作用在地球表面的分布是非常广泛的, 几乎所有的挤压构造带和拉张构造带的构造作用都伴有走滑作用, 这是因为大多数的构造作用力方向不会绝对垂直于构造线, 大多数的地块之间的碰撞也不会绝对垂直碰撞 同样, 走滑构造带也相应地伴有挤压或拉张作用 (Sylvester,1988; 张之一和李旭,1994) 走滑体系广泛发育于造山带和盆地及周缘地带 陆块常常在挤压作用下由挤压域向自由域逃逸, 即 构造逃逸 (tectonic escape) 这是板内构造变形的一种重要机制 从挤压域到自由域就是通过走滑作用来协调重组的 (Burke and Sengor, 1986; Sengor,1990) 走滑断层 (strike-slip fault) 按运动方式分为平移断层 (transcurrent fault) 和转换断层 (transform fault) 按力学机制分为 简单走滑断层 拉张性走滑断层 ( 也称 张扭性断层 ) 和 挤压性走滑断层 ( 也称 压扭性断层 )(Harding and Lowell,1979;Mann et al.,1983;christie-blick and Biddle,1985) 走滑断层一般比较平直, 产状较陡, 切割较深, 有的为岩石圈级的深大断裂, 可向下延伸至下地壳和壳下岩石圈, 如郯庐断裂 ( 徐嘉伟,1982; Campagna and Aydin,1994;Zhu et al.,2005) 走滑构造与地块的旋转密切相关, 可以将地质现象并置 复合在一起 走滑构造的另一个显著特点是走滑断层附近发育多种雁行排列的构造线 走滑构造的基底和盖层往往表现不同, 地表的许多雁列构造汇聚到基底一个走滑断层上, 断裂直立介入基底, 向上分叉 撒开, 形成花状构造 ( 图 1-9 右旋走滑构造的组合构造 ) 按力学性质分为正花状构造 ( 压扭性 ) 和负花状构造 ( 张扭性 )( 王燮培,1992) 因为控盆断裂切割

25 第一章裂谷盆地构造研究进展 17 马尾状分叉的 平行走滑带的 羽列同向断层组 强制单斜层 错列叠覆带和拉分盆地 正断层 线形断片构成的地垒和地堑 PDZ 雁列的对偶 ( 共轭 ) 断层组 平行走滑带的强制褶皱 受阻弯曲和斜负花状构造雁列的正断层褶皱 PDZ 0 8km PDZ( 走滑 ) 主位移带剖面上呈正断层剖面上呈逆断层剖面上呈直立断层 较深, 走滑作用可以形成小而肥的含油气盆地, 如洛杉矶盆地就是世界上油气丰 度最高的盆地 图 1-9 右旋走滑构造带的构造组合模式示意 (Harding,1985) 在弯曲的或松弛叠覆的断层段会发育成菱形走滑盆地, 呈 S 形或 Z 形, 走滑盆地也是一种被动裂谷盆地 (Crowell,1974) 走滑盆地的特点 :1 盆 地边界错位 ;2 盆地不对称 ;3 快速沉降 ;4 急剧相变和局部不整合 ;5 在同一 走滑区域不同盆地的地层 岩相和不整合都可对比 走滑盆地有四种模式 :1 松弛弯曲型 ;2 松弛分叉或交汇型 ;3 松弛叠覆 型 ;4 外部雁列断裂型 ( 图 1-10)(Harding,1985) 其中松弛叠覆型在世 界各地发育比较普遍, 可发展成拉分盆地 (pull-apart basin)(rodgers,1980; Segall and Pollard,1980;Aydin and Nur,1982), 具有走滑作用兼伸展作用, 科学出版社职教技术出版中心 (a) 松弛弯曲 (b) 松弛分叉或交汇 (c) 松弛叠覆 (d) 外部雁列断裂 图 1-10 走滑盆地的四种基本形式 (Harding,1985, 略改 )

26 18 渤海湾盆地地球动力学 也是一种张扭性裂谷盆地 (Harding,1985;Dickinson and Wernicke,1997) ( 图 1-10) 例如, 死海盆地 (Manspeizer,1985) 美国盆岭省的死谷盆地 (Burchfiel and Stewart,1966;Serpa and Pavlis,1996) 和与圣安德烈斯断层有关的拉分盆地 (Crowell,1974;Crowell and Link,1982) 拉分盆地是比较常见的规模较大的走滑裂谷盆地 有的拉分盆地油气丰度很高, 如洛杉矶盆地就是世界上油气丰度最高的走滑盆地 (Mann,et al.,1983) 拉分盆地具有独特的沉积特征 :1 巨厚沉积 ;2 相变快, 甚至剧变 ; 3 高沉积速率 ;4 沉积厚度变化大 深而窄, 不对称 ;5 大量的不整合, 反映同构造沉积, 生长断层发育 ;6 沿走滑断层分布局部的偏斜扇体, 代表山麓堆积和冲积扇的断层边缘角砾相 ;7 沉积地层呈叠瓦状, 沉积中心向陆源迁移 (Crowell,1974) 拉分盆地的构造样式有明显特征, 常表现为深的菱形拗陷, 由近平行的两个叠覆的走滑断层和在走滑断层末端并与之近垂直的或斜交的两个倾滑断层围限 拉分盆地的长宽比一般近似于 3 1(Crowell,1974)( 图 1-11) 拉分盆地的两种边界断层中, 走滑断层是主控盆断层, 而与之垂直或斜交的正断层是边界走滑断层派生的 在边界走滑断层的叠覆区存在应力集中和相关构造局部化, 派生张性断层, 形成拉分盆地 (Mann et al.,1983) 拉分盆地内常发育生长断层和凹凸相间的伸展构造格局 主断裂与次级断裂呈 入 字形交汇, 盐泥塑性拱张底辟构造普遍呈雁行排列 剖面上发育插入基底并向上撒开的正 负 走滑断层 正断层 褶皱 火山岩系 碎屑岩系 拉分盆地 图 1-11 拉分盆地的结构和地质作用类型

27 第一章裂谷盆地构造研究进展 19 花状构造, 广泛地沿走滑断裂带分布 在走滑盆地的演化过程中, 随着岩石圈伸展减薄, 也常伴有火山活动, 火山岩 岩脉和深成岩体均较发育, 这都与走滑变形程度 岩石圈减薄程度和断层切割深度有关, 但与地幔柱无关, 而属于被动裂谷成因 ( 王燮培,1992; 许敏,1994; 张之一和李旭,1994) 由于盆地的持续伸展, 地壳减薄, 这时地幔上隆 火山活动和深成岩浆活动起重要作用, 又促进了盆地的进一步扩展 (Ingersoll,1988) 可见, 伸展作用一直存在于拉分盆地的整个形成发展历史中 走滑作用分析偏重于平面构造分析, 而伸展作用分析偏重于剖面构造分析, 是盆地构造分析的两个方面 两者互相联系, 对裂谷盆地的贡献相辅相成 走滑过程中伴随伸展, 同样, 伸展过程中也伴随走滑作用 绝大多数拉分盆地属于被动裂谷盆地 科学出版社职教技术出版中心

28 20 渤海湾盆地地球动力学 第四节裂谷盆地的深部地质 裂谷盆地深部地质的研究是裂谷地球动力学研究的关键, 也是近些年的研究 热点 随着高精度大地电磁测深和深层广角地震勘探分辨率的提高, 对岩石圈结 构和裂谷深部构造的认识逐渐深入 近二十年以来, 对裂谷地球动力学模式的研 究逐渐深入到深部地质和壳幔演化方面 (White and Mckenzie,1989;Bohannon and Stephen,1991;Kusznir and Ziegler, 1992;Bradshaw et al.,1993;thompson and Gibson,1994) 岩石圈结构可以划分为四层, 即上地壳 中地壳 下地壳和上地幔上部 V/(km/s) 上地壳 中地壳 下地壳 莫霍面 上地幔 H km 震源深度 图 1-12 渤海湾盆地的岩石圈结构分层 ( 马杏垣和刘国栋,1986) 各圈层的厚度在不同地区有不同变 化 例如, 渤海湾盆地的岩石圈分层 如下 ( 图 1-12) 上地壳 : 厚度为 12~15km, 上下 层速度为 2.0~6.1km/s 中地壳 : 厚度为 7~10km, 上下层 速度为 6.1~6.3km/s, 中间含 5.8~6km/s 的低速层 下地壳 : 厚度为 8~11km, 层速度 为 6.3~7.2km/s, 高低速相间 上地幔 : 壳下岩石圈部分, 厚度 为 35~100km, 层速度为 8.0~8.1km/s, 在壳幔分界的莫霍面有层速度突变的 现象 ( 马杏垣和刘国栋,1986; 刘光 鼎,1992)

29 第一章裂谷盆地构造研究进展 21 在壳幔过渡带附近发育叠层状反射和较高的下地壳波速, 可能与板底垫托有 关 (Ranall and Murphy,1987;White and Mckenzie,1989) 从大陆裂谷的地球动力学分析, 一般地幔柱 ( 热点 ) 引起的岩石圈伸展和扩张 而形成 主动裂谷 (Kusznir and Ziegler,1992;Bhattacharji et al.,1996); 由区域构造应力场作用, 引起岩石圈伸展减薄释压产生岩浆活动而形成的裂谷 为 被动式裂谷, 其中后者较为常见 (Kusznir and Ziegler,1992;Bradshaw et al.,1993;ziegler and Cloetingh, 2004)( 图 1-13) 热点( 地幔柱 ) 常发育在三联肢交汇点或洋壳上, 而在大陆裂谷中地幔柱是否能主动穿透厚厚的大陆地壳尚需深入探讨 全球除了与地幔柱密切相关的裂谷为主动裂谷 ( 如西西伯利亚裂谷 ) 外, 大多数裂谷与地幔柱无关, 为被动裂谷盆地 裂谷盆地是否存在火山活动以及岩浆活动成因研究对于深入研究裂谷地球动力学十分重要, 但是否存在岩浆活动不是判别主动裂谷和被动裂谷的标准, 这两类裂谷都可以存在岩浆活动 目前, 从壳幔之间的物质交换 物理化学和地温场研究, 认为存在两种基本的岩浆来源方式, 即地幔柱 (mantle pltime) 和板底垫托 (underplating)(ziegler and Cloetingh,2004) Anderson(1975) 认为地幔柱是一种化学柱, 它的化学成分与周围的地幔物质有明显的差别 它来源于地幔底部 D 层, D 层从地核那里聚集大量的放射性元素, 放射热导致 D 层具有高温低黏度特征, 从而产生地幔柱 地幔柱经过地幔上升到冷的岩石圈底部时会呈喇叭状或伞状散开, 形成巨大的球状顶冠, 其直径可从几百千米到上千千米, 并可引起地壳的上隆 再均衡减薄伸展 古大陆解体 洋壳增生以及大规模的溢流玄武岩的喷发 (Nataf,1989; White and Mckenzie,1989; Loper,1991)[ 图 1-13(a)] 地幔上隆与地幔柱有一定的区别 地幔柱强调与周围地幔有明显的物理化学差异 地幔上隆不一定有明显差异 岩石圈的机械伸展减薄就可以导致地幔上隆和部分熔融, 在壳幔边界形成岩浆的板底垫托作用 [ 图 1-13(b)] 板底垫托发生在壳幔边界, 形成板底垫托的岩浆以镁铁质岩浆为主 大陆溢流玄武岩和浅成的基性岩墙群都是板底垫托基性岩浆在浅层释放的表现 由于伸展作用导致岩石圈减薄释压, 上地幔岩石开始部分熔融, 熔体侵位于地壳底部, 并不断沉淀 结晶, 成为高地震波速反射体和高密度上隆区 这就是下地壳底部广泛发生的岩浆板底垫托作用 (Fufe and Leonardo,1973;Bohannon and Stephen,1991;Warren and Ellis,1996)[ 图 1-13(b)] 科学出版社职教技术出版中心

30 石圈岩石圈伸展岩22 渤海湾盆地地球动力学 盆地内玄武岩成因分析是盆地岩浆活动研究的重要方面 玄武岩是地幔柱成因还是岩石圈伸展减薄释压成因, 要从两方面研究 :1 考虑从软流圈和岩石圈产生的岩浆量 ;2 从源区地球化学分析岩浆来源 (Bradshaw et al.,1993) 主动裂谷的大陆溢流玄武岩量比被动裂谷的要多得多, 是短时间产生巨量的溢流玄武岩 ( 喷发时间局限在 10Ma 之内, 溢流面积大于 100 万 km 2 ), 并且主动裂谷的玄武岩与地幔柱有关 ; 而被动裂谷玄武岩仅与岩石圈地幔部分熔融有关 地幔柱存在的显著反映与大火成岩省 (large igneous provinces) 密切相关 岩石圈伸展成因的岩浆活动主要特点是上地幔减压熔融体与富钾流体的混合, 与大火成岩省无关 岩石圈伸展成因的岩浆活动机制是岩石圈的伸展 减薄和释压导致壳下岩石圈地幔物质的部分熔融, 熔融体聚集在地壳底部, 沉淀并结晶, 形成板底垫托 基性岩浆经下地壳的流变带到达中上地壳在不同的层次以基性深成岩 ( 辉长岩 ) 基性岩墙群( 辉绿岩 ) 和溢流玄武岩形式产出 地幔柱成因的岩浆到达岩石圈地幔顶部的壳幔过渡带也可以形成板底垫托 温度高且黏度小的岩浆经过中下地壳流变带到达上地壳, 发生大规模的溢流玄武岩, 即大火成岩省 无论是地幔柱成因玄武岩还是岩石圈伸展成因玄武岩都要经过壳幔过渡带的板底垫托 也就是说, 板底垫托是玄武岩最基本的来源方式, 是一种 低速体 地幔物质在大陆壳不能直接上升到浅层, 而是要经过下地壳近水平的流变带沿韧性剪切带转换到中上地壳 (Warren and Ellis,1996) 基性岩墙群的近水平侵位机制就是一个有力的证据, 是伸展作用条件下的地壳增生产物 ( 侯贵廷,1998b,2002; Hou et al.,2008d,2008e,2010b) 幔源熔融的基性物 地幔柱 (a) 主动裂谷 (b) 被动裂谷 上地壳 下地壳 上地幔 板底垫托深成岩体软流圈等温线 图 1-13 主动裂谷与被动裂谷的区别

31 第一章裂谷盆地构造研究进展 23 质聚集到地壳底部是地壳增生的重要过程 这种板底垫托作用可能是基性深成岩 基性岩墙群和大陆玄武岩形成的 泵 近些年来, 我国各大盆地及邻区的高精度大地电磁测深和深反射地震探测工作为我国各大盆地深部三维岩石圈结构地质建模奠定了扎实基础, 我国进入了基于三维地球物理数据开展深部地质及动力学研究的新时代 科学出版社职教技术出版中心

32 24 渤海湾盆地地球动力学 第五节裂谷动力学机制研究历史 在裂谷成盆动力学机制方面, 近十几年取得了一些重要成果 通过力学数值模拟研究了控盆断裂在裂谷成盆过程中的力学机制 (Starostenko et al.,1996; Hohbein and Cartwright,2006;Hou et al.,2006, 2010; 王延欣等,2008,2011; 肖芳锋等,2010) 有些学者研究了内克拉通盆地控盆断裂的伸展作用和岩石圈减薄的动力学关系 (Bertotti and Podladchikov,2000;Lin et al.,2005;hou et al.,2010a) Neves 等 (2004) 对走滑作用下裂谷形成的力学机制进行了研究 Deng 等 (2004) 提出克拉通 造山带和裂谷的岩石圈不同模型, 为研究裂谷动力学机制的数值模拟提供了基础模型 Cotti(2009) 从大地构造演化 深部地球物理资料和岩浆作用分析, 结合区域构造应力场分析, 研究了东非裂谷的动力学机制, 但未进行力学数值模拟工作, 仅局限于构造应力场的野外测量和构造解析 Olivier (2009) 提出造山后伸展裂谷盆地的三个演化阶段, 即增生型造山带阶段 高原重力作用阶段和重力塌陷作用阶段, 并为这三个阶段分别建立了力学模型, 但也未对模型开展进一步的数值模拟工作 造山后伸展裂谷盆地自在美国西部盆岭省提出以后, 作为一种重要的被动裂谷类型在盆地研究和油气勘探方面得到关注 造山后伸展盆地形成的力学机制一直是盆地动力学机制研究的重要科学问题, 也是最早开展裂谷数值模拟研究的被动裂谷类型 Bott(1990) 最早开展了造山后伸展盆地成因的构造数值模拟工作 他将构造模型分为 7 个构造层, 由上至下分别为上地壳 下地壳 壳根 岩石圈地幔 板片 软流层和上地幔, 并且固定模型底部 模型顶部由于受到重力载荷作用, 施加垂直向下的差应力 ( 图 1-14)

33 第一章裂谷盆地构造研究进展 25 0 (1) 上地壳 (2) 下地壳 (3) 壳根 (4) 岩石圈地幔 (5) 板片 深度 /km (6) 软流层 (7) 上地幔 距离 /km 图 1-14 造山后伸展模型 (Bott, 1990) Bott 共提出四种有关造山后重力垮塌作用伸展模型 模型 1 有壳根而无板片, 模型顶部由于重力作用施加较大的载荷, 而使盆地伸展发育拗陷, 但盆地沉降量不大 ( 图 1-15) 模型 2 中加入板片, 但无壳根, 板片两侧和板片内部物理参数不同, 顶部无重力作用, 板片向深部的拆沉作用使得盆地变形比模型 1 更明显, 盆地沉降量增加 ( 图 1-16) 模型 3 中有壳根, 并且加入 200km 深的板片, 两侧和板片内部岩石力学参数不同, 顶部无重力作用, 壳根和板片的拆沉作用共同导致盆地变形比模型 2 更明显, 盆地沉降量明显增加 ( 图 1-17) 模型 4 将 200km 厚的板片向右侧移动, 而壳根位置不变, 由于重力塌陷作用在顶部施加载荷, 结果显示盆地沉降中心位置与壳根不对称, 向右移动 ( 图 1-18) 以上 Bott 的研究工作考虑了造山后伸展盆地形成时的深部构造因素, 如壳根和板片的因素, 但未考虑造山后伸展盆地形成过程中各个演化阶段的动力学过程及其边界条件, 还需要深入研究 1400 科学出版社职教技术出版中心

34 26 渤海湾盆地地球动力学 深度 /km 深度 /m 重力荷载 100MPa 距离 /km 图 1-15 造山后伸展有壳根无板片模型 (Bott,1990) 深度 /m 无重力荷载 深度 /km 距离 /km 1400 图 1-16 造山后伸展无壳根有板片模型 (Bott,1990)

35 第一章裂谷盆地构造研究进展 27 0 深度 /km 无重力荷载 深度 /km 距离 /km 1400 图 1-17 造山后伸展的壳根加板片的模型 (Bott,1990) 0 深度 /km 深度 /km 重力荷载 100MPa 科学出版社职教技术出版中心 距离 /km 1400 图 1-18 造山后伸展盆地的壳根板片不对称模型 (Bott,1990)

36 28 渤海湾盆地地球动力学 对裂谷盆地的研究, 国内外有不同的研究方向 国外主要以陆缘裂谷盆地为主, 主要按主动裂谷和被动裂谷研究为主, 油气勘探发现主要在主动裂谷盆地, 盆地类型分类也比较粗 (Ziegler and Cloetingh,2004) 近些年, 中国在裂谷盆地研究方面有很大进展, 主要集中在裂谷盆地的亚类分类及其形成机制的数值模拟方面, 在油气特征和勘探开发方面集中在陆内裂谷盆地的研究 ( 李思田等, 2004;Hou et al.,2008a,2008b) 本书在裂谷动力学机制研究方面主要利用力学有限元数值模拟软件模拟裂谷盆地形成的力学条件, 类似实验室的力学实验 根据不同构造成因的裂谷盆地的边界类型和施加构造力的特点, 设定力学模型, 进行剖面或平面上的应力场和位移场计算, 最后根据计算结果与实际构造地质证据的拟合和验证, 分析不同类型裂谷盆地形成的动力学条件 若某种裂谷动力学模型的应力场计算结果与实际地质证据吻合, 则说明该模型作为该裂谷盆地形成的动力学模型是合理的 可信的 考虑到裂谷活动的多期性, 也可以设计多阶段的盆地动力学演化模型, 通过力学有限元数值模拟计算得到不同成因类型的裂谷盆地不同演化阶段的应力场和位移场图, 分别与不同成因类型盆地的构造演化阶段和内部构造 ( 如次级张性断层走向 次级逆断层走向 褶皱长轴走向 走滑断层水平滑移场和伸展方向及伸展量 ) 进行拟合分析 在数值模拟过程中, 做到虚实结合, 即理论模型与实际模型的数值模拟相结合, 从而确定该力学边界条件下是否可以形成这种类型的裂谷盆地, 进一步探讨控制裂谷盆地发育的主要因素

37 第二章渤海湾盆地区域地质 29 第二章渤海湾盆地区域地质 渤海湾盆地是华北克拉通上发育的最大的一个中 - 新生代叠合型裂谷盆地 这个事实使华北克拉通成为世界上唯一一个从中生代 (~220Ma) 开始就被破坏 并活动的地块 (Zhai et al.,2005; Hou et al.,2010a) 华北克拉通不再是一个 典型的克拉通, 而是一个被破坏的克拉通 华北克拉通破坏事件正日益引起国际 地质学家的关注 华北克拉通作为中国最古老的陆块, 由三部分太古代地块组成, 即东 西 地块和两地块之间夹持的中部造山带 (Zhao et al.,2000;zhai et al.,2005, 科学出版社职教技术出版中心 ; Kusky et al.,2007)( 图 2-1) 东 西两个地块在中- 新生代经历了不同的地质演化 中生代, 西部地块为大型西倾的湖盆, 而东部地块可能是抬升的 华北东部高原 (Deng et al.,2004;dong et al.,2000; Zhang et al.,2001, 2002) 新生代, 华北板块西部抬升为黄土高原, 而华北东部高原塌陷并伸展发育为盆 - 山体系 ( 侯贵廷等,1998a,2001,2003b;Zhang et al.,2001, 2002) 渤海湾盆地位于华北克拉通东部地块上, 是华北新生代盆 - 山体系中的一个盆地, 由陆上的华北平原和渤海海域组成, 是华北板块新生代火山和地震最活跃的区域 (Liu,1987; 侯贵廷等,2003b) 该盆地南北长约 1000km, 总面

38 30 渤海湾盆地地球动力学 100 E 105 E 110 E 115 E 120 E 125 E NOB(1.90~1.85Ga) 沈阳 40 N 呼和浩特大同 北京 40 N 银川 WB EB 渤海 大连 华北克拉通边界 太原 35 N 造山带 隆起带 西安 COB (2.5Ga) 济南 青岛 35 N 高压麻粒岩 前陆盆地 信阳 走滑断裂 蛇绿岩 俯冲带 可能的郯庐断裂 0 400km 合肥 100 E 105 E 110 E 115 E 120 E 125 E 积达 20 万 km 2, 周边环绕五大山脉 燕山 太行山 中条山 泰山和辽东山系 (Ye et al.,1987) 这些山脉在华北东部高原塌陷之前曾是高原的一部分 在 华北东部发育的这种大规模伸展的中 - 新生代盆地代表了克拉通的破坏事件 这 种克拉通破坏事件是什么时候开始的? 晚中生代作为华北板块从稳定向活动转化 的关键时期, 华北板块的晚中生代构造演化如何? 这些问题都是华北克拉通破坏 事件研究的关键问题 图 2-1 华北克拉通构造单元划分 WB. 西部地块 ; EB. 东部地块 ;COB. 中部造山带 ;NOB. 北部造山带 (Zhao et al., 2000;Kusky et al., 2007;Hou et al., 2008) 关于渤海湾盆地的新生代演化前人研究得比较多, 但前人的工作主要集中在 重力场 高导层 热流值 陆上构造和新生代大地构造分析方面 (Wang et al., 1985;Ye et al.,1987;liu,1987,1997;wang and Wang,1988;Allen et al., 1997;Zhao et al.,2000;hu et al.,2001) 前人都有一个共同的认识 : 认为渤 海湾盆地是一个复杂的叠合型裂谷盆地 由于缺乏渤海详细的地质和地球物理资 料, 整个盆地的新生代地球动力学方面仍存在争论 由于缺乏盆地中生代地质的 研究, 华北克拉通破坏事件的起始时间和演化在渤海湾盆地的表现仍不清楚 近些年来, 随着渤海精细重磁探测和深部地震勘探, 获得了大量重磁资料

39 第二章渤海湾盆地区域地质 31 和高分辨率地震剖面, 揭示了中生界及更深部的信息, 为深入地研究整个渤海 湾盆地的中 - 新生代构造提供了基础条件 这些资料让我们可以深入探讨华北 板块东部的中 - 新生代构造演化及克拉通破坏的大地构造意义 科学出版社职教技术出版中心

40 32 渤海湾盆地地球动力学 第一节区域地质背景 中生代之前华北克拉通一直是稳定的 华北克拉通在中元古代就已完成了克拉通化过程, 被普遍覆盖古生界浅海相沉积 ( 张文佑,1986;Hou et al., 2006d) 该克拉通最早的拗拉谷沉积是中元古界长城系, 几乎近水平地被保持在太行山地区, 角度不整合地平覆在华北克拉通中部新太古界结晶基底上 鲁西普遍发育的平顶山 ( 崮 ) 其实就是近水平的古生界覆盖在华北克拉通东部地块上, 表明华北克拉通在元古宙和古生代一直是稳定的 五台山是华北克拉通的最高峰, 在此山上还保留着古高原夷平面 ( 由五个台组成, 故称 五台山 ) 和冰川沉积物 (Lin,et al.,2005) 在渤海湾盆地的周边分布着许多山脉, 包括五台山 太行山 吕梁山 中条山 嵩山 泰山和燕山等 虽然中生代燕山发育的逆冲推覆和褶皱与板内造山作用相关, 除此以外, 华北绝大多数山脉为地貌上的断块山, 构成了华北东部高原, 而非碰撞造山带 在华北东部高原塌陷之后, 这些山脉和渤海湾盆地在新生代构成了宏伟的盆 - 山体系 这些山脉主要为弱的陆内变形 ( 如比较宽缓的褶皱 ) 和断块抬升, 并不是地质含义的 造山带 ( 褶皱带 ) 大地构造地貌学分析表明华北克拉通东部在早中生代可能是一个高原 这个中生代高原称为 华北东部高原 ( 张旗等,2007) 渤海的地质结构由三大部分组成, 即太古宙变质基底 新元古代 - 古生代地台型海相沉积和中 - 新生代陆相盆地沉积 渤海及邻区的前寒武系基底构造分区主要有四个构造单元 :Ⅰ. 燕辽拗拉谷区 ;Ⅱ. 山海关 营口隆起区 ;Ⅲ. 渤鲁隆起区 ( 由鲁西隆起区和埕宁隆起组成 );Ⅳ. 胶辽沉降区 ( 龚再升,1987) ( 图 2-2)

41 第二章渤海湾盆地区域地质 km Ⅰ 秦皇岛 Ⅱ 塘沽 大连 Ⅲ Ⅳ 蓬莱 分区界线上元古界下元古界太古界新生代盆地 图 2-2 渤海及邻区的前寒武系基底构造分区 ( 龚再升,1987, 略改 ) Ⅰ. 燕辽拗拉谷区 ;Ⅱ. 山海关 - 营口隆起区 ;Ⅲ. 渤鲁隆起区 ( 由鲁西隆起区和埕宁隆起组成 ); Ⅳ. 胶辽沉降区 太古宙华北克拉通在郯庐断裂带以西分成二元结构 : 下部为早太古宙葛胡 窑灰色片麻岩杂岩, 与泰山群和迁西群可以对比 ; 上部为晚太古宙丰镇群孔兹岩 科学出版社职教技术出版中心 套, 是一套富铝的矽线榴石片麻岩类的孔兹岩系 以 27 亿年的重大构造 - 热事件 的二元结构为准, 该变质岩系可以划分为上 下两个部分 这两部分变质岩系在 华北克拉通有一定的分布特征, 即郯庐断裂带以西和丰镇 太原 西安以东为灰 色片麻岩和麻粒岩相岩石区, 而丰镇 太原 西安以西的地区为晚太古宙富铝 沉积盖层区 可见, 太古宙末郯庐断裂带以西发生向西的地壳倾斜, 以致剥蚀深 度不同, 从而出露不同层次的岩石组合 在郯庐断裂以东的胶东 辽西及朝鲜半 岛均未见有类似的太古宙演化特征, 故可推测现今华北克拉通 ( 也称 中朝克拉 通 ) 是以郯庐断裂带为拼合带的东西两大地体拼贴 太古宙末该拼合带以东的 外来可疑地体与华北拼合在一起, 成为统一的中朝克拉通, 因此, 早元古宙以后

42 34 渤海湾盆地地球动力学 中朝克拉通上的地层都一样了 这表明, 太古宙末华北克拉通就已在郯城 庐江一线和在太行山附近存在古构造线 这是华北克拉通东部的构造薄弱带, 为渤海湾盆地的中 - 新生代构造格局在基底结构上奠定了基础 根据分布在渤中 辽东湾和渤西地区的太古宙岩心的岩石学鉴定, 这些岩石一般是中粒角闪斜长片麻岩 黑云斜长片麻岩和伟晶状花岗片麻岩, 属于高级角闪岩相灰色片麻岩杂岩系 这些岩石均分布在郯庐断裂以西, 而在郯庐断裂以东只钻遇了上元古界 华北克拉通在吕梁运动固结基底之上, 中元古代只在北东向的燕辽拗拉谷和中条拗拉谷发育裂谷和地台型沉积, 主要为长城系和蓟县系陆相碎屑岩和海相碳酸盐岩, 厚度可达万米, 在渤海湾地区仅在郯庐断裂带以西和渤海西北缘分布 燕辽拗拉谷的沉积在晚元古代扩大到渤海的西北部, 但很薄, 在渤中的北部 BZ8 井钻遇青白口系龙山组海绿石石英砂岩仅 20m 这说明, 燕辽拗拉谷仅波及渤海的西北部, 郯庐断裂带以西的渤海主体部分当时处于隆起状态 ( 张文佑,1986; 钱祥麟,1994) 在 BZ8 井以南和以北形成渤鲁隆起和山海关 营口隆起 在郯庐断裂以东的海域和陆区钻井均未见中元古界, 而上元古界辽南群分布普遍, 自蓬莱至庙岛群岛广泛分布, 以石英岩和石英砂岩为主, 在复州湾地区碳酸盐岩较集中 在距 BZ8 井以东 45km 处位于郯庐断裂带上的 BD2 井钻遇辽南群十三里台组肉红色灰岩, 推测辽南群未越过郯庐断裂带 下辽河拗陷钻探结果也表明太子河地区的上元古界向西未越过沈阳 营口断裂 可见, 自太古宙至元古宙, 郯庐断裂带 ( 前寒武纪可能为地体拼贴构造带 ) 一直控制了渤海东部的构造活动, 中元古代西降东升, 晚元古代东降西升, 郯庐断裂带两侧以差异升降活动为主 ( 龚再升,1987) 古生代早期, 整个华北克拉通 ( 包括渤海海域 ) 处于浅海相沉积, 主要为中寒武世至中奥陶世典型的地台型浅海相泥质 碳酸盐沉积 ( 王尚文, 1983) 渤海海域在晚奥陶世至早石炭世与整个华北地台一样, 整体抬升, 到了中石炭世开始接受沉积 海域内仅在埕北低凸起和石臼坨凸起钻遇石炭系和二叠系, 为海陆交互相含煤沉积, 厚 1000m 左右, 古生界具有东西向展布的特点 ( 龚再升,1987) 另外, 晚古生代 - 三叠纪的古构造在华北地台的东部也呈东西走向 ( 王尚文,1983), 这可能是古生代蒙古洋和秦岭洋向华北克拉通不断南北向俯冲导致华北克拉通内部变形的结果 在华北东部, 环渤海湾的新生代盆地叠加在晚中生代地堑之上 ( 侯贵廷等, 2001) 该新生代盆地的轮廓为菱形, 在东北部和西南部各有一个分支 ( 图 2-3)

43 第二章渤海湾盆地区域地质 35 郯庐断裂带呈北北东走向在盆地的东部边缘穿过 (Xu and Tong,1987) 该盆地由一系列的拗陷和隆起组成, 包括六个主要拗陷 : 冀中 黄骅 辽河 渤中 济阳和临清 (Liu,1987,1997;Ye et al.,1987; 陆克政和王章俊,1997)( 图 2-3) 盆地的海域部分 ( 渤海 ) 包括渤中拗陷全部 辽河拗陷南部 黄骅拗陷东部和济阳拗陷北部 ( 龚再生,1987) 新生界不整合覆盖在早期不同的前裂谷地层之上 在渤海沉积中心最大厚度可达 10km(Liu,1987;Ye et al.,1987;hu et al.,2001;liu et al.,2001) 新生界主要为砂岩 泥岩和火山 - 沉积夹层 新生界可划分为六个 辽 西 隆 3 行 太 北京 燕 山 褶 皱 带 区 起 6 6 辽东隆起 隆石家庄起带 山 隆起 鲁西 渤海 3 起 隆 东 胶 黄海 科学出版社职教技术出版中心 km 图 2-3 渤海湾盆地构造单元划分 1. 控盆断裂 ;2. 隆起 ;3. 凸起 ;4. 走滑断裂 ;5. 海岸线 1 霸县 束鹿 邯郸右旋走滑断裂带 ;2 黄骅 德州 东明右旋走滑断裂带 ;3 沈阳 潍坊右旋走滑断裂带 ; 4 冀中伸展断裂系统 ;5 黄骅伸展断裂系统 ;6 下辽河 辽东湾伸展断裂系统 ;7 济阳伸展断裂系统 ;8 临清 东濮伸展断裂系统 ;9 渤中伸展断裂系统

44 36 渤海湾盆地地球动力学 组 : 孔店组 (Ek) 沙河街组(Es) 东营组(Ed) 馆陶组(Ng) 明化镇组 (Nm) 和平原组 (Qp) 沙河街组又分为沙一段(Es 1 ) 沙二段(Es 2 ) 沙三段 (Es 3 ) 和沙四段 (Es 4 ); 东营组又分为东营下段 (Ed l ) 和东营上段 (Ed u ) ( 侯贵廷等,2003b) 该盆地新生代的各个拗陷大多数为半地堑形态, 被铲形断层控制 (Ye et al., 1987; 陆克政和王章俊,1997) 新生代盆地的优势构造方位在盆地中部为近东西向的隆起和拗陷, 在盆地西部和东部则为北北东向 盆地的东部发育郯庐断裂带, 而中部发育黄骅 东明断裂带 ( 侯贵廷等,2001;Hu et al.,2001;li et al.,2012a,b) 断陷阶段的沉积覆盖在前裂谷基底之上, 而被拗陷阶段的沉积覆盖, 具有典型的裂谷二元结构 该盆地经历了从构造沉降到热沉降的典型裂谷阶段, 具有拉分盆地的样式 然而, 盆地的海域部分 ( 渤海 ) 的中 - 新生代格局仍不十分清楚

45 第二章渤海湾盆地区域地质 37 第二节渤海湾盆地中生代格局 渤海湾盆地的油气勘探主要集中在盆地的新生界 由于钻遇中生界的井较 少, 并且地震剖面的深部信息模糊, 前人很少研究渤海湾盆地的中生界 该盆 地的中生代地质一直不清楚 近十年来, 陆续有些深井钻遇或钻穿了中生界, 并获得了高分辨率的地震剖面, 可以揭示该盆地的深层构造信息, 为中生代原 型盆地的研究提供了有利条件 华北板块的太古宙和元古宙变质基底岩石主要出露在渤海湾盆地的四周 前中生界地台型沉积包括稳定的寒武系至三叠系地层, 其中包括寒武系 - 奥陶系 的海相碳酸盐岩和页岩, 还包括石炭系和二叠系的含煤岩系和湖相 - 三角洲相沉 积 (Zhao et al.,2000) 三叠系包括红色碎屑洪积和湖相沉积 在这期间, 华 北板块的沉积环境是稳定的, 火山活动很少 ( 张文佑,1986; 陆克政和王章俊, 1997) 该克拉通的前中生界构造的优势方位是东西向 ( 张文佑,1986; 陆克政 和王章俊,1997;Wan and Zeng,2002) 在晚三叠世至早侏罗世期间, 华北板块与扬子板块开始碰撞, 形成了秦岭 大别 苏鲁造山带 这种汇聚过程可能一直延续到中侏罗世 由于这种南北向汇 聚, 华北板块的东部在早中生代经历了陆内变形和抬升, 并在晚中生代和新生代 经历了以大量的晚中生代花岗岩和新生代火山活动为代表的广泛构造 - 热事件 (Yin and Nie,1993; 侯贵廷等,2003b) 在大别造山过程中, 在华北板块南 部发育了晚三叠世前陆盆地, 如在大别山以北的北西西走向的信阳 合肥盆地和 北东向苏北盆地 这些晚三叠世前陆盆地被红色磨拉石建造充填 ( 陆克政和王章 俊,1997;Shang et al.,2002;zhu et al.,2005) 科学出版社职教技术出版中心 晚侏罗世至早白垩世, 郯庐断裂活动强烈, 并在郯庐断裂带内和两侧发育了 一些晚中生代断堑式盆地 ( 图 2-4) 深钻孔和新的地震剖面为我们揭示了环渤

46 38 渤海湾盆地地球动力学 海湾地区的中生代盆地的格局 ( 图 2-4 和图 2-5) 除了华北南部的早中生代前陆盆地, 华北板块东部还广泛发育晚中生代伸展盆地 根据中生界厚度分布和控盆断裂分布的综合分析, 在郯庐断裂带以西可以识别出 3 个晚中生代北西向盆地, 从北至南依次是渤海断堑系 (Ⅰ) 济阳断堑系 (Ⅱ) 鲁西南断堑系(Ⅲ)( 侯贵廷等,2001) 在郯庐断裂带上发育的晚中生代盆地为北北东向辽河断堑系和莱州湾断堑系, 而在断裂带以东胶东半岛发育的晚中生代盆地为北东向胶莱断堑系 ( 图 2-4) 中生代济阳断堑系由三个狭窄的雁列的北西向断堑组成 鲁西南断堑系由五个狭窄的雁列的北西向断堑组成 例如 : 泰莱断堑 蒙阴断堑和平邑断堑, 被东西向新生代断堑叠置在北西向晚中生代断堑之上 ( 侯贵廷等,2001,2014; Li et al.,2012a,2012b) 晚中生代郯庐断裂带也是一个狭长的两堑一垒的裂谷盆地, 郯庐断裂带以东发育北东向的早白垩世胶莱盆地 (Xu and Tong, 1987; Shang et al., 2002;Li et al.,2012b)( 图 2-4) 150~110Ma 北板块天津 Ⅰ 济南 Ⅱ Ⅲ 蒙阴扬子板块推挤方向华青岛 大连 太平洋板块俯冲方向 图 2-4 渤海湾及邻区中生代原型盆地分布 ( 侯贵廷等,2001) 1. 中生代断陷 ;2. 郯庐断裂及走滑方向 ;3. 板块推挤方向 ;4. 板块缝合线 Ⅰ. 渤海断堑系 ;Ⅱ. 济阳断堑系 ;Ⅲ. 鲁西南断堑系 渤海湾盆地的中生界形成于陆内裂谷环境, 沉积了晚侏罗世 - 早白垩世的火 山 - 沉积岩系 这些火山岩在郯庐断裂带以西呈北西向分布, 受控于北西向主断

47 第二章渤海湾盆地区域地质 39 裂, 而在郯庐断裂带内为北北东向分布 ( 侯贵廷等,2001,2003b) 这些断堑内充填了上侏罗统凝灰质砂岩 棕色泥岩和安山玄武岩, 并不整合覆盖在前中生界基底上 早白垩世, 青山组沉积在华北板块东部的不同断堑内, 包括暗灰色泥岩 灰绿色泥砂岩和火山岩夹层的棕红色砂砾岩 衣学磊和侯贵廷 (2002) 提出主断裂控制了晚中生代盆地的沉积作用 这些主断裂的分布是由高分辨率地震剖面和晚中生代地层分布确定的 这些主断裂都是生长断层, 并反映了晚中生代的同裂谷构造运动 ( 侯贵廷等,2001) 渤海湾盆地的地震剖面表明, 中生代盆地的沉积中心与新生代盆地是不重叠的 中生代盆地似乎比古新世盆地范围要大些, 而比中新世和上新世的盆地范围要狭窄 宽缓的中生代断堑被新生代断堑分割成碎块 ( 图 2-5) 新生代盆地叠合在中生代断堑之上, 因此渤海湾盆地是一个叠合型裂谷盆地 0 SE s 辽西凹陷 0 1 2km T 0 T 2 T 3 上 T 下 3 T 4 Mz T 8 Ng Nm T 0 Ed 2 T 2 T3 上 Ed 1 Mz Es 1 Es 2-k Mz T 8 辽中凹陷 图 2-5 辽东湾中 - 新生代断堑的地震解释剖面 T 下 3 T 4 这些中生代断堑系的主断裂和火山岩分布的走向表明这些断堑是郯庐断裂 带左旋走滑运动派生的 中生代断堑的北西向优势方位与新生代断堑的北北东和 东西向的优势方位形成鲜明对比, 这与郯庐断裂带不同时期的走滑方向差异有关 ( 图 2-3 和图 2-4) 科学出版社职教技术出版中心 华北板块与扬子板块在晚中生代的碰撞导致了华北的陆内变形 (Yin and Nie, 1993,1996;Zhao et al.,2000) 华北基底内的前中生代构造的优势方位为东西向 ( 张文佑,1986; 龚再生,1987) 有证据表明, 早中生代大别 苏鲁造山带内的逆冲是两个陆块进一步汇聚的结果 (Wang et al.,2005) 沿华北板块边缘发育的造山带, 并在陆内发生陆内变形, 通过岩石圈的增厚, 形成华 s

48 40 渤海湾盆地地球动力学 北东部高原 晚中生代在华北板块东部有一个重要的构造事件, 是郯庐断裂带发生强烈的左旋走滑运动, 平移距离大约 550km(Xu and Tong,1987;Zhu et al., 2005) 郯庐断裂带内及两侧的晚中生代断堑的分布表明这些断堑具有张扭性 这些右行雁列的北西向断堑系是由郯庐断裂带左旋走滑派生的, 两者形成于统一的构造应力场内 ( 侯贵廷等,1998a,2001) 华北板块东部晚中生代伸展作用标志华北克拉通破坏事件的开始 (Hou et al.,2010;zhu et al.,2012) 晚白垩世, 华北的中生代裂谷活动停止, 开始发生短暂抬升 从古新世开始, 渤海湾盆地又进入了新的裂谷活动期 从规模和强度上, 新生代裂谷活动远比中生代裂谷活动要强烈

49 第二章渤海湾盆地区域地质 41 第三节新生代华北克拉通破坏 华北板块和扬子板块在三叠纪发生碰撞 这种碰撞挤压可能延续到中侏罗 世 (Yin and Nie,1993,1996;Zhang,1997;Zhang et al.,2001,2002;hou et al.,2010) 这次碰撞使华北板块经历了板内变形, 形成宽缓的东西轴向的 褶皱 (Wang et al.,2005) 华北高原的形成可能与这期板内变形有关 (Shao et al.,2003) 晚中生代, 伊泽奈崎板块快速向北北西移动, 并向欧亚大陆 下方俯冲 (Jolivet et al.,1988;zhu et al.,2012) 这个俯冲导致华北东部 发生地幔上涌和广泛的岩浆活动 华北东部高原的岩石圈由于强烈的伸展减 薄, 在张扭性应力场作用下, 在华北东部高原发育了一系列晚中生代 - 早古 近纪的裂谷盆地 (140~42Ma), 其中包括郯庐断裂带以西的雁列的北西向裂 堑系 [ 图 2-4 和图 2-6(a)] 晚白垩世时期这些中生代裂谷活动停止, 发生整 体构造抬升和剥蚀作用 受燕山晚期构造运动影响, 渤海及邻区经历了晚白垩世 至古新世早期的区域隆升剥蚀和平夷过程, 缺失上白垩统和古新统地层, 形成了 古新世夷平地貌, 并在此基础上开始了新生代裂陷作用 ( 侯贵廷等,2001) 新生代是渤海湾盆地的主要成盆期, 古近系沙四 - 孔店组零星分布, 残缺 不全, 盆地窄小 ; 沙三段 - 东营组沉积广泛, 盆地变宽 新近系十分发育, 古 近纪形成的被凸起和隆起分隔的各个断陷在新近纪合并成一个统一的大型湖 盆, 并在渤中地区形成该湖盆的沉降中心 同中生代盆地比较, 新生代盆地具 有明显的沉积中心迁移的特点, 沉积中心由盆地边缘向渤海中部迁移 ( 侯贵廷 等,1998a,2000,2003b) 科学出版社职教技术出版中心 新生代渤海主要发育张性和剪张性的断裂, 包括北北东向的郯庐断裂带 北西向的渤张断裂带和一些次级的近东西向断层 这三组断裂构造使渤海构造 格局具有 东西分带, 南北分块 的特点 主要构造类型有伸展构造 走滑构

50 42 渤海湾盆地地球动力学 北京 天津 北京 石家庄 石家庄 天津 济南 济南 (a) 56~42Ma 孔店 - 沙四时期 (b) 42~32Ma 沙三 - 沙一时期 石家庄 北京 天津 济南 石家庄 北京 天津 济南 (c) 32~25Ma 东营时期 (d) 25Ma 至今馆陶时期至今 图 2-6 渤海湾盆地及邻区的新生代构造演化格局造 反转构造和重力构造等 ( 侯贵廷等,1998a,2001) 渤海的中 - 新生代岩浆活动比较发育, 主要沿断裂分布, 有酸性 中性和基性 - 超基性火山岩及侵入体 渤海湾盆地的新生代强烈伸展作用表明, 华北克拉通破坏事件主要发生在克拉通东部, 而且克拉通的破坏事件主要集中在渤海盆地的海域, 即渤海地区 ( 李三忠等,2010) 渤海的地质与盆地的平原区有一定的差异 渤海地区的上中生界比盆地平原区的要厚很多, 而且最大厚度的新生界也分布在渤海中

51 第二章渤海湾盆地区域地质 43 部, 达万米 由于郯庐断裂带的左旋走滑作用, 渤海的晚中生代盆地在规模和 深度上都比平原区发育 从古新世至第四纪 (53Ma 至今 ), 盆地的沉积中心从 西向东迁移 渤海湾盆地发育多期裂谷活动, 为多期裂谷盆地的叠合 新生代 盆地叠加在中生代盆地之上, 而在新生代盆地内, 晚渐新世 (Ed) 断陷叠加在晚 始新世 (Es 3 ) 断陷之上 该叠加盆地的显著特征是新生代较宽的东西向盆地叠 加在中生代较窄的北西向盆地之上 ( 侯贵廷等,1998a,2001) 53~42Ma( 孔店 - 沙四时期 ), 太平洋板块以 25mm/a 的平均速度向北移 动并俯冲到欧亚板块之下 (Parés and Moore,2005) 这导致了郯庐断裂带再 次左旋走滑, 在张扭性应力场下该断裂带以西发育古新世和早始新世的北西向 雁列的狭窄地堑系, 并充填裂谷沉积 [ 图 2-6(a)] 这个时期日本尚属于东 北亚陆缘的一部分, 即 Okhotsk-Chukotka 火山带的一部分, 也经历了北东向 Sikhote-Alin 断裂带的左旋走滑作用 (Lallemand and Jolivet,1986;Jolivet et al.,1988,1994) 从 42Ma 开始 ( 沙三 - 沙一时期 ), 太平洋板块由向北北西漂移转为向北 西西漂移, 与西太平洋皇帝海岭走向的转折时期吻合, 平均移动速度为 32mm/ a(parés and Moore,2005) 这次板块漂移的转向导致郯庐断裂带的走滑方 向由左旋转为右旋 这个转折使渤海湾盆地下方的地幔上涌和强烈的火山活 动, 从而进入了新的盆地演化阶段, 即发育成为晚始新世和渐新世的拉分盆 地 [ 图 2-6(b)], 同时日本岛弧开始从东北亚陆缘分离 (Lallemand and Jolivet,1986; Jolivet et al.,1994), 整个东北亚地区都在经历岩石圈减薄 过程 晚渐新世 32~25Ma( 东营时期 ) 是日本海打开的早期阶段 在这个时 科学出版社职教技术出版中心 期, 日本海是两个右旋走滑断裂之间的拉分盆地, 正经历从大陆裂谷向弧后 盆地的过渡 (Jolivet et al.,1994) 这个时期东北亚地区的区域伸展作用力 为近南北向 在这个应力场下, 郯庐断裂带再次活动, 并发育张扭性断堑 与日本海的大地构造环境类似, 渤海湾盆地也发育强烈的火山活动和较宽的 拉分盆地 [ 图 2-6(c)] 这个时期, 朝鲜半岛逆时针运动, 从中国大陆分 离开, 发育南黄海盆地 ( 张文佑,2004) 太平洋板块的运动和同时期的 印度 - 欧亚碰撞加强了东北亚地区的伸展作用, 也加强了华北克拉通破坏过 程 从此, 对应日本海的打开, 渤海湾盆地进入新生代的第二个伸展阶段 在中新世 25~12Ma( 馆陶时期 ), 日本海继续张开, 并从拉分盆地向弧

52 44 渤海湾盆地地球动力学 后扩张转换, 并导致洋壳的生成 (Jolivet et al.,1994;itoh,2001) 在印度板块 欧亚板块和太平洋板块的相互作用下, 在东北亚地区形成了近东西向的区域主压应力, 如这一时期日本海的扩张方向为近南北向 (Itoh,2001) 在这个挤压应力场作用下, 渤海湾盆地停止了裂谷作用, 整个盆地进入热沉降拗陷阶段, 并存在反转构造变形 ( 东营组及以前的地层发生构造反转 ), 同时郯庐断裂带成为压扭性的右旋走滑构造带 [ 图 2-6(d)](Xu and Tong, 1987) 在上新世 12~2Ma( 明化镇时期 ), 东北亚地区仍处于东西向挤压应力场 该阶段日本海停止扩张, 同时渤海湾盆地的裂谷作用减弱, 整个盆地进入长期的拗陷阶段 从 2Ma 开始, 东北亚地区的挤压应力转为北东 - 南西方向 (Huang et al.,1996), 在渤海又发育了新的构造沉降, 即现代的渤海海相沉积 (Hu et al.,2001) 对应郯庐断裂带的运动, 渤海湾盆地经历了多次断陷和拗陷阶段, 并受控于东亚大地构造演化 渤海湾盆地的形成演化与华北板块和扬子板块的碰撞, 与郯庐断裂的活动密切相关 太平洋板块的运动在华北的新生代盆地演化中也起重要作用, 其影响比印度板块和欧亚板块碰撞的影响大得多, 后面将详细论述

53 第三章渤海湾盆地构造地质特征 45 第三章渤海湾盆地构造地质特征 渤海是一个第四纪陆表海, 是华北板块东部中 - 新生代渤海湾盆地的海 域部分 ( 图 3-1) 渤海海域的地质构造由黄骅拗陷东部 下辽河拗陷西南 部 济阳拗陷东部和渤中拗陷组成, 其中只有渤中拗陷是渤海独有的一个完 整拗陷 根据渤海的构造特征分为 5 个基本的构造单元, 即黄骅拗陷 下辽河 拗陷 济阳拗陷 渤中拗陷和埕宁隆起 黄骅拗陷部分又分次级单元 : 北塘凹 陷 南堡凹陷 歧口凹陷 沙南凹陷和埕北凹陷 新港低凸起 埕子口凸起 埕北低凸起和沙垒田凸起 下辽河拗陷部分又分次级单元 : 辽西凹陷 辽中凹 陷和辽东凹陷 辽西低凸起和辽东凸起 济阳拗陷部分又分次级单元 : 黄河口 凹陷 羊角沟凹陷 莱州湾凹陷和庙西凹陷 潍北凸起和渤南凸起 渤中拗陷 又分次级单元 : 秦南凹陷 渤中凹陷和渤东凹陷 秦南凸起 石臼坨凸起 渤 东低凸起和庙西凸起 ( 图 3-1) 科学出版社职教技术出版中心

54 46 渤海湾盆地地球动力学 km 下 营口 辽 秦皇岛 拗 12 河 陷 塘沽 黄海 1 拗骅 4 CFD13-1 海 陷 陷 BZ25-1 陷 10 拗 拗 中 BZ28-1 BZ34-1 BZ34-3 BZ 阳 7 渤 9 济 8 1 大连盆地边界一级构造界线凸起及编号断层油田含油气构造 盆地海域部分 图 3-1 渤海地区构造简图 1. 新港低凸起 ;2. 埕子口凸起 ;3. 埕北低凸起 ;4. 沙垒田凸起 ;5. 滩北凸起 ;6. 垦东凸起 ;7. 渤南凸起 ; 8. 庙西凸起 ;9. 渤东低凸起 ;10. 石臼坨凸起 ;11. 秦南凸起 ;12. 辽西低凸起 ;13. 辽东凸起 凸起之间的浅绿色区为各凸起夹持的凹陷

55 第三章渤海湾盆地构造地质特征 47 第一节断裂构造分布特征 渤海湾盆地是一个主要以断裂构造和掀斜地块为主的中 - 新生代盆地 盆 地的基本构造形式有三种, 即伸展构造 ( 包括重力构造和调节构造 ) 走滑构 造和反转构造 这三种构造形式均以断裂形式表现 渤海湾盆地的断层大多数 是同沉积生长的伸展断层, 控制着沉积过程 ( 陈发景,1983), 同时具有走滑 成分, 具剪张性 ( 钱祥麟,1994; 侯贵廷等,1998a) 渤海的中 - 新生代断裂十分发育 大部分都是生长断层, 即同沉积断层 (Zhao and Zheng, 2005) 根据渤海中生界 古近系和新近系的构造图和 36 条 区域地震剖面的分析, 分别对渤海及邻区控制中生界 古近系和新近系的断层 进行分期统计 整个渤海的断层主要分三组方向, 即北北东 ( 北东 ) 向 北西 向和近东西向 北北东 - 北东向断层约 72 条, 北西向约 29 条, 近东西向约 316 条, 北北东 - 北东向和北西向大部分都是一 二级断层, 而近东西向绝大多数 都是三级断层 对渤海各期次断层的走向进行分期统计, 做走向玫瑰图分析, 可以开展断 层的分级和分期 渤海地区中生代北西向断层主要分布在渤西和渤中地区, 即 渤海西部 北东或北北东向断层则主要分布在渤东 辽东湾和莱州湾地区, 即 渤海的东部 近东西向断层主要发布在渤南地区和渤东地区 ( 图 3-2) 中生 代断层走向玫瑰图反映中生代渤海主要有三组断层, 即北西向 北北东 - 北东 向和近东西向 ( 图 3-3) 科学出版社职教技术出版中心 渤海地区古近纪北西向断层仍然主要分布在渤西和渤中地区, 即渤海西 部 ; 北北东向断层主要分布在渤海东部 ; 而近东西向断层主要分布在渤西 渤南和莱州湾地区 ( 图 3-4) 古近纪至新近纪一直活动的断层走向玫瑰图 ( 图 3-5), 也包括三组断层, 即北北东向或北东向 北西向和近东西向

56 48 渤海湾盆地地球动力学 0 50km 绥中 秦皇岛 唐山 乐亭 南堡 大连 旅顺 控盆断裂 沾化 龙口 图 3-2 渤海中生代断裂分布 蓬莱 走滑方向 N 图 3-3 中生代断裂走向玫瑰图 古近纪以来北北东向断层占优势 ; 北西向断层相对减少, 但仍然活动的北西向 断层都是控盆断层, 如渤张断裂 埕北断裂 这些北西向断裂在盆地演化过程 中具有重要的地质意义

57 第三章渤海湾盆地构造地质特征 km 绥中 秦皇岛 唐山 乐亭 南堡 大连 旅顺 控盆断裂 沾化 图 3-4 渤海古近纪形成的断裂分布 N 龙口 图 3-5 古近纪断裂走向玫瑰图 蓬莱 走滑方向 科学出版社职教技术出版中心 从渤海地区新近纪产生的次级断层 ( 主要是三级断层 ) 的分布图和走向玫瑰图分析, 新近纪次级断层绝大多数是近东西向, 为表层小断层, 俗称 毛毛断层, 分布于渤海的各区 ( 图 3-6 和图 3-7) 渤海及邻区的一 二级断层的走向有明显的地域性, 即渤海东部以北北东

58 50 渤海湾盆地地球动力学 0 50km 绥中 秦皇岛 唐山 乐亭 南堡 大连 旅顺 主断层 沾化 龙口 图 3-6 渤海新近纪断裂分布细线为新近纪断裂 ; 粗线为古近纪断裂 蓬莱 次级断层 N 图 3-7 新近纪断裂走向玫瑰图

59 第三章渤海湾盆地构造地质特征 51 向断层为主, 主要位于郯庐断裂带上, 而渤海西部以北西向为主, 尤其是在中生代以北西向为主 渤海西部的北西向断层自北向南发育三条大断层, 即渤张断裂带 ( 张家口 北京 柏各庄 渤中 蓬莱 ) 塘龙断层( 塘沽 渤中 龙口 ) 和埕北断层 尤其是渤张断裂带是一条大的区域性断裂, 从中生代至今, 仍在活动, 这也是一条强地震活动带 ( 郑炳华等,1981; 林舸,1990; 侯贵廷等,1999) 渤张断裂带等一系列雁列的北西向断层与北北东向郯庐断裂带分别控制了渤海西部和东部的现代盆地地貌和中 - 新生代沉积及岩浆活动, 尤其是控制了从古近系至第四系的沉积厚度, 沉积中心长轴在渤东呈北北东向, 在渤西呈北西向, 并且控制了沉积相分布 ( 侯贵廷等,1998) 另外, 现代海洋地貌 地震活动和地球物理场都表明北西向断层和北北东向断层都是现代仍活动的 控制区域构造单元和地球物理场的大型继承性岩石圈断裂, 这两组断层产状都较陡, 切割都较深, 均具有走滑成分 ( 林舸,1990) 科学出版社职教技术出版中心

60 52 渤海湾盆地地球动力学 第二节伸展构造系统 广泛发育正断层是渤海湾盆地最显著的构造现象之一 这些正断层绝大多数为铲形正断层, 是同沉积生长断层, 控制着盆地的堑垒分布和沉积作用 以这些铲形正断层为边界的楔形半地堑内快速堆积了巨厚沉积物, 是渤海湾盆地的典型伸展构造沉积特征 一 伸展构造 1. 辽东湾地区的伸展构造 辽东湾的伸展断层一般为北北东走向, 各次级凹陷的基底主断层多为铲形正断层, 它与其上盘发育的基底次级断层和盖层断层一起构成铲形正断层系统, 并控制其上盘箕状半地堑的形成与演化 这种由铲形正断层控制的箕状半地堑是该地区伸展构造的基本样式 从伸展断层切割的地层分析, 辽东湾发育两期断裂 早期断裂主要发育在前新生代的盆地基底和古近系的孔店组和沙河街组地层中, 一般是北北东向控盆断层 根据中生界分布分析, 辽东湾的中生代盆地与新生代盆地格局比较统一 ( 图 3-1 和图 3-2) 渤海湾盆地的辽东湾海域分隔成辽西 辽中和辽东三个北北东向的狭长而深的凹陷 ( 图 3-1) 地震剖面上这些地层呈楔状分布, 受中 - 新生代成盆时期的同沉积伸展断层控制 新生代控盆断裂继承了该断裂中生代的活动, 为继承性断陷 另一期断裂主要发育在盆地沉积体系中的中上层位东营组和新近系地层中, 这一期断裂同沉积作用不太明显, 一般是近东西向次级断层 因此, 辽东湾地区主要伸展断陷期是晚中生代和古近纪沙河街时期 ( 图 3-8)

61 第三章渤海湾盆地构造地质特征 53 图 3-8 辽东湾 LL58 测线地震解释剖面 辽西凹陷和辽中凹陷的基底主断层和次级断层多为同向倾斜, 在旋转伸展过 程中形成东断西翘的复式半地堑 ( 即在大型半地堑内包含一系列小型半地堑 ), 而发育于半地堑构造斜坡的盖层断层与基底断层系倾向相反 半地堑内充填的古 近系盖层呈楔状向构造斜坡方向尖灭或超覆, 自盆地基底面往上的各地层的倾 角逐次递减, 表明基底面及半地堑内各岩层面的掀斜是在同沉积过程中形成的, 即基底主断层的上盘断块系统是在旋转伸展运动中形成的 整个辽西凹陷和辽中 凹陷实际上是由若干东断西翘的半地堑首尾衔接而成 ( 漆家福和陈发景,1992; 漆家福等,2008, 2010) 单个半地堑长 40~100km 宽 10~25km( 古近系覆盖 部分 ) 深 2000~5000m ( 古近系最大厚度 ), 具有较大的纵横比 0.2~0.5 ( 半 地堑的深度与宽度之比 ), 均大于渤海其他地区 有些基底主干伸展断层具有断 坡 - 断坪式正断层特征, 主干伸展断层在伸展过程中表现为表层分叉的同向调 节, 反映该区具有较大的累积伸展量 ( 图 3-9) 西断东翘的辽东半地堑与辽西和辽东不同, 其主干伸展断层为高角度或近直 立的张扭性走滑断层, 表现向基底深切的伸展活动, 伸展量较小, 主要与走滑作 用有关 在盆地东部走滑构造形成和演化过程中产生了辽东凸起, 使它们分隔开 来并各自成为相对独立的沉积凹陷 ( 陈义贤,1985) 辽东湾两堑一垒的构造格 局是郯庐断裂带在辽东湾的体现, 兼走滑和伸展的特点 这说明, 在新生代渤海 湾盆地发育时期郯庐断裂带具有张扭性特征 2. 渤西 渤中地区的伸展构造 科学出版社职教技术出版中心 渤海西部的断层一般为北西向或近东西向的正断层, 控盆断层为铲形断层 主要为两期断层 : 一期为控制中生界和古近系沙河街组的生长断层, 一般是北西 向控盆断层 (Zhao and Zheng,2005); 另一期为发育在东营组和新近系内的

62 54 渤海湾盆地地球动力学 断层, 一般为近东西向次级断层 从控盆断层对地层的控制分析, 本区中生代 和古近纪早期沙二 - 沙三是主要伸展断陷期 ( 图 3-9) 0 E 0 反射时间 /s 上 Q N1 上下 N1 N1 下 N1 上 E3 中 E3 中下 E3 E3 Es Ed Ng 图 3-9 渤海西部 W31 测线地震解释剖面 Es. 沙河街组 ;Ed. 东营组 ;Ng. 馆陶组 渤西地区南堡凹陷的主伸展断层都比较低缓, 倾角多为 30, 低缓的大型 坡坪式主干伸展断层比较发育 ( 图 3-10) 南堡凹陷内还发育典型的表层分 叉同向调节的主干伸展断层, 为一簇发生在凹陷的沉积盖层内控制着沉积厚度 的铲形正断层组, 并收敛于同一条较大的控盆生长断层上, 这就是具有同向调 节断层的主干伸展断层, 一般产状较缓, 并具有坡坪样式, 这表明渤海西部存 在大规模的伸展作用 ( 图 3-10)( 童亨茂,2003) km S 0 Q N 2 反射时间 /s T 0 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 N 2 N 1 E 1 1 E 3 2 E 3 1 E 3 1 E 南堡凹陷 4 图 3-10 渤海西部南堡凹陷 1073 测线地震解释剖面 E 1 4 -E 1 3. 古新统下部 - 始新统下部 ;E 1 3. 始新统下部 ;E 2 3. 始新统上部 ; E 1 1. 渐新统下部 ;N 2 -N 1. 中新统 - 上新统 ;Q-N 2. 第四系和上新统钻探表明沙垒田凸起南部 沙南凹陷 埕北低凸起和埕北凹陷内均发育中生界, 表明这里的中生代盆地比较广泛, 中生代埕北低凸起并不存在, 埕北凹陷和沙南凹陷实为一个凹陷 埕北凹陷和沙南凹陷只不过是在较宽的中生代盆地基础上分隔出的两个小凹陷 ( 图 3-2) 渤中凹陷和渤东凹陷整体上为一个对称的

63 第三章渤海湾盆地构造地质特征 55 两堑夹一垒的地堑系, 渤中凹陷比渤东凹陷大一些 断层大多数为非旋转的正断层, 有的剖面反映也存在坡坪式主干伸展断层 根据渤中凹陷内控盆伸展断层所控制的地层分析, 渤中凹陷主要伸展时期为沙河街期和东营期, 另外新近系也很厚 渤中凹陷东侧边界和渤东凹陷内发育典型的花状构造, 这可能与大型走滑构造郯庐断裂带通过此地有关 ( 图 3-11) km SE 反射时间 /s 2 3 Ng Ed Es 渤中凹陷 渤东凹陷 4 图 3-11 渤中拗陷 193 测线地震解释剖面 Es. 沙河街组 ;Ed. 东营组 ;Ng. 馆陶组 渤中凹陷 渤东凹陷和秦南凹陷内的断层有北东 北西和东西三组方向 主 要分为两类 : 一类为控制古近系和新近系的控盆断层, 以发育坡坪式和表层分叉 式大伸展量的伸展断层为特征 ; 另一类为发育在东营组和新近系内的次级断层, 以发育花状构造和产状较陡的断层为特征, 表明与走滑作用有关 3. 莱州湾地区的伸展构造 莱州湾地区的断裂构造主要是铲形正断层, 主要有两组断裂, 即北北东向和 近东西向 主要分两类断层 : 一类是控制整个新生界的断层, 为控盆断层, 以北 北东向和东西向断层为主 ; 另一类是东营组和新近系内的东西向次级浅层断层, 与成盆作用关系不大 ( 图 3-12)( 吴国强等,2013) 从控盆伸展断层控制的 地层厚度变化分析, 莱州湾地区在沙河街时期有一次断陷成盆但范围较小, 而东 营期断陷成盆范围较大 凹陷和凸起一般呈近东西走向, 凹陷和凸起的组合呈北 东向雁列展布, 这与大型的右旋走滑营潍断裂带 ( 郯庐断裂带的一段 ) 通过本区 有关 从潍北凸起 莱州湾凹陷, 经莱北凸起 黄河口凹陷 渤南凸起至渤中凹 陷的南北向区域大剖面分析, 莱州湾凹陷是一个对称的地堑式伸展盆地, 由南北 两个窄的半地堑组成 黄河口凹陷则是一个较宽缓的凹陷, 为北断南翘的半地堑 ( 漆家福等,2008,2010) 科学出版社职教技术出版中心

64 56 渤海湾盆地地球动力学 km N 0 1 Q-Nm 1 反射时间 /s 2 3 Ng Ed Es1-3 4 莱州湾凹陷 Es4-k 图 3-12 莱州湾 LZll73 测线地震解释剖面 Es. 沙河街组 ; Ed. 东营组 ;Ng. 馆陶组综上所述, 渤海普遍发育铲形断层系统控制的旋转半地堑式伸展构造 辽东湾和渤东地区一般为东断西翘, 渤西和渤中地区一般为对称伸展, 北界秦南凹陷和南界济阳拗陷都是北断南翘 渤海的辽东湾 渤西 渤中 秦南和南堡各凹陷内存在大规模的伸展作用, 主要表现为坡坪式伸展和表层分叉式伸展 渤海边缘各拗陷的主要断陷期为古近纪的沙二 - 沙三时期, 而渤中凹陷为沙二 - 沙三期和东营期, 新近系也很厚, 说明盆地的伸展活动和沉积中心从渤海边缘向渤中凹陷迁移 另外, 从辽东凹陷东侧经渤中凹陷东部至莱州湾东部 花状构造 相对发育, 这说明该地区的成盆作用与郯庐断裂带活动密切相关 ( 漆家福等,2008, 2010; 黄雷等,2012) 二 调节构造 盆地在伸展过程中为了协调伸展作用引起的空间差异或边界条件的限制, 在平面和剖面上都会产生一些与伸展构造近垂直的小断层, 这类小断层统称称为调节构造, 也称调节断层, 具有走滑性质 铲形正断层的伸展作用使上盘与下盘之间出现空间, 上盘由于重力作用导致上盘滚动挠曲, 形成滚动背斜 同向阶梯式断层调节 反向阶梯式断层调节 走滑调节断层 这些调节构造在渤海均发育 ( 图 3-1) 另外, 伸展构造盆地内常发育一种类似转换断层的调节构造, 可称之为传递断层或调节断层 ( 胡望水和王燮培,1994) 由于主干伸展断层的位态 位移方式和位移量等不同, 造成差异性伸展 为了调节这种差异性伸展, 在主干断层伸展的过程中就可派生出调节断层 主要有两种类型, 即反向伸展断层间的调节断层和同向伸展断层间的调节断层 调节断层走向一般与伸展方向一致, 与正断

65 第三章渤海湾盆地构造地质特征 57 层走向正交 这种断层有一定的走滑量, 但与走滑断层不同, 调节断层的不同地段可以有相反的走滑 这种调节构造在渤海非常发育, 在盆地的各个凹陷内均普遍发育 [ 图 3-13(a) 和 (b)] 这种调节构造通常发育在具有较大伸展量的区域, 这表明该盆地存在较大规模的伸展活动 辽东湾的调节断层与渤中的调节断层基本上是北北西走向, 与本区北北西向的区域伸展方向有一定的协调性 N 伸展断层 传递断层伸展方向 121 N 122 秦皇岛 营口 伸展断层 传递断层 伸展方向 km (a) 渤中地区调节断层 图 3-13 渤海的调节断层分布 121 (b) 辽东湾地区调节断层 km 122 科学出版社职教技术出版中心

66 58 渤海湾盆地地球动力学 第三节构造运动学恢复与分析 前面通过地震剖面分析, 研究了渤海及邻区的伸展构造形态, 并定性提出本区具有较大的伸展量 要定量研究伸展断层的伸展量和盆地的伸展拉张史, 平衡剖面分析是伸展构造定量运动学研究的有效方法 一 基本假设和平衡原理 渤海湾盆地以伸展构造为主, 因此其平衡剖面的制作在技术上与挤压区有很大的不同 根据本区的特点, 这里平衡剖面的制作与复原遵循如下原则和假定 : (1) 物质平衡是首先需要满足的, 在平面应变的假设下, 物质平衡表现为剖面的面积平衡 在本区, 简单的线段长度平衡是不可靠的, 必须实现面积平衡 (2) 拉伸变形表现为连续的和不连续的两个部分 不连续的拉伸作用表现为断层 ; 连续的拉伸作用则表现为层内物质运动, 可解释为纯剪切 简单剪切或复合变形 (3) 不连续拉伸变形 ( 断层 ) 的恢复通过块体的运动 ( 平动及旋转 ) 来进行 ; 连续的拉伸变形则要通过面积平衡来进行 研究表明, 不连续部分 ( 断层 ) 分担的拉伸量仅占总拉伸量的小部分, 且断层活动时代越新, 断层活动对伸展量的贡献越小 事实上, 连续 不连续的划分也并非绝对, 为使剖面平衡复原易于操作, 许多小断层都不予以考虑, 由这些小断层引起的拉伸变形都当成连续变形来处理 (4) 考虑沉积压实与重力均衡调整作用对面积平衡的影响 在本区, 沉积压实作用对剖面面积会产生明显影响, 因此在平衡之前必须先进行去压实校

67 第三章渤海湾盆地构造地质特征 59 正, 同时尽可能进行过压实与欠压实校正 同样, 由于对新增沉积物的重力均 衡响应, 也会加大沉积物的数量, 对这部分影响, 我们暂不予以考虑 (5) 考虑盆地整体沉降 ( 如热沉降 ) 对面积平衡的影响 在本区, 新近纪 以来, 尤其是第四纪与新近纪明化镇期, 热沉降作用十分明显 如果不区分这 段时期内的盆地沉积是由于盆地的伸展作用还是由于盆地整体沉降造成的, 那 么得出的结果就很可能与实际情况不符 因此, 在这种地区进行平衡剖面制作 时, 首先要把这些非构造因素造成的盆地整体沉降排除掉, 这里面关键的是如 何确定由热沉降等因素造成的盆地沉降量 一般说来, 由热沉降造成的盆地沉 降量需通过对盆地的热史研究来确定, 简单的回剥模型是无法确定的 在我们 的平衡剖面制作过程中, 热沉降量的确定是通过对该地区的热史及热沉降的已 有认识来确定的, 并在具体制作过程中去除新近纪断裂的断距引起的伸展量, 给出热沉降量占总沉降量的合理比值 (6) 由于考虑了热沉降的影响, 而热的影响是来自较深层次的, 因而在剖 面平衡恢复过程中滑脱深度将是变化的 具体的滑脱面深度的变化幅度是由热 沉降量的大小控制的 在不断有外来物质沉积加入的情况下, 地壳的拉伸减薄 表现为滑脱面之上基底的拉伸减薄, 而不一定表现为滑脱面深度的明显变化 从华北平原的震源深度分析,12km 处是华北上地壳底部的一个平均滑脱深度 ( 图 1-12) 二 伸展历史的平衡剖面分析 (1) 根据上述基本原理, 我们分别对渤海湾盆地的辽东湾 渤中和渤西地 区六条具有代表性的地震剖面进行平衡恢复 具体操作步骤如下 : 1 选取具有代表性的地震剖面进行解释 2 对解释好的剖面做适当简化 ( 主要是去掉一些意义不大的小断层 ), 得 到待平衡恢复的原始剖面 3 对得到的原始剖面进行时深转换, 将地震剖面中的时间轴转化为深度坐 标 ( 为了进行面积平衡, 这一步是必不可少的 ) 4 按地层逐期对剖面进行如下操作 : 回剥 ( 去压实校正 ), 根据热沉降对 该期盆地沉降量的影响计算滑脱面深度的变化, 断层 ( 块体 ) 平衡, 最后总面 积平衡, 得到每期经平衡恢复的构造演化剖面 科学出版社职教技术出版中心 5 根据经平衡恢复得到的各期剖面的长度, 计算拉伸参数, 列表并做出相

68 60 渤海湾盆地地球动力学 关分析的图件 (2) 选取本区具有代表性的六条剖面, 分别为辽东湾的 195 测线 108 测线和 201 测线, 渤中的 1175 测线, 渤西的 1070 测线和莱州湾的 1132 测线 其位置如图 3-14 所示 km 绥中 秦皇岛 唐山 195 侧线 乐亭 南堡 108 侧线 大连 201 侧线 旅顺 1070 侧线 1175 侧线 蓬莱 沾化 1132 侧线 龙口 图 3-14 渤海平衡剖面位置的分布 这六条剖面受地震测线网的限制, 只有 195 测线 108 测线和 20l 测线基本与最大拉伸方向一致, 另外三条测线均与相应最大拉伸方向有一定的夹角, 因而由它们计算出的拉伸量应为最大拉伸量的一个分量 ( 正投影 ) 但在均匀应变的假设下, 由它们计算出的伸展率仍然有效