盆地构造分析

沉积盆地构造分析

——临清坳陷东部盆地分析

1、区域构造背景

临清坳陷位于渤海湾盆地西南收敛端, 北接黄骅坳陷、沧县隆起, 南至内黄隆起, 西邻太行山, 东到鲁西隆起区, 总体上呈北东向展布。其中, 临清坳陷东部是指北到吴桥, 南到冠县, 临清—武城以东, 包括德州凹陷、莘县凹陷和高唐—堂邑凸起3个次一级构造单元。

临清坳陷东部为在华北古地台基础上形成的中、新生代叠合盆地。自中生代以来, 研究区经历了印支、燕山和喜马拉雅运动, 盆地面貌呈现凹凸相的构造格局, 为典型的伸展型盆地。盆地的主要构造特征包括:（1）地长轴方向为北东向, 高唐—堂邑凸起、莘县凹陷和德州—冠县凹陷均呈北东向展布。

（2）坳陷内断裂极为发育, 且多数为正断层, 具有伸展盆地的典型特征。断裂走向具有北东和北东东(近东西)2组优势方向, 研究区北部断层主要以北东东(近东西) 向走向为主, 南部多以北东向走向为主。断面形态主要有平面式、铲式和座椅式; 断剖面组合特征主要有“Y ”型、多级“Y ”型、阶梯状、地堑与地垒等。（3）受断裂活动影响, 研究区内掀斜断块较发育, 掀斜断块控制着各次级构造带的形成和发育。

图1临清坳陷构造纲要图

2、盆地演化过程

在早—中三叠世, 研究区继承了石炭纪—二叠纪的盆地演化背景, 仍为稳定内陆坳陷发育阶段, 沉积了约2 000m的中—下三叠统。

在晚三叠世, 扬子板块与华北板块先东后西的“剪刀”式碰撞, 致使整个华北东部形成北东—南西向挤压应力场。临清坳陷东部作为华北东部的一部分, 受北东—南西向挤压应力场影响, 发育北西向构造形迹。盆地整体抬升遭受剥蚀, 区内北部抬升幅度大, 剥蚀厚度为2 000m左右; 南部抬升幅度小, 剥蚀厚度为1 500m左右。

在侏罗纪—早白垩世, 郯庐断裂发生大规模的左旋走滑, 同时在岩石圈减薄和软流圈隆升的共同作用下, 临清坳陷东部进入张性断陷盆地发育阶段, 其张应力优势方向为北西—南东向。研究区内兰聊大断层开始活动, 部分小规模断层也开始活动, 而堂邑东、堂邑西、武城—馆陶东等控凹断裂未开始活动。在兰聊断裂活动的影响下, 下降盘沉积了巨厚的侏罗系和下白垩统, 坳陷的沉积中心位于兰聊断层的下降盘处, 鲁西隆起形成, 盆地形态整体表现为东断西超的箕状半地堑。

在晚白垩世, 受燕山运动尾幕的影响, 盆地表现为挤压抬升, 挤压应力场的优势方向表现不明显。研究区内整体缺失上白垩统, 并剥蚀了近400m 的侏罗系至下白垩统。一些次级小断层停止活动, 在现今剖面上表现为中生界内幕断层。

在古近纪, 受郯庐断裂带右旋走滑、地幔热柱上涌及太平洋板块北西西向俯冲的影响, 整个渤海湾盆地进入大规模的断陷盆地发育阶段。临清坳陷东部作为渤海湾盆地的一部分, 进入断裂发育高峰期, 其应力场以张性拉张为主, 优势方向为北西—南东向。在孔店组到沙四段沉积时期, 兰聊断裂继续活动, 堂邑东、堂邑西、武城—馆陶东等控凹断裂及大部分控洼断层开始活动, 高唐—堂邑凸起开始形成, 相应的二级构造带已初具规模。在断层的下降盘处形成多个沉积中心, 各个洼陷已初步形成。坳陷整体表现出北强南弱、东强西弱的趋势。沙三段至沙二段沉积时期为研究区构造活动最活跃的时期, 断层活动明显加剧, 断层的活动数量也达到最多。各测线显示兰聊、堂邑东、堂邑西断层活动强度不同, 其分段性明显。各个二级构造带进一步发展, 高唐—堂邑凸起遭受剥蚀, 前期形成的沉积中心继续接受沉积。对于坳陷整体来说, 其南部活动强度大于北部, 东部大于西部, 现今的构造格局基本形成。在沙一段至东营组积时期, 构造活动相对较弱, 断层活动性大大降低, 大部分断层在该时期停止活动, 构造格局基本继承了前期的发育特点。沙一段和东营组分布趋于稳定, 部分地区表现为披覆式沉积。整个坳陷的活动性大大降低, 活动强度差别不大。

在新近纪—第四纪, 临清坳陷东部所在的整个渤海湾盆地进入裂后坳陷发育阶段, 水平拉张应力场消失, 断层垂向运动停止, 地层沉积具有充填—披覆式特征, 覆盖所有凸起与凹陷之上, 地层厚度差别不大, 整个盆地演化趋于稳定。

3、基本构造样式及叠加

3.1基本构造样式

构造样式(structural styles) 是指在剖面形态、平面展布、排列和应力机制上有着密切联系的相关构造的总特征(Lowell ,1985 )。这种总特征使它们得以与其它构造区分开来。研究区各凹陷的边界断层多为铲状正断层，且成对出现，形成了本区所特有的由不同时期的半地堑组成的双断式结构，因此箕状半地堑就成为本区最基本的构造样式。在半地堑的形成过程中，其内部往往产生众多的次级构造及其组合，按其形成机制，归纳出以下7种与油气聚集有关的构造样式(图2)

图2 临清凹陷东部基本构造样式

3. 1.1断裂鼻状构造

可分为3种类型，1类是由于隆起区基岩伸向凹陷内部，使基底起伏不平，后期地层又披覆于其上而形成的鼻状构造。一般分布于盆地边缘缓坡一侧，如避雪店鼻状构造带等。第2类是生长断层在发育过程中由于掀斜作用的差异，造成了下降盘的沉积物沿断面重力滑动程度的不一致而形成的鼻状构造。第3类是差异压实鼻状构造，是先期快速堆积的特殊岩性体(洪积扇、冲积扇等) 形成了古地形高，后期的细粒沉积物又披(超) 覆其上，随着沉积厚度的加大，砂砾岩体与细碎屑岩发生差异压实作用而形成的鼻状构造。多分布于凹陷陡坡边界断层下降盘，如聊2井区鼻状构造等。

3.1.2继承性背针构造

是指基底断层不但形成了古地形高，而且长期继承性发育，并产生多条基础断层和盖层断层使其复杂化的断裂背斜构造。如区内的姜店背斜、夏津背

斜等。

3.1.3滚动背料构造

一般由铲形正断层控制。W. K. Hamli

3. 1.4垒一堑断块

是垒堑相间的一种构造样式，两条倾向相反的相邻断层共具一个上盘(地堑) 或下盘(地垒) 时即可形成该类构造样式，较大尺度上又称为盆一岭结构。凹陷内较大的垒一堑样式如梁水镇洼陷一凤凰集地垒，这种结构贯穿了基底和下第三系盖层，破坏了斜坡的完整性，地堑往往成为有利的生油气区，如梁水镇洼陷，而地堑边缘和地垒则是有利的油气聚集场所。凹陷内中小型垒堑断块有时呈带出现，有时也单个出现。

3.1.5同(反) 向断阶

同向断阶和反向断阶是张性构造常见的样式，可以各种规模出现，在凹陷的盖层中是一种非常有利的成藏圈闭，尤其是反向断阶构成的“屋脊”式油气藏，在勘探中倍受重视。构成这二种样式的断层多以面状型断层为主，向深部消失，断层之间大致平行，一般认为是重力和拉张作用造成的。区内下第三系盖层中广泛分布着该类构造样式。

3.1.6披覆构造

实际上是一种压实褶皱，是沉积在先存相对固结的地形高之上的沉积物在差异压实的作用下形成的。背斜高点的压实变形作用相对较小，四周相对较大。这种地形高可以是先存的古背斜、古隆起、断块和火山锥等，其形态往往具有继承性。本区以高唐一堂邑凸起和土桥潜山上的披覆构造最为典型。

3.1. 7挤人构造

主要分布在膏盐、软泥层发育区。受重力作用，在差异压实及侧向挤压下容易产生塑性形变，沿着沉积层薄弱的地方上拱，形成泥拱或刺穿构造。区内德州凹陷北部的恩城断裂带内已发现该类构造(陈景达等，1991) 。另外本区火成岩较为发育，岩浆底辟存在的可能性很大。

3 .2构造样式的叠加

临清坳陷经历了多次构造运动和应力场的转变，因此上述的构造样式只是为了简洁、明确，决不意味着区内的构造样式是绝然分开的。事实上不少样式是相互叠加产生的，介于不同样式之间的过渡类型也很常见。特别是郑庐断裂在中新生代的平移走滑和几次运动方向的改变对本区影响颇大。

盆地内断层的性质主要表现为张性正断层，但由于邦庐断裂的平移活动，造成了本区的引张力方向不可能总与断层走向垂直，这样断层就具有了相对走滑性质，表现为盆地内主断层附近皆散布着与之交叉的次级断层，构成平面土的分叉式、雁列式构造，整体呈S 型构造形态。这样在以张应力为主导应力所形成的构造样式上明显地叠加上了平移走滑因素。

反转构造也是构造样式叠加的一种表现。幸县凹陷内的韩屯背斜就是一典型例子(图4) 。由于侏罗一白奎纪早期本区主要处于张性应力场中，现今的韩屯背料部位为一沉积中心，沉积了巨厚的中生代地层，白噩纪末期应力场转变为挤压，使中生界发生褶皱隆升，出现了先凹后隆的构造反转，后期的第三系又先超后披覆于其上，形成了现今的继承性背斜构造。这种反转构造实际上反映了张扭性和压扭性构造样式的叠加。其所伴生的圈闭是寻找煤成气和新生古储型油气的有利目标。

图3 韩屯反转构造剖面示意图（687.9侧线）

4、临清坳陷东部新生代盆地的变换构造带

临清坳陷位于渤海湾盆地南部, 其东以兰聊断层为界, 西以冠县断层(馆陶东断层) 与馆陶凸起为邻, 北以夏津-腰站断层为界与德州凹陷、惠民凹陷分开, 南以马陵断层和范县凸起及东濮凹陷相接, 总面积5 200 km2。包括4个次一级构造单元, 分别为莘县凹陷、冠县凹陷、堂邑凸起和馆陶凸起。通过对临清坳陷东部断层活动性和半地堑的分析, 参照地震反射剖面和各层构造图, 划分出新生代早第三纪各个时期的变换构造带。从临清东部早第三纪断陷期半地堑及变换构造带立体示意图和分析图(图

4) 上可以看出, 临清东部的变换构造以调节带为主,

图3 临清东部变换构造立体示意图[9]

ⅡL-1—馆陶平行走向反向向斜调节带; ⅡL-2—冠县平行走向反向背斜调节带;

ⅡL-3—堂邑平行走向反向向斜调节带; ⅡL-4—莘县平行走向反向背斜调节带;

ⅢL-21—尚店斜向调节带; ⅢL-41—凤凰集平行走向向斜调节带；ⅢL-42—沙镇横向调节

带;F1—兰聊断层;F2—堂邑东断层;F3—堂邑西断层;F4—冠县断层;F5—馆陶西断层各凹陷或次凹中出现) 。

传递带不多见(传递带可能以较小尺度在调节带以平行走向反向型为主, 它们多平行于断层走向及裂谷方向分布, 其中级别较高的分隔各凹陷, 在横向上形成隆凹相间的构造格局。从西向东依次为馆陶平行走向反向向斜二级调节带、冠县平行走向反向背斜二级调节带、堂邑平行走向反向向斜二级调节带和莘县平行走向反向背斜二级调节带等。它们中的反向向斜调节带呈现隆起形态(馆陶凸起和堂邑凸起), 其总体构造为向斜形态; 而反向背斜调节带发育在凹陷中(莘县凹陷和冠县凹陷), 其总体构造为背斜形态。这些构造总貌在发展过程中可能会受到不同程度的破坏, 特别是反向向斜调节带构造形态, 在抬升过程中遭受剥蚀而可能没有保存其完整的向斜形态。对于反向背斜调节带, 其构造形态保存较为完好, 在地震反射剖面中清晰可见。在上述二级平行走向调节带中, 发育了一些次级(三级) 反向调节带, 如凤凰集平行走向反向背斜调节带和沙镇横向背斜调节带等。另外, 还有更次级的调节带分布在半地堑相接的部位。

5、热演化史和成烃史

利用磷灰石裂变径迹和镜质体反射率古温标模拟计算的临清坳陷热演化历史得到的地温梯度总体上是逐渐降低的, 但由于构造演化的差异性, 南部的莘县凹陷古地温梯度整体高于北部的德州凹陷。

临清坳陷的现今地温分布低于邻侧地区的济阳坳陷、昌潍坳陷及黄骅坳陷(熊振等, 1999; 程本合等, 2001; 王良书等, 2002;龚育龄等,2003a, 2003b;刘震等,2005), 如昌潍坳陷的现今平均地温梯度为3·9℃/100m,济阳坳陷的现今平均地温梯度为3·6℃/100m,黄骅坳陷的平均地温梯度为3·37℃/100m,冀中坳陷为3·24℃/100m,而临清坳陷平均地温梯仅为2·9~3·0℃/100m。热演化史与这些坳陷相比也是较低的(郭随平等, 1996;胡圣标等, 1999;邱楠生等, 2003, 2004a,2004b)。这些坳陷热演化的差异表现可能与郯庐断裂的活动(牛漫兰等, 2002, 2005;朱光等, 2004)有关。古近纪, 东部的郯庐断裂带由于北向推力减弱而由左行变为右行, 断裂带西部区域应力场相应由右旋挤压变为左旋拉张。之后27Ma 的时间里, 研究区出现优势拉张(伸展), 开始了新生代箕状断陷盆地发育阶段。在沙河街组四段沉积末期本区有一抬升剥蚀现象, 且剥蚀量较大①; 本文根据磷灰石裂变径迹模拟得到的该期剥蚀量较小, 仅350 m ±(德6井) 。

正是由于临清坳陷内构造演化的差异性及其导致的热演化历史的差异, 决定了主要烃源岩生烃史的差别。坳陷北部的德州凹陷烃源岩基本未进入成熟生烃状态, 南部莘县凹陷的主要烃源岩(孔店组和沙四段) 大都达到了较成熟或处在生油高峰状态。莘县凹陷由于烃源岩厚度大, 有机质丰度高, 具有生油的良好条件。主要排油期在新近纪, 此时凹陷内构造活动微弱, 使得生成的油气难以进行长距离的运移, 主要深洼陷区控制了古近系油气的分布。因此, 油源问题是影响临清坳陷勘探难以进展的主要原因。

图5 禹参2井主要烃源岩成熟演化史

图6 德1井、德3井和德6井主要烃源岩成熟演化史

6、平衡剖面伸展率分析

根据恢复的剖面, 计算了盆地各个时期伸展率指数及北东、北西向平均伸展率( 图4) , 可以看出:

(1) 在早-中三叠世, 各测线伸展率为零, 盆地不存在拉张与挤压。

(2) 在晚三叠世, 2组测线伸展率均为负值, 其中北东向测线负值相对较大, 盆地整体受到挤压, 且主压应力方向为北东-南西。

(3)在侏罗纪-早白垩世, 2组测线伸展率为正值, 其中北西向测线伸展率明显大于北东向测线, 盆地整体受到拉张, 主拉张应力方向为北西-南东向。

(4)在晚白垩世, 2组测线伸展率均为负值且相差不大, 研究区整体受到挤压, 各方向挤压应力大小均等。

(5)在古近纪, 区域应力场均表现为拉张。在孔店组和沙四段沉积时期, 既有北西-南东向的拉张, 又有北东-南西向的拉张, 但后者表现更强烈, 表明研究区处于中、新生代盆地发育的过渡时期; 在沙三段-东营组沉积时期仍然存在2个方向的拉张, 但北西向剖面伸展率相对较高, 说明盆地主要拉张方向已转为北西-南东向。714. 3测线在古近纪其北部伸展率大于南部, 表明古近纪研究区北部拉张程度大于南部。

(6)在新近纪-第四纪, 伸展率为轻微正值, 盆地受到轻微拉张, 盆地演化趋于稳定。图4-临清坳陷东部北东和北西向测线平均伸展率随地质时期的变化

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