松辽盆地道家围子断陷早白垩世早期地层特征

松辽盆地道家围子断陷早白垩世早期地层特征

松辽盆地是一个大型中生代陆相沉积盆地。晚侏罗世时,盆地为拉张断陷期,全盆呈现很多相互分隔、主断面倾角极缓的箕状断陷,这些箕状断陷总体上呈近南北走向,该时期松辽盆地沉积主体由火山岩、砂砾岩及煤系地层组成。晚侏罗世末(燕山运动中期),盆地发生了第一次区域性挤压反转,这期运动虽不强烈,但具有普遍性。从早白垩世(登娄库组)后期开始,全盆统一沉陷,进入坳陷期。中白垩世(泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组),盆地逐渐扩大,于嫩江组沉积期达到顶峰,形成一个统一的大型深坳陷。至晚白垩世初(晚燕山运动Ⅰ幕),全盆经受第二次区域性挤压上隆,凹陷和断裂普遍发生构造反转。徐家围子断陷是松辽盆地中部规模较大的晚侏罗世—早白垩世断陷之一。以往挤压变形分析往往集中在晚期,将四方台组和明水组沉积期作为松辽盆地的反转期。也有学者针对徐家围子断陷挤压变形进行了分析,认为反转变形主要发生在沙河子组沉积期末,将该期构造反转样式划分为地层反转、断层—地层反转和地层掀斜三种类型,或者认为该期断陷发生褶皱与断层逆冲反转。火石岭组、沙河子组、营城组之间成盆机制的差异已在多条剖面上被一些研究者注意到,但三个成盆特点不同的地质阶段各自具体的的沉降格局尚不清楚,特别是三个地质阶段之间的构造改造作用无一例外地被这些研究者忽视,而作为这些改造作用所留下的样式不同的构造形迹,则被以“火山作用、火山机构”简单地一言概之。晚中生代,东北亚地区断陷盆地普遍发育,这些盆地系的发育地区西起贝加尔湖,东到锡霍特—阿林构造带;南界为阴山纬向构造带,北界直抵蒙古—鄂霍茨克构造带。东北亚地区区域地质的研究表明,在这些晚中生代盆地中,张裂断陷是盆地构造面貌的主调,但挤压构造形迹存在也是不容忽视的。1徐氏破土剖面变形特征1.1城断弯褶皱演化徐家围子地区曾遭受较强的构造改造作用。主要激化期初步鉴定出两期,一期激化于营一段沉积前,构造作用方式为走滑背景下的挤压作用,应力集中区位于升平—兴城地区、宋站地区、肇州北地区,构造形迹为断弯褶皱。另一期激化于营二段沉积前,应力集中区位于徐北凹陷区的东部,构造形迹为形态舒缓的背向斜对。升平—兴城断弯褶皱:该褶皱带发育主要受升西断裂控制,基本构造形态定型于营城组沉积前(图1)。构造带顶部仅残留火石岭组,西翼尚残留沙河子组。营二段沉积前该褶皱带重新活动迹象明显,明水组沉积期末重新活动的痕迹也十分清楚。该构造带的构造特征可归纳为断弯褶皱的形成、核部地层的剥蚀和翼部上覆层的超覆。在升平—兴城断弯褶皱上发育了两个构造:升平构造、升北构造。升平构造是升西断裂北段逆冲活动中派生的局部构造,升西断裂上盘局部构造的成因机制为沿断裂扩展的断弯背斜,该断裂下盘局部构造的成因机制为断坪—断坡系统中的高断坪。升北构造发育于升西逆断层北端,升西断裂的形迹向北潜于基岩之中,升北构造为其上盘的断弯背斜。升平和升北构造均表现为下部构造形态完整、上部构造形态残缺的特点。挤压作用的主要构造形迹是徐北向斜与东部背斜组成的斜歪向斜—背斜对,尚南构造前身形成于营二段沉积前,是区域挤压作用形成的斜歪向斜—背斜对,区域性逆冲断裂,榆西断裂发育于背向斜公共翼,尚南局部构造的背景为榆西断裂上盘所发育断展背斜。1.2断裂体系的构造背景在徐家围子断陷识别出两条区域性二级逆冲断裂,即升西断裂及榆西断裂。升西断裂是一条区域性Ⅱ级断裂,其最显著的构造形迹表现为区域逆冲特征,控制了升平—兴城断弯褶皱的发育。升西断裂平面延伸长度约24km,断面西倾,与徐西断裂倾向相对,基岩顶面断距一般350m,是发育于徐家围子的边界断裂——徐西断裂上盘的一条重要逆冲断裂,由北向南,升西断裂的逆冲幅度逐渐变小。升西断裂强烈活动于沙河子组沉积结束之后。北段的断裂形迹潜伏于基岩之中,火石岭组、沙河子组在断裂上盘形成逆掩幅度很大的断弯褶皱,褶皱顶部沙河子组剥蚀强烈,上覆营四段的披覆沉积;西翼保存较好,可见营一段沿沙河子组顶面的底超现象。从几何学结构上来讲,升西断裂在徐西断裂反转背景下发育成如此规模的反冲断层,应当有其重要的地史背景。种种迹象表明,升西断裂在沙河子组沉积时期,很可能是徐西断裂的反向调节正断层,强烈的掀斜作用使徐西伸展断裂系统中沙河子组厚度西厚东薄的特点十分突出,所以在徐西断裂反转过程中,升西断裂的逆冲幅度十分强烈。榆西断裂平面延伸约21km,走向近南北,断面东倾,基岩顶面断距约425m,是形成于营二段沉积前的一条区域性逆冲断裂。断裂的上、下部位,各有一条平面延伸比较稳定的次级逆断层,共同构造逆冲断裂系。榆西逆冲断裂控制了向西终止于宋西断裂的斜歪向斜的发育,为营二段上超充填提供了沉积空间。2子断陷区地质发展历史和地质改造作用徐家围子地区的地质历史绝非如前人所认为的那样,是在持续伸展背景下发育断陷盆地,各套断陷期地层简单地上下叠置,频繁活动的火山作用使地层面貌复杂化。事实上,徐家围子地区在断陷期,不但曾经发生过相当强烈的挤压作用,而且各套断陷期地层也是不同伸展格局下的产物(图2)。将徐家围子断陷划分为徐北凹陷区和徐南凹陷区的主要依据,是两者地质发展历史的差异。这种地质发展历史的分异,始于沙河子组沉积结束后,并最终导致了南北两区在基底埋深、构造样式、地质结构方面的差异。徐北凹陷区基底埋藏深,断陷期地层赋存厚,地层套数多。徐南凹陷区基底埋藏浅,断陷期地层赋存薄,地层套数少。徐北凹陷区主体部分基岩顶面的海拔高程为-5000～-7000m,徐南凹陷区主体部分基岩顶面的海拔高程为-3000～-4000m。与徐北凹陷区相比,徐南凹陷区缺失营二段、营三段两套地层。徐北凹陷区最剧烈的构造改造作用发生于沙河子组沉积结束—营二段沉积前期间,而且改造作用相对较弱。徐南凹陷区沙河子组—营二段沉积前期间的改造作用非常微弱,该凹陷区基本构造结构的定型发生于明水组沉积末期。也就是说徐北凹陷区的改造作用强烈,构造格局定型早,徐南凹陷区的改造作用弱,构造格局定型晚。总之,徐家围子断陷是多期改造的产物。3地震层序特征地震层序是由一套整一的、连续的、成因上有联系的地层的地震反射组成,其顶底是以不整合或与之可对比的整合面为界。由于由地震反射所揭示的地层不整合接触关系的存在,就使地震层序之间曾经历过的构造变动得以确认,使之可借以用作地质演化阶段的划分。沿徐西断裂及宋西断裂北段,普遍可见沙河子组向火石岭组顶面上超,表明两者之间构造变动的存在。沙河子组顶部在升平—兴城断弯褶皱上和宋站鼻状构造上的削蚀现象,表明沙河子组沉积结束后曾发生过强烈的构造运动。同样,徐北向斜中营二段对营一段顶面的上超充填结构,也反映了营二段沉积前强烈构造运动的发生。登一、二段的大面积缺失以及普遍发育于营四段顶面幅度不大的褶皱形迹,表明登娄库组沉积前构造运动的发生。依据上述现象,可在徐家围子断陷断陷期地层中划分出4个地震层序。层序Ⅰ为火石岭地层的反射,反射特征表现为低频强相位与弱反射相间的特点,是火山岩与正常碎屑岩互层地层的地震响应。该层序顶面在薄荷台凸起、东部斜坡区、古中央隆起周缘常见顶削现象,沿徐西断裂及宋西断裂北段,该层序顶面表现为底超面。层序Ⅱ为沙河子组反射。总体反射特征表现为中高频、中强振幅、较连续反射。该层序顶面在升平—兴城断弯褶皱上,在徐西断裂中部、宋站鼻状构造上普遍可见顶削现象,向东超覆尖灭于东部斜坡。层序Ⅲ为营城组一段反射。顶底界面为中等频率、强振幅、较连续反射,内部反射特征为低连续、中等振幅的蚯蚓状反射。该层序顶面在徐北向斜中为典型的底超面,在升平—兴城断弯褶皱西翼向沙河子组顶面超覆沉积的结构清楚。层序Ⅳ为营城组二、三、四段反射。以两套弱反射夹一套3～4个相位的强反射为特征。每个地震层序均代表一个具有自身特色的地质发展阶段,每个地质发展阶段之间,又都不同程度地发生过地区性构造变动。据此,可将徐家围子断陷的地质演化历史划分为四个阶段:Ⅰ为火石岭组火山岩台地发育阶段;Ⅱ为沙河子组北西向断陷发育阶段;Ⅲ为营城组一段北北东向断陷发育阶段;Ⅳ为营城组二、三、四段北北东向小规模断陷发育阶段。在层序Ⅰ与层序Ⅱ之间,在区域性走滑应力背景下,开始了松辽盆地早期断陷大规模水平伸展的成盆过程;在层序Ⅱ与层序Ⅲ之间,在区域性走滑应力背景下,形成了断陷地层内部的断弯褶皱、倾伏背斜及反转构造等强烈的挤压构造形迹;在层序Ⅲ与层序Ⅳ之间,在区域挤压应力作用下,形成了斜歪向斜-斜歪背斜逆冲-褶皱系统。4沉积相与挤压构造徐家围子断陷是松辽盆地早期断陷群中较大的,也是较特殊的一个断陷。其特殊之处主要体现在构造线呈北西走向,与区域性的北北东-北东向断陷群格格不入。从大多数地震剖面上来看,火石岭组均不应受断层的影响。所以,徐家围子断陷真正的伸展断陷作用,应该始于早白垩世沙河子组沉积时期。通过对升西断裂沿线、宋站鼻状构造地区沙河子组剥蚀厚度的恢复,求取了沙河子组的原始地层厚度。在徐西断裂北段,沙河子组地层厚度900～1300m的区域构成一个沉降中心;在徐西断裂南段,沙河子组厚度500～800m之间的区域构成一个沉降中心;在宋西断裂北段,沙河子组厚度1100～1300m的区域构成一个沉降中心。总体上,沙河子组上述的北西向沉降中心呈现出北北东向斜列的展布特征。沙河子组顶面普遍存在的削截现象表明,营一段沉积前徐家围子断陷的挤压改造作用十分普遍。通过对该期挤压形迹的系统鉴定、对比和组合,发现最强烈的挤压构造主要分布于三个区域:(1)宋站鼻状构造宋西断裂北段断裂走向由北西转向北东的拐弯处;(2)升平—兴城断弯褶皱;(3)徐西断裂南段断裂走向由北西转向北东的拐弯处。除此之外,沙河子组顶面因挤压褶皱引起的顶削现象虽然规模较小,但无处不在。营一段沉积时期,沉降格局较之沙河子组沉积时期,有了大规模的改观。同沉积断裂对沉降格局的强烈控制作用大幅度降低,徐西断裂、宋西断裂发育萎缩。营一段沉积时期,徐北凹陷区总体沉降量大于徐南凹陷区,徐家围子断陷的总体沉降轴呈北北东—南北向。营一段沉积结束后,发生了规模较大的挤压作用。挤压作用比较强烈的区域南起徐南凹陷区与徐北凹陷区的分界处,北抵宋站鼻状构造,向西止于宋西断裂。显然,先存构造线限制了挤压作用的发生区域,是挤压作用发生时显著的边界条件。挤压作用的主要构造形迹,是徐北向斜与东部背斜组成的斜歪向斜—背斜对,由于挤压构造叠置于西倾古斜坡背景上,所以背斜东翼发育很不完善。挤压构造轴向南北,徐西断裂、升西断裂重新活动的迹象十分清楚,似可与宋西断裂、榆西断裂共同构成一个自东向西逆冲的逆冲—褶皱系统。初步可判断为以榆西逆冲断裂为主冲断裂,与宋西断裂(反转)、徐西断裂(反转)共同构成尾叠瓦扇。宋西断裂作为先存断裂,使挤压应力得到充分释放,向西挤压强度减弱。营二、三段主要分布于徐北向斜,营二段仅超覆于宋站鼻状构造倾没端,营三段已覆盖了整个宋站鼻状构造。营二、三段总体上是对徐北向斜的上超充填,但向斜北部,可见宋西断裂在营二、三段沉积期间幅度不大的同沉积活动现象。营四段厚度在徐家围子断陷没有太大变化,营四段沉积时期,断裂对古地形的影响作用已非常弱。5断裂发育的古应力场徐家围子断陷的孕育、发展和萎缩阶段,正值伊佐奈木板块运动活动最强烈的地质时期,伊佐奈木板块对东北亚大陆的挤压作用是徐家围子断陷地质演化的区域动力学背景(图3)。火石岭组发育于区域性热隆作用背景下,绝大多数后期改造作用较弱的地震剖面均可显示其原始厚度不受断层控制,可能普遍发育火山岩台地,建造面貌以火山岩系与正常碎屑岩交互为特征。火石岭组沉积时期,真正的断陷盆地尚未形成。沙河子组沉积时期,徐西伸展断裂和宋西断裂北段发生了大规模伸展作用,断陷盆地开始形成。伊佐奈木板块对东北亚大陆的挤压作用经区域性边界断层诱导后,在徐家围子地区形成一个北东向右行走滑应力场(图4),这便是徐家围子断陷发生发展的古应力背景。对于北西向构造线来说,在这个古应力场中,应力效应为左行走滑。所以徐西断裂、宋西断裂北段的伸展作用都是发生在左行走滑背景下。许多地区的研究表明,由于走滑断层的弯曲,在弯曲部位会产生收敛挤压区和离散性拉张区。在左行走滑断层的左阶式弯曲部分发生拉张,于断层一侧或两侧形成断陷盆地和正断层等张性构造;在左行走滑断层的右阶式弯曲部位发生挤压,于断层一侧或两侧形成隆起断块和逆断层等压性构造。将沙河子组沉积时期的沉陷区与沙河子组沉积期末的挤压隆起区组合,就可发现这是一种极富规律性的挤压—拉伸组合。营一段的沉降轴总体上呈北北东向,由北北东向构造线在区域右行走滑背景下继承沙河子组的沉降中心发展而成。营一段沉积时期,北西向断层的活动性大大降低,影响古地形起伏的同沉积断层产状变陡,沙河子组沉积时期的低角度缓断面不复存在,水平伸展量也总体降低。营一段沉积末期,伴随着区域应力场的进一步激化,产生了轴向南北的挤压构造。受局部性边界条件的限制,强烈的挤压构造形迹被限制在徐北凹陷区中南部。6徐围子断陷断陷区地质构造背景(1)徐家围子地区在断陷期曾遭受较强的改造作用,主要激化期有两期:一期为营一段沉积前,构造作用方式为走滑背景下的挤压作用,应力集中区位于升平—兴城地区、宋站地区、肇州北地区,构造形迹为断弯褶皱;另一期为营二段沉积前,应力集中区位于徐北凹陷区的东部,构造形迹为形态舒缓的背向斜对。(2)徐家围子断陷为多期变形的产物,构成徐家围子断陷