东营凹陷构造演化与断裂成因分析

东营凹陷构造演化与断裂成因分析

东城凹陷发育着许多生长扰动，其活动影响了地层的沉积和剥离，控制了塌陷的形成和发展。可以说，断裂活动代表了古代和现代东平塌陷的构造活动，是构造活动的主要形式。因此,研究断层的活动规律,就能够揭示东营凹陷古近纪构造活动的特征。自20世纪以来,前人就对东营凹陷古近纪的断裂活动做过大量的研究工作,但只限于对东营凹陷局部构造特征的研究。笔者利用断层落差法,在东营凹陷古近纪断裂构造几何学研究的基础上,分析凹陷各级断层在沙河街期和东营期的断裂活动特征,以期对东营凹陷的构造演化特征取得整体的认识。1陈南断层-南缘基底结构东营凹陷位于济阳坳陷东南部,为渤海湾盆地济阳坳陷中的一个次级构造单元,是受陈家庄南基底大断裂控制的箕状断陷盆地。凹陷北以陈南断层为界,与陈家庄凸起相邻,南以齐河-广饶断裂为界,与鲁西隆起及广饶凸起相邻,向西以平南断层和高青断层为界,向东与青坨子凸起相邻(图1)。受陈南大断裂的控制,东营凹陷主要发育有北东向、北西向和近东西向3组基底正断层。北缘的陈南断层西段走向为北东东向或近东西向,东段为北西西—东西向;西缘的平南断层和高青断层的总体走向为北东—北北东向。东营凹陷的断层在中部和南部以北倾为主,与陈南断层的倾向相反;北部断层倾向主要向南倾,与陈南断层的倾向相同;在西部受高青、平南、滨南等断层的控制,断层倾向以南东向为主。2中断活动特征2.1层演化史及断层活动强度的假设条件由于东营凹陷是受断层控制的伸展半地堑,除在凹陷内部存在正常发育的生长断层外,北部边界存在规模大、活动时期长、上升盘缺失的控凹断层,断层生长指数为无穷大,无法使用其准确地研究这些边界断层在各个地质时期的活动强度,因此本文中采用断层古落差法来研究东营凹陷断裂活动特征。在应用断层古落差研究生长断层演化史及断层活动强度时有以下前提和假定条件:(1)准确可靠的上、下盘地层单位的对比;(2)剥蚀区生长断层上、下盘剥蚀厚度一致;(3)断层落差没有考虑沉积压实因素;(4)研究区断层的断面产状一致。当然,在计算断层古落差时还应考虑塑性流动和古水深等因素的影响。在有沉积补偿的情况下,沉积盆地的沉降幅度等于沉积物的厚度,可以用两盘地层厚度分别代表生长断层两盘的下降幅度。虽然计算断层古落差应考虑压实作用、剥蚀作用、塑性流动、古水深等因素的影响,但只要断层线附近沉积表面没有明显的高度差,就可以用两盘的地层厚度差代表两盘的下降幅度差,而不必考虑整个盆地是否有沉积补偿。根据断层切割深度及断层的规模,可将东营凹陷生长断层分为三级,其中一级断层基本为古近系的边界断层,落差达千米,如陈南断层、高青断层和滨南断层;二级断层是控制构造带的主断层,落差在数十至数百米,如平南断层、石村断层、胜永断裂、中央断裂、陈官庄断裂、八面河断裂和博兴断裂;而由一、二级断层派生的三级断层落差则不大。2.2双向拉伸构造模式东营凹陷在古近纪经历了强烈的伸展活动,按照构造与沉积旋回,对应着6个三级构造层序的发育时期,将研究时期(沙三期到东营期)划分为6次伸展活动,即沙三早期、沙三中期、沙三晚期—沙二早期、沙二晚期—沙一期、东营早期、东营晚期。根据伸展断层的延伸方向,可以看出凹陷断层伸展方向为双向伸展构造模式,即北西南东向和近南北向。其中,在近南北向上,东营凹陷东部636测线上的伸展量和伸展率最大的时期是沙三下。从沙三期至东营期,伸展活动强弱交替,沙三下、沙三上—沙二下时期、东营早期是强烈伸展期,沙三中期、沙二上—沙一期、东营晚期属于弱伸展期(表1)。2.3沙二期—主要断裂活动特征陈南断裂位于东营凹陷的北部,是东营凹陷和陈家庄凸起的边界断裂,主断层和在下降盘与其大角度相交的数量不多的次级断层组合。沙三早期,陈南断层明显分为东西两段,断层西段走向近东西,东段走向近南北。该断裂上升盘是陈家庄凸起剥蚀区,沙三—东营期断层落差由大变小(表2)。胜永断裂由胜坨断层和永安镇断层组成,位于陈南断裂的下降盘,属于“二台阶”断裂,呈弧形,主断层南倾,派生的次级断层主要位于主断层的下降盘并与主断层相交。断裂活动早期强烈,晚期变弱。在沙三期—沙二早期,断裂活动强烈,胜永断层分为东西两段;在沙二晚期—东营期,断裂活动相对减弱,胜永断层在平面上呈弧形发育。中央断裂带位于胜永断裂的南部,呈北东东向延伸,分东西两段。西段由一系列走向东西的左列雁行式断层组成,反映出断裂带的右旋走滑性质,主断层倾向为北北西向,位于断裂带的南侧。中央断裂东段由一系列走向近东西向的断层平行排列,西部断层以南倾为主,东部断层以北倾为主。在沙三期—沙二早期,断层活动较强烈,主要发生在中央断裂东段,且发生断裂活动的主要为主干断层;在沙二晚期—东营期断裂活动明显减弱,在主干断层活动的同时,其派生断层及分支断层较为发育,且断裂活动主要发生在中央断裂的西段(表2)。陈官庄王家岗断裂带位于陈官庄与王家岗地区,面积约400km2。断裂延伸较长(5km左右),发育时间早,走向为北东东向,倾向为北北西向,倾角为30°～55°。在剖面上呈现上陡下缓,在平面上以两条大致平行的断裂带呈雁列排列。沙三—沙二期,断裂为强烈的拉张期,沙二末—东营期,断裂活动减弱。石村断裂位于陈官庄王家岗断裂带的西南部,为东营凹陷基底主断裂之一,是博兴洼陷与利津洼陷和牛庄洼陷的分界,呈北西向延伸,倾角为30°～45°,长约40km。断裂由一系列东西走向的断层右列雁行式排列而成,反映出左旋走滑性质,内部断层以南倾为主。此断层活动时期较早,主要活动时期为侏罗晚期—白垩早期,孔店—沙四早期,进入沙二晚期石村断层大部分消亡,沙一—东营期,大型继承性石村鼻状构造基本定型。八面河断裂位于东营凹陷的东南角,为东营凹陷东南边界,靠近鲁西隆起呈北东向延伸,倾向为南东向,倾角为50°～60°,延伸长度约36km。断裂主要活动时间为侏罗晚期—白垩早期,孔店—沙四期,进入沙二晚期基本停止活动。其内部断层具分叉和左列雁行组合,反映出右旋走滑特征。2.4利津、牛庄洼陷晚构造单元特征东营凹陷断层发育,盆地边缘一级断层和内部二级断层的活动形成半地堑、半地垒和地堑地垒形式的断块体。在东营凹陷的东半部,利津、牛庄洼陷在沙三—沙二期、沙一—东营期为反向半地堑组合型式,从北向南构造单元依次为利津半地堑、中央隆起带半地垒、牛庄半地堑(图1)。根据沙三—沙二期、沙一—东营期半地堑和半地垒断块体组合的分布特点可以看出,整个东营凹陷具有南北分区块断的构造特征。2.5陈南断层特征东营凹陷在沙三—沙二下沉积时期,构造应力场近北西向拉伸,北东向断裂活动强烈,湖盆向北西断、南东超的半地堑转化,为盆地断陷作用和扩张作用的主要阶段,盆地的沉降幅度加大,扩张速度加快,区内主要断层处于发育高峰时期。沙三早期,东营凹陷活动明显的断层有45条。陈南断层呈东西两段特征明显,胜永断层分为东西两段,中央断层由主断层和与其斜交的派生断层组成,派生断层主要发育在主断层的下降盘,陈官庄断层、八面河断层和石村断层均为雁列式断层。落差最大的断层是胜坨断层,达450m;其次是中央断裂带主断层的东段,达300m(图2)。沙三中期,除盆地边缘陈南断裂强烈活动之外,发育于东营凹陷南斜坡上的反向调节式断裂带——陈官庄王家岗断裂带的活动明显加强;沙三晚期,缓坡带反向断裂活动向盆地内部迁移,梁家楼现河弧形滑脱断裂带活动加强,与北侧强烈活动的胜北断层对接,形成了大型弧形滑脱断裂构造体系。沙二上亚段至东营组沉积期伸展裂陷活动减弱,凹陷基本保持前期形成的构造格局。该时期除主干断层继续活动外,其次生或分支断层活动活跃,北西向断层消亡或仅有微弱活动,如石村断层大部分消亡,仅东南端有微弱活动;北北东向及北东东向断层稳定发育,地层均呈北东向展布,尤其北东东向断层活动增强;近东西向的伸展断层如滨北断层稳定发育。该时期凹陷内一些大型继承性鼻状构造基本定形,如石村鼻状构造等。东营中央背斜带及其复杂的断裂系统在构造及非构造因素的共同作用下也已形成。在该时期,东营凹陷明显活动的断层有45条,断裂系统与沙二晚期—沙一期基本一致,断层条数增加,累积断层落差明显小于沙三晚期—沙二早期。陈南断层的弧形特征明显,其东段断层落差最大达280m,其次是胜坨断层和中央断层中段主断层,落差达150m;中央断层中段的一条分支断层,其落差为100m(图3)。2.6区域构造背景沙三—沙二早期,东营凹陷北东向断裂活动强烈,区内主要断层处于发育高峰时期,沙三早、中期,东营凹陷中央断裂东段、高青断裂、陈南断裂及其二台阶上的胜永断裂活动强度较大,陈南断层明显分为东西两段,断层落差较大。沙二—沙一期与沙三—沙二早期的断裂活动差异较大,断层条数增加,累积断层落差明显小于沙三晚期—沙二早期,中央断层由主断层和与其斜交的派生断层组成,派生断层主要发育在主断层的北盘(下降盘),东营凹陷中央断裂西段、高青断层、陈南断裂及胜永断层活动强度较大。东营晚期,断裂系统与沙二晚期—沙一期基本一致,累积断层落差明显小于沙二晚期—沙一期,胜坨断层、中央断裂带北界断层及高青断层和滨北断层的派生断层胜永断裂活动强度较大。断层沿走向分段活动的特征反映出东营凹陷内具有区域性的伸展应变调节。其原因可能是由于地幔上涌引起的地壳北西—南东向引张作用,并在北北东向深断裂带右旋走滑位移导致的近南北向引张的共同作用下,东营凹陷表现出北西南东向和南北向的双向伸展变形的基本特点。东营凹陷的各个断裂的主干断层活动时间较长,贯穿整个第三纪,往往是一侧主干断层活动,在不同走向段上又为多期、多组不同产状的次级或派生正断层切割。在北部边界的陈南断层南断裂的影响下,凹陷中部的中央断裂在沙二—沙一期断裂活动达到顶峰,之后活动强度衰减,到了东营组末期中央断裂构造带已经定型;靠近中央凹陷南部边缘的石村断层在沙三期以前就已经开始发育,到了沙二晚期其活动基本停止;凹陷南部边缘的陈官庄断层活动至沙二晚期后向南超覆在鲁西隆起区,从而在构造横剖面上形成了东营凹陷北断南超的构造格局。3沙三—结论(1)断层落差可定义为某地质历史时期的垂直断层滑距,应用断层落差法可以解决传统的断层生长指数无法有效反映断层上升盘缺失的问题。(2)东营凹陷在古近纪经历了6次强烈的伸展活动,在近南北向的伸展方向上,沙三—东营期伸展活动强弱交替。沙三下、沙三上—沙二下时期、东营早期是强烈的伸展期;沙三中、沙二上—沙一期、东营晚期属于弱伸展期。(3)东营凹陷的断层在平面上、剖面上有多种不同的几何形态。盆地边缘断层和内部断层的活动形成东营凹陷内部的半地堑、半地垒和地堑地垒形式的断块体,其断块体组合分布使整个东营凹陷具有南北分区块断的构造特征。(4)断裂活动的时空分布具有不均一性。沙三—沙二早期,东营凹陷的断裂活动强度普遍较大,活动主要为主干断层;沙二晚期