THE DEVELOPMENT CHARACTERISTICS OF STRIKE-SLIP FAULTS AND THE ESTIMATION OF STRIKE-SLIP DISPLACEMENTS OF THE EASTERN LIAODONG BAY DEPRESSION
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摘要: 运用丰富的三维地震资料，详细刻画了辽东湾坳陷东部地区三条主干走滑断裂的平面和剖面特征，不同走滑断裂发育特征不同，以及同一断裂也具有分段差异性。整体而言，辽东湾坳陷东部地区在平面上，由东到西、从南北两端向中间，走滑强度逐渐增大。通过构造物理模拟实验的方法，对辽东湾坳陷三条主干走滑断裂的走滑位移量进行估算，结果表明，辽中地区走滑断裂走滑量大于辽东地区；而三条断裂在渐新世时期的走滑位移量和平均走滑位移速率均是最大的，说明辽东湾坳陷东部地区在渐新世时期走滑活动强烈。Abstract: Based on plenty of three dimensional seismic data, the horizontal and sectional characteristics of three main strike-slip faults in detail in the eastern Liaodong Bay Depression are described. Different faults have different characteristics and even the same fault has segmented differential features. The overall degree of strike-slip gradually increased from east to west, from north and south to the middle. With the method of physical modeling test, the strike-slip displacements of three main strike-slip faults in the eastern Liaodong Bay depression are estimated. The results show that the strike-slip displacement of Liaozhong Area is larger than that of Liaodong Area, and the strike-slip displacement and average strike-slip speeds of three strike-slip faults are the maximum in the Oligocene, illustrating there were strong strike-slips in the Oligocene.
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0. 引言
辽东湾坳陷位于渤海湾盆地东北部海域, 是渤海地区重要的油气产区和有利探区之一, 目前己钻探井200余口, 共发现绥中36-1、锦州25-1、金县1-1、旅大5-2和旅大6-2等多个亿吨级油气田和70余个含油气构造, 其中大多数分布在走滑断裂带上[1~2]。因此, 加强对辽东湾坳陷走滑断裂的研究, 有助于明确下一步油气勘探方向。受郯庐断裂带的影响, 辽东湾坳陷发育多条走滑断裂[3~4], 且东部走滑活动更为明显[5]。前人针对辽东湾坳陷走滑断裂差异变形、走滑构造样式以及走滑断裂对辽东湾坳陷地层沉积和构造格局的影响进行过大量研究[1~8], 但目前对辽东湾坳陷内走滑断裂的具体展布位置、分段发育特征及其时空差异性等仍存在争议, 尤其是对辽东湾坳陷走滑断裂走滑位移量的计算还未进行系统、全面的研究。国内外关于走滑断裂走滑量的计算方法, 大致分为以下几种:两盘地质参考点对比法[9], 适用于两盘具有明确标志物且断距较大的走滑断层; 古地磁学研究方法[10], 对于走滑断距较大且走向与古纬度垂直的断层适用; 地壳变形速度估算方法[11], 对于走滑断裂构造演化过程清楚的断裂适用; 盖层拉伸量估算基底断层走滑量法[12], 对于走滑伴生垂向地层位移地区适用; 模型法[13~15], 通过数学关系将伸展转化为水平位移, 适用于走滑拉分盆地。本文将研究重点缩小到辽东湾东部地区, 利用最新的高质量连片三维地震资料, 对辽东湾坳陷东部地区的走滑断裂体系发育特征及其时空差异性进行精细刻画, 并结合构造物理模拟实验的方法, 探讨了其走滑位移量, 为郯庐断裂带新生代活动的深入研究提供线索和参考, 对进一步推进辽东湾坳陷油气勘探进程具有重要意义。
1. 区域地质概况
辽东湾坳陷属于新生代发育的华北克拉通裂谷断陷盆地, 是下辽河坳陷向渤海的自然延伸部分, 东西分别同胶辽隆起、燕山隆起交界, 南北分别与渤中凹陷、辽河断陷接壤, 呈NE向线性展布, 面积约为2.6×104 km2。坳陷内主要沉积古近纪和新近纪地层, 古近系自下而上依次沉积孔店组、沙河街组和东营组, 新近系自下而上依次沉积馆陶组和明化镇组。郯庐断裂带贯穿辽东湾地区, 使其呈现凸凹相间的构造格局, 自东向西又可划分为辽东凹陷、辽东凸起、辽中凹陷、辽西凸起、辽西南凸起和辽西凹陷6个次级构造单元, 各构造单元呈NE-SW向相互平行相间排列(见图 1), 其中, 辽中凹陷面积最广、古近系厚度最大、埋藏最深, 是3个凹陷中规模最大的。辽东湾坳陷东部地区新生代的区域动力学背景—地幔热活动和板块运动的叠合与断裂体系发育特征相结合, 可以将辽东湾坳陷东部地区的演化过程划分为古新世-始新世时期的弱走滑强拉张阶段、渐新世时期的弱拉张强走滑阶段、新近纪时期的弱走滑弱挤压阶段[16]。
图 1 辽东湾坳陷的位置及构造单元平面分布图F1:辽东1号断裂, F2辽中2号断裂, F3辽中1号断裂, F4辽西3号断裂, F5辽西2号断裂, F6辽西1号断裂, F7辽西南1号断裂Figure 1. Location and tectonic unit plane distribution of the Liaodong Bay depression2. 走滑断裂体系特征
自西向东, 辽东湾坳陷东部地区主要发育3条主干走滑断裂(见图 1), 包括辽中1号断裂、辽中2号断裂和辽东1号断裂。这些走滑断裂均呈NNE向展布。
2.1 辽中1号断裂
辽中1号断裂延伸距离约为125 km, 其北段为发育于辽中凹陷内部的重要走滑断裂, 南段取代辽中2号断裂成为辽中凹陷的东界控凹断裂。平面上(见图 2), 辽中1号断裂整体呈NNE-SWW走向, 延伸距离较远, 贯穿整个辽中凹陷。断裂的北段走滑强度弱, 次级断裂较多, 呈近EW向雁列式排布; 中部走滑强, 断裂带紧闭, 断面连续性好, 发育走滑双重构造(见图 3);断裂的南段走滑弱, 断裂带较宽, 断裂面不连续, 由一系列近EW向的次级断裂构成。深部NNE向主断裂带发育清晰, 浅部表现为由NNE向断裂与近EW向的次级断裂形成的帚状断裂体系。
图 2 辽东湾坳陷1000 ms和1800 ms等时相干切片Figure 2. Comparison isochronous coherence slice (1000 ms and 1800 ms) in the Liaodong Bay Depression剖面上(见图 4), 辽中1号断裂断面陡立, 切割深度深; 断面倾向多变, 北段呈SE倾, 中部和南部呈NW倾, 具有"丝带效应"; 主断裂与上部次级断裂组成花状构造或似花状组合。其中辽中1号断裂北段走滑强度相对较弱, 垂向断距大, 分隔洼陷主体与斜坡带; 中段断裂近直立发育, 切割深度较深, 走滑强度大, 上部与次级断裂组合形成负花状构造, 将洼陷主体分为东西两个次洼, 形成走滑带; 南段断裂走滑强度弱, 可与上部次级断裂组成多级Y字型组合构造样式。辽中1号断裂附近发育挤压构造、隐性断裂, 吻合于走滑断裂的外凸部位。
图 4 辽东湾坳陷东部地区地震剖面结构特征(剖面位置见图 1)Figure 4. Structural characteristics of a seismic profile in the eastern Liaodong Bay depression2.2 辽中2号断裂
辽中2号断裂为分割辽东凸起和辽中凹陷的西界大断层, 是一条长期活动的具有走滑性质的基底断裂, 延伸距离约120 km, 南起旅大12-2构造, 北至锦州17-3构造。平面上(见图 2) 为NNE-SSW走向, 整体呈弱弯曲的"S"形。断裂北段连续性好, 对地层沉积控制作用明显, 辽中凹陷沉降幅度大, 在断裂外凸部位沉降幅度小, 辽中凹陷北部被分割为两个次洼; 断裂南段在深层发育明显, 浅层特征不明显, 对地层控制作用减弱, 辽中凹陷较浅。
剖面上(见图 4), 断裂南北差异明显, 北段主断面NW倾, 倾角相对较陡, 自北向南倾角逐渐变缓, 上部与次级断层形成Y字型组合或似花状构造; 辽中2号断裂向南, 在辽东凸起南倾没端被辽东1号断裂切割, 倾向变缓、断裂变深, 辽中凹陷的东界控凹断层转为辽中1号断裂。
2.3 辽东1号断裂
辽东1号断裂为辽东凹陷的控凹断裂, 是一条长期活动的具有走滑性质的基底断裂。延伸距离约130 km, 南起旅大12-2S构造, 北至锦州3-2构造。平面上(见图 2) 延伸距离较远, 走向为NNE-SWW向, 断裂整体发生弱弯曲, 断裂面连续。在浅部, 北段的断裂面紧闭, 而南段略宽; 深部断裂面不清晰, 断裂带发育较宽。
剖面上根据其差异性可分为北、中、南三段, 北段和中段为辽东凹陷的西部边界断裂(见图 4a), 而南段为凸起上的走滑断裂。断裂的北段倾角较陡, 次级断裂发育少; 中段倾角较缓, 与上部次级断裂组合成多级Y字形构造; 南段断裂近直立, 发育花状构造(见图 4b)。在辽东1号断裂东侧发育有隐性断裂, 表现为挤压性质, 与主断裂走滑弯曲外凸部位吻合。
3. 走滑位移量的探讨
走滑断层走滑量的计算一直是走滑构造研究中的重点与难点, 走滑量的计算可以使走滑构造活动的规模与强度得以明确, 是恢复走滑活跃位置不同时期古构造、古地貌的关键, 能为盆地演化分析提供定量化的参考。对石油勘探而言, 走滑作用会使断裂两侧的地质体发生错动和位移, 增加油气勘探的难度, 明确走滑量可以为储层空间分布、圈闭的对比分析以及断层封闭性研究提供依据, 从而指导油气勘探。
3.1 方法原理
辽东湾东部地区新生代并不是表现为纯走滑活动, 走滑作用往往会向伸展构造变形或挤压构造变形转化, 在走滑断裂附近派生次级断裂, 多数走滑断裂的走滑作用几乎完全转换为伸展作用, 故在研究区内可见盆地尺度的雁列正断层。由此, 如果能够确定出走滑位移量与水平伸展量之间的定量转换关系, 我们便可以通过对正断层带水平断距的累计分析来反推走滑位移量。
构造物理模拟方法一直以来都是研究走滑构造的几何学特征和演化机制的有效手段[17~21]。为了建立走滑量与水平伸展量的关系, 本文设计了特定的实验装置(见图 5), 将两块长方形的聚苯塑料分别与底部的两块可以平移活动的金属板粘连, 使两块聚苯塑料能够跟随金属板运动, 两块金属板可以被电动马达驱动进行水平活动, 这样便可以实现两块聚苯塑料的相对平移, 以实现走滑功能。实验中在聚苯塑料基地上铺设脆性砂体(石英砂)。这种模型设置突出了基地走滑断裂对上覆盖层的影响。本实验采用干的石英砂作为实验材料, 将其平铺于脆性层之上, 这种材料的变形符合纳维叶-库仑破坏准则, 被认为是模拟上地壳变形的理想材料[22~23], 已经被大量的构造物理模拟实验使用[22~28]。实验过程采用断裂右旋的走滑形式, 共分为3组进行, 每组实验砂层厚度不同(1 cm、3 cm、5 cm)(见图 5)。每隔0.2 cm(断裂走滑量)拍照记录一次。对于固定的砂层厚度, 实验重复进行两次, 保证其可重复性。实验的走滑量由驱动来控制, 再通过计算平面及切片剖面水平断距, 得到水平伸展量。经过多次计算, 每次实验的结果相近, 约三分之二的走滑量可以转化为水平伸展量。
3.2 走滑量的估算
选取走滑断裂附近切割派生次级断裂的地震剖面, 对辽东湾坳陷东部地区三条主干走滑断裂不同段在不同时期雁列正断层带的水平断距的累计分析, 结合物理模拟实验结果, 可以分别计算出各时期的走滑位移量(见表 1)。
表 1 辽东湾坳陷东部走滑断裂不同段走滑量Table 1. Strike-slip displacements in different segments in the eastern Liaodong Bay depression晚始新世 渐新世 新近纪-第四纪 辽中1号断裂 北段 5059.6 m 8580 m 3510 m 南段 4300.4 m 5720 m 3300 m 辽中2号断裂 北段 1830.7 m 5016.1 m 1045.4 m 南段 11259.3 m 3841.4 m 726.2 m 辽东1号断裂 北段 1935.1 m 2404.4 m 1023.2 m 南段 3713.4 m 6734.5 m 2083.6 m 统计结果表明, 辽中1号断裂晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期雁列断层带累计水平断距分别为8876.63 m、13482.1 m和5849.6 m, 由此可以估算出晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期的走滑位移量分别为9360 m、13850 m和6810 m, 对应的平均走滑位移速率分别为0.28 mm/a、1.59 mm/a、0.29 mm/a。辽中2号断裂晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期雁列断层带累计水平断距分别为2163.0 m、6200.3 m和1240.1 m, 由此可以估算出晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期的走滑位移量分别为3090.0 m、8857.5 m和1771.6 m, 对应的平均走滑位移速率分别为0.09 mm/a、1.02 mm/a、0.08 mm/a。辽东1号断裂晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期雁列断层带累计水平断距分别为3953.9m、6397.2 m和2174.8 m, 由此可以估算出晚始新世时期、渐新世时期和新近纪-第四纪时期的走滑位移量分别为5648.5 m、9138.9 m和3106.8 m, 对应的平均走滑位移速率分别为0.17 mm/a、1.05 mm/a、0.13 mm/a(见图 6)。
图 6 辽东湾坳陷东部地区走滑断裂不同阶段走滑量和速率分布图Figure 6. Strike-slip displacements and speed distribution in different stages in the eastern Liaodong Bay depression通过对辽中1号断裂、辽中2号断裂和辽东1号断裂新生代各构造阶段的走滑量估算发现, 整体上, 辽中1号断裂走滑量最大, 辽东1号断裂次之, 辽中2号断裂走滑量相对最小; 就同一断裂不同分段而言, 辽中1号断裂和辽中2号断裂北段走滑量大于南段, 辽东1号断裂南段走滑量大于北段; 从各时期走滑位移量看, 渐新世时期的走滑位移量最大, 影响相对较大, 新近纪-第四纪时期的走滑位移量最小, 影响也相对最小; 从平均走滑位移速率看, 同样是渐新世时期的平均走滑位移速率最大, 表明辽东湾坳陷东部地区在该时期活动十分强烈。
4. 结论
(1) 辽东湾坳陷东部地区主要发育辽中1号断裂、辽中2号断裂和辽东1号断裂三条主干走滑断裂, 断裂均呈NNE向展布, 不同断裂发育特征不同, 以及同一断裂也具有分段差异性。
(2) 整体上断裂的走滑强度:辽中1号断裂大于辽东1号断裂大于辽中2号断裂; 就同一断裂的不同分段走滑强度而言, 辽中1号断裂北段大于南段, 辽中2号北段大于南段, 辽东断裂南段大于北段。综上, 在辽东湾坳陷东部地区, 平面上由东到西、从南北两端向中间, 走滑强度逐渐增大; 在垂向上, 上部走滑强度大于下部。
(3) 通过构造物理模拟实验, 得出走滑量与水平拉张量70%的转化关系, 从而对辽东湾坳陷东部三条主干走滑断裂的走滑位移量进行估算, 结果分析表明, 辽中1号断裂走滑量最大, 辽东1号断裂次之, 辽中2号断裂走滑量相对最小; 而三条断裂在渐新世时期的走滑位移量和平均走滑位移速率均是最大的, 在新近纪-第四纪时期的走滑位移量最小, 表明辽东湾坳陷东部地区在渐新世时期走滑活动十分强烈。
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图 1 辽东湾坳陷的位置及构造单元平面分布图
F1:辽东1号断裂, F2辽中2号断裂, F3辽中1号断裂, F4辽西3号断裂, F5辽西2号断裂, F6辽西1号断裂, F7辽西南1号断裂
Figure 1. Location and tectonic unit plane distribution of the Liaodong Bay depression
图 2 辽东湾坳陷1000 ms和1800 ms等时相干切片
Figure 2. Comparison isochronous coherence slice (1000 ms and 1800 ms) in the Liaodong Bay Depression
图 4 辽东湾坳陷东部地区地震剖面结构特征(剖面位置见图 1)
Figure 4. Structural characteristics of a seismic profile in the eastern Liaodong Bay depression
图 6 辽东湾坳陷东部地区走滑断裂不同阶段走滑量和速率分布图
Figure 6. Strike-slip displacements and speed distribution in different stages in the eastern Liaodong Bay depression
表 1 辽东湾坳陷东部走滑断裂不同段走滑量
Table 1. Strike-slip displacements in different segments in the eastern Liaodong Bay depression
晚始新世 渐新世 新近纪-第四纪 辽中1号断裂 北段 5059.6 m 8580 m 3510 m 南段 4300.4 m 5720 m 3300 m 辽中2号断裂 北段 1830.7 m 5016.1 m 1045.4 m 南段 11259.3 m 3841.4 m 726.2 m 辽东1号断裂 北段 1935.1 m 2404.4 m 1023.2 m 南段 3713.4 m 6734.5 m 2083.6 m 
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