第五章 濟陽坳陷中、新生代斷裂發(fā)育特征及成因機制

濟陽坳陷中、新生代斷裂發(fā)育、組合特征及成因機制探討一、研究思路二、斷層活動性的定量分析三、各構(gòu)造階段斷裂組合特征四、斷裂成因機制分析濟陽坳陷中、新生代盆地發(fā)育與演化的動力學(xué)背景：歐亞構(gòu)造域的西伯利亞板塊、揚子板塊與華北板塊的擠壓拼接濱太平洋構(gòu)造域及其郯廬斷裂的活動兩大構(gòu)造體系域在盆地演化的各個時期所起的作用既有差異，又相互疊加，呈現(xiàn)出“盆中有盆、盆上有盆、盆下有盆”的極其復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象。濟陽坳陷中、新生代盆地演化模式圖斷裂發(fā)育特點：多期次疊加、多延伸方向、多種斷層類型、多種組合方式斷裂優(yōu)勢方位：北東向（25～40o）、北北東向（60o）、北西向（340o）、北西西向（290o）、東西向及南北向。濟陽坳陷中、新生代主要斷層分布圖前第三紀發(fā)育的斷裂的識別印支運動以來，各期次斷裂的分布、發(fā)育、演化特征及成因機制各期次斷裂的組合、切割、轉(zhuǎn)化關(guān)系各時期應(yīng)力場特征及演化斷裂發(fā)育（乃至濟陽坳陷的盆地演化）與郯廬斷裂活動的關(guān)系需要解決的問題斷層與地層的切割關(guān)系斷層生長指數(shù)分析斷裂發(fā)育期次劃分斷層的展布特征各次級構(gòu)造單元中不同構(gòu)造階段斷層的組合樣式斷裂的級別劃分各時期區(qū)域應(yīng)力場的恢復(fù)各次級凹陷的邊界條件地震資料、鉆井資料、測井資料、巖芯資料斷裂的性質(zhì)及演化過程斷層兩側(cè)地層配置關(guān)系斷層的發(fā)育特征區(qū)域地質(zhì)背景資料濟陽坳陷盆地發(fā)育的邊界條件郯廬斷裂的活動規(guī)律郯廬斷裂活動與盆地發(fā)育、演化的關(guān)系斷層發(fā)育對地層沉積與剝蝕的控制斷層發(fā)育與前第三系油氣藏的關(guān)系整體思路：次級凹陷整個坳陷，控盆斷層次級斷層，先期斷層后期斷層濟陽坳陷中、新生代斷裂發(fā)育、組合特征及成因機制探討一、研究思路二、斷層活動性的定量分析三、各構(gòu)造階段斷裂組合特征四、斷裂成因機制分析圖濟陽坳陷內(nèi)部垂向斷層的活動類型及其對沉積、剝蝕的控制作用（一）斷層活動性的定量表示：斷層活動速率斷層活動速率（vf）為某一地質(zhì)時期內(nèi)的斷層落差與時間跨度的比值，鑒于斷層活動對兩盤地層所造成的沉積、剝蝕作用的差異性，我們針對不同類型的斷層，確定了不同的計算方法：（a）同沉積正斷層：（b）邊界正斷層（c）逆斷層（d）當斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，由逆斷層轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬樱瑅f的值則表現(xiàn)為由負值到正值的轉(zhuǎn)變。（二）北西向斷層的活動性分析地震資料、重力資料、火山分布特征等顯示NW向斷層的存在惠民凹陷：滋鎮(zhèn)斷層和陽信斷層?xùn)|營凹陷：石村斷層、牛莊斷層、陳南斷層，沾化凹陷：羅西斷層、孤西斷層和五號樁斷層。三維地震水平切面揭示惠民凹陷前第三紀NW向斷層對盆地的控制作用

a.惠民凹陷前第三紀三維地震水平切面

b.惠民凹陷第三紀三維地震水平切面

前第三紀盆地長軸方向為北西向，而第三紀則表現(xiàn)為北東向，這說明了在前第三紀，北西向斷層控制了凹陷的沉積，第三紀北西向斷層停止活動后，北東向斷層控制了凹陷的沉積。

惠民凹陷東部布格重力異常陽信斷層（無棣－濱西斷層）的存在惠民凹陷東部布格重力異常圖濟陽坳陷火成巖分布圖中生界火山巖的分布說明滋鎮(zhèn)斷層和陽信斷層的存在20570000205800002059000020600000206100002062000020630000206400002065000020660000東營凹陷布格重力水平總梯度異常影像平面圖410000041100004120000413000041400004150000416000041700004180000陳家莊賓縣沾化縣利津縣墾利縣東營市東營機場辛鎮(zhèn)郝家牛莊廣饒縣牛頭鎮(zhèn)博興縣高青平方王濱州市金家莊純化鎮(zhèn)蛇莊現(xiàn)河莊王家崗永安鎮(zhèn)草橋石村斷層牛莊斷層陳南斷層重力資料顯示東營凹陷北西向斷層的存在沾化凹陷發(fā)育有羅西斷層、孤西斷層和五號樁斷層三條北西向斷層，其表現(xiàn)為第三系之下的隱伏斷層，未切割第三紀地層，或僅切至底部的孔店組、沙四段，自沙三期后，新生代凹陷區(qū)的地層披覆于中生代的凸起和坳陷之上。這表明北西向斷層主要發(fā)育于中生代，在新生代活動較弱。

地震資料揭示沾化凹陷北西向斷層的存在濟陽坳陷羅西地區(qū)311三維地震剖面

羅54－義633－義146的三維地震剖面

l

各斷層都經(jīng)歷了一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)過程，晚三疊世（T3）為逆斷層發(fā)育階段，經(jīng)過早、中侏羅世的過渡階段，晚侏羅世開始進入正斷層發(fā)育階段；l

從正斷層發(fā)育階段的高峰期來看，羅西斷層、孤西斷層、五號樁斷層依次出現(xiàn)在J3＋K、Ek、Es4，表現(xiàn)出由西向東，由早到晚的規(guī)律；沾化凹陷各北西向斷層活動速率隨時間變化l

從正斷層發(fā)育階段高峰期的活動強度來看，羅西斷層、孤西斷層、五號樁斷層分別為40.4、40.7和70m/Ma，由弱到強的規(guī)律。l

從斷層的消亡時期來看，羅西斷層、孤西斷層、五號樁斷層依次為Es4、Es3和Es2，表現(xiàn)出由西向東，由早到晚的規(guī)律。沾化凹陷各北西向斷層活動速率隨時間變化東營凹陷北西向斷層斷層活動特征石村斷層和陳南斷層（東段）自T3時期開始活動（石村斷層可能比陳南斷層開始活動時間早）斷層活動強度較大，最高值達80m/Ma以上東營凹陷北西向斷層斷層活動特征石村斷層和陳南斷層（東段）停止活動時間分別為Ng和Nm，表現(xiàn)出自西向東逐漸變晚的規(guī)律石村斷層在總體活動強度上明顯較陳南斷層（東段）弱，表現(xiàn)出自西向東逐漸增強的規(guī)律

（三）北東向（北東東）控凹邊界斷層的活動性分析惠民凹陷：寧南斷層、無南斷層、齊廣斷層車鎮(zhèn)凹陷：埕南斷層沾化凹陷：義南斷層、義東斷層、埕東斷層?xùn)|營凹陷：高青－平南斷層、濱南斷層、勝永斷層、北部寧南斷層和無南斷層，兩者都是在Ek時期開始活動，斷層活動強度都較大，最高值可達100m/Ma之上；南部齊廣斷層，斷層活動強度較弱，最高值僅為35m/Ma，南北斷層活動性差別較大?；菝癜枷輰幠蠑鄬拥臄鄬踊顒痈叻迤跒镋s4和Es1，無南斷層的斷層活動高峰期為Es3，斷層的高峰期的發(fā)育自西向東有逐漸變晚的趨勢，這說明了應(yīng)力傳遞的方向；惠民凹陷義南斷層義東斷層埕東斷層l沾化凹陷北部邊界斷層開始發(fā)育于Es4期，高峰期為Es3～Es1期（以Es1為主），Ng開始衰弱，至Nm已基本消亡。沾化凹陷l對比高峰期（Es3、Es1）的斷層活動強度，可以發(fā)現(xiàn)在北部三條邊界斷層自西向東由弱變強，體現(xiàn)出東側(cè)扭張作用較西側(cè)強的特點，反映了郯廬斷裂對其發(fā)育的影響。沾化凹陷陳南斷層（西段）由于受到北西向斷層和古地形的影響，在J3＋K時期開始活動，較其他兩斷層活動時間早？各斷層活動強度較大，最高值分別達到91m/Ma、109m/Ma、150m/Ma，斷層活動強度表現(xiàn)出自西向東逐漸增強的規(guī)東營凹陷各斷層在Es4-Es3時期均達到活動高峰，之后斷層活動減弱較快斷層均在Ng時期停止活動，但在地震剖面上可以看出，斷層停止活動時間有自西向東逐漸變晚的趨勢東營凹陷濟陽坳陷北東（北東東）向控凹邊界斷層活動性規(guī)律各凹陷的控凹邊界斷層主要在Ek-Es4時期開始活動各凹陷的控凹邊界斷層活動大多有自西向東逐漸增強的規(guī)律各斷層消亡時間集中在Ed-Nm期間，在各凹陷內(nèi)斷層停止活動時間表現(xiàn)出自西向東逐漸變晚的規(guī)律。濟陽坳陷東部自北向南，車鎮(zhèn)凹陷、沾化凹陷、東營凹陷都表現(xiàn)為單斷式，西部沾化凹陷表現(xiàn)為雙斷式，但其北部邊界斷層活動性也明顯強于南部邊界斷層。（四）北東向次級控洼斷層的活動性分析包括惠民凹陷的臨南斷層、夏口斷層，沾化凹陷的墾東斷層、邵家斷層，東營凹陷的中央斷層、八面河斷層、博興斷層等。其開始活動的時期大都為Ek-Es4，峰值出現(xiàn)在Es3、Es1期，消亡時期為Ng以后，從斷層發(fā)育的時間來看，反映出與NE向邊界斷層發(fā)育的伴生性，但活動規(guī)模明顯要小于邊界斷層。沾化凹陷惠民凹陷東營凹陷（五）東西向（近東西向）次級斷層?xùn)|西向斷層在濟陽坳陷內(nèi)發(fā)育不多，僅在沾化凹陷和惠民凹陷發(fā)育有孤北、孤南、墾利斷層和林北、林南等斷層沾化凹陷沾化凹陷東西向（近東西向）斷層開始活動的時期大都為Es4，峰值出現(xiàn)在Es3、Es1期，消亡時期為Ng以后，從斷層發(fā)育的時間來看，反映出與NE向邊界斷層發(fā)育的伴生性，但活動規(guī)模明顯要小于邊界斷層。

惠民凹陷WE向斷層活動性相似，開始于Ek，結(jié)束于Ng，峰值出現(xiàn)在Es4～Es1時期。濟陽坳陷中、新生代斷裂發(fā)育、組合特征及成因機制探討一、研究思路二、斷層活動性的定量分析三、各構(gòu)造階段斷裂組合特征四、斷裂成因機制分析濟陽坳陷中、新生代主要斷層分布圖濟陽坳陷的斷層組合特征主要表現(xiàn)為中生代NW向斷層與新生代NE、NEE向斷層的多期疊加，在平面上呈網(wǎng)格狀分布。依據(jù)斷裂活動性分析，結(jié)合本區(qū)主要構(gòu)造期次劃分方案，可將濟陽坳陷的斷裂發(fā)育分為印支期（T3）、燕山早期（J1＋2）、燕山中晚期（J3＋K）、燕山－喜馬拉雅過渡期（Ek～Es4）、喜馬拉雅早、中期（Es3—Ed）、喜馬拉雅晚期（N－Q）六個期次，各期次的斷裂發(fā)育、組合特征既表現(xiàn)出差異性，又體現(xiàn)出對前期斷裂發(fā)育特點的繼承性。

濟陽坳陷自西向東依次發(fā)育了東營凹陷的石村斷層、陳南斷層，惠民凹陷的滋鎮(zhèn)斷層和陽信斷層，沾化凹陷的羅西斷層、孤西斷層和五號樁斷層。濟陽坳陷印支期－燕山早期斷層分布圖平面分布：濟陽坳陷中生代NW向逆推斷層的平面組合特征為列式，各條斷層走向近于平行，斷層之間不相交。剖面特征：通過對樁海18—義153—新渤深1－虎9連井測線的平衡剖面分析恢復(fù)的印支期地質(zhì)剖面顯示，斷面傾向SW，斷面形態(tài)為平面式，組合方式為平緩的疊瓦狀，地層由SW向NE擠壓逆推印支期（T3）燕山早期（J1＋2）

該時期濟陽坳陷仍以北西向逆推斷層發(fā)育為特征，但斷層的逆沖強度已大大降低，活動速率僅為4～6m/Ma，此時為斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)的過渡期，表現(xiàn)為對印支運動逆沖斷層造成的地勢高差的填平補齊。從斷層的發(fā)育特征來看，與印支期相類似，平面上為列式組合，剖面上為疊瓦狀組合，斷面形態(tài)為平面式。該時期仍以北西向斷層發(fā)育為主，但早期幾條北西向斷裂的活動性質(zhì)發(fā)生了變化，由前期的逆沖斷層，轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜鄬?，前期的上升盤下降接受沉積，下降盤抬升遭受剝蝕。沾化凹陷燕山中、晚期NW斷層剖面圖

燕山中、晚期（J3－K）

斷層平面組合特征仍為近于平行的側(cè)列式，但斷面的形態(tài)發(fā)生了變化，由前期的平面式演化為輕微的鏟式，斷面傾角向深處變緩，為生長斷層的典型特征，形成的盆地構(gòu)造樣式形式為簡單的滾動半地塹。晚侏羅世－白堊世地層由NE向SW超覆，石炭紀－二疊紀、早、中侏羅世地層由SW向NE方向減薄。該時期末，惠民凹陷內(nèi)兩條北西向斷層逐漸停止活動。濟陽坳陷燕山中、晚期斷層分布圖濟陽坳陷燕山－喜馬拉雅過渡期斷層分布圖燕山－喜馬拉雅過渡期（Ek~Es4）

該時期早期仍以北西向斷層起主控作用，但與中生代相比，斷層活動性逐漸減弱，隨后，北東向斷層開始活動，并逐漸取代了北西向斷層對沉積的控制作用。從斷層的平面組合類型來看，該時期斷層發(fā)育具有如下特點：

1）側(cè)列式：如惠民凹陷的臨商斷層和夏口斷層。

2）鋸齒狀：如各凹陷北部邊界的NE向控凹斷層，如惠民凹陷的寧南斷層和無南斷層，沾化凹陷的義南斷層、義東斷層與埕東斷層，在平面上兩條斷層相互連接構(gòu)成鋸齒狀。

3）枝叉狀：如沾化凹陷墾利斷層和墾東斷層、惠民凹陷F斷層與G斷層，在平面上呈“人”字形分布。

4）羽狀：這種組合類型發(fā)育于大的斷層與其派生小斷層之間?；菝癜枷軪k時期地層剖面示意圖（上：523測線，下：463測線）

沾化凹陷孔店期卲29～樁66地層剖面圖

剖面組合特征：1）斷面形態(tài)為板狀和鏟狀。2）斷層剖面組合可見“入”字形、“Y”字形組合。3）地塹和半地塹。喜馬拉雅早、中期（Es3—Ed）

該時期為渤海灣盆地裂陷階段的中、晚期。裂陷中期：伸展作用強烈，沉降中心的統(tǒng)一性消失，開始出現(xiàn)多個沉降中心。裂陷晚期：伸展活動相對減弱；由于伸展活動和沉積體的旋轉(zhuǎn)彎曲，除先期斷層繼續(xù)活動外，新產(chǎn)生了一系列的正斷層，新產(chǎn)生的斷層規(guī)模通常較小，受控于主斷層的方向和規(guī)模。

平面組合類型：1）斜列式2）鋸齒狀3）枝叉狀4）羽狀濟陽坳陷喜馬拉雅早、中期斷層分布圖1）北部無南斷層剖面形態(tài)由鏟狀斷層演化成為寬緩的坡坪式斷層，寧南斷層則為大型的鏟狀斷層2）該時期惠民凹陷由Es4時期的滾動半地塹轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)式半地塹3）形成了幾個主要洼陷，主要為北部的滋鎮(zhèn)洼陷和陽信洼陷，南部的臨南洼陷和里則鎮(zhèn)洼陷4）該時期斷層剖面組合形式呈現(xiàn)復(fù)式“Y”狀組合惠民凹陷惠民凹陷463測線地質(zhì)解釋剖面圖

惠民凹陷523測線地質(zhì)解釋剖面圖

濟陽坳陷646.0測線地質(zhì)解釋剖面（沾化凹陷段）

濟陽坳陷160.0測線地質(zhì)解釋剖面（沾化凹陷段）

剖面組合特征：1）斷面形態(tài)主要有平面式、鏟式兩種形態(tài)，2）階狀組合。3）

“Y”字形組合。4）復(fù)式半地塹。沾化凹陷喜山構(gòu)造階段晚期（N－Q）

喜山晚期，渤海灣盆地由裂陷沉降轉(zhuǎn)入裂后坳陷熱沉降階段，斷層活動處于消亡階段，先期形成的NE、NEE向斷層部分已停止活動；部分處于繼承性活動狀態(tài)，但是其活動速率已大大降低；其平面組合特征相對較為簡單，主要有鋸齒狀組合、枝杈狀組合和羽狀組合等形式。

各構(gòu)造期斷裂組合特征小結(jié)

印支期（T3）：主要發(fā)育NW向逆推斷層，平面組合為列式，剖面組合為平緩的疊瓦狀；

燕山早期（J1＋2）：NW向逆推斷層繼承性活動，活動強度弱，區(qū)域處于截凸填凹、填平補齊階段;

燕山中、晚期（J3－K）：NW向斷層發(fā)生了構(gòu)造反轉(zhuǎn)，由逆斷轉(zhuǎn)換為正斷，斷層平面組合類型為列式，斷面形態(tài)由早期的平面式發(fā)展為鏟式，形成滾動半地塹;

燕山－喜山構(gòu)造階段過渡期（Ek～Es4）：早期（Ek）以NW向正斷層的繼承性活動為主，NE、NEE向斷裂不發(fā)育，晚期（Es4）NW向斷層開始消亡，NE向斷層開始發(fā)育，體現(xiàn)出喜山構(gòu)造階段的斷裂發(fā)育特點；

喜山構(gòu)造階段早、中期（Es3－Ed）：以NE、NEE向張性斷層發(fā)育為主要特征，斷層數(shù)量多，組合類型復(fù)雜。斷層活動速率大，沉積了巨厚的新近紀地層。斷層平面組合類型有側(cè)列式或斜列式、鋸齒狀、網(wǎng)格狀、叉狀、羽狀等；剖面組合類型有階狀組合、“Y”字形組合、“入”字形組合、復(fù)式半地塹等。斷面形態(tài)以平面式和鏟式為主;

喜山構(gòu)造階段晚期（N－Q）：整個渤海灣盆地進入坳陷發(fā)育階段，斷裂活動明顯減弱，多數(shù)斷裂消亡。濟陽坳陷中、新生代斷裂發(fā)育、組合特征及成因機制探討一、研究思路二、斷層活動性的定量分析三、各構(gòu)造階段斷裂組合特征四、斷裂成因機制分析濟陽坳陷是在華北古生代地臺基礎(chǔ)上發(fā)育而成的一個中、新生代疊合盆地，盆地演化主要受控于兩種動力學(xué)背景：(一)歐亞構(gòu)造域的西伯利亞板塊、揚子板塊與華北板塊的擠壓拼接(二)濱太平洋構(gòu)造域及其郯廬斷裂帶的活動兩大構(gòu)造體系域在中、新生代盆地演化的各個時期所起的作用既有差異，又相互疊加。

濟陽坳陷斷裂發(fā)育經(jīng)歷的三次重要的發(fā)育及轉(zhuǎn)型階段：（一）印支晚期NW向逆沖斷層的產(chǎn)生及發(fā)育（二）燕山中、晚期NW向斷層的構(gòu)造反轉(zhuǎn)（三）燕山－喜山構(gòu)造階段過渡期NW向斷層的消亡及NE向、NNE向斷層的產(chǎn)生（一）晚三疊世NW向逆推斷層的產(chǎn)生發(fā)育時期：耦合于我國東部華北陸塊與揚子陸塊及其它陸塊最終強烈拼接成造山帶的時期。西伯利亞板塊與華北板塊在二疊紀末期已經(jīng)拼接，晚三疊世南緣揚子板塊與華北板塊的碰撞拼接作用，使得濟陽坳陷區(qū)此時主要受控于揚子板塊與華北板塊擠壓碰撞所產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力場。N大別山隆起帶內(nèi)蒙古造山帶濟陽坳陷鄂爾多斯盆地揚子板塊西伯利亞板塊AB斷層走向：與秦嶺－大別造山帶近于平行揚子板塊與華北板塊的碰撞，是否能在近千公里之外的華北板塊內(nèi)部產(chǎn)生如此巨大的應(yīng)變效應(yīng)？模擬實驗表明：

1）傳遞距離隨著作用力施加速度的增加而增加。快速施加擠壓力變形傳遞遠（影響范圍大），而且遠、近受力區(qū)變形差異較??；而緩慢施加作用力則變形傳播距離小，變形差異大。2）

塊體剛性程度大則變形傳遞距離就大：相對軟弱的塊體受到擠壓時，變形僅局限在受力點附近，遠處變形微弱；剛性相對強的塊體受到擠壓作用時，整體變形較弱，但變形傳遞可以非常遠。地質(zhì)過程大都表現(xiàn)為幕式特征，只有當應(yīng)力積聚達到一定程度，才會突然“爆發(fā)”，具有快速釋放的特點；就華北板塊而言，元古代（25億年前）就已形成了硅鋁質(zhì)結(jié)晶基底，至中三疊世已形成了幾千米厚的蓋層，為剛性的大陸板塊，具備了板塊相互作用的“遠距離效應(yīng)”的邊界條件，即：要么塊體的剛性足夠大，要么導(dǎo)致變形的作用力達到足夠大速度。濟陽坳陷NW逆沖斷層的產(chǎn)生是華北板塊在南（揚子板塊）、北（西伯利亞板塊）的雙重夾擊下所作的板內(nèi)局部擠壓調(diào)整的結(jié)果。（二）晚侏羅世－白堊紀NW向斷層的構(gòu)造反轉(zhuǎn)進入晚侏羅世，太平洋板塊活動取代了揚子板塊、西伯利亞板塊活動對華北地區(qū)構(gòu)造演化的控制地位，華北地區(qū)東西成帶、南北分塊的濱太平洋構(gòu)造域已基本形成（何海清等，1998；杜旭東等，1999；王同和等，1999a）。由于太平洋區(qū)（依澤奈崎或庫拉）板塊對中國大陸的消減俯沖，上地幔發(fā)生對流調(diào)整，巖石圈拉伸減薄，地殼斷裂，華北東部整體處于垂向擠壓、水平拉伸的應(yīng)力場環(huán)境。燕山構(gòu)造運動階段早期（早、中侏羅世），揚子板塊與華北板塊間的碰撞擠壓仍然起作用，華北地區(qū)仍受SN向擠壓作用控制，但強度趨弱，與此同時，太平洋板塊向NNW向的俯沖消減作用開始逐步加強，但此時對整個華北地區(qū)的構(gòu)造格局影響不明顯，因此，早、中侏羅世為自印支構(gòu)造階段至燕山構(gòu)造階段的過渡期，華北為構(gòu)造活動的相對“寧靜期”

，就其內(nèi)部的濟陽坳陷區(qū)而言，北西向逆推斷層的活動性微弱，區(qū)域上表現(xiàn)為對前期逆推斷層造成的地勢高差的截凸填凹的沉積與剝蝕過程。晚侏