雙城斷陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)與主控斷裂形成機制

摘 要

摘要：松遼盆地北部深層雙城斷陷主控斷裂構(gòu)造形跡復雜，其形成機制和期次一直是爭論較大的問題。根據(jù)斷陷類型分類的依據(jù)，對雙城斷陷主控斷裂的構(gòu)造幾何學特征及區(qū)域構(gòu)造應力場進
摘要：松遼盆地北部深層雙城斷陷主控斷裂構(gòu)造形跡復雜，其形成機制和期次一直是爭論較大的問題。根據(jù)斷陷類型分類的依據(jù)，對雙城斷陷主控斷裂的構(gòu)造幾何學特征及區(qū)域構(gòu)造應力場進行了分析，指出雙城斷陷NNE向、NW向和NEE向斷裂是在同一構(gòu)造應力場條件下形成的具有不同性質(zhì)的主控斷裂，NW向(NWW向)和NEE向(NE向)構(gòu)造為張扭性斷裂，控制著雙城斷陷構(gòu)造深凹區(qū)的形成和發(fā)育規(guī)模。研究成果為深層天然氣富集區(qū)域的研究提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。通過二維、三維地震連片解釋，落實了斷陷結(jié)構(gòu)和構(gòu)造格局，結(jié)論認為：鶯山凹陷為構(gòu)造深凹區(qū)，規(guī)模較大，受張扭性斷裂控制，是繼徐家圍子之后深層天然氣勘探的主力接替區(qū)。
關(guān)鍵詞：松遼盆地；雙城斷陷；地質(zhì)結(jié)構(gòu)；主控斷裂；形成機制；構(gòu)造格局；張扭性斷裂；鶯山凹陷
    斷陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究對于確定勘探領(lǐng)域和勘探方向具有重要意義。不同的斷陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部所發(fā)育的沉積體系、構(gòu)造樣式和油氣藏分布存在很大差異(郝琦等，2006)。通常斷陷的結(jié)構(gòu)類型和特征決定了斷陷期地層的展布格局和展布規(guī)模，也決定了烴源巖的發(fā)育程度，最終決定了斷陷的勘探潛力[1～2]。雙城斷陷(圖1)構(gòu)造位置位于松遼盆地北部深層構(gòu)造單元東南斷陷區(qū)，其主控斷裂構(gòu)造形跡復雜，發(fā)育NNE、NE-NEE和NW向等多組方向斷裂，其形成機制和期次一直是爭論較大的問題。

1 主要控陷斷裂特征
1.1 四站斷裂
    四站斷裂是控制鶯山凹陷西部邊界的一條區(qū)域性控陷斷裂，根據(jù)地震資料的構(gòu)造解釋結(jié)果，四站斷裂走向變化大，由南至北為NNE-NE-NW-NEE向，總體走向為NNE向，呈“S”形，延伸長度達70km，傾向東，斷裂主要發(fā)生在下白堊統(tǒng)沙河子組沉積時期，而且沿走向斷距變化極大。T5最大斷距為1674m，最小斷距為100m，一般斷距為500m。斷裂主要活動部位在118～112線之間。
1.2 臨江斷裂
    臨江斷裂是控制鶯山凹陷東部邊界的一條重要區(qū)域性控陷斷裂，根據(jù)地震資料的構(gòu)造解釋結(jié)果，臨江斷裂延伸長度達70km，主要錯斷層位T4-T5。臨江斷裂走向變化較大，由NE、NNW、NNE、NW向斷裂復合形成總體走向為NNE向的斷裂，傾向NW，T5最大斷距為2250m，最小斷距為277m，一般斷距為1000m。該斷層自T5-T4構(gòu)造層均存在，自下而上走向長度與斷距均變小。
1.3 太平莊斷裂
    太平莊斷裂是雙城凹陷西部邊界一條區(qū)域性的控陷斷裂，延伸長度為106km，錯斷層位T4-T5。依據(jù)斷裂的發(fā)育特征，將太平莊斷裂劃分為3個區(qū)段。根據(jù)地震資料的構(gòu)造解釋結(jié)果，太平莊斷裂走向變化大，由南至北為NNW向、SN向和NE向，總體走向為NNE向，呈“S”形，延伸長度為106km，傾向東，斷裂主要發(fā)生在沙河子組沉積時期，斷距較小。
1.4 朝陽斷裂
    朝陽斷裂是雙城凹陷東部邊界一條重要的區(qū)域性控陷斷裂，與太平莊斷裂共同控制了雙城凹陷的發(fā)育。朝陽斷裂延伸長度為62km，走向主要為NNW向和NE向。斷面較緩，呈鏟式正斷層控制了斷陷期地層的發(fā)育，斷面特征明顯，沙河子組期末的擠壓反轉(zhuǎn)作用較強，形成斷展褶皺、斷彎褶皺等反轉(zhuǎn)構(gòu)造。
2 雙城斷陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)造格局
2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)
    通過雙城斷陷二維、三維地震資料連片解釋結(jié)果，雙城斷陷現(xiàn)今地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為“兩凹一凸”的構(gòu)造格局，鶯山凹陷表現(xiàn)為四站斷裂和臨江斷裂共同控制的不對稱地塹式雙斷凹陷；中部對青山凸起為復雜化塹壘結(jié)構(gòu)；雙城凹陷表現(xiàn)為太平莊斷裂和朝陽斷裂共同控制的不對稱雙斷凹陷結(jié)構(gòu)[3]。
    雙城斷陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)具體在斷陷南、中、北部3個部位表現(xiàn)有所差別，斷陷中部的不對稱“洼-壘”式復合雙斷斷陷結(jié)構(gòu)相對比較典型。在斷陷南部114測線上，鶯山凹陷和雙城凹陷均表現(xiàn)為不對稱簡單雙斷結(jié)構(gòu)特征，對青山凸起為復雜化塹、壘結(jié)構(gòu)。在斷陷中部130測線上，無論是鶯山凹陷，還是雙城凹陷，均表現(xiàn)為明顯的不對稱簡單雙斷結(jié)構(gòu)特征，對青山凸起為復雜化塹、壘結(jié)構(gòu)，總體表現(xiàn)為不對稱“洼-壘”式復合雙斷斷陷結(jié)構(gòu)特征。在斷陷北部148測線上，鶯山凹陷和雙城凹陷的雙斷結(jié)構(gòu)特征不明顯，主要表現(xiàn)為箕狀斷陷的結(jié)構(gòu)特征。
    總體而言，雙城斷陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不對稱“洼-壘”式復合雙斷斷陷結(jié)構(gòu)，主控斷裂為四站斷裂、臨江斷裂、太平莊斷裂和朝陽斷裂。
2.2 構(gòu)造格局與構(gòu)造深凹區(qū)
2.2.1 “兩凹一凸”的構(gòu)造格局
    下白堊統(tǒng)沙河子組沉積時期的沉降格局與晚期(古近紀末)的改造作用共同形成了雙城斷陷“兩凹一凸”的構(gòu)造格局，由于晚期的改造作用在該地區(qū)規(guī)模較大，除斷陷期地層特別是沙河子組及火石嶺組的平面分布尚能直觀地反映斷陷原形輪廓外，各反射界面的形態(tài)起伏基本上反映了晚期改造作用。
    從斷陷原始沉降格局的角度出發(fā)，雙城斷陷總體上發(fā)育北北東走向的2個凹陷和夾于其間酌凸起，即鶯山凹陷、雙城凹陷及其間的對青山凸起?；鹗瘞X組殘留于鶯山凹陷、雙城凹陷及對青山凸起南端(沙河子組沉積時期為古地形相對低洼區(qū))。沙河子組充填于凹陷內(nèi)部，鶯山凹陷及雙城凹陷中南部均有分布，雙城凹陷北部古地形北高南低，沙河子組在該地區(qū)超覆尖滅。營城組自斷陷區(qū)逐漸越過邊界斷層，向隆起區(qū)超覆，其覆蓋范圍廣，除對青山凸起北部太平莊地區(qū)較大面積缺失外，基本上覆蓋了全區(qū)，僅在四深1井區(qū)等地零星分布。
    晚期(古近紀末)的改造作用清楚地反映在基底-地震T2反射層的構(gòu)造圖上，說明深層斷陷格局也強烈影響了T2反射層上斷裂帶的格局。從幾何學結(jié)構(gòu)來講，深層控陷斷裂控制了淺部的褶皺格局，在晚期構(gòu)造變動過程中，深層各控陷斷裂的局部區(qū)段復活，在新的構(gòu)造應力場中重組，并發(fā)生反轉(zhuǎn)作用，控制了淺部褶皺系統(tǒng)的發(fā)育和“兩凹一凸”構(gòu)造格局的形成[4]。
2.2.2鶯山凹陷為構(gòu)造深凹區(qū)
    鶯山凹陷是受臨江斷裂和四站斷裂共同控制的不對稱雙斷地塹式凹陷，走向近南北向，凹陷面積為1661km2(沙河子組頂面面積)，規(guī)模較大，發(fā)育火石嶺組、沙河子組和營城組，沉積中心在中部和南部，T5最大深度為6000m，斷陷期地層厚度為1000～2240m。構(gòu)造面貌北部為向斜，向南為三站背斜構(gòu)造，中部為寬緩向斜，南部為向南東抬起的斜坡。
    雙城凹陷是受太平莊和朝陽兩條控陷斷裂控制的半地塹式箕狀斷陷，凹陷面積為980km2。斷陷總體走向為北北東向，南部及北部均超出地震工區(qū)，發(fā)育火石嶺組、沙河子組和營城組。雙城凹陷的沉積中心相對不很集中，中部和北部發(fā)育4個較深部位，T5最大深度為4500m，斷陷期地層相對鶯山凹陷較薄，局部達1800m。構(gòu)造面貌從北向南依次為向斜、背斜、向斜和向南東抬起的斜坡。
    從鶯山凹陷和雙城凹陷的分布面積、基底瓦埋深、斷陷期地層發(fā)育規(guī)模(包括斷陷期地層分布面積和地層厚度)等不難看出，鶯山凹陷為雙城斷陷的構(gòu)造深凹區(qū)，斷陷期地層發(fā)育，為雙城斷陷下一步深層天然氣勘探的主力探區(qū)。
3 雙城斷陷主控斷裂為張扭性斷裂
    經(jīng)地震剖面分析，確定火石嶺組-營城組火山巖段(T5-T4)形成于同一伸展構(gòu)造應力場，北北東向、北西向、北東東向構(gòu)造具有不同性質(zhì)，因此通過雙城斷陷的斷陷期邊界斷層不同期次、不同方向的走向斷層統(tǒng)計分析，并做玫瑰花圖，用以判斷雙城斷陷在T5-T4期間不同期次的優(yōu)勢應力方向(圖2、3、4)。在此基礎(chǔ)上，利用兩個張扭性斷面優(yōu)勢方向的夾角平分線判斷該期次的應力場主伸展方向[5]。
 

    通過上述方法的研究分析后認為：①雙城斷陷伸展時期原始邊界主斷層走向為NNE15°～25°；②兩個共軛張扭斷層(走滑斷層)方向分別為NEE60°～62°和NW320°～328°；③雙城斷陷火石嶺組營城組火山巖段沉積時期構(gòu)造應力場為主張應力，方向為NW(285°～295°)-SE(105°～115°)，主壓應力方向：NE(15°～25°)-SW(185°～205°)。
    通過雙城斷陷環(huán)形深洼陷與斷層的幾何學特征、運動學特征、斷層匹配與組合特征、形成應力機制分析等來確定其形成演化特征。環(huán)形深洼陷是T5-T4時期在NWW SEE方向同一伸展應力場作用下，由NNE向高角度伸展正斷層、NEE、向和NW向2組高角度走滑扭性斷層(張扭性斷裂)共同作用下形成的，這3組控陷斷裂是在同一構(gòu)造應力場條件下形成的具有不同性質(zhì)的斷裂，共同控制著雙城斷陷構(gòu)造深凹區(qū)的形成和斷陷期地層的發(fā)育。
4 結(jié)論
    1) 主控斷裂的性質(zhì)決定“構(gòu)造深凹區(qū)”的分布及發(fā)育規(guī)模，決定斷陷期地層、烴源巖的沉積環(huán)境、沉積相帶展布及發(fā)育規(guī)模，因此，主控斷裂的性質(zhì)和演化機制直接決定勘探方向和勘探有利區(qū)帶。
    2) 張扭性斷裂與深層天然氣關(guān)系密切，控制著深層天然氣的聚集成藏，主要表現(xiàn)在：①張扭性構(gòu)造帶在斷陷盆地演化過程中處于(斷陷盆地內(nèi)部)相對高的構(gòu)造部位，而且近鄰生油凹陷，有利于油氣運移聚集；②張扭性構(gòu)造帶往往是物源(碎屑物源)注入斷陷湖盆的通道(入口處)，有利于優(yōu)質(zhì)儲集層的發(fā)育；③張扭性構(gòu)造帶是斷陷盆地構(gòu)造變形相對復雜的區(qū)帶，有利于發(fā)育多種樣式的構(gòu)造圈閉，而張扭性構(gòu)造帶是斷陷盆地最有利的油氣聚集區(qū)帶。
    3) 鶯山凹陷是受張扭性斷裂控制的深凹區(qū)，是繼徐家圍子之后深層天然氣勘探的主力接替區(qū)。
參考文獻
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[5] GAWTHORPE R L，LEEDER M R. Tectono-sedimentary evolution of active extensional basins [J].Basin Research，2000(3/4)：195-218.
 
(本文作者：印長海1，2 冉清昌2 齊景順2 1.中國地質(zhì)大學 北京；2.中國石油大慶油田公司勘探開發(fā)研究院)