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高郵凹陷橫向低凸起構(gòu)造特征分析

勞海港

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北唐山，063009)

選擇發(fā)育典型橫向低凸起的高郵凹陷作為研究對象，綜合利用地震、測井、錄井資料分析橫向低凸起的空間展布，重構(gòu)橫向低凸起的演化及動力機制，探討橫向低凸起與沉積相的耦合關系。研究結(jié)果表明：高郵凹陷斷層(系)產(chǎn)狀及其聯(lián)接方式的差異性形成了離散型橫向低凸起和匯聚型橫向低凸起；在運動學方面，斷層的構(gòu)造演化階段控制了走向斜坡與橫向低凸起的演化程度，但兩者的演化階段并非同步進行；在動力學方面，斷層間應力狀態(tài)的差異形成了傾滑橫向低凸起、斜滑橫向低凸起和混合橫向低凸起3種類型。橫向低凸起與三角洲沉積體在時空上呈現(xiàn)良好的耦合關系。

高郵凹陷；斷層硬聯(lián)接；橫向低凸起幾何學；橫向低凸起運動學；橫向低凸起動力學；沉積砂體

橫向低凸起作為“凹中隆”構(gòu)造的一種類型在油氣勘探中具有重要的地位。具有調(diào)節(jié)構(gòu)造變形的橫向低凸起發(fā)育取決于2條同向疊覆型斷層(系)的構(gòu)造特征。2條疊覆型正斷層在其疊覆部位形成走向斜坡，調(diào)節(jié)兩者應變與位移的差異[1]；由于疊覆部位的斷層位移快速減小，斷層位移被分散到2條斷層上，使得每條斷層位移均降低，從而在疊覆部位的斷層上盤形成橫向背斜[2?3]，Anders[4]將這種構(gòu)造稱為intrabasin high，本文采用“橫向低凸起”以便與兩條趨近型斷層形成的橫向凸起相區(qū)分。與橫向低凸起相近的2個概念是橫向褶皺和橫向凸起，前者是指與斷層走向垂直或呈大角度相交的褶皺[5]，而后者不僅包括了發(fā)育在斷層系下盤最大位移量的橫向凸起(或稱為橫向背斜)[6]，也可以指同一條控盆斷裂活動減弱部位的同向型橫向凸起傳遞帶[7]或者將其表征為裂谷系中起分段構(gòu)造作用的橫向傳遞帶的構(gòu)造樣式[8]；其中橫向褶皺包含了橫向凸起，橫向凸起有幾種成因解釋，橫向低凸起則屬于橫向凸起的一種特殊成因類型。前人已對變換構(gòu)造的分類及其地質(zhì)意義進行了大量論述[9?14]，但對調(diào)節(jié)構(gòu)造變形的橫向低凸起這類構(gòu)造尚未展開詳細研究。本文作者結(jié)合已有的研究成果，選擇發(fā)育典型橫向低凸起的高郵凹陷作為研究對象，綜合利用地震、測井、錄井資料分析橫向低凸起的空間展布，重構(gòu)橫向低凸起的演化及動力機制，探討橫向低凸起與沉積相的耦合關系，從而豐富盆地內(nèi)這一特殊的構(gòu)造樣式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

高郵凹陷位于蘇北盆地南部(圖1)，是蘇北盆地中沉降幅度最大、地層發(fā)育最全、沉積厚度最大的凹陷。凹陷呈南斷北超的箕狀斷陷結(jié)構(gòu)，由南向北依次為陡坡斷階帶、深凹帶和緩坡帶。凹陷蓋層發(fā)育時間從晚白堊世至第四紀，歷經(jīng)三大構(gòu)造演化階段。泰州組至阜寧組沉積期為斷?坳階段，經(jīng)歷3次湖侵，形成河流?三角洲、沖積平原、沖積扇、扇三角洲以及湖相等相互疊置的沉積體；戴南組至三垛組沉積期為斷陷階段，強烈的斷陷對沉積具有明顯的控制作用，在陡坡帶發(fā)育一系列近岸水下扇、扇三角洲沉積體，緩坡帶發(fā)育大型三角洲沉積體或河流相沉積體；鹽城組至東臺組沉積期為坳陷階段，經(jīng)三垛運動，凹陷整體下降，沉積了較厚的沖積平原地層。

圖1 高郵凹陷構(gòu)造位置圖

高郵凹陷發(fā)育真武、吳堡2條邊界斷層(系)，其中真武斷層(系)由真①斷層與真②斷層組成，吳堡斷層(系)在古近紀分解為吳①、吳② 2條斷層(圖2)。真①斷層走向55°~70°，傾向NNW向，呈上陡下緩的鏟式結(jié)構(gòu)，主要活動期為泰州組至鹽城組沉積期；真②斷層走向69°~83°，傾向為NW向，平面上由一系列左列式斷層組成，2條疊覆斷層的斷距呈互補關系，斷層活動期為吳堡運動至鹽城運動。吳①斷層是控制阜寧組、戴南組、三垛組沉積的同生斷層，吳②斷層則控制戴南組和三垛組地層，2條斷層的斷距沿走向呈互補關系。

圖2 高郵凹陷構(gòu)造綱要圖

2 橫向低凸起構(gòu)造特征

2.1 橫向低凸起幾何學特征

斷層(系)聯(lián)接方式可分為軟聯(lián)接(soft linkage)和硬聯(lián)接(hard linkage) 2種形式[15?16]。斷層由分段活動向單條線狀斷層(系)演化，隨之斷層聯(lián)接方式也由軟聯(lián)接逐漸向硬聯(lián)接過渡[15?20]。斷層硬聯(lián)接發(fā)育的地質(zhì)體變形不僅取決于2條斷層的活動強度，同時也受斷層間聯(lián)接方式的影響。根據(jù)同向硬聯(lián)接斷層間相交角度不同，可分為離散斜交型硬聯(lián)接與匯聚斜交型硬聯(lián)接(圖3)；在斷層上盤兩者均發(fā)育以橫向低凸起為特征的構(gòu)造樣式，其構(gòu)造特征卻明顯不同。離散斜交型硬聯(lián)接發(fā)育的橫向低凸起呈發(fā)散性向盆地內(nèi)延伸，構(gòu)造幅度相對較低，低凸起樞紐與兩側(cè)主斷層交角均大于90°，面積相對較大；匯聚斜交型硬聯(lián)接在疊覆段形成的橫向低凸起由于受主斷層控制，向盆地方向逐漸收斂，構(gòu)造幅度相對較高，低凸起樞紐與兩側(cè)主斷層交角小于90°，而面積則相對較小。

(a) 離散斜交型硬聯(lián)接；(b) 匯聚斜交型硬聯(lián)接

真②斷層系的真②?②斷層與真②?①斷層通過走向斜坡上的斜向及橫向傳遞斷層(oblique or lateral transfer fault[4])聯(lián)接，表現(xiàn)為離散斜交型硬聯(lián)接；在走向斜坡相鄰的斷層系上盤發(fā)育真武橫向低凸起，該低凸起樞紐產(chǎn)狀為339°∠17°，優(yōu)勢樞紐產(chǎn)狀為345°∠11.8°，與2條斷層走向夾角均大于90°(圖4(a))，呈發(fā)散狀向樊川次凹和邵伯次凹延伸，向走向斜坡處收斂，構(gòu)造面積大。真武斷層系與吳堡斷層系首尾間相互擴展、聯(lián)接，形成匯聚斜交型硬聯(lián)接，在斷層系聯(lián)接部位的上盤發(fā)育富民橫向低凸起；該低凸起向凹陷內(nèi)趨于收斂，樞紐產(chǎn)狀為356°∠5.5°(圖4(b))，與吳堡斷層呈銳角相交，構(gòu)造幅度相對真武低凸起明顯增大，構(gòu)造面積卻相對較小。吳①斷層與吳②斷層在花瓦地區(qū)相交，呈離散斜交型硬聯(lián)接，在斷層系疊覆聯(lián)接部位上盤發(fā)育花瓦橫向低凸起；該低凸起樞紐產(chǎn)狀為295°∠0.7°，與2條斷層近于垂直；而其優(yōu)勢樞紐產(chǎn)狀為3°∠0.8°(圖4(c))，其優(yōu)勢樞紐產(chǎn)狀與吳②斷層呈銳角相交。

(a) 真②?②斷層、真②?①斷層及真武橫向低凸起產(chǎn)狀投影；(b) 真武斷層系、吳堡斷層系及富民橫向低凸起產(chǎn)狀投影；(c) 吳①斷層、吳②斷層及花瓦橫向低凸起產(chǎn)狀投影

由此看出：2類橫向低凸起的樞紐與控制其形成的斷層在產(chǎn)狀配置方面有所變化。離散斜交型硬聯(lián)接發(fā)育的橫向低凸起軸向與兩側(cè)斷層走向夾角基本一致，而其優(yōu)勢軸向與兩側(cè)斷層夾角并不對等，這可能與后期的改造有關。匯聚斜交型硬聯(lián)接發(fā)育的橫向低凸起與兩側(cè)相關斷層的走向角度差變化很大，且其沒有優(yōu)勢軸向的發(fā)育，反應了這類橫向低凸起基本沒有受后期構(gòu)造活動的影響。

2.2 橫向低凸起運動學特征

橫向低凸起的演化過程與疊覆斷層(段)相互作用及聯(lián)接程度、走向斜坡的演化階段密切相關。斷層(段)由非共線孤立斷層階段向連鎖階段轉(zhuǎn)變過程中，伴隨著走向斜坡的形成、次級聯(lián)接斷層切割走向斜坡和走向斜坡破裂消亡3個階段[12, 17]，其伴生的橫向低凸起經(jīng)歷形成階段、持續(xù)形成階段、次級聯(lián)接斷層切割低凸起階段和破裂消亡階段4個階段(表1)。

表1 非共線斷層系及變換構(gòu)造演化階段對比

2.2.1 形成階段

非共線孤立階段是指兩條控凹(或次凹)斷層在平面上獨立演化，相互不疊覆，且不在同一條構(gòu)造線上。非共線孤立斷層(段)由各自獨立演化階段向疊覆演化階段(早期)轉(zhuǎn)變過程中，走向斜坡開始出現(xiàn)，橫向凸起則向橫向低凸起轉(zhuǎn)變，為橫向低凸起的形成階段，走向斜坡與橫向低凸起皆處于形成階段[2]。

2.2.2 持續(xù)形成階段

隨著疊覆斷層(段)之間進一步相互擴展(即疊覆階段晚期)，走向斜坡內(nèi)產(chǎn)生應力集中帶，地層形成較陡的位移梯度，發(fā)育一系列的橫向至斜向的次級聯(lián)接斷層和裂縫，調(diào)節(jié)斷層(段)間的應力與位移；而發(fā)育在斷層系上盤的橫向低凸起由于“傳遞”斷層(段)之間的應力相對較小，并沒有發(fā)育次級斷層，橫向低凸起仍然處于形成階段。例如，發(fā)育在真②斷層系內(nèi)斷層段疊覆部位的走向斜坡，斷層段末端在此開始發(fā)生彎曲，走向斜坡內(nèi)部形成縱向與橫向次級斷層，斷層段之間主要通過走向斜坡及其次級聯(lián)接斷層調(diào)節(jié)應變，走向斜坡處于演化的第2階段；此時真武橫向低凸起基本保持完整的構(gòu)造形態(tài)(圖5)，與其形成階段的特征相似，為持續(xù)形成階段。

圖5 高郵凹陷橫向低凸起展布(T25構(gòu)造圖)

2.2.3 次級聯(lián)接斷層切割低凸起階段

疊覆斷層(段)遵循長度?位移比例關系向連鎖斷層系過渡(即連鎖階段早期)，2條斷層段直接聯(lián)接起來，斷層段間的應變與應力主要通過分叉聯(lián)接線直接“傳遞”[18]，走向斜坡遭受破壞，近于消亡；同時，橫向低凸起調(diào)節(jié)了部分位移量與應變，因而形成一些次級斷層。此構(gòu)造演化階段高郵凹陷斷層(段)硬聯(lián)接方式可分為2種：一種是斷層段沿線性方向相互聯(lián)接，真武斷層與吳堡斷層的硬聯(lián)接方式就是通過這種方式進行的(圖5)，其伴生的富民橫向低凸起發(fā)育一系列橫向次級斷層，且橫向次級斷層受限于縱向次級斷層；另一種是斷層段從走向斜坡的兩端同時聯(lián)接，形成菱形斷層夾塊[15]。吳①斷層與吳②斷層在走向斜坡兩端相互聯(lián)接形成菱形斷夾塊，使得走向斜坡處于消亡階段；同時，花瓦橫向低凸起變換了部分應力與應變而發(fā)育橫向斷層，將橫向低凸起切分成大小不等的斷塊(圖5)。因此，在斷層連鎖階段早期走向斜坡處于破裂消亡演化階段，橫向低凸起隨處于其本身的第3演化階段，在調(diào)節(jié)應變與應力方面所起到的作用相當于走向斜坡在疊覆階段晚期所起的作用。

2.2.4 破裂消亡階段

隨著斷層(段)間進一步擴展與連鎖(即連鎖階段晚期)，斷層遵循長度?位移比例關系而形成統(tǒng)一的斷層系[4]，橫向低凸起向正牽引構(gòu)造演化而趨于消亡[15]。

可見，橫向低凸起與走向斜坡兩者間的演化階段并非同步進行，橫向低凸起的演化階段明顯滯后于走向斜坡，其原因可能是斷層間的變換構(gòu)造(如走向斜坡)因調(diào)節(jié)應變而首先遭受破壞；隨著斷層(段)向統(tǒng)一斷層系演化，變換構(gòu)造調(diào)節(jié)應力與應變的增大，緊鄰斷層的變換構(gòu)造(如橫向低凸起)被切割分化，進而形成統(tǒng)一斷層系的結(jié)果。

2.3 橫向低凸起動力學特征

據(jù)高郵凹陷形成橫向低凸起的斷層(系)力學性質(zhì)不同，可將橫向低凸起劃分為傾滑橫向低凸起、斜滑橫向低凸起和混合橫向低凸起3類型，這3種類型的橫向低凸起可同時出現(xiàn)在走滑拉分盆地中不同構(gòu)造部位，傾滑橫向低凸起出現(xiàn)在張性破裂帶之間，斜滑橫向低凸起形成于剪切破裂帶之間，混合橫向低凸起則發(fā)育在張性破裂帶與剪切破裂帶之間的構(gòu)造部位。

高郵凹陷晚白堊世?古近紀受郯廬斷層右旋拉張作用的影響[21?23]，高郵凹陷發(fā)育由右旋力偶所誘導的不同性質(zhì)的斷層共生組合。真武斷層系處于張性破裂構(gòu)造部位[24]，沿早期的逆沖斷層面發(fā)生強烈的伸展拆離作用，沿斷陷發(fā)育了NE向的沉積中心，在斷層系上盤發(fā)育真武橫向低凸起，調(diào)節(jié)斷層系內(nèi)部斷層段之間的應變，其軸向與伸展方向近于平行，與2條疊覆斷層系均成鈍角相交(圖4(a)和圖6(a))，形成傾滑橫向低凸起。吳堡斷層系受區(qū)域應力場影響，構(gòu)造應力狀態(tài)發(fā)生斜向伸展運動至走滑運動，表現(xiàn)為右旋斜 滑[24]，吳①斷層與吳②斷層之間形成了調(diào)節(jié)應變的走向斜坡與橫向低凸起；受右旋斜滑的影響，橫向低凸起軸向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由NW向轉(zhuǎn)至近NS向，使得橫向低凸起優(yōu)勢軸向與吳②呈銳角相交，從而形成斜滑橫向低凸起(圖4(c)和圖6(b))。處于真武斷層系與吳堡斷層系之間的變換構(gòu)造(包括走向斜坡和橫向低凸起)，既調(diào)節(jié)了2個斷層系伸展應力，又變換了2個斷層系之間的走滑應變，致使該地質(zhì)體處于復雜的構(gòu)造變形狀態(tài)，形成富民混合橫向低凸起，與斜滑橫向低凸起相比，其與主斷層系的銳夾角相對較大。

(a) 傾滑橫向低凸起；(b) 斜滑橫向低凸起

橫向凸起帶兩側(cè)洼陷的構(gòu)造沉降量的相對大小也是影響其樞紐軸向偏轉(zhuǎn)的重要動因。如富民橫向低凸起西側(cè)的樊川洼陷構(gòu)造沉積小于其東側(cè)的劉五舍洼陷構(gòu)造沉積，使得橫向低凸起走向向劉五舍洼陷發(fā)生偏移，造成橫向低凸起軸向與吳堡斷層系的夾角明顯小于其與真武斷層系之間的夾角(圖4(b))。

3 橫向低凸起與沉積相的時空耦合

綜合利用鉆井、錄井及測井資料，在分析戴南組砂體展布及沉積相分布的基礎上研究橫向低凸起與沉積相之間的關系。勘探實踐證實，斷陷盆地中大型三角洲的時空分布與變換帶有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，表現(xiàn)為變換構(gòu)造體系(即變換帶)控制大型三角洲及大型三角洲對變換構(gòu)造體系響應的耦合關系。

3.1 變換帶對大型三角洲的控制

斷陷盆地中一個完整的變換構(gòu)造體系至少包括走向斜坡和橫向低凸起2個要素，其對大型三角洲的控制表現(xiàn)為：1) 走向斜坡對入盆沉積扇體的導入[25]；2) 橫向低凸起對扇體的分散。戴南組沉積期高郵凹陷進入一個強烈伸展斷陷期，伴隨著真②斷層與吳堡斷層的分段活動，形成3個走向斜坡，分別對應真武、富民、陳堡等3個橫向低凸起。來自通揚隆起、吳堡凸起兩大物源區(qū)的沉積物由3個走向斜坡進入盆地后，沿橫向低凸起的位置發(fā)育了大型的辮狀河三角洲(圖7)。

圖7 高郵凹陷陡坡帶戴二段三亞段沉積相展布

不同類型的橫向低凸起、橫向低凸起所處的不同演化階段均控制著沉積物入盆后的分散方式。離散斜交型硬聯(lián)接所形成的真武橫向低凸起、花瓦低凸起構(gòu)造幅度相對較低，辮狀河三角洲沿低幅度橫向凸起呈發(fā)散狀展布，平面分布范圍大，延伸距離長，橫向低凸起的局部構(gòu)造位置沉積物呈現(xiàn)“過路不沉積”的現(xiàn)象；而匯聚斜交型硬聯(lián)接所發(fā)育的富民橫向低凸構(gòu)造幅度高，沉積物主要以單河道的方式呈匯聚狀向盆內(nèi)推進。在構(gòu)造演化階段角度分析，演化程度較高的富民橫向低凸起及花瓦橫向低凸起之上均發(fā)育橫向次級斷層(圖5)，所發(fā)育的斷溝對沉積物的分散起到疏導作用(圖8)，故來自陡坡帶的沉積物沿富民橫向低凸起向盆地內(nèi)延伸較遠；受吳堡凸起物源區(qū)供給沉積物較少的緣故，花瓦橫向低凸起之上斷溝沉積物延伸不遠，即停止發(fā)育。

圖8 高郵凹陷富民橫向低凸起控砂模式

3.2 大型三角洲對變換帶響應

大型三角洲對變換帶的響應包括扇體的橫向展布與垂向疊加樣式。戴二段沉積期，沿真②斷層及吳堡斷層發(fā)育一系列辮狀河三角洲沉積體系，其中在真武、富民橫向凸起帶分別發(fā)育2個大型辮狀河三角洲，而洼陷部位多靠近斷層根部發(fā)育小型三角洲。根據(jù)巖性及測井相統(tǒng)計，戴二段橫向低凸起處的辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體密度大于50%，傾緩的地勢有利于水下分流河道長距離向湖推進，形成規(guī)模較大的扇體，使不同水道砂體的側(cè)向連接。橫向低凸起相對于次凹來說，相對較緩的構(gòu)造地貌也造成入湖三角洲水道頻繁改道。

垂直方向上，變換帶的持續(xù)發(fā)育造成低凸起構(gòu)造部位的辮狀河三角洲多期扇體垂向疊加，形成砂體厚度大、砂巖含量高的地層(圖9)。戴二4、3亞段沉積時期，富民橫向低凸起部位三角洲砂體厚度達35~55 m，砂巖質(zhì)量分數(shù)為50%~65%；而位于樊川次洼內(nèi)的辮狀河三角洲沉積不僅規(guī)模小，而且砂巖明顯銳減，厚度僅為5~20 m，砂巖質(zhì)量分數(shù)為5%~15%。

圖9 高郵凹陷戴二段4亞段砂體剖面圖(剖面位置見圖7)

4 結(jié)論

1) 高郵凹陷斷層(系)硬聯(lián)接方式分為離散斜交型與匯聚斜交型2類，相應地發(fā)育離散斜交型和匯聚斜交型橫向低凸起，2類橫向低凸起在展布形態(tài)、構(gòu)造幅度、面積及與主斷層產(chǎn)狀等方面存在明顯差別。

2) 斷層(段)由非共線孤立斷層階段向連鎖階段轉(zhuǎn)變過程中，其發(fā)育的走向斜坡經(jīng)歷形成、次級聯(lián)接斷層切割走向斜坡至走向斜坡破裂消亡3個階段，其伴生的橫向低凸起經(jīng)歷形成階段、持續(xù)形成階段、次級聯(lián)接斷層切割低凸起階段和消亡階段等4個階段，其中橫向低凸起的演化階段明顯滯后于走向斜坡。

3) 受斷層(系)力學性質(zhì)的影響，高郵凹陷發(fā)育傾滑橫向低凸起、斜滑橫向低凸起和混合橫向低凸起3種類型，依次對應真武橫向低凸起、花瓦橫向低凸起和富民橫向低凸起。橫向凸起帶兩側(cè)洼陷的構(gòu)造沉降量的差異也是影響其樞紐軸向偏轉(zhuǎn)的重要動因。

4) 高郵凹陷中大型三角洲與橫向低凸起耦合關系表現(xiàn)為橫向低凸起控制大型三角洲空間分布及大型三角洲受橫向低凸起影響形成縱向疊置、橫向連通的砂體。

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Structural characteristics of lateral low uplift in Gaoyou sag

LAO Haigang

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China)

According to the seismic, well logging and mud logging data, spatial distribution of lateral low uplifts was analyzed, the evolution and dynamic mechanism were reconstructed and the coupling between the lateral low uplifts and sedimentary facies was investigated by taking typical lateral low uplifts in Gaoyou sag as research subjects. The results show that it is the difference in fault attitude and its connection mode in the Gaoyou sag that leads to the formation of different types of lateral low uplifts. In the geometry, dispersion inclined hard linkage between the faults forms the dispersion lateral low uplift, and the convergent inclined hard linkage forms the convergent lateral low uplift. In the kinematics, the structural evolution of faults controls the evolvement degree of strike slope and lateral low uplift, but their evolutionary stages are not experienced at the same time. In the dynamics, the difference in stress status between faults can leads to the formation of three types lateral low uplift, i.e. dip slip lateral low uplift, slanted slip lateral low uplift and mixing lateral low uplift. Lateral low uplift and delta depositional system show good coupling relationship between space and time.

Gaoyou sag; hard linkage of faults; geometry of lateral low uplift; kinematics of lateral low uplift; dynamics of lateral low uplift; sand body

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.026

TE122.1

A

1672?7207(2015)05?1763?09

2014?04?10；

2014?07?29

國家重大科技專項(2011ZX05006) (Project(2011ZX05006) supported by the Major National Projects of Science and Technology)

勞海港，博士，講師，從事盆地構(gòu)造解析研究；E-mail: 920197209@qq.com

(編輯 趙俊)