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東海陸架盆地斷裂成因研究

2021-06-07 09:09:20田繼宏莫高武
中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年6期
關(guān)鍵詞:陸架正斷層褶皺

付 豪 王 晉 田繼宏 莫高武

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,上海 200335)

0 前言

東海陸架盆地位于太平洋板塊、歐亞板塊和菲律賓板塊的交匯處,構(gòu)造活動豐富[1]。在盆地形成和演化的過程中發(fā)育了各種斷裂系統(tǒng)。該文對不同性質(zhì)的斷層進行了斷裂統(tǒng)計,并研究這些斷層的組合樣式,總結(jié)出東海陸架盆地斷層的典型組合樣式?;趯φ龜鄬雍湍鏀鄬討?yīng)力、斷層形成時間和生長指數(shù)等特征的分析,研究斷層的成因,總結(jié)關(guān)鍵斷層的特征。

1 東海陸架盆地斷層的典型組合樣式

東海陸架盆地正斷層樣式主要有3種樣式,分別是階梯狀斷層組合,“y”字形斷層組合和拱張型斷裂組合。

階梯狀斷層組合由若干條產(chǎn)狀基本一致的正斷層組成,各條斷層的上盤依次向同一方向斷落,形成階梯。這類斷裂的形成主要與盆地沉降過程中緩坡翹傾產(chǎn)生的滑脫或隆張等作用有關(guān),階梯狀斷層主要發(fā)育在西湖凹陷西部斜坡帶平湖地區(qū)及平北地區(qū)。

“y”字形斷層組合由早期主干斷層和與其相應(yīng)的上盤低級別斷層組合而成,在剖面上呈“y”字形。依據(jù)上下盤級別斷層的數(shù)量以及與主干斷層的傾向關(guān)系,分為反向“y”字形、同向“y”字形以及多級“y”字形?!皔”字形斷層是在伸展作用和重力的作用下,由主干斷層派生的上盤低級別斷層所形成的,這種地質(zhì)常見于西斜坡平北地區(qū)。

拱張型斷裂組合發(fā)育蓮花瓣式斷裂組合,整個斷裂帶呈現(xiàn)出長軸斷背斜的形態(tài)。該斷裂帶內(nèi)地層傾向與斷層的傾向相反,背斜兩翼形成對稱型屋脊斷塊。剖面上組合樣式為地塹式,構(gòu)成地塹的多對共軛斷層組成了大地塹內(nèi)套小地塹的復(fù)式地塹。

東海陸架盆地逆斷層樣式主要有3種樣式,分別是疊瓦狀逆斷層組合、背沖型逆斷層組合樣式和對沖型逆斷層組合。

疊瓦狀逆斷層組合是一系列產(chǎn)狀大致相同的逆斷層,其上盤向同一方向依次上推,在剖面上呈疊瓦狀,是逆斷層中最常見的一種組合形式,主要形成于西湖凹陷南部天臺構(gòu)造帶、北部寧波構(gòu)造帶。

背沖型逆斷層組合是一個構(gòu)造單元的兩側(cè)分別向外緣逆沖的兩套迭瓦式逆沖斷層。背沖型逆沖斷層中2套向相反方向逆沖的斷層是在同一構(gòu)造應(yīng)力場中形成的,并且與所在構(gòu)造系統(tǒng)同時形成,主要形成于西湖凹陷北部寧波構(gòu)造帶。

對沖型逆斷層組合是2套迭瓦式逆沖斷層,對著一個中心相對逆沖。對沖型斷層一般會和盆地一起形成,從盆地的邊緣向盆地中心逆沖。

在東海陸架盆地中存在走滑斷層,其在地震剖面上最明顯的標(biāo)志就是花狀構(gòu)造。釣北凹陷東側(cè)邊界的花狀構(gòu)造,其形成于盆地邊界張扭作用之下,為負(fù)花狀構(gòu)造。根據(jù)其巖性特征及T0圖上的特征,可確定其為走滑斷裂。除此之外,東海陸架盆地還被眾多NWW向走滑斷層切割,這些走滑斷層同樣切割沖繩海槽,因此形成最晚,是東海陸架盆地形成南北分塊格局的主要斷裂帶。

2 正斷層成因分析

2.1 應(yīng)力分析

古新世—始新世時期,在NW-SE向區(qū)域拉張應(yīng)力場(σ3)及垂向重力(σ1)作用下,盆地邊緣形成了正斷層所要求的應(yīng)力條件[2],從而在西湖凹陷的邊界及凹陷內(nèi)部形成了一系列沿NNE向(σ2)展布的正斷層,如圖 1所示。

西湖凹陷早期形成的正斷層大部分都具有生長性。當(dāng)?shù)貙悠屏褳橐幌盗袛鄩K以后,各斷塊在主應(yīng)力作用下,斷層上盤巖體沿水平軸滑動,如圖2所示。圖2(a)中沉積新地層的重力C分解成沿斷面分量P1和垂直斷面分量P2,圖2(b)中P1沿水平方向的分量為P1z,沿豎直方向的分量為P1y,在P1z的作用下產(chǎn)生新的空間,如圖2(a)所示,沉積了新的地層,構(gòu)成了地塹、半地塹斷陷型的凹陷。

東海陸架盆地的形成依次經(jīng)歷了中生代、古新統(tǒng)(E1)、始新統(tǒng)(E2)、漸新統(tǒng)(E3)、中新統(tǒng)(N1)、上新統(tǒng)(N1)和更新統(tǒng)(Qp)等階段。從各個形成時期東海陸架盆地的沉積厚度來看,釣北凹陷中生界具有較大的厚度,最大厚度達(dá)到了7 000 m;古新統(tǒng)地層主要分布于東海陸架盆地的臺北坳陷、長江坳陷、浙東坳陷的各凹陷。殘余地層厚度最大的在麗水凹陷,厚度達(dá)到3 400 m,其次是昆山凹陷3 000 m,同時,椒江凹陷也達(dá)到2 200 m,釣北凹陷達(dá)到2 000 m,西湖凹陷達(dá)到1 600 m;始新統(tǒng)地層主要分布于東海陸架盆地的東部坳陷帶,而沉積中心處于整個東部坳陷帶,西湖凹陷沉積中心厚度超過7 500 m;漸新統(tǒng)地層主要分布于東海陸架盆地的東部坳陷帶的西湖凹陷和釣北凹陷;中新統(tǒng)地層(N1)主要分布于整個東海陸架盆地,但是東部坳陷帶與西部坳陷帶的沉積厚度差別較大。在東部坳陷帶的西湖凹陷沉積厚度達(dá)到3 000 m,在釣北凹陷沉積厚度最大也達(dá)到2 000 m。

圖1 正斷層形成的應(yīng)力狀態(tài)及裂陷盆地受力示意圖

圖2 斷陷盆地形成受力分解示意圖

2.2 斷層生長指數(shù)分析

由西部坳陷帶地震剖面資料解釋的西部坳陷帶在漸新世—始新世處于斷裂強烈活動期,通過對西部坳陷帶內(nèi)8條典型主干斷層的甌江組、溫州組和龍井組地層進行生長指數(shù)計算分析,結(jié)果和西部坳陷帶地震剖面資料解釋結(jié)果吻合,表明西部坳陷帶斷裂活動具有自北向南遷移的特點。

東部坳陷帶斷層活動期可以劃分為4個階段:1)始新世溫州組(E2w)沉積時期,斷層活動強烈。2)平湖組五六段(E2p6—E2p5)沉積時期,斷層活動減弱。3)平湖組三四段—花港組(E2p3—E3h)沉積時期,斷層活動開始增強,至花港組時達(dá)到最強。4)中新世龍井組(N1l)沉積以后,斷層的活動強度總體減弱,活動基本停止。東部坳陷帶斷裂活動具有自北向南遷移的規(guī)律。始新世早期(溫州組),平湖主斷裂活動最強烈;始新世中期(平湖組五六段),斷裂活動向南遷移,活動最強烈的部位移至寶石—初陽主斷裂;始新世晚期—漸新世(平湖組三四段—花港組),斷裂活動繼續(xù)向南遷移至臺北主斷裂;中新世時期,斷裂活動總體減弱,活動基本停止。

總的來說,東海陸架盆地的斷裂活動具有自西向東,自北向南遷移的特征。

2.3 東部邊界斷層成因分析

西湖—基隆大斷裂位于東海陸架盆地東緣北段,構(gòu)成了西湖凹陷與釣魚島隆褶帶的分界線,在重磁資料和地震剖面上清晰可見。其總體走向NNE向,傾向北西向。不同部位稍有差異,斷裂北段為NNE向,中段NEE向,南段NE向。延伸長達(dá)700 km,寬約 30 km~50 km,斷距在剖面上表現(xiàn)為上小下大,多處被NWW向平移斷裂錯斷。大斷裂分布在東海陸架盆地區(qū)東部邊界,從而決定了整個斷陷區(qū)是從西湖—基隆大斷裂的上盤進一步“斷塊化”發(fā)展起來的。西湖—基隆大斷裂發(fā)生在盆地裂谷階段的初期,是控制東海陸架盆地邊界及構(gòu)造大格局的一級大斷裂,延伸長達(dá)700 km,寬15 km~35 km,斷層落差2 300 m~8 800 m,由一組斷裂組成。

東部大斷層為西湖凹陷與釣魚島隆褶帶之間的邊界斷層,從現(xiàn)有的資料看,自南向北均表現(xiàn)為正斷層,斷面西傾,斷裂走向呈北北東向。東部大斷裂對古近系、始近系地層沉積具有明顯的控制作用,是一條沿基底斷裂活動的早期大斷裂。根據(jù)最新的地震解釋研究成果,東部大斷裂自南向北并非由一條連續(xù)的大斷層所組成,而是是由多條斷距不等、長短不一、方向有變化的斷層所組成,如圖3所示。

圖3 東部大斷裂形成及演化示意圖

3 逆斷層成因分析

3.1 應(yīng)力機制

與古新世-始新世時期相反,到中新世末期,西湖凹陷區(qū)域應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向擠壓應(yīng)力場(σ1),并且明顯強于垂向重力(σ2),在此應(yīng)力條件下,凹陷內(nèi)地層發(fā)生褶皺,隨著褶皺變形的發(fā)生與發(fā)展,凹陷邊緣及內(nèi)部逐漸形成一系列沿NNE向(σ2)展布的逆斷層,如圖 4所示。

圖4 逆斷層形成的應(yīng)力狀態(tài)及裂陷盆地受力示意圖

3.2 反轉(zhuǎn)斷層成因分析

同一條斷層往往具有不同性質(zhì),以零點為界限,表現(xiàn)為下正上逆。零點的位置與反轉(zhuǎn)構(gòu)造強度的關(guān)系是反轉(zhuǎn)強度越大,零點的位置越靠近斷層深部。在地震剖面上反轉(zhuǎn)構(gòu)造層底部具有下凹上凸的反射特征,而頂部由于擠壓形成褶皺,地震同響而發(fā)生縱彎褶皺變形,如圖6所示。隨著褶皺作用的發(fā)生與發(fā)展,原來的正斷層回滑變成了逆斷層。當(dāng)回滑距離超過原斷距時,逆斷層已見不到正斷距;當(dāng)回滑距離小于原斷距時,剖面上可以見到下正上逆反轉(zhuǎn)斷層特征。

3.3 逆沖斷層成因分

沖斷層與反沖斷層相結(jié)合使上盤巖層褶皺隆起而形成的向軸呈現(xiàn)上凸的反射特征。一組包括上凸和下凹反射特征的構(gòu)造層序,往往是一套反轉(zhuǎn)構(gòu)造保存完好的構(gòu)造層序。泥巖發(fā)育、斷層傾角小、低摩擦物質(zhì)和異常高壓發(fā)育的構(gòu)造帶在同樣的擠壓應(yīng)力作用下易于發(fā)生反轉(zhuǎn)。西湖凹陷目前看到的逆斷層主要有2類,一類是在早期正斷層的基礎(chǔ)上,正斷層活化并且反轉(zhuǎn)回滑形成的逆斷層,如圖 5所示(ABC為3套地層,A為最早沉積地層,B其次沉積地層,C為最后沉積);另一類是在擠壓褶皺情況下新形成的逆沖斷層。

圖5 反轉(zhuǎn)斷層形成機制示意圖

西湖凹陷中新世末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)所形成的背斜,其軸面以區(qū)域性南東傾為主[3-5],表明坳陷層的褶皺作用除了受到下伏基底斷層的活化反轉(zhuǎn)控制之外,還受到區(qū)域左旋擠壓力的影構(gòu)造叫沖起構(gòu)造。這種構(gòu)造上的斷裂排列組合一般呈背沖型,其成因主要是在水平擠壓力的強烈作用下,沖斷層和反沖斷層相背上沖。

圖6 西湖凹陷逆斷層與褶皺構(gòu)造成因機制示意圖

4 結(jié)語

東海陸架盆地內(nèi)斷裂受古新世—始新世時期拉張應(yīng)力場和垂向重力的影響,形成了一系列北北東方向的正斷層,這些早期的正斷層控制著之后地層的沉積。東海陸架盆地內(nèi)斷裂中最大的一條東部邊界大斷層是由多個時期,相同性質(zhì)的斷層呈雁列狀排布形成的。東海陸架盆地內(nèi)斷裂受中新世末期擠壓應(yīng)力場和垂向重力的影響,形成了西湖凹陷中央洼陷反轉(zhuǎn)帶褶皺內(nèi)的逆斷層,這些逆斷層的延伸方向與褶皺展布方向一致,為北北東向。東海陸架盆地內(nèi)斷裂中逆斷層分為2類:一類在正斷層的基礎(chǔ)上反轉(zhuǎn)形成的,一類是在擠壓應(yīng)力場環(huán)境下新形成的逆沖斷層。

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