曲面型断层的露头特征及其地质意义

张丹锋，周进峰，王震宇，杜智朋

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009；3.山西省古交市安全生产监督管理局，山西 太原 030200；4.中国石化中原油田分公司，河南 濮阳 457001）

曲面型断层的露头特征及其地质意义

张丹锋1，周进峰2，王震宇3，杜智朋4

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009；3.山西省古交市安全生产监督管理局，山西 太原 030200；4.中国石化中原油田分公司，河南 濮阳 457001）

曲面型断层与平面型断层相比，发育特征和形成机理更加复杂，与盆地形成演化的关系更加密切，且构造样式更易于矿产的富集，对其开展研究显得更为重要。以新泰-垛庄大断裂为例，通过详尽的露头定性定量地质数据分析，得出断层两盘的岩性、产状以及断层面的擦痕、产状、运动学性质等是揭示曲面型断层发育特征的几大要素。断层控制盆地的性质、形成演化以及现今格局，与此同时，受到盆地沉积—剥蚀旋回和构造应力场的影响，造成断层曲面的形成。研究结果表明，在相互影响和相互作用的过程中，断层曲面形成圈闭，易于油气等流体矿产成藏；同时盆地沉陷中心的迁移造成煤等固体矿产的富集。

曲面型断层；野外露头；地质意义；新泰-垛庄大断裂

盆地的发育与周缘大断裂性质及发育有密切关系，有的大断裂活动甚至对盆地的形成起控制作用，而且不同特征的断裂对盆地的影响因素也各不相同，从而引发众多学者对各种断裂及盆地构造进行研究与讨论［1-6］。目前，较多研究者通常将断层简化为平面型［7-9］，本文述及的曲面型断层是断层复杂化的形式，是由于构造作用力的不均衡或者变化使得产生位移的断层面弯曲不平或有起伏而形成的断裂，这与众多学者研究的空隙带、闭合带［10-11］以及断层空腔［12］等属于同一成因。其对于沉积的控制作用及盆地发育的影响与平面型断层不同，有些情况下更易于煤或者石油等矿产的富集、保存［13］。本文以山东新汶盆地周缘发育的新泰-垛庄（莲花山）大断裂（以下简称新垛大断裂）为例，通过详细地野外露头考察，以及定性、定量的地质数据证明其对新汶盆地的形成、演化以及地质矿产富集具有重要控制作用。

1 区域地质背景

新汶盆地位于山东省新泰市境内，北以榆山、西西周水库一线为界，南抵刘杜、南流泉、马头庄、盘车沟一线，最宽处为17.5 km，西邻碗窑头，东至东住佛，长约30 km，面积达400 km2，为小型新生代陆相盆地，地层只在南北山区出露良好。

盆地基底为太古界泰山群，以片麻岩为主，夹少许片岩、千枚岩等。据同位素年龄测定，泰山群形成于25～30亿年前的太古代［14］。岩石经受多期构造运动已强烈变质，由于长期的风化剥蚀作用，地势已变得低洼不平。盆地盖层主要为下古生代以来沉积的地层。

在全国断块构造中，新汶盆地属华北断块区、胶辽断块，称为“新汶单断凹陷”［15］。由于两个地质体相背运动可产生一个拉张沉陷带［16］，所以新汶盆地有可能是由于断裂中两盘相悖运动而产生的凹陷。从大地构造上看，其特征表现为北断南超，凹陷内部向斜不对称，北翼被新垛大断裂切割破坏，故为单断凹陷。

盆地最大一级的断裂即为新垛大断裂 （见图1），它的活动和演变控制着新汶盆地的形成和发展。二级断裂如羊流店断层、东都-马头庄断层等属盖层断裂，构成盆地发展的边界；较小的断裂为一般断层，如程家楼断层、山石村-碗窑头断层等，规模较小，也属于盖层断裂，它们受较大级断裂的控制和影响。这些中小型断裂主要为NE—SW走向，且绝大部分为正断层。它们切割了新垛大断裂，将其错断。在新汶盆地南部，可见小规模的、孤立的、轴向不明显的褶皱构造。

图1 新汶盆地周缘及内部断裂分布

新垛大断裂呈弧形分布于新泰、垛庄一带，中间由于后期断裂切割而使其错断，大致以新泰为转折可分为2段：以东的一段为NW—SE走向，以西的已向E—W方向偏，全长约280 km。断裂切穿基底太古界泰山群地层，属地壳断裂。由于其切割深度大，常常称作深断裂。

2 野外露头特征

新垛大断裂在西西周水库至榆山一带出露较好，露头上表现为一条宽近200 m破碎、风化严重的地带。因为断层带易破碎、风化快、被泥土充填，因而露头呈现为一条被泥土掩盖的地带，即断裂带。断层面在榆山东南方展布裸露成高8～10 m的断层崖，实测产状为走向 NW315°、倾向 SW225°、倾角 70°。其上不均匀分布有大量断层泥、断层角砾、断层擦痕等断层标志。

断层泥有灰、紫褐、土黄等色，整体呈透镜状产出（见图2）。灰色者可能为花岗岩变质形成，其中有大量石英砂体；紫褐色者局部含少量白色物质，泥质疏松，破碎较为完全，呈碎屑状产出；土黄色者质地坚硬，风化磨圆好，砾径多为2～4 cm，大者可达7 cm左右，为挤压应力作用下重结晶的方解石、白云石类矿物。

图2 透镜状产出的断层泥

断层泥中不均匀分布有大量断层角砾，其中砾石主要有暗灰色、紫黑色等，砾径大小不均，砾径大者大于6 cm，小者约2 mm，平均3 cm左右。砾石成分复杂，有白云岩、石灰岩、方解石等，磨圆度中等，多呈次棱角—次圆状，分选性差。透镜状、椭圆状砾石多具有定向排列，长轴大致平行于断层面，已部分或全部碎裂岩或糜棱岩化，说明曾受到过断层两盘的强烈挤压与摩擦。角砾填隙物为磨碎的岩屑、岩粉以及岩石压溶物质，与断层泥成分相近。由于断层擦痕仅为局部出露，方向不定，因而作为推断断层性质的证据不充分。

断层北盘为太古界泰山群地层，由于易破碎，经长期风化剥蚀后已准平原化，地形低矮而平缓。该岩体具有鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，片麻理走向实测NW315°。其中浅色矿物有斜长石、钾长石、石英等体积分数约为45%，斜长石体积分数高于钾长石；暗色矿物主要有黑云母，体积分数约为50%，且局部有大量黑云母和石英或黑电气石与石英共生的聚集团块。由此，可确定该岩体为片麻状花岗岩，且经受过混合岩化作用，现已发生基体、脉体分离现象。

分析其成因，可能由于后期岩浆加热岩体而使得石英、长石等浅色矿物局部熔融，从而流向低应力裂隙，造成基体铁镁质矿物与脉体长英质物质在超变质作用下重新分配，基体与脉体间存在渐变与突变关系。

该点还出露平均厚达3～4 m的风化壳，当中节理发育， 实测几组节理产状数据为：SE133°∠72°，S180°∠90°，SW220°∠82°，SE137°∠73°。 从该组数据可知，节理主要倾向SSE，倾角很大（80°左右），与新垛大断裂倾向交角不到60°，基本一致，说明也受到了该断裂的影响而产生产状相近的节理或断层。

断裂南盘为下古生界中奥陶统马家沟组及新生界老第三系官庄组，中间地层缺失，岩层向南倾斜，与断裂倾向基本一致，说明是由于南盘顺着产状倾向产生滑塌，进而产生凹陷。

榆山及沿断裂带的1套地层即由马家沟组石灰质角砾岩（见图3）组成，与上覆平行不整合相接触的官庄组石灰质角砾岩（见图4）岩性上有明显区别［17］。

图3 中奥陶统马家沟组角砾岩

图4 古近系官庄组角砾岩

马家沟组角砾岩砾石呈土灰色，砾石体积分数60%左右，砾径大小不一，大者大于7 cm，小者小于2 mm，平均砾径2～3 cm。砾石磨圆度差，为棱角—次棱角状，分选性很差，成分多为白云岩、石灰岩等，砾石普遍具有氧化圈；填隙物呈灰色，与砾石相近，为石灰质。

官庄组角砾岩砾石颜色多样，有灰色、灰蓝、粉红、土黄等等，砾石体积分数75%左右，砾径大小不均，大者4～5 cm，小者2 mm，平均3 cm左右。砾石磨圆度差，多为次棱角状，分选差，成分多样，有白云岩、安山岩、石英岩等；填隙物发红，主要为黏土质和石灰质。

盆地内地层走向SEE120°左右，倾向NE，倾角20°左右，由南向北地层逐渐变新。

3 断裂特征分析

1）断裂两盘岩性不一致。北盘为较早的太古界地层；南盘可分为2部分，一部分为盆地盖层，整体向NE倾，由北向南逐渐变老，另一部分在靠近断裂带一带，为后期沉积的平行不整合接触的中奥陶统及古近系地层。所以整体看来，北盘较老，南盘较新，且北盘地层层位与南盘对应太古界地层的位置偏高，根据此特征可确定其具有正断层性质。

2）断裂两盘产状不一致。北盘产状未能测定，但测其节理倾向多与断裂相一致，夹角不大；南盘还是分为2部分，盆地盖层产状整体倾向NE，靠近断裂带的上覆地层倾向S，而断裂面产状倾向SW，遂与盆地盖层相反，由此可推断该断裂形成的单断凹陷是促使盆地盖层产状相倾的主要原因。

3）断层崖面上局部出露的断层擦痕（见图5）指示该断裂具有平移性质，但右旋左旋性质无法确定，应为多次摩擦所致。

图5 局部出露的断层擦痕

4）靠南盘一侧的断层面产状局部亦有变化。整个断层面基本上是向南倾的，然而局部地段实测具有略向北倾的产状，与盆地盖层相近，因而可见该断层面具有扭曲的波状起伏。

断层面的起伏，即出现弯曲，其原因是多方面的，可能由断层形成全过程的非构造因素和构造事件所引起。非构造因素中具代表性的是岩体抗剪强度的非均一性和各向异性，由覆盖层重量导致的压实作用和某种类型的异常高的流体孔隙压力。构造事件的作用在于：在实际断层形成以前的构造应力场的变化可能影响着断层的形态，继后的构造应力场的变化可能改变已经得到充分发育的断层的形态，而得到充分发育的断层还可能被动地改变其自身形态。此外，断层面形态在断裂运动和再活动中也不断变化。在某些条件下，断裂运动学性质也控制着单个断层面积和形态的演变。

综合以上研究，笔者认为，其起伏属于断裂运动学性质控制下的单个断层面几何形态的演变。因为该断裂属地壳断裂，故其沉积层中存在的软弱层受断裂重力影响而产生弯曲起伏。

4 地质意义

1）该断裂的产生也伴随着新汶盆地的形成。该断裂的发育使整个新汶盆地地层向NE倾斜；盆地经过多期的反复沉积及剥蚀而形成现在的地貌，而断裂北盘自太古代起便经受着迄今为止的剥蚀作用 （不排除中间也有个别沉积期或剥蚀间断）。

2）该断裂伴生的新汶盆地属于单断箕状盆地。根据大地构造学的理论［18］，只有较长时期的多次拉张，才有可能深切到岩石圈底面，从而形成岩石圈的伸展断裂，如新近纪时期的太行山、大兴安岭、郯庐断裂带。大陆内部的盆地经常表现为断陷盆地。由此可见，其应属于多次拉张应力作用下所形成的断裂，也同时对盆地的沉积及剥蚀产生促进和阻碍作用。

3）该断裂的不断活动对新汶盆地的演化产生了众多影响。该断裂以早期的NW向断裂为主体，在燕山运动中再次活动。燕山期后的四川期白垩纪的NE向构造以拉张为主，形成NE—NEE正断层带，对该断裂的演化起到促进作用，并经喜山运动而继续发育［18］。中生代以来，断裂两盘多期反复上升、下降，发育成新汶单断凹陷，由于盆地沉积—剥蚀的旋回性，从而产生了中央缺失的平行不整合局部沉积间断，控制着盆地的发育形态及构造沉积分布。

5 结束语

新垛大断裂特征及其对新汶盆地的形成与演化具有控制作用，该断裂属于正-平移断层再经拉张应力作用而形成的大断裂，为早期构造而成的新汶单断箕状凹陷，盆地也间或地发生沉积—剥蚀旋回，形成现在的格局。新汶盆地边缘，由于断裂的反复活动产生差异性升降，沉积间断进行，从而造成其周缘的隆起。盆地内沉陷中心迁移至北部，造成沉积矿产煤的富集。另外，由于运动幅度不同，该断裂造成盆地北部形成单断凹陷，使盆地呈一种掀斜式振荡，沉陷中心和沉积中心也随之北移，从而使相应沉积矿产的分布范围扩大，储量和品位却反而降低，比如盆地中的煤矿产。

致谢 本文得到中国石油大学（华东）邱隆伟教授的指导和帮助，此外陈林、刘明洁、曲彦胜、王猛等在野外考察中提供了帮助，在此一并表示感谢。

［1］ 王嘉荫.破裂带中的几个问题［M］.北京：地质科学出版社，1974：86.

［2］ 植树武.断层面的构造和断层运动的发展过程［M］.北京：地质地球化学出版社，1977：125.

［3］ 孙岩，韩克从.断裂构造岩带的划分［M］.北京：科学出版社，1985：88.

［4］ MANDL G.Mechanics of tectonic faulting ［M］.Amsterdam：Elsevier,1988：407.

［5］ 庄培仁，常志忠.断裂构造研究［M］.北京：地震出版社，1995：53-58.

［6］ 谢小峰，杨坤光，周琦，等.犁式正断层特征及其在找矿预测中的作用：以黔东松桃西溪堡大型锰矿床为例［J］.地质科技情报，2015，34（6）：33-39.

［7］ 卢华复，董火根，吴葆青，等.脆性剪切带中的R面和P面［J］.天然气工业，1985，5（4）：30-33.

［8］ 陆克政，戴俊生.胶莱盆地的形成和演化［M］.东营：石油大学出版社，1994：186.

［9］ 田涛，蒋有录，万涛，等.南堡凹陷断裂发育特征及其演化机制［J］.断块油气田，2012，20（4）：409-413.

［10］毛先成，陈国珖.断层波状构造及其控矿规律的定量研究［J］.中南矿冶学院学报，1993，24（1）：8-13.

［11］ 刘东周.生长断层封闭性分析［J］.石油勘探与开发，2002，29（3）：37-39.

［12］ 蒋有录，刘华.断裂沥青带及其油气地质意义［J］.石油学报，2010，31（1）：36-41.

［13］刘泽容，李德同，王尔伟，等.冀鲁帚状构造体系及其与油气的关系［J］.华东石油学院学报，1977，19（3）：97-117.

［14］ 温献德.地史学［M］.东营：石油大学出版社，1997：64.

［15］中国科学院地质研究所，国家地震局地质研究所.华北断块区的形成与发展［M］.北京：科学出版社，1984：13.

［16］ 张文佑.断块构造导论［M］.北京：石油工业出版社，1984：121.

［17］王剑，陈世悦，张宝真.新汶凹陷官庄组沉积演化特征［J］.沉积与特提斯地质，2013，51（2）：59-65.

［18］ 万天丰.中国大地构造学纲要［M］.北京：地质出版社，2003：135，180，222-231.

（编辑 赵旭亚）

Outcrop characteristics of curved fault and its geological significance

ZHANG Danfeng1,ZHOU Jinfeng2,WANG Zhenyu3,DU Zhipeng4
(1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Exploration&Production Research Institute,Jiangsu Oilfeild Company,SINOPEC,Yangzhou 225009,China;3.Safety Production Supervision and Management Bureau of Gujiao City,Taiyuan 030200,China;4.Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China)

Compared with planar faults,curved fault′s development characteristics and formation mechanism are more complicated,and the relationship of the formation is closer with the evolution of the basin,whose structure styles are easier to enrich the minerals.As a consequence it is more important to carry out the research.In this paper,taking large Xintai-Duozhuang Fault as an example,qualitative and quantitative geological data of detailed outcrop show that the lithology and occurrence of both sides of the fault together with scratches,occurrence and kinematic properties of the fault surface are the main elements of the development characteristics of curved fault.The fault controls the characteristics,formation,evolution and current pattern of the basin.Meanwhile it is also affected by the deposition-abrasion cycles and structural stress fields of the basin,resulting in the formation of its curved surface.The results show that in the process of interaction,the fault surface forms traps,which makes them easy to accumulate oil or other fluid minerals.At the same time,the migration of subsidence center of basin causes the enrichment of coal or other solid minerals.

curvedfault;outcrop;geologicalsignificance;largeXintai-DuozhuangFault

TE121

A

国家科技重大专项课题“井震结合油藏精细结构表征技术”（2011ZX05010-001）

10.6056/dkyqt201704006

2016-12-19；改回日期：2017-05-15。

张丹锋，男，1986年生，博士，主要从事基础地质、石油地质方面研究。E-mail：zhdf@petrochina.com.cn。

张丹锋，周进峰，王震宇，等.曲面型断层的露头特征及其地质意义［J］.断块油气田，2017，24（4）：462-465.

ZHANG Danfeng，ZHOU Jinfeng，WANG Zhenyu，et al.Outcrop characteristics of curved fault and its geological significance［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：462-465.