控陷断裂断面结构与盆地建造和改造作用的关系——以徐家围子断陷为例

张 莹

（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712）

徐家围子断陷形成于晚侏罗世–早白垩世，位于松辽盆地北部，是一个近南北向的典型含气断陷，面积约4 300 km2。断陷深层地层自下而上发育基底、火石岭组、沙河子组及营城组地层，对应的地震反射顶界面分别为T5、T42、T41及T4。近年勘探研究工作表明，深层钻探显示多层系含气，具有良好的天然气勘探前景[1–4]。但是，徐家围子断陷经历了多期建造和改造，且受晚期火山活动影响，地质条件复杂，成藏规律认识不清，制约勘探工作进展。另外，前人对徐家围子断陷的盆地形成机制和构造演化期次的认识尚不统一，此次通过构造物理模拟定量分析构造变形过程和成因机制，取得符合实际区域构造变形特征的构造地质认识[5–7]。

本次构造物理模拟实验装置是平台式变形装置，可以进行包括挤压、伸展、滑脱和反转4种形式的构造变形模拟。徐家围子断陷的形成、发展和萎缩阶段，正是伊佐奈木板块运动活动最强烈的地质时期，伊佐奈木板块对东北亚大陆的挤压作用是徐家围子断陷地质演化的区域动力学背景。沙河子组沉积时期，徐西断裂和宋西断裂北段发生了大规模伸展作用，断陷盆地开始形成。伊佐奈木板块对东北亚大陆的挤压作用经区域性边界断层诱导后，在徐家围子外围地区形成一个北东向右行走滑应力场，这便是徐家围子断陷形成发展的古应力背景。本次构造物理模拟实验建立的模型应力机制与盆地形成发展的古应力背景相近。

1 控陷断裂

松辽盆地的基底及深层的断裂是非常发育的，其中徐家围子断陷沙河子组沉积时期发育五条控陷断层（其中西侧2条，东侧3条），西部徐西、宋西两条断裂规模较大，控制了徐家围子断陷的发生、发展和消亡[8–9]（图 1）。

1.1 断裂特征

1.1.1 徐西断裂

图1 徐家围子断陷沙河子组时期控陷断裂分布与断陷结构

1.1.2 宋西断裂

宋西断裂位于徐家围子深层断陷北部，是一条重要的边界断裂，主要发育时期为火石岭组沉积时期–营城组沉积时期。断层总体走向为NNW–NE，倾向为 NEE–SE，延伸长度为 98.3 km，其倾角为10°～36°，平面上延伸近S型，其产状逐渐变陡，与西倾安达西断裂共同控制了断陷北部的发育（图1）。

1.1.3 徐东断裂带

东部肇州东断裂、杏山东断裂和安达西断裂组成徐东断裂带，断层带沿徐东斜坡带走向展布，主要发育时期为火石岭组沉积时期–营城组沉积时期。断层走向近SN和NNW，倾向近W和SWW，总延伸长度为87.9 km，断裂带主体分布在徐东斜坡与徐中凹陷变换部位（图1）。

1.2 断面结构

1.2.1 徐西断裂断面结构

徐西断裂在剖面上断裂面特征清楚，为一强的较连续的强反射波，是明显的基底地层与断陷地层分界，断陷内地层逐层超覆在断面之上。徐西断裂的主要伸展期为沙河子组沉积期，沙河子组一段沉积时期断断裂走向为NE，沙河子组二段、三段、四段沉积时期逐渐变成一条近SN向的大型伸展断裂。徐西断裂断面产状纵向上表现为座椅状（坡–坪–坡式），是由于基底现存共轭剪节理的影响，在断陷形成初期受拉张应力作用，形成的坡–坪–坡式控陷断裂。断裂剖面结构大致可分为上断坡、上断坪、下断坡和下断坪四段，其中上断坡和下断坡倾角较大，上断坪和下断坪倾角很小（图2）。

1.2.2 宋西断裂断面结构

宋西断裂在剖面上断裂面特征清楚，为一强的较连续的强反射波，是明显的基底地层与断陷地层分界，产状以铲式为主，局部为座椅状（图2）。宋西断裂的平面展布具有较强的规律性，从断层规模上看，SN走向断裂段和NW走向断裂段延伸比较长，在全区均发育，但NE走向断裂延伸比较短，宋西断裂面横向上表现为多个背斜与向斜相间的复合褶皱，断面表现为横弯（隔档式）（图2）。

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徐西和宋西断裂的重要差别在于断面结构不同。徐西断裂断面表现为“坡–坪–坡式”的纵弯结构，而宋西断裂面表现为“隔挡式”的横弯结构（图2）。

图2 徐西、宋西断裂立体模拟图及地震剖面解释

2 断面结构对建造作用的控制

徐家围子断陷的形成是多期建造和改造的结果，主要经历了火石岭组沉积时期的伸展建造作用和火石岭组沉积末期的挤压改造作用，沙河子组沉积时期的伸展建造作用和沙河子组沉积末期的挤压改造作用，营城组沉积时期的伸展建造作用和营城组沉积末期的挤压改造作用，三期建造作用与三期改造作用交替进行[10–11]。断面结构对建造的控制作用最明显体现在断陷结构上。

徐家围子断陷结构由南至北存在差异：北部为箕状断陷，中部为复式箕状断陷，南部为不对称双断式断陷。徐西断裂和宋西断裂的断面结构影响着建造期断陷的形成演化，以至于在不同区域断陷结构不同。

2.1 断陷北部

断陷北部结构为箕状，具有楔形沉积特征（图3）。宋西断裂为铲式，断面呈上陡下缓状。随着拉张应力的持续作用，上盘地层顺铲式断裂面拉开、拆离。由于重力作用，上盘地层弯曲、塌陷填补拉张空间。断陷整体规模较大，地层沉积厚度大。断陷受宋西控陷断裂控制，断陷期的沉降中心沿宋西断裂展布，断陷期地层在宋西断裂根部最厚，由宋西断裂根部向远端不断变薄，在远端超覆尖灭；沙河子期末的挤压形迹比较明显。断陷初始阶段，盆地规模小，地层分布范围小；随着控陷断裂活动加剧，盆地规模扩大，地层分布范围最大；控陷断裂活动持续，盆地规模较大，但后期遭受剥蚀，地层分布范围小。

图3 箕状断陷构造物理模拟实验

2.2 断陷中部

断陷中部结构为复式箕状，是由多个近平行的控陷断层组成的（图4）。断陷受徐西断裂、宋西断裂和杏山东断裂三条控陷断层共同控制。在张性建造环境中，正断层上盘、下盘地层顺着“坡–坪–坡式”断层（断坡、断坪）拉开、拆离。在重力作用下，上盘地层弯曲、塌陷填补拉张空间，从而形成断陷盆地，而在断陷盆地之间则出现一个背斜隆起的凹中隆断陷结构，在剖面上呈常见的“凹–隆–凹”形态，在断坡的位置形成凹陷，在断坪的位置形成凸起。在上断坡的位置形成的凹陷较下断坡形成的凹陷规模小。

2.3 断陷南部

断陷南部结构为不对称双断式（图1）。断陷受徐西断裂和肇州东断裂两条对倾的控陷断裂共同控制，两条断裂均为铲式断层，断面呈上陡下缓状。断陷规模中等，地层厚度并不大。两条断裂对断陷期地层的沉积基本上起到了不对等的控制作用，徐西断裂明显地控制了主沉降中心的发育。沙河子期末的挤压构造形迹也较明显。

图4 复式箕状断陷地震剖面解释

3 断面结构对改造作用的控制

徐家围子断陷经历了三期改造作用：沙河子组末期、营一段末期和营三段末期。改造作用是在沉积建造的结果上进行的，晚期改造作用受先存构造的制约，因为先存的构造是后期变形的薄弱点，是最先响应最易变形的部位。

以往认为沙河子组沉积末期的改造作用形成压性断裂系统，忽略了沙河子组沉积建造格局对沙河子组沉积末期改造作用的制约，将建造作用和改造作用割裂开来。构造变形往往是遵循最简单最省力原则，在断陷盆地早期经历了伸展建造，后期持续改造时，最简单最省力的结果是先期伸展正断层首先收缩，随着挤压力的增大，可能由早期正断层变为逆断层，也就形成了断陷盆地最常见的反转构造样式，只有当改造作用的强度很大时，才开始产生新的逆断层来释放多余的挤压力。而徐家围子断陷虽然存在挤压改造作用，但其强度比前陆盆地造山带的挤压作用要小的多，所以断陷构造层主要发育正断层，仅发育少量逆断层。

构造样式是建造作用和改造作用有机结合的体现。徐家围子断陷发育伸展、挤压和反转三类十余种构造样式，其中断层转折褶皱的形成受先存断层结构的控制明显，先存断层往往由多个断坡和断坪相间组成。在挤压作用下，坡坪式逆冲断层的位移会使上盘的断坡部分逆冲到下盘的断坪之上，上盘岩层受断层面形态制约而发生褶皱变形（图5）。其中逆断层相关褶皱和逆冲构造两种断层转折褶皱分别受徐西断裂和宋西断裂的控制。

图5 断层转折褶皱形成机理

3.1 逆断层相关褶皱

在沙河子组末期，挤压应力作用徐西断裂下坡坪式的上盘的断坡部分，沙河子组地层逆冲到下盘的断坪之上，受断层面结构控制的沙河子组地层产生褶皱变形，形成逆断层相关褶皱。该构造样式广泛发育于徐家围子断陷，表现为规模不同的凸起带，宋站凸起、兴城凸起和丰乐凸起均为逆断层相关褶皱成因，以近东西向展布为主，断陷期形成的原型盆地在改造过程中遭受了不同程度的剥蚀改造（图6）。

图6 逆断层相关褶皱构造地震剖面解释及其构造物理模拟实验

3.2 逆冲构造

徐家围子断陷安达地区受到挤压作用，宋西断裂上盘沙河子组地层沿断裂面向上逆冲，上盘地层受宋西断裂面形态制约而发生褶皱变形，在持续挤压作用下，在宋西断裂面转折端产生逆冲断层，新地层推覆到老地层之上，造成沙河子组三、四段地层垂向叠置（图7）。

图7 过逆冲构造L2232测线地震剖面

4 结论

（1）徐家围子断陷发育徐西断裂、宋西断裂和徐东断裂带三条控陷断裂。三条控陷断裂结构不同，徐西断裂断表现为“坡–坪–坡式”的纵弯结构，而宋西断裂表现为“隔挡式”的横弯结构。

（2）徐西、宋西和徐东断裂带三条控陷断裂控制着盆地的建造和改造。断裂结构的差异造成盆地结构不同，北部为箕状断陷，中部为复式箕状断陷，南部为不对称双断式断陷。改造作用是在沉积建造的基础上进行的，分析盆地演化特征必须将建造作用和改造作用有机结合起来。本次研究重新梳理断裂体系和分析构造样式，正确识别和分析断裂结构对改造的控制作用有助于断陷地层格架解释和原型盆地恢复，为进一步深化研究成藏特征提供有力支撑。

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