渤海海域前新生代基底时代归属与构造演化特征分析*

高坤顺 吴庆勋 彭靖淞 郭 颖 马正武

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

渤海海域位于华北板块渤海湾盆地中东部，东临胶辽隆起，西临黄骅坳陷与燕山造山带，南部与济阳坳陷相邻，北部与下辽河坳陷相邻，著名的郯庐断裂贯穿其东部[1-2](图1)。近年来，随着勘探程度的不断提高，前新生代基底潜山油气藏逐渐成为渤海海域重要油气藏类型之一，相继在前寒武系变质岩、下古生界碳酸盐岩以及中生界火山岩中获得了不错的发现[2]。然而，由于渤海海域历经多阶段构造演化，基底地层、结构分布规律及其成因认识不清，郯庐断裂以东以双层结构为主，中生界直接覆盖在前寒武系之上，而郯庐断裂以西则以“中生界+古生界+前寒武系”三层结构为主。钻探结果表明，渤海前寒武系基底岩性复杂多样，时代归属不明确，且并非都是变质岩基底，东西向上具有明显的差异性：郯庐断裂以东钻遇中上元古界碳酸盐以及千枚岩、板岩、变质砂岩等浅变质岩，而郯庐断裂内部及西侧钻遇的前寒武系多为片麻岩及不同程度的混合岩。渤海海域前寒武纪地势西高东低，中生代末地势西低东高，前新生代构造演化呈现明显的“跷跷板”现象。孟庆洋 等[3-4]认为“跷跷板”运动是地质体在地质过程中受外力影响而产生的一种运动形式，其中多期次构造变动是主因。前人研究表明,华北克拉通经多块体先后拼贴、同期联合和后期裂解，形成了复杂多样的构造格局[5-9]。乔秀夫 等[8]认为古郯庐断裂可能是造成渤海湾盆地前寒武系地层差异的原因。蔡东升等[9]认为渤海位于多个块体的拼接位置，渤海前新生代基底构造演化可能与板块活动有着密切的关系。前人研究成果为渤海前新生代构造演化研究打下了坚实基础，然而有关渤海前新生代构造演化的“跷跷板”现象鲜有报道。

图1 渤海海域区域地质图(据文献[2]修改)Fig.1 Regional geological map of Bohai sea area(modified from reference[2])

本文综合运用钻井、锆石U-Pb年代学分析和微体古生物化石等资料，明确了渤海海域前新生代基底时代归属,在三维地震精细解释的基础上刻画了古生界和中生界侏罗系残余地层分布范围,最后结合宏观构造背景对渤海前新生代构造演化“跷跷板”现象进行了分析。

1 前寒武纪地层时代归属

1.1 前寒武系碳酸盐岩

渤海海域前寒武系碳酸盐岩残留地层分布较少，仅有3口探井钻遇。前人对该段地层进行过多轮次的古生物送样分析，但未发现化石，仅在A井的岩石薄片镜下发现少量的叠层石。该套地层一直以来只能根据其岩性组合特征，通过区域岩性对比将其暂归中—上元古界。A井位于辽东凹陷南洼东部斜坡带(图1)，前寒武系上覆地层为古近系厚层泥岩夹薄层砂岩；前寒武系上部为大套浅灰色、浅褐灰色泥晶灰岩(少量为深褐灰色)，夹薄层灰色页岩；前寒武系下部为绿灰色、灰绿色千枚岩、板岩与变质石英砂岩互层，夹2套厚层灰绿色、棕绿色辉绿岩岩脉，可以与辽东半岛金州地区上元古界兴民村组顶部干岛子灰岩段、中部王家坦页岩段，下部周家崴子砂岩段组合[10-11]进行类比(图2)。

针对该套地层进行了微体古生物疑源类取样分析，共取9块样品(图2)，其中在两块泥板岩样品分析中发现丰富的疑源类化石，化石组合面貌总体属种单一，分别为精细网面球藻Dictyosphaeradeliicatas、瘤面球藻属Lophospheridiumsp.、网面球藻属Dictyosphaerasp.(图3)，其中精细网面球藻Dictyosphaeradeliicatas含量丰富，占到组合的80%～90%。

图2 渤海东部前寒武系对比Fig.2 Correlation of pre-Cambrian in eastern Bohai sea

a、b—精细网面球藻Dictyosphaeradeliicatas；c—网面球藻属Dictyosphaerasp.；d—瘤面球藻属Lophospheridiumsp.

图3 渤海东部A井前寒武系疑源类化石
Fig.3 Suspected fossils of pre-Cambrian in A well ineastern Bohai sea

据报道，具网纹饰的球形疑源类精细网面球藻Dictyosphaeradeliicatasvb.首次发现于山西洛南前寒武系高山河组，大致相当于青白口系[9]；后来又发现于华北地台南缘河南汝州上元古界汝阳群白草坪组[12-13]。瘤面球藻属Lophospheridiumsp.建立于湖北宜昌田家园子震旦系陡山沱组[14-15]。

结合化石类型鉴定及地层岩性分析，确定渤海海域东部前寒武系碳酸盐岩属于上元古界。这为渤海海域元古界碳酸盐岩地层的划分与对比提供了可靠的依据，填补了渤海海域新元古代疑源类化石研究的空白。

1.2 前寒武系变质岩

采取LA-ICP-MS锆石U-Pb测年技术分区域测得5块变质岩样品年龄(图4)。锆石U-Pb年代学测定在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用LA-ICP-MS分析完成,激光剥蚀系统为GeoLas 2005，ICP-MS为Agilent 7500a。

郯庐断裂带西侧两块变质岩样品(样品1、样品2)记录了2 482±27、2 834±83 Ma两组变质岩结晶年龄。样品1位于沙垒田凸起西部，取样深度为2 814.1 m，为前寒武系斜长片麻岩，上覆地层为新生界东营组三段泥岩；锆石呈椭圆形，具有核边结构。对样品1颗粒锆石测试34个年龄测点，年龄谐和图中锆石U-Pb实验投点基本上落在不一致性曲线上或附近，不一致线与一致线的上交点年龄(代表原始锆石结晶年龄)为2 482 Ma(古元古代)，下交点年龄为220 Ma(图4a)。样品2位于沙垒田凸起东部，取样深度为2 738.1 m，为前寒武系浅粒质和变粒质混合岩，上覆地层为新生界东营组二段砂泥岩互层；锆石呈椭圆形，具有核边结构。对样品2选取了43个测点，其中4个测试点的误差相关度大于1，无法成图，故舍去；年龄谐和图中锆石U-Pb实验投点大部分落在不一致性曲线上及其附近，不一致线与一致线的上交点年龄为2 834 Ma(中太古代晚期)，下交点年龄为321 Ma(图4b)。

郯庐断裂带内两块变质岩样品(样品3、样品4)记录了3 055±38 Ma、3 029±46 Ma两组变质岩结晶年龄。样品3位于渤南低凸起东部，取样深度为3 486.6 m，为前寒武系混合花岗岩，上覆地层为古生界碳酸盐岩;锆石呈椭圆形，除极少数表面光滑外，绝大多数表面粗糙斑杂，环带不明显。对样品3颗粒锆石测试47个年龄测点，年龄谐和图中锆石U-Pb实验投点大部分落在不一致性曲线上或附近，不一致线与一致线的上交点年龄为3 055 Ma(中太古代)，下交点年龄为173 Ma(图4c)。样品4也位于渤南低凸起，取样深度3 058.6 m，为前寒武系混合花岗岩，上覆地层为新生界沙河街组—孔店组的砂砾岩，锆石特征和样品3一致，年龄谐和图显示其不一致线与一致线的上交点年龄为3 029 Ma，下交点年龄为86 Ma(图4d)。

郯庐断裂带东侧一块变质岩样品(样品5)记录了1 794 Ma变质结晶年龄。样品5位于庙西北凸起，取样深度为1 345 m，为前寒武系石英片岩，上覆地层为新生界馆陶组砂泥岩;锆石呈次棱角状和浑圆状,绝大多数样品具有环带。对样品5所分析的29个测点均位于谐和图的一致线上，其年龄集中于1 205～2 823 Ma，较年轻的1 205 Ma和1 208 Ma年龄测点偏离谐和图上的一致线，不能代表其形成年龄；绝大多数样品的年龄集中于1 800 Ma左右，其加权平均年龄为1 794 Ma(图4e、f)。

从测年数据展布上看，郯庐断裂西侧变质岩年龄为2 500 Ma左右，郯庐断裂带内变质岩年龄约为3 000 Ma，郯庐断裂带东侧变质岩年龄约为1 800 Ma，因此渤海海域前寒武系变质岩地层具有西老东新的特征。

2 古生界—中生界残余地层分布

研究表明，渤海海域古生界以寒武系和奥陶系碳酸盐岩为主，仅在郯庐断裂带以西局部残存石炭系和二叠系。大致以郯庐断裂带为界，断裂带以西挤压变形强度相对较弱，普遍发育古生界薄底或秃底等反转构造；断裂带以东挤压变形作用则相对较强，表现为强烈隆升，研究区古生界几乎剥蚀殆尽(图5)。侏罗系在渤海海域分布十分局限，仅在西部凹陷区局部残存(图6)。白垩系以火山岩为主，分布广泛，仅在部分凸起区有所缺失。

图5 渤海海域古生界残余地层分布Fig.5 Distribution of residual strata of Paleozoic in Bohai sea

图6 渤海海域侏罗系残余地层分布Fig.6 Distribution of residual strata of Jurassic in Bohai sea

3 前新生代构造演化“跷跷板”现象及其成因机制

渤海海域前寒武纪地势明显西高东低，而到了中生代末转变为西低东高，呈现明显的“跷跷板”现象。太古宙—古元古代，渤海海域历经多期变质事件，在约1 800 Ma形成统一的结晶基底[6-8]，华北地台克拉通化。中元古代，渤海海域进入裂陷槽发育阶段，从长城系到蓟县系再到青白口系构成了一套完整的裂谷盆地沉积序列[16]。到了新元古代南华纪，Rodinia超大陆开始裂解[8]，郯庐断裂西侧裂陷槽沉积地层遭受隆升，几乎剥蚀殆尽；郯庐断裂东侧转入大规模裂陷沉降，沉积了一套海相碎屑岩及碳酸盐岩。元古代末，受蓟县运动影响，渤海海域整体隆升，由中、新元古代裂陷差异沉降的似盖层沉积阶段转化为一个新的早古生代稳定的克拉通发育阶段[17]。古生代之后，受印支期华南、华北两板块剪刀式碰撞作用影响[18]，横向挤压差异导致郯庐断裂左行走滑活动，郯庐断裂东侧强烈隆升，古生界几乎剥蚀殆尽，郯庐断裂西侧仍残存一定厚度的古生界，地势转变为东高西低。到了早中侏罗世，研究区转入滨太平洋构造体系域，伊泽奈崎板块开始向东亚板块俯冲[19]，郯庐断裂东侧进一步隆升，导致仅在渤海西部局部发育侏罗系。晚侏罗世—早白垩世，伊泽奈崎板块俯冲运动方向和速度发生转变[7]，地幔隆升，华北克拉通遭受破坏，研究区发生强烈伸展反转和大规模岩浆活动。晚白垩世，伊泽奈崎板块逐渐消失，库拉板块正向(NWW向)俯冲于亚洲大陆之下，渤海整体隆升剥蚀，缺失上白垩统[20]。总的来看，Rodinia超大陆的裂解控制了前寒武纪渤海地势西高东低；印支期华南、华北两板块剪刀式碰撞以及伊泽奈崎板板块早期的俯冲作用决定了中生代地势西低东高(图7)。因此，板块的裂解和聚合是造成研究区前新生代构造演化”跷跷板”现象的主要原因。

图7 渤海海域前新生代构造演化“跷跷板”现象形成过程示意图Fig.7 Schematic of “seesaw” phenomenon in pre-Cenozoic tectonic evolution in Bohai sea

4 结论

1) 渤海海域首次发现新元古代疑源类化石，从而明确了渤海东部所钻遇的前寒武系碳酸盐岩时代归属为新元古代的震旦纪。锆石U-Pb测年数据表明，渤海海域前寒武系具有西老东新的特征。古生界和侏罗系残余地层分布特点表明，渤海海域前寒武纪地势西高东低，中生代末转变为西低东高，构造演化具有明显的“跷跷板”现象。

2) 南华纪Rodinia超大陆的裂解控制了渤海海域前寒武纪地势西高东低。印支期华南、华北两板块剪刀式碰撞，挤压作用东强西弱；燕山早期，伊泽奈崎板块NW向俯冲作用使得渤海东部进一步隆升，两期构造运动造就了渤海海域中生代地势东高西低的特征。因此，板块的裂解和聚合是造成研究区前新生代构造演化“跷跷板”现象的主要原因。