渤海海域西南部中生代构造演化过程与潜山形成机制

肖述光 吕丁友 侯明才 胡贺伟 黄 志

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 2. 成都理工大学沉积地质研究院3. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

0 引言

古潜山亦称潜山构造，是指古地层长期遭受风化、侵蚀、断裂、褶皱作用形成的古地貌残丘、断块山、残余背斜等古地形高点，而后被新的沉积物覆盖。渤海湾盆地的潜山为新生界底不整合面之下的基岩隆起构造，其形成和最终定型是前新生代各期构造运动的结果。已有的研究从区域尺度厘定了太古界—古元古界华北克拉通基底年龄和拼合过程、中新元古代伸展盆地性质及空间展布[1-4]，恢复了古生代渤海湾盆地多旋回叠合演化过程[5-6]，识别了中生代印支、燕山关键变革期的地壳变形特征[5-6]，重建了印支—燕山期的构造格局[7-15]。这些研究成果清楚表明中生代的印支—燕山运动是塑造渤海湾盆地潜山形态和使其最终定型的关键。然而，中生代的构造演化过程的研究还不够清晰，潜山最终定型的机制还不十分明确。渤海海域西南部处于多个构造单元的交汇部位，具有复杂的断裂体系和完整的潜山地层，保存了较为完整的构造演化历史记录；大量的地震资料和近年实施的多口钻井为揭示渤海湾盆地中生代的构造演化过程和探究潜山的定型机制提供了资料基础。笔者基于对该区三维地震资料精细的地层解释和构造样式的识别，分析了中生代的构造演化过程，厘定了渤海海域西南部的潜山类型及分布，探究了潜山的定型机制，深化了渤海海域西南部前新生代的构造演化研究，以期为渤海湾盆地潜山的油气勘探提供了坚实的地质基础支撑。

1 地质背景

渤海海域西南部西起歧南断阶带，东至郯庐西支走滑断裂带，北抵沙垒田凸起，南接埕子口凸起，面积约1.6×104km2，整体呈凹凸相间的构造格局，共包含五凹四凸，即歧口凹陷、南堡凹陷、渤中凹陷、沙南凹陷、埕北凹陷和石臼坨凸起、沙垒田凸起、埕北低凸起、埕子口凸起（图1）。同时，区内北西、北东和近南北向断层纵横交织，断裂系统十分发育，形成了歧南断阶带、中央走滑带、沙中断裂带、郯庐西支走滑断裂带等4大断裂带。研究区经历了复杂多阶段的构造—沉积旋回，在以混合岩化花岗岩、片麻岩、麻粒岩、石英砂岩等为主要岩性的太古界基底之上，自下而上发育4套潜山沉积层系：下古生界寒武系—奥陶系（ —O）浅海台地相碳酸盐夹页岩及砂岩层系、上古生界石炭系—二叠系（C—P）海陆交互相碳酸盐岩/煤系和红色碎屑岩层系、中侏罗统（J2）灰色凝灰质碎屑岩系和火山角砾岩层系、下白垩统（K1）凝灰质灰岩夹角砾岩层系（图1）。

图1 渤海海域西南部区域构造图及潜山地层综合柱状图

2 潜山结构及构造特征

渤海海域西南部潜山经历了多期构造活动的建造和改造，形成了复杂多样的内幕结构和构造样式[16-17]。通过对地层—地震相模式总结和断裂的精细解释，明确了该区发育的主要潜山结构类型和构造样式。

2.1 潜山地层地震相类型与内幕结构划分

潜山内幕不同时代地层及岩群具有相应独特的地震反射特征，通过井震标定和精细对比解释，建立了基底太古界、寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系、中—下侏罗统、上侏罗统—下白垩统等5大地层组合单元标志性地震反射特征及地震相模式，具体特征如表1所示。

表1 渤海海域西南部潜山地层及其地震相特征表

根据潜山内幕残留地层组成将渤海海域西南部潜山结构类型分为3类：单层结构、双层结构、三层结构。单层结构型是指仅残留太古界秃顶式潜山，其主要分布在沙垒田凸起和渤中19-6潜山构造带。双层结构型包括残留太古界和古生界、太古界和中生界两种亚型潜山，主要分布沙垒田凸起北翼、沙中构造带。三层结构型则是指太古界、古生界、中生界均有残留的潜山，主要分布在歧南断阶带和埕北低凸起等地区[17]。

2.2 潜山构造样式

渤海海域西南部经历了复杂的构造发展过程，构造应力场性质既有张性、压性，又有扭性[17]，因此形成了伸展、挤压、走滑、反转4类不同性质的构造样式（图2）。

伸展构造样式在该区广泛分布，是在区域或局部拉张作用下形成的使地壳或岩石圈伸展减薄的构造变形组合，与正断层活动有关。该区经历的多幕裂陷作用形成了半地堑、地堑、断阶、复杂“Y”形组合等多种次级构造样式（图2-a）。

挤压构造样式是在水平挤压应力作用下，地层发生冲断、褶皱，由一系列逆断层组成的构造样式。该区经历多期强度不同的挤压构造作用，在地震上可以识别出残存的逆冲推覆构造、背冲构造、对冲构造、冲起构造、构造三角带等多种次级挤压构造样式（图2-b）。

图2 渤海海域西南部潜山典型构造样式图

走滑构造样式一般由一系列产状陡倾的大型—巨型平移断层及其间的断夹块体组成。郯庐西支走滑断裂等多条走滑断层贯穿该区，平面和剖面上均表现出明显走滑变形的特征。平面上，可见浅层雁列式、羽状小型正断层组合；剖面上表现为花状构造或陡立的断层带组合及断夹块的相间排列。不同时期的走滑伴随不同程度的挤压或拉张作用，在强烈的走滑作用下，由于两大相邻的块体之间或挤压堆垛导致断夹块的隆起成山（图2-c），或剪切拉张导致释压成谷。

反转构造为同一地质体在不同演化时期应力改变而形成的一种复合构造。渤海海域西南部经历了多个挤压—拉张—挤压的构造旋回，正负两种反转构造均有发育，其中规模最大、分布最广的为北西向断层早逆晚正负反转所形成的薄底或秃底构造（图2-d），其标志性特征为靠近断层一侧寒武系—奥陶系或石炭系—二叠系明显减薄甚至缺失。

3 中生代构造演化与断裂体系发育

构造的形成和演化具有一定时限，亦即褶皱和断裂体系发育不仅具有地区性，而且具有时代性。因此，可以通过对区域褶皱和断裂活动期次、方式和强度的分析来划分构造运动的期次，并结合二维构造的恢复来探讨各期构造运动的运动学和动力学特征。

渤海海域西南部所处的华北克拉通位于古亚洲洋、特提斯洋和太平洋构造体系域交汇位置[18]，自元古宙末期以来，经历了不同期次、不同方向、不同性质构造运动叠加演化的过程。整体而言，中生代以前的构造运动以整体垂直升降为主，构造相对简单，断裂欠发育。进入到中生代构造演化阶段以来，该区水平方向构造作用日趋活跃，形成多个“挤压—拉张—挤压”构造旋回，并伴随多期幕式走滑剪切，导致不同期次、不同性质、不同走向的断裂体系在时空上叠加，最终形成纵横交错网格状复杂断裂系统。鉴于此，笔者对构造活动期次进行了划分，明确该区潜山内幕主要经历了印支期、燕山早期、燕山中期、喜马拉雅期等4期构造运动，并首次识别了渤海海域燕山早期构造运动形迹，厘清了各关键构造期断裂形成机制和分布特征。

3.1 印支运动与断裂体系发育

晚—中三叠世，由于扬子板块与华北板块由点到线式的接触碰撞，华北克拉通内部广泛发育逆冲断裂及相关褶皱等挤压构造样式[12-13,19-20]。在南北向强挤压应力场下，渤海海域西南部发育北西西至近东西向展布的宽缓褶皱以及成排分布的大型逆冲断层，如沙南断层、埕北断层、海一断层等。这些断层规模较大，走向延伸长度超过40 km，断面倾角较大且呈铲状，上陡下缓，平面上呈现成排分布的特征（图3-a），推测这些断层为大型逆掩断层的冲起前缘，在地壳深部存在统一的低角度逆冲推覆面。此期构造运动造成三叠系的沉积缺失，并导致古生界局部剥蚀。特别是在冲起构造的前缘，古生界剥蚀强烈，可见明显的削截角度不整合界面。在后期伸展背景下，这些逆冲断裂普遍发生反转正断，形成古生界向着靠近断层的一侧逐渐减薄或缺失的薄底或秃底构造现象（图4-a）。

3.2 燕山运动Ⅰ幕与断裂发育特征

早—中侏罗世，受伊佐奈崎板块西向俯冲影响，

华北板块由特提斯洋构造体系域转入滨太平洋构造体系域，渤海海域西南部发生第二次大规模挤压构造作用[14-15,21-25]。与印支期近东西构造体系不同，燕山早期主要表现为北西—南东向缩短构造，广泛发育北东向逆冲断裂和褶皱（图3-b）。从变形方式来看，印支期以基底卷入的冲起构造和宽缓褶皱为主，而燕山早期则发育多种不同的挤压构造样式。其中，西侧歧南断阶带主要发育小型盖层滑脱的薄皮逆冲构造，形成逆冲三角构造和双重构造等构造样式（图4-b）。沙垒田凸起、沙南凹陷、埕北低凸起和埕北凹陷等中部地区则发育与印支期相似的成排分布的基底卷入高角度逆冲断层。在该区东侧，则发育规模宏大的左行平移逆断层——郯庐西支走滑断裂。郯庐西支走滑断裂燕山早期剧烈的左行走滑逆冲导致渤中19-6潜山构造带大幅隆升和强烈的风化剥蚀，形成凹陷区近南北向的古老太古宇变质岩低潜山构造。此外，有学者通过对大别造山带东缘韧性剪切带野外露头和热年代学的研究也确证郯庐断裂南段早侏罗世存在左行逆平移活动[26]。

图3 渤海海域西南部主干断裂体系演化图

图4 渤海海域西南部不同构造期典型构造形迹的地质剖面图

3.3 燕山运动Ⅱ幕与断裂发育特征

晚侏罗世—早白垩世，伊佐奈崎板块向欧亚板块俯冲汇聚的角度及速率发生急剧变化，以更快的速度向北及北北西运动[26-28]，引发地幔底辟上涌，造成华北克拉通的破坏——岩石圈显著减薄，发生强烈的火山喷发和陆内裂解。南北向水平引张作用之下，先存印支期及燕山早期逆冲断裂作为地壳中的薄弱带易于应力集中而发生伸展反转，成为控制该时期盆地结构和沉积充填的边界断层，如沙南、埕北、海一、海四、羊二庄等断层均具有明显的早逆晚正反转特征（图4-a、b）。同时，在陡坡带发育一系列与主干伸展断裂走向一致的次级伴生断层，形成“Y”形组合样式。在缓坡带则发育同向阶梯状断层。另外，板块间斜向汇聚作用还形成北东—南西向左行剪切应力场，导致该区发育一组北北东至近南北向左行正平移断层（图3-c），如沙东断层、郯庐西支走滑断裂等，并控制局部洼陷发育和上侏罗统—下白垩统沉积展布（图5）。

3.4 喜山运动与断裂发育特征

新生代以来，受太平洋板块低角度高速斜向俯冲作用和印度板块向北汇聚碰撞的远程响应影响，渤海海域西南部处于南北向引张和北东向右行剪切双重应力场中，发育伸展和走滑两套断裂系统。一方面，在近南北向拉张作用之下，先存的北西西和北东向断裂发生伸展活化，同时还形成沙中断裂等一系列东西向新生断层，发育由板式主干伸展断裂以及浅层伴生断裂组合成的似花状构造样式。另一方面，在右旋剪切应力场下，形成北西和北东向共轭走滑断裂体系（图3-d、4-c）。

4 潜山差异形成演化机制

前已述及，渤海海域西南部中生代经历了多个“挤压—拉张—挤压”构造旋回，多期构造活动不仅控制着网格状复杂断裂系统的形成，同时导致了众多不同类型潜山构造发育。整体而言，该区潜山经历了4个演化阶段：第一阶段为古生代物质基础形成阶段，属于沉积建造期，构造运动以整体垂直隆升为主，构造欠发育；第二阶段为印支期至燕山早期持续挤压隆升与潜山构造雏形阶段；第三阶段为燕山中期块断隆升及潜山初始格局形成阶段；第四阶段为新生代以来改造与快速埋藏阶段，包括古近纪伸展改造和新近纪热沉降埋藏（图5、6）。但是，由于各个构造时期，特别是在印支期和燕山早期两大关键构造期，构造变形方式与强度的差异，导致该区潜山构造特征呈现出显著的东西分带的特征。根据潜山构造和残留内幕结构特征差异，具体可划分为西侧残留逆冲型潜山带、中部反转翘倾型潜山带和东侧复杂走滑断块型潜山带。

图5 渤海海域西南部东西向潜山构造演化剖面图

图6 渤海海域西南部北东向潜山构造演化剖面图

西侧残留逆冲型潜山带以歧南潜山为代表，印支期挤压强度较弱，以轻微的挠曲构造变形为主；燕山早期是该类潜山构造形成的关键构造期，持续、多幕挤压作用之下，发育低角度薄皮逆冲构造，潜山构造初始形成；燕山中期拉张背景下，先存逆冲断裂发生伸展反转，早期潜山发生块断差异隆升，构造幅度和规模随之扩大；燕山晚期该区挤压反转强度较弱，对潜山改造较小；喜马拉雅期，潜山被进一步伸展改造并快速埋藏（图5）。

中部反转翘倾型潜山带主要包括埕北低凸起、沙中构造带和沙垒田凸起等潜山构造。此类潜山的形成与残留逆冲型潜山有所不同，其主要是受北西西或近东西向印支期挤压逆冲和燕山中期伸展反转断层的控制，燕山早期构造变形微弱，对潜山构造发育演化影响较小（图6）。

东侧渤中19-6复杂走滑断块型潜山构造带成因最为复杂，印支、燕山、喜马拉雅等各期构造运动均对潜山构造的形成具有较强的塑造作用，其中尤以燕山早期左行走滑逆冲作用控制作用最为显著。印支期，南北向挤压作用导致该区背冲构造样式及相关褶皱的发育，潜山构造开始形成；燕山早期，受北西—南东向挤压作用，发育近南北向左行走滑逆冲的郯庐西支走滑断裂，形成受其控制的强制褶皱带，强烈隆升剥蚀；燕山中期在郯庐西支走滑断裂走滑拉张作用下渤中19-6潜山构造带发生差异隆升，并进一步剥蚀夷平，形成平缓的潜山台地；燕山晚期（晚白垩世）受南北向弱挤压作用，持续抬升剥蚀并形成宽缓的背斜形态，高点位于潜山构造北部。喜马拉雅早期，在幕式压扭作用下，南部发生反转隆升，潜山形态基本定型（图5）。

5 结论

1）渤海海域西南部中新生代经历了多期构造运动，形成了由北东、北西和近南北向等3组断裂组成的复杂网格状断裂系统。其中，北西向断裂初始形成于印支期，为逆冲性质，燕山中期和喜马拉雅期发生伸展反转；北东向断裂起源于燕山早期逆断层，燕山中期及喜马拉雅期遭受走滑拉张改造；南北向断裂则经历了燕山早期左行逆平移、燕山中期右行走滑拉张和喜马拉雅期多幕右旋走滑活动。

2）渤海海域西南部潜山形成可划分为4个演化阶段：前印支期稳定地台沉积建造阶段、印支—燕山早期持续挤压褶皱成山阶段、燕山中期伸展块断隆升与潜山初始格局形成阶段、喜马拉雅期走滑—伸展叠合改造与快速埋藏阶段。其中，印支期和燕山早期是两大关键构造形成期。

3）由于关键构造期变形样式和强度的差异，导致渤海海域西南部潜山构造表现出显著的分带性，可分为西侧歧南残留逆冲褶皱型潜山带、中部埕北/沙中/沙垒田等反转翘倾型潜山带和西段渤中19-6复杂走滑断块型潜山构造带。