辽西金羊盆地重力场与断裂构造特征研究

郇恒飞，高 铁，孙守亮，李永飞，时 彬

1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；2.辽宁省地质矿产调查院，辽宁 沈阳 110031

0 引言

金岭寺-羊山盆地（金羊盆地）是辽西地区最大的中生代盆地，蕴含多种矿产资源，是煤、油、气矿产勘探的重要区域［1-2］，近几年获得不少油气新发现［3-6］.前人研究主要集中于金羊盆地的烃源岩、沉积相、地层层序等问题［5-10］，对该盆地的整体断裂分布特征研究较少.前人利用区域重力资料对该盆地划分次级凹陷，进行油气远景评价等［11］，而盆地断裂构造体系、地层空间展布形态等基础问题还不清晰.而非震物探在油气勘探前期解决这些基础问题具有独特的优势［12-16］，对于油气远景评价具有重要作用.重力勘探作为地球物理勘探中的一种重要方法，其对盆地岩体、构造等识别能力使之成为研究地质构造的重要手段［17-18］.近几年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在辽西金羊盆地实施油气基础地质调查项目，目前在该区完成1∶5万高精度重力测量2 130 km2，目的之一就是系统研究区内重力场特征，确定盆地的断裂构造体系，为该区油气远景评价提供依据.本文通过重力异常分离、断裂识别组合法［19-20］、重震剖面联合反演，结合地表地质、钻井等资料，研究该区重力场及断裂构造空间展布特征，分析主要断裂的作用及地质意义，为金羊盆地油气远景评价提供物探证据.

1 研究区地质与地球物理概况

1.1 地质概况

金羊盆地位于华北地台燕山台褶带东北缘的中段，西侧以南天门断裂带为界与北票盆地、朝阳盆地和建昌盆地相邻，是辽西北东向展布的早中生代陆相盆地之一［7］（图1）.金羊盆地边界部位出露中新元古界和古生界地层.盆地主体广泛分布侏罗纪地层，占盆地总面积的90%以上，是该盆地重要的充填地层.盆地基底为前晚古生界地层，因构造变动出露地表与逆断层一起构成了盆地的边界［4-8］.金羊盆地内部呈现“三凹两凸”的构造格局，即马友营子凹陷、章吉营子凹陷、松岭门凹陷、东部鼻隆带和羊山隆起［11］.

图1 金羊盆地及邻区地质概图（据文献［4］修改）Fig.1 Geological sketch map of Jinyang Basin and adjacent areas（Modified from Reference［4］）

中三叠世末以来，本区受印支、燕山运动的影响发生了强烈的构造岩浆活化作用，褶皱和断裂发育，以北东向为主，北西向次之，此外还有一些近东西向、北东东向断裂及韧性剪切带.这些构造控制着众多火山机构、中生代盆地的分布和盆内陆相火山-沉积岩系的空间展布，形成了由太古宇—古生界组成的基底隆起和中新生代盆地相间的构造格局［8，19-21］.

1.2 岩石地层物性特征

岩石地层的物性差异是地球物理勘探的前提，也是地质解释的重要依据.本研究通过对研究区及周边出露的岩石进行物性测量，获取不同岩石地层的密度特征，总结研究区岩石地层密度的变化规律.

本区岩石地层密度由新到老变化总趋势呈逐渐正向增大的特征.1）白垩系义县组地层出露于研究区东部，以中基性火山岩、火山碎屑岩为主，密度一般在2.32～2.72 g/cm3之间，平均为2.50 g/cm3，为中低密度层.2）侏罗系地层为盆地中生界主要盖层，地层齐全，岩性复杂.该系地层自上而下密度为正向增大的趋势，总体来看，侏罗系地层为中密度层.土城子组地层以陆相粗碎屑为主，局部含火山碎屑成分，岩性主要为复成分砾岩、杂砂岩、砂岩、粉砂岩，密度一般在2.28～2.68 g/cm3之间，平均为2.45 g/cm3，为低密度层；髫髻山组以中基性的火山岩为主，密度值一般在2.32～2.67 g/cm3之间，平均为2.57 g/cm3，相对较高；海房沟组-北票组地层以陆相碎屑岩为主，密度值一般在2.30～2.77 g/cm3之间，平均为2.49 g/cm3，相对较低；兴隆沟组地层也以中基性的火山岩为主，但平均密度为2.65 g/cm3，相对较高.3）前侏罗系基底主要为古生界、元古宇和太古宇地层，岩性以灰岩、白云岩、变质岩为主，平均密度为2.70 g/cm3，为高密度层.4）区内岩体局部分布，主要为花岗岩、闪长岩和辉绿岩.花岗岩密度均值2.58 g/cm3，为低密度体；闪长岩密度均值2.68g/cm3，为中密度体；辉绿岩密度均值3.02 g/cm3，为高密度体.

2 研究区重力场特征及其地质意义

2.1 布格重力异常特征

从布格重力异常图（图2）可以看出，布格重力异常总体具有西低东高的特征.布格重力异常变化明显，重力高与重力低值带之间发育有多条宽缓的北东向重力梯级带，主要位于研究区中部.这些宽缓的重力梯级带反映了密度体的变化及岩性的差异，地表地质对应着侏罗系土城子组和髫髻山组的地层接触边界.依据重力场特征将研究区划分为I、II、III 三个异常区.I 区为重力异常低值带，位于北四家子、章吉营子一带，总体呈北东向展布，异常中心较宽阔，异常东翼梯度变化较陡，西翼大多延伸出研究区.该重力异常低值带从南至北由3 个重力局部异常构成，异常中心分别位于北四家子、七道岭北部、章吉营子.结合地质及物性资料，认为该区是金羊盆地凹陷的主体区域，整体反映了中生界沉积盖层的分布.局部重力低异常主要对应于侏罗系土城子组地层的分布，同时其下伏的髫髻山组、海房沟组、北票组、兴隆沟组等中生界沉积地层厚度较大.II 区为重力异常高值带，位于七道岭—巴图营一线东部，总体呈北东向展布，异常规模较大，向东北延伸出研究区.该区与I 区重力异常以北东向异常梯级带为界，反映了研究区东西部地层具有较大的差异.该区地表地质为侏罗系髫髻山组地层，上覆土城子组已被全部剥蚀，局部零星出露元古宇长城系，推测该区缺失古生界地层，元古宇与中生界地层呈不整合接触.该区重力高异常主要由基底隆起引起，中生界盖层残留厚度较薄.III 区为重力异常低值带，位于根德营子一带，由松岭门重力低、根德营子重力高和羊山重力低3 个局部异常构成.根据地表出露和钻井分析，松岭门重力低主要为盆地盖层引起，根德营子重力高推测为基底向东隆起引起，羊山重力低由已知地质信息推测，可能由中酸性岩体侵入引起.

图2 研究区布格重力异常图Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of the study area

2.2 重力区域异常特征

布格重力异常既包含沉积盖层的异常信息，又包含基底起伏、岩性变化及地壳深部因素等引起的异常信息，是地下所有密度不均匀体的综合反映.本研究采用向上延拓、趋势面分析、小波变换多方法进行重力场分离，综合对比获得研究区重力区域异常（图3），反映了研究区重力区域场特征.图中重力区域异常值西低东高，反映了该区深部地质构造特征，表现出两低一高的异常形态.已有地质、测井、物性等资料表明，金羊盆地在其发生、发展的演化过程中受燕山运动多期次影响，前中生界底面起伏大［7］.章吉营子和北四家子一线的重力低是中生界凹陷的反映，中生界地层埋藏深度大；而地藏寺、刘龙台镇和上园镇一带的重力高是基底隆起的反映，中生界地层埋藏深度小.该重力高西侧存在明显的异常梯级带，呈北东向平行展布，巴图营附近等值线较密集，推断盆地的边缘处有深大断裂.综上所述，研究区重力区域场形态主要反映了测区前中生界底面（基底）的分布和起伏特征，大体呈西低东高分布.

图3 研究区重力区域异常图Fig.3 Regional gravity anomaly map of the study area

2.3 重力剩余异常特征

重力剩余异常由布格重力异常与重力区域异常相减获取（图4），所显示的隆凹格局更加细致，地质信息更丰富，反映了该区局部构造的特征.重力剩余异常总体上异常组合呈条带状及椭圆状分布，条带状异常轴向多呈北东向延伸，重力高、重力低呈带状相间排列，各个异常之间常常以密集的重力梯级带分隔，局部异常的这种分布特征是区内浅部地质构造的反映.图4 中有几处变化较明显的局部异常.结合已有地质等资料，对章吉营子凹陷有了新认识：该凹陷不是单独个体，还可划分为3 个次级凹陷，中间有凸起相隔；羊山—七道岭一线出现局部重力高异常，由该处形成背斜构造的侏罗系地层较薄引起；二十家子-松岭门一带局部重力低突出，由此处沉积相对较厚的侏罗系地层引起；羊山-根德营子一带存在侵入岩体造成了该处局部重力低.同时，章吉营子与巴图营之间的断凸规模不大，但离沉积中心较近，构造发育利于油气运聚，且形成较好的圈闭，对油气资源勘探具有重要意义.

图4 研究区重力剩余异常图Fig.4 Residual gravity anomaly map of the study area

3 研究区断裂构造特征

3.1 断裂构造研究方法

重力线性异常的识别提取是划分断裂、岩性界限等地质要素的重要依据.目前常用的断裂识别方法主要有垂向导数、解析信号振幅、总水平导数、斜导数、θ图、归一化的垂向导数标准偏差等［22］.本研究采用小子域滤波分别结合水平总梯度模、水平方向导数的方法［21，23］，提取重力场反映的断裂构造信息（图5）.小子域滤波可紧缩重力梯级带，增强线性异常.水平总梯度模和方向导数能较好地确定主次断裂的展布规律，反映不同期次断裂的异常信息.同时结合区内重力剩余场异常、地震剖面、重震综合解译剖面及以往区域地质成果资料，开展断裂特征的综合划分与识别，最终确定研究区内的断裂构造体系.

图5 布格重力线性异常提取结果Fig.5 Extraction of Bouguer gravity linear anomaly

3.2 典型重力剖面综合解译

在研究区内选取7 条重力剖面进行正反演定量拟合确定地质-地球物理模型，以地质、物性、地震、钻井等资料进行约束，最终完成典型剖面的地质解译，为研究本区断裂的性质及空间展布特征提供依据.本文选取研究区中部G4 剖面（位置见图2）解译结果详述，见图6.

图6 G4 剖面综合解译结果图Fig.6 Comprehensive interpretation of G4 section

G4 剖面位于研究区中部，西起孙家湾乡，经巴图营，东至地藏寺西侧，呈北西西向展布.地表地质显示西部大面积被土城子组地层覆盖，中东部大面积出露髫髻山组地层.重力剩余异常曲线清晰地呈现西低东高的特征，中西部重力异常低且较稳定，东部重力异常最高；而航磁剩余异常曲线反映整体为平静磁场，仅在22 km 处为高磁异常，推测为由北侧巴图营与刘龙台间的强磁异常引起的磁异常效应；在重力水平总梯度异常曲线上有多处明显的极值，推测该区域断裂十分发育；地震剖面反射波同相轴清晰，反映出西部地层埋深大，东部地层明显抬升.解译结果显示该剖面呈中西部深东部浅的构造特征，由西部的向斜和东部的背斜组成复式褶皱，而由东向西的F6、F7、F8 等一系列逆断层，使得从向斜核部到背斜核部，地层逐步抬升，由F8 抬升后土城子组地层全部被剥蚀，开始逐步剥蚀髫髻山组.在剖面西部，F3 和F4 背冲的逆断层形成局部凸起，同样使地层明显抬升形成背斜.综上可见，该剖面发育的多条基底逆断层，产状上陡下缓，对地层的空间改造作用明显，使地层出现不同程度的抬升.

3.3 断裂构造特征

研究区断裂分布图（图7）显示，区内断裂十分发育.共识别出主要断裂28 条，主要由北东向、北西向2组断裂组成，这与前人对该区的断裂构架认识一致.区内断裂性质以逆断层为主，平移断层次之，其中逆断层主要呈北东向展布.平移断层主要呈北西向展布，多表现为左行平移性质，部分为右行平移，同时部分兼具张性或者压扭性.断裂活动具多期性和较强的继承性［2］，北东向断裂多被北西向断裂错断成多段，因此，北东向断裂为早期断裂，北西向断裂为后期断裂.区内断裂对沉积尚未起控制作用，主要对金羊盆地的构造形态进行后期的多次改造.北东向断裂相比北西向断裂对盆地的发展影响更大，部分影响了凸起与凹陷的边界，该类断裂有5 条，为F1、F2、F5、F7、F8，其余断裂主要对研究区局部构造或地层沉积起改造作用，该类断裂有23 条.本文主要研究对凹陷起决定作用的断裂.

图7 研究区断裂分布图Fig.7 Distribution of faults in the study area

F1 断裂呈北东向展布于研究区西缘的南部，自北四家子乡，经南双庙乡，终止于孙家湾乡南，倾向北西，产状较陡，为逆冲断层.该断裂切割中生界和前侏罗系地层，F19、F22 等北西向平移断层将其错断为多段.在重力剩余异常上表现为重力高与重力低异常的分界线，重力水平总梯度模（图5b）和135°水平方向导数（图5d）上有较清晰且连续的线性异常.F1 断裂的下盘为沉积较全且较厚的侏罗系地层，而在上盘残余较薄的侏罗系地层.基底浅，西侧有蓟县系、寒武系等地层出露，大面积出露基底地层的区域在构造上位于南天门断裂带，推测F1 断裂可能为南天门断裂带东缘隐伏的次级断裂.

F2 断裂呈北东向展布于研究区西缘的北部，经南八家子乡，倾向北西，产状上陡下缓，为逆冲断层，断距较大，北西向平移断层将其错断为多段.该断裂在重力剩余异常上同样表现为重力高与重力低异常的分界线，重力水平总梯度模（图5b）和135°水平方向导数（图5d）上有较清晰且连续的线性异常，地震资料同样显示该断裂的存在［21］.F2 断裂的下盘为沉积较全且较厚的侏罗系地层，而在上盘残余较薄的侏罗系地层，且基底埋深较浅.西侧有蓟县系、寒武系、石炭-二叠系等地层出露，大面积出露基底地层的区域在构造上位于南天门断裂带，推测F2 断裂也可能为南天门断裂带东缘隐伏的次级断裂.

F5 断裂呈北东向展布于研究区南部，自羊山镇起，倾向南东，产状较陡，为逆冲断层，断距较大，F19、F22、F23 等北西向平移断层将其错断为多段.该断裂在重力剩余异常上表现出西部重力低、东部重力高，重力水平总梯度模（图5b）和135°水平方向导数（图5d）上有较清晰且连续的线性异常.该断裂西侧与F1 断裂对冲形成凹陷，断层逆冲使东侧上盘抬升形成凸起.

F7 和F8 断裂呈北东向平行展布于研究区东缘的北部，自七道岭东开始，经巴图营东到上园镇西，倾向南东，产状较陡，为逆冲断层，F25、F26 等北西向平移断层将其错断为多段.该组断裂处于重力异常梯级带上，西部重力剩余异常低，东部重力剩余异常高，重力水平总梯度模（图5b）和135°水平方向导数（图5d）上有较清晰且连续的线性异常.F7、F8 逆冲断裂带使东部地层抬升，造成髫髻山组地层大面积出露地表，土城子组地层剥蚀严重，为西侧章吉营子凹陷和东侧刘龙台凸起的分界带，推测为金羊盆地东部边缘处的深大断裂带.

有些小的局部构造也非常重要，分布在凹陷或凸起的内部.如研究区西北部呈北东向平行展布的F3、F4 断裂.该组断裂自孙家湾乡开始到章吉营子乡南，皆为逆冲断层，产状较陡，在重力水平总梯度模（图5b）和135°水平方向导数（图5d）中都有清晰且连续的极值线性异常.F3 与F4 逆断层背冲形成局部凸起带，将研究区西部凹陷区分为南北两个凹陷单元.F10 断裂呈北东向展布于研究区东北角，自刘龙台镇开始向北至上园镇，北部延伸出研究区，为一正断层，倾向北西，在北部被F28 平移断层平移为近南北向，断裂在地表出露于北票市上园镇柳黄屯、义县刘龙台乡至凌海市龙千台一带，长35～40 km，沿该断裂带发育有挤压破碎带、断层面、擦痕、断层泥等.F10 断裂使下盘的长城系高于庄组和侏罗系髫髻山组岩石破碎强烈，而在上盘沉积一定范围的白垩系义县组地层，为金羊盆地东缘断裂带的一部分.

4 结论

（1）研究区中生界与基底岩系有明显密度差异，为本文研究的主密度界面.研究区的西部凹陷、中东部凸起和中南部凹陷共同引起重力场的变化，西部凹陷的中生界沉积地层全且厚度较大.研究区重力区域场形态主要反映了测区前中生界底面（基底）西深东浅的空间分布特征.

（2）重力剩余场具高、低相间排列的特征，高低异常间以密集的重力梯级带分隔，反映了研究区凹隆格局及凹隆间发育的断裂.研究区内的章吉营子凹陷还可划分为3 个次级凹陷，同时区内背斜及断凸等构造高点利于油气聚集.

（3）在火山岩覆盖区，重震联合反演可以很好地发挥各方法的优势，互相补充，为研究区的断裂特征及地层展布提供重要的基础资料.

（4）重震资料的综合研究可合理地确定研究区的断裂体系，即主要由北东向和北西向2 组断裂构成.该区断裂主要对金羊盆地的次级构造形态进行后期的多次改造，形成凹、凸相间的构造特征，这对盆地的油气远景评价具有重要意义.