Formation period of S-N strike-slip fault in the 428 tectonic belt in the central of Bohai Bay Basin and its adjustment and transformation in the Mesozoic
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摘要: 渤海湾盆地中部428构造带自印支期以来经历了多期次构造运动叠加改造过程，区域内发育了大量的近S-N向与近E-W向褶皱、断层构造，并控制了潜山的形成。然而目前对428构造带的研究仅局限于探索区域内潜山构造成因及其油气圈闭特性，对区域内的断裂系统，尤其是发育的大量近S-N向断裂的形成时期及其后期演化过程中所起到的调控作用尚不明确。鉴于此，为明确其形成时期、探索其对区域构造格局演化模式所产生的影响，基于前人的研究成果，以石臼坨凸起东侧428构造带为主要研究对象，通过对该区域典型的地震剖面进行精确解析，对其展开了系统性的研究。研究结果表明：① 428构造带与石臼坨凸起东侧连接处存在一条近S-N向走滑断裂；② 该走滑断裂的形成最早可追溯至印支期。根据古生界褶皱和薄底构造的分布特征可知，该走滑断裂最初为近E-W向逆冲推覆断裂的侧向断坡；③ 近S-N向走滑断裂阻挡了燕山期NWW向的逆冲推覆作用，从而控制古生界和中生界大量协调褶皱的发育。而近E-W向断裂表现为压扭性质，控制了中生界雁列式褶皱的形成。基于以上认识，认为该近S-N向走滑断裂在印支-燕山期均起到了重要的调控作用，是一个重要的调节转换带。Abstract: The 428 tectonic belt in the central Bohai Bay Basin has undergone superposition of multiple tectonic movements since the Indosinian, and thus a great number of near S-N and near E-W folds and faults have developed and controlled the formation of buried hills in the region. Most studies on the 428 tectonic belt focused on exploring the tectonic origin of buried hills and its hydrocarbon trap characteristics, but less research has been conducted on the faults system in the region, especially the formation period of numerous near S-N faults and the regulation role of faults in the later evolutionary process. We conducted a precise analysis of typical seismic profiles in the 428 tectonic belt, and systematically investigated the period of formation of the folds and faults in the region and their influence on the evolutionary pattern of regional tectonics. Results reveal that: (1) A near S-N strike-slip fault exists at the eastern connection between the 428 tectonic belt and the Shijiutuo uplift; (2) a near S-N strike-slip fault was formed during the Indosinian. According to the distribution of the Paleozoic folds and thin-bottom structures, the location of the slip fault should be the lateral fault slope of the near E-W trending reverse thrust fault; (3) the near S-N strike-slip faults in the area obstructed the reversible thrusting in the NWW direction during the Yanshanian, and controlled the formation of a large number of coordinated folds in the Paleozoic and Mesozoic. Moreover, some near E-W faults display a compressional-torsional nature and controlling formation of en echelon folds in the Mesozoic. Therefore, the near S-N strike-slip faults played an important role in tectonic adjustment and transition in this area during the Indosinian-Yanshanian.
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渤海湾盆地渤中凹陷于中生代经历了印支运动、燕山运动等多期次的构造运动事件[1-14]，形成大量近S-N向、近E-W向的构造变形叠加，其内部发育的大量潜山被认为具有良好的油气成藏条件[15-20]。428构造带作为渤中凹陷内较为典型的潜山构造带，拥有较为独特的构造、沉积演化史[21]，其形成过程与区内发育的大量近S-N向与近E-W向褶皱-断裂系统密切相关[18,20]，且控制了油气圈闭的形成[22-23]。
然而，目前对428构造带部分断裂形成时期及其动力学演化过程缺乏系统性研究，尤其是对区域内发育的近S-N向断裂系统的形成时期及其后期构造调控作用存在一定争议。目前的研究主要有3种观点：第一种观点认为区域内近S-N向断裂为燕山早期左旋压扭作用的产物，并在新生代被继承改造[21]；第二种观点认为428构造带东潜山西侧的近S-N向断裂为燕山早期形成的逆冲断裂，其控制了潜山古生界、中生界的剥蚀[24]；第三种观点则将渤海湾内较为典型的几条近S-N向断裂系统定义为印支晚期出现的走滑断裂，并在燕山期与新生代得以进一步发育[5]。
对此，为明确区域内近S-N向断裂的形成时期，确定其对区域内构造格局塑造产生的影响，本文以428构造带为研究对象，通过对区域内的典型地震剖面进行详细解析，发现428构造带西侧与石臼坨凸起连接处存在一条近S-N向走滑断裂，并重点对该断裂的形成时期及其对后期构造运动的响应进行了讨论，恢复了该断裂体系的构造演化史，并建立了相应的动力学模型。
1. 区域地质背景
渤中凹陷作为渤海湾盆地中最大的一个凹陷，地处渤海海域中部，大体呈NE向展布，其东靠沙垒田凸起、西邻庙西北凸起，南以渤南低凸起为界，北以石臼坨凸起为邻。本文所研究的428构造带便位于渤中凹陷北部边界的石臼坨凸起东部（图1），其大体呈E-W向展布，总面积约100 km2，为典型的环渤中潜山构造带之一[22]。早中生代以来，在印支运动近S-N向的挤压-伸展作用影响下[25-29]，428构造带形成了近E-W向的隆起格局，伴随发育大量近E-W向展布的逆冲断裂，而在随后燕山运动近NW-SE向的挤压-伸展-挤压作用下[25,27,29]，进一步叠加发育近NE-SW向的断裂系统与褶皱隆起带，并最终在其内部形成了东、西两座潜山，使其整体呈现出东西部宽、中部窄，东西部高、中部略低的构造形态特征[21]。
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图 1 428构造带构造位置、构造特征及剖面位置图Figure 1. Tectonic setting and section location of the 428 tectonic belt研究区地层发育情况与整个渤海湾地区地层发育情况相似，根据不同的地质时期由老至新划分为4个主要地层，即太古宙变质花岗岩基底、古生代寒武系-奥陶系海相碳酸盐岩与石炭系-二叠系海陆过渡相沉积层、中生代侏罗系-白垩系陆相火山碎屑沉积层、新生代古近系-新近系河流、湖泊相沉积层[30-33]。其中太古宇变质基底与古生界之间存在较大的沉积间断，形成了不整合接触面，进入中生代以后，受印支期近S-N向挤压-伸展运动影响，区域晚古生界曾遭受广泛剥蚀，与之后沉积的早中生界形成不整合接触，随后燕山期近NW-SE向挤压-伸展-挤压运动则使得早中生界大多遭受剥蚀并形成了层内的不整合接触，而晚中生界则与随后沉积的巨厚新生界之间形成了不整合接触[34]。
基于已有钻井与地震剖面分析可知，不同地层具有不同的地震反射特征。其中太古宇变质基底在地震剖面上主要表现为杂乱反射特征；古生界碳酸盐沉积整体呈低频连续强反射特征；中生界火山碎屑沉积整体呈弱振幅中频断续反射特征[30-31,33]。不同地层之间接触面大多可识别到较为明显的强反射特征。
2. 褶皱-断裂特征分析
通过对428构造带内大量的SE向与NE向地震剖面进行精确解析发现，区域内断裂系统大致可划分为两组：一组位于428构造带南侧与石臼坨凸起南侧的两条走向近E-W向、倾向为南的高角度断裂；另一组为石臼坨凸起与428构造带衔接处的一条走向近S-N向的负花状断裂。
2.1 近S-N向褶皱-断裂几何学、运动学特征
在428构造带西侧与石臼坨凸起衔接处随机截取的自南向北平行排列的一系列SE向地震剖面中（图2）可清晰地识别出一条走向近S-N向断裂（以下简称为石东1号断裂）。
在石东1号断裂的两条SE向地震剖面（图3）中可清晰地识别出该断裂在垂向上自基底向上稳定切穿至中生界，部分切穿至新生界底界，断裂由浅部向深部逐渐收敛于主断裂，形态上表现为负花状构造，为典型的走滑断裂。其次，该走滑断裂东侧发育有厚度较为稳定均一的古生界及中生界，二者均卷入了褶皱变形，且变形相互协调，可推断其褶皱变形时间应为燕山期，而断裂西侧仅识别出太古宇，其上部几乎直接覆盖了新生界，表明断裂西侧地层曾发生相对抬升并遭受了广泛的剥蚀减薄。此外特别值得注意的是，剖面中断裂东侧附近地层未识别出任何遭受逆冲抬升后剥蚀减薄与反转下降的痕迹，即地层未发育薄底构造。
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图 3 428构造带B-B’、C-C’地震剖面图剖面位置见图1。Figure 3. B-B' and C-C' seismic profiles of the 428 tectonic beltSee Fig.1 for profile location.2.2 近E-W向褶皱-断裂几何学、运动学特征
位于石臼坨凸起南侧、428构造带南侧的NE向地震剖面中均可清晰识别出多条走向近E-W向、倾向近S向的高角度断裂（图4中E-E’、F-F’、G-G’、H-H’），断裂由基底向上切穿了中生界且由浅部向深部逐渐收敛于主断裂，断裂倾角多大于60°且由深部向浅部逐渐变大，同时位于高角度断裂上盘的古生界可见明显的挤压变形而形成的褶皱，指示地层曾发生强烈的挤压弯曲变形，断面附近古生界可见明显减薄，即发育典型的薄底构造，表明高角度断裂形成于印支期早期，并在随后发生了反转，为典型的负反转断裂。其次，在上述高角度断裂附近又可识别出走向相同、具花状构造的断裂，其均向上切穿至新生界底界，其中位于428构造带南缘处的该断裂向深层逐渐收敛于高角度断裂（图4中G-G’、H-H’），表明该断裂为高角度断裂的次级断裂，其附近可见中生界发生截断并形成两套透镜体构造，表明该断裂形成于燕山期。此外由其形态特征可判断，该断裂与高角度断裂之间在平面上可能呈现锐夹角关系，其表现出明显的压扭性特征；而位于石臼坨凸起南缘处的该断裂则切穿并改造了高角度断裂并向下延伸至基底中（图4中E-E’、F-F’），表明区域地层于燕山期曾遭受近E-W向的挤压而发生了明显的走滑。
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图 4 428构造带E-E’、F-F’、G-G’、H-H’地震剖面图剖面位置见图1。Figure 4. Seismic profiles E-E', F-F', G-G', and H-H' of the 428 tectonic beltSee Fig.1 for profile location.2.3 近E-W向高角度断裂与近S-N向走滑断裂交切转换处剖面特征
在近E-W向高角度断裂与石东1号断裂可能互相交切的位置截取两条SE向地震剖面（图5）进行精确解析，发现两条剖面中均可识别出上述两组断裂，表明这两组断裂在此处确实存在相互交切关系。高角度断裂上盘古生界及中生界均有所减薄，这表明在原有古生界薄底构造的基础上，中生界亦遭受了逆冲抬升剥蚀与反转下降，即发育典型的双薄底构造，同时二者均发育褶皱变形，但褶皱产状明显不协调，这表明高角度断裂在燕山期也曾发生逆冲抬升，致使断裂上盘地层在原有印支期褶皱基础上再次发生变形，同时中生界接受剥蚀减薄，随后断裂发生了反转。
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图 5 428构造带A-A’、D-D’地震剖面图剖面位置见图1。Figure 5. Seismic profiles A-A', D-D' of the 428 tectonic beltSee Fig.1 for profile location.将这两条SE向剖面与前文中关于石东1号断裂的两条SE向剖面（图3）进行对比后发现，相比石东1号断裂东侧厚度均一且褶皱变形互相协调的古生界与中生界而言，石东1号断裂与其东西两侧高角度断裂相互交切处的古生界与中生界均可见明显的薄底构造与不协调褶皱。由此可推断，出现这种地层“薄底-无薄底-薄底”、褶皱“不协调-协调-不协调”过渡现象的可能原因是石东1号断裂的存在与活动所产生的影响。
2.4 褶皱平面特征
盛世强等[35]通过对428构造带部分地震测井资料中古生界与中生界的高程数据进行计算机网格化与图形可视化处理，获得了区域三维地层模型（图6），该模型可从平面上较好地反映区域古生界与中生界的褶皱分布特征。
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根据三维地层模型可知，428构造带南侧中生界褶皱变形较为明显，褶皱形态多以短轴褶皱为主，枢纽方向多呈近NNE-SSW向，两翼倾角均相对平缓，空间上呈雁列式排布于石东1号断裂东侧，这与前文地震剖面（图3中B-B’、C-C’）中所见的中生界褶皱情况相吻合，表明其为燕山期NWW向挤压作用的结果。428构造带南侧古生界亦可见褶皱变形，其褶皱形态以构造穹窿或短轴褶皱为主，枢纽呈近E-W向与近NNE-SSW向延伸，整体变形相对平缓，其中NNE-SSW向枢纽与中生界褶皱枢纽方向一致，空间上亦呈雁列式排布，结合前文地震剖面（图4中G-G’、H-H’, 图5中A-A’、D-D’）中古生界褶皱情况，推断其为印支期近S-N向挤压作用与燕山期近NWW向挤压作用相互叠加的结果。
此外，对比两套地层褶皱的分布特征后发现，在石东1号断裂附近两套褶皱的变形相互协调，对应了前文石东1号断裂东侧古生界与中生界协调褶皱（图3中B-B’、C-C’），而在近E-W向高角度断裂附近二者变形又存在明显的差异，对应了前文石东1号断裂与近E-W向高角度断裂交切处（图5中A-A’、D-D’）古生界与中生界褶皱间的不协调。这种在不同方向切片中两套地层褶皱变形情况的差异，表明428构造带南侧地层在中生代的挤压改造过程中受到了两组断裂的共同影响。
3. 428构造带动力学模型
以往的研究大多将428构造带内的近S-N向断裂解读为燕山运动早期形成的具压扭性质的走滑断裂或逆冲断裂，并在此基础上建立了相应的动力学模型，但其对地震剖面特征的识别与解释不够精确，从而对断裂的形成时期以及断裂对428构造带所起到的调控作用产生了争议。大多数已有模型的建立，其仅考虑到区域地层的薄底现象，缺乏对褶皱变形特征的分析，尤其是并未对石臼坨凸起与428构造带连接处的近S-N向走滑断裂（石东1号断裂）的形成时期及其调控作用进行研究，因而不能完全反映428构造带的区域演化模式。
对此，本文在前人研究的基础上，通过对研究区内主要褶皱-断裂系统的典型地震剖面进行详细解读与论证后认为：428构造带与石臼坨凸起连接处的近S-N向走滑断裂（石东1号断裂）应形成于印支期，并配合同时期形成的两条近E-W向高角度断裂，共同调节了中生代期间的区域构造演化，导致了前文所提到的区域地层褶皱与薄底构造发育情况的差异。为明确这种调节机制，本文尝试建立起与地震剖面解析结果所对应且相对合理的动力学模型，来解释石东1号断裂形成过程及其在中生代期间对区域构造的调节转换作用。
3.1 中生代印支期
3.1.1 印支早期
印支运动早期，华北东部的渤海湾地区处于近S-N向的强烈挤压应力场中，渤中428构造带在该应力场影响下发育大量的近E-W走向的逆冲断裂系统，断裂上盘古生界发育枢纽近E-W向的宽缓褶皱变形，广泛抬升遭受剥蚀减薄（图7a）。与此同时，该应力场产生的剪切应力导致428构造带西侧形成了一条走向近S-N的走滑断裂（石东1号断裂），该走滑断裂最初作为近E-W向逆冲断裂的侧向断坡，控制了走滑断裂东侧地层整体北移，同时使走滑断裂附近古生界不发育薄底构造（图3），即调节了该时期石臼坨凸起与428构造带之间近S-N向的逆冲推覆作用（图7a）。
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图 7 428构造带印支运动时期构造动力学模式图a: 印支运动早期，b: 印支运动晚期。Figure 7. The Indosinian tectonic dynamic model of the 428 tectonic belta: The early Indosinian, b: the late Indosinian.3.1.2 印支晚期
印支运动晚期，近S-N向应力松弛导致428构造带处于区域伸展环境下，原近E-W向逆冲断层均反转为正断层，断裂上盘下降，上盘残余古生界得以保留，形成典型的薄底构造（图4），而断层下盘则相对抬高成山并接受剥蚀。此时石东1号断裂沿应力伸展方向活动，导致断裂东侧地层（即428构造带南缘逆冲断裂上盘）伸展下沉而相对低于其西侧地层（石臼坨凸起南缘逆冲断裂下盘），该时期428构造带E-W向的构造格局基本确定（图7b）。
3.2 中生代燕山期
3.2.1 燕山早期
燕山运动早期，428构造带处在NWW向的挤压应力场下，受原印支期形成的近E-W向高角度断裂系统影响，区域地层沿高角度断裂发生近E-W向的走滑以及近NWW向的逆冲抬升，其在原高角度断裂基础上发育具压扭性质的次级走滑断裂，并在原有印支期枢纽近E-W向的宽缓褶皱基础上叠加发育大量枢纽近NE-SW向、雁列式排列的宽缓短轴褶皱（图5-6），同时上盘中生界局部形成透镜体构造（图4），并开始遭受剥蚀减薄（图8a）。此时印支期形成的石东1号断裂则配合其西侧（即石臼坨凸起南缘逆冲断裂下盘）的古生界基底，在该时期阻挡了其东侧地层（即428构造带南缘逆冲断裂上盘）向西运动，因而导致石东1号断裂东侧古生界与中生界均遭受近E-W向挤压变形，形成枢纽近S-N向的协调宽缓褶皱（图3、8a）。该时期428构造带在原有近E-W向构造的基础上，形成了近NWW向的压扭性构造叠加。
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图 8 428构造带燕山运动时期构造动力学模式图a: 燕山运动早期，b: 燕山运动中晚期。Figure 8. The Yanshanian tectonic dynamic model of the 428 tectonic belta: The early Yanshanian, b: the middle and late Yanshanian.3.2.2 燕山中晚期
燕山运动中晚期，428构造带处在NWW向的伸展应力场下，燕山早期沿原近E-W向断裂发生走滑与逆冲的地层发生相反方向的伸展与反转，上盘地层沿断面下降，中生界发育薄底构造（图5），并开始接受早白垩世沉积，而断裂下盘则相对隆起成山（图8b）。该时期428构造带潜山构造格局基本形成。
4. 结论
（1）在428构造带与石臼坨凸起的连接处存在一条近S-N向的走滑断裂（石东1号断裂），该断裂的形成最早可追溯至印支期。
（2）石东1号断裂最初以侧向断坡的形式协调了其两侧近E-W向高角度断裂的逆冲作用，导致石臼坨凸起南侧与428构造带南侧的近E-W向高角度断裂南侧附近的古生界发育有薄底构造，而石东1号断裂东侧附近的古生界则未发育薄底构造，并初步塑造了428构造带近E-W向的隆起格局。
（3）石东1号断裂配合隆起的古生界基底，在燕山期阻挡了其东侧地层向西运动，导致该断裂东侧附近的古生界与中生界发育枢纽近S-N向的协调褶皱变形；原印支期近E-W向高角度断裂在该时期转化为侧向断坡，控制了断裂上盘地层发生近E-W向走滑与近NWW向的逆冲，使其中生界剥蚀减薄而发育薄底构造，并在原有印支期枢纽近E-W向褶皱基础上叠加发育枢纽近NE-SW向褶皱，导致了古生界与中生界褶皱产状之间存在明显的不协调。
致谢：本研究使用的地震剖面数据由中海石油天津分公司渤海石油研究院提供，在此表示感谢。
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图 1 428构造带构造位置、构造特征及剖面位置图
Figure 1. Tectonic setting and section location of the 428 tectonic belt
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图 3 428构造带B-B’、C-C’地震剖面图
剖面位置见图1。
Figure 3. B-B' and C-C' seismic profiles of the 428 tectonic belt
See Fig.1 for profile location.
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图 4 428构造带E-E’、F-F’、G-G’、H-H’地震剖面图
剖面位置见图1。
Figure 4. Seismic profiles E-E', F-F', G-G', and H-H' of the 428 tectonic belt
See Fig.1 for profile location.
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图 5 428构造带A-A’、D-D’地震剖面图
剖面位置见图1。
Figure 5. Seismic profiles A-A', D-D' of the 428 tectonic belt
See Fig.1 for profile location.
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图 7 428构造带印支运动时期构造动力学模式图
a: 印支运动早期，b: 印支运动晚期。
Figure 7. The Indosinian tectonic dynamic model of the 428 tectonic belt
a: The early Indosinian, b: the late Indosinian.
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