渤海海域的新构造运动特征尤其受到重视, 主要因为渤海新构造运动控制了渤海湾盆地的晚期油气成藏, 具有重要的资源效应, 主要表现为中新统末、上新统与第四系之间及层系内部的不整合、中新世和第四纪沉降、沉积中心的迁移、深大断裂继承性活动、非常发育的晚期断裂活动和背斜圈闭形成、玄武岩喷发、活跃的天然地震等, 以及所导致的油气晚期快速成藏^[1-5]。虽然已有相关文献对该区域晚期构造活动特征进行了研究^[6-8], 但受到地震资料分辨率的限制, 常规多道地震难以对浅部尤其是第四系进行清晰成像, 对主要断裂如郯庐断裂带、张家口-蓬莱断裂、庙西北-黄河口断裂和秦皇岛-旅顺断裂带的晚期活动性认识不足, 对各期次沉积沉降中心迁移、断裂活动与区域构造演化的相互关系的理解仍然不足。

本文试图依据最新的高分辨率单道地震测网, 编制中更新统、晚更新统和全新统厚度图, 结合以往的相关研究, 利用沉积厚度图和断裂特征, 初步探讨渤海中西部海域(120°E以西)新构造运动各时期沉积沉降、断裂活动与区域构造演化之间对应关系, 期望本文成果能够进一步对渤海地区油气有利聚集区勘探、断裂活动可能造成的钻井平台安全性、地震灾害评估和渤海区域的自然灾害防治等方面研究提供参考。在此, 本文沿用龚再生^[9]和徐杰等^[10]的观点, 强调新构造运动影响油气成藏的主要时间段, 为中新世晚期至今的构造运动。

1.   地质概况

渤海湾盆地位于我国华北板块东缘(图 1a), 是在中生界基底之上发育起来的以新生代沉积为主的大型裂陷盆地, 包括陆地和海域两部分, 可以分为东西两个走滑构造带和一个中部拉分构造区(图 1b)。根据地质构造和沉积地层的差异, 渤海海域可分为辽东湾坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷、黄骅坳陷和埕宁坳陷5个一级构造单元, 进一步可划分为35个二级构造单元, 其中凸起13个, 低凸起4个和凹陷18个^{[11, 13-15]}。

图  1  研究区位置(a)、构造概况^[11] (b)及单道地震测网(c)

A1—A19, B1—B9为单道地震测线编号, C1为多道地震测线位置。研究区主要凸起和凹陷分别是: (1)秦南凸起, (2)石臼坨凸起, (3)沙垒田凸起, (4)埕北低凸起, (5)埕宁隆起, (6)渤南低凸起, (7)莱北低凸起, (8) (10)潍北凸起, (9)垦东凸起; Ⅰ渤中凹陷, Ⅱ秦南凹陷, Ⅲ南堡凹陷, Ⅳ歧口凹陷, Ⅴ沙南凹陷, Ⅵ埕北凹陷, Ⅶ黄河口凹陷, Ⅷ莱州湾凹陷, Ⅸ青东凹陷, Ⅹ青东东凹陷^[12]

Figure  1.  (a) The study area, (b) tectonic sketch^[11]and (c) the high resolution single-channel seismic reflection lines

A1-A19, B1-B9indicate single-channel seismic lines, and C1represents a multi-channel seismic reflection line.The main depression-uplift structures include: (1) Qinnan uplift, (2) Shijiutuo uplift, (3) Shaleitian uplift, (4) Chengbeidi uplift, (5) Chengning uplift, (6) Bonandi uplift, (7) Laibeidi uplift, (8) (10) Weibei uplift, (9) Kendong uplift; ⅠBozhong depression, ⅡQinnan depression, ⅢNanbao depression, ⅣQikou depression, ⅤShanan depression, ⅥChengbei depression, ⅦHuanghekou depression, ⅧLaizhou bay depression, ⅨQingdong depression, ⅩQingdongdong depression^[12]

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盆地经历了古新世、始新世至渐新世中期裂陷阶段, 渐新世晚期断拗阶段, 中新世以来的裂后热沉降阶段, 其中包括中新世晚期以来的新构造再活动期(表 1)。在整个新生代构造沉积演化过程中, 沙四—孔店沉积期是盆地形成的初始裂陷期, 此时多为彼此分割的、孤立的规模较小的箕状断陷, 发育干旱性扇体和盐湖沉积; 沙三时期裂陷强烈, 湖水变深, 沿边界大断层发育粗碎屑扇体; 沙一—沙二时期水体变浅, 发育滩坝和粗粒三角洲。东营组东三段沉积时期裂陷活动再次加强, 全区以泥质细粒沉积为主, 东二沉积期浅水三角洲发育, 主要沿凹陷轴向分布, 到东一段时期三角洲平原广布。新近纪馆陶组和明化镇组沉积时期沉积中心逐渐东移, 从北、西、南三个方向向渤中坳陷, 发育特殊的浅水三角洲沉积, 第四纪平原组沉积了一套海相地层^{[6, 16]} (表 1)。

表  1  渤海中西部海域新生代地层序列与构造演化简表^{[6, 16, 17]}

Table  1.  Simplified stratigraphic sequence and structural evolution stages of the western and central Bohai Sea^{[6, 16, 17]}

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2.   地震资料与地震层序

研究区单道地震资料主测线为NW向(320°)、联络测线为NE向(40°), 测网为13km×26km, 共有28条测线, 44处理段(图 1)。单道地震数据有效的地层反射深度不超过0.6s, 主要揭示第四纪沉积地层。以BC-1 (39°9′N, 119°54′E) ^[18]和BH08 (38.28°N, 119.99°E) ^[17]孔为基准(图 1), 进行层位对比和追踪, 自海底向下可依次划分出反射界面SB、S₄、S₃和S₂, 部分浅海地区剖面可见S₁反射界面(表 1)。SB代表海底, 为地震记录上的一组平行、连续强反射同相轴, 随水深变化而略有起伏, 全区分布。S₄表示第四系全新统与上更新统之间的反射地震界面(Q₄底界; ~10ka), 走时深度大约位于海底以下10ms, 为全区不整合接触界面。S₃表示第四系上更新统与中更新统之间的反射地震界面(Q₃底界; ~126ka), 为一全区分布角度不整合界面。S₂表示第四系中更新统与下更新统之间的反射地震界面(Q₂底界; ~0.781Ma), 上下地层呈不整合/假整合接触, S₁表示第四系底界, 亦为下更新统底界(Q或Q₁底界; ~2.6Ma), 上下地层呈不整合接触。新生代地层序列与构造演化如表 1所示。根据以上层位时深转换之后各反射界面的深度进行计算得到全新统、上更新统和中更新统厚度图(图 2—5)。

图  2  渤海中西部海域中更新统(Q₂)厚度图(主要凸起和凹陷名称见图 1)

Figure  2.  The middle Pleistocene (Q₂) isopach map (See Fig. 1 for main depression-uplift structures)

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图  3  渤海中西部海域中更新统至全新统(Q₂、Q₃、Q₄)厚度图(主要凸起和凹陷名称见图 1)

Figure  3.  The middle Pleistocene to Holocene (Q₂, Q₃, Q₄) isopach map (See Fig. 1 for main depression-uplift structures)

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图  4  渤海中西部海域上更新统(Q₃)厚度图(主要凸起和凹陷名称见图 1)

Figure  4.  The upper Pleistocene (Q₃) isopach map (See Fig. 1 for main depression-uplift structures)

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图  5  渤海中西部海域全新统(Q₄)厚度图

(主要凸起和凹陷名称见图 1)

Figure  5.  The Holocene isopach map

(See Fig. 1 for main depression-uplift structures)

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3.   沉积中心迁移与新构造活动特点

3.1   沉降沉积中心迁移特征

始新世—渐新世早期, 沉降沉积中心主要分布在盆地西部和中南部, 渐新世中期普遍接受沉积, 晚期则主要发育于渤海海域及其周围地区。新近纪晚期以来渤中坳陷既是渤海海域新近纪晚期和第四纪的沉降沉积中心, 又是整个渤海湾盆地的沉降沉积中心^[4]。

馆陶组—明化镇组下段有渤中坳陷和歧口凹陷中北部两个沉降沉积中心, 最大厚度分别达2200m和1500m, 是继承于渤海渐新统东营组沉积期的走滑拉分沉降沉积中心; 至明化镇组上段沉积期, 它们的地位发生转换, 歧口凹陷中北部偏厚, 达600~700m, 而渤中坳陷变薄, 只有500~600m。上新世晚期, 渤海海域的沉降格局已不完全受后裂谷期的热控型拗陷沉降控制, 渤西地区此时期沉积厚度最大, 渤中凹陷的沉降中心没有中新世及上新世早期那么明显^{[6, 19]}。

第四系一般厚300~600m, 最厚达800多米, 等厚线总体呈NW向带状分布, 而渤海东部等厚线主要呈NE向带状分布^[7]; 通常在凸起和断阶带上第四系较薄, 而在凹陷内增厚, 反映了其沉积期间构造活动的某种继承性。中更新统等厚度线(图 2)具有NW向特征, 但是以张家口-蓬莱断裂为界, 南部区域厚度较薄, 而北部区域较厚。把中更新统以来的等厚度图(图 3)与第四系等厚度图^[7]对比相减可以看出, 下更新统在张家口-蓬莱断裂以北厚度普遍在150~300m之间, 而以南普遍在250~550m之间。

沉降活动在早更新世和中更新世转变为渤中坳陷以张家口-蓬莱断裂为界的区域性差异沉降为主, 早更新世沉降沉积中心在张家口-蓬莱断裂以南, 中更新世沉降沉积中心则在以北, 沉降沉积中心北移, 并被秦皇岛-旅顺断裂所控制。张家口-蓬莱断裂和秦皇岛-旅顺断裂对沉降沉积中心的控制明显, 但郯庐断裂带的控制作用不太明显, 这表明至少在中更新世以前郯庐断裂带南段已经失去整体活动性。中更新统地层在歧口凹陷中北部仍存在沉降沉积中心, 表明自上新世晚期以来, 歧口凹陷中北部沉降沉积中心的继承性。而东南位置出现了沿黄河口凹陷呈NW走向的沉降带。总体来看, 中更新统(图 2)和中更新统以来地层(图 3)的差异沉降与构造凸起和凹陷的对应性比较复杂。

与中更新统地层厚度相比, 上更新统地层的厚度(图 4)分布变化较大, 表明中更新世末期构造活动发生一定转变。整体厚度主要分布在10~50m之间, 等厚度线整体呈NE向, 以渤中凹陷和黄河口凹陷为沉降沉积中心, 周围变薄, 歧口凹陷中北部沉降中心不明显, 整体沉降中心沿着郯庐西支断裂与庙西北-黄河口断裂分布, 这表明至晚更新世, 差异沉降活动变为区域整体沉降沉积为主。该时期沉降沉积活动与中更新统地层相比继承性较差, 构造凸起和凹陷对其控制也不明显。

全新统地层厚度(图 5)整体主要分布在10~20m之间。其中, 等厚线整体呈NW向, 在张家口-蓬莱断裂和歧口凹陷中南部附近存在薄厚度带, 厚度10m左右。主要沉积中心在3处河流入海口附近, 滦河入海口区域, 海河入海口区域和黄河入海口广大区域, 这说明全新统厚度分布受沉积作用控制明显, 除张家口-蓬莱断裂带, 其余主要断裂带对其控制并不明显。与水深图(图 1)相对比, 全新统地层厚的区域水一般较浅, 而薄的区域水一般较深, 这一定程度上说明了全新世时期的区域均衡沉降特征。

3.2   断裂活动特征

依据最新采集的2D多道地震剖面(图 1, C1)和近乎重合的单道地震剖面(图 1, A11)可以看出, 在渤中凹陷沉积基底发育多处构造凸起(图 6a, 黑色箭头所示), 在馆陶组之下断裂并不密集, 有些断层在此之后便停止活动, 表明中新世晚期构造活动进入相对平静期, 而有些断层尤其位于构造凸起正上方的断层往往切穿基底并直达浅部第四系(图 6b)。馆陶组之上, 断层发育密集呈正花状或负花状并形成褶皱, 与基底凸起(隆起)相对应, 表现出深部对浅部构造活动的控制作用。周围往往发育一些新生断层, 从倾向来看, 这些断层是明显受到主要断裂活动影响而形成的次生新生断层, 同样发育在馆陶组或明化镇组地层以上, 这在图 6a黑框区域尤其明显。

图  6  多道地震剖面C1 (a), 其黄色虚框的放大图(b)和图b中黄色虚框多道地震剖面对应的单道地震剖面A11 (c)

(黄色虚线标示馆陶组与明化镇组的界限, 揭示新构造运动期继承性和新生断裂的结构特征)

Figure  6.  Multi-channel seismic reflection profile C1 (a), enlarged figure (b) of the yellow dotted rectangle and the adjacent single-channel seismic reflection line A11 (c)

(Yellow dashed line represents the boundary of Guantao and Minghuazhen Formations, revealing the newly-generated and inherited faults by neotectonics)

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第四系断层发育继承了馆陶组地层以上的花状断裂系, 断层更加密集。中更新统地层在中更新世晚期遭受了一次强烈剥蚀, 并与上覆晚更新统地层呈角度不整合, 多数断层活动在中更新世晚期停止, 而少数断层在晚更新世仍然活动, 全新世断层活动相对较少。综合来看, 中新世晚期构造平静期之后是该区域新构造活动开始的重要时间窗口, 这直接导致了之前部分断裂活动的停止, 也使部分先期断裂形成新的更加密集的继承性断裂和新生断裂, 而这些断裂活动主要在中更新世晚期停止活动, 以往有些结果与我们这次相似^{[6, 15, 20]}。

3.3   新构造运动差异活动、构造活动迁移与成因机制分析

新近纪时期, 渤海湾盆地进入裂后拗陷阶段, 处于岩石圈热沉降中的弱伸展环境, 正断层活动显著。但是第四纪初期开始, 受喜马拉雅强烈造山运动的影响, 渤海湾区域同时受到西部块体往北东方向挤压和太平洋板块往北西西方向俯冲推挡的作用, 结束了新近纪的弱伸展应力状态, 出现了北东东—东西向水平挤压应力场^[10]。沉积厚度图显示, 在新近纪主要以渤中坳陷为沉降中心的热沉降为主, 此时还处于第二期喜马拉雅造山运动晚期, 构造活动相对平静。上新世至中更新世为第三期喜马拉雅造山运动强烈活动期, 在上述应力场作用下, NE向新生庙西北-黄河口断裂带发育活动并发生右旋剪切平移^[21], 地震剖面揭示沿该断裂带差异沉降不明显(图 6b), 与之共轭的地震剪切破裂带张家口-蓬莱断裂带与秦皇岛-旅顺断裂带沿NW向左旋走滑继承活动, 并由于应力作用, 以此断裂为界, 地层发生显著差异沉降, 即以早期继承新近纪以渤中坳陷为主的热沉降, 逐渐转变为以断裂带控制的沉降沉积过程, 但郯庐断裂南段由于其北北东走向受到区域应力场的抑制而失去整体活动性。在NW向断裂带持续活动影响下, 沉积厚度等值线呈NW走向, 并可能在造山运动最强烈时期, 沉降中心以张家口-蓬莱断裂为界北移, 同时受到活动的NW向秦皇岛-旅顺断裂的控制。地震剖面显示(图 6c), 郯庐西支断裂区域在晚中更新世以前沉积连续较薄, 说明断裂带在此时期受到北东东—东西向水平挤压应力场持续相对缓慢隆升, 但是中上更新统地层呈强烈角度不整合, 且断裂带区域地层已显著沉降, 表明喜马拉雅造山运动在渤海湾区域的影响在中更新世晚期已经大幅度减弱, 挤压应力也显著减弱。因而到晚更新世, 受喜马拉雅造山运动显著影响的张家口-蓬莱断裂继承性活动相对减弱, 以此为界的差异沉降活动变为区域整体沉降沉积为主, 上更新统断层数量也大大减少(图 6c)。全新世到现代, 虽然张家口-蓬莱断裂仍具有显著地震活动, 但构造活动仍进一步相对减弱, 层内活动断层也进一步减少(图 6c), 主要以区域均衡沉降为主。

4.   结论

(1) 计算得到了Q₁—Q₄的厚度分布图, 以张家口-蓬莱断裂为界, 早更新世和中更新世转为以渤中坳陷的区域性差异沉降为主, 早更新世南部断裂沉降较大, 到中更新世北部断裂沉降较大, 沉积中心北移, 等厚度线整体呈NW向, 北部被秦皇岛-旅顺断裂所控制。晚更新世以区域整体沉降沉积为主。全新统等厚线呈NW向, 在张家口-蓬莱断裂和歧口凹陷中南部附近存在薄厚度带, 主要沉积中心在滦河、海河和黄河入海口附近, 以区域均衡沉降为主。

(2) 第四系断层发育继承了馆陶组地层以上的正花状或负花状并形成褶皱, 断层更加密集, 包括主要断裂的继承性断裂和新生断裂。中更新世末期构造活动发生一定转变, 主要断裂带活动减弱, 浅部断裂活动减弱。全新世除张家口-蓬莱断裂带, 其余主要断裂带活动不明显, 并且至少在中更新世以前郯庐断裂带南段已经失去整体活动性。

(3) 新构造运动期研究区显著受到喜马拉雅造山运动的影响, 从岩石圈热沉降中的裂后弱伸展环境转变为北东东—东西向水平挤压应力场, 张家口-蓬莱断裂带与秦皇岛-旅顺断裂带沿NW向左旋走滑继承活动, 发生显著差异沉降, 共轭NE向新生庙西北-黄河口断裂带发育活动并发生右旋剪切平移。郯庐断裂南段由于其北北东走向受到区域应力场的抑制而失去整体活动性。晚更新世和全新世, 区域受喜马拉雅造山运动影响显著减弱, 整体沉降为主, 断层活动强度减弱, 数量也大大减少。张家口-蓬莱断裂在新构造运动期是强烈断裂活动带, 一直持续到现代。