渤海湾盆地构造成因观点剖析

2000年3月地　球　物　理　学　进　展第15卷　第1期　渤海湾盆地构造成因观点剖析吴兴宁　周建勋(石油大学・北京地球科学系,北京　102200)摘　要:目前有关渤海湾盆地构造形成机制的解释主要有两种:伸展+走滑观点和伸展+拉分观点.这些观点从现有的断层成因模式或应力分析原理出发,强调多种应力方式或多期构造应力场的作用,动力学机制的解释比较复杂.研究表明,盆地边界几何条件(包括裂陷边界几何形态、边界断层的剖面几何形态及性质)和裂陷伸展方向是决定裂陷盆地伸展构造形成特征的关键因素,而砂箱模拟实验是研究裂陷盆地构造形成过程和机制的重要方法.关键词:伸展构造;拉分盆地;走滑断层;裂陷盆地;砂箱实验;渤海湾中图分类号:P545文献标识码:A文章编号:1004-2903(2000)0098-101　引　言渤海湾盆是地位于中国东部的新生代裂陷盆地,包括华北平原北部、渤海海域和下辽河平原3个区域单元,面积约20万km2,发育有几百米至近万米的新生代陆相沉积层,具有丰富的油气资源,是我国东部主要的油气产区之一,同时亦是现代大陆地震比较活跃的区域之一.多年来,我国各部门的地学工作者对这一盆地区的地质-地球物理场特征进行了广泛而深入的研究,并就盆地的形成机制及其动力学过程展开了讨论,如盆地伸展的动力来源及其过程,犁式正断层的成因,基底断块掀斜的动力,断陷向拗陷转化的机制等,提出了许多重要的观点和认识,但是仍有分歧意见值得深入探讨.本文拟对目前有关渤海湾盆地构造成因主要观点作简要介绍和剖析,希望能为进一步的研究提供一些启示.2　渤海湾盆地构造基本格架渤海湾盆地位于华北地区的东北部,是在古生代华北地台基底上发育的中.新生代断陷盆地,至晚第三纪转化为拗陷盆地.盆地东临胶辽隆起区,西接山西隆起区,南北分别被秦岭和燕山褶皱带所围限.其大地构造位置如图1所示.收稿日期:1999年4月22日图1　渤海湾地区构造格架图(据漆家福,1995)11隆起;21盆地中的凸起构造带;31盆地中的凹陷构造带;41盆地之间边界线;51主干伸展断层;61主干走滑断层;71海岸线在平面上,渤海湾盆地主要由翼中、黄骅等8个断陷盆地和沧县、埕宁等隆起相间排列组成,呈现出似菱形的轮廓.根据近年来油气勘探资料及已有大量地质-地球物理场资料,渤海湾盆地具有以下主要构造地质特征:(1)渤海湾盆地四周被深大断裂带所限.东有郯庐断裂带,西有紫荆关及太行山东麓断裂带,北为昌黎-宝坻断裂带,南为广饶-齐河断裂带,这些深大断裂带把整个渤海湾盆地区分割成许多大小不等的断块,从西向东排列的翼中断块、黄骅断块和辽河-渤海-济阳断块是最大一级的断块,而每一断块又被次一级断裂带分割成许多小断块,且由于掀斜活动而多成翘倾状态.这些深大断裂带对盆地的形成和发育,以及盆地的分布和沉积相带等都起着重要的控制作用.(2)渤海湾盆地内断裂系特别发育.根据资料显示主要有四组断裂系统,其中占主体的是一组走向呈北东向和北北东向延伸的基底断裂系,并具有左行雁列的展布形式,其中由各段断裂组成的太行山东麓断裂带,沧东断裂带和聊城-兰考断裂带为最大一级的雁・99・　第15卷　第1期吴兴宁等:渤海湾盆地构造成因观点剖析 列断层,而如翼中拗陷东部由河西务、牛东、任丘、马西、河间、留路、沧西等断层组成的雁列断层则为次一级;同时盆地内还存在着许多走向呈北西向和近东西延伸的断裂系,如翼中拗陷中的七里庄、南王庄和衡水等断层以及黄骅拗陷中的海河和羊三木断层等.(3)渤海湾盆地构造表现为“断陷”-“坳陷”结构,既在8个相对独立的早第三系断陷盆地之上叠覆晚第三系至第四系拗陷盆地.每一个早第三系断陷盆地又包括若干由基底正断层控制的凹陷和凸起,盆地的主边界断层常只在一侧发育,致使盆地在结构上表现为不对称性的萁状或垒堑结构,盆地内的凹陷亦多表现为由旋转平面式、铲式或坡坪式正断层所控制的半地堑结构.(4)渤海湾盆地区地壳具有层状特性,可分为上地壳、中地壳和下地壳.中地壳主要表现为低速高导层,位于15～20km 的范围内.地壳内不同层位的物质明显不同,上地壳主要为花岗岩和片麻岩,中地壳主要为中性角闪岩相,下地壳则为基性麻粒岩相.在构造伸展过程中,在不同物质成分层或不同流变层之间将产生一个低强度带,并且在较高的大地热流情况下,低速带将集中出现在上地壳与中地壳和中地壳与下地壳之间.3　主要成因观点311　伸展+走滑观点这是一种比较普遍的认识,认为渤海湾盆地是在伸展作用的同时叠加了后期走滑构造作用而形成的.但对渤海湾盆地的伸展机制和动力来源仍存在分歧,主要有两种观点:31111　主动裂陷机制马杏垣〔1〕早期根据槽台学说的观点研究了中国东部中、新生代裂陷作用和伸展构造,认为中国东部伸展作用的机制为地幔热作用即软流圈的热脉动,同时考虑到印度板块与亚洲大陆的碰撞以及太平洋的俯冲作用等.陈国达〔2〕根据地洼学说对中国东部新生代伸展盆地进行研究后认为,中国东部拉伸盆地形成于中国华北古地台活化解体所成的地洼区发展的晚期,即后地台造山的主要活动期之后,属于山间构造盆地,这时由于大地热流值相对降低,地壳相对收缩,遂产生或改造旧断层成为众多的张性或张剪性断裂及拉伸性盆地.盆地内北东、北北东向走滑断层系则是由于亚洲东部-太平洋西部岩石圈自新生代以来的应力场的特点所决定,而后者又受控于它下面的地幔应力场.地幔重力差造成地幔蠕动流所产生的右旋剪力托动上伏板块相向运移剪切形成盆地内目前这一走滑断裂组合景观.根据已有大量地质-地球物理场资料及对渤海湾盆地的祥细研究,吴振明、王同和、田在艺、漆家福等〔3-6,10〕认为渤海湾盆地为一新生代主动裂陷盆地.地幔上涌、板块俯冲引起的蠕动为渤海湾盆地的扩展提供拉张力环境,而盆地中存在的一系列北东、北北东向的走滑构造带则是由于库拉-太平洋板块对欧亚大陆的俯冲作用以及印度板块对欧亚大陆的碰撞作用所形成并叠加在伸展构造系统之上且保持自身相对独立性和统一性,同时对伸展构造系统具有一些轻微的改造作用;后期地幔的冷缩、下地壳的韧性颈缩、上地壳的构造滑移和沉积负荷等使渤海湾盆地由断陷盆地转化为统一的拗陷盆地.・001・ 地　球　物　理　学　进　展2000年　对于渤海湾盆地的伸展机制和动力来源,田在艺、漆家福等综合分析大陆岩石圈结构及盆地的构造特征,提出渤海湾盆地岩石圈伸展变形机制为上部以简单剪切伸展变形为主,下部以纯剪切伸展变形为主的“双层分层伸展模式”.在黎式正断层的水平剪切面以上的地壳内,以断裂变形方式为主,岩层的性质主要表现为脆性,地壳的伸展是通过正断层的水平拉开实现的;在拆离面以下的岩石圈部分,变形方式以黏性伸展为主,类似于塑性体在张力作用下拉薄,为岩石圈的黏性减薄作用.上层地壳以简单剪切伸展造成不对称且具有掀斜结构的断块构造系统,它控制着早第三纪断陷盆地的形成和演化;中层地壳构成上层地壳简单剪切伸展的拆离滑脱面;下层地壳及壳下岩石圈则以韧性的纯剪切为主.地幔的热作用是控制渤海湾盆地新生代裂陷作用动力学过程的主要因素,由于渤海湾盆地区的早第三纪裂陷盆地在演化历史上经历了穹窿作用→火山作用→裂陷伸展作用→热沉降作用,说明“主动”裂陷机制在渤海湾裂陷盆地的发展过程中占主导地位,板块间的碰撞和俯冲作用则控制了渤海湾地区深断裂的走滑活动及规律性的构造组合.中生代以来,中国东部大陆东侧的库拉板块及太平洋板块对亚洲大陆的俯冲作用,控制了不同时期的构造分布与盆地演化.印支阶段,在华北地区主要形成一些北东、北北东向的压性褶皱;燕山运动早期,太平洋板块向北扩张及向北移动,推动库拉板块强烈向亚洲大陆边缘消减,本区受北西向挤压应力,形成北东、北北东向压性左旋平移构造;晚白垩世至早第三纪,库拉板块与太平洋板块间的洋脊消减,洋脊附近的热板块以低角度伸入亚洲大陆内部,形成这一时期北东、北北东向的张性构造;晚第三纪,太平洋板块由北北西向运动转为北西西向运动,亚洲东部边缘外洋壳中的北北西向转换断层转变为新的俯冲消减带,中国东部构造性质转为压扭性右旋剪切.上述板块边界作用力传递到盆地内的区域应力场是盆地内断裂发生走滑活动的动力源.而晚白垩世至早第三纪渤海湾盆地构造应力场发生转变的直接地球动力过程主要来自深部地幔穹起.此外,渤海湾盆地由断陷向拗陷的转化,其原因在于深部热动力作用的变化,亦即上地幔及岩石圈热衰减作用是断陷盆地向拗陷盆地转化的主导因素,其实质是由于热散失,岩石圈发生热收缩,上地幔体部分转变为固相岩石圈以及上地幔内矿物相变引起纵向收缩〔4,6,10,20〕.31112　被动裂陷机制胡朝元等〔21〕通过对渤海湾盆地地质结构及岩石圈层结构的研究,特别是通过对渤海湾盆地区莫霍面隆起进行几何图解,认为渤海湾盆地是岩石隆起与裂开的结果,而后者又是由板块活动引起的区域应力场而产生的.即由区域性引张应力场所产生的被动展盆地.根据渤海湾地区凹陷的沉降幅度大致与结晶基底断裂拉开的水平距离相等这一认识,通过对北京-东营经过五凸六凹46条正断层和唐山-潍坊经过五凸六凹30条正断层两条剖面的计算,由断裂拉开的水平距离分别约为57km 和30km ,这与幔隆引起拉张相比相差近20倍.所以渤海湾断陷盆地的形成单纯用幔隆上升、底辟作用进行解释值得商议,渤海湾较低的地隆起,即使再加上地幔柱引起的热膨胀拱起,也不足以导致现今渤海湾盆地的形成,如此大幅度拉开诱发的断陷盆地,不可能在单纯的地幔柱的底辟作用与热膨胀作用中找到真正的形成动力,而只能是岩石隆起与裂开的结果,后者又是由板块活动引起的区域引张应力而产生的.此外,我国许多盆地的实例也说明拉张盆地与地幔隆起间并无必然・101・　第15卷　第1期吴兴宁等:渤海湾盆地构造成因观点剖析 的因果关系,地幔隆起上面并非必然出现水平拉张断陷盆地,如塔里木,四川盆地等.并提出下面适合于中国东部及渤海湾盆地区的地应力模式:印度板块以北东30°向欧亚大陆碰撞,太平洋板块以南西50°方向、菲律宾板块以北西290°方向并以印度板块向北压力之一半朝欧亚大陆俯冲.赵重远、刘池洋等也认为由于渤海湾盆地的形成受前后两期不同性质应力的作用,所以在形成机制上同世界典型的裂谷盆地相比有所不同,为一被动性的裂谷盆地〔8,9〕.首先,渤海湾盆地先是在左旋剪切挤压应力作用下形成复式背斜隆起,后在拉张和右旋剪切应力作用下沿原先的破裂面滑移拉开,生成许多不对称箕状拗陷,使早期盆地形态呈现出严重分割局面,并不象典型裂谷盆地的形成那样先是地壳被拉伸变薄产生拗曲,进而发生引张断陷成盆地;其次,渤海湾盆地的形成并没有经过象典型裂谷盆地那样起源于地幔垫的隆起,最后导致地壳拱张破裂生成裂谷盆地,而目前渤海湾盆地下面的地幔隆起现象可能是后生的,即当华北地区在左旋剪切挤压应力作用下成为一个复式背斜隆起时,由于隆起本身的支撑减小了地壳对地幔的压力,地幔便局部向上拱升,后来当渤海湾盆地沿着先期断裂滑离,地壳因而被拉伸变薄时,地幔便进一步向上隆升;再次,因为渤海湾盆地的中生代基底断裂大部已切穿岩石圈,所以当其拉开时,岩石圈断块会很快具有较自由的边界,从而可较充分地进行均衡调整,并进而达到在均衡作用支配下的全面下沉.在太平洋板块向欧亚大陆俯冲所形成的区域构造应力作用下,渤海湾盆地在由左旋剪切作用生成的中生代构造基础上,经由第三纪的拉张和右旋剪张作用将地壳沿先已存在的断裂拉开,下陷而成.此外,陈发景等〔17〕也认为中国东部中、新生代断陷盆地并非大西洋型主动裂谷,而是与板块俯冲、碰撞作用有关的被动裂谷.312　伸展+拉分观点李鹏举等〔7〕通过对渤海湾盆地构造特征及拉分盆地的研究与比较,认为渤海湾盆地是在早期伸展的背景上叠加了后期的走滑拉分作用而形成的伸展-拉分型复合盆地.渤海湾盆地四周被深大断裂所围限,位于其东西两侧的郯庐断裂带和太行山东麓断裂带对渤海湾盆地的形成和发育都起着非常重要的作用.中生代晚期,由于库拉板块向东亚边缘俯冲带进行了北西向的斜向俯冲,产生一系列北北东向的断裂,俯冲的应力传递导致郯庐断裂及一系列与其近平行的北北东向断裂具有左行平移的性质(徐嘉伟,1980).郯庐断裂带及太行山带(紫荆关断裂、太行山东麓山前断裂)受北西-南东向近水平挤压,断裂带具有压剪性质,表现为左行平移-逆断活动〔19〕,其中郯庐断裂带错距最大可达740公里〔8〕.在接受俯冲挤压作用的同时,中国东部陆壳也普遍经受伸展作用,沿着上述北北东向断裂产生一系列早期断陷,至始新世,太平洋板块由北北东向俯冲转为北西西向俯冲,此间,中国东部陆壳伸展、减薄作用也逐步加强,受北西-南东向近水平拉张和北东-南西向挤压作用,郯庐断裂带呈张剪性质,表现为右行平移-正断活动〔19〕,渤海湾盆地开始呈现出拉分盆地的特征.由于印藏碰撞滑移线效应和日本海扩张所产生的压应力至太行山已大大衰减,所以渤海湾盆地西界太行山东麓断裂的平移特征不明显,但在总体・201・ 地　球　物　理　学　进　展2000年　上渤海湾盆地仍表现为明显的拉分盆地的构造形态特征〔7〕.以上是目前对渤海湾盆地形成机制所提出的两种基本观点.此外,王伟锋等提出区域帚状构造应力场作用的观点,认为渤海湾地区在区域帚状构造应力场的作用下,形成巨型翼鲁帚状构造体系,且其不同级序的构造成分均具有帚状构造体系特征,帚状构造的生成和发展不仅控制了该区的构造格局,而且控制了沉积发育、油气生成和分布(王伟锋,1996).张抗〔16〕提出大陆扩张和蠕散的观点,认为渤海湾盆地的形成不是起因于太平洋板块向大陆的俯冲挤压,而是其向洋的扩张和蠕散,有着“主动的”和独特的构造演化规律.4　讨　论渤海湾盆地是我国东部重要的含油气盆地,盆地具有“N ”形的边界轮廓,内部断层走向变化复杂.盆地北部、西部和南部以N E ～NN E 向断层占优势,盆地中部以近EW 向断层为主导,同时还明显存在NW 向断层组合.根据盆地NN E 向的总体展布特点,目前多数学者比较普遍地支持渤海湾盆地主体NW -SE 向伸展作用形成裂陷盆地的解释(马杏垣等1983,赵重远1984,Hellinger 等1985,陈国达1988,孟庆任等1993,漆家福等1995,李鹏举等1995),但这一观点难以解释其中的近EW 向的和近NW 向的断层组合.于是对于这些难以用NW ～SE 向伸展作用解释的构造组合,同时根据盆地的外形轮廓特点,用右行走滑变形叠加(胡朝元,1982,赵重远,1984,漆家福等,1995)、或拉分作用叠加(李鹏举等,1995)加以解释,这样使得盆地构造的动力学机理分析变得比较复杂,同时也缺乏有力实际资料的支持.首先,盆地内部除了紧邻东侧郯庐断裂带的地震剖面上发现有可靠证据的断层外,其余部位很少发现有可靠证据支持的走滑断层或走滑带〔26〕,目前解释的走滑带多是根据雁列断裂带加以推测,而事实表明走滑带可以形成雁列断层,但雁列断层的成因并非限于走滑变形一种,故它并非是走滑带存在的确凿证据.其次,盆地东侧的郯庐断裂带只是一条中生代的大型左行走滑带,最大走滑量达740km 之多,但其新生代的右行走滑量却很小,仅十公里左右,而盆地西侧边界的紫荆关断裂的右行走滑量更是很小,故两者产生右行走滑拉分对渤海湾盆地的构造形成不会产生比较显著的影响.由于裂陷盆地构造通常具有复杂的平面展布特征和剖面组合形式,导致了地震勘探资料解释、构造几何学研究和运动学机制分析方面具有较大的难度.对于渤海湾盆地这种复杂构造面貌的成因机制,上述学者多是强调是多种应力作用方式、或多期构造应力场作用的结果,未能重视盆地边界几何形态的重要影响作用,这种解释大多是基于断层形成的Anderson 模式、或小变形条件下所获得的岩石变形知识的一种推测,与之有关的实验研究方面的工作很少,动力学机制的解释也不够简洁.自60年代以来开始重视用砂箱实验方法研究裂陷盆地构造的形成过程和机制,而且近年来的研究〔27-32〕表明,盆地边界几何条件(包括裂陷边界几何形态、边界断层的剖面几何形态及性质)和裂陷伸展方向是决定裂陷盆地伸展构造形成特征的关键因素,而不同岩性地层的岩石力学性质差异所起的作用・301・　第15卷　第1期吴兴宁等:渤海湾盆地构造成因观点剖析 十分次要.边界几何条件不仅决定了构造的剖面样式,而且控制构造的平面展布特征,复杂的边界几何条件可以导致裂陷伸展盆地内部复杂的构造变形面貌.图2　膝状刚性边界裂陷均匀伸展砂箱实验模型(a )模型底面装置示意图,(b )模型侧面装置示意图,(c )模型顶面变形面貌,(d )模型侧面变形面貌・401・ 地　球　物　理　学　进　展2000年　根据一些砂箱实验研究结果,有迹象表明渤海湾盆地内部复杂的构造面貌可能与其复杂的边界几何形态有很大关系,同时渤海湾盆地裂陷伸展的方向并非一定就是NW ～SE向〔27-28〕.膝状刚性边界裂陷均匀伸展模型显示(图2),同一伸展变形过程可因盆地伸展边界方向的变化,在裂陷盆地内部形成不同走向的正断层,断层走向随着盆地伸展边界方向的改变而转向,这些不同走向的正断层并非是不同期次构造变形的产物.由此可见,如能深入开展针对渤海湾盆地新生代构造的砂箱实验研究,可望能为其构造成因和动力学机制的深入研究提供更多新的启示和依据.参　考　文　献〔1〕马杏垣等,中国东部中、新生代裂陷作用与伸展构造,地质学报,1983,57(1):22～321〔2〕陈国达,中国东部后地台造山带新生代盆地成因一解,大地构造与成矿学,1988,12(1),1～41〔3〕李德生,渤海湾含油气盆地的地质构造特征与油气分布,李德生石油地质论文集,19921〔4〕田在艺等,渤海湾盆地构造变形分析及其拗陷机制,河北地质学院学报,1991,14(1):1～181〔5〕田在艺等,渤海断陷盆地拉张量分析与油气潜力,石油学报,1990,11(2):1～121〔6〕漆家福等,渤海湾新生代裂陷盆地的伸展模式及其动力学过程,石油实验地质,1995,17(4):316～3231〔7〕李鹏举等,渤海湾盆地东濮凹陷的形成及断裂构造研究,南京大学学报(自然科学),1995,31(1):128～1391〔8〕赵重远,渤海湾盆地的构造格局及其演化,石油学报,1984,5(1):1～181〔9〕刘池洋,渤海湾盆地构造演化及其特点,《西北大学地质系成立四十五周年学术报告会论文集》,19871〔10〕王同和,渤海湾盆地中、新生代应力场的演化与古潜山油气藏的形成,石油与天然气地质,1986,7(3):273～2801〔11〕冯锐等,华北地区地壳构造与地震活动,地质学报,1989,63(2):111～1241〔12〕余钦范,华北地区航磁图象处理结果和地震构造解释,地震地质,1989,11(4):5～141〔13〕孙继源等,华北地区板内构造与深部过程初探,地质科技情报,1992,11(1):4～131〔14〕徐锡伟等,华北及其领区块体转动模式和动力来源,地球科学,1994,19(2):129～1381〔15〕徐杰等,关于我国东部大陆NWW 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