济阳坳陷车镇凹陷构造演化与动力学成因机制*

2022-03-30孙耀庭董立峰刘菲菲石泉清

地质科学 2022年2期

孙耀庭董立峰刘菲菲孟涛张波石泉清

（1.滨州学院建筑工程学院山东滨州 256600；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院山东东营 257015）

渤海湾盆地是中国油气最为富集的盆地之一，但是由于经历了复杂的构造运动，其内部油气成藏条件复杂，勘探程度和认识程度差异巨大（殷秀兰等，2007；徐振中等，2008；李理等，2015；孙耀庭等，2016）。车镇凹陷是渤海湾盆地内济阳坳陷的一个次级凹陷，但由于受到资料、技术、地质等因素的限制，仍处于勘探初—中级阶段。作为窄陡型断陷盆地的代表，车镇凹陷的盆地结构及演化规律具有不同于其他典型断陷盆地的特殊性和复杂性（熊伟，2005），盆地结构的差异性决定了油气成藏的基本条件有所不同，其它地区成功的经验难以借鉴和应用。目前车镇凹陷缺乏系统的构造研究，制约了对沉积和成藏规律的深化认识，所以有必要开展深入系统的构造运动学和动力学研究，明确车镇凹陷的构造演化过程及动力学成因机制，为车镇凹陷沉积储层和成藏研究奠定基础。

1 区域概况

车镇凹陷是济阳坳陷最小的一个次级凹陷，是一个北断南超、近东西向“S”型延伸的箕状陆相断陷盆地，面积约2 390 km2（图1），四周由西向东顺时针方向依次被无棣凸起、庆云凸起、埕子口凸起、义和庄凸起所包围。

图1 车镇凹陷构造位置及构造纲要图Fig.1 Tectonic location and tectonics outline map of Chezhen Sag

车镇凹陷基底为太古界泰山群，NE、NEE及NWW向基底断裂的活动控制了盆地的基本形态（熊伟，2005）。车镇凹陷的基本构造格局是南北分带、东西向分段，自北向南划分为北部陡坡断阶带、中部凹陷带、南部斜坡盆倾断阶带及缓坡带4个二级构造单元。东西方向上可分为车西、车中、车东3段。车东、车西两洼陷的北缘由NWW向的断裂所控制，NW、NE向断裂控制洼陷中的横向凸起。车东为郭局子洼陷，车中为大王北洼陷，车西为车西洼陷。其间均被北东、北西向变换带相隔，洼陷内整体呈现隆洼相间的分布格局。

车镇凹陷地层发育特征同济阳坳陷其他凹陷基本一致，古生界、中生界和新生界发育比较完整（刘朝露等，2007），生烃要素主要集中在新生界古近系沙河街组，烃源岩为沙河街组三段暗色泥岩和油页（泥）岩，油气储层包括古生界潜山、沙四段砂砾岩体、沙三段浊积砂岩和沙二段滩坝等，所以沙河街组是其主要勘探层系。

2 车镇地区构造及演化特征

2.1 构造特征

整体上车镇凹陷的构造格局在断陷期盆地表现为典型的北断南超型的半地堑式盆地结构，北部由埕南断层控制古近系沉积，并向南超覆于南部斜坡带上（戴黎明等，2016；何心月等，2019）。总的来看，古近纪断陷期作为一个一级层序，以沙三下底界面为界，可划分为两个大的构造演化阶段，同时代表着两个不同的构造体制，分别为孔店组—沙四段沉积时期的NW-SE向伸展作用为主的伸展构造体制和沙三—东营组沉积时期的走滑—伸展构造体制。

将不同时期活动的断裂进行分类，并以沙三底界面（T6）对应的时间为界，形成该界面之前活动的断层称为早期活动断层，形成该界面之后开始活动的断层称为晚期活动断层。有些断裂早期活动，中期活动性减弱或不活动，晚期又继承性活动的断层称为长期活动断层。不同构造演化阶段反映的构造格局以及盆地结构均具有较大差异性。

从过车西洼陷和大王北洼陷的两条SN向剖面（图2，图3）可以看出，早期（孔店期—沙四期）NE-NW向埕南断层作为盆地唯一的控盆断层，活动性强，并控制着该时期盆地沉降中心的展布，该断层表现出铲式断层的特点，并在地震上形成较明显的断面波，为典型的伸展型断层。晚期（沙三以后）盆地的沉积和沉降中心发生了迁移，早期控盆边界断层活动减弱，NE向车西断裂带断层活动迅速增强，与盆地中间的与边界断裂倾向相同的次生断裂共同控制着车西洼陷的发育。该时期南部斜坡带发育的断层断面倾角更陡，具有较为典型的走滑—伸展性质，且与斜坡带与边界断裂倾向相同的断裂构成“负花状构造”，共同控制着车西洼陷的发育。大王北洼陷南部斜坡带发育了一条NW向北倾断层，开始作为盆地的主要控制断层，控制了盆地在此时期的发育。从沙一段开始，埕南断层再次活动，走滑—伸展断裂也再次强烈活动，盆地斜坡带的走滑断裂带与盆地北部次生断裂共同控制着盆地的沉积，形成了沉降中心位于洼陷中心的沙一段—东营组沉积，该时期边界断裂主要以侧向走滑作用为主，盆地发生了相当大的沉降。

图2 过车西洼陷地震及地质结构剖面（clxp-L694）Fig.2 Seismic and geological structure section of Chexi Sag（clxp-L694）

图3 过大王北洼陷地震及地质结构剖面（L639）Fig.3 Seismic and geological structure section of Dawangbei Sag（L639）

EW向过庆北洼陷—车西洼陷—大王北洼陷—郭局子洼陷—渤南洼陷的剖面（图4）可以看出，T6界面之下孔店组—沙四段沉积期，盆地沉降中心主要在西部，在西部庆北洼陷和车西洼陷带附近沉积厚度最大。T6界面之上，车西洼陷、大王北洼陷和郭局子洼陷的沉积厚度增大，这表明构造应力场发生了重大的调整，导致盆地的沉积中心发生了迁移。沙一段—东营组沉积时期，有走滑—伸展断裂带的一期强烈活动，导致盆地的沉降幅度较大，并且沉积较为稳定，形成了现今车镇凹陷多洼的特点。

图4 车镇凹陷东西向地震及地质结构剖面（剖面位置见图1）Fig.4 East-west seismic and geological structure section in Chezhen Sag（the location of the profile is shown in Fig.1）

从以上分析可看出，盆地以沙三底界面为界，不论盆地结构还是盆地性质均发生了明显的变化。早期盆地结构半地堑结构，且沉积中心位于北部，盆地类型为以伸展型断裂控制的伸展盆地；晚期盆地沉降中心向南迁移，盆地性质以具有明显走滑性质同时受到区域伸展应力作用影响的断层控制的走滑—伸展型盆地。

2.2 构造演化过程

车镇凹陷新生代构造演化划分为2期5幕，分别为裂陷期和裂后期，其中裂陷期期又划分为4幕，包括伸展Ⅰ幕、伸展Ⅱ幕和走滑—伸展Ⅰ幕、走滑—伸展Ⅱ幕；裂后期为热沉降期。

裂陷期：伸展Ⅰ幕为断陷盆地的初始伸展幕。该幕处于Tr—T7之间的孔店组和沙四下亚段沉积期。

（1）孔店—沙四下亚段沉积期（图5a）：伸展活动开始，埕南断裂控制盆地沉降，伸展量为2.11 km，伸展率为12.50%，伸展系数为1.057，表明构造活动较为强烈。

（2）沙四上亚段沉积期（图5b）：继续沉降，伸展量为0.93 km，伸展率为4.90%，伸展系数为1.018，该时期的构造活动较，盆地范围没有明显扩大。

（3）沙三下亚段沉积期（图5c）：继续沉降，沙三下伸展量为1.59 km，伸展率为7.97%，伸展系数为1.080，该时期的盆地伸展活动较强，盆地扩大。

（4）沙三中亚段沉积期（图5d）：伸展量为1.46 km，伸展率为6.77%，伸展系数为1.068，该时期的盆地伸展活动较强，盆地扩大。

（5）沙三上亚段沉积期（图5e）：继续沉降，伸展量为0.95 km，伸展率为为4.13%，伸展系数为1.041，该时期的盆地伸展活动及较弱，盆地稍稍扩大。

（6）沙二段沉积期（图5f）：盆地继续沉降，伸展量为0.41 km，伸展率为1.72%，伸展系数为1.011，盆地在该时期伸展量同样十分小。

（7）沙一段—东营组沉积期（图5g）：伸展量为4.57 km，伸展率为18.80%，伸展系数为1.188，该时期是盆地扩张最为强烈的时期。

（8）馆陶组沉积期（图5h）：伸展活动基本停止，盆地范围基本不变，这个时期的伸展量为0.08 km，伸展率为0.28%，伸展系数为1.003，构造活动基本停止，断裂基本不控制沉积。

（9）明化镇沉积期至今（图5i）：此时期的伸展量为0.11 km，伸展率为0.38%，伸展系数为1.0038，构造活动基本停止，盆地开始较稳定沉积。

图5 车镇地区南北向构造演化剖面图（剖面位置见图1）Fig.5 North-south seismic and geological structure section in Chezhen Sag（the location of the profile is shown in Fig.1）

综上所述，车镇凹陷属于单条边界断裂控制的铲式断层—半地堑类型盆地，早期伸展作用为主，在边界断裂和早期边界断裂控制之下，盆地发生沉降，在斜坡带亦有个别早期与边界断层同向断层活动，但大部分在沙四之后都停止活动，只有极少的一直活动到馆陶组，一直控制着盆地的沉积。沙三及之后以走滑—伸展作用为主，车镇凹陷发生右旋走滑作用，斜坡带形成一系列平面展布呈弧形的走滑断裂带，倾向与边界断裂相反，并形成阶梯状断阶，这些走滑—伸展断裂带控制着盆地的沉积，并导致盆地沉降中心从早期的靠近边界断裂向南部迁移。

3 车镇凹陷成盆机制分析

前人研究成果表明，太平洋板块对欧亚大陆的俯冲作用以及印度—欧亚大陆的碰撞事件是渤海湾盆地新生代发生构造活动所需动力的最终来源（杨超等，2005；Wu et al.，2009；Dooley and Schreurs，2012；林伟等，2013；Mohajjel and Rasouli，2014；陈树光，2015；叶涛等，2019；符武才等，2021）。车镇凹陷新生代受到郯庐断裂带右旋走滑应力作用，全区处于右行走滑断层控制下，西部边界以及南部靠西的部分边界受自北向南的东北向挤压渐减，南部靠西的部分边界全约束，东部边界以及北部靠东的部分边界受到自北向南逐渐增大的西南向挤压，北部靠西的部分边界全约束。在此基础上，利用构造物理模拟实验开展研究区成盆机制研究。

构造物理模拟在还原盆地形成机制的研究中具有重要作用，盆地形成机制物理模拟主要通过对盆地的地质条件和构造应力等要素的重建，通过改变地质条件和应力机制等参数，得出不同的模拟结果，进而将模拟模型与实际情况对比，分析盆地的形成演化机制。

在对车镇凹陷的研究过程中，首先将模型基底分开成两部分，两部分之间的走向与埕南断裂走向相同，继而通过不同的参数进行了盆地形成机制的物理模拟，通过设置不同的走滑、拉张应力，包括：纯伸展模式、右旋走滑—伸展模式、左旋走滑模式和纯右旋走滑模式。模拟结果如下：

（1）纯伸展应力场

对模型施加NW向伸展作用力，可以发现，盆地发生伸展作用，边界断裂带出现与边界断层走向一致的S型展布的半地堑（图6a），盆地整体发生沉积。但与车镇凹陷相比，缺少斜坡带的断裂系统和洼陷内部的断裂系统。

（2）右旋走滑—伸展应力场

如图6b所示，给模型施加NE向右旋走滑应力和伸展的应力作用，可以发现在断裂的出现两个菱形化的洼陷，可以分别和车镇凹陷的车西洼陷和大王北洼陷相对应。而且在斜坡带上出现了弧状的断裂，对应车镇凹陷斜坡带上展布的NEE和近EW向分布的车西断裂带和车古断裂带。

（3）左旋走滑应力场

通过对车镇凹陷模型施加左旋走滑应力场（图6c），可以看到，在边界断裂附近形成了一个单中心的呈菱形化的规模相当大的洼陷，并且在模型东部NWW向边界断裂附件出现了挤压的现象。这些现象在车镇凹陷都是不存在的。

（4）纯右旋走滑应力场

对车镇凹陷仅仅施加纯右旋走滑的应力场，可以看到，边界断裂的东段和西段控制的洼陷部分都发生了分离反应，边界断裂的中段区域则发生了挤压的作用，出现了挤压褶皱（图6d）。在该应力场下仅有东北区域出现了一个规模较大的洼陷，这种情况，在车镇凹陷同样是不存在的。

通过模拟结果可以发现，右旋走滑—伸展模式无论是在盆地形态还是盆地构造结构方面，都是车镇凹陷实际情况最吻合的模式，说明右旋走滑—伸展是车镇凹陷的形成机制。

4 车镇凹陷构造演化动力学模式

太平洋板块对欧亚大陆的俯冲作用以及印度—欧亚大陆的碰撞事件是渤海湾盆地新生代发生构造活动所需动力的最终来源（邱楠生等，2006；Hibbard and Waldron，2009；杨鑫等，2012；Fossen et al.，2013；Jabaloy et al.，2015；毛黎光等，2020）。根据它们起作用的时间和效应，将渤海湾盆地淹没事件的前后的动力学背景划分为两个阶段：太平洋板块主导的淹没前的纯伸展动力学阶段和印度—欧亚板块碰撞主导的走滑—伸展动力学阶段。

4.1 孔店组—沙四下沉积期动力学特征

从古近纪开始到沙四段时期，太平洋板块以较大速率NNW向向欧亚板块俯冲，上地幔物质热膨胀作用造成局部异常导致地幔上涌；在俯冲岛弧的后缘，地壳减薄伸展，东亚大陆边缘形成了一系列伸展盆地，包括东海盆地、苏北—南黄海—北黄海盆地、渤海湾盆地等，并伴有强烈岩浆活动。

古近纪开始到沙四段时期，车镇凹陷断层发育较少，盆地内发育NE和NW向两组断裂，主要由北部NE-NW向埕南断裂控制了主沉降中心，沉降中心主要分布在车西洼陷和郭局子洼陷，其沉降中心的展布方向为近NE-NW向S型展布。其中，NW断裂可能与郯庐断裂带新生代早期的左旋活动有关。在此时期发育的伸展断裂在剖面上为铲式，并具有明显的断面波，通常伴有生长楔，发育滚动背斜；平面上，形态较为单一，即使有伴生断裂，也均与之平行。总体上来看，受太平洋板块后退式俯冲的影响，该时期的区域应力场为NW-SE向伸展，车镇凹陷为NW-SE向拉伸作用下形成的北断南超的伸展型半地堑盆地。

4.2 沙三下—东营组沉积期动力学特征

到沙四上沉积期，太平洋板块俯冲速率降到最低，且俯冲方向转变成NWW；而此时印度—欧亚板块开始“硬碰撞”，且印度板块不断向欧亚板块内部楔入，导致东亚边缘开始产生右旋的剪切应力场，东亚东部进入右旋走滑—伸展阶段。受此控制，兰聊断裂带和郯庐断裂带等NNE向大断裂整体表现为右旋走滑活动。

从沙三下段沉积开始，受走滑作用的影响，早期的控盆边界断层开始萎缩，内部的次生断层逐渐控制了盆地的沉降中心的展布。盆地内开始发育与郯庐断裂带斜交的R剪切带，NE-NEE向的走滑—伸展断层控制近菱形的沉降中心。这些走滑—伸展断层产状比早期伸展断层略陡直，具有对偶性质的断层成对出现，构成大型负花状构造，且断层附近多发育窄向斜、走滑褶皱等构造，走滑—伸展特征较为典型（图6）。

总之，约44.5 Ma以来，印度板块NNE向向欧亚板块持续挤压导致郯庐断裂带右旋剪切，渤海湾盆地进入走滑—伸展构造阶段，同时深部地幔软流圈向东蠕散，导致太平洋板块后退俯冲，最终导致我国东部盆地整体沉降，形成了区域性的断陷湖盆淹没事件，也是车镇凹陷最终定型阶段。