周口坳陷叶鲁断裂带构造特征及其演化

第２４卷　第６期２０１０年１２月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２４　Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１０周口坳陷叶鲁断裂带构造特征及其演化白　桦１，杨明慧１，２，曾　鹏１，王金秀１，黄万国３（１中国石油大学地球科学学院，北京　１０２２４９；２中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京　１０２２４９；３中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一录井分公司，天津　３００４５７）　　收稿日期：２０１００７１０；改回日期：２０１０１０２０；责任编辑：孙义梅。　　基金项目：国家自然科学基金重点项目（９０８１４００５）；中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室开放基金项目（２００８００２）。　　作者简介：白　桦，男，硕士研究生，１９８５年出生，构造地质学专业，主要从事油区构造解析和盆地分析方面的研究工作。Ｅｍａｉｌ：ｂａｉｈｕａ１２８２＠１６３ｃｏｍ。摘要：叶鲁断裂带位于华北克拉通南部，是鲁山－舞阳－阜阳－淮南断裂带的重要组成部分，控制着周口坳陷谭庄、舞阳等凹陷的形成与演化。据钻井、地震剖面解释和平衡剖面分析，在秦岭－大别造山带挤压活动的影响下，叶鲁断裂带在晚侏罗世—早白垩世向ＮＮＥ方向强烈逆冲，主断层面倾角约３７°，伸展率可达－２２ｍ／Ｍａ；晚白垩世—古近纪，周口坳陷处于伸展构造环境，该断裂带发生负反转构造作用。通过三角剪切软件模拟了叶鲁断裂带主断层在周参１２井区的构造演化过程。模拟显示主断层形成时的总滑动量约为６１００ｍ，断层传播量为９１５０ｍ，三角剪切角为１５０°，ｐ／ｓ值为１５。关键词：周口坳陷；叶鲁断裂带；构造特征；构造演化；三角剪切模型中图分类号：ＴＥ１２１２　　　　文献标志码：Ａ　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１０）０６－１０３５－０７ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＦｅａｔｕｒｅｓａｎｄＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＹｅｌｕＦａｕｌｔＢｅｌｔｉｎＺｈｏｕｋｏｕＤｅｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＳｏｕｔｈｅｒｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＢＡＩＨｕａ１，ＹＡＮＧＭｉｎｇｈｕｉ１，２，ＺＥＮＧＰｅｎｇ１，ＷＡＮＧＪｉｎｘｉｕ１，ＨＵＡＮＧＷａｎｇｕｏ３（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；３ＴｈｅＦｉｒｓｔＢｒａｎｃｈＭｕｄＬｏｇｇｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，ＣＮＰＣＢｏｈａｉＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏＬｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４５７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｅｒｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ，ＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆＬｕｓｈａｎＷｕｙａｎｇＦｕｙａｎｇＨｕａｉｎａｎｆａｕｌｔｂｅｌｔ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＴａｎｚｈｕａｎｇＳａｇａｎｄＷｕｙａｎｇＳａｇｉｎＺｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｉｔｗａｓａｆｆｉｒｍｅｄｔｈｒｏｕｇｈｄｒｉｌｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｅｉｓｍｉｃｐｒｏｆｉｌｅｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎａｎｄｂａｌａｎｃｅｄｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＱｉｎｌｉｎｇＤａｂｉｅｏｒｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ，ＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔｓｔｒｏｎｇｌｙｔｈｒｕｓｔｅｄｔｏｗａｒｄｓＮＮＥ，ｗｉｔｈａｂｏｕｔ３７°ｆａｕｌｔｄｉｐａｎｄｆａｕｌｔａｃｔｉｖｉｔｙｒａｔｅｏｆ－２２ｍ／ＭａｄｕｒｉｎｇｔｈｅＬａｔｅＪｕｒａｓｓｉｃａｎｄＥａｒｌｙＣｒｅｔａｃｅｏｕｓ；ｏｃｃｕｒｒｅｄｉｎｔｈｅＬａｔｅＣｒｅｔａｃｅｏｕｓａｎｄＰａｌｅｏｇｅｎｅ，ｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔｗａｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎＺｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ．ＴｈｅｔｒｉｓｈｅａｒｍｏｄｅｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔｎｅａｒｂｙｔｈｅｗｅｌｌＺＣ１２．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅＬａｔｅＪｕｒａｓｓｉｃａｎｄＥａｒｌｙＣｒｅｔａｃｅｏｕｓ，ｆａｕｌｔｓｌｉｐｏｆＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔａｍｏｕｎｔｓｔｏ６，１００ｍ，ａｎｄｆａｕｌｔｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｓ９，１５０ｍａｓｗｅｌｌａｓｐ／ｓｉｓ１５，ｗｉｔｈｔｈｅｔｒｉｓｈｅａｒａｎｇｅｌｏｆ１５０°．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｚｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ；Ｙｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｔｒｉｓｈｅａｒｍｏｄｅｌ０　引　言周口坳陷是华北克拉通南部极具勘探潜力的含油气区；然而，经过３０多年的勘探，目前仍未获得大的突破。究其原因可能与该区构造运动频繁、构造改造强烈有关。前人针对周口坳陷的断裂构造特征已有诸多研究［１－１４］，但在叶鲁断裂带的构造特征和演化过程方面仍存在较大的分歧：如认为：（１）叶鲁断裂带在早白垩世末—古近纪前为逆断层，而在古近纪后转变为正断层［８，１０－１１，１５－１７］；（２）在印支期是指向ＮＥ的逆断层，燕山期发生负反转成为正断层［９］；（３）晚中生代为逆断层，古近纪为正断层［１２］等。而且，对该断裂带的主断层演化也有尚未统一的看法。本文在前人研究基础上，通过钻井资料、地震剖面解释和平衡剖面分析以及三角剪切模拟进一步定量研究叶鲁断裂带及其主断层的构造特征和演化过程。图１　周口坳陷断裂及构造单元划分图（据文献［１３，１５］修改）Ｆｉｇ１　ＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｆａｕｌｔｓｏｆＺｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［１３，１５］）①固厢断裂；②襄郏断裂；③商水断裂；④新站社断裂；⑤叶鲁断裂；⑥娄堤断裂；⑦新桥断裂；⑧太和断裂；⑨射桥断裂１　地质背景周口坳陷是南华北盆地的一部分，位于华北克拉通南部，南邻秦岭－大别造山带，北以太康隆起为界（图１（ａ））。该坳陷构造变形复杂，经历过多期的挤压和伸展作用［１８］，面积约３２６００ｋｍ２。叶鲁断裂带位于周口坳陷的中西部，是华北板块稳定区与南缘活动带的分界线———鲁山－舞阳－阜阳－淮南断裂带的西段。其北侧发育平顶山凸起、谭庄凹陷和沈丘凹陷，南侧为舞阳凹陷和新桥凹陷（图１（ｂ））。周口坳陷发育石炭—二叠系海陆交互相碎屑岩及煤系，中、新生界直接披覆其上，依次发育三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、新近纪和第四纪地层，其间多以不整合关系接触（表１）。２　叶鲁断裂带构造特征叶鲁断裂带整体走向ＮＷＷ，倾向ＳＳＷ，延伸长度＞１２０ｋｍ。该断裂带控制两侧沉积坳陷的构造格局以及上侏罗统—古近系的地层残留和分布范围。２１　几何学特征在舞阳凹陷段，叶鲁断裂带陡倾，主断层面倾向ＳＳＷ，垂直断距达３５００ｍ（图２（ａ））。上盘的上白垩统—古近系厚达３５００ｍ；上侏罗统—下白垩统厚度较小。下盘由于中生代的逆冲推覆作用而抬升剥蚀，缺失侏罗系—古近系，推测其下可能发育石炭—二叠系。在谭庄凹陷段，叶鲁断裂带由一系列上陡下缓的逆冲断层组成（图２（ｂ））。逆冲推覆构造在剖面上呈叠瓦状组合，向南向深部逐渐收敛并归并６３０１现　代　地　质２０１０年　表１　周口坳陷沉积－构造演化表（据文献［１９］略改）Ｔａｂｌｅ１　ＳｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＺｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［１９］）图２　叶鲁断裂带系列地震剖面解释图（测线位置见图１）Ｆｉｇ２　ＡｓｅｒｉｅｓｏｆｓｅｉｓｍｉｃｐｒｏｆｉｌｅｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｓｉｎＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔ（ｌｉｎｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｉｎｇｏｎＦｉｇ１）７３０１　第６期白桦等：周口坳陷叶鲁断裂带构造特征及其演化于７～８ｋｍ深度的基底滑脱面。下盘断层向上撒开，向下收敛、合并于基底的高角度主干断层，呈似负花状构造样式。主断层倾向ＳＳＷ，垂直断距＞２４００ｍ。上盘上白垩统—古近系厚度较小，缺失侏罗系—下白垩统及石炭—二叠系。下盘上侏罗统—下白垩统保存较好，厚度约３０００ｍ；其下可能发育石炭—二叠系。叶鲁断裂带沈丘凹陷段（又称娄堤断裂）在剖面上向上撒开，向下收敛、合并于主断层，呈似负花状构造（图２（ｃ））。主断层倾向ＳＳＷ，垂直断距＞１３００ｍ。上盘发育上侏罗统—古近系，其下可能有石炭—二叠系。下盘上侏罗统—下白垩统保存较完整，厚达２０００ｍ；其下也可能发育石炭—二叠系。该段在剖面上的形态与谭庄凹陷段较为相似。图３　周口坳陷系列构造平衡剖面的伸展率（测线位置见图１）Ｆｉｇ３　ＥｘｔｅｎｓｉｏｎａｌｒａｔｉｏｏｆｂａｌａｎｃｅｄｓｅｒｉａｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆＺｈｏｕｋｏｕｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ（ｌｉｎｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｉｎｇｏｎＦｉｇ１）图４　叶鲁断裂带主断层伸展率（测线位置见图１）Ｆｉｇ４　ＥｘｔｅｎｓｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｕｌｔｓｉｎＹｅｌｕｆａｕｌｔｂｅｌｔ（ｌｉｎｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｉｎｇｏｎＦｉｇ１）２２　运动学特征周口坳陷在晚三叠世的剖面伸展率为－０２％～－０９％；晚侏罗世—早白垩世为－１％～－０２％；晚白垩世—古近纪为３％～１０％；新近纪以来则为０５％～１％（图３）。这与坳陷整体经历了晚三叠世和晚侏罗世—早白垩世的强烈挤压以及晚白垩世—古近纪和新近纪—第四纪的伸展环境有关。从局部地区的伸展率变化分析，叶鲁断裂带存在明显的分段性，如舞阳凹陷段的主断层在晚侏罗世—早白垩世、晚白垩世—古近纪的伸展率分别为－４ｍ／Ｍａ和１７ｍ／Ｍａ；谭庄凹陷段为－２２ｍ／Ｍａ和４ｍ／Ｍａ；而沈丘凹陷段则为－４７ｍ／Ｍａ和１０ｍ／Ｍａ（图４）。而且，主断层演化的一个共同特点是均经历了先逆冲（晚侏罗世—早白垩世）、后伸展（晚白垩世—古近纪、新近纪—第四纪）的典型负反转构造过程。在地质上，叶鲁断裂带主断层分别为舞阳凹陷北缘、谭庄凹陷和沈丘凹陷南缘的控凹断层。在晚侏罗世—早白垩世，谭庄凹陷段主断层的逆冲作用远比舞阳、沈丘凹陷段强烈，上盘侏罗系—下白垩统剥蚀殆尽。逆冲推覆构造和沉积物负载导致下盘局部挠曲，形成不对称的箕状凹陷并沉积巨厚的上侏罗统—下白垩统（图５）。地层厚度沿背离断层的方向逐渐增厚，反映区域性的断裂作用和翘倾断块对盆地充填的控制。周参１２井的构造沉降分析揭示晚侏罗世—早白垩世主断层下盘在谭庄凹陷段存在较大的沉降量［２０］。舞阳凹陷段主断层的断距在晚白垩世—古近纪期间远远大于谭庄、沈丘凹陷段的断距，下盘上白垩统—古近系剥蚀，上盘发育巨厚的上白垩统—古近系。沉降中心位于主断层的上盘一侧，地层厚度沿背离断层的方向逐渐减薄，也反映了断裂带对盆地充填的控制。该期谭庄凹陷段主断层的下盘和沈丘凹陷段的上盘均发育似负花状构造，反映其兼具走滑性质。新近纪以来，断裂活动减弱，逐渐停止。３　三角剪切过程模拟３１　三角剪切模拟原理与方法在三角剪切模型（ｔｒｉｓｈｅａｒｍｏｄｅｌ）中，褶皱核部的剪切区呈三角形，且位于断层传播端的顶部，并随断层传播而向前扩展；断层上盘沿断面方向以一定的速率向前移动，而断层下盘相对静止，地层倾角略有变化（图６）。三角剪切模型包括５个参数，即断坡角（ｒａｍｐａｎｇｅｌ）、滑动量（ｓｌｉｐ）、传播量（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）、传播量与滑动量的比值（ｐ／ｓ）和三