中国境内沉积盆地的形成和演化受控于区域大地构造的发展, 其经历了多期构造运动影响, 大部分都是叠合盆地, 具有明显的旋回性和阶段性, 在不同地史阶段具有不同的构造性质和盆地原型。沉积盆地中烃源岩、储集层和圈闭的形成演化以及油气的运移和聚集过程等往往为盆地的形成演化所制约, 不同类型的盆地由于构造沉积环境和演化过程的差异具有不同的油气生、储、运、聚过程。因此, 合理地恢复各构造时期的盆地原型对研究盆地的矿产(包括油气资源)具有重要意义。

原型盆地恢复的任务就是要重塑每一构造期的盆地原型。原型盆地恢复是建立在残留盆地分析基础上的(谭开俊等, 2009), 由于受多期构造运动的影响, 残留盆地的地层大多遭受到不同程度的剥蚀和改造。在原型盆地的恢复过程中, 只有准确恢复各时期的剥蚀厚度, 才能精确恢复原始沉积厚度, 进而确定原型盆地的地层分布范围。但是由于构造运动期次多、运动性质复杂, 使得地层剥蚀厚度恢复十分困难。为解决这一难题, 很多地质工作者从不同的角度进行了深入研究, 对剥蚀厚度的求取方法以及原型盆地的恢复进行了很多有益的探索(李伟, 1996; 于晓菲等, 2009)。但是这些研究仅局限于点的恢复, 大范围的剥蚀量恢复并没有形成精确的定量方法, 整体上恢复精度较低。

临清坳陷东部位于渤海湾盆地的西南收敛端, 经历了印支运动、燕山运动的演化及喜马拉雅运动的强烈改造(蒋有录和熊继辉, 1997), 为一多旋回叠合盆地, 在不同地史阶段具有不同的构造性质和盆地原型, 具有复杂的构造、沉积、埋藏和热演化史, 油气成藏条件非常复杂, 勘探难度很大。许多学者对临清坳陷东部构造特征、油气成藏特征等进行了研究(宋国奇和柳忠泉, 1997; 朱建相和柳忠泉, 1998; 侯读杰等, 1996; 蒋有录和熊继辉, 1997; 徐春华等, 2002; 于岚, 2006), 其成果深化了对临清坳陷东部油气成藏的认识, 有效地指导了研究区的油气勘探。但是, 迄今为止对临清坳陷东部晚侏罗世— 早白垩世(J₃-K₁)的盆地性质及其地层展布特征仍未开展过系统的研究, 从而制约了该区上侏罗统— 下白垩统的油气勘探。在前人研究成果的基础上, 笔者恢复了上侏罗统— 下白垩统的地层剥蚀量和地层原始厚度, 并对这一时期盆地的发育特征进行了初步分析。

临清坳陷东部是指北到吴桥、南到冠县、临清— 武城一线以东的地区, 包括德州— 冠县凹陷、莘县凹陷和高唐— 堂邑凸起3个构造单元, 总面积约为5000 km²(图 1)。临清坳陷总体上地层发育较全, 除区域性缺失的上奥陶统、志留系— 泥盆系和下石炭统外, 其余地层均有分布。自下而上可划分为9个构造层, 分别是∈ -O、C-P、T_1-2、J_1-2、J₃-K₁、Ek-Es₄、Es₃-Es₂、Es₁-Ed、N-Q。研究区内断裂极为发育, 按走向大致可分为两组:夏津— 德参2井北横向变换构造带以北地区走向以NW向或近EW向为主, 以南地区走向主要为NE向。整体呈“ 东西呈带, 南北分块” 的构造格局(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 临清坳陷东部地理位置和构造纲要图Fig.1 Location and tectonic units of eastern Linqing Depression

从临清坳陷东部地区构造演化剖面(图2)来看, 晚侏罗世— 早白垩世研究区边界断层开始活动:除兰聊断层以外, 堂邑西断层的南段和北段、武城— 馆陶东断层以及马陵断层等边界断层也开始活动(图 2, 图3), 性质均为正断层。这些断层的发育明显控制了晚侏罗世— 早白垩世地层的沉积。

图2

Fig.2

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	图2 临清坳陷东部构造演化(剖面位置见图1)Fig.2 Tectonic evolution of eastern Linqing Depression(the section position is shown in Fig.1)

图3

Fig.3

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	图3 临清坳陷东部晚侏罗世— 早白垩世断裂系统图Fig.3 Fault system map of the Late Jurassic-Early Cretaceous in eastern Linqing Depression

晚白垩世, 受太平洋板块向欧亚板块NNW向俯冲的控制(李丕龙等, 2003; 潘元林等, 2003; 吴智平等, 2007; 彭兆蒙等, 2009a; 张善文等, 2009), 整个华北克拉通东部发生了较强的构造变形, 这就是燕山晚期构造运动。该时期临清坳陷东部主要受NW-SE方向挤压应力场控制, 地层遭受了强烈的挤压变形, 晚侏罗世— 早白垩世开始活动的兰聊断层和其他一些边界断层发生了构造反转, 由张性伸展转为挤压逆冲, 同时还形成了一定数量的逆断层(图 2, 图4, 图5)。

图4

Fig.4

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	图4 临清坳陷东部晚白垩世断裂系统图Fig.4 Fault system map of the Late Cretaceous in eastern Linqing Depression

图5

Fig.5

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	图5 临清坳陷东部地震剖面上的反转构造Fig.5 Inverted structure in seismic section in eastern Linqing Depression

进入新生代以后, 太平洋板块开始向欧亚大陆俯冲(李丕龙等, 2003; 潘元林等, 2003; 张善文等, 2009), 拆沉作用在古近纪初期再次发生, 渤海湾地区处于NWW-SEE向拉张应力场中, 整个渤海湾盆地进入大规模的断陷盆地发育阶段; 另一方面, 受印度板块等共同作用, 郯庐断裂带等中国东部大型走滑断裂带由中生代的左旋走滑转为右旋张裂, 渤海湾地区整体受右旋走滑剪切应力场控制, 形成的断层走向以NE向为主。

从古近纪开始, 临清坳陷东部属于渤海湾裂谷盆地的一部分, 表现为大规模拉张断陷, 形成了大量的正断层, 断层走向主要为NE向。晚白垩世发生反转的断层以及该时期新生成的逆断层在古近纪发生了负反转, 同时部分晚侏罗世— 早白垩世形成的正断层也在这一时期重新开始活动。原有的中、古生界构造面貌被改造分割, 莘县、冠县和德州凹陷大幅沉降, 接受了巨厚的陆相碎屑岩沉积。凹陷以及洼陷的展布受断层所控制, 南部地区次级洼陷主要为NE向展布, 北部地区主要为近EW向展布。古近纪末期的东营运动使整个渤海湾地区整体发生隆升, 地层遭受了剥蚀夷平。

进入新近纪之后, 华北东部岩石圈发生了热衰减冷凝沉降及重力均衡作用, 水平拉张应力场消失, 断层垂向运动逐渐趋于停止, 早先的裂谷型盆地演变为大型坳陷型盆地, 大面积分布的新近系及第四系整体不整合覆盖于古近系的裂谷期层序之上。临清坳陷东部地区整体下沉接受沉积。

在原型盆地的恢复过程中, 只有准确恢复各时期的地层剥蚀厚度, 才能精确恢复原始沉积厚度, 进而确定原型盆地的地层分布范围。研究过程中一般能够收集到恢复地层厚度的资料是声波测井资料和地震资料, 然而本次研究中没有采用声波时差来计算剥蚀量, 原因有两个:(1)临清坳陷东部钻井资料较少, 只有8口井钻穿中生界, 缺少控制点; (2)中生界顶面埋深较大, 绝大多数都在2000, m以下, 而根据前人有关整个渤海湾地区上侏罗统— 下白垩统地层剥蚀量的研究结果, 剥蚀量普遍低于2000 m(朱炎铭等, 2001; 周立宏等, 2003; 纪友亮等, 2004, 2006), 剥蚀前泥岩地层的压实效应基本上被后来的沉积地层所改造。因此, 用声波时差法计算该地区中生界剥蚀量受到了限制。

用构造横剖面法可以直观地计算不同构造层的剥蚀量, 它的应用原理是将研究区被剥蚀地层与相邻未被剥蚀的同一套地层进行对比, 遵循厚度递减的原则或采用外推法来获得地层的剥蚀量。这种方法适用于构造发育特征比较明显的区域, 对于存在角度不整合的地区应用效果最好, 而对平行不整合发育地区的剥蚀量计算则受到限制。临清坳陷东部下白垩统和古近系之间为角度不整合接触(图 6, 图7), 根据这一特点, 利用构造横剖面法, 遵循“ 由点到线到面” 的原则, 对上侏罗统— 下白垩统构造层的剥蚀厚度进行了初步计算。分析过程中, 首先选择垂直于构造带走向、并且切割研究区内主要构造单元的典型地震测线进行精细的地震解释; 然后利用时深转换将时间剖面转换成深度剖面, 并对深度剖面进行平衡剖面分析; 当回剥到古近系之前的时候, 在构造剖面图上按地层界面的伸展趋势向外延伸, 勾画出被剥蚀掉的地层界面, 得到剥蚀前的构造剖面图; 最后在构造剖面图上量取地层剥蚀量(图 8)。

图6

Fig.6

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	图6 临清坳陷东部古近系和白垩系之间的角度不整合(NE向)Fig.6 Angular unconformity between the Paleogene and Cretaceous(NE direction) in eastern Linqing Depression

图7

Fig.7

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	图7 临清坳陷东部古近系和白垩系之间的角度不整合(SE向)Fig.7 Angular unconformity between the Paleogene and Cretaceous(SE direction) in eastern Linqing Depression

图8

Fig.8

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	图8 构造横剖面法计算临清坳陷东部上侏罗统— 下白垩统剥蚀厚度示意图Fig.8 Schematic diagram of the Upper Jurassic-Lower Cretaceous denuded thickness calculated by method of structural cross section in eastern Linqing Depression

从剥蚀厚度平面分布图(图 9)可以看出, 受晚白垩世以来多期构造运动的影响, 尤其是燕山晚期构造运动使整个临清坳陷东部上侏罗统— 下白垩统都受到了不同程度的剥蚀, 研究区上侏罗统— 下白垩统剥蚀量变化范围大, 分布在100~1200, m之间, 主要分布区间是200~800, m。研究区存在3个剥蚀量高值区, 分别是堂古1井— 堂古4井— 莘3井附近、韩1井附近和姜1井北部近SN向的条带状剥蚀区, 这3个地区剥蚀量普遍为1000, m左右, 最大可达1200, m, 说明这些地区处于构造相对高部位的时间较长, 导致剥蚀量比其他位置大。结合各时期的断裂系统图(图 4, 图5)和构造演化剖面(图 2)分析, 堂古1井— 堂古4井— 莘3井附近处于高堂— 堂邑凸起的南部, 在晚白垩世— 古近纪处于隆升剥蚀状态, 导致前期沉积的地层遭到强烈剥蚀; 韩1井附近在晚白垩世发育两条NE向的反冲的逆断层(韩井1号和2号断层), 韩1井地区正好位于这两条断层的共同上盘之上, 因此遭受到强烈剥蚀; 姜1井北部的近SN向的条带状剥蚀区正好位于堂邑东断层的北段上盘, 而这条断层在晚白垩世形成, 性质为逆断层, 因此导致这一地区位置较高, 剥蚀量较大。从剥蚀量的整体平面分布规律来看, 南部地区剥蚀量普遍大于北部, 长轴方向大体为NE向, 剥蚀厚度大的区域与小的区域相间分布, 地层剥蚀程度的强弱主要受燕山晚期运动所形成的各种构造的控制, 剥蚀量最大的地区主要分布在晚白垩世所形成的凸起和逆断层的上盘。

图9

Fig.9

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	图9 临清坳陷东部上侏罗统— 下白垩统剥蚀厚度等值线图Fig.9 Denuded thickness isoline map of the Upper Jurassic-Lower Cretaceous in eastern Linqing Depression

晚侏罗世— 早白垩世, 受伊泽奈歧板块向欧亚板块的俯冲及其所引起的拆沉作用的控制, 一方面郯庐断裂发生大规模左旋走滑, 另一方面华北东部岩石圈减薄量达到最大, 渤海湾地区进入大规模断陷盆地发育阶段, 盐山— 歧口— 新港— 兰考— 聊城断裂以及太行山山前断裂也开始活动(李丕龙等, 2003; 潘元林等, 2003; 吴智平等, 2007; 彭兆蒙等, 2009b; 张善文等, 2009)。

晚侏罗世— 早白垩世, 华北东部盆地分布较广, 数量较多, 但多数面积较小。尽管其中许多盆地已遭受后期改造和剥蚀而成为残留盆地, 但总体来看它们一般与正断层伴生发育, 同时在盆地中发现大量的火山沉积岩系(姜慧超等, 2008), 均反映出该时期应为伸展断陷盆地发育阶段。就临清坳陷东部地区而言, 晚侏罗世— 早白垩世除兰聊断层以外, 堂邑西断层的南段和北段、武城— 馆陶东断层以及马陵断层等大的边界断层也开始活动, 这些断层的发育明显控制了上侏罗统— 下白垩统的沉积。其中上侏罗统主要为火山质的河、湖相碎屑岩, 表明这一时期火山活动较为活跃, 并一直持续到早白垩世早期; 早白垩世中、晚期主要发育湖相沉积, 泥岩所占比例增大。从上侏罗统— 下白垩统原始地层厚度图(图 10)可以看出, 临清坳陷东部地区厚度变化大, 分布范围为400~1600, m, 并且存在多个厚度中心。结合这一时期断裂系统图(图 3)可以看出, 厚度中心多在断层的上盘, 例如临12井附近, 地层厚度达1600, m, 位于堂邑西断层南段的上盘, 断层活动控制了地层的沉积。因此晚侏罗世— 早白垩世, 临清坳陷东部地区为一受周围边界断层控制的NNE向展布的拉张断陷型盆地, 沉积了较厚的陆相碎屑岩夹火山岩。

图10

Fig.10

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	图10 临清坳陷东部上侏罗统— 下白垩统原始地层厚度等值线图Fig.10 Original thickness isoline map of the Upper Jurassic-Lower Cretaceous in eastern Linqing Depression

1)临清坳陷东部上侏罗统— 下白垩统地层剥蚀程度的强弱主要受燕山晚期运动所形成的各种构造的控制, 剥蚀量最大的地区主要分布在晚白垩世所形成的凸起和逆断层的上盘。

2)晚侏罗世— 早白垩世, 受伊泽奈歧板块向欧亚板块的俯冲及其所引起的拆沉作用的控制, 临清坳陷东部处于断陷盆地发育阶段。

3)晚侏罗世— 早白垩世, 临清坳陷东部的盆地展布受边界断层控制, 展布方向为NNE向, 沉积了较厚的陆相碎屑岩夹火山岩地层。