本次研究利用平衡剖面技术, 采用直接测量法进行伸展量计算(图3), 即在垂直伸展构造方向的剖面上, 测量和计算盆地伸展构造的水平伸展量, 在平衡剖面原则约束下, 运用剖面平衡方法(Dahlstrom, 1969; Gibbs, 1983; Allen et al., 1990; Schonborn, 1999)将现今的剖面进行岩石变形和地层伸展变形恢复, 从而得到盆地的水平伸展量。

裂陷盆地的水平伸展量可以用伸展量、伸展率以及伸展系数等参数表示, 假设变形前原始剖面长度为L₀, 经伸展构造变形后剖面长度为L₁, 剖面从长度L₀伸展到长度L₁, 则上述参数的计算公式可以表示如下(漆家福等, 1995a):

I=L1-L0(1)

e=(L1-L0)/L0=I/L0(2)

e=(L1-L0)/L0=I/L0(3)

I为剖面上基底伸展的总量, 称为伸展量或伸长量(km)。e为单位长度的基底伸展量, 称为伸展率(km/km), 常以百分数表示。β 为伸展构造变形前后基底的长度比, 称为伸展系数。当β > 1时, 表示基底伸展; 当β < 1时, 表示基底缩短。e、β 值能反映伸展构造造成基底的相对变形程度。I则是反映伸展构造造成基底伸展的总体规模。在测量 L0i长度时要考虑断层面的剥蚀后退及断层上盘的剥蚀效应, 即以盆地盖层的某界面作为某一时期的原始长度, 但应考虑沉积层的压实伸长或收缩效应。在测量时若沉积层尖灭则应以其相应位置的其他层面代替。

图1

Fig.1

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	图1 黄骅坳陷新生代构造单元划分及构造剖面图① ① 漆家福. 2005. 大港探区第三纪盆地结构科研报告．Fig.1 Tectonic section and structure unit division of the Cenozoic in Huanghua Depression①

黄骅坳陷是由断裂控制的不对称盆地, 主要受NNE向沧东断层的影响, 沧东断层是黄骅坳陷内表现最为明显的向东倾斜的大型铲式正断层。断层发育是该区的最主要构造特征, 断块的水平断距和掀斜、伸展造成了盆地的伸展变形, 伸展正断层和转换断层是坳陷内两种重要的断层类型, 并且两类断层的走向近于垂直。在计算伸展量的过程中, 选择了黄骅坳陷的南、中、北3个区块的22条剖面, 考虑到南区和中、北区新生代伸展方向的不同, 在剖面挑选中, 南区选择的是北西— 南东方向剖面, 北区则是南北方向剖面, 中区具有双向伸展的特征, 因此选择了多个方向的剖面, 具体的剖面号和伸展量计算结果如表1。

从剖面平衡的过程来看, 黄骅坳陷南区从古新统孔店组开始接受沉积, 断裂发育, 构造沉降为沉积物的充填提供了可容空间, 盆地发育进入裂陷阶段, 主要发育沧东断层、徐西断层、黑东断层和埕西断层4条基底断裂, 它们两两相对倾斜, 形成3个主要的新生代凹陷, 南皮凹陷, 沧东凹陷和常庄凹陷, 总体上构成2个不对称地堑式断陷, 呈现北断、南超的结构特征, 为近南北方向伸展, 进入上新世盆地消亡进入整体沉降阶段。盆地演化过程中, 黄骅坳陷南区, 拉开幅度最大的地段是在沧东凹陷与常庄凹陷之间的地带, 可达19.11 km, 向南逐渐变小, 至南皮凹陷地段则只有6.6 km。南部沧东凹陷与常庄凹陷区段伸展率最大达37.26%, 向南减小至17.48%, 甚至更小。

黄骅坳陷中区, 盆地的演化从始新世沙河街组三段沉积时期进入裂陷阶段; 中区南部是由3条SE向倾斜的正断层控制的半地堑系, 其中凹陷西部边界走向NNE向沧东断层的位移相对较大, 另2条走向NE向的北大港断层和南大港断层可看成是它上盘的基底主干断层; 中区北部, NNE向沧东断层上盘的板桥凹陷仍然保持简单的半地堑结构, 而NE向的北大港断层和南大港断层的落差逐渐减小, 并在渤海湾西部海岸线附近被一系列小位移的近SN向, NE向断层复杂化; 歧口凹陷实际上是近SN向沙西断层, NWW— 近EW向和海河— 新港断层和歧东断层控制的复杂断陷, 表现为不对称的地堑结构; 中区主要以歧口凹陷、板桥凹陷、歧北凹陷和歧南凹陷为主, 伸展率在20%~30%之间。

黄骅坳陷北区, 盆地演化从始新世沙河街组三段沉积时期开始进入裂陷阶段, 盆地结构主要受NE向和NW向断层控制, 在剖面上表现为半地堑或地堑断陷结构, NNE— NE向沧东断层沿黄骅坳陷西部边界向北延伸, 与NEE— 近EW向的滦河断层交接, 后者构成了黄骅坳陷的北部边界, 控制沉积物充填。北区西部, 菜淀断层与沧东断层为同向倾斜, 其上盘发育不对称地堑式断陷的北塘凹陷。北区东部, NE向西南庄断层和NW向的柏各庄断层, 高柳断层以及近EW向的沙北断层相向倾斜, 剖面上形成不对称地堑结构的南堡凹陷, 其伸展方向近于南北向, 由北侧的柏各庄凸起至海中隆起, 水平伸展量达10.89 km。

图3

Fig.3

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	图3 直接测量法计算基底伸展量 L0— 原始剖面长度; L1— 变形后剖面长度Fig.3 Calculation of base extension by means of direct measurement

黄骅坳陷的水平伸展量时间上分布不均匀(图 4), 裂陷阶段累积伸展量在0.45~18.24 km, 后裂陷阶段累积伸展量在0.03~5.04 km, 反映裂陷阶段伸展作用强烈, 伸展量总体呈现裂陷阶段累积伸展量大、后裂陷阶段累积伸展量小的特点, 结合表1, 裂陷阶段的孔店期和沙河街期伸展率大, 水平伸展变形最为强烈, 累积伸展量在沧东凹陷与常庄凹陷之间的地带最大。水平伸展运动在裂陷阶段始于南区的古新世孔店期, 到始新世沙河街期在中北区开始伸展变形, 主要伸展作用发生于始新世至渐新世。而后裂陷阶段伸展作用南弱、北强, 累积伸展量在歧口凹陷和南堡凹陷处最大。后裂陷阶段伸展量由南向北增加的趋势说明越向北热作用越强, 热作用的伸展变形在黄骅坳陷的中北区发育, 并且在中北区, 沿海岸线有NNE向深断裂发生右旋走滑位移, 致使盆地中部发育NE向起到封盖作用的断层, 导致后裂陷阶段的伸展作用。黄骅坳陷的水平伸展量在空间上分布不均匀, 伸展量主要是盆地主边界断层伸展位移造成的, 主边界位移较大处的伸展量也相应较大, 其中70%左右分布在沉积凹陷的主边界断层上。

黄骅坳陷新生代累积伸展量曲线分析表明, 新生代盆地演化经历了裂陷阶段和后裂陷阶段(图5)。始新世拉张活动始于南部地区, 例如剖面⑨, 始新世拉张活动最为剧烈, 孔店期, 沧东— 常庄凹陷区段伸展量达到16.06 km, 而渐新世沙河街期与东营期, 伸展量只有2.18 km。沙三段沉积时期至东营期, 黄骅坳陷的强烈拉张活动迁移至中区和北区, 该时期拉张活动在南区急剧衰减。后裂陷阶段馆陶期和明化镇期, 中北部地区仍具有一定的活动性。

图4

Fig.4

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	图4 黄骅坳陷不同剖面不同时期的伸展量Fig.4 Extension amounts from different times and different sections of Huanghua Depression

图5

Fig.5

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	图5 黄骅坳陷新生代累积伸展量曲线Fig.5 Curves showing accumulation extension amount of the Cenozoic in Huanghua Depression

因此, 黄骅坳陷伸展过程经历了古近纪裂陷阶段和新近纪— 第四纪后裂陷阶段2个大的演化阶段。裂陷阶段不同时期裂陷作用强度、地壳裂陷伸展变形方式的差异, 可进一步划分为3个裂陷伸展幕:孔店期, 黄骅坳陷南部发生裂陷为裂陷Ⅰ 幕; 沙三段沉积时期为裂陷Ⅱ 幕, 裂陷作用向黄骅坳陷中北区转移, 黄骅坳陷南区裂陷作用明显减弱; 沙二段和沙一段沉积时期和东营期为裂陷Ⅲ 幕。沙二段和沙一段沉积时期主要在裂陷Ⅱ 幕形成半地堑基础上正断层发生继承性活动, 半地堑内部发育大量调节断层, 而盖层断层组合表现盆地中部NNE向基底断裂发生了右旋走滑位移, 北部的NWW向基底断裂发生左旋走滑位移; 东营期, 裂陷作用中心向黄骅坳陷中区东部转移, 基底断层的伸展位移分散在大量盖层断层之上, 使盆地断陷特征不明显, 大量盖层伸展断层使盆地体现拗陷变形特征, 同时走滑断裂变形更加明显。新近纪— 第四纪盆地整体拗陷, 表明为热沉降形成的挠曲盆地特征, 也可进一步划分为2个后裂陷幕, 馆陶期和明化镇组下段沉积时期为热沉降幕, 明化镇组上段沉积时期和第四纪为加速沉降幕, 区域应力场使新生代裂陷盆地盖层断层沿深断裂带叠加右旋走滑构造变形。

黄骅坳陷的构造变换带具有一定的扭动特点。图1中海河— 新港构造变换带是北区和中区的转换边界, 中区受北东向断裂控制的西断东超的半地堑结构, 北区为近东西向断层控制的北断南超的盆地结构。羊三木构造变换带以南沉积有巨厚孔店组, 是南区孔店期裂陷活动的边界, 而中区缺失孔店组。在渤海湾盆地发展过程中, 实际上存在许多具有变换断层性质的北西— 南东向断层, 起着重要的调节应变和释放应力作用。

黄骅坳陷的构造变换带处于盆地伸展量变化区段, 见图4的剖面、在伸展率变化曲线中明显的低值点, 其伸展量一般小于两侧区段。通过对黄骅坳陷平衡剖面的层长守恒测量, 得到黄骅坳陷新生代伸展率一般在15%~40%之间, 而构造变化带上的剖面所求得伸展量普遍偏低。羊三木构造变换带上的2条剖面和的总伸展量为6.94 km 和4.80 km(表 1), 仅相当于相邻凹陷的一半, 而总伸展率还不到相邻凹陷的一半。区域性构造变换带处于盆地伸展的“ 瓶颈” 部位, 由于变换带本身的扭曲旋转与破裂变形, 可吸收一定量的伸展应变以调节伸展变形守恒, 因此伸展量普遍偏小。

黄骅坳陷内的沉积凹陷不仅在空间上排列有序, 而且随着时间在空间上作有规律性的迁移。黄骅坳陷的水平伸展运动迁移规律是从南部地区向中北部地区转移, 控制着沉降中心的迁移(图 6)。

古新世— 始新世孔店期, 黄骅坳陷南部首先发生裂陷, 形成了一些分割的北东走向的狭长状内陆湖泊, 其中发育始新统孔店组, 该地层在北区不很发育。孔店期的沉降中心靠近沧东断裂, 以沧东、南皮凹陷沉降幅度最大。此外, 还有孔店构造带东侧的常庄凹陷, 这些沉积凹陷均为不对称的箕状凹陷。

渐新世沙河街期, 黄骅坳陷区内普遍发生裂陷, 接受沉积, 沉降中心向北东方向迁移。该期发育的沙河街组在黄骅坳陷中广泛分布, 逐层超覆于下伏的不同时代地层之上。沙三段沉积时期, 沧东断层大规模活动, 导致其上盘的二级构造带和调节断层强烈活动,

图6

Fig.6

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	图6 黄骅坳陷新生代不同阶段沉降中心的迁移 A— 孔店组; B— 沙河街组三段; C— 沙河街组一、二段; D— 东营组Fig.6 Migration of subsidence center in different stages of the Cenozoic in Huanghua Depression

从而控制沉积作用, 形成多个局部的沉降中心。沙一、二段沉积时期, 盆地内各次级沉积凹陷逐渐连通, 沉积范围最大。由于北东向基底断裂和同生断层的活动, 导致地块发生翘倾作用, 沉积凹陷呈北东向带状展布, 在北西方向上凹、凸相间, 在剖面上表现为西北侧厚, 东南侧薄的不对称箕状结构。羊三木断裂以南, 沉积范围比孔店期分布要广泛得多, 但沉积凹陷和基底隆起, 却仍然继承了始新世的构造格局, 在沉降中心部位, 沙河街组的最大厚度可达1100 m。羊三木断裂以北, 在中央凸起带两侧, 发育了4个沉降中心, 分别位于西北侧的板桥凹陷、北塘凹陷及东南侧的歧口凹陷、南堡凹陷。其中, 以歧口凹陷下降幅度最大, 其次为南堡凹陷。在沉降中心部位, 沙河街组厚近3000 m。

渐新世东营期, 沉降中心继续向北东迁移, 至南堡凹陷以及海中隆起北侧, 沉降中心部位向北东向延伸。沉积厚度在北区最大, 中区次之, 南区较薄。

新近纪— 第四纪, 黄骅坳陷的裂谷沉降作用逐步转化为广泛的热沉降作用。黄骅坳陷和华北地区其他坳陷一样, 转入整体热沉降阶段, 形成拗陷盆地。后裂陷阶段热沉降时期, 裂陷阶段强烈的水平拉伸被垂直沉降取代, 在明化镇期, 歧口凹陷加速沉降, 从而形成全区的沉降中心。