(一)区域构造位置
松辽盆地位于中国东北部,盆地西部以大兴安岭为界,东北部以小兴安岭为界,东南部与张广才岭接壤,南部与康平—法库的丘陵地带为邻。大地构造位于天山—兴蒙地槽褶皱系的东端,属于吉黑地槽褶皱系,西部为早海西褶皱带和晚海西—印支褶皱带,东北部是加里东增生褶皱带,南邻华北地台北缘加里东增生褶皱带(图1-2)。盆地边界受深断裂控制,西部为嫩江断裂,南部为开源—赤峰断裂,东部为依兰—伊通断裂,北部受塔溪—鸡西断裂控制(谯汉生、方朝亮等,2003)。盆地基底具有拼合特征,基底断裂控制盆地的形成和演化,同时对上覆盖层沉积及构造也起着至关重要的控制作用。
图1-2 松辽盆地区域构造位置示意图
①德尔布于断裂;②松辽盆地西北缘断裂;③温都尔庙—西拉木伦断裂;④赤峰—开源断裂;⑤嫩江断裂;⑥牡丹江断裂;⑦敦化—密山断裂;⑧塔西—鸡西断裂;⑨依兰—伊通断裂。
Ⅰ—海拉尔盆地;Ⅱ—大兴安岭海西早期褶皱带;Ⅲ—内蒙古—吉林海西晚期褶皱带;Ⅳ—青龙—呼兰加里东褶皱带;Ⅴ一张广才岭海西晚期褶皱带;Ⅵ佳木斯地块;Ⅶ—Ⅷ—那哈旦达中岭代生活动陆缘;Ⅸ—松辽盆地
(二)盆地构造演化
松辽盆地发育经历了隆升、断陷、坳陷、萎缩抬升四个阶段,存在早中侏罗世(J1-2yc)、晚侏罗世火石岭组(J3h)—早白垩世营城组(K1yc)、白垩世登娄库组(K1d)—晚白垩世(K2)和新生界Cz四期沉积盆地叠加,其中J3h—K1yc为断陷盆地,K1d—K2为坳陷盆地,Cz为挤压盆地,分别对应了盆地的早、中、晚三个不同时期。四期盆地具有周期性、旋回性和阶段性演化特点,各期盆地具有各自独特的构造风格(谯汉生、方朝亮等,2003)。
松辽地区古生代晚期(—中生代早期)位于华北板块北缘、西伯利亚板块东南缘和佳木斯—布列雅地块西侧的褶皱增生带上。二叠纪晚期至三叠纪早期完成板块闭合形成统一的大陆。经过三叠纪和侏罗纪早期的构造运动,本区构造格架转变成为滨西太平洋构造域的一部分。早中侏罗世,沿晚古生代华北板块北缘造山带造山后松弛性伸展,形成了一系列N EE向中下侏罗统沉积盆地。中侏罗世晚期郯庐断裂带的左行走滑形成了东北地区贯入性的NNE向断裂带及NW 向断裂带。晚侏罗世—早白垩世区域性伸展,华北北部和东北地区形成了一系列NE-NNE向断陷沉积盆地群。早白垩世沙河子期末和营城期末的两次挤压,上侏罗统火石岭组一下白垩统营城组断陷盆地萎缩,结束了第二期沉积盆地的发育历史。从白垩纪登娄库组开始,松辽地区转入整体坳陷沉降,沉降幅度大(7000m以上),构成本区第三期沉积盆地。白垩纪晚期—古近纪—新近纪时期,滨西太平洋构造域区域性挤压反转,结束了白垩纪盆地沉积。早第三受纪太平洋板块北西向斜向俯冲影响,郯庐系左行走滑,中国东部形成了一系列古近纪拉分断陷盆地,即本区第四期沉积盆地。经过新近纪的挤压,松辽盆地整体反转,形成现代盆地的基本面貌。东北地区现代仍处于东西向挤压环境。
晚侏罗世,长期的剥蚀作用使该区地壳岩石变薄,上地幔岩石圈的上隆,地壳张裂,沿裂隙出现大规模的中基性火山喷发,早期的部分冲断层负反转为铲式正断层,形成了火石岭期铲状正断层控制的一系列箕状凹陷火山盆地。
火石岭组是在初始断陷阶段,受NW-SE向挤压,向NE-SW 伸展,形成拉分盆地。地层的分布受控盆断裂的控制,在靠近控盆断裂的一侧,构造活动剧烈,形成大范围的中基性火山岩。在火山间歇期和远离喷发中心的地区,形成了近物源的、以火山碎屑岩为主的辫状扇沉积(任延广等,2004)。
早白垩世沙河子期为火山作用间歇阶段,拉张作用达到高潮,NE-SW 向拉张,NNE向断裂左行走滑,NW 走向的铲状正断层拉分,控制箕状断陷进一步发育,形成NW 走向局限的深拉分断陷。断陷沉降幅度较大,但沉积作用仅局限在箕状断陷中,充填了一套巨厚的碎屑岩沉积。在靠近控盆断裂附近,形成了大范围的湖相沉积,沉积的巨厚暗色泥岩成为松辽盆地深部主要的烃源岩。在沙河子组末期,应力场作用方式变化为NEE-SW W 方向的挤压,松辽盆地反转抬升,形成了NNW 向背斜带与冲断带,以及沙河子组与其上营城组之间的角度不整合(刘为付,2004)。
早白垩世营城组沉积时期,拉张作用逐渐减弱,拉张方向发生改变,盆地开始由断陷阶段向坳陷阶段转化,区域应力场也转化为NNE-SSW 向挤压,SEE-NW W 向拉伸,断陷走向转为NNE向。由于区域应力场的改变,导致盆内火山的剧烈活动,早期是中基性火山岩,后期为中酸性的火山岩。原来的断陷盆地又重新接受沉积。在这个时期,虽然断陷盆地的边界仍受到控盆边界断裂的影响,但是最大沉积中心却在断陷的中心部位。在营城组末期,盆地再次抬升,接受剥蚀,形成了一个区域性的不整合面,至此断陷期结束(任延广等,2004;刘为付,2004)。
从松辽盆地及周缘地区火山岩岩石化学特征来看,晚侏罗世—早白垩世火山岩喷发是处于挤压背景下的张性环境与太平洋板块向亚洲板块之下斜向俯冲作用及其导致的弧后伸展有关。
从登娄库期到嫩江期,松辽盆地表现为稳定沉降,伴随轻微的拉张作用,盆地东部略有抬升,沉积中心由东向西转移,形成大型沉积坳陷,沉积厚度较为稳定,沉积物以中细碎屑岩及泥质岩为主,这个时期是松辽盆地烃源岩的生成期。
青山口时期为松辽盆地坳陷鼎盛期。青山口早期松辽盆地发生强烈伸展运动,全区普遍发育的T2层断层,并伴随如J6井、J65井钻遇的基性—超基性火山岩喷发。
嫩江期以后,盆地逐渐由拉张转变为挤压,嫩江期末松辽盆地范围应力场为SSE—NNW 向挤压,NNE向断裂左行压扭,形成诸如大庆长垣的扭动背斜带和如四家子—农安走滑断裂带。
明水末期,松辽盆地受到近EW 向挤压,松辽盆地整体反转,形成近SN-NNE向大型反转构造带。这一期构造活动是松辽盆地萎缩期最强的一期构造运动。
古近纪末松辽盆地受到SSE-NNW 向的挤压,盆地内NNE向断裂左行走滑,东南隆起区农安—四家子走滑断裂带进一步发育,形成正花状构造。东北隆起区和滨北地区NNE-NE向断裂也发生左行走滑反转。在齐家—古龙坳陷形成一系列由倾伏鼻状构造组成的N EE向背斜带和大量NW 向张扭性断层。
新近纪,松辽盆地主要处于东西轻微的挤压状态,伴随有间歇性轻微的拉张作用,湖盆范围逐渐缩小,沉积物也渐变为以中、粗碎屑岩为主。第四纪湖盆消失,主要为一些河流相沉积。
(三)断陷沉积建造特征
松辽盆地是一个中生代断坳叠合型盆地(图1-3),陆相中生界沉积岩体最大厚度达到8000~10000m。其中断陷层系沉积建造的分布受“多凸多凹”的强分割性断陷构造格局控制,接受了包括中—下侏罗统大庆群、上侏罗统—下白垩统的火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组沉积,最大厚度达到5000~7000m,以陆相碎屑岩,火山岩、火山碎屑岩为主(图1-4),其上披覆的坳陷层系最大厚度达到2000~4000m,包括下白垩统的泉头组、上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组等,以河湖相沉积建造为主。由此,松辽盆地发育断陷、坳陷层系两大超含油气系统。
图1-3 松辽盆地地质剖面(568测线)
(四)基底断裂带分布
松辽盆地主要发育四组方向不同的深大断裂,即:NNE、NE、NW和EW 向(图1-5)。
NNE向的一级断裂带主要有四条,从西往东依次是嫩江断裂带、孙吴—双辽断裂带、哈尔滨—四平断裂带(高瑞祺、蔡希源,1997)。每条一级断裂带又由多条二级断裂带组成。嫩江断裂带由三支平行发育的NNE向基底断裂组成,孙吴—双辽断裂带由四支平行分布的基底断裂组成,哈尔滨—四平断裂带由一系列右行雁列的NE向基底断裂通过NW 向基底断裂交织联络组成。
NNE向断裂带控制盆地的形成、发展,嫩江断裂带控制盆地西界,孙吴—双辽断裂带控制着盆地轴向和盆地一级构造单元分区,哈尔滨—四平断裂带控制着盆地东界的北段和深层东部断陷带。
NW 向一级断裂带从北往南主要有讷河—绥化断裂带、滨州断裂带、扎赉特—古林断裂带、科右前旗—伊通断裂带、突泉—四平断裂带,呈NW 向近等间距平行展布,断裂带之间又分布着几条次级断裂带。
NW 向断裂带一般为壳断裂或基底断裂,切割深,规模大,横向切割盆地使其具南北分块的特点,控制盆地一、二级构造单元南北分界。其中扎赉特—古林断裂带明显错开了NNE向断裂带。在NNE、NE向断裂交切共同控制下,盆地中部沉降最为强烈。
图1-4 松辽盆地沉积建造系列
(据希蔡等源编修,2004)
1—泥岩;2—岩砂;3—砂砾岩;4—不整合.5—假整合.6—整合;7—玄武岩;8—凝灰岩
图1-5 松辽盆地基底断裂分布图
(据高瑞祺、蔡希源,1997)
F1—嫩江断裂带;F2—孙吴—双辽断裂带;F2—哈尔滨—平断裂带;F4—加格达奇—鸡西断裂;F5—讷河—绥化断裂;F6—滨洲断裂;F7—扎赉特—古林断裂;F8—科右前旗—伊通断裂;F9—突泉—四平断裂;F10—扎鲁特—开原裂断;F11—讷莫尔河断裂;F12—哈拉木图裂断;F13—西拉木伦断裂;F14—康平—通榆断裂
NE向一级断裂带以哈拉木图断裂带为代表,它切割较深,控制了深层莺山—庙台子断陷、杏山—莺山坳陷沉降中心和长春岭背斜带的形成。NE向断裂在盆地中部和东部最为发育,控制着东北和东南隆起区二级构造带的形成和展布。
EW 向断裂带分布于盆地南北两端,北部讷莫尔河断裂带和加格达奇—鸡西断裂带控制了盆地北界和北部斜坡的抬升,南部岩石圈断裂、西拉木伦河断裂带、扎鲁特—开原断裂带控制了盆地南部边界和南部隆起。深大断裂的形成,以近EW 向为最早,NE向次之,NNE向和NW 向最晚。平面上NNE、NE向断裂常被NW 向断裂错开,两者呈“X”形网状相交,二者切割使盆地东西分带、南北分块(图15-)。不同级别的断裂对不同级别的地质单元如断陷及盆地的边界和生成发展具有不同控制作用。
(五)深层断陷特征
1.深层构造分布规律
松辽盆地深层是指泉二段以下地层,包括坳陷层序下部(泉头组一、二段和登娄库组)和断陷层序(包括上侏罗统火石岭组和下白垩统沙河子组、营城组)。深层构造主要指T3、T4、T5层界面的构造面貌和T4—T5层之间次级界面特征。
T5反射层,基底与火石岭组分界,即基岩顶面。地震剖面上为强振幅连续(1~2个轴)反射波组,是一削截面,全盆地可连续追踪。T4反射层,营城组与登娄库组分界,是断陷层序顶面。地震剖面上为强振幅连续反射,其下为营城组火山岩反射波组削截面,断陷盆地内可追踪对比,其他区域与T5合并。T3反射层,登娄库组与泉头组分界面,地震剖面上为中强振幅,连续或断续反射轴,局部内可对比。
松辽盆地深层总体具中隆侧坳、隆坳相间的构造格局(谯汉生、方朝亮等,2003)。断陷层序以分隔断陷为主,断陷晚期联合形成北北东向断陷带。断陷层总体构造格架是断陷期形成的,并经历了断陷末期构造运动和盆地坳陷与反转作用的改造。纵向构造具有继承性和差异性,断陷或断陷区沿袭基底构造薄弱带发育;坳陷层序沉积、分布和界面起伏继承断陷(区)、断隆区的发育部位,坳陷早期继承断陷(区)发育部位形成坳陷中心;盆地反转期强烈挤压反转部位也是断陷作用最活跃部位。
高瑞祺,蔡希源等将松辽盆地深层断陷层序划分为5个一级构造单元和30个二级构造单元(图1-6)。主要一级单元特征如下:
中央隆起带:一般基底埋深1000~2000m,走向北东带宽达60km,延伸560km,局部徐家围子断陷深达7000m以上,梨树断陷深达9000m以上,断陷轴向为NE或近SN向,是NW 向断裂和NE向断裂共同作用的结果。中央断隆区由北向南发育有克东凸起、拜泉凸起、明水凸起、青冈凸起、安达—肇州背斜带、朝阳沟—长春岭背斜带、扶余—杨大城子背斜带等,凸起带呈NE向展布。
中部断陷带:南、北段地形较高,基底一般埋深为2000~3500m。中部两亚区一般深为5000~7000m,最深处可达9000m以上。呈一狭长的负地形带,以-5000m线圈闭为一向斜状洼陷。北段有依安东南凸起、大庆北凸起,南段有新安镇凸起、保康南凸起等较大凸起。
东部断陷带:基底一般埋深为1000~3000m,莺山断陷深达6000m以上。由北向南发育有望奎凸起、绥化洼地、肇东—兰西凸起带、莺山断陷带、德惠断陷和怀德镇凸起等一系列凹隆相间的北东向构造带。
西部断陷带和西部斜坡带:主体为东倾斜坡,基底一般埋深为0~500m,多为小型残留断陷或双断、单断构造地堑。四方坨子断陷发育在NE向与NW 向断层交汇处,主体为NW 向,断陷最深处达7500m以上,处在嫩江断裂与扎赉特—古林断裂附近,受N E向与NW 向断层共同控制,NE向断层左行走滑,NW 向断层拉分。
2.深层断陷分布规律
松辽盆地为断坳双层结构,坳陷层系之下共发育有30多个断陷。松辽盆地深层主要控陷断裂为NNE向和NW 向。断陷沿嫩江断裂带,孙吴—双辽断裂带和哈尔滨—四平断裂带发育,构成三条NNE向一级断陷区及若干二级断陷带。在一级断陷区内断陷走向为NNE-NE向。沿断裂带断陷纵向连接或被横向凸起隔开。一级断陷带之间为断隆带,断隆带上断陷较小,发育少。在滨州断裂带与松花江断裂带之间的断隆带上较大的断陷相对发育,为NW 向和NNE向断裂共同控制(谯汉生、方朝亮等,2003)。
(1)断陷剖面结构
松辽盆地单个断陷剖面几何样式可分为两类:箕状断陷和双断地堑式断陷,以前者为主。西断东超的箕状断陷是长垣以东地区断陷的重要特征,如升平—二站、王府、梨树断陷等,靠近基底大断裂的西侧,形成沉降和沉积中心,接受的沉积厚;而东侧在远离大断裂的断块掀斜斜坡上,地层的厚度迅速减薄,这类断陷在长垣东侧占绝对优势。边界断层清楚的断陷都具有这一特征。长垣以西地区的齐家—古龙断陷主要表现为双断式,受孙吴—双辽、齐家—敖古拉—哈拉海断裂带的次级断裂控制。另外,在滨北地区也大量发育箕状断陷和少数双断地堑式断陷。
图1-6 松辽盆地晚侏罗世—早白垩世断陷分布图
(据高瑞祺、蔡希源,1997)
1—陆家堡;2—通榆;3—白城;4—白城东;5—平安镇;6—安广;7—秦东;8—敖古拉;9—齐齐哈尔;10—乌裕尔—林甸;11—依安北;12—讷河东;13—常家围子;14—古龙;15—乾安—两家子;16—长岭;17—哲中;18—甘旗卡;19—金宝屯—康平;20—伏龙泉;21—中和;22—北安—拜泉;23—绥化—青冈;24—徐家围子;25—莺山;26—德惠—榆树;27—梨树—十屋;28—昌图;29—羊草沟;30—营城子
多个断陷的剖面组合样式可分为:同向、背向和相向三种组合类型。多断陷的平面组合样式可分为:侧向联合,纵向联合和纵向转换(断层转换、隆起转换)。
(2)断陷演化模式
断陷演化模式决定于地壳结构、深部地史、先存构造和区域构造背景。松辽盆地深层断陷的演化是多阶段发展与改造交替或相伴进行的,可分为初始开裂、强烈裂陷和改造萎缩等几个过程,各阶段有不同的断陷演化模式。根据松辽盆地的实际情况,断陷的开裂上部地壳基本符合简单剪切模式。断陷发展可划分出:原地加强、向外扩展、向内扩展,反向扩展四种剖面发展模式和侧向联合、纵向联合两种平面扩展模式。断陷改造可划分为掀斜式、断隆式和反转式三种改造模式。
断陷盆地的扩展与加强发育于整个断陷期各断陷阶段,表现为断陷规模的扩大。由于控陷断层的继续活动或向外、向内发展而造成断陷加深、沉积厚度加大,断陷盆地的面积不断变大,常造成多个断陷的横向或纵向联合。原地加强式发育于各断陷阶段的早中期,以单条控陷断层断距加大方式向外扩展。向外扩展式、向内扩展式发育于各断陷发育阶段的中晚期,向外扩展式以控陷断裂向外发展为特征,扩展的结果是断陷的规模不断扩大,造成多个断陷的横向联合;向内扩展式是以控陷断层向内发展为特征,常在大的断陷内出现多个次级断陷。反向扩展是指断陷进一步发展的同时掀斜断块挠曲折断或地层被拉断形成反向断层,断陷向反向扩展加大加深。
断陷的改造可以出现于各断陷阶段的强盛期和萎缩期。掀斜式改造是断陷期随控陷断层断距加大使断块发生掀斜,已沉积地层甚至基底地层被掀斜抬升遭受剥蚀而使断陷被改造,多出现于断陷发育早期或强烈发育阶段;另一种情况也见于断陷萎缩阶段,由于反转挤压造成断块掀斜加大使已沉积地层被剥蚀改造。控陷断层的向内扩展发育也可造成断隆式断陷改造,新生断层活动可造成上升盘早期已沉积地层抬升剥蚀,如徐家围子断陷西缘就存在这一现象。反转式改造是断陷末期在挤压应力作用下断陷内的地层被挤出褶皱抬升而致使断陷被改造,这种情况在松辽盆地较为普遍,如徐家围子断陷在沙河子组末期反转改造使断陷内地层褶皱隆升剥蚀。
(3)松辽盆地深层构造样式
构造样式系指上部地壳基底和沉积盖层中在剖面形态与平面展布具有特定风格的、在应变机制上相互间有着密切成因联系的特定构造组合(吴奇之,1997)。松辽盆地经历了断陷、坳陷伸展和构造收缩反转三个发展过程,形成了断陷层序、坳陷层序和反转层序。构造样式也以伸展构造、反转构造为主,其次为走滑构造及同沉积构造等(谯汉生、方朝亮等,2003)。