曲面型斷層的露頭特征及其地質(zhì)意義

張丹鋒，周進(jìn)峰，王震宇，杜智朋

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.山西省古交市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，山西 太原 030200；4.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

曲面型斷層的露頭特征及其地質(zhì)意義

張丹鋒1，周進(jìn)峰2，王震宇3，杜智朋4

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.山西省古交市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，山西 太原 030200；4.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

曲面型斷層與平面型斷層相比，發(fā)育特征和形成機(jī)理更加復(fù)雜，與盆地形成演化的關(guān)系更加密切，且構(gòu)造樣式更易于礦產(chǎn)的富集，對(duì)其開(kāi)展研究顯得更為重要。以新泰-垛莊大斷裂為例，通過(guò)詳盡的露頭定性定量地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，得出斷層兩盤(pán)的巖性、產(chǎn)狀以及斷層面的擦痕、產(chǎn)狀、運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)等是揭示曲面型斷層發(fā)育特征的幾大要素。斷層控制盆地的性質(zhì)、形成演化以及現(xiàn)今格局，與此同時(shí)，受到盆地沉積—?jiǎng)兾g旋回和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，造成斷層曲面的形成。研究結(jié)果表明，在相互影響和相互作用的過(guò)程中，斷層曲面形成圈閉，易于油氣等流體礦產(chǎn)成藏；同時(shí)盆地沉陷中心的遷移造成煤等固體礦產(chǎn)的富集。

曲面型斷層；野外露頭；地質(zhì)意義；新泰-垛莊大斷裂

盆地的發(fā)育與周緣大斷裂性質(zhì)及發(fā)育有密切關(guān)系，有的大斷裂活動(dòng)甚至對(duì)盆地的形成起控制作用，而且不同特征的斷裂對(duì)盆地的影響因素也各不相同，從而引發(fā)眾多學(xué)者對(duì)各種斷裂及盆地構(gòu)造進(jìn)行研究與討論［1-6］。目前，較多研究者通常將斷層簡(jiǎn)化為平面型［7-9］，本文述及的曲面型斷層是斷層復(fù)雜化的形式，是由于構(gòu)造作用力的不均衡或者變化使得產(chǎn)生位移的斷層面彎曲不平或有起伏而形成的斷裂，這與眾多學(xué)者研究的空隙帶、閉合帶［10-11］以及斷層空腔［12］等屬于同一成因。其對(duì)于沉積的控制作用及盆地發(fā)育的影響與平面型斷層不同，有些情況下更易于煤或者石油等礦產(chǎn)的富集、保存［13］。本文以山東新汶盆地周緣發(fā)育的新泰-垛莊（蓮花山）大斷裂（以下簡(jiǎn)稱新垛大斷裂）為例，通過(guò)詳細(xì)地野外露頭考察，以及定性、定量的地質(zhì)數(shù)據(jù)證明其對(duì)新汶盆地的形成、演化以及地質(zhì)礦產(chǎn)富集具有重要控制作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

新汶盆地位于山東省新泰市境內(nèi)，北以榆山、西西周水庫(kù)一線為界，南抵劉杜、南流泉、馬頭莊、盤(pán)車溝一線，最寬處為17.5 km，西鄰?fù)敫G頭，東至東住佛，長(zhǎng)約30 km，面積達(dá)400 km2，為小型新生代陸相盆地，地層只在南北山區(qū)出露良好。

盆地基底為太古界泰山群，以片麻巖為主，夾少許片巖、千枚巖等。據(jù)同位素年齡測(cè)定，泰山群形成于25～30億年前的太古代［14］。巖石經(jīng)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)已強(qiáng)烈變質(zhì)，由于長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕作用，地勢(shì)已變得低洼不平。盆地蓋層主要為下古生代以來(lái)沉積的地層。

在全國(guó)斷塊構(gòu)造中，新汶盆地屬華北斷塊區(qū)、膠遼斷塊，稱為“新汶單斷凹陷”［15］。由于兩個(gè)地質(zhì)體相背運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生一個(gè)拉張沉陷帶［16］，所以新汶盆地有可能是由于斷裂中兩盤(pán)相悖運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的凹陷。從大地構(gòu)造上看，其特征表現(xiàn)為北斷南超，凹陷內(nèi)部向斜不對(duì)稱，北翼被新垛大斷裂切割破壞，故為單斷凹陷。

盆地最大一級(jí)的斷裂即為新垛大斷裂 （見(jiàn)圖1），它的活動(dòng)和演變控制著新汶盆地的形成和發(fā)展。二級(jí)斷裂如羊流店斷層、東都-馬頭莊斷層等屬蓋層斷裂，構(gòu)成盆地發(fā)展的邊界；較小的斷裂為一般斷層，如程家樓斷層、山石村-碗窯頭斷層等，規(guī)模較小，也屬于蓋層斷裂，它們受較大級(jí)斷裂的控制和影響。這些中小型斷裂主要為NE—SW走向，且絕大部分為正斷層。它們切割了新垛大斷裂，將其錯(cuò)斷。在新汶盆地南部，可見(jiàn)小規(guī)模的、孤立的、軸向不明顯的褶皺構(gòu)造。

圖1 新汶盆地周緣及內(nèi)部斷裂分布

新垛大斷裂呈弧形分布于新泰、垛莊一帶，中間由于后期斷裂切割而使其錯(cuò)斷，大致以新泰為轉(zhuǎn)折可分為2段：以東的一段為NW—SE走向，以西的已向E—W方向偏，全長(zhǎng)約280 km。斷裂切穿基底太古界泰山群地層，屬地殼斷裂。由于其切割深度大，常常稱作深斷裂。

2 野外露頭特征

新垛大斷裂在西西周水庫(kù)至榆山一帶出露較好，露頭上表現(xiàn)為一條寬近200 m破碎、風(fēng)化嚴(yán)重的地帶。因?yàn)閿鄬訋б灼扑椤L(fēng)化快、被泥土充填，因而露頭呈現(xiàn)為一條被泥土掩蓋的地帶，即斷裂帶。斷層面在榆山東南方展布裸露成高8～10 m的斷層崖，實(shí)測(cè)產(chǎn)狀為走向 NW315°、傾向 SW225°、傾角 70°。其上不均勻分布有大量斷層泥、斷層角礫、斷層擦痕等斷層標(biāo)志。

斷層泥有灰、紫褐、土黃等色，整體呈透鏡狀產(chǎn)出（見(jiàn)圖2）。灰色者可能為花崗巖變質(zhì)形成，其中有大量石英砂體；紫褐色者局部含少量白色物質(zhì)，泥質(zhì)疏松，破碎較為完全，呈碎屑狀產(chǎn)出；土黃色者質(zhì)地堅(jiān)硬，風(fēng)化磨圓好，礫徑多為2～4 cm，大者可達(dá)7 cm左右，為擠壓應(yīng)力作用下重結(jié)晶的方解石、白云石類礦物。

圖2 透鏡狀產(chǎn)出的斷層泥

斷層泥中不均勻分布有大量斷層角礫，其中礫石主要有暗灰色、紫黑色等，礫徑大小不均，礫徑大者大于6 cm，小者約2 mm，平均3 cm左右。礫石成分復(fù)雜，有白云巖、石灰?guī)r、方解石等，磨圓度中等，多呈次棱角—次圓狀，分選性差。透鏡狀、橢圓狀礫石多具有定向排列，長(zhǎng)軸大致平行于斷層面，已部分或全部碎裂巖或糜棱巖化，說(shuō)明曾受到過(guò)斷層兩盤(pán)的強(qiáng)烈擠壓與摩擦。角礫填隙物為磨碎的巖屑、巖粉以及巖石壓溶物質(zhì)，與斷層泥成分相近。由于斷層擦痕僅為局部出露，方向不定，因而作為推斷斷層性質(zhì)的證據(jù)不充分。

斷層北盤(pán)為太古界泰山群地層，由于易破碎，經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕后已準(zhǔn)平原化，地形低矮而平緩。該巖體具有鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，片麻理走向?qū)崪y(cè)NW315°。其中淺色礦物有斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英等體積分?jǐn)?shù)約為45%，斜長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)高于鉀長(zhǎng)石；暗色礦物主要有黑云母，體積分?jǐn)?shù)約為50%，且局部有大量黑云母和石英或黑電氣石與石英共生的聚集團(tuán)塊。由此，可確定該巖體為片麻狀花崗巖，且經(jīng)受過(guò)混合巖化作用，現(xiàn)已發(fā)生基體、脈體分離現(xiàn)象。

分析其成因，可能由于后期巖漿加熱巖體而使得石英、長(zhǎng)石等淺色礦物局部熔融，從而流向低應(yīng)力裂隙，造成基體鐵鎂質(zhì)礦物與脈體長(zhǎng)英質(zhì)物質(zhì)在超變質(zhì)作用下重新分配，基體與脈體間存在漸變與突變關(guān)系。

該點(diǎn)還出露平均厚達(dá)3～4 m的風(fēng)化殼，當(dāng)中節(jié)理發(fā)育， 實(shí)測(cè)幾組節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)為：SE133°∠72°，S180°∠90°，SW220°∠82°，SE137°∠73°。 從該組數(shù)據(jù)可知，節(jié)理主要傾向SSE，傾角很大（80°左右），與新垛大斷裂傾向交角不到60°，基本一致，說(shuō)明也受到了該斷裂的影響而產(chǎn)生產(chǎn)狀相近的節(jié)理或斷層。

斷裂南盤(pán)為下古生界中奧陶統(tǒng)馬家溝組及新生界老第三系官莊組，中間地層缺失，巖層向南傾斜，與斷裂傾向基本一致，說(shuō)明是由于南盤(pán)順著產(chǎn)狀傾向產(chǎn)生滑塌，進(jìn)而產(chǎn)生凹陷。

榆山及沿?cái)嗔褞У?套地層即由馬家溝組石灰質(zhì)角礫巖（見(jiàn)圖3）組成，與上覆平行不整合相接觸的官莊組石灰質(zhì)角礫巖（見(jiàn)圖4）巖性上有明顯區(qū)別［17］。

圖3 中奧陶統(tǒng)馬家溝組角礫巖

圖4 古近系官莊組角礫巖

馬家溝組角礫巖礫石呈土灰色，礫石體積分?jǐn)?shù)60%左右，礫徑大小不一，大者大于7 cm，小者小于2 mm，平均礫徑2～3 cm。礫石磨圓度差，為棱角—次棱角狀，分選性很差，成分多為白云巖、石灰?guī)r等，礫石普遍具有氧化圈；填隙物呈灰色，與礫石相近，為石灰質(zhì)。

官莊組角礫巖礫石顏色多樣，有灰色、灰藍(lán)、粉紅、土黃等等，礫石體積分?jǐn)?shù)75%左右，礫徑大小不均，大者4～5 cm，小者2 mm，平均3 cm左右。礫石磨圓度差，多為次棱角狀，分選差，成分多樣，有白云巖、安山巖、石英巖等；填隙物發(fā)紅，主要為黏土質(zhì)和石灰質(zhì)。

盆地內(nèi)地層走向SEE120°左右，傾向NE，傾角20°左右，由南向北地層逐漸變新。

3 斷裂特征分析

1）斷裂兩盤(pán)巖性不一致。北盤(pán)為較早的太古界地層；南盤(pán)可分為2部分，一部分為盆地蓋層，整體向NE傾，由北向南逐漸變老，另一部分在靠近斷裂帶一帶，為后期沉積的平行不整合接觸的中奧陶統(tǒng)及古近系地層。所以整體看來(lái)，北盤(pán)較老，南盤(pán)較新，且北盤(pán)地層層位與南盤(pán)對(duì)應(yīng)太古界地層的位置偏高，根據(jù)此特征可確定其具有正斷層性質(zhì)。

2）斷裂兩盤(pán)產(chǎn)狀不一致。北盤(pán)產(chǎn)狀未能測(cè)定，但測(cè)其節(jié)理傾向多與斷裂相一致，夾角不大；南盤(pán)還是分為2部分，盆地蓋層產(chǎn)狀整體傾向NE，靠近斷裂帶的上覆地層傾向S，而斷裂面產(chǎn)狀傾向SW，遂與盆地蓋層相反，由此可推斷該斷裂形成的單斷凹陷是促使盆地蓋層產(chǎn)狀相傾的主要原因。

3）斷層崖面上局部出露的斷層擦痕（見(jiàn)圖5）指示該斷裂具有平移性質(zhì)，但右旋左旋性質(zhì)無(wú)法確定，應(yīng)為多次摩擦所致。

圖5 局部出露的斷層擦痕

4）靠南盤(pán)一側(cè)的斷層面產(chǎn)狀局部亦有變化。整個(gè)斷層面基本上是向南傾的，然而局部地段實(shí)測(cè)具有略向北傾的產(chǎn)狀，與盆地蓋層相近，因而可見(jiàn)該斷層面具有扭曲的波狀起伏。

斷層面的起伏，即出現(xiàn)彎曲，其原因是多方面的，可能由斷層形成全過(guò)程的非構(gòu)造因素和構(gòu)造事件所引起。非構(gòu)造因素中具代表性的是巖體抗剪強(qiáng)度的非均一性和各向異性，由覆蓋層重量導(dǎo)致的壓實(shí)作用和某種類型的異常高的流體孔隙壓力。構(gòu)造事件的作用在于：在實(shí)際斷層形成以前的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化可能影響著斷層的形態(tài)，繼后的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化可能改變已經(jīng)得到充分發(fā)育的斷層的形態(tài)，而得到充分發(fā)育的斷層還可能被動(dòng)地改變其自身形態(tài)。此外，斷層面形態(tài)在斷裂運(yùn)動(dòng)和再活動(dòng)中也不斷變化。在某些條件下，斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)也控制著單個(gè)斷層面積和形態(tài)的演變。

綜合以上研究，筆者認(rèn)為，其起伏屬于斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)控制下的單個(gè)斷層面幾何形態(tài)的演變。因?yàn)樵摂嗔褜俚貧嗔?，故其沉積層中存在的軟弱層受斷裂重力影響而產(chǎn)生彎曲起伏。

4 地質(zhì)意義

1）該斷裂的產(chǎn)生也伴隨著新汶盆地的形成。該斷裂的發(fā)育使整個(gè)新汶盆地地層向NE傾斜；盆地經(jīng)過(guò)多期的反復(fù)沉積及剝蝕而形成現(xiàn)在的地貌，而斷裂北盤(pán)自太古代起便經(jīng)受著迄今為止的剝蝕作用 （不排除中間也有個(gè)別沉積期或剝蝕間斷）。

2）該斷裂伴生的新汶盆地屬于單斷箕狀盆地。根據(jù)大地構(gòu)造學(xué)的理論［18］，只有較長(zhǎng)時(shí)期的多次拉張，才有可能深切到巖石圈底面，從而形成巖石圈的伸展斷裂，如新近紀(jì)時(shí)期的太行山、大興安嶺、郯廬斷裂帶。大陸內(nèi)部的盆地經(jīng)常表現(xiàn)為斷陷盆地。由此可見(jiàn)，其應(yīng)屬于多次拉張應(yīng)力作用下所形成的斷裂，也同時(shí)對(duì)盆地的沉積及剝蝕產(chǎn)生促進(jìn)和阻礙作用。

3）該斷裂的不斷活動(dòng)對(duì)新汶盆地的演化產(chǎn)生了眾多影響。該斷裂以早期的NW向斷裂為主體，在燕山運(yùn)動(dòng)中再次活動(dòng)。燕山期后的四川期白堊紀(jì)的NE向構(gòu)造以拉張為主，形成NE—NEE正斷層帶，對(duì)該斷裂的演化起到促進(jìn)作用，并經(jīng)喜山運(yùn)動(dòng)而繼續(xù)發(fā)育［18］。中生代以來(lái)，斷裂兩盤(pán)多期反復(fù)上升、下降，發(fā)育成新汶單斷凹陷，由于盆地沉積—?jiǎng)兾g的旋回性，從而產(chǎn)生了中央缺失的平行不整合局部沉積間斷，控制著盆地的發(fā)育形態(tài)及構(gòu)造沉積分布。

5 結(jié)束語(yǔ)

新垛大斷裂特征及其對(duì)新汶盆地的形成與演化具有控制作用，該斷裂屬于正-平移斷層再經(jīng)拉張應(yīng)力作用而形成的大斷裂，為早期構(gòu)造而成的新汶單斷箕狀凹陷，盆地也間或地發(fā)生沉積—?jiǎng)兾g旋回，形成現(xiàn)在的格局。新汶盆地邊緣，由于斷裂的反復(fù)活動(dòng)產(chǎn)生差異性升降，沉積間斷進(jìn)行，從而造成其周緣的隆起。盆地內(nèi)沉陷中心遷移至北部，造成沉積礦產(chǎn)煤的富集。另外，由于運(yùn)動(dòng)幅度不同，該斷裂造成盆地北部形成單斷凹陷，使盆地呈一種掀斜式振蕩，沉陷中心和沉積中心也隨之北移，從而使相應(yīng)沉積礦產(chǎn)的分布范圍擴(kuò)大，儲(chǔ)量和品位卻反而降低，比如盆地中的煤礦產(chǎn)。

致謝 本文得到中國(guó)石油大學(xué)（華東）邱隆偉教授的指導(dǎo)和幫助，此外陳林、劉明潔、曲彥勝、王猛等在野外考察中提供了幫助，在此一并表示感謝。

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（編輯 趙旭亞）

Outcrop characteristics of curved fault and its geological significance

ZHANG Danfeng1,ZHOU Jinfeng2,WANG Zhenyu3,DU Zhipeng4
(1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Exploration&Production Research Institute,Jiangsu Oilfeild Company,SINOPEC,Yangzhou 225009,China;3.Safety Production Supervision and Management Bureau of Gujiao City,Taiyuan 030200,China;4.Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China)

Compared with planar faults,curved fault′s development characteristics and formation mechanism are more complicated,and the relationship of the formation is closer with the evolution of the basin,whose structure styles are easier to enrich the minerals.As a consequence it is more important to carry out the research.In this paper,taking large Xintai-Duozhuang Fault as an example,qualitative and quantitative geological data of detailed outcrop show that the lithology and occurrence of both sides of the fault together with scratches,occurrence and kinematic properties of the fault surface are the main elements of the development characteristics of curved fault.The fault controls the characteristics,formation,evolution and current pattern of the basin.Meanwhile it is also affected by the deposition-abrasion cycles and structural stress fields of the basin,resulting in the formation of its curved surface.The results show that in the process of interaction,the fault surface forms traps,which makes them easy to accumulate oil or other fluid minerals.At the same time,the migration of subsidence center of basin causes the enrichment of coal or other solid minerals.

curvedfault;outcrop;geologicalsignificance;largeXintai-DuozhuangFault

TE121

A

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“井震結(jié)合油藏精細(xì)結(jié)構(gòu)表征技術(shù)”（2011ZX05010-001）

10.6056/dkyqt201704006

2016-12-19；改回日期：2017-05-15。

張丹鋒，男，1986年生，博士，主要從事基礎(chǔ)地質(zhì)、石油地質(zhì)方面研究。E-mail：zhdf@petrochina.com.cn。

張丹鋒，周進(jìn)峰，王震宇，等.曲面型斷層的露頭特征及其地質(zhì)意義［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：462-465.

ZHANG Danfeng，ZHOU Jinfeng，WANG Zhenyu，et al.Outcrop characteristics of curved fault and its geological significance［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：462-465.