松辽盆地是东亚东北部1个大型的陆相沉积盆地。构造、 地球物理、 沉积和古生物等领域的研究成果, 反映松辽盆地在晚白垩纪以来为先存伸展构造叠加挤压的反转构造, 反转时间开始于上白垩统青山口组末期(侯贵廷等, 2004; 宋鹰, 2010), 并在嫩江组末期反转增强。裂变径迹数据揭示, 松辽盆地正反转构造由西向东变化幅度逐渐变大(向才富等, 2007)。盆地抬升剥蚀东早西晚、 东大西小(杨承志, 2014), 反转强度自东向西的递减揭示了挤压应力来自于盆地东部(胡望水等, 2005)。

生长地层是指在前陆盆地生长构造(如生长逆断裂-褶皱带)翼部或顶部与褶皱构造同期沉积的地层, 是构造运动与沉积作用同时进行的产物(Suppe et al., 1992)。生长地层已经成为构造地质学和沉积学重要的研究内容之一, 其不仅记录了地层的沉积信息, 而且也记录了构造变形和构造活动的信息(Zapata et al., 1996; Gawthorpe et al., 2002)。近几十a来, 针对与构造相伴生的生长地层的研究愈来愈引起地质学家的重视, 生长地层和生长不整合与逆冲-褶皱造山过程紧密联系(陈杰等, 2000, 2001; 张广良等, 2006)。

松辽盆地自中生代以来经历了断陷、 坳陷、 反转3个构造演化阶段, 这些构造演化已经为人们所熟知(迟元林, 2002; 李娟等, 2002), 在构造反转阶段由于逆冲挤压导致沉积地层发生褶皱, 在褶皱翼部或顶部形成了与褶皱构造同期沉积的生长地层。生长地层在形成的过程中记录了构造变形动力学特征和与逆冲相关的褶皱作用过程(Mount et al., 1990; Shaw et al., 1994, 1996), 同时根据生长地层角度不整合的限定作用, 可以进一步详细探讨构造变形的期次和强弱。

由于近年来松原地区地震活动频繁, 多次发生M_S5.0以上地震(吴微微等, 2014; 盛书中等, 2017), 因此该地区第四纪以来的构造运动形式成为了人们关心和亟待解答的问题。孤店断裂被认为是松原地区活动性最强的断裂(李传友等, 1999; 王雷等, 2016), 而断裂活动性对地区的地震地质研究有较大价值。利用上断点判断孤店断裂的最新活动时间为晚更新世(王雷等, 2016)。本文利用深部地震勘探、 浅部高分辨率地震勘探、 浅部钻探、 第四纪年代学测试等数据, 识别松辽盆地中东部第四纪以来孤店断裂由反转构造形成的生长地层, 讨论了断裂第四纪以来的构造运动特征。

松辽盆地是中国东北地区的1个中-新生代大型陆相沉积盆地(赵志魁, 2007), 盆地的构造活动对其形成和演化有直接作用。松辽盆地经历了伸展裂陷、 热冷却拗陷和反转褶皱等多个阶段。

研究区域位于松辽盆地中东部(图1)。北部为松原市, 南部为松原市杨家岭。研究区地表出露主要为第四纪地层, 自北向南分布有全新世的河流、 湖泊沉积, 晚更新世土黄色风积、 湖积细粒沉积, 中更新世棕黄色河流湖泊沉积和早更新世灰白色冰水堆积。

图1

Fig. 1

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	图1 研究区地质简图Fig. 1 Geological sketch map of the research area.

在研究区东南隆起与中央坳陷2大构造单元(图2)的边界上有1条隐伏的孤店断裂(李传友等, 1999; 邵博等, 2015; 王雷等, 2016)。断裂自杨树岭、 深井子至松原市西南, 长约67km。该断裂在杨树岭至深井子一线呈NW向延伸, 经前郭沿NE向延伸。

图2

Fig. 2

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	图2 研究区地质结构与主要沉积地层(赵志魁, 2007)Fig. 2 Geologic structure and sedimentary strata of the research area(after ZHAO Zhi-kui, 2007).

松辽盆地沉积地层(图2左)主要为上侏罗统、 白垩系、 古近-新近系和第四系。上侏罗统为火石岭组(J₂h); 下白垩统自下而上为沙河子组(K₁s)、 营城组(K₁y)、 登楼库组(K₁d)、 泉头组(K₁q); 上白垩统自下而上为青山口组(K₂qs)、 姚家组(K₂y)、 四方台组(K₂s)、 明水组(K₂m); 其上为古近系依安组, 新近系大安组、 泰康组以及第四系沉积地层。根据松辽盆地第四纪新的地层划分(方洪宾等, 2009), 将新近纪泰康组划为第四纪早更新世, 同时新的测年数据(方石等, 2005)显示泰康组地层底部年龄为1.79Ma, 证实其沉积年代为第四纪早更新世, 故本文将泰康组地层划为早更新世。地层分为中-新生代断陷、 拗陷2层(图2右)。断陷层包括上侏罗统火石岭组、 下白垩统沙河子组和营城组, 陆相含煤火山碎屑岩地层, 最大厚度为8i000m。坳陷层包括下白垩统登楼库组、 泉头组、 青山口组、 姚家组、 嫩江祖、 上白垩统四方台组和明水组, 为陆相碎屑夹油页岩, 最大厚度为5i500m。

晚白垩统晚期以后地层以反转隆升为主。古近系依安组、 新近系大安组以及第四系发育1套以河流相沉积为主的地层, 区域上随着东南隆起区的逐渐反转隆升, 沉积厚度自东向西逐渐减薄(方石等, 2005)。

研究区位于松辽盆地反转构造强烈的中东部区域, 选择分布在中央坳陷与东南隆起2个构造单元边界的孤店断裂为研究对象。本文应用石油反射地震剖面确定了孤店断裂的分布、 走向等特征。利用钻孔的标定, 明确了反射剖面的地层时代。通过地震反射剖面确定断裂经历了早期断陷、 中期坳陷和后期的褶皱挤压阶段。

由于石油勘探反射地震剖面道间距大, 浅部的第四纪地层无法在地震剖面上清楚地显示, 要确定孤店断裂在第四纪以来反转挤压过程中的变形特征和变形强度就需要清晰的浅部地层反射信息。基于这一目的, 在现有石油地震剖面的基础上在孤店断裂带附近布设了浅层高分辨率反射地震剖面。这条浅层地震剖面的道间距为2m, 由可控震源激发, 通过该剖面清晰地获得了孤店断裂带下盘早更新世地层的展布特征。

为进一步获得孤店断裂的第四纪, 特别是最新的活动特征, 在孤店断裂带上布设了7个浅部钻孔, 孔深40~60m, 以揭露断裂活动对第四纪中更新世和晚更新世地层沉积的影响。针对钻孔揭露的第四纪中更新世以来受断裂活动影响的地层进行了光释光年代学测试, 得到了准确的年代学数据, 为判定断裂最新活动时间以及中更新世以来的活动强度变化提供基础。

最后根据浅部反射地震剖面和浅部联排钻孔探测, 确定了孤店断裂在褶皱挤压过程中断裂下盘形成了1套先超覆后退覆的生长地层。利用生长地层讨论了孤店断裂在第四纪以来的活动特征。

孤店断裂是松辽盆地中东部1条重要的构造单元边界断裂。断裂东部是东南隆起, 西部是中央凹陷。由于地表基本被第四纪沉积覆盖, 因此地震勘探数据是研究断裂展布与活动性的主要手段。

松辽盆地是大型沉积盆地, 地层成层性好, 产状基本水平, 利用地震勘探方法分析研究区的构造展布效果明显。本次工作收集的分布在松辽盆地中东部的石油反射地震勘探剖面数据, 揭露了孤店断裂南起松原市杨树岭, 走向NW, 在深井子附近走向转为NE, 总体延伸长度为67km。

为进一步分析孤店断裂的深部结构特征, 选取了L1200反射地震剖面(图3), 剖面有效勘探深度的双程走时为0.2~2.5s, 由时深转换确定有效深度为119~3i350m。利用钻孔ZK14和ZK38进行地层校正, ZK14位于孤店断裂的下盘, ZK38位于孤店断裂的上盘。剖面揭露的地层包括上侏罗统火石岭组(J₂h), 下白垩统沙河子组(K₁s)、 营城组(K₁y)、 登楼库组(K₁d)、 泉头组(K₁q), 上白垩统青山口组(K₂qs)、 姚家组(K₂y)、 嫩江祖(K₂n)、 四方台组(K₂s)。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 孤店断裂L1200地震反射剖面及地质解释Fig. 3 Seismic reflection profiles of survey line L1200 and geological explanation of Gudian Fault.

通过地震剖面确定孤店断裂倾向E, 早期处于拉张阶段, 中期处于稳定拗陷阶段, 晚期处于褶皱挤压阶段。孤店断裂在拉张阶段垂直沉降1i400m(反射地震双程走时为2i700~1i800ms)。对比拗陷阶段两盘地层, 发现其厚度基本一致, 说明断裂在拗陷阶段活动较弱。孤店断裂在反转构造阶段, 其上盘在下白垩统地层中形成了逆冲褶皱构造, 通过地震剖面分析发现褶皱造成的最大垂直位移出现在嫩江组2段地层, 位移量达390m。同时由于持续逆冲, 造成孤店断裂上盘地层缺失, 对比两盘可知, 上盘缺失了嫩江祖4段以后的地层。孤店断裂下盘自晚白垩世四方台组开始缺失, 到第四纪早更新世泰康组才重新接受沉积。分析认为孤店断裂反转构造发生的时间应该在晚白垩统四方台组沉积之后, 这与前人认为的松辽盆地反转构造于晚白垩世晚期增强较为一致(索艳慧等, 2017)。

深部反射地震剖面很好地揭示了孤店断裂在断陷、 拗陷以及反转构造的演化特征。但对于反转构造是否在新生代持续活动, 以及孤店断裂新生代构造发育样式是怎样的, 所获得的信息较少。由于石油地震反射剖面道间距大, 浅部反射信息较弱或失真, 无法使用, 故在原有的石油地震剖面L1200线的基础上开展了浅部反射地震勘探(位置如图1)。地震测线沿EW向布设, 与孤店断裂的走向近垂直, 测线长度为4.3km, 采用2m道间距, 由可控震源激发, 72道检波器接收。地震测线有效信息的双程走时为0.1~1s, 由时深转换, 有效深度为64~1i200m(图4)。

图4

Fig. 4

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	图4 孤店断裂浅部地震反射剖面及地质解释Fig. 4 Shallow seismic reflection profiles and geological explanation of Gudian Fault.

利用钻孔ZK14和ZK38对浅部反射地震剖面进行了相应的校准, 较好地识别出了早更新世泰康组地层。泰康组地层厚74m, 只发育在孤店断裂的下盘, 上盘缺失。泰康组与下部晚白垩世四方台组地层之间为平行不整合接触, 缺失了明水组、 依安组、 大安组。研究区在晚白垩世四方台组沉积后经历了强烈的反转构造, 地层被挤压抬升接受剥蚀, 泰康组反转构造强度减弱, 地层重新接受沉积。泰康组的地层展布表现为上超(图5), 并逐渐超覆至褶皱顶部, 在靠近褶皱翼部发生向上倾斜, 且倾角自褶皱翼部向上逐渐变小, 因此认为泰康组地层是此次反转构造强度减弱阶段形成的同构造生长地层。

图5

Fig. 5

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	图5 孤店断裂生长地层展布Fig. 5 The distribution of growth strata of the Gudian Fault.

方石等(2005)利用磷灰石裂变径迹热史模拟的方法, 确定泰康组地层的年龄为1.79Ma, 是早更新世地层, 因此说明松辽盆地的反转构造末期已经进入第四纪早更新统。

浅部反射地震勘探主要获得了64m(双程走时为100ms)以下的地质构造信息, 64m以上的第四纪地质信息须通过浅部钻孔探测进行研究。本次研究工作在浅部反射地震测线揭露的孤店断裂的位置, 垂直于断裂走向布设联排钻孔, 采用由外向内逐渐逼近断层的方式布设(位置如图1), 钻孔共有7个, 每孔钻探深度为60m左右。

首先在断裂以东100m的断层上盘布设钻孔zk1, 在断层以西100m的断层下盘布设钻孔zk2, 在近断层附近布设钻孔zk3, 在钻孔zk1和zk3之间布设钻孔zk4, 在zk4以东20m布设钻孔zk5, 在zk3以东20m布设钻孔zk6, 最后在zk6和zk4之间布设钻孔zk7(图6)。

图6

Fig. 6

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	图6 孤店断裂联排钻孔地层对比Fig. 6 Stratigraphic correlation of the combined drillholes on the Gudian Fault.

钻探探测揭露的地层依据颜色、 粒度、 沉积构造等特征划分为3套, 自下而上分别为灰白色含砾粗砂、 黄褐色亚砂土局部含砾石和土黄色粉土。根据区域地质资料, 下部灰白色含砾粗砂为早更新统白土山组冰水堆积物, 中部黄褐色亚砂土为中更新统荒山组冲积、 湖积物, 上部黄色粉土、 亚黏土为晚更新统顾乡屯组冲积、 湖积物沉积。

对钻孔地表高程进行了测量, 结果显示测线东侧高、 西侧低(图6), 钻孔zk1的高程比zk2高2m。根据7个钻孔的联井剖面可以清晰地看到, 下部早更新世灰白色白土山组地层顶部埋深由断层下盘钻孔zk2的32m抬升至上盘钻孔zk1的20m, 加上地表2m的高程差, 垂直抬升了近14m。中更新统黄褐色荒山组地层顶部, 埋深由断层下盘的11m抬升至上盘的10m, 加上地表2m的高程差, 垂直抬升了3m。浅部钻孔揭露孤店断裂造成第四纪早、 中更新统地层在断层上盘逆冲抬升, 说明孤店断裂在早中更新世仍然处于反转挤压构造阶段。联排钻孔揭露的中更新世荒山组地层, 在构造横剖面上表现为在褶皱翼部具有楔形的几何形态, 靠近褶皱核部厚度逐渐减薄, 但地层倾角逐渐变缓。钻孔zk6、 zk7、 zk4、 zk5揭露了荒山组地层抬升, 白土山组地层的顶部界线有变化, 且钻孔zk7在14.8~15m处揭露地层有垂向裂缝发育(图6), 可能与活动褶皱顶部拉张有关, 孤店断裂从钻孔zk6与zk7之间通过。因此, 认为中更新统荒山组地层是孤店断裂在第四纪中期活动褶皱构造过程中形成的1套生长地层。

本文以盆地东南部反转构造较为强烈的孤店断裂为例, 讨论了松原地区的反转构造在第四纪的活动特征。在沉积覆盖区利用深部反射地震、 浅层反射地震以及浅部联排钻孔探测等方法, 联合第四纪年代学测试得到了孤店断裂在第四纪的活动特征。

(1)断裂在晚白垩世晚期开始逆冲, 早期造成大量地层缺失(图7a), 到早更新世挤压抬升强度减弱, 沉积了泰康组1套超覆沉积的生长地层(图7b), 生长地层从下向上以上超的形式叠置, 反映出这套生长地层的沉积速率(Rs)> 抬升速率(Ru)。根据泰康组的磷灰石裂变径迹测年结果可知, 泰康组的年龄为1.79Ma, 估算这套地层的沉积时间为1.79~1.3MaiBP, 钻探结果显示, 泰康组地层厚度为77.5m, 故沉积速度Rs为0.15mm/a, 反转构造在泰康组沉积时期的抬升速率Ru应< 0.15mm/a。白土山组为早更新世晚期的1套退覆的生长地层, 沉积时间为1.3~0.8MaiBP, 地层厚度为45.5m, 沉积速率为0.091mm/a, 因此在早更新世晚期, 孤店断裂的抬升速率Ru应> 0.091mm/a。

图7

Fig. 7

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	图7 孤店断裂晚新生代反转构造演化模式Fig. 7 Evolution model of the late Cenozoic inversion tectonics of Gudian Fault.

(2)根据联排钻探的结果可知, 更新统荒山组是退覆生长地层(图7c), 退覆沉积反映这一时期中抬升速率(Ru)> 沉积速率(Rs)。根据钻孔zk2的年代学数据, 深度为12m的地层年龄为125ka, 深度为22m的地层年龄为317ka(图6), 估算沉积速率Rs为0.052mm/a; 因此抬升速率Ru应> 0.052mm/a。在钻孔zk2深17.5m处测得地层年龄为206ka, zk1钻孔深10m处的地层年龄为205ka, 2钻孔地表高程相差2m, 因此205kaiBP以来断层垂直抬升9.5m, 垂直抬升速率为0.046mm/a。

(3)晚更新统顾乡屯组底部埋深基本一致, 都为10m, 测年结果显示钻孔zk2深10m处的地层年龄为50ka, 中更新统荒山组顶部深12m的地层年龄为115ka, 说明晚更新统顾乡屯组和中更新统荒山组之间可能存在沉积间断。

(4)由生长地层所揭示的孤店断裂晚新生代的构造演化与松辽盆地新生代以来的古地理演化历史也有较好的一致性。赵福岳(2010)认为从新近纪到早更新世松辽古大湖范围逐渐增大, 早更新世古湖盛极。这与浅层地震反射剖面揭露的第四纪早更新世地层的上超层序是一致的, 反映这一时期构造抬升减慢, 地层以超覆沉积为主, 沉积范围不断扩大; 中更新世松辽盆地东部抬升导致松辽古湖退缩, 东南高平原开始形成, 这与钻孔所揭露的中更新世构造抬升速率逐渐增是一致的。