基于构造应力场与沉积响应的陆相断陷湖盆层序地层格架理论模型构建——以渤海湾盆地黄骅坳陷为例

我国存在一类重要的含油气盆地，这类盆地是陆相断陷湖盆。陆相断陷湖盆的沉积充填过程和构造活动联系紧密。构造应力场是控制陆相断陷湖盆发育的核心动力因素，构造应力场直接影响陆相断陷湖盆的几何形态和沉降速度，而且会通过改变古地貌格局间接影响沉积体系的分布与演化。沉积响应主要体现在构造活动影响下地层可容空间变化与沉积物供给分配的综合结果方面。地层可容空间变化与沉积物供给分配这两者的耦合关系是层序地层发育的基础，把构造应力场分析和沉积响应研究结合起来，对于建立科学合理的层序地层格架具有重要意义。

渤海湾盆地的黄骅坳陷属于典型的陆相断陷湖盆，黄骅坳陷具有复杂的构造演化历史以及多旋回的沉积充填序列，这为研究构造与沉积的关系提供了理想条件。传统层序地层学理论大多是在对海相盆地进行研究的基础上建立起来的，当把传统层序地层学理论应用到陆相断陷湖盆时会遇到不少难题，例如湖平面变化机制复杂，还有构造对盆地的控制作用突出等情况。针对陆相断陷湖盆存在的这些问题，本研究要通过解析黄骅坳陷构造应力场在时间和空间上的演化特征，系统地分析不同构造阶段沉积响应所呈现出的规律，从而构建出适合陆相断陷湖盆的层序地层格架理论模型。

在具体的研究步骤方面，第一步需要开展区域地质调查并且对地球物理资料进行分析，以此还原黄骅坳陷关键构造期的古应力场情况，明确断裂系统的活动规律以及控制盆地的机制。在这之后，要结合钻井岩心、测井和地震资料，识别不同构造幕序下的沉积相组合以及地层叠置样式，揭示构造活动对沉积体系发育的控制作用。在完成这些工作的基础之上，建立构造 - 沉积响应的定量关系模型，划分各级层序地层单元，最终形成能够体现陆相断陷湖盆特色的层序地层格架理论模型。构建这个模型不仅能够加深对于陆相断陷湖盆发育机制的认识，而且能够为油气勘探开发过程中的有利区带预测以及地层 - 岩性圈闭识别提供重要的理论支撑。

黄骅坳陷属于渤海湾盆地重要的次级构造单元，其区域地质背景对于建立层序地层格架理论模型十分关键。黄骅坳陷位于渤海湾盆地中南部，处于沧县隆起和埕宁隆起之间，整体呈现北东向展布的复杂断陷结构。坳陷内部地层发育完整，自下而上依次可见太古宙变质基底、古元古代长城系与蓟县系的碳酸盐岩、新元古代青白口系的碎屑岩，以及古生代寒武系到二叠系的海相 - 海陆交互相地层。中生界主要为侏罗系和白垩系的火山碎屑岩与陆相碎屑岩，新生界古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组以及第四系松散沉积物共同构成了坳陷的主要盖层，其中古近系沙河街组的暗色泥岩是重要的烃源岩层。

黄骅坳陷在构造单元划分上可进一步分为沧东凹陷、南皮凹陷、北塘凹陷等多个负向构造单元，还有孔店凸起、徐杨桥凸起等正向构造单元。这些次级单元的边界大多受北东向和北西向断裂系统控制，沧东断裂作为坳陷的主要控制边界断裂，对古近系的沉积范围和厚度产生影响。不同构造单元在地质历史中呈现出不同的沉降特征，进而形成了凹凸相间的构造格局，这种构造分异直接影响到沉积体系的分布和发育情况。

从构造演化阶段来讲，黄骅坳陷经历了古近纪裂陷期、新近纪坳陷期和第四纪区域沉降期这三个主要阶段。在古近纪的时候，太平洋板块向欧亚板块俯冲后撤，带动郯庐断裂带出现强烈的右行走滑现象，使得岩石圈伸展减薄，从而形成了一系列地堑 - 地垒式构造，并且沉积了厚度较大的湖相碎屑岩。到了新近纪之后，区域应力场从拉张转变为挤压 - 走滑，坳陷进入热沉降阶段，此时沉积范围有所扩大，不过沉积厚度变薄，发育出河流 - 泛滥平原相沉积。在第四纪时，受到区域构造沉降的控制，整体堆积了较厚的黄土状沉积和冲积物。

从动力学背景进行分析，黄骅坳陷的形成演化与中生代以来太平洋板块俯冲方向的变化、郯庐断裂带的周期性活动以及欧亚板块内部应力的调整有着密切的关系。这种复杂的板块构造背景导致坳陷内出现多期次、多性质的构造活动，为后续分析构造应力场转换和沉积响应的耦合关系提供了重要的区域地质方面的参考依据。

弄清楚陆相断陷湖盆的演化过程，关键基础是构造应力场特征。研究构造应力场特征要把地质观测和数值模拟这两种方法结合起来。古应力恢复技术通常有两种手段，一种手段是用声发射法测量岩石记录的历史应力值，另一种手段是通过断层擦痕反演应力张量；有限元数值模拟能够还原区域应力场在时间和空间上的分布情况。

黄骅坳陷在演化的古近纪裂陷期，受到燕山期构造残留的NE - SW向伸展应力场控制，此时应力张量可以用$\sigma = \begin{bmatrix} \sigma${NE} & 0 & 0 \\ 0 & \sigma{SW} & 0 \\ 0 & 0 & \sigmav \end{bmatrix}表示，而且满足$\sigma${NE} > \sigma{SW} > \sigmav的关系。这样的应力状态让沧东断裂等边界断裂出现强烈的正断活动，断裂活动速率最高能够达到120米每百万年。

到了新近纪坳陷期，应力场变为NWW - SEE向挤压和近SN向伸展的复合状态，对应的应力摩尔圆方程符合$\tau = \mu \sigma_n + C$（其中$\mu$指的是摩擦系数，$C$指的是内聚力）。在这个时期，断裂系统呈现出走滑 - 伸展转换的特点，就像沧东断裂的右旋走滑分量在总位移中所占比例达到35%。

通过断层滑动矢量反演计算得出的应力强度指数显示，在古近纪，最大差异应力$\Delta\sigma_1$大约为85兆帕，进入新近纪后下降到了42兆帕。这样的应力衰减直接使得盆地从快速沉降转变为热沉降。

构造应力场和断裂发育之间的关系非常紧密。当伸展应力场占据主导地位的时候，断层位移量和应力强度呈现为线性正相关关系，其相关系数$R^2 = 0.87$；在挤压 - 伸展转换期，断裂活动性展现出明显的各向异性，主断裂方向的应力传递效率要比次级断裂高2.3倍。

构造应力场在时间和空间上具有一定的演化规律，这种规律不仅塑造出黄骅坳陷半地堑式的盆地格架，还通过对可容空间变化速率的控制，间接地对沉积体系的分布样式产生了影响，为后续层序地层单元的划分提供了构造方面的约束依据。

沉积响应机制的核心理论部分，是研究构造应力场如何调控盆地结构和沉积过程，以此影响层序地层发育。在陆相断陷湖盆中，构造应力场变化直接推动古地貌演化。断裂活动引发差异性升降运动，使得盆地边缘形成陡峭坡折带，盆地内部出现凸起和凹陷交替分布的复杂格局，这种古地貌形态变化为后续沉积作用搭建了最基础的容纳空间框架。当应力场从张裂状态变为挤压或应力松弛状态时，盆地的沉降中心和隆起区会迁移，沉积物的卸载位置和分布范围也会跟着改变。

物源供给是沉积响应的另一个关键环节，也受构造应力场显著影响。应力场变化会使物源区隆升或沉降，直接决定物源区的剥蚀强度和供给能力。当物源区隆升加剧，母岩风化剥蚀作用增强，能为盆地提供大量与隆升区岩性密切相关的碎屑物质；而相对沉降的区域可能变成沉积中心，物源供给会减弱。构造应力场还控制着物源的搬运路径和距离，断裂带通常是主要的物源输送通道，会对沉积物在盆地内的分布样式产生影响。

在古地貌和物源供给共同作用下，沉积体系的时空分布呈现出明显的构造控沉特征。就拿黄骅坳陷古近纪裂陷期的情况来讲，强烈的边界断裂活动让盆地边缘坡度变得陡峭，沿着断裂带发育出一系列规模大小不一样、延伸距离短且相变快的扇三角洲沉积体系。到了新近纪坳陷期，构造应力场趋于平衡，盆地整体沉降，地形高差减小，物源供应变得更加充足和稳定，于是形成了分布范围比裂陷期大很多的广泛分布的辫状河三角洲沉积。

层序界面的形成，本质上是构造应力场驱动下沉积响应的最终表现。构造活动使盆地基底快速沉降时，会造成区域性湖平面相对上升，形成湖侵体系域；构造抬升或应力松弛可能使湖平面下降，甚至让盆地边缘暴露在地表遭受风化剥蚀，进而形成具有区域意义的不整合面，也就是层序边界。这样“构造应力场→古地貌 - 物源 - 沉积体系→层序界面”的完整响应链条就建立起来了。这一链条清楚地显示，构造活动是控制层序地层发育的根本动力，为建立陆相断陷湖盆的层序地层格架模型提供了可靠的沉积学依据。

这项研究关注的是渤海湾盆地黄骅坳陷。研究对构造应力场与沉积响应怎样影响陆相断陷湖盆的层序地层格架构建进行了系统分析，然后从中提炼出有广泛适用价值的理论模型。研究深入剖析区域构造演化过程、沉积体系分布特点以及层序发育规律，发现构造活动是断陷湖盆层序地层发育的核心驱动因素。构造活动通过改变盆地古地貌形态、调整可容纳空间变化、影响物源供给路径，直接影响着层序边界的形成位置、体系域的配置方式以及沉积相带的分布规律。

研究发现黄骅坳陷的构造应力场有多阶段、多方向的演化特点，不同构造阶段应力场转换会让盆地沉降速率变化和沉积中心迁移出现明显差异。在强烈断陷期，受拉张应力影响，边界断裂活动促使盆地快速沉降，从而形成低位域的粗粒沉积体系。在断陷扩展期，应力场调整使盆地内部次级断层活动加剧，湖侵域泥岩大范围发育。在坳陷萎缩期，构造应力场逐渐稳定，湖平面下降后形成高位域的进积序列。构造与沉积的这种相互作用关系，能为层序地层单元的精细划分提供关键参考依据。

基于这些研究发现，本研究提出的理论模型特别重视构造应力场分析在层序地层格架构建中的基础作用。具体实施方法有几个关键步骤：先使用区域地质资料和地震剖面解译，把盆地的构造演化历史还原出来；接着用平衡剖面技术模拟古地貌形态，识别构造转换带和沉积坡折带；再将岩心、测井和地震属性分析结合起来，明确不同构造背景下的沉积响应特征；最终构建以构造单元为格架，且以沉积体系为填充内容的层序地层模型。这个模型在黄骅坳陷实际应用过程中，明显提高了储层预测的准确性，能够为隐蔽油气藏勘探提供重要的技术指导。

这项研究不仅让对陆相断陷湖盆地层发育机制的理解更加深入，而且形成了一套可以实际操作的层序地层格架构建方法。从理论方面来讲，它揭示了构造应力场与沉积响应之间的内在关联；从实践方面来看，能够为类似盆地的油气勘探提供技术支持，其应用前景非常可观。