渤海湾盆地断裂与莫霍面对油气富集海陆差异性的影响
doi: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2024352
蔡梦轲1 ， 王万银1,2,3 ， 张义蜜1 ， 王丁丁1,4
1. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安， 710054 ，中国
2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室，山东青岛， 266071 ，中国
3. 海洋油气勘探国家工程研究中心，北京， 100028 ，中国
4. 意大利那不勒斯费德里克二世大学地球环境与资源科学系，那不勒斯，80138，意大利
基金项目: 本文为中海石油有限公司科技项目“中国近海盆地潜在富油凹陷资源潜力、成藏机制与突破方向”课题“中国近海潜在富油凹陷深部构造差异性研究”和海洋油气勘探国家工程研究中心2022年开放基金课题(编号CCL2022RCPS0794RQN)联合资助的成果
The influence of faults and the Moho interface on the differential hydrocarbon accumulation between marine and terrestrial areas in the Bohai Bay basin
CAI Mengke1 ， WANG Wanyin1,2,3 ， ZHANG Yimi1 ， WANG Dingding1,4
1. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an, Shaanxi 710054 , China
2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266071 , China
3. National Engineering Research Center of Offshore Oil and Gas Exploration, Beijing 100028 , China
4. Department of Earth, Environment and Resources Sciences, University of Naples Federico Ⅱ, Naples 80138, Italy
摘要
渤海湾盆地是中国近海乃至全球油气产量的主要贡献者，其油气资源分布具有显著的海陆差异性，而油气聚集与地壳结构密切相关。为了明确渤海湾盆地的地壳结构，基于地形和重力数据揭示了盆地断裂分布与莫霍面起伏变化特征，利用NVDR-THDR技术和欧拉反褶积方法明确了断裂平面位置及其视深度分布，基于最小曲率位场分离技术和双界面模型重力场快速反演技术获取了莫霍面起伏变化。研究发现断裂与莫霍面均存在显著的海陆差异：海域同时发育NNE—NE和WNW—NW走向的断裂，而陆域以NNE—NE向断裂为主，与陆域相比，海陆断裂视深度整体更浅、晚期活动更为强烈；海域凹陷的莫霍面平均值浅于陆域凹陷、地壳厚度平均值薄于陆域凹陷、莫霍面拉张因子之和的平均值与地壳拉张因子之和的平均值均大于陆域凹陷，反映了海域经历更强的构造活动变形。这使得海域具备有利生烃区形成和油气运移聚集的良好条件，而陆域相应条件则较弱，直接影响了盆地内部油气富集的差异性分布。因此，渤海湾盆地油气资源分布与断裂分布和莫霍面起伏变化情况紧密相关，该研究为开展进一步油气勘探提供了科学依据。
Abstract
The Bohai Bay basin is a principal contributor to oil and gas production not only in offshore China but also on a global scale, with its hydrocarbon resource distribution exhibiting marked differences between marine and terrestrial areas, a pattern intimately linked to the basin's crustal structure. In order to clarify the crustal structure of the Bohai Bay basin, this study leveraged terrain and gravity data to reveal the distribution of basin faults and the fluctuations of the Moho interface. NVDR-THDR technology and Euler deconvolution were utilized to ascertain the planar locations of the faults and their apparent depth distributions. Minimum curvature technique for potential field data separation and the fast solution of forward and inverse problems for gravity fields in a dual interface model were applied to obtain the fluctuations in the Moho interface. The investigation uncovered significant contrasts between marine and terrestrial areas regarding both fault distribution and Moho characteristics: marine areas feature faults trending in both NNE—NE and WNW—NW directions, whereas terrestrial regions predominantly exhibit NNE—NE trending faults. Compared to terrestrial settings, marine faults tend to be shallower and show more intense late-stage activity. Sags in marine areas display shallower average Moho depths, thinner crustal thicknesses, and higher mean values for the sum of Moho stretching factors and crustal stretching factors relative to terrestrial sags. These findings indicate that marine areas have experienced greater tectonic deformation, creating favorable conditions for the formation of hydrocarbon-prone zones and hydrocarbon migration and accumulation. Conversely, terrestrial environments present less advantageous conditions, directly impacting the differential distribution of hydrocarbon enrichment within the basin. Consequently, the spatial distribution hydrocarbon resources in the Bohai Bay basin is tightly connected to the distribution of faults and fluctuations of the Moho interface. This research furnishes a scientific foundation for guiding further oil and gas exploration efforts in the basin.
渤海湾盆地油气成藏条件优越，不仅是中国近海最大的原油生产基地，还是全球级别的超级富油盆地（张功成等，2024）。油气资源丰度是评价一个单元油气是否富集的重要参考指标，中国第四次油气资源评价结果显示，渤海湾盆地陆域石油和天然气资源丰度均低于海域（图1）（李建忠，2019；杨舒越等，2024）；60余年的油气勘探历程也表明，盆地陆域的勘探经验并不完全适用于盆地海域；因此，对油气富集海陆差异性的影响因素开展研究，可用于指导含油气盆地的勘探方向。
当前含油气有利区的调查工作主要是依据“生、储、盖、圈、运、保”这六大油气地质条件，利用地震资料查明圈闭特征并分析油气藏模式，结合部署钻井的资料研究工作区的成油、聚油规律（王定一，1983）。从烃源岩类型、生烃条件、储盖组合、主要控藏要素等油气地质条件来看，渤海湾盆地的海域和陆域存在显著差异：由于盆地海域经历两期断陷构造旋回，因此发育两套优质烃源岩，其中古近系东营组是海域特有（钟锴等，2019）；独特的古湖泊环境提供高生产力和湖底缺氧环境，有助于有机质保存；另外新近系发育独特的浅水—极浅水三角洲沉积体系，形成了良好的区域性储盖组合及优越的成藏条件（朱伟林等，2008）。海域含油层系主要是新近系的明化镇组和馆陶组，而陆域含油层系主要为古近系沙河街组；且海域属于“源外”成藏，主要控藏要素为油气运移，而陆域烃源岩与储层直接接触，属于“源内”成藏，因此主要控藏要素为储层和圈闭（薛永安等，2021b）。
图1渤海湾盆地海域和陆域油气资源丰度分布图（据李建忠等，2019；杨舒越等，2024）
Fig.1Oil and gas resource abundance distribution map of the Bohai Bay basin (after Li Jianzhong et al., 2019；Yang Shuyue et al., 2024)
以上研究主要集中于对浅部油气地质条件的差异性分析，而盆地深部构造运动对油气地质条件的形成有着深刻影响，并最终决定油气富集规律的差异分布，因此有学者指出充分认识盆地海域与陆域演化之间的差异性，对于进一步发现其油气富集规律具有重要意义（钟锴等，2019）。前人主要从动力学机制和构造变革时期等方面分析了渤海湾盆地海域与陆域存在的演化差异：盆地古近纪构造以沧县隆起为界，东部的海域盆地是在“伸展-走滑双动力源”动力学机制下形成的，主要受到地幔上隆形成的伸展作用，以及太平洋板块斜向碰撞和挤压形成的走滑作用，形成了复杂的、差异化分布的构造格局（夏庆龙和徐长贵，2016；周琦杰等，2022），因而不同于西部陆域的太行山山前伸展构造系统；由于海域盆地受到多动力源共同作用，因此经历了郯庐断裂带从左旋到右旋走滑的构造体制转换，并叠加了地幔上涌和热沉降作用，导致其先后经历两期断陷构造旋回及新构造运动，对其油气地质条件产生了深刻影响（钟锴等，2019）。这也使得 “海域-陆域”不同坳陷的构造转型时间存在明显差异，以渤海海域西南部地区为例，济阳坳陷（陆域）的盆地构造转型期为孔店组—沙四段沉积期（杨品荣等，2001；郑德顺等，2005；任建业等，2009），而海域盆地的构造变革时期为沙三段末期（Huang Lei et al.，2012）。
总体来说，目前关于深部构造运动在渤海湾盆地海域和陆域差异性的研究还较少，且尚未见到有基于区域性勘探数据开展的差异性分析。另一方面，学者通过研究发现了断裂和莫霍面这两个区域构造对于油气的聚集成藏都有重要影响（余一欣等，2018）。中国含油气盆地的形成与分布都受到深大断裂的控制，可将无机成因的烃从地下深处运移上来，统计结果表明全国40个具有典型代表意义的油气田的断裂对烃源岩、油气运移、油气圈闭、油气聚集、油气藏分布的各项重要控制率均在75%以上（张文昭，1997）。断裂的复杂性与差异性直接影响了研究区内油气聚集规律（夏庆龙和徐长贵，2016）：伸展活动控制生烃凹陷的形成，并使得岩浆上涌，提供热源，促进烃源岩的快速演化；走滑作用为油气运移提供输导通道，同时形成大量的构造圈闭，可起到封闭作用聚集油气（万桂梅等，2009；王洪宇等，2020）。此外，莫霍面起伏变化为盆地的形成并为其多层系含油气性创造了有利条件，认为地壳局部隆起区在30000 m内有利于油气的形成（李德生，1979；张恺，1993），莫霍面隆起和地壳构造薄弱带容易发生地壳沉降形成大型沉积区，有利于烃源岩、储集层、盖层和各类圈闭等成藏要素的形成和保存，而且结晶地壳减薄和壳幔作用相对活跃能够提供油气成藏所需的深部物质和沉积有机质生烃演化需要的能量，有利于油气田的形成（滕吉文等，1983；金之钧等，2003）。研究还发现油气盆地区地壳深部构造的某些特征参数指标与油气富集程度之间具有规律性，在莫霍面隆起且起伏较大的盆地寻找油气较为有利，利用该方法能够有效快速地在勘探初期发现主力油气田勘探目标（邵学钟等，1999；Zhang Yimi et al.，2023）。
地球物理勘探为开展渤海湾盆地断裂和莫霍面研究提供了多类型的数据资料，这为进一步分析其海陆差异性提供了基础。盆地内断裂十分发育，前人主要利用地震资料进行了识别（徐长贵等，2017；胡志伟等，2019；薛永安等，2021a），但基于重磁数据的研究较少（唐新功等，2006；张菲菲等，2019；杨荣祥等，2023），且已有认识在平面位置及其规模方面并不完全一致，尚未见到有关盆地内部断裂视深度的整体研究。在渤海湾盆地的莫霍面研究方面，近些年来学者已经取得丰富的成果：例如基于地震台网记录（许卫卫和郑天愉，2005；李志伟等，2006；葛粲等，2011；武岩等，2011；Wang Qing et al.，2017）或是基于人工地震剖面数据（Zheng Tianyu et al.，2006，2009；李祖辉等，2015）开展了相应研究；对于台站或剖面的反演结果进行插值计算可以得到地壳厚度平面分布（Duan Yonghong et al.，2016；Xia Bing et al.，2017；Zhao Yanna et al.，2020）。但由于地震台站分布稀疏，地震剖面特别是海域地震剖面的数量有限，因此基于地震资料的莫霍面平面解释结果横向分辨率有限，综合重力资料和地震解释结果的相关研究得到了进一步发展（Jiang Wenliang et al.，2014；陈光希等，2019），然而少有同时包括渤海湾盆地海域与陆域范围的大比例尺研究。
为了开展关于渤海湾盆地断裂和莫霍面对油气富集海陆差异性影响的研究，本文对渤海湾盆地的断裂与莫霍面分布进行了解释，对比分析发现海域和陆域断裂和莫霍面起伏存在显著差异，与陆域凹陷相比，海域凹陷的断裂活动更复杂、莫霍面起伏变化程度更强，因此海域凹陷整体油气更为聚集，造成了渤海湾盆地海域和陆域油气差异性分布，该认识可用于指导进一步寻找油气勘探有利区。
1 区域地质背景
渤海湾盆地（位置见图2a）是叠置在古生代华北克拉通坳陷之上的新生代陆内裂谷盆地，周边的新生代隆起区（图2b）包括西部的太行山隆起区、北部的燕山褶皱隆起区、东部的辽东隆起区、南部的鲁西隆起区，以及东南部的鲁东隆起区（夏庆龙，2012；叶涛等，2022）。
盆地基底构造演化可分为六大阶段（朱伟林等，2009），① 太古宙—古元古代变质结晶基底形成，不同区域的结晶基底在形成时间和演化过程上存在差异，因此推断多个地块（地体）拼贴形成了盆地的结晶基底，拼贴交汇部位位于渤海中部；构造主要呈近EW向、NNW向和NE向，不同地体的构造方向不同。② 中、新元古代，大陆裂谷盆地发育，并迎来华北第一套沉积盖层的发育，其中长城系为碎屑岩夹火山沉积岩及碳酸盐岩沉积，青白口系主要是一套向上变粗的碎屑岩夹少量碳酸盐岩沉积，它们构成一套完整的裂谷盆地沉积旋回序列，沉积厚度中心位于华北克拉通呈NE展布且向NE敞口的狭长带内，最大沉积中心位于河北遵化、迁安一带，厚度上万米，这套沉积仅在渤海湾盆地的西北部发育；新元古代华北主体抬升、遭受剥蚀，但克拉通南部边缘和营口-潍坊断裂带以东发生了拉张裂陷，因此在断裂带以东沉积了一套海相碎屑岩夹碳酸盐岩及少量冰碛岩的震旦系系列；这一阶段的构造主要呈NE向。③ 早古生代主要受周边伸展、拉张被动陆缘海盆控制，处于稳定克拉通盆地发育阶段，寒武系（沉积类型自下而上为碎屑岩、白云岩型蒸发岩和碳酸盐岩）和下奥陶统（碳酸盐岩）接受较为稳定的沉积；构造方向主要为近EW向。④ 晚古生代至中生代早期，受西伯利亚板块（位于中亚造山带以北）和华南板块俯冲、碰撞作用的影响进入不稳定克拉通盆地发育阶段；由于区域拉张向挤压转化引起抬升剥蚀，使得上奥陶统至下石炭统普遍缺失；到中、上石炭统沉积了一套海陆交互相的含煤地层，包括砂岩、泥岩夹灰岩和煤层，厚约140~180 m；二叠纪发育海退型陆源碎屑夹煤沉积，岩性下部为砂岩、泥岩夹煤，上部为砂岩、含砾砂岩夹泥岩，厚度440 m左右；早、中三叠世沉积从西南向东北方向逐渐减薄，华北东北部基本无沉积；构造方向也主要为近EW向。⑤ 中生代晚三叠世至早、中侏罗世，华南板块向北推挤与华北板块碰撞并横向挤入，同时西伯利亚板块向南运动使得郯庐断裂带发生左行走滑，进入拉张、挤压、走滑调整的内陆盆地发育阶段，区域应力调整复杂，主要发育WNW向构造，或由NE向斜列成WNW或近E-W向分布；盆地内发育河、湖相砂岩、砂砾岩、泥岩夹煤沉积，厚度分布差异较大。⑥ 中生代晚侏罗世至白垩纪，受西太平洋板块俯冲构造域控制和影响进入裂陷盆地发育阶段；早白垩世，可能由于太平洋超地幔柱的活动，东亚大陆东部的伊泽纳崎板块向东亚大陆之下的俯冲作用由低速转为高速，方向先转为正北后又逐渐变为NNW向，这种高斜度的斜向俯冲引起了郯庐断裂带的大规模左行平移以及岩浆活动；到晚白垩世初期，伊泽纳崎板块运动到东亚东北部边缘，太平洋板块开始以WNW向中速地向东亚大陆俯冲，引起中国东部大陆下出现软流圈上涌、岩石圈拆沉，造成中国东部大规模断陷发生、郯庐断裂带转为伸展活动；该阶段构造方向以NE或NNE向为主；盆地内主要发育河、湖相火山岩、杂色碎屑岩夹泥岩、暗色泥岩，以及河流相红色碎屑岩。
郝天珧等（2007，2008）利用重、磁、电数据反演了渤海湾盆地的中生界（包括上古生界）残余厚度和下古生界（包括部分元古宇）残余厚度分布，由此得到前新生界主要沉积厚度如图3a所示，在盆地内呈区域性分布，陆域尤其西部的前新生界沉积整体较厚，其中晋县、束鹿、大广、丘县和汤阴凹陷可达10000 m以上；海域主要的沉积位于辽东、渤东、岐口、沙南和黄河口凹陷内，最大厚度大于7000 m；沉积相对较薄的位置主要是西部凹陷南部，渤中凹陷周边，以及德州、冠县、惠民和羊角沟凹陷附近，但也基本厚达2000 m。
盆地新生界演化宏观上经历了裂陷期（古近纪）和裂后热沉降期（新近纪至第四纪），每期自下而上沉积的地层有三组，裂陷期分别是孔店组、沙河街组和东营组，裂后热沉降期分别是馆陶组、明化镇组和平原组，每一组又可以划分为2~4段。整体又可细分为五个构造演化阶段、三个构造演化旋回，① 始新统孔店组至沙三段沉积期，盆地发生NNW-SSE向的拉张伸展，伴随地幔隆起；主要沉积类型为砂岩、砂砾岩、泥岩和砾岩；其中孔店组主要分布于盆地陆域，在盆地中南部的惠民凹陷内最大厚度超过了3500 m；从沙四段开始沉积面积有所扩大，并且在盆地西北部的廊固凹陷内形成了超过1800 m的沉积；沙三段的沉积厚度和面积均是沙河街组内最大的地层，主要的沉积中心位于渤中、廊固和辽中凹陷，厚度可达3000 m。② 渐新统沙一、二段沉积期的盆地第一裂后热沉降拗陷阶段；主要沉积类型为砂岩、泥岩、砾岩、灰岩和白云岩；到沙二段沉积时期面积显著缩小，盆地内最大沉积厚度约1000 m，主要在东濮凹陷内发育；沙一段的分布面积继续缩小，沉积中心位于岐口和板桥凹陷，其他区域沉积厚度基本不超过500 m。③ 渐新统东营组沉积期，受右旋走滑拉分伴随地幔上隆和上、下地壳非均匀不连续伸展的作用，再次进入裂陷阶段；这一阶段主要发育砂砾岩、泥岩和砂岩；东营组的沉积厚度仅次于沙三段，除盆地中南部分区域外几乎全覆盖，渤中、辽中、辽东和西部凹陷内沉积厚度可达2000 m。④ 馆陶组至明下段沉积期处于第二裂后热沉降阶段；主要沉积砾岩、砂砾岩、泥岩和砂岩；其中馆陶组集中发育在渤中凹陷附近，厚达2000 m，盆地中南部局部地区缺失这套地层，其他位置也仅有较薄的分布。⑤明上段以来，西太平洋板块弧后扩张引起向西的侧向推挤力，成为郯庐断裂带挤压活动和中国东部近EW向挤压应力场的主要成因（Cox and Engebretson，1985；Maruyama et al.，1997；朱光等，2004），受近EW向挤压伴随右旋走滑扭动的影响，进入新构造活动期；主要发育砂岩和泥岩；明化镇组表现为盆地中部由西向东逐渐增厚，自中西部冀中坳陷的1000 m递增至中东部渤中坳陷的2000 m左右，盆地北部辽东湾坳陷和辽河坳陷内存在500 m左右的沉积，盆地南部特别是东南部地区地层缺失；第四系平原组最大厚度约700 m，沉积中心位于渤中坳陷和辽东湾坳陷，其他位置的沉积较薄。
图2渤海湾盆地地形高程图（盆地及构造单元边界据蒋有录等，2020；OBS测线位置据Liu Lihua et al.，2015）
Fig.2Topographic elevation map in the Bohai Bay basin (basin and tectonic units boundary after Jiang Youlu et al., 2020; the location of OBS survey line after Liu Lihua et al., 2015)
（a）—构造位置图（据周琦杰等，2022）；（b）—地形高程图
(a) —tectonic location map (after Zhou Qijie et al., 2022) ; (b) —topographic elevation map
图3渤海湾盆地主要沉积层厚度分布图
Fig.3Thickness distribution of the main sedimentary layers map in the Bohai Bay basin
（a）—前新生代地层（据郝天珧等，2007，2008）；（b）—新生界（据丁增勇等，2008；Suo Yanhui et al.，2012；Liang Jintong et al.，2016）；盆地构造单元图例见图2
(a) —pre-Cenozoic (after Hao Tianyao et al., 2007, 2008) ; (b) —Cenozoic (after Ding Zengyong et al., 2008; Suo Yanhui et al., 2012; Liang Jintong et al., 2016) ; the legends of basin tectonic units are shown in Fig.2
丁增勇等（2008）、Suo Yanhui et al.（2012）和Liang Jintong et al.（2016）利用地震剖面和钻井地质资料，研究了渤海湾盆地新生界各主要组段的沉积厚度分布如图3b所示。新生界在盆地内全覆盖，海域沉积整体较厚，其中渤中凹陷是主要的沉积中心，厚度在8000 m以上；陆域较厚或分布较广泛的沉积位于盆地西北部的廊固和饶阳凹陷、西南部的东濮凹陷、中南部的惠民和东营凹陷，以及北部的西部凹陷南段，最大沉积厚度超过5000 m。
2 断裂与莫霍面分布特征
2.1 数据来源
研究使用的地形数据（图2b）和自由空间重力异常数据（图4）均来自Sandwell D T和Smith W H F共同维护的全球卫星重力数据库（Sandwell et al.，2014），两个数据的版本号分别为V 23.1和V 31.1。其中地形数据的网度为1′×1′；重力数据在海域的网度为1′×1′，总精度可以达到3.03 mGal；重力数据在陆地的网度为5′×5′，总精度可以达到4.13 mGal（Sandwell et al.，2014，2021；张功成等，2018）。
图4渤海湾盆地自由空间重力异常图
Fig.4Satellite gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
2.2 断裂分布特征
地质体被断裂破坏其连续性之后，在横向上形成密度差异，从而在重力异常上有所体现，因此依据重力异常可以推断断裂分布。本文基于地形和自由空间重力异常，采用基于球坐标系扇形柱体的广义地形改正技术得到布格重力异常（雷受旻，1984；安玉林等，2010）如图5所示，再利用归一化总水平导数垂向导数（NVDR-THDR）技术（Wang Wanyin et al.，2009；何涛等， 2019；Zhu Yingjie et al.，2021）得到布格重力异常NVDR-THDR如图6所示，以NVDR-THDR的脊值连线（王丁丁等，2021）或脊值错断位置作为断裂平面位置的主要识别标志。对于脊值线连续性差的位置，利用最小曲率位场分离技术（纪晓琳等，2015，2019）得到剩余重力异常（图7a），结合剩余异常零值线来判断。
在相关研究成果的基础上，本文从已知到未知，详细对比分析，最终得到渤海湾盆地的断裂平面分布结果如图6所示，根据欧拉反褶积方法（王万银和罗新刚，2023）得到断裂视深度分布如图7a所示。在多期次地幔对流陆壳伸展和斜向走滑拉分双动力源作用下形成了渤海湾盆地断裂体系（徐长贵等，2017）；其中地幔热作用动力源控制了盆地裂陷伸展，形成了太行山前断裂等；板块边界作用力传递到盆地区的区域应力场控制断裂发生了走滑活动，形成了郯庐断裂、兰聊-盐山断裂、霸县-束鹿-邯郸断裂、张家口-蓬莱断裂和秦皇岛-旅顺断裂等（漆家福等，1995）；在“伸展-走滑双动力源”动力学机制下，走滑作用对早期的伸展构造体系进行了叠加和改造，形成了伸展断裂和走滑断裂共生的构造格局（薛永安等，2021a）。
图5渤海湾盆地布格重力异常图
Fig.5Bouguer gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
由于印支期渤海湾盆地在华南板块与华北板块近ENE向碰撞挤压下形成大量近EW向或WNW向逆冲断裂，燕山期受东侧太平洋板块对渤海湾盆地的近WNW向挤压应力影响形成大量ENE向走滑逆冲构造，并在近NW-SE向伸展应力作用下叠加发育伸展构造（叶涛等，2022；周琦杰等，2022）；印支期WNW—EW向断裂体系与燕山期ENE向断裂体系叠加，共同主导形成了渤海湾盆地中生代东西分带、南北分块的基底构造格局（李三忠等，2010）。古近纪时又在地幔隆起扩张导致的NW-SE向水平拉张作用下，沿着燕山期形成的NNE至ENE向逆冲断裂拉张滑脱、发育断陷盆地（高战武等，2016）。因此盆地内主要发育NNE—NE向和WNW—NW向两组断裂，控制盆地结构的主要断裂属性如表1所示，由东到西依次为NNE向的郯庐断裂（盆地东界断裂），兰聊-盐山断裂、霸县-束鹿-邯郸断裂和太行山前断裂（盆地西界断裂），由南到北分布着NW向的张家口-蓬莱断裂和秦皇岛-旅顺断裂。研究表明这些断裂均为基底断裂（周维维等，2023），其中霸县-束鹿-邯郸断裂和秦皇岛-旅顺断裂是走滑型断裂（李理等，2015；杨克基等，2016），太行山前断裂为伸展型断裂（赵利和李理，2016；张功成等，2024），而郯庐断裂、兰聊-盐山断裂和张家口-蓬莱断裂则属于走滑-伸展复合型断裂（胡志伟等，2019；钟锴等，2019）。
其中郯庐断裂南北分段性明显，在研究区内被张家口-蓬莱断裂、秦皇岛-旅顺断裂等错断为5段，视深度在3.0~9.0 km；兰聊-盐山断裂、霸县-束鹿-邯郸断裂和张家口-蓬莱断裂的整体性较好，前者视深度为4.5~10.5 km，后二者的视深度为4.5~9.0 km；太行山前断裂被NW向断裂后期错断为2段，视深度范围与兰聊-盐山断裂一致；秦皇岛-旅顺断裂的视深度大于6 km，深于其他主要断裂，这可能与该断裂的隐伏特征有关。
图6渤海湾盆地布格重力异常NVDR-THDR图
Fig.6NVDR-THDR map of bouguer gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
2.3 莫霍面起伏变化特征
本文采用Zhang Yimi et al.（2023）的莫霍面反演方法，综合使用地震资料解释的莫霍面深度（刘国栋和刘昌铨，1982；刘昌铨等，1983；Zheng Tianyu et al.，2009；Hao Tianyao et al.，2013；Yang Liqiang et al.，2013；He Rizheng et al.，2014；Jia Shixu et al.，2014；Liu Lihua et al.，2015；Duan Yonghong et al.，2016；武岩等，2018；Zhang Hongshuang et al.，2018；Zhang Ping et al.，2019；Zhao Yanna et al.，2020；Vasanthi et al.，2021；Deng Xiaofan et al.，2023）作为约束信息，提取莫霍面重力异常如图8所示，反演所采用的变剩余密度分布如图9所示，利用双界面模型重力场快速反演技术（王万银和潘作枢，1993）得到莫霍面深度分布如图10a所示，从莫霍面深度中剥离海水层和沉积层厚度（图3），得到结晶地壳厚度分布如图11a所示。受持续伸展作用影响，渤海湾盆地整体位于区域性莫霍面隆起和地壳拉伸减薄的位置（胡志伟等，2019）。
图7渤海湾盆地断裂视深度分布图
Fig.7Apparent depth distribution map of faults in the Bohai Bay basin
（a）—断裂视深度；（b）—海域和陆域断裂视深度分布范围统计结果
(a) —apparent depth distribution of faults; (b) —statistical result of apparent depth distribution of faults in marine area and terrestrial area
表1渤海湾盆地主要断裂属性统计表
Table1Statistical table of main fault attributes in Bohai Bay basin
陆域地壳结构主要以兰聊-盐山断裂和霸县-束鹿-邯郸断裂为界，莫霍面由西向东呈“上隆—下凹—上隆”变化特征，地壳厚度由西向东呈“薄—厚—薄”特征。在盆地西部形成两条NNE向莫霍面深度和地壳厚度变化梯级带，内部构造单元走向基本为NNE向；以及在盆地中南部形成一条ENE向梯级带，内部构造单元走向也主要为ENE向。在太行山前断裂以东、霸县-束鹿-邯郸断裂以西的部分，莫霍面深度和地壳厚度均表现为南北分块式隆起特征：莫霍面深度的幅值在24~36 km之间，其中束鹿凹陷、饶阳凹陷和晋县凹陷位于莫霍面隆起最显著的区域；地壳厚度的幅值在15~27 km之间，主要减薄区位于饶阳凹陷、束鹿凹陷、廊固凹陷和晋县凹陷。在霸县-束鹿-邯郸断裂以东、兰聊-盐山断裂以西的部分，莫霍面基本表现为下凹，深度幅值在28~38 km之间，地壳厚度整体较厚，幅值在21~30 km之间。在兰聊-盐山断裂以东的盆地陆域部分，莫霍面主要在惠民凹陷和东营凹陷内表现为上隆，深度范围在28~35 km之间，地壳主要在惠民凹陷东北部和东营凹陷北部显著减薄，厚度范围在15~31 km之间。
图8渤海湾盆地莫霍面重力异常图
Fig.8Moho gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
海域地壳结构主要以秦皇岛-旅顺断裂和张家口-蓬莱断裂为界，莫霍面由南向北表现为“下凹—上隆—下凹”变化特征，地壳厚度表现为“厚—薄—厚”的变化趋势。在张家口-蓬莱断裂以北，莫霍面隆起和地壳厚度减薄带呈NE走向，与构造单元主要走向一致；在张家口-蓬莱断裂以南，莫霍面深度变化和地壳厚度变化较为复杂，在不同区域表现为不同走向。秦皇岛-旅顺断裂以北的莫霍面深度变化较弱，在28~33 km之间，而地壳厚度变化明显，幅值范围为17~30 km，主要减薄区位于辽中凹陷。在张家口-蓬莱断裂以北、秦皇岛-旅顺断裂以南，是莫霍面大面积隆起区，整体变化范围为23~33 km，其中渤中凹陷是整个盆地的莫霍面隆起中心，且地壳厚度变化显著，幅值范围为10~26 km，主要减薄中心位于渤中凹陷和渤东凹陷，同时渤中凹陷也是整个盆地的地壳厚度减薄中心。在张家口-蓬莱断裂以南，莫霍面深度和地壳厚度变化呈块状分布；莫霍面隆起主要位于北塘凹陷、南堡凹陷、沙南凹陷和渤中凹陷南部，整体变化范围为26~35 km，地壳厚度主要在岐口凹陷、北塘凹陷、渤中凹陷南部、南堡凹陷、沙南凹陷和莱州湾凹陷、潍北凹陷等区域减薄，厚度变化范围为18~27 km。
朱日祥等（2012）分析认为华北克拉通地壳厚度约为40 km，本文基于该认识计算得到渤海湾盆地莫霍面拉张因子和地壳拉张因子（Cai Mengke et al.，2024）分别如图12和图13所示，其在2010 OBS测线（位置如图2b所示）上的分布如图14所示。经统计，莫霍面反演结果与莫霍面约束深度（Liu Lihua et al.，2015）的平均偏差为0.7 km，说明反演结果有效可靠；同时，莫霍面起伏变化显示盆地的海域、陆域部分存在一定差异，表现为莫霍面深度呈现“陆域深，海域薄”的特征，结晶地壳厚度呈现“陆域厚，海域薄”的特征，莫霍面拉张因子和地壳拉张因子在陆域的变化程度较小，但在海域的变化显著。
图9渤海湾盆地莫霍面剩余密度分布图
Fig.9Moho residual density map in the Bohai Bay basin
3 断裂与莫霍面对油气富集海陆差异性的影响
3.1 断裂分布海陆差异性
本文对渤海湾盆地内部海域和陆域断裂的视深度进行了统计，结果如图7b所示，断裂视深度在3000~10500 m之间分布，其中海域断裂的主要视深度范围为4500~6000 m，占比约37.5%；而陆域断裂视深度主要范围为6000~7500 m，占比约40.5%。从占比分布趋势来看，视深度范围为3000~6000 m的浅部断裂主要分布于海域，而视深度范围为6000~10500 m的深部断裂中陆域断裂占比更高，说明陆域断裂的视深度整体深于海域断裂，晚期断裂活动性弱于海域。另外对渤海湾盆地海域和陆域内断裂的长度和走向也进行了统计，得到断裂长度与走向统计玫瑰花图如图15所示；其中图15a显示断裂在海域主要发育NNE—NE和WNW—NW两组走向共轭的断裂，图15b显示陆域断裂以NNE和NE走向为主，这正是由于西部陆域是主要受NNE向太行山前断裂影响的伸展构造系统，主要发生NNE-NE向构造活动；而东部海域在郯庐断裂、兰聊-盐山断裂和张家口-蓬莱断裂等影响下，还受到左旋走滑作用，发生更为复杂的伸展-走滑叠加构造活动（高战武等，2016）。
图10渤海湾盆地莫霍面深度图
Fig.10Moho depth map in the Bohai Bay basin
（a）—莫霍面深度；（b）—海域凹陷和陆域凹陷莫霍面深度统计结果
(a) —Moho depth； (b) —statistical result of Moho depth in marine sags and terrestrial sags
3.2 莫霍面起伏海陆差异性
以NNE向的郯庐断裂、兰聊-盐山断裂和太行山前断裂为界，渤海湾盆地在晚侏罗世—早白垩世具有显著的分区发育特征（何登发，2022）：兰聊-盐山断裂以西至太行山前断裂以东的地区，受拆离大断层的影响（张功成等，2024），主要发育NE和NNE向断陷盆地群（金春爽等，2012），兰聊-盐山断裂以东、郯庐断裂以西的部分，受左旋走滑影响较强，主要为NW或WNW向的断陷盆地系，郯庐断裂带内部为NNE向断陷盆地群。因此渤海湾盆地地壳结构特征与主要断裂的分布密切相关，陆域主要受NNE向断裂的影响形成“东西分带”的特征，海域进一步受到NW向断裂的影响形成“南北分段”的特征（图10a、11a）。
为进一步量化分析，本次研究选用Cai Mengke et al.（2024）给出的反映莫霍面变化特征与凹陷富油气性的4个指标：包括莫霍面深度、地壳厚度、莫霍面拉张因子，以及地壳拉张因子，对渤海湾盆地范围内32个陆域凹陷和13个海域凹陷（海陆边界处的凹陷不考虑在内）分别进行了统计。其中不同凹陷内莫霍面深度最小值、平均值、最大值和极差的分布范围及平均值分布如图10b所示，不同凹陷内地壳厚度最小值、平均值、最大值和极差的分布范围及平均值分布如图11b所示，海域和陆域不同凹陷内莫霍面拉张因子之和与地壳拉张因子之和的分布范围和平均值如图16所示。通过比较两个区域的数据，可以发现海域和陆域的莫霍面深度、地壳厚度及其拉张因子统计指标的分布范围和平均值都有所不同。这些差异反映了海域和陆域地质条件的复杂性和多样性。
图11渤海湾盆地地壳厚度图
Fig.11Crustal thickness map in the Bohai Bay basin
（a）—地壳厚度；（b）—海域凹陷和陆域凹陷地壳厚度统计结果
(a) —crustal thickness； (b) —statistical result of crustal thickness in marine sags and terrestrial sags
图10b显示海域凹陷莫霍面深度最小值的平均深度（27.9 km）小于陆域凹陷（30.7 km），莫霍面深度平均值（30.4 km）小于陆域凹陷（32.3 km），且莫霍面深度最大值的平均深度（32.5 km）小于陆域凹陷（33.7 km），表明海域凹陷的平均莫霍面顶深、平均莫霍面深度和平均莫霍面底深都浅于陆域凹陷。海域凹陷最小莫霍面深度的最小值（23.2 km）小于陆域凹陷（24.6 km），这表示海域凹陷的莫霍面顶深要比陆域凹陷浅。而不同凹陷内莫霍面深度极差的平均深度和最小深度均表现为海域凹陷（4.5 km，1.1 km）大于陆域凹陷（3.0 km，0.2 km），这表明海域凹陷的莫霍面起伏程度更大。图11b显示海域凹陷地壳厚度最小值的平均厚度（18.2 km）小于陆域凹陷（21.4 km），地壳平均厚度（21.6 km）小于陆域凹陷（24.1 km），且地壳厚度最大值的平均厚度（24.7 km）小于陆域凹陷（26.9 km），表明各海域凹陷的平均最薄地壳厚度、平均地壳厚度和平均最厚地壳厚度都大于陆域凹陷。各海域凹陷最薄地壳厚度的最小值（10.5 km）小于陆域凹陷（14.7 km），这表示海域凹陷的最小地壳厚度要薄于陆域凹陷。而不同凹陷内地壳厚度极差的平均厚度和最小厚度均表现为海域凹陷（6.5 km，3.0 km）大于陆域凹陷（5.5 km，0.5 km），说明海域凹陷的地壳厚度变化更剧烈。图16显示海域凹陷莫霍面拉张因子之和与地壳拉张因子之和的平均值（3.8×103，5.5×103）和最大值（13.6×103，20.4×103）均高于陆域凹陷的平均值（2.6×103，3.6×103）和最大值（9.5×103，14.0×103），表明海域凹陷的整体地壳拉张程度强于陆域凹陷，遭受了更强的改造和破坏。
图12渤海湾盆地莫霍面拉张因子与生烃区分类图（据叶涛，2013）
Fig.12The Moho stretching factor and classification of hydrocarbon generating zones in the Bohai Bay basin (after Ye Tao, 2013)
同时本文采用了Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验方法（Kolmogorov et al.，1933）对有关指标在海域和陆域分布的差异性进行验证，统计结果如表2所示。K-S检验首先假设海域凹陷和陆域凹陷的深部构造统计指标的数据分布相同，然后计算深部构造指标的统计量S和p值，其中S表示两组数据累积分布函数之间的最大差值，p值为判定两组数据分布相同的概率。统计量S的值越大，说明两组数据的分布越不相似，若S接近0，则说明海域和陆域凹陷的深部构造指标数据分布非常接近。若p值大于0.1，则认为海域和陆域凹陷的深部构造指标数据分布存在相似性，若p值小于0.1，则表示在90%置信水平下，该深部构造指标在海域凹陷和陆域凹陷存在显著差异。莫霍面深度最小值、最大值、平均值和极值，地壳厚度最小值、最大值和平均值，以及莫霍面拉张因子之和的K-S检验统计量S均大于0.39，p值均小于0.1，反映了这些指标除了整体幅值的差异外，数据分布的最大差异均大于39%，在90%置信水平下明显不同。地壳厚度极值和地壳拉张因子之和的K-S检验统计量S分别为0.291和0.329，p值分别为0.329和0.217，说明这两个指标在海域凹陷和陆域凹陷的分布存在一定程度的相似性，但仍在约67%以上的置信水平下具有不同的分布。
图13渤海湾盆地地壳拉张因子与生烃区分布图（据叶涛，2013）
Fig.13The crustal stretching factor and classification of hydrocarbon generating areas in the Bohai Bay basin (after Ye Tao, 2013)
3.3 断裂与莫霍面海陆差异性影响油气富集
勘探实践和地质研究表明，中国近海富烃凹陷优质烃源岩的发育主要受控于“强断陷，适度遮挡，富营养，热事件”这4个因素（米立军等，2023）。强烈断陷有利于凹陷还原环境的形成和有机质的保存，由于断层活动影响基底快速沉降、水深加大和湖盆可容空间增大，因此发育湖相优质烃源岩的富烃凹陷在主力烃源岩发育期的控凹断层活动速率和基底沉降速率越大，越有利于优质烃源岩发育；热事件有利于湖相优质烃源岩生排烃，大地热流值的空间展布又受控于断裂构造和基底埋深，沟通地幔的深大断裂还可为热液上涌提供有利通道。
表2海、陆凹陷莫霍面统计指标的K-S检验结果表
Table2The K-S test results of Moho statistical indexes in marine and terrestrial sags
图14渤海湾盆地内2010 OBS测线地壳结构剖面图（位置见图2）
Fig.14The crustal structure distribution profile of 2010 OBS survey line in the Bohai Bay basin (the profile location is shown in Fig.2)
图15渤海湾盆地断裂平面分布统计图
Fig.15Statistical map of faults located in the Bohai Bay basin
（a）—海域断裂走向与长度统计玫瑰花图；（b）—陆域断裂走向与长度统计玫瑰花图
(a) —the rose diagram of marine faults' strike and length; (b) —the rose diagram of terrestrial faults' strike and length
图16渤海湾盆地海域和陆域凹陷莫霍面/地壳拉张因子之和分布图
Fig.16Distribution map of the sum of Moho/crustal stretching factor marine sags and terrestrial sags in the Bohai Bay basin
渤海湾盆地的断裂平面位置和视深度分布情况表明，海域处于双动力源作用下的伸展-走滑叠合构造系统，比陆域的伸展构造系统更为复杂，晚期断裂的发育也强于陆域；莫霍面深度、地壳厚度、莫霍面拉张因子和地壳拉张因子在各凹陷的分布情况表明海域地壳结构发生了更加强烈的构造变形；这种海陆分布的显著差异性进一步影响了盆地内生烃区（图12，图13）的差异性分布。例如海域的渤中凹陷位于郯庐断裂和张家口-蓬莱断裂交汇位置，二者均属于沟通地幔的岩石圈断裂，周边断层活动强烈，提供了良好的“强断陷”条件，位于渤海湾盆地内莫霍面隆升和地壳拉张减薄的程度最剧烈的位置，为优质烃源岩发育提供了有利条件，同时提供热源以促进生排烃。而陆域的里垣凹陷、冠县凹陷和丘县凹陷等位于断裂活动简单且莫霍面隆升幅度小、地壳拉伸程度弱的位置，不具备形成大量优质烃源岩的条件。因此在渤海湾盆地内形成了海域生烃区以Ⅰ类为主的特征，这类区域具有较好的生烃潜力，集中分布于渤中凹陷及周边区域，另外还包括岐口凹陷、辽西凹陷、南堡凹陷、辽东凹陷南段和埕北凹陷等位置；部分Ⅱ类生烃区分布于邻近陆域的北塘凹陷和羊角沟凹陷内；少量的Ⅲ类生烃区也分布于靠近陆域的辽东凹陷北段。而陆域的Ⅰ类生烃区主要分布于饶阳凹陷、东营凹陷、霸县凹陷、廊固凹陷、惠民凹陷西南、东濮凹陷、东部凹陷和大民屯凹陷等区域，平面位置相对分散；在惠民凹陷、保定凹陷、南宫凹陷、北京凹陷和石家庄凹陷等区域有Ⅱ类生烃区分布；除此之外，生烃能力次之的Ⅲ类生烃区在陆域多有分布，主要位于里垣凹陷、德州凹陷、冠县凹陷、丘县凹陷和巨鹿凹陷内（叶涛，2013）。
同时研究发现走滑断裂体系中往往在主走滑断裂两侧伴随产生调节性伸展断层，这些伸展断层的存在使其更有利于油气运移，并且在伸展调节断层密集发育、伸展活动较强的圈闭中，更容易形成油气藏，反之则油气成藏几率低（夏庆龙和徐长贵，2016）。因而海域复杂断裂带的发育决定了围绕海域走滑活动中主干断裂会产生更强烈的伸展断层活动，相对陆域部分能够进一步促进油气运移和成藏，从而形成了渤海湾盆地油气聚集的海陆差异性分布。
4 结论
本文通过分析地形和自由空间重力异常数据，运用基于球坐标系扇形柱体的广义地形改正技术、NVDR-THDR技术、欧拉反褶积方法、最小曲率位场分离方法和双界面快速反演方法等，成功揭示了渤海湾盆地的断裂分布和莫霍面活动特征：
（1）渤海湾盆地断裂体系在多期次地幔对流陆壳伸展和斜向走滑拉分双动力源作用下形成，盆地内主要发育NNE—NE向和WNW—NW向两组断裂，控制盆地结构的主要断裂包括郯庐断裂、兰聊-盐山断裂、霸县-束鹿-邯郸断裂、太行山前断裂、秦皇岛-旅顺断裂和张家口-蓬莱断裂。断裂在平面位置和视深度上均存在海陆分布差异，海域NNE—NE向和WNW—NW向断裂同时发育，视深度主要位于4500~6000 m之间，而陆域断裂走向以NNE—NE向为主，视深度主要位于6000~7500 m之间。
（2）莫霍面起伏变化特征显示，渤海湾盆地整体位于区域性莫霍面隆起和地壳拉伸减薄的位置。陆域莫霍面深度和地壳厚度变化受NNE—NE向断裂影响形成“东西分带”特点，海域则进一步受WNW—NW向断裂影响形成“南北分段”特点。莫霍面起伏变化揭示了盆地内部的地壳结构差异，其中凹陷内莫霍面深度、地壳厚度以及拉张因子统计指标表现出显著海陆差异，整体表现为海域构造变形更加剧烈、莫霍面上升隆起程度更大、地壳拉张减薄更强：海域凹陷的莫霍面深度平均值为30.4 km，地壳厚度平均值为21.6 km，莫霍面拉张因子之和平均值为3.8×103，地壳拉张因子之和平均值为5.5×103，陆域凹陷的莫霍面深度平均值32.3 km，地壳厚度平均值为24.1 km，莫霍面拉张因子之和平均值为2.6×103，地壳拉张因子之和平均值为3.6×103。
（3）断裂分布和莫霍面起伏变化的海陆差异进一步影响了盆地内生烃区的分布。海域复杂的伸展-走滑构造系统以及强烈莫霍面起伏变化为优质烃源岩发育和生排烃，以及油气的运移和聚集提供了有利条件，而陆域处于相对简单的伸展构造系统且莫霍面起伏变化相对较弱，因此油气富集条件弱于海域。
综上所述，渤海湾盆地的断裂分布和莫霍面起伏变化特征，特别是其海陆差异性，对于理解盆地的地质演化和油气资源分布具有重要价值，为今后的地质研究和油气勘探提供了宝贵的科学依据。
致谢：感谢“向阳红8号”、“奋斗7号”和“发现2号”调查船的全体人员在渤海海陆联测数据采集中的辛勤工作。感谢中国科学院地质与地球物理研究所的郝天珧、剑桥大学的吕川川和中国科学院声学研究所的刘丽华等工作人员，他们在渤海海陆联测数据的处理与解释方面作出了重要贡献，为本研究提供了重要的莫霍面深度约束资料。
图1渤海湾盆地海域和陆域油气资源丰度分布图（据李建忠等，2019；杨舒越等，2024）
Fig.1Oil and gas resource abundance distribution map of the Bohai Bay basin (after Li Jianzhong et al., 2019；Yang Shuyue et al., 2024)
图2渤海湾盆地地形高程图（盆地及构造单元边界据蒋有录等，2020；OBS测线位置据Liu Lihua et al.，2015）
Fig.2Topographic elevation map in the Bohai Bay basin (basin and tectonic units boundary after Jiang Youlu et al., 2020; the location of OBS survey line after Liu Lihua et al., 2015)
图3渤海湾盆地主要沉积层厚度分布图
Fig.3Thickness distribution of the main sedimentary layers map in the Bohai Bay basin
图4渤海湾盆地自由空间重力异常图
Fig.4Satellite gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
图5渤海湾盆地布格重力异常图
Fig.5Bouguer gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
图6渤海湾盆地布格重力异常NVDR-THDR图
Fig.6NVDR-THDR map of bouguer gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
图7渤海湾盆地断裂视深度分布图
Fig.7Apparent depth distribution map of faults in the Bohai Bay basin
图8渤海湾盆地莫霍面重力异常图
Fig.8Moho gravity anomaly map in the Bohai Bay basin
图9渤海湾盆地莫霍面剩余密度分布图
Fig.9Moho residual density map in the Bohai Bay basin
图10渤海湾盆地莫霍面深度图
Fig.10Moho depth map in the Bohai Bay basin
图11渤海湾盆地地壳厚度图
Fig.11Crustal thickness map in the Bohai Bay basin
图12渤海湾盆地莫霍面拉张因子与生烃区分类图（据叶涛，2013）
Fig.12The Moho stretching factor and classification of hydrocarbon generating zones in the Bohai Bay basin (after Ye Tao, 2013)
图13渤海湾盆地地壳拉张因子与生烃区分布图（据叶涛，2013）
Fig.13The crustal stretching factor and classification of hydrocarbon generating areas in the Bohai Bay basin (after Ye Tao, 2013)
图14渤海湾盆地内2010 OBS测线地壳结构剖面图（位置见图2）
Fig.14The crustal structure distribution profile of 2010 OBS survey line in the Bohai Bay basin (the profile location is shown in Fig.2)
图15渤海湾盆地断裂平面分布统计图
Fig.15Statistical map of faults located in the Bohai Bay basin
图16渤海湾盆地海域和陆域凹陷莫霍面/地壳拉张因子之和分布图
Fig.16Distribution map of the sum of Moho/crustal stretching factor marine sags and terrestrial sags in the Bohai Bay basin
表1渤海湾盆地主要断裂属性统计表
Table1Statistical table of main fault attributes in Bohai Bay basin
表2海、陆凹陷莫霍面统计指标的K-S检验结果表
Table2The K-S test results of Moho statistical indexes in marine and terrestrial sags
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