鲁西地区晚中生代—古近纪伸展构造的应力场数值模拟

胡秋媛，李 理

(1.中国石油大学 胜利学院 油气工程学院，山东 东营 257000；2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

鲁西地区晚中生代—古近纪伸展构造的应力场数值模拟

胡秋媛1，李 理2

(1.中国石油大学 胜利学院 油气工程学院，山东 东营 257000；2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

通过对鲁西地区的野外地质踏勘，结合对济阳坳陷地球物理资料的解释，对鲁西地区的伸展构造特征进行系统研究，并对其发育演化进行了地质建模。在此基础上，运用基于有限元方法的Ansys12.0软件对研究区晚中生代—古近纪伸展构造的发展演化进行了三维构造应力场数值模拟，取得了与实际地质情况较高的吻合度。模拟结果显示，晚中生代—古近纪，鲁西地区构造应力场的强度经历了强—较强—弱的演化过程，最大主应力方向发生了从NW-SE到NWW-SEE，再到NE-SW的重大转变，其中古新世—早始新世为构造应力场变革转型的过渡期，中始新世—渐新世为鲁西隆起与济阳坳陷分异演化的重要阶段。此伸展构造演化对坳陷区油气的聚集及隆起区金属矿产的富集具有重要的控制作用，其动力来源主要受控于区域上太平洋板块向欧亚板块俯冲方式的转变、郯庐等边界大断裂走滑活动的变化以及垂向上地幔物质的上涌强度等关键因素。

应力场；数值模拟；伸展构造；晚中生代—古近纪；鲁西地区

有限元数值模拟是构造应力场定量分析与研究的有效方法之一，对重现自然界地质构造的区域应力场空间展布及其动力学演化过程具有重要意义。有限元数值模拟方法起初主要用于构造体系和型式研究，后被引入到地球动力学问题的研究中[1-2]。近年来，有限元数值模拟已取得长足发展，逐步实现了由定性向定量、由二维向三维的重大跨越[3-5]。鲁西地区中、新生代地处板块内部，但板内伸展变形机制始终是板块构造理论难以解决的难题之一，以其作为研究对象，在野外地质踏勘及地球物理研究的基础上，针对前期二维数值模拟中平面地质模型失真严重、边界条件施加局限大等问题，建立三维地质模型，对其不同构造时期进行应力场数值模拟，系统研究了晚中生代—古近纪研究区伸展构造的演化期次，进而探讨其形成机制及对油气、矿产的控制，以期对本区伸展构造演化的应力场特征获得系统、定量的认识。

1 区域地质概况

鲁西地区以齐河—广饶断层为界，包含鲁西隆起和济阳坳陷一隆一坳2个构造单元。其东以郯庐断裂为界，西以聊城—兰考断裂为界，北接埕宁隆起，南抵丰沛断层(图1)。

研究区地层发育齐全，为典型的华北克拉通型地层，包括基底和盖层2部分。基底构造主要由太古宇泰山岩群、TTG岩系和古元古代花岗岩组成，而沉积盖层则由新元古界、古生界、中生界和新生界碎屑岩和碳酸盐岩组成。

2 鲁西地区伸展构造

鲁西地区的伸展构造主要包括陡倾斜正断层和缓倾斜滑脱断层，二者共同构成了研究区独有的“伸展构造格局”[6]。陡倾斜正断层主要为脆性正断层，呈NW、NWW向展布，其主要继承受印支运动影响的NW向逆断层发育而来[7-8]，在部分NE向和近EW向断层的调节下，使平面上呈现典型的“块断”构造格局。其中，以NW、NWW向陡倾斜正断层发育较早，控制中、新生代的沉积，如汶泗断层、蒙山断层、新泰—垛庄断层、泰山—铜冶店断层、陈南断层和埕南断层(图1)，对区域伸展活动起主导作用，是本文应力场数值模拟的重点。缓倾斜滑脱断层为倾角较缓的伸展正断层，多沿不整合面、岩性突变面、沉积间断面发育。其中，在鲁西隆起主要位于太古宇/寒武系界面和奥陶系/石炭—二叠系界面，以前者最具规模；在济阳坳陷，除上述界面处存在主滑脱断层外，新生界、中生界及奥陶系内部存在滑脱断层。

图1 鲁西地区区域构造位置

在鲁西隆起区，笔者通过多次野外地质调查，沿区域内典型陡倾斜正断层和缓倾斜滑脱断层的走向追踪，对伸展构造的野外地质特征进行综合描述(表1)。

在济阳坳陷区，结合地球物理资料研究了伸展构造的特征。陈南断层东段沿NW340°延伸，穿过东营凹陷的南北向测线L616显示[9]，该断层剖面上呈陡倾斜铲状，倾角40°，上盘沉积古生界、新生界，下盘为新近系和第四系直接覆盖于太古宇之上。埕南断层平面上呈弧形展布，分西、中、东三段，其中西、中段剖面呈陡倾铲状，倾角65°，控制车镇凹陷中、新生代的沉积。同样，地球物理资料证实了坳陷区缓倾斜滑脱断层的存在，王家岗地区过王古1井的地震反射剖面显示，下古生界显著增厚[10]，若以均质匀速对比计算周围古生界，地层厚度增加1倍，且此处地层产状与区域地层产状基本一致；埕岛地区过埕北302、埕北303的连井剖面显示，太古宇/下古生界界面上发育较大规模的缓倾斜滑脱断层。

上述资料研究表明，区内伸展构造极为发育，陡倾斜正断层多呈NW-NWW向展布，平面上构成向北凸出的“弧形”(图1)，剖面上呈高角度发育，倾向S-SW，倾角60°～70°，自南向北呈“阶梯状”半地堑组合。缓倾斜滑脱断层在区内普遍发育，滑脱界面主要为太古宇/下古生界及奥陶系/石炭—二叠系界面，其倾角极缓，均在10°左右，滑动方向向北，与上述陡倾斜正断层共同构成了“书斜式”剖面组合(图2)。此外，利用平衡剖面恢复(剖面位置见图1)研究了陡倾斜正断层的运动学特征。结果表明，NW向伸展断层在晚侏罗世—早白垩世、古新世—早始新世活动均较强，自中始新世活动强度明显减弱；NE向伸展断层自古新世开始活动，尤其是中始新世以来活动明显增强。

表1 鲁西隆起伸展构造野外地质特征

图2 鲁西地区伸展构造剖面组合型式 剖面位置、断层编号见图1。

3 构造应力场数值模拟

自晚中生代以来，鲁西地区经历了一系列伸展裂陷作用，前述的伸展构造特征研究为地质模型的建立奠定了基础。本文利用基于有限元方法的Ansys12.0对研究区晚中生代—古近纪的构造应力场进行数值模拟，此处仅选取拟合程度最高的一组进行讨论。

3.1 地质模型、力学参数及边界条件

3.1.1 地质模型的建立

将鲁西地区视为一整体，数字化提取主要构造，分别建立晚侏罗世—早白垩世(140～65 Ma)、古新世—早始新世(65～53 Ma)和中始新世—渐新世(53～23.3 Ma)3期地质模型。根据前述伸展构造特征和地球物理剖面揭示的研究区Moho面平均深度，将地壳模型厚度定为30 km。

3.1.2 岩石力学参数的选取

在地质模型建立的基础上，将模型材料视为弹性介质，通过岩石力学实验进行测试，并将所得数据进行加权平均，最终确定模拟实验的相关力学参数(表2)。

3.1.3 边界条件的确定

边界条件的确定主要依据鲁西地区各构造演化阶段的动力学背景[11-13]。为尽可能真实地恢复研究区不同阶段的伸展演化，同时满足有限元分析的需要，模拟过程中深度方向定为Z轴，X轴方向指东，Y轴方向指北，对晚侏罗世—早白垩世和古新世—早始新世2期模型，约束南、西两侧边界，在其北、东两侧边界分别施加拉张力和挤压力，沿Z轴方向施加上拱力；对中始新世—渐新世模型，约束南、西两侧边界，在其北、东两侧边界分别施加挤压力和拉张力，沿Z轴方向施加上拱力。利用APDL参数化编程语言编写计算处理模块，经反复加载运算，确定最佳边界条件(表3)。

表2 鲁西地区构造应力场数值模拟岩石力学参数

表3 鲁西地区3期构造应力场数值模拟力学边界条件

3.2 应力场数值模拟结果

晚侏罗世—早白垩世，平面上NW-NWW向左行斜列的断裂处均存在明显的应力梯度带，最大主应力值集中在67.7～82.1 MPa(图3a)，方向沿NW-SE向，自南向北依次为汶泗断层、蒙山断层、新泰—垛庄断层、泰山—铜冶店断层、陈南断层东段和埕南断层东段，表明NW-NWW向断层活动显著，研究区已开始第一次大规模的伸展活动(图3b)。垂直上述断层的走向切取一条SW-NE-SN向剖面，剖面最大主应力云图显示，此时期沿太古宇/寒武系和奥陶系/石炭—二叠系界面的缓倾斜滑脱断层广泛发育(图4a)，伸展正断层使两盘不断掀斜，重力滑动作用导致缓倾斜滑脱断层的发生(图4b)，这为后期济阳坳陷的油气聚集和鲁西隆起金属矿产的富集提供了前提条件。由此推测，晚侏罗世—早白垩世是区域性缓倾滑脱断层产生的第一个重要时期。古新世—早始新世，平面主应力分布结果显示，NW-NWW向断层持续活动，且近EW向和NE向断层也开始活动，最大主应力值集中在21.3～57 MPa(图3c)，方向近NWW-SEE向(图3d)，与NE向断层走向斜交，这表明NE向断层除发生伸展活动外，已具有一定走滑性质。与前阶段对比，此时期断层活动已开始向坳陷区迁移，成为研究区伸展裂陷的又一重要阶段，这与此时期构造演化背景拟合较好(图3d)。对比剖面应力场模拟结果(图4c)，沿太古宇/寒武系界面的缓倾斜滑脱断层持续发育，且鲁西隆起区已出现隆升的雏形，这与来自隆起区蒙山、莲花山、泰山抬升速率与时间的裂变径迹证据相吻合[14-15]，同时平衡剖面恢复也印证了此期大规模伸展运动的发生(图4d)。由此推断，古新世—早始新世为研究区伸展构造发育的又一个重要时期。中始新世—渐新世，平面最大主应力结果与前期已大为迥异，NW向断层带的差异应力已极为微弱，转为NE向断层处出现明显的应力梯度，最大主应力值集中在12.6～23.7 MPa(图3e)，方向呈NE-SW(图3f)。这表明NE向断层活动大大增强，而NW向断层的活动受到限制，研究区开始了NW-SE向的伸展。上述模拟结果与前述陡倾斜正断层的运动学特征一致。同时，对比济阳坳陷和鲁西隆起，隆起区断层活动已接近尾声，伸展裂陷迁移至济阳坳陷。由此推断，至渐新世，鲁西隆起的伸展活动基本停止，即研究区由南向北、由东向西发生了构造迁移。这种构造迁移和NE向断层的快速活动无疑对坳陷区的沉积及油气聚集具有重要的控制作用。与此对应，剖面结果清晰显示(图4e)，沿太古宇/寒武系界面的滑脱断层再次活动，鲁西隆起快速抬升。由此判断，鲁西隆起与济阳坳陷自此开始分异，进入各自的隆—坳演化历史。这与此时期的构造演化及断层发育情况相吻合(图4f)。中始新世—渐新世成为研究区又一次大规模伸展活动的重要时期。

图3 鲁西地区晚中生代—古近纪平面构造应力场数值模拟结果及解译

利用剖面模拟结果(图4a，c，e)定量计算了研究区3个演化阶段的伸展率(设剖面初始长度为L0，伸展后的长度为L1，则阶段伸展率可表示为(L1-L0)/L0。将计算结果与平衡剖面恢复结果对比(图5)，二者拟合程度较高，研究区自晚中生代开始伸展，古新世—早始新世持续活动，伸展率达到高峰，中始新世—渐新世伸展率仍保持较高水平，研究区再一次发生大规模伸展活动。

图4 鲁西地区晚中生代—古近纪剖面构造应力场数值模拟结果及解译

图5 鲁西地区晚中生代—古近纪伸展率对比

综合分析构造应力场数值模拟结果表明，晚中生代以来的3个伸展阶段(晚侏罗世—早白垩世、古新世—早始新世、中始新世—渐新世)，构造应力场强度经历了强—较强—弱的转化过程，这与板块俯冲的强弱相吻合，而区域伸展方向经历了由NE-SW到NNE-SSW，再到NW-SE的重要转变。

4 伸展构造演化及形成机制探讨

鲁西地区伸展构造的形成，与晚中生代—古近纪中国东部构造应力场的发展演化有着密切的成生关系。构造应力场数值模拟表明，研究区伸展构造演化主要受晚中生代以来构造变革的影响和制约。究其深部背景，主要受控于区域上太平洋板块俯冲方式的转变、郯庐等边界大断裂走滑活动的变化及垂向上地幔物质的上涌强度等关键因素。

4.1 晚侏罗世—早白垩世

晚侏罗世—早白垩世是中国东部重要的构造转折阶段，构造体制发生了由挤压到伸展的重大转变，这与太平洋板块向欧亚大陆的俯冲紧密相关。中侏罗世(180 Ma左右)，西太平洋Izanaqi板块以4.7 cm/a正向俯冲于欧亚大陆；晚侏罗世(140 Ma左右)，其突然以30 cm/a的高速沿NNW向俯冲于欧亚大陆[17](图3b)，从而诱发郯庐断裂的左行平移和沧东—兰聊断裂的右行平移。同时，140～110 Ma是中国东部中生代岩浆活动和地幔底侵的峰期，也是岩石圈减薄最快的时期[18]，为区域伸展活动创造了条件。在上述因素共同控制下，研究区开始大规模的NE-SW向伸展。基底的剧烈拉张导致NW-NWW向伸展正断层快速活动，与郯庐断裂共同构成了“Y”字形平面构造样式(图3a，b)。伴随断层切割深度不断加大，区内形成NW向左行斜列式的小规模半地堑，呈现“凹凸凹”格局的雏形。自此，鲁西地区进入第一个大规模的伸展裂陷期，伸展构造经历了第一次快速发展。

4.2 古新世—早始新世

古新世—早始新世(65～53 Ma)是鲁西地区构造演化的重要转型期。太平洋板块的俯冲速度明显降低，沿NNW向以7.8 cm/a的速度俯冲于欧亚大陆[11]，主要边界走滑断裂继承了晚中生代的活动，二者共同夹持使研究区处于三角形地块中，发生向南的构造逃逸[19]，产生近南北向的拉张应力场(图3d)。数值模拟结果显示了逃逸块体内部的伸展作用，先期的NW向断层自南向北依次伸展，NW向半地堑持续发育，部分近EW-NE向断层开始活动。至此，隆起区的NW向半地堑已基本成形，成为控制煤田、金矿等分布的重要因素；而NW向陡倾斜正断层的活动控制了区内中生代隐爆角砾岩型和矽卡岩型金属矿床，同时大规模滑脱断层的发育造成一系列侵入角砾岩型金属矿床[20]。

4.3 中始新世—渐新世

中始新世—渐新世(53～23.3 Ma)是研究区又一次大规模的伸展活动期。中始新世晚期(43.5 Ma)，印欧板块与太平洋板块碰撞达到高峰[21-22]，太平洋板块俯冲方向转向NWW，速度减为3.8 cm/a[11]。基于此，郯庐断裂带转为右行走滑[23]，从而使构造应力场发生了由近SN向拉伸到NW-SE向拉伸的转变(图3f)。上述因素控制下，NE向断层广泛发育，NW向断层基本停止活动。数值模拟结果证实了此阶段的断层活动特征，区内整体呈现向北凸出的弧形(图3e)。同时，岩浆活动为缓倾斜滑脱断层提供了驱动力，尤其是泰山—鲁山—沂山的快速抬升[24]，诱发其两侧滑脱断层的发育。至渐新世，华北克拉通已相对稳定，构造活动和沉积中心逐渐向北迁移，鲁西隆起不断抬升，济阳坳陷大幅沉降，陡倾斜正断层的活动控制了主力烃源岩的沉积，且生油岩厚度大、质量好，成为控制油气成藏的重要因素；缓倾斜滑脱断层既是油气运移的通道，其附近发育的裂缝和溶蚀孔隙也成为油气聚集的重要场所。据资料显示，43 Ma前研究区是一个相连的大盆地[24]，由此推断，中始新世—渐新世是鲁西隆起和济阳坳陷分异的重要阶段，二者也因此成为研究区伸展构造演化的2个重要对比样本。

5 结论

(1)鲁西隆起区野外地质踏勘资料和济阳坳陷区部分地球物理资料证实，鲁西地区的伸展构造包括陡倾斜正断层和缓倾斜滑脱断层，二者共同构成了研究区独有的“伸展构造格局”。陡倾斜正断层主要以NW、NWW向展布，缓倾斜滑脱断层主要沿不整合面、岩性突变面、沉积间断等发育，在研究区以太古宇/下古生界间发育最具规模。

(2)构造应力场数值模拟结果显示，鲁西地区晚中生代—古近纪伸展构造演化经历了3个阶段，构造应力场的强度经历了强—较强—弱的演化过程，最大主应力方向发生了从NW-SE到NWW-SEE，再到NE-SW的重大转变。晚侏罗世—早白垩世(140～65 Ma)为第一次大规模伸展裂陷期，伸展方向为NE-SW向；古新世—早始新世(65～53 Ma)持续伸展期，区域伸展方向由NE-SW向向近SN向过渡，为构造应力场变革转型的过渡期；中始新世—渐新世(53～23.3 Ma)为又一次大规模伸展活动期，伸展方向转为NW-SE向，该期也是鲁西隆起与济阳坳陷分异演化的重要阶段。应力场数值模拟结果与实际地质情况吻合度较高。

(3)构造应力场数值模拟实验证实，鲁西地区的伸展构造演化受到晚中生代以来构造变革的影响与制约，其构造应力场演化受控于区域上太平洋板块向欧亚板块俯冲方式的转变、郯庐等边界大断裂走滑活动的变化以及垂向上地幔物质的上涌强度等关键因素。

(4)伸展构造晚中生代—古近纪的演化规律对济阳坳陷油气的运移、聚集和鲁西隆起区金属矿产的富集具有重要的控制作用。

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(编辑 徐文明)

Numerical simulations of tectonic stress fields for Late Mesozoic-Paleogene extensional tectonics in western Shandong

Hu Qiuyuan1, Li Li2

(1.DepartmentofOil&GasEngineering,ShengliInstituteofChinaUniversityofPetroleum,Dongying,Shandong257000,China; 2.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China)

Extensional tectonics in the West Shandong Uplift were examined and geological models were established using field geological survey data of the western Shandong and the geophysical data of the Jiyang Depression . Based on a finite element method, we adopted the Ansys12.0 software to carry out a 3D tectonic stress field numerical simulation of the extensional tectonic evolution of the study area from the Late Mesozoic to Paleogene, which fit well with the actual geological conditions. The results indicated that the tectonic stress field evolved from strong to weak from the Late Mesozoic to Paleogene, and the maximum principal stress axis transferred from NW-SE to NWW-SEE, and then to NE-SW, which was a major shift. Paleocene-Early Eocene was a transitional period with its stretching orientation transformed from NE-SW to NS, and Eocene-Oligocene was a significant phase for uplift-depression differentiation when the West Shandong Uplift and the Jiyang Depression became separated and evolved separately. This evolution regularity had an important control on the migration and accumulation of oil and gas in the Jiyang Depression and the enrichment of metallic minerals in the West Shandong Uplift. The essential factors leading to the tectonic evolution were the changes of the Pacific Plate subduction, the strike slipping motion along the major boundary fractures, and the magma under plating.

tectonic stress field; numerical simulation; extensional tectonics; Late Mesozoic-Paleogene; western Shandong

1001-6112(2015)02-0259-08

10.11781/sysydz201502259

2014-10-09；

2015-01-20。

胡秋媛(1984—)，女，硕士，讲师，从事构造地质学研究。E-mail: huqiuyuan_1984@163.com

国家自然科学基金项目(40772132)和中国石油大学胜利学院春晖计划重点项目(13070901)共同资助。

TE121

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