胡秋媛

（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程系，山東 東營257000）

魯西地區(qū)地質(zhì)現(xiàn)象極為豐富，是研究伸展構(gòu)造的有利區(qū)域，前人已在伸展構(gòu)造類型、特征及形成演化機(jī)制等方面取得過較為明確的認(rèn)識［1－3］，但對全區(qū)卻缺乏構(gòu)造應(yīng)力場方面的定量支持。目前，構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬已成為構(gòu)造應(yīng)力場定量研究的有效手段，主要探討區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場在空間的分布狀態(tài)及其隨時(shí)間發(fā)生的動(dòng)態(tài)演化，從而推測構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的演化過程及地質(zhì)構(gòu)造的形成機(jī)制，其中，以“有限元數(shù)值模擬方法”應(yīng)用最為普遍［4－6］。本文以野外露頭觀察、鉆井巖心資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法分別討論魯西地區(qū)平面和剖面構(gòu)造應(yīng)力場的基本特征，并對研究區(qū)晚中生代伸展構(gòu)造的形成和演化機(jī)制進(jìn)行深入探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯西地區(qū)位于華北板塊中東部，包括濟(jì)陽坳陷和魯西隆起兩個(gè)次級構(gòu)造單元。研究區(qū)東以郯廬斷裂帶為界，西達(dá)滄東－蘭聊斷裂帶，南、北分別以豐沛斷層和埕寧隆起為界，整體呈近似平行四邊形（圖1）。魯西地區(qū)自形成至今，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，在不同地質(zhì)背景下形成了不同的構(gòu)造格局［2，7］。受印支期強(qiáng)烈擠壓作用的影響，發(fā)育一系列NW向逆沖斷裂與褶皺，對后期構(gòu)造格局產(chǎn)生重要影響。燕山運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈作用，使區(qū)域構(gòu)造格局發(fā)生重大變革，古太平洋板塊NNW向的俯沖誘發(fā)了先期NW向逆沖斷裂發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到晚侏羅世－早白堊世，在伸展環(huán)境控制下，NW向逆沖斷裂再度活化，負(fù)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加劇，繼承性發(fā)育多條伸展正斷層，從而使研究區(qū)產(chǎn)生一系列NW向箕狀半地塹，剖面上整體呈現(xiàn)出典型的“壘塹相間”格局。

圖1 魯西地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置

2 構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬

構(gòu)造應(yīng)力場的準(zhǔn)確分析需建立在正確認(rèn)識研究區(qū)構(gòu)造背景和構(gòu)造格局基礎(chǔ)上，其中，地質(zhì)模型和力學(xué)模型的建立是構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬的關(guān)鍵因素［8］。

2.1 地質(zhì)模型的建立

晚侏羅世－早白堊世的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使研究區(qū)進(jìn)入了第一個(gè)重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)折期，西太平洋板塊沿NNW方向高速俯沖于歐亞大陸，誘發(fā)了滄東－蘭聊斷裂、郯廬斷裂帶等發(fā)生NNE向的左旋走滑運(yùn)動(dòng)［9－10］；同時(shí)，板塊的俯沖運(yùn)動(dòng)促使地幔柱和巖漿活動(dòng)加劇，從而使陸殼減薄、局部巖漿上涌，進(jìn)一步導(dǎo)致研究區(qū)先期的逆沖斷層發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［11］。在此動(dòng)力學(xué)背景下，以坳陷區(qū)鉆井巖心資料和隆起區(qū)野外露頭資料為基礎(chǔ)，數(shù)字化提取研究區(qū)主要構(gòu)造，分別以郯廬斷裂、滄東－蘭聊斷裂、埕南斷層北部走滑斷層和豐沛斷層為界，建立平面構(gòu)造模型（圖2）。為保證應(yīng)力場結(jié)果的準(zhǔn)確性和邊界條件施加的方便性，選取矩形輔助邊框，大于研究區(qū)的實(shí)際范圍。

在建立平面地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步建立合理的剖面地質(zhì)模型，需進(jìn)一步考慮魯西地區(qū)的深部構(gòu)造。選取研究區(qū)典型測線（測線位置見圖1），以構(gòu)造演化平衡剖面資料為依據(jù)，建立剖面地質(zhì)模型（圖3）。測線自南而北分別切過汶泗斷層、蒙山斷層、新泰－垛莊斷層、銅冶店斷層、齊廣斷層、陳南斷層?xùn)|段及埕南斷層?xùn)|段。

圖2 研究區(qū)平面地質(zhì)模型及力學(xué)邊界條件

2.2 力學(xué)模型的建立

對不同構(gòu)造單元、不同層位的巖石取樣作力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，確定巖石力學(xué)參數(shù)，確定邊界條件的約束和加載方式，以及制定斷層的處理方案，是建立合理力學(xué)模型的基礎(chǔ)。

圖3 研究區(qū)剖面地質(zhì)模型及力學(xué)邊界條件

2.2.1 巖石力學(xué)參數(shù)的選取

巖石的力學(xué)參數(shù)既與所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，也與其本身組構(gòu)密切相關(guān)。在上述平面和剖面模型基礎(chǔ)上，分別抽象出不同的結(jié)構(gòu)單元，并綜合分析研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)概況和部分實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，確定應(yīng)力場數(shù)值模擬所需的彈性模量、泊松比等參數(shù)（表1、表2）。

表1 平面模型巖石力學(xué)參數(shù)

表2 剖面模型巖石力學(xué)參數(shù)

2.2.2 邊界條件的確定

晚侏羅世－早白堊世魯西地區(qū)的構(gòu)造形態(tài)特征及區(qū)域構(gòu)造背景是確定邊界條件的基礎(chǔ)。對于平面模型，左側(cè)邊界采用X方向約束，底部邊界采用Y方向約束，保證模型不發(fā)生整體剛性運(yùn)動(dòng)，經(jīng)反復(fù)模擬試算，頂部邊界施加58.2MPa的遠(yuǎn)場拉張應(yīng)力，右側(cè)邊界施加10.5MPa的遠(yuǎn)場擠壓應(yīng)力（圖2）。對于剖面模型，底部邊界采取滑動(dòng)鏈條支撐，經(jīng)反復(fù)模擬試算，左右邊界各施加28MPa的遠(yuǎn)場拉張應(yīng)力（圖3）。

3 模擬結(jié)果分析

以魯西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)為前提，將研究區(qū)力學(xué)模型轉(zhuǎn)為計(jì)算模型，調(diào)用ANSYS11.0有限元程序進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，輸出模擬結(jié)果，最終調(diào)用ANSYS軟件的后處理模塊將模擬結(jié)果繪制成圖。下面分別對魯西地區(qū)平面構(gòu)造應(yīng)力場和剖面構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 平面構(gòu)造應(yīng)力場分析

平面構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果顯示出魯西地區(qū)最大主應(yīng)力及方位的分布與特征。全區(qū)最大主應(yīng)力均顯示為壓應(yīng)力，應(yīng)力主要分布于0～26.3MPa之間（圖4），矢量方位整體上近NW－SE向展布（圖5），與邊界擠壓應(yīng)力方位一致，尤其是坳陷區(qū)的東部及隆起區(qū)的大部均處于應(yīng)力相對高值區(qū)，表明這些區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)相對較強(qiáng)，很容易在NW－SE向擠壓應(yīng)力下發(fā)育NW向伸展構(gòu)造，這與此時(shí)期斷層活動(dòng)性質(zhì)由印支期的逆沖斷層負(fù)反轉(zhuǎn)為伸展正斷層的構(gòu)造現(xiàn)象十分吻合。以上分析證實(shí)，NW－SE向的區(qū)域擠壓應(yīng)力是該時(shí)期NE向伸展運(yùn)動(dòng)的主控因素。

圖4 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世平面最大主應(yīng)力云圖

研究區(qū)最大主應(yīng)力矢量方位在一系列NW向斷層附近發(fā)生匯聚（圖5），尤其是斷層兩端，矢量線發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)匯聚，如蒙山斷層、銅冶店斷層等，表明此類地區(qū)主應(yīng)力發(fā)生相對集中，為釋放應(yīng)力，極易進(jìn)一步誘發(fā)各類次級構(gòu)造。

由圖5中最大主應(yīng)力矢量與研究區(qū)各斷層走向的分布關(guān)系，可以確定一系列NW向斷層的力學(xué)性質(zhì)。最大主壓應(yīng)力矢量方位與NW向斷層走向近平行，由此派生出的NE－SW向張應(yīng)力恰與NW向斷層近垂直相交，符合安德生正斷層成因模式。由此可進(jìn)一步判定，印支期發(fā)育的NW向逆沖斷層在晚侏羅世－早白堊世活動(dòng)性質(zhì)發(fā)生了根本改變，發(fā)生負(fù)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這與此時(shí)期NW向伸展正斷層的活動(dòng)特征吻合。

3.2 剖面構(gòu)造應(yīng)力場分析

圖5 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世平面最大主應(yīng)力矢量分布

剖面模擬結(jié)果表明，研究區(qū)剖面最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，應(yīng)力值分布在0～25.3MPa間（圖6），遠(yuǎn)離斷裂帶區(qū)域的最大主應(yīng)力矢量方向?yàn)榻U直方向，且整體分布較均勻（圖7），表明研究區(qū)此時(shí)期剖面構(gòu)造應(yīng)力場相對平穩(wěn)。而最大主應(yīng)力及矢量方位在各斷層附近發(fā)生明顯變化，斷層兩側(cè)應(yīng)力矢量與斷裂帶近平行，表明晚侏羅世－早白堊世區(qū)內(nèi)各斷層主要表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)，這與平面構(gòu)造應(yīng)力場分析結(jié)果吻合。而斷裂帶兩端最大主應(yīng)力矢量變化較大且發(fā)生匯聚，表明此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，為釋放應(yīng)力，極易進(jìn)一步發(fā)生構(gòu)造活動(dòng)。而分布在斷裂帶兩側(cè)的斷塊，主應(yīng)力矢量分布稀疏，表明此區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場相對穩(wěn)定，構(gòu)造活動(dòng)較其他地區(qū)明顯減弱，各斷塊易保持自身的穩(wěn)定性與完整性。同時(shí)，由剖面應(yīng)力場模擬結(jié)果可看出，太古宇和古生界間及上、下古生界間均存在較明顯的應(yīng)力差，由此可推測，在上述兩界面處可能會(huì)發(fā)育滑脫斷層，這與區(qū)域K－Ar同位素測年得出的結(jié)論［12］一致。

圖6 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世剖面最大主應(yīng)力云圖

圖7 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世剖面最大主應(yīng)力矢量分布

4 結(jié) 論

（1）晚侏羅世－早白堊世，在長達(dá)20Ma的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)，魯西地區(qū)的斷層活動(dòng)發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變。印支期NW向的逆沖擠壓斷層被晚侏羅世－早白堊世的伸展正斷層取代，斷層活動(dòng)強(qiáng)度增加。在此過程中，構(gòu)造應(yīng)力場的影響成為第一主導(dǎo)因素。

（2）晚侏羅世－早白堊世是魯西地區(qū)伸展演化的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。平面和剖面構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果表明，平面上NE－SW向的拉張和垂向的擠壓是此時(shí)期構(gòu)造格局產(chǎn)生重大變革的主導(dǎo)因素，這也進(jìn)一步證明，此時(shí)期魯西地區(qū)伸展裂陷的根本動(dòng)力主要來源于太平洋板塊的俯沖。

［1］牛樹銀，胡華斌，毛景文，等.魯西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及其形成機(jī)制［J］.中國地質(zhì)，2004，31（1）：34－38.

［2］金振奎，劉澤容，石占中.魯西地區(qū)斷裂構(gòu)造類型及其形成機(jī)制［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（5）：1－5.

［3］李理，鐘大賚，時(shí)秀朋，等.魯西地區(qū)晚中生代以來伸展構(gòu)造及其控礦作用［J］.地質(zhì)論評，2008，54（4）：449－458.

［4］HOU G T，WANG C C，LI J H，et a1.Late Paleoproterozoic extension and a paleostress field reconstruction of the North China Craton［J］.Tectonophysics，2006，422：89－98.

［5］張明利，萬天豐.含油氣盆地構(gòu)造應(yīng)力場研究新進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（1）：38－43.

［6］楊奎鋒，楊坤光，曾佐勛.黃驊坳陷中區(qū)明下段末期構(gòu)造應(yīng)力場三維數(shù)值模擬［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2006，25（1）：82－86.

［7］張自桓.魯西伸展構(gòu)造——一個(gè)中－上地殼板塊的提示［J］.山東地質(zhì)，1995：23－31.

［8］孫宏斌，陳漢林，程曉敢，等.遼河盆地葵花島構(gòu)造裂隙發(fā)育的有限元模擬［J］.地質(zhì)科學(xué)，2004，39（2）：199－200.

［9］徐嘉煒，朱光，呂培基，等.郯廬斷裂帶平移年代學(xué)研究的進(jìn)展［J］.安徽地質(zhì)，1995，5（1）：1－12.

［10］張功成.中國東北－華北中生代盆地結(jié)構(gòu)構(gòu)造［J］.石油學(xué)報(bào)，1997，18（4）：7－13.

［11］于建國，韓文功，王金鐸，等.中國東部斷陷盆地中－新生代構(gòu)造演化－以濟(jì)陽坳陷為例［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：76－85.

［12］李理，鐘大賚.泰山新生代抬升的裂變徑跡證據(jù)［J］.巖石學(xué)報(bào)，2006，22（2）：457－464.