胡秋媛,李 理,郭建偉

(1.中國石油大學勝利學院 油氣工程學院,山東 東營 257000; 2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院,山東 青島 266580;3.中國石油西南油氣田公司 輸氣管理處,四川 成都 610051)

魯西隆起和濟陽坳陷是魯西地塊內(nèi)“一隆一坳”兩個構(gòu)造單元,二者在新生代含油氣性大為迥異,魯西隆起區(qū)富集煤田及金屬礦產(chǎn),油氣資源貧乏,而濟陽坳陷區(qū)石油天然氣資源卻極為豐富。魯西隆起和濟陽坳陷的形成與演化受斷裂作用控制顯著,并與各構(gòu)造演化階段的伸展變形密切相關(guān)。在魯西地區(qū),其斷裂作用的主要形式為伸展斷層。近年來,國內(nèi)外眾多學者從幾何學、運動學及成因機制等方面對伸展斷層展開過深入研究[1-2],并取得了豐碩成果。值得注意的是,近年來隨著定量分析技術(shù)的廣泛應用及資料的積累,伸展斷層的構(gòu)造變形研究已逐步實現(xiàn)了由定性向定量研究的重要轉(zhuǎn)變。筆者利用研究區(qū)二維地震剖面開展了平衡剖面恢復,定量計算了魯西隆起和濟陽坳陷各構(gòu)造演化階段的伸展量、伸展率和伸展系數(shù)等參數(shù),動態(tài)顯示研究區(qū)的構(gòu)造演化過程。同時,基于構(gòu)造應力場數(shù)值模擬方法,深入探討了魯西隆起和濟陽坳陷分異演化的關(guān)鍵時期及成因機制,具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯西隆起和濟陽坳陷以齊—廣斷層為界,是魯西地塊內(nèi)“一隆一坳”兩個構(gòu)造單元(圖1)。研究區(qū)地層發(fā)育齊全,基底由泰山巖群、TTG巖系和古元古代造山花崗巖組成,主要發(fā)育NW向、NNW向的褶皺和韌性剪切帶[3]等構(gòu)造類型;蓋層中則NW向展布一系列脆性正斷層,在部分NE向和近EW向斷層的調(diào)節(jié)作用下,共同構(gòu)成了魯西地區(qū)獨有的“伸展構(gòu)造格局”。區(qū)內(nèi)斷層走向玫瑰花圖顯示,研究區(qū)斷層走向分NW向、NE向和近EW向三組,其中以NW向控凹斷層最為發(fā)育(圖1)。其中,魯西隆起內(nèi)代表性控凹斷層為汶泗斷層(F1)、蒙山斷層(F2)、新泰—垛莊斷層(F3)、泰山—銅冶店斷層(F4),濟陽坳陷內(nèi)代表性控凹斷層為陳南斷層(F6)、義南斷層(F16)和埕南斷層(F7)(圖1)。剖面上NW向伸展斷層呈陡傾斜鏟狀,傾向南西,傾角可達50°～70°[4]。

注:F1-汶泗斷層;F2-蒙山斷層;F3-新泰-垛莊斷層;F4-泰山-銅冶店斷層;F5-齊河-廣饒斷層;F6-陳南斷層;F7-埕南斷層;F8-石村斷層;F9-羅西斷層;F10-孤西斷層;F11-五號樁斷層;F12-寧南斷層;F13-無南斷層;F14-臨商斷層;F15-夏口斷層;F16-義南斷層;F17-義東斷層;F18-埕東斷層;F19-濱南斷層;F20-高青斷層圖1 魯西地區(qū)主要斷層分布與斷層走向玫瑰花圖

2 區(qū)域典型剖面運動學及構(gòu)造演化對比分析

2.1 平衡剖面恢復基本原理

平衡剖面法是構(gòu)造演化史恢復的有效方法之一,以此可計算不同構(gòu)造演化階段各剖面的伸展參數(shù)(伸展量、伸展率、伸展系數(shù)及伸展速率)。以物質(zhì)守恒為前提,巖石在變形前后物質(zhì)總量保持不變。假定巖層在變形后的長度和初始沉積長度相同,則在垂直斷層走向的剖面上,最終體現(xiàn)為“層長不變原則”[5]。

設(shè)變形前的原始剖面長度為L0,伸展變形后的剖面長度為L1,剖面從長度L0伸展到L1經(jīng)歷的時間為Δt,構(gòu)造剖面的伸展量E、伸展率Ext、伸展系數(shù)β和階段伸展速率R可分別表示為[6]:

E=L1-L0.

(1)

(2)

β=L1/L0.

(3)

(4)

2.2 魯西隆起和濟陽坳陷典型剖面運動學分析

考慮研究區(qū)的伸展方向,在區(qū)內(nèi)選取兩條典型測線,即濟陽坳陷南北向L568測線(圖1中Ⅰ-Ⅰ′)和魯西隆起中部NE-SW向測線(圖1中Ⅱ-Ⅱ′-Ⅱ″)，分別對其進行構(gòu)造演化史和平衡剖面恢復?；谏鲜鲈韺⒁炎冃蔚钠拭婊謴偷轿醋冃蔚臓顟B(tài)，最終復原出每一演化階段的古構(gòu)造面貌(圖2，3)，動態(tài)顯示了研究區(qū)的構(gòu)造演化過程。

利用上述平衡剖面恢復結(jié)果,分別計算得出魯西隆起和濟陽坳陷J-K、E、N-Q和現(xiàn)今4個構(gòu)造演化階段的伸展參數(shù),兩條剖面的伸展量、伸展率、伸展系數(shù)和階段伸展速率數(shù)據(jù)及對比見表1。

上述平衡剖面計算結(jié)果表明,魯西隆起和濟陽坳陷均經(jīng)歷了4個構(gòu)造演化階段。在魯西隆起區(qū),古近紀伸展量最大,占總伸展量的63.2%,晚中生代次之;古近紀伸展率(9.3%)明顯大于晚中生代(3.4%);古近紀階段伸展速率(235.0 m·Ma-1)也遠遠大于晚中生代(24.5 m·Ma-1),約是晚中生代的10倍。至新近紀時,伸展量、伸展率和階段伸展速率明顯降低。比對以上各項參數(shù),濟陽坳陷也存在同樣的規(guī)律。在濟陽坳陷區(qū),古近紀伸展量最大,占總伸展量的71.5%,晚中生代次之;古近紀伸展率(13.8%)明顯大于晚中生代(4.7%);古近紀伸展速率(330.9 m·Ma-1)也遠大于晚中生代(32.9 m·Ma-1),約是晚中生代的10倍。至新近紀時,伸展量、伸展率和伸展速率大幅降低。由此可見,研究區(qū)晚中生代開始伸展,并呈現(xiàn)漸強趨勢,古近紀伸展活動強度達到頂峰;至新近紀,伸展強度漸弱,整體趨于穩(wěn)定。這無疑證實了研究區(qū)晚中生代與古近紀分別處于不同的構(gòu)造體制控制,與郯廬斷裂帶始新世由左旋走滑向右旋走滑的區(qū)域構(gòu)造背景吻合[7]。

2.3 魯西隆起和濟陽坳陷構(gòu)造演化對比

對比各構(gòu)造演化階段的伸展參數(shù)可知,晚中生代魯西隆起的伸展量(3.5 km)明顯小于濟陽坳陷(4.7 km),同時,前者的階段伸展速率(24.5 m·Ma-1)也顯著小于后者(32.9 m·Ma-1);到古近紀時,區(qū)域間的差距愈加明顯,魯西隆起區(qū)的階段伸展速率(235.0 m·Ma-1)遠小于濟陽坳陷區(qū)(330.9 m·Ma-1),指示了二者雖同受郯廬斷裂帶走滑活動的影響,但濟陽坳陷區(qū)的伸展裂陷要更加強烈,且二者的伸展裂陷必存在一定的演化序列。這也進一步反映出二者所處的構(gòu)造演化背景,盡管魯西隆起在古近紀時與濟陽坳陷同處于中國東部巖石圈中—新生代伸展裂陷的大地構(gòu)造環(huán)境,但由于魯西隆起區(qū)巖石圈冷且堅硬,致使其晚中生代—古近紀的伸展裂陷相對微弱。

圖2 魯西隆起NE-SW向測線構(gòu)造演化平衡剖面

圖3 濟陽坳陷L568測線構(gòu)造演化平衡剖面

剖面位置構(gòu)造階段剖面長度L/km伸展量E/km伸展率Ext/%伸展系數(shù)β階段伸展速率R/(m·Ma-1)魯西隆起J-K101.53.53.41.0324.5E105.09.89.31.09235.0N-Q114.82.21.91.0294.4現(xiàn)今117.0001.000濟陽坳陷J-K163.84.72.91.0332.9E168.513.88.21.08330.9N-Q182.30.80.41.0134.3現(xiàn)今183.1001.000

注:剖面長度為相應構(gòu)造階段的初始長度

基于平衡剖面恢復結(jié)果,利用斷層落差進一步計算出魯西隆起和濟陽坳陷共計8條斷層的活動速率,其隨地質(zhì)時間的變化圖顯示(圖4),魯西隆起和濟陽坳陷各斷層在活動性上既存在相似性,也有一定的差異。除齊河—廣饒斷層外,各NW向控凹斷層的活動速率自三疊世→晚中生代→古近紀表現(xiàn)出負值→較小正值→較大正值的變化,反映了不同應力場作用下各斷層由擠壓逆沖→拉張裂陷→強拉張裂陷的發(fā)育過程,且以齊河—廣饒斷層為界,魯西隆起和濟陽坳陷均出現(xiàn)由南向北各斷層活動性逐漸增強的規(guī)律,從而也指示二者的構(gòu)造演化必存在一定的耦合關(guān)系。同時,上述規(guī)律進一步表明,三疊紀末期(T3),研究區(qū)經(jīng)歷了重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)型,各斷層經(jīng)歷了由逆斷層向正斷層的負反轉(zhuǎn)過程,晚中生代開始伸展裂陷,至古近紀斷層活動性普遍增強,活動速率呈現(xiàn)最高峰,隆起區(qū)北部的泰山—銅冶店斷層可達120 m/Ma,至新近紀斷層活動大幅減弱,構(gòu)造活動漸趨于穩(wěn)定。

圖4 魯西隆起和濟陽坳陷NW向斷層活動速率隨時間變化

3 構(gòu)造應力場數(shù)值模擬

構(gòu)造應力場數(shù)值模擬是構(gòu)造應力場定量分析的卓有成效的方法與手段,常用于探討區(qū)域應力場的空間展布特征及其動態(tài)演化過程。此處筆者擬通過魯西隆起和濟陽坳陷晚中生代—古近紀的構(gòu)造應力場數(shù)值模擬實驗,進一步揭示其構(gòu)造演化過程,并深入探討二者分異演化的關(guān)鍵時期及成因機制。

3.1 基本原理

構(gòu)造應力場數(shù)值模擬實驗基于有限元基本思想,利用ANSYS12.0軟件的彈性平面有限元程序進行,在運算過程中需滿足本構(gòu)方程[8]:

式中,σij為應力張量;Dijkl為彈性系數(shù);ξkl為應變張量;dλ為一致性條件確定的尺度因素;F為應變空間表示的屈服函數(shù)。

3.2 構(gòu)造應力場數(shù)值模擬實驗過程

3.2.1 模型建立與參數(shù)確定

為使實驗結(jié)果便于對比,模擬過程中將兩個研究區(qū)單元視為一整體,數(shù)字化提取出3期地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實際地質(zhì)因素和試驗測試結(jié)果,確定數(shù)值模擬的相關(guān)力學參數(shù)(表2)。

3.2.2 邊界條件選取

分析魯西地塊的動力學背景,其主要動力來源為太平洋板塊的俯沖作用。晚侏羅世—早白堊世,西太平洋板塊俯沖和超地幔柱的活動,誘發(fā)郯廬斷裂帶左行走滑和滄東—蘭聊斷裂帶的右行走滑活動[7],研究區(qū)處于NNE-SSW向的拉張應力場;古新世—早始新世,太平洋板塊俯沖速度較晚中生代明顯降低,研究區(qū)仍夾限于左行走滑的郯廬斷裂帶[7]和右行走滑的滄東—蘭聊斷裂帶間[9],發(fā)生自北向南的逃逸,整體處于近SN向的拉張應力場;中始新世—漸新世,太平洋板塊轉(zhuǎn)變了俯沖方向,俯沖速度再次降低,同時,郯廬斷裂帶和滄東—蘭聊斷裂帶轉(zhuǎn)變了走滑方式,使研究區(qū)處于NW-SE向的拉張應力場?；诖?在數(shù)值模擬中,用擠壓力模擬太平洋板塊的俯沖,剪切力模擬邊界大斷裂的走滑,約束模型的西側(cè)邊界,在東側(cè)邊界同時施加擠壓力和剪切力。調(diào)用ANSYS中彈性平面有限元程序運算,最終確定了三期構(gòu)造應力場數(shù)值模擬的最佳邊界載荷條件(表3)。

表2 魯西隆起和濟陽坳陷構(gòu)造應力場數(shù)值

表3 魯西隆起和濟陽坳陷構(gòu)造應力場數(shù)值模擬邊界條件

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬實驗進行多組,此處僅選擇擬合程度較高的一組實驗進行討論,數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。晚侏羅世—早白堊世,平面最大主應力整體呈現(xiàn)“南北分帶,依次遞增”格局,大小集中于67.7～82.1MPa,區(qū)內(nèi)NW-NWW向左行斜列斷裂處均有明顯梯度帶(圖5(a));這表明此時期NW向斷層活動顯著,且自南向北伸展逐漸增強,與前述斷層活動特征一致,研究區(qū)已開始第一次大規(guī)模NE-SW向伸展。古新世—早始新世,平面最大主應力具有明顯分帶性,大小集中于21.3～57MPa,斷層兩側(cè)的凸起與凹陷呈現(xiàn)出壓應力值相對較高的趨勢,斷層帶內(nèi)形成顯著的差異應力,有利于斷層的活動,NW-NWW向斷層持續(xù)活動,近EW向和NE向斷層也開始活動(圖5(c));由此推斷,研究區(qū)的伸展活動由NE-SW向過渡為近SN向。中始新世—漸新世,平面最大主應力集中于12.6～23.7MPa,與前兩個時期相比,分布格局已大為迥異,NW向斷層處差異應力趨于微弱,而在NE向斷層處呈現(xiàn)明顯梯度(圖5(e))。由此判斷,研究區(qū)已由近SN向伸展轉(zhuǎn)為NW-SE向伸展。同時,對比兩個構(gòu)造單元,隆起區(qū)伸展活動已接近尾聲,開始向南遷移至濟陽坳陷,這與前文述及的斷層活動規(guī)律相吻合。由此判斷,魯西隆起與濟陽坳陷自此開始分異,此時期成為隆起與坳陷分異的重要階段。

4 對魯西隆起和濟陽坳陷構(gòu)造演化的再認識

構(gòu)造應力場數(shù)值模擬為魯西隆起和濟陽坳陷“隆坳構(gòu)造格局”的成因機制提供了關(guān)鍵證據(jù),進一步證實了晚中生代以來中國東部構(gòu)造應力場對研究區(qū)發(fā)展演化的重要控制作用。

晚侏羅世—早白堊世,中國東部的構(gòu)造體制發(fā)生了由擠壓到伸展的重大變革,主要歸因于太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖。晚侏羅世(140Ma左右),太平洋超地幔柱活動,誘發(fā)西太平洋Izanaqi板塊突然以30cm/a的高速沿NNW向俯沖于歐亞大陸之下[10](圖5(b)),從而使東、西兩側(cè)的郯廬斷裂帶和滄東—蘭聊斷裂帶分別發(fā)生了大規(guī)模左行和右行平移,來自郯廬斷裂帶的同位素研究支持這一觀點[11],認為Izanaqi板塊的高速NNW向俯沖與郯廬斷裂帶的左行走滑不僅在時間上一致,在成因上也是相互耦合的。在上述因素的共同控制下,中國東部處于左旋壓扭性的應力場環(huán)境,研究區(qū)開始了大規(guī)模的NNE-SSW向伸展活動,一系列NW向左行斜列式斷裂處均出現(xiàn)明顯的應力梯度帶,先期的逆斷層開始活化為正斷層,向相反的方向繼承性活動,自南向北依次出現(xiàn)一系列NW向控凹斷層,與郯廬斷裂共同構(gòu)成了“Y”字形平面構(gòu)造樣式(圖5(a),(b))。同時,太平洋板塊的俯沖作用誘發(fā)地幔柱的升降,引起早白堊世(134～119Ma)局部地幔對流及幔源巖漿的底辟,進而導致巖石圈強烈的伸展減薄。自此,魯西地區(qū)經(jīng)歷了第一次大規(guī)模的伸展運動。

古新世—早始新世(65～53Ma)是從中生代構(gòu)造特征向新生代構(gòu)造特征轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。研究區(qū)主要邊界走滑斷裂繼承了晚中生代的活動方式,郯廬斷裂帶仍為左旋走滑活動,滄東—蘭聊斷裂帶仍為右旋走滑活動,二者的共同夾持使研究區(qū)三角形地塊發(fā)生近南北向的逃逸,進而產(chǎn)生近南北向的拉

張應力場(圖5(d)),使先存的NW向斷層與部分近EW向斷層發(fā)生伸展活動。前已述及,斷層活動速率研究指示一系列伸展斷層在魯西隆起和濟陽坳陷內(nèi)均具有由南向北依次增強的活動規(guī)律(圖4),古新世—早始新世構(gòu)造應力場數(shù)值模擬實驗結(jié)果與當時的動力學背景吻合。

中始新世—漸新世(53～23.3Ma)是研究區(qū)第二次大規(guī)模的伸展運動階段,這與印歐板塊和太平洋板塊新生代期間的重大運動學調(diào)整密切相關(guān)。中始新世晚期(43.5Ma),太平洋板塊的俯沖方向由NNW向轉(zhuǎn)為NWW向,俯沖速度大大減弱,印歐板塊與太平洋板塊的碰撞進入鼎盛[12-14]。基于此,郯廬斷裂帶的左行走滑基本停止,取而代之的是右行走滑活動(圖5(f)),這一轉(zhuǎn)變具有重要的構(gòu)造變革意義,構(gòu)造應力場發(fā)生了由近SN向拉伸到NW-SE向拉伸的轉(zhuǎn)變。在上述主控因素下,NE向斷層廣泛發(fā)育,整個魯西地區(qū)呈現(xiàn)出向北凸出的弧形伸展構(gòu)造格局(圖5(e))。伴隨斷層活動特征的轉(zhuǎn)變,至漸新世,研究區(qū)構(gòu)造活動和沉積中心的遷移已愈加明顯,表現(xiàn)為以齊河—廣饒斷層為界,魯西隆起不斷抬升,斷層基本停止活動,隆起區(qū)的快速抬升造成坳陷區(qū)的大幅沉降,從而控制了主力烴源巖—潮濕條件下的半深湖和深湖油頁巖及暗色泥巖的形成。魯西隆起和濟陽坳陷自此分割開來,進入各自的隆—坳演化歷史。因此,魯西隆起和濟陽坳陷成為魯西地區(qū)重要的對比樣本。

5 結(jié) 論

(1)三疊紀末期,研究區(qū)各斷層均經(jīng)歷了由逆斷層向正斷層的負反轉(zhuǎn)過程;之后在晚中生代開始伸展,并逐漸增強,至古近紀時伸展最為強烈,且以齊河—廣饒斷層為界,在濟陽坳陷和魯西隆起均表現(xiàn)出斷層活動速率自南向北依次增強的規(guī)律,二者之間存在一定的耦合關(guān)系。

(2)構(gòu)造應力場數(shù)值模擬結(jié)果表明,晚中生代—古近紀,魯西地區(qū)構(gòu)造應力場強度經(jīng)歷了強—較強—弱的演化過程,區(qū)域伸展方向發(fā)生了從NE-SW向到近SN向,再到NW-SE向的重大轉(zhuǎn)變。魯西隆起與濟陽坳陷經(jīng)歷了從整體到分異的過程,其中,中始新世—漸新世成為二者分異的關(guān)鍵時期,隆起區(qū)斷層活動已接近尾聲,伸展裂陷遷移至濟陽坳陷,二者自此分割開來,進入各自的隆-坳演化歷史。

(3)構(gòu)造應力場數(shù)值模擬為魯西隆起和濟陽坳陷“隆坳構(gòu)造格局”的成因機制提供了關(guān)鍵證據(jù),進一步證實此格局的形成歸因于太平洋板塊的俯沖碰撞、邊界斷裂的走滑,而晚中生代以來中國東部構(gòu)造應力場對研究區(qū)發(fā)展演化具有重要控制作用。

[參考文獻]

[1] 李三忠,岳云福,高振平,等.伸展盆地區(qū)斷裂構(gòu)造特征與成因[J]. 華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2003(2):1-8.

[2]HIGGINSRI,HARRISLB.Theeffectofcovercompositiononextensionalfaultingabovere-activatedbasementfaults:resultsfromanaloguemodeling[J].JournalofStructuralGeology, 1997,19(1):89-98.

[3] 王先美,鐘大賚,王毅. 魯西北西向斷裂系晚中生代活動的幾何學、運動學及年代學研究[J]. 地質(zhì)學報,2008,82(9):1258-1274.

[4] 王炳山,王西恩. 魯西伸展構(gòu)造特征及其對煤礦生產(chǎn)的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2000,28(3):20-24.

[5] 張榮強,吳時國,周雁,等. 平衡剖面技術(shù)及其在濟陽坳陷樁海地區(qū)的應用[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì),2008,28(6):135-142.

[6] 曹忠祥. 營口—濰坊斷裂帶新生代走滑拉分—斷陷盆地伸展量、沉降量估算[J]. 地質(zhì)科學,2008,43(1):65-81.

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

[8] 張勝利. 構(gòu)造應力場模擬—有限元理論、方法和研究進展[J]. 西北地震學報,2010,32(4):405-410.

[9] 李理,鐘大賚,楊長春,等. 伸展作用序列及其深部背景:以晚中生代以來魯西隆起和濟陽坳陷為例[J]. 地學前緣,2012,19(5):255-273.

[10]EENGEBRETSONDC,COXA,GORDONRG.RelativemotionsbetweenoceanicandcontinentalplatesinthePacificbasin[J].TheGeologicalSocietyofAmerica,SpecialPaper, 1985,206:1-59.

[11] 朱光,王道軒,劉國生,等.郯廬斷裂帶的演化及其對西太平洋板塊運動的響應[J]. 地質(zhì)科學,2004,39(1):36- 49.

[12] 任建業(yè),張青林.東營凹陷中央背斜隆起帶形成機制分析[J]. 大地構(gòu)造與成礦學,2004,28(3):254-262.

[13] 胡秋媛，董大偉，趙利，等.準噶爾盆地車排子凸起構(gòu)造演化特征及其成因[J].石油與天然氣地質(zhì),2016,37(4):556-564.

[14] 董大偉，李繼巖，王曉蕾，等.渤海灣盆地東營凹陷東部孔店組紅層儲層特征及控制因素[J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(5):36- 45.