魯西隆起中-新生代伸展構(gòu)造演化的模擬試驗

時秀朋,李 理

(中國石油大學地球資源與信息學院,山東東營 257061)

魯西隆起中-新生代伸展構(gòu)造演化的模擬試驗

時秀朋,李 理

(中國石油大學地球資源與信息學院,山東東營 257061)

通過野外地質(zhì)調(diào)查對魯西隆起伸展構(gòu)造特征進行研究,并根據(jù)相似理論建立相關(guān)試驗?zāi)Ｐ?對魯西隆起晚中生代以來的伸展構(gòu)造的發(fā)育演化進行構(gòu)造物理模擬。結(jié)果表明:魯西隆起晚中生代以來的伸展裂陷作用主要經(jīng)歷了晚侏羅—早白堊世、新生代兩個階段,新生代又分為古近紀古新世—始新世初期 (65～53 Ma)、早始新世—晚始新世 (53～39 Ma)和始新世末期—漸新世 (39～23.5 Ma)3個時期,各個時期與研究區(qū)伸展構(gòu)造的主要發(fā)育時期相符;物理模擬試驗證實泰山在新生代有兩次快速抬升,分別為始新世 (45 Ma)和漸新世(23 Ma);伸展構(gòu)造的形成歸因于晚中生代和古近紀近南北向大規(guī)模的伸展作用,其深部背景主要為晚侏羅世以來太平洋板塊俯沖方向及速度的改變、郯廬斷裂帶的走滑活動、新生代印歐板塊的碰撞以及幔源巖漿活動。

構(gòu)造物理模擬;伸展構(gòu)造;晚中生代;魯西隆起

構(gòu)造物理模擬試驗是在與實際構(gòu)造地質(zhì)背景和條件相似的實驗室條件下重現(xiàn)自然界構(gòu)造地質(zhì)變形特征、成因機制和動力學過程的卓有成效的研究手段[1]。構(gòu)造物理模擬試驗起初以地殼淺層的脆性變形為主,不涉及具體的研究地區(qū)[2]。近年來,構(gòu)造物理模擬試驗取得了長足的進展,針對當前以中、新生代以來巖石圈的構(gòu)造變形為研究熱點的特點,試驗的地質(zhì)模型從簡單的單層或雙層模型到復雜的多層模型,并按照上、中、下地殼、巖石圈地幔和軟流圈地幔不同的流變學襯度[3-4],研究不同邊界條件下它們的變形和構(gòu)造演化。同時,國外一些研究者依據(jù)相似理論,已開始運用離心機在相應(yīng)尺度的重力加速度下進行初步研究[4]。目前構(gòu)造物理模擬試驗越來越受到學者的重視,由定性描述逐步跨入半定量分析乃至定量分析[5-6]。華北地區(qū)中、新生代以來的地質(zhì)演化較為復雜[7],對其研究存在一定難度,魯西隆起作為華北克拉通東南部一個重要的構(gòu)造單元[8],筆者以其為研究對象,通過野外地質(zhì)踏勘,針對先期模擬試驗斷層發(fā)育不全、相似程度不高等問題,改變試驗材料,調(diào)整相關(guān)參數(shù),再次模擬研究魯西隆起不同構(gòu)造時期的構(gòu)造特征,探討其成因機制,從而進一步探討華北東部的構(gòu)造演化。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯西隆起位于華北克拉通的東南部,北抵齊河-廣饒斷層與濟陽坳陷相鄰,南達豐沛斷層,東、西分別以郯廬斷裂和蘭考 -聊城斷層為界 (圖 1)。

圖 1 魯西隆起區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional tecton ic location of west Shandong uplift

本區(qū)具典型的華北克拉通型地層特征?；字饕商庞罨旌匣◢弾r、片麻巖等變質(zhì)巖組成,而蓋層則由古生界、中生界和新生界碳酸鹽巖和碎屑巖組成[9-10]。

2 魯西隆起伸展構(gòu)造

魯西隆起斷層廣泛發(fā)育,相互交錯,形成了本區(qū)的“塊斷”構(gòu)造基本格局[11]。這些伸展斷層主要為NW、NWW走向的正斷層,如汶泗斷層、蒙山斷層、新泰 -垛莊斷層、泰山 -銅冶店斷層,對伸展運動起主導作用,是本文中的重點研究對象,也是后期試驗?zāi)M的重點 (圖 1)。筆者通過多次野外地質(zhì)踏勘,沿斷層走向進行追蹤,觀察斷層及斷裂帶野外露頭特征以及垂直斷層走向的地質(zhì)剖面 (圖 2,Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′剖面位置見圖 1),研究其剖面形態(tài)及組合特征。

泗水縣華村水庫汶泗斷層產(chǎn)狀為 230°∠58°,靠近斷裂帶上盤灰?guī)r中發(fā)育張節(jié)理,下盤太古宇片麻理產(chǎn)狀 240°∠30°(Ⅱ-Ⅱ′剖面 )。在放城蒙山斷層產(chǎn)狀為 210°∠60°,上盤為古生界寒武系、奧陶系、石炭—二疊系,中生界和新生界古近系和第四系,古近系產(chǎn)狀為 330°∠17°,下盤太古宇中發(fā)育片麻理,產(chǎn)狀為 210°∠70°,與斷層產(chǎn)狀基本一致 (Ⅰ-Ⅰ′剖面)。新泰 -垛莊斷層為張性正斷層,位于Ⅰ-Ⅰ′剖面產(chǎn)狀為 220°∠62°,近上盤奧陶系馬家溝組一側(cè)黃褐色構(gòu)造碎裂巖發(fā)育,礫石最大直徑為 30 cm。靠近下盤一側(cè)發(fā)育紫紅色斷層泥,下盤太古宇破碎,風化剝蝕后已準平原化。次級斷裂發(fā)育,產(chǎn)狀為 187°∠60°,與大斷層大致平行,呈階梯狀 (圖 2)。萊蕪縣 NEE向約 10 km處鵬山地區(qū),泰山 -銅冶店斷層產(chǎn)狀 246°∠79°(Ⅲ-Ⅲ′剖面 ),上盤為古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系,中生界、新生界古近系和第四系,其中古近系為棕紅色礫巖,產(chǎn)狀為 85°∠15°,由于多次活動,擠壓破碎強烈,斷裂帶由斷層角礫巖、斷層泥、碎裂巖組成,在斷裂帶附近可見擦痕,產(chǎn)狀為 285°∠25°,見鐵礦、銅礦化點蝕變。泰山 -銅冶店的東南段 (Ⅰ-Ⅰ′剖面),斷層上、下盤均為太古宇,斷裂帶中發(fā)育碎裂巖、斷層泥,可見擠壓破碎現(xiàn)象。

野外地質(zhì)調(diào)查表明,這些 NW向伸展正斷層的斷層面往往呈高角度發(fā)育,傾角為 50°～70°,斷裂帶中普遍發(fā)育構(gòu)造巖 (圖 2)。平面上由南至北近平行排列,作為半地塹的邊界斷層控制半地塹的走向和凹陷沉積 (圖 1)。剖面上這些斷層呈上陡下緩的鏟式正斷層,以同向傾斜為主,構(gòu)成階梯狀的半地塹系。構(gòu)造演化剖面研究表明,斷層在三疊紀后發(fā)生構(gòu)造負反轉(zhuǎn),古近紀活動最強,至漸新世后基本不再活動[12]。

圖 2 魯西隆起 NE-SW向地質(zhì)剖面Fig.2 NE-SW geological profile in west Shandong uplift

3 伸展構(gòu)造的物理模擬試驗

構(gòu)造物理模擬試驗以相似理論為其指導思想[1],試驗結(jié)果需從統(tǒng)計的角度來進行綜合評價,因此對魯西隆起伸展構(gòu)造的發(fā)育演化進行了多次物理模擬,在此只對相似程度最高的一組模擬試驗進行描述分析。

3.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗材料選用粒徑為 200～400μm的松散石英砂,石英砂的變形遵循莫爾 -庫侖破壞準則,破裂內(nèi)摩擦角為 25°～30°,非常接近地殼淺部沉積巖層的脆性變形行為[13]。用染色的紅色、藍色石英砂作為分層標志,以便對變形構(gòu)造進行觀察,染色石英砂的力學性質(zhì)一般保持不變。巖漿侵入作用通過底部注凡士林實現(xiàn)[14]。模擬區(qū)域如圖 1所示,在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,以垂直斷層走向的剖面為地質(zhì)模型 (圖 3),依據(jù)相似理論[1]建立試驗?zāi)Ｐ?。魯西初次伸展從晚中生代開始,模型設(shè)計的最新地層為中生界,地層厚度見表 1。

圖 3 構(gòu)造物理模擬試驗地質(zhì)模型Fig.3 Geologicalmodel of structural physical s imulation exper iment

試驗在中國石油大學 (華東)多功能構(gòu)造物理模擬試驗室進行,采用 30 cm×2 cm×13 cm的拉壓砂箱模型[12],試驗方法見文獻[15]。根據(jù)魯西隆起晚中生代以來伸展構(gòu)造演化背景[16-17],試驗中采取雙向拉伸模擬魯西隆起 NE-S W向伸展,在試驗?zāi)Ｐ椭袑?yīng)泰山位置底部注入凡士林塑性物來模擬伸展過程中伴隨的巖漿侵入作用。施力大小通過平流泵中蒸餾水和凡士林流速來控制,試驗所得二者流速分別為 12.1和 0.8 mL/min。

表 1 模型地層與實際地層對比Table 1 Comparison of model layer and real layer

3.2 試驗結(jié)果分析

三疊紀末魯西隆起抬升并遭受剝蝕,伸展始于早侏羅世,晚侏羅—早白堊世開始大規(guī)模伸展,至新近紀魯西隆起基本停止了伸展活動,因此模擬的地質(zhì)時間限定為距今 208～23 Ma以前。試驗歷時 50 min,時間相似系數(shù)為 3.7 Ma/min。6組試驗圖像(圖 4)采集時間分別為 0,6,28,39,44,50 min,對應(yīng)地質(zhì)時間分別為 208,186,105,64,45,23 Ma,即分別對應(yīng)三疊末、早侏羅世、早白堊世、古新世、始新世和漸新世。

(1)早侏羅世 (186 Ma)主要驅(qū)動力作用方式為拉伸應(yīng)力。模型中發(fā)育①,②,③號張性斷層,①,③號斷層傾向相同,②,③號斷層間形成地塹 (圖 4(b))。模擬區(qū)域開始進入伸展階段。

(2)早白堊世 (105 Ma)主要驅(qū)動力作用方式為拉伸應(yīng)力。模型中相繼發(fā)育④,⑤,⑥號斷層,傾向皆為南向?？拷尢枖鄬颖辈亢廷偬枖鄬幽喜磕Ｐ偷撞靠梢妿r漿侵入 (圖 4(c))。

(3)古新世 (64 Ma)主要驅(qū)動力作用方式為拉伸應(yīng)力。拉伸應(yīng)力驅(qū)動下伸展斷層進一步發(fā)育演化,斷層傾角變小,由于伸展作用導致的重力非均衡效應(yīng)使得①,④,⑤,⑥號斷層間地層發(fā)生傾斜。巖漿開始沿⑥號斷層斷面侵入,斷層下盤地層略微向北掀斜。①號斷層以南可清楚觀察到大規(guī)模的巖漿侵入 (圖 4(d))。

(4)始新世 (45 Ma)主要驅(qū)動力作用方式為拉伸應(yīng)力。斷層繼續(xù)發(fā)育,拉伸應(yīng)力使得斷層間地層發(fā)生了進一步傾斜和彎曲。⑥號斷層處巖漿侵入現(xiàn)象更為明顯,下盤地層明顯抬升 (圖 4(e))。

(5)漸新世 (23 Ma)構(gòu)造變形處于應(yīng)力勢能作用調(diào)整階段,主體構(gòu)造體系基本形成。①,④,⑤號斷層基本不活動,①,④,⑤,⑥號斷層呈階梯狀排列。⑥號斷層處巖漿繼續(xù)沿斷面侵入,導致下盤太古宇出露地表 (圖 4(f))。

圖 4 試驗?zāi)M的魯西隆起伸展構(gòu)造演化Fig.4 Extensional structure evolution of west Shandong uplift in physicalmodel ing

對比構(gòu)造物理模擬試驗結(jié)果和實際地質(zhì)模型,分析可知②號斷層以北為濟陽坳陷區(qū),以南為魯西隆起區(qū),①,④,⑤,⑥號斷層分別對應(yīng)汶泗斷層、蒙山斷層、新泰 -垛莊斷層和泰山斷層。構(gòu)造物理模擬試驗結(jié)果表明,魯西隆起在早侏羅世即開始伸展,伸展作用主要集中在魯西隆起南部,汶泗斷層率先發(fā)育。早白堊世魯西隆起在南北向拉伸和地幔上涌派生的拉張應(yīng)力的共同作用下開始大規(guī)模的伸展,由南至北依次發(fā)育蒙山斷層、新泰 -垛莊斷層和泰山斷層,巖漿開始侵入,主要集中在泰山以北和汶泗斷層以南區(qū)域。新生代古新世,斷層持續(xù)發(fā)育,斷層間地層發(fā)生掀斜,泰山北側(cè)和汶泗斷層以南巖漿侵入活動較強。始新世魯西隆起受近南北向拉伸,伸展斷層進一步發(fā)育,汶泗斷層以南巖漿活動趨于尾聲,泰山附近巖漿活動仍較強烈,表明此時泰山發(fā)生快速抬升,形成泰山雛形。漸新世魯西隆起伸展構(gòu)造體系基本形成,伸展作用逐步遷移至濟陽坳陷區(qū),僅泰山處仍有強烈?guī)r漿活動,說明此期又有一次泰山的快速抬升。

4 討 論

構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果表明,魯西隆起伸展構(gòu)造的形成機制歸因于晚中生代和古近紀兩次大規(guī)模的伸展運動[18]。晚中生代以來,太平洋板塊的NNW、NWW向俯沖、郯廬斷裂帶走滑和印歐板塊的碰撞是魯西隆起一直處于近南北向拉伸狀態(tài)的主控因素[16-17]。早白堊世和古近紀巖石圈大規(guī)模伸展減薄引發(fā)的巖漿活動促進了魯西隆起進一步伸展[19]。構(gòu)造物理模擬試驗所提供的運動學解釋與上述魯西隆起伸展構(gòu)造形成的深部背景相匹配。試驗不僅考慮了魯西隆起伸展構(gòu)造幾何特征和形成機制等方面的相似,而且從時間上厘定了伸展構(gòu)造的主要發(fā)育時期。同時,在試驗過程中泰山新生代抬升得到了很好再現(xiàn),模擬的快速抬升時期與泰山新生代磷灰石裂變徑跡結(jié)果[20]一致。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)造物理模擬試驗中所設(shè)計的伸展模型的試驗結(jié)果與魯西隆起實際的伸展構(gòu)造之間具有良好的相似性,證實魯西隆起伸展構(gòu)造在形成機制上主要受控于近南北向的伸展作用和中、新生代的地幔上隆。

(2)魯西隆起晚中生代以來的伸展裂陷作用主要經(jīng)歷了晚侏羅—早白堊世,新生代兩個階段,新生代又分為古近紀古新世—始新世初期 (65～53 Ma)、早始新世—晚始新世 (53～39 Ma)和始新世末期—漸新世 (39～23.5 Ma)3個時期。

(3)泰山新生代的兩次快速抬升分別為 45 Ma和23 Ma。

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Modeling experiments of structural evolution since late Mesozoic in west Shandong uplift,China

SHIXiu-peng,L ILi
(College of Geo-Resources and Info rm ation in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

Extensional structure characteristics ofwest Shandong upliftwere studied by the field geological survey.Based on that,according to the similarity theory,the experimentalmodelswere established and the formation of extensional faults and structural evolution since lateMesozoicwere s imulated inwest Shandong uplift.The exper imental results show that the extension mainly underwent two stages of late Jurassic-early Cretaceous and Cenozoic.And Cenozoic can be divided into three periods:Paleocene-early Eocene(65-53Ma),Eocene(53-39Ma)and late Eocene-Oligocene(39-23.5Ma).The three periods equated with the main developing stages of extensional structure of the study area.Furthermore,the experimental results demonstrate that there are two rapid uplifting periods ofMountain Tai in Cenozoic,45Ma and 23Ma.The formation of extensional structure in west Shandong uplift attributed to two large-scale extensions of lateMesozoic and Paleogene in nearly SN direction.In deep geodynamics,the development of extensional structures in west Shandong uplift is controlled by the change of the direction and the velocity of the subduction between the Pacific Plate and the Eurasian Plate,strike-slip movement of the Tanlu fault,the Cenozoic collision of the Indian to the Eurasian plates and mantle-derived magmatis m since late Mesozoic.

structural physicalmodeling;extensional structure;lateMesozoic;west Shandong uplift

P 548

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.03.005

1673-5005(2010)03-0025-05

2009-10-28

國家自然科學基金項目(40772132)

時秀朋 (1981-),女 (漢族),山東東營人,博士研究生,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學、區(qū)域及大地構(gòu)造等方面研究。

(編輯 徐會永)