魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)伸展構(gòu)造的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

胡秋媛，李 理

(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)伸展構(gòu)造的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

胡秋媛1，李 理2

(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

通過(guò)對(duì)魯西地區(qū)的野外地質(zhì)踏勘，結(jié)合對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷地球物理資料的解釋，對(duì)魯西地區(qū)的伸展構(gòu)造特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對(duì)其發(fā)育演化進(jìn)行了地質(zhì)建模。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于有限元方法的Ansys12.0軟件對(duì)研究區(qū)晚中生代—古近紀(jì)伸展構(gòu)造的發(fā)展演化進(jìn)行了三維構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，取得了與實(shí)際地質(zhì)情況較高的吻合度。模擬結(jié)果顯示，晚中生代—古近紀(jì)，魯西地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度經(jīng)歷了強(qiáng)—較強(qiáng)—弱的演化過(guò)程，最大主應(yīng)力方向發(fā)生了從NW-SE到NWW-SEE，再到NE-SW的重大轉(zhuǎn)變，其中古新世—早始新世為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變革轉(zhuǎn)型的過(guò)渡期，中始新世—漸新世為魯西隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷分異演化的重要階段。此伸展構(gòu)造演化對(duì)坳陷區(qū)油氣的聚集及隆起區(qū)金屬礦產(chǎn)的富集具有重要的控制作用，其動(dòng)力來(lái)源主要受控于區(qū)域上太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方式的轉(zhuǎn)變、郯廬等邊界大斷裂走滑活動(dòng)的變化以及垂向上地幔物質(zhì)的上涌強(qiáng)度等關(guān)鍵因素。

應(yīng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬；伸展構(gòu)造；晚中生代—古近紀(jì)；魯西地區(qū)

有限元數(shù)值模擬是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)定量分析與研究的有效方法之一，對(duì)重現(xiàn)自然界地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)空間展布及其動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程具有重要意義。有限元數(shù)值模擬方法起初主要用于構(gòu)造體系和型式研究，后被引入到地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究中[1-2]。近年來(lái)，有限元數(shù)值模擬已取得長(zhǎng)足發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了由定性向定量、由二維向三維的重大跨越[3-5]。魯西地區(qū)中、新生代地處板塊內(nèi)部，但板內(nèi)伸展變形機(jī)制始終是板塊構(gòu)造理論難以解決的難題之一，以其作為研究對(duì)象，在野外地質(zhì)踏勘及地球物理研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)前期二維數(shù)值模擬中平面地質(zhì)模型失真嚴(yán)重、邊界條件施加局限大等問(wèn)題，建立三維地質(zhì)模型，對(duì)其不同構(gòu)造時(shí)期進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了晚中生代—古近紀(jì)研究區(qū)伸展構(gòu)造的演化期次，進(jìn)而探討其形成機(jī)制及對(duì)油氣、礦產(chǎn)的控制，以期對(duì)本區(qū)伸展構(gòu)造演化的應(yīng)力場(chǎng)特征獲得系統(tǒng)、定量的認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯西地區(qū)以齊河—廣饒斷層為界，包含魯西隆起和濟(jì)陽(yáng)坳陷一隆一坳2個(gè)構(gòu)造單元。其東以郯廬斷裂為界，西以聊城—蘭考斷裂為界，北接埕寧隆起，南抵豐沛斷層(圖1)。

研究區(qū)地層發(fā)育齊全，為典型的華北克拉通型地層，包括基底和蓋層2部分?；讟?gòu)造主要由太古宇泰山巖群、TTG巖系和古元古代花崗巖組成，而沉積蓋層則由新元古界、古生界、中生界和新生界碎屑巖和碳酸鹽巖組成。

2 魯西地區(qū)伸展構(gòu)造

魯西地區(qū)的伸展構(gòu)造主要包括陡傾斜正斷層和緩傾斜滑脫斷層，二者共同構(gòu)成了研究區(qū)獨(dú)有的“伸展構(gòu)造格局”[6]。陡傾斜正斷層主要為脆性正斷層，呈NW、NWW向展布，其主要繼承受印支運(yùn)動(dòng)影響的NW向逆斷層發(fā)育而來(lái)[7-8]，在部分NE向和近EW向斷層的調(diào)節(jié)下，使平面上呈現(xiàn)典型的“塊斷”構(gòu)造格局。其中，以NW、NWW向陡傾斜正斷層發(fā)育較早，控制中、新生代的沉積，如汶泗斷層、蒙山斷層、新泰—垛莊斷層、泰山—銅冶店斷層、陳南斷層和埕南斷層(圖1)，對(duì)區(qū)域伸展活動(dòng)起主導(dǎo)作用，是本文應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的重點(diǎn)。緩傾斜滑脫斷層為傾角較緩的伸展正斷層，多沿不整合面、巖性突變面、沉積間斷面發(fā)育。其中，在魯西隆起主要位于太古宇/寒武系界面和奧陶系/石炭—二疊系界面，以前者最具規(guī)模；在濟(jì)陽(yáng)坳陷，除上述界面處存在主滑脫斷層外，新生界、中生界及奧陶系內(nèi)部存在滑脫斷層。

圖1 魯西地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置

在魯西隆起區(qū)，筆者通過(guò)多次野外地質(zhì)調(diào)查，沿區(qū)域內(nèi)典型陡傾斜正斷層和緩傾斜滑脫斷層的走向追蹤，對(duì)伸展構(gòu)造的野外地質(zhì)特征進(jìn)行綜合描述(表1)。

在濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)，結(jié)合地球物理資料研究了伸展構(gòu)造的特征。陳南斷層?xùn)|段沿NW340°延伸，穿過(guò)東營(yíng)凹陷的南北向測(cè)線L616顯示[9]，該斷層剖面上呈陡傾斜鏟狀，傾角40°，上盤沉積古生界、新生界，下盤為新近系和第四系直接覆蓋于太古宇之上。埕南斷層平面上呈弧形展布，分西、中、東三段，其中西、中段剖面呈陡傾鏟狀，傾角65°，控制車鎮(zhèn)凹陷中、新生代的沉積。同樣，地球物理資料證實(shí)了坳陷區(qū)緩傾斜滑脫斷層的存在，王家崗地區(qū)過(guò)王古1井的地震反射剖面顯示，下古生界顯著增厚[10]，若以均質(zhì)勻速對(duì)比計(jì)算周圍古生界，地層厚度增加1倍，且此處地層產(chǎn)狀與區(qū)域地層產(chǎn)狀基本一致；埕島地區(qū)過(guò)埕北302、埕北303的連井剖面顯示，太古宇/下古生界界面上發(fā)育較大規(guī)模的緩傾斜滑脫斷層。

上述資料研究表明，區(qū)內(nèi)伸展構(gòu)造極為發(fā)育，陡傾斜正斷層多呈NW-NWW向展布，平面上構(gòu)成向北凸出的“弧形”(圖1)，剖面上呈高角度發(fā)育，傾向S-SW，傾角60°～70°，自南向北呈“階梯狀”半地塹組合。緩傾斜滑脫斷層在區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，滑脫界面主要為太古宇/下古生界及奧陶系/石炭—二疊系界面，其傾角極緩，均在10°左右，滑動(dòng)方向向北，與上述陡傾斜正斷層共同構(gòu)成了“書斜式”剖面組合(圖2)。此外，利用平衡剖面恢復(fù)(剖面位置見(jiàn)圖1)研究了陡傾斜正斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。結(jié)果表明，NW向伸展斷層在晚侏羅世—早白堊世、古新世—早始新世活動(dòng)均較強(qiáng)，自中始新世活動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱；NE向伸展斷層自古新世開始活動(dòng)，尤其是中始新世以來(lái)活動(dòng)明顯增強(qiáng)。

表1 魯西隆起伸展構(gòu)造野外地質(zhì)特征

圖2 魯西地區(qū)伸展構(gòu)造剖面組合型式 剖面位置、斷層編號(hào)見(jiàn)圖1。

3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

自晚中生代以來(lái)，魯西地區(qū)經(jīng)歷了一系列伸展裂陷作用，前述的伸展構(gòu)造特征研究為地質(zhì)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。本文利用基于有限元方法的Ansys12.0對(duì)研究區(qū)晚中生代—古近紀(jì)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，此處僅選取擬合程度最高的一組進(jìn)行討論。

3.1 地質(zhì)模型、力學(xué)參數(shù)及邊界條件

3.1.1 地質(zhì)模型的建立

將魯西地區(qū)視為一整體，數(shù)字化提取主要構(gòu)造，分別建立晚侏羅世—早白堊世(140～65 Ma)、古新世—早始新世(65～53 Ma)和中始新世—漸新世(53～23.3 Ma)3期地質(zhì)模型。根據(jù)前述伸展構(gòu)造特征和地球物理剖面揭示的研究區(qū)Moho面平均深度，將地殼模型厚度定為30 km。

3.1.2 巖石力學(xué)參數(shù)的選取

在地質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)上，將模型材料視為彈性介質(zhì)，通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，最終確定模擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)力學(xué)參數(shù)(表2)。

3.1.3 邊界條件的確定

邊界條件的確定主要依據(jù)魯西地區(qū)各構(gòu)造演化階段的動(dòng)力學(xué)背景[11-13]。為盡可能真實(shí)地恢復(fù)研究區(qū)不同階段的伸展演化，同時(shí)滿足有限元分析的需要，模擬過(guò)程中深度方向定為Z軸，X軸方向指東，Y軸方向指北，對(duì)晚侏羅世—早白堊世和古新世—早始新世2期模型，約束南、西兩側(cè)邊界，在其北、東兩側(cè)邊界分別施加拉張力和擠壓力，沿Z軸方向施加上拱力；對(duì)中始新世—漸新世模型，約束南、西兩側(cè)邊界，在其北、東兩側(cè)邊界分別施加擠壓力和拉張力，沿Z軸方向施加上拱力。利用APDL參數(shù)化編程語(yǔ)言編寫計(jì)算處理模塊，經(jīng)反復(fù)加載運(yùn)算，確定最佳邊界條件(表3)。

表2 魯西地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

表3 魯西地區(qū)3期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬力學(xué)邊界條件

3.2 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

晚侏羅世—早白堊世，平面上NW-NWW向左行斜列的斷裂處均存在明顯的應(yīng)力梯度帶，最大主應(yīng)力值集中在67.7～82.1 MPa(圖3a)，方向沿NW-SE向，自南向北依次為汶泗斷層、蒙山斷層、新泰—垛莊斷層、泰山—銅冶店斷層、陳南斷層?xùn)|段和埕南斷層?xùn)|段，表明NW-NWW向斷層活動(dòng)顯著，研究區(qū)已開始第一次大規(guī)模的伸展活動(dòng)(圖3b)。垂直上述斷層的走向切取一條SW-NE-SN向剖面，剖面最大主應(yīng)力云圖顯示，此時(shí)期沿太古宇/寒武系和奧陶系/石炭—二疊系界面的緩傾斜滑脫斷層廣泛發(fā)育(圖4a)，伸展正斷層使兩盤不斷掀斜，重力滑動(dòng)作用導(dǎo)致緩傾斜滑脫斷層的發(fā)生(圖4b)，這為后期濟(jì)陽(yáng)坳陷的油氣聚集和魯西隆起金屬礦產(chǎn)的富集提供了前提條件。由此推測(cè)，晚侏羅世—早白堊世是區(qū)域性緩傾滑脫斷層產(chǎn)生的第一個(gè)重要時(shí)期。古新世—早始新世，平面主應(yīng)力分布結(jié)果顯示，NW-NWW向斷層持續(xù)活動(dòng)，且近EW向和NE向斷層也開始活動(dòng)，最大主應(yīng)力值集中在21.3～57 MPa(圖3c)，方向近NWW-SEE向(圖3d)，與NE向斷層走向斜交，這表明NE向斷層除發(fā)生伸展活動(dòng)外，已具有一定走滑性質(zhì)。與前階段對(duì)比，此時(shí)期斷層活動(dòng)已開始向坳陷區(qū)遷移，成為研究區(qū)伸展裂陷的又一重要階段，這與此時(shí)期構(gòu)造演化背景擬合較好(圖3d)。對(duì)比剖面應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果(圖4c)，沿太古宇/寒武系界面的緩傾斜滑脫斷層持續(xù)發(fā)育，且魯西隆起區(qū)已出現(xiàn)隆升的雛形，這與來(lái)自隆起區(qū)蒙山、蓮花山、泰山抬升速率與時(shí)間的裂變徑跡證據(jù)相吻合[14-15]，同時(shí)平衡剖面恢復(fù)也印證了此期大規(guī)模伸展運(yùn)動(dòng)的發(fā)生(圖4d)。由此推斷，古新世—早始新世為研究區(qū)伸展構(gòu)造發(fā)育的又一個(gè)重要時(shí)期。中始新世—漸新世，平面最大主應(yīng)力結(jié)果與前期已大為迥異，NW向斷層帶的差異應(yīng)力已極為微弱，轉(zhuǎn)為NE向斷層處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力梯度，最大主應(yīng)力值集中在12.6～23.7 MPa(圖3e)，方向呈NE-SW(圖3f)。這表明NE向斷層活動(dòng)大大增強(qiáng)，而NW向斷層的活動(dòng)受到限制，研究區(qū)開始了NW-SE向的伸展。上述模擬結(jié)果與前述陡傾斜正斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征一致。同時(shí)，對(duì)比濟(jì)陽(yáng)坳陷和魯西隆起，隆起區(qū)斷層活動(dòng)已接近尾聲，伸展裂陷遷移至濟(jì)陽(yáng)坳陷。由此推斷，至漸新世，魯西隆起的伸展活動(dòng)基本停止，即研究區(qū)由南向北、由東向西發(fā)生了構(gòu)造遷移。這種構(gòu)造遷移和NE向斷層的快速活動(dòng)無(wú)疑對(duì)坳陷區(qū)的沉積及油氣聚集具有重要的控制作用。與此對(duì)應(yīng)，剖面結(jié)果清晰顯示(圖4e)，沿太古宇/寒武系界面的滑脫斷層再次活動(dòng)，魯西隆起快速抬升。由此判斷，魯西隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷自此開始分異，進(jìn)入各自的隆—坳演化歷史。這與此時(shí)期的構(gòu)造演化及斷層發(fā)育情況相吻合(圖4f)。中始新世—漸新世成為研究區(qū)又一次大規(guī)模伸展活動(dòng)的重要時(shí)期。

圖3 魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)平面構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及解譯

利用剖面模擬結(jié)果(圖4a，c，e)定量計(jì)算了研究區(qū)3個(gè)演化階段的伸展率(設(shè)剖面初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，伸展后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，則階段伸展率可表示為(L1-L0)/L0。將計(jì)算結(jié)果與平衡剖面恢復(fù)結(jié)果對(duì)比(圖5)，二者擬合程度較高，研究區(qū)自晚中生代開始伸展，古新世—早始新世持續(xù)活動(dòng)，伸展率達(dá)到高峰，中始新世—漸新世伸展率仍保持較高水平，研究區(qū)再一次發(fā)生大規(guī)模伸展活動(dòng)。

圖4 魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)剖面構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及解譯

圖5 魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)伸展率對(duì)比

綜合分析構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，晚中生代以來(lái)的3個(gè)伸展階段(晚侏羅世—早白堊世、古新世—早始新世、中始新世—漸新世)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)歷了強(qiáng)—較強(qiáng)—弱的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這與板塊俯沖的強(qiáng)弱相吻合，而區(qū)域伸展方向經(jīng)歷了由NE-SW到NNE-SSW，再到NW-SE的重要轉(zhuǎn)變。

4 伸展構(gòu)造演化及形成機(jī)制探討

魯西地區(qū)伸展構(gòu)造的形成，與晚中生代—古近紀(jì)中國(guó)東部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展演化有著密切的成生關(guān)系。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬表明，研究區(qū)伸展構(gòu)造演化主要受晚中生代以來(lái)構(gòu)造變革的影響和制約。究其深部背景，主要受控于區(qū)域上太平洋板塊俯沖方式的轉(zhuǎn)變、郯廬等邊界大斷裂走滑活動(dòng)的變化及垂向上地幔物質(zhì)的上涌強(qiáng)度等關(guān)鍵因素。

4.1 晚侏羅世—早白堊世

晚侏羅世—早白堊世是中國(guó)東部重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)折階段，構(gòu)造體制發(fā)生了由擠壓到伸展的重大轉(zhuǎn)變，這與太平洋板塊向歐亞大陸的俯沖緊密相關(guān)。中侏羅世(180 Ma左右)，西太平洋Izanaqi板塊以4.7 cm/a正向俯沖于歐亞大陸；晚侏羅世(140 Ma左右)，其突然以30 cm/a的高速沿NNW向俯沖于歐亞大陸[17](圖3b)，從而誘發(fā)郯廬斷裂的左行平移和滄東—蘭聊斷裂的右行平移。同時(shí)，140～110 Ma是中國(guó)東部中生代巖漿活動(dòng)和地幔底侵的峰期，也是巖石圈減薄最快的時(shí)期[18]，為區(qū)域伸展活動(dòng)創(chuàng)造了條件。在上述因素共同控制下，研究區(qū)開始大規(guī)模的NE-SW向伸展?；椎膭×依瓘垖?dǎo)致NW-NWW向伸展正斷層快速活動(dòng)，與郯廬斷裂共同構(gòu)成了“Y”字形平面構(gòu)造樣式(圖3a，b)。伴隨斷層切割深度不斷加大，區(qū)內(nèi)形成NW向左行斜列式的小規(guī)模半地塹，呈現(xiàn)“凹凸凹”格局的雛形。自此，魯西地區(qū)進(jìn)入第一個(gè)大規(guī)模的伸展裂陷期，伸展構(gòu)造經(jīng)歷了第一次快速發(fā)展。

4.2 古新世—早始新世

古新世—早始新世(65～53 Ma)是魯西地區(qū)構(gòu)造演化的重要轉(zhuǎn)型期。太平洋板塊的俯沖速度明顯降低，沿NNW向以7.8 cm/a的速度俯沖于歐亞大陸[11]，主要邊界走滑斷裂繼承了晚中生代的活動(dòng)，二者共同夾持使研究區(qū)處于三角形地塊中，發(fā)生向南的構(gòu)造逃逸[19]，產(chǎn)生近南北向的拉張應(yīng)力場(chǎng)(圖3d)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示了逃逸塊體內(nèi)部的伸展作用，先期的NW向斷層自南向北依次伸展，NW向半地塹持續(xù)發(fā)育，部分近EW-NE向斷層開始活動(dòng)。至此，隆起區(qū)的NW向半地塹已基本成形，成為控制煤田、金礦等分布的重要因素；而NW向陡傾斜正斷層的活動(dòng)控制了區(qū)內(nèi)中生代隱爆角礫巖型和矽卡巖型金屬礦床，同時(shí)大規(guī)?；摂鄬拥陌l(fā)育造成一系列侵入角礫巖型金屬礦床[20]。

4.3 中始新世—漸新世

中始新世—漸新世(53～23.3 Ma)是研究區(qū)又一次大規(guī)模的伸展活動(dòng)期。中始新世晚期(43.5 Ma)，印歐板塊與太平洋板塊碰撞達(dá)到高峰[21-22]，太平洋板塊俯沖方向轉(zhuǎn)向NWW，速度減為3.8 cm/a[11]。基于此，郯廬斷裂帶轉(zhuǎn)為右行走滑[23]，從而使構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了由近SN向拉伸到NW-SE向拉伸的轉(zhuǎn)變(圖3f)。上述因素控制下，NE向斷層廣泛發(fā)育，NW向斷層基本停止活動(dòng)。數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了此階段的斷層活動(dòng)特征，區(qū)內(nèi)整體呈現(xiàn)向北凸出的弧形(圖3e)。同時(shí)，巖漿活動(dòng)為緩傾斜滑脫斷層提供了驅(qū)動(dòng)力，尤其是泰山—魯山—沂山的快速抬升[24]，誘發(fā)其兩側(cè)滑脫斷層的發(fā)育。至漸新世，華北克拉通已相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造活動(dòng)和沉積中心逐漸向北遷移，魯西隆起不斷抬升，濟(jì)陽(yáng)坳陷大幅沉降，陡傾斜正斷層的活動(dòng)控制了主力烴源巖的沉積，且生油巖厚度大、質(zhì)量好，成為控制油氣成藏的重要因素；緩傾斜滑脫斷層既是油氣運(yùn)移的通道，其附近發(fā)育的裂縫和溶蝕孔隙也成為油氣聚集的重要場(chǎng)所。據(jù)資料顯示，43 Ma前研究區(qū)是一個(gè)相連的大盆地[24]，由此推斷，中始新世—漸新世是魯西隆起和濟(jì)陽(yáng)坳陷分異的重要階段，二者也因此成為研究區(qū)伸展構(gòu)造演化的2個(gè)重要對(duì)比樣本。

5 結(jié)論

(1)魯西隆起區(qū)野外地質(zhì)踏勘資料和濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)部分地球物理資料證實(shí)，魯西地區(qū)的伸展構(gòu)造包括陡傾斜正斷層和緩傾斜滑脫斷層，二者共同構(gòu)成了研究區(qū)獨(dú)有的“伸展構(gòu)造格局”。陡傾斜正斷層主要以NW、NWW向展布，緩傾斜滑脫斷層主要沿不整合面、巖性突變面、沉積間斷等發(fā)育，在研究區(qū)以太古宇/下古生界間發(fā)育最具規(guī)模。

(2)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，魯西地區(qū)晚中生代—古近紀(jì)伸展構(gòu)造演化經(jīng)歷了3個(gè)階段，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度經(jīng)歷了強(qiáng)—較強(qiáng)—弱的演化過(guò)程，最大主應(yīng)力方向發(fā)生了從NW-SE到NWW-SEE，再到NE-SW的重大轉(zhuǎn)變。晚侏羅世—早白堊世(140～65 Ma)為第一次大規(guī)模伸展裂陷期，伸展方向?yàn)镹E-SW向；古新世—早始新世(65～53 Ma)持續(xù)伸展期，區(qū)域伸展方向由NE-SW向向近SN向過(guò)渡，為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變革轉(zhuǎn)型的過(guò)渡期；中始新世—漸新世(53～23.3 Ma)為又一次大規(guī)模伸展活動(dòng)期，伸展方向轉(zhuǎn)為NW-SE向，該期也是魯西隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷分異演化的重要階段。應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況吻合度較高。

(3)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，魯西地區(qū)的伸展構(gòu)造演化受到晚中生代以來(lái)構(gòu)造變革的影響與制約，其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化受控于區(qū)域上太平洋板塊向歐亞板塊俯沖方式的轉(zhuǎn)變、郯廬等邊界大斷裂走滑活動(dòng)的變化以及垂向上地幔物質(zhì)的上涌強(qiáng)度等關(guān)鍵因素。

(4)伸展構(gòu)造晚中生代—古近紀(jì)的演化規(guī)律對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷油氣的運(yùn)移、聚集和魯西隆起區(qū)金屬礦產(chǎn)的富集具有重要的控制作用。

[1] Stephansson O,Berner H.Finite element method in tectonic processes[J].Physics of the Earth & Planetary Interiors,1971,4(4):301-321.

[2] 張貴賓,Bott M H P.半地塹盆地演化機(jī)制的粘彈塑數(shù)值模擬[J].地學(xué)前緣,2000,7(4):441-448.

Zhang Guibin,Bott M H P.Modelling the evolution of a half graben basin using elasto-viscoplastic finite element analysis[J].Earth Science Frontiers,2000,7(4):441-448.

[3] Huerta A D,Harry D L.The transition from diffuse to focused extension:Modeled evolution of the West Antarctic Rift system[J].Earth and Planetary Science Letters,2007,255(1/2):133-147.

[4] Cacace M,Bayer U,Marotta A M.Late Cretaceous-Early Tertiary tectonic evolution of the Central European Basin System (CEBS):Constraints from numerical modeling[J].Tectonophy-sics,2009,470(1/2):105-128.

[5] Lu Yuanzhong,Yang Shuxin,Chen Lianwang,et al.Migration trend of strong earthquakes in North China from numerical simulations[J].Journal of Asian Earth Sciences,2012,50:116-127.

[6] Li Li, Zhong Dalai, Shi Xiupeng, et al. Late Mesozoic-Cenozoic décollement structure and its deep geological background in western Shandong,China[J].Progress in Natural Science,2009,19(5):603-613.

[7] 李三忠,王金鐸,劉建忠,等.魯西地塊中生代構(gòu)造格局及其形成背景[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,79(4):487-497.

Li Sanzhong,Wang Jinduo,Liu Jianzhong,et al.Mesozoic structure and its tectonic setting in the western Shandong Block[J].Acta Geologica Sinica,2005,79(4):487-497.

[8] 李臨華.魯西中新生代盆地充填序列及盆地類型[J].油氣地質(zhì)與采收率,2009,16(3):50-53.

Li Linhua.Mesozoic-Cenozoic sedimentary sequence and depositio-nal basin types in the western Shandong[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2009,16(3):50-53.

[9] 姜慧超,張勇,任鳳樓,等.濟(jì)陽(yáng)、臨清坳陷及魯西地區(qū)中新生代構(gòu)造演化對(duì)比分析[J].中國(guó)地質(zhì),2008,35(5):963-974.

Jiang Huichao,Zhang Yong,Ren Fenglou,et al.Comparative analysis of Meso-Cenozoic tectonic evolutions of the Jiyang and Linqing depressions and Luxi area[J].Geology in China,2008,35(5):963-974.

[10] 李理,鐘大賚,楊長(zhǎng)春,等.渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷滑脫構(gòu)造研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,51(2):521-530.

Li Li,Zhong Dalai,Yang Changchun,et al.The décollement structures in Jiyang Depression,Bohai Bay basin,China[J].Geophys,2008,51(2):521-530.

[11] Northrup C J,Royden L H,Burchfiel B C.Motion of the Pacific plate relative to Eurasia and its potential relation to Cenozoic extension along the eastern margin of Eurasia[J].Geology,1995,23(8):719-722.

[12] 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.

Xu Jiawei,Zhu Guang,Lü Peiji,et al.Progress in studies on strike-slip chronology of the Tan-Lu fault zone [J].Geology of Anhui,1995,5(1):1-12.

[13] 吳國(guó)強(qiáng),呂修祥,周心懷,等.新生代郯廬斷裂活動(dòng)在萊州灣地區(qū)的響應(yīng)[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2013,35(4):407-413.

Wu Guoqiang,Lü Xiuxiang,Zhou Xinhuai,et al.Response of Cenozoic Tan-Lu fault activity in Laizhou Bay area,Bohai Sea[J].PetroleumGeology & Experiment,2013,35(4):407-413.

[14] 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.

Li Li,Zhong Dalai.Fission track evidence of Cenozoic uplifting events of the Taishan Mountain,China[J].Acta Petrologica Sinica,2006,22(2):457-464.

[15] 唐智博,李理,時(shí)秀朋,等.魯西隆起蒙山晚白堊世—新生代抬升的裂變徑跡證據(jù)[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,50(2):127-133.

Tang Zhibo,Li Li,Shi Xiupeng,et al.Fission track thermochronology of Late Cretaceous-Cenozoic Uplifting events of the Mengshan Mountain in the Western Shandong Rise,China[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2011,50(2):127-133.

[16] 于建國(guó),韓文功,王金鐸.中國(guó)東部斷陷盆地中—新生代構(gòu)造演化[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009:35-47.

Yu Jianguo,Han Wengong,Wang Jinduo.Tectonic evolution of the Mesozoic-Cenozoic fault basin in eastern China[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2009:35-47.

[17] Maruyama S,Isozaki Y,Kimura G,et al.Paleogeographic maps of the Japanese Islands:Plate tectonic synthesis from 750 Ma to the present[J].The Island Arc,1997,6(1):121-142.

[18] 許文良,王清海,王冬艷,等.華北克拉通東部中生代巖石圈減薄的過(guò)程與機(jī)制:中生代火成巖和深源捕虜體證據(jù)[J].地學(xué)前緣,2004,11(3):309-317.

Xu Wenliang,Wang Qinghai,Wang Dongyan,et al.Processes and mechanism of Mesozoic lithospheric thinning in eastern North China Craton:Evidence from Mesozoic igneous rocks and deep-seated xenoliths[J].Earth Science Frontiers,2004,11(3):309-317.

[19] 李三忠,索艷慧,戴黎明,等.渤海灣盆地形成與華北克拉通破壞[J].地學(xué)前緣,2010,17(4):64-89.

Li Sanzhong,Suo Yanhui,Dai Liming,et al.Development of the Bohai Bay Basin and destruction of the North China Craton[J].Earth Science Frontiers,2010,17(4):64-89.

[20] 徐述平,楊立強(qiáng),高幫飛.魯西地區(qū)金礦類型與找礦方向[J].黃金科學(xué)技術(shù),2007,15(5):18-23.

Xu Shuping,Yang Liqiang,Gao Bangfei.The types of gold and ore-searching direction in Western Shandong Province[J].Gold Science and Technology,2007,15(5):18-23.

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

Ren Jianye,Zhang Qinglin.Analysis of development mechanism for center anticline high in Dongying Depression[J].Geotectonica et Metallogenia,2004,28(3):254-262.

[22] 路慎強(qiáng),陳冠軍,吳孔友,等.渤海灣盆地東營(yíng)凹陷中央背斜帶構(gòu)造特征和演化機(jī)理[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2013,35(3):274-279.

Lu Shenqiang,Chen Guanjun,Wu Kongyou,et al.Tectonic feature and evolution mechanism of central anticline belt of Dong-ying Sag,Bohai Bay Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2013,35(3):274-279.

[23] 韓文功,季建清,王金鐸.郯廬斷裂帶古新世—早始新世左旋走滑活動(dòng)的反射地震證據(jù)[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2005,15(11):1383-1388.

Han Wengong,Ji Jianqing,Wang Jinduo.The seismic evidence of Tan-Lu fault's left-lateral strike-slip from Palaeocene to Early Eocene[J].Progress in Natural Science,2005,15(11):1383-1388.

[24] 李理,鐘大賚,時(shí)秀朋.魯西隆起和濟(jì)陽(yáng)坳陷新生代隆坳耦合關(guān)系[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,81(9):1215-1228.

Li Li,Zhong Dalai,Shi Xiupeng.Cenozoic uplifting/subsidence coupling between the West Shandong Rise and the Jiyang Depression,Northern China[J].Acta Geologica Sinica,2007,81(9):1215-1228.

(編輯 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，碩士，講師，從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。E-mail: huqiuyuan_1984@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40772132)和中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院春暉計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(13070901)共同資助。

TE121

A