鲁西隆起中-新生代伸展构造演化的模拟试验

时秀朋,李 理

(中国石油大学地球资源与信息学院,山东东营 257061)

鲁西隆起中-新生代伸展构造演化的模拟试验

时秀朋,李 理

(中国石油大学地球资源与信息学院,山东东营 257061)

通过野外地质调查对鲁西隆起伸展构造特征进行研究,并根据相似理论建立相关试验模型,对鲁西隆起晚中生代以来的伸展构造的发育演化进行构造物理模拟。结果表明:鲁西隆起晚中生代以来的伸展裂陷作用主要经历了晚侏罗—早白垩世、新生代两个阶段,新生代又分为古近纪古新世—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—渐新世 (39～23.5 Ma)3个时期,各个时期与研究区伸展构造的主要发育时期相符;物理模拟试验证实泰山在新生代有两次快速抬升,分别为始新世 (45 Ma)和渐新世(23 Ma);伸展构造的形成归因于晚中生代和古近纪近南北向大规模的伸展作用,其深部背景主要为晚侏罗世以来太平洋板块俯冲方向及速度的改变、郯庐断裂带的走滑活动、新生代印欧板块的碰撞以及幔源岩浆活动。

构造物理模拟;伸展构造;晚中生代;鲁西隆起

构造物理模拟试验是在与实际构造地质背景和条件相似的实验室条件下重现自然界构造地质变形特征、成因机制和动力学过程的卓有成效的研究手段[1]。构造物理模拟试验起初以地壳浅层的脆性变形为主,不涉及具体的研究地区[2]。近年来,构造物理模拟试验取得了长足的进展,针对当前以中、新生代以来岩石圈的构造变形为研究热点的特点,试验的地质模型从简单的单层或双层模型到复杂的多层模型,并按照上、中、下地壳、岩石圈地幔和软流圈地幔不同的流变学衬度[3-4],研究不同边界条件下它们的变形和构造演化。同时,国外一些研究者依据相似理论,已开始运用离心机在相应尺度的重力加速度下进行初步研究[4]。目前构造物理模拟试验越来越受到学者的重视,由定性描述逐步跨入半定量分析乃至定量分析[5-6]。华北地区中、新生代以来的地质演化较为复杂[7],对其研究存在一定难度,鲁西隆起作为华北克拉通东南部一个重要的构造单元[8],笔者以其为研究对象,通过野外地质踏勘,针对先期模拟试验断层发育不全、相似程度不高等问题,改变试验材料,调整相关参数,再次模拟研究鲁西隆起不同构造时期的构造特征,探讨其成因机制,从而进一步探讨华北东部的构造演化。

1 区域地质概况

鲁西隆起位于华北克拉通的东南部,北抵齐河-广饶断层与济阳坳陷相邻,南达丰沛断层,东、西分别以郯庐断裂和兰考 -聊城断层为界 (图 1)。

图 1 鲁西隆起区域构造位置Fig.1 Regional tecton ic location of west Shandong uplift

本区具典型的华北克拉通型地层特征。基底主要由太古宇混合花岗岩、片麻岩等变质岩组成,而盖层则由古生界、中生界和新生界碳酸盐岩和碎屑岩组成[9-10]。

2 鲁西隆起伸展构造

鲁西隆起断层广泛发育,相互交错,形成了本区的“块断”构造基本格局[11]。这些伸展断层主要为NW、NWW走向的正断层,如汶泗断层、蒙山断层、新泰 -垛庄断层、泰山 -铜冶店断层,对伸展运动起主导作用,是本文中的重点研究对象,也是后期试验模拟的重点 (图 1)。笔者通过多次野外地质踏勘,沿断层走向进行追踪,观察断层及断裂带野外露头特征以及垂直断层走向的地质剖面 (图 2,Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′剖面位置见图 1),研究其剖面形态及组合特征。

泗水县华村水库汶泗断层产状为 230°∠58°,靠近断裂带上盘灰岩中发育张节理,下盘太古宇片麻理产状 240°∠30°(Ⅱ-Ⅱ′剖面 )。在放城蒙山断层产状为 210°∠60°,上盘为古生界寒武系、奥陶系、石炭—二叠系,中生界和新生界古近系和第四系,古近系产状为 330°∠17°,下盘太古宇中发育片麻理,产状为 210°∠70°,与断层产状基本一致 (Ⅰ-Ⅰ′剖面)。新泰 -垛庄断层为张性正断层,位于Ⅰ-Ⅰ′剖面产状为 220°∠62°,近上盘奥陶系马家沟组一侧黄褐色构造碎裂岩发育,砾石最大直径为 30 cm。靠近下盘一侧发育紫红色断层泥,下盘太古宇破碎,风化剥蚀后已准平原化。次级断裂发育,产状为 187°∠60°,与大断层大致平行,呈阶梯状 (图 2)。莱芜县 NEE向约 10 km处鹏山地区,泰山 -铜冶店断层产状 246°∠79°(Ⅲ-Ⅲ′剖面 ),上盘为古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系,中生界、新生界古近系和第四系,其中古近系为棕红色砾岩,产状为 85°∠15°,由于多次活动,挤压破碎强烈,断裂带由断层角砾岩、断层泥、碎裂岩组成,在断裂带附近可见擦痕,产状为 285°∠25°,见铁矿、铜矿化点蚀变。泰山 -铜冶店的东南段 (Ⅰ-Ⅰ′剖面),断层上、下盘均为太古宇,断裂带中发育碎裂岩、断层泥,可见挤压破碎现象。

野外地质调查表明,这些 NW向伸展正断层的断层面往往呈高角度发育,倾角为 50°～70°,断裂带中普遍发育构造岩 (图 2)。平面上由南至北近平行排列,作为半地堑的边界断层控制半地堑的走向和凹陷沉积 (图 1)。剖面上这些断层呈上陡下缓的铲式正断层,以同向倾斜为主,构成阶梯状的半地堑系。构造演化剖面研究表明,断层在三叠纪后发生构造负反转,古近纪活动最强,至渐新世后基本不再活动[12]。

图 2 鲁西隆起 NE-SW向地质剖面Fig.2 NE-SW geological profile in west Shandong uplift

3 伸展构造的物理模拟试验

构造物理模拟试验以相似理论为其指导思想[1],试验结果需从统计的角度来进行综合评价,因此对鲁西隆起伸展构造的发育演化进行了多次物理模拟,在此只对相似程度最高的一组模拟试验进行描述分析。

3.1 试验模型

试验材料选用粒径为 200～400μm的松散石英砂,石英砂的变形遵循莫尔 -库仑破坏准则,破裂内摩擦角为 25°～30°,非常接近地壳浅部沉积岩层的脆性变形行为[13]。用染色的红色、蓝色石英砂作为分层标志,以便对变形构造进行观察,染色石英砂的力学性质一般保持不变。岩浆侵入作用通过底部注凡士林实现[14]。模拟区域如图 1所示,在野外地质调查的基础上,以垂直断层走向的剖面为地质模型 (图 3),依据相似理论[1]建立试验模型。鲁西初次伸展从晚中生代开始,模型设计的最新地层为中生界,地层厚度见表 1。

图 3 构造物理模拟试验地质模型Fig.3 Geologicalmodel of structural physical s imulation exper iment

试验在中国石油大学 (华东)多功能构造物理模拟试验室进行,采用 30 cm×2 cm×13 cm的拉压砂箱模型[12],试验方法见文献[15]。根据鲁西隆起晚中生代以来伸展构造演化背景[16-17],试验中采取双向拉伸模拟鲁西隆起 NE-S W向伸展,在试验模型中对应泰山位置底部注入凡士林塑性物来模拟伸展过程中伴随的岩浆侵入作用。施力大小通过平流泵中蒸馏水和凡士林流速来控制,试验所得二者流速分别为 12.1和 0.8 mL/min。

表 1 模型地层与实际地层对比Table 1 Comparison of model layer and real layer

3.2 试验结果分析

三叠纪末鲁西隆起抬升并遭受剥蚀,伸展始于早侏罗世,晚侏罗—早白垩世开始大规模伸展,至新近纪鲁西隆起基本停止了伸展活动,因此模拟的地质时间限定为距今 208～23 Ma以前。试验历时 50 min,时间相似系数为 3.7 Ma/min。6组试验图像(图 4)采集时间分别为 0,6,28,39,44,50 min,对应地质时间分别为 208,186,105,64,45,23 Ma,即分别对应三叠末、早侏罗世、早白垩世、古新世、始新世和渐新世。

(1)早侏罗世 (186 Ma)主要驱动力作用方式为拉伸应力。模型中发育①,②,③号张性断层,①,③号断层倾向相同,②,③号断层间形成地堑 (图 4(b))。模拟区域开始进入伸展阶段。

(2)早白垩世 (105 Ma)主要驱动力作用方式为拉伸应力。模型中相继发育④,⑤,⑥号断层,倾向皆为南向。靠近⑥号断层北部和①号断层南部模型底部可见岩浆侵入 (图 4(c))。

(3)古新世 (64 Ma)主要驱动力作用方式为拉伸应力。拉伸应力驱动下伸展断层进一步发育演化,断层倾角变小,由于伸展作用导致的重力非均衡效应使得①,④,⑤,⑥号断层间地层发生倾斜。岩浆开始沿⑥号断层断面侵入,断层下盘地层略微向北掀斜。①号断层以南可清楚观察到大规模的岩浆侵入 (图 4(d))。

(4)始新世 (45 Ma)主要驱动力作用方式为拉伸应力。断层继续发育,拉伸应力使得断层间地层发生了进一步倾斜和弯曲。⑥号断层处岩浆侵入现象更为明显,下盘地层明显抬升 (图 4(e))。

(5)渐新世 (23 Ma)构造变形处于应力势能作用调整阶段,主体构造体系基本形成。①,④,⑤号断层基本不活动,①,④,⑤,⑥号断层呈阶梯状排列。⑥号断层处岩浆继续沿断面侵入,导致下盘太古宇出露地表 (图 4(f))。

图 4 试验模拟的鲁西隆起伸展构造演化Fig.4 Extensional structure evolution of west Shandong uplift in physicalmodel ing

对比构造物理模拟试验结果和实际地质模型,分析可知②号断层以北为济阳坳陷区,以南为鲁西隆起区,①,④,⑤,⑥号断层分别对应汶泗断层、蒙山断层、新泰 -垛庄断层和泰山断层。构造物理模拟试验结果表明,鲁西隆起在早侏罗世即开始伸展,伸展作用主要集中在鲁西隆起南部,汶泗断层率先发育。早白垩世鲁西隆起在南北向拉伸和地幔上涌派生的拉张应力的共同作用下开始大规模的伸展,由南至北依次发育蒙山断层、新泰 -垛庄断层和泰山断层,岩浆开始侵入,主要集中在泰山以北和汶泗断层以南区域。新生代古新世,断层持续发育,断层间地层发生掀斜,泰山北侧和汶泗断层以南岩浆侵入活动较强。始新世鲁西隆起受近南北向拉伸,伸展断层进一步发育,汶泗断层以南岩浆活动趋于尾声,泰山附近岩浆活动仍较强烈,表明此时泰山发生快速抬升,形成泰山雏形。渐新世鲁西隆起伸展构造体系基本形成,伸展作用逐步迁移至济阳坳陷区,仅泰山处仍有强烈岩浆活动,说明此期又有一次泰山的快速抬升。

4 讨 论

构造应力场数值模拟结果表明,鲁西隆起伸展构造的形成机制归因于晚中生代和古近纪两次大规模的伸展运动[18]。晚中生代以来,太平洋板块的NNW、NWW向俯冲、郯庐断裂带走滑和印欧板块的碰撞是鲁西隆起一直处于近南北向拉伸状态的主控因素[16-17]。早白垩世和古近纪岩石圈大规模伸展减薄引发的岩浆活动促进了鲁西隆起进一步伸展[19]。构造物理模拟试验所提供的运动学解释与上述鲁西隆起伸展构造形成的深部背景相匹配。试验不仅考虑了鲁西隆起伸展构造几何特征和形成机制等方面的相似,而且从时间上厘定了伸展构造的主要发育时期。同时,在试验过程中泰山新生代抬升得到了很好再现,模拟的快速抬升时期与泰山新生代磷灰石裂变径迹结果[20]一致。

5 结 论

(1)构造物理模拟试验中所设计的伸展模型的试验结果与鲁西隆起实际的伸展构造之间具有良好的相似性,证实鲁西隆起伸展构造在形成机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)鲁西隆起晚中生代以来的伸展裂陷作用主要经历了晚侏罗—早白垩世,新生代两个阶段,新生代又分为古近纪古新世—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—渐新世 (39～23.5 Ma)3个时期。

(3)泰山新生代的两次快速抬升分别为 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

国家自然科学基金项目(40772132)

时秀朋 (1981-),女 (汉族),山东东营人,博士研究生,主要从事构造地质学、区域及大地构造等方面研究。

(编辑 徐会永)