鲁西地区晚侏罗世－早白垩世构造应力场数值模拟

胡秋媛

（中国石油大学胜利学院 油气工程系，山东 东营257000）

鲁西地区地质现象极为丰富，是研究伸展构造的有利区域，前人已在伸展构造类型、特征及形成演化机制等方面取得过较为明确的认识［1－3］，但对全区却缺乏构造应力场方面的定量支持。目前，构造应力场数值模拟已成为构造应力场定量研究的有效手段，主要探讨区域构造应力场在空间的分布状态及其随时间发生的动态演化，从而推测构造运动的演化过程及地质构造的形成机制，其中，以“有限元数值模拟方法”应用最为普遍［4－6］。本文以野外露头观察、钻井岩心资料为基础，应用有限元数值模拟方法分别讨论鲁西地区平面和剖面构造应力场的基本特征，并对研究区晚中生代伸展构造的形成和演化机制进行深入探讨。

1 区域地质概况

鲁西地区位于华北板块中东部，包括济阳坳陷和鲁西隆起两个次级构造单元。研究区东以郯庐断裂带为界，西达沧东－兰聊断裂带，南、北分别以丰沛断层和埕宁隆起为界，整体呈近似平行四边形（图1）。鲁西地区自形成至今，经历了多期构造运动的改造，在不同地质背景下形成了不同的构造格局［2，7］。受印支期强烈挤压作用的影响，发育一系列NW向逆冲断裂与褶皱，对后期构造格局产生重要影响。燕山运动的强烈作用，使区域构造格局发生重大变革，古太平洋板块NNW向的俯冲诱发了先期NW向逆冲断裂发生负反转运动，到晚侏罗世－早白垩世，在伸展环境控制下，NW向逆冲断裂再度活化，负反转运动加剧，继承性发育多条伸展正断层，从而使研究区产生一系列NW向箕状半地堑，剖面上整体呈现出典型的“垒堑相间”格局。

图1 鲁西地区区域构造位置

2 构造应力场数值模拟

构造应力场的准确分析需建立在正确认识研究区构造背景和构造格局基础上，其中，地质模型和力学模型的建立是构造应力场数值模拟的关键因素［8］。

2.1 地质模型的建立

晚侏罗世－早白垩世的构造运动使研究区进入了第一个重要的构造转折期，西太平洋板块沿NNW方向高速俯冲于欧亚大陆，诱发了沧东－兰聊断裂、郯庐断裂带等发生NNE向的左旋走滑运动［9－10］；同时，板块的俯冲运动促使地幔柱和岩浆活动加剧，从而使陆壳减薄、局部岩浆上涌，进一步导致研究区先期的逆冲断层发生负反转运动［11］。在此动力学背景下，以坳陷区钻井岩心资料和隆起区野外露头资料为基础，数字化提取研究区主要构造，分别以郯庐断裂、沧东－兰聊断裂、埕南断层北部走滑断层和丰沛断层为界，建立平面构造模型（图2）。为保证应力场结果的准确性和边界条件施加的方便性，选取矩形辅助边框，大于研究区的实际范围。

在建立平面地质模型的基础上，为进一步建立合理的剖面地质模型，需进一步考虑鲁西地区的深部构造。选取研究区典型测线（测线位置见图1），以构造演化平衡剖面资料为依据，建立剖面地质模型（图3）。测线自南而北分别切过汶泗断层、蒙山断层、新泰－垛庄断层、铜冶店断层、齐广断层、陈南断层东段及埕南断层东段。

图2 研究区平面地质模型及力学边界条件

2.2 力学模型的建立

对不同构造单元、不同层位的岩石取样作力学测试实验，确定岩石力学参数，确定边界条件的约束和加载方式，以及制定断层的处理方案，是建立合理力学模型的基础。

图3 研究区剖面地质模型及力学边界条件

2.2.1 岩石力学参数的选取

岩石的力学参数既与所处的构造环境有关，也与其本身组构密切相关。在上述平面和剖面模型基础上，分别抽象出不同的结构单元，并综合分析研究区实际地质概况和部分实验测试数据，确定应力场数值模拟所需的弹性模量、泊松比等参数（表1、表2）。

表1 平面模型岩石力学参数

表2 剖面模型岩石力学参数

2.2.2 边界条件的确定

晚侏罗世－早白垩世鲁西地区的构造形态特征及区域构造背景是确定边界条件的基础。对于平面模型，左侧边界采用X方向约束，底部边界采用Y方向约束，保证模型不发生整体刚性运动，经反复模拟试算，顶部边界施加58.2MPa的远场拉张应力，右侧边界施加10.5MPa的远场挤压应力（图2）。对于剖面模型，底部边界采取滑动链条支撑，经反复模拟试算，左右边界各施加28MPa的远场拉张应力（图3）。

3 模拟结果分析

以鲁西地区地质构造特点为前提，将研究区力学模型转为计算模型，调用ANSYS11.0有限元程序进行相应运算，输出模拟结果，最终调用ANSYS软件的后处理模块将模拟结果绘制成图。下面分别对鲁西地区平面构造应力场和剖面构造应力场数值模拟结果进行分析。

3.1 平面构造应力场分析

平面构造应力场模拟结果显示出鲁西地区最大主应力及方位的分布与特征。全区最大主应力均显示为压应力，应力主要分布于0～26.3MPa之间（图4），矢量方位整体上近NW－SE向展布（图5），与边界挤压应力方位一致，尤其是坳陷区的东部及隆起区的大部均处于应力相对高值区，表明这些区域构造活动相对较强，很容易在NW－SE向挤压应力下发育NW向伸展构造，这与此时期断层活动性质由印支期的逆冲断层负反转为伸展正断层的构造现象十分吻合。以上分析证实，NW－SE向的区域挤压应力是该时期NE向伸展运动的主控因素。

图4 鲁西地区晚侏罗世－早白垩世平面最大主应力云图

研究区最大主应力矢量方位在一系列NW向断层附近发生汇聚（图5），尤其是断层两端，矢量线发生明显的偏转汇聚，如蒙山断层、铜冶店断层等，表明此类地区主应力发生相对集中，为释放应力，极易进一步诱发各类次级构造。

由图5中最大主应力矢量与研究区各断层走向的分布关系，可以确定一系列NW向断层的力学性质。最大主压应力矢量方位与NW向断层走向近平行，由此派生出的NE－SW向张应力恰与NW向断层近垂直相交，符合安德生正断层成因模式。由此可进一步判定，印支期发育的NW向逆冲断层在晚侏罗世－早白垩世活动性质发生了根本改变，发生负反转运动，这与此时期NW向伸展正断层的活动特征吻合。

3.2 剖面构造应力场分析

图5 鲁西地区晚侏罗世－早白垩世平面最大主应力矢量分布

剖面模拟结果表明，研究区剖面最大主应力均为压应力，应力值分布在0～25.3MPa间（图6），远离断裂带区域的最大主应力矢量方向为近铅直方向，且整体分布较均匀（图7），表明研究区此时期剖面构造应力场相对平稳。而最大主应力及矢量方位在各断层附近发生明显变化，断层两侧应力矢量与断裂带近平行，表明晚侏罗世－早白垩世区内各断层主要表现为正断层性质，这与平面构造应力场分析结果吻合。而断裂带两端最大主应力矢量变化较大且发生汇聚，表明此处产生应力集中，为释放应力，极易进一步发生构造活动。而分布在断裂带两侧的断块，主应力矢量分布稀疏，表明此区域构造应力场相对稳定，构造活动较其他地区明显减弱，各断块易保持自身的稳定性与完整性。同时，由剖面应力场模拟结果可看出，太古宇和古生界间及上、下古生界间均存在较明显的应力差，由此可推测，在上述两界面处可能会发育滑脱断层，这与区域K－Ar同位素测年得出的结论［12］一致。

图6 鲁西地区晚侏罗世－早白垩世剖面最大主应力云图

图7 鲁西地区晚侏罗世－早白垩世剖面最大主应力矢量分布

4 结 论

（1）晚侏罗世－早白垩世，在长达20Ma的地质历史时期内，鲁西地区的断层活动发生了根本性转变。印支期NW向的逆冲挤压断层被晚侏罗世－早白垩世的伸展正断层取代，断层活动强度增加。在此过程中，构造应力场的影响成为第一主导因素。

（2）晚侏罗世－早白垩世是鲁西地区伸展演化的重要转折点。平面和剖面构造应力场数值模拟结果表明，平面上NE－SW向的拉张和垂向的挤压是此时期构造格局产生重大变革的主导因素，这也进一步证明，此时期鲁西地区伸展裂陷的根本动力主要来源于太平洋板块的俯冲。

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