鲁西隆起与济阳坳陷晚中生代—古近纪构造演化对比及数值模拟

胡秋媛,李 理,郭建伟

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000; 2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580;3.中国石油西南油气田公司 输气管理处,四川 成都 610051)

鲁西隆起和济阳坳陷是鲁西地块内“一隆一坳”两个构造单元,二者在新生代含油气性大为迥异,鲁西隆起区富集煤田及金属矿产,油气资源贫乏,而济阳坳陷区石油天然气资源却极为丰富。鲁西隆起和济阳坳陷的形成与演化受断裂作用控制显著,并与各构造演化阶段的伸展变形密切相关。在鲁西地区,其断裂作用的主要形式为伸展断层。近年来,国内外众多学者从几何学、运动学及成因机制等方面对伸展断层展开过深入研究[1-2],并取得了丰硕成果。值得注意的是,近年来随着定量分析技术的广泛应用及资料的积累,伸展断层的构造变形研究已逐步实现了由定性向定量研究的重要转变。笔者利用研究区二维地震剖面开展了平衡剖面恢复,定量计算了鲁西隆起和济阳坳陷各构造演化阶段的伸展量、伸展率和伸展系数等参数,动态显示研究区的构造演化过程。同时,基于构造应力场数值模拟方法,深入探讨了鲁西隆起和济阳坳陷分异演化的关键时期及成因机制,具有重要意义。

1 区域地质概况

鲁西隆起和济阳坳陷以齐—广断层为界,是鲁西地块内“一隆一坳”两个构造单元(图1)。研究区地层发育齐全,基底由泰山岩群、TTG岩系和古元古代造山花岗岩组成,主要发育NW向、NNW向的褶皱和韧性剪切带[3]等构造类型;盖层中则NW向展布一系列脆性正断层,在部分NE向和近EW向断层的调节作用下,共同构成了鲁西地区独有的“伸展构造格局”。区内断层走向玫瑰花图显示,研究区断层走向分NW向、NE向和近EW向三组,其中以NW向控凹断层最为发育(图1)。其中,鲁西隆起内代表性控凹断层为汶泗断层(F1)、蒙山断层(F2)、新泰—垛庄断层(F3)、泰山—铜冶店断层(F4),济阳坳陷内代表性控凹断层为陈南断层(F6)、义南断层(F16)和埕南断层(F7)(图1)。剖面上NW向伸展断层呈陡倾斜铲状,倾向南西,倾角可达50°～70°[4]。

注:F1-汶泗断层;F2-蒙山断层;F3-新泰-垛庄断层;F4-泰山-铜冶店断层;F5-齐河-广饶断层;F6-陈南断层;F7-埕南断层;F8-石村断层;F9-罗西断层;F10-孤西断层;F11-五号桩断层;F12-宁南断层;F13-无南断层;F14-临商断层;F15-夏口断层;F16-义南断层;F17-义东断层;F18-埕东断层;F19-滨南断层;F20-高青断层图1 鲁西地区主要断层分布与断层走向玫瑰花图

2 区域典型剖面运动学及构造演化对比分析

2.1 平衡剖面恢复基本原理

平衡剖面法是构造演化史恢复的有效方法之一,以此可计算不同构造演化阶段各剖面的伸展参数(伸展量、伸展率、伸展系数及伸展速率)。以物质守恒为前提,岩石在变形前后物质总量保持不变。假定岩层在变形后的长度和初始沉积长度相同,则在垂直断层走向的剖面上,最终体现为“层长不变原则”[5]。

设变形前的原始剖面长度为L0,伸展变形后的剖面长度为L1,剖面从长度L0伸展到L1经历的时间为Δt,构造剖面的伸展量E、伸展率Ext、伸展系数β和阶段伸展速率R可分别表示为[6]:

E=L1-L0.

(1)

(2)

β=L1/L0.

(3)

(4)

2.2 鲁西隆起和济阳坳陷典型剖面运动学分析

考虑研究区的伸展方向,在区内选取两条典型测线,即济阳坳陷南北向L568测线(图1中Ⅰ-Ⅰ′)和鲁西隆起中部NE-SW向测线(图1中Ⅱ-Ⅱ′-Ⅱ″)，分别对其进行构造演化史和平衡剖面恢复。基于上述原理将已变形的剖面恢复到未变形的状态，最终复原出每一演化阶段的古构造面貌(图2，3)，动态显示了研究区的构造演化过程。

利用上述平衡剖面恢复结果,分别计算得出鲁西隆起和济阳坳陷J-K、E、N-Q和现今4个构造演化阶段的伸展参数,两条剖面的伸展量、伸展率、伸展系数和阶段伸展速率数据及对比见表1。

上述平衡剖面计算结果表明,鲁西隆起和济阳坳陷均经历了4个构造演化阶段。在鲁西隆起区,古近纪伸展量最大,占总伸展量的63.2%,晚中生代次之;古近纪伸展率(9.3%)明显大于晚中生代(3.4%);古近纪阶段伸展速率(235.0 m·Ma-1)也远远大于晚中生代(24.5 m·Ma-1),约是晚中生代的10倍。至新近纪时,伸展量、伸展率和阶段伸展速率明显降低。比对以上各项参数,济阳坳陷也存在同样的规律。在济阳坳陷区,古近纪伸展量最大,占总伸展量的71.5%,晚中生代次之;古近纪伸展率(13.8%)明显大于晚中生代(4.7%);古近纪伸展速率(330.9 m·Ma-1)也远大于晚中生代(32.9 m·Ma-1),约是晚中生代的10倍。至新近纪时,伸展量、伸展率和伸展速率大幅降低。由此可见,研究区晚中生代开始伸展,并呈现渐强趋势,古近纪伸展活动强度达到顶峰;至新近纪,伸展强度渐弱,整体趋于稳定。这无疑证实了研究区晚中生代与古近纪分别处于不同的构造体制控制,与郯庐断裂带始新世由左旋走滑向右旋走滑的区域构造背景吻合[7]。

2.3 鲁西隆起和济阳坳陷构造演化对比

对比各构造演化阶段的伸展参数可知,晚中生代鲁西隆起的伸展量(3.5 km)明显小于济阳坳陷(4.7 km),同时,前者的阶段伸展速率(24.5 m·Ma-1)也显著小于后者(32.9 m·Ma-1);到古近纪时,区域间的差距愈加明显,鲁西隆起区的阶段伸展速率(235.0 m·Ma-1)远小于济阳坳陷区(330.9 m·Ma-1),指示了二者虽同受郯庐断裂带走滑活动的影响,但济阳坳陷区的伸展裂陷要更加强烈,且二者的伸展裂陷必存在一定的演化序列。这也进一步反映出二者所处的构造演化背景,尽管鲁西隆起在古近纪时与济阳坳陷同处于中国东部岩石圈中—新生代伸展裂陷的大地构造环境,但由于鲁西隆起区岩石圈冷且坚硬,致使其晚中生代—古近纪的伸展裂陷相对微弱。

图2 鲁西隆起NE-SW向测线构造演化平衡剖面

图3 济阳坳陷L568测线构造演化平衡剖面

剖面位置构造阶段剖面长度L/km伸展量E/km伸展率Ext/%伸展系数β阶段伸展速率R/(m·Ma-1)鲁西隆起J-K101.53.53.41.0324.5E105.09.89.31.09235.0N-Q114.82.21.91.0294.4现今117.0001.000济阳坳陷J-K163.84.72.91.0332.9E168.513.88.21.08330.9N-Q182.30.80.41.0134.3现今183.1001.000

注:剖面长度为相应构造阶段的初始长度

基于平衡剖面恢复结果,利用断层落差进一步计算出鲁西隆起和济阳坳陷共计8条断层的活动速率,其随地质时间的变化图显示(图4),鲁西隆起和济阳坳陷各断层在活动性上既存在相似性,也有一定的差异。除齐河—广饶断层外,各NW向控凹断层的活动速率自三叠世→晚中生代→古近纪表现出负值→较小正值→较大正值的变化,反映了不同应力场作用下各断层由挤压逆冲→拉张裂陷→强拉张裂陷的发育过程,且以齐河—广饶断层为界,鲁西隆起和济阳坳陷均出现由南向北各断层活动性逐渐增强的规律,从而也指示二者的构造演化必存在一定的耦合关系。同时,上述规律进一步表明,三叠纪末期(T3),研究区经历了重要的构造转型,各断层经历了由逆断层向正断层的负反转过程,晚中生代开始伸展裂陷,至古近纪断层活动性普遍增强,活动速率呈现最高峰,隆起区北部的泰山—铜冶店断层可达120 m/Ma,至新近纪断层活动大幅减弱,构造活动渐趋于稳定。

图4 鲁西隆起和济阳坳陷NW向断层活动速率随时间变化

3 构造应力场数值模拟

构造应力场数值模拟是构造应力场定量分析的卓有成效的方法与手段,常用于探讨区域应力场的空间展布特征及其动态演化过程。此处笔者拟通过鲁西隆起和济阳坳陷晚中生代—古近纪的构造应力场数值模拟实验,进一步揭示其构造演化过程,并深入探讨二者分异演化的关键时期及成因机制。

3.1 基本原理

构造应力场数值模拟实验基于有限元基本思想,利用ANSYS12.0软件的弹性平面有限元程序进行,在运算过程中需满足本构方程[8]:

式中,σij为应力张量;Dijkl为弹性系数;ξkl为应变张量;dλ为一致性条件确定的尺度因素;F为应变空间表示的屈服函数。

3.2 构造应力场数值模拟实验过程

3.2.1 模型建立与参数确定

为使实验结果便于对比,模拟过程中将两个研究区单元视为一整体,数字化提取出3期地质模型。在此基础上,结合实际地质因素和试验测试结果,确定数值模拟的相关力学参数(表2)。

3.2.2 边界条件选取

分析鲁西地块的动力学背景,其主要动力来源为太平洋板块的俯冲作用。晚侏罗世—早白垩世,西太平洋板块俯冲和超地幔柱的活动,诱发郯庐断裂带左行走滑和沧东—兰聊断裂带的右行走滑活动[7],研究区处于NNE-SSW向的拉张应力场;古新世—早始新世,太平洋板块俯冲速度较晚中生代明显降低,研究区仍夹限于左行走滑的郯庐断裂带[7]和右行走滑的沧东—兰聊断裂带间[9],发生自北向南的逃逸,整体处于近SN向的拉张应力场;中始新世—渐新世,太平洋板块转变了俯冲方向,俯冲速度再次降低,同时,郯庐断裂带和沧东—兰聊断裂带转变了走滑方式,使研究区处于NW-SE向的拉张应力场。基于此,在数值模拟中,用挤压力模拟太平洋板块的俯冲,剪切力模拟边界大断裂的走滑,约束模型的西侧边界,在东侧边界同时施加挤压力和剪切力。调用ANSYS中弹性平面有限元程序运算,最终确定了三期构造应力场数值模拟的最佳边界载荷条件(表3)。

表2 鲁西隆起和济阳坳陷构造应力场数值

表3 鲁西隆起和济阳坳陷构造应力场数值模拟边界条件

3.3 数值模拟结果分析

模拟实验进行多组,此处仅选择拟合程度较高的一组实验进行讨论,数值模拟结果如图5所示。晚侏罗世—早白垩世,平面最大主应力整体呈现“南北分带,依次递增”格局,大小集中于67.7～82.1MPa,区内NW-NWW向左行斜列断裂处均有明显梯度带(图5(a));这表明此时期NW向断层活动显著,且自南向北伸展逐渐增强,与前述断层活动特征一致,研究区已开始第一次大规模NE-SW向伸展。古新世—早始新世,平面最大主应力具有明显分带性,大小集中于21.3～57MPa,断层两侧的凸起与凹陷呈现出压应力值相对较高的趋势,断层带内形成显著的差异应力,有利于断层的活动,NW-NWW向断层持续活动,近EW向和NE向断层也开始活动(图5(c));由此推断,研究区的伸展活动由NE-SW向过渡为近SN向。中始新世—渐新世,平面最大主应力集中于12.6～23.7MPa,与前两个时期相比,分布格局已大为迥异,NW向断层处差异应力趋于微弱,而在NE向断层处呈现明显梯度(图5(e))。由此判断,研究区已由近SN向伸展转为NW-SE向伸展。同时,对比两个构造单元,隆起区伸展活动已接近尾声,开始向南迁移至济阳坳陷,这与前文述及的断层活动规律相吻合。由此判断,鲁西隆起与济阳坳陷自此开始分异,此时期成为隆起与坳陷分异的重要阶段。

4 对鲁西隆起和济阳坳陷构造演化的再认识

构造应力场数值模拟为鲁西隆起和济阳坳陷“隆坳构造格局”的成因机制提供了关键证据,进一步证实了晚中生代以来中国东部构造应力场对研究区发展演化的重要控制作用。

晚侏罗世—早白垩世,中国东部的构造体制发生了由挤压到伸展的重大变革,主要归因于太平洋板块向欧亚大陆的俯冲。晚侏罗世(140Ma左右),太平洋超地幔柱活动,诱发西太平洋Izanaqi板块突然以30cm/a的高速沿NNW向俯冲于欧亚大陆之下[10](图5(b)),从而使东、西两侧的郯庐断裂带和沧东—兰聊断裂带分别发生了大规模左行和右行平移,来自郯庐断裂带的同位素研究支持这一观点[11],认为Izanaqi板块的高速NNW向俯冲与郯庐断裂带的左行走滑不仅在时间上一致,在成因上也是相互耦合的。在上述因素的共同控制下,中国东部处于左旋压扭性的应力场环境,研究区开始了大规模的NNE-SSW向伸展活动,一系列NW向左行斜列式断裂处均出现明显的应力梯度带,先期的逆断层开始活化为正断层,向相反的方向继承性活动,自南向北依次出现一系列NW向控凹断层,与郯庐断裂共同构成了“Y”字形平面构造样式(图5(a),(b))。同时,太平洋板块的俯冲作用诱发地幔柱的升降,引起早白垩世(134～119Ma)局部地幔对流及幔源岩浆的底辟,进而导致岩石圈强烈的伸展减薄。自此,鲁西地区经历了第一次大规模的伸展运动。

古新世—早始新世(65～53Ma)是从中生代构造特征向新生代构造特征转型的关键时期。研究区主要边界走滑断裂继承了晚中生代的活动方式,郯庐断裂带仍为左旋走滑活动,沧东—兰聊断裂带仍为右旋走滑活动,二者的共同夹持使研究区三角形地块发生近南北向的逃逸,进而产生近南北向的拉

张应力场(图5(d)),使先存的NW向断层与部分近EW向断层发生伸展活动。前已述及,断层活动速率研究指示一系列伸展断层在鲁西隆起和济阳坳陷内均具有由南向北依次增强的活动规律(图4),古新世—早始新世构造应力场数值模拟实验结果与当时的动力学背景吻合。

中始新世—渐新世(53～23.3Ma)是研究区第二次大规模的伸展运动阶段,这与印欧板块和太平洋板块新生代期间的重大运动学调整密切相关。中始新世晚期(43.5Ma),太平洋板块的俯冲方向由NNW向转为NWW向,俯冲速度大大减弱,印欧板块与太平洋板块的碰撞进入鼎盛[12-14]。基于此,郯庐断裂带的左行走滑基本停止,取而代之的是右行走滑活动(图5(f)),这一转变具有重要的构造变革意义,构造应力场发生了由近SN向拉伸到NW-SE向拉伸的转变。在上述主控因素下,NE向断层广泛发育,整个鲁西地区呈现出向北凸出的弧形伸展构造格局(图5(e))。伴随断层活动特征的转变,至渐新世,研究区构造活动和沉积中心的迁移已愈加明显,表现为以齐河—广饶断层为界,鲁西隆起不断抬升,断层基本停止活动,隆起区的快速抬升造成坳陷区的大幅沉降,从而控制了主力烃源岩—潮湿条件下的半深湖和深湖油页岩及暗色泥岩的形成。鲁西隆起和济阳坳陷自此分割开来,进入各自的隆—坳演化历史。因此,鲁西隆起和济阳坳陷成为鲁西地区重要的对比样本。

5 结 论

(1)三叠纪末期,研究区各断层均经历了由逆断层向正断层的负反转过程;之后在晚中生代开始伸展,并逐渐增强,至古近纪时伸展最为强烈,且以齐河—广饶断层为界,在济阳坳陷和鲁西隆起均表现出断层活动速率自南向北依次增强的规律,二者之间存在一定的耦合关系。

(2)构造应力场数值模拟结果表明,晚中生代—古近纪,鲁西地区构造应力场强度经历了强—较强—弱的演化过程,区域伸展方向发生了从NE-SW向到近SN向,再到NW-SE向的重大转变。鲁西隆起与济阳坳陷经历了从整体到分异的过程,其中,中始新世—渐新世成为二者分异的关键时期,隆起区断层活动已接近尾声,伸展裂陷迁移至济阳坳陷,二者自此分割开来,进入各自的隆-坳演化历史。

(3)构造应力场数值模拟为鲁西隆起和济阳坳陷“隆坳构造格局”的成因机制提供了关键证据,进一步证实此格局的形成归因于太平洋板块的俯冲碰撞、边界断裂的走滑,而晚中生代以来中国东部构造应力场对研究区发展演化具有重要控制作用。

[参考文献]

[1] 李三忠,岳云福,高振平,等.伸展盆地区断裂构造特征与成因[J]. 华南地质与矿产,2003(2):1-8.

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

[3] 王先美,钟大赉,王毅. 鲁西北西向断裂系晚中生代活动的几何学、运动学及年代学研究[J]. 地质学报,2008,82(9):1258-1274.

[4] 王炳山,王西恩. 鲁西伸展构造特征及其对煤矿生产的影响[J]. 煤田地质与勘探,2000,28(3):20-24.

[5] 张荣强,吴时国,周雁,等. 平衡剖面技术及其在济阳坳陷桩海地区的应用[J]. 海洋地质与第四纪地质,2008,28(6):135-142.

[6] 曹忠祥. 营口—潍坊断裂带新生代走滑拉分—断陷盆地伸展量、沉降量估算[J]. 地质科学,2008,43(1):65-81.

[7] 徐嘉炜,朱光,吕培基,等. 郯庐断裂带平移年代学研究的进展[J]. 安徽地质,1995,5(1):1-12.

[8] 张胜利. 构造应力场模拟—有限元理论、方法和研究进展[J]. 西北地震学报,2010,32(4):405-410.

[9] 李理,钟大赉,杨长春,等. 伸展作用序列及其深部背景:以晚中生代以来鲁西隆起和济阳坳陷为例[J]. 地学前缘,2012,19(5):255-273.

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

[11] 朱光,王道轩,刘国生,等.郯庐断裂带的演化及其对西太平洋板块运动的响应[J]. 地质科学,2004,39(1):36- 49.

[12] 任建业,张青林.东营凹陷中央背斜隆起带形成机制分析[J]. 大地构造与成矿学,2004,28(3):254-262.

[13] 胡秋媛，董大伟，赵利，等.准噶尔盆地车排子凸起构造演化特征及其成因[J].石油与天然气地质,2016,37(4):556-564.

[14] 董大伟，李继岩，王晓蕾，等.渤海湾盆地东营凹陷东部孔店组红层储层特征及控制因素[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(5):36- 45.