（地质工程专业论文）华北地区东部构造应力场模拟.pdf

摘要 华北地区东部是我国主要的油气产区之一，也是新生代以来构造活动最为强烈的地 区之一。该地区在经历多期复杂的构造演化运动后，构造应力场十分复杂。已有研究表 明构造应力场的发展演化不仅控制了含油气盆地的形成和盆地内构造的形成及分布，还 影响生、储、盖层的发育及油气生成、运移、聚集过程。主要表现为：一方面构造应力 为油气生成、运聚提供能量；另一方面构造应力是驱动油气运移的主要动力。古构造应 力场与石油生成、运移、聚集和分布等的关系是一个重大的理论研究，也是油气勘探的 新理论、新方法和新技术。 论文研究首先根据前人研究成果，分析华北地区东部各个地质历史时期的构造演化 特征及所处应力状态。以此确定适当的边界条件，建立合理的数学模型，再应用有限元 软件a n s y s 系统对渤海湾及周缘地区中新生代以来构造应力场的演化进行数值模拟， 即分别对印支晚期，燕山早期、燕山中期、燕山晚期、以及喜山期进行应力场数值模拟。 在此基础上，将模拟生成的喜山i i 期的应力演化图与现有油气分布图叠置，来分析构造 应力场与油气运聚的关系。研究认为，构造应力在油气的生成、运移和聚集等方面具有 重要的影响，高地应力区一般为高势区，低应力区有利于油气的聚集。油气从强压应力 区向弱压应力区或张应力区运移，张应力区是油气的最佳聚集区，最后对印支期进行有 利区域的预测，并成功预测高古4 油气井。 关键词：华北地区，构造应力场，有限元模拟，油气成藏 n o r t hch i n ae a s t e r nt e c t o n i cs t r e s sf i e l ds i mu l a t i o n z h e n gd i i l g ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r 0 w a n gw 萌f e n g a b s t r a c t t h ee 嬲t e mr e g i o no fn o r t hc l l i 豫i so mo ft h em a i l lh y d r o c 甜b o np r o d u c i n ga r e 嬲o fo u r c o u n t r ) r se 硒t c mr e g i o 玛a l o n eo ft h em o s ts 昀n g l yr e g i o i l so ft e c t o i l i c t i v 时，w t l i c h e x p c r i e n c e dm u l t i - p h 嬲ea n dc o m p l e xt e 州cm o v e m e n t ，r e s u l t i n gt l l et e c t o n i cg 吮s sf i e l d v e r yc o m p l e x t h ed e v e l o p m e n t 觚de v o l u t i o no ft e c t o r 此s 仃e s sf i e l dn o to i l l yc o n 乜o lo ft h e f o m a t i o no fh ) ，d r o c a r b o n b e 她gb 嬲i 璐，b u ta l s oe f j i e c tt l l ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f h y d r o c 打b o ng e n e r a t i o n ，m i g r a t i o n ，a c c u 姗l a t i o n r o l em a i l l i ya sf o l l o 、醛：0 i l lt h eo n eh a n d ， m et e c t o i l i cs t r e s sp r o v i d e se n e 唱yf o rh y d r o c a r b o ng e i l e r a t i o n ，m i g r a t i o n 觚da c c u m u l a t i o n ； o nt h eo m c rh m l dt e c t o i l i cs n - e s si st 1 1 em a i nd i i v e ro fo i l 锄dg a sm i g r a t i o n o f 廿l e r e l a t i o i l s h i pb e 铆e e nt e c t o i l i cs t r e s s 丘e l da i l d o i lg e n e 枷。玛 m i g r a t i o i l ， a c c 啪u l a t i o n d i s t 曲u t i o ni s 觚i n l p o r t 枷m e o r c t i c a li s s u e s 肌dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s f o ro i la n d g 船e x p l o r a t i o ni san c wt h e o r i e s ，n e wm e t h o d sa n dn e wt c c h n o l o g i e s b 弱e do nt l l ef o m e r r e s e a r c h ，f i r s t l y ，n l i sp a p e rs 啪m a r i z e st 1 1 eg e o l o 舀c a ll l i s t o 巧o ft h e t e c t o i l i c o nt i i i sb a s i s ，t l l r o u g l le s t a b l i s har e a s o m l b l eg e o l o g i c a lm o d e l ，印p r o p r i a t e l y 锄m y z e t l ：屺p r e s s u r ec o n d i t i o 璐a p p l yt h ef i n i t ee l e m e n ts o r w a r ea n s y sf o rs 缸e s sf i e l ds i m 山i o n r e s p e c t i v e l y ，s i m u l a t et h es 雠s sf i e i d0 fi n d o - c h i n e l a t e re p o c h ，y a l l s h 锄e a r l yv e p o c h y a i l s h 锄m i da n dl a t ee p o c h 鹤w e n 勰h i i n a l a y 雅e p o c h a n do v e rt h ec x i s t i n gd i s t r i b u t i o n o f o i l 锄dg a sm 印o nt h eg 畹s sf i e l dm a p ，觚a l y z et h er e l a t i o l l s l l i pb e t w e o i l 锄dg 鹤a n d t e c t o n i cs 臼e s sf i e l d ni sd e e m e dm a tt h et e c t o m cs n e s sh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h eg e n e f a t i o l l ， m i g r a t i o n 锄1 da c c u m l l l a t i o no ft h eo i l 觚dg 髂a i l dh i 曲o p p r e s s i n gs t r e s sa v a i l s t l l e h y d r o c a r b o ng e n e r a t i o n t h et e c t o l l i cs t r e s si sad i r e c ti l l l p e t u sf o rt h eo i la n dg 勰m i g r a t i o n t h e1 0 w s 臼e s sa r e a s “h ic _ ha r es u r r o u n d e db yt h e1 l i g l i - s t 陀s sa r e 硒a r cv e 巧f a v o r a b l ef o rt h e c u m u l a t i o no fo i l 觚dg 孤f i 彻l l y ，f o 陀c a s tf a 、，o m b l eo i ia n dg 硒a c c 哪u l a t i o nz o n c s 觚d s u c c e s s 伽l yf o r c c a s tm eg a o g u 4o i la i l dg 硒w e l l k e yw o r d s ：n o r c l lc h i m ，t e c t o l l i cs t r e s sf 沁l d ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，r e s e r v o i rf o m a t i 伽 l i 学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 达臣望 日期：细g 年6 月厂日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：兰臣墨 指导教师签名： 日期： a r p3 年6 月f 日 日期：钼吣p 年毛月，日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章引言 华北地区东部主要是郯庐断裂带以西、太行山以东、内蒙地轴以南、鲁西隆起以北 的地区，面积约2 0 1 0 4 k m 2 ，该区是我国主要的油气产区之一，也是中新生代以来构 造活动最为强烈的地区之一。 该地区在经历多期复杂的构造演化运动后，构造应力场十分复杂。构造应力与油气 运聚具有密不可分的关系，己有的研究成果和实践表明：构造应力场的发展演化不仅控 制了含油气盆地的形成和盆地内构造的形成及分布，还影响生、储、盖层的发育及油气 生成、运移、聚集过程。主要表现为：一方面构造应力为油气生成、运聚提供能量；另 一方面构造应力是驱动油气运移的主要动力，也是异常压力形成的重要因素，影响油气 在岩石中的流动状态、速率和水岩作用过程。在不同演化阶段，构造应力场不同，所 发生的地质事件也相应有所不同，这些地质事件相互联系、互为因果，对于油气运移， 流体势和异常压力的变化至关重要n 1 。 论文通过应用有限元分析软件a n s y s 系统对渤海湾及周缘地区中新生代构以来 造应力场的演化进行数值模拟，探讨各地质时期地壳应力场的分布及动力方式和力源的 变化规律。依据所提供各期应力场的详细图像，并结合油气地质特征来预测含油气的有 利区域和构造。 1 2 国内外研究现状 构造应力场研究是地球科学既古老又年轻的一门学科。早在2 0 世世初，一些数学家 和力学家利用简单的理想模型，从地球的固体潮、重力、自转离心力及其内部热物质作 用等方面，对大尺度范围乃至全球的构造形态及活动进行估算分析，试图了解地球内部 应力场的状况。1 9 2 3 年，t e r z a g l l i 引入了有效应力观念，认为在孔隙介质中，岩石变形 是由有效应力，即环境应力与流体压力的差值决定的；1 9 5 9 年，h u b b e r t 开始把这个观 念应用到逆掩断层的产生机理中；1 9 5 1 年a n d e r s o ne m 利用应力状态来解释断层的产 生，指出正断层、逆断层和平移断层分别与三种应力状态相对应( 图3 1 ) ；t c n e 礴 别强调孔隙流体压力在地质上的重要性1 9 6 9 ) ，并且在1 9 7 7 年系统地论述了孔隙流体 压力的影响及其在构造地质上的应用乜1 9 0 年代末以来，很多学者在应力与油气成藏方 面做了许多研究，并取得了大量的成果，如t h o m a sf i l l l ( b e i n e r ( 2 0 0 1 ) 在应力与孔隙压 第一章引言 力的关系方面进行了深入的研究，k i y o h i k oy a m a h o t o ( 2 0 0 1 ) 深入研究了断层带附近 应力的变化情况及其在油气成藏方面的影响口一】。但是，迄今为止，关于地球的应力状 态仍然有许多问题尚未完全解决，例如应力的起源、板块的动力边界、现今应力场的状 态及其控制因素以及应力场的演化过程及其控制因素等难题依然使我们困惑。 近年来，我国的一些地震工作者对应力场及其相关问题进行了研究( 陈连旺等， 1 9 9 9 ；张东宁，许忠淮，1 9 9 9 ；焦明若等，1 9 9 9 ) 。张超和陈连旺曾经在“八五 重点 研究中对应力场的演化机制作过理论研究，由于当时条件所限，没有能够与实测资料结 合进行具体模拟计算。随后陈连旺等在国家自然科学基金项目( 4 9 5 7 4 2 2 3 ) 和中国地震 局“九五 重点研究项目( 9 5 0 4 0 4 0 3 0 1 ) 资助下，曾对华北地区构造应力场演化作 过三维数值模拟，并探讨了应力场的演化过程与地震活动的关系。 地应力包括地质历史时期的地应力( 称为古地应力) 和现今地应力。我们所说的地壳 内某一点的地应力状态就是各个应力状态叠加后得到的总应力状态，是一切作用在该点 岩体上的所有作用力影响的总和。其中最重要的是构造力、重力和流体压力引起的应力。 在地应力的各个应力中，构造应力在油气成藏过程中起到非常重要的作用。构造应力就 是作用在岩体上的构造力和阻止岩体运动的抵抗力这一对大小相同方向相反的力共同 作用下，在岩体内部产生的附加内力心1 。 1 3 研究思路与技术路线 构造应力场数值模拟应在地史模型分析的基础上，注重演化和层次分析，即构造应 力场数值模拟应从成藏期开始，逐次对成藏期及其以后各构造变动期进行演化序列模 拟，后( 晚) 期次模型的结构构造应以前( 早) 期次模型的结构构造为基础；模拟研究范围 应从小比例尺大范围逐渐过渡到大比例尺重点区，注重背景分析，以提高模拟研究精度。 论文主要通过数值模拟方法将计算机技术和构造理论结合在一起，通过计算机模拟 构造应力场的变化过程以及分析构造形态的分布规律。基本思路是：通过模拟当时的地 质构造背景( 包括岩石材料力学性质、驱动力作用形式、边界条件、时间等) ，将一个地 质体离散成有限个连续的单元，单元之间以节点相连，每个单元内赋予其实际的岩石力 学参数。把求解研究区域内的连续场函数转化为求解有限个离散点( 节点) 处的场函数 值，基本变量是位移、应变和应力，根据边界受力条件和节点的平衡条件，建立并求解 以节点位移为未知量，以总体刚度矩阵为系数的方程组，用插值函数求得每个节点上的 位移，进而计算每个单元内应力和应变值。随着单元数量增多，越接近于实际地质体， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 则求解越真实，精度越高。研究中既考虑到区域应力状态的瞬态动力变化性，对新生代 主要构造变形期进行演化序列模拟，又充分考虑数值模型可行性，要对原始地质模型做 一定的近似处理，建立合理的地质模型，从而对该地区的构造演化进行较真实的模拟。 该地区的古构造应力场演化模拟主要步骤如下( 技术路线图1 1 ) ：模型前处理。 主要包括地质模型和数学模型的建立；计算分析，论文研究主要考虑上地壳的弹性本 构关系：模型后处理。在典型地段切剖面进行最大主应力、最小主应力、最大剪应力 等分析研究；在二维空间与实测结果进行各种参数对比分析，以检验模拟结果的准确性。 将现有各时期油气分布图跟各时段应力演化图叠合分析油气与应力关系。 1 ) 地质模型的建立 在区域地质资料分析的基础上，确定模拟的边界。出于要对动力演化机制研究的考 虑，将对渤海湾的整个地壳厚度进行模拟。又考虑到边界效应，以及为了施力的方便。 最终确定范围如下：北部边界位于北纬4 3 。附近；西部边界位于东经1 1 4 0 附近；南部 边界位于北纬3 5 0 附近；东部边界位于东经1 2 3 0 附近。 2 ) 数学模型的建立及单元划分 考虑地质体内部结构的复杂性，以及模型的可实现性，要在尽可能真实反映盆地内 部结构的基础上对盆地模型作进一步的近似处理( 即把地壳中一定规模的断裂、褶皱、 地层产状作近似处理) ；单元按照有限元数值分析所要求的数学、力学规则进行划分， 且各单元之间要相互匹配。 3 ) 位移及应力边界条件的确定 依据区域地质分析，确定位移边界条件( 不同时期对应不同的地质模型，西部边界 主要以太行山为界，东部以郯庐断裂为界) ，应力边界条件的确定是当前比较难以解决 的问题，也是构造应力场数值模拟成功的关键因素，所以要给予地质模型合理的边界约 束。 4 ) 岩石力学参数的确定 根据胜利油田钻井资料、华北地区实测岩石力学参数，以及室内岩石实验所得的岩 石力学参数，并参考力学词典确定模型岩石力学参数。 5 ) 计算结果分析 运用砧吖s y s 有限元软件系统进行计算。由于构造模型计算十分复杂，需反复对 边界条件进行调试。根据计算结果反复就该区域的应力方向、大小及应变大小进行分析， 直至最终得出与实际地质情况相吻合的结果。 3 第一章引言 图1 1 技术路线示意图 f i g l - lt e c h n o l o g ，rm u t es c h e m a t i cd i a g 憎m 6 ) 分析构造应力场与油气关系 构造应力是油气运移的直接驱动力。在构造应力作用下，岩石产生体积变化，使岩 层内流体孔隙压力增大或减小，产生压力梯度或势差，推动流体在岩层内流动；油气侧 向运移沿着水平最小主压应力的方向。高地应力区一般为高势区，低应力区有利于油气 的聚集。油气从强压应力区向弱压应力区或张应力区运移，张应力区是油气的最佳聚集 区；构造应力在不同的地质时期表现出的作用不尽相同。在构造强烈活动期，构造应力 起主导作用；而在构造运动相对平静期，不起主导作用。成藏期构造应力场直接控制油 气聚集和分布。 1 4 预期成果及意义 1 ) 分析前人研究成果对华北地区东部构造应力场的演化过程，编写了晚三叠至古 近纪华北地区东部应力场的演化特征文字报告，多媒体报告一份。 2 ) 建立印支末期、燕山早期、燕山中期、燕山末期、喜山i 期和喜山i i 期共6 期 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地质模型( 编制各期构造纲要图共6 张) 。 3 ) 对各期模型进行构造应力场模拟，生成6 个时期应力方向图( 6 张) 、及第一主 应力、第三主应力、剪应力大小( 总计1 8 张) 应力分布图，分析各时期构造应 力场特征。 4 ) 利用现今油气分布与构造应力场特征，总结构造应力场与油气运聚的关系，并 预测了印支末期有利油气聚集区( 1 张) 。 通过构造应力场的分析，探讨油气生成、运移、聚集的某些规律，并结合油气地质 特征来选区、定点，预测含油气的有利区域和构造。构造应力场的有限元模拟提供了盆 地各期应力场的详细图像，为进一步研究油气运聚提供了依据。主应力大小决定了孔隙 度的分布以及孔隙压力的大小，而应力场方向又与当时的裂隙方向密切相关，因而与油 气运移的优势方向有关。所以对应力场进行研究，将对油气勘探与开发具有新的指导作 用。 5 第二章华北区域构造特征及其演化过程 第二章华北区域构造特征及其演化过程 华北地区东部主要是指太行山以东，郯庐断裂带以西、内蒙地轴以南、鲁西隆起以 北的华北地区，包括渤海湾盆地及其周边次级小盆地，面积约2 0 x 1 0 4 k m 2 ，该地区具有 丰富的油气盎源，是我国东部主要的油气产区之一。中生代以前该地区总体表现为大型 陆内克拉通或地台发育阶段，地壳运动以水平为主。中、新生代是本区重要的构造演化 阶段，周边大洋扳块、区域性的造山带、深大断裂及深部动力学背景的活动和演化使得 华北东部具有了极其复杂的应力场叠加演化过程( 图2 - 1 ) 。 图2 一l 华北地区大地构造位置圈 f 培2 lt e e 协n i e p o s i | b 日m 。p o f n o n h c h 缸_ 21 古生代稳定地台发育阶段及其南北缘的造山作用 古生代时期华北地区进入克拉通盆地稳定发展阶段，前寒武世末期的蓟县运动使华 北地区整体上升为陆经历了长期的风化剥蚀，在早寒武世中期，受克拉通盆地南北海 槽伸展扩张的影响，开始了早吉生代海侵的历史。虽然在华北克拉通内南北缘的裂陷槽 在晚元古代末期相继闭台，但位于克拉通边缘侧支的南北裂陷槽，则相继演化为古生代 的古蒙兴洋和古秦岭洋( 图2 2 ) ，而古蒙兴洋和古秦岭洋的演化对华北克拉通在古生代时 期的沉积格局起控制作用。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 上地壳；2 下地壳；3 洋壳；4 沉积物；5 上下地壳界面 图2 2华北地区及邻区构造演化模式图( 据何海清等，1 9 9 8 ) f i 9 2 2 t h em o d ec h a r to fn o n hc h i n aa n da d j a c e n ta 他a s 早寒武世时期，华北地区南北缘为被动大陆边缘性质，造成沉积作用由南向北和由 北向南层层超覆，使克拉通被动大陆边缘与克拉通内部陆表海形成连续过渡的格局；早 寒武世末期古蒙兴洋壳向南边的华北板块俯冲，使华北板块北缘稍有抬升，因而造成寒 武纪地层南厚北薄的特征；晚寒武世开始，古秦岭洋壳开始向北部华北板块俯冲，同时 由于华北克拉通北缘古蒙兴洋壳向南俯冲造成弧后盆地的拉张下沉，至晚寒武世晚期到 早奥陶世早期，华北地区沉积面貌和构造格局发生了明显变化，华北克拉通盆地整体上 表现为南升北降的格局，形成奥陶纪地层北厚南薄的特点，中奥陶世末期，华北板块南 北边缘的俯冲挤压作用继续进行，大陆边缘不断增生，这种持续的挤压作用使得华北地 区发生大规模整体上升( 即所谓的加里东运动) ，并导致了近1 3 0 m a 的时间内长期处于隆 升剥蚀的状态。加里东运动之后，华北板块北缘早古生代地体增生过程完成，晚古生代 在增生体北缘古蒙兴洋继续向南俯冲、消减，可能存在弧后伸展作用，另外由于古秦岭 板块的俯冲作用向东、西两端迁移及南北缘俯冲挤压过程中存在短期松弛效应，因而自 7 第二章华北区域构造特征及其演化过程 中石炭世始，华北地区再次沉降，形成了中、晚石炭世和早二叠世时期的海陆交互相沉 积，晚二叠世时期随古蒙兴洋的逐渐收缩和扬子板块向华北板块的俯冲作用，华北板块 再次缓慢上升，晚二叠世沉积了以河流相为主的陆相沉积，至晚二叠世晚期，西伯利亚 板块与华北板块碰撞造山，使华北北部隆起成山，而华北南缘在晚二叠世早三叠世仍 为活动大陆边缘，接受了晚二叠世早三叠世沉积，直至从中三叠世开始，扬子板块与 华北板块东部发生初始碰撞造山，这种造山作用逐渐向西迁移，从而造成在西秦岭地区 中三叠世地层有广泛分布，碰撞造山作用持续到晚三叠世，通过印支运动形成了秦岭造 山带，构造演化过程造成了华北地区石炭纪沉积盆地南隆北坳，二叠纪盆地北隆南坳格 局，而且在南华北、鄂尔多斯地区在三叠纪形成了造山带前缘残留盆地畸1 。 2 2 中生代欧亚构造域与滨太平洋构造域的过渡 表2 一l 地质年代及构造演化简表 1 a b i e 2 一lt h ea b r i d g e dt a b l eo fg e o l o g i c a la g ea n dt e c t o n i ce v o i u t i o n 地质年代年龄( m a )构造阶段和构造运动构造演化特征 第四纪 q 1 6 4 新 新 上新世n 2 喜 近5 2 马 受印度板块推挤作用的影响，形成了 纪 中新世n l 拉 一喜山i i 期 近北东向的区域右旋力偶作用应力 生 2 3 代 古 渐新世e 3 雅场，并发生较大的差异升降运动 近 始新世e 2 3 4 期 太平洋板块向西俯冲于亚欧大陆板 纪 5 5 一喜山i 期一 块之下，产生弧后扩张效应使华北地 古新世e i 特别是渤海湾地区形成拉伸应力场。 6 5 白 晚白垩世k 2 一燕山晚期一 太平洋板块的近东西向俯冲 垩 伊佐奈崎板块洋壳向n w 向俯冲挤 纪 早白垩世k l 燕 一燕山中期 压，华北地区东西成带、南北分块的 1 3 5 山 滨太平洋构造域已基本形成 中 晚侏罗世j 3 侏 期 生 罗中侏罗世j 2 扬子板块与华北板块的碰撞挤压开 纪 一燕山早期一 始逐渐减弱，中国东部进入由古亚洲 代 早侏罗世j i 域向滨太平洋域演化的过渡阶段 2 0 8 晚三叠世t 3 印 一印支晚期 南北挤压仍在继续 叠 中三叠世t 2 支 纪 期 北部的西伯利亚板块与华北板块的俯冲、碰撞( 时间为晚二 早三叠世t l 2 5 0叠世) 及扬子板块与华北和华南板块的俯冲碰撞作用( 时同 古海 为中三叠世) ，使得华北地区表现为s n 向的挤压构造环境， 生二叠纪p西 为印支构造变形重要因素 代 2 9 0期 中生代是本区一次重要的构造转型期，是整个华北地区在欧亚构造域的动力作用 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下，逐渐转化为环太平洋构造域的转折阶段，拉开了盆地活化改造的序幕。总体上依据 区域不整合面以及构造应力场演化特征的转变可以划分为早中三叠世、晚三叠世、早 中侏罗世、晚侏罗早白垩世、晚白垩世五个主要的盆地演化期次( 宋建国等，1 9 9 7 ； 王同和等，1 9 9 9 ；周立宏等，2 0 0 3 ；漆家福等，2 0 0 4 ) 。 2 2 1 早一中三叠世 在晚古生代晚期、早、中三叠世时期，由于北部的西伯利亚板块与华北板块的俯冲、 碰撞( 时间为晚二叠世) 及扬子板块与华北和华南板块的俯冲碰撞作用( 时间为中三叠 世) ，使得华北地区表现为s n 向的挤压构造环境，成为引起印支期构造变形的重要因素， 总体属于欧亚构造动力学体系，这种动力作用之结果是形成了不同深度强烈的韧性剪切 作用、冲断推覆及褶皱变形作用，从而造成华北陆块南北缘隆升作用及华北地区近e w 向隆一坳相间的格局。特别是在三叠纪以前，并不存在太行山隆起带、郯庐断裂带及n e 向构造带，因而该阶段可能不存在滨太平洋构造域的作用，而以s n 向挤压为特点的欧 亚构造域占主导地位晦】。 早中三叠世，基本上仍延续了晚古生代的构造性质和古地理轮廓，但海水已经从 东南方向完全退出，主要发育陆相沉积，沉积范围广，沉积厚度和岩性相对均一( 张功 成，1 9 9 7 ) ，反映出前陆盆地逐渐消亡的特色。从岩性上看，华北地区有下中三叠统残 留的地方，其岩性特征相对一致，整体上表现为内陆干热气候条件下的河湖相紫红、灰 紫色砂泥岩沉积，且各地的下中三叠统均缺失边缘相沉积，由此推断早、中三叠世的 原始沉积范围应比现今的残留范围大；从地层接触关系来看，华北地区( 如北京承德、 燕山地区、临清坳陷、东濮坳陷、济源盆地、鄂尔多斯盆地等地区) 下中三叠统与下 伏二叠系石千峰组之间多为整合或平行不整合接触( 郭绪杰等，2 0 0 2 ) ，说明发生于二 叠纪末期的海西运动在华北地区并没有引起剧烈的沉积格局变化。早、中三叠世华北地 区继承了晚海西期以来北西高、南东低的构造格局，为南陡北缓、呈n w w 向展布的大 型内陆沉积盆地，只是盆地范围发生了缩小，南以秦岭为界，北以内蒙古地轴( 河套南 缘晋北大同冀北辽西一线) 为边，西起鄂尔多斯以西的贺兰山区，东至徐淮地区和郯 庐断裂带及其以东的北黄海地区。 中三叠世开始，华南板块与华北板块东部发生初始碰撞造山，造山作用逐渐向西迁 移，从而造成在西秦岭地区中三叠世地层有广泛分布。盆地东部的郯庐断裂在此时期的 演化过程是：由于太平洋板块向北西方向的俯冲作用，在欧亚大陆东部滨太平洋地区产生 9 第二章华北区域构造特征及其演化过程 了南北向直扭应力场，郯庐断裂发生左行压扭活动。 2 2 2 晚三叠世 晚三叠世南北向挤压作用在陆块拼合造山带及其周缘地区仍在继续，在华北板块腹 地则表现为区域隆起和局部小型断陷，有一些小型含煤裂陷盆地存在局部基性火山活 动，南华北地区可能发育有印支期造山带后缘的裂谷型盆地。扬子板块与华北板块发生 了东早西晚、东强西弱的“剪刀式挤压拼接( 刘少峰等，1 9 9 9 ；孙晓猛等，2 0 0 4 ) ， 造成了华北地区东部抬升早、剧烈，西部抬升晚、幅度小，从而使得华北东部下中三 叠统被剥蚀殆尽，并完全缺失了晚三叠世地层的沉积；华北西部与早中三叠世相比沉 积范围明显缩小。 华北板块与扬子板块挤压拼接的另一个结果就是使得n w w 向的秦岭大别造山带 开始形成，华北板块南缘受到来自s s w 向的挤压。同时由于华北板块与西伯利亚板块 在晚古生代末期就已完成了碰撞拼接( 徐备等，1 9 9 7 ；张国伟等，2 0 0 2 ) ，在华北板块 北缘已经形成了固定的受限边界，因此在其内部发生了局部的挤压调整，形成了大量的 逆冲断层及褶皱，又由于受扬子板块与华北板块的聚敛边界- n w w 向的秦岭大别构造 带的限制，加之主动应力方向来自s s w ，因而所产生的逆冲断层走向与秦岭大别构造 带大致平行，倾向为s s w 向( 吴智平等，2 0 0 3 ) 。 2 2 3 早一中侏罗世 早、中侏罗世是早燕山旋回期，华北地区大地构造格局发生重大的变革时期，扬子 板块与华北板块的碰撞挤压开始逐渐减弱，中国东部进入由古亚洲域向滨太平洋域演化 的过渡阶段。表现为欧亚构造域的动力作用方式和滨太平洋构造域板块活动作用力共同 起作用的局面。自中侏罗世开始，由于欧亚构造域的s n 向挤压作用和伊佐奈崎板块向 西俯冲及法拉隆板块向北运动，派生出强大的n 啪向压应力，同时存在块体的旋转 及左旋剪切作用，据古地磁资料说明，从中侏罗世开始，中国东部乃至欧亚东缘发生了 逆时针方向的旋转作用，结果就是自中侏罗世开始，华北地区n e 向构造格局开始形成， 出现了近n e 向展布的隆坳相间的格局，除复背、向斜外，还发育了一组规模宏大的 m 屺向左行平移断裂系，从东向西依次为郯庐断裂带、兰聊断裂带、沦东断裂带、琢 县长治断裂带和紫荆关断裂带。侏罗纪时期，由于断裂作用活跃，因而火山作用异常 发育，形成了陆源碎屑岩与火山岩及火山碎屑岩并存的特点，此时，渤海湾盆地和周边 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 虽未完全分割，但此阶段形成的剪切断裂系，是新生代盆地发生和发展的基础，并控制 盆内次一级构造的格局，侏罗纪白垩纪的构造面貌对新生代盆地的形成发育具有深远 的影响。 就整个华北地区而言，该时期由于太行山逐渐发育隆升，将华北地区分割成东、西 两个大盆，西部鄂尔多斯盆地依然为一个大型沉积盆地，东部渤海湾盆地区在早中侏 罗世的早期有一些小的山间沉积盆地群，主要表现为对印支期造成的形成大量n w w 或 近e w 向逆冲断层及阔缓褶皱所产生的低洼地区的充填( 吴智平等，2 0 0 3 ) ；晚期则表 现为披覆式沉积。 2 2 4 晚侏罗世一早白垩世 进入晚侏罗世，华北地区已基本进入滨太平洋构造域的构造演化阶段，太平洋区伊 佐奈崎板块活动取代了扬子板块、西伯利亚板块活动对华北地区构造演化的控制地位。 由于伊佐奈崎板块洋壳向n w 向俯冲挤压，华北地区东西成带、南北分块的滨太平洋构 造域已基本形成。 渤海湾盆地西界断层太行山前断层在该时期已经形成，同时由于太平洋板块的 n n w 向俯冲，使得姬向郯庐断裂发生大规模的左旋走滑，盐山歧口新港一兰考聊 城断裂也开始活动。该时期也是中国东部岩石圈减薄的峰期，同时可能出现地幔柱活动， 伴随着软流圈的隆升。在上述两种机制的联合作用下，中国东部进入大规模的裂陷或断 陷盆地发育阶段，沉积了较厚的j 3 k l 地层，并伴有强烈的火山活动( 任建业等，1 9 9 6 ， 1 9 9 8 ；孙加鹏等，1 9 9 7 ；陈发景等，1 9 9 7 ；汪泽成等，1 9 9 8 ；杜旭东等，1 9 9 9 ；漆家福 等，2 0 0 3 ) 。 在中国东部地区形成了广泛发育的安山岩系列的岩浆作用，同时晚侏罗世早白 垩世时期在华北东部的渤海湾盆地区出现了明显的分区性：在盐山歧口新港一兰考聊 城断裂系以东，由于受郯庐断裂带左旋走滑构造应力场的控制，主要发育n w 或n w w 向断陷盆地( 吴智平等，2 0 0 3 ，吴智平等，2 0 0 4 ；李伟等，2 0 0 5 ：郑德顺等，2 0 0 5 ；侯 贵廷等，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) ，从北向南依次为渤海盆地、大港探区东部、济阳坳陷、鲁西南 盆地；而在该断裂系以西至太行山以东的地区，受左旋走滑影响较弱，主要发育n e 和 惦向断陷盆地，在张家口蓬莱走滑断裂以北的下辽河坳陷区，盆地的长轴方向为 n n e ，属郯庐断裂带内部的走滑拉张盆地。 第二章华北区域构造特征及其演化过程 2 2 5 晚白垩世 晚白垩世时期，华北东部地区表现为西隆东陷，华北地区的裂陷盆地主要分布在郯 庐断裂带附近及以东地区，晚白垩世末期裂陷盆地受挤压抬升。 2 3 新生代滨太平洋构造域的发展及裂陷盆地的形成 自新生代开始，华北地区区域构造应力场发生了明显变化，主要表现在3 个方面： 第三纪以来，西太平洋板块由早期n w 向转为向西俯冲于亚洲大陆板块之下，所产生 的弧后扩张效应使得华北地区特别是渤海湾地区形成巨大的拉伸应力场，是导致渤海湾 地区产生“被动型裂谷盆地的动力学根源；自始新世开始，由于印度板块与欧亚板 块的碰撞作用，在华北地区乃至整个欧亚板块内部沿薄弱带派生了右旋走滑剪切应力 场，因而在渤海湾裂谷盆地发育发展过程中，都伴有右旋走滑剪切作用。渤海湾裂谷盆 地形成的动力机制应是弧后扩张伸展，同时伴随有右旋走滑剪切作用。新生代构造活 动的明显特征，是中生代时期形成的n e 二n n e 向左行挤压断层转变成了兼有右行走滑的 正断层，地壳在拉张过程中沿这些正断层下落而成了现今渤海湾盆地的面貌。总之，从 力学性质方面分析，新生代盆地基本上属于剪切拉张或拉张型盆地。 渤海湾盆地的新生代构造演化与东亚大地构造背景有密切的联系，从东亚大地构造 分析，新生代古近纪早期之前，由于扬子板块向北楔入，持续作用于华北板块，以及太 平洋板块向北北西向俯冲，使北北东向的郯庐断裂带发生左旋走滑运动，致使郯庐断裂 带以西地区处于左旋剪切应力场嘲。进入中始新世以来( 约4 2 m a ) ，太平洋西岸的构造 格局发生了根本性的转折。由于印度板块对欧亚板块的强烈挤压，太平洋板块由n n w 向俯冲转为n w w 向俯冲，日本群岛开始从东亚大陆裂离，使郯庐断裂带转为右旋走滑 运动。同时由于印度板块对欧亚板块的俯冲，对华北板块施加n e 向的挤压应力，华北 板块向东逃逸，并沿着燕辽太行中条断裂带发生右旋张剪运动，沧县隆起从太行山隆起 分离，在沧县隆起以东的黄骅德州东明一线形成渤海湾盆地西部的走滑构造带，致使 渤海湾盆地处于右旋剪切拉分伸展的应力场中。与此同时在渤海湾盆地东侧的郯庐走滑 构造带和西侧的黄骅德州东明走滑构造带之间形成了拉分伸展区，渤海湾盆地成为走 滑拉分盆地，叠合在早期盆地之上。先存的北西向渤张断裂带在忆向的拉分作用下 转为左旋走滑伸展。由于两个走滑构造带的右旋走滑运动导致渤西地区发生强烈的近南 北向拉分伸展，开始发育近东西向的断裂，这些近东西向的断裂叠加在n w 向和忆 向先存构造之上。古近纪末期，日本海的大规模打开，同时青减高原急剧隆起b 厶船1 ( 这 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 些都与印度板块的挤压有密切关系) ，促使渤海东西边界的两个走滑构造系统加剧了走 滑运动，盆地进入了新的成盆时期，在新一期的走滑拉分作用下，盆地更加广阔。由于 走滑作用，在走滑断裂带的转折部位派生了挤压应力，因此花状构造和反转构造在走滑 构造带上比较发育。进入新近纪以来，由于太平洋板块加速向东亚大陆俯冲运动，致使 渤海湾盆地内的走滑断裂带的走滑作用仍然活跃，因此在盆地内派生了大量的新近纪近 东西向的次级断层，叠加在早期的古近纪构造之上。新近纪渤海湾盆地的伸展作用明显 减弱，盆地整体热沉降，进入了坳陷阶。 新生代的伸展断陷作用使得渤海湾地区形成了以惩和n e 向的“盆岭”构造体 系砸1 ，自西向东可划分为冀中汤阴盆地带；沧县内黄隆起带；东濮临清黄骅盆地带； 埕宁沙垒田隆起带；下辽河辽东湾渤中济阳昌维盆地带，就断裂性质而言，可分为 伸展断裂体系和走滑断裂体系，二者形成相对独立又相互关联的断裂体系，控制了断陷 盆地的发育及其特点，伸展断裂体系中以n n e 和n e 走向正断层为主体，特别是边界 正断层控制各断陷的发育，同时存在n w 或w n w 向断层( 带) ，它们是伸展构造体系的 伴生物，多具走滑性质，对断陷盆地的构造、沉积演化具有明显影响，据陆克政等口1 的 研究成果，渤海湾地区在新生代时期存在一些区域性姬向具明显右旋走滑性质的深 断裂，构成了叠加在新生代伸展构造体系之上相对独立的新生代走滑断裂体系。 1 3 第三章古构造应力场方向及大小 第三章古构造应力场方向及大小 古构造应力场研究主要是在确定个各地的点应力状态( 应力方向与应力大小) 的 基础上，研究在特定区域范围内各个构造运动时期构造应力的分布状态。 在构造应力状态研究中主要确定三个方面的问题：定时、定向和定量。定时主要 是确定构造应力状态的不同形成时代，主要是通过研究各构造时期构造形变的相对次 序，再与生物化石和同位素年龄资料向配合；定向就是利用各种构造形变来确定各地 质时期的构造应力方向，即三个主要应力轴的方向，通常最关心的是最大主压应力轴 的方向；定量就是确定( 或估算) 各构造时期构造应力的大小。 3 1 构造应力场的概念 构造应力场就是在一个空间范围内构造应力的分布。r 3 0 b c k h 螽( 1 9 5 7 ) 把构造应力 场定义为“作用在地壳某一地区内部的和由于这一地区某种变形的构造单元的发育而 出现的应力总和 。 应力场是一种物理场，它和其他物理场，如重力场、电滋场、位势场等一样，也 是物质存在的一种形式。实物和场是物质存在的两种不同形态，两者是不可分割的、 互相作用着的，实物的相互作用是通过场来实现的，场是在实物中起作用的。场还具 有波动的特性，场的作用是以有限的速度传播的，在传播过程中强度逐渐减弱。空间 和时间是物质运动的存在形式。场不是空间，而是在空间范围内某个物理量的按势分 布。随着时间的变化，场内各点的强度和方向也将发生变化。 由上述场的特征，我们可以看出：研究构造应力场也应该像研究其它物理场的方 法一样，离不开研究物质组成及其相互作用，以及研究它们在空间和时间中的变化。 只研究地球的物质组成及其演化过程，不从其运动的空间和时间的变化上来研究构造 应力场，显然是不行的；反之，只研究构造运动的空间和时间的变化，而不注重研究 物质本身及其互相作用，也是不行的。 应该说构造应力场与实际的构造形变是不相同的，它不是一种直观的东西。在野 外，我们能够直接观察到的是各种各样的构造形变，而不会一下子就看出古构造应力 场的存在。初看起来杂乱无章、错综复杂的构造形变，是不容易弄清其内在的组合规 律的。为了要掌握构造变形的空间分布规律，必然要求掌握其形成机制。李四光( 1 9 7 3 ) 曾精辟地指出：“各种构造迹象，包括矿物颗粒在三度空间排列方位的规律性，是岩 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 石在构造应力场中应力作用的反映”。尽管在构造变形过程中，形成的构造尺度相差 很大( 1 0 6 1 0 。9 m ) ，形成时的物理条件( 温度、压力) 、化学环境也可以各不相同，母岩 的岩性可以千差万别，因而构造形变的类型截然不同。然而这些尺度不同、形成条件 不同、类型不同的构造变形在某一地区和某一时间内，都可以是同一构造应力场作用 下的产物。构造应力场正是决定这些构造形变空间分布规律的关键。用这种研究构造 应力场的方法来掌握复杂的构造形变的空间分布规律显然是有利的，这就是为什么我 们要用构造应力场来抽象、概括构造形变的原因。 3 2 古构造应力方向的确定 一个地区的构造应力方向，可以用主应力方向来表示，主应力方向即剪应力等于 零的方向。能够产生构造变形时，一般是多向应力，其中三个主应力方向上的应力值 一般是不相等的，其中必有一个为最大主压应力方向( 吼) ，一个为中间主应力方向 ( 盯，) ，还有一个则为最小主应力方向( 以) 。当三个主应力值均相等时，就处在静 岩压力状态，此时不可能发生构造变形( 万天丰，1 9 8 8 ) 。 确定区域构造应力场的主应力方向，可以采用各种方法，如雁行的初始张节理系、 共轭剪节理系、断层( 图3 1 ) 、共轭的韧性剪切带、纵弯褶皱( 图3 2 ) 、一组面理 与一组线理等( 万天丰，1 9 8 8 ) 。鉴于当前国内区域地质构造的研究现状，认为选用 发育在中新生代各构造层内尚未被后期构造所置换的褶皱变形，是华北东部恢复各期 构造应力场主应力方向的最可靠、也是最方便的方法。 a c r 3 矿2 b c a 一正断层，b 逆断层，c 一平移断层。盯l 最大主压应力；仃2 中间主应力轴；盯3 最小主压应力轴 图3 1 主应力轴与三种主要断层类型的关系( 参照a n d e r s o n ) f i 9 3 一lt h er e l a t i o n s h i pb e t w 嘲m a i ns t 代鼹a x i sa n dt h et ) ，p eo ff a u k ( 他f e n ，a n d e r n ) 在野外利用纵弯褶皱来恢复区域应力场时，当褶皱形态简单、轴面几乎直立的情