（地质工程专业论文）沂沐断裂带两侧中、新生代构造应力场数值模拟.pdf

吣y 帆1 帆8 76 4 0 5 m e s o c e n o z o i ct e c t o n i cs t r e s sf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no n b o t hs i d e so fy i s h uf a u l tz o n e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：h a nz h e n y u s u p e r v i s o r ：p r o f l il i s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于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：羟盔量 日期： m 1 年多月；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 指导教师签名： 日期：叫年多月；日 日期：- , - , o il 年6 月；日 摘要 本文选择沂沭断裂带两侧作为研究对象，将胶莱坳陷和鲁西地区中、新生代 时期的构造活动统- n 相同的构造环境下，通过研究区的构造几何学与运动学特 征以及构造演化史的分析，对研究区构造应力场进行数值模拟。 胶莱坳陷经历了多阶段的构造演化历史，形成了复杂的构造样式，并且在晚 中生代之后经历不同类型的改造，主要包括晚侏罗一早白垩世和古新世一早始新 世的伸展裂陷，以及中始新世一渐新世的挤压反转。鲁西地区的构造格局主要表 现为中、新生代时期的伸展构造系统，断裂带中构造角砾岩、断层泥发育，野外 露头中常见显示晚中生代以来的断层活动标志。鲁西地区在晚中生代之后主要经 历了晚侏罗一早白垩世、古新世一早始新世和中始新世一渐新世三个伸展裂陷时 期，各时期呈现出不同的伸展构造格局。 运用a n s y s l 0 0 软件对研究区中、新生代时期构造应力场进行了数值模拟， 进而对整个山东地区构造活动的演化期次以及应力场形成机制进行了探讨。晚侏 罗一早白垩世，研究区主要伸展方向为n e s w 向，胶莱坳陷大量的近e w 向 断裂开始活动，鲁西地区n w 断裂发生构造反转，各凹陷的雏形开始形成；古 新世一早始新世，研究区主要伸展方向为近s n 向，胶莱坳陷近e w 向断裂达到 了伸展裂陷的强烈时期，胶莱盆地在该时期基本形成，鲁西地区在该时期产生部 分n e 向断裂，n w 向断裂持续活动；中始新世一渐新世，沂沭断裂带向右旋走 滑活动的转变，使得研究区主要伸展方向为n w 二s e 向，胶莱坳陷发生近s n 向 挤压活动，鲁西地区n e 向断裂发育，胶莱坳陷、鲁西地区构造活动强度大大降 低，两者都进入了相对平稳的沉降期。 关键词：构造应力场，数值模拟，中、新生代，胶莱坳陷，鲁西地区 m e s o c e n o z o i ct e c t o n i cs t r e s sf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o nb o t hs i d e so fy i s h uf a u l tz o n e h a nz h e n y u ( e n g i n e e r i n gg e o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l il i a b s t r a c t c h o o s i n gb o t hs i d e so fy i - s h uf a u l tz o n e ，j i a o l a id e p r e s s i o na n dw e s t e r n s h a n d o n g ，a st h et a r g e t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et e c t o n i c s t r e s sf i e l db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e o m e t r ya n dk i n e m a t i c sa n dt e c t o n i c e v o l u t i o ni nas a i y l et e c t o n i ce n v i r o n m e n t t h ej i a o l a id e p r e s s i o ne x p e r i e n c e dm u l t i - s t a g et e c t o n i ce v o l u t i o nh i s t o r ya n d f o r m e dac o m p l e xs t r u c t u r a lp a t t e m i na d d i t i o n ，i te x p e r i e n c e dd if f e r e n tt e c t o n i c t r a n s f o r m a t i o n ss i n c el a t em e s o z o i cw i t he x t e n s i o n a lr i f t ( l a t ej u r a s s i c - e a r l y c r e t a c e o u sa n dp a l e o c e n e e a r l ye o c e n e ) a n di n v e r s i o nc o m p r e s s i n g ( m i d d l ee o c e n e o l i g o c e n e ) t h es t r u c t u r es t y l eo ft h ew e s t e r ns h a n d o n gi sa ne x t e n s i o n a ls t r u c t u r a l s y s t e mi nt i m eo fl a t em e s o - c e n o z o i ct h e r ea r et e c t o n i cb r e c c i a s ，f a u l tc l a ym a k i n g u ps i g n so ff a u l t i n ga c t i v i t yi n t h ef a u l tz o n e w e s t e r ns h a n d o n ge x p e r i e n c e d e v o l u t i o no fl a t ej u r a s s i c - e a r l yc r e t a c e o u s ，p a l e o c e n e e a r l ye o c e n ea n dm i d d l e e o c e n e - o l i g o c e n e ，a n d e a c hp e r i o ds h o w sd i f f e r e n tp a t t e mo fe x t e n s i o n a ls t r u c t u r e s t h et e c t o n i cs t r e s sf i e l da b o u ts t u d ya r e ai nm e s o c e n o z o i ci ss i m u l a t e db yt h e s o f to fa n s y slo 0 a n dt h e nt h ee v o l u t i o nt i m e so ft e c t o n i cm o v e m e n ta n dt h es t r e s s f i e l dc h a r a c t e r i s t i c si ns h a n d o n gp r o v i n c ei so b t a i n e d i nt i m eo fl a t ej u r a s s i c - e a r l y c r e t a c e o u sw i t l ln e - s we x t e n s i o n a lo r i e n t a t i o n al a r g en u m b e ro fe wf a u l t si nt h e j i a o l a id e p r e s s i o no c c u r r e d ，a n dn wf a u l t si nt h ew e s ts h a n d o n ge x p e r i e n c e d t e c t o n i ci n v e r s i o n i nt i m eo fp a l e o c e n e e a r l ye o c e n e ，t h ee x t e n s i o n a lo r i e n t a t i o n w a ss n ，e wf a u l t si nt h ej i a o l a id e p r e s s i o nr e a c h e dt h es t r o n ge x t e n s i o n a lp e r i o d a n dt h ej i a o l a ib a s i nw a sf o r m e d i nt h i sp e r i o d ，ap a r to fn ef a u l t si nt h ew e s t s h a n d o n gd e v e l o p e d ，a n dt h em o v e m e n to fn w f a u l t sc o n t i n u e d i nt i m eo fm i d d l e e o c e n e o l i g o c e n e ，t h et r a n s f o r m a t i o no fy i - s h uf a u l tz o n et or i g h t - l a t e r a ls t r i k e s l i p ， t h ee x t e n s i o n a lo r i e n t a t i o no ft h es t u d ya r e ac h a n g e dt on e s w s ot h ej i a o l a i d e p r e s s i o ne x p e r i e n c e dt h ec o m p r e s s i o nw i t l lt h em o v e m e n to fn w f a u l t sc o n t i n u i n g i naw o r d ，t h et e c t o n i cm o v e m e n ti nb o t ho ft h ey i s h uf a u l tz o n ed e c r e a s e dg r e a t l y , a n ds t a r t e dar e l a t i v e l ys t a b l et e c t o n i cp e r i o d k e yw o r d s ：t e c t o n i cs t r e s sf i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m e s o z o i ca n dc e n o z o i c ， j i a o l a id e p r e s s i o n ，w e s t e ms h a n d o n g 目录 第一章前言。l 1 1 选题的来源、目的和意义1 1 1 1 选题来源1 1 1 2 选题目的一1 1 1 3 选题意义1 1 2 选题相关方面的研究现状2 1 2 1 胶莱坳陷构造活动的研究现状2 1 2 2 鲁西地区构造活动的研究现状3 1 2 3 沂沭断裂带构造活动的研究现状4 1 2 4 构造应力场数值模拟的研究现状5 1 2 5 存在的问题6 1 3 主要研究内容和重点6 1 4 研究方案的分析和选择。7 1 5 论文的创新点。8 第二章区域地质概况9 2 1 研究区范围及构造位置。9 2 2 研究区地层及主要特征9 2 3 胶莱坳陷地层及构造单元特征1o 2 3 1 胶莱坳陷地层及特征。l o 2 3 2 胶莱坳陷构造单元1 2 2 4 鲁西地区地层及构造单元特征1 3 2 4 1 鲁西地区地层及特征。13 2 4 2 鲁西地区主要构造单元特征。1 5 第三章断裂特征及演化史1 7 3 1 胶莱坳陷断裂及运动学特征1 7 3 1 1 胶莱坳陷主要断裂特征1 7 3 1 2 胶莱坳陷构造运动学特征1 8 3 2 鲁西地区断裂及运动学特征1 9 3 2 1 区内发育主要断裂特征1 9 3 2 2 鲁西地区构造运动学特征2 2 3 3 研究区构造演化史一2 3 3 3 1 晚侏罗一早白垩世构造演化史一2 3 3 3 2 古新世一早始新世时期构造演化史2 5 3 3 3 中始新世一渐新世构造演化史2 6 第四章构造应力场数值模拟2 8 4 1 构造应力场数值模拟的原理2 8 4 1 1 有限元模拟基础2 8 4 1 2 构造应力场数值模拟流程2 9 4 1 3 数值模拟的简化条件与边界的界定3 0 4 1 4 数值模拟的优劣性分析31 4 2 晚侏罗一早白垩世古构造应力场数值模拟3 1 4 2 1 地质模型3 1 4 2 2 岩石力学参数3 3 4 2 3 生成有限元模型3 3 4 2 4 确定加力方式和边界条件一3 4 4 2 5 模拟计算3 4 4 2 6 结果分析3 6 4 3 古新世一早始新世古构造应力场数值模拟4 0 4 3 1 地质模型一4 0 4 3 2 岩石力学参数4 0 4 - 3 3 生成有限元模型4 0 4 3 4 确定加力方式和边界条件4 l 4 3 5 模拟计算一4 1 4 3 6 结果分析4 4 4 4 中始新世一渐新世古构造应力场数值模拟4 8 4 4 1 地质模型4 8 4 4 2 岩石力学参数4 8 4 4 3 生成有限元模型一5 0 4 4 4 确定加力方式和边界条件5 0 4 4 5 模拟计算5 0 4 4 6 结果分析5l 结论5 6 参考文献5 7 致谢。6 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言弗一早月ui 1 1 选题的来源、目的和意义 1 1 1 选题来源 该选题源于国家自然科学基金项目，是“鲁西地区晚中生代以来伸展断裂系 统及隆坳耦合研究 的部分相关研究内容。 1 1 2 选题目的 在现有的勘探研究成果基础上，对沂沭断裂带两侧相关区域的构造应力场进 行理论探讨和深化研究，进一步增强对中、新生代时期胶莱坳陷、鲁西地区构造 演化史的认识，从而为实际的勘探工作提供有效的支持。 1 1 3 选题意义 沂沭断裂带属于郯庐大断裂的一部分，主要位于山东省境内，同时也是山东 省区域地质的重要分界线，把山东分为鲁西、鲁东两大构造单元。中、新生代时 期，经历了长期、复杂演变过程的沂沭断裂带，成为了一个兼具伸展、走滑、挤 压性质的复杂地质体【1 1 。其活动时期与活动方式既受到深部构造活动以及区域构 造背景的控制，又明显作用于其周缘地区的构造演化，尤其是对相邻中、新生代 盆地或隆起区的构造沉降、沉积充填以及油气地质条件具有重要影响或控制作 用。 与沂沭断裂带西部相截交的鲁西地区，位于华北板块的中东部，其地表构造 形迹以n w 向断裂为主，n e 向断裂为辅，整个鲁西地区主要由两个重要的构造 单元组成，北部的济阳坳陷和与其毗邻的鲁西隆起。鲁西地区内部地质现象丰富， 其中伸展构造极为发育。区内构造格局主要受中、新生代时期不同伸展应力场制 约，伸展裂陷也经历了不同的阶段。整个鲁西地区呈现“北断南超”的垒堑构造 【2 】，以及n w 方向形成的弧形构造r 胶莱坳陷地区的构造形迹特征与鲁西地区差 别较大，该区多为白垩系覆盖，与沂沭断裂带东部截交，北界至平度断裂一带， 并且与牟平一即墨断裂带、五莲断裂带相斜交，其n w 向断裂系以及由n w 向 断裂系控制的垒堑构造特征不显著。 近二十年来，数值模拟技术在构造应力场领域中的应用得到了越来越多的关 1 第一章前言 注。其模拟技术普遍采用了有限单元法在计算机上进行模拟，在算法上已经相当 成熟。构造应力场数值模拟技术是指把数学、力学和地质学三者系统的结合起来， 地质构造的形成时期与形成机制通过地质分析来完成。根据研究区地质构造活动 形成的力学机制、弹性理论和岩石破裂准则，结合岩石力学性质，在数学方法的 基础上，分析和预测研究区的构造活动与演化历史。构造应力场数值模拟方法作 为重现构造动力学演化及成因机制的研究手段，对实际研究工作起到了应力一应 变方面的指导作用。 本文在借鉴了大量有关构造应力场数值模拟论著的基础之上，总结前人对沂 沭断裂带两侧断层构造活动的研究成果，以构造应力场数值模拟方法为主线，对 沂沭断裂带两侧断层中、新生代的构造演化历史和动力学形成机制进行探讨研 究，具有一定的理论和现实意义。 1 2 选题相关方面的研究现状 1 2 1 胶莱坳陷构造活动的研究现状 随着许多学者对沂沭断裂带研究的深入，关于“鲁东地块是华北地台的二级 构造单元”这一观点也成为了学术界广泛研究和探讨的话题。曹国权【3 】研究认为， 鲁东块体在印支运动期间，以沂沭断裂带为边界，走滑在华北克拉通的鲁西块体 之上；鲁东块体本身又被五莲一荣成断裂带分成了胶南地块与胶东地块两部分， 并且在石炭纪之后胶南地体增生在胶东块体上。贾东等 4 j 研究认为鲁东地块属于 外来联合地体。在印支运动期间拼贴增生于华南板块和华北板块，并认定沂沭断 裂带为其西部边界，旅大一丹东断裂带为北部边界，嘉山一响水断裂带作为其南 部边界。而鲁东地块内部又分为胶南地体与胶北地体，两者的分界线是牟平一即 墨断裂与山相家一郝戈庄断裂一线。乔秀夫等【5 】研究认为，震旦纪一晚石炭纪时 期是古郯庐地震陷裂带的活动活跃期，其中，晚石炭纪的莫斯科阶沉积覆盖了华 北地块与辽胶朝地块。也就是说，鲁东地块与鲁西地块两者最晚在晚石炭纪时期 已经成为子一体。近几年来，部分学者提出了“胶南造山带是秦岭大别山造山带 的东延部分”这一观点。其中，徐嘉炜等【6 】的研究比较有代表性。他认为胶南隆 起的产生是从大别山地区由郯庐断裂带的大型平移运动推移而至，作用时间也由 传统观点的印支期更改为燕山期。张成基7 1 通过造山前的基底组成，分析认为高 压高、低温双变质带构成了胶南造山带，位于华北板块南部边界，主要在嘉山至 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 连云港一线以北；以南为高压低温变质带，属于扬子板块的北缘。张岳桥等【8 】 通过多年的研究认为胶莱盆地是一个属于白垩纪时期的断陷盆地，晚中生代以来 经历了多阶段的构造演化史，在盆地伸展构造样式上显现出了时空叠加与复合的 现象。 1 2 2 鲁西地区构造活动的研究现状 鲁西地区在华北克拉通的东南部，作为其重要的构造单元，主要是由济阳坳 陷和鲁西隆起两部分组成。在经历了中、新生代的伸展演化后，明显的呈现出了 “盆一山构造格局” 9 1 。鲁西地区的构造活动研究较多地集中于北部的济阳坳陷 区。自上世纪八十年代以来，众多不同的研究观点相继出现在济阳坳陷区的研究 中，如“裂谷说”、“断陷说”、“扭张说 及“叠合说”等i 瓶明。到目前为止， 在众多的研究观点中较为普遍认同的是，鲁西隆起和济阳坳陷的中、新生代断裂 构造发育显著，多期性和多向性特征明显，并且二者具备相同的结晶基底，形态 上表现为中、新生代时期“北断南超”的箕状断陷盆地。同时郯庐断裂带中、 新生代时期的岩浆活动和走滑活动与其形成也有着密切的相关性【1 6 1 引。对鲁西隆 起区的研究观点，先后出现过“块断穹隆说【1 9 】、“鲁西隆起说”例两个代表 性的观点。随后，许多研究学者认为，鲁西隆起整体形态上呈现出“北断南超” 的单断式箕状凹陷，郯庐断裂带的平移活动对这种构造格局的影响是十分显著的 21 - 2 3 】。燕守勋【2 4 】研究认为，自晚侏罗世开始鲁西地区的伸展构造活动经历了五个 发育阶段，并且分别反映出了不同的伸展构造几何形式。这种构造格局的转变不 仅与地壳深部幔源岩浆的活动有着密切的生成关系，还与郯庐断裂带的走滑活动 有关。牛树银等【2 5 】也持有类似的观点。综上所述，济阳坳陷与鲁西隆起在中、新 生代时期具有相似的构造样式，均属于伸展半地堑。 对于鲁西地区构造活动的研究，部分研究学者最初围绕于“伸展裂陷形成 的陡倾斜伸展断层。而对岩石圈间发育的多层次滑脱拆离及其层圈性的发现和认 识，正是当前构造地质学研究领域的一项重大进展。自上世纪八十年代中期开始， 关于鲁西地区滑动构造的研究就已经相继展开。其中，马杏垣等【2 6 1 在鲁西地区的 研究工作中提出了“滑脱构造 的存在。该观点的提出标志着鲁西滑动构造研究 的开始，他将古近纪的地堑系与中生代的含煤盆地归因于不同级次构造滑动的结 果【2 7 】。吕朋菊等2 8 】发现，在泰山及其周围新汶、莱芜、肥城等地区发育典型的 3 第一章前言 多层次多级别的重力滑动系统，且多发育在区域不整合面之上【2 9 1 。在伸展体制下 的盆一山耦合关系相关研究中，徐杰等【3 0 】研究认为，济阳坳陷属于一个由大型拆 离断裂滑脱而形成的伸展构造系统，主要是受陵县一阳信断裂南东方向拆离滑脱 的影响作用。近几年来，李理等【3 ”研究认为，鲁西地区的滑脱断层普遍发育于鲁 西隆起区，而不是仅仅局限于泰山周围。滑脱面主要为一个断层破碎带，破碎带 内发育有碎裂岩类构造岩，并且伴有部分硅化、绿泥石化等动力变质作用。由于 在4 4 m a 年之前鲁西隆起和济阳坳陷属于同一个相连的瓮地【3 2 】，因此鲁西隆起区 出露的滑脱构造现象同样也应该存在于济阳坳陷中【3 3 】。 目前，诸多学者对鲁西地区中、新生代时期伸展构造特征以及不同类型的伸 展断层在时空上的演化和组合关系方面取得了一定的研究进展，并且对其岩性条 件形成的深部背景进行了一定分析。这些都为本文对伸展构造系统在鲁西地区的 研究提供了理论基础，并且也使得论文研究能够更加深入。 1 2 3 沂沭断裂带构造活动的研究现状 沂沭断裂带属于郯庐断裂带的中段，主要由四条走向均为n n e 向的主断裂 组成，位于山东地区的陆上部分呈现出“两堑夹一垒”的构造特征。其中，郎晤 一葛沟断裂与鲁西地区相邻，昌邑一大店断裂与鲁东地区相邻，中间发育有安丘 一莒县断裂以及沂水一汤头断裂。 徐嘉炜【3 4 】在对郯庐断裂带的演化史进行总结之后，认为其构造伸展阶段是晚 白垩至第三纪。李家灵等【3 5 】则持有不同观点，他认为沂沭断裂带发生的伸展活动 一直持续到第四纪。近年来，随着沂沭断裂带研究的深入，对于其构造活动也有 了更加全面的认识。晚侏罗一早白垩时期我国东部地区区域构造演化的动力来自 于太平洋板块对欧亚板块的碰撞，沂沭断裂带在此时发生左旋走滑运动。 e n g e b r e t s o n 3 6 】研究认为，在晚白垩至早第三纪太平洋板块由n n w 向俯冲转变为 近东西向俯冲，俯冲速度也有了明显提高。由于这种高角度的俯冲，使得我国东 部的岩石圈上拱，整体表现出与弧后扩张机制相似的伸展构造活动，在这种构造 活动背景下，伸展断陷在沂沭断裂带及其邻近地区广泛发育。进入新生代中期之 后，由于印度板块对欧亚板块强烈挤压碰撞【3 7 , 3 8 】，沂沭断裂带也由左旋走滑转变 为右旋走滑，与此同时，胶莱坳陷、鲁西地区也分别进入到了挤压反转阶段。 在本次构造应力场的数值模拟中，虽然沂沭断裂带被处理为边界条件，但是 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 其构造演化过程对胶莱坳陷、鲁西地区有着直接的影响，尤其是本次模拟中的三 个时期。因此，以上对沂沭断裂带构造演化史的概述是非常必要的。 1 2 4 构造应力场数值模拟的研究现状 早在2 0 世纪中叶，解析法一直作为数值模拟研究的主要方法，被各个领域 的学者广泛应用。针对弹性平面应变问题，李四光3 9 1 ( 1 9 4 5 ) 得出了“山”字型 的应力场。h a f n e r l 4 0 】在1 9 5 1 年分析了地球内部边界力引起的应力场，指出了各 种应力状态下潜在断层面的排列形式。随后，s a n f o r d l 4 1 】( 1 9 5 9 ) 提出了均质弹 性层地面分布的铅垂直位移测量断层方位的方法。但是这些工作存在很大的限 制，实用价值有限，主要是因为地质构造形态一般比较复杂、岩石物理性质多样 性、不均匀的地球介质分布以及边界模型不规则性等方面的影响。 二十世纪后半叶，随着高速电子计算机技术的引入，出现了很多新的方法， 如有限元数值模拟等。随后计算机及各种计算软件有了很大发展，为应力场数值 模拟的实现奠定了基础，应力场数值模拟也逐渐变为岩石圈构造定量分析的主要 方法，它的应用范围也变得越来越广泛。数值模拟具备众多优点，它可以任意的 调整参数，改变加力方式和边界条件，能够较好的处理所研究问题的几何形状、 外力作用方式以及材料非均质性等问题。 构造型式和构造体系方面的研究是应力场数值模拟早期的研究重点。b e m e r 和s t e p h a n s s o n 4 2 】( 1 9 7 1 ) 提出了构造形变过程中有限单元法，并利用此方法研究 了大西洋中脊侧向扩张时位移速度和应力分布的关系。黄庆华等【4 3 】对“多 字型 旋卷构造应力场做出了研究分析。王仁等f 4 4 ( 1 9 8 2 ) 研究了华北地区的应力场， 并且进行了地震转移的二维有限元模拟。d a v i s 和c o n e y 4 5 , 4 6 1 通过针对科迪勒拉 山脉低角度正断层的研究，对变质核杂岩构造进行了定义；随后在对深部构造的 深入研究中，b r u n 和m a t t a u e r 4 7 , 4 8 将造山作用和构造活动相结合，划分成造山收 缩和造山后伸展两个阶段。 近年来，人们对含油气笳地勘探开发的重视度越来越高。数值模拟也由二维 发展到三维，并逐渐集中到含油气盆地构造应力场模拟上。大量的国内外研究学 者在三维应力场的应用领域做出积极的贡献，并且取得了丰硕的研究成果。王双 喜等【4 9 】在比较地质学思想基础之上，对塔里木盆地进行了有限元法应力场数值模 拟，通过反推地质历史中各期应力场与油气聚集的相关性，对盆地油气聚集特征 第一章前言 做出了详细分析。曾海容等5 0 1 也进行过类似的研究，通过塔中地区的研究发现该 区断裂在新生代的活动对于油气的运聚起n t 促进作用。谭成轩等5 1 】通过对辽河 油田张强凹陷的研究，利用含油气盆地三维构造应力场数值模拟的方法定量化地 研究了凹陷区的油气运移聚集史和排烃史，这一研究成果为解决油田合理注采开 发等相关问题提供了有利的依据。b o t t 5 2 1 研究了上地壳中属于高角度平面正断层 界定的半地堑演化机制，并且对各个演化阶段的应力分布、塑性破裂分布以及挠 曲剖面做出了分析。 目前，在我国有限元应力场数值模拟方法已经开始应用于高角度断层等构造 研究中。构造应力场的数值模拟在算法上已经相当成熟，出现了很多方法，如动 态有限元数值模拟方法、非协调有限元法等。这使得数值模拟更贴近实际，现今 普遍采用的是有限元法在计算机上进行模拟。 1 2 5 存在的问题 前人对山东地区的构造活动进行过较多、较深入的理论研究，在鲁西、胶莱 坳陷地区也分别进行过构造应力场的数值模拟。但未曾将鲁西、胶莱坳陷和沂沭 断裂带统一为整体进行古构造应力场的数值模拟，因此在沂沭断裂带两侧断层构 造活动演化研究中尚缺少实际应力一应变方面的支持。 目前，就构造应力场数值模拟的技术手段而言，还存在着一定的局限性。首 先，数值模拟最重要的特点是具有主观性。在研究过程中通常是在理论基础上假 想模拟的对象是一个概念模型。而在实际模拟中，需要假定模型物性具有各向同 性的特点，并且还要遵循牛顿流体或密律流体本构方程等实验室条件下的定律， 用一个公式来代表复杂地球的真实物性规律有很大难度。其次，载荷的施加也具 有一定的局限性，特别是边界条件的确定和参数的选择。虽然可以通过实际观测 的地质资料来约束边界条件和参数，但是还远远不能满足精确模拟的需要。而且， 常常很难全面地选取边界条件，进而导致对某一方面影响夸大而忽略其他方面因 素。 1 3 主要研究内容和重点 综合分析中、新生代时期胶莱坳陷、鲁西地区靠近沂沭断裂带附近断裂的活 动情况，并对整个研究区动力学来源以及构造样式的形成机制进行应力场数值模 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 拟。即首先建立地质模型，然后进行研究区构造应力场数值模拟，进而探讨分析 鲁西、胶莱坳陷地区构造活动与沂沭断裂带在时空演变中的关系。本选题是从以 下几个方面着重进行的研究： ( 1 ) 建立地质模型。根据部分野外露头资料，结合查阅的相关文献，综合 分析研究区的构造特征。包括中、新生代构造运动及各构造时期的应力状态，在 此基础上提取相关信息，并建立研究区构造系统的地质模型。 ( 2 ) 根据研究区构造活动的地质模型建立力学模型。选择岩石力学参数， 进行模型的网格划分；并确定模型载荷的施加( 边界条件与加力方式) 。依据有 限元模拟思想，运用a n s y s 软件对研究区进行中、新生代构造应力场数值模拟。 ( 3 ) 对得出的应力场模拟结果进行后处理分析，通过综合模拟实验和野外 地质资料来解释研究区构造形成的动力学机制。 1 4 研究方案的分析和选择 对沂沭断裂带两侧地区的构造活动研究主要包括：不同地质时期构造现象和 构造应力场研究、整个研究区构造活动的构造演化史和形成机制研究。通常是通 过构造地质学的野外地质调查与构造应力场数值模拟相结合，对研究区构造活动 的研究。 构造地质学研究是非常重要的，因为它所获得的资料是最根本、最重要的， 而进行构造地质学研究的有效手段之一就是应用数值模拟来研究构造应力场。这 种方法能够通过有限的观测数据来分析区域范围的应力分布，使得动力学从定性 分析和地壳运动学进入定量化的动态研究阶段。进行研究的步骤一般如下：第一， 进行野外地质调查和相关文献资料调研，在分析研究区构造特征、形成机制及构 造演化模式的基础上，建立构造活动的地质模型。第二，通过有限单元法建立力 学模型。第三，选择合理的力学参数和边界条件，并进行数值模拟实验。第四， 对模拟结果进行分析，并结合野外地质资料来对研究区构造形成的动力学机制进 行解释，得出结论，技术线路图见图1 - 1 。 本次主要研究沂沭断裂带两侧地区断裂的构造活动特征及形成演化机制。该 区研究具有很好的可行性，很多学者已经做过大量的研究工作，对本文的进行提 供了丰富的有用资料。在大量的理论研究基础之上，运用发展日益成熟的构造应 力场数值模拟技术手段，分析研究区的构造形成演化机制。 7 第一章前言 1 5 论文的创新点 山东地区在我国大地构造中占有极其重要的位置，历来深受中外地质学家的 重视，相关地质资料积累丰富，研究成果较多。但大多局限与鲁西或胶莱坳陷一 块区域，没有将两者系统的联系到一起。本选题通过沂沭断裂带将胶莱坳陷与鲁 西的主要断裂带与坳陷区作为研究对象，对沂沭断裂带两侧地区主要构造单元的 中、新生代应力场的变化进行数值模拟。从而，更加全面、深入地认识整个山东 地区的大地构造活动。 图1 - 1 技术路线图 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章区域地质概况 2 1 研究区范围及构造位置 研究区处于山东省中部，位于华北板块东部。胶莱坳陷北界至平度断裂、五 龙村断裂一线，牟平一即墨断裂、五莲断裂以西。鲁西地区北界为埕宁隆起，南 界为丰沛断层，沧东一兰聊断裂以东( 图2 1 ) 。 1 正断层；2 断陷区；3 剥蚀区；4 剖面位置；5 钻井； f 广汶泗断裂；f 2 - 蒙山断裂；f 3 - 新泰- 垛庄断裂；r 一泰山铜冶店断裂；f 5 一齐广断裂；f 6 - 陈南断裂； f 7 一埕南断裂：f s 一石村断裂；f 9 一高青断裂；f i o - - 滨南断裂；f l 广夏口断裂；f 1 2 一临商断裂；f 1 3 一宁南断裂； f 1 4 一无南断裂；f i s - 义南断裂；f 1 6 - 义东断裂；f 1 7 - - 埕东断裂；f n - 罗西断裂；f 1 9 - 孤西断裂； f 2 0 _ 五号桩断裂；f 2 1 - 平度断裂；f 2 2 - - 五龙村断裂j e i = 胶县断裂；f 2 4 一百尺河断裂 图2 1 研究区区域构造位置图 2 2 研究区地层及主要特征 鲁西地层分区与胶莱坳陷地层分区具有一定的差异性，其中，最明显的区别 9 第二章区域地质概况 在于胶莱坳陷三叠系地层的缺失。沂沭断裂带内地层发育与胶莱坳陷中生代地层 发育明显不同( 表2 1 ) ，断裂带内发育侏罗系淄博群，白垩纪莱阳群地层缺失； 而胶莱坳陷白垩系地层发育齐全，自上而下发育王氏群、青山群和莱阳群。 表2 - 1 研究区地层划分对比表( 据李守掣5 3 1 ) 地层 鲁东地层分区 沂沭断裂带地层分区鲁两地层分k 古近系胶州组五l 羽群 市桃 卜桥组 会岗口组同城舞i 上自垩统王氏群 红上崖组 红上成维“上氏组” 譬格成组簪格庀纰 林家庵组林家序纽 方戈庄组孟嚏组 a 。 专莳村组 害r - j 盛 石前庄组 。埘 翻家楼组 青j ij 群 山吞 群 马朗沟维 诬洼组 八甫地纽 n ：? j j h z , i t 后：舒组 下自垩统 法家c 莨组 曲格庄组 杜村纣l 龙旺应组 拦2 ，t l ：1 1 目刁 t m 莱阳群 水南组 止风应组蒙阴组 林誓i j i 鳃i 兀膝夼组 侏罗系 淄博群 。 淄博群 三台组 坊r 组坊r 组 下伏地层 元古宙 元卉南一卉争界古牛界一一叠系 2 3 胶莱坳陷地层及构造单元特征 2 3 1 胶莱坳陷地层及特征 该区的基底岩系广泛出露于胶莱盆地的南北两侧，主要为前寒武纪时期的片 一岩、上麻岩和混合花岗岩为主。 白垩纪时期胶莱坳陷地区地层发育比较齐全，晚侏罗一早白垩时期发育莱阳 组和青山组。莱阳组广泛出露于莱阳地区东北部的山前店、龙旺庄以及栖霞的蛇 窝泊、柴沟等地。通过钻探资料和地震勘探分析，莱阳组西北部厚度较小，西南 部厚度较大，主要是河流相与内陆湖泊为主的碎屑沉积。根据沉积和古生物特征， 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 自上而下将莱阳组划分为：曲格庄、龙旺庄、水南、马耳山、止风庄、逍仙庄六 段( 见表2 2 ) 。 表2 - 2 胶莱坳陷地区发育地层及构造活动及运动特征表( 据李桂科5 4 1 有改动) 时代地层主要岩性 构造运动特征 第 新 四 砂、砾、粘七 挤压反转 生 纪 n n e i 向挤压廊力 界 第 灰绿色泥岩 n n e 断层右旋走滑 = 黄县组e 2 - 3 b 紫红色砂岩 近南北向拉张成力 。一 纪 王 四段 泥质粉砂岩 沂沭断裂左旋走滑 上 氏 三段 砾岩、砂砾岩 n n w 向挤胜应力 组 段灰绿色泥质粉砂岩 自 统 _ 哑 k 2 w 一段 紫色砂岩、砂砾岩 土 由 纪 虹 三段 安山岩、玄武岩 舟 下 近东两向拉张心力 山 二段 安山岩、安山集块岩 统 组 k l q 一段凝灰岩 生 曲格庄段 紫褐色、灰色砾岩、砂岩 j 3 1 6 龙旺庄段 灰绿色细砂岩、粉砂岩 界 侏 莱 j 3 1 5 上 水南段 灰色、灰绿色页岩 阳 j 3 1 4 莱阳期伸展阶段 罗 n n w 向拉张麻力 马耳山段 粉砂岩、页岩 统 组 j 3 1 3 纪 j 3 i 止风庄段 灰色砾岩、粉砂岩 j 3 1 2 逍遥庄段 j 3 1 1 细砾岩、页岩、巨砾岩 兀前 片岩、片麻岩、 古 寒 界武混合岩、混合花岗岩 纪 青山组沉积主要为一套复成分火山碎屑岩和火山岩系组成，并伴有少量的正 常碎屑沉积岩。青山组火山岩大多属于中心式火山喷发的产物，主要发育安山岩、 第二章区域地质概况 玄武岩、安山集块岩以及凝灰岩等，其岩性在纵向和横向上变化都比较大。青山 组与下伏莱阳组之间属于角度不整合关系，并且与上覆王氏组也呈不整合关系， 出露于胶莱盆地的北、东、南边缘地表，第四系将其西部边缘掩盖。在莱阳、平 度、胶州、诸城等地埋深较大，达2 0 0 0 m 以上。 晚白垩时期主要发育王氏组，主要岩性为灰绿色泥质粉砂岩、紫色砂岩和砂 砾岩，在莱阳、胶州、诸城、即墨、高密等地广泛出露。胶莱坳陷的e _ 一w 向断 裂控制了该时期地层的厚度与分布情况。在高密地区主要受胶县断裂、平度断裂 的控制作用，在诸城凹陷受百尺河断裂控制，北厚南薄呈楔形。 2 3 2 胶莱坳陷构造单元 胶莱坳陷发育的凹陷与凸起均形成于中生代时期，在经历了多期次的演化史 后，受其边界断层控制，形成了现今的复杂地貌。 ( 1 ) 诸城凹陷：夹于五莲断裂与百尺河断裂之间，西界与沂沭断裂带相邻， 东南方向与胶南隆起相接，整体呈现三角形。凹陷内发育的白垩纪莱阳组与青山 组地层超覆在胶南隆起之上。百尺河断层与沂沭断裂带相交地带附近埋深较大， 深度达7 k m 。据此可推测莱阳组沉积时期沉积中心靠近凹陷南部，其变质基底由 东南向西北倾斜。晚白垩纪时期随着沂沭断裂带与百尺河断裂活动频率的增加， 胶南隆起的发生强烈隆升。此时沉降中心北移，使得凹陷区中、北部发育较厚的 青山组与王氏组地层，百尺河向斜形成。凹陷东南缘广泛出露莱阳组地层，并倾 伏于青山组与王氏组地层之下。除边界断层以外，凹陷区内发育断裂较少，主要 发育北东向与北西两组规模较小的断裂。受边界断层的限制作用影响，凹陷内部 主要发育北西向断裂，而北东向断裂则主要发育在沂沭断裂带附近。由于王氏期 百尺河断裂的构造活动的影响，使得柴沟凸起抬升，凸起南侧发育“北断南超” 的箕状凹陷，遂形成了现今诸城凹陷的地貌特点。 ( 2 ) 柴沟凸起：该凸起发育于北倾的胶县断裂与南倾的百尺河断裂与之间。 南邻诸城凹陷，北晃与高密凹陷相接，西至沂沭断裂带，向东延伸至胶州湾北部。 基底埋超过2 k m ，面积约8 5 0 k m 2 ，呈东西向长条形延伸。部分青山组或王氏组沉 积超覆于凸起的南、北两侧，整体呈现东南倾向的单斜构造