（构造地质学专业论文）郯庐断裂带中段周边拉张应力场的演变.pdf

郯庐断裂带中段周边拉张应力场的演变 摘要 华北克拉通东部在白垩纪至古近纪发生克拉通破坏和岩石圈减薄期间，沿 郯庐断裂带中段周边发育了一系列伸展盆地。这给我们提供了一个很好的机会 去了解克拉通坏期间伸展应力场的演变规律，进而可以分析克拉通破坏的动力 学背景。本论文工作选择华北克拉通东部的郯庐断裂带中段周边白垩一古近纪伸 展盆地为研究对象，通过它们沉积中心与格局的变化规律及各期正断层擦痕应 力场分析，发现区内早白垩世早一中期为n w w s e e 拉伸，早白垩世晚期为n w s e 拉伸，晚白垩世一古近纪为近n - s 拉伸。通过将华北克拉通伸展方向的演变与太 平洋区大洋板块运动方向进行对比分析，发现它们之间是相吻合的，即各阶段 伸展方向与同时期的大洋板块运动方向是一致的。这反映华北克拉通东部区域 拉伸方向的演变受控于太平洋区大洋板块运动，克拉通破坏的动力学背景应为 弧后伸展。本次工作所发现的弧后大陆边缘伸展方向和大洋板块运动方向相吻 合，支持弧后拉张机制应为板片后退模式。本次工作认为，弧后伸展期间，大 洋板块运动方向应平行于海沟后退方向，而后者具体控制了弧后大陆边缘的伸 展方向。 关键词：盆地格局：应力场；拉伸方向：弧后伸展；华北克拉通：郯庐断裂带 t h ee v o l u t i o no fe x t e n s i o n a ld i r e c t i o na r o u n dt h e m i d d l es e g m e n to ft h et a n l uf a u l tz o n e a b s t r a c t t h el o n g t e r mr i f t i n go fc r e t a c e o u st op a l e o g e n ed u r i n gc r a t o nd e s t r u c t i o n a n dl i t h o s p h e r i ct h i n n i n go ft h ee a s t e r nn o r t h c h i n ac r a t o n ( n c c ) p r o v i d e sag o o d o p p o r t u n i t yt o u n d e r s t a n de v o l u t i o no fe x t e n s i o n a ld i r e c t i o na n dg e o d y n a m i c s e t t i n go ft h ed e s t r u c t i o n c r e t a c e o u s p a l e o g e n er i f tb a s i n sa r o u n dt h em i d d l e s e g m e n to ft h et a n - l uf a u l tz o n ei nt h ee a s t e r nn c cw e r ec h o s e nf o rs t u d i e si nt h i s w o r k o nt h eb a s i so fb a s i nd e p o c e n t e rp a t t e r n sa n dn o r m a lf a u l ts l i pd a t a ， i ti s s h o w nt h a tt h ee x t e n s i o ne x p e r i e n c e da ne v o l u t i o nf r o mw n w e s ee x t e n s i o no f t h ee a r l i e s t m i d d l e e a r l yc r e t a c e o u s ， n w - s ee x t e n s i o no ft h el a t e s t e a r l y c r e t a c e o u st on e a r l yn se x t e n s i o no ft h el a t ec r e t a c e o u s p a l e o g e n e c o r r e l a t i o n o ft h ee x t e n s i o n a ld i r e c t i o n si nt h ee a s t e r nn c ca n do c e a n i cp l a t em o t i o n ss h o w t h a tt h e yw e r ep a r a l l e lt oe a c ho t h e r i ti ss u g g e s t e dt h e r e f o r et h a tt h ee x t e n s i o n a l d i r e c t i o ne v o l u t i o nw a sc o n t r o l l e db yt h eo c e a n i cm o t i o na n dt h ec r a t o nd e s t r u c t i o n t o o kp l a c eu n d e rab a c k a r cs p r e a d i n gs e t t i n g t h ec o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h e d i r e c t i o n so ft h eo v e r r i d i n gp l a t ee x t e n s i o na n do c e a n i cp l a t em o t i o ns u p p o r t st h e s l a br o l l b a c km o d e lf o rt h eb a c k a r ce x t e n s i o n i ti sp r o p o s e dt h a tt h et r e n c hr e t r e a t d i r e c t i o n g e n e r a l l yp a r a l l e l t ot h eo c e a n i cp l a t em o t i o nd i r e c t l yc o n t r o l st h e e x t e n s i o nd i r e c t i o ni nt h eo v e r r i d i n gp l a t e k e y w o r d s ：b a s i np a t t e r n ；s t r e s sf i e l d ；e x t e n s i o n a ld i r e c t i o n ；b a c k - a r ce x t e n s i o n ； n o r t h c h i n ac r a t o n ；t a n - l uf a u l tz o n e 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 10 图4 11 图5 1 图 图 图 图 - 2 - 3 4 5 图5 - 6 插图清单 伸展断层的两种拉伸状况8 断层面上有关数据测量( 引自j m e r c i e r 等，1 9 9 2 ) 1 0 华北克拉通东部早白垩世早期盆地分布图( 据胜利油田内部资料改编) ，1 ：! 合肥盆地早白垩世早期( 朱巷期) 沉积格局图( 据胜利油田内部资料 改编) a 朱巷组沉积分布图；b 3 6 5 地震测线的解释剖面图：c 盆地 拉张模式图13 胶莱盆地早白垩世早期( 莱阳期) 沉积格局图( 据胜利油田内部资料 改编) a 胶莱盆地莱阳组沉积分布图；b 2 7 3 8 地震测线解释剖面图 1z i 华北克拉通东部早白垩世晚期盆地分布图及相关盆地剖面图( 据胜利 油田内部资料改编) 16 华北克拉通东部晚白垩世( 王氏期) 盆地分布图( 据胜利油田内部资 料改编) 1 7 合肥盆地晚白垩世盆地沉积等厚图及7 0 0 7 4 8 地震测线解释剖面图( 据 胜利油田内部资料改编) 1 8 胶莱盆地晚白垩世盆地( 王氏期) 与地质剖面图( 据胜利油田内部资 料改编) ：18 华北克拉通东部古近纪沉积盆地分布图( 据胜利油田内部资料改编) ：! ( ) 合肥盆地古近纪沉积等厚图及其伸展模型( 据胜利油田内部资料改编) ：! l 鲁西南地区古近纪盆地与地质剖面图( 据胜利油田内部资料改编) 2 2 渤中凹陷东部东营组底面反射层构造图及其伸展模型( 据中海油资料 修改) 2 2 合肥盆地东缘h b 0 5 2 点位郯庐正断层剖面图及断层擦痕应力场赤平 投影图2 4 胶莱盆地南缘五莲正断层h l 3 0 点位剖面图及应力场赤平投影图2 5 沂沭断裂带h l 0 8 2 点位剖面图及应力场赤平投影图2 6 沂沭断裂带s l 2 6 点位剖面图及应力场赤平投影图2 7 早白垩世中期同火山喷发正断层野外照片及其应力场图( a 上图为沂 沭断裂带青山组s l 5 8 1 点位；b 下图为合肥盆地毛坦厂组h b 4 4 2 点位) 2 8 早白垩世早期中期华北克拉通东部应力场示意图2 9 图 图 图 图o 图5 14 图6 1 图6 - 2 沂沐断裂带s l 2 4 1 点位剖面图及应力场赤平投影图一，3 l 沂沭断裂带s l l7 3 点位剖面图及应力场赤平投影图31 早白垩世晚期华北克拉通东部应力场示意图3 2 胶莱盆地百尺河断层s q 2 9 1 点位剖面图及晚白垩世应力场赤平投影 图一3 4 合肥盆地北缘寿县定远断裂h b 0 6 3 点位剖面图及晚自垩世应力场赤 平投影图3 5 蒙阴盆地盆缘s q l2 点位剖面图及古近纪应力场赤平投影图3 5 洒水盆地盆缘正断层s q 0 8 1 点位剖面图及古近纪应力场赤平投影图 3 6 晚自垩世吉近纪华北克拉通东部应力场示意图3 7 早白垩世古近纪华北克拉通东部拉伸方位演变示意图4 0 弧后拉张的板片后退模式示意图( 据s c h e l l a r t ，2 0 0 8 ) 4 2 l 1 4 c ，、1工，1 ， _ 5 5 _ ，、 图 图图 表2 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 - 4 表6 1 表格清单 6 4 6 0 3 8 2 2 3 3 3 一 ： _ ： _ ： _ ： _ ： _ ： _ ： 一 一 图 - 、 一 一 一 意 一示 表 据化 比 数演对据据据场向层数数数力方地场场场应伸地力力力纪拉盆应应应近部陷期期期吉东 断早中晚与通各世世世世拉 区垩垩垩垩克 究白白白白北 研早早早晚华 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：初乞力签字日期：印f o 年够月砧目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自曼王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目垦王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 织力 答- - 7 日期：n o 年够月洳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：卅年月6 日 电话： 邮编： 致谢 本研究及学位论文是在我的导师朱光教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。他严谨的科学态度和治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励 着我。从课题的选择到项目的最终完成，朱老师都始终给予我悉心的指导和不 懈的支持，以此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢一起愉快的度过研究生生活的纬地楼北楼4 4 3 各位同门， 正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的 顺利完成。特别感谢张必龙和魏鑫同学，师弟陈印和朴学峰，师兄向必伟和胡 召齐以及王勇生老师，他们曾经在生活和学习上给予我不少的帮助。 衷心感谢在百忙之中抽出时间评阅我论文的专家教授，感谢答辩委员会的 各位专家们，感谢您的辛勤劳动和对论文提出的宝贵建议，这将是我今后学习 和工作的宝贵财富。 最后，衷心感谢合肥工业大学和资环学院对我的大力栽培! 作者：张力 2 0 1 0 年0 3 月1 7 日 第一章绪言 1 1 课题来源、选题目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“华北克拉通破坏”重大研究计划项目： “郯庐断裂带周边在华北克拉通破坏中的浅部响应与数值模拟研究”。课题具体 承担该项目中关于克拉通破坏期间伸展应力场演变的研究内容。 1 1 ，2 选题目的及意义 自晚中生代以来，华北克拉通东部发生了显著的克拉通破坏与岩石圈减薄 已为大量证据所证实。已有研究表明，华北克拉通东部破坏期间岩石圈发生了 巨量减薄，最大达1 0 0k m 左右( z h e n ge ta 1 ，2 0 0 l ，g a oe ta l ，2 0 0 2 ；w ue ta 1 ， 2 0 0 5 ：z h a n g ，2 0 0 5 ：m e n z i e se ta 1 ，2 0 0 7 ；x u ，2 0 0 7 ) 。关于华北克拉通破坏 目前有许多研究者正在进行积极的探索，仍有许多不了解的方面有待深入了解。 其中克拉通破坏的动力学背景就是目前仍没有解决的重要问题之一。已有的认 识包括有扬子板块与华北克拉通的陆一陆碰撞( g a oe ta 1 ，2 0 0 2 ；z h a n g ，2 0 0 5 ) 、 北部西伯利亚板块与蒙古板块的碰撞( z h a ie ta 1 ，2 0 0 7 ) 、太平洋区大洋板块俯 冲造成的弧后拉张( w ue ta 1 ，2 0 0 5 ；d e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ：s u ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 等。 目前，主张华北克拉通东部破坏主要是发生在弧后拉张的动力学背景中已经被 多数学者所接受( m e n z i e se ta 1 ，2 0 0 7 ；z h ue _ ta 1 ，2 0 1 0 ) ，但是支持这种观点的 可靠证据仍然缺乏。针对这一重要问题，通过对华北克拉通破坏期间拉伸方向 演变的详细研究及其成因分析，可以帮助我们了解华北克拉通破坏与岩石圈减 薄的动力学背景。 本次工作就是通过分析华北壳拉通东部伸展期间盆地沉积格局演化和各阶 段拉伸应力场的恢复，查明这期间拉伸方向的演变规律。进而将拉伸方向的演 化与太平洋区板块的运动规律联系起来进行对比分析，探讨华北克拉通破坏的 动力学背景。 1 2 国内外研究现状 已有的地质事实显示，华北克拉通东部在中新生代破坏期间出现了显著 的浅部响应，表现为有规律的地表升降、大量的火山活动、区域性的伸展变形、 应力体制的转换、深部地壳岩石的剥露、大规模盆地的形成等。这为开展郊庐 断裂带周边地区应力场的研究提供了很好的条件。但是，这些浅部地质现象的 形成与演化规律、时空变化规律出现的动力学背景、对华北克拉通破坏方式与 过程的指示等，都未开展过专门而系统的研究，是以往华北克拉通破坏研究中 十分欠缺的方面。早白垩世至古近纪华北克拉通东部的区域应力体制转变为拉 伸，发育了一系列断陷盆地( 如大型的合肥盆地、周口盆地、胶莱锰地、渤海 湾盆地及郯庐断裂带内部的断陷盆地等；朱光等，2 0 0 l ；r e n e ta 1 ，2 0 0 2 ： 侯贵廷等，2 0 0 3 ：张岳桥等，2 0 0 4 ；韩文功等，2 0 0 5 ；冬友亮等，2 0 0 6 ；周建 勋和周建生，2 0 0 6 ；张树林等，2 0 0 6 ) 。其中早白垩世大规模断陷活动与同期 巨量的岩浆活动与岩石圈减薄峰期相对应。但是这些断陷盆地的空间分布与迁 移规律、伸展强度的时空演变、动力作用方式( 是纯剪伸展还是剪切伸展及有 无板缘力的影响) 及其演变等，特别是它们与岩石圈减薄的关系，仍缺乏深入 的了解。总之，关于华北克拉通东部的盆地迁移规律、拉张应力场的演化特征 以及其动力学机制等诸多方面，特别是它们与克拉通破坏的关系，仍缺乏系统 的研究与深入的了解，没有在了解华北克拉通破坏规律方面发挥其应有的重要 作用，是“华北克拉通破坏”重大研究计划中急需开展的研究工作。 关于郯庐断裂带南段周边早白垩世至古近纪断陷盆地发育中各个阶段区域 拉伸方向，人们了解的仍有限，并且存在不同的观点。z h a n ge ta 1 ( 2 0 0 3 ) 通过 华北克拉通东部盆地内断层擦痕数据反演，认为早白垩世早期( 14 0 1 2 0m a ) 为 n s 向拉伸，早白垩世晚期( 1 2 0 10 0m a ) 为n w w s e e 向拉伸，晚白垩世( 8 5 6 5 m a ) 为n s 向拉伸。而m e r c i e re ta 1 ( 2 0 0 7 ) 在华北克拉通东部通过类似的研究方 法主张早白垩世早期( 1 3 5 1 3 0m a ) 为n w s e 向拉伸，早白垩世中晚期( 1 2 7 1 0 5 m a ) 为n e s w 向拉伸，晚白垩世古近纪为n w w s e e 向拉伸。但是对于造成 这一拉伸方向演变的动力学背景与驱动机制前人并没有清楚的认识。 1 3 课题研究方案 为获得郯庐断裂带中段周边地区拉张应力场的演变规律，本次工作中应用 于研究区盆地沉积格局与拉伸方向之间的关系分析以及对研究区各时期拉伸应 力场反演方法进行了系统的研究。最后再结合拉张方向演变与大洋板块运动规 律的对比分析，对华北克拉通东部克拉通破坏期间区域性伸展的动力学背景与 可能的动力学机制进行了讨论。 1 3 1 盆地沉积格局 工作中利用前人已有区内各期断陷型盆地资料，对各阶段盆地在空间上的 发育、分布与迁移规律进行了综合分析，重点是分析区内断陷盆地内沉积与沉 降中心随时间的迁移规律，以时间演化的视角了解研究区详细的断陷盆地发育 与迁移规律，以此恢复各阶段的应力场状态。近年来石油部门在郯庐断裂带周 边中一新生代陆相盆地内开展了大规模的油气勘探工作，已积累了丰富的地质 与地球物理资料，为开展这一工作提供了非常便利的条件。 1 3 2 各时期拉张应力场方位恢复 对于郯庐断裂带周边各时期拉张应力场具体方位的恢复，主要是通过正断 层擦痕实测与反演计算，获得各个阶段的应力状态。因此我们根据研究内容划 定研究区，主要针对研究区控制盆地沉积的盆缘正断层进行野外详细观察与实 测，收集了大量盆缘正断层擦痕数据，然后用应力场软件计算出准确的三个主 应力方位，进而通过分期，获得各时期的应力场方位。 1 3 3 拉张应力场演变与大洋板块运动规律结合分析 在上述工作基础上，最终将区内伸展时期各阶段拉张应力场的演变规律和 大洋板块的运动规律进行对比分析，从而了解区内拉张应力场演变的原因、发 生的动力学背景与可能的驱动机制。 第二章区域地质背景 本次工作的研究地区为华北克拉通东部的郯庐断裂带中段周边，研究对象 为早白垩世至古近纪期间发育的断陷盆地及其内的正断层。 2 1 华北克拉通破坏 2 1 1 华北克拉通破坏的研究意义 关于华北克拉通破坏的研究可以追溯到上世纪9 0 年代早期华北岩石圈减薄 概念的提出，目前学术界对华北克拉通东部岩石圈减薄少有疑义( z h e n ge ta 1 ， 2 0 0 1 ，g a oe ta 1 ，2 0 0 2 ；w ue ta 1 ，2 0 0 5 ；z h a n g ，2 0 0 5 ；m e n z i e se ta 1 ，2 0 0 7 ； x u ，2 0 0 7 ) 。华北岩石圈减薄不仅仅是岩石圈厚度的变化，它同时伴随岩石圈 性质和热状态的转变。从中生代以后，华北克拉通原本稳定的性质便不存在了， 或者说，华北克拉通的稳定性质发生了破坏，有人称之为地幔置换( 郑建平， 1 9 9 9 ；g a oe ta 1 ，2 0 0 2 ；张宏福等，2 0 0 4 ；z h e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ) ，也有学者将其 称之为岩石圈转型( 周新华，2 0 0 6 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 7 a ) 。按照传统的板块构 造观点，克拉通边缘是活动的，而克拉通内部是稳定的，一个稳定的克拉通可 以长期保持稳定。而华北克拉通东部晚中生代发生的大规模破坏现象，是传统 的板块构造观点没有解释的，从而了解其发生过程与原因成为目前大动力学的 前沿，具有重要的科学意义。 2 ，1 2 克拉通破坏的时间 华北克拉通破坏的开始与结束时间目前尚无定论。关于其开始时间分别有 晚三叠世、晚侏罗世与早白垩世等观点。然而，华北克拉通破坏发生的峰期为 早白垩世已为人们广泛接受，这期间出现了大规模的岩浆活动、断陷盆地与变 质核杂岩。由于晚白垩世至古近纪期间华北克拉通东部仍发育了大量的断陷盆 地，因而多数学者目前认为早白垩世至古近纪期间华北克拉通东部处于破坏期 间。本次工作中对于伸展应力场的恢复就是选择这一时期。 2 1 3 克拉通破坏的范围 华北克拉通破坏的范围主要是指克拉通破坏涉及多大的地理范围。目前倾 向于认为克拉通破坏主要发生在太行山以东地区，即华北克拉通东部。其主要 证据是西部的鄂尔多斯盆地在中一新生代期间基本保持稳定，且岩浆活动微弱， 地热梯度低，目前还保存着较厚的岩石圈。因而，目前人们认为只有华北克拉 通东部具有明确的克拉通破坏证据。 2 1 4 克拉通破坏的浅部响应 在华北克拉通破坏期间，位于n n e 走向的太行山山脉东部的华北克拉通受 力状态转变为拉伸，浅部响应十分突出。强烈的深部过程与岩浆活动使得地表 出现了大量的早白垩世中酸性火山喷发和古近纪的玄武岩喷发( w ue ta 1 ， 4 2 0 0 5 ；m e n z i e se ta 1 ，2 0 0 7 ) 。早自垩世变质一系列变质核杂岩沿着华北克拉通 北部的阴山燕山构造带发育( l i ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。自早自垩世到吉近纪，华北克 拉通东部并以长期广泛发育陆内裂谷盆地为特征( r e ne ta 1 ，2 0 0 2 ：l i ue ta 1 ， 2 0 0 3 ：z h a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ；m e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ；m e r c i e re ta 1 ，2 0 0 7 ；z h ue ta i ， 2 0 0 8 ) 。直到新近纪初，华北克拉通东部广泛分布的断陷因出现同区域性挤压而 停止发育( r e ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 2 2 研究区伸展盆地 本文对象为华北克拉通东部地区的伸展盆地。这些伸展盆地由南向北包括 合肥盆地、沂沭断裂带内部地堑、胶莱盆地及鲁西南地区的蒙阴盆地、平邑盆 地和莱芜盆地。 2 2 1 合肥盆地 合肥盆地位于郯庐断裂带嘉山庐江段西侧、大别造山带北侧，总体呈东 西向延伸。盆地南边界为近东西向的信阳。舒城断裂，北边界为近东西向的寿县 一定远断裂，而西边界为北北东向的吴集断裂。该盆地起源于大别造山带北部的 侏罗纪前陆盆地，伸展期自下两上沉积了下白垩统朱巷组( k l z ) 、毛坦厂组 ( k l m ) 和响导铺组( k l x ) 及上白垩统张桥组( k 2 z ) 与古近系定远组( e d ) ( 表 2 - 1 、。 2 2 2 沂沭断裂带内地堑 沂沭断裂带南起郯城，北入渤海，大致沿沂河、沭河及潍河分布，长达3 3 0 k m 。断裂带呈nl o 2 5 0 e 的方向延伸，平均走向1 7 0 。断裂宽度2 0 - 6 0k m ，北宽 南窄。沂沭断裂带分为四条主干断裂，自西向东依次为郎部一葛沟断裂( f 4 ) 、 沂水汤头断裂( f 3 ) 、安丘苔县断裂( f 2 ) 、昌邑大店断裂( f 1 ) ，构成两 堑一垒的构造型式，中央隆起部分称为汞丹山地垒。其东西两侧分别为安丘 莒县地堑和马站苏村地堑。沂沭断裂带内地堑自下到上沉积了下自垩统蒙阴组 ( k 1 m ) 、青山组( k l q ) 与大盛组( k l d ) ，上白垩统和古近纪沉积都缺失( 表 2 1 )0 2 2 - 3 胶莱盆地 胶莱盆地位于山东省东部的苏鲁造山带北侧，南起五莲、诸城、胶县，北 达平度、莱阳，西抵安丘、莒县，东越海阳、乳山入黄海。胶莱盆地西边界为 沂沭断裂带，南边界为五莲断裂带和牟平即墨断裂带。盆地北边主要受平度断 裂带和五龙村断裂带控制，部分地区是以不整合接触于胶北隆起之上。盆地整 体为一北东向的菱形，内部发育多条二级断层，主要有胶县断层、百尺河断裂 和五龙村断层，它们将盆地从南向北分为3 个凹陷，分别是南边的诸城凹陷、中 部的高密凹陷和北部的莱阳凹陷。 胶莱盆地盆地基底为下元古界荆山群变质基底，其自下而上发育了下白垩 统莱阳组( k 1 ，) 和青山组( k l g ) 、上白垩统王氏组( k 2 w ) ，局部出露始新统的黄县 组( e 2 3 办) 。莱阳组与下伏荆山群为角度不整合接触，为一套河湖相碎屑岩夹少 量白云岩沉积：青山组是套火山岩系和火山碎屑岩系；王氏组为一套河湖相 红色碎屑岩类；黄县组为套湖泊沼泽相的含煤、含油页岩的粘土岩、碎屑岩 沉积。其中白垩纪地层在盆地中大面积分布，厚度较大；而黄县组仅分布在平 度附近，厚度较小。 2 2 4 鲁西南盆地群 鲁西南地区断陷盆地包括聊城一兰城断裂带和郯庐断裂带之间的一些小型盆 地，由南到北包括平邑盆地、曲阜泅水盆地、蒙阴盆地、新泰盆地、莱芜盆地。 平邑盆地和蒙阴盆地沉积中心呈n n w 走向分布，并由n n w 走向断裂控制其发 育。曲阜一泅水盆地和新泰盆地、莱芜盆地这三个盆地沉积中心基本呈e w 走向 分布，并由e w 向断裂控制其发育。这些断陷盆地自下而上充填了下白垩统蒙阴 组和青山组及古近系卞桥组、常路组、朱家沟组和大汶口组( 表2 一1 ) 。 表2 1 研究区各断陷盆地地层对比表 时代 时期合肥盆地沂沭地堑皎莱盆地蒙阴平邑盆地 c h a t t i a n 渐新世 r u p e l i a n p r i a b o n i a n 大汶口组 b a r t o n i a n 始新世 朱家沟组 l u t e t i a n 定远组 y p r e s i a n t h a n e t i a n 常路组 s e l a n d i a n 古新世 桥组d a n i a n m a a s t r i c h t i a n c a m p a n i a n s a n t o n i a n 张桥组王氏组晚白垩世 c o n i a c i a n t u r o n i a n c e n o m a n i a n 大盛组响导铺组 a p t i a n 毛坦厂组青山组青山组青山组 早自垩世 b a r r e m i a n h a u t e r i v i a n 朱巷组蒙阴组莱阳组蒙阴组 v a l a n g i n i a n b e r r i a s i a n 郯庐断裂带切割了华北和华南两大板块，以将大别与苏鲁造山带左行错开 达5 0 0 k m 左右为重要特征。关于这一左行错移的起源时间，特别是华北、华南 板块印支期碰撞中是否有郯庐断裂带的活动及其是何运动型式等问题，既关系 到郯庐断裂带的起源，也关系到华北和华南这两大板块的汇聚过程、型式等重 大科学问题。许多地质学者基于郯庐断裂带在大别造山带以南的突然消失、在 华北板块北晃上平移幅度的突减及其对其它一些地质、古地磁现象等方面的研 究，主张郯庐断裂带起源于华北与华南板块的碰撞造山之中，并分别提出了转 换断层模式( z h a n ge ta 1 ，1 9 8 4 ；h s ue ta 1 ，1 9 8 7 ；w a t s o ne ta 1 ，1 9 8 7 ；x ue ta 1 ， 1 9 8 7 ；o k a ye ta 1 ，1 9 9 2 ；徐树桐等，1 9 9 2 ；万天丰等，1 9 9 6 ；王小凤等，1 9 9 8 ) ； 斜向板块边界模式( y i ne ta 1 ，1 9 9 3 ；汤家富等，2 0 0 2 ) ；旋转的缝合线模式( o k a y e ta 1 ，1 9 9 2 ；z h a n g ，1 9 9 7 ；g i l d e r ，1 9 9 9 ；肖文交等，2 0 0 0 ；杨文采等，2 0 0 3 ) ； 撕裂断层模式( l ie ta 1 ，1 9 9 4 ；王小风等，1 9 9 8 ；c h u n g ，1 9 9 9 ) 等。郯庐断裂 带在晚侏罗世由于西太平洋板块的斜向俯冲而再次发生左行平移( z h ue ta 1 ， 2 0 1 0 ) 。 郯庐断裂带的伸展构造是自晚侏罗世断裂带走滑运动之后的产物，形成于 早白垩世早期至古近纪之间，并控制了断裂带内及旁侧断陷盆地的发育。该断 裂带的伸展活动发生在华北克拉通东部破坏的过程中，也是区域性拉伸的结果。 郯庐断裂带其由左行平移转变为伸展构造的原因应与伊泽纳崎板块向华北克拉 通下转变为高角度俯冲有关( z h ue ta 1 ，2 0 1 0 ) 。 7 第三章基本原理与方法 本论文工作的重点是恢复华北克拉通东部早白垩世至古近纪期间区域拉 伸方向的演化。为此，论文工作中分别应用了各阶段盆地沉积格局与正断层擦 痕反演法确定区内各伸展阶段拉伸方向，进而获得拉伸方向的演变。 3 1 由盆地沉积格局推断拉伸方向方法 长期以来石油部门对华北克拉通东部的断陷盆地进行过大量的勘探，获得 了丰富的盆地沉积格局资料，为分析各阶段盆地沉积过程的拉伸方向提拱了有 利的条件。控制伸展盆地的正断层包括新生正断层与复活的基底断层。断陷盆 地的沉积中心分布与控制其沉积的正断层走向相平行。在某一伸展阶段，由于 拉张应力新形成的正断层的走向应该是与拉伸方向相垂直的。对于再活动的老 断层，与拉伸方向垂直或高交角相交者活动最强，落差最大，也可控制盆地的 沉积格局。因此盆地内沉积中心的分布并可以大致反映这一时期的拉伸方向。 如图3 1 所示，伸展断层的拉伸状况包括正向拉伸和斜向拉伸。图3 1 左 图就为正向拉伸，也就是说拉伸方向与断层走向相垂直，从而断距大，造成较 厚的沉积。而图3 1 右图为斜向拉伸下的正左行平移断层，相应断距较小，控 制的沉积也较薄。显然，从图3 1 中可以看出正向拉伸落差a 大于斜向落差b ， 也就是说正向拉伸所控制的盆地沉积厚度要大于斜向拉伸所控制的盆地沉积厚 度。这样我们通过盆地等厚图中的盆地中心分布和盆地沉积中心的厚度可以很 容易判断出控制其盆地格局的拉伸方向。也就是说，控制断陷盆地主要沉积格 局的正断层基本上垂直于区域拉伸方向。 伸展断层的两 向拉伸落差a 斜向拉张落差b 图3 1 伸展断层的两种拉伸状况 8 3 2 断层擦痕应力场反演法 3 2 1 基本原理 通过断层擦痕而进行古应力场重建的研究已经开展了几十年，其方法近年 来得到了不断的改进，应用领域也不断扩展。本次论文工作所使用的古应力场 反演原理是利用法国南巴黎大学雅克马塞和皮埃尔维热利等研制的计算机程序 “利用断层面上擦痕的观察、测量计算主应力轴状态”，这种方法能够利用断层 上实测擦痕数据定量求得区域古应力场状态。 最早提出利用断层擦痕数据反演古应力场的是w a l l a c e ( 19 51 ) 和b o t t ( 19 5 9 ) ，他们在提出这个方法的同时也说明了使用这个方法的重要前提条件： ( 1 ) 断层面上的断层滑动方向与剪切方向( 最大剪应力) 平行，区域内各断层 的滑动都受到统一的应力的作用，断层独立与周围环境，断层之间互无影响； ( 2 ) 在断层面上得到的与最大剪应力一致的断层滑动擦痕没有受到后期应变的 影响，反映的是原应力的信息。断层面的滑动方向和最大剪应力方向虽然存在 一定的角度偏差，但是这一偏差常常很小，基本上保持着一致的规律。c a r e ye t a 1 ( 1 9 7 4 ) 进一步证明了这假设的合理性，而且扩展了这一假设，即受控于同 一应力张量的岩石，其复活断层以及新生断层面上的滑动方向可以是多种多样 的，但是它们的数据反演结果都共同得到唯一一个区域应力张量( a n g e l i e r ， 19 8 4 ) ，也就是说此古应力场反演方法既适用于新生成的断层也适用于再活动的 老断层。 本论文采用的古应力场反演所使用的应力场软件是通过断层擦痕产状直接 反演应力方向。如图3 2 所示，通过软件计算出来的平均应力张量t 是一个近 似值，它表示在某一个断面上的最大剪应力方向，而这个最大剪应力方向与每 一个实际测量的断层擦痕滑动方向可能不是完全相同，二者之间必然存在一定 的误差，也就是f 与s 之间的夹角。为了评价这一误差的大小，此软件给出了 两个误差评价参数：a n g 和p u p 。a n g 是指剪应力与滑动方向之间的角度偏 差，变化范围是0 18 0 0 。r u p 的大小既取决于a n g 的大小，又取决于剪应力 的相对大小，其变化范围为0 - - - 2 0 0 。一般认为r u p 墨5 0 或a n g 2 2 5 。被认 为误差较小，匹配最好的数据，反之需要被排除。程序计算时，还必须结合野 外地质资料进行分析。首次计算后，如果发现有些数据不是同一期的，应删除。 本次工作通过此软件对数据的处理的结果是严格根据以上条件筛选的，由于野 外的测量误差以及对断层性质的错误判断，不合格的数据都将被删除。 9 6 1 r = ( 0 2 一t 了3 ) ( t 5 1 6 3 ) 图3 2 断层面上有关数据测量( 引自j m e r c i e r 等，1 9 9 2 ) 3 2 2 基本步骤 本论文对古应力场的反演方法主要通过两个步骤，分别是野外收集数据与 室内软件处理数据反演出应力场方向与相关参数。 野外收集数据：首先选定研究区域，在研究区域内寻找出露良好、擦痕明 显且运动指向可以确定的正断层，同时测量出8 组以上擦痕及断层面产状数据， 包括断面倾向、倾角、擦痕线理的倾伏向、倾伏角等。o r i f ea n dl i s l e ( 2 0 0 6 ) 通 过实际分析表明至少需要8 组断层滑动矢量数据，才能获得比较准确的吉应力场 结果。本次工作中对每一观察点某一期擦痕的数据皆实测皆不少于8 组。如果观 察到断层擦痕不只一期，则应该利用擦痕之间的相互叠加、交切关系判断出其 期次和先后顺序。然后将每一组断层同一期的断层滑动数据按照定格式输入 应力反演软件进行数学运算，结果就可以得到反映形成该断层时的区域应力场 特征，包括各点的三个主应力轴的产状( 倾伏向和倾伏角) 和主应力比值r ( r = ( g 2 - g 3 ) ( g 1 0 3 ) ) 、a n g 、r u p 等误差参数。通过对郯庐断裂带中段周边地区 断陷盆内正断层擦痕的实际观察与测量，我们共获得了6 4 组有效观测数据( 见 表5 1 ，5 2 ，5 3 ，5 4 ) 。在室内处理完所有数据后再进行分期，获得伸展期各 阶段准确的应力场状态。最后，将此结果与区内各阶段盆地等厚图所反映的应 力场进行对比分析与相互验证。 1 0 第四章盆地格局与拉伸方向演变 郯庐断裂带中段周边一系列早白垩世至古近纪断陷盆地的沉积格局，明显 地反映出各阶段的拉伸方向，反映出华北克拉通东部破坏期间拉伸方向经历了 有规律的演变。 4 1 早自垩世早期的盆地 华北克拉通东部中生代断陷盆地的发育开始于早白垩世早期( r e ne ta 1 ， 2 0 0 2 ；l i ue ta l 。，2 0 0 3 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ；m e n ge ta 1 ，2 0 0 7 ；m e r c i e re ta 1 ，2 0 0 7 ； z h ue ta 1 ，2 0 10 ) ，即胶莱盆地莱阳组沉积时的莱阳期( 表2 1 ) 。这一时期的断 陷盆地在华北克拉通东部广泛分布( 图4 1 所示) ，由南到北包括合肥盆地、周 口盆地、固镇盆地、鲁西南盆地、胶莱盆地、渤海湾盆地、沂沐断裂带内地堑 等。这些断陷盆地早白垩世早期的沉积中心主要沿n n e 走向分布。根据前面 所介绍的分析盆地沉积格局和拉伸方向关系的方法，可以判断这一时期控制其 沉积的正断层为北北东走向，相应的拉伸方向为n w w s e e 。 如图4 2 所示，一系列钻井和地震勘探数据所揭示出来的合肥盆地早白垩 世早期朱巷组( k l z ) 残留等厚图，显示朱巷组沉积中心的走向是n n e ，反映 n w w 倾向的盆缘正断层，即郯庐断裂带控制盆地东部的沉积格局。如3 6 5 地 震测线所示( 图4 - 2 b ) ，早自垩世早期盆地东部属于半地堑类型，指示这期间郯 庐断裂带为盆缘同沉积断层，控制着盆地东部的沉积。据3 6 5 地震测线( 图4 2 b ) 所解释的沉积环境变化，也显示盆地东缘的郯庐断裂带为盆缘同沉积正断层， 朱巷组正是在此伸展环境下沉积的。这期间所发育的郯庐正断层是叠加在早期 左行郯庐韧性剪切带( 东倾，z h ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 的西缘，显然是伸展期间新生成 的正断层。合肥盆地内东西向的正断层起源于印支前陆变形期的南倾逆冲断层 ( z h ue ta 1 ，2 0 0 9 ) ，在朱巷期的伸展中转变为斜向拉伸断层。其沉积模式如图4 2 c 所示，其中沿东西向肥中断裂控制的朱巷组沉积厚度不大，明显没有n n e 走向 的沉积区厚度大，应为斜向拉伸的东西向断层控制沉积。这些东西向较大型正 断层包括寿县定远，肥中和六安断裂。本次工作的野外调查发现，肥东十八拱 水库处合肥盆地东缘，边界上的郯庐脆性正断层介于朱巷组与下盘交质岩( 肥 东群大理岩) 之间，断层擦痕指示为倾向滑动正断层，也指示了n w w s e e 向 拉伸。因而，合肥盆地早自垩世早期的沉积格局指示当时的拉伸方向为 n w w s e e 向( 图4 - 2 c ) 。 从胶莱盆地早白垩世早期莱阳组残留等厚图( 图4 3 a ) 可以看出，沉积中心 也是呈n n e 走向。这表明早白垩世早期的沉积是由n n e 走向的景芝正断层、 牟平即墨断裂带和五莲断裂带控制的。与合肥盆地一样，胶莱盆地莱阳组的沉 积分布也表明早自垩世早期为n w w s e e 向拉伸。从2 7 3 8 地震测线f 图4 3 b ) 的解释剖面可以看出，在莱阳期沉积期间五莲断裂带东北部为同沉积正断层。 由于野外露头限制，野外工作中只能观察到五莲断裂带南部段。这部分盆缘断 层界于莱阳组与苏鲁造山带变质岩之间，其擦痕也指示为n w w s e e 向拉伸。 图4 1 华北克拉通东部早白垩世早期盆地分布图( 据胜和油田内部资料改编) 1 2 图4 - 2 台肥盆地早白垩世早期( 朱巷期) 沉积格局围( 据胜利油田内部资料改编) a 朱 巷组沉积分布图：b3 6 5 地震测线的解释剖面图；c 盆地拉张模式圈 围4 - 3 胜柴盆地早白垩世早期( 莱阳期) 沉积格局圈( 据胜利油田内部资料改编) a 胶 莱盆地莱阳组沉积分布图 b2 7 3 8 地震测线解释剖面图 4 2 早白垩世中期盆地 华北克拉通东部早白垩世中期广泛出现了中酸性陆相火山喷发，形成了 一系列火山岩盆地( z h ue ta l ，2 0 0 8 ) ，在山东与安徽部分代表性地层分别为青 山组和毛坦厂组( 表2 - 1 ) 。前人关于这些火山岩的一系列地球化学分析( w ue ta l ， 2 0 0 5 ；z h a n g ，2 0 0 5 ，x i ee ta l ，2 0 0 9 ) 皆表明它们是发生在区域伸展的背景下。这 类火山岩盆地无法通过其分布分析当时的区域拉伸方向。本次论文工作中对这 一时期的区域拉伸方向是通过其中同火山活动正断层的擦痕应力场反演而获得 的，具体见后文。 4 3 早自垩世晚期盆地 如图4 4 所示，郯庐断裂带周边早白垩世晚期的沉积主要是沿着郯庐断裂 带分布。这时期的断陷盆地出现在合肥盆地东部、沂沭断裂