（地质学专业论文）鲁西地区晚中生代以来伸展构造应力场数值模拟.pdf

中图分类号：t e l 2 1单位代码： 学号： 寸阂石浊六学 硕学位论文 1 0 4 2 5 s 0 7 0 1 0 0 8 3 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 鲁西地区晚中生代以来伸展构造应力场数值模拟 t h et 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 fe x t e n s i o n a l s t r u c t u r e ss i n c el a t em e s o z o i ci nw e s t e r ns h a n d o n g 学科专业：地质学 研究方向：油气区构造解析 作者姓名：胡秋媛 指导教师：李理教授 二。一。年六月 i 11 rl 薯善il1， 一i，；，；i京j 1 t h et 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 f e x t e n s i o n a ls t r u c t u r e ss i n c el a t em e s o z o i c i nw e s t e r ns h a n d o n g at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h uq i u y u a n s u p e r v i s o r ：p r o ll il i c o l l e g eo f g e o r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n au n i v e r s i t yo f p 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掘是实事求是的。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：盔稻越 日期：2 口f 口年 月幻日 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：2 口，口年 月3 0 日 日期：2 0 l o 年f 月弓o 日 摘要 本文选择鲁西地区作为研究对象，将济阳坳陷和鲁西隆起内部的伸展构造融为一 体，利用野外地质调查、岩心观察等方法研究鲁西地区伸展构造的几何学、运动学特征 及时间上的演化序列。鲁西地区的构造格局主要表现为晚中生代以来的伸展构造系统， 陡倾j 下断层构成伸展构造系统的主体，断裂带中构造角砾岩、断层泥发育，野外露头和 地震剖面中常见显示断层活动的标志。缓倾滑脱断层主要存在于下寒武统与太古宇之间 及上古生界与下古生界之间的不整合面，滑脱面上碎裂岩发育，伴有强烈的动力变质作 用，在济阳坳陷区主要存在于东北部及南缘的东营凹陷中，地层重复与堆垛现象明显。 分析滑脱断层的滑动方向与陡倾正断层相反，以向北、北北西和北北东为主，与陡倾正 断层构成典型的伸展滑脱断块。 依据露头资料和岩心资料建立地质模型，利用a n s y s l 0 0 软件对研究区晚中生代 以来的构造应力场分别进行了平面和剖面上的数值模拟，进而对鲁西地区伸展构造的演 化期次及应力形成机制进行了深入探讨。鲁西地区晚中生代以来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。晚侏罗一早白垩世，主要伸展方向为n e - 一s w 向，印支期的大量n w 向逆断层发生构造反转，缓倾滑脱断层在此时期开始启动；古新世一早始新世，主要伸 展方向转为近s n 向，n w 向断层持续活动，同时产生一系列n e 向断层；中始新世一 渐新世，主要伸展方向转为n w s e 向，n e 向断层活动达到高峰，n w 向断层活动性 大大减弱，趋于停止，同时，缓倾滑脱断层开始在研究区大规模发育。 上述研究完善了研究区古构造应力场的整体研究，为研究区的进一步勘探提供了详 实的构造地质依据。 关键词：伸展构造，晚中生代，鲁西地区，应力场，数值模拟 t h et 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 fe x t e n s i o n a ls t r u c t u r e s s i n c el a t em e s o z o i ci nw e s t e r ns h a n d o n g h uq i u y u a n ( s t r u c t u r eg 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 ac t b yc h o o s i n gt h ew e s t e r ns h a n d o n ga st h er e s e a r c ht a r g e t ，a n di n t e g r a t i n gt h ew e s t s h a n d o n gu p l i f ta n dt h ej i y a n gd e p r e s s i o n a saw h o l e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h e c 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 de v o l u t i o n a r ys e r i e sb yf i e l dg e o l o g i c a ls u r v e y a n dc o r eo b s e r v a t i o n 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 l le x t e n s i o n a ls t r u c t u r a l s y s t e ms i n c el a t em e s o z o i c t h eh i g h - a n g l ef a u l t sc o n s t i t u t et h em a i np a r to ft h ee x t e n s i o n a l f a u l ts y s t e m i nt h ef a u l tz o n e ，t 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 gu ps i g n so f f a u l t i n ga c t i v i t y t h el o w a n g l ed 6 c o l l e m e n tf a u l t sa r ef o u n db e t w e e nl o w e rc a m b r i a na n d a r c h e a na n db e t w e e no r d o v i c i a na n dc a r b o n i f e r o u s t h e r ea r ef o l d sa n ds h a t t e r sn e a rt h e d 6 c o l l e m e n ts u r f a c e ，a c c o m p a n i e db yd y n a m i cm e t a m o r p h i s m m e a n w h i l e ，t h es e i s m i c p r o f i l e sa n dd r i l l i n gw e l l sr e v e a lt h a tt h e s t r a t ao ft h ed 6 c o l l e m e n ts t r u c t u r e si so f t e nf o u n di n n o r t h e a s t e r na n ds o u t h e r np a r to ft h ej i y a n gd e p r e s s i o n t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e d 6 c o l l e m e n ts t r u c t u r e sm a i n l yh e a dt on w ：n n wa n dn n e ，c o m p o s i n gt h et y p i c a ls t r u c t u r e s t y l eo ft h ew e s t e r ns h a n d o n gw i t hh i g h - a n g l ef a u l t s o nt h eb a s i so fo u t c r o pi n f o r m a t i o na n dc o r ed a t a ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e c t o n i c s t r e s ss i n c el a t em e s o z o i ci ss e tu pu s i n ga n s y s10 0i np l a n ea n dp r o f i l e ；h e n c e ，t h e e v o l u t i o na n ds t r e s sm e c h a n i s mi nw e s t e r ns h a n d o n gi so b t a i n e d w e s t e r ns h a n d o n gh a s e x p e r i e n c e dl a t ej u r a s s i ct oe a r l yc r e t a c e o u s ，p a l e o c e n et oe a r l ye o c e n ea n dm i d d l ee o c e n e t oo l i g o c e n es i n c el a t em e s o z o i c i nl a t ej u r a s s i ct oe a r l yc r e t a c e o u s ，t h ee x t e n s i o n a l o r i e n t a t i o nw a sn e s w al a r g en u m b e ro ft h r u s tf a u l t si ni n d o - c h i n e s ee p o c hd e v e l o p e d t e c t o n i ci n v e r s i o n ，a n dt h ed & o l l e m e n tf a u l t ss t a r t e du p i np a l e o c e n e ，t h ee x t e n s i o n a l o f i e n t m i o nw a ss n ，a n dt h ea c t i v i t yo fn wf a u l t sc o n t i n u e d m e a n w h i l e ，as e r i e so fn ef a u l t s d e v e l o p e dd u r i n gt h i sp e r i o d i ne o c e n e ，t h em a i ne x t e n s i o n a lo r i e n t a t i o nw a sn w - s e t h e n ef a u l t s sa c t i v i t yr e a c h e di t sp e a k ，a n dt h en wf a u l t st e n d e dt os t o p l a r g ea r e ao f d 6 c o l l e m e n tf a u l t sd e v e l o p e di nw e s t e r ns h a n d o n gd u r i n gt h i sa r e a t h es t u d yp e r f e c t st h e r e s e a r c ho ft e c t o n i cs t r e s si nr e s e a r c ha r e a ，a n dg i v e ss t r u c t u r a ld a t at ot h ef u r t h e re x p l o r a t i o n k e yw o r d s ：e x t e n s i o n a ls t r u c t u r e ，l a t em e s o z o i c ，w e s t e r ns h a n d o n g ，t e c t o n i cs t r e s s f i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 目录 第一章前言1 1 1 选题的依据和意义1 1 2 国内外研究现状及存在的问题2 1 2 1 鲁西地区伸展构造的研究现状2 1 2 2 构造应力场数值模拟的研究现状3 1 2 3 存在的问题5 1 3 主要研究内容5 1 4 研究方法和技术路线6 1 5 论文的创新点6 第二章区域地质概况8 2 1 研究区范围及构造位置8 2 2 地层发育特征9 2 3 构造演化历史l1 第三章鲁西地区伸展构造特征1 3 3 1 伸展构造几何学特征13 3 1 1 陡倾斜伸展断层几何学特征1 3 3 1 2 缓倾斜滑脱断层几何学特征1 8 3 2 伸展构造运动学特征2 1 3 2 1 陡倾斜滑脱断层运动学特征2 l 3 2 2 缓倾斜滑脱断层运动学特征2 4 第四章构造应力场数值模拟2 6 4 1 构造应力场数值模拟的原理2 6 4 1 1 有限元模拟基础2 6 4 1 2 构造应力场数值模拟流程2 7 4 1 3 构造应力场数值模拟的简化条件2 7 4 1 4 构造应力场数值模拟的评判标准2 8 4 2 印支期古构造应力场数值模拟2 9 4 2 1 研究区印支期构造背景分析2 9 4 2 2 地质模型3 0 4 2 3 岩石力学参数3 l 4 2 4 生成有限元模型3 1 4 2 5 确定边界条件和加力方式3 l 4 2 6 模拟计算3 1 4 2 7 结果分析3 2 4 3 晚侏罗一早白垩世古构造应力场数值模拟3 5 4 3 1 研究区晚侏罗一早白垩世构造背景分析3 5 4 3 2 地质模型3 7 4 3 3 岩石力学参数3 8 4 3 4 生成有限元模型3 8 4 3 5 确定边界条件和加力方式3 9 4 3 6 模拟计算4 0 4 3 7 结果分析。4 0 4 - 4 古新世一早始新世古构造应力场数值模拟4 6 4 4 1 研究区古新世一早始新世构造背景分析4 6 4 4 2 地质模型4 7 4 4 3 岩石力学参数4 8 4 4 4 生成有限元模型4 9 4 4 5 确定边界条件和加力方式4 9 4 4 6 模拟计算5 0 4 4 7 结果分析5 0 4 5 中始新世一渐新世古构造应力场数值模拟5 7 4 5 1 研究区中始新世渐新世构造背景分析5 7 4 5 - 2 地质模型5 7 4 5 3 岩石力学参数5 7 4 5 4 生成有限元模型5 7 4 5 5 确定边界条件和加力方式5 9 4 5 6 模拟计算5 9 4 5 7 结果分析6 0 v 4 6d 、结6 6 结 论6 9 参考文献7 0 攻读硕士学位期间取得的研究成果一7 6 致 射7 7 中国钿油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 选题的依据和意义 第一章前言弟一早刖百 在全球区域构造演化过程中，与区域地质构造形成、演化关系最为密切的两种作用 为伸展和挤压。长期以来，挤压作用形成的造山带一直受到地质学家们的极大重视，而 对伸展作用及其形成的伸展构造研究却常常被忽视。直至海洋地质调查的广泛开展，伸 展作用的重要性才开始突显，伸展作用及伸展构造的研究才被提上日程。自2 0 世纪6 0 年代起，伸展构造作为岩石圈构造变形的一种重要形式，被提高到了地质学研究的重要 位置。 2 0 世纪6 0 年代，对伸展构造的研究大多基于对高角度正断层的特征研究，断层倾 角多大于6 0 0 。2 0 世纪7 0 8 0 年代以来，伴随着地震双程反射剖面技术的应用、裂谷 研究的深入以及板块构造学说的兴起，有关伸展构造的研究犹如雨后春笋，发展迅速， 取得了重大突破。在美国盆岭构造研究中，低角度正断层的发现标志着伸展构造理论的 形成，拆离断层、铲式正断层等术语也伴随这一过程应运而生；同时，在科迪勒拉山系 的相关研究中，d a v i s 提出了“变质核杂岩”的概念【l j 。到了2 0 世纪9 0 年代，随着深 部构造研究的开展，地质学家们开始将伸展构造与造山作用相互结合，通过基底构造与 表层构造等不同层次的关系研究其耦合关系【2 一钉。目前，伸展构造特征及其运动学、动 力学研究越来越受到人们的重视，伸展构造已成为当前地质学界研究的热点之一，有关 伸展构造类型的理论模式及形成机制研究也成为当前地学界争论及探索的中心课题之 一。 鲁西地区位于华北板块中东部，由北部的济阳坳陷及与其毗邻的鲁西隆起两个重要 构造单元组成。其内部地质现象丰富，伸展构造极为发育，区内构造格局主要受不同时 期不同伸展应力场制约，经历了不同的伸展裂陷阶段。因此，对鲁西地区伸展构造的研 究将为整个中国东部伸展构造的研究提供一定的理论依据。 众多研究表明，中国东部中、新生代广泛发育伸展构造，其构造类型主要包括陡倾 斜的伸展断层和缓倾斜的滑脱断层【5 明。众多研究围绕鲁西地区的伸展构造展开了讨论， 并取得了一定认识。陡倾斜伸展断层在整个鲁西地区普遍发育，且呈现出多方向、多期 次的活动特点，而对缓倾斜滑脱断层的研究大多集中在鲁西隆起区，区内基底隆升、盖 层拆离的过程中广泛发育多层次、多级别的重力滑脱系统，与陡倾斜的伸展正断层构成 第一章前言 了典型的“复合伸展断层系统”u o - 1 4 。大范围滑脱断层的产生多是对不整合面改造的结 果，在鲁西隆起区，太古字与寒武系间的不整合及上古生界与下古生界的不整合均成为 典型的区域构造滑脱面i 】。 济阳坳陷区已经历了四十多年的研究历史，研究程度颇高。众多研究普遍认为，济 阳坳陷是一个晚中生代以来“北断南超”的箕状断陷盆地【i6 1 ，其伸展断陷主要受控于晚 中生代以来的水平伸展拉张作用【1 7 , 1 8 】。近些年来，区内缓倾斜滑脱断层的发现与研究标 志着济阳坳陷的研究工作迈上一个新台阶，研究发现，在坳陷区的南缘和东北部均发育 滑脱断层，为区内潜山油气藏的油气运聚提供了有利通道【1 9 1 。 近年来，李型2 0 】( 2 0 0 6 ) 开始将济阳坳陷和鲁西隆起统一为整体进行研究，并对其 伸展构造类型和发育特征等有了较深入的探讨，但仍缺少构造应力场方面的实际应力一 应变支持。本文认为，济阳坳陷的伸展构造样式及演化期次与鲁西隆起可以相互对应， 因此，此处将二者作为整体进行统一的构造应力场研究。 构造应力场数值模拟方法是一种重现自然界各类构造动力学演化及成因机制的卓 有成效的研究手段，可为实际研究工作提供应力应变方面的支持。本文在查阅大量构 造应力场数值模拟相关论著的基础上，总结前人对鲁西地区伸展构造的研究成果，以野 外地质调查和岩心观察资料为基础，以构造应力场数值模拟方法为主线，对鲁西地区晚 中生代以来的伸展构造在时空上的演化关系和动力学形成机制进行探讨研究，具有一定 的理论和实践意义。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 鲁西地区伸展构造的研究现状 山东地区地质资料积累丰富，研究成果较多，在我国大地构造中占有极其重要的位 置，历来备受中外地质学家的青睐。由鲁西隆起和济阳坳陷组成的鲁西地区是华北克拉 通东部一个重要的构造单元，经中、新生代的伸展演化，呈现出明显的“盆一山构造格 局”【2 1 1 。在鲁西隆起区，先后出现过块断穹隆说 2 2 】、“鲁西隆起说 1 2 3 ，随后， 诸多学者研究认为，鲁西隆起整体形态上呈现出“北断南超”的单断式箕状凹陷，这种 构造格局的形成与郯庐断裂带的平移活动有关口4 之6 1 。燕守勋2 7 1 研究认为，鲁西地区的伸 展构造经历了自晚侏罗世丌始的五个发育阶段，分别反映出不同的伸展构造几何形式， 而这种构造格局的转变不仅与郯庐断裂带的走滑活动有关，还与地壳深部的幔源岩浆活 动有着密切的成生关系，牛树银等2 j 也持有类似的观点。对于鲁西地区的伸展构造研究 2 中国石油大学( 华东) 硕- 上学位论文 更多地集中在北部的济阳坳陷区，自2 0 世纪8 0 年代开始，相继出现了“裂谷说”、“断 陷说 、“扭张说”及“叠合说”等观剧2 8 羽】。现在研究普遍认为，济阳坳陷具有与鲁 西隆起相同的结晶基底，中、新生代的断裂构造十分发育，多期性和多向性特征明显， 形态上为晚中生代以来“北断南超 的箕状断陷盆地，其形成也与中、新生代郯庐断裂 带的走滑活动和岩浆活动密切相关【3 4 。3 6 】。由上述研究可以判定，鲁西隆起与济阳坳陷晚 中生代以来具有相同的构造样式，同属于伸展半地堑。 对于鲁西地区伸展构造的研究，起初较多地围绕于“伸展裂陷”形成的陡倾斜伸展断 层。而当前构造地质学研究领域的重大进展之一，就是发现和认识到岩石圈的层圈性及 其间发育的多层次滑脱拆离。自2 0 世纪8 0 年代中期开始，关于鲁西地区滑动构造的研 究就相继展开，马杏垣在鲁西的相关研究工作中提出了“滑脱构造”的存在，标志着鲁 西滑动构造研究的开始，他将中生代的含煤盆地和古近纪的地堑系归因子不同级次构造 滑动的结果【8 】。随后，吕朋菊等研究发现，在泰山及其周围肥城、新汶、莱芜等地区 发育典型的多层次多级别重力滑动系统，且多发育在区域不整合面之上【3 7 1 。在探讨伸展 体制下盆一山耦合关系的研究中，徐杰等【3 8 】认为，济阳坳陷是在陵县一阳信大型拆离断 裂向南东拆离滑脱形成的伸展构造系统。近年来，李理等【15 】研究表明，不仅在泰山周围， 整个鲁西隆起普遍发育滑脱断层，滑脱面为一个断层破碎带，带内发育碎裂岩类构造岩， 同时伴有硅化、绿泥石化等动力变质作用，由于鲁西隆起和济阳坳陷在4 4 m a 年之前是 个相连的盆地【3 9 】，所以露头区的滑脱构造现象也应该存在于济阳坳陷中【1 9 】。 目前，诸多研究对鲁西地区晚中生代以来的伸展构造特征及不同类型伸展断层在时 空上的演化、组合关系有了一定研究，并对其形成的深部背景和岩性条件进行了一定分 析，为本文进行鲁西地区伸展构造系统的相关研究提供了理论依据，同时也为后期的论 文工作奠定了基础。 1 2 2 构造应力场数值模拟的研究现状 构造应力场数值模拟方法是重现自然界区域构造演化过程及成因机制的一种卓有 成效的研究途径，其基本原理是将地质学、数学和力学相互结合，多学科交叉渗透，通 过地质学分析确定区域地质构造的形成期次和动力学机制，根据其形成的力学机制、岩 石破裂准则及弹性理论，结合岩石力学性质，借助于数学计算方法对研究区构造进行分 析和预测。 最早的应力场数值模拟以解析法的出现为标志，自1 9 世纪中叶就已开始。李四光 3 第一章前言 【4 0 】( 1 9 4 5 ) 用解析法计算了山字形应力场，s a n f o r d 4 1 1 ( 1 9 5 9 ) 通过解析法提出 测量断层方位的方法。此计算方法简便，且结果准确，但由于实际地质构造形态的复 性、不均质性以及边界模型的不规则性，使得解析法的应用受到极大限制，未能普遍 用。 6 0 年代后期，高速电子计算机技术开始应用到地质学的研究中，随即出现了有 元数值模拟等方法。起初，有限元数值模拟方法大多基于对构造体系与型式的研究， 早将其引入构造形变研究的是s t e p h a n s s o n 及b e m e r 【4 2 1 ( 1 9 7 1 ) ，首次利用有限元方法 入探讨了洋中脊侧向扩张时位移速度与应力分布的关系。王连捷等 4 3 1 ( 1 9 7 9 ) 利用此方 法分别探讨了旋卷构造应力场、雁行断裂的等距性及青藏高原应力场等问题。王仁等m 】 ( 1 9 8 2 ) 利用二维有限元数值模拟结果合理解释了华北地区构造的应力场状态和地震转 移。至此，应力场数值模拟方法己演变为我国岩石圈构造定量分析研究中一个不可或缺 的有利工具。与先期的计算方法相比，其优点主要体现在：可以任意调整力学参数，改 变边界约束和加载方式，同时可以较好地处理所研究地质体的几何形状、非均质性等因 素。 随着有限元数值模拟的不断发展应用，越来越多的研究将其运用于地球动力学问题 中。梁海华等【4 5 1 ( 1 9 9 6 ) 以吐哈盆地的古构造形态为基础，通过应力场数值模拟方法恢 复了前陆盆地的演化过程。张贵宾等 4 6 1 ( 2 0 0 0 ) 利用有限元数值模拟方法计算了各演化 阶段的区域应力分布状态，并合理解释了上地壳中高角度正断层界定的半地堑演化机 制。a n d r e yd h u e r t a 4 7 】( 2 0 0 7 ) 通过有限元模拟方法研究了南极西部裂谷系两个伸展演 化阶段的过程和条件，模拟结果表明其伸展样式的转变是板块运动和地幔对流的结果。 b o r i sj r k a u s 4 s l ( 2 0 0 8 ) 以台湾为例，用有限元数值模拟方法分析了从被动大陆边缘到 造山带的动力学演化机制。 随着人们对含油气盆地勘探开发的高度重视，有限元模拟方法逐步被应用到油田应 力场的研究中，并由二维逐渐拓展至三维，从而实现了应力场研究由定性向定量的跨越。 王喜双等【4 9 】( 1 9 9 7 ) 依据比较地质学思想，利用有限元应力场模拟结果反推出塔里木盆 地构造演化过程中各期应力场对油气聚集的控制和影响，总结得出研究区的油气聚集特 征。曾海容、宋惠珍等【5 0 】( 1 9 9 6 ) 也进行了类似研究，通过对塔中地区新生代进行的三 维构造应力场数值模拟，揭示了新生代断裂为油气运移的有利通道。谭成轩、王连捷【5 l 】 ( 1 9 9 7 ) 详细阐述了含油气盆地三维构造应力场数值模拟方法，并以辽河张强凹陷为例 定量分析了排烃史和油气运聚史，为油田的实际注采开发提供了理论依据。a n d r e a s 4 综合分析鲁西地区伸展构造特征，采用构造应力场数值模拟方法研究鲁西地区伸展 构造形成期次及动力演化机制，即首先利用野外地质调查和岩心观测的相关资料建立地 质模型，再从数值模拟方法出发再现研究区不同演化时期的古构造应力场，从而探索分 析鲁西地区伸展构造的形成演化机制。本文拟从以下几个方面着手研究： 5 查阅相关文献，综合分析研究区的伸展构造特征、晚中生代以来构造运动及不同演化时 期的应力场方向，并在此基础上提取研究区的典型伸展构造作为研究目标。 ( 2 ) 在确定研究区目标断层的基础上，结合该区各个演化时期的古构造图，建立 相应的地质模型，选择岩石力学参数，进行网格离散化生成有限元模型，并确定模型的 边界约束和加力方式。 ( 3 ) 根据有限元模拟思想，运用a n s y s l 0 0 软件进行印支期、晚侏罗世一早白垩 世、古新世一早始新世、中始新世渐新世四期古构造应力场数值模拟。 ( 4 ) 对各时期古构造应力场数值模拟结果进行后处理分析，综合模拟结果和基础 地质资料合理解释研究区伸展构造形成的动力学演化机制。 1 4 研究方法和技术路线 鲁西地区晚中生代以来伸展构造的研究包括不同演化阶段构造特征和构造应力场 的研究，同时还应分析研究整个鲁西地区的构造演化史及其动力学演化机制。本文对鲁 西地区伸展构造的研究主要通过构造地质学的野外地质调查方法和构造应力场数值模 拟方法来进行。 构造地质学研究所获得的资料是最根本、最重要的。通过有限元数值模拟方法来研 究古构造应力场也是构造地质学研究中的有效手段之一，它能够通过有限的实验数据， 分析区域范围的应力场分布状态，从而使以定性分析为主要手段的地壳运动学和动力学 进入定量化的动态研究阶段。根据野外露头、岩心等各种实测资料，首先综合分析鲁西 地区的伸展构造格局和特征，研究其构造演化模式、形成的主控因素，建立合理的地质 模型；然后从有限元方法出发对其分析研究，建立力学模型；随后选择适当的岩石力学 参数和边界条件，用试凑法反演拟合，尽可能真实的恢复古构造应力场的全貌；最后进 行后处理分析，综合模拟结果和各种实测资料解释研究区伸展构造形成的动力学演化机 制。 具体的技术路线( 图1 1 ) 如下图所示： 1 。5 论文的创新点 将古构造应力场数值模拟方法应用于鲁西地区整体的研究进而对伸展构造的演化 期次及动力学演化机制进行综合分析在研究区尚属首次。 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 图1 - 1 技术路线图 7 第二章区域地质概况 第二章区域地质概况 2 1 研究区范围及构造位置 研究区位于山东省西部，从地理位置上看，位于潍坊一临沂沿线以西。从构造位置 上看，位于华北板块东部，东、西分别以北北东向的郯庐断裂和沧东一兰聊断裂为界， 北界为埕宁隆起，南界为丰沛断层，总体形态近似于平行四边形( 图2 一1 ) 。 l - 正断层；2 - 断陷区；3 一剥蚀区；4 - 剖面位置；5 - 野外踏勘区；6 - 钻井； f l 一汶泗断层；f 2 - 蒙山断层；f 3 一新泰垛庄断层；f 4 一泰山- 铜冶店断层；f s - 齐广断层；f 6 - 陈南断层；f 7 - 埕南断层； f s 一石村断层；f 9 _ 罗西断层；f 1 0 - 孤西断层；f l l 一五号桩断层；f 1 2 - - 宁南断层；f i 3 - 无南断层；f i 4 - 1 i 盎商断层： f 1 5 - 夏口断层；f i 6 - 义南断层；f , 7 - 义东断层；f l s - 埕东断层；f 1 9 - 滨南断层；f 2 0 - 高青断层 图2 - 1 鲁西地区区域构造位置与断层分布图 研究区以齐广断层为分界，包括北部的济阳坳陷和南部的鲁西隆起两个次级构造单 元。其中，齐广断层以北的地区广泛沉积新生代地层，其南侧的新生界则集中分布在斜 列式分布的单断箕状凹陷中，箕状凹陷北界为向南陡倾正断层，地层向北倾斜并逐渐变 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 缓。各凹陷之间出露古生界和太古宇构成的单断山，整体呈现出“凹凸凹 的“盆一山” 构造格局。 2 2 地层发育特征 鲁西隆起和济阳坳陷地层发育比较齐全，具有典型的华北地台型地层，其构造层次 可以划分为前寒武系的结晶基底和其上的沉积盖层( 表2 一1 ) 。 表2 - 1 鲁西地区地层简表 时代 r 龄界瞰 地层 岩性 构造运动构造特征 ( m a ) 俘曲隆起济拜| 坳帑 o 第四纪p 原组来同结黄二匕层 1 8 上新u i ：明化镇组棕红色泥器 新 5 3 物陷运动 近 紫红色泥岩 纪 中新世 馆陶组 灰色砂岩 灰色禽砾砂掣 2 3 8 灰色泥岩 新 东营组砂质泥辑 渐新雌 砂岩、泥岩 3 6 沙段泥岩、砂岩磐码拉雅运动 生 3 8 沙_ ：i 段泥岩、砂岩 古 4 0 沙i 段 灰色泥岩 砂岩、油页岩 强烈断陷 近 始新世 4 3 代 蓝灰色泥岩 纪 犬汶n 组 沙四段褐色泥岩 盐岩、砂岩 4 6 朱家沟自【褐色砂岩 泥岩 古新僦 常路组 孔店组灰色砂岩 石灰质砾岩 jl 6 5 5卜桥组 泥灰老、砂澍 一 灰色泥者 嘲城组砖红色泥脊 臼 晚自援1 t t王氏纽 砂砾特 巾 宵l l i 口组火山角砾辫 墅 生 纪 两洼纽两洼组 碎朋岩 火山岩 早r j 磐”t 燕m 运动 褶锻、断裂 镶阴纽紫阴组 灰色砂崭 代 1 4 2 滟岩 昧汶南组 三台组 紫红巴砂鲞 罗晚侏罗世 自云质泥老 灰质栊岩 纪 坊予组 砂岩 砚碘卿脚 2 0 5 砸| 斑陋皿偶 印支运动 2 4 5 j ：叠纪 = 疆系 砂岩，粉砂岩 海两运动 泥岩，灰岩 胄 砂岩、粉砂岩 石炭纪石炭系泥澍、煤 生 灰崧 平稳升降 3 5 0 加里尔运动 中f 爽陶统 早巾奥陶纪 自云质灰农 代 石灰糟 寒武纪寒武系 石灰岩、页山 鲕状扶岩 5 7 0 花岗岩 褶锻 太占代泰山岩群片麻誊 韧性剪切带 2 8 0 0 角闪岩 时代地层据山东省地质志【6 0 1 ，李理【2 0 】( 2 0 0 6 ) ，吕朋菊等【l l 】( 1 9 9 7 ) 9 第二章区域地质概况 结晶基底包括太古宇泰山岩群、古元古代花岗岩岩体和变质强烈的t t g 岩系，盖 层则主要由震旦系新生界构成。 太古宇的泰山群( a r t ) 是研究区最古老的岩层，多发育于凸起核部，其岩性复杂， 主要为片麻岩，多呈浅棕红色，岩石种类主要为角闪变粒岩、黑云母石英片岩和斜长变 粒岩，均为强烈区域变质作用的产物，同位素年龄为2 8 0 0 m a t 6 1 】。在区域性变质和花岗 岩化过程中，研究区发育大量n n w 向韧性剪切带，其走向沿片麻理方向延伸。 新元古界主要为海相碎屑岩，主要发育青白口系、南华系和震旦系的土门群，仅分 布于郯庐断裂带附近和鲁西隆起南部1 6 2 1 。 下古生界包括寒武系和奥陶系中、下统，缺失奥陶系上统，为一套海相碳酸盐岩， 沉积厚度大于1 5 0 0 m ，为标准的地台沉积。鲁西隆起区奥陶系中、下统自下而上依次发 育：纸坊庄组、东黄山组、北庵庄组、土峪组、五阳山组、阁庄组和八陡组；济阳坳陷 区自下而上发育：冶里一亮甲山组、下马家沟组、上马家沟组和八陡组。晚奥陶一早石 炭世，研究区的构造运动表现为整体升降，近1 4 0 m a 的剥蚀使奥陶系与石炭系呈平行 不整合接触。石炭系和二叠系沉积厚度不大，且分布不稳定，石炭系沉积厚度小于3 0 0 m ， 主要为海陆交互相含煤碎屑岩，二叠系沉积厚度稳定，约1 0 0 3 0 0 m ，主要为陆相碎屑 岩沉积夹杂煤层。 中生界普遍发育侏罗系和白垩系碎屑岩和火山碎屑岩，印支运动挤压作用形成的逆 冲断裂和宽缓褶皱，伎济阳坳陷处于风化剥蚀状态，缺失三叠系中、下统【6 3 1 。在鲁西隆 起区，三叠系与下伏二叠系呈平行不整合接触，主要发育细粒长石砂岩。侏罗系和白垩 系在隆起区和坳陷区广泛发育，上侏罗统汶南组主要分布于鲁西隆起平邑凹陷，岩性多 为砾岩和长石砂岩，沉积厚度小于2 5 0 m ，济阳坳陷侏罗统自下而上发育坊子组和三台 组，岩性多为泥岩、砂岩，沉积厚度为5 0 0 1 0 0 0 m 。白垩系以火山碎屑岩和碎屑岩为主， 鲁西隆起区自下而上发育蒙阴组、西洼组、青山口组和卞桥组下部，在济阳坳陷区自下 而上发育蒙阴组、西洼组和王氏组。 新生界以湖相碎屑岩为主，由古近系、新近系和第四系构成。鲁西隆起区古近系主 要发育于受北西向断层控制的凹陷中( 如泗水凹陷、平邑凹陷等) ，自下而上依次发育 官庄组、大汶口组和常路组，济阳坳陷新生界受基底及控凹断层的控制，分布相对不均， 凹陷区沉积厚度大，凸起区沉积厚度相对较小，新生界自下而上依次发育孔店组、沙河 街组、东营组、馆陶组、明化镇组和平原组。古近纪一新近纪，两次较为明显的构造运 动造成了鲁西地区古近系新近系和新近系第四系间的不整合接触。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 研究区内多处发育不整合面，其中分布最广泛的是太古宇古生界间的区域角度不 整合，是本区最重要的不整合面，为区内滑脱断层的产生提供了滑动界面。 2 3 构造演化历史 鲁西地区是华北板块的一部分，其形成演化经历了多期复杂的构造运动，分析不同 构造运动期的活动特点，可将鲁西地区的构造演化归纳为以下五个阶段【6 4 , 6 5 】。 ( 1 ) 古生代稳定克拉通阶段 整个华北地块在古生代时期属于克拉通内部沉降阶段，发育横向厚度稳定的海、陆 相地层及海、陆交互地层。由于两侧板块的南北向挤压作用，区内发育构造线方向近东 西向的宽缓褶皱。此阶段地壳升降较为频繁，中奥陶世发生的加里东运动造成了地壳平 稳上升，剥蚀和溶蚀显著，从而使石炭统中奥陶统间呈平行不整合接触，晚石炭世地 壳下降接受沉积，二叠世末发生的海西运动使本区又一次平稳抬升。 ( 2 ) 印支期褶皱发育阶段 印支运动是一次强烈的挤压褶皱运动。三叠世初期，研究区仍延续了古生代构造格 局，到三叠世末，西伯利亚板块和扬子板块对华北板块的拼接碰撞作用为印支运动提供 了强大动力，印支运动产生的n n e s s w 向强烈挤压作用对区内构造格局产生了重要 影响，沿先期的构造线方向发育一系列北西向逆冲断层和褶皱。 印支运动对区域构造演化的另一个重要影响是使侏罗系与下伏地层间呈角度不整 合接触，差异升降与褶皱作用使三叠世的古地貌呈现出明显的差异性，地势在全区内起 伏不平，地势相对凸起区古生界剥蚀强烈，地势相对低凹处剥蚀较弱，上古生界保留相 对完整。 ( 3 ) 燕山期断陷发育阶段 燕山期为渤海湾盆地断陷发育的早期，燕山运动对区内断陷发育的影响深远，主要 经历了早、中侏罗世，晚侏罗一早白垩世，晚白垩世三个成盆阶段。鲁西地区地层沉积 受断层的控制作用明显，侏罗一白垩系主要存在于断层下降盘，是区域性伸展裂陷作用 的结果。 早、中侏罗世，古太平洋板块n n w 向的俯冲使区内发生显著的东西部构造格局差 异，东部区域抬升强烈，伴以大规模岩浆活动，并发育一系列冲断一褶皱，渤海湾盆地 发育一系列北东向沉积盆地。燕山i 幕，华北东部构造运动表现为局部褶皱发育，断裂 活动强烈，岩浆沿断裂上涌，从而导致大规模的火山喷发。燕山i 幕的裂陷活动使鲁西 第二章区域地质概况 地区印支期产生的北西向逆冲断层带发生负反转。在此期间，应力场性质发生转变，由 挤压变为拉张，并沉积发育了一定规模的伸展裂陷。 晚侏罗世一早白垩世，由于古太平洋板块