胡秋媛

（中國石油大學勝利學院 油氣工程系，山東 東營257000）

魯西地區(qū)地質(zhì)現(xiàn)象極為豐富，是研究伸展構造的有利區(qū)域，前人已在伸展構造類型、特征及形成演化機制等方面取得過較為明確的認識［1－3］，但對全區(qū)卻缺乏構造應力場方面的定量支持。目前，構造應力場數(shù)值模擬已成為構造應力場定量研究的有效手段，主要探討區(qū)域構造應力場在空間的分布狀態(tài)及其隨時間發(fā)生的動態(tài)演化，從而推測構造運動的演化過程及地質(zhì)構造的形成機制，其中，以“有限元數(shù)值模擬方法”應用最為普遍［4－6］。本文以野外露頭觀察、鉆井巖心資料為基礎，應用有限元數(shù)值模擬方法分別討論魯西地區(qū)平面和剖面構造應力場的基本特征，并對研究區(qū)晚中生代伸展構造的形成和演化機制進行深入探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯西地區(qū)位于華北板塊中東部，包括濟陽坳陷和魯西隆起兩個次級構造單元。研究區(qū)東以郯廬斷裂帶為界，西達滄東－蘭聊斷裂帶，南、北分別以豐沛斷層和埕寧隆起為界，整體呈近似平行四邊形（圖1）。魯西地區(qū)自形成至今，經(jīng)歷了多期構造運動的改造，在不同地質(zhì)背景下形成了不同的構造格局［2，7］。受印支期強烈擠壓作用的影響，發(fā)育一系列NW向逆沖斷裂與褶皺，對后期構造格局產(chǎn)生重要影響。燕山運動的強烈作用，使區(qū)域構造格局發(fā)生重大變革，古太平洋板塊NNW向的俯沖誘發(fā)了先期NW向逆沖斷裂發(fā)生負反轉運動，到晚侏羅世－早白堊世，在伸展環(huán)境控制下，NW向逆沖斷裂再度活化，負反轉運動加劇，繼承性發(fā)育多條伸展正斷層，從而使研究區(qū)產(chǎn)生一系列NW向箕狀半地塹，剖面上整體呈現(xiàn)出典型的“壘塹相間”格局。

圖1 魯西地區(qū)區(qū)域構造位置

2 構造應力場數(shù)值模擬

構造應力場的準確分析需建立在正確認識研究區(qū)構造背景和構造格局基礎上，其中，地質(zhì)模型和力學模型的建立是構造應力場數(shù)值模擬的關鍵因素［8］。

2.1 地質(zhì)模型的建立

晚侏羅世－早白堊世的構造運動使研究區(qū)進入了第一個重要的構造轉折期，西太平洋板塊沿NNW方向高速俯沖于歐亞大陸，誘發(fā)了滄東－蘭聊斷裂、郯廬斷裂帶等發(fā)生NNE向的左旋走滑運動［9－10］；同時，板塊的俯沖運動促使地幔柱和巖漿活動加劇，從而使陸殼減薄、局部巖漿上涌，進一步導致研究區(qū)先期的逆沖斷層發(fā)生負反轉運動［11］。在此動力學背景下，以坳陷區(qū)鉆井巖心資料和隆起區(qū)野外露頭資料為基礎，數(shù)字化提取研究區(qū)主要構造，分別以郯廬斷裂、滄東－蘭聊斷裂、埕南斷層北部走滑斷層和豐沛斷層為界，建立平面構造模型（圖2）。為保證應力場結果的準確性和邊界條件施加的方便性，選取矩形輔助邊框，大于研究區(qū)的實際范圍。

在建立平面地質(zhì)模型的基礎上，為進一步建立合理的剖面地質(zhì)模型，需進一步考慮魯西地區(qū)的深部構造。選取研究區(qū)典型測線（測線位置見圖1），以構造演化平衡剖面資料為依據(jù)，建立剖面地質(zhì)模型（圖3）。測線自南而北分別切過汶泗斷層、蒙山斷層、新泰－垛莊斷層、銅冶店斷層、齊廣斷層、陳南斷層東段及埕南斷層東段。

圖2 研究區(qū)平面地質(zhì)模型及力學邊界條件

2.2 力學模型的建立

對不同構造單元、不同層位的巖石取樣作力學測試實驗，確定巖石力學參數(shù)，確定邊界條件的約束和加載方式，以及制定斷層的處理方案，是建立合理力學模型的基礎。

圖3 研究區(qū)剖面地質(zhì)模型及力學邊界條件

2.2.1 巖石力學參數(shù)的選取

巖石的力學參數(shù)既與所處的構造環(huán)境有關，也與其本身組構密切相關。在上述平面和剖面模型基礎上，分別抽象出不同的結構單元，并綜合分析研究區(qū)實際地質(zhì)概況和部分實驗測試數(shù)據(jù)，確定應力場數(shù)值模擬所需的彈性模量、泊松比等參數(shù)（表1、表2）。

表1 平面模型巖石力學參數(shù)

表2 剖面模型巖石力學參數(shù)

2.2.2 邊界條件的確定

晚侏羅世－早白堊世魯西地區(qū)的構造形態(tài)特征及區(qū)域構造背景是確定邊界條件的基礎。對于平面模型，左側邊界采用X方向約束，底部邊界采用Y方向約束，保證模型不發(fā)生整體剛性運動，經(jīng)反復模擬試算，頂部邊界施加58.2MPa的遠場拉張應力，右側邊界施加10.5MPa的遠場擠壓應力（圖2）。對于剖面模型，底部邊界采取滑動鏈條支撐，經(jīng)反復模擬試算，左右邊界各施加28MPa的遠場拉張應力（圖3）。

3 模擬結果分析

以魯西地區(qū)地質(zhì)構造特點為前提，將研究區(qū)力學模型轉為計算模型，調(diào)用ANSYS11.0有限元程序進行相應運算，輸出模擬結果，最終調(diào)用ANSYS軟件的后處理模塊將模擬結果繪制成圖。下面分別對魯西地區(qū)平面構造應力場和剖面構造應力場數(shù)值模擬結果進行分析。

3.1 平面構造應力場分析

平面構造應力場模擬結果顯示出魯西地區(qū)最大主應力及方位的分布與特征。全區(qū)最大主應力均顯示為壓應力，應力主要分布于0～26.3MPa之間（圖4），矢量方位整體上近NW－SE向展布（圖5），與邊界擠壓應力方位一致，尤其是坳陷區(qū)的東部及隆起區(qū)的大部均處于應力相對高值區(qū)，表明這些區(qū)域構造活動相對較強，很容易在NW－SE向擠壓應力下發(fā)育NW向伸展構造，這與此時期斷層活動性質(zhì)由印支期的逆沖斷層負反轉為伸展正斷層的構造現(xiàn)象十分吻合。以上分析證實，NW－SE向的區(qū)域擠壓應力是該時期NE向伸展運動的主控因素。

圖4 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世平面最大主應力云圖

研究區(qū)最大主應力矢量方位在一系列NW向斷層附近發(fā)生匯聚（圖5），尤其是斷層兩端，矢量線發(fā)生明顯的偏轉匯聚，如蒙山斷層、銅冶店斷層等，表明此類地區(qū)主應力發(fā)生相對集中，為釋放應力，極易進一步誘發(fā)各類次級構造。

由圖5中最大主應力矢量與研究區(qū)各斷層走向的分布關系，可以確定一系列NW向斷層的力學性質(zhì)。最大主壓應力矢量方位與NW向斷層走向近平行，由此派生出的NE－SW向張應力恰與NW向斷層近垂直相交，符合安德生正斷層成因模式。由此可進一步判定，印支期發(fā)育的NW向逆沖斷層在晚侏羅世－早白堊世活動性質(zhì)發(fā)生了根本改變，發(fā)生負反轉運動，這與此時期NW向伸展正斷層的活動特征吻合。

3.2 剖面構造應力場分析

圖5 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世平面最大主應力矢量分布

剖面模擬結果表明，研究區(qū)剖面最大主應力均為壓應力，應力值分布在0～25.3MPa間（圖6），遠離斷裂帶區(qū)域的最大主應力矢量方向為近鉛直方向，且整體分布較均勻（圖7），表明研究區(qū)此時期剖面構造應力場相對平穩(wěn)。而最大主應力及矢量方位在各斷層附近發(fā)生明顯變化，斷層兩側應力矢量與斷裂帶近平行，表明晚侏羅世－早白堊世區(qū)內(nèi)各斷層主要表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)，這與平面構造應力場分析結果吻合。而斷裂帶兩端最大主應力矢量變化較大且發(fā)生匯聚，表明此處產(chǎn)生應力集中，為釋放應力，極易進一步發(fā)生構造活動。而分布在斷裂帶兩側的斷塊，主應力矢量分布稀疏，表明此區(qū)域構造應力場相對穩(wěn)定，構造活動較其他地區(qū)明顯減弱，各斷塊易保持自身的穩(wěn)定性與完整性。同時，由剖面應力場模擬結果可看出，太古宇和古生界間及上、下古生界間均存在較明顯的應力差，由此可推測，在上述兩界面處可能會發(fā)育滑脫斷層，這與區(qū)域K－Ar同位素測年得出的結論［12］一致。

圖6 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世剖面最大主應力云圖

圖7 魯西地區(qū)晚侏羅世－早白堊世剖面最大主應力矢量分布

4 結 論

（1）晚侏羅世－早白堊世，在長達20Ma的地質(zhì)歷史時期內(nèi)，魯西地區(qū)的斷層活動發(fā)生了根本性轉變。印支期NW向的逆沖擠壓斷層被晚侏羅世－早白堊世的伸展正斷層取代，斷層活動強度增加。在此過程中，構造應力場的影響成為第一主導因素。

（2）晚侏羅世－早白堊世是魯西地區(qū)伸展演化的重要轉折點。平面和剖面構造應力場數(shù)值模擬結果表明，平面上NE－SW向的拉張和垂向的擠壓是此時期構造格局產(chǎn)生重大變革的主導因素，這也進一步證明，此時期魯西地區(qū)伸展裂陷的根本動力主要來源于太平洋板塊的俯沖。

［1］牛樹銀，胡華斌，毛景文，等.魯西地區(qū)地質(zhì)構造特征及其形成機制［J］.中國地質(zhì)，2004，31（1）：34－38.

［2］金振奎，劉澤容，石占中.魯西地區(qū)斷裂構造類型及其形成機制［J］.石油大學學報，1999，23（5）：1－5.

［3］李理，鐘大賚，時秀朋，等.魯西地區(qū)晚中生代以來伸展構造及其控礦作用［J］.地質(zhì)論評，2008，54（4）：449－458.

［4］HOU G T，WANG C C，LI J H，et a1.Late Paleoproterozoic extension and a paleostress field reconstruction of the North China Craton［J］.Tectonophysics，2006，422：89－98.

［5］張明利，萬天豐.含油氣盆地構造應力場研究新進展［J］.地球科學進展，1998，13（1）：38－43.

［6］楊奎鋒，楊坤光，曾佐勛.黃驊坳陷中區(qū)明下段末期構造應力場三維數(shù)值模擬［J］.礦物巖石地球化學通報，2006，25（1）：82－86.

［7］張自桓.魯西伸展構造——一個中－上地殼板塊的提示［J］.山東地質(zhì)，1995：23－31.

［8］孫宏斌，陳漢林，程曉敢，等.遼河盆地葵花島構造裂隙發(fā)育的有限元模擬［J］.地質(zhì)科學，2004，39（2）：199－200.

［9］徐嘉煒，朱光，呂培基，等.郯廬斷裂帶平移年代學研究的進展［J］.安徽地質(zhì)，1995，5（1）：1－12.

［10］張功成.中國東北－華北中生代盆地結構構造［J］.石油學報，1997，18（4）：7－13.

［11］于建國，韓文功，王金鐸，等.中國東部斷陷盆地中－新生代構造演化－以濟陽坳陷為例［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：76－85.

［12］李理，鐘大賚.泰山新生代抬升的裂變徑跡證據(jù)［J］.巖石學報，2006，22（2）：457－464.