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以歧口凹陷构造演化的构造幕为研究单元,分析了不同时期的代表性构造形迹及其所反映的构造作用和主导应力,总结出不同时期的构造变形场和应力场特征。通过系统搜集和分析黄骅坳陷及相邻地区地球物理场分析成果、区域地质构造研究成果等,利用先进的有限元数值模拟技术模拟了歧口凹陷中、新生代构造应力场分布特征。在此基础上阐明盆地基底构造活动对盆地盖层的控制机制,探讨了歧口凹陷发育的地球动力学背景。本次研究所取得的详细认识分述如下:
详细调研了前人关于歧口凹陷及其周缘构造和盆地动力学的研究成果,认真研究了本区三维地震资料解译成果,认为随着地球深部探测技术的不断进步,对歧口凹陷构造样式的解析已经并将更加精确,从而将使得对本区构造控油气藏机理和控盆机制的认识更加深刻并以此更好的指导油气勘探实践。
对用数值模拟方法研究构造应力场的研究成果进行了综述。认为当前构造应力场有限元数值模拟只是以定量技术反映定性问题,尽管解决了许多实际问题,但由于理论基础、边界条件、计算方法等因素的局限,尚不能十分真实的反映问题。指出今后应将更先进的计算力学理论应用到构造应力场模拟研究中,无网格法就是一个很好的例子。
梳理出歧口凹陷中新生代构造背景应力场方向和性质,即中生代印支期,在中国大陆发生大面积碰撞和拼合、导致大陆3/4的面积并入潘基亚大陆和板内首次广泛发育板内褶皱和断层[73]的背景下,本区处于NS向挤压构造应力场中,主要构造变形为NEE-EW向的宽缓褶皱和NEE-EW向呈对冲式叠瓦式逆冲断层组合。燕山期,大的构造背景为鄂霍次克板块和伊佐奈崎板块向西俯冲挤压、使得中国大陆形成新华夏构造体系并出现大规模构造岩浆活动,歧口凹陷区受到NW-SE向挤压构造应力场的影响,主要发生了NE-NNE向褶皱、逆断层作用以及NNE-近NS向走滑断裂的活动。进入新生代,印度板块快速北移,太平洋板块活动相对较弱,黄骅坳陷开始裂陷形成。古近纪孔店组沉积期,孔店附近首先开始裂陷,形成沧东凹陷,此时歧口凹陷仍处于隆升阶段,遭受剥蚀。沙河街组沉积期,沙四段在本区多处被剥蚀,表明此时本区曾经历了一起区域性隆升运动。地震解释表明沙二段与沙一段之间存在一区域性不整合面,推测沙二段末本区发生大面积水退,据此将沙三段和沙二段沉积期归为一期,这一阶段黄骅坳陷全区进入全面裂陷期,断层活动强烈。沙一段与东营组沉积期地层呈连续沉积,这期间裂陷活动有所减弱,整个坳陷发育完成,水域连通形成大型汇水盆地形成,歧口主凹陷形成。到新近纪馆陶组和明化镇组,受渤海湾地区地幔柱作用影响,本区出现裂后热沉降作用,导致歧口凹陷进一步下沉。
结合本区地震解译资料以及歧口凹陷各期地层厚度图和底界构造图等资料,利用大型非线性有限元数值模拟软件--MSC.Marc建立了整个黄骅坳陷区的数值计算模型,通过应用调研和实测得出的地层地球物理参数和加载相应的边界条件,经过试算调整,最终得出了符合各期研究实际的构造应力场特征。模拟结果显示,印支期在中国大陆的沉积盖层首次广泛发育板内褶皱和断裂形成印支构造体系背景下,受到方向呈NS向和近NS向的区域挤压应力的影响,盆地内部挤压应力较高,最大主压应力呈相对高低值相间分布的特点,且最大主压应力主要集中在海河-新港断裂和汉沽断裂等两条活动断层周围,在断层端部、结合部以及走向急转弯处应力集中最为明显。燕山期,中国大陆新华夏构造体系形成并构造应力场发生逆时针旋转。在此背景下,本区主要受到NW-NNW向挤压应力影响,平均应力低值区主要出现在本期主要活动断层及其附近地区,最大主压应力高值区主要出现在海河-新港断层附近及坳陷区北部靠近南堡凹陷处。古近纪孔店组沉积期,整个坳陷区开始裂陷,在西太平洋板块向西俯冲到欧亚板块之下的大背景下,坳陷区受到NNW-NWW向的区域应力作用,造成沿沧东断层分布一段围压高值带,而最大主压应力高值区则主要分布在沧东凹陷处。进入沙河街组沉积期,歧口凹陷开始大面积裂陷。沙三段-沙二段沉积期,全区处于拉张应力状态,围压在坳陷区西南部相对较高,最大主应力主要位于活动断层附近,且在板桥凹陷附近达到最大,全区拉张应力具有右旋性。沙一段沉积期开始,本区进入裂陷衰减期,在右旋和区域伸展共同作用下,应力分布比较均匀,且在边界断裂附近出现异常。新近纪开始,本区进入裂后热沉降期,全区呈挤压性质,压应力最大区出现在歧口凹陷及其周围地区,在两条边界断裂附近也出现了应力低值区,最大主压应力在沿岸断裂带的西南部地区普遍低于东北部地区。
通过对整个凹陷区构造应力场的模拟,认真分析坳陷区新生代垂向位移特征,并与由地震资料分析得出的地层厚度图进行对比研究,参考调整后的力学边界条件,提出了整个黄骅坳陷新生代的成盆动力学模式。即认为古近纪孔店组沉积期,在沧东断层右旋走滑活动影响下,断层弯折处首先开始裂陷,形成早期的沧东凹陷。后期随着区域构造背景的逐渐转换,断裂活动由南向北逐渐增强,裂陷活动逐渐由南沿沧东断裂北移,最后,在约新近纪时,由于区域构造活动趋于平静,地幔热沉降作用影响,全区进入热后沉降作用期,沉降中心归于歧口主凹。