第五章济阳坳陷中新生代断裂发育特征及成因机制课件.ppt

济阳坳陷中、新生代断裂发育、组合特征及成因机制探讨,一、研究思路二、断层活动性的定量分析三、各构造阶段断裂组合特征四、断裂成因机制分析,济阳坳陷中、新生代盆地发育与演化的动力学背景：欧亚构造域的西伯利亚板块、扬子板块与华北板块的挤压拼接滨太平洋构造域及其郯庐断裂的活动,两大构造体系域在盆地演化的各个时期所起的作用既有差异，又相互叠加，呈现出“盆中有盆、盆上有盆、盆下有盆”的极其复杂的地质现象。,济阳坳陷中、新生代盆地演化模式图,断裂发育特点：多期次叠加、多延伸方向、多种断层类型、多种组合方式断裂优势方位：北东向（2540o）、北北东向（60o）、北西向（340o）、北西西向（290o）、东西向及南北向。,济阳坳陷中、新生代主要断层分布图,前第三纪发育的断裂的识别印支运动以来，各期次断裂的分布、发育、演化特征及成因机制各期次断裂的组合、切割、转化关系各时期应力场特征及演化断裂发育（乃至济阳坳陷的盆地演化）与郯庐断裂活动的关系,需要解决的问题,整体思路：次级凹陷整个坳陷，控盆断层次级断层，先期断层后期断层,济阳坳陷中、新生代断裂发育、组合特征及成因机制探讨,一、研究思路二、断层活动性的定量分析三、各构造阶段断裂组合特征四、断裂成因机制分析,图 济阳坳陷内部垂向断层的活动类型及其对沉积、剥蚀的控制作用,（一）断层活动性的定量表示：断层活动速率,断层活动速率（vf）为某一地质时期内的断层落差与时间跨度的比值，鉴于断层活动对两盘地层所造成的沉积、剥蚀作用的差异性，我们针对不同类型的断层，确定了不同的计算方法：,（a）同沉积正断层：,（b）边界正断层,（c）逆断层,（d）当断层发生构造反转，由逆断层转变为正断层，vf的值则表现为由负值到正值的转变。,（二）北西向断层的活动性分析,地震资料、重力资料、火山分布特征等显示NW向断层的存在惠民凹陷：滋镇断层和阳信断层东营凹陷：石村断层、牛庄断层、陈南断层，沾化凹陷：罗西断层、孤西断层和五号桩断层。,三维地震水平切面揭示惠民凹陷前第三纪NW向断层对盆地的控制作用,a.惠民凹陷前第三纪三维地震水平切面,b.惠民凹陷第三纪三维地震水平切面,前第三纪盆地长轴方向为北西向，而第三纪则表现为北东向，这说明了在前第三纪，北西向断层控制了凹陷的沉积，第三纪北西向断层停止活动后，北东向断层控制了凹陷的沉积。,惠民凹陷东部布格重力异常阳信断层（无棣滨西断层）的存在,惠民凹陷东部布格重力异常图,济阳坳陷火成岩分布图,中生界火山岩的分布说明滋镇断层和阳信断层的存在,重力资料显示东营凹陷北西向断层的存在,沾化凹陷发育有罗西断层、孤西断层和五号桩断层三条北西向断层，其表现为第三系之下的隐伏断层，未切割第三纪地层，或仅切至底部的孔店组、沙四段，自沙三期后，新生代凹陷区的地层披覆于中生代的凸起和坳陷之上。这表明北西向断层主要发育于中生代，在新生代活动较弱。,地震资料揭示沾化凹陷北西向断层的存在,济阳坳陷罗西地区311三维地震剖面,罗54义633义146的三维地震剖面,l各断层都经历了一次构造反转过程，晚三叠世（T3）为逆断层发育阶段，经过早、中侏罗世的过渡阶段，晚侏罗世开始进入正断层发育阶段；l从正断层发育阶段的高峰期来看，罗西断层、孤西断层、五号桩断层依次出现在J3K、Ek、Es4，表现出由西向东，由早到晚的规律；,沾化凹陷各北西向断层活动速率随时间变化,l从正断层发育阶段高峰期的活动强度来看，罗西断层、孤西断层、五号桩断层分别为40.4、40.7和70m/Ma，由弱到强的规律。l从断层的消亡时期来看，罗西断层、孤西断层、五号桩断层依次为Es4、Es3和Es2，表现出由西向东，由早到晚的规律。,沾化凹陷各北西向断层活动速率随时间变化,东营凹陷北西向断层断层活动特征,石村断层和陈南断层（东段）自T3时期开始活动（石村断层可能比陈南断层开始活动时间早）断层活动强度较大，最高值达80m/Ma以上,东营凹陷北西向断层断层活动特征,石村断层和陈南断层（东段）停止活动时间分别为Ng和Nm，表现出自西向东逐渐变晚的规律石村断层在总体活动强度上明显较陈南断层（东段）弱，表现出自西向东逐渐增强的规律,（三）北东向（北东东）控凹边界断层的活动性分析,惠民凹陷：宁南断层、无南断层、齐广断层车镇凹陷：埕南断层沾化凹陷：义南断层、义东断层、埕东断层东营凹陷：高青平南断层、滨南断层、胜永断层、,北部宁南断层和无南断层，两者都是在Ek时期开始活动，断层活动强度都较大，最高值可达100m/Ma之上；南部齐广断层，断层活动强度较弱，最高值仅为35m/Ma，南北断层活动性差别较大。,惠 民 凹 陷,宁南断层的断层活动高峰期为Es4和Es1，无南断层的断层活动高峰期为Es3，断层的高峰期的发育自西向东有逐渐变晚的趋势，这说明了应力传递的方向；,惠 民 凹 陷,l沾化凹陷北部边界断层开始发育于Es4期，高峰期为Es3Es1期（以Es1为主），Ng开始衰弱，至Nm已基本消亡。,沾化凹陷,l对比高峰期（Es3、Es1）的断层活动强度，可以发现在北部三条边界断层自西向东由弱变强，体现出东侧扭张作用较西侧强的特点，反映了郯庐断裂对其发育的影响。,沾化凹陷,陈南断层（西段）由于受到北西向断层和古地形的影响，在J3K时期开始活动，较其他两断层活动时间早？各断层活动强度较大，最高值分别达到91m/Ma、109m/Ma、150m/Ma，断层活动强度表现出自西向东逐渐增强的规,东 营 凹 陷,各断层在Es4-Es3时期均达到活动高峰，之后断层活动减弱较快断层均在Ng时期停止活动，但在地震剖面上可以看出，断层停止活动时间有自西向东逐渐变晚的趋势,东 营 凹 陷,济阳坳陷北东（北东东）向控凹边界断层活动性规律,各凹陷的控凹边界断层主要在Ek-Es4时期开始活动各凹陷的控凹边界断层活动大多有自西向东逐渐增强的规律各断层消亡时间集中在Ed-Nm期间，在各凹陷内断层停止活动时间表现出自西向东逐渐变晚的规律。,济阳坳陷东部自北向南，车镇凹陷、沾化凹陷、东营凹陷都表现为单断式，西部沾化凹陷表现为双断式，但其北部边界断层活动性也明显强于南部边界断层。,（四）北东向次级控洼断层的活动性分析,包括惠民凹陷的临南断层、夏口断层，沾化凹陷的垦东断层、邵家断层，东营凹陷的中央断层、八面河断层、博兴断层等。,其开始活动的时期大都为Ek-Es4，峰值出现在Es3、Es1期，消亡时期为Ng以后，从断层发育的时间来看，反映出与NE向边界断层发育的伴生性，但活动规模明显要小于边界断层。,（五）东西向（近东西向）次级断层,东西向断层在济阳坳陷内发育不多，仅在沾化凹陷和惠民凹陷发育有孤北、孤南、垦利断层和林北、林南等断层,沾化凹陷,沾化凹陷东西向（近东西向）断层开始活动的时期大都为Es4，峰值出现在Es3、Es1期，消亡时期为Ng以后，从断层发育的时间来看，反映出与NE向边界断层发育的伴生性，但活动规模明显要小于边界断层。,惠民凹陷WE向断层活动性相似，开始于Ek，结束于Ng，峰值出现在Es4Es1时期。,济阳坳陷中、新生代断裂发育、组合特征及成因机制探讨,一、研究思路二、断层活动性的定量分析三、各构造阶段断裂组合特征四、断裂成因机制分析,济阳坳陷中、新生代主要断层分布图,济阳坳陷的断层组合特征主要表现为中生代NW向断层与新生代NE、NEE向断层的多期叠加，在平面上呈网格状分布。,依据断裂活动性分析，结合本区主要构造期次划分方案，可将济阳坳陷的断裂发育分为印支期（T3）、燕山早期（J12）、燕山中晚期（J3K）、燕山喜马拉雅过渡期（Ek Es4）、喜马拉雅早、中期（Es3Ed）、喜马拉雅晚期（NQ）六个期次，各期次的断裂发育、组合特征既表现出差异性，又体现出对前期断裂发育特点的继承性。,济阳坳陷自西向东依次发育了东营凹陷的石村断层、陈南断层，惠民凹陷的滋镇断层和阳信断层，沾化凹陷的罗西断层、孤西断层和五号桩断层。,济阳坳陷印支期燕山早期断层分布图,平面分布：济阳坳陷中生代NW向逆推断层的平面组合特征为列式，各条断层走向近于平行，断层之间不相交。剖面特征：通过对桩海18义153新渤深1虎9连井测线的平衡剖面分析恢复的印支期地质剖面显示，断面倾向SW，断面形态为平面式，组合方式为平缓的叠瓦状，地层由SW向NE挤压逆推,印支期（T3）,燕山早期（J12）,该时期济阳坳陷仍以北西向逆推断层发育为特征，但断层的逆冲强度已大大降低，活动速率仅为46m/Ma，此时为断层发生构造反转的过渡期，表现为对印支运动逆冲断层造成的地势高差的填平补齐。,从断层的发育特征来看，与印支期相类似，平面上为列式组合，剖面上为叠瓦状组合，断面形态为平面式。,该时期仍以北西向断层发育为主，但早期几条北西向断裂的活动性质发生了变化，由前期的逆冲断层，转变为正断层，前期的上升盘下降接受沉积，下降盘抬升遭受剥蚀。,沾化凹陷燕山中、晚期NW断层剖面图,燕山中、晚期（J3K）,断层平面组合特征仍为近于平行的侧列式，但断面的形态发生了变化，由前期的平面式演化为轻微的铲式，断面倾角向深处变缓，为生长断层的典型特征，形成的盆地构造样式形式为简单的滚动半地堑。晚侏罗世白垩世地层由NE向SW超覆，石炭纪二叠纪、早、中侏罗世地层由SW向NE方向减薄。该时期末，惠民凹陷内两条北西向断层逐渐停止活动。,济阳坳陷燕山中、晚期断层分布图,济阳坳陷燕山喜马拉雅过渡期断层分布图,燕山喜马拉雅过渡期（EkEs4）,该时期早期仍以北西向断层起主控作用，但与中生代相比，断层活动性逐渐减弱，随后，北东向断层开始活动，并逐渐取代了北西向断层对沉积的控制作用。,从断层的平面组合类型来看，该时期断层发育具有如下特点：1）侧列式：如惠民凹陷的临商断层和夏口断层。2）锯齿状：如各凹陷北部边界的NE向控凹断层，如惠民凹陷的宁南断层和无南断层，沾化凹陷的义南断层、义东断层与埕东断层，在平面上两条断层相互连接构成锯齿状。3）枝叉状：如沾化凹陷垦利断层和垦东断层、惠民凹陷F断层与G断层，在平面上呈“人”字形分布。4）羽状：这种组合类型发育于大的断层与其派生小断层之间。,惠民凹陷Ek时期地层剖面示意图（上：523测线，下：463测线）,沾化凹陷孔店期卲29桩66地层剖面图,剖面组合特征：1）断面形态为板状和铲状。2）断层剖面组合可见“入”字形、“Y”字形组合。3）地堑和半地堑。,喜马拉雅早、中期（Es3Ed）,该时期为渤海湾盆地裂陷阶段的中、晚期。裂陷中期：伸展作用强烈，沉降中心的统一性消失，开始出现多个沉降中心。裂陷晚期：伸展活动相对减弱；由于伸展活动和沉积体的旋转弯曲，除先期断层继续活动外，新产生了一系列的正断层，新产生的断层规模通常较小，受控于主断层的方向和规模。,平面组合类型：1）斜列式2）锯齿状3）枝叉状4）羽状,济阳坳陷喜马拉雅早、中期断层分布图,1）北部无南断层剖面形态由铲状断层演化成为宽缓的坡坪式断层，宁南断层则为大型的铲状断层 2）该时期惠民凹陷由Es4时期的滚动半地堑转变为复式半地堑 3）形成了几个主要洼陷，主要为北部的滋镇洼陷和阳信洼陷，南部的临南洼陷和里则镇洼陷 4）该时期断层剖面组合形式呈现复式“Y”状组合,惠 民 凹 陷,惠民凹陷463测线地质解释剖面图,惠民凹陷523测线地质解释剖面图,剖面组合特征：1）断面形态主要有平面式、铲式两种形态，2）阶状组合。3）“Y”字形组合。4）复式半地堑。,沾 化 凹 陷,喜山构造阶段晚期（NQ）,喜山晚期，渤海湾盆地由裂陷沉降转入裂后坳陷热沉降阶段，断层活动处于消亡阶段，先期形成的NE、NEE向断层部分已停止活动；部分处于继承性活动状态，但是其活动速率已大大降低；其平面组合特征相对较为简单，主要有锯齿状组合、枝杈状组合和羽状组合等形式。,各构造期断裂组合特征小结 印支期（T3）：主要发育NW向逆推断层，平面组合为列式，剖面组合为平缓的叠瓦状；燕山早期（J12）：NW向逆推断层继承性活动，活动强度弱，区域处于截凸填凹、填平补齐阶段;燕山中、晚期（J3K）：NW向断层发生了构造反转，由逆断转换为正断，断层平面组合类型为列式，断面形态由早期的平面式发展为铲式，形成滚动半地堑;燕山喜山构造阶段过渡期（EkEs4）：早期（Ek）以NW向正断层的继承性活动为主，NE、NEE向断裂不发育，晚期（Es4）NW向断层开始消亡，NE向断层开始发育，体现出喜山构造阶段的断裂发育特点；喜山构造阶段早、中期（Es3Ed）：以NE、NEE向张性断层发育为主要特征，断层数量多，组合类型复杂。断层活动速率大，沉积了巨厚的新近纪地层。断层平面组合类型有侧列式或斜列式、锯齿状、网格状、叉状、羽状等；剖面组合类型有阶状组合、“Y”字形组合、“入”字形组合、复式半地堑等。断面形态以平面式和铲式为主;喜山构造阶段晚期（NQ）：整个渤海湾盆地进入坳陷发育阶段，断裂活动明显减弱，多数断裂消亡。,济阳坳陷中、新生代断裂发育、组合特征及成因机制探讨,一、研究思路二、断层活动性的定量分析三、各构造阶段断裂组合特征四、断裂成因机制分析,济阳坳陷是在华北古生代地台基础上发育而成的一个中、新生代叠合盆地，盆地演化主要受控于两种动力学背景：(一)欧亚构造域的西伯利亚板块、扬子板块与华北板块的挤压拼接(二)滨太平洋构造域及其郯庐断裂带的活动两大构造体系域在中、新生代盆地演化的各个时期所起的作用既有差异，又相互叠加。,济阳坳陷断裂发育经历的三次重要的发育及转型阶段：（一）印支晚期NW向逆冲断层的产生及发育（二）燕山中、晚期NW向断层的构造反转（三）燕山喜山构造阶段过渡期NW向断层的消亡及NE向、NNE向断层的产生,（一）晚三叠世NW向逆推断层的产生,发育时期：耦合于我国东部华北陆块与扬子陆块及其它陆块最终强烈拼接成造山带的时期。西伯利亚板块与华北板块在二叠纪末期已经拼接，晚三叠世南缘扬子板块与华北板块的碰撞拼接作用，使得济阳坳陷区此时主要受控于扬子板块与华北板块挤压碰撞所产生的挤压应力场。,断层走向：与秦岭大别造山带近于平行,扬子板块与华北板块的碰撞，是否能在近千公里之外的华北板块内部产生如此巨大的应变效应？模拟实验表明：1）传递距离随着作用力施加速度的增加而增加。快速施加挤压力变形传递远（影响范围大），而且远、近受力区变形差异较小；而缓慢施加作用力则变形传播距离小，变形差异大。2）块体刚性程度大则变形传递距离就大：相对软弱的块体受到挤压时，变形仅局限在受力点附近，远处变形微弱；刚性相对强的块体受到挤压作用时，整体变形较弱，但变形传递可以非常远。,地质过程大都表现为幕式特征，只有当应力积聚达到一定程度，才会突然“爆发”，具有快速释放的特点；就华北板块而言，元古代（25亿年前）就已形成了硅铝质结晶基底，至中三叠世已形成了几千米厚的盖层，为刚性的大陆板块，具备了板块相互作用的“远距离效应”的边界条件，即：要么块体的刚性足够大，要么导致变形的作用力达到足够大速度。,济阳坳陷NW逆冲断层的产生是华北板块在南（扬子板块）、北（西伯利亚板块）的双重夹击下所作的板内局部挤压调整的结果。,（二）晚侏罗世白垩纪NW向断层的构造反转,进入晚侏罗世，太平洋板块活动取代了扬子板块、西伯利亚板块活动对华北地区构造演化的控制地位，华北地区东西成带、南北分块的滨太平洋构造域已基本形成（何海清等，1998；杜旭东等，1999；王同和等，1999a）。,由于太平洋区（依泽奈崎或库拉）板块对中国大陆的消减俯冲，上地幔发生对流调整，岩石圈拉伸减薄，地壳断裂，华北东部整体处于垂向挤压、水平拉伸的应力场环境。,燕山构造运动阶段早期（早、中侏罗世），扬子板块与华北板块间的碰撞挤压仍然起作用，华北地区仍受SN向挤压作用控制，但强度趋弱，与此同时，太平洋板块向NNW向的俯冲消减作用开始逐步加强，但此时对整个华北地区的构造格局影响不明显，因此，早、中侏罗世为自印支构造阶段至燕山构造阶段的过渡期，华北为构造活动的相对“宁静期”，就其内部的济阳坳陷区而言，北西向逆推断层的活动性微弱，区域上表现为对前期逆推断层造成的地势高差的截凸填凹的沉积与剥蚀过程。,晚侏罗世（约140Ma左右），西太平洋伊泽奈崎板块突然改变了运动方向和速度，以30cm/a的高速沿NNW向俯冲于东亚大陆之下，中国大陆东部处于左旋剪切应力场作用下，产生了郯庐断裂、太行山东断裂、沧东兰聊断裂等一系列NNE（NE）向的断裂，并使得NNE向的郯庐断裂带于晚侏罗世早白垩世发生了巨大的左行走滑平移。错开、剪切改造了华北陆块与扬子陆块的挤压碰撞造山带以及侏罗纪早期的相带。,就济阳坳陷而言，其夹持于郯庐断裂带与沧东兰聊断裂带所派生的左旋剪切应力场之间，受到SWNE向的拉张，加之先期形成的NW向逆断裂带相对薄弱，因而发生构造反转，沿着早期的断面发生张性伸展，济阳坳陷区沉积了较厚的J3K地层，并伴随着大量的玄武岩喷发，从而带来了大量的深部地质信息。,新生代孔店期太平洋板块对欧亚板块的俯冲方向仍为NNW，郯庐断裂带继承了燕山期的活动方式，为左旋走滑；沙四期以来太平洋板块俯冲方向由NNW转为NWW，同时印度板块开始向北俯冲，与欧亚板块强烈挤压碰撞，二者的共同作用在华北地区产生了右旋走滑剪切应力场，从而使得郯庐断裂带、沧东兰聊断裂带等中国东部大型边界走滑断裂带由左旋转为右旋，中国大陆东部处于右旋剪切应力场之中。,（三）新生代NE或NEE向扭张断裂的形成,在这种构造应力场背景之下，NW向断层由强烈活动到逐渐消亡，NE向和NEE向正断层开始发育。,综上所述，中、新生代济阳坳陷断裂发育受控于欧亚构造域的西伯利亚板块、扬子板块与华北板块的挤压拼接和滨太平洋构造域及其郯庐断裂带的活动两大构造体系域：晚三叠世NW向逆推断层的发育为华北板块与扬子板块挤压拼接时产生的板内局部挤压调整效应；晚侏罗世白垩纪NW向断层发生的构造反转是在太平洋板块俯冲造成地幔上涌所产生水平拉张背景下郯卢断裂左行走滑的结果；燕山喜山构造阶段过渡期郯卢断裂由左旋至右旋的转换，则导致了研究区断裂发育由NW向至NE（NEE）向的转型。,济阳坳陷主要断层活动特征表,T3-Ng,T3-Ed,续上表,