1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ，焉力文，刘琼颖，何丽娟等 渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热流变机制地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热流变机制焉力文，刘琼颖，何丽娟，武金辉，陈超强，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室，北京 中国科学院大学，北京 中国科学院地球科学研究院，北京 中国地震局地质研究所，北京 摘要在区域拉张应力作用下，岩石圈拉张减薄，减薄的中心地带成为拉张中心，渤海湾盆地新生代期间拉张中心具有自西向东、自南向北的迁移规律为了探究渤海湾盆地新生代期间拉张中心的迁移与岩石圈热流变结构的关系，本文在构造热演化模拟的基础上，对渤
2、海湾盆地各坳陷新生代岩石圈热流变结构进行了计算结果表明：渤海湾盆地新生代岩石圈拉张中心的迁移主要受岩石圈流变强度的非均匀性所控制 拉张中心开始位于岩石圈强度最低的济阳坳陷，拉张及伴随的的热冷却过程使得济阳坳陷岩石圈强度增大，并且超过了渤中坳陷岩石圈强度，因此，沙四段时期，拉张中心迁移到了渤中坳陷；沙三段时期，拉张中心迁移到了黄骅以及辽东湾坳陷 这是由于拉张速度较慢时（对于约 厚度的岩石圈而言，如果初始地壳厚度 ，拉张速度 ），拉张初期会造成岩石圈强度的降低，但随着拉张的持续进行，岩石圈整体强度反而增加 孔店组时期，在岩石圈强度较大的冀中及临清坳陷形成拉张中心可能是叠加了其他地质因素（如前期构造
3、、断裂活动、远程应力等）的影响 东营组时期，在岩石圈强度较大的渤中坳陷形成拉张中心，这可能是该时期岩石圈强度同时受到了郯庐断裂带的活动或小规模的地幔对流的影响，导致其实际强度比模拟计算的强度更低，因而使得应变集中在渤中以及辽东湾坳陷关键词渤海湾盆地；新生代；热流变结构；拉张中心；构造热演化 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家重点研发计划（）和国家自然科学基金（）共同资助第一作者简介焉力文，男，年生，在读博士研究生，主要从事沉积盆地、岩石圈构造热演化数值模拟研究 ：通讯作者何丽娟，女，年生，研究员，博士生导师，主要从事大地热流、盆地热历史以及岩石圈构造热演化数值模拟等方面研究 ：，（
4、）地 球 物 理 学 报（）卷 ，：，（，），（，），；引言渤海湾盆地是典型的新生代裂谷盆地，也是华北克拉通破坏的中心地区（，；，；朱日祥等，）盆地在新生代经历了古近纪裂陷沉降阶段和新近纪至第四纪后裂陷阶段 裂陷期发生了多幕裂陷、多幕沉降充填，可大致划分为孔店组沙四段、沙三段、沙二段东营组沉积时期的三个裂陷伸展幕 渐新世末，盆地裂陷作用基本结束，进入裂后热沉降阶段直至现今大量研究显示渤海湾盆地新生代断层、沉积和沉降中心以及岩浆活动等都在不断的迁移 有研究指出断裂活动与沉积沉降中心呈现自西向东的迁移规律（郭兴伟等，；索艳慧等，）但多数学者（任凤楼等，；陈印等，；李三忠等，；，；，）指出新生代渤海
5、湾盆地各个坳陷的构造沉积沉降油气藏具有由西向东、由南向北迁移规律，认为这些浅部过程与其深部机制密切相关，是太平洋板块俯冲和后撤的表现 信延芳等（）研究显示孔店组和沙四段组沉积时期，具有多个沉积沉降中心；沙三段至今，沉积沉降中心由四周向渤中坳陷迁移；东营组沉积期，沉 积 中 心 基本 上 迁移至渤中坳陷 任建业（）详细地分析了渤海湾盆地新生代各个坳陷的沉积中心及其迁移，给出了更为复杂的迁移路径，提出走滑断裂体系对渤海湾盆地发育起着重要控制作用，太平洋板块的俯冲后退作用导致了陆缘弧后伸展，形成了渤海湾乃至广布中国东部大陆边缘的盆岭式断陷盆地系（任建业，）等（，）和刘琼颖和何丽娟（）基于分布于渤中、
6、黄骅、冀中、济阳、临清及辽东湾等坳陷的多个二维地震解释剖面，进行了详细的构造热演化模拟，得到了盆地不同坳陷不同时期的岩石圈应变速率和拉张系数，基于此绘制了渤海湾盆地新生代以来岩石圈拉张中心的迁移规律（图）结果显示拉张中心从孔店组沉积时期的冀中、临清及济阳坳陷，经沙河街组四段、三段沉积后迁移到辽东期焉力文等：渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热流变机制湾、渤中、及黄骅坳陷；至沙河街组一段沉积时期，拉张中心移向黄骅及渤中坳陷；在东营组沉积时期，拉张中心则向东、向北迁移到渤中及辽东湾坳陷 呈现自西向东、自南向北的迁移规律大陆岩石圈的强度、横向流变差异是控制裂谷作用、大陆变形的关键因素（，；，）对东非裂谷
7、系（，；，）以及南极西部裂谷系（，）的研究表明，在拉应力作用下，岩石圈横向热流变强度的差异是造成拉张中心迁移的主导因素 而对岩石圈热流变学性质的研究对于揭示盆地的形成及演化等动力学过程具有指导意义（刘绍文等，）前人对渤海湾盆地中生代以来的热流变学性质做了一定的研究，刘绍文等（）主要对济阳坳陷现今热流变结构做了计算；等（）和邱楠生等（）则是利用古温标法反演了渤海湾盆地中生代以来的热史，并计算了渤海湾盆地中生代以来的热流变学结构 然而，以上研究都是基于（现今或古）稳态温度场来计算岩石圈热流变结构，且没有将这种热流变结构的差异与盆地构造活动（拉张中心）的迁移规律相结合进行更深入的讨论，缺乏二者的时空
8、对比不同于以往的研究，本研究在构造热演化模拟的瞬态温度场结果基础上计算岩石圈热流变结构本文利用二维拉张模型，针对渤海湾盆地六个坳陷的六条地震剖面（剖面位置见图），模拟其构造热演化过程，在此基础上计算新生代各坳陷的岩石圈强度，分析其随时间的变化规律，并结合盆地拉张中心时空迁移规律，探讨渤海湾盆地新生代以来拉张中心迁移的热流变学机制图渤海湾盆地新生代拉张中心迁移图（改自 ，）（红色线段指示模拟剖面）（，）方法和原理 拉张模型本文在二维非瞬时多幕拉张模型（，；刘琼颖和何丽娟，）的基础上模拟渤海湾盆地新生代构造热流变演化史 该模型基于岩石圈纯剪变形假设（，），采用 均衡模式，并考虑多幕有限时拉张的继承
9、性（，）模型下边界固定在 ，其温度为 ；上边界随沉降移动，温度保持；侧边界为绝热边界 初始温度场处于稳态分布初始岩石圈拉张（第一幕），在横向上不同地区拉张系数不同，岩石圈减薄程度不同 由于岩石圈减薄，热软流圈被动上涌，引起热扰动 随后岩石圈再次拉张（第二幕），进一步减薄 岩石圈可以经历多幕拉张减薄，拉张结束后进入热沉降期，温度场逐渐冷却 热岩石圈底界由 等温线界定（，）温度场的演化满足二维瞬态热传导方程：地 球 物 理 学 报（）卷，（）其中，为密度，为比热容，为温度，为时间，为热导率，为放射性生热率 模型参数值见表通过拟合构造沉降量确定剖面在每一裂陷幕的拉张系数，并可进一步计算盆地现今莫霍面
10、深度及热岩石圈厚度 将计算值和观测值进行对比，采用拟合迭代方法就可得到初始地壳岩石圈厚度以及拉张系数和温度场演化历史表模型中所用热物性参数 参数取值上、中地壳密度（）下地壳密度（）地幔密度（）上、中地壳热导率（）下地壳热导率（）地幔热导率（）上、中地壳生热率（）下地壳生热率（）地幔生热率（）热膨胀系数（）比热容（）注：参数值参考 和 （，）岩石圈热流变结构计算方法流变岩石圈由脆性层和韧性层组成（，）在脆性层表现为破裂及滑动摩擦特征，其强度与温度无关，由线性摩擦破裂公式确定（，）：（），（）其中，为脆性变形屈服极限，和分别为最大与最小主应力，为孔隙流体因子（水岩，即孔隙流体压力与上覆地层压力之比
11、），为断层类型参数，正断层、走滑断层与逆断层分别取值 、和（，），为介质密度（），是重力加速度（），为深度随着深度增加，温度和压力升高，韧性变形成为主导方式韧性变形的蠕变强度由幂指数定律确定（，）：（）（），（）其中，为韧性变形的屈服极限；为应变速率，其变化范围在 ，在大陆裂谷等活动构造区取值 ，稳定区取值 （，）；是 气 体 常 数（）；是岩石圈内温度分布（）；、和为介质的蠕变参数，分别为流动参数（）、应力指数和活化焓（）式（）表明，在给定应变速率情况下，岩石圈强度完全取决于温度，深度增加，温度升高，介质的蠕变强度降低在某一深度上，与必定相等，该深度称为脆韧性转换深度（）采用如下公式确定岩石
12、圈总强度（，）：（，），（）为单位宽度、厚度为的岩石圈总强度；是流变岩石圈的下部边界，条件为当达到一个较低值（）并在不连续强度之下 岩石圈热流变结构计算参数见表表岩石圈热流变结构计算参数 地壳分层代表岩性蠕变参数（）（）上、中地壳花岗岩斜长岩 下地壳长英质麻粒岩 地幔干橄榄岩 注：参数值参考（，；邱楠生等，）盆地演化、板块构造以及岩石圈构造热演化模拟等研究表明渤海湾盆地新生代时期主要受拉张应力的控制（漆家福等，；孙卫东等，；，）新生代时期渤海湾盆地岩石圈地幔含水（），平均含水（）（，），远低于中生代湿岩石圈地幔的含水量（）（，），呈现干地幔特征（，；夏群科和郝艳涛，）渤海湾盆地新生代应变速率选
13、取为 （，；邱楠生等，）模拟结果 渤海湾盆地岩石圈流变结构及强度变化基于前人（，；刘琼颖和何丽娟，）构造热演化模拟计算得出的渤海湾盆地各坳陷初始地壳、岩石圈厚度（图）以及不同时期拉张系数（表），进一步计算了渤海湾盆地新生代不同时期各坳陷岩石圈热流变结构（图）及强度演化（图）期焉力文等：渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热流变机制图新生代初期渤海湾盆地热岩石圈厚度图（改自 ，）（，）表渤海湾盆地各坳陷新生代拉张系数 渤中 黄骅 冀中 临清 济阳 辽东湾 注：其中拉张系数代表各坳陷最大拉张系数，数据引自刘琼颖和何丽娟，孔店组初期，冀中和临清坳陷岩石圈较冷，对应的莫霍面温度分别为 和 ，其岩石圈强度较大
14、，分别达到 和 济阳坳陷岩石圈最热，莫霍面温度为 ，岩石圈强度最低，为 而黄骅、渤中以及辽东湾坳陷介于二者之间，莫霍面温度分别为 、和 ，对应的岩石圈强度分别为 ，和 各坳陷在孔店组时期分别经历了不同程度的拉张（冀中、临清以及济阳坳陷进入拉张期，拉张系数分别为 、以及 ，而渤中、黄骅以及辽东湾坳陷未拉张），莫霍面温度以及岩石圈强度等发生了变化 到了沙河街组四段沉积初期，冀中、临清以及济阳坳陷莫霍面温度有所下降，分别为 、以及 ，岩石圈强度有所增加，分别为 、而渤中、黄骅以及辽东湾坳陷孔店组时期没有拉张，因此，沙四段初期莫霍面温度以及岩石圈强度仍为孔店组初期值经过沙四段不同程度的拉张后（各坳陷拉
15、张系数分别为：冀中、临清、济阳以及渤中坳陷拉张系数分别为 、以及 ，黄骅以及辽东湾坳陷未经过拉张），在沙三段初期，冀中、临清、济阳以及渤中坳陷莫霍面温度进一步降低，分别为 、以及 ，岩石圈强度进一步增大，分别为 、以及 ，黄骅以及辽东湾坳陷在沙四段时期未经过拉张，因此，沙三段初期莫霍面温度以及岩石圈强度与沙四段初期相同沙三段沉积结束以及经过沙二段与沙一段缓慢拉张后，到东营组初期，冀中、临清以及黄骅坳陷莫霍面温度分别为 、以及 ，岩石圈强度分别为 、以及 济阳、渤中以及辽东湾坳陷莫霍面温度分别为 、以及 ，岩石圈强度分别为 、以及 岩石圈强度与拉张中心迁移模拟结果显示，渤海湾盆地新生代岩石圈拉张
16、地 球 物 理 学 报（）卷图渤海湾盆地各坳陷新生代不同地质时期初始热流变结构及温度场 中心的迁移主要受岩石圈流变强度的非均匀性所控制 图显示渤海湾盆地各坳陷新生代岩石圈强度变化与拉张中心迁移有着较好的对应关系新生代初期，在区域应力场作用下，此时的拉张中心出现在期焉力文等：渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热流变机制图渤海湾盆地各坳陷新生代岩石圈强度变化图（红色字体代表不同时期拉张中心）（）岩石圈强度最小的济阳坳陷 到了沙四段时期，渤中坳陷成为岩石圈强度最低的地方，该时期拉张中心主要集中岩石圈强度最低的渤中坳陷 在沙三段初期，虽然渤中坳陷岩石圈强度仍为最低，但随着拉张的持续进行，渤中坳陷的岩石圈强度在沙三段前中期便已超过了黄骅以及辽东湾坳陷岩石圈强度（图），因此沙三段时期拉张中心主要分布在辽东湾与黄骅坳陷 沙二段、沙一段时期拉张减缓，没有明显的拉张中心，这主要是由于该时期太平洋板块运动速率变慢（，；，）东营组时期，太平洋板块运动速率再次加快（，；，），该时期，辽东湾坳陷岩石圈强度最低，因此它成为拉张中心孔店组时期，岩石圈强度较大的冀中以及临清坳陷也成为了拉张中心，东营组时期，拉张中心分布在
