郯庐断裂带

1.大地电磁测深剖面及其解释
近年来胜利油田在郯庐断裂带完成了7条电法剖面,即MT-t101、MT-t102、MT-t103、CEMP-t104、MT-t105、MT-q101、MT-q109测线(图1-4),详细地揭示了郯庐断裂带的上地壳结构。在这些电法剖面上,郯庐断裂带在上地壳呈现为陡立的高阻体,浅部叠加上后期伸展断层与盆地,指示该断裂带主体表现为陡立的走滑构造特征,而后期受到伸展构造的切割。
野外资料采集使用的仪器是加拿大凤凰公司生产的V5-2000型大地电磁测深仪。采用标准五分量观测,Ex布极方向沿磁极0°方向,“十”字形布站,电极距通常为100m。布极采用森林罗盘仪定向,测绳量距,电极埋深大于0.3m,水平磁棒深埋在0.3m以下;用水平尺测平,罗盘定向,倾斜≤1°;垂直磁棒入土3/4,用水平尺测垂直状态,露出部分用土压实。每个测点采集时间不小于9.5个小时,记录格式为1:8:5。野外测点定位使用四套MARK-X、MARK-X-cm差分GPS定位仪,该机可同时跟踪12颗卫星,其误差≤±0.98m。
对于野外采集的数据首先进行预处理,包括去噪音处理和静态校正。去噪音处理,采用了多种方法技术,如远参考技术、相位校正技术以及最大验后拟合法剔除飞点技术等,从多方面消除资料中的不同干扰。静态校正采用了单点平移方法和剖面低通滤波(平面汉宁法)以及阻抗张量分解的方法。
经过预处理的数据,采用了一维反演和二维连续介质反演。通过反演,将频率域的定性资料转换为空间域的定量地电断面,获得地下不同深度的电性参数。二维连续介质反演结果(图1-5,图1-6)能较真实地反映深部地电信息,结合所掌握的地质资料及地质认识和其他地球物理资料,可以给出合理的地质解释。

图1-4 郯庐断裂带简图及MT剖面位置


图1-5 郯庐断裂带渤海湾段大地电磁测深剖面

(1)断裂带切割深度
在这7条MT剖面上(图1-5,图1-6),郯庐断裂带在电性上表现明显,深部都清晰地表现为高阻与低阻之间的近直立边界,并且向下切穿整个剖面。T101、102、103、104剖面深20km,被郯庐断裂带完全切穿,指示断裂带的切割深度超过20km。q101、105、109三条MT剖面深50km,断裂带所呈现的高、低阻之间直立边界也完全切穿剖面,并且深入上地幔中15km左右也未见要消失的现象。这些MT剖面证明了郯庐断裂带已完全切穿地壳,在上地幔内继续延伸。再结合过去的地学断面资料,郯庐断裂带是切穿整个岩石圈的巨型岩石圈断裂。
(2)断裂带的平移构造现象
平移断裂以切割深及断面陡立、平直为特征。在这7条MT剖面上,断裂带内在深部都表现为高阻体与低阻体之间的陡立边界,呈现为典型的平移断裂特征。
渤海湾地区三条MT剖面,q101线未达郯庐断裂带东界(F郯东),q109和t101皆完全穿过郯庐断裂。后两者郯庐东界断裂都呈现为胶北隆起的高阻体与断裂带内高导体(低阻体)之间的陡立边界,断面向东倾。而西界断裂(F郯西)也呈现为陡立现象,q109线向东陡倾,t101线向西陡倾,反映了陡立断面倾向常变的特征。其中东界断裂电性差异最显著,应为主边界断裂。
t102线郯庐断裂带界于鲁西隆起与胶莱盆地之间,东界断裂界于东侧胶莱盆地下低阻体与西侧断裂带内高阻体之间,呈现为上部向西倾、下部向东倾的陡立弧形现象。西界断裂向东陡倾。其中,东界断裂应是主边界断裂。
q105线郯庐断裂带界于苏鲁造山带与徐淮隆起之间,东界断裂带为造山带内高阻体与断裂带内低阻体(高导层)之间的陡立平移边界,近直立。西界断裂呈现为断裂带内低阻体与徐淮隆起高阻体之间的陡立边界,上部向东倾,下部向西倾。
t103、104线(图1-6)郯庐主边界断裂转变为出现在西界,呈现为东侧高阻体与西侧低阻体之间向东陡倾的边界。这两条剖面上东界断裂两侧的电性差异不显著,显示为次要边界。

图1-6 郯庐断裂带鲁苏皖段大地电磁测深剖面

总之,在这些MT剖面上,郯庐断裂带在深部电性上都呈现为高、低阻体之间的陡立边界,为典型的平移断裂特征。由于郯庐断裂带所经历过的平移运动,使异地不同块体沿断裂接触,从而出现了两侧显著的电性差异。郯庐断裂带的平移构造在渤海湾段和山东段是以东界断裂为主边界,普遍向东陡倾。而安徽段是以西界为主边界断裂,也向东陡倾。这一平移构造出现在所完成的7条剖面上,指示研究区郯庐断裂带都经历过平移运动,包括苏鲁造山带以北的渤海湾地区。这些陡立的平移构造现象,是这7条MT剖面上断裂带内影响深度最大、波及范围最广的现象,指示该断裂带所经历过的平移运动最强,影响最深刻。
(3)断裂带的伸展构造现象
早白垩世至古近纪,郯庐断裂带在浅部控制发育了一系列断陷盆地,指示经历了伸展活动。这些断陷盆地分别为断裂带内宽裂谷(渤海湾内盆地)、窄裂谷(山东段沂沭断裂带、嘉山盆地)与旁侧盆地(胶莱盆地、固镇盆地、合肥盆地)型式。
根据这些MT剖面,郯庐断裂带的伸展活动控制了浅部5km以上断陷盆地的形成。伸展断裂一方面利用早期平移断裂发展,另一方面在断裂带内还新生一些正断层,并且部分明显切过早期陡立的平移断裂。这些现象表明断裂带的伸展活动明显出现在平移活动之后,与依据地表现象所研究的结论一致。这些伸展断层主要出现在上地壳,仅部分大型断层延入下地壳。在渤海湾内郯庐断裂带内的古近纪宽裂谷中,早期边界平移构造在伸展活动中主要为边界调节构造,伸展活动多受内部新生正断层控制。而在断裂内的窄裂谷中,如沂沭断裂带内,更多地是利用早期平移构造伸展活动而控制盆地形成。对于发育旁侧盆地部分,如胶莱盆地(白垩纪)、固镇盆地(白垩纪至古近纪)和合肥盆地(白垩纪至古近纪),都新生有与早期走滑构造倾向相反的正断层而控制断陷盆地形成,早期的走滑构造在伸展活动中没有再活动。
(4)断裂带的逆冲构造现象
对于郯庐断裂带新近纪以来是否发生过逆冲活动,以往还存在着不同的认识,持怀疑者主张新近纪以来主要发生的是右行走滑。在q109、t101、t104线剖面上,显示出郯庐断裂带内伸展之后的逆冲构造。而苏鲁造山带内(q109、t103线)和张八岭隆起带上所出现的一些逆冲构造应为印支碰撞造山期的逆冲构造。
渤海湾南部q109和t101线上(图1-5),郯庐断裂带东侧的上地壳部分明显出现了逆冲构造。它们使胶北隆起高阻体(变质基底)向西逆冲在早期向东陡倾的东界平移断裂之上,并且还切过早期的反向正断层,特别是q109线上东侧逆冲的水平位移量至少为10km,属于大型推覆构造。
合肥盆地东缘的郯庐断裂带(t104线;图1-6),张八岭隆起上高阻的变质基底(肥东群变质杂岩)向西逆冲在中生界之上,并且切过深部的平移断裂与浅部的正断层,也指示逆冲发生在平移与伸展活动之后。这一现象与地表所见盆缘反转所形成的大规模松散挤压破碎带相吻合。该剖面上逆冲所产生的水平位移量至少为5km,也属于推覆构造。
总之,这些MT剖面提供了郯庐断裂带新近纪以来逆冲活动的有力证据。这一逆冲活动局部使断裂带边缘出现大型的推覆构造,并且显示发生在古近纪伸展活动之后。
(5)深部高导层
高导层是指岩石圈内局部出现的低阻层,也可以呈陡立的带状。关于高导层的成因有多种解释,主要有局部侵入的熔融或半熔融体观点、韧性剪切带或软弱带观点、含水破碎带观点等。本次MT剖面中呈现出深部高导层(带)与浅部断陷盆地之间明显的对应关系。
郯庐断裂带内部,无论是发育宽裂谷(渤海湾)还是窄裂谷(沂沭断裂带)处,深部都对应出现了高导层(带),并且向下可延入上地幔。这些深部高导层(带)的出现部位往往与浅部断陷盆地沉降最深处相对应(如q101、q109、t102),指示伸展活动与这些高导层(带)出现的密切对应关系。t103和t104线郯庐断裂带内浅部没有出现断陷盆地,相应深部也没有出现高导层(带)。
对于郯庐断裂带两侧,浅部断陷盆地的发育也与深部高导层的出现呈密切的对应关系。济阳坳陷深部上地壳内都出现了高导层(带)(图1-5),并且凹陷下高导层(带)比凸起下更发育。胶莱盆地、固镇盆地与合肥盆地深部,中、上地壳也出现了显著的高导层,其中固镇盆地下高导层只出现在盆地东部最强断陷处。而浅部没有断陷盆地发育的徐淮隆起,深部相应缺失高导层(带)。这也指示浅部断陷盆地的发育与深部高导层(带)的出现是紧密伴生关系。
上述现象表明,无论是郯庐断裂带内还是其旁侧,浅部发育断陷盆地,深部就有高导层(带)出现;而浅部断陷盆地缺失,深部高导层(带)也缺失。这表明了深部高导层(带)与浅部断陷盆地之间具有密切的成因关系。上述断陷盆地一些发育了早白垩世火山岩(如胶莱盆地、沂沭断裂带)或古近纪玄武岩(如渤海湾),但是济阳坳陷、固镇盆地及合肥盆地发育期间,缺乏火山活动或岩浆侵入,但是同样深部出现了高导层(带)。这表明用侵入的熔融或半熔融体观点解释研究区的高导层(带)并不适用。笔者认为,这些高导层(带)是岩石圈内富含流体的软弱层(带),其中丰富的流体应是断裂破碎带发育的结果。众所周知,断陷盆地的形成需要可容沉积空间的出现。可容空间往往是通过被断陷块体的旋转(沿水平轴)而产生,但是岩石圈内块体的旋转需要深部相应有大型拆离带。研究区断陷盆地下所发育的高导层(带)就应是这些盆地形成中深部的大型拆离带。这些大型拆离带是浅部断陷盆地发育时深部对应出现的构造滑动带,因而它们相伴出现,呈现为密布切的对应关系。研究区郯庐断裂带内这些高导体呈现为与平移构造平行的、陡立的高导带,并且明显向下延入了上地幔。而旁侧盆地下(缺失切割深的走滑构造情况下)的高导体多呈上地壳下部的高导层(也有人将其划分为中地壳),埋深多在10km左右。这些层状高导体显然与层间滑动有关,应是显著不同岩石强度层之间的大型滑脱构造。这些现象显示,研究区高导层(带)应起源于研究区断陷盆地发育之前的构造运动,从而在走滑构造区呈现为陡立的高导带,而在郯庐断裂带旁侧的前陆变形区则成为平缓的高导层。它们相应起源于早白垩世初的走滑运动或印支期的前陆逆冲-推覆运动。这些早期高导层(带)的存在,也应是后期浅部出现断陷盆地的重要背景。因为,只有这些软弱带的先期存在,才能使断陷中块体的有效旋转与深部拆离发生,进而浅部发育显著的断陷盆地。在断陷盆地发育期,由于这些软弱带的强烈活动,其规模应得到加强,并且现今的状态转而主要受断陷活动的影响。值得指出的是,断陷盆地下这些高导层(带)也是岩石圈内的重要的软弱带,从而在后期构造运动中较容易活化,再次发生活动。这可能就是由于区域动力背景的转变盆地多相应出现显著反转的主要原因。总之,岩石圈内高导带(带)所代表的软弱带,是一个地区发生断陷活动的重要深部背景,在断陷活动中它们是块体旋转中的深部滑动带,且它们的存在又使盆地后期较易发生反转。
2.地学断面
1987年以来,我国地学断面计划的实施为认识中国大陆岩石圈结构发挥了巨大的作用。其中一系列横穿郯庐断裂带的地学断面,提供了该断裂带下丰富的岩石圈结构信息,这为分析断裂带下岩石圈结构的特征、演化及其动力学成因奠定了基础,揭示了丰富的地球物理与深部结构信息。
内蒙古东乌珠穆沁旗-辽宁东沟断面(卢造勋等,1992):该地学断面穿过郯庐断裂的营潍段(附图4)。断面提供的速度和电性资料表明,该处地壳具有上、中、下3层结构,上、中、下地壳厚度比约为1:0.8:0.5。郯庐断裂带两侧的地壳结构有明显差异:在下辽河坳陷区至郯庐断裂带,地壳平均速度为6.06km/s,莫霍面深度为31~33km,软流圈顶面深度为85~90km;而郯庐断裂带以东的辽东隆起区地壳平均速度为6.23km/s,莫霍面深度渐变为34~36km,软流圈顶面深度加深至100~120km,莫霍面和软流圈顶面总体形态在断陷区呈同步上隆减薄,且此趋势向东延至郯庐断裂带外后才逐渐下坳变深。在郯庐断裂带东侧的中地壳内(15~20km深度范围),存在速度为6.00~6.10km/s的低速异常体,其中郯庐断裂带段的低速层还对应着电性高导层;而在西侧的下辽河坳陷一侧,仅在下地壳底部的壳幔过渡带附近发育高导层。断裂的主干段位于下辽河坳陷中,在靠近辽东隆起一侧有次级断裂发育。在郯庐断裂带附近,地震带、中地壳低速高导层、莫霍界面起伏剧烈的位置、软流圈起伏剧烈的位置基本一致。
江苏响水—内蒙古满都拉断面(马杏垣等,1991):该地学断面穿过郯庐断裂的山东段(附图4),断裂带地震测深速度结构以比两侧较高的平均地壳速度为特征。上地壳的等波速线向上弯曲表明该断裂带比两侧密度高。在断裂带下方,中地壳下部和下地壳加厚。在中下地壳内存在低速异常体,可能是上地幔物质沿断裂向上侵入的结果,并伴随有侧向蠕动。莫霍界面挠曲隆起高点偏向断裂带西侧,莫霍界面起伏仅3km,且这里的莫霍界面表现为壳幔过渡。在地壳内并没有高导层,而上地幔内高导层埋藏很浅,只有60~70km深,这可能暗示软流圈上拱很高,软流圈顶界起伏较大,约从65km变化到90km。
根据地表出露岩层的地质时代,断裂带东西两侧是两个截然不同的地块,其地壳结构亦有明显差异。主要表现为中、下地壳内低速层及其厚度有明显变化。在断裂带范围内,中地壳下部和下地壳加厚,下地壳包括莫霍面有挠曲隆起,但隆起高点偏向郯庐断裂带的西侧。大地电磁测深解释,在60~80km深度上地幔内有低阻层分布,它隆起的范围大致亦偏向断裂带西侧。该断面切过四条出露地表的北东向断裂。其断裂带内中下地壳内低速度异常体应是上地幔物质沿断裂向上侵入的结果,并伴随有侧向蠕动。中地壳内的塑性软弱层(壳内低速层),其顶部是有利于形成水平错动的自由滑动面。根据断裂带东西两侧中地壳内低速层顶部的深度不—致,故推测断裂带东西两侧水平错动面的深度也各不相同,西侧为13km,东侧为18km左右。
HQ13线地学断面中段(陈沪生等,1993.):在HQ13线断面上(附图4),郯庐断裂带东侧出现的中地壳内Pc2反射波(将中地壳分为两层结构),在西侧消失。断裂带西侧的下地壳厚度比东侧要大得多,并且西侧下地壳内出现的高导层在东侧却不存在。莫霍面稍向西倾斜,主要与两侧块体的莫霍面埋深变化有关,但起伏不大。断裂带下出现了明显的软流圈上涌,两侧岩石圈结构具有明显差异,莫霍面有一定的起伏变化。
综上所述,郯庐断裂带是地壳横向不均一的最显著部位。断裂带两侧在速度和电性上都明显不同,指示两侧地壳结构有明显差异。断裂带两侧,既有低速体的完全不对应,也有高导体的突然消失,波速的变化也明显有别。这表明由于郯庐断裂带的大规模平移运动,使两侧不同块体相接触,岩石圈结构明显不同。郯庐断裂带内显示出了软流圈明显上拱。从理论上讲,软流圈上涌与相应的岩石圈减薄对应着浅部伸展盆地的发育。实际上,郯庐断裂带及其旁侧的软流圈上隆与浅部的断陷盆地是一一对应的,表明断裂带下软流圈上隆及相应的岩石圈减薄是发生在强烈的伸展活动之中。在郯庐断裂带的伸展活动期间,地壳浅部出现了大规模的断陷盆地,而深部则发生着强烈的软流圈上隆、岩石圈减薄,从而断裂带下的岩石圈发生了显著的细颈化。这一岩石圈细颈化主要是使岩石圈地幔减薄,而地壳由于壳-幔之间的耦合并无显著减薄。郯庐断裂带陡立的断裂面及正下方出现的软流圈上隆,指示其伸展活动属于纯剪模式。因而,郯庐断裂带早白垩世-早古近纪伸展活动的岩石圈动力来自深部强烈上隆的软流圈。

郯庐断裂带是在韧性剪切带基础上叠加的脆性断裂，经历了左行走滑及右行拉张等不同演化阶段。据研究（王喻，2001；朱光等，2001），郯庐断裂形成于中生代的早白垩世，断裂带内糜棱岩、超糜棱岩和千糜岩等获得了128～132Ma的坪年龄，代表了郯庐断裂左行走滑变形的冷却年龄。该断裂是滨太平洋的陆内平移断裂，而不是大别-胶南造山带同造山的转换断层或斜向缝合边界，与中朝板块与扬子板块的碰撞作用没有直接的关系。从更大的范围看，在250～220Ma期间，沿秦岭-大别-苏鲁造山带发生了强烈的大陆深俯冲和碰撞作用，形成了超高压-高压变质带，在165～140Ma期间，开始受西太平洋板块的向西俯冲作用和中国东部近南北向力的共同影响，形成了中国东部由近东西向构造向北东、北北东方向构造的转变。郯庐断裂带正是在这一构造背景下形成的。郯庐断裂在不同地段的走滑距离不同，但最大不超过100～40km（王喻，2001）。与郯庐断裂相仿的还有团麻断裂、南襄断裂等北北东向断裂。由于这些断裂以及造山带中造山期后伸展塌陷及岩浆作用的影响，使得秦岭-大别-苏鲁造山带自西至东逐级抬升，剥露程度逐渐加深。在秦岭地区，变质基底之上还较广泛地保留了中奥陶—泥盆纪具陆缘构造层序的沉积地层，而在桐柏和大别地区则实属罕见；相反，由大别到桐柏，再到秦岭，即由东到西，燕山期的岩浆活动愈来愈弱，出露的岩浆岩体越来越少。上述秦岭与桐柏-大别地区抬升程度的差异大体上以南襄盆地为界，而盆地的西界与大兴安岭-太行山重力梯度带吻合，即桐柏-大别地区受中-新生代构造的影响更为强烈。

白垩世以来，伴随着强烈的伸展塌陷、揭顶和陆内造山作用，秦岭-大别-苏鲁造山带内广泛发育了多方向分布的隆升伸展、裂陷盆地和大规模的岩浆活动，形成了北东向的隆起与凹陷带及一系列平行造山带延长方向和垂直于造山带延长方向的断裂（如造山带的边界断裂以及切割造山带的郯庐断裂等）。盆地主要沿断裂发育，沿大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带，受垂直于造山带延长方向断裂的控制，形成了了一系列SN-NNE向的盆地，如洛阳-伊川、南阳和卢氏盆地等；但在该梯度带两侧的盆地则多为近EW向，如西峡、商丹和山阳等盆地，明显受平行造山带延长方向的断裂所控制。盆地的这种空间分布格局，体现了区域构造和深部构造过程的变化。沿上述重力梯度带出现了新生代含深源捕虏体的幔源岩浆，如鹤壁和汝阳等地的碱性橄榄玄武岩、碧玄岩和其中的幔源捕虏体等都是上述深部构造背景的反映。