廬斷裂帶的力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)渤海灣盆地形成的影響

廬斷裂帶的力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)渤海灣盆地形成的影響

龍城-廬江斷層是中國(guó)大陸東部的一條古老而廣泛的斷層帶。它經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的進(jìn)化過(guò)程，跨越了中國(guó)東部的三個(gè)古代板塊和兩個(gè)重要造山帶。它對(duì)區(qū)域構(gòu)造、沉積古地理、巖漿活動(dòng)、金屬成礦、含油氣盆地和地震活動(dòng)都有影響。從1923年譚錫疇在莒縣發(fā)現(xiàn)南北向正斷層,到1956年904航磁隊(duì)正式命名為郯城—廬江異常帶延續(xù)到今天,引起國(guó)內(nèi)外許多地學(xué)者的關(guān)注,發(fā)表論文200多篇,召開過(guò)4次全國(guó)性及若干區(qū)域性學(xué)術(shù)討論會(huì),從各種角度論述郯廬斷裂形成、演化、延伸、切割深度、走滑位移量、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、斷裂帶與內(nèi)生金屬成礦作用和地震作用的關(guān)系,取得許多豐碩的成果和真知灼見。1長(zhǎng)江北緣合作斷裂帶郯廬斷裂以其醒目的地貌-地質(zhì)標(biāo)志出露在中國(guó)大陸東部,是一條切穿不同大地構(gòu)造單元的斷裂帶。它是一條線性延伸、產(chǎn)狀陡立、切穿地殼的巨型斷裂帶,總體走向NNE,在我國(guó)境內(nèi)綿延2400多km。它從沈陽(yáng)往北經(jīng)依蘭—伊通斷裂,抵黑龍江畔,出國(guó)境入俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū);往南延至長(zhǎng)江北岸的廣濟(jì)附近消失(圖1)。但徐嘉煒等認(rèn)為,在長(zhǎng)江以南出現(xiàn)的修水—衡陽(yáng)斷裂帶與東興—靈山斷裂帶,以及其間的雁列斷裂系,屬郯廬斷裂南延部分,并一直南延到越南北部鴻基港北面,方被NW向紅河斷裂切割,可能是太平洋板塊與歐亞板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的平移斷裂系,其規(guī)模宏偉巨大,超過(guò)3600km。本文研究范圍,依據(jù)地質(zhì)特征和衛(wèi)星影像,北起黑龍江邊的肇興縣,南達(dá)長(zhǎng)江北岸的廣濟(jì)縣,分為北、中、南三段討論。1.1晚侏羅世前的斷裂帶北起黑龍江邊的肇興縣,南到昌圖縣,走向NE40°～45°,延伸約800km,相當(dāng)依蘭-伊通斷裂部位,為中-新生代地塹,寬5～10km。其中充填4000～5000m白堊紀(jì)至古近紀(jì)的火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖夾煤層。作為郯廬斷裂北段的依蘭—伊通斷裂,晚侏羅世前即已存在。早二疊世末,西伯利亞板塊與中朝板塊沿錫拉木倫河碰撞,形成吉黑褶皺系,發(fā)育大量華力西期花崗巖,并產(chǎn)生許多與德爾布干大斷裂平行的NE和NNE向大斷裂,前者如敦化—密山大斷裂,后者如依蘭—伊通大斷裂、孫吳斷裂等。其中依蘭—伊通斷裂,作為以后盆地發(fā)展控制的邊界斷裂,如在晚侏羅世為興安嶺火山盆地區(qū)的東界,早白堊世也為控制松遼盆地發(fā)展的東界斷裂。因而可視郯廬斷裂北段,是在華力西期吉黑褶皺帶NE向斷裂地質(zhì)構(gòu)造背景上發(fā)展起來(lái)的,可能是郯廬斷裂后期向NNE追蹤形成的繼承性斷裂。1.2魯中—中段(昌圖—嘉山)從昌圖縣向南過(guò)下遼河平原、渤海區(qū)、魯中山地、蘇北平原,到淮河南岸附近,止于嘉山—響水?dāng)嗔?全長(zhǎng)約1200km。本段為郯廬斷裂的主體,呈NNE走向,切穿太古—中元古代結(jié)晶基底組成的中朝古板塊。根據(jù)新生代活動(dòng)的差異,郯廬斷裂中段又可以近EW向的龍口—黃河斷裂為界,分為南、北兩個(gè)亞段(下遼河—渤海區(qū)為北亞段,魯中—蘇北區(qū)為南亞段)。北亞段自始新世開始,同華北裂陷區(qū),共同發(fā)展成為渤海灣盆地,在渤中坳陷第三紀(jì)沉積最厚可達(dá)10km,為紫紅、暗灰、黑灰色的陸相砂、泥巖,沿?cái)嗔寻橛辛压刃再|(zhì)的堿性玄武巖噴發(fā);在構(gòu)造上成為兩塹夾一壘的格局,對(duì)遼河大油田和渤中大油田的形成起著重要作用(圖2)。南亞段在山東境內(nèi)發(fā)育4條平行的主斷裂,在魯中沂河、沭河谷構(gòu)成寬20～40km的兩塹夾一壘構(gòu)造,稱為沂沭斷裂帶,其中充填4～5km的白堊紀(jì)火山巖和火山碎屑沉積巖,缺失第三紀(jì)沉積。郯廬斷裂中段中朝板塊東部,據(jù)對(duì)斷裂兩側(cè)青白口系展布的研究,認(rèn)為“郯廬斷裂中段在青白口系之前即已存在”。后經(jīng)∈-O2地臺(tái)碳酸鹽巖沉積,斷裂兩側(cè)沉積環(huán)境有所差異。晚石炭世的濱淺海相沉積,淹沒了郯廬斷裂。二疊紀(jì)陸相華北盆地形成時(shí),郯廬斷裂東側(cè)隆起形成膠遼山地,未發(fā)現(xiàn)斷層平移現(xiàn)象。迄今在魯東未發(fā)現(xiàn)古生代地層,推測(cè)從青白口紀(jì)晚期至古生代為隆起區(qū),未接受沉積。也就是說(shuō)郯廬斷裂中段,是在中朝板塊古老斷裂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1.3合肥斷裂南緣晚構(gòu)造帶和子塊內(nèi)部構(gòu)造差異從嘉山沿池河經(jīng)肥東龍泉山西麓,過(guò)巢湖后,抵達(dá)廬江西邊,直切大別山東南麓,終止于長(zhǎng)江北岸的廣濟(jì)附近,NNE向延伸,全長(zhǎng)約650km。郯廬斷裂在南段位于中朝板塊與揚(yáng)子板塊的結(jié)合帶上,一般都具寬幾十米至上百米的主破碎帶,而動(dòng)力變質(zhì)及其影響帶更寬,可達(dá)數(shù)千米。郯廬斷裂繼續(xù)南延進(jìn)入揚(yáng)子板塊后,成為大別碰撞帶和下?lián)P子坳陷間的界線,走向從NNE轉(zhuǎn)為NE向,傾向由原來(lái)的NW向轉(zhuǎn)為SE向,斷面直立,并顯示早期壓扭性為主,后期張扭性為主的斷裂帶,它主要發(fā)育在中、下元古界的變質(zhì)巖系中,形成5～7km的動(dòng)力變質(zhì)帶。郯廬斷裂南段處于中朝板塊和揚(yáng)子板塊東緣分界線的構(gòu)造背景中,若以嘉山—響水?dāng)嗔岩员钡哪z南造山帶和朝鮮半島的京畿造山帶,作為中朝板塊和揚(yáng)子板塊在印支期的碰撞帶,郯廬斷裂南段正處在秦嶺—大別造山帶和膠南—京畿造山帶之間的左旋扭動(dòng)位置,有些學(xué)者認(rèn)為是印支期碰撞形成的走滑斷層,作者認(rèn)為是華力西期切過(guò)南秦嶺洋的一條轉(zhuǎn)換斷層發(fā)展起來(lái)的。也就是說(shuō)郯廬斷裂南段晚古生代即已存在。2新生代構(gòu)造問(wèn)題郯廬斷裂演化涉及秦嶺—大別造山帶與朝鮮半島的地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系,也涉及到東太平洋板塊中新生代演化的影響,因而是個(gè)復(fù)雜的構(gòu)造問(wèn)題,目前許多問(wèn)題還不清楚。本文擬在前人研究基礎(chǔ)上提出4期演化階段和有關(guān)動(dòng)力學(xué)背景討論。2.1晚二疊世“地裂運(yùn)動(dòng)”事件郯廬斷裂南段為轉(zhuǎn)換斷層發(fā)育階段。晚古生代揚(yáng)子古板塊內(nèi)部及其周邊發(fā)生過(guò)一次強(qiáng)烈的拉張運(yùn)動(dòng),晚二疊世峨眉山玄武巖噴發(fā)達(dá)到高潮,筆者稱之為“峨眉地裂運(yùn)動(dòng)”事件,表現(xiàn)在揚(yáng)子古板塊北緣,有一個(gè)東西向小洋盆(或次深海裂陷槽),西起勉縣、略陽(yáng),向東可能經(jīng)過(guò)萬(wàn)源、巫溪到下?lián)P子區(qū),如下?lián)P子區(qū)在晚二疊世發(fā)育深?！紊詈７派湎x硅質(zhì)巖(圖3)。裂陷槽沉積特征一直延續(xù)到中三疊世,推測(cè)這時(shí)郯廬斷裂南段可能是小洋盆中發(fā)育的一條NNE向的轉(zhuǎn)換斷層,將小洋盆錯(cuò)開,當(dāng)時(shí)小洋盆總的走向?yàn)镹W向,后經(jīng)印支期的改造,廣濟(jì)以東轉(zhuǎn)為NE向。2.2造山帶形成膠南碰撞帶揚(yáng)子板塊向中朝板塊以斜面楔狀擠入碰撞,導(dǎo)致郯廬斷裂東盤開始右行走滑,在東西兩側(cè)分別形成膠南和大別碰撞帶。中三疊世末的印支早幕,古太平洋板塊,可能沿長(zhǎng)樂(lè)—南澳斷裂帶發(fā)生俯沖,導(dǎo)致華南地區(qū)大部分抬升,形成內(nèi)陸隆起和坳陷;向北的推擠作用,使下?lián)P子地區(qū)向秦嶺—大別造山帶俯沖,形成大別碰撞帶,以東形成膠南碰撞帶。據(jù)李曙光、劉德良對(duì)張八嶺群中的藍(lán)閃石片巖和大別山榴輝巖同位素年齡研究,年齡值分別為245Ma(40Ar/39Ar)和221～224Ma(Sm-Nd),表明大別碰撞帶發(fā)生的時(shí)期為三疊紀(jì)的印支期。晚三疊世—中侏羅世(T3—J2),隨著揚(yáng)子古板塊對(duì)中朝板塊的碰撞持續(xù)進(jìn)行,在大別山碰撞帶的南、北緣淮南地區(qū)和下?lián)P子地區(qū)分別形成前陸盆地,郯廬斷裂東側(cè)的膠南碰撞帶,在其南北緣,也形成類似的前陸盆地。本階段演化的動(dòng)力學(xué)背景是中國(guó)西南特提斯洋于印支中期(T2末)沿金沙江—哀牢山俯沖帶從西南方向推擠揚(yáng)子古板塊,東南的庫(kù)拉洋板塊可能沿長(zhǎng)樂(lè)—南澳俯沖帶,從東南方向推擠揚(yáng)子古板塊,二者的合力迫使揚(yáng)子古板塊向中朝板塊俯沖,秦嶺洋最后關(guān)閉,沿秦嶺—大別造山帶的東段早已存在并切過(guò)秦嶺洋的轉(zhuǎn)換斷層,發(fā)生錯(cuò)動(dòng),形成郯廬斷裂的左旋走滑初始階段。2.3差異運(yùn)動(dòng)造成的直向基本斷層郯廬斷裂從南向北逐步貫通,成為巨型橫錯(cuò)斷裂(tearfault——在逆沖過(guò)程中,差異運(yùn)動(dòng)造成的直立平移斷層,見1983年地質(zhì)辭典)。當(dāng)時(shí)中國(guó)大陸東南緣,庫(kù)拉板塊沿南北向轉(zhuǎn)換斷層,分段向亞洲東部俯沖,導(dǎo)致郯廬斷裂南段成為“橫錯(cuò)斷裂”,并向中段早已存在的基底斷裂和北段的依蘭—伊通斷裂追蹤發(fā)展成為貫通中國(guó)東部的巨型斷裂。2.4中-小型斷陷盆地階段郯廬斷裂中段強(qiáng)烈拉張,形成渤海灣盆地。晚白堊世至古近紀(jì),在大興安嶺—太行山—雪峰山重力梯度帶以東(包括海域),發(fā)生過(guò)一次廣泛的地殼拉張運(yùn)動(dòng),稱為“華北地裂運(yùn)動(dòng)”。華南地區(qū)運(yùn)動(dòng)規(guī)模小,除江漢和蘇北盆地外,多為古斷裂復(fù)活形成的一些中-小型斷陷盆地,如南昌、百色等盆地。華北地裂運(yùn)動(dòng)形成的渤海灣盆地,是以郯廬斷裂為主體的NNE向和NW向基底斷裂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的裂谷盆地(古近紀(jì)斷陷,新近紀(jì)和第四紀(jì)坳陷)。這時(shí)郯廬斷裂中段比較活躍,不僅在渤中坳陷斷層條數(shù)增加,地殼下坳,新生代巨烈沉降,沉積厚度超過(guò)10km(圖2),而且在深部地幔上隆,地殼厚度減薄僅28km,形成鏡像反映,顯示地幔柱活動(dòng)特征。這時(shí)動(dòng)力學(xué)演化的背景,太平洋板塊大約在38～40Ma開始,從NNW向轉(zhuǎn)為NWW向運(yùn)動(dòng),西太平洋的轉(zhuǎn)換斷層轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛭鞲_的消減帶,中國(guó)東部沿海在晚白堊世—古近紀(jì)的被動(dòng)陸緣轉(zhuǎn)為活動(dòng)陸緣,太平洋板塊沿日本—琉球海溝向西俯沖。更深層次的構(gòu)造背景容后討論。3龍谷斷裂的深部巖石圈特征3.1認(rèn)同桐斷裂的巖石圈地球物理特征據(jù)近年來(lái)在中國(guó)東部做的橫切郯廬斷裂的地球物理大剖面,從巖石圈縱波速度和電性結(jié)構(gòu)特征,可看出郯廬斷裂在北、中、南段反映不一樣(圖4)1。北段剖面在黑龍江省尚志附近通過(guò)郯廬斷裂(依蘭—伊通斷裂,圖4-A)。兩側(cè)地殼速度和電性結(jié)構(gòu)截然不同,東側(cè)地殼結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,速度等值線沒有顯著變形,下地殼存在高導(dǎo)層;西側(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,速度等值線變形顯著,下地殼存在很厚的高導(dǎo)層。郯廬斷裂不是地殼厚度變化帶,是一條高角度西傾的斷裂,處在幔隆與幔坳的過(guò)渡帶,上地幔比松遼盆地大慶附近厚約24km。中段的北亞段剖面在下遼河坳陷通過(guò)郯廬斷裂(圖4-B)。斷裂西側(cè)下地殼速度等值線向東翹起,殼內(nèi)沒有低速層和高導(dǎo)層;斷裂東側(cè)下地殼速度等值線向下傾,中地殼內(nèi)發(fā)育低速層和高導(dǎo)層。郯廬斷裂帶在此處也不是地殼厚度變化帶,顯示一條陡直的斷裂帶,但其地幔出現(xiàn)上隆,與地表下遼河裂谷盆地對(duì)應(yīng)。中段南亞段剖面在臨沂、連云港附近通過(guò)(圖4-C)。斷裂東側(cè)在中、下地殼存在低速層,西側(cè)則沒有;莫霍面不連續(xù),表明有破碎帶象征;速度等值線顯示郯廬斷裂為陡直的斷裂帶,其下的上地幔軟流圈出現(xiàn)局部上隆。另?yè)?jù)HQ17地質(zhì)、地物綜合解釋剖面也在附近通過(guò),在下地殼出現(xiàn)高導(dǎo)層,郯廬斷裂傾角直立,其下軟流圈上隆幅度可達(dá)10km,其特征可與圖4-C對(duì)應(yīng)。南段剖面在大別山和下?lián)P子區(qū)通過(guò)郯廬斷裂(圖4-D)。斷裂西側(cè)殼內(nèi)反射層密集,上地殼反射體向東傾,下地殼反射體近水平,未見莫霍面反射層,顯示太古代大別巖體及其深部復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。斷裂東側(cè)殼內(nèi)反射層稀疏,上地殼西傾,下地殼反射微弱,在莫霍面附近存在兩組強(qiáng)反射,郯廬斷裂直立。在東側(cè)地殼內(nèi)部存在一系列東傾逆斷層,莫霍面明顯向大別山碰撞帶下俯沖,表明有來(lái)自東邊的擠壓作用。在下?lián)P子地區(qū),有HQ-05等剖面通過(guò),仍見郯廬斷裂帶斷面直立,軟流圈有下插之勢(shì)。從上述北、中、南三段巖石圈地球物理特征可看出:(1)郯廬斷裂是切穿地殼進(jìn)入地幔的深大斷裂,傾角近直立,顯示張扭斷層性質(zhì);但在南段又顯示壓扭性斷層特征。(2)郯廬斷裂在北段和南段,與深部地幔上隆無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系;在中段與地幔上隆有對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此可認(rèn)為渤海灣盆地地幔上隆可能與郯廬斷裂活動(dòng)關(guān)系不大,而另有原因。3.2型鋼vs低頻異常帶郯廬斷裂中段是構(gòu)造最活躍地區(qū),許多地學(xué)者認(rèn)為是控制渤海灣裂谷盆地形成的因素,若放在東亞巖石圈構(gòu)造背景上考慮,這個(gè)論點(diǎn)值得探討。朱介壽等(1998～2002)利用歐亞及西太平洋地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)資料,進(jìn)行地震面波層析成像反演,研究地球內(nèi)部各圈層三維結(jié)構(gòu)模型2,發(fā)現(xiàn)東亞至西太平洋間深70～250km范圍內(nèi),存在寬約2500～4000km、南北長(zhǎng)約12000km的巨型vs低速異常帶。該異常帶在大陸上北從俄羅斯沿海地區(qū),南經(jīng)中國(guó)東北、華北、下?lián)P子地區(qū)以及東南沿海、黃海、東海大陸架;在海域包括千島海盆、日本海、沖繩海槽、南海、菲律賓海、蘇祿海、蘇拉威西海、班達(dá)海等邊緣海盆;更西還涉及婆羅洲和中南半島。在這個(gè)廣闊的范圍內(nèi)和70～250km深度內(nèi),存在巨型地震低速異常帶,朱介壽等稱為“東亞巨型裂谷系”(圖5)2。異常帶的軟流圈內(nèi)存在“極低速帶”,因其地幔物質(zhì)輕、溫度高,具有較強(qiáng)的浮力,容易向上發(fā)生物質(zhì)流變,在巖石圈底部發(fā)生拆沉減薄作用,導(dǎo)致除使上部巖石圈拉張減薄外(在本區(qū)僅有50～80km),還會(huì)以多個(gè)地幔柱形式上拱地殼,使其張裂,導(dǎo)致基性巖漿沿?cái)嗔焉嫌?形成裂谷盆地。在郯廬斷裂中、南段的山東、江蘇、安徽境內(nèi)和渤海灣盆地各油田鉆井中,出現(xiàn)大量新生代玄武巖,即是證明。依此可認(rèn)為,渤海灣裂谷盆地形成,與渤中坳陷存在地幔柱上拱、拉張活動(dòng)有關(guān),而與郯廬斷裂運(yùn)動(dòng)關(guān)系不大,當(dāng)時(shí)的郯廬斷裂在東亞巨型裂谷系背景條件下,僅在中段發(fā)生強(qiáng)烈的拉張作用而已。4結(jié)論和問(wèn)題4.1合肥斷裂演化(1)郯廬斷裂是中國(guó)一條著名的延伸遠(yuǎn)、超殼深大斷裂,很多學(xué)者認(rèn)為是中、新生代發(fā)育的一條扭動(dòng)大斷裂。若從發(fā)育歷史和形成的區(qū)域構(gòu)造背景分析,它是在北、中、南段不同古斷裂背景基礎(chǔ)上由南向北追蹤發(fā)展起來(lái)的大斷裂,而與太平洋板塊和歐亞板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的平移大斷裂無(wú)直接關(guān)系。(2)郯廬斷裂演化有4個(gè)階段:①南段晚古生代峨眉地裂期秦嶺小洋盆中轉(zhuǎn)換斷層發(fā)育階段;②印支期中、南段沿NE向轉(zhuǎn)換斷層活動(dòng),東盤推擠,西盤左旋扭動(dòng)階段;③燕山期全斷裂由南至北追蹤古斷裂全面貫通階段;④早喜山期中段劇烈拉張階段。(3)郯廬斷裂雖是超殼深大斷裂,從整體看僅在中段地幔有微弱上隆趨勢(shì),但非斷裂拉張所引起,而是因“東亞巨型裂谷系”軟流圈中存在“超低速帶”活動(dòng),在渤海灣盆地產(chǎn)生地幔柱上拱,引起郯廬斷裂在中段擴(kuò)張位移所致。從而可認(rèn)為渤海灣盆地形成與郯廬斷裂關(guān)系不大,而與地幔柱上拱關(guān)系密切。4.2問(wèn)題1若把郯廬斷裂帶作為巨型扭動(dòng)斷裂帶對(duì)待,存在以下令人費(fèi)解的問(wèn)題,值得討論。(1)中段構(gòu)造斷裂大多數(shù)地學(xué)者認(rèn)為是中、新生代形成的一條大型左旋走滑斷層,或是本文質(zhì)疑的晚元古代以來(lái)發(fā)育的一條“似追蹤繼承性的區(qū)域斷裂”。筆者認(rèn)為:北段的依蘭—伊通斷裂,華力西運(yùn)動(dòng)后即已存在;中段斷裂可能在青白口系之后就存在,作為中朝板塊東部晚元古代到早古生代沉積分布的邊界斷層;南段斷裂在晚古生代為橫切南秦嶺洋的轉(zhuǎn)換斷層。這些古老斷裂經(jīng)過(guò)印支期至燕山期,因華南板塊向中朝板塊俯沖、碰撞,由南向北全面貫通?？梢赃@樣認(rèn)為:郯廬斷裂具有發(fā)展和演化的長(zhǎng)期性,空間展布的分段性,活動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)風(fēng)格的多變性,歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、追蹤、改造形成。(2)合肥斷裂走滑斷距徐嘉煒認(rèn)為郯廬斷裂在中段最大水平位移量為740km,10年后仍堅(jiān)持郯廬斷裂有740km平均位移量,中段位移量最大,南段位移量最小,在尾部廣濟(jì)的位移量接近于零;其后一些學(xué)者根據(jù)斷裂兩側(cè)的沉積、構(gòu)造、航磁、基底巖石學(xué)等單項(xiàng)學(xué)科對(duì)比研究,