郯廬斷裂帶中段東西兩側地殼結構差異及構造意義研究*

林吉焱 嘉世旭 段永紅 劉保金

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

郯廬斷裂帶中段東西兩側地殼結構差異及構造意義研究*

林吉焱1)嘉世旭1)段永紅1)劉保金1)

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

郯廬斷裂帶中段的東西兩側是兩個截然不同的地質構造單元，西側屬于華北板塊的魯西隆起區(qū)，東側屬于揚子板塊的蘇魯塊體。從兩大板塊開始碰撞一直到后期的地殼強烈改造，魯西隆起與蘇魯地塊在地殼結構上存在明顯的差異。本文利用反射率方法對深地震測深寬角折射/反射記錄進行模擬計算，得到兩個塊體的一維地殼速度結構模型。通過比較發(fā)現，魯西隆起區(qū)的莫霍深度比蘇魯塊體的莫霍深度深7 km，而蘇魯塊體的平均地殼速度僅有5.94 km/s，比魯西隆起區(qū)的平均速度6.34 km/s要低許多，這與蘇魯塊體巖石圈后期經歷的強烈改造有較大關系。揚子板塊與華北板塊的相互作用，經歷了俯沖、強烈碰撞擠壓、再到后期折返、巖漿底侵以及郯廬斷裂在中生代經歷的巨大左行平移等過程，這都是地殼后期改造的原因。

郯廬斷裂;魯西隆起;蘇魯隆起;深地震測深;地殼結構

郯廬斷裂帶位于中國的東部，從黑龍江向南綿延到江西，是中國乃至亞洲最著名的一條深大斷裂。按照地理位置，可分為北段、中段和南段。本次研究區(qū)屬于郯廬斷裂的中段。

國內學者通過對郯廬斷裂帶兩盤構造形變和應力場的比較，分析了斷裂帶的形成與演化過程，提出斷裂帶經歷了1次以走滑為主、兩次以正斷層為主、3次以逆斷層活動為主的斷裂活動［1－2］;華北與揚子板塊的碰撞拼接是郯廬斷裂帶形成的構造背景，斷裂帶自中生代形成以來，經歷了長期、復雜的演化過程。經過多年的研究［3－9］，郯廬斷裂帶中生代形成時經歷過巨大的左行平移已成為共識，其中最大左行走滑斷距約430 km。

本文通過對魯西隆起區(qū)和蘇魯塊體兩次人工地震爆破資料的研究，采用人工源深地震測深處理方法，分析了來自地殼不同深度的地震波震相特征。采用反射率方法計算理論地震圖，得到了魯西隆起區(qū)和蘇魯塊體的地殼速度模型。通過比較兩個區(qū)域的地殼結構特征，分析了斷裂帶兩側的深部構造背景，為郯廬斷裂帶地殼結構研究提供依據。

1 研究區(qū)分塊地質概況

研究區(qū)位于華北與揚子兩大板塊的交接地帶，華北板塊東部的魯西隆起以及揚子板塊北部的蘇魯塊體分布于郯廬斷裂帶兩側。研究表明［10－12］，在約240～220 Ma前揚子板塊向北深俯沖到華北板塊之下，與華北地塊開始拼接，經歷了先俯沖、再折返、后上隆的構造運動階段。

魯西地塊位于華北克拉通東部，具體位于蘭考-聊城斷裂及鹽山斷裂以東，郯廬斷裂以西，新生代渤海盆地以南，中新生代合肥盆地以北。魯西地區(qū)地殼介質為規(guī)則的層狀速度結構，速度由淺至深逐漸遞增，而橫向變化不大，顯示為穩(wěn)定的構造單元。

蘇魯隆起以郯廬斷裂為西界，北達煙臺-五蓮斷裂，南至嘉山-響水斷裂。它是華北板塊與揚子板塊的交接帶，其形成與兩大板塊之間碰撞俯沖運動有關，強烈的碰撞擠壓，包括之后折返，使得這一地區(qū)形成了罕見的高壓、超高壓變質帶(UHPM)，是世界上研究陸-陸碰撞俯沖和殼幔作用的最佳場所之

一［13］。

20 世紀80年代，中國地震局參加編制全球地學斷面(GGT)計劃，完成了江蘇響水至內蒙古滿都拉地學斷面。該斷面的江蘇灌南-山東肥城段跨過郯廬斷裂段［14］，測線位置與文中的測線位置大致相當。結果顯示，魯西塊體地殼均勻成層，介質速度隨深度加深穩(wěn)定增加，地殼平均速度高(6.3 km/s)，總厚度在 33 ～34 km［15－16］;結果還顯示，從郯廬斷裂帶向東地殼厚度迅速減薄，從33 km減到29 km，再向東進入黃海海域。該地學斷面雖然比較早就給出了郯廬斷裂帶兩側的結構特征，但是受當時儀器和其他條件限制，還有一定的不足，如接收點距偏大、儀器精度低等。2007年，聊城-連云港寬角反射地震剖面揭示了魯西地區(qū)較為詳細的地殼結構，發(fā)現地殼平均速度較正常值偏高，且殼內有兩個近直立的高速體，可能與殼幔物質交換及大陸增生的深部過程有關［17］。該剖面很好地反映了郯廬斷裂西側魯西隆起的地殼結構，但是由于剖面長度的限制，并沒有給出郯廬斷裂東側的地殼結構特征。

2 郯廬斷裂帶中段兩側地殼結構差異

研究區(qū)的兩次深地震測深爆破sp8和sp2分別位于魯西地塊和蘇魯地塊的邊緣。sp8炮位于山東省寧陽縣瓷窯鎮(zhèn)大周村，sp2炮位于江蘇省阜寧縣羊寨鎮(zhèn)蘇水村。其中，sp8炮向東南方向接收，有效信號距離約300 km(圖1);sp2炮向西北方向接收，有效信號距離約250 km(圖2)。全剖面接收點距1～2 km，其中，在郯廬斷裂附近150 km范圍內點距為1 km，屬于高精度測量。

2.1 震相分析

sp2炮和sp8炮的主要震相包括結晶基底回折波Pg、Moho界面反射波PmP、上地幔頂部折射波Pn以及結晶地殼內部反射波P1、P2、P3。圖1和圖2分別標出了幾組震相的位置。

Pg震相是來源于結晶基底上部及上地殼頂部的回折波，在均勻成層的地殼結構中隨炮檢距加大視速度緩慢增加。Pg波折合到時主要受結晶基底速度及其以上沉積蓋層厚度的影響，沉積蓋層越厚，相應的到時越滯后。

殼內反射震相P1、P2、P3都屬于殼內的反射震相，P1波是緊隨Pg波后的一組反射震相，而P2和P3則是出現在P1之后，它們的追蹤距離隨區(qū)域不同變化較大，一般在50～150 km范圍內。殼內反射震相在不同地區(qū)不盡相同，有些區(qū)域可能有很多組反射震相，而有些區(qū)域可能只有1、2組反射震相。圖1和圖2中，殼內反射震相走時平穩(wěn)，呈弱反射特征。

PmP是Moho界面的反射波或臨界距離外的回折波，在地震測深剖面中的振幅通常最強，最容易識別，可靠度也最高。sp8時間剖面(圖1)中PmP震相清晰、振幅較強，顯示了殼幔邊界的一級間斷面特征。PmP折合走時在炮檢距180～190 km超前折合零線，視速度約為6.6 km/s;sp2(圖2)中PmP震相清晰、波形簡單，顯示了莫霍面上、下較明顯的速度差異。PmP震相可以追蹤到230～240 km，折合走時未超前折合零線，視速度約為6.4 km/s;在Pg走時無明顯變化的前提下，蘇魯塊體的PmP相對魯西隆起的PmP到時滯后，暗示蘇魯隆起結晶地殼底部和Moho界面的強烈改造(圖3)。

圖1 sp8炮實測資料和理論地震圖擬合(TLF為郯廬斷裂帶的位置)Fig.1 Measured data and fitted theoretical seismogram of sp8(TLF means location of Tanlu fault zone)

圖2 sp2炮實測資料和理論地震圖擬合(TLF為郯廬斷裂帶的位置)Fig.2 Measured data and fitted theoretical seismogram of sp2(TLF means location of Tanlu fault zone)

Pn震相是來自上地幔頂部的弱折射波，由于視速度高、穩(wěn)定，一般在炮檢距170～180 km以外可作為初至波被識別。在魯西隆起區(qū)Pn追蹤距離250～270 km，視速度為8.1～8.2 km/s;在蘇魯地塊可追蹤到250 km左右，視速度約7.8～8.1 km/s。

2.2 魯西隆起地殼結構特征

圖1中的人工地震測深記錄截面顯示，這一區(qū)域Pg震相清晰，折合到時0.15～0.4 s，追蹤距離80～100 km，視速度隨炮檢距增加 6.0 ～6.2 km/s，顯示了上部地殼穩(wěn)定的速度結構特征;殼內反射震相走時平穩(wěn)，呈弱反射特征;莫霍面反射波PmP震相清晰、振幅較強，顯示殼幔邊界的一級間斷面特征。PmP折合走時在炮檢距180～190 km超前折合零線，視速度約為6.6 km/s;上地幔頂部的折射Pn震相也比較清晰，追蹤距離250～270 km，視速度為8.1 ～8.2 km/s。

利用反射率方法對實測記錄的各震相走時及振幅進行擬合(圖1)，得到反映魯西隆起區(qū)地殼結構的一維平均模型(圖3)。結果顯示，魯西隆起區(qū)結晶基底埋深約2 km，沉積蓋層速度為5.0～5.2 km/s;上地殼厚約 24.5 km，平均速度約 6.18 km/s;下地殼厚度10.5 km、平均速度約6.76 km/s;地殼厚度35 km，平均速度6.34 km/s。這些特征與文獻［14－17］的結果基本一致，顯示這一地區(qū)相對穩(wěn)定，或受后期地質改造不明顯的構造特征。

圖3 魯西地塊和蘇魯造山帶地殼結構對比Fig.3 Comparison of crustal structure of Luxi Block with Sulu Orogen

2.3 蘇魯造山帶地殼結構特征

圖2中深地震測深記錄界面顯示，Pg波在蘇北盆地邊緣和蘇魯造山帶的追蹤距離約80 km，折合到時約0.7 ～1.1 s，視速度隨炮檢距增加 5.8 ～6.2 km/s，顯示穩(wěn)定的上部地殼特征;PmP震相清晰、波形簡單，顯示莫霍面上、下較明顯的速度差異。PmP震相可以追蹤到230～240 km，折合走時未超前折合零線，視速度約為6.4 km/s;上地幔頂部折射Pn震相比較清晰，可追蹤到250 km左右，視速度約7.8 ～8.1 km/s。

利用反射率方法對實測記錄的各震相走時及振幅進行擬合(圖2)，得到反映魯西隆起區(qū)地殼結構的一維平均模型(圖3)。結果顯示，郯廬斷裂中段的東側即蘇魯造山帶地區(qū)，結晶基底埋深約2.5 km，沉積蓋層速度3.0 ～5.0 km/s;上地殼厚約20.5 km，平均速度約 5.79 km/s;下地殼厚度7.5 km，平均速度6.40 km/s;地殼總厚度28 km，平均速度5.94 km/s。較薄的地殼厚度、較低的地殼平均速度［18］和低速層的存在，揭示郯廬斷裂中段東南方向的蘇魯造山帶經歷了較強烈的后期改造過程。

2.4 魯西隆起區(qū)與蘇魯造山帶地殼結構特征對比

圖3為魯西隆起和蘇魯塊體的一維平均模型，分別計算了上、下地殼的厚度和平均速度。對比分析，郯廬斷裂中段東西兩側在地殼結構上存在較大的差異:魯西地塊沉積蓋層厚約2 km，速度5.0～5.2 km/s，顯示魯西隆起區(qū)基巖露頭的高速巖性結構特征;蘇魯造山帶基底埋深約2.5 km，蓋層速度3.0 ～5.0 km/s，明顯比魯西隆起區(qū)低，顯示蘇魯造山帶新生代沉積特征;對于上地殼，蘇魯造山帶較魯西地塊在厚度上小3.5 km，平均速度也稍低，不過總體上差異不大;就中地殼而言，兩地塊厚度差異不大，蘇魯造山帶6.22 km/s的平均速度明顯低于魯西地塊6.47 km/s的平均速度;對于下地殼，兩個地塊有很大的不同，魯西地塊下地殼平均速度約6.76 km/s，而蘇魯造山帶下地殼平均速度只有6.40 km/s，這與兩個地質單元所經歷的巖石圈后期強烈改造過程有較大關系。就整個地殼而言，蘇魯造山帶莫霍深度比魯西地塊淺了約7 km，平均速度5.94 km/s也比魯西地塊的平均速度6.34 km/s低了許多。大量研究結果表明［19－20］，蘇魯造山帶的形成是揚子地塊向華北地塊俯沖的結果，強烈的碰撞擠壓和后期受到深部物質擠壓然后折返的過程，在形成高壓-超高壓變質帶的同時，對于整個地殼的改造作用也是巨大的。

3 結論

1)采用一維的正演計算方法，可以得到不同塊體內部的結構特征。通過比較深地震測深方法得到的郯廬斷裂中段東西兩側兩個塊體的一維地殼結構，揭示了魯西隆起和蘇魯造山帶在地殼結構上的明顯差異，并結合大地構造演化作出解釋。

2)圖1的PmP震相清晰、振幅較強，在續(xù)至區(qū)沒有明顯的高振幅信號;但是圖2中在140～180 km范圍內，PmP震相的續(xù)至區(qū)存在較明顯的高振幅信號，這使得PmP震相看起來不像圖1中的PmP那么清晰，也使得PmP的能量看起來比較分散。這與郯廬斷裂帶東側下地殼受改造形成的楔形反射體或者巖漿底侵有較大的關系。

3)一維地殼速度模型是近似的地殼平均速度模型，它可能無法給出地下某些局部的詳細信息，但直觀地反映了研究區(qū)兩大不同構造單元在整個地殼尺度上的差異。這充分說明，在研究不同大地構造單元的性質或演變時，一維的地殼速度模型是一種非常有效的方法，也是構建二維地殼速度結構模型的基礎。

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DIFFERENCES OF CRUSTAL STRUCTURES AND TECTONIC SIGNIFICANCE ON BOTH SIDES OF CENTRAL TANLU FAULT ZONE

Lin Jiyan1)，Jia Shixu1)，Duan Yonghong1)and Liu Baojin1)
(Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou 450002)

There are two distinct tectonic units on both sides of central Tanlu fault zone.The west sides of Tanlu fault belongs to Luxi uplift of Huabei plate，while the east sides of it belongs to Sulu block of Yangzi plate.There are obvious differences between Luxi uplift and Sulu block，which was derived from two blocks’collision and strong reformation of crust at the later geologic period.The1-D velocity models of the two blocks were obtained，using reflectivity methods and simulated calculation of deep seimic sounding wide angle reflection and refraction profiles.By The contrast analysis，show the Moho depth of Luxi uplift is deeper than that of Sulu block by 7 km，while the average velocity of crust in Sulu block is only 5.94 km/s，which is much lower than the average velocity of Luxi uplift(6.34 km/s).This is related to late strong reformation of the lithosphere in Sulu block.The collision of Yangzi and Huabei plate，subduction of the plate，strongly compression，exhumation and magma underplating.lead to this strong reformation of the crust.

Tanlu fault;Luxi uplift;Sulu uplift;DSS;crustal structure

P315.2

A

1671-5942(2014)05-0050-05

2013-09-01

國家自然科學基金項目(91014006，41174052);中國地震局地震科技星火計劃項目(XH14066Y);中國地震局地球物理勘探中心項目(RCEG201402)。

林吉焱，男，1985年生，碩士，工程師，主要從事深地震測深資料處理和解釋、深部地球物理研究。E－mail:lin_jiyan@163.com。