歐亞大陸東緣存在一個巨型深斷裂系統(tǒng)——基于衛(wèi)星重力的新發(fā)現(xiàn)

黃宗理, 王　典, 嚴加永, 張　懷

1)中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037; 2)國土資源部咨詢研究中心, 北京 100035; 3)中國地質(zhì)大學(北京), 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室, 北京 100083; 4)中國科學院計算地球動力學重點實驗室, 北京 100049

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歐亞大陸東緣存在一個巨型深斷裂系統(tǒng)——基于衛(wèi)星重力的新發(fā)現(xiàn)

黃宗理1, 2), 王典3), 嚴加永1)*, 張懷4)

1)中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037; 2)國土資源部咨詢研究中心, 北京 100035; 3)中國地質(zhì)大學(北京), 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室, 北京 100083; 4)中國科學院計算地球動力學重點實驗室, 北京 100049

摘要:通過對衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的精細處理, 發(fā)現(xiàn)歐亞大陸東緣存在一個規(guī)則分布的重力異常組合, 這個異常組合與中國大陸上的已知斷裂嚴格對應。SinoProbe探測計劃實施的反射地震探測出這些斷裂下方存在Moho破裂, 幔源物質(zhì)上涌, 剩余重力異常, 莫霍面破裂, 高密度的幔源物質(zhì)上涌和深斷裂之間存在密切聯(lián)系。依照這個聯(lián)系規(guī)律, 對已有斷裂的延伸補充, 顯示出歐亞大陸東緣存在一個巨型深斷裂系統(tǒng), 主斷裂帶南起中國廣州向北延伸直至鄂霍次克海, 綿延逾3000 km。沿主斷裂帶東側(cè)近似等間距的平行分布著9條北東向斷裂, 北東向斷裂向東入海至大陸邊緣。采用數(shù)值方法模擬了斷裂系統(tǒng)的形成過程, 在菲律賓板塊和太平洋板塊近NW方向構(gòu)造力的作用下, 歐亞大陸東緣產(chǎn)生NNE向走滑斷層, 其東側(cè)生成彼此平行, 間距大體相等的派生斷層。斷層形成過程中, Moho破裂, 大量地幔物質(zhì)上涌, 形成中國東部中生代以來的巨量火山巖漿活動, 控制了內(nèi)生金屬礦床的分布。這個斷裂系統(tǒng)近代還在活動, 導致了郯城8.5級大地震和長白山的火山噴發(fā)。

關(guān)鍵詞:衛(wèi)星重力異常; 斷裂系統(tǒng); 歐亞大陸

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41574133; 41104061)和國家深部探測技術(shù)與實驗研究專項(編號: SinProbe-08)聯(lián)合資助。

由于重力測量可以提供大面積的宏觀圖像和深部地質(zhì)體的信息, 利用重力場研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的成果越來越多, 如劉光鼎等(1997)根據(jù)重力場特征提出中國大陸具有“三橫、兩豎、兩個三角”的宏觀格架; 滕吉文等(1982)給出了“中國地殼構(gòu)造的基本輪廓”; 馬宗晉等(2006)使用重力水平梯度分析了中國大陸的地質(zhì)構(gòu)造; 侯遵澤和楊文采(1997)使用重力場的小波變換研究中國的地殼構(gòu)造; 涂廣紅等(2006)使用剩余重磁異常研究東北地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造; 路曉翠等(2012)用小波變換重力資料研究郯廬斷裂等。在對重力場的研究中, 一般認為布格重力異常是由Moho面起伏和地殼內(nèi)部局部密度不均勻兩種因素引起的。不同尺度的重力異常對應不同規(guī)模的地質(zhì)體, 區(qū)域重力異常主要反映了大尺度Moho面的起伏變化, 而地殼內(nèi)局部密度不均勻體則形成局部重力異常。

我們在研究歐亞大陸東部地區(qū)的衛(wèi)星重力場時,對布格重力異常進行了區(qū)域場和局部重力異常的分離。發(fā)現(xiàn)在一定尺度的空間域濾波或一定頻帶寬度的頻率域濾波后, 得出的剩余重力異常在歐亞大陸東部邊緣地區(qū)出現(xiàn)了一個彼此平行、間距相等的規(guī)則組合。進一步的研究發(fā)現(xiàn), 這些剩余重力異常在中國大陸上的部分與已知的地質(zhì)斷裂完全重合。

1　數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)地理位置見圖1a, 經(jīng)緯度范圍為105°—145°E, 20°—55°N。使用的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)源自美國全球衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)庫, 數(shù)據(jù)編制日期是2011年6月22日, 數(shù)據(jù)網(wǎng)度1′×1′。經(jīng)過對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的去噪濾波, 中間層改正和地形改正后, 得到研究區(qū)布格重力異常如圖1b。

本文研究布格重力異常中的局部異常, 重點是Moho附近小尺度變化引起的局部重力異常。為消除區(qū)域場的影響, 分別采用空間域的滑動窗口濾波和頻率域的高通濾波兩種算法, 空間域中逐次選擇濾波窗口邊長為14′、16′、18′、20′、22′、24′、26′,頻率域中逐次選擇濾波波長分別是100 km、200 km、300 km、400 km進行試驗。最后確定采用空間域算法, 濾波窗口大小確定為20′×20′(約相當于30 km×30 km)。計算得到的區(qū)域重力異常如圖1c和剩余重力異常如圖1d。比較圖1b、c、d三張重力圖可見, 剩余重力異常圖1d已經(jīng)有效地消除了區(qū)域場的影響。

為檢驗衛(wèi)星重力異常的可靠性, 任選四條剖面將從衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算出的剩余重力異常與使用地面測量重力數(shù)據(jù)計算出的剩余異常進行對比。從L1線、L3線、L4線和L5線衛(wèi)星重力求取的剩余布格重力異常和地面重力求取的剩余異常對比結(jié)果(圖2),可以看出這兩種方法得到的剩余重力異常吻合較好,說明使用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)計算剩余重力異常是可行的,計算出的結(jié)果具有較高的可靠性。

2　剩余重力異常分布特征及其與地質(zhì)斷裂的對應關(guān)系

剩余重力異常在中國東部出現(xiàn)兩條明顯的北北東向的條帶狀異常(圖3), 一條沿大興安嶺、太行山、武陵山一線, 異常強度高規(guī)模大, 近南北向的條帶異常在華北地塊北緣, 以及揚子與華北地塊交界處被東西向異常所截斷, 這一個剩余異常帶對應的是中國東部著名的重力梯度帶, 馬宗晉等(2006)認為這個重力梯度帶反映了地殼的陡變, 梯度帶兩側(cè)地殼厚度變化達10 km。

第二個條帶狀異常南起廣州, 經(jīng)南昌, 南京,穿過長江, 經(jīng)山東半島, 過渤海灣, 經(jīng)沈陽, 長春,哈爾濱, 從佳木斯以北出境, 沿黑龍江下游進入鄂霍次克海, 綿延逾3000 km。這個近南北向異常在中國東北, 走向轉(zhuǎn)為北東。異常東側(cè)(含異常北段)共有9條走向北東的正異常, 這九條異常彼此平行,兩條異常之間的距離大體相等, 異常向東伸向大陸邊緣, 9條異常構(gòu)成一個奇妙的規(guī)則組合。平行①號近南北向主體異常做一條縱剖面AB, 在剖面上剩余重力異常的規(guī)則分布規(guī)律表現(xiàn)得更加清楚(圖4)。

將剩余重力異常圖與中國主要斷裂圖(程裕琪, 1994)疊合在一起, 由圖3可以看出:

①號重力異常南段與贛江斷裂, 中段與郯城廬江斷裂, 北段與依蘭—舒蘭斷裂相對應;

圖1　研究區(qū)地理位置圖(a)、研究區(qū)布格重力異常圖(b)、研究區(qū)區(qū)域重力異常圖(c)和研究區(qū)剩余重力異常圖(d)Fig. 1　Geographic location of the study area (a), Bouguer gravity anomaly (b), regional gravity anomaly (c) and residual gravity anomaly (d)

圖2　衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)與地面重力數(shù)據(jù)對比圖Fig. 2　Comparison between satellite gravity and ground gravity

②號重力異常與廣州北東向斷裂對應;

③號重力異常與邵武—河源斷裂相對應;

④號重力異常與紹興—萍鄉(xiāng), 景德鎮(zhèn)—宜豐斷裂帶相對應;

⑥號重力異常與揚子陸塊北緣斷裂帶相對應;

⑦號重力異常與商南—榮成板塊縫合帶相對應;

⑧號重力異常與鴨綠江斷裂相對應;

⑨號重力異常對應敦化—密山斷裂。

圖3　剩余重力異常與斷裂疊合圖Fig. 3　Overlap map of residual gravity anomaly and faults

圖4　AB剖面的剩余重力異常(紅圈表示剩余重力異常編號)Fig. 4　Residual gravity anomaly along AB profile (red circle indicates serial number of residual gravity)

9條重力異常中, 有8條在中國大陸境內(nèi)都和已知斷裂吻合得較好, 只有⑤號異常目前沒有已知斷裂與之對應。⑤號異常從南京沿長江入海。已有人根據(jù)該區(qū)各種地球物理信息, 指出長江下游至泰州為一隱伏深斷裂帶(陳毓川, 2007)(暫稱為長江下游隱伏斷裂)。石油地質(zhì)工作也已在⑤號異常海域部分發(fā)現(xiàn)了一組斷裂(馬文璞, 1992)。

3　剩余重力異常的地球物理解釋

圖5　穿過依蘭—舒蘭斷裂的剩余重力剖面(a)與反射地震圖像(b)Fig. 5　Residual gravity profile (a) and seismic reflection image (b) across the Yilan–Shulan fault

圖6　穿過敦化—密山斷裂的剩余重力剖面(a)與反射地震圖像(b)Fig. 6　Residual gravity profile (a) and seismic reflection image (b) across the Dunhua–Mishan fault

引起重力異常的根本原因是地下存在著高密度物體, 9條重力異常與已知斷裂的嚴格對應說明在這些斷裂下方有高密度物體沿著斷裂分布。問題在于這種綿延數(shù)千千米的條帶狀高密度物體是什么？SinoProbe-02專項最近完成的東北和華南兩條深地震反射剖面測量, 獲得了包含Moho面的地殼的精細圖像, 給出了對重力異常的解釋結(jié)果。

圖5是切過依蘭—舒蘭斷裂的反射地震圖像與剩余異常剖面L1, 在雙程走時12秒附近連續(xù)的Moho反射波界面十分清晰, 但在依蘭—舒蘭斷裂下方, 原來連續(xù)的Moho面出現(xiàn)破裂, Moho在破裂處隱隱形成一個直徑約3秒(9 km)的橢圓, 向上隆起約4 km, 其上方出現(xiàn)一系列復雜波形一直貫穿到地表, 構(gòu)成一個垂直的花狀構(gòu)造, 從Moho直到地面依蘭—舒蘭斷裂(熊小松等, 2011)。地震圖像清晰地描繪出依蘭—舒蘭斷裂切穿了地殼, 斷裂下方的Moho破裂上隆, 密度較大的幔源物質(zhì)由破裂處上涌進入地殼, 在地殼內(nèi)形成幔源和殼?；旌系膸r漿巖巖體, 隆起的Moho和高密度的基性巖漿巖體產(chǎn)生了剩余重力異常。理論計算表明, Moho隆起1 km可產(chǎn)生約3 mGal重力異常, 隆起的Moho和高密度巖漿巖體沿斷裂走向分布, 形成與已知斷裂嚴格對應的條帶狀剩余重力異常。地震圖像中的花冠狀斷裂則是走滑斷層的典型表現(xiàn)。

圖7　穿過贛江斷裂的剩余重力剖面(a)與反射地震圖像(b)Fig. 7　Residual gravity profile (a) and seismic reflection image (b) across the Ganjiang fault

圖6是切過敦化—密山斷裂的地震圖像與剩余異常剖面L2, 圖7是切過贛江斷裂的地震圖像與剩余異常剖面L3。地震圖像的特點和依蘭—舒蘭斷裂完全相同, 說明敦化—密山斷裂和贛江斷裂也是切穿地殼的深斷裂, 深斷裂下的Moho破裂, 幔源物質(zhì)上涌形成了剩余重力異常, 典型的花狀構(gòu)造表示這兩條斷層也是走滑斷層(熊小松等, 2009)。

①號異常中段目前還沒有深達Moho面的反射地震資料, 史大年等(2012)對切過⑤號異常做的人工地震寬角反射/折射測量, 橫穿過郯廬斷裂和長江下游隱伏斷裂, 地震測量結(jié)果在斷裂下方Moho有約4 km的隆起。朱日祥等(2010)在渤海灣附近做過多條人工地震寬角反射/折射測量, 有兩條剖面分別切過依蘭—舒蘭斷裂南端和郯廬斷裂山東段,在這些斷裂下方, 地震也測出Moho有明顯的隆起和幔源物質(zhì)上涌。雖然人工地震寬角反射/折射不能提供如同反射地震那樣清晰的地殼結(jié)構(gòu)圖像, 但斷裂下方存在Moho破裂、局部隆起以及幔源物質(zhì)上涌是清楚的。

地震測量揭示出剩余重力異常和斷裂之間的內(nèi)在聯(lián)系: 斷裂切穿Moho, Moho破裂隆起, 幔源物質(zhì)上涌, 形成剩余重力異常, 剩余重力異常和深斷裂是密切相關(guān)的統(tǒng)一體, 故可以根據(jù)剩余重力異常確定深斷裂。目前已知的斷裂都是根據(jù)地面地質(zhì)工作確定的, 只能在陸地上劃定, 也很難了解斷裂的深度。而衛(wèi)星可以在陸域和海域以相同網(wǎng)度和精度進行重力測量, 由此計算出的剩余重力異常能夠追蹤斷裂的延伸, 判斷斷裂的深度, 給出陸域和海域里斷裂的全貌, 彌補地面地質(zhì)工作的不足。

4　歐亞大陸東緣的深斷裂體系

依照剩余重力異常與斷裂的對應關(guān)系, 可將在中國大陸上地質(zhì)已經(jīng)劃定的斷裂沿剩余重力異常向中國境外和海域自然延伸, 把已知的斷裂補充完整。

①號異常北段對應的依蘭—舒蘭斷裂帶, 從剩余重力異?？磻虮毖由斐鼍? 沿黑龍江下游進入鄂霍次克海。①號異常從南端的廣州到北端進入鄂霍次克海, 整體是連續(xù)的, 說明①號異常所對應的贛江斷裂帶, 郯廬斷裂帶, 依蘭—舒蘭斷裂帶, 從南到北整體上是連續(xù)的。這個連續(xù)的斷裂帶在衛(wèi)星地形圖上也可清晰識別。

②、③、④號三條重力異常對應的廣州北東向斷裂、邵武—河源斷裂、紹興—萍鄉(xiāng)和景德鎮(zhèn)—宜豐斷裂均位于中國華夏地塊之內(nèi), 對這一地區(qū)的構(gòu)造存在較多的不同認識。從重力異?？? 以①號異常南段的贛江斷裂為界, ②、③、④三條異常與①號異常南段的贛江斷裂一起構(gòu)成了一個與西側(cè)不同的系統(tǒng)。前人也已發(fā)現(xiàn)贛江斷裂東西兩側(cè)晚中生代火山巖的分布是不同的(毛建仁, 2013)。該區(qū)還分布著一系列平行于海岸線的斷裂, 從重力異?？此鼈兒廷?、③、④號異常對應的深斷裂也不是一個系統(tǒng),而且沒有切穿地殼。

④號異常對應的紹興—萍鄉(xiāng), 景德鎮(zhèn)—宜春斷裂帶, ⑤號異常對應的長江下游隱伏斷裂帶, ⑥號異常對應的揚子陸塊北緣斷裂帶, ⑦號異常對應的商南—榮成板塊縫合帶應當向東延伸進入大海, 直至大陸邊緣。

⑧號異常對應的鴨綠江斷裂的主體應在沿遼東半島海岸線的海里, 斷裂的東段沿中朝邊界并穿過長白山火山地區(qū)。

⑨號異常與敦化—密山斷裂完全對應。

綜合以上地質(zhì)已經(jīng)劃定的斷裂和根據(jù)剩余重力異常對已知斷裂的追蹤補充, 可以看出歐亞大陸東部邊緣有一條南起廣州北至鄂霍次克海的深斷裂帶, 斷裂帶的東側(cè), 沿北東方向自南向北依次排列著廣州北東向斷裂、邵武—河源斷裂、紹興—萍鄉(xiāng)和景德鎮(zhèn)—宜豐斷裂、長江下游隱伏斷裂、揚子陸塊北緣斷裂, 商南—榮成板塊縫合帶、鴨綠江斷裂、敦化—密山斷裂、依蘭—舒蘭斷裂。這些斷裂彼此平行, 間距大體相等(300 km), 向東延伸至歐亞大陸邊緣。北東向斷裂與郯廬斷裂和贛江斷裂一起構(gòu)成一個巨型深斷裂系統(tǒng)。

圖8　數(shù)值模擬模型參數(shù)圖Fig. 8　Parameters of numerical simulation model

圖9　斷層形成過程的數(shù)值模擬示意圖Fig. 9　Numerical simulation of fault system formation process

圖10　G點位置圖Fig. 10　10 G point location map

圖11　剩余重力異常與鉛同位素圖Fig. 11　Residual gravity anomaly and lead isotope

5　巨型深斷裂帶系統(tǒng)的數(shù)值模擬

將歐亞大陸作為一個整體, 西部穩(wěn)定不變, 東部邊緣考慮為自由邊界, 根據(jù)Critical Coulomb Wedge theory, 采用經(jīng)典的剖面上的棱柱體模型。模型參數(shù)以及示意圖如圖8。底部為滑脫層, 推力施加在左側(cè)的塊體邊緣, 不考慮塊體以及滑脫面上的內(nèi)聚力, 取地殼的平均密度為ρ=2900 kg/m3。根據(jù)實際地質(zhì)體, 模型的外部邊界的控制參數(shù)如下:

圖12　剩余重力異常與成礦區(qū)帶圖Fig. 12　Residual gravity anomaly and metallogenic belt

β=0.2°,Li=400km,αi=10°,L=3700km,α=0.01°, He=111km,Le=3000km,αe=0.01°

取φB=30°,φD=3°,φRf=15°, 模擬結(jié)果是: 在南北向力的作用下, 先生成了廣州北東向的斷裂,隨著繼續(xù)向北推擠, 相繼形成了邵武—河源斷裂、紹興—萍鄉(xiāng)和景德鎮(zhèn)—宜豐斷裂、推測的長江下游隱伏斷裂、揚子陸塊北緣斷裂, 商南—榮成縫合帶的再次激活, 鴨綠江斷裂, 隨后斷層在后盤的近端再次激活, 然后在前緣再次生成敦化—密山斷裂以及最后一個依蘭—舒蘭斷裂的北段, 斷層形成過程見圖9。

數(shù)值模擬還給出了斷裂的間距和每條斷裂平移的距離。圖10中的G點表示南北向斷裂與北東向斷裂交匯點的位置, 由此可見這9條近北東方向斷層以等間距排列, 間距約為300 km, 各條斷層自南向北逐漸位移, 華南移動的較少, 到商南—榮成板塊縫合帶時移動約550 km, 到依蘭—舒蘭斷裂北端時移動約900 km。

6　巨型深斷裂系統(tǒng)上的地球化學現(xiàn)象

張理剛等(1993)根據(jù)巖石中鉛的同位素數(shù)據(jù)的差異, 將中國東部大陸劃分為不同的地塊, 他稱其為不同的地球化學省(圖11), 對比地球化學圖和剩余重力異常圖可見, 根據(jù)地球化學數(shù)據(jù)劃出的地塊分界和根據(jù)地球物理資料劃分的斷裂位置十分一致,以①號南北向重力異常為界, 東西兩側(cè)的地球化學分界在走向, 形態(tài)上完全不同, 說明東西兩側(cè)的地球化學差異很大。在東側(cè), ②、④、⑥、⑦、⑧號剩余重力異常的位置和地球化學省的邊界幾近完全重合。地球化學和地球物理從不同的角度說明了同樣一個地質(zhì)事實: 中國東部存在一個巨型深斷裂系統(tǒng), 組成斷裂系統(tǒng)的各條斷裂之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系, 表現(xiàn)在物理上則是Moho面的局部隆起和規(guī)則重力異常分布, 表現(xiàn)在化學上則是由于深部物質(zhì)上涌造成的化學元素的分區(qū)差異, 以及化學分區(qū)邊界與物理劃分邊界的一致性。

7　巨型深斷裂系統(tǒng)對金屬礦床分布的控制作用

黃宗理和嚴加永(2011)根據(jù)礦床密集分布地區(qū)的形狀將中國金屬礦成礦帶分為線狀成礦帶和面狀成礦區(qū)兩類(圖12)。線狀成礦帶長度可達上千km,寬度只有50 km至100 km, 面狀成礦區(qū)則比線狀成礦帶寬得多。線狀成礦帶多處于板塊邊界或縫合帶上, 地質(zhì)上表現(xiàn)為深大斷裂, 有條帶狀剩余重力異常存在。面狀成礦區(qū)主要分布在在中國東部的東北,山東, 華南等地。為什么會產(chǎn)生面狀成礦區(qū), 當時不太清楚。從本文分析來看, 其實中國東部的幾個面狀成礦區(qū)本質(zhì)上就是一個——由九條斷裂組成的中國東部巨型深斷裂系統(tǒng)。就每一條斷裂而言, 其地質(zhì)地球物理背景和線狀成礦帶是相同的, 成礦問題的實質(zhì)都是斷裂切穿地殼, 深部幔源物質(zhì)上涌,提供了成礦的物質(zhì)源和能量源, 物理上表現(xiàn)為Moho隆起和重磁異常, 地質(zhì)上表現(xiàn)為斷裂和巖體控礦。因為各條斷裂相距不遠, 幾條斷裂的綜合作用, 就表現(xiàn)為面狀成礦區(qū)了。①號北段和⑨號異常組成東北成礦區(qū), ①號中段和⑦號異常組成山東成礦區(qū), ②到⑤號異常組成長江中下游和華南成礦區(qū)。

目前已經(jīng)在⑦號異常帶發(fā)現(xiàn)了山東巨型金礦帶, ⑤號異常帶上發(fā)現(xiàn)了著名的長江中下游成礦帶,④號異常帶上發(fā)現(xiàn)了德興等巨型銅礦, 在③號異常帶發(fā)現(xiàn)了紫金銅金礦集區(qū)。最近在依蘭—舒蘭斷裂和敦密斷裂控制的東北小興安嶺地區(qū), 發(fā)現(xiàn)了一系列大型鉬礦和鎢礦, 在油氣勘查中也有很重要的新發(fā)現(xiàn)。從找礦角度看, 這9條異常都應當重視, 尤其是在異常的交會部位更值得關(guān)注。

常印佛和鄧晉福(2013)提出, 從大別到臺灣存在3個隆起區(qū)和3個凹陷區(qū), 依次為大別隆起, 下?lián)P子凹陷, 江南隆起, 浙贛凹陷, 武夷隆起, 永梅凹陷, 三條凹陷區(qū)中火成巖以幔源物質(zhì)為主, 形成了一套親幔元素組合, 控制了區(qū)內(nèi)大型鐵銅金礦集區(qū)。對照本文可見, 下?lián)P子凹陷對應⑤號剩余重力異常異常, 浙贛凹陷對應④號重力異常, 永梅凹陷大體與②號③號重力異常的東段相對應。三隆三凹的本質(zhì)其實是巨型深斷裂系統(tǒng)在江南部分的反映。

8　討論

根據(jù)數(shù)值模擬可以給出斷裂系統(tǒng)的形成模型:已經(jīng)拼合為整體的歐亞大陸, 在中生代時受到菲律賓板塊和太平洋板塊近NNE方向構(gòu)造力的作用,其東部邊緣地區(qū)首先沿薄弱地區(qū)斷開, 贛江斷裂被重新激活, 斷裂東部地塊向北滑移, 進而形成郯廬斷裂和依蘭—舒蘭斷裂, 構(gòu)成一條縱貫南北的走滑斷層帶。處于自由狀態(tài)的斷層帶東盤, 在由南向北滑動中遞次產(chǎn)生一系列派生斷層, 派生斷層彼此平行, 間距大約等于300 km。在東盤整體向北移動的過程中, 發(fā)生過多期次的擠壓和伸展的交替過程,造成大量地幔物質(zhì)沿斷裂帶上涌, 形成中國東部中生代以來的巨量火山巖漿活動。

目前一般認為郯廬斷裂向北穿過渤海進入了東北, 但是否向南穿過長江則看法不一。本文依據(jù)地球物理探測的衛(wèi)星重力和深部地震資料, 認為郯廬斷裂是九條斷裂組成的巨型深斷裂系統(tǒng)的一部分,從整體分析長江以南的贛江等斷裂也屬于這個系統(tǒng)。

數(shù)值模擬顯示(圖10)在商南—榮成板塊縫合帶處, 地塊向北平移約550 km, 在鴨綠江斷裂帶處移動約650 km, 敦密斷裂處向北平移了約900 km。徐嘉瑋等(1980)通過對郯廬斷裂東西兩側(cè)地塊的時代對比, 得出的商南—榮成縫合帶、鴨綠江斷裂帶的地塊平移的距離分別也是500 km和700 km左右,說明數(shù)值模擬結(jié)果是正確的。敦密斷裂的平移距離目前還沒有得到觀測數(shù)據(jù)證實。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,地塊在東北長距離的移動, 將會產(chǎn)生如逆沖、地塊疊合等一系列復雜的地質(zhì)現(xiàn)象, 這對最近在小興安嶺地區(qū)火山巖下發(fā)現(xiàn)油氣顯示, 對敦密斷裂和依蘭舒蘭斷裂之間殘存的老地塊的來源等問題, 也許都可以提出新的思路。

按照數(shù)值模擬的結(jié)果, 9條斷裂由南向北形成時代依次變新。一般認為大的斷裂都是長期、多次構(gòu)造活動的累積結(jié)果。目前的地質(zhì)研究認為贛江斷裂形式于古生代, 活躍于侏羅紀到白堊紀。郯廬斷裂開始形成于三疊紀244~209 Ma, 依蘭—舒蘭斷裂和敦化—密山斷裂形成于中侏羅世170~180 Ma。和數(shù)值模擬的結(jié)果總體一致。當然整個斷裂系統(tǒng)的形成演化過程及其動力學問題還需要更多地質(zhì)工作的驗證。

9　結(jié)論

(1)衛(wèi)星重力測量提供了包含陸域和海域統(tǒng)一網(wǎng)度和精度的重力異常, 對衛(wèi)星布格重力異常進行分離后, 發(fā)現(xiàn)隱藏在區(qū)域異常背后的剩余重力異常呈現(xiàn)出規(guī)則分布的異常組合現(xiàn)象: 一條南北向異常貫穿整個中國大陸東部, 在南北向異常東側(cè), 派生出9條北東向異常, 向東伸向大海, 這9條異常彼此平行, 間隔相等, 與南北向異常共同構(gòu)成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。

(2)高精度反射地震測量結(jié)果表明, 剩余重力異常是深斷裂下方Moho破裂、幔源物質(zhì)上涌造成的,深斷裂、Moho隆起和剩余重力異常三者密切相關(guān),可根據(jù)重力異常對原來只在陸地上劃定的斷裂向海域和境外追蹤補充, 補充完整后的斷裂組合顯示中國東部存在一個巨型深斷裂系統(tǒng): 主斷裂近南北向,南起廣州, 跨長江, 過渤海, 北出中國國境, 沿黑龍江下游入鄂霍次克海。斷裂北段和東側(cè)共有9條北東向斷裂, 北東向斷裂彼此平行, 間隔大致相等,向東延伸至大陸邊緣, 斷裂都是切穿Moho面的深斷裂。

(3)采用計算機數(shù)值模擬了巨型深斷裂系統(tǒng)的形成過程, 模擬表明歐亞板塊東緣, 在中生代時受到水平方向力的作用, 沿近南北向產(chǎn)生走滑斷裂,斷裂東盤自南向北滑動, 主斷裂的東側(cè)生成一系列派生斷層, 派生斷層基本平行, 間距大體等于300 km。每條斷裂都切穿了地殼, 地幔物質(zhì)上涌,形成整個中國東部的巨型火山巖漿活動。

(4)巨型深斷裂系統(tǒng)控制著中國東部金屬礦產(chǎn)的分布, 構(gòu)成東北、山東、華南三個面狀成礦區(qū)。9條異常上已經(jīng)找到巨量金屬礦產(chǎn), 深入分析9條異常及相互關(guān)系可以發(fā)現(xiàn), 這里仍然存在著巨大的找礦潛力。

(5)巨型深斷裂系統(tǒng)在近代還有活動, 發(fā)生過1668年的郯城8.5級大地震、海城1975年7.3級地震、長白山的火山噴發(fā)等。巨型深斷裂系統(tǒng)地處太平洋板塊的西岸, 與太平洋東岸的圣安德烈斯斷層遙相呼應, 但遠比其宏大。由于中國人口最密集,經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)都處在這個巨型斷裂系統(tǒng)之上,需予以高度關(guān)注。

致謝: 感謝中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所高銳研究員、熊小松副研究員, 中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所史大年研究員提供的地震測量資料, 感謝中國地質(zhì)科學院董樹文研究員, 中國地質(zhì)大學(北京)姚長利教授對本文寫作的支持和幫助, 感謝中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所汪杰碩士協(xié)助繪制了大部分插圖, 感謝兩位匿名審稿人提出的建設性意見。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41574133 and 41104061) and the Science and Technology Project (No. SinProbe-08).

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A Huge Deep Fault System at the East Edge of Eurasia: The New Tectonic Interpretation Based on Satellite Gravity

HUANG Zong-li1, 2), WANG Dian3), YAN Jia-yong1)*, ZHANG Huai4)
1) MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Consulting & Research Center Ministry of Land and Resources, Beijing 100035; 3) Key Laboratory of Geo-detection, Ministry of Education, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 4) Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Abstract:Through the subtle processing of satellite gravity data, a regular distribution of gravity anomaly combination was found at the east edge of Eurasia. In order to study geological significance of the combination of these anomalies, the authors adopted gravity inversion based seismic constraints, and the result shows that there exist positive relationships between the discovered gravity anomaly, the uplift of the Moho and the deep fault. According to the gravity anomalies and geological information, the authors found a huge deep fault system at the east edge of Eurasia. The main fault stretches more than 3000 km from Guangzhou northward to the sea of Okhotsk. On the eastern side of the main fault zone, there are 9 parallel faults distributed approximatelybook=26,ebook=29equidistantly; these faults trend NE and extend to the continental margin into the sea. The authors used numerical simulation method to verify the formation of this fault system: under the horizontal action of force, SN-trending strike slip faults were generated in the east of Eurasian Continent, and then a series of transform fault deep into the lithosphere came into being. In the formation process of the fault system, a large quantity of mantle matter surged upward, resulted in the uplift of Moho, and then triggered massive volcanic- magmatic activities after Mesozoic in eastern China and controlled the distribution of endogenic metallic deposits. The fault system remains active at present, which led to the magnitude 8.5 earthquake in Tancheng and volcanic eruption in the Changbai Mountains.

Key words:satellite gravity anomaly; fault system; Eurasia

*通訊作者:嚴加永, 男, 1977年生。副研究員。主要從事深部礦產(chǎn)資源探測。

作者簡介:第一 黃宗理, 男, 1947年生。高級工程師。現(xiàn)從事地球物理與成礦研究。

通訊地址:100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號。E-mail: zlhuang5653@hotmail.com。 100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號。E-mail: yanjy@163.com。

收稿日期:2015-05-11; 改回日期: 2015-09-03。責任編輯: 閆立娟。

中圖分類號:P631.123; P542.3

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.03