郯廬斷裂帶渤海段與沂沭斷裂帶銜接關(guān)系

徐盛林,張交東,周新桂,丁偉翠,李　冰,畢彩芹,王玉芳,任鳳樓,黃　松,胡衛(wèi)劍

郯廬斷裂帶渤海段與沂沭斷裂帶銜接關(guān)系

徐盛林1,2,張交東2,周新桂3,丁偉翠2,李冰2,畢彩芹3,王玉芳3,任鳳樓4,黃松5,胡衛(wèi)劍5

(1.中國地質(zhì)大學(xué),北京100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院,北京100037；3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京100029；4.中國石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營257015；5.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

以郯廬斷裂帶渤海段和沂沭斷裂帶的銜接點濰北凹陷為切入點,依據(jù)高精度大地電磁和地震剖面,解析了濰北凹陷的多條斷裂,并結(jié)合地層發(fā)育等特征,研究渤海段中生代斷裂活動及其與沂沭斷裂帶的構(gòu)造關(guān)系。研究認(rèn)為這些斷裂可能屬于不同的斷裂體系。在濰北凹陷解析出的郯西 (Fa)和郯東 (Fb)兩條斷裂為古近紀(jì)正斷裂系,呈現(xiàn)上陡下緩的勺狀形態(tài),消失在中地殼,切割部位較淺,主要控制新生界沉積。新生代正斷裂系下部發(fā)育有6條顯著的中生代斷裂 (F1—F6),為中生代伸展斷裂系,其中東 (F6)、西 (F1)兩條斷裂的斷裂面整體近直立,切穿深部的下地殼,并向下繼續(xù)延伸,與中間4條斷裂共同控制中生界沉積。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和重磁延拓等資料,推斷其向南分別與沂沭斷裂帶西支鄌郚—葛溝斷裂和東支昌邑—大店斷裂相銜接,向北伸入渤海灣盆地深部,并對淺部古近紀(jì)正斷裂系的形成演化具有明顯的約束作用。

郯廬斷裂帶渤海段;沂沭斷裂帶;中生代;斷裂體系;構(gòu)造關(guān)系

0　引言

郯廬斷裂帶是中國乃至亞洲東部的一條巨型斷裂帶,自1957年通過航磁異常發(fā)現(xiàn)以來,一直是國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)者的研究熱點。在中國境內(nèi),它南起湖北廣濟,經(jīng)安徽廬江、山東郯城,貫穿渤海海域,向北過沈陽后分為東支的密山—撫順斷裂帶和西支的依蘭—伊通斷裂帶,全長約2400 km。郯廬斷裂帶作為一條重要的構(gòu)造活動邊界,在不同歷史時期表現(xiàn)出走滑、伸展和擠壓等分期活動特點[1～4],在平面展布上整體為緩 “S”型,具有明顯的分段性[5～7],由南到北依次劃分為南段、中段和北段,渤海段歸為中段。

郯廬斷裂帶在陸地區(qū)段的出露程度較好,中生代斷裂研究程度相對較高,并取得了豐碩的研究成果[1,8～13]。而渤海段受海水覆蓋等條件制約,成果多集中于新生代[14～16],中生代斷裂活動的研究相對滯后。由于渤海段新生代構(gòu)造活動的強烈改造,現(xiàn)今的地質(zhì)構(gòu)造特征難以追尋中生代斷裂活動蹤跡,深部斷裂的一些基本問題尚不清楚,如:渤海段中生代是否發(fā)生過明顯的斷裂活動?其展布范圍在哪里?這些中生代斷裂與沂沭斷裂帶是如何銜接的?中生代和新生代的斷裂活動具有怎樣的構(gòu)造關(guān)系?因此,明確郯廬斷裂帶渤海段中生代斷裂活動及其與沂沭斷裂帶的構(gòu)造關(guān)系,將為郯廬斷裂帶構(gòu)造演化研究提供一條新的思路,對深化渤海灣盆地演化動力學(xué)背景具有重要的意義。

1　地質(zhì)簡況

郯廬斷裂帶渤海段縱貫渤海 (見圖1),其南端起自山東濰坊,穿過濰北、萊州灣、渤中、遼東灣,北達遼寧沈陽,海域延伸長度約400 km,整體上為一個北北東向的斷裂帶系[6,13,15],空間展布呈現(xiàn) “三段、兩支”特征。以秦皇島—旅順斷裂和張家口—蓬萊斷裂為界,渤南凸起及其以南的萊州灣地區(qū)為南段,渤南凸起至渤東凸起地區(qū)為中段,渤東凸起及其以北的遼東灣地區(qū)為北段[5～6,17～19]。兩支分別為東支和西支:東支斷裂帶自濰北凹陷東部斷裂,向北依次經(jīng)過渤東凸起東部邊界和遼東凸起東部邊界,進入遼寧地區(qū)；西支斷裂帶由濰北凹陷西部斷裂,向北依次經(jīng)過渤東凸起西部邊界和遼西凸起西部邊界,進入遼寧地區(qū)[15,19]。郯廬斷裂帶渤海段發(fā)育在穩(wěn)定的華北克拉通內(nèi)部,基底主要由古老的太古界和元古界變質(zhì)巖系構(gòu)成,上部覆蓋古生界、中生界和新生界,其中寒武—奧陶系和石炭—二疊系兩套地層主要分布在渤海段的以西地區(qū),而在渤海段以東地區(qū)則不發(fā)育；上覆的上侏羅—下白堊統(tǒng)主要發(fā)育在各隆起周圍地區(qū)；由于新生代強烈的構(gòu)造作用,該區(qū)段的新生界沉積厚度差異較大。

沂沭斷裂帶與渤海段相連 (見圖1),南端起自安徽省嘉山,經(jīng)江蘇進入山東郯城,北達山東濰坊,延伸長度約260 km,寬度20～30 km。野外斷裂特征明顯[20～22],整體上為一北北東向斷裂系,自西向東主要有鄌郚—葛溝、沂水—湯頭、安丘—莒縣、昌邑—大店4條大致平行的主干斷裂,呈 “兩塹夾一壘”的構(gòu)造格局。由于早白堊世發(fā)生強烈的伸展活動,沂沭斷裂帶發(fā)育有大量的斷陷盆地[23],沿斷裂帶分布有中生代的堿性火山巖、噴出巖和新生代的超基性侵入巖、玄武巖。地貌以丘陵山地為主,東側(cè)為蘇魯造山帶和膠萊凹陷區(qū),西側(cè)為魯西隆起和徐宿弧狀構(gòu)造,主要填充了白堊紀(jì)以來的火山碎屑沉積巖,向南與中、新生代嘉山盆地相連,向北與濰北凹陷相接。

2　斷裂剖面構(gòu)造體系特征

由于郯廬斷裂帶渤海段受秦皇島—旅順、張家口—蓬萊兩條大斷裂的影響和新生代強烈的構(gòu)造作用,淺部斷裂發(fā)育極其密集,單條斷裂帶的延伸規(guī)模較小,方向變化較大,主干斷裂不顯著,難以體現(xiàn)中生代斷裂活動蹤跡,與沂沭斷裂帶的銜接關(guān)系不清晰。濰北凹陷位于沂沭斷裂帶和郯廬斷裂帶渤海段之間,是連接兩者的理想紐帶,故本文著重通過對渤海段濰北凹陷高密度電法數(shù)據(jù)和反射地震剖面特征的研究,結(jié)合已有的地質(zhì)資料,分析其深部斷裂結(jié)構(gòu)特征,探索與沂沭斷裂帶的銜接關(guān)系。

圖1　郯廬斷裂帶渤海段及沂沭斷裂帶地質(zhì)圖 (據(jù)文獻[1～2,11]修改)Fig.1　A geological map showing the Bohai segment fault and Yishu fault zone

通過郯廬斷裂帶渤海段大地電磁剖面圖 (見圖2a),可以清楚地觀察到渤海段在地殼各部位存在明顯的電性差異,總體呈現(xiàn)高、低阻相間。沿剖面自西向東將該區(qū)劃分為3個構(gòu)造單元,依次對應(yīng)魯西隆起區(qū)、郯廬斷裂帶渤海段的濰北凹陷、魯東隆起區(qū)的膠北隆起。魯西隆起區(qū)整體表現(xiàn)為中、低阻體相間,電性變化較為明顯,主要為中生界和太古界結(jié)晶基底的反映；濰北凹陷表現(xiàn)為低阻體,主要為中生界和新生界的反映；魯東隆起表現(xiàn)為高阻體,主要為前中生界和巖漿巖的反映。反射地震剖面圖 (見圖2b)中的Fa、Fb兩條斷裂切割部位較淺,呈現(xiàn)上陡、下緩的勺狀形態(tài),消失在中地殼,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和地層發(fā)育情況(見圖2c),認(rèn)為Fa、Fb分別與郯西斷裂和郯東斷裂[24]相對應(yīng),為古近紀(jì)正斷裂系。F1—F6是一系列深部斷裂,其高、低阻界面顯示這些斷裂帶整體近直立,位于新生代正斷裂系下部。其中F1和F6是2條新發(fā)現(xiàn)的深大斷裂,切穿深部的下地殼,并向下繼續(xù)延伸,中間4條斷裂 (F2—F5)切割較淺,但是它們共同控制淺部中生界沉積,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和地層發(fā)育情況 (見圖2c),認(rèn)為這些斷裂為中生代伸展斷裂系,推斷其形成于晚中生代中國東部區(qū)域性伸展背景下。

圖2　郯廬斷裂帶渤海段地質(zhì)-地球物理綜合剖面圖Fig.2　Geological-geophysical profiles of the Bohai segment fault

3　渤海段深部斷裂展布蹤跡及其與沂沭斷裂帶的關(guān)系

沂沭斷裂帶是郯廬斷裂帶最早研究的主要區(qū)段之一,其主要認(rèn)識基本得到廣大研究者的認(rèn)同[19～23,25]。已有的地質(zhì)資料表明,沂沭斷裂帶自西向東依次為鄌郚—葛溝、沂水—湯頭、安丘—莒縣、昌邑—大店4條大致平行的中生代主干斷裂,劃分為蘇村地塹、汞丹山地壘、莒縣地塹3個構(gòu)造單元,整體上呈現(xiàn) “兩塹夾一壘”的構(gòu)造格局 (見圖1)。這4條主干斷裂以高角度切穿深部的下地殼,并向下繼續(xù)延伸。在其淺部沿主干斷裂發(fā)育有一系列近于平行的次級斷裂,形成復(fù)雜的塹壘構(gòu)造。結(jié)合地質(zhì)剖面 (見圖3)特征分析認(rèn)為,這些斷裂同屬于晚中生代伸展斷裂系,共同控制沂沭斷裂帶中生界的沉積。

圖3　沂沭斷裂帶中段地質(zhì)剖面圖 (據(jù)國家地震地質(zhì)研究所,1987)Fig.3　Geological profile of the middle Yishu fault belt

以往的研究認(rèn)為濰北凹陷的郯西 (Fa)和郯東 (Fb)兩條斷裂帶 (見圖2)與沂沭斷裂帶相銜接[24],但是根據(jù)上述沂沭斷裂帶和郯廬斷裂帶渤海段地質(zhì)-地球物理綜合剖面圖的解譯分析,發(fā)現(xiàn)這兩段斷裂帶除展布方向相似外,它們的形成時代、力學(xué)性質(zhì)和切割深度等特征均存在顯著差異,屬于不同的斷裂體系,因此本文不建議將這兩段斷裂帶銜接到一起。然而在渤海段新發(fā)現(xiàn)的F1、F6兩條斷裂帶卻與沂沭斷裂帶西支鄌郚—葛溝斷裂和東支昌邑—大店斷裂有著極其相似的特征,兩者平面上的構(gòu)造線均為北北東向,剖面上都近直立、切穿下地殼,表現(xiàn)為地塹—半地塹結(jié)構(gòu),同屬于晚中生代伸展斷裂系,故認(rèn)為郯廬斷裂帶渤海段F1、F6兩條斷裂帶分別與沂沭斷裂帶西支鄌郚—葛溝斷裂和東支昌邑—大店斷裂相銜接。郯廬斷裂帶渤海段南段上延10 km重力異常圖 (見圖4)顯示,濰北凹陷兩側(cè)邊界依然呈現(xiàn)明顯的線性梯度帶,與新發(fā)現(xiàn)的F1、F6兩條斷裂帶相對應(yīng),并向西南延伸,與沂沭斷裂帶相連,進一步證實了上述推斷。

受淺部復(fù)雜構(gòu)造體的影響,郯廬斷裂帶渤海段局部航磁異常變化顯著,嚴(yán)重干擾對深部斷裂的研究。為突出地殼深部斷裂特征,便于追蹤其向南的展布蹤跡,對航磁數(shù)據(jù)進行了上延處理。結(jié)合渤海段中生代活動斷裂的特征,分別作上延5 km、10 km和20 km處理 (見圖5)。未作上延處理的航磁異常圖 (見圖5a)顯示,渤海段淺部構(gòu)造體發(fā)育復(fù)雜,方向變化較大,主干斷裂發(fā)育不顯著；隨著上延處理的加大,淺部復(fù)雜地質(zhì)體的影響逐漸消除,使得深部格局簡單明了,構(gòu)造格架清晰可見 (見圖5b—5d)。渤海段航磁異常在東西方向上具有明顯的分帶性,自濰北—渤中向南,有一條整體呈北北東向的航磁異常梯度帶,推斷此處深部存在一條沿此方向展布的斷裂帶。結(jié)合郯廬斷裂帶渤海段在濰北凹陷的斷裂剖面特征(見圖2)和已有的地質(zhì)資料,認(rèn)為該處深部斷裂與郯廬斷裂帶渤海段位置相對應(yīng),可能為中生代斷裂帶。因此,認(rèn)為郯廬斷裂帶渤海段深部斷裂以濰北凹陷為中心,向南分別與沂沭斷裂帶西支鄌郚—葛溝斷裂和東支昌邑—大店斷裂銜接,向北深入渤海灣盆地深部。

圖4　郯廬斷裂帶渤海段南段上延10 km重力異常圖Fig.4　The map of gravity anomaly extension 10 km of the south Bohai segment fault

4　渤海段中、新生代斷裂的構(gòu)造關(guān)系

郯廬斷裂帶歷經(jīng)多次強烈的構(gòu)造運動,演化時間和空間跨度大,斷裂格局十分復(fù)雜,渤海段不同區(qū)段斷裂帶的發(fā)育情況、幾何形態(tài)和斷裂結(jié)構(gòu)都有明顯的差異。其淺部地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜,斷裂極其發(fā)育,沿主斷裂發(fā)育有一系列橫向不連續(xù)、規(guī)模小、特征不同的伸展斷裂構(gòu)造[26]。渤海灣盆地東部新生代主斷裂為近東西向,北斷南超,且多為鏟式斷裂,而且單條延伸范圍較小、方向多有變化,一般消失于中地殼,其構(gòu)造形變主要集中在上地殼。在遼中、遼東和萊州灣等地區(qū)淺部地層中發(fā)育有大量規(guī)模較小的負(fù)花狀構(gòu)造系[1,27],橫向上表現(xiàn)為一系列分支斷裂依附于主干斷裂向兩側(cè)發(fā)散的正斷裂系,縱向上表現(xiàn)為眾多分支斷裂依存在近垂直的主干斷裂上,向外撒開。這些負(fù)花狀構(gòu)造在淺部傾角較緩,向下變陡,垂直斷距較小,代表渤海段新生代發(fā)生明顯的伸展變形。渤中地區(qū)發(fā)育有滾動背斜[27],其規(guī)模相對較小,主要發(fā)育在主斷裂帶的上盤,呈不對稱狀,靠近斷裂帶的一翼較陡,遠離斷裂帶的一翼較緩,由于受后期強烈的構(gòu)造作用,被大量的斷層切割。遼中凹陷發(fā)育反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶[6,18],主要由遼中凹陷中央一條規(guī)模巨大的陡傾走滑斷裂引起凹陷中地層反轉(zhuǎn)導(dǎo)致。

在發(fā)育規(guī)模、延伸方向和斷層產(chǎn)狀等方面,濰北凹陷淺部斷裂與上述眾多新生代斷裂有所差異,但都屬于上地殼尺度的新生代正斷裂系。而這些正斷裂系的出現(xiàn)與深部斷裂帶之間是否有著制約-響應(yīng)關(guān)系呢?結(jié)合郯廬斷裂帶渤海段地質(zhì)-地球物理綜合剖面圖 (見圖2)不難看出,這些淺部構(gòu)造確實與深部近直立的斷裂帶擁有良好的對應(yīng)關(guān)系。郯廬斷裂帶兩側(cè)的魯西隆起區(qū)和魯東隆起區(qū)深部無近直立的伸展斷裂系,淺部則未發(fā)育明顯的正斷裂系,而渤海段斷裂帶深部存在近直立的伸展斷裂系,淺部則對應(yīng)發(fā)育有正斷裂系,故認(rèn)為這些深部的中生代構(gòu)造制約淺部新生代正斷裂系的演化。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,中國東部在晚中生代總體呈南東—北西向拉張狀態(tài),巖石圈發(fā)生大規(guī)模的伸展減薄活動,渤海段產(chǎn)生近直立的伸展斷裂系,形成地塹—半地塹構(gòu)造,為新生代的構(gòu)造演化和地層沉積奠定了基礎(chǔ)。在新生代區(qū)域性構(gòu)造過程中,先期存在的中生代斷裂作為控制斷裂,在其基礎(chǔ)上發(fā)育一系列新生代正斷裂,構(gòu)成現(xiàn)今的淺部正斷裂系。

圖5　郯廬斷裂帶渤海段航磁異常圖Fig.5　Aeromagnetic anomaly map of the Bohai segment fault

5　結(jié)論

本文主要以郯廬斷裂帶渤海段與沂沭斷裂帶的銜接關(guān)系為關(guān)鍵點,依據(jù)高精度大地電磁和地震資料,輔以重磁異常數(shù)據(jù),結(jié)合已有的地質(zhì)資料,通過對濰北凹陷斷裂剖面特征及重磁異常上延處理結(jié)果的分析,明確了郯廬斷裂帶渤海段中生代斷裂活動位置與展布方向,探索了該段深、淺構(gòu)造的制約-響應(yīng)關(guān)系。

高精度大地電磁和地震剖面顯示,濰北凹陷發(fā)育有多條主斷裂,可將其分為古近紀(jì)正斷裂系和中生代伸展斷裂系,其中Fa、Fb兩條斷裂屬古近紀(jì)正斷裂系,呈現(xiàn)上陡、下緩的勺狀形態(tài),消失在中地殼,切割部位較淺,主要控制新生界沉積。F1、F6兩條斷裂為中生代伸展斷裂系,位于新生代正斷裂系下部,斷裂面整體近直立,切穿深部的下地殼,并向下繼續(xù)延伸,主要控制中生界沉積。

對濰北凹陷新發(fā)現(xiàn)的兩條深部斷裂 (F1、F6)的形成時代、空間位置、斷裂特征等進行分析后認(rèn)為,兩條斷裂分別與沂沭斷裂帶西支鄌郚—葛溝斷裂和東支昌邑—大店斷裂相銜接,并通過郯廬斷裂帶渤海段南段的重力異常特征的分析加以驗證。經(jīng)過上延處理的航磁異常資料顯示郯廬斷裂帶渤海段深部斷裂帶以濰北—渤中為中心,向南沿北北東向展布,穿過濰北凹陷,與沂沭斷裂帶連接為一體。

郯廬斷裂帶渤海段深部和淺部斷裂帶在形成時代、結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育規(guī)模等方面具有明顯的差異,深部中生代伸展斷裂系對淺部新生代正斷裂系具有明顯的約束作用。由于F1—F6六條近直立的中生代斷裂的先期存在,新生代的構(gòu)造演化過程中淺部構(gòu)造主要沿著這些深大斷裂帶發(fā)生伸展變形,最終形成現(xiàn)今的淺部正斷裂系。

中、新生代郯廬斷裂帶渤海段不但具有明顯不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和斷裂體系,而且其活動位置、波及范圍等也明顯不同。雖然本文深、淺部斷裂系不能完全代表渤海段所有的深、淺部構(gòu)造特征,但可為融合不同區(qū)段斷裂特征,解決分歧提供一條新的學(xué)術(shù)探索思路。

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RELATIONSHIP BETWEEN BOHAI SEGMENT OF TANLU FAULT ZONE AND YISHU FAULT ZONE

XU Sheng-lin1,2,ZhANG Jiao-dong2,ZHOU Xin-gui3,DING Wei-cui2,LI Bing2, BI Cai-qin3,WANG Yu-fang3,REN Feng-lou4,HUANG Song5,HU Wei-jian5
(1.China University of Geosciences,Beijing 100083,China；2.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China；3.Oil&Gas Survey,China Geology Survey,Beijing 100029,China；4.Geological Scientific Research Institute SINOPEC Shengli Oilfield Company,Dongying 257015,China；5.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Bejing 100029,China)

Based on the high-precision magnetotelluric and seismic profiles,we analyzed several fractures of Weibei hollow which was the connection point of Bohai segment Fault and Yishu Fault Belt.Furthermore,integrated with stratum forming characters,we found these fractures might belong to different fault systems.We analyzed that the fault Fa and Fb were Paleogene normal faults corresponded with the west fault and east fault of the Tan-Lu fault zone.They showed steep or gentle spoon shaped morphology and disappeared in the middle crust.They controlled Cenozoic sedimentation and the cutting site was relatively shallow.Under the Cenozoic normal fault system, there were some Mesozoic faults which was called extensional fault system.The fault F1 and F6 whose fracture surface were overall suberect control Mesozoic sedimentation with other four faults. And their cutting site was relatively deep and extending downward.Integrated with regional tectonic background and Gravity-Magnetic anomaly data,we concluded that the fault F1 and F6 connected southward with Tangwu-Gegou fault and Changyi-Dadian fault and extended northward into the deep part of Bohai Bay Basin.At the same time,these Mesozoic faults constrained clearly the formation and evolution of the shallow Paleogene fault system.

Bohai segment of Tanlu fault zone；Yishu fault zone；Mesozoic；fault system；tectonic relationship

P548

A

1006-6616(2016)01-0056-10

2015-10-17

國家自然科學(xué)基金面上項目 (D0206-41372123)；全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價項目 (1211301208023-2)

徐盛林 (1991-),男,碩士研究生,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。E-mail:xushenglindizhi@163.com

張交東 (1968-),男,教授級高級工程師,博士,主要從事深部地質(zhì)和地球物理綜合研究。E-mail: dzyzjd@163.com