基于遙感和航磁多源數(shù)據(jù)研究蓮花山深大斷裂在廣東及相鄰海域的延伸

夏玲燕， 林暢松， 李筱， 胡悅

(1.中國地質(zhì)大學(北京)海洋學院，北京 100083； 2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

蓮花山斷裂帶是廣東境內(nèi)發(fā)育的一條NE向斷裂帶，為政和—大埔深大斷裂(又稱麗水—海豐斷裂)南段，是華南陸域重要的地質(zhì)構(gòu)造分界線，普遍認為是印支期的板塊縫合帶，代表古洋殼俯沖消亡的位置，同時也是古基底隆起區(qū)與晚中生代火山—沉積盆地的分界線[1-3]。自燕山期以來該斷裂帶活動強烈，對廣東地區(qū)中新生代的構(gòu)造特征及地貌、地形有明顯的控制作用。多年來學者們采用地質(zhì)、地球物理等資料對其展布和性質(zhì)開展了大量的研究，尤其是在南海海域的延伸進行了探討?；谘芯抠Y料和研究側(cè)重點的不同，對于蓮花山斷裂在廣東及在相鄰海域的延伸位置等存在不同的認識。部分學者認為蓮花山斷裂向西南方向的延伸終止于入?？?，并未延伸至海域[4-6]。部分學者認為該斷裂延伸至南海北部，但是對于具體的延伸位置有不同的看法，郭令智等[7]將蓮花山斷裂帶由萬山群島經(jīng)珠江口盆地至海南島東南海域； 張莉等[8]認為此帶大致沿萬山群島東南側(cè)經(jīng)珠江口盆地珠三坳陷延伸至瓊東南盆地，直至越南東部海岸； 王霄飛等[9]將此斷裂作為南海北部珠江口盆地與瓊東南盆地的分界； 熊盛青等[10]認為該斷裂帶經(jīng)陽江入海延伸至海南島北側(cè)。

作為海洋地質(zhì)專項重點研究海域，近年來中國自然資源航空物探遙感中心在華南沿海陸域及南海地區(qū)開展了大面積高精度航磁調(diào)查和高分辨率遙感影像解譯，這為研究深大斷裂帶在陸域展布、是否在海域延伸以及具體延伸位置提供了良好的基礎(chǔ)。

本文充分發(fā)揮遙感和航磁多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢，以蓮花山斷裂帶作為研究對象，在陸域主要利用遙感影像對斷裂的構(gòu)造特征進行解譯和分析，并結(jié)合重、磁和地質(zhì)資料進行驗證； 在海域主要采用1: 10萬高精度航磁數(shù)據(jù)分析地殼深部結(jié)構(gòu)，結(jié)合重力、地震等資料判斷蓮花山斷裂帶在海域的延伸。最終綜合遙感、磁力多源數(shù)據(jù)揭示蓮花山斷裂在廣東及相鄰海域的空間展布特點，為廣東地質(zhì)災害預防和南海北部油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造背景特征

蓮花山斷裂帶是政和—大埔斷裂帶南段，長約350 km，是華南著名的深大斷裂帶，地貌上表現(xiàn)為地壘山系，具有多旋回活動的基本特征。燕山運動和早期的地質(zhì)構(gòu)造運動在蓮花山斷裂帶表現(xiàn)為強烈的擠壓應力，該斷裂帶在陸域表現(xiàn)為一條強烈的擠壓破碎帶，地表見由120多條NE，NEE，NW和EW向斷裂組成。早期沿斷裂帶發(fā)生的塊斷運動使蓮花山塊斷上升，后期燕山運動使該斷裂帶發(fā)生強烈的熱動力變質(zhì)，喜山期運動進一步疊加了新生代變形和動力變質(zhì)，并塑造了挽近時期的山貌[11]。斷裂帶內(nèi)廣泛發(fā)育糜棱巖帶、糜棱巖化帶、壓碎角礫巖帶和片理帶等。該斷裂還是一條重要的巖漿巖活動帶(圖1)，中生代以來，尤其是中侏羅世以來，中酸性巖漿發(fā)生了多次裂隙式多中心的間歇性噴發(fā)及巖漿侵位，沿斷裂帶有100多個侵入巖體。沿斷裂帶有溫泉成群成帶分布，也有地震活動[12]。

圖1 廣東省蓮花山斷裂帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖(據(jù)參考文獻[11]修改)Fig.1 Simplified regional tectonic map of the Lianhuashan fault zone in Guangdong Province

2 遙感地質(zhì)解譯

2.1 數(shù)據(jù)源及其預處理

宏觀的地表信息可間接反映深部地質(zhì)特征，遙感影像因可直觀解讀地表地形、地貌而成為解讀區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征的重要依據(jù)。本文采用ETM+數(shù)據(jù)進行斷裂構(gòu)造特征的解譯，ETM+影像單景面積大，分辨率適中，其波段組合的假彩色影像適合中小比例尺遙感地質(zhì)解譯。其波長覆蓋可見光、近紅外、短波紅外和熱紅外等多個波譜范圍，具體參數(shù)見表1。 本文對所收集的ETM+數(shù)據(jù)進行配準、鑲嵌、增強、融合等處理，其中的增強采用B7(R)，B4(G)，B2(B)波段組合進行假彩色合成，并與全色波段融合，最終得到15 m空間分辨率的多光譜彩色ETM+影像。

表1 Landsat7衛(wèi)星的ETM+波段特征Tab.1 Data features of Landsat ETM+

2.2 斷裂構(gòu)造解譯標志

出露地表或隱伏的斷裂，往往都會因為斷裂延展形態(tài)、活動特征、兩側(cè)地貌等不同在遙感影像上顯示出各種標志特征，它主要表現(xiàn)為標志物的大小、幾何形態(tài)、色調(diào)深淺(灰階)、圖斑紋理結(jié)構(gòu)、微地貌類型等[13-14]，因此建立斷裂構(gòu)造帶的遙感解譯標志是在遙感影像中識別斷裂構(gòu)造的重要環(huán)節(jié)。蓮花山斷裂帶為區(qū)域深大斷裂，對第三紀及第四紀的沉積有明顯的控制作用[15]，造成斷裂帶兩側(cè)地形、地貌和地層巖性等有明顯差異。本文建立的解譯標志包括色調(diào)標志、圖斑紋理結(jié)構(gòu)標志和微地貌類型標志。色調(diào)異常表現(xiàn)為色調(diào)線或帶、色調(diào)分界線、不同色暈類型、環(huán)形色帶等。圖斑紋理特征一般為圖斑紋理分界線，主要取決于地表發(fā)育的水系切割類型，而這些水系切割類型又往往取決于下覆基巖性質(zhì)與斷裂構(gòu)造活動狀況等。地貌上發(fā)育深切的“V”型、“U”型溝谷或弧形溝谷，中低山、平緩丘陵、錐狀山體、饅頭狀山峰、平直山脊線以及斷層三角面或斷層崖等也是判斷地質(zhì)構(gòu)造特征的標志。

2.3 遙感解譯結(jié)果

蓮花山斷裂帶在遙感影像圖上束狀線性特征清晰顯著，主體呈NE向線性隆起，斷裂帶兩側(cè)色調(diào)差異明顯，邊界平直，是規(guī)模較大的斷裂?？傮w地貌特征為南北兩條主斷裂夾持的頂部呈尖棱狀山脈，沿斷裂帶常發(fā)育NE向直線型河流，兩側(cè)為低丘和平原，體現(xiàn)了燕山期強烈的地殼運動形成典型的塊斷造山。在廣東省東南部發(fā)育著2支NE-SW向主干斷裂，北支的主斷裂沿五華、龍村、惠陽、深圳、珠江口沒入南海，南支的主斷裂自豐順、揭西、海豐沒入南海(圖2(a))，2條主干斷裂夾持多條NE，NEE向規(guī)模較小的次級斷裂，常被NW向斷裂錯斷，在揭西、豐順、惠東幾處規(guī)模較大的NW向走滑斷裂錯段山脊，斷距達十幾km，伴隨有“L”型河流發(fā)育。由于植被覆蓋稠密，蓮花山脈呈綠色，地貌上東部發(fā)育深切“V”型溝谷，沿斷裂發(fā)育有直立陡崖或斷層三角面，西部地勢略平坦，但至海域萬山島、伶仃島等島嶼仍呈NE向條帶狀正地形，說明燕山期劇烈的地殼運動劇烈導致斷裂帶隆起，抬升幅度自東向西逐漸變緩。航磁異常圖上,該束狀線性隆起帶對應近似平行的兩條NE走向，寬約20 km的磁異常線性梯度帶，沿西南方向向海域延伸。該斷裂帶為不同磁場特征的分界線，斷裂帶西北側(cè)為正負變化磁場背景場中發(fā)育NE向串珠狀磁異常，其東南側(cè)為平靜負背景場中發(fā)育團塊狀正磁異常帶，往東部變成雜亂且磁性高的尖刺狀磁異常。在重力場圖上，斷裂帶西北側(cè)主要為NE向重力異常，東南側(cè)為NEE向重力異常，上延10 km這種界限特征依然很明顯[8]，反映斷裂切割深度較大。東莞東部野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，NE向斷層斷至基底,后期擠壓推覆使斷層上盤前寒武變質(zhì)塊體直接覆蓋在中生代沉積砂巖之上(圖3)，重、磁資料和野外調(diào)查驗證了遙感解譯的正確性。

(a) 蓮花山斷裂帶地質(zhì)解譯(b) B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像

圖2廣東蓮花山斷裂帶ETM+影像及線環(huán)構(gòu)造遙感解譯簡圖

Fig.2ETM+imageandremotesensinginterpretationoflinearandcircularstructuresfortheLianhuashanfaultzoneinGuangdongProvince

圖3 蓮花山北部主干斷裂野外照片F(xiàn)ig.3 Field photo of the north main branch of Lianhuashan fault

蓮花山斷裂帶在燕山期活動強烈，中生代發(fā)生多次的巖漿的侵入和間歇性的噴發(fā)，沿斷裂帶大規(guī)模發(fā)育中酸性巖漿巖和火山巖[16]。在遙感影像圖上可見多個圓形或近似環(huán)形影像，其內(nèi)發(fā)育放射狀洼地，在地貌上表現(xiàn)為孤立的近似圓形凸起山峰或漏斗狀凹坑，推斷為火山機構(gòu)。斷裂帶內(nèi)大面積分布中酸性侵入巖和中性—中基性火山巖，侵入巖主要為花崗閃長巖、二長花崗巖等，火山巖多為英安巖、安山巖[17-18]。在遙感影像上侵入巖體呈深褐色調(diào)，邊界清晰，周圍植被不發(fā)育。經(jīng)野外查證惠東縣黃埠鎮(zhèn)周圍出露大面積沿NE向斷裂侵入的巖體(圖4(a))，巖性為灰白色微?！毩＝情W二長花崗巖(圖4(b))，與遙感影像圖上深紅褐色色調(diào)影像位置完全吻合(圖5)，證明了解譯的正確性。從影像圖中發(fā)現(xiàn)沿蓮花山斷裂帶，東部深紅褐色調(diào)影像出現(xiàn)頻率和面積大于西部，與野外地質(zhì)調(diào)查花崗巖出露規(guī)律明顯具有一致性，說明沿蓮花山斷裂帶自西向東巖漿活動逐漸增強?；洊|大面積出露為白堊紀花崗巖，形成年代晚于粵西，花崗巖巖性多為灰白色中?！毩６L花崗巖，巖石中暗色礦物含量明顯增多,磁性比西部強，磁化率達1 000～3 000×10-5SI，在磁場圖上表現(xiàn)為串珠狀磁異常。

(a) 蓮花山斷裂黃埠鎮(zhèn)段巖漿巖侵入野外照片(b) 花崗巖野外照片

圖4蓮花山斷裂帶巖漿巖侵入野外照片

Fig.4FieldphotoofLianhuashanfaultandrockinstrusion

圖5 黃埠鎮(zhèn)花崗巖遙感影像特征Fig.5 Granite remote sensing image features of Huangpu Town

3 磁場特征

3.1 數(shù)據(jù)與處理

實踐證明磁測方法是有效識別斷裂，特別是深大斷裂的地球物理方法之一，斷裂構(gòu)造一般發(fā)生在性質(zhì)、結(jié)構(gòu)不同的地質(zhì)體邊界線附近，此外地質(zhì)體在經(jīng)受斷裂作用以后，在斷裂兩側(cè)的地質(zhì)體常發(fā)生空間位置上的變動，斷裂帶附近的物質(zhì)結(jié)構(gòu)也往往發(fā)生變化。這些地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)和空間位置上的變化較容易被磁法測量所記錄，最常見的就是產(chǎn)生磁性的降低而形成的負異常帶； 當具磁性物質(zhì)(主要指巖漿活動)沿斷裂侵入，則會形成帶狀或者串珠狀正異常區(qū)； 在斷裂兩盤地質(zhì)體發(fā)生水平位移時，經(jīng)常會出現(xiàn)磁異常的錯動。此外還有最為常見的磁場梯度帶，也是斷裂的主要表現(xiàn)形式之一。

本文海域磁力資料采用中國自然資源航空物探遙感中心歷年實測航磁數(shù)據(jù)，經(jīng)正常場改正、調(diào)平和網(wǎng)格拼接，最終形成網(wǎng)格間距為1 km×1 km磁力異常數(shù)據(jù)(圖6)。為消除低緯度地區(qū)斜磁化影響，更好地突出磁性體和地質(zhì)體間的對應關(guān)系，采用全變傾角化極方法對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行了化極處理(圖7)。

圖6 南海北部及鄰區(qū)原始磁異常圖Fig.6 Magnetic anomaly of the northern South China Sea and neighboring areas

圖7 南海北部及鄰區(qū)化極磁異常圖Fig.7 RTP magnetic anomaly of the northern South China Sea and neighboring areas

蓮花山斷裂為深大斷裂，為突出區(qū)域背景場特征，在對原始磁場數(shù)據(jù)進行化極的基礎(chǔ)上，還采用快速傅里葉變換算法，在頻率域進行了向上延拓處理。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，向上延拓10 km的磁場特征(圖8)基本上能較更好地反映區(qū)域深部地質(zhì)構(gòu)造特征，有利于圈定深大斷裂的構(gòu)造位置。

圖8 南海北部及鄰區(qū)化極上延10 km磁異常圖Fig.8 Upward continuation of RTP magnetic anomaly(height 10 km)of the northern South China Sea and neighboring areas

3.2 磁場特征分析

從化極圖上來看，蓮花山斷裂帶自廣東入海呈NE向展布，表現(xiàn)為一條明顯的強磁異常梯度帶，異常強度為100～300 nT，上延10 km后依然顯示清晰。對該異常帶進行深度計算，異常源深度達2～3 km，鉆井均見到花崗巖和火山巖，反映在海域該斷裂帶巖漿活動依然十分強烈。與陸域相比蓮花山斷裂帶在海域磁異常梯度變化更加劇烈，達50 nT/km,且沿西南方向逐漸變緩。根據(jù)化極磁異常梯度帶走向可以看出，沿陸域延伸至海域的南北兩條主干斷裂被多組NW向斷裂錯段，北部斷裂自深圳、澳門南入海沿西南向延伸至珠江口盆地北部，截至于NW向神弧—一統(tǒng)暗沙斷裂。南部斷裂自海豐、香港南穿過珠江口盆地、西沙海槽延伸至海南島東南部。從原始磁場圖上看，斷裂帶兩側(cè)磁場面貌明顯不同，西部為劇烈變化的正負磁異常區(qū)，發(fā)育有NE和NW向串珠狀磁異常帶，與雷瓊地區(qū)正負交替雜亂的磁場面貌相同，東部為平靜的負磁異常區(qū)，基本反映出珠江口盆地坳陷的展布形態(tài)。

3.3 蓮花山斷裂帶對珠江口盆地沉積的控制作用

珠江口盆地是在伸展性大陸邊緣上發(fā)育的以新生代沉積為主的大型沉積盆地,蓮花山斷裂帶是南海北部重要的斷裂帶，在早古生代加里東期已具雛形，印支—燕山期、喜山期均有活動，對盆地的構(gòu)造格局有重要影響[16-17]。斷裂兩側(cè)磁場特征的明顯差異表明兩側(cè)的基底性質(zhì)不同，斷裂西北側(cè)異常幅度較大，寬度較小，反映了磁性基底隆起的磁場特征。東南側(cè)異常幅度較小，寬度相對較大表明磁性基底下降明顯，尤其存在較多的區(qū)域負異常所反映的凹陷(恩平凹陷、西江凹陷)和次級凹陷。通過對磁性基底的深度計算，斷裂兩側(cè)深度相差3～4 km(圖9)，從地震剖面圖也可看出斷裂兩側(cè)基底深度有巨大落差(圖10)。斷裂西北側(cè)的隆起區(qū)侵入巖發(fā)育，多表現(xiàn)為較強的磁異常帶，這些異常帶在該斷裂附近多被截止或明顯減弱，表明斷裂對深源巖漿活動有明顯的控制作用。該斷裂對NEE向斷裂構(gòu)造控制明顯，在盆地北部多條NEE東向斷裂在該斷裂附近終止，表明該斷裂切割較深，對深部構(gòu)造有較強的控制作用。綜合上述分析，蓮花山斷裂對盆地的構(gòu)造格局有控制作用，是珠江口盆地一級控盆深斷裂。

圖9 珠江口盆地磁性基底深度圖Fig.9 Magnetic basement distribution of the Pearl River Mouth Basin

圖10 珠江口盆地蓮花山斷裂構(gòu)造特征圖(位置見圖9中測線A-A′)Fig.10 Characteristics of the Lianhuashan fault of the Pearl River Mouth Basin(for the location,see Fig.9)

4 結(jié)論

本文利用遙感和航磁數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)對蓮花山斷裂在廣東陸域及南海海域的延伸進行了研究，充分發(fā)揮遙感影像和航磁等資料不同研究資料的優(yōu)勢，對蓮花山斷裂帶對地表地貌的控制和對深部地質(zhì)構(gòu)造的影響展開分析。在陸域采用ETM+遙感影像解譯了蓮花山斷裂帶的幾何分布、花崗巖侵入和地貌構(gòu)造等特點，并結(jié)合重磁資料及野外調(diào)查加以驗證。在海域使用最新高精度大比例尺航磁資料進行深部地質(zhì)構(gòu)造解析，厘定了蓮花山斷裂南北兩條主干斷裂在南海的延伸以及對南海北部珠江口盆地的地質(zhì)構(gòu)造特征的影響。

1)ETM+遙感影像顯示，蓮花山斷裂帶在廣東地區(qū)總體呈NE向束裝線性影像帶，具有明顯的線性特征和色調(diào)差異，自大埔縣經(jīng)蓮花山山脈分為南北兩支幾乎平行的主干斷裂，并朝西南方向延伸入海，其間分布多條NE,NEE和NW向次級斷裂。斷裂帶主體為呈尖棱狀山脈，兩側(cè)為低丘和平原，沿斷裂帶常發(fā)育NE向直線型河，受NW向走滑斷裂影響，山脊常被錯斷并伴隨形成“L”型河流。東部多發(fā)育深切的“V”型溝谷、直立陡崖或斷層三角面，西部地勢略平坦，總體呈東陡西緩。

2)遙感ETM+B7(R)，B4(G)，B2(B)影像上，呈綠色隆起山脈中夾雜大小不一的深紅褐色團塊狀斑狀紋理，推斷為燕山期花崗巖侵入巖體。深紅褐色影像發(fā)育和出露面積明顯東部大于西部，說明沿蓮花山斷裂帶自西向東燕山期巖漿侵入逐漸增強。

3)磁場特征顯示，蓮花山斷裂帶自廣東呈NE向入南海顯示為強磁異常梯度帶，北支斷裂延伸至珠江口盆地北側(cè)，南支斷裂穿過珠江口盆地直至海南島東南側(cè)，其間被多條NW向斷裂錯段。斷裂兩側(cè)磁場面貌差異明顯，西北側(cè)類似于雷瓊地區(qū)正負交替雜亂的磁場特征，東南側(cè)為基本反映珠江口盆地面貌的負背景場。與斷裂帶對應的磁異常梯度帶變化劇烈，通過磁異常深度計算和鉆井驗證，蓮花山斷裂帶在海域巖漿活動依然強烈，沿斷裂帶侵入巖和火山巖十分發(fā)育。

4)蓮花山斷裂對珠江口盆地的構(gòu)造格局有重要影響，其一表現(xiàn)在斷裂兩側(cè)基底性質(zhì)不同，從磁異常特征來看斷裂西北側(cè)反映了基底隆起，東南側(cè)基底下降明顯，斷裂兩側(cè)磁性基底深度相差3～4 km，東南側(cè)區(qū)域負異常可以看出所反映的凹陷展布形態(tài)； 其二表現(xiàn)在斷裂西北側(cè)的隆起區(qū)發(fā)育的侵入巖在蓮花山斷裂附近多被截止或明顯減弱，表明斷裂對深源巖漿活動有明顯的控制作用，同時該斷裂對盆地北部NEE向斷裂構(gòu)造控制明顯。充分說明該斷裂是切割較深，對深部構(gòu)造有較強的控制作用，是珠江口盆地一級控盆深斷裂。

志謝： 感謝研究過程中中國自然資源航空物探遙感中心段朋教授、陳玲高工和付長亮高工給予的技術(shù)指導和幫助！