渾河斷裂地球物理場特征及地震活動性

張鐘月，萬波，彭虎，田德欣

1.遼寧省地震局，沈陽 110034；2.遼寧省能源地質(zhì)勘查開發(fā)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110024；3.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江 紹興 312000

0 引言

渾河斷裂(密山—敦化斷裂遼寧段)是郯廬斷裂巨型構(gòu)造帶通過渤海、下遼河在沈陽西南產(chǎn)生分異后的又一主干分支斷裂。在展布上，渾河斷裂西起于沈陽西南，經(jīng)撫順、南雜木、清原延至草市南(英額門東)并與赤峰—開原斷裂帶交會、切割。斷裂總體走向50°～80°，局部近東西，全長195 km[1]。渾河斷裂由2～4條大致平行或斜列狀排列的壓扭性斷裂及其次級分支斷裂組成，主干斷裂帶的規(guī)模很大，破碎帶寬度可達(dá)50～60 m，分支斷裂間距1～2 km至10～20 km不等，斷裂西段間距較大，向東段趨于減小，構(gòu)造上表現(xiàn)為由多條分支斷裂構(gòu)成的斷陷帶。

渾河斷裂在太古宙時期即已形成，至元古宙時形態(tài)特征趨于完整，是一條十分古老的斷裂構(gòu)造，斷裂控制了太古宙—元古宙、中生代侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)和新生代等不同時期地層的分布，并使這些地層遭到了不同程度的構(gòu)造破壞。渾河斷裂及其構(gòu)造活動控制了現(xiàn)代渾河的地貌發(fā)育形態(tài)，在遼東山區(qū)形成了總體走向NEE至近EW向的直線狀河流溝谷。

由于渾河斷裂途經(jīng)沈陽、撫順多個重要城市，尤其撫順地區(qū)長期的煤礦開采、地面沉陷、礦震及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，加上渾河斷裂本身的活動性對這些地質(zhì)災(zāi)害的影響不明，因此對于渾河斷裂的研究一直未間斷。關(guān)于渾河斷裂近期的活動性問題，存在著不同的認(rèn)識，劉玉海[2]、佴磊[3]等認(rèn)為它是一條活動性斷裂帶；趙廣信[4]、王聲喜[5]等則認(rèn)為若非人類工程活動擾動，它是一條穩(wěn)定的斷裂帶。一般來講，深大斷裂帶有著不同的地球物理場特征顯示[6--9]，地震活動與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場、地球物理場有著一定的內(nèi)在關(guān)系，因此從斷裂地球物理場的角度出發(fā)研究地震一直未間斷[10--16]。筆者通過分析渾河斷裂地球物理場特征，結(jié)合前人的研究成果，以期深化認(rèn)識斷裂的活動性，為渾河斷裂活動性的研究與評價提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

渾河斷裂帶太古宙—早元古代混合巖、混合花崗巖和太古宇變質(zhì)巖系等結(jié)晶基底十分發(fā)育，斷陷帶及其附近地區(qū)還有較大范圍的中生界、新生界等地層出露。另一方面，斷裂帶南北兩側(cè)結(jié)晶基底及中--上元古界地層的巖相、厚度分布截然不同，如北側(cè)的中--上元古界屬汎河型沉積建造類型，以碳酸鹽巖為主，地層發(fā)育較為齊全，可見到長城系、薊縣系等出露；南側(cè)的中--上元古界多屬太子河型沉積建造類型，以碎屑巖為主，青白口系、震旦系地層發(fā)育較好。沿渾河斷裂所形成的一連串?dāng)嘞菖璧乜刂屏酥猩缳_—白堊系和新生界撫順煤盆地等古近系煤系沉積，也控制了酸性、基性巖漿沿斷裂的侵入--噴發(fā)活動。斷裂在古生代、中生代和新生代以來發(fā)生過多期的構(gòu)造活動，尤以中生代—新生代初期的活動最為強(qiáng)烈，古近紀(jì)末的逆沖活動將太古宙混合巖、混合花崗巖推覆于白堊系之上，又將白堊系推覆于古近系煤系之上，并在大部分地段產(chǎn)生了南、北兩條主干斷層以及與之相配套的次級SN向張性斷裂和NW向、NE向扭性斷裂。次級斷裂在渾河斷裂北盤的發(fā)育程度明顯較南盤為好，體現(xiàn)了渾河斷裂南、北主干分支活動性的差異(圖1)。

2 渾河斷裂的區(qū)域地球物理場特征

根據(jù)區(qū)域布格重力異常數(shù)據(jù)和航磁△T異常數(shù)據(jù)，繪制了渾河斷裂沿線布格重力異常分布圖(圖2)和航磁異常分布圖(圖3)。綜合以往地球物理資料顯示渾河斷裂的位置與地質(zhì)構(gòu)造判別的渾河斷裂位置相吻合，渾河斷裂兩側(cè)的地質(zhì)體與地球物理場特征均有所差異。

2.1 重力場特征

渾河斷裂及其附近的布格重力解譯圖(圖2)可以看出，渾河斷裂展布區(qū)重力場負(fù)值區(qū)域面積較大，只有處在下遼河區(qū)域的沈陽及其附近表現(xiàn)為重力正值，其中沈陽西部地區(qū)幅值為最高，以高值區(qū)為中心，沿渾河斷裂向NEE方向總體逐漸減低。

渾河斷裂西側(cè)從新民屯附近開始至沈陽、撫順交界一段主要為正異常，NW側(cè)等值線較為密集，SE側(cè)等值線較為稀疏，表明主要受到了偏西部的NNE向斷裂構(gòu)造(即依蘭—伊通斷裂)影響，因而形成了NNE向的線狀強(qiáng)梯度帶，該異常梯度在于洪區(qū)附近形成一個大的正異常圈閉，區(qū)域中心正異常值最高可以達(dá)到(20～25)×10-5m/s2，異常等值線呈NE走向，異常值向周圍逐漸遞減，顯示沿梯度帶地殼厚度和介質(zhì)密度結(jié)構(gòu)具有顯著的橫向變化，與地下太古宇結(jié)晶基底的起伏形態(tài)基本相符。另一方面，該段的正異常范圍沿著渾河斷裂可一直延伸至撫順李石寨附近，而在深井子—李石寨一帶存在明顯的正、負(fù)異常界限，該界限走向NNE，異常值變化為(0～6)×10-5m/s2，異常界限可能反映了深部構(gòu)造形態(tài)或地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的差異性。

圖3 渾河斷裂沿線航磁異常分布圖Fig.3 Distribution map of aeromagnetic anomalies along Hunhe fault

撫順李石附近延至撫順東的前甸、章黨一帶, 為一個異常值在(-12～-2)×10-5m/s2之間的小范圍負(fù)異常梯度帶。該帶北部鐵嶺以南附近，經(jīng)新臺子直至沈北新區(qū)構(gòu)成一重力正異常梯級帶，強(qiáng)度較大，等值線密集，重力值多在(8～14)×10-5m/s2之間，局部地段幅值可達(dá)18×10-5m/s2，呈多個圈閉的正異常，形態(tài)極不規(guī)則，向SW方向正異常值趨于增大。該正異常梯度變化可能反映了深部赤峰—開原斷裂帶與依蘭—伊通斷裂的構(gòu)造組合特征，而依蘭—伊通斷裂在這一地段的活動性和主導(dǎo)作用可能較強(qiáng)。

渾河斷裂東側(cè)章黨附近向NEE延伸至南雜木、紅透山、清原及英額門地區(qū)，為一條NEE向的重力異常梯度帶，南口前以南存在一個負(fù)異常圈閉，為渾河斷裂的重力場最低值-35×10-5m/s2。斷裂北側(cè)負(fù)異常變化較平緩，南側(cè)出現(xiàn)一些線性梯度帶、異常軸折斷和等值線同向扭曲等畸變特征線，反映渾河斷裂南側(cè)地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜，發(fā)育有斷裂構(gòu)造或有明顯的巖性變化，這與渾河斷裂南側(cè)有蘇子河斷裂發(fā)育,且斷裂對區(qū)域地層分布具有控制作用的認(rèn)識一致。

2.2 磁場特征

渾河斷裂展布區(qū)磁場與重力場相似，整體背景場為負(fù)值，異常帶總體走向為NE。斷裂附近存在明顯的不規(guī)則正、負(fù)跳動，幅值忽大忽小，峰值鈍、銳程度不一，地磁場很不規(guī)則，在復(fù)雜的背景中還夾有兩條NE向的正磁異常帶，磁性體的復(fù)雜變化表明這里是一個正、負(fù)磁場異常相互交替的多變場。渾河斷裂西北部新民、鐵嶺附近存在著一個比較大的正異常區(qū)，穿插有少量的負(fù)異常，正異常區(qū)中心的異常值可達(dá)到近500 nT，應(yīng)為中二疊世二長花崗巖(中等磁性)、早白堊世花崗斑巖(中等磁性)等引起的。

沈陽附近在深井子、沙嶺地區(qū)有兩個負(fù)異常中心，在大面積負(fù)磁場的背景下，這一地段還零星穿插著少量的正異常，等值線亦呈NE向延伸。以渾河斷裂為界，撫順以南以正異常為主，磁場異常變化范圍在(-200～400)nT之間，變化較大，至本溪—大臺溝地區(qū)異常值可達(dá)到600 nT以上，向邊緣逐漸變低，調(diào)查研究顯示這種異常變化主要與附近賦存的鞍山式磁鐵礦有關(guān)。渾河斷裂以北為負(fù)異常區(qū)，異常變化范圍在(-100～-400)nT之間。

章黨至南雜木地區(qū)航磁ΔT整體表現(xiàn)為負(fù)場，形態(tài)分布較為規(guī)則，磁場強(qiáng)度一般為(-200～-100)nT，范圍廣、變化平穩(wěn)、分布均勻、起伏不大，基本上可以認(rèn)為是平靜場，其與重力場的平穩(wěn)變化基本上是對應(yīng)的。南雜木以東至清原、英額門東一線的航磁異常等值線的展布形態(tài)起伏略大，負(fù)異常的絕對幅值則明顯增大，渾河斷裂對磁場分布的控制作用有所增強(qiáng)。由英額門繼續(xù)往東進(jìn)入渾河斷裂、赤峰—開原斷裂的交會區(qū)，磁場形態(tài)特征趨于復(fù)雜化，等值線形態(tài)多變，方向性在以NEE向為主的基礎(chǔ)上還具有NWW向的變化趨勢；區(qū)域磁場逐漸由負(fù)異常場過渡到正異常場，磁場變化范圍在(-300～400)nT之間，研究認(rèn)為渾河斷裂及其控制發(fā)育的弱磁性晚太古宙花崗質(zhì)片麻巖可能對航磁負(fù)異常具有一定的影響。根據(jù)航磁異常分布，在英額門存在1個負(fù)異常中心，而它的南、北和東3個方向分別存在相應(yīng)的3個正異常中心，這反映了NEE向渾河斷裂所控制的中二疊世—中白堊世侵入巖和火山機(jī)構(gòu)發(fā)育的格局；比較分析還確認(rèn)，在清原南部附近存在有2個正異常約為200 nT的圈閉區(qū)，這也可能與當(dāng)?shù)卦糯|河群的鞍山式磁鐵礦有關(guān)。

2.3 渾河斷裂地球物理場差異性分析和討論

已有研究認(rèn)為，海相、陸相地層巖石磁性一般較弱，火山沉積特別是中生代火山碎屑巖等磁性卻強(qiáng)、弱極不均勻，多形成跳躍式磁異常場。研究區(qū)巖(礦)石磁性差異較大，由于太古宇結(jié)晶基底的磁化率一般較大，并且富含大量鞍山式磁鐵礦地層，其分布區(qū)磁場具有較大的背景場。另外，碳酸鹽巖、碎屑巖等沉積建造地層多屬弱磁或非磁性巖石，形成低緩的負(fù)磁場。所以總體上來看，渾河斷裂北側(cè)的磁場要比南側(cè)的磁場低。

沿渾河斷裂的重力場、磁場分布總體上比較均勻，NEE方向性穩(wěn)定，變化比較平緩，但在斷裂的端部重力場、磁場發(fā)生明顯的變化，斷裂帶內(nèi)部存在著局部的變化。如在大民屯(凹陷)邊緣和劉二堡—新民屯一帶等重力梯度變化較大，而章黨、南雜木和英額門地區(qū)重力主要為負(fù)值，等值線稀疏，這反映了渾河斷裂太古宇結(jié)晶基底的起伏、巖性變化及其對地球物理場的影響。在沈陽東部與撫順盆地之間、撫順盆地東端和南雜木等地重力場、磁場存在正負(fù)轉(zhuǎn)換、梯度發(fā)生變化及斷裂兩側(cè)場強(qiáng)發(fā)生變化等情況，但變化幅度遠(yuǎn)較斷裂東、西兩端弱。

總體來看，渾河斷裂所在區(qū)域的重磁場具有明顯的分區(qū)性，沿渾河斷裂的重力場、磁場分布隨著深、淺部地層巖性發(fā)育的差異而有所變化。因渾河斷裂附近其他斷裂構(gòu)造發(fā)育較差，渾河斷裂的主導(dǎo)作用比較顯著，斷裂對深、淺部巖性分布的控制作用明顯，所以沿渾河斷裂的重力場、磁場分布基本上反映了地質(zhì)構(gòu)造背景以及斷裂的活動特征。

3 渾河斷裂地球物理場與深部構(gòu)造

研究結(jié)果表明，遼東地區(qū)深部重力異常帶走向呈NE向或NNE方向，顯示該地區(qū)規(guī)模較大的NE向構(gòu)造控制著整體的深部構(gòu)造形態(tài)。除了遼東山區(qū)向下遼河平原的過渡區(qū)存在明顯的重力異常梯度帶以外，其他地區(qū)重力等值線的變化比較平緩。

跨渾河斷裂(沈陽段、撫順段)及依蘭—伊通斷裂的NW向深地震反射探測結(jié)果顯示，在渾河斷裂和依蘭—伊通斷裂之間構(gòu)造部位、上地殼內(nèi)部深度約18 km以淺的范圍內(nèi)，依蘭—伊通斷裂作為主干斷裂規(guī)模最大、切割最深，同樣作為主干斷裂的渾河斷裂在深部表現(xiàn)為 3條呈“Y”字型分布的斷裂組，并向下交會到依蘭—伊通斷裂上，兩條主干斷裂之間則發(fā)育有若干條面狀或鏟狀的次級正斷裂(圖4、表1)。剖面NW側(cè)上地殼上部還可劃分出由斷裂控制的兩個凹陷區(qū)和兩個基巖隆起區(qū)，北部凹陷區(qū)深度1～2 km，可能屬于大民屯凹陷的北延，南部凹陷區(qū)則而為沈陽凹陷。在下地殼上部深度約18～25 km之間有巖漿侵入地帶，莫霍面及下地殼內(nèi)部存在上地幔物質(zhì)上涌、巖漿侵入的通道。同時，布設(shè)于沈陽、撫順之間的這一探測剖面還顯示，在地殼和上地幔的分界附近具有反射疊層結(jié)構(gòu)，殼幔界面深度自NW向SE變深，從29 km增大至31 km，殼幔過渡帶厚度約4～5 km。

表1 渾河斷裂沈陽段區(qū)域淺部斷裂特征一覽表

Table 1 Characteristics of shallow faults in Shenyang section of Hunhe fault

斷裂名稱傾向特征深度/kmF2F3F5F6F9F14NWSENWSENWSE凹陷區(qū)②東界凹陷區(qū)②西界凹陷區(qū)②東界渾河斷陷西界位于基巖隆起帶位于基巖隆起帶7.018.05.54.014.04.0

圖4 沈陽—撫順間NW向深地震反射剖面[17--18]Fig.4 NW deep seismic reflection profile between Shenyang and Fushun

由區(qū)域地殼厚度圖(圖5)可以看出，撫順至清原一帶地殼厚度比較穩(wěn)定，沿?fù)犴?、本溪、海城和蓋州一線有地殼厚度突變帶，海城地區(qū)最為明顯，顯示了其地震區(qū)深部構(gòu)造的復(fù)雜性，渾河斷裂的沈陽段也處在突變帶上，歷史上的地震也多處在這些突變帶上，顯示了深部構(gòu)造與地震的相關(guān)性。

圖5 區(qū)域地殼厚度圖[17--18]Fig.5 Thickness of regional crust

4 渾河斷裂地球物理場與地震活動性

沿渾河斷裂帶及周緣地震記載較少，近些年也僅在撫順地區(qū)時有小的地震活動記錄，但該區(qū)沉降、滑坡和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生。為探清這些地質(zhì)災(zāi)害原因，不同專家學(xué)者從形變分析、地質(zhì)調(diào)查等不同角度對撫順地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性做了研究[5,19--21]，學(xué)者們大體認(rèn)為渾河斷裂自晚更新世以來活動并不顯著，現(xiàn)今的斷裂活化效應(yīng)是由于大量的人類采煤活動造成的[5]。

據(jù)有記載的歷史地震迄今為止，渾河斷裂附近發(fā)生的最大一次破壞性地震是1765年沈陽發(fā)生的5 1/2級地震。萬波等[22]認(rèn)為與渾河斷裂交匯的長白鄉(xiāng)—觀音閣斷裂是此次地震的發(fā)震構(gòu)造，沈陽鼻狀凸起上規(guī)模最大的北東向長白鄉(xiāng)—觀音閣斷裂在5 km±或更大的深度上歸并到渾河斷裂上，形成斷裂構(gòu)造在深部的復(fù)合交叉格局。這一特殊構(gòu)造格局有利于地震能量的積累和釋放，在該區(qū)一般發(fā)生中等強(qiáng)度的地震，發(fā)生更大地震的可能性較小。

撫順城區(qū)段渾河斷裂帶附近現(xiàn)今礦震活動頻繁, 盧良玉等[23]研究發(fā)現(xiàn)數(shù)處跨斷裂形變測量結(jié)果顯示斷裂兩側(cè)的水平和垂直運動顯示出的拉張、沉陷與斷裂關(guān)系密切，其運動速率均在每年十幾毫米以上(個別可達(dá)300 mm/a)。佴磊[3]通過清原地震臺自1976 年以來對渾河斷裂的變形觀測分析，認(rèn)為渾河斷裂具有明顯的活動特性。由于撫順的采煤區(qū)正好處在渾河斷裂附近，市區(qū)以及市區(qū)東部大型的大伙房水庫均坐落于渾河斷陷帶上，故它們都可能因構(gòu)造運動而引起不良物理地質(zhì)作用的出現(xiàn)。

渾河斷裂所處的遼東—張廣才嶺上升隆起區(qū)內(nèi)，目前尚沒有5級以上地震的記錄。盡管如此，斷裂構(gòu)造的活動并不是孤立的，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，其間具有明顯的相互關(guān)聯(lián)性和制約性，只是由于應(yīng)力條件和地殼介質(zhì)的差異，斷裂構(gòu)造的活動特征有所不同，具體表現(xiàn)在地震活動空間分布上，沿斷裂構(gòu)造及其構(gòu)造交會部位常常會形成地震活動的條帶狀、網(wǎng)絡(luò)狀和團(tuán)簇狀空間分布圖象，這實際上就反映了區(qū)域性活動深斷裂及其共軛構(gòu)造之間活動的差異性及其聯(lián)動特征[3]。

綜合渾河斷裂的重磁場梯度帶來看，重磁異常帶主要集中在沈陽—撫順附近，而渾河斷裂上有記錄的最大地震正好位于這一重磁異常帶上。近些年渾河斷裂帶上頻發(fā)的礦震、沉降等地質(zhì)災(zāi)害也多發(fā)生在撫順的重磁異常帶上。這些地質(zhì)災(zāi)害是否僅僅由采煤活動引起，與渾河斷裂活動性是否有關(guān)，同時這些地質(zhì)災(zāi)害是否反過來影響渾河斷裂的活動性？這些問題都應(yīng)當(dāng)引起對渾河斷裂活動性研究的重視，加強(qiáng)渾河斷裂活動性監(jiān)測與研究仍是地震地質(zhì)工作的重點。

5 結(jié)論

(1)渾河斷裂既控制了深、淺部巖石地層的發(fā)育，同時渾河斷裂的重力場、磁場分布隨著深、淺部地層巖性發(fā)育的差異而有所變化。

(2)渾河斷裂深部構(gòu)造在地球物理場也有顯示，渾河斷裂歷史上發(fā)生的地震多處在地球物理場變化的轉(zhuǎn)折端。

(3)綜合渾河斷裂地球物理場特征及區(qū)域地質(zhì)資料，渾河斷裂雖然活動性一般，但撫順地區(qū)的采煤活動對斷裂的活動性有一定影響。