華北-揚子板塊碰撞結構的識別：來自南黃海海域的證據

陳建文，許明，雷寶華，施劍，劉俊

1.青島海洋地質研究所，青島 266071

2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266071

南黃海盆地位于揚子板塊的東緣，被認為是下?lián)P子塊體的主體部分（陳建文等，2018）。由南往北劃分為青島坳陷、嶗山隆起和煙臺坳陷3個二級構造單元。南黃海盆地作為揚子板塊的一部分，經歷了多期構造演化過程（圖1）。歐亞大陸東部由多個塊體拼合而成[1-2]，其中華北板塊與揚子板塊的碰撞拼合過程是地質演化過程中最重要的構造事件之一[3]，控制著秦嶺-大別-蘇魯造山帶的形成，也影響著華北與揚子板塊周邊盆地的形成、發(fā)育以及演化[4]。

揚子板塊位于華北板塊和華夏古陸之間（如圖1），由多個小型板塊群組成[6-7]，發(fā)育太古代—元古代結晶基底[8-9]，上覆7～10 km厚新元古代—中三疊世海相地層，中生代印支運動強烈變形使海相地層之上被陸相地層不整合覆蓋；揚子板塊晚三疊世—中侏羅世地層記錄了大別-蘇魯造山帶形成時期的前陸盆地沉積，而之后早白堊世—古近紀局部地區(qū)發(fā)育裂谷盆地沉積。

華北板塊位于揚子板塊北側（圖1），為中國最古老的構造單元，保存世界上最古老的巖石[10-12]。華北板塊太古代—早元古代強烈變質結晶基底被中元古代—早二疊世海相地層廣泛覆蓋，其上中—新生代陸相沉積位于華北板塊內部多個盆地之中。在北部，華北板塊與西伯利亞-蒙古板塊在晚二疊世發(fā)生碰撞，形成了中亞造山帶[13-15]，而在其西南部以秦嶺-大別-蘇魯造山帶為界[15-16]。

大別-蘇魯造山帶的形成受控于華北-揚子板塊碰撞，為世界最大的連續(xù)超高壓變質帶[3,17]。大別造山帶呈北西西向分布[18]，自南向北包括高壓綠片巖相單元、高壓角閃巖相單元、高壓榴輝巖相單元、超高壓榴輝巖相單元、北大別單元以及北淮陽單元[19]。蘇魯造山帶呈北東向展布，其南界為嘉山-響水斷裂，北界為五蓮-煙臺縫合帶，蘇魯造山帶包含南部的高壓綠片巖相單元和北部的超高壓榴輝巖單元，可以與大別造山帶相關聯(lián)。

前人針對華北板塊和揚子板塊的碰撞過程做了大量的研究工作，提出了多種碰撞模型（圖2）[5,20-26]，針對華北-揚子板塊的俯沖極性和方式、高壓/超高壓巖石變質作用和折返過程以及郯廬斷裂形成等關鍵問題提出多種觀點，然而大多數的研究工作主要集中于陸地，在華北-揚子板塊碰撞作用影響的海域開展的工作仍相對匱乏。

關于華北板塊與揚子板塊的碰撞時間，不同學者在不同研究區(qū)域得到了不同的結論[27-32]，其中確定大別-蘇魯超高壓變質作用發(fā)生的時間，是認識大陸碰撞及高壓變質巖折返過程的關鍵。關于該問題，超高壓變質作用的時間存在新元古代、早古生代和早中生代三種觀點，現如今主流觀點認為碰撞發(fā)生于晚三疊世，Li et al.（1993）通過 Sm-Nd 同位素確定超高壓變質巖年齡為三疊紀[27]，同時Ames et al.（1993）通過U-Pb定年方法得出變質年齡在晚三疊世，認為晚三疊世是揚子-華北板塊碰撞的上限時間[31]。作為一個橫跨中國東部的巨型造山帶，華北-揚子板塊在不同時期的碰撞時間具有穿時性，而黃海海域作為造山過程在海域中延伸的位置所在，在不同學者提出的不同碰撞造山模式中，海域中碰撞活動發(fā)生的位置及時間均有一定的差異。

圖1 華北-揚子板塊碰撞區(qū)域大地構造圖（a）及南黃海盆地構造單元和本研究中二維地震剖面位置圖（b）（修改自文獻[5]）F1.古洛南-欒川縫合帶，F2.商丹縫合帶，F3.勉略縫合帶及其延伸部分，F4.五蓮-煙臺斷裂帶，F5.江紹斷裂帶，F6.郯廬斷裂帶。Fig.1 Tectonic map of North China and Yangtze collision zone (a),and tectonic unit map of South Yellow Sea and location map of 2D seismic profiles (b)From reference [5].F1.Paleo-Luonan-Luanchuan suture,F2.Shangdan suture,F3.Mianlue suture and its extension,F4.Gulian-Yantai Fault zone,F5.Jiangshao Fault zone,F6.Tanlu Fault zone.

圖2 前人對于華北-揚子板塊碰撞模型總結 （據文獻 [5,20-26]修改）Fig.2 Previous models for North China-Yangtze collision （from references[5,20-26]）

在陸域的研究中，從以郯廬斷裂作為轉換斷層的雙向俯沖、揚子板塊向北楔入到華北板塊之中，到華北板塊向南俯沖于華南板塊之下，多種不同的大陸拼合模式對于如何整合亞洲大陸東部沉積、深部構造、古地磁等資料提出了挑戰(zhàn)（圖2）。

現階段，主要觀點認為蘇魯造山帶在海域內對應于千里巖隆起帶，而造山帶向朝鮮半島的延伸情況仍然具有一定的爭議；除此之外，陸域連云港斷裂、嘉山響水等主要斷裂與千里巖隆起帶各邊界斷裂的對應關系仍欠缺，哪一條斷裂作為華北-揚子板塊的主要縫合線尚具有爭議[33-36]，不同地球物理方法所獲得的邊界特征具有一定的差異，阻礙了對于海域碰撞縫合帶的認識。

關于華北-揚子板塊碰撞在黃海海域的地殼形態(tài)，前人地震層析成像結果揭示，蘇魯造山帶之下P波速度結構具有復雜的“鱷魚嘴式”形態(tài)，揚子板塊上、下地殼拆離，華北板塊速度異常體楔入其中，在蘇魯造山帶東側過黃海海域地震層析成像剖面中，華北板塊為高速異常體，其上部和下部為揚子板塊低速體[36-37]，揚子板塊上地殼向華北板塊仰沖，而俯沖揚子巖石圈部分留存于華北板塊之下（圖3），該碰撞形態(tài)在后續(xù)的研究中也得到了其他部分學者的支持[38-39]。

由于不同學者運用不同地質證據來提出自身的模型，并且絕大多數研究主要集中于揚子板塊陸域地區(qū)，缺乏對于華北-揚子板塊拼合帶在海域內的延伸情況研究，拼合造山帶在海域的深部構造形態(tài)仍然沒有明確資料進行約束。

本文對華北-揚子板塊碰撞在南黃海海域重力、磁性、地震速度等前人資料進行分析總結，依據項目組近年來在南黃海海域所進行的調查研究工作，通過分析二維地震反射剖面中深部構造信息，對華北-揚子板塊碰撞位置以及深部構造格架提供約束。

圖3 過蘇魯造山帶地震層析成像剖面 （引自文獻 [37]）SK-C：華北板塊地殼，YZ-UC：揚子板塊上地殼，YZ-S：揚子板塊下地殼，圖中揚子板塊呈“鱷魚嘴”形態(tài)，華北板塊楔入其中。Fig.3 Tomography profile across Sulu orogeny（from reference[37]）SK-C.North China crust,YZ-UC.Yangtze upper curust,YZ-S.Yangtze lower crust.The North China block wedged into the crocodile-like Yangtze Block.

1 區(qū)域地質背景

下?lián)P子區(qū)域構造十分復雜，主要發(fā)育近東西—北東、北北東、北西走向構造組成的弧形斷裂-褶皺構造系統(tǒng)。西部靠近郯廬斷裂帶和大別-蘇魯造山帶主要以北東走向的褶皺-斷裂系統(tǒng)為主，向東構造線逐漸轉為北東東—近東西走向[40]。

南黃海海域作為揚子板塊和華北板塊碰撞帶的主要延伸場所具有重要的研究意義。南黃海盆地位于下?lián)P子地塊，占據了下?lián)P子地塊的主體。根據區(qū)域地質特征、重力及磁力異常資料，南黃海盆地在前南華紀結晶基底之上發(fā)育，經歷了中元古代末四堡運動和新元古代晉寧運動的固結回返后，形成變質巖結晶的基底結構。顯生宙以來，南黃海盆地作為揚子地臺的一部分，經歷了加里東、海西、印支—燕山、喜山等多期構造運動。南黃海盆地根據地層沉積展布特征、構造變形樣式、地層保存狀況，陸相中—新生代盆地二級構造區(qū)可劃分為“兩坳夾一隆”。由北向南依次為：煙臺坳陷、嶗山隆起和青島坳陷（圖1）。

南黃海盆地是由中—古生代海相殘留盆地和中—新生代陸相盆地組成的疊合盆地（表1）。震旦紀—志留紀時期南黃海盆地位于揚子板塊被動大陸邊緣之下，開闊臺地相和海陸交互相沉積地層構成了盆地初期發(fā)育的基礎；自志留紀晚期開始，中國南方發(fā)生強烈造山運動，終止了揚子板塊自震旦紀以來的海侵旋回歷史，揚子板塊與華夏古陸碰撞導致江南造山帶的形成，區(qū)域普遍發(fā)生隆升并缺失上志留統(tǒng)和大部分中—下泥盆統(tǒng)，加里東構造期盆地初步形成“兩坳夾一隆”的格局；下?lián)P子晚泥盆世開始發(fā)生明顯海侵，在早二疊世達到頂峰，隨后在早二疊世末期轉換為擠壓匯聚背景，發(fā)生大規(guī)模區(qū)域隆升和海退，南黃海地區(qū)由淺海臺地變?yōu)闉I海沼澤環(huán)境，沼澤相地層和煤系地層為下?lián)P子地區(qū)典型沉積；中三疊世末期發(fā)生印支運動，揚子板塊-華北板塊碰撞拼合形成了大別-蘇魯造山帶，強烈的褶皺造山運動導致區(qū)域的隆升，形成大量的逆沖推覆構造，南黃海盆地進入前陸盆地演化階段；從中生代開始，西太平洋構造域逐漸影響盆地演化，至晚侏羅世—早白堊世，下?lián)P子區(qū)域廣泛發(fā)育伸展作用，大范圍的陸相斷陷盆地沉積疊合于中—古生代海相地層和前陸盆地沉積之上；直至漸新世，南黃海盆地開始坳陷盆地沉積，沉積分布廣泛，構造作用減弱，地層平緩且缺乏變形[41]。以華北-揚子板塊碰撞為代表的印支構造運動作為南黃海區(qū)域最關鍵的構造活動對海相中—古生界產生了最為強烈的改造，強烈的擠壓變形作用影響著區(qū)域內地層。

2 南黃海區(qū)域重磁異常特征

根據重、磁資料，華北-揚子板塊碰撞在下?lián)P子海域具有明顯延伸。在區(qū)域布格重力異常圖中，重力異常具有明顯的分帶性，南黃海盆地以低異常值為背景，在盆地中部和東部疊加高異常；在盆地北側千里巖隆起區(qū)，主要由一系列高異常連接組成，異常幅值為10～50 mGal，異常帶呈北東向展布，其異常特征可以向西追索于蘇魯造山帶所在的位置[42]（圖4）。在重力異常剖面中，千里巖隆起與南北兩側盆地重力異常具有強烈差異，反映了千里巖隆起帶位于揚子-華北板塊碰撞結合帶位置。

同時，對區(qū)域重力異常進行深部的延拓，分別得到向上延拓20 km和50 km的重力異常圖，能夠反映更大區(qū)域尺度上的重力異常特征。在20 km重力異常延拓圖中，千里巖隆起區(qū)和南黃海盆地東部仍表現為較高重力異常特征；在50 km重力異常延拓圖中，千里巖隆起異常區(qū)明顯減弱，而南黃海盆地東部仍展現為明顯的重力高異常帶（圖5）。

在區(qū)域磁異?！鱐圖中，千里巖隆起區(qū)為負磁性異常背景下分布著一系列串珠狀正異常，異常值為100～250 nT，該異常帶將華北與揚子板塊分隔開來，此外千里巖隆起帶內正異常向西與陸域蘇魯造山帶斷續(xù)連接，推測為蘇魯造山帶在海域上的延伸（圖6）。

?

據地表露頭資料顯示，千里巖隆起帶高異常值是由變質巖系、火山巖所引起，其中榴輝巖原巖為拉斑玄武巖系列，與大別-蘇魯造山帶中榴輝巖相似[43]。嶗山隆起東部在重力、磁力異常圖上發(fā)育有相對高異常值，與千里巖隆起及蘇魯造山帶具有一定的相似性。

3 華北-揚子碰撞帶在南黃海海域二維地震剖面上的反映

為了解華北-揚子板塊碰撞在海域內部變形特征，本文選取了南黃海盆地煙臺坳陷北緣自西向東三條地震剖面（剖面 A-A',B-B',C-C'，位置如圖1b所示），三條剖面跨過煙臺坳陷北部邊緣與千里巖隆起的接合部位，能夠從地層及構造特征中提取華北-揚子板塊碰撞的信息。為反映深部構造特征，本次地震剖面提取了12 s深度的反射信息，能夠反映一定深部下地殼和莫霍面的特征。

在二維反射剖面A-A'中（圖7），南黃海盆地基底之上解釋出6組反射層，通過區(qū)域對比解釋，反射層自下而上分別為：南黃海盆地基底頂部反射Tg，Tg反射局部能量較強，大部分能量弱，連續(xù)性差，Tg反射層之上為中—古生界海相地層；海相地層之上為印支構造面反射T8，是南黃海盆地內廣泛識別的角度不整合界面，代表了下三疊統(tǒng)的頂面，反射多為強振幅、低頻，在地震剖面中大部分區(qū)域內連續(xù)性較好；T8反射層之上為T72反射層，區(qū)域對比解釋為下白堊統(tǒng)頂界反射，該套地層主要分布于煙臺坳陷的北部，反射呈中強振幅、中低頻率、連續(xù)性較好，為一套互為平行、能量強、連續(xù)性較好反射軸；之上T71反射層代表中白堊統(tǒng)赤山組和蒲口組頂界，該波組主要分布于煙臺坳陷的東部和中部，為一套平行、能量較強、連續(xù)性較好、中低頻率的反射；T7反射層被解釋為上白堊統(tǒng)或泰州組頂，表現為反射能量中等、連續(xù)性較好，在整個煙臺坳陷可以追蹤對比；解釋剖面最上部，T2反射反映了古近系地層的頂面，為整個區(qū)域上最大的不整合面，該不整合面為古近系與新近系的分界面，T2反射波組一般由兩個相位組成，具有頻率高、連續(xù)性好、振幅強、波形穩(wěn)定、相位平行的特征。

圖4 南黃海海域布格重力異常圖及重力異常剖面 （引自文獻 [42]）Fig.4 Bouguer gravity anomaly map with gravity anomaly section of the South Yellow Sea （from reference [42]）

圖5 南黃海海域布格重力異常上延 20 km、50 km 延拓圖Fig.5 Bouguer 20 km and 50 km prolongation map of South Yellow Sea

而在盆地東側的兩條剖面B-B'（圖8）及C-C'（圖9）中，相比煙臺坳陷西側地震剖面，可以識別出另一套明顯的侏羅系頂界反射層T73，位于T8和T72之間，該反射波主要分布于煙臺坳陷的東北凹，分布范圍很小，表現為中-強振幅、中-低頻率、連續(xù)性較好。

圖6 南黃海海域磁性異常圖及磁性異常剖面 （引自文獻 [42]）Fig.6 Magnetic anomalies map with section of South Yellow Sea （from reference[42]）

圖7 二維地震剖面 A-A'解釋圖Fig.7 Interpreted section of A-A'

在西側地震剖面A-A'中，千里巖隆起與南黃海盆地之間界線明顯，地震剖面中接觸界線由一系列斷續(xù)南傾反射組成，推測為斷層面的反映，斷層向下延伸，并在深度 20 km（～6 s）附近斷層傾角變緩，向南黃海盆地基底內部延伸，展現出拆離帶特征；在千里巖隆起內部，缺乏明顯的反射特征，在剖面北側，千里巖隆起內斷續(xù)反射發(fā)生北傾，呈現一定的背斜形態(tài)，自近地表向南延伸進入到盆地中的煙臺坳陷基底之中。在剖面A-A'深部，缺乏明顯的下地殼反射，在千里巖隆起之下9～10 s深度范圍內存在一系列斷續(xù)反射，為莫霍面反射，莫霍面深度約為30 km；南黃海盆地之下并未識別出莫霍面反射，千里巖隆起之下莫霍面反射并未延伸進入到盆地之下。

圖8 二維地震剖面 B-B’解釋圖Fig.8 Interpreted section of B-B’

在煙臺坳陷東北緣，剖面B-B'及C-C'中可識別出侏羅系，位于邊界斷裂南側，侏羅系在橫向上厚度變化巨大，在盆地邊緣受斷裂活動及擠壓抬升作用影響，地層厚度明顯減薄，而向盆地內部地層厚度顯著增大，顯示出T8反射層之上的地層為受斷層活動影響的生長地層，表明千里巖隆起南緣斷裂主要在侏羅紀早期發(fā)生一期活動，該時期可以大致約束華北-揚子板塊的碰撞時限，碰撞主要發(fā)育于不整合界面T8和T73之間。盆地中斷裂體系經歷了多期活動，主要受新生代伸展活動所影響，在晚三疊世—侏羅紀的華北-揚子板塊碰撞時期為擠壓逆沖斷裂體系，在中生代末期開始發(fā)生構造反轉，斷層受伸展活動影響反轉形成正斷層。在剖面B-B'和C-C'深部，千里巖隆起和南黃海盆地的邊界在深部作為一個拆離帶延伸至南黃海盆地之下7～8 s深度范圍內。在剖面B-B'中，千里巖隆起之下深度～10 s處具有明顯的莫霍面反射，呈斷續(xù)分布，并且在南黃海盆地之下反射消失，而在剖面C-C'中未識別出莫霍面反射。

4 討論

在區(qū)域重、磁異常圖中（圖4,6），最明顯的特征在于存在兩個重磁異常高分布區(qū)，第一個區(qū)域位于南黃海盆地北側的千里巖隆起帶，重力異常呈北東向條帶狀斷續(xù)分布，重力異常值為20～40 mGal，該重力異常的分布形態(tài)與華北-揚子板塊碰撞造山帶的分布具有明顯的一致性；在重力異常向上延拓20 km及50 km圖中（圖5），千里巖隆起帶所對應的高異常特征仍然存在，表明該異常為相對大尺度區(qū)域特征所引起；此外，在重力異常剖面圖中，重力異常向深部具有明顯的延伸，同樣表明該重力異常的形成并不是局部異常所引起。

在區(qū)域磁性異常圖中，千里巖隆起地區(qū)最明顯的特征表現為相對高的磁性異常以串珠狀延伸，高異常值為150～200 nT，千里巖隆起與南黃海盆地界線清晰；相比于南黃海區(qū)域重力異常特征，千里巖隆起帶與陸域地區(qū)的連接性更好，具有更明顯的從蘇魯造山帶延伸至海域地區(qū)的特征。

圖9 二維地震剖面 C-C’解釋圖Fig.9 Interpreted section of C-C’

在南黃海盆地中，嶗山隆起區(qū)具有明顯的高異常，與區(qū)域地震剖面對比，可以證實中部嶗山隆起具有明顯的基底抬升，值得注意的是，嶗山隆起重、磁異常值大小與千里巖隆起帶異常值大小近似，可能表明千里巖隆起帶內物質與揚子板塊具有一定相關性。

南黃海盆地北緣自西向東3條二維地震剖面中，南黃海盆地北部煙臺坳陷與千里巖隆起反射特征差異明顯，南黃海盆地內淺部地層反射清晰，具有明顯沉積盆地特征，與之相比，北側千里巖隆起帶內缺乏清晰反射，但在邊界斷裂處顯示有一系列斷續(xù)反射，推測為揚子板塊深部變質物質折返過程中的痕跡，認為千里巖隆起帶內雜亂反射由深部變質巖所引起，而部分空白反射區(qū)域則可能由于深部巖漿巖所導致。

南黃海盆地與千里巖隆起之間的邊界斷裂在各條地震剖面均為明顯的南傾斷裂，顯示出南黃海盆地在中生代碰撞期間自南向北逆沖的特征，后期在千里巖隆起帶內變質物質折返過程中沿前期斷裂發(fā)生反轉。因此，根據前人研究推測，具有3種可能：①揚子板塊上地殼與下地殼發(fā)生拆離，沿著千里巖隆起仰沖于華北板塊（蘇魯造山帶）之上，下部巖石圈向下俯沖于華北板塊之下，超高壓變質巖沿上地殼縫合位置發(fā)生折返；②揚子板塊整體俯沖于華北板塊之下，南傾邊界僅僅反映了高壓變質巖類似于變質核雜巖的拆離折返過程；③華北板塊向南俯沖于揚子板塊之下，根據 Li et al.的研究結果，其中蘇魯造山帶及其延伸千里巖隆起帶具有向南北兩側逆沖折返特征[5]。

在本次解釋的地震剖面中，千里巖隆起與南黃海盆地以南傾斷層接觸，在近地表附近為向北仰沖的特征。在地震剖面中千里巖隆起之下具有明顯的莫霍面反射，在南黃海盆地之下莫霍面反射消失，而根據陸域地區(qū)深反射地震剖面的結果，北側華北板塊的莫霍面反射強度同樣比揚子板塊內莫霍面反射更強。因此，推測千里巖隆起帶深部莫霍面與揚子板塊無關，可能為華北板塊物質；在千里巖隆起南緣存在一系列南傾反射，并延伸入盆地基底之中，表明千里巖隆起帶具有揚子板塊親緣。在以上可能中，本文更傾向于認為至少在碰撞造山帶南界處，華北板塊向南楔入到南側揚子板塊之中，該“鱷魚嘴形態(tài)”與前人陸域深反射地震剖面、地震層析成像所顯示的結果一致[38-39,44]（圖10），其中在千里巖隆起之下莫霍面形態(tài)平整，并且深度穩(wěn)定在30 km左右，延伸至南黃海盆地北部莫霍面反射消失，認為南黃海盆地北部莫霍面受到華北-揚子板塊碰撞的影響。由于缺乏跨過整個造山帶的地震剖面，暫時無法完整約束華北-揚子板塊碰撞的完整形態(tài)。

圖10 南黃海海域華北-揚子板塊碰撞形態(tài)Fig.10 North China-Yangtze collision in the South Yellow Sea

5 結論

（1）千里巖隆起帶與蘇魯造山帶具有相似的重、磁異常特征，華北-揚子板塊的碰撞結合位置在黃海海域延伸至千里巖隆起帶。

（2）二維地震剖面中南黃海盆地與千里巖隆起的反射特征具有明顯差異，千里巖隆起南界斷層作為整個造山帶的南界。千里巖隆起帶內反射雜亂，南黃海盆地中發(fā)育完整中—古生代海相地層以及中—新生代陸相地層，二者之間明顯的不整合界線T8代表了強烈的地層缺失，反映了印支運動期間華北與揚子板塊的碰撞事件。

（3）千里巖隆起帶南部與南黃海盆地接觸界線呈現南傾特征，顯示在近地表位置揚子板塊呈現向北仰沖的特征，南黃海盆地邊界南傾反射在基底深度顯示出傾角變緩的趨勢，千里巖隆起與南黃海盆地基底巖石具有一定親緣性。

（4）千里巖隆起中，約30 km深度附近具有較清晰、平整的莫霍面反射，與前人陸域深反射地震剖面對比，推測千里巖下地殼可能具有華北地殼特征，揚子板塊上、下地殼發(fā)生拆離，形成“鱷魚嘴式”結構，華北板塊向南楔入到揚子板塊之中。

本研究過程中對于南黃海地區(qū)的深部資料有所欠缺，缺乏更為精確的深部資料用以約束揚子板塊深部形態(tài)。此外，本研究僅涉及南黃海盆地北部邊緣二維地震資料，缺乏延伸揚子-蘇魯-華北整個構造域的地震剖面。