山東省地質(zhì)螺旋構(gòu)造分析

趙勝利，黃 波，楊 濤，曹其琛，孫芳芳

(1.山東黃金集團國際礦業(yè)開發(fā)有限公司，濟南 250000； 2.貴州理工學院 資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550003； 3.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊，貴州 都勻 558000； 4.中國冶金地質(zhì)總局 山東正元地質(zhì)勘查院，濟南 250101； 5.山東正元地質(zhì)資源勘查有限責任公司，濟南 250101)

山東省地處華北陸塊與揚子陸塊北東緣接觸部位，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化過程，成為國內(nèi)地質(zhì)研究最早的地區(qū)之一，具代表性的研究主要有：1)李四光等的“地質(zhì)力學”認為山東處于新華夏系第二隆起與第二沉降層兩個構(gòu)造之上，劃分出經(jīng)(緯)向構(gòu)造、(新)華夏式、魯東“入”字型構(gòu)造和旋轉(zhuǎn)構(gòu)造(魯北帚狀、魯西旋卷及膠西北“S”型構(gòu)造等)[1-2]；2)黃汲青與姜春發(fā)等的“多旋回槽臺說”認為山東是大陸邊緣活動帶，并把山東分屬膠遼臺隆、魯西斷隆、華北斷坳，是華北準地臺的次級構(gòu)造單元[3-4]；3)陳國達等 “地洼說”認為山東新元古代以前為地槽發(fā)展階段，新元古代至中生代為地臺發(fā)展階段，中新生代為地洼發(fā)展階段，魯東為地穹、魯西為地洼[5]；4)張文佑等的“斷塊說”認為基底斷裂對蓋層斷裂和褶皺起著控制作用，強調(diào)郯廬斷裂在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展中的作用[6]。

隨著20世紀80年代末馬曉旻的“旋渦”學說(簡稱“馬氏旋渦”)[7-8]，我們提出了螺旋學說，進一步總結(jié)了地處東亞螺旋NE方向的山東省大地構(gòu)造特征，提出了三個構(gòu)造分區(qū)，成為中國大陸較典型區(qū)域性的螺旋構(gòu)造體系。

1 全球螺旋構(gòu)造

地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性偏向力(北半球向右偏轉(zhuǎn)而南半球向左偏轉(zhuǎn))[9]，最早由法國科學家CORIOLIS于1835年提出(簡稱“科氏力”Fб，圖1)，大氣環(huán)流和洋流是“科氏力”作用下在北半球產(chǎn)生順時針方向和南半球逆時針的流體“旋渦”[7-13]。20世紀80年代末馬曉旻對地殼“旋渦”的研究提出了12個“全球旋渦”構(gòu)造[7-8]，我們提出了全球“螺旋”構(gòu)造(圖1、圖2及圖3)[14-17]，螺旋邊界的勘定以重要構(gòu)造及相鄰應力作用判斷；螺旋中心以周圍構(gòu)造和中心應力特征等判斷，如張震培等與楊少敏等對中國大陸GPS速度場的變形分析[18-19]，確定了東亞螺旋中心位于四川冕寧南部的大致范圍(圖4)。

O—地心；F1—地心引力；F2—自轉(zhuǎn)動力；φ—與赤道面夾角(緯度)； Fб—地球自轉(zhuǎn)偏向力(科氏力)；F—向心擠壓應力；б0—旋轉(zhuǎn)動力圖1 地球螺旋單元產(chǎn)生及應力示意圖(據(jù)黃波等[14-17]略有修改)Fig.1 Schematic diagram of the vortex global spiral tectonic units and stress (Modified slightly according to HUANG Bo et al.[14-17])

圖2 螺旋狀大氣環(huán)流和洋流(流體向心內(nèi)螺旋)(據(jù)黃波等[10]和王安強[12]修編)Fig.2 Spiral atmospheric circulation and ocean currents(Fluid centripetal spiral) (Modified according to HUANG Bo[10]and WANG Anqiang[12])

1—螺旋邊界；2—順時針方向螺旋；3—逆時針方向螺旋；4—螺旋中心圖3 全球螺旋構(gòu)造平面略圖(固體向心內(nèi)螺旋)(據(jù)馬力克等修編[17])Fig.3 Sketch map of the vortex global Spiral geotectonics(modified from MA Like et al[17])

隨著螺旋構(gòu)造的產(chǎn)生，在內(nèi)外因作用下，圓心、半徑及速度呈特定規(guī)律變化，對原有螺旋不斷調(diào)整，經(jīng)過漫長的演化重新產(chǎn)生新螺旋構(gòu)造和相對穩(wěn)定的背景，完成螺旋演化旋回；因此，毛德寶等與李文淵認為地球從太古代—中新生代最少經(jīng)歷了7次超大陸構(gòu)造旋回[21-22]，如新元古代的Rodinia、古生代的Gondwana與中新生代Pangaea等超大陸旋回[21-22]，是不同旋回的演化過程；東亞螺旋屬于中新生代Pangaea演化旋回，其應力主要表現(xiàn)為相互垂直的順時針旋轉(zhuǎn)動力和向心擠壓力。

圖4 東亞螺旋：中國大陸的順時針旋轉(zhuǎn)應力示意圖(據(jù)張培震等[18]和楊少敏等[19]整理成圖)Fig.4 East Asian vortex：diagram of clockwise rotation stress in mainland China (modified from ZHANG Peizhen et al[18]and YANG Shaomin et al[19]))

2 區(qū)域地質(zhì)背景

山東省經(jīng)歷了從太古代—中新生代漫長的地質(zhì)演化，以中新生代Pangaea演化旋回為主的構(gòu)造格局，對應的中新生代沉積、構(gòu)造與巖漿等作用，覆蓋或改造—疊加了前期構(gòu)造形跡。

2.1 地層

山東地層出露較齊全，以中新生代為主，其次為古生代，元古代分布局限，太古代零星分布(表4)。以魯西分區(qū)地層發(fā)育較全；魯東分區(qū)出露不全，主要為白堊系、古近—新近系及第四系等地層；華北分區(qū)主要為第四系厚—巨厚層的覆蓋(圖5)[1]。

太古代零星分布，主要為魯西地區(qū)各類火山巖和碎屑巖經(jīng)歷了中高區(qū)域變質(zhì)變形作用形成的“表殼巖類”；古元古代主要為膠北角閃巖相-麻粒巖相和綠片巖相-低角閃巖相的碎屑巖-碳酸鹽巖建造；中元古代為低角閃巖相的碎屑巖建造；新元古代為碎屑巖-碳酸鹽巖建造和低綠片巖相變質(zhì)的碎屑巖建造[21-23]。寒武-奧陶系廣泛分布于魯西地區(qū)穩(wěn)定型陸表海沉積；石炭-三疊系分布于魯西地區(qū)穩(wěn)定型海陸交互相-陸相含煤碎屑建造；侏羅-白堊系發(fā)育廣泛含煤碎屑巖、陸源碎屑及基性酸性火山巖建造；古近紀主要分布于魯西北平原地區(qū)河湖相的碎屑巖系，含豐富石油、天然氣。新近紀主要為河湖相碎屑巖系；第四系廣布全省，地層厚度、成因類型多變，多為沖洪積、海湖積有關的砂礫、粉細砂、泥質(zhì)與黃土等。

2.2 構(gòu)造

山東構(gòu)造非常發(fā)育，魯西地區(qū)以NNW—NW向與傾向SE為主的疊瓦式褶皺、斷裂及穹隆組合形成隆起區(qū)，沂沭(郯廬)斷裂帶內(nèi)褶皺則較雜亂，魯東地區(qū)以NE—NNE向左旋壓扭性斷裂構(gòu)造為主的隆起區(qū)，NW向斷裂次之，其余方向少見；而魯西南—魯西北坳陷區(qū)因第四系的厚層—巨厚層覆蓋，相應的地質(zhì)信息有限。重要的斷裂構(gòu)造主要為沂沭斷裂與五蓮—即墨—牟平斷裂(圖5及圖6)，前者東部的昌邑—大店斷裂為魯西與魯東的分界，后者主要為膠萊坳陷與蘇魯造山帶的分界。

1)沂沭(郯廬)斷裂帶

沂沭斷裂是郯廬斷裂的山東段，從山東中東部通過，最北端為昌邑以北地區(qū)，經(jīng)莒縣西部，南至郯城以南地區(qū)，長約330 km，總體走向10°～25°，平均17°，寬約20～60 km，北寬南窄。帶內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜，每條主干斷裂都由一組近于平行的斷面組成，其構(gòu)造變形強烈而復雜，對兩側(cè)的沉積與巖漿作用有明顯的控制作用，為陡傾深達地幔的斷裂，其中昌邑-大店斷裂切入莫霍面33 km左右，屬超殼斷裂[1]。

圖5 山東省區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.5 Regional geological map of Shandong province

2)五蓮—即墨—牟平斷裂帶

該斷裂是揚子—華北陸塊的分界斷裂，北起牟平，經(jīng)即墨和五蓮，南西至莒縣，全長約310 km，總體走向NE，傾向NNW，傾角60°～80°。構(gòu)成了蘇魯造山帶與膠遼隆起區(qū)分界，其中五蓮—即墨斷裂為膠萊坳陷的邊界斷裂。帶內(nèi)構(gòu)造巖為碎裂巖化巖石、構(gòu)造角礫巖及斷層泥發(fā)育；主要蝕變?yōu)楣杌?、褐鐵礦化、碳酸鹽化，并有角閃二長斑巖—閃長玢巖脈、煌斑巖脈、正長斑巖脈、石英脈等巖脈(群)發(fā)育。

2.3 巖漿巖

山東省巖漿活動強烈，從太古代到新生代均有發(fā)育，主要出露于魯西與魯東分區(qū)。

1)火山巖

山東火山巖從太古代到新生代，以中生代活動最為強烈。從超基性、基性、中基性、偏堿-中酸性熔巖及火山碎屑巖、潛火山巖等。根據(jù)其分布特點，分為新太古代、元古代、中生代和新生代四個期次，其中前南華紀火山巖受到不同程度的區(qū)域變質(zhì)作用，具明顯的區(qū)帶特征(表1)。

表1 山東省火山巖特征簡表Table 1 The simplified chart of characteristics of volcanic rocks in Shandong province

2)侵入巖

山東省侵入巖類發(fā)育，廣泛出露于東南沿海、半島北部、沂沭斷裂帶內(nèi)及魯西等廣大地區(qū)，面積約3.1萬km2，具明顯分帶性和多旋回特點，主要以中生代侵入巖最為發(fā)育(表2)。

表2 山東省主要侵入巖特征簡表

2.4 蘇魯造山帶

該帶位于揚子陸塊與華北陸塊接合的南部，五蓮—即墨—牟定斷裂以南的北東向隆起區(qū)(圖5、圖6)；北東起威海，經(jīng)青島至臨沭，出露長約470 km，出露寬度20～50 km，并延伸入江蘇境內(nèi)的洪澤湖，全長約600 km，自北向南分為7個高壓—超高壓變質(zhì)帶(表3)。

表3 蘇魯造山帶七個主要高壓—超高壓巖相變質(zhì)帶簡表

資料來源：山東區(qū)域地質(zhì)志(下)(2017)整理，P1381。

3 構(gòu)造演化

山東經(jīng)歷了從太古代—中新生代的地質(zhì)演化，各時代的沉積作用、巖漿活動、變質(zhì)作用及構(gòu)造旋回，劃分為五個階段、九個構(gòu)造旋回及主要的構(gòu)造事件等(表4)，以中新生代匯聚造山作用的Pangaea超大陸旋回尤為突出，對應的沉積、構(gòu)造與巖漿等作用，覆蓋或改造—疊加了前期構(gòu)造形跡，形成了前中生代與中新生代Pangaea演化旋回的構(gòu)造格局。

1)前中生代構(gòu)造演化旋回

阜平旋回及更老：是最重要的地殼增生期，通過地殼裂陷沉積綠巖以及上地幔分異的TTG類巖漿加積和加厚增生；呂梁旋回魯東發(fā)育海相地層及裂谷型基性—超基性巖，魯西缺失，膠北地區(qū)表殼巖變形強烈；晉寧旋回完成了克拉通化過程；揚子旋回中，華北克拉通自新元古代至早寒武期處于穩(wěn)定隆升階段，而揚子克拉通有大規(guī)模增生型巖漿活動與盆地發(fā)育；加里東旋回魯西主要表現(xiàn)為被動大陸邊緣盆地和陸表海沉積，在晚奧陶世大規(guī)模的隆起和伴有幔源金伯利巖侵入，晚奧陶-早石炭世的剝蝕以魯東缺失尤突出；華力西旋回是魯西區(qū)最重要的成煤期，魯東缺失，該期構(gòu)造以升降運動為主[22-24]。

2)中新生代構(gòu)造演化旋回

對應的印支—燕山—喜馬拉雅旋回，其中印支運動揚子板塊開始向華北克拉通俯沖，兩板塊對接碰撞，拼合成Pangaea超大陸，形成統(tǒng)一的中國大陸，開始了由從前的南、北差異，轉(zhuǎn)變成東西分野的另一重要構(gòu)造演化期，開啟Pangaea超大陸的演化旋回。燕山旋回是山東最為顯著的構(gòu)造運動，奠定了當今構(gòu)造格局；尤其是沂沭斷裂帶的左行走滑斷裂強烈活動，伴隨巖漿活動較強烈及構(gòu)造盆地發(fā)育。喜馬拉雅旋回為裂陷及斷塊活動，在燕山期斷裂基礎上重新活動，新生斷裂較少。

表4 山東省大地構(gòu)造發(fā)展及構(gòu)造旋回劃分

4 山東省螺旋構(gòu)造分析

1)山東省經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化過程，各時代地層出露較齊全，以中新生代為主；巖漿活動從太古代到新生代，以中生代活動強烈，尤其以燕山旋回最為顯著，奠定了當今構(gòu)造格局；由此對應的中新生代沉積、構(gòu)造與巖漿等作用，覆蓋或改造—疊加了前期構(gòu)造形跡，形成了以中新生代Pangaea演化旋回和東亞螺旋作用為主的構(gòu)造格局，并成為中國大陸螺旋構(gòu)造中較為典型的區(qū)域性構(gòu)造。

2)蘇魯造山帶是全球規(guī)模最大的超高壓變質(zhì)帶，多具榴輝巖相的高壓—超高壓變質(zhì)作用(表3)，眾多學者如許志琴等、胡建等與楊經(jīng)綏等認為發(fā)生在印支期的220～240 Ma[25-28]，屬印支期Pangaea超大陸初始拼合產(chǎn)物[1，20-21]，呈NE—SW向展布，為揚子板塊向華北板塊俯沖的產(chǎn)物，或為太平洋板塊向歐亞板塊碰撞產(chǎn)生[1，29-30]；從魯東地區(qū)主要的斷裂構(gòu)造來看，傾角多集中于60°～80°或更陡，均為左旋(行)壓扭，以及魯東的隆起，其主應力方向來自于NE向SW的擠壓，與東亞螺旋向心擠壓力與順時針旋轉(zhuǎn)的方向一致。

3)沂沭(郯廬)斷裂總體呈NNE向展布的左行走滑斷裂，走滑量約760 km，南端延伸至湖北武穴，向北穿越東北三省延伸，總長約3 000 km，北寬南窄，北部最寬處約200 km，南部一般10～20 km[30-31]；在山東境內(nèi)北部寬約60 km，南部20 km，具明顯螺旋作用的向中心收縮特點。

喬秀夫等[31]認為沂沭斷裂在太古代或元古代產(chǎn)生，具多期性活動特點；朱光等[32]認為在古生代—中生代早期伴隨秦嶺造山帶的板塊俯沖產(chǎn)生走滑斷裂；梁光河則認為其形成于侏羅世[33]；我們認為以上學者的爭議雖大，從沂沭(郯廬)斷裂內(nèi)主要蓋層褶皺軸向混亂，表明其經(jīng)歷了多期次構(gòu)造活動與疊加或改造，在受到東亞螺旋向心擠壓力與順時針旋轉(zhuǎn)作用時，伴隨沂沭斷裂的NNE—NE向滑動的轉(zhuǎn)換作用。

4)魯西區(qū)的構(gòu)造特征以NNW—NW向構(gòu)造組合與隆起為特點，主要的褶皺多呈NNW—NW向褶皺與穹隆，形成大致的NNW—NW向疊瓦式褶皺組合，與其東側(cè)的沂沭斷裂，則形成魯西分區(qū)特有的“入”字弧狀構(gòu)造、牽引帚狀構(gòu)造、扇狀構(gòu)造、環(huán)狀構(gòu)造、近放射狀張性斷裂、鏟式斷裂體、鋸齒狀斷裂體及負花狀斷裂體等多種構(gòu)造體系[1]，具明顯的螺旋(或局部)特征。因此以李四光為代表的“地質(zhì)力學”劃分出經(jīng)(緯)向構(gòu)造、(新)華夏式、魯東“入”字型構(gòu)造和旋轉(zhuǎn)構(gòu)造(魯北帚狀、魯西旋卷及膠西北“S”型構(gòu)造等)[1-2]，具明顯的螺旋構(gòu)造特征。

5)印支運動引起的揚子塊向華北塊俯沖，或太平洋板塊向歐亞板塊碰撞過程，是東亞螺旋作用產(chǎn)生的向心擠壓作用與順時針旋轉(zhuǎn)作用(圖6)的結(jié)果，產(chǎn)生沿威?！R沭的NE向蘇魯高壓—超高壓變質(zhì)帶、膠萊坳陷與膠遼隆起的魯東地區(qū)的NNE—NE向構(gòu)造體系，向西經(jīng)沂沭滑動斷裂的轉(zhuǎn)換，到達魯西地區(qū)，由于魯西地區(qū)的阻擋，形成一系列NNW—NW構(gòu)造及疊瓦褶皺組合的魯西隆起，往魯西南—魯西北的華北分區(qū)，形成了華北坳陷區(qū)及廣泛分布的第四系，其分布范圍大致為“3∶4∶3”的特點，造就了山東獨特的“343”式“丫”字形大地構(gòu)造背景。

6)魯東區(qū)由膠遼隆起、膠萊坳陷及蘇魯造山帶組成(圖6)，蘇魯造山帶以高壓—超高壓變質(zhì)為特點，主要為榴輝巖相的前期基底原巖在印支運動的區(qū)域性強變質(zhì)作用[1，34]，對金的活化具重要作用，提供了重要的成礦物源；膠萊以坳陷盆地為特點，是蘇魯隆起與膠遼隆起的過渡帶，不利于金的富集與沉淀；而膠遼隆起為NNE—NE向構(gòu)造及穹隆等組合，為后期以金為主的熱液提供了相對集中的富集背景。

7)山東省螺旋構(gòu)造分區(qū)及劃分依據(jù)

總的來說，山東位于東亞螺旋NE28°～42°方向1 400～2 200 km范圍(圖6)，順時針旋轉(zhuǎn)動力與向心擠壓力，在中新生代Pangaea超大陸演化過程和東亞螺旋作用下，對應構(gòu)造應力為向心擠壓力(F)與順時針方向旋轉(zhuǎn)動力(б0)的共同作用，隨著中新生代的沉積、構(gòu)造及巖漿活動等作用，覆蓋或改造—疊加了前期構(gòu)造形跡，形成了以濟寧—聊城—齊河—廣饒—昌邑沿線和沂沭(郯廬)斷裂為界，劃分為華北場坳陷(I1)、魯西隆起(I2)與魯東隆起(I3)三個構(gòu)造分區(qū)；魯東分區(qū)由北向南進一步劃分為膠遼隆起(I31)、膠(州)萊(陽)坳陷(I32)與蘇魯造山帶(I33)，蘇魯造山帶與膠萊坳陷分界為五蓮—即墨—牟平斷裂，而膠萊坳陷與膠遼隆起大致以平度—萊陽沿線為界；其中華北坳陷(I1)以第四系(Q)厚—巨厚層沉積為特點，各具不同的地質(zhì)背景，并作為劃分依據(jù)。

8)山東省以多期強烈的構(gòu)造旋回、沉積作用與巖漿活動為特點，提供了豐富的深源性高密度成礦物質(zhì)，尤其是中生代強烈的巖漿活動[33-35]與蘇魯造山帶的超高壓變質(zhì)過程，對應的溫度、壓力與流體的強動力作用，活化了前期巖體中以金為代表的成礦物質(zhì)的疊加，往西的魯西隆起及NNW—NW向構(gòu)造組合及疊瓦式褶皺的阻擋，使以金為主要的成礦物質(zhì)封閉于煙臺至高密一帶，基本以招遠為中心的成礦帶，造就了全國最大金礦成礦帶及我國最重要的資源大省之一[1，14-16，35-36]。

I1—華北坳陷；I2—魯西隆起；I3—魯東隆起；I31—膠遼隆起； I32—膠(州)萊(陽)坳陷；I33—蘇魯造山帶；б0—旋轉(zhuǎn)動力；F—向心擠壓力圖6 東亞螺旋與山東省大地構(gòu)造分區(qū)略圖Fig.6 East Asian spiral and geological structural unit map of Shandong province

5 結(jié)論

1)山東中新生代沉積、構(gòu)造與巖漿等作用，覆蓋或改造—疊加了前期構(gòu)造形跡，形成了以中新生代Pangaea演化旋回和東亞螺旋作用為主的構(gòu)造格局，成為中國大陸螺旋構(gòu)造中較為典型的區(qū)域性構(gòu)造。

2)山東位于東亞螺旋NE28°～42°方向1 400～2 200 km范圍，中新生代東亞螺旋作用產(chǎn)生的向心擠壓作用與順時針旋轉(zhuǎn)作用下，產(chǎn)生了魯東隆起的NNE—NE向構(gòu)造體系，向西經(jīng)沂沭(郯廬)滑動斷裂的轉(zhuǎn)換，形成了魯西隆起的NNW—NW向構(gòu)造體系，以及魯西南—魯西北坳陷區(qū)，造就了山東獨特的“343”式“丫”字形的大地構(gòu)造背景。

3)山東以多期強烈的構(gòu)造旋回、沉積作用與巖漿活動為特點，提供了豐富的深源性高密度成礦物質(zhì)，中生代強烈的巖漿活動與蘇魯造山帶的超高壓變質(zhì)過程，活化了前期巖體中以金為代表的成礦物質(zhì)的疊加，往西部魯西的隆起及NNW—NW向構(gòu)造組合的阻擋，使以金為主的成礦物質(zhì)封閉于煙臺至高密一帶有利成礦部位，形成大致以招遠為中心的國內(nèi)最大金礦成礦帶，使山東省成為我國最重要的資源大省之一。